KR101890593B1 - Biosensor for simultaneous detection and death of pathogen and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 병원균-특이적 효소가 결합된 변색물질을 이용한 바이오센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오센서는 병원균-특이적 효소가 결합된 변색물질을 이용함으로써, 병원균의 검출 및 사멸을 동시수행할 수 있고, 상기 바이오센서를 이용하는 경우, 별도의 분석장비 없이도 색변이를 통한 단순하고 경제적인 방법으로 우수한 병원균 검출 효과를 나타낸다.The present invention relates to a biosensor using a discoloring substance to which a pathogen-specific enzyme is bound, and a method for producing the biosensor. The biosensor according to the present invention can simultaneously detect and kill pathogens by using a discoloring substance to which a pathogen-specific enzyme is bound. In the case of using the biosensor, And demonstrate excellent pathogen detection effects in an economical manner.

Description

병원균의 검출 및 사멸의 동시 수행이 가능한 바이오센서 및 이의 제조방법{Biosensor for simultaneous detection and death of pathogen and method for preparing the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a biosensor capable of simultaneous detection and death of a pathogen,

본 발명은 마이크로 유체시스템 및 외부자극에 감응하는 변색물질을 이용한 병원균의 검출 및 사멸의 동시수행을 위한 바이오센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a micro-fluidic system and a biosensor for simultaneous detection and death of pathogens using a discoloring substance sensitive to an external stimulus and a method for producing the same.

바이오센서는 생체인지 물질과의 결합에 의한 반응을 신호로 변환시키며, 특정한 물질에 대해 빠른 검사가 가능한 센서를 가리킨다. 이는 생물학적 개념의 효소-기질 복합체와 같은 원리로 하나의 리간드는 상기 리간드에 대한 특이 성분을 가지는 한 가지 물질에 대해서만 반응성을 보이며, 그 반응성 정도를 측정한다는 원리이다. 소형화된 바이오센서는 인체손상을 극소화하여 무통 인체진단을 가능하게 하며, 단일 세포를 직접 분석할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 높은 안정성, 빠른 응답시간, 고감도, 높은 선택성 등 동작특성이 향상된 바이오센서는 인체진단의 연속측정을 가능하게 하며 단분자 단위의 분석을 수행할 수 있게 한다.A biosensor is a sensor that converts a reaction due to binding to a biochemical substance into a signal and enables quick inspection of a specific substance. This principle is based on the same principle as the enzyme-substrate complex of biological concept that one ligand reacts only to one substance having a specific component for the ligand and measures its degree of reactivity. The miniaturized biosensor minimizes human injury and enables the diagnosis of painless human body, and it has the advantage that it can directly analyze single cells. In addition, biosensors with improved operating characteristics such as high stability, fast response time, high sensitivity, and high selectivity enable continuous measurement of human diagnosis and can perform single molecule analysis.

폴리디아세틸렌(polydiacetylene, PDA) 소포(vesicle)는 외부 교란, 예컨대 열, pH, 물리적 또는 화학적 자극, 또는 용매 등에 의해 청색에서 적색으로 변색하는 양색 발현능을 보이는 물질이다. 나아가, 적색의 폴리다이아세틸렌 소포는 형광을 발현하는 성질까지 가지고 있어, 이러한 성질을 이용하여 각종 센서로서 개발되어 왔다. 예를 들어, 폴리디아세틸렌 센서는 인플루엔자 바이러스, 콜레라 독성물질, 대장균, 올리고뉴클레오티드, 리포폴리사카라이드, 항체 및 항원 등 많은 다른 생물학적으로 관련된 흥미있는 분자들의 검출에 이용되어 왔다. 마이크로 유체 시스템은 화학적, 생화학 및 생물학적 분석과 합성을 수행하는 개선된 방법을 제공해 왔다. 이러한 마이크로 유체 시스템은 칩 기반(chip-based) 마이크로 화학 분석 시스템에서 다단, 다종 화학 조작의 수행을 가능케 하였으며, 특히 화학적 및 생물학적 시료를 처리 및 분석할 수 있는 통상의 마이크로 유체제어 요소를 포함하는 것이 일반적이다. 통상, 당업계에서 마이크로 유체(microfluidic)라는 용어는 채널로 연결된 처리 노드 갖는 시스템 또는 장치를 일컫는 것으로, 여기서 채널은 약 1.0μm 내지 약 500μm 범위의 단면적 치수를 갖는다. 당업계에서, 이러한 단면적 치수를 갖는 채널을 마이크로채널이라고 일컫는다. 최근에 이러한 마이크로유체 시스템은 세포 진단 테스트, 의약 개발, 기초 생물학 또는 화장품(cosmetology)과 같은 많은 분야에 응용되고 있다.Polydiacetylene (PDA) vesicles are materials exhibiting a color-evoking ability to change from blue to red by external disturbance, such as heat, pH, physical or chemical stimulation, or a solvent. Furthermore, the red polydiacetylene vesicle has the property of exhibiting fluorescence and has been developed as various sensors using such properties. For example, polydiacetylene sensors have been used for the detection of many other biologically relevant molecules of interest such as influenza viruses, cholera toxins, E. coli, oligonucleotides, lipopolysaccharides, antibodies and antigens. Microfluidic systems have provided improved methods of performing chemical, biochemical and biological analysis and synthesis. Such a microfluidic system enables the execution of multi-stage, multi-species chemical operations in a chip-based microchemical analysis system, and in particular includes a conventional microfluidic control element capable of processing and analyzing chemical and biological samples It is common. Typically, the term microfluidic in the art refers to a system or apparatus having a channel-connected processing node, wherein the channel has a cross-sectional dimension in the range of about 1.0 [mu] m to about 500 [mu] m. In the art, a channel having such a cross sectional dimension is referred to as a microchannel. Recently, such microfluidic systems have been applied in many fields such as cytodiagnostic tests, medical drug development, basic biology or cosmetology.

따라서, 이러한 마이크로유체 시스템을 이용한 병원균의 검출 및 사멸의 동시수행을 위한 변색물질 기반의 바이오센서에 대한 연구의 필요성이 절실히 요구되고 있다.Therefore, it is urgently required to study a biosensor based on a discoloring material for simultaneous detection and death of pathogens using such a microfluidic system.

KR 10-2008-0047683KR 10-2008-0047683

본 발명자들은 변색물질 기반의 바이오센서에 대해 탐색하던 중, 마이크로유체 시스템 및 병원균-특이적 효소가 결합된 변색물질을 이용하는 경우, 병원균의 검출 및 사멸을 동시수행할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have confirmed that when a chromogenic material-based biosensor is used, the detection and the death of a pathogen can be simultaneously performed by using a chromogenic material combined with a microfluidic system and a pathogen-specific enzyme, .

따라서, 본 발명은 마이크로 유체시스템 및 외부자극에 감응하는 변색물질을 이용한 바이오센서 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a micro-fluidic system and a biosensor using the discoloring substance sensitive to an external stimulus and a method of manufacturing the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,In order to achieve the above object,

본 발명은The present invention

마이크로채널이 형성된 기판; 상기 마이크로채널에 결합된 외부자극에 감응하는 변색물질; 및 상기 변색물질에 결합된 병원균-특이적 효소;를 포함하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서를 제공한다.A substrate on which a microchannel is formed; A coloring material responsive to an external stimulus coupled to the microchannel; And a pathogen-specific enzyme bound to the discoloration substance. The present invention also provides a biosensor for detecting and killing pathogens.

또한, 본 발명은 In addition,

(1) 마이크로채널이 형성된 기판을 제조하는 단계;(1) fabricating a substrate on which a microchannel is formed;

(2) 상기 마이크로채널에 외부자극에 감응하는 변색물질을 결합하는 단계; 및(2) combining the microchannel with a discoloring substance sensitive to an external stimulus; And

(3) 상기 변색물질에 병원균-특이적 효소를 결합하는 단계;를 포함하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서의 제조방법을 제공한다.(3) a step of binding a pathogen-specific enzyme to the discoloring substance, and a method of manufacturing a biosensor for detecting and killing pathogens.

또한, 본 발명은In addition,

상기 바이오센서의 마이크로채널에 병원균을 포함하는 유체를 가한 후, 색 변이를 탐지하는 단계를 포함하는, 바이오센서를 이용한 병원균의 검출 및 사멸 방법을 제공한다.And detecting a color change after applying a fluid including pathogens to the microchannel of the biosensor. The present invention also provides a method for detecting and killing pathogens using the biosensor.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은, 마이크로채널이 형성된 기판; 상기 마이크로채널에 결합된 외부자극에 감응하는 변색물질; 및 상기 변색물질에 결합된 병원균-특이적 효소;를 포함하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서를 제공한다.The present invention relates to a substrate having a microchannel formed therein; A coloring material responsive to an external stimulus coupled to the microchannel; And a pathogen-specific enzyme bound to the discoloration substance. The present invention also provides a biosensor for detecting and killing pathogens.

또한, 본 발명은, (1) 마이크로채널이 형성된 기판을 제조하는 단계; (2) 상기 마이크로채널에 외부자극에 감응하는 변색물질을 결합하는 단계; 및 (3) 상기 변색물질에 병원균-특이적 효소를 결합하는 단계;를 포함하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method of manufacturing a microchannel, comprising the steps of: (1) fabricating a substrate on which a microchannel is formed; (2) combining the microchannel with a discoloring substance sensitive to an external stimulus; And (3) binding a pathogen-specific enzyme to the discoloring substance. The present invention also provides a method for producing a biosensor for detecting and killing pathogens.

상기 마이크로채널은 병원균을 포함하는 유체가 흐를 수 있도록 기판 위에 패터닝된 채널로서, 평균 폭이 100 내지 1000 μm이고, 평균 깊이가 100 내지 500 μm 인 것이 바람직하고, 평균 폭이 300 내지 600 μm이고, 평균 깊이가 200 내지 300 μm 인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 마이크로채널은 0.1mm 내지 10mm의 폭을 갖는 의료용 튜브(medical tubing), 필터 등에 적용이 가능하며 내부 지름에 제한 받지 않는다.The microchannel is patterned on the substrate so that a fluid including pathogens can flow. The microchannel preferably has an average width of 100 to 1000 mu m and an average depth of 100 to 500 mu m, an average width of 300 to 600 mu m, It is more preferable that the average depth is 200 to 300 占 퐉, but it is not limited thereto. The microchannel can be applied to a medical tubing or a filter having a width of 0.1 mm to 10 mm, and is not limited to the inside diameter.

상기 마이크로채널은 표면 위에 다양한 구조물을 가질 수 있다. 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 또는 다각형(삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등)의 구조물을 가질 수 있으며, 그 형태에 제한 받지 않는다. 본 발명에 따르면 이러한 구조물들은 병원균-특이적 효소와 병원균간의 반응을 증가시켜 병원균의 사멸율을 향상시킬 수 있다.The microchannel may have various structures on the surface. Rectangular, square, or polygonal (triangular, rectangular, pentagonal, hexagonal, etc.) structures, and is not limited in its shape. According to the present invention, these structures can increase the killing rate of pathogens by increasing the reaction between pathogen-specific enzymes and pathogens.

상기 기판은 고분자 또는 실리콘 재질일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 어떠한 재질로 이루어져 있어도 마이크로유체 시스템을 제조할 수 있다. 일 예로, PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(Poly methyl methacrylate), PVC(poly vinyl chloride), PC(poly carbonate), PVA(poly vinyl acrylate), PTFE(polytetrafluoroethylene), 실리콘(silicone), PUR(polyurethane), PE(polyethylene) 등을 사용할 수 있으며, PDMS인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.The substrate may be a polymer or a silicon material, but is not limited thereto, and a microfluidic system can be manufactured from any material. For example, polydimethylsiloxane (PDMS), poly methyl methacrylate (PMMA), poly vinyl chloride (PVC), polycarbonate (PC), polyvinyl acrylate (PVA), polytetrafluoroethylene (PTFE), silicone, PE (polyethylene) or the like may be used, and PDMS is more preferable, but not limited thereto.

상기 외부자극은 변색물질로 하여금 자극에 감응하여 색변이를 일으키게 하는 것으로 예로, 온도, 압력, 광(light), pH, 습도, 용매, 전기장, 자기장, 스트레스(stress) 등 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The external stimulus may be a color, such as temperature, pressure, light, pH, humidity, solvent, electric field, magnetic field, stress, etc., It is not.

상기 변색물질은 폴리디아세틸렌(PDA) 소포 또는 금 나노입자(GNP)일 수 있고, 폴리디아세틸렌(PDA) 소포인 것이 바람직하다. The coloring material may be polydiacetylene (PDA) vesicles or gold nanoparticles (GNP), preferably polydiacetylene (PDA) vesicles.

상기 폴리디아세틸렌(PDA) 소포는 디아세틸렌 계열의 지질로 구성된 소포 형태의 구조체로, 지질의 꼬리 부분에 두 개의 3중 결합을 가지고 있어, 가교를 통해 색변이하는 특성을 가진다. 청색의 폴리디아세틸렌 소포는 온도, pH, 용매, 물리적 자극, 화학적 자극 등과 같은 외부 환경의 변화에 의해 약 540 nm에서 최대 흡수 파장을 지니는 붉은색으로 전이가 일어나면서 적색의 폴리디아세틸렌 형광체가 된다.The polydiacetylene (PDA) vesicle is a vesicle-type structure composed of a diacetylene-based lipid and has two triple bonds in the tail portion of the lipid, and has a color-shifting characteristic through crosslinking. Blue polydiacetylene vesicles are red polydiacetylenes phosphors as they are transformed to a red color having a maximum absorption wavelength at about 540 nm due to changes in the external environment such as temperature, pH, solvent, physical stimulus, and chemical stimulation .

상기 병원균-특이적 효소는 검출 및 사멸하고자 하는 병원균과 특이적으로 결합할 수 있는 효소로서, 일 예로, 리소스타핀, 베타 글루쿠론디아제, 글루카나제, 글루술라제, 리소자임, 리티카제, 만나나제, 뮤타놀리신, 자이몰라제, 셀룰라제, 펙톨리아제, 스트렙토리신 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 용해 효소인 것이 바람직하고, 리소스타핀인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.The pathogen-specific enzyme is an enzyme capable of specifically binding to a pathogen to be detected and killed. Examples of the pathogen-specific enzyme include, but are not limited to, resourcetapine, beta glucuronidase, glucanase, glutathione, lysozyme, It is preferable that the enzyme is any one enzyme selected from the group consisting of mannanase, mutanolysin, zymolase, cellulase, phenothiolase, streptolysin, and combinations thereof, more preferably resourcetopine, but is not limited thereto .

병원균은 상기 병원균-특이적 효소와 선택적으로 결합하는 미생물, 세균 또는 바이러스 등으로 물리적, 화학적 또는 생물학적 상호작용에 의해 상기 병원균-특이적 효소와 결합할 수 있는 병원균이라면 제한 없이 검출될 수 있다. 즉 병원균은 포도상구균(staphylococcus), 대장균(Escherichia coli), 폐렴 간균(Klebsiella pneumoniae), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 세라티아균(Serratia marcescens), 폐렴 연쇄 구균(Streptococcus pneuminiae), 헤모필루스 인플루엔자균(Haemophilus influenzae), 엔테로박터 클로아카에균(Enterobacter cloacae), 엔테로코커스 페칼리스균(Enterococcus faecalis), 살모넬라균(Salmonella), 캄필로박터(Campylobacter) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Pathogens can be detected without limitation as long as they are capable of binding to the pathogen-specific enzyme by physical, chemical, or biological interactions with microorganisms, bacteria, or viruses that selectively bind to the pathogen-specific enzyme. That is, the pathogenic bacteria may be selected from the group consisting of staphylococcus, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Serratia marcescens, Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae ), Enterobacter cloacae, Enterococcus faecalis, Salmonella, Campylobacter, and combinations thereof. However, the present invention is not limited thereto, But is not limited thereto.

또한, 본 발명은In addition,

상기 바이오센서의 마이크로채널에 병원균을 포함하는 유체를 가한 후, 색 변이를 탐지하는 단계를 포함하는, 바이오센서를 이용한 병원균의 검출 및 사멸 방법을 제공한다.And detecting a color change after applying a fluid including pathogens to the microchannel of the biosensor. The present invention also provides a method for detecting and killing pathogens using the biosensor.

상기 방법은 병원균의 검출 및 사멸을 동시에 수행할 수 있다.The method can simultaneously detect and kill pathogens.

상기 마이크로채널에 병원균을 포함하는 유체를 가할 경우, 상기 병원균은 마이크로채널에 존재하는 PDA소포에 결합된 병원균-특이적 효소와 결합하여 사멸하고, 이와 동시적으로 상기 PDA 소포는 청색에서 적색으로 변색함으로써 육안으로 병원균을 검출할 수 있다.When a fluid containing a pathogen is added to the microchannel, the pathogen binds to a pathogen-specific enzyme bound to the PDA vesicles present in the microchannel and is killed. Simultaneously, the PDA vesicles are discolored from blue to red So that pathogens can be detected visually.

본 발명에 따른 바이오센서는 마이크로유체 시스템 및 병원균-특이적 효소가 결합된 변색물질을 이용함으로써, 병원균의 검출 및 사멸을 동시수행할 수 있고, 상기 바이오센서를 이용하는 경우, 별도의 분석장비 없이도 색변이를 통한 단순하고 경제적인 방법으로 우수한 병원균 검출 효과를 나타낸다. The biosensor according to the present invention can simultaneously detect and kill pathogens by using a microfluidic system and a discoloring substance to which a pathogen-specific enzyme is conjugated. In the case of using the biosensor, It exhibits excellent pathogen detection effect by a simple and economical method through mutation.

도 1은 실시예 1-1에 따른 마이크로채널이 형성된 기판의 모형도를 나타내는 도이다.
도 2는 실시예 1-2에 따른 마이크로채널에 폴리디아세틸렌(PDA) 소포의 결합과정을 나타내는 도이다.
도 3은 마이크로유체시스템 및 PDA 소포를 이용한 바이오센서의 개념도를 나타내는 도이다.
도 4는 실시예 1-1에 따른 (a) 원형 및 (b) 직사각형의 구조물이 형성된 마이크로채널의 광학현미경 결과를 나타내는 도이다.
도 5는 실시예 1-2에 따른 마이크로채널에 결합된 PDA 소포의 형광현미경 결과를 나타내는 도이다.
도 6은 마이크로채널에 가하는 병원균 용액의 유속에 따른 병원균의 사멸율을 나타내는 도이다.
도 7은 바이오센서의 PDA 소포에 결합된 병원체-특이적 효소에 병원균 용액을 가한 경우 및 병원체-특이 효소용액에 병원균 용액을 가한 경우의 병원균의 사멸율을 비교한 도이다.
도 8은 바이오센서의 마이크로채널에 형성된 구조물의 갯수에 따른 (a) 병원균의 사멸율 및 (b) PDA 소포의 색변이를 나타내는 도이다.
도 9는 바이오센서의 (a) 마이크로채널에 형성된 구조물의 각도 및 병원균 용액의 유속에 따른 병원균의 사멸율 및 (b) PDA 소포의 색변이를 나타내는 도이다.
도 10은 바이오센서의 병원균-특이성을 나타내는 도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a substrate of a substrate on which a microchannel is formed according to Embodiment 1-1. FIG.
FIG. 2 is a view showing the bonding process of polydiacetylene (PDA) vesicles to the microchannel according to Example 1-2.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a biosensor using a microfluidic system and PDA vesicles.
FIG. 4 is a diagram showing optical microscopic results of microchannels in which (a) circular structures and (b) rectangular structures according to Embodiment 1-1 are formed. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing fluorescence microscopic results of PDA vesicles bound to microchannels according to Example 1-2. FIG.
6 is a graph showing the mortality rate of pathogens according to the flow rate of a pathogenic solution applied to the microchannel.
FIG. 7 is a graph comparing mortality rates of pathogens when a pathogen solution is added to a pathogen-specific enzyme bound to a PDA vesicle of a biosensor and when a pathogen solution is added to a pathogen-specific enzyme solution.
FIG. 8 is a graph showing (a) the killing rate of pathogens and (b) the color variation of the PDA vesicles according to the number of structures formed in the microchannels of the biosensor.
FIG. 9 is a graph showing the degree of killing of a pathogen according to the angle of a structure formed on a microchannel of the biosensor and the flow rate of a pathogen solution, and (b) color variation of a PDA vesicle.
10 is a diagram showing the pathogen-specificity of the biosensor.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예 1. 바이오센서의 제조Example 1. Preparation of a biosensor

1-1. 마이크로채널이 형성된 기판의 제조1-1. Fabrication of microchannel-formed substrate

마이크로유체 시스템을 소프트리소그래피(soft lithography) 공정을 이용하여 제조하였다. 먼저, 기판으로는 PDMS(polydimethylsiloxane)을 이용하였고, 상기 기판에 소프트리소그래피 공정을 이용하여 폭 500 μm 및 깊이 300 μm 의 마이크로채널을 형성하였다. 또한, 상기 마이크로채널 위에 유체가 흐르는 방향에 대해 다양한 각도(30°, 45° 및 60°)를 갖는 원형, 타원형 및 직사각형 기둥(pillar)의 구조물을 형성하였다.A microfluidic system was fabricated using a soft lithography process. First, PDMS (polydimethylsiloxane) was used as a substrate, and a microchannel having a width of 500 μm and a depth of 300 μm was formed on the substrate by a soft lithography process. In addition, circular, elliptical and rectangular pillar structures having various angles (30 °, 45 ° and 60 °) were formed with respect to the flow direction of the fluid on the microchannels.

상기 실시예 1-1에 따른 마이크로채널이 형성된 기판의 모형도를 도 1에 나타내었다.
FIG. 1 is a schematic view of a substrate on which a microchannel is formed according to the embodiment 1-1.

1-2. 마이크로채널에 PDA 소포의 결합1-2. Coupling of PDA vesicles to microchannels

상기 실시예 1-1에서 제조한 마이크로채널이 형성된 기판에 폴리디아세틸렌(PDA) 소포를 결합하였다. 먼저, 상기 마이크로채널이 형성된 기판을 산소 플라즈마로 처리하여 표면 개질하였고, APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane)을 가하여 아민 작용기를 형성하였다.Polya diacetylene (PDA) vesicles were bonded to the substrate on which the microchannel fabricated in Example 1-1 was formed. First, the substrate on which the microchannel was formed was surface-modified by treating with oxygen plasma, and APTES (3-Aminopropyltriethoxysilane) was added to form an amine functional group.

또한, PDA 소포의 제조를 위해, TCDA(10,12-Tricosadiynoic acid)를 GFS 케미컬(Columbus, OH, USA)에서 구매하고, DMPC(1,2-dimyristoyl phosphatidylcholine)를 아반티 폴라 리퀴드(Alabaster, AL, USA)에서 구매하고, 클로로포름을 플루카(Buchs, 스위스)에서 구매하였다. 또한, HEPES는 시그마-알드리치 (St. Louis, MO, USA)에서 구매하여 3차증류수에 5 mM만큼 녹인 후 pH 7.5로 맞추어 사용하였다. 폴리디아세틸렌(PDA) 소포는 공지된 방법에 따라 제조하였다(Su Y-l et al. (2004) Biointerfaces 38(1-2):29-33). 먼저, 두 종류의 지질 단량체, TCDA와 DMPC를 바이알에서 최종 농도 2 mM에 맞추어 8:2 몰 비율로 클로로포름에 용해하였다. 그 후, 아르곤 기체 스트림으로 클로로포름을 날려서 제거하고, 남아있는 용매를 완전히 제거하기 위해 진공 상태에서 하룻밤 동안 정치하였다. 최종 2mM 지질 농도에 맞춰 HEPES 용액(5 mM, pH 7.5)을 가한 후, 이 용액을 80℃의 수조에서 1시간 동안 가열한 뒤 15분 동안 초음파처리(probesonicator, Sonics & Materials, INC, VCX 500)하였다. 초음파처리 후, 지질 응집물을 제거하기 위해 0.8㎛ 시린지 필터를 이용하여 용액을 여과하고, 지질 멤브레인의 결정화를 위해 4℃에서 냉장 보관하여 하룻밤 동안 정치하였다. 365 nm 파장의 UV (Vilber Lourmat, VL-4.LC)를 조사함으로써 배열된 디아세틸렌 단량체는 1,4-첨가(1,4-addition)에 의한 중합을 이루게 되고 청색의 PDA 소포 용액을 얻었다. TCDA (10,12-Tricosadiynoic acid) was purchased from GFS Chemical (Columbus, OH, USA) and DMPC (1,2-dimyristoyl phosphatidylcholine) was dissolved in AvantiPolar Liquid (Alabaster, USA), and chloroform was purchased from Fluca (Buchs, Switzerland). HEPES was purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA), dissolved in 5 mM of tertiary distilled water and adjusted to pH 7.5. Polydiacetylene (PDA) vesicles were prepared according to known methods (Su Y-l et al. (2004) Biointerfaces 38 (1-2): 29-33). First, two lipid monomers, TCDA and DMPC, were dissolved in chloroform at an 8: 2 molar ratio to a final concentration of 2 mM in the vial. The chloroform was then blown off with an argon gas stream and allowed to stand overnight in a vacuum to completely remove the remaining solvent. HEPES solution (5 mM, pH 7.5) was added to the final 2 mM lipid concentration. The solution was heated in a water bath at 80 ° C for 1 hour and sonicated for 15 minutes (probesonicator, Sonics & Materials, INC, VCX 500) Respectively. After the ultrasonic treatment, the solution was filtered using a 0.8 μm syringe filter to remove lipid aggregates and stored at 4 ° C. in a refrigerator for overnight crystallization. By irradiating the UV (Vilber Lourmat, VL-4. LC) at a wavelength of 365 nm, the diacetylene monomer was polymerized by 1,4-addition and the blue PDA vesicle solution was obtained.

그 후, 상기 마이크로채널이 형성된 기판에 상기 폴리디아세틸렌(PDA) 소포를 공지된 방법에 따라 EDC/NHS 짝지음반응(coupled reaction)을 이용하여 결합시켰다(Lim M-C et al. (2011) Anal Bioanal Chem 400:777-785).Then, the polydiacetylene (PDA) vesicles were bound to the microchannel-formed substrate using an EDC / NHS coupling reaction according to a known method (Lim MC et al. (2011) Anal Bioanal Chem. 400: 777-785).

상기 실시예 1-2에 따른 마이크로채널에 폴리디아세틸렌(PDA) 소포의 결합과정을 도 2에 나타내었다.
The binding process of polydiacetylene (PDA) vesicles to the microchannel according to Example 1-2 is shown in FIG.

1-3. PDA 소포에 병원균-특이적 효소의 결합1-3. Binding of pathogen-specific enzymes to PDA vesicles

상기 실시예 1-2에서 제조한 마이크로채널에 부착된 PDA 소포와 병원균-특이적 효소를 결합하기 위해, 리소스타핀(lysostaphin)을 시그마-알드리치(St. Louis, MO, USA)에서 구매하여 사용하였다. 또한, 폴리디아세틸렌(PDA) 소포 표면에 리소스타핀 효소의 결합은 공지된 방법에 따라 EDC/NHS 짝지음반응(coupled reaction)을 이용하여 진행하였다(Lim M-C et al. (2011) Anal Bioanal Chem 400:777-785). 그 후, 365 nm 파장의 UV를 조사함으로써 PDA 소포는 중합체를 형성하고 청색으로 바뀌었다.Lysostaphin was purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, Mo., USA) to bind the microchannel-attached PDA vesicles and the pathogen-specific enzyme prepared in Example 1-2 above . In addition, the binding of the resource taspin enzyme to the surface of the polydiacetylene (PDA) vesicle was carried out using an EDC / NHS coupled reaction according to a known method (Lim MC et al. (2011) Anal Bioanal Chem 400 : 777-785). Subsequently, by irradiating UV at a wavelength of 365 nm, the PDA vesicles formed a polymer and turned blue.

본 발명의 마이크로유체시스템 및 PDA 소포를 이용한 바이오센서의 개념도를 도 3에 나타내었다.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a biosensor using the microfluidic system and the PDA vesicle of the present invention.

실험예 1. 구조물이 형성된 마이크로채널의 형태 관찰Experimental Example 1. Observation of morphology of a microchannel in which a structure is formed

상기 실시예 1-1에 따른 (a) 원형 및 (b) 직사각형의 구조물이 형성된 마이크로채널을 광학현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The microchannels in which the structures of (a) circular and (b) rectangles according to Example 1-1 were formed were observed using an optical microscope, and the results are shown in FIG.

도 4에 나타난 바와 같이, 구조물의 형태에 따라 (a) 원형 또는 (b) 직사각형의 기둥(pillar)이 마이크로채널에 형성되었음을 알 수 있다. 상기 구조물들은 병원균 용액이 마이크로채널을 통과할 때, 병원균의 사멸을 증가시킬 것으로 생각된다.
As shown in FIG. 4, it can be seen that (a) a circular or (b) rectangular pillar is formed in the microchannel according to the shape of the structure. The structures are believed to increase the killing of pathogens when the pathogen solution passes through the microchannel.

실험예 2. 마이크로채널에 결합된 PDA 소포의 형태 관찰Experimental Example 2. Observation of the shape of PDA vesicles bound to microchannels

상기 실시예 1-2에 따른 마이크로채널에 결합된 PDA 소포에 365 nm 파장의 UV를 조사한 후, NaOH를 가함으로써 청색의 PDA 소포로부터 적색의 PDA 소포로 변이시켰고, 이의 형광현미경 결과를 도 5에 나타내었다.PDA vesicles bound to the microchannel according to Example 1-2 were irradiated with UV at a wavelength of 365 nm and then converted into red PDA vesicles from blue PDA vesicles by adding NaOH. The fluorescence microscopic results thereof were shown in Fig. 5 Respectively.

도 5에 나타난 바와 같이, 마이크로채널에 적색의 PDA 소포가 결합되어 있는 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 5, it can be confirmed that red PDA vesicles are bonded to the microchannels.

실험예 3. 병원균 용액의 유속에 따른 병원균의 검출 및 사멸 측정Experimental Example 3. Detection and Death of Pathogenic Bacteria According to Flow Rate of Pathogenic Bacterial Solution

상기 실시예 1에 따른 바이오센서의 마이크로채널에 병원균인 포도상구균(staphylococcus) 용액을 가한 후, 병원균의 사멸율을 약 600 nm 파장의 흡광도를 이용하여 측정하였다. After staphylococcus solution was added to the microchannels of the biosensor according to Example 1, the mortality of the pathogen was measured using absorbance at a wavelength of about 600 nm.

먼저, 구조물이 없는 마이크로채널에 포도상구균(staphylococcus) 용액을 유속을 달리하여 가한 후 사멸율을 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.First, staphylococcus solution was added to the microchannels having no structure at different flow rates, and mortality was measured. The results are shown in FIG.

도 6에 나타난 바와 같이, 포도상구균 용액의 유속이 감소할수록 포도상구균의 사멸율이 증가하는 것을 알 수 있다. 이 결과는 포도상구균 용액의 유속이 느려질수록 PDA 소포에 결합된 리소스타핀과 포도상구균의 반응시간이 길어지므로 리소스타핀이 포도상구균을 분해하는 시간이 증가하기 때문이다.As shown in FIG. 6, it can be seen that as the flow rate of the staphylococcal solution decreases, the mortality rate of Staphylococcus aureus increases. This is because the longer the reaction time of Staphylococcus aureus binds to the PDA vesicles as the flow rate of the staphylococcal solution decreases, the longer the time required for the resource tapin to decompose staphylococci.

상기 실시예 1에 따른 바이오센서의 PDA 소포에 결합된 리소스타핀 효소에 포도상구균 용액을 가한 경우 및 리소스타핀 효소용액에 포도상구균 용액을 가한 경우에 대해 병원균의 사멸율을 비교하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.The mortality rate of pathogenic bacteria was compared between the case where the staphylococcal solution was added to the resource taffine enzyme bound to the PDA vesicles of the biosensor of Example 1 and the case where the staphylococcus solution was added to the resource taffine enzyme solution. 7.

도 7에 나타난 바와 같이, 마이크로채널에 있는 PDA 소포에 결합된 리소스타핀 효소에 포도상구균 용액을 가한 경우가 리소스타핀 효소용액에 포도상구균 용액을 가한 경우에 비해 더 높은 포도상구균의 사멸율을 나타내었다.
As shown in FIG. 7, the addition of Staphylococcus aureus to the resource taffine enzyme bound to the PDA vesicles in the microchannel showed a higher rate of staphylococcal death than the addition of the staphylococcus solution to the resource taffine enzyme solution .

실험예 4. 마이크로채널에 형성된 구조물에 따른 병원균의 검출 및 사멸 측정EXPERIMENTAL EXAMPLE 4. Detection and Destruction of Pathogenic Bacteria According to Structures in Microchannels

상기 실시예 1에 따른 바이오센서의 마이크로채널에 형성된 구조물의 갯수에 따른 포도상구균의 사멸율을 약 600 nm 파장의 흡광도를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.The mortality of Staphylococcus aureus according to the number of structures formed in the microchannels of the biosensor according to Example 1 was measured using absorbance at a wavelength of about 600 nm. The results are shown in FIG.

도 8의 (a)에 나타난 바와 같이, 마이크로채널에 구조물이 없는 경우에 비해 구조물이 존재하는 경우, 더 높은 포도상구균의 사멸율을 나타내는 것을 알 수 있고, 구조물의 갯수가 증가함에 따라 포도상구균의 사멸율이 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 8의 (b)에 나타난 바와 같이, 마이크로채널에 형성된 구조물의 갯수가 증가함에 따라 PDA 소포가 더욱 적색으로 변이한 것을 알 수 있다. 이 결과는 마이크로채널에 형성된 구조물이 리소스타핀과 포도상구균의 반응시간을 증가시킴으로써 포도상구균의 검출 및 사멸 시간을 더욱 증가시켰기 때문이다.As shown in FIG. 8 (a), when the structure is present in the microchannel, the higher death rate of Staphylococcus aureus can be seen, and as the number of the structures increases, The mortality rate is further increased. Also, as shown in FIG. 8 (b), it can be seen that as the number of structures formed on the microchannels increases, the PDA vesicles are further red. This result is due to the fact that the structure formed in the microchannel increases the reaction time of the resource tapin and the staphylococci, thereby further increasing the detection and killing time of the staphylococci.

상기 실시예 1에 따른 바이오센서의 마이크로채널에 형성된 구조물의 각도 및 포도상구균(staphylococcus) 용액의 유속에 따른 포도상구균의 사멸율을 측정하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다. The mortality rate of the staphylococci according to the angle of the structure formed in the microchannel of the biosensor according to Example 1 and the flow rate of the staphylococcus solution was measured. The results are shown in FIG.

도 9에 나타난 바와 같이, 유체의 흐르는 방향에 대해 구조물의 각도가 30°, 45° 및 60°로 점점 더 기울어진 경우, 포도상구균의 사멸율이 더욱 증가하고, 포도상구균 용액의 유속이 감소할수록 사멸율이 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 이 결과는 마이크로채널에 형성된 구조물이 유체의 흐름을 더욱 방해할 경우 리소스타핀과 포도상구균의 반응시간을 더욱 증가시켜 포도상구균의 검출 및 사멸을 더욱 증가시켰기 때문이다.
As shown in FIG. 9, as the angle of the structure tilts at an angle of 30 °, 45 °, and 60 ° with respect to the flow direction of the fluid, the greater the rate of death of the staphylococci and the lower the flow rate of the staphylococcal solution The mortality rate is further increased. This result is due to the fact that the structure formed in the microchannel further interferes with the flow of the fluid, further increasing the reaction time of the resource tapin and the staphylococcus to further increase the detection and death of Staphylococcus aureus.

실험예 5. 병원균-특이적 효소에 따른 병원균의 검출 및 사멸 측정Experimental Example 5. Detection and Death of Pathogenic Bacteria According to Pathogen-Specific Enzyme

상기 실시예 1에 따른 바이오센서의 병원균-특이성을 확인하기 위해, 포도상구균(staphylococcus) 대신 대장균(E.coli) 용액을 가한 후 사멸율을 측정하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.In order to confirm the pathogen-specificity of the biosensor according to Example 1, the mortality was measured after adding E. coli solution instead of staphylococcus, and the results are shown in FIG.

도 10에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 바이오센서에 의해 대장균은 사멸되지 않는 것을 알 수 있다. 이 결과는 PDA 소포에 결합된 리소스타핀이 대장균과는 반응하지 않기 때문이다. 이 결과로부터 본 발명의 바이오센서가 병원체-특이적인 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 10, it can be seen that E. coli is not killed by the biosensor according to the first embodiment. This result is due to the fact that the resource tapin bound to the PDA vesicle does not react with E. coli. From these results, it can be seen that the biosensor of the present invention is pathogen-specific.

Claims (13)

마이크로채널이 형성된 기판; 상기 마이크로채널에 직접 결합된 외부자극에 감응하는 변색물질; 및 상기 변색물질에 직접 결합된 병원균-특이적 용해 효소;를 포함하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.A substrate on which a microchannel is formed; A discoloring material sensitive to an external stimulus directly coupled to the microchannel; And a pathogen-specific lytic enzyme directly coupled to said chromogenic material. 제 1항에 있어서,
상기 마이크로채널은 평균 폭이 100 내지 1000 μm이고, 평균 깊이가 100 내지 500 μm 인 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the microchannel has an average width of 100 to 1000 占 퐉 and an average depth of 100 to 500 占 퐉.
제 1항에 있어서,
상기 마이크로채널은 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 또는 다각형의 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the microchannel comprises a circular, elliptical, rectangular, square or polygonal structure.
제 1항에 있어서,
상기 기판은 PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(Poly methyl methacrylate), PVC(poly vinyl chloride), PC(poly carbonate), PVA(poly vinyl acrylate), PTFE(polytetrafluoroethylene), 실리콘(silicone), PUR(polyurethane), PE(polyethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
The method according to claim 1,
The substrate may be formed of a material such as polydimethylsiloxane (PDMS), poly methyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), poly carbonate, polyvinyl acrylate (PVA), polytetrafluoroethylene (PTFE) Wherein the biosensor is one selected from the group consisting of polyethylene (PE) and a combination thereof.
제 1항에 있어서,
상기 외부자극은 온도, 압력, 광(light), pH, 습도, 용매, 전기장, 자기장, 스트레스(stress) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the external stimulus is any one selected from the group consisting of temperature, pressure, light, pH, humidity, solvent, electric field, magnetic field, stress and combinations thereof. For biosensors.
제 1항에 있어서,
상기 변색물질은 폴리디아세틸렌(PDA) 소포 또는 금 나노입자(GNP)인 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the color change material is polydiacetylene (PDA) vesicles or gold nanoparticles (GNP).
제 1항에 있어서,
상기 병원균-특이적 용해 효소는 리소스타핀, 베타 글루쿠론디아제, 글루카나제, 글루술라제, 리소자임, 리티카제, 만나나제, 뮤타놀리신, 자이몰라제, 셀룰라제, 펙톨리아제, 스트렙토리신 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein said pathogen-specific lytic enzyme is selected from the group consisting of resourcetapine, beta glucuronidase, glucanase, glutathione, lysozyme, lyticase, mannanase, mutanolysin, zymolase, cellulase, peptolytic, streptolysin And combinations thereof. ≪ Desc / Clms Page number 15 >
제 1항에 있어서,
병원균은 물리적, 화학적 또는 생물학적 상호작용에 의해 상기 병원균-특이적 용해 효소와 결합하는 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
The method according to claim 1,
A biosensor for detecting and killing pathogens, characterized in that the pathogens bind to the pathogen-specific lytic enzyme by physical, chemical or biological interactions.
제 8항에 있어서,
상기 병원균은 포도상구균(staphylococcus), 대장균(Escherichia coli), 폐렴 간균(Klebsiella pneumoniae), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 세라티아균(Serratia marcescens), 폐렴 연쇄 구균(Streptococcus pneuminiae), 헤모필루스 인플루엔자균(Haemophilus influenzae), 엔테로박터 클로아카에균(Enterobacter cloacae), 엔테로코커스 페칼리스균(Enterococcus faecalis), 살모넬라균(Salmonella), 캄필로박터(Campylobacter) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서.
9. The method of claim 8,
Such pathogens include, but are not limited to, staphylococcus, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Serratia marcescens, Streptococcus pneuminiae, Haemophilus influenzae ), Enterobacter cloacae, Enterococcus faecalis, Salmonella, Campylobacter, and combinations thereof. The present invention also provides a method for producing A biosensor for detecting and killing pathogens.
(1) 마이크로채널이 형성된 기판을 제조하는 단계;
(2) 상기 마이크로채널에 외부자극에 감응하는 변색물질을 직접 결합하는 단계; 및
(3) 상기 변색물질에 병원균-특이적 용해 효소를 직접 결합하는 단계;를 포함하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서의 제조방법.
(1) fabricating a substrate on which a microchannel is formed;
(2) directly coupling a discoloring substance sensitive to an external stimulus to the microchannel; And
(3) directly binding a pathogen-specific lytic enzyme to the discoloring substance.
제 10항에 있어서,
상기 마이크로채널은 평균 폭이 100 내지 1000 μm이고, 평균 깊이가 100 내지 500 μm인 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸을 위한 바이오센서의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the microchannels have an average width of 100 to 1000 占 퐉 and an average depth of 100 to 500 占 퐉.
제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항의 바이오센서의 마이크로채널에 병원균을 포함하는 유체를 가한 후, 색변이를 탐지하는 단계를 포함하는, 병원균의 검출 및 사멸 방법.A method for detecting and killing pathogens, comprising applying a fluid comprising a pathogen to a microchannel of the biosensor of any one of claims 1 to 9, and then detecting a color variation. 제 12항에 있어서,
상기 방법은 병원균의 검출 및 사멸을 동시에 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는, 병원균의 검출 및 사멸 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein said method is capable of simultaneously detecting and killing pathogens.
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