KR101514894B1 - A method and system for fluorecence-free detection of a target biomolecule using wavelength-dependent differential interference contrast microscopy - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 표적 생체분자의 비형광 검출방법 및 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a non-fluorescent detection method and system of target biomolecules.
생체분자의 상호작용 검출을 위한 고체기질 위에서의 분석법인 어레이 기술은 질병이나 치료를 목적으로 하는 연구를 위해 오늘날 크게 관심을 받고 있다. 생체분자의 프로파일 (profile)의 스크리닝을 위한 마이크로-어레이의 이용은 특정 생체분자의 동정이나 약품개발과 같은 산업적인 기준이 되어왔다. 하지만, 마이크로-어레이는 상대적으로 많은 시료의 양과 긴 반응시간을 요구할 뿐만 아니라 검출 감도에 한계가 있다. 나노-어레이는 이러한 문제점을 극복하여 분석결과의 정확도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 고속대량스크리닝 (high-throughput screening, HTS)을 위해 개발되기 시작했다. 20세기에 들어서면서 나노-어레이칩은 나노식각기술을 이용하여 기존의 마이크로-어레이의 스팟 크기를 나노미터 크기로 줄이거나, 탄소나노튜브를 이용한 탄소나노튜브 나노전극어레이를 제조하기에 이르렀다. 최근에는 플라즈몬 나노어레이 바이오칩이 개발됨으로써, 형광염료나 효소의 사용이라는 복잡한 절차없이 비형광 검출이 가능하게 되었다(IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines 131, 425-426, 2011; Talanta 104, 32-38, 2013). 그러나 나노바이오칩 상에서 분광학적 방해없이 특정 생체분자를 고감도로 선택적으로 검출할 수 있는 비형광 검출방법은 여전히 확립되지 않았다.
Array technology, an assay on solid substrates for the detection of biomolecular interactions, is of great interest today for research aimed at disease or therapeutic applications. The use of micro-arrays for screening biomolecular profiles has become an industry standard, such as the identification of certain biomolecules or drug development. However, the micro-array not only requires a relatively large amount of sample and a long reaction time but also has a limitation in detection sensitivity. Nano-arrays have been developed for high-throughput screening (HTS) as well as for increasing the accuracy of the analysis results by overcoming these problems. In the 20th century, nano-array chips used nano-etching technology to reduce the spot size of conventional micro-arrays to nanometer size, and to fabricate carbon nanotube nanodevice arrays using carbon nanotubes. In recent years, plasmon nanoarray biochips have been developed to enable non-fluorescent detection without complicated procedures such as the use of fluorescent dyes or enzymes (IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines 131, 425-426, 2011; Talanta 104, 32-38, 2013 ). However, a non-fluorescent detection method capable of selectively detecting a specific biomolecule with high sensitivity without spectroscopic interference on the nano-biochip has not yet been established.
본 발명자들은 금속 나노 바이오칩을 이용하여 미량의 표적 생체분자를 비형광 검출방법에 의해 정량분석할 수 있는 방법을 찾고자 연구 노력한 결과, 바이오칩 상에 형성된 금속 나노패턴과 흡수 스펙트럼이 중첩되지 않는 금속 나노입자를 표지한 검출분자를 이용하고, 2개의 울러스턴 프리즘과 선택적 대역통과필터 등을 구비한 현미경을 이용하여 미분간섭대비 신호를 검출하는 동시에 상기 금속 나노입자의 플라즈몬 공명산란 세기를 측정함으로써 미량의 표적 생체분자를 정량분석할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
As a result of efforts to find a method for quantitatively analyzing a trace amount of target biomolecules by a non-fluorescent detection method using a metal nano-biochip, the present inventors have found that metal nanoparticles formed on a bio-chip and metal nanoparticles A detection signal indicative of differential interference is detected using a microscope having two Ulster prisms and a selective band pass filter and the plasmon resonance scattering intensity of the metal nanoparticles is measured, The present inventors have confirmed that biomolecules can be quantitatively analyzed and completed the present invention.
본 발명은 표적 생체분자의 비형광 검출방법에 있어서, (a) 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 포획분자를 포함하는 제1금속-나노패턴된 기판을 포함하는 나노 바이오칩을 분석시료와 반응시키는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 준비한 나노 바이오칩을 제2금속을 포함하는 비형광 나노입자로 표지되고 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 검출분자와 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에 따른 나노 바이오칩으로부터 상기 제2금속을 포함하는 나노입자의 미분간섭대비(differential interference contrast; DIC) 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것인 검출방법을 제공한다.
The present invention relates to a non-fluorescent detection method for a target biomolecule, comprising the steps of: (a) reacting a nano-biochip comprising a first metal-nanopatterned substrate comprising a capture molecule specifically binding to the target biomolecule with an analytical sample ; (b) reacting the nano-biochip prepared in step (a) with a detection molecule labeled with a non-fluorescent nanoparticle containing a second metal and specifically binding to the target biomolecule; And (c) detecting a differential interference contrast (DIC) signal of the nanoparticles containing the second metal from the nanobiochip according to the step (b).
또한, 본 발명은 표적 생체분자의 비형광 검출방법에 있어서, (a) 제2금속을 포함하는 비형광 나노입자로 표지되고 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 검출분자와 분석시료를 반응시키는 단계; (b) 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 포획분자를 포함하는 제1금속-나노패턴된 기판을 포함하는 나노 바이오칩을 상기 (a) 단계에서 준비한 분석시료와 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에 따른 나노 바이오칩으로부터 상기 제2금속을 포함하는 나노입자의 미분간섭대비 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것인 검출방법을 제공한다.
The present invention also provides a non-fluorescent detection method for a target biomolecule, comprising the steps of: (a) reacting an assay sample with a detection molecule labeled with a non-fluorescent nanoparticle containing a second metal and specifically binding to the target biomolecule step; (b) reacting a nano-biochip comprising a first metal-nanopatterned substrate comprising a capture molecule that specifically binds to the target biomolecule with the analytical sample prepared in step (a); And (c) detecting a differential interference interference signal of the nanoparticles containing the second metal from the nanobiochip according to the step (b).
나아가, 본 발명은 상기 나노 바이오칩을 이용한 표적 생체분자 검출을 위한 미분간섭대비 신호 검출용 시스템으로서, 수직으로 일정 간격 이격되어 차례로 배열된, 광원; 편광기; 제1 울러스턴 프리즘(Wollaston prism); 금속 패턴 상에 고정된, 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 포획분자를 포함하는 제1금속-나노패턴된 기판을 포함하는 나노 바이오칩; 대물렌즈; 제2 울러스턴 프리즘(Wollaston prism); 및 검출부를 포함하는, 시스템을 제공한다.
Furthermore, the present invention provides a system for detecting differential interference due to detection of a target biomolecule using the nano-biochip, comprising: a light source, which is sequentially arranged at regular intervals; Polarizer; A first Wollaston prism; A nano-biochip comprising a first metal-nanopatterned substrate immobilized on a metal pattern and including capture molecules that specifically bind to a target biomolecule; An objective lens; A second Wollaston prism; And a detection unit.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 검출방법은 상기 제2금속을 포함하는 비형광 나노입자를 검출함에 있어서, 제1금속-나노패턴의 광학적 간섭을 최소화하기 위하여, 상기 제2금속을 포함하는 비형광 나노입자와 제1금속-나노패턴의 흡수 스펙트럼이 서로 중첩되지 않는 것이 특징이다. 그러므로 미분간섭대비 신호를 각각 다른 파장에서 검출함으로써 상기 나노입자의 선택적인 검출이 가능하다.In the detection method according to the present invention, in detecting the non-fluorescent nanoparticles containing the second metal, in order to minimize the optical interference of the first metal-nanopattern, the non-fluorescent nanoparticles containing the second metal and the non- 1 metal-nanopatterns do not overlap with each other. Therefore, selective detection of the nanoparticles is possible by detecting differential interference contrast signals at different wavelengths.
따라서, 본 발명에 따른 표적 생체분자의 비형광 검출을 위한 미분간섭대비 신호의 검출은 파장-의존적 신호검출을 위해 선택적 대역통과필터(bandpass filter)를 통해 수행되는 것이 바람직하다.
Therefore, it is preferable that detection of the differential interference signal for non-fluorescence detection of the target biomolecule according to the present invention is performed through a selective band pass filter for wavelength-dependent signal detection.
본 발명의 용어, "나노 바이오칩"은 나노기술을 접목하여 제조한 바이오칩을 의미하며, 나노기술이란 기존 바이오칩에 사용되었던 기술에 비하여 칩 자체의 크기나 구성요소를 소형화하거나 감도를 향상시키거나, 기존 기술로 불가능하였던 스마트 기능을 수행할 수 있도록 하는 칩을 말한다. 본 발명에서 나노바이오칩은 바람직하게는 금속으로 나노패턴화된 바이오칩일 수 있다. 본 발명의 나노바이오칩은 다른 파장에서 파장-의존 선택적으로 흡수하는 성질을 갖는 금속 나노입자가 결합된 검출분자와 표적분자를 사이에 두고 결합될 수 있다.The term "nano biochip" as used herein refers to a biochip produced by combining nanotechnology. The nanotechnology is a technology that reduces the size and components of a chip itself, increases sensitivity, It is a chip that enables smart functions that were impossible with technology. In the present invention, the nano-biochip may preferably be a bio-chip nanopatterned with a metal. The nano-biochip of the present invention can be bound with a target molecule bound to a detection molecule to which metal nanoparticles having a property of absorbing wavelength-dependently selectively at other wavelengths are bound.
본 발명의 용어, "비형광 검출(fluorescence-free detection)"은 형광 이외의 수단을 이용한 검출방법을 총칭하는 것으로, 대표적으로 흡수, 산란 등을 이용한 검출방법을 포함한다. 형광은 현재 널리 사용되고 있는 검출방법이나, 민감도 및/또는 안정성이 낮고, 광표백이나 소광현상으로 인해 장시간 검출이 어렵다는 단점으로 인해, 이를 대체할 수 있는 검출방법의 필요성이 크게 대두되고 있다.The term "fluorescence-free detection" of the present invention collectively refers to detection methods using means other than fluorescence, and typically includes detection methods using absorption, scattering, and the like. Fluorescence is a widely used detection method, but it has a problem of low sensitivity and / or stability, and it is difficult to detect for a long time due to photobleaching or extinction phenomenon. Therefore, there is a great need for a detection method that can replace the fluorescence.
본 발명의 용어, "미분간섭대비(differential interference contrast; DIC)"는 염색되지 않은 투명한 시료에서 대비를 향상시키기 위해 사용되는 광학현미경조명기법(optical microscopy illumination technique)이다. DIC는 시료의 광학적 경로 길이에 대한 정보를 얻기 위한 간섭법의 원리에 의하며, 이에 따라 이외의 방법으로는 보이지 않는 형태를 가시화한다. 생성되는 이미지는 회색 바탕에 흑백으로 나타난다. 이러한 이미지는 밝은 회절 광륜(bright diffraction halo)이 없는 것을 제외하고 위상차현미경(phase contrast microscopy)에 의해 얻어지는 것과 유사하다. DIC는 편광된 광원을 시료 평면에서 공간적으로 대체(전단)되고(displaced or sheared) 관찰 전에 재결합되는(recombined) 2개의 직각으로 편광된 서로 규칙적인 부분으로 분리함으로써 작동한다. 재결합시 두 부분의 간섭은 굴절률(refractive index) 또는 기하학적 경로 길이(geometric path length)에 의해 발생하는 그들의 광학적 경로차(optical path difference)에 감응한다.
The term "differential interference contrast (DIC)" of the present invention is an optical microscopy illumination technique used to improve contrast in an unstained transparent sample. The DIC is based on the principle of the interference method to obtain information about the optical path length of the sample, thereby visualizing the invisible form by other methods. The resulting image will appear in black and white on a gray background. This image is similar to that obtained by phase contrast microscopy, except that there is no bright diffraction halo. The DIC works by separating the polarized light source into two orthogonally polarized, mutually regular portions that are spatially displaced (sheared) and sheared (spotted) at the sample plane and recombined before observation. The interference of the two parts upon recombination is sensitive to their optical path difference caused by the refractive index or the geometric path length.
본 발명에서 "분석시료"는 본 발명의 나노 바이오칩에 처리할 수 있는 시료라면 제한없이 포함하며, 특히 나노 바이오칩에 균등하게 처리할 수 있는 액상 시료일 수 있다. 본 발명에서 분석시료는 표적 생체분자를 포함할 수 있는 모든 물질일 수 있으며, 특히 생체가 노출되거나 생체에 처리되는 각종 물질들과 생체에서 분리된 물질들일 수 있다. 상기 생체에서 분리된 물질들은 구체적으로는, 혈액, 소변, 콧물, 세포, 추출된 DNA, RNA, 단백질 등일 수 있다.In the present invention, the "analytical sample" includes any sample that can be processed into the nanobiochip of the present invention, and may be a liquid sample that can be uniformly treated on the nanobiochip. In the present invention, the analytical sample may be any substance capable of containing a target biomolecule, and may be various substances exposed to or exposed to the living body and substances separated from the living body. The substances separated from the living body may specifically be blood, urine, runny nose, cells, extracted DNA, RNA, protein, and the like.
본 발명의 용어, "생체분자"는 생체 내외에서 발견될 수 있는 물질로서, 생체에 특정 반응을 일으키거나 특정 상태나 반응에 의해 발생하는 모든 물질을 말한다. 상기 생체분자는 DNA, RNA, 항원, 항체, 리간드, 킬레이트, 수용체, 폴리머, 유기화합물, 금속이온 및 폴리펩티드일 수 있다. 본 발명의 용어, "표적 생체분자"는 본 발명의 검출방법으로 존재 또는 함량을 확인하고자 하는 대상 물질을 의미하며, 구체적으로는 상기 포획분자 및 검출분자와 특이적 상호반응을 하는 물질을 의미한다. 역으로 말하면, 분석하고자 하는 표적 생체분자에 대해 특이적으로 상호작용하는 분자를 포획분자 및 검출분자로 사용할 수 있다.The term "biomolecule" of the present invention refers to a substance that can be found in and / or out of a living body, and refers to any substance that generates a specific reaction to a living body or is caused by a specific state or reaction. The biomolecule may be DNA, RNA, an antigen, an antibody, a ligand, a chelate, a receptor, a polymer, an organic compound, a metal ion and a polypeptide. The term "target biomolecule" of the present invention means a substance to be present or to be detected by the detection method of the present invention, specifically, a substance that specifically interacts with the capture molecule and the detection molecule . Conversely, molecules that specifically interact with the target biomolecule to be analyzed can be used as capture molecules and detection molecules.
본 발명의 용어, "포획분자"는 본 발명의 검출방법에 있어서 나노 바이오칩의 금속 나노패턴 상에 고정된 분자를 의미하며, 분석하고자 하는 표적 생체분자와 특이적으로 상호작용하여 분석시료 중 표적 생체물질을 포획분자가 고정된 위치에 고정시켜 검출 가능하도록 한다. 따라서, 상기 포획분자는 상기 표적 생체분자와 결합할 수 있는 모든 종류의 분자를 의미한다. 또한, 본 발명에서 금속 나노입자로 표지되는 "검출분자" 또한 상기 포획분자와 마찬가지로 표적 생체분자와 결합할 수 있는 모든 종류의 분자를 의미한다. 바람직하게는, 본 발명에서 포획분자 또는 검출분자는 단백질, 유전자, 지질, 효소, 앱타머(aptamer) 및 리간드 중 어느 하나일 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 포획분자 또는 검출분자는 항체일 수 있다.The term "capture molecule" of the present invention means a molecule immobilized on a metal nano-pattern of a nano-biochip in the detection method of the present invention, and specifically interacts with a target biomolecule to be analyzed, The substance is immobilized in a fixed position where the capture molecules are detectable. Thus, the capture molecule refers to any kind of molecule capable of binding with the target biomolecule. Further, the "detecting molecule" labeled with metal nanoparticles in the present invention means any kind of molecule capable of binding with a target biomolecule in the same manner as the capturing molecule. Preferably, the capture molecule or the detection molecule in the present invention may be any one of a protein, a gene, a lipid, an enzyme, an aptamer and a ligand. More preferably, the capture molecule or detection molecule may be an antibody.
바람직하게, 상기 포획분자는 항원, 항체, 리간드, 수용체, 킬레이트, 앱타머, DNA 및 이들의 조합일 수 있으며, 상기 검출분자 또한 항원, 항체, 리간드, 수용체, 킬레이트, 앱타머, DNA 및 이들의 조합일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Preferably, the capture molecule may be an antigen, an antibody, a ligand, a receptor, a chelate, an aptamer, a DNA and combinations thereof, and the detection molecule may also be an antigen, an antibody, a ligand, a receptor, a chelate, But is not limited thereto.
본 발명에 따른 검출방법에 사용되는 나노 바이오칩용 기판은 유리(glass), 용융 실리카(fused silica), 석영(quartz), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate); PMMA) 중 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 기판은 10 nm 내지 1 mm의 두께를 갖는 빛의 투과가 가능한 유리 또는 고분자 재질일 수 있다.
The substrate for a nano-biochip used in the detection method according to the present invention may be glass, fused silica, quartz, polydimethylsiloxane (PDMS), poly (methyl methacrylate ), And PMMA). Preferably, the substrate may be glass or a polymeric material capable of transmitting light having a thickness of 10 nm to 1 mm.
본 발명에서 용어, "나노패턴"은 나노미터 단위의 반복된 패턴을 의미한다. 구체적으로 본 발명에서 나노패턴은 바람직하게는 0.1 내지 1000nm의 직경을 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 내지 500nm의 직경을 가질 수 있다. 상기 나노패턴의 간격(pitch)은 1 nm 내지 100 um일 수 있으며, 바람직하게는 10 nm 내지 10 um일 수 있다. 또한, 본 발명의 나노패턴은 가로 배열될 수 있다. 바람직하게는, 상기 나노패턴은 잉크젯 나노프린팅, 전자빔 식각(e-beam lithography) 및 원자힘현미경-디펜나노식각(atomic force microscope-dip pen nanolithography, AFM-DPN) 등의 나노식각(nanolithography) 기술 중 어느 하나에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 나노패턴은 금속으로 나노패턴화된 것일 수 있다. 또한, 상기 나노패턴의 형태에는 제한을 두지 않는다. 금속 나노패턴의 모양에 따라서도 플라즈몬 공명이 달라질 수 있으므로 다양한 모양에 따른 패턴을 이용하는 것이 가능하다. 바람직하게는 원형 또는 사각형의 금속 나노패턴일 수 있다. 바이오칩을 금속으로 나노패턴화할 경우에는 금속의 특성에 따라 특정 화학 반응이나 결합이 용이할 수 있으며, 특히, 항체, 앱타머 등의 포획분자를 연결하기에 용이하다. 이에 따라, 본 발명의 나노패턴은 더욱 바람직하게는, 티올기(-SH)를 이용한 공유결합이 용이한 금 나노패턴일 수 있다.
In the present invention, the term "nanopattern" means a repeated pattern of nanometer units. Specifically, in the present invention, the nanopattern may have a diameter of preferably from 0.1 to 1000 nm, more preferably from 1 to 500 nm. The pitch of the nanopattern may be between 1 nm and 100 um, preferably between 10 nm and 10 um. In addition, the nanopattern of the present invention may be arranged in a lateral direction. Preferably, the nanopattern is a nanolithography technique such as inkjet nano-printing, e-beam lithography, and atomic force microscope-dip pen nanolithography (AFM-DPN) And is manufactured by either one. Preferably, the nanopattern may be nanopatterned with a metal. In addition, the shape of the nanopattern is not limited. Because the plasmon resonance can be varied depending on the shape of the metal nanopattern, it is possible to use a pattern according to various shapes. Preferably a circular or rectangular metal nano pattern. In the case of nanopatterning a biochip with a metal, a specific chemical reaction or binding can be easily performed depending on the characteristics of the metal. In particular, it is easy to connect capturing molecules such as an antibody and an aptamer. Accordingly, the nanopattern of the present invention may more preferably be a gold nanopat pattern that facilitates covalent bonding using a thiol group (-SH).
본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 본 발명에서는 나노바이오칩에 금으로 나노패턴화하였다. 구체적으로는, 금 나노패턴은 10 mm2 유리 기질 위에 전자빔식각기술 (electron beam nanolithography)을 통해 국가나노종합팹센터 (Daejeon, South Korea)에서 공정하였다. 나노어레이는 전자빔증착을 통해 100 nm와 500 nm 직경을 갖는 금 스팟을 10 μm 간격으로 4 x 5 나노배열을 하여 사용하였다(도 2).
According to a specific embodiment of the present invention, the nanobiochip is nanopatterned with gold in the present invention. Specifically, gold nanopatterns were processed on a 10 mm 2 glass substrate by electron beam nanolithography at the National Nanotechnology Fab Center (Daejeon, South Korea). Nano-arrays were fabricated by electron beam deposition using gold spots with diameters of 100 nm and 500 nm with a 4 x 5 nano array at 10 μm intervals (Fig. 2).
본 발명에서 용어, "나노입자"는 넓게는 작은 크기의 입자를 의미하며, 이때, 상기 나노입자는 그 크기가 한정되는 것이 아니라, 상기 나노입자보다 큰 입자, 즉 마이크로입자 등을 포함할 수 있으며, 특정 플라즈몬 공명산란을 일으킬 수 있는 입자라면 어떠한 크기라도 무방하다. 바람직하게는 금속으로 이루어진 나노입자일 수 있다. 나노 영역에서는 입자의 크기에 따라 색깔이 변화한다. 따라서, 일률적인 크기를 갖는 나노입자를 제조하고 실용화하는 것이 나노입자 분야의 중요한 문제라고 할 수 있다. 본 발명에서 나노입자는 바람직하게는 1 내지 200 nm의 평균 직경을 갖는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 10 내지 100 nm의 평균 직경을 갖는 것일 수 있다. 또한, 나노 영역에서는 입자의 형태에 따라 색깔이 변화한다. 따라서, 플라즈몬 공명산란을 일으킬 수 있는 입자라면 어떠한 형태라도 무방하다. 바람직하게는 본 발명의 나노입자는 표적 생체분자와 특이적으로 반응하는 검출분자와 결합할 수 있다.
In the present invention, the term "nanoparticle" refers to particles of a small size. At this time, the nanoparticles are not limited in size but may include particles larger than the nanoparticles, , Any particle that can cause specific plasmon resonance scattering is acceptable. Preferably nanoparticles made of metal. In the nano region, the color changes depending on the particle size. Therefore, it is an important problem in the nanoparticle field to manufacture and commercialize nanoparticles having a uniform size. In the present invention, the nanoparticles may preferably have an average diameter of 1 to 200 nm. And more preferably an average diameter of 10 to 100 nm. In addition, in the nano region, the color changes depending on the particle shape. Therefore, any particle can be used as long as it can cause plasmon resonance scattering. Preferably, the nanoparticles of the present invention can bind to a detection molecule that specifically reacts with a target biomolecule.
바람직하게, 상기 나노 바이오칩 상에 패턴화하는 제1금속 또는 검출분자에 표지하는 나노입자를 구성하는 제2금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)으로부터 선택되는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 제1금속으로 금을, 제2금속으로는 은을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Preferably, the first metal that is patterned on the nano-biochip or the second metal that constitutes nanoparticles labeled on the detection molecule is selected from gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), or palladium . More preferably, gold is used as the first metal, and silver is used as the second metal, but the present invention is not limited thereto.
본 발명에 따른 검출방법에서는 서로 흡수 스펙트럼이 중첩되지 않도록 제1금속-나노패턴된 기판과 제2금속을 포함하는 비형광 나노입자를 선택하는 것이 특징이다. 전술한 바와 같이, 금속 나노구조물의 흡수 스펙트럼은 일반적으로 금속의 종류뿐만 아니라 구조물의 크기 및/또는 형태에 따라 변화하므로 이를 모두 조합하여 제1금속 및 제2금속의 종류와 패턴 및 입자의 크기와 형태를 선택할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 나노패턴 및/또는 나노입자의 비제한적인 형태는 원형(또는 구형), 별형(star-shaped), 사각형, 세모형 등이 있다.
In the detection method according to the present invention, the non-fluorescent nanoparticles including the first metal-nanopatterned substrate and the second metal are selected so that the absorption spectra do not overlap with each other. As described above, the absorption spectrum of the metal nanostructure generally varies depending on the size and / or shape of the structure as well as the type of the metal. Therefore, it is necessary to combine the absorption spectrum of the metal nanostructure with the kind and pattern of the first metal and the second metal, You can choose the type. Accordingly, the non-limiting forms of nanopatterns and / or nanoparticles according to the present invention may be circular (or spherical), star-shaped, rectangular, triangular, and the like.
본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 본 발명에서는 은나노입자에 항체를 결합하였다. 구체적으로는 은나노입자 (SNPs)는 에탄올에 녹인 MUA와 MCH 용액을 SNPs 용액과 섞어 10분 동안 초음파분해 (sonication)를 통해 분산시키고, SNP 표면에 MUA-MCH가 자가조립단층 (self-assembled monolayer, SAM)을 형성하도록 약 2시간 반응시켰다. 상기 SNPs를 항체와 결합시키기 위해 우선 EDC와 Sulfo-NHS 용액을 추가하여 활성화시켰다. 이에 검출항체 (detection antibody: cTnI clone 16A11) 용액에 활성화된 SNPs를 추가하고 반응시켰다. 최종적으로 결합되지 않은 항체를 제거하여, SNP-항체를 제작하였다.
According to a specific embodiment of the present invention, an antibody is bound to silver nanoparticles in the present invention. Specifically, silver nanoparticles (SNPs) were prepared by mixing MUA and MCH solutions dissolved in ethanol with SNPs solution and dispersing them for 10 minutes through sonication. The MUA-MCH was self-assembled monolayer on SNP surface, SAM) for about 2 hours. To bind the SNPs to the antibody, EDC and Sulfo-NHS solutions were first added to activate them. Activated SNPs were added to detection antibody (cTnI clone 16A11) solution and reacted. Finally, unbound antibodies were removed to produce SNP-antibodies.
상기 본 발명에 따른 검출방법을 이용하여 표적 생체분자의 정량분석이 가능하다. 구체적으로 전술한 표적 생체분자의 검출방법을 이용하여, 기지 농도로 표준 생체분자를 포함하는 일련의 표준시료에 대해 DIC 신호를 검출하여 농도에 따른 DIC 신호의 검정곡선을 작성하는 단계; 및 미지의 시료에 대해 측정된 DIC 신호를 상기 표준시료로부터 작성한 검정곡선에 대입하여 농도를 유추하는 단계를 추가로 수행함으로써 미지 시료 중의 표적 생체분자를 정량분석할 수 있다.Quantitative analysis of target biomolecules is possible using the detection method according to the present invention. Detecting a DIC signal with respect to a series of standard samples including a standard biomolecule at a known concentration using the detection method of the target biomolecules described above to prepare a calibration curve of the DIC signal according to the concentration; And comparing the DIC signal measured for the unknown sample with a calibration curve prepared from the standard sample to deduce the concentration, the target biomolecules in the unknown sample can be quantitatively analyzed.
이때. 상기 일련의 표준시료 및 미지시료의 DIC 측정에 사용되는 나노 바이오칩은 동일한 크기의 금속-나노패턴된 바이오칩을 사용하는 것이 바람직하다.At this time. It is preferable to use metal-nanopatterned biochips of the same size as the nano-biochips used for the DIC measurement of the series of standard and unknown samples.
또한, 나노입자의 플라즈몬 공명산란 신호를 검출하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.Further, a step of detecting the plasmon resonance scattering signal of the nanoparticles can be further performed.
본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 500 nm 직경의 금-나노패턴된 나노 바이오칩 상에 85 aM 내지 10 fM 범위의 농도를 달리한 일련의 시료를 이용하여 DIC 신호를 측정하고 이를 농도에 대해 플롯하여 동일한 크기의 금-나노패턴 상에서 선형의 비례관계를 나타내는 것을 확인하였다(도 10).
According to a specific embodiment of the present invention, a DIC signal is measured using a series of samples with different concentrations ranging from 85 aM to 10 fM on gold nanopatterned nano-biochips with a diameter of 500 nm and plotted against the concentration And showed linear proportional relationships on gold-nano patterns of the same size (FIG. 10).
본 발명에 따른 표적 생체분자의 비형광 검출은 상기 나노 바이오칩을 이용한 표적 생체분자 검출을 위한 미분간섭대비 신호 검출용 시스템을 이용하여 달성될 수 있다.The non-fluorescence detection of the target biomolecule according to the present invention can be accomplished by using a system for differential signal detection for detecting target biomolecules using the nano-biochip.
바람직하게, 상기 나노 바이오칩을 이용한 표적 생체분자 검출을 위한 미분간섭대비 신호 검출용 시스템은 수직으로 일정 간격 이격되어 차례로 배열된, 광원; 편광기; 제1 울러스턴 프리즘(Wollaston prism); 금속 패턴 상에 고정된, 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 포획분자를 포함하는 제1금속-나노패턴된 기판을 포함하는 나노 바이오칩; 대물렌즈; 제2 울러스턴 프리즘(Wollaston prism); 및 검출부를 포함하는, 시스템일 수 있다.
Preferably, the system for signal detection of differential interference for detecting a target biomolecule using the nano-biochip includes: a light source, which is vertically and periodically arranged at a predetermined interval; Polarizer; A first Wollaston prism; A nano-biochip comprising a first metal-nanopatterned substrate immobilized on a metal pattern and including capture molecules that specifically bind to a target biomolecule; An objective lens; A second Wollaston prism; And a detection unit.
상기 본 발명에 따른 나노 바이오칩을 이용한 표적 생체분자 검출을 위한 미분간섭대비 신호 검출용 시스템은 당업계에서 통상적으로 사용되는 현미경을 기반으로 편광기, 제1 및 제2 울러스턴 프리즘 및 검출부 등을 추가로 장착하여 구성할 수 있다. 또는 각 광학적 구성요소를 적절한 위치에 배열함으로써 자체적으로 제작할 수도 있다. 현미경을 기반으로 하는 경우, 상기 현미경은, 빛의 경로에 따라 상기 구성요소를 차례로 배열하는 한, 정립형 또는 도립형 모두를 제한없이 사용할 수 있다.The system for differential signal detection for detecting target biomolecules using the nano-biochip according to the present invention may further include a polarizer, a first and a second Ulster prism, and a detector based on a microscope commonly used in the art And the like. Or may be fabricated on its own by arranging each optical component in a suitable position. In the case of a microscope-based microscope, the microscope can be of any size or type, as long as the components are arranged in order along the path of light.
본 발명의 용어, "광원(light source)"은 광학적 분석을 위한 빛을 제공하는 원천으로서, 원하는 분석의 종류에 따라 X-선, UV, 가시광선 등 특정한 파장 영역의 빛을 일정한 세기로 제공할 수 있는 장치를 의미한다. 본 발명에서는 가시광선 영역에서의 흡수 및 산란을 이용하므로, 백색광을 제공하는 할로겐 램프를 광원으로 사용할 수 있다. 따라서, 상용화되는 현미경을 사용하는 경우 현미경 자체의 광원을 이용할 수 있으므로, 별도의 광원을 필요로 하지 않는다.The term "light source" of the present invention refers to a light source that provides light for optical analysis As a source, it refers to a device capable of providing light of a specific wavelength range, such as X-rays, UV, and visible light, at a constant intensity, depending on the type of analysis desired. In the present invention, since absorption and scattering in the visible light region are utilized, a halogen lamp that provides white light can be used as a light source. Therefore, when a commercially available microscope is used, a light source of the microscope itself can be used, so that a separate light source is not required.
본 발명의 용어, "편광기(polarizer)"는 특정 편광(polarization)의 빛을 통과시키고 다른 편광의 파장(wave)은 차단하는 광학적 필터(optical filter)이다. 상기 편광기는 한정되지 않은(undefined) 또는 혼합된(mixed) 편광의 빛을 잘 정의된(defined) 편광을 갖는 빛으로 전환시킬 수 있다. 편광기의 일반적인 형태로는 선형 편광기(linear polarizer) 및 환형 편광기(circular polarizer)가 있다.The term "polarizer" of the present invention is an optical filter that transmits light of a specific polarization and blocks the wavelength of another polarized light. The polarizer is capable of converting undefined or mixed polarized light into well-defined polarized light. Typical types of polarizers are linear polarizers and circular polarizers.
본 발명의 용어, "울러스턴 프리즘(wollaston prism)"은 윌리엄 하이드 울러스턴에 의해 고안된, 편광된 빛을 조작하는 광학적 장치이다. 상기 울러스턴 프리즘은 임의로 편광되거나(randomly polarized) 비편광된(unpolarized) 빛을 2개의 직교하는 선형으로 편광된 방출빔(orthogonal linearly polarized outgoing beam)으로 분리한다. 울러스턴 프리즘은 2개의 직교하는 방해석 프리즘(calcite prism)으로 구성되며, 수직인 광학축(perpendicular optic axes)을 갖는 2개의 직각삼각형(right triangle) 프리즘을 바닥을 서로 접착시켜 형성된다. 방출빔은 프리즘으로부터 분기되어(diverge) 프리즘의 쐐기각(wedge angle)과 파장에 의해 결정되는 발산각(angle of divergence)을 갖는 2개의 편광된 빛을 형성한다. 상용되는 프리즘은 일반적으로 15 내지 45°의 발산각을 갖는다.
The term "wollaston prism" of the present invention is an optical device for manipulating polarized light, designed by William Hyde Wollaston. The Wollaston prism separates the randomly polarized unpolarized light into two orthogonal linearly polarized outgoing beams. The Wollaston prism is made up of two orthogonal calcite prisms and two right triangle prisms with perpendicular optic axes bonded together on the bottom. The emission beam diverges from the prism to form two polarized lights having an angle of divergence determined by the wedge angle and the wavelength of the prism. Commercially available prisms generally have a divergence angle of 15 to 45 degrees.
상기 검출용 시스템의 각 구성요소는 광원으로부터 검출부까지 차례로 일렬로 배열되며, 이때 각 구성요소 간의 간격은 렌즈 및/또는 집광기의 초점거리, 프리즘의 확산각(divergence angle) 및 빔 편차각(beam deviation angle) 등 각 구성요소의 광학적 인자(factor)를 고려하여 최상의 신호를 제공할 수 있는 특정한 위치에 고정되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 일정 간격으로 이격된다는 것은 각 구성요소가 동일한 간격으로 배치됨을 의미하지는 않는다.
Wherein each component of the detection system is arranged in a row from the light source to the detection unit, wherein the spacing between each component is selected from the group consisting of the focal length of the lens and / or the concentrator, the divergence angle of the prism and the beam deviation angle and the like, it is desirable that the optical signal is fixed at a specific position that can provide the best signal considering the optical factor of each component. Therefore, spacing apart at the predetermined intervals does not mean that the components are arranged at the same interval.
바람직하게, 상기 나노 바이오칩을 이용한 표적 생체분자 검출을 위한 미분간섭대비 신호 검출용 시스템은 제1 울러스턴 프리즘과 나노 바이오칩 사이에 집광기(condenser)를 추가로 포함할 수 있다.Preferably, the system for detecting differential interference signals for detecting a target biomolecule using the nano-biochip may further include a condenser between the first Ulston prism and the nano-biochip.
또한, 상기 검출부에 앞서 파장-의존적 신호검출을 위해 선택적 대역통과필터를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.It is also desirable to further include a selective bandpass filter for wavelength-dependent signal detection prior to said detector.
본 발명의 용어, "대역통과필터(bandpass filter)"는 특정 범위 내의 주파수(또는 파장)만을 통과시키고 상기 범위 외의 주파수(또는 파장)는 차단 또는 약화시키는 장치를 일컫는다. 본 발명에서는 특히 광학적 대역통과필터(optical bandpass filter)를 지칭한다.The term "bandpass filter" of the present invention refers to a device that passes only frequencies (or wavelengths) within a certain range and blocks or attenuates frequencies (or wavelengths) outside the range. The present invention specifically refers to an optical bandpass filter.
민감한 검출을 위해서는 검출하고자 하는 물질 예컨대, 본 발명에 있어서 제2금속을 포함하는 나노입자의 최대 플라즈몬 공명산란 파장으로부터 ±10 nm 범위의 빛을 통과시킬 수 있는 대역통과필터 즉, 20 nm 대역통과필터를 선택하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 10 nm 대역통과필터를 선택할 수 있다.For sensitive detection, a band-pass filter capable of passing light in the range of ± 10 nm from the maximum plasmon resonance scattering wavelength of nanoparticles containing the second metal in the present invention, that is, a 20 nm band pass filter . More preferably, a 10 nm band-pass filter can be selected.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 각각 100 nm 또는 500 nm 직경의 금-나노패턴된 기판과 80 nm 직경의 은 나노입자를 사용하였다. 이때, 금-나노패턴은 약 650 nm의 최대 흡수파장을, 은 나노입자는 약 456 nm의 최대 흡수파장을 가지므로, 은 나노입자로부터의 플라즈몬 공명산란을 선택적으로 검출하기 위해서는 456 nm 대의 20 nm 또는 10 nm 대역통과필터를 사용할 수 있다.
In a specific embodiment of the present invention, a gold-nanopatterned substrate of 100 nm or 500 nm diameter and silver nanoparticles of 80 nm diameter were used, respectively. In order to selectively detect the plasmon resonance scattering from silver nanoparticles, the gold nanoparticles have a maximum absorption wavelength of about 650 nm and the silver nanoparticles have a maximum absorption wavelength of about 456 nm, Alternatively, a 10 nm bandpass filter can be used.
본 발명의 용어, "검출부"는 상기 파장-의존성 미분간섭대비 현미경에 연결 설치되어 현미경으로부터 제공되는 신호를 감지하여 데이터화할 수 있는 장치를 포함한다. 예컨대, 상기 파장-의존성 미분간섭대비 현미경에 연결 설치되어 현미경으로부터 제공되는 영상을 처리하여 수요자가 원하는 영상으로 출력하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 갖는 당 업계의 통상적인 영상처리부라면 특별히 한정되지 않는다. 이와 같이, 상기 검출부는 영상처리를 위한 프로그램을 구비한 컴퓨터 또는 마이크로프로세서를 포함하는 영상처리부를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 나노 바이오칩을 이용한 표적 생체분자 검출을 위한 미분간섭대비 신호 검출용 시스템에 사용될 수 있는 검출부의 비제한적인 예는 광다이오드 배열(photodiode arrays, PDA), 전하주입장치 (charge-injection device, CID), 전하결합장치(charge-couple device, CCD) 및 디지털 단렌즈 반사식 사진기 (digital single lens reflex) 등이 있다.
The term "detection unit" of the present invention includes an apparatus capable of detecting and digitizing a signal provided from a microscope connected to the above-mentioned wavelength-dependent differential interference microscope. For example, the wavelength-dependent differential interference is connected to a microscope to process an image provided from a microscope to output a desired image to a user. The image processing unit is not particularly limited as long as it has such an object. As such, the detection unit may include a computer having a program for image processing or an image processing unit including a microprocessor. The present invention can be used in a system for signal detection of differential interference for detecting target biomolecules using a nano-biochip according to the present invention Non-limiting examples of the detection unit include a photodiode array (PDA), a charge-injection device (CID), a charge-couple device (CCD), and a digital single- lens reflex).
본 발명의 구체적인 실시예에서는 일반적으로 실험실에서 사용하는 정립형 현미경을 기본으로 사용하여 미분간섭대비 신호 검출용 시스템을 구축하였다. 상기 본 발명의 일구체예에 따른 시스템의 구성을 도 1에 개략적으로 나타내었다.
In a specific embodiment of the present invention, a system for signal detection versus differential interference is constructed by using a standard type microscope generally used in a laboratory. The configuration of the system according to one embodiment of the present invention is schematically shown in Fig.
본 발명의 포획분자가 결합된 금속-나노패턴된 나노 바이오칩과 금속 나노입자를 포함하는 검출분자를 이용하는 표적 생체분자의 비형광 검출방법은 광학적 간섭을 최소화하기 위하여 상기 금속-나노패턴과 금속 나노입자의 흡수 스펙트럼이 중첩되지 않도록 고안함으로써 표적 생체분자를 통해 결합된 금속 나노입자의 신호-대-잡음비(signal-to-noise ratio; S/N)를 향상시켜 검출한계를 낮춤으로써 나노크기의 패턴 상에서 미량의 시료를 효율적으로 검출할 수 있다. 또한 이를 위한 분석용 시스템에 대역통과필터를 결합시켜 파장-의존적 분광법을 수행할 수 있으므로, 분석의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 고감도 검출 및 정확도가 중요시되는 유전자, 단백질, 세포 등과 같은 특정 생체시료의 분석에서 널리 사용될 수 있다.
The non-fluorescent detection method of the target biomolecule using the detection molecule including the metal-nanopatterned nanobiochip and the metal nanoparticle to which the capturing molecule of the present invention is bound is characterized in that in order to minimize optical interference, By reducing the detection limit by improving the signal-to-noise ratio (S / N) of the metal nanoparticles bound through the target biomolecule by designing the absorption spectra of the nanoparticles A small amount of sample can be efficiently detected. In addition, a wavelength-dependent spectroscopy method can be performed by combining a band-pass filter with an analytical system for this purpose, thereby improving the accuracy and reliability of the analysis. Therefore, it can be widely used in the analysis of specific biological samples such as genes, proteins, cells and the like where high sensitivity detection and accuracy are important.
도 1은 본 발명에 따른 생물시료의 비형광 검출을 위한 금-나노패턴된 바이오 칩 및 정립형(upright type) 미분간섭대비(differential interference contrast; DIC) 현미경 및 이를 이용한 시료분석 원리를 개략적으로 나타낸 도이다. 좌측은 정립형 DIC 현미경 구조 및 빛의 경로차를, 중앙 및 우측은 금 패턴 상에 시료 반응시와 미반응시 산란 및 산란 파장 이동을 나타낸 도이다. HL, 할로겐 램프; P, 편광기; WP, 울러스턴 프리즘(Wollaston prism); C, 집광기(condenser); GNC, 금-나노패턴된 칩; O, 대물렌즈; A, 분석기; F, 필터 큐브; CCD, 전하결합소자(charge-coupled device); SNP, 은 나노입자.
도 2는 본 발명에 따른 100 nm 및 500 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 100 nm 및 500 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩의 미분간섭대비 및 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 4는 검출항체에 결합시킨 80 nm 직경의 은 나노입자의 (A) SEM 이미지 및 (B) 나노입자의 크기에 따른 동적광산란(dynamic light scattering) 세기를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 금-나노패턴된 칩 상에 은 나노입자-항체 분자의 샌드위치 면역반응 전/후의 AFM 이미지 및 단면 프로파일(cross-sectional profile)을 나타낸 도이다. (A) 및 (B)는 각각 100 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에서 면역반응 전과 후, (C) 및 (D)는 각각 500 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에서 면역반응 전과 후의 이미지이다.
도 6은 본 발명에 따른 (A) 100 nm 및 (B) 500 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에 은 나노입자가 결합된 항체를 반응시킨 후의 AFM 이미지 및 단면 프로파일을 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명에 따른 금-나노패턴된 칩 상에 은 나노입자-항체 분자의 샌드위치 면역반응 전/후의 각기 다른 파장에서의 파장-의존성 미분간섭대비 이미지를 나타낸 도이다. (A) 및 (B)는 각각 100 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에서 면역반응 전과 후, (C) 및 (D)는 각각 500 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에서 면역반응 전과 후의 이미지이다.
도 8은 본 발명에 따른 금-나노패턴된 칩의 공명산란 스펙트럼 및 검출 항체에 표지된 직경 80 nm 은 나노입자의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도이다. (A) 및 (B)는 각각 100 nm 및 500 nm 직경의 금-나노패턴된 칩의 공명산란 스펙트럼, (C)는 상기 금-나노패턴된 칩에 결합된 항체에 표지된 직경 80 nm 은 나노입자의 흡수 스펙트럼이다.
도 9는 도 7에 화살표로 표시한 파장-의존성 미분간섭대비 이미지에 대한 미분간섭대비 감도를 나타낸 도이다. (A) 및 (B)는 각각 100 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에서 면역반응 전과 후, (C) 및 (D)는 각각 500 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에서 면역반응 전과 후의 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 500 nm 직경으로 금-나노패턴된 칩 상에서 면역반응시킨 85 aM 내지 10 fM 농도의 표준항원(cTnI)을 이용하여 작성한 농도 의존적 미분간섭대비 감도의 검정곡선을 나타낸 도이다.FIG. 1 schematically shows a gold-nanopatterned biochip for detecting non-fluorescence of biological samples according to the present invention and a differential interference contrast (DIC) microscope upright type and a principle of analyzing a sample using the microscope. . The left side shows scattering and scattering wavelength shifts in the case of sample reaction and unreacted on the gold pattern of center type and right side, and the path difference of the light DIC microscope structure and light. HL, halogen lamp; P, polarizer; WP, Wollaston prism; C, condenser; GNC, gold-nano patterned chips; O, an objective lens; A, analyzer; F, filter cube; A CCD, a charge-coupled device; SNP, silver nanoparticles.
Figure 2 is a SEM image of a gold-nanopatterned chip with diameters of 100 nm and 500 nm according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating differential interference contrast and SEM images of gold-nanopatterned chips with diameters of 100 nm and 500 nm according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing intensity of dynamic light scattering according to the SEM image (A) of the 80 nm diameter silver nanoparticles bound to the detection antibody and (B) the size of the nanoparticles.
FIG. 5 is an AFM image and cross-sectional profile of a silver nanoparticle-antibody molecule on gold-nanopatterned chips according to the present invention before and after a sandwich immuno-reaction. FIG. (A) and (B) illustrate images before and after the immune response on gold-nanopatterned chips, respectively, with diameters of 100 nm, (C) and to be.
Figure 6 shows AFM images and cross-sectional profiles after reacting silver nanoparticle bound antibodies on a gold-nanopatterned chip with (A) 100 nm and (B) 500 nm diameters according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a wavelength-dependent differential interference contrast image at different wavelengths before and after a sandwich immuno-reaction of silver nanoparticle-antibody molecules on a gold-nano-patterned chip according to the present invention. (A) and (B) illustrate images before and after the immune response on gold-nanopatterned chips, respectively, with diameters of 100 nm, (C) and to be.
FIG. 8 is a view showing a resonance scattering spectrum of gold-nanopatterned chips according to the present invention and absorption spectra of 80 nm diameter silver nanoparticles labeled with a detection antibody. (A) and (B) are the resonance scattering spectra of gold-nanopatterned chips of diameters of 100 nm and 500 nm, respectively, (C) the diameter of 80 nm labeled on antibodies bound to the gold- The absorption spectrum of the particles.
FIG. 9 is a diagram illustrating differential interference versus sensitivity for a wavelength-dependent differential interference contrast image indicated by an arrow in FIG. (A) and (B) show the results before and after the immune response on gold-nanopatterned chips with diameters of 100 nm, (C) and (D) to be.
Figure 10 shows a calibration curve of sensitivity to concentration-dependent differential interference prepared using a standard antigen (cTnI) at 85 aM to 10 fM concentration immunoreacted on a gold-nanopatterned chip at 500 nm diameter according to the present invention .
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
금-gold-
나노패턴된Nano-patterned
나노 바이오칩의 제조 Manufacture of nanobiochip
전자빔식각기술(electron beam nanolithography)을 이용하여 국가나노종합팹센터(대전, 한국)에서 10 mm2 면적의 유리 기판 상에 나노미터 수준의 금-나노패턴을 형성하였다. 전자빔증착을 통해 100 nm 및 500 nm 직경을 갖는 금 스팟을 10 ㎛ 간격으로 4×5 형태의 나노어레이를 형성하였다(도 2). 모든 칩은 침적(deposition)에 앞서 아세톤(순도 99.5%)으로 30초, 이소프로필 알콜(순도 99.9%)로 30초 및 피라나 용액(Piranha solution, H2SO4:30% H2O2=1:1)으로 세척하였다. 각 단계 사이에는 고순도의 물로 세척하였으며, 최종 세척된 칩은 질소가스로 건조시킨 후 건조기에 보관하였다.
Nanometer-scale gold-nanopatterns were formed on a glass substrate of 10 mm 2 area at the National Nanotechnology Fab Center (Daejeon, Korea) using electron beam nanolithography. Gold spots having diameters of 100 nm and 500 nm were formed through electron beam deposition to form a 4x5 type nano array at intervals of 10 占 퐉 (FIG. 2). All chips are dipped 30 seconds in acetone (purity: 99.5%) prior to (deposition),
은 나노입자가 Silver nanoparticles
결합된Combined
항체의 제조 Preparation of antibodies
은 나노입자(silver nanoparticle; SNPs, 1.10×109 입자/㎖)는 BBI 라이프 사이언스(Cardiff, UK)로부터 구입하였다. 상기 은 나노입자를 면역분석을 위한 비형광 탐침으로 사용하기 위하여 검출항체(단클론 마우스 항-심장 트로포닌 I 항체; monoclonal mouse anti-cardiac troponin I antibody, clone 16A11)에 결합시켰다. SNP와 항체의 결합과정은 하기와 같다: 11-머캅토운데칸산(11-mercaptoundecanoic acid; MUA, 95%)과 6-머캅토-1-헥산올(6-mercapto-1-hexanol; MCH, 97%)을 에탄올에 녹여 각각의 농도가 10 mM과 30 mM이 되도록 제조한 후, SNP를 첨가하였다. 10분 동안 초음파처리(sonication)를 통해 분산시키고, 약 2시간 30분 동안 반응시켜 SNP 표면에 MUA-MCH 자가조립단층(self-assembled monolayer; SAM)을 형성하도록 하였다. 이후, 4℃에서 12,000rpm으로 90분 동안 원심분리하여 고순도 증류수로 2번 세척하였다. 50 mM MES(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid)와 0.1 M NaCl 용액(pH 6.0)에 SNPs-MUA-MCH 침전물을 다시 용해시켰다.Silver nanoparticles (SNPs, 1.10 x 10 9 particles / ml) were purchased from BBI Life Sciences (Cardiff, UK). The silver nanoparticles were bound to a detection antibody (monoclonal mouse anti-cardiac troponin I antibody, clone 16A11) for use as a non-fluorescent probe for immunoassay. The binding process between the SNP and the antibody is as follows: 11-mercaptoundecanoic acid (MUA, 95%) and 6-mercapto-1-hexanol %) Was dissolved in ethanol to prepare 10 mM and 30 mM of each concentration, and then SNP was added. Dispersed through sonication for 10 minutes and allowed to react for about 2 hours and 30 minutes to form a MUA-MCH self-assembled monolayer (SAM) on the SNP surface. Thereafter, the cells were centrifuged at 12,000 rpm for 90 minutes at 4 DEG C and washed twice with high purity distilled water. The SNPs-MUA-MCH precipitate was re-dissolved in 50 mM MES (2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid) and 0.1 M NaCl solution (pH 6.0).
항체와 SNPs를 결합시키기 위해서 EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide)와 술포-NHS(sulfo-N-Hydroxysuccinimide)를 이용하였다. 40 ㎍ EDC(2 ㎎/㎖ in 50 mM MES, pH 6.0)와 196 ㎍ 술포-NHS(2 ㎎/㎖ in 1× PBS, pH 7.4)를 SNPs-MUA-MCH 용액에 첨가하였다. 30 내지 40분 동안 실온에서 교반한 후, SNPs-MUA-MCH-NHS 용액을 4℃에서 17,000rpm으로 30분 동안 원심분리하여 세척하고, PBS에 다시 용해시켰다. 10 ㎍/㎖ 검출항체(detection antibody, cTnI clone 16A11) 용액 1 ㎖에 활성화한 SNPs를 첨가하고 4시간 동안 상온에서 교반시켜 반응시키고 12시간 동안 4℃에 보관하였다. 10 mM Tris(pH 7.5)와 1 M 글라이신 용액 200 ㎖을 첨가하여 15분 동안 반응시켜 과량의 반응하지 않은 히드록실아민(hydroxylamine)을 소광시켰다. 마지막으로 4℃에서 17,000rpm으로 90분 동안 원심분리하여 결합되지 않은 항체를 제거하였다. SNP-항체는 PBS에 용해시켜 4℃에 보관하였다.
(1-Ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) and sulfo-N-Hydroxysuccinimide (EDC) were used to bind the antibody and SNPs. 40 ug EDC (2 mg / ml in 50 mM MES, pH 6.0) and 196 술 sulfo-NHS (2 mg / ml in 1 x PBS, pH 7.4) were added to the SNPs-MUA-MCH solution. After stirring for 30 to 40 minutes at room temperature, the SNPs-MUA-MCH-NHS solution was washed by centrifugation at 17,000 rpm for 30 minutes at 4 DEG C and resuspended in PBS. Activated SNPs were added to 1 ml of 10 μg / ml detection antibody (cTnI clone 16A11), reacted by stirring at room temperature for 4 hours, and stored at 4 ° C for 12 hours. 10 mM Tris (pH 7.5) and 200 ml of 1 M glycine solution were added and reacted for 15 minutes to quench excess unreacted hydroxylamine. Finally, unbound antibody was removed by centrifugation at 4 ° C and 17,000 rpm for 90 minutes. The SNP-antibody was dissolved in PBS and stored at 4 ° C.
금-gold-
나노패턴된Nano-patterned
바이오 칩 상에서의 샌드위치 면역반응 분석 Analysis of sandwich immune response on biochip
상술한 바와 같이 제조한 금-나노패턴된 칩을 DMSO(diemthyl sulfoxide, 99.5%, Sigma-Aldrich)에 녹인 4 ㎎/㎖ DSP(dithiobis succinimidyl propionate)에 약 30분 동안 담궜다. 이어서 DMSO 용액으로 세척한 후 증류수로 다시 세척하였다. 칩 상에 패턴된 금 표면을 활성화하기 위하여 0.1 ㎎/㎖ 단백질 A/G(Pierce)와 약 1시간 동안 반응시켰다. 반응하지 않은 숙신이미드기는 10 mM Tris(pH 7.5)와 1 M 글라이신으로 약 30분 동안 처리하여 차단(blocking)하였다. 상기 칩을 StabilGuard로 30분 동안 처리하여 안정화하고 증류수로 간단히 세척하였다. 샌드위치 면역반응을 위한 포획항체(capture antibody, anti-cTnI, clone 19C7) 20 ㎖와 1시간 동안 반응시키고, 1× PBS(pH 7.4)로 세척하였다. 표적항원(target antigen, cTnI standard protein)를 다양한 농도로 희석하여 준비한 표준시료와 1시간 동안 반응시켰다. 1× PBS로 세척 후, SNPs-항체 용액 20 ㎖과 약 2시간 동안 반응시킨 후, 관찰하였다. SNPs와 결합한 항체는 분자의 크기를 고려하여 단독 항체분자와 반응시키는 경우보다 반응시간을 증가시켰다. 모든 반응 단계 사이에는 실온에서 교반하면서 1× PBS로 세척하는 단계를 추가로 실시하였다.
The gold-nanopatterned chip prepared as described above was dipped in 4 mg / ml DSP (dithiobis succinimidyl propionate) dissolved in DMSO (diethylthyl sulfoxide, 99.5%, Sigma-Aldrich) for about 30 minutes. Followed by washing with DMSO solution and washing again with distilled water. And reacted with 0.1 mg / ml protein A / G (Pierce) for about 1 hour to activate the patterned gold surface on the chip. Unreacted succinimide groups were blocked by treatment with 10 mM Tris (pH 7.5) and 1 M glycine for about 30 minutes. The chip was treated with StabilGard for 30 minutes to stabilize and briefly wash with distilled water. The cells were reacted with 20 ml of capture antibody (anti-cTnI, clone 19C7) for 1 hour and washed with 1 × PBS (pH 7.4). The target antigen (cTnI standard protein) was diluted to various concentrations and reacted with the standard sample for 1 hour. After washing with 1 x PBS, the cells were reacted with 20 ml of SNPs-antibody solution for about 2 hours and then observed. Considering the size of the molecule, the antibody bound to SNPs increased the reaction time compared to the case of reacting with the single antibody molecule. Between all the reaction steps, washing with 1 x PBS was further carried out with stirring at room temperature.
파장-의존성 미분간섭대비 현미경의 구성Configuration of wavelength-dependent differential interference microscope
파장-의존성 미분간섭대비 현미경 시스템(wavelength-dependent differential interference contrast microscopy)의 모식도를 도 1(좌측)에 나타내었다. 금-나노패턴된 바이오 칩 상에서 SNPs-cTnI 항체는 일반적으로 사용되는 정립형 올림푸스 BX51 현미경(upright microscope, Olympus Optical Co., Ltd., Tokyo, Japan)에 광원(HL)과 관찰하고자 하는 금-나노패턴된 칩 사이에 차례로 편광기(P)와 울러스턴 프리즘(W1)을 추가로 장착하고, 대물렌즈(O) 이후에 또 하나의 울러스턴 프리즘(W2)을 장착하여 파장-의존성 미분간섭대비 측정이 가능하게 하였다. 광원으로는 100W 할로겐 램프를 사용하였으며, 대물렌즈로는 개구수(numerical aperture; NA)를 0.6-1.3까지 조절가능한 100× 오일타입 렌즈를 이용하였다. 금-나노패턴된 칩 상의 SNPs-cTnI 항체의 미분간섭대비 신호는 전자증폭 냉각 전하결합장치(electron multiplying cooled charge-coupled device; EM-CCD) 카메라(512×512, QuantEM 512SC, Photometrics, AZ, USA)를 이용하여 수집하였다. 데이터 수집 및 분석에는 MetaMorph 7.0(Universal Imaging Co., Downingtown)과 METLAB 소프트웨어를 이용하였다.
A schematic diagram of a wavelength-dependent differential interference contrast microscopy is shown in Fig. 1 (left). On the gold-nanopatterned biochip, the SNPs-cTnI antibody is ligated to a light source (HL) and a gold-nano-particle (HL) to be observed on a standardized Olympus BX51 microscope (Olympus Optical Co., Ltd., Tokyo, Japan) The polarizer P and the Wollaston prism W1 are sequentially mounted between the patterned chips and another Wollaston prism W2 is mounted after the objective lens O to measure the wavelength-dependent differential interference contrast . A 100 W halogen lamp was used as the light source, and a 100 × oil type lens whose numerical aperture (NA) was adjustable from 0.6 to 1.3 was used as the objective lens. Differential interference signals of SNPs-cTnI antibodies on gold-nanopatterned chips were measured using an electron multiplying cooled charge-coupled device (EM-CCD) camera (512 x 512, QuantEM 512 SC, Photometrics, ). MetaMorph 7.0 (Universal Imaging Co., Downingtown) and METLAB software were used for data collection and analysis.
도 2 내지 10은 전술한 실시예에 따른 결과로서, 도 4는 검출항체에 결합시킨 80 nm 직경의 은 나노입자의 SEM 이미지와 동적광산란(dynamic light scattering)을 측정한 결과이다. 공급처에서 제공한 은 나노입자의 평균 크기(즉, 80 ± 5 nm) 값에 대해 본 발명자가 측정한 데이터에서는 26.3 ± 1.6 nm와 85.0 ± 1.4 nm 크기를 나타내었다.FIGS. 2 to 10 show results according to the above-described embodiment. FIG. 4 shows SEM images of 80 nm diameter silver nanoparticles bound to the detection antibody and results of measurement of dynamic light scattering. The data measured by the present inventors for the average size (ie, 80 ± 5 nm) of the silver nanoparticles provided by the supplier showed a size of 26.3 ± 1.6 nm and 85.0 ± 1.4 nm.
금-나노패턴된 칩은 100 nm와 500 nm 스팟 크기로 배열되었으며, 각각 14.5 nm와 30.5 nm의 금/크롬 두께를 갖는다(도 5A 및 5C). 금-나노패턴된 칩 상에 85 aM cTnI 단백질 항원과 80 nm 직경의 은 나노입자-검출항체 분자의 반응 후 기질에서의 단차는 각각 76.9 nm 및 80.4 nm 증가하였으며, 이는 AFM을 이용하여 측정하였다(도 5B 및 5D). 두개의 금 스팟의 반응 전/후의 단차가 상이한 경우가 있는데 이는 상기 기술한 바와 같이 검출항체에 결합시킨 은 나노입자의 크기가 균일하지 못하거나 2분자체 또는 다분자체를 형성한 결과로 유추할 수 있었다(도 6). 하지만 상이한 단차를 보일지라도, 금-나노패턴된 칩 상의 반응 전/후의 단차가 있는 것으로 보아 샌드위치 면역반응이 일어났음을 확인할 수 있었다.The gold-nanopatterned chips were arranged at 100 nm and 500 nm spot sizes and have gold / chrome thicknesses of 14.5 nm and 30.5 nm, respectively (FIGS. 5A and 5C). On the gold-nanopatterned chip, the step differences in the substrate after the reaction of the 85 nM cTnI protein antigen and 80 nM diameter silver nanoparticle-detecting antibody molecules were increased by 76.9 nm and 80.4 nm, respectively, which were measured using AFM Figures 5B and 5D). As described above, the silver nanoparticles bound to the detection antibody may not be uniform in size, or may be inferred as a result of forming two molecular sieves or multi-molecular sieves, as described above. (Fig. 6). However, even though they showed different step differences, we could confirm that the sandwich immune response occurred on the gold / nanopatterned chip due to the step difference before / after the reaction.
미분간섭대비 현미경은 아래와 같은 식으로 설명할 수 있다.Differential interference contrast microscope can be explained as follows.
이때, Ψb는 편향지연(bias retardation; 도 또는 라디안), Δb는 길이, λ는 빛의 파장을 나타낸다(Optics Express, 16, 19462-19479, 2008).Where b is the bias retardation (in degrees or radians), Δ b is the length, and λ is the wavelength of light (Optics Express, 16, 19462-19479, 2008).
상기 수식에 의하면, Ψb는 파장에 따라 변하므로 특정한 파장에서 고유의 DIC 이미지를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 파장-의존성 미분간섭대비 현미경에서 편광기, 분석기, 제1 울러스턴 프리즘(WP1)은 특정한 위치에 고정시켰으며, 제2 울러스턴 프리즘(WP2)은 조절이 가능하도록 고안하였다. 그러나, 다양한 파장에 따른 금-나노패턴된 칩의 미분간섭대비 영상 수집 시에는 단지 파장-의존성에 대한 DIC를 관찰하기 위하여 모든 DIC 장치의 구성요소를 고정하였다.According to the above equation,? B varies depending on the wavelength, so that a unique DIC image can be obtained at a specific wavelength. In the wavelength-dependent differential interference microscope according to the present invention, the polarizer, the analyzer, the first Ulster prism (WP1) is fixed to a specific position, and the second Ulster prism (WP2) is designed to be adjustable. However, at the time of image acquisition versus differential interference of gold-nanopatterned chips at various wavelengths, only the components of all DIC devices were fixed to observe the DIC for wavelength dependence.
도 7에는 85 aM cTnI 단백질에 대한 면역반응 전/후의 파장 변화(406 nm 내지 670 nm)에 따른 DIC를 나타내었다. 금 스팟은 670 nm 파장에서 명/암 대비가 뚜렷한 영상을 나타내었다(도 7A 및 7C). 빛의 파장이 감소함에 따라, 이러한 대비는 500 nm 금 스팟에서는 어두운 면만 검출되었으며, 100 nm 금 스팟에서는 육안 식별이 불가능해짐을 확인하였다. 100 nm 금-나노패턴 칩에서, DIC는 473 nm 파장에서 면역반응 전에는 식별이 불가능했던 것이 반응 후 식별 가능하게 되었다(도 7A 및 7B). 500 nm 금-나노패턴 칩의 경우, 면역반응 전의 금 나노스팟은 강한 어두운 면만이 관찰되었으나, 반응 후 명/암 대비가 공존하였다(도 7C 및 7D). 이는 도 8에 나타난 스펙트럼에서와 같이 귀금속인 금(최대 흡수파장 ~650 nm)과 은(최대 흡수파장 ~456 nm)이 고유의 흡수 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 나타나는 결과로써, 파장-의존성 미분간섭대비 장치를 이용한 빛의 경로차가 서로 상이한 2종의 귀금속 나노재질(금 대 은)의 높은 대비 차이에 의한 비형광 샌드위치 면역분석법의 가능성을 증명하였다. 도 9는 도 7에 화살표 표시된 파장-의존성 미분간섭대비 이미지에 대한 100 nm (A, B)와 500 nm (C, D) 금-나노패턴된 칩 상에서 은나노입자-항체 분자의 샌드위치 면역반응 전(왼쪽)/후(오른쪽)의 미분간섭대비 감도를 나타낸 것이다.
FIG. 7 shows the DIC according to the wavelength change (406 nm to 670 nm) before and after the immune response to the 85 aM cTnI protein. Gold spots showed images with contrast in terms of lightness / darkness at a wavelength of 670 nm (Figs. 7A and 7C). As the wavelength of light decreased, this contrast was only detected on the dark side of the 500 nm gold spot, and on the 100 nm gold spot, the naked eye identification became impossible. In the 100 nm gold-nanopattern chip, the DIC was identifiable after the reaction that was not identifiable prior to the immune response at the 473 nm wavelength (FIGS. 7A and 7B). In case of the 500 nm gold-nanopattern chip, only a strong dark nodule was observed in the gold nano-spot prior to the immune reaction, but the light / dark contrast coexisted after the reaction (Figs. 7C and 7D). This is because as shown in the spectrum of FIG. 8, the noble metal (maximum absorption wavelength ~ 650 nm) and silver (maximum absorption wavelength ~ 456 nm) have inherent absorption spectra, (Gold bars) of two kinds of noble metal materials (gold bars) differing in the light path difference using the non-fluorescent sandwich immunoassay method. FIG. 9 is a graphical representation of the results of a sandwich immunoassay of silver nanoparticle-antibody molecules on 100 nm (A, B) and 500 nm (C, D) gold-nanopatterned chips for the wavelength- Left) / rear (right).
선택성 파장-의존 미분간섭대비 비형광 검출장치를 이용한 cTnI 단백질을 정량분석이 가능하였다. 특히, 포획항체와 항원의 반응에 있어서 비특이적 결합이나 입체적 방해를 줄이기 위해 칩 표면 기질에 포획항체의 균일한 배열을 위한 방법으로 단백질 A/G를 이용하여 면역센서의 감도를 증진시켰다. 금-나노패턴된 칩은 파장-의존성 미분간섭대비 시스템을 이용하여 나노입자가 결합된 검출항체에 의해 낮은 검출한계(85 aM cTnI)에서 높은 감도로 비형광 검출이 가능하였다. 도 10에 나타난 바와 같이, 500 nm 금-나노패턴 칩 상에 85 aM 내지 10 fM의 농도 범위에서 상당히 상관계수가 높은 선형 검정곡선을 얻을 수 있었으며, 이는 정량분석이 가능하며, 더 나아가 높은 감도가 요구되는 임상진단에 적용 가능하다는 것을 증명하는 바이다.
Quantitative analysis of cTnI protein using non-fluorescent detection device versus selective wavelength-dependent differential interference was possible. In particular, the sensitivity of the immune sensor was enhanced using protein A / G as a method for homogeneous arrangement of the capture antibody on the chip surface substrate to reduce nonspecific binding or steric hindrance in the reaction of the capture antibody with the antigen. The gold-nanopatterned chip was able to detect non-fluorescence with high sensitivity at low detection limits (85 aM cTnI) by detection antibodies coupled with nanoparticles using a wavelength-dependent differential interference contrast system. As shown in Fig. 10, a linear calibration curve with a high correlation coefficient was obtained on a 500 nm gold-nanopattern chip at a concentration range of 85 to 10 fM, which enables quantitative analysis, and furthermore a high sensitivity And is applicable to the clinical diagnosis required.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
From the above description, it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention without departing from the scope of the present invention as defined by the appended claims.
Claims (21)
(a) 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 포획분자를 포함하는 제1금속-나노패턴된 기판을 포함하는 나노 바이오칩을 분석시료와 반응시키는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 준비한 나노 바이오칩을, 광학적 간섭을 제거하기 위하여 제1금속-나노패턴의 흡수스펙트럼과 중첩되지 않는 흡수 스펙트럼을 갖는 제2금속을 포함하는 비형광 나노입자로 표지되고 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 검출분자와 반응시키는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계에 따른 나노 바이오칩으로부터 상기 제2금속을 포함하는 나노입자의 미분간섭대비(differential interference contrast; DIC) 신호를 선택적 대역통과필터(bandpass filter)를 통해 검출하는 단계를 포함하는 것인 검출방법.
In a non-fluorescent detection method of a target biomolecule,
(a) reacting a nano-biochip comprising a first metal-nanopatterned substrate comprising a capture molecule that specifically binds to the target biomolecule with an assay sample;
(b) the nano-biochip prepared in the step (a) is labeled with a non-fluorescent nanoparticle including a second metal having an absorption spectrum that does not overlap with an absorption spectrum of the first metal-nanopattern in order to remove optical interference With a detection molecule that specifically binds to the target biomolecule; And
(c) detecting a differential interference contrast (DIC) signal of the nanoparticles containing the second metal from the nanobiochip according to the step (b) through a selective bandpass filter ≪ / RTI >
(a) 광학적 간섭을 제거하기 위하여 제1금속-나노패턴의 흡수스펙트럼과 중첩되지 않는 흡수 스펙트럼을 갖는 제2금속을 포함하는 비형광 나노입자로 표지되고 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 검출분자와 분석시료를 반응시키는 단계;
(b) 상기 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 포획분자를 포함하는 제1금속-나노패턴된 기판을 포함하는 나노 바이오칩을 상기 (a) 단계에서 준비한 분석시료와 반응시키는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계에 따른 나노 바이오칩으로부터 상기 제2금속을 포함하는 나노입자의 미분간섭대비 신호를 선택적 대역통과필터를 통해 검출하는 단계를 포함하는 것인 검출방법.
In a non-fluorescent detection method of a target biomolecule,
(a) detection that is labeled with a non-fluorescent nanoparticle comprising a second metal having an absorption spectrum that does not overlap an absorption spectrum of the first metal-nanopattern to remove optical interference and specifically binds to the target biomolecule Reacting the molecule with the analytical sample;
(b) reacting a nano-biochip comprising a first metal-nanopatterned substrate comprising a capture molecule that specifically binds to the target biomolecule with the analytical sample prepared in step (a); And
(c) detecting a differential interference interference signal of the nanoparticles containing the second metal from the nanobiochip according to the step (b) through a selective band pass filter.
상기 미분간섭대비 신호의 검출은 파장-의존적 신호검출에 의해 수행되는 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein detection of the differential interference contrast signal is performed by wavelength-dependent signal detection.
상기 표적 생체분자는 DNA, RNA, 항원, 항체, 리간드, 킬레이트, 수용체, 폴리머, 유기화합물, 금속이온 및 폴리펩티드로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the target biomolecule is selected from the group consisting of DNA, RNA, antigens, antibodies, ligands, chelates, receptors, polymers, organic compounds, metal ions and polypeptides.
상기 포획분자는 항원, 항체, 리간드, 수용체, 킬레이트, 앱타머, DNA 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the capture molecule is selected from the group consisting of an antigen, an antibody, a ligand, a receptor, a chelate, an aptamer, DNA, and combinations thereof.
상기 검출분자는 항원, 항체, 리간드, 수용체, 킬레이트, 앱타머, DNA 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the detection molecule is selected from the group consisting of an antigen, an antibody, a ligand, a receptor, a chelate, an aptamer, DNA, and combinations thereof.
상기 기판은 유리(glass), 용융 실리카(fused silica), 석영(quartz), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate); PMMA)로 구성된 군으로부터 선택되는 투명한 고체인 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the substrate is a transparent substrate selected from the group consisting of glass, fused silica, quartz, polydimethylsiloxane (PDMS), poly (methyl methacrylate) Lt; / RTI > is a solid.
상기 기판은 10 nm 내지 1 mm의 두께를 갖는 빛의 투과가 가능한 유리 또는 고분자 재질인 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the substrate is a glass or polymer material capable of transmitting light having a thickness of 10 nm to 1 mm.
상기 나노패턴은 잉크젯 나노프린팅, 전자빔 식각(e-beam lithography) 및 원자힘현미경-디펜나노식각(atomic force microscope-dip pen nanolithography, AFM-DPN)을 포함하는 나노식각(nanolithography) 기술 중 어느 하나에 의해 제조되는 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The nanopattern may be formed by any one of nanolithography techniques including inkjet nano-printing, e-beam lithography, and atomic force microscope-dip pen nanolithography (AFM-DPN) ≪ / RTI >
상기 나노패턴은 1 내지 500nm 범위의 직경을 갖고, 상기 나노패턴의 간격(pitch)은 10 nm 내지 10 μm의 범위를 갖는 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the nanopattern has a diameter ranging from 1 to 500 nm and the pitch of the nanopattern ranges from 10 nm to 10 μm.
상기 제1금속 또는 제2금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택된 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first metal or the second metal is selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd).
상기 제1금속은 금이고, 제2금속은 은인 것인 검출방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the first metal is gold and the second metal is silver.
상기 나노입자는 10 nm 이상 100 nm 이하의 평균 직경을 갖는 것인 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the nanoparticles have an average diameter of 10 nm or more and 100 nm or less.
표적 생체분자의 정량분석을 위하여,
기지 농도로 표준 생체분자를 포함하는 일련의 표준시료에 대해 DIC 신호를 검출하여 농도에 따른 DIC 신호의 검정곡선을 작성하는 단계; 및
미지의 시료에 대해 측정된 DIC 신호를 상기 표준시료로부터 작성한 검정곡선에 대입하여 농도를 유추하는 단계를 추가로 포함하는 검출방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
For quantitative analysis of target biomolecules,
Detecting a DIC signal for a series of standard samples containing standard biomolecules at a known concentration to produce a calibration curve of the DIC signal according to the concentration; And
And comparing the DIC signal measured for an unknown sample with a calibration curve prepared from the standard sample to infer the concentration.
상기 일련의 표준시료 및 미지시료의 DIC 측정에 사용되는 나노 바이오칩은 동일한 크기의 금속-나노패턴된 바이오칩을 사용하는 것이 특징인 검출방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the nano-biochip used for the DIC measurement of the series of standard and unknown samples uses metal-nanopatterned biochips of the same size.
나노입자의 플라즈몬 공명산란 신호를 검출하는 단계를 추가로 포함하는 것인 검출방법.
16. The method of claim 15,
And detecting a plasmon resonance scattering signal of the nanoparticle.
수직으로 일정 간격 이격되어 차례로 배열된,
광원; 편광기; 제1 울러스턴 프리즘(Wollaston prism); 집광기(condenser); 금속 패턴 상에 고정된, 표적 생체분자에 특이적으로 결합하는 포획분자를 포함하는 제1금속-나노패턴된 기판을 포함하는 나노 바이오칩; 대물렌즈; 제2 울러스턴 프리즘(Wollaston prism); 선택적 대역통과필터; 및 검출부를 포함하는, 시스템.
A system for signal detection of differential interference for detecting target biomolecules using the nano-biochip according to claim 1 or 2,
Which are sequentially arranged at regular intervals,
Light source; Polarizer; A first Wollaston prism; Condenser; A nano-biochip comprising a first metal-nanopatterned substrate immobilized on a metal pattern and including capture molecules that specifically bind to a target biomolecule; An objective lens; A second Wollaston prism; A selective bandpass filter; And a detector.
상기 검출부는 광다이오드 배열(photodiode arrays, PDA), 전하주입장치 (charge-injection device, CID), 전하결합장치(charge-couple device, CCD) 및 디지털 단렌즈 반사식 사진기 (digital single lens reflex)로 구성된 군으로부터 선택되는 검출기를 포함하는 것인 시스템.
19. The method of claim 18,
The detector may be a photodiode array (PDA), a charge-injection device (CID), a charge-couple device (CCD) and a digital single lens reflex And a detector selected from the group consisting of.
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