KR101867187B1 - 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법 - Google Patents

Abstract

금속 나노입자의 표면플라즈몬공명 현상을 이용한 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법이 제공된다. 이는 DI 수 또는 버퍼 용액 내에 센서의 금속 나노입자를 담군 상태에서 센서의 출력 신호의 세기 A를 구하여 해당 센서의 기본 특성값으로 정의하는 단계와, 금속 나노입자에 항체가 흡착된 상태에서 항체-항원 반응에 따른 결합에 의해 발생하는 센서의 출력 신호 세기의 변화량 B를 구하는 단계와, 변화량 B를 기본 특성값으로 나누는 단계를 포함한다. 이를 통해, 센서의 금속 나노입자의 밀도, 크기, 형태와 상관없이 균일한 측정값을 얻을 수 있다.

Description

표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법{CALIBRATION METHOD FOR SURFACE PLASMON RESONNANCE SENSOR SIGNAL}

본 발명은 표면플라즈몬공명 센서 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 나노입자의 표면플라즈몬공명 현상을 이용한 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법에 관한 것이다.

표면 플라즈몬 공명 현상(surface plasmon resonance)은 입사된 광이 금 이나 은의 금속 박막 또는 나노입자와 반응할 때 자유전자의 집단적 진동에 의해 발생하는 현상으로 특정 표시자 없이 생체물질 간의 반응을 실시간으로 측정할 수 있는 장점때문에 단백질 칩 분석 및 다양한 바이오 반응들을 측정할 수 있는 바이오센서에 응용되고 있다.

표면플라즈몬공명(surface plasmon resonance) 센서를 이용하여 단백질 간 특이결합(specific binding) 등과 같은 바이오 측정을 수행할 때, 센서들 간의 특성이 완벽하게 동일하지 않으므로 측정 결과는 항상 서로 다른 결과를 갖게 된다.

이러한 문제점은 특히, 국소화 표면플라즈몬공명(localized surface plasmon resonance) 센서를 이용할 때 더욱 특징적으로 나타나는 바, 그 이유는 표면플라즈몬공명 센서가 금이나 은 박막(thin film)을 센서의 기본 구조로 사용하는데 비해 국소화 표면플라즈몬공명 센서는 박막 대신 금이나 은 나노 구조(nano structure)를 이용하기 때문이다.

금이나 은 나노 구조를 제작하는 방법은 매우 다양하나 가장 일반적으로 사용되는 방법은 금이나 은 이온을 포함하는 용액에 이온을 입자로 환원시킬 수 있는 환원제를 첨가함으로써 금이나 은 콜로이드(colloid) 용액을 만들고 이러한 입자를 센서의 표면에 흡착시키는 방법이다. 이때 제작하는 입자의 크기나 형태 등이 완벽하게 동일할 수 없고, 입자가 센서 표면에 흡착되는 양상도 매번 완벽하게 동일할 수 없으므로 이를 이용하는 센서의 특성도 각각의 센서마다 달라지게 된다.

현재 상용화 되어 있는 제품들은 금 박막을 사용하는 표면플라즈몬공명 센서이며 나노입자를 이용하는 국소화 표면플라즈몬공명 센서는 상대적으로 더 높은 감도를 가질 수 있음에도 불구하고 이러한 센서의 균일성 등의 문제로 상품화가 진행되지 못하고 있다.

각각의 센서들이 완벽하게 동일한 특성을 갖지 못하는 문제점을 해결하기 위해서는 센서의 제작 과정을 표준화하고 규격화하여 매번 동일한 구조의 센서를 제작할 수 있도록 해야 하나, 나노입자를 제작하는 과정 및 이를 센서의 표면에 흡착시키는 과정은 이러한 표준화가 불가능한 과정이므로 한계가 있을 수밖에 없다.

한국특허출원 10-2002-0067661

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안한 것으로서, 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법을 제공한다.

본 발명은 금속 나노입자의 표면플라즈몬공명 현상을 이용한 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법을 제공하며, 이는: 항체 및 항원이 결합되기 전의 금속 나노입자를 가지는 센서로부터의 출력 신호 세기 A를 해당 센서의 기본 특성값으로 정의하는 단계; 상기 금속 나노입자에 항체가 결합된 상태에서 항체-항원의 결합에 따른 센서의 출력 신호 세기의 변화량 B를 구하는 단계; 및 상기 변화량 B를 상기 기본 특성값으로 나누는 단계;를 포함한다.

상기 A 및 B는 상기 금속 나노입자가 DI 수 또는 버퍼 용액 내에 있는 상태에서 금속 나노입자로부터의 반사광을 수신하여 얻어지는 센서의 출력 신호들로부터 도출될 수 있다.

상기 변화량 B는 상기 금속 나노입자에 항체와 비특이 결합을 방지하는 물질이 순차로 결합된 상태에서의 센서의 출력 신호 세기 C와, 상기 항체-항원이 결합된 상태에서의 센서의 출력 신호 세기 D의 차이값이다.

상기 센서는 코어에 상기 금속 나노입자가 구비된 광섬유 기반 센서이고, 복수개의 용액 주입구와 배출구를 가지는 미세유체 채널을 몸체 내부에 구비하는 채널 유닛을 이용하여 각기 다른 용액이 각기 다른 용액 주입구를 통해 주입되어 상기 센서의 금속 나노입자에 접촉하도록 할 수 있다.

본 발명은 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법을 제공하며, 이는: (Ⅰ) 센서의 금속 나노입자가 DI(deonized) 수 또는 버퍼 용액내에 잠긴 상태에서의 센서의 출력 신호의 세기 A를 해당 센서의 기본 특성값으로 정의하는 단계; (Ⅱ) 상기 금속 나노입자에 항체를 결합시키고, DI 수 또는 버퍼 용액으로 상기 항체가 결합된 금속 나노입자를 세정하는 단계; (Ⅲ) 비특이 결합 방지를 위한 물질을 상기 금속 나노입자에 결합시키고, DI 수 또는 버퍼 용액내에 상기 금속 나노입자가 잠긴 상태에서 센서의 출력 신호의 세기 C를 구하는 단계; (Ⅳ) 항체-항원 반응을 유도하여 상기 항체에 항원을 결합시키고, DI 수 또는 버퍼 용액내에 상기 금속 나노입자가 잠긴 상태에서 센서의 출력 신호의 세기 D를 구하는 단계; 및 (Ⅴ) B(=D-C) ÷ A를 구하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법이 제공된다. 종래 제작된 표면플라즈몬공명 센서의 금속 나노입자의 크기, 밀도, 분포도, 형태 등에 따라서 센서마다 측정값이 균일하지 못하였지만, 본 발명은 이를 보정하여 정확한 측정값을 도출할 수 있게 된다. 더불어, 다수개의 용액 주입구를 가지는 채널 유닛을 포함하는 센서 디바이스를 이용하는 경우 보다 더 편리하고 정확하게 측정값을 도출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법이 적용될 수 있는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서에 대한 모식도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법이 적용될 수 있는 표면플라즈몬공명 센서 디바이스에 대한 모식도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법의 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법을 이용하여 신호 보정 전과 후의 측정값을 나타낸 그래프이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

먼저 간략히 설명하면, 본 발명은 표면플라즈몬공명 센서의 특성을 균일하게 조절할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다. 금속 나노입자의 공명 현상을 이용하는 국소화 표면플라즈몬공명 센서는 입자의 크기, 밀도, 형태 등에 따라 측정값이 달라질 수밖에 없다. 이를 해소하기 위해 계획되고 정밀한 제조 과정의 수행이 필요하지만, 나노 단위의 입자를 균일한 측정값이 얻어지도록 제조하고 또 그를 반복적으로 재현하는 것은 현재의 기술로는 현실적으로 가능하지 않다. 따라서, 본 발명에서는 기 제작된 표면플라즈몬공명 센서의 기본 특성값을 정량적으로 측정한 후, 이를 해당 센서의 보정값으로 이용하여 정확한 최종 측정값을 얻게 된다.

이를 위해, 제작된 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 금속 나노입자를 DI(deonized) 수 또는 버퍼(buffer) 용액 내에서 금속 나노입자에 여기광을 조사하여 센서의 출력을 측정하고 이를 해당 센서의 기본(고유) 특성값으로 저장하여 둔다. 이렇게 얻어진 특성값은 일반적으로 국소화 표면플라즈몬공명 센서들은 센서마다 서로 다른 값을 갖지만, 해당 센서에서는 바이오 측정을 수행하기 전에는 동일한 값으로 유지된다. 이후, 해당 센서로 알고자 하는 측정 대상물을 측정한 후 얻어진 측정값을 상술한 기본 특성값으로 나누어 주면 해당 센서의 고유 특성이 반영된 측정 결과가 얻어지게 되며, 이러한 보정된 결과가 최종적으로 얻고자 하는 측정값이 되는 것이다. 기본 특성값은 굴절률이 대략 1.33인 DI 수 또는 버퍼 용액 내에서 광섬유 코어에 흡착된 금과 같은 금속 나노입자의 산란에 의해 생성되는 센서의 출력값으로 할 수 있다. 이러한 기본 특성값은 센서의 각각의 특성에 따라 달라지며 해당 센서의 고유의 특성값이라고 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법이 적용될 수 있는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서에 대한 모식도이다. 도 2는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법이 적용될 수 있는 표면플라즈몬공명 센서 디바이스에 대한 모식도이다. 도 3a 및 3b는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법의 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 및 4b는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법을 이용하여 신호 보정 전과 후의 측정값을 나타낸 그래프이다.

도면을 참조하여, 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법은 먼저 소정 굴절률을 가지는 DI 수 또는 버퍼 용액 내에서 센서의 코어에 결합된 금속 나노입자의 공명에 의한 센서의 출력 신호의 세기 A를 구하여 해당 센서의 기본 특성값으로 정의한다. 이어, 해당 센서의 금속 나노입자에 항체가 흡착된 상태에서 항체-항원 반응에 따른 결합에 의해 발생하는 센서의 출력 세기의 변화량 B를 구한다. 이렇게 구해진 변화량 B를 기본 특성값 A로 나누어서 얻고자 하는 최종 측정값을 도출한다.

여기서 변화량 B는 금속 나노입자에 항체와 비특이 결합을 방지하는 물질을 순차로 결합된 상태에서의 반사광을 수신하여 얻어진 금속 나노입자의 공명에 의한 센서의 출력 신호 세기 C와, 항체-항원이 결합된 상태에서의 금속 나노입자의 공명에 의한 센서의 출력 신호 세기 D의 차이값이다.

이들 신호 세기 B, C, 또는 D는 DI(deonized) 워터 또는 버퍼 용액을 이용하여 금속 나노입자를 세정하거나 금속 나노입자에 비정상적인 결합물을 제거한 상태에서 측정할 수 있다.

위와 같은 보정 방법의 과정은 도 1, 2a, 및 2b에 도시한 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 디바이스를 통해 바람직하게 구현될 수 있다.

도면에 나타낸 바와 같이 센서는 코어에 금속 나노입자가 구비된 광섬유 기반 국소화 플라즈몬공명 센서이다. 또한 바람직하게는 복수개의 용액 주입구(113)와 용액 배출구(115)를 가지는 미세유체 미세 유체 채널(117)을 몸체 내부에 구비하는 채널 유닛(11)을 포함하는 센서 디바이스에서 각기 다른 용액이 각기 다른 용액 주입구를 통해 주입되어 센서의 금속 나노입자에 접촉하도록 하면, 용액들 간의 혼합을 억제할 수 있으며 보다 정확한 측정값이 도출된다.

실시예

도 1과 같이, 금 나노입자를 광섬유의 코어에 흡착시켜 국소화 표면플라즈몬공명 센서를 구현하고, 이를 복수개의 용액 주입구(113)를 가지는 미세유체 미세 유체 채널(117)(micro fluidic channel)을 몸체 내부에 포함하는 채널 유닛(11)과 결합하여 도 2a 및 2b와 같은 실시간, 연속적으로 바이오 측정이 가능한 센서 디바이스를 제작하였다.

채널 유닛(11)은 상술한 바와 같이 몸체 내부에 미세 유체 채널(117)을 가지며, 미세 유체 채널(117)은 다수개의 용액 주입구(113)와 센서 삽입홀(119)을 가진다. 센서 삽입홀(119)에는 광섬유 기반 표면플라즈몬공명 센서(17)가 삽입되어 금속 나노입자(172)가 흡착된 코어(171) 부위가 미세 유체 채널(117)에 노출되어 채널 내에 유체와 접촉하게 된다.

광섬유 센서(17)의 후단에는 광학 측정부(5)가 연결된다. 예를 들어, 도시한 바와 같이, 다중 모드 광섬유 커플러(53)를 이용하여 센서(17)의 후단과 광원(51)과 검출기(52)를 연결하였다.

채널 유닛(11)의 용액 주입구(113)에는 용액 공급 장치(3)가 연결되어 채널 유닛(11)의 미세 유체 채널(117)로 각각의 용액을 공급하였다. 공급된 용액은 채널 유닛(11)의 미세 유체 채널(117)을 통해 유입되어 반응 챔버(118)에서 표면플라즈몬공명 센서(17)와 접촉하고, 또한 용액 배출구(115)를 통해 배출된다. 미설명 도면부호 31은 채널 유닛(11)의 용액 주입구(113)에 각각 연결되는 관부이고, 33은 용액의 역류를 방지하기 위한 셧오프밸브이며, 도면부호 32는 실린지 펌프이다.

본 발명에서는 이상과 같은 센서 디바이스를 이용하여, 측정 대상으로 전립선 암 표지자의 항체-항원 반응을 측정하였다. 측정 과정 및 결과는 일반적으로 센서그램(sensorgram)으로 표시하며, 센서그램은 광섬유의 출력 신호의 크기를 시간에 따라 연속적으로 나타낸다.

도 3a와 3b는 본 발명의 보정 방법을 적용하여 얻고자 하는 최종 측정값을 구하는 과정을 보여주는 도면이다.

먼저, 장착된 표면플라즈몬공명 센서(17)의 기본 특성값을 측정하여 저장하는 단계를 수행하였다. 이를 위해서, 버퍼 용액 주입구로 정해진 용액 주입구(113)를 통해 버퍼 용액을 주입하여 반응 챔버(118)에서 표면플라즈몬공명 센서(17)의 선단부, 즉 금속 나노입자(172)들이 버퍼 용액에 잠긴 상태에서, 광원(51)으로부터 광을 조사하여 금속 나노입자(172)으로부터의 반사광을 수신하여 얻어진 센서의 출력 신호 세기 A 저장하였다. 이러한 센서 출력 신호 세기 A는 해당 센서의 기본 특성값으로 정의할 수 있다.

이어, 항체 용액 주입구로 정해진 용액 주입구(113)를 통해 항체가 포함된 용액을 주입하여 센서(17)의 금속금속 나노입자(172)와 접촉시켜서 흡착되도록 하였다. 바람직하게는 비정상적인 상태로 흡착된 항체들을 제거하기 위해 다시 버퍼 용액 주입구를 통해 DI 수 또는 버퍼 용액을 흘려서 세정을 수행한 상태로 항체가 결합된 금속 나노입자로부터의 반사광을 수신하여 얻어지는 센서의 출력 신호 세기 역시 구하였다.

그 후, 비특이 결합을 방지하기 위한 용액, 예를 들어 BSA(bovineserumalbumin) 용액을 정해진 용액 주입구(113)를 통해 주입하여 금속 나노입자(172)에 흡착시켰다. 마찬가지로, 다시 버퍼 용액 주입구를 통해 DI 수 또는 버퍼 용액을 흘려서 비정상적인 상태로 흡착된 비특이 결합을 방지하기 위한 물질을 세정하여 제거한 상태에서 광학 측정부(5)를 이용하여 항체와 비특이 결합을 방지하기 위한 물질이 결합된 금속 나노입자로부터의 반사광을 수신하여 얻어진 센서의 출력 세기 C를 저장하였다.

이어, 항원을 포함하는 용액을 정해진 용액 주입구(113)를 통해 채널 유닛(11)의 미세유체 채널(117)로 주입하여 항체-항원 반응에 따른 결합을 유도하였다. 버퍼 용액 주입구(113)를 통해 DI 수 또는 버퍼 용액을 주입하여 비정상적으로 결합된 물질을 제거한 상태에서 광학 측정부(5)를 이용하여 항체-항원 및 비특이 결합 방지 물질이 결합된 금속 나노입자로부터의 반사광을 수신하여 센서의 출력 신호 세기 D를 구하여 저장하였다.

위에서 구한 D-C를 하여 금속 나노입자에 항체가 흡착된 상태에서 항체-항원 반응에 따른 결합에 의해 발생하는 센서의 출력 신호 세기의 변화량 B를 구하고, B를 해당 센서의 기본 특성값인 A로 나누어서 최종적으로 얻고자 하는 측정값을 도출하였다.

이상과 같이 항체-항원 반응에서 측정하고자 하는 최종 결과는 항원 용액을 흘려주기 전, 후 버퍼에서의 신호 차(B)이며, 동일한 항원 농도라 하더라도 센서 표면에 흡착되어 있는 금 나노입자 상태에 따라 각각의 센서마다 조금씩 다른 값을 갖게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이렇게 측정한 이 변화량 B값을, 해당 센서의 기본 특성값 A로 나누어서 최종적인 측정값으로 얻게 된다.

실제로 위와 같은 과정을 통해 전립선 암 항체와 항원을 이용하고, 제작한 다수의 센서를 사용하여 항원의 농도를 바꾸어 주며 측정하여, 도 4a 및 4b에서와 같이 신호 보정 후 동일 농도에서의 측정값이 상당히 균일해 지는 것을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

3: 용액 공급 장치 5: 광학 측정부
11: 채널 유닛 17: 표면플라즈몬공명 센서
51: 광원 52: 검출기
53: 광섬유 커플러 113: 용액 주입구
115: 용액 배출구 171: 코어
172: 금속 나노입자

Claims (5)

1. 금속 나노입자의 표면플라즈몬공명 현상을 이용한 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법으로서:
   항체 및 항원이 결합되기 전의 금속 나노입자를 가지는 센서로부터의 출력 신호 세기 A를 해당 센서의 기본 특성값으로 정의하는 단계;
   상기 금속 나노입자에 항체가 결합된 상태에서 항체-항원의 결합에 따른 센서의 출력 신호 세기의 변화량 B를 구하는 단계; 및
   상기 변화량 B를 상기 기본 특성값으로 나누는 단계;를 포함하고,
   상기 센서는 코어에 상기 금속 나노입자가 구비된 광섬유 기반 센서이고, 복수개의 용액 주입구와 배출구를 가지는 미세유체 채널을 몸체 내부에 구비하고 상기 미세유체 채널에 코어 부위가 노출되도록 상기 센서가 장착되는 채널 유닛을 이용하며,
   버퍼 용액, 비특이 결합을 방지하는 물질의 용액, 항체를 포함하는 용액, 및 항원을 포함하는 용액을 상기 복수개의 용액 주입구의 각기 다른 용액 주입구를 통해 주입하여 상기 센서의 상기 코어 부위에 접촉시킴으로써 상기 금속 나노입자에 상기 항체를 결합시키고, 상기 금속 나노 입자에 결합된 항체에 상기 항원을 결합시키는 것인, 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 A 및 B는 상기 금속 나노입자가 DI 수 또는 버퍼 용액 내에 있는 상태에서 금속 나노입자로부터의 반사광을 수신하여 얻어지는 센서의 출력 신호들로부터 도출되는 것인, 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 변화량 B는 상기 금속 나노입자에 항체와 비특이 결합을 방지하는 물질이 순차로 결합된 상태에서의 센서의 출력 신호 세기 C와, 상기 항체-항원이 결합된 상태에서의 센서의 출력 신호 세기 D의 차이값인, 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법.
   
4. 삭제
5. 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법으로서:
   (Ⅰ) 센서의 금속 나노입자가 DI(deonized) 수 또는 버퍼 용액내에 잠긴 상태에서의 센서의 출력 신호의 세기 A를 해당 센서의 기본 특성값으로 정의하는 단계;
   (Ⅱ) 항체를 포함하는 용액을 상기 센서와 접촉시켜서 금속 나노입자에 항체를 결합시키고, DI 수 또는 버퍼 용액으로 비정상적인 상태로 흡착된 항체들을 제거하는 단계;
   (Ⅲ) 비특이 결합 방지를 위한 물질을 포함하는 용액을 상기 센서와 접촉시켜서 상기 항체가 결합되지 않은 금속 나노입자에 결합시키고, DI 수 또는 버퍼 용액내에 금속 나노입자가 잠긴 상태에서 센서의 출력 신호의 세기 C를 구하는 단계;
   (Ⅳ) 항원을 포함하는 용액을 상기 센서에 접촉시켜서 항체-항원 반응을 유도하여 금속 나노입자에 결합된 항체에 항원을 결합시키고, DI 수 또는 버퍼 용액내에 금속 나노입자가 잠긴 상태에서 센서의 출력 신호의 세기 D를 구하는 단계; 및
   (Ⅴ) B(=D-C) ÷ A를 구하는 단계;를 포함하는 표면플라즈몬공명 센서의 신호 보정 방법.

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