KR101931720B1 - Method for preparing nano-biosensor for detection of microorganism and nano-biosensor for detection of microorganism - Google Patents

Method for preparing nano-biosensor for detection of microorganism and nano-biosensor for detection of microorganism Download PDF

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Abstract

본 발명은, (a) 기판 상에 전극 패턴을 형성시키는 단계; (b) 상기 전극 패턴이 형성된 기판에 단일벽 탄소나노튜브를 도포하여 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시키는 단계; (c) 상기 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)를 도포하여 링커층을 형성시키는 단계; 및 (d) 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 항체를 도포하여 링커 및 항체의 공유결합을 유도하는 단계;를 포함하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법은, 단일벽 탄소나노튜브가 도포된 기판 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)를 링커로 결합시키고, 미생물을 포획할 수 있는 항체를 링커에 결합시키는 공유결합(핵치환반응)을 이용한 고정화(immobilization)의 공정을 이용하여, 단순한 공정으로 단시간에 고감도로 표적 미생물을 감지할 수 있는 단일벽 탄소나노튜브 기반 나노바이오센서를 제조할 수 있다.
(A) forming an electrode pattern on a substrate; (b) forming a single-walled carbon nanotube layer by coating a single-walled carbon nanotube on a substrate having the electrode pattern formed thereon; (c) applying 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester on the single-walled carbon nanotube layer to form a linker layer; And (d) applying an antibody on the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed to induce a covalent bond between the linker and the antibody.
The method for manufacturing a nano-biosensor for detecting microorganisms according to the present invention comprises the steps of binding a 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester to a substrate coated with a single-walled carbon nanotube with a linker, Single-walled carbon nanotubes capable of detecting target microorganisms with high sensitivity in a short time by a simple process using a process of immobilization using a covalent bond (nucleus substitution reaction) which binds an antibody capable of capturing an antigen to a linker A nano-biosensor can be manufactured.

Description

미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법 및 이에 의해 제조된 미생물 검출용 나노바이오센서{Method for preparing nano-biosensor for detection of microorganism and nano-biosensor for detection of microorganism}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nanobiosensor for detecting microorganisms and a method for preparing the nanobiosensor for detection of microorganisms,

본 발명은 미생물 검출용 나노바이오센서를 제조하는 방법과 이에 의해 제조된 미생물 검출용 나노바이오센서에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a nano-biosensor for detecting microorganisms and a nano-biosensor for detecting microorganisms produced thereby.

최근 전 세계적으로, 주로 오염된 식품을 통해 전파된 병원성 박테리아(foodborne pathogenic bacteria)에 의해 유발되는 감염성 질병(infectious diseases)으로부터 인간을 보호하기 위해, 가공식품(Processed foods)에 관한 모니터링이 이루어지고 있다.In recent years, monitoring has been conducted on processed foods in order to protect humans from infectious diseases caused by foodborne pathogenic bacteria, which are transmitted mainly through contaminated food .

식품매개 질병의 3분의 2가 박테리아에 의해 발생되며, 우점균(predominant bacteria)이 이와 같은 질병에 관련하고 있고, 오염된 식품을 섭취함으로써 오염된 존재하는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)은 위장염(gastroenteritis)을 유발하는 주요한 원인이다. 황색포도상구균 식중독(staphylococcal food poisoning)은 식품에 형성된 장관독소(staphylococcal enterotoxins)의 흡수로 인해 유발된다. 열 또는 저혈압 등과 같은 전신 독성(systemic toxicity)의 징후는, 포도상구균 식중독의 경우에는 거의 관찰되지 않는다. 포도상구균 식중독의 징후는 알려지지는 않았으나, 대부분은 보통 식중독을 유발한다. 이는, 포도상구균 식중독의 유발의 원인은 명확히 밝혀지지 않았다. Two thirds of foodborne illnesses are caused by bacteria, predominant bacteria are involved in these diseases, and existing Staphylococcus aureus contaminated by ingesting contaminated food can cause gastroenteritis gastroenteritis). Staphylococcal food poisoning is caused by absorption of food staphylococcal enterotoxins. Signs of systemic toxicity, such as fever or hypotension, are rarely observed in staphylococcal food poisoning. Staphylococcus The signs of food poisoning are not known, but most of them cause food poisoning. The cause of the staphylococcal food poisoning was not clear.

최근, 식품 내 잠재적인 내부 독소(potential enteric pathogens)의 지표(indicator)로 식품매개 박테리아가 활용 가능한 것으로 알려져, 이를 모니터링하는 것에 초점을 맞추고 있다. 이것은 또한, 식품 또는 물에서 배설물 오염을 모니터링 위한 미생물학적 지표로도 사용되고 있다. 이에 따라, 식품에서 식품 매개 박테리아의 탐색은 정기적으로 거쳐야할 테스트의 하나가 되었다. 미생물을 탐지하는 평판 균주 산정(plate counting agar, PCA) 등의 전통적인 방법은 노동 및 시간을 많이 소모하며, 24시간 이상의 시간을 필요로 한다. 더욱이, 배양기반의 방법은 살아있지만 배양이 불가능한 세포(viable but non-culturable cells)를 배양할 수 없는 제한이 따라 박테리아의 숫자를 작게 평가할 수 있다고 알려져 있다.Recently, food-borne bacteria are known to be an indicator of potentially potent enteric pathogens in food, and the focus is on monitoring them. It is also used as a microbiological indicator for monitoring fecal contamination in food or water. Accordingly, the search for food-borne bacteria in food has become one of the tests that must be carried out on a regular basis. Conventional methods such as plate counting agar (PCA) to detect microorganisms are labor-intensive and time consuming and require more than 24 hours. Furthermore, culture-based methods are known to allow a small number of bacteria to be limited due to limitations on viable but non-culturable cells that can not be cultured.

식품에서 식품 매개 병원성 박테리아를 탐지할 수 있는 신뢰할 수 있는 다양한 표현형적 또는 유전학적인 방법이 개발되었다. 그러나, 최근 보고된 많은 식품 매개 질병의 감염원은 여전히 불명확하다. 식품에서 식품 매개의 병원성 박테리아의 탐색은 다른 내재 박테리아와 유사성을 공유하고 있음으로 인해 도전적인 과제이다. 심지어 식품 시료에서 다른 미생물의 존재는 성장 속도가 느린 박테리아의 동정을 더욱 어렵게 한다. 전통적인 배양 방법에 의한 탐색과 비교할 때, PCR(Polymerized chain raction), qPCR(quantitative real-time PCR) 또는 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay) 등의 방법은 질병 탐지의 속도 및 감도를 향상시켰다. 그러나, PCR 등의 방법은 시료 매트릭스의 구성요소 또는 복잡한 전처리 과정(박테리아 DNA의 일부 또는 전체 추출)에 의해 제한받기 때문에 잘못된 결과를 도출하는 높은 위험성을 가지고 있다. ELISA는 별도로 표지된 항체를 필요로 하지만, 이와 같은 항체의 제조는 비용소모적이고, 시간이 많이 드는 작업이다. A variety of reliable phenotypic or genetic methods have been developed to detect foodborne pathogenic bacteria in food. However, the infectious source of many recently reported foodborne illnesses is still unclear. The search for foodborne pathogenic bacteria in food is a challenging task because it shares similarities with other endogenous bacteria. Even the presence of other microorganisms in food samples makes identification of slow-growing bacteria even more difficult. Methods such as polymerized chain raction (qPCR), quantitative real-time PCR (qPCR), or enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) have improved the speed and sensitivity of disease detection, as compared to traditional culture methods. However, methods such as PCR have a high risk of producing false results because they are limited by the components of the sample matrix or complex pretreatment procedures (partial or total extraction of bacterial DNA). ELISA requires separately labeled antibodies, but the production of such antibodies is costly and time consuming.

최근, 전기적 응답의 공여체(donors of electrical response)로서 나노바이오센서의 영역에서 최소화된 나노구조물로 나노와이어, 나노튜브 및 나노구(nanosphere)이 연구되고 있다. 나노크기의 나노바이오센서 장치는 생체 내에도 응용이 가능하고, 고감도로 제한된 낮은 농도에서도 탐지가 가능하다. 더욱이, 비표지, 급속, 저비용, 다양한 분석 가능성 등의 장점을 가진 쉬운 탐색 방법을 얻기 위해 나노크기의 나노바이오센서에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다. 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotubes, SWCNTs)는 나노전기장치로 사용되기 위한 매력적인 물질이다. SWCNT의 전기적인 특성은 생물할적 전기장치 및 나노바이오센서 등에 사용하기 좋다. 실리콘 기판 상에 형성시킨 SWCNT 및 금(Au) 어셈블리는 나노바이오센서의 고감도 전기적 응답반응에 영향을 주기에 충분하다. 실리콘 기판에 SWCNT의 합성을 위해서는 정전기적 또는 모세관적 방법을 이용하고 있으나, 실리콘 기판 상에 부착은 결합력이 약해 SWCNT 완전체를 지지하기 위한 방법이 요구되고 있다. SWCNT 기반의 화학적 저항성/전계효과 트렌지스터(chemiresistive/field effect transistor, FET) 센서를 사용한 이와 같은 분석 방법을 이용한 탐색은 의학적 센서로 생체외 시스템에 적용이 용이하다. 그러나, FET 장치는 3 가지 전극(작업전극, 참고전극 및 상대전극)을 필요로 하고, 크기가 크기 때문에 표적 물질을 고감도로 탐지할 수 있으나, 의학적으로 생체 내 탐지 시스템으로 적용이 어려운 문제점이 있다. 소형화된 나노바이오센서는 고감도 및 고선택성으로 작은 분자를 탐지하고 정량화할 수 있어야 한다. 전극 변형 기술의 다양화는 공유 또는 비공유 결합 방법으로 SWCNT 상에 바이오입자를 고정화하기 위해 사용될 수 있다. SWCNT에 화학적 작용기를 결합시키는 공유결합방법은 SWCNT의 전기적 특성에 연관된 심각한 문제를 야기한다. 이는 공유결합 방법이 변화할 수 있는 다양한 가능성을 가지기 때문이다. 반면에, π-π 적층(π-π stacking)을 사용한 비공유결합방법은 단지 물리적인 힘으로 SWCNT 상에 물질을 고정화하기 때문에, SWCNT의 화학적 특성을 변화시키지 않는다. 효소 고정화는 또한 나노바이오센서의 감도 및 안정성을 증가시키기 위해 중요한 공정 중 하나이다. 고정화된 효소의 낮은 활성은 매트릭스-효소 계면에서 지엽적인 pH 또는 정전기적 상호작용의 차이 때문이다. 이는, 효소를 공유결합시키는 것이 전체적인 효소 구조를 변화시키고, 매트릭스는 기질 촉매화 과정 동안 입체구조의 변화 때문에 효소의 이동성을 감소시키는 제한을 유도한다. Recently, nanowires, nanotubes, and nanospheres have been studied as minimized nanostructures in the domain of nanobiosensors as donors of electrical response. The nano-sized nano-biosensor device can be applied in vivo and can be detected at a low concentration with high sensitivity. Furthermore, various studies are being conducted on nano-sized nano-biosensors in order to obtain an easy search method that has advantages such as unlabeled, rapid, low-cost, and various analytical possibilities. Single walled carbon nanotubes (SWCNTs) are attractive materials for use in nanoelectronic devices. The electrical characteristics of the SWCNTs are good for use in biological devices such as biosensors and nano-biosensors. The SWCNT and gold (Au) assemblies formed on a silicon substrate are sufficient to affect the highly sensitive electrical response of the nanobio sensor. In order to synthesize SWCNT on a silicon substrate, an electrostatic or capillary method is used. However, adhesion on a silicon substrate requires a method for supporting a SWCNT complete body due to weak binding force. This method of analysis using a SWCNT-based chemiresistive / field effect transistor (FET) sensor is a medical sensor that is easy to apply to in vitro systems. However, the FET device requires three electrodes (working electrode, reference electrode and counter electrode) and can detect the target substance with high sensitivity because of its large size, but it is difficult to be applied to an in vivo detection system medically . The miniaturized nanobiosensors should be able to detect and quantify small molecules with high sensitivity and high selectivity. Diversification of electrode deformation techniques can be used to immobilize bioparticles on SWCNTs in a covalent or non-covalent manner. Covalent bonding methods that bind chemical functional groups to SWCNT cause serious problems associated with the electrical properties of SWCNTs. This is because the covalent bonding method has various possibilities to be changed. On the other hand, the non-covalent bonding method using π-π stacking does not change the chemical properties of the SWCNT because it only immobilizes the material on the SWCNTs with a physical force. Enzyme immobilization is also an important process to increase the sensitivity and stability of nanobio-sensors. The low activity of the immobilized enzyme is due to the local pH or electrostatic interaction differences at the matrix-enzyme interface. This is due to the fact that covalent attachment of the enzyme changes the overall enzyme structure and the matrix induces a restriction that reduces the mobility of the enzyme due to the change in steric structure during the substrate catalysis process.

상기와 같은, 나노바이오센서를 이용한 모니터링 방법은 식품 산업에서 식품 매개 박테리아의 실제적인 현장(on-site) 탐지의 잠재적인 실행가능성을 가진다. 또한, 나노바이오센서를 이용한 모니터링 방법은 사용자의 경험을 필요로 하지 않으며, 샘플을 제조하는 복잡한 과정을 거칠 필요가 없다. 따라서, 식품 산업에서 식품 매개 박테리아를 현장에서 고감도로 감지할 수 있는 나노바이오센서에 관한 연구가 필요하다.Such a monitoring method using nanobiosensors has the potential for practical on-site detection of food-borne bacteria in the food industry. In addition, the monitoring method using the nano-biosensor does not require the user's experience, and does not have to go through a complicated process of manufacturing the sample. Therefore, there is a need for research on nano-biosensors that can detect food-borne bacteria in the food industry with high sensitivity in the field.

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본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 식품 매개 박테리아의 실제적인 현장(on-site) 탐지가 가능하고, 감도가 우수하여 식품 산업에 즉시 활용 가능한 나노바이오센서를 제조할 수 있는 방법 및 이에 의해 제조된 나노바이오센서에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in order to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a nano-biosensor capable of detecting actual on-site of food-mediated bacteria, And a technical content of the nano-biosensor manufactured thereby.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 기판 상에 전극 패턴을 형성시키는 단계; (b) 상기 전극 패턴이 형성된 기판에 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 혼합용액을 도포하여 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시키는 단계; (c) 상기 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidylester)를 도포하여 링커층을 형성시키는 단계; 및 (d) 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하여 상기 링커층에 항체를 결합시키는 단계;를 포함하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a plasma display panel, including: (a) forming an electrode pattern on a substrate; (b) forming a single-walled carbon nanotube layer by applying a mixed solution containing single-walled carbon nanotubes to a substrate on which the electrode pattern is formed; (c) applying 1-pyrenebutanoic acid succinimidylester on the single-walled carbon nanotube layer to form a linker layer; And (d) applying a mixed solution containing an antibody on the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed to bind the antibody to the linker layer. do.

또한, 상기 기판은 크롬(Cr)이 도핑된 실리콘 기판인 것을 특징으로 한다.Further, the substrate is a chromium (Cr) -doped silicon substrate.

또한, 상기 단계 (a)에서는, 전자빔 증발법(e-beam evaporator)을 이용하여 금(Au) 전극 패턴을 형성시키는 것을 특징으로 한다.In the step (a), a gold (Au) electrode pattern is formed using an e-beam evaporator.

또한, 상기 단계 (b)에서, 상기 혼합용액은 0.1 내지 10 mg/mL의 농도로 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (b), the mixed solution may include single-walled carbon nanotubes at a concentration of 0.1 to 10 mg / mL.

또한, 상기 단계 (b)에서는, 상기 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시킨 후, 탈이온수(deionized water)로 상기 기판을 3회 이상 세척하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (b), after the single-walled carbon nanotube layer is formed, the substrate is washed three times or more with deionized water.

또한, 상기 단계 (d)에서는, 0.001 내지 0.01 mg/mL의 농도로 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하는 것을 특징으로 한다.In the step (d), a mixed solution containing the antibody is applied at a concentration of 0.001 to 0.01 mg / mL.

또한, 상기 단계 (d)에서는, 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 포도상구균을 포획할 수 있는 다클론 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하는 것을 특징으로 한다.In the step (d), a mixed solution containing a polyclonal antibody capable of capturing staphylococci is applied on the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed.

또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법에 의해 제조된 나노바이오센서를 제공한다.The present invention also provides a nano-biosensor manufactured by the above-described method.

또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법에 의해 제조된 나노바이오센서; 상기 나노바이오센서와 전기적으로 연결되어 상기 나노바이오센서의 저항값 변화를 감지하는 저항감지부; 및 상기 저항감지부에서 감지한 저항값 변화를 표시하는 표시부;가 구비된 미생물 검출 시스템을 제공한다.The present invention also relates to a nano-biosensor manufactured by the above-described method; A resistance sensing unit electrically connected to the nano-biosensor and sensing a change in resistance value of the nano-biosensor; And a display unit for displaying a resistance value change sensed by the resistance sensing unit.

또한, 상기 미생물 검출 시스템은 최소 4 Log CFU/mL의 농도로 미생물을 포함하는 시료를 공급하여 미생물을 검출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the microorganism detection system is characterized by detecting a microorganism by supplying a sample containing microorganisms at a concentration of at least 4 Log CFU / mL.

또한, 상기 미생물은 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)인 것을 특징으로 한다.In addition, the microorganism is characterized by being Staphylococcus aureus .

본 발명에 따른 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법은, 단일벽 탄소나노튜브가 도포된 기판 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidylester)를 링커로 결합시키고, 미생물을 포획할 수 있는 항체를 링커에 결합시키는 공유결합(핵치환반응)을 이용한 고정화(immobilization)의 공정을 이용하여, 단순한 공정으로 단시간에 고감도로 표적 미생물을 감지할 수 있는 단일벽 탄소나노튜브 기반 나노바이오센서를 제조할 수 있다.The method for producing a nano-biosensor for detecting microorganisms according to the present invention comprises the steps of binding a 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester (1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester) on a substrate coated with a single-walled carbon nanotube with a linker, A single-walled carbon nanotube-based nanomolecule capable of detecting a target microorganism with high sensitivity in a short time by a simple process using a process of immobilization using a covalent bond (nucleus substitution reaction) which binds a capturable antibody to a linker A biosensor can be manufactured.

도 1은 본 발명에 따른 미생물 검출용 나노바이오센서가 구비된 미생물 검출 시스템을 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 실시예에 따른 방법에 의해 간접효소면역측정법에 의해 측정된 선별된 박테리아 균주에 대한 다클론항체의 특이성을 나타내는 그래프이다(단, 에러바는 표준편차(n = 3)를 나타내며, a 내지 e의 기호는 유의수준(P < 0.05)에서 시료들 사이에 중요한 차이점을 나타냄).
도 3은 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT)의 저항값, 링커가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT + linker)의 저항값 및 링커 및 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT + linker + Ab)의 저항값을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다(단, 에러바는 표준편차(n = 3)를 나타내며, a 및 b의 기호는 유의수준(P < 0.05)에서 시료들 사이에 중요한 차이점을 나타냄).
도 4는 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT), 링커가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT + linker) 및 링커 및 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT + Ab + linker)에 PBS 또는 박테리아를 공급한 후, 저항값을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다(단, 에러바는 표준편차(n = 3)를 나타내며, a 내지 c의 기호는 유의수준(P < 0.05)에서 시료들 사이에 중요한 차이점을 나타냄).
도 5는 (a) 대조군 나노바이오센서 플랫폼 및 (b) 박테리아 세포가 고정화된 나노바이오센서 플랫폼의 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 6은 실시예에 따른 나노바이오센서 플랫폼에 도입된 박테리아 세포의 농도별 저항값 변화를 측정한 그래프이다(단, 에러바는 표준편차(n = 3)를 나타내며, a 내지 f의 기호는 유의수준(P < 0.05)에서 시료들 사이에 중요한 차이점을 나타냄).
1 is a conceptual diagram schematically showing a microorganism detection system equipped with a nano-biosensor for detecting microorganisms according to the present invention.
Figure 2 is a graph showing the specificity of polyclonal antibodies against selected bacterial strains measured by indirect enzyme immunoassay by the method according to the example (with error bars representing the standard deviation (n = 3), a The symbols e to e indicate significant differences between the samples at the significance level (P < 0.05).
FIG. 3 is a graph showing a resistance value of a SWCNT nano-biosensor platform (SWCNT), a resistance value of a SWCNT nano-biosensor platform (SWCNT + linker) immobilized with a linker, and a resistance value of a linker and an antibody immobilized SWCNT nano- The error bars indicate the standard deviation (n = 3), and the symbols a and b show significant differences between the samples at the significance level (P <0.05). ).
FIG. 4 is a graph showing the results of measurement of PBS or bacteria on a SWCNT nano-biosensor platform (SWCNT), a SWCNT nano-biosensor platform (SWCNT + linker) immobilized with a linker, and a SWCNT nano- (The error bars represent the standard deviation (n = 3), and the symbols a through c represent significant differences between the samples at the significance level (P < 0.05) Lt; / RTI &gt;
5 is a SEM image of a surface of a nano-biosensor platform immobilized with a (a) control nano-biosensor platform and (b) a bacterial cell.
FIG. 6 is a graph showing a change in resistance value of a bacterial cell introduced into a nano-biosensor platform according to an embodiment (where an error bar represents a standard deviation (n = 3) Level (P &lt; 0.05).

본 발명은 단일벽 탄소나노튜브를 이용하여 식품에 포함된 미생물을 효과적으로 검출할 수 있고, 두 개의 전극 단자가 구비된 구조의 미생물 검출용 나노바이오센서를 제조하는 방법과 이에 의해 제조되어 식품에 포함된 미생물을 고감도로 검출할 수 있는 나노바이오센서가 구비된 미생물 검출 시스템에 관한 기술 내용을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a nano-biosensor for detecting microorganisms having a structure in which a microorganism contained in a food can be effectively detected using a single-walled carbon nanotube and a structure having two electrode terminals, The present invention relates to a microbial detection system equipped with a nanobiosensor capable of detecting a microorganism with high sensitivity.

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

본 발명은, (a) 기판 상에 전극 패턴을 형성시키는 단계; (b) 상기 전극 패턴이 형성된 기판에 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 혼합용액을 도포하여 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시키는 단계; (c) 상기 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidylester)를 도포하여 링커층을 형성시키는 단계; 및 (d) 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하여 상기 링커층에 항체를 결합시키는 단계;를 포함하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법을 제공한다.(A) forming an electrode pattern on a substrate; (b) forming a single-walled carbon nanotube layer by applying a mixed solution containing single-walled carbon nanotubes to a substrate on which the electrode pattern is formed; (c) applying 1-pyrenebutanoic acid succinimidylester on the single-walled carbon nanotube layer to form a linker layer; And (d) applying a mixed solution containing an antibody on the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed to bind the antibody to the linker layer. do.

상기 단계 (a)는, 기판 상에 전극 패턴을 형성시키는 단계로서, 상기 기판은 전극 형성을 위해 통상적으로 활용 가능한 소재는 제한받지 않고 사용할 수 있으며, 실리콘 기판을 대표적인 예로 들 수 있다.The step (a) is a step of forming an electrode pattern on a substrate, and the material that can be usually used for forming the electrode of the substrate is not limited, and a silicon substrate is a typical example.

상기 실리콘 기판은 후술할 단계에서 형성되는 단일벽 탄소나노튜브와 접합을 이루기 위해 크롬(Cr)이 도핑된 실리콘 기판을 바람직하게 사용할 수 있으며, 상기 크롬이 도핑된 실리콘 기판에 금 전극을 형성시킴으로써, 크롬 및 금이 증착된 구조의 기판을 형성되고 단일벽 탄소나노튜브와 실리콘의 접합을 이루어 임피던스 변화에 의한 저항값의 변화를 감지하여 미생물에 대한 선택성이 높은 나노바이오센서를 제조할 수 있다.The silicon substrate may be preferably a silicon substrate doped with chromium (Cr) to form a junction with a single-walled carbon nanotube formed in a later-described step. By forming a gold electrode on the chromium-doped silicon substrate, Chromium and gold are deposited on the substrate, and the single wall carbon nanotube and silicon are bonded to each other to sense a change in resistance value due to the impedance change. Thus, a nano-biosensor having high selectivity for microorganisms can be manufactured.

상기 금속 패턴을 형성시키기 위해서는, 전극 패턴을 형성시키기 위한 마스크를 제조하고, 상기 기판에 상면에 마스크를 위치시킨 후, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정을 이용하여 금(Au)을 기판상에 증착시킴으로써, 기판에 형성된 크롬과 금이 증착되어 선택성이 높은 전극 패턴을 형성시킬 수 있다.In order to form the metal pattern, a mask for forming an electrode pattern is prepared, a mask is placed on the substrate, and gold (Au) is deposited on the substrate using an e-beam lithography process By depositing chromium and gold deposited on the substrate, an electrode pattern having high selectivity can be formed.

또한, 바람직하게는, 금 전극 간의 거리를 대략 0.01 내지 0.2 cm의 거리로 설정하고, 보다 바람직하게는 0.1 cm의 거리로 설정하여 진공압의 조건으로 전자빔 리소그래피하여 금 전극 패턴을 형성시킬 수 있다.Preferably, the distance between the gold electrodes is set at a distance of about 0.01 to 0.2 cm, more preferably at a distance of 0.1 cm, and the gold electrode pattern can be formed by electron beam lithography under a vacuum pressure condition.

상기 단계 (b)는, 상기 전극 패턴이 형성된 기판에 단일벽 탄소나노튜브를 도포하여 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시키는 단계로서, 본 단계에서는 민감도가 높은 단일벽 탄소나노튜브를 사용하고, 상기 단일벽 탄소나노튜브를 도포하기 위해서 용액 공정을 사용하여 균일하게 분산된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 혼합용액을 기판 상에 도포하여 단일벽 탄소나노튜브 층을 기판 상에 형성시킬 수 있다.In the step (b), a single-walled carbon nanotube layer is formed by applying a single-walled carbon nanotube to a substrate on which the electrode pattern is formed. In this step, a single-walled carbon nanotube having high sensitivity is used. A single-walled carbon nanotube layer can be formed on a substrate by applying a mixed solution containing single-walled carbon nanotubes uniformly dispersed using a solution process to the single-walled carbon nanotube.

상기 단일벽 탄소나노튜브의 형성을 위해, 상기 혼합용액은 0.1 내지 10 mg/mL의 농도로 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 혼합용액을 사용하는 것이 바람직하며, 혼합용액의 농도가 0.1 mg/mL 미만인 경우, 나노바이오센서의 저항값이 높아 나노바이오센서의 감도가 떨어질 수 있으며, 10 mg/mL를 초과하는 경우에도 저항값의 감소가 없어 상기 농도의 혼합용액으로 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시킬 수 있으며, 본 단계에서는 상기 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시킨 후, 상기 기판의 표면을 탈이온수(deionized water)로 3회 이상 수회 반복 세척하여 불순물을 제거하도록 구성하여도, 저항값의 변화가 크지 않은 안정적인 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시킬 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.1 mg/mL 농도의 혼합용액을 사용여 기판 상에 단일벽 탄소나노튜브를 형성시킬 수 있다.For the formation of the single-walled carbon nanotubes, it is preferable to use a mixed solution containing single-walled carbon nanotubes at a concentration of 0.1 to 10 mg / mL. When the concentration of the mixed solution is 0.1 mg / mL , The sensitivity of the nano-biosensor may decrease due to the high resistance of the nano-biosensor. Even if the concentration exceeds 10 mg / mL, there is no decrease in the resistance value, so that a single-walled carbon nanotube layer In this step, after the single-walled carbon nanotube layer is formed, the surface of the substrate may be repeatedly washed with deionized water several times to remove impurities, Walled carbon nanotube layer that is not as large as that of the single-walled carbon nanotube layer. More preferably, the single-walled carbon nanotube layer is formed on the substrate by using the mixed solution of the concentration of 0.1 mg / Can.

아울러, 본 단계에서는 상기 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 혼합용액을 기판의 상면에 도포한 후, 상기 기판의 상면에 도포된 상태에서 전류를 가해 일방향을 지향하도록 배향된 형태의 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시키도록 구성할 수 있다. 상기와 같이 정렬된 단일벽 탄소나노튜브 층은 정렬 상태가 개선되어 미생물 시료가 항체에 결합될 때, 생성되는 저항값의 상승폭을 증가시킴으로써, 고감도로표적 미생물을 감지할 수 있다.In addition, in this step, a mixed solution containing the single-walled carbon nanotubes is coated on the upper surface of the substrate, and then a current is applied to the upper surface of the substrate to induce a single-walled carbon nanotube Layer can be formed. The alignment of the single-walled carbon nanotube layer as described above improves the alignment state, and when the microbial sample is bound to the antibody, the increase in the resistance value is increased, so that the target microorganism can be detected with high sensitivity.

상기 단계 (c)는, 상기 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidylester)를 도포하여 링커층을 형성시키는 단계로서, 본 단계에서는 상기 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 1-피렌부탄산을 포함하는 링커를 사용함으로써 링커가 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 고정화할 수 있도록 유도하였고 그 링커에는 또한 항체가 결합되는 링커층의 역할을 하는 숙신이미딜 에스터를 포함하고 있다. In the step (c), 1-pyrenebutanoic acid succinimidylester is coated on the single-walled carbon nanotube layer to form a linker layer. In this step, By using a linker containing 1-pyrenobutanoic acid on the nanotube layer, the linker was induced to be immobilized on the single-walled carbon nanotube layer. The linker also contained succinimidyl Ester.

보다 상세히 설명하면, 1-피렌부탄산의 소수성 피레닐기가 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 소수성 벽에 π-π 적층 및 정전기적 상호작용을 이용한 비공유결합 (Noncovalent bond)으로 1-피렌부탄산이 단일벽 탄소나노튜브 층상에 고정화될 수 있다. 또한, 링커의 숙신이미딜 에스터(succinimidyl ester)는 항체와 핵치환 반응에 의해서 고정화되어 센서 기판 위에서 링커 역할을 수행하게 된다. More specifically, the hydrophobic pyrenyl group of 1-pyrenobutanoic acid is bonded to a hydrophobic wall on a single-walled carbon nanotube layer by a pi-pi lamination and a noncovalent bond using electrostatic interactions, Can be immobilized on the wall carbon nanotube layer. In addition, the linker's succinimidyl ester is immobilized by the antibody and nucleus substitution reaction, and acts as a linker on the sensor substrate.

상기 단계 (d)는 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 항체를 도포하여 링커 및 항체의 공유결합을 유도하는 단계로서, 상기와 같이 하여 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 탐지를 위한 표적 미생물을 포획할 수 있는 항체를 도포함으로써, 미생물 시료가 공급되면 미생물을 포획할 수 있는 항체를 통해 시료에 존재하는 표적 미생물을 포획할 수 있는 나노바이오센서를 제조하도록 구성할 수 있다.In the step (d), the antibody is coated on the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed to induce the covalent bond between the linker and the antibody. Can be configured to produce a nano-biosensor capable of capturing target microorganisms present in the sample through an antibody capable of capturing the microorganism upon application of the microorganism sample, by applying an antibody capable of capturing the target microorganism for detection have.

보다 상세히 설명하면, 상기 링커층에 결합되는 항체는 가변부(variable region) 및 불변부(constant region)를 포함하는 2중 구조를 가지며, 항체의 불변부는 링커층에 아민기와 친핵성 치환 반응(nucleophilic substitution)을 통해 고정화되어 링커층에 표면에 고정화됨으로써, 미생물 시료에 포함된 표적 미생물을 포획할 수 있는 가변부가 외부로 노출된 상태의 나노바이오센서를 제조할 수 있다.More specifically, the antibody bound to the linker layer has a double structure including a variable region and a constant region, and the constant portion of the antibody binds an amine group and a nucleophilic substituent substitution, and immobilized on the surface of the linker layer. Thus, a nanobiosensor in which the variable portion capable of capturing the target microorganism contained in the microorganism sample is exposed to the outside can be manufactured.

상기와 같이, 단일벽 탄소나노튜브, 링커층 및 항체를 포함하는 구조의 나노바이오센서는 링커층 및 항체의 결합으로 인해 단일벽 탄소나노튜브의 저항값에 큰 변화가 없고, 일정한 저항값을 나타내는 나노바이오센서를 제조할 수 있다.As described above, the nano-biosensor having a structure including a single-walled carbon nanotube, a linker layer, and an antibody does not show a large change in the resistance value of the single-walled carbon nanotube due to the binding of the linker layer and the antibody, A nano-biosensor can be manufactured.

상기와 같이 제조된 나노바이오센서는, 표적 미생물 시료가 포획될 시 발색하는 발색물질을 구비하도록 구성하여, 발색부의 발색여부를 통해 표적 미생물의 농도 및 존재여부를 정량할 수 있으나, 저농도의 표적 미생물을 포함하는 식품 시료를 공급하여도 고감도의 나노바이오센서를 구현하기 위해서, 본 발명에서는 표적 미생물이 상기 나노바이오센서의 항체에 결합됨으로써 발생되는 저항값 변화를 이용하여 표적 미생물을 감지하도록 구성할 수 있으며, 상기와 같이, 단일벽 탄소나노튜브, 링커층 및 항체를 포함하는 구조의 나노바이오센서에 미생물 시료를 공급하면, 미생물 시료에 포함된 표적 미생물이 나노바이오센서의 항체에 가변부에 포획되어 급격한 저항값의 변화를 야기하여 저항값 변화를 감지하는 저항감지기를 구비시킴으로써, 미생물 시료에 포함된 표적 미생물을 고감도로 감지하도록 구성할 수 있다.The nano-biosensor manufactured as described above can be configured to include a coloring material that develops color when a target microorganism sample is captured, thereby determining the concentration and presence of the target microorganism through coloring of the coloring unit. However, In order to realize a nano-biosensor with a high sensitivity even when a food sample containing the nano-biosensor is supplied, the present invention can be configured to detect the target microorganism using a change in resistance value caused by binding of the target microorganism to the antibody of the nano- As described above, when a microorganism sample is supplied to a nano-biosensor having a structure including a single-walled carbon nanotube, a linker layer and an antibody, the target microorganism contained in the microorganism sample is captured in the variable region of the antibody of the nano- By providing a resistance sensor that detects a change in resistance value by causing a sudden change in resistance value, It can be configured to detect a target microorganism contained in the sample water with high sensitivity.

본 단계에서는, 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 바람직하게는, 0.001 내지 0.01 mg/mL의 농도로 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하여, 나노바이오센서의 저항값의 급격한 증가를 방지하고, 고감도로 표적 미생물을 감지하는 나노바이오센서를 제조할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.004 mg/mL 농도의 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하도록 구성할 수 있다.In this step, a mixed solution containing an antibody is applied onto the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed, preferably at a concentration of 0.001 to 0.01 mg / mL, so that a sharp increase in the resistance value of the nano- A nano-biosensor capable of detecting a target microorganism with high sensitivity can be manufactured, and more preferably, a mixed solution containing an antibody having a concentration of 0.004 mg / mL can be applied.

일례로, 본 단계에서는 식품에 포함된 표적 미생물로, 식품 매개 병원성 박테리아인 포도상구균을 설정하고, 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 포도상구균을 포획할 수 있는 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하도록 구성하여 식품에 포함된 포도상구균을 고감도로 검출할 수 있는 나노바이오센서를 제조할 수 있으며, 상기 항체는 포도상구균을 포획할 수 있는 다클론 항체를 바람직하게 사용할 수 있다.For example, in this step, a target microorganism contained in a food is set as a food-borne pathogenic bacteria, staphylococci, and a mixture containing an antibody capable of capturing staphylococci on the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed A nano-biosensor capable of highly sensitive detection of staphylococci contained in foods can be manufactured. The antibody can be preferably a polyclonal antibody capable of capturing staphylococci.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법은, 단일벽 탄소나노튜브가 도포된 기판 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)를 링커로 결합시키고, 미생물을 포획할 수 있는 항체를 링커에 고정화(immobilization)하는 단순한 공정으로 단시간에 고감도로 표적 미생물을 감지할 수 있는 단일벽 탄소나노튜브 기반 나노바이오센서를 제조할 수 있다.As described above, the method for manufacturing a nano-biosensor for detecting microorganisms according to the present invention is characterized in that 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester is linked to a substrate coated with single-walled carbon nanotubes as a linker A single-walled carbon nanotube-based nano-biosensor capable of detecting a target microorganism with high sensitivity in a short time can be manufactured by a simple process of immobilizing an antibody capable of capturing microorganisms to a linker.

또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법에 의해 제조된 나노바이오센서를 제공하며, 상기 나노바이오센서, 상기 나노바이오센서와 전기적으로 연결되고, 상기 나노바이오센서에 전류를 공급하여 상기 나노바이오센서의 저항값 변화를 감지하는 저항감지부 및 상기 저항감지부에서 감지한 저항값 변화를 표시하는 표시부가 구비된 미생물 검출 시스템을 제공한다(도 1 참조).The present invention also provides a nano-biosensor manufactured by the above-described method, wherein the nano-biosensor is electrically connected to the nano-biosensor and supplies a current to the nano-biosensor, And a display unit for displaying a resistance value change sensed by the resistance sensing unit (refer to FIG. 1).

상기 미생물 검출 시스템은 표적 미생물이 항체에 결합됨으로 인해 발생되는 저항값 변화를 감지하여 표적 미생물을 고감도로 검출할 수 있는 나노바이오센서가 구비되어 미생물을 포함하는 시료를 공급하면, 상기 나노바이오센서에 저항값의 변화를 감지하고, 저항값 변화를 측정하여 시료에 포함된 미생물을 효과적으로 검출할 수 있으며, 저항값의 차이를 이용하여 미생물의 농도를 손쉽게 정량가능하다.The microbial detection system includes a nano-biosensor capable of detecting a target microorganism with high sensitivity by detecting a change in resistance value caused by binding of a target microorganism to an antibody, and supplying a sample containing microorganisms to the nano- It is possible to detect the microorganisms contained in the sample by detecting the change of the resistance value and measure the change of the resistance value, and it is possible to easily determine the concentration of the microorganism by using the difference of the resistance value.

상기 미생물 검출 시스템은 저온 박테리아의 탐색을 위한 연속적인 저항 응답 모니터링을 허용하기 위해서 두 개의 전극 단자가 구비된 구조로 고안된 나노바이오센서가 구비되어 최소 4 Log CFU/mL의 농도로 미생물을 포함하는 시료를 공급하여도 미생물을 검출할 수 있어 고감도로 미생물을 검출할 수 있고, 컴팩트한 크기로 구현이 가능하여 간편하게 휴대할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 나노바이오센서에 구비된 항체의 종류에 따라 식품에 서식하는 다양한 미생물을 효과적으로 감지할 수 있으며, 특히, 상기 미생물은 식중독 및 위장염을 유발하는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)을 효과적으로 검출할 수 있다.The microbial detection system is equipped with a nano-biosensor designed to have a structure with two electrode terminals to permit continuous resistance response monitoring for the detection of cold bacteria, and a sample containing microorganisms at a concentration of at least 4 Log CFU / It is possible to detect the microorganisms even when supplied with a small amount of microorganisms and to detect the microorganisms with high sensitivity and to realize the compact size and to carry them easily. In addition, according to the type of the antibody provided in the nano- The microorganism can effectively detect Staphylococcus aureus which causes food poisoning and gastroenteritis.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.The embodiments presented are only a concrete example of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<실시예><Examples>

(1) 재료(1) Material

한국생명공학연구원(KRIBB, Daejeon, South Korea)으로부터 황색포도상구균(KCTC 3881)의 균주 배양액을 구입하였다. 구입한 균주는 영양 배지 내에서 37 ℃의 조건으로 16시간 동안 배양하였다. 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 순도 95% 이상인 것을 청두 유기 화합물사(Chengdu, China)에서 구매하였다. N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF)는 대정사(Daejung Inc. Siheung, South Korea)에서 구매하였다. 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)를 라이프테크놀로지(Life Technologies, NY, USA)에서 구매하였다. 항황색포도상구균 항체(anti-Staphylococcus aureus antibodies)는 압캠사(Abcam Inc., Cambridge, UK)에서 구매하였고, 사용전 탄산-중탄산염 완충용액(carbonate-bicarbonate buffer)으로 0.004 mg/mL의 농도로 희석하였다. 다른 시약들은 분석 등급인 것을 사용하였다.A strain culture of Staphylococcus aureus (KCTC 3881) was purchased from Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB, Daejeon, South Korea). The purchased strain was cultured in a nutrient medium at 37 ° C for 16 hours. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were purchased from Chengdu Organic Chemicals Company (Chengdu, China) with a purity of 95% or more. N, N-dimethylformamide (DMF) was purchased from Daejung Inc. Siheung, South Korea. 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester was purchased from Life Technologies, NY, USA. Anti- Staphylococcus aureus antibodies were purchased from Abcam Inc. (Cambridge, UK) and diluted to a concentration of 0.004 mg / mL with a carbonate-bicarbonate buffer before use. Respectively. Other reagents were of analytical grade.

(2) 간접효소면역측정법(indirect ELISA)에 대한 항체의 특이성(2) Specificity of antibody to indirect ELISA

간접효소면역측정법을 사용하여 상업적으로 활용가능한 항황색포도상구균의 항체 특이성을 비교하였다. 황색포도상구균 KCTC3881(Staphylococcus aureus)을 영양 배지에서 배양하고, 11종의 모든 다른 균주들은 TSB(Tryptic Soy Broth) 배지가 구비된 교반 배양기에서 37 ℃의 온도조건에서 16시간 동안 배양하였다. 특이성(specification)을 분석하기 위해 11종의 다른 박테리아를 사용하였으며, 11종의 균주는 ATCC23715(Yersinia enterocolitica), ATCC19856(Samonella typhimurium), ATCC13883(Klebsiella pueumoiae), H7(E.coli O157), ATCC19586(Samonella enteritidis), NTCC11190(Shigella boydii), ATCC10145(Pseudomonas aeruginosa), ATCC19116(Listeria), ATCC21768(Bacillus cereus), ATCC9290(Shigella sonnei) 및 대조군(negative control)을 사용하였다.The antibody specificity of commercially available anti - Staphylococcus aureus strains was compared using indirect enzyme immunoassay. Staphylococcus aureus (KCTC3881) was cultured in a nutrient medium. All 11 different strains were cultivated in a stirred incubator equipped with TSB (Tryptic Soy Broth) medium at 37 ° C. for 16 hours. 11 strains were used for the analysis of 11 strains and 11 strains were identified as ATCC 23715 ( Yersinia enterocolitica ), ATCC19856 (Samonella typhimurium ), ATCC13883 ( Klebsiella pueumoiae ), H7 ( E. coli O157 ), ATCC 19586 the Samonella enteritidis), NTCC11190 (Shigella boydii ), ATCC10145 (Pseudomonas aeruginosa), ATCC19116 (Listeria), ATCC21768 (Bacillus cereus), ATCC9290 (Shigella sonnei) and control group (negative control) was used.

박테리아를 10 mM PBS 완충용액(pH 7.4)에서 5,000 rpm의 속도로, 4ㅀC의 온도로 1 분 동안 원심분리하여 세척하였으며, 3회 세척하였다. The bacteria were washed in 10 mM PBS buffer (pH 7.4) at a rate of 5,000 rpm, centrifuged for 1 minute at a temperature of 4 ° C, and washed 3 times.

특이성 분석을 위해, 100 μL의 항황색포도상구균 항체(anti-Staphylococcus aureus antibodies)를 PBS 완충용액으로 1,000배 희석시켰고, 각각의 웰(well)에서 인큐베이션하였다. 450 nm의 마이크로 플레이트 리더(Synergy H1 hybrid reader, Seoul, South Korea)를 사용하여 발색 반응시켜 측정하였다. 마이크로 플레이트는 실온의 암실에서 30분 동안 인큐베이션하였다. 30분 경과후, 405 nm에서 발색 반응을 측정하였으며, 발색반응은 흡수도 차이로 측정하였고, 30분 경과한 시점의 흡수도에서 인큐베이션 전 흡수도를 뺀 값을 흡수도 차이로 하였다.For specificity analysis, 100 μL anti- Staphylococcus aureus antibodies were diluted 1,000-fold with PBS buffer and incubated in each well. (Synergy H1 hybrid reader, Seoul, South Korea) at 450 nm. The microplate was incubated for 30 minutes in a dark room at room temperature. After 30 minutes, the color development reaction was measured at 405 nm. The color development reaction was measured as a difference in absorbance, and the absorbance at 30 minutes was subtracted from the absorbance before incubation.

(3) 마스크 및 나노바이오센서 플랫폼의 제조(3) Manufacture of mask and nano-biosensor platform

나노바이오센서 플랫폼에 금 전극을 형성시키기 위한 마스크를 나노바이오센서 플랫폼 제조 전에 제조하였다. 플랫폼 상에 전극으로 금 증착의 패턴을 일회 처리로 최대 6의 측정을 달성할 수 있도록 고안하였다. 금 증착간 거리를 대략 0.1 cm로 설정하였다. 고안된 마스크에 따라, 4.0 × 10-6 torr의 진공압의 조건으로 전자빔 증발기(SRN-110-1505-R2, Sorona Inc., Pyeongtaek, South Korea)를 사용하여 크롬(Cr) 도핑된 실리콘 기판의 표면에 금을 증착하였다. 표면에 전기적 흐름이 없는 상태임을 확인할 수 있도록 금 증착전에 크롬 도핑된 실리콘 기판의 전도성을 측정하였다. 전극이 전기검사기에 연결되었을 때, 금 전극이 적절히 작동되는지를 확인하기 위해서 금이 증착된 플랫폼의 전도성을 측정하였다.A mask for forming a gold electrode on a nano-biosensor platform was fabricated before manufacturing the nano-biosensor platform. A pattern of gold deposition on the platform as an electrode was devised to achieve a maximum of 6 measurements with a single pass. The distance between the gold deposits was set to about 0.1 cm. (Cr) -doped silicon substrate using an electron beam evaporator (SRN-110-1505-R2, Sorona Inc., Pyeongtaek, South Korea) under a vacuum of 4.0 × 10 -6 torr according to a designed mask To deposit gold. The conductivity of the chromium doped silicon substrate was measured before gold deposition to confirm that no electrical current flow was present on the surface. When the electrode was connected to an electrical tester, the conductivity of the gold-deposited platform was measured to verify that the gold electrode was operating properly.

(4) 나노바이오센서 플랫폼에 단일벽 탄소 나노 튜브의 최적 농도 결정(4) Determination of optimal concentration of single-walled carbon nanotubes on nano-biosensor platform

SWCNT 분말을 DMF 혼합용액에 혼합하고, 물이 충진된 초음파기(water-filled sonicator, UCP-02, Jeiotech, Daejeon, Korea)를 이용해 실온에서 120분 동안 초음파 처리하여 혼합하였다. 금 전극 사이에 각각의 공간을 커버하기 위해서 금이 증착된 나노바이오센서 플랫폼의 표면 중앙에 SWCNT 혼합용액 5 μL를 드롭케스팅하여 나노바이오센서 플랫폼 상에 SWCNT 어셈블리를 형성시켰다. 잔류하는 DMF 혼합용액을 제거하기 위해서, 건조 오븐으로 80 ℃의 온도로 15분 동안 건조하였고, 금 전극 사이에 SWCNT를 배열하였다. 금속 전극 사이에 SWCNT 어셈블리의 형성 여부를 확인하기 위해서, 다발형 SWCNT 플레이트의 저항값(kΩ)을 퍼텐시오스타트(potentiostats, DY2013, EG Technology, Seoul, South Korea)로 측정하였다. SWCNT의 최적 농도는 나노바이오센서 플렛 폼상에 0.02, 0.1, 1 및 10 mg/mL의 농도로 SWCNT 혼합용액을 도포한 후, 1 mL의 탈이온수로 플랫폼의 표면을 5회 세척하여 측정하였다. 저항값은 세척 단계 이후에 측정하였다.The SWCNT powder was mixed with a DMF mixed solution and ultrasonicated for 120 minutes at room temperature using a water-filled sonicator (UCP-02, Jeiotech, Daejeon, Korea). To cover each space between the gold electrodes, 5 μL of the SWCNT mixed solution was dropped on the center of the surface of the gold-deposited nano-biosensor platform to form a SWCNT assembly on the nano-biosensor platform. To remove the residual DMF mixed solution, it was dried in a drying oven at 80 ° C for 15 minutes and SWCNTs were arranged between the gold electrodes. The resistance value (kΩ) of the multi-type SWCNT plate was measured with a potentiostat (DY2013, EG Technology, Seoul, South Korea) in order to confirm whether the SWCNT assembly was formed between the metal electrodes. The optimum concentration of SWCNT was measured by washing the surface of the platform 5 times with 1 mL of deionized water after applying the SWCNT mixed solution at a concentration of 0.02, 0.1, 1 and 10 mg / mL on the nano-biosensor platform. The resistance values were measured after the washing step.

(5) SWCNT 기반 나노바이오센서의 제조(5) Manufacture of SWCNT-based nano-biosensors

다발형 SWCNT의 비공유결합 기능화(non-covalent functionalization)를 위해서, SWCNT과 어셈블리한 나노바이오센서 플랫폼을 6 mM PBSE 혼합용액(9.8 mg PBSE 및 5 mL DMF)을 링커로 하여 반응시키고, 나노바이오센서의 표면에 잔류하는 PBSE(1-pyrene-butanoic acid succinimidyl ester)를 제거하기 위해서 탈이온수로 실온에서 세척하였다.For the non-covalent functionalization of multi-type SWCNTs, SWCNTs and assembled nano-biosensor platforms were reacted with 6 mM PBSE mixed solution (9.8 mg PBSE and 5 mL DMF) as a linker, And washed with deionized water at room temperature to remove residual PBSE (1-pyrene-butanoic acid succinimidyl ester) on the surface.

4 mg/mL 농도의 항황색포도상구균 항체를 12,000 rpm으로 20초 동안 원심분리하고, 탄산-중탄산염 완충용액(pH 9.3)를 첨가하여 1,000 배 희석하였다. 다발형 SWCNT 상의 PBSE 링커에 공유결합을 형성시킬 수 있도록 PBSE 링커에 항체를 노출시키고 4 ℃에서 하룻밤동안 반응시켜 항체를 다발형 SWCNT의 표면에 고정화 시켰다. 항체가 고정화된 나노바이오센서를 PBS 완충용액(pH 7.4)으로 세척하였다. 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서의 저항값은 퍼텐시오스타트를 이용하여 측정하였다. 저항값의 측정은 SWCNT 나노바이오센서의 제조를 위한 각 단계마다 수행하였다.The anti-Staphylococcus antibody at a concentration of 4 mg / mL was centrifuged at 12,000 rpm for 20 seconds and diluted 1,000 times by adding carbonate-bicarbonate buffer (pH 9.3). The antibody was exposed to the PBSE linker to allow covalent attachment to the PBSE linker on the multiple SWCNTs and reacted overnight at 4 &lt; 0 &gt; C to immobilize the antibody on the surface of the multiple SWCNTs. The antibody-immobilized nano-biosensor was washed with PBS buffer (pH 7.4). The resistance value of the SWCNT nano-biosensor immobilized with antibody was measured using a pertensiostat. The resistance values were measured for each step of the SWCNT nanobiosensor.

(6) 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서를 이용한 미생물 탐지(6) Microbial detection using antibody-immobilized SWCNT nanobio-sensor

배지에서 충분히 배양된 박테리아 세포에 10 mM PBS(pH 7.4)를 첨가한 후, 4 ℃, 5,000 rpm으로 5분 동안 원심분리하는 과정을 통해 박테리아 세포를 세척하였으며, 3회 세척하였다. 분광광도계(Uvmini 1240, Shimadzu, Kyoto, Japan)로 650 nm 파장의 빛을 이용한 광학 밀도 측정방법으로 측정하여 수집된 박테리아 군체를 측정하였고, 처리전 표준 곡선(Log CFU/mL)을 도출하였다. Bacterial cells that had been sufficiently cultured in the medium were added to 10 mM PBS (pH 7.4), and the bacterial cells were washed by centrifugation at 5,000 rpm for 5 minutes at 4 ° C and washed three times. Bacterial colonies were measured by optical density measurement method using light of 650 nm wavelength with a spectrophotometer (Uvmini 1240, Shimadzu, Kyoto, Japan) and the standard curve before treatment (Log CFU / mL) was derived.

20 μL의 박테리아 배양액을 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서(SWCNT + linker + pAb)에 적하하고, 실온에서 30분 동안 반응시켜 박테리아 및 항체 사이에 특이적인 결합을 유도하였다. 대조군은 나노바이오센서에는 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서에 20 μL의 PBS 완충용액을 적하하여 반응시켰다. 퍼텐시오스타트를 사용하여 반응 후 선형주사전위(Linear sweep voltammetry)를 측정하였다. 각각의 처리에서 0 내지 0.1V의 전류/전압 곡선의 기울기는 전류/전압 값을 역으로 산출한 저항값과 함께 선형 회귀 분석을 사용하여 측정하였다. 저항차(△R)는 하기의 식을 이용하여 산출하였다.20 μL of bacterial culture was added dropwise to the SWCNT nano-biosensor (SWCNT + linker + pAb) immobilized with antibodies and reacted at room temperature for 30 minutes to induce specific binding between the bacteria and the antibody. In the control group, 20 μL of PBS buffer solution was added dropwise to the SWCNT nanobio-sensor immobilized on the nanobio-sensor. A linear sweep voltammetry was measured after the reaction using a pertentinite. The slope of the current / voltage curve from 0 to 0.1 V in each treatment was measured using a linear regression analysis with a resistance value that reversed the current / voltage value. The resistance difference (DELTA R) was calculated using the following equation.

[식][expression]

△R = (R1-R0) / R0 ? R = (R 1 -R 0 ) / R 0

(단, R0 = 링커를 고정화한 후 초기 저항, R1 = 박테리아를 고정화한 후, 최종 저항을 나타냄).(R 0 = initial resistance after immobilizing the linker, R 1 = indicating the final resistance after immobilizing the bacteria).

(7) 주사전자현미경 분석(7) Scanning electron microscope analysis

대조군 및 박테리아 탐지된 나노바이오센서의 표면 미세구조는 주사전자현미경(SEM, SNE-4500M, SEC Cooperation, Suwon, South Korea)을 이용하여 확인하였다. SEM 확인에 앞서, 스퍼터 코팅기(sputter-coater, MCM-100, SEC Cooperation, Suwon, South Korea) 를 사용하여 나노바이오센서 샘플에 금을 코팅하였다. 금이 코팅된 나노바이오센서 플랫폼의 표면을 SEM을 이용하여 확인하였고, 30 kV의 전압, 3 mm의 작업 거리로 30,000배 확대하였다.The surface microstructure of the control and bacterial-detected nanobiosensors was confirmed by scanning electron microscopy (SEM, SNE-4500M, SEC Cooperation, Suwon, South Korea). Prior to SEM verification, the nanobiosensor samples were coated with gold using a sputter coater (MCM-100, SEC Cooperation, Suwon, South Korea). The surface of the gold-coated nano-biosensor platform was confirmed by SEM and was expanded by 30,000 times at a voltage of 30 kV and a working distance of 3 mm.

(8) 통계적 분석(8) Statistical analysis

퍼텐시오스타트를 이용한 측정을 6회 반복 수행하였고, SPSS 소프트웨어(version 11.5, SPSS Ins., Chicago, IL, USA)를 사용해 측정값의 다양성을 분석하였으며, 측정 간 차이점들을 P < 0.05로 제한된 유의수준을 설정한 값을 사용하여 분석하였다. The measurements were repeated 6 times and the variance of the measurements was analyzed using SPSS software (version 11.5, SPSS Ins., Chicago, IL, USA) Were used for the analysis.

<결론><Conclusion>

(1) 항황색포도상구균 다클론항체의 특이성(1) Specificity of anti-staphylococcal polyclonal antibody

항황색포도상구균 다클론항체의 특이적 결합력을 측정하기 위해서 간접효소면역측정법을 수행하였다. 간접효소면역측정법은 효소가 없는 일차 항체 및 효소와 결합된 2차 항체로 수행하였다. 효소가 기질과 반응할 때, 2차 항체에 결합된 효소와 기질 사이에 발색 반응이 유도되어 형광화합물을 생성할 수 있다. 전체적으로 특정된 박테리아의 농도는 대략 1 × 108 CFU/mL 이었다.Indirect enzyme immunoassay was performed to measure the specific binding of anti - Staphylococcus polyclonal antibody. Indirect enzyme immunoassay was performed with secondary antibody conjugated with enzyme-free primary antibody and enzyme. When the enzyme reacts with the substrate, a color reaction may be induced between the enzyme bound to the secondary antibody and the substrate to produce a fluorescent compound. The overall concentration of bacteria was approximately 1 × 10 8 CFU / mL.

다른 농도의 다클론항체를 도입하는 것에 비해, 다클론항체를 1,000 배로 희석하고, 나노바이오센서 플랫폼에 항체를 도입하였을 때, 나노바이오센서의 저항이 서서히 증가하였다. 그러므로, 다클론항체의 최적 희석 농도는 1,000 배로 희석되었을 때인 것을 확인하였다(미도시). Compared with the introduction of polyclonal antibodies at different concentrations, the resistance of the nano-biosensor was gradually increased when polyclonal antibody was diluted 1,000-fold and the antibody was introduced into the nano-biosensor platform. Therefore, it was confirmed that the optimal dilution concentration of the polyclonal antibody was diluted 1,000 times (not shown).

또한, 각기 다른 12 종의 박테리아를 나노바이오센서에 도입하였을 때, 항체의 특이성을 측정한 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 다클론 항체는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)의 경우에만 충분한 특이성을 나타내었고, 다른 박테리아에는 특이성을 나타내지 않음을 흡수도(absorbance)를 통해 확인하였다. 다클론항체의 특이성에 기반으로 하여, 다클론항체가 표적 미생물인 황색포도상구균의 탐지를 위해 적합한 항체임을 확인하였다.In addition, when 12 different bacteria were introduced into the nano-biosensor, the specificity of the antibody was measured. As shown in Fig. 2, the polyclonal antibody showed sufficient specificity only in the case of Staphylococcus aureus And no specificity for other bacteria was confirmed by absorbance. Based on the specificity of the polyclonal antibody, it was confirmed that the polyclonal antibody is an antibody suitable for detection of the target microorganism Staphylococcus aureus.

(2) 나노바이오센서에서 탄소 나노 튜브의 최적 농도(2) Optimum concentration of carbon nanotubes in nanobiosensors

일반적으로, 탄소 나노 튜브는 크기가 작고, 현저한 전기적 특성을 가짐으로써 입체 회로 소자(solid-state devices)에 적용하기 좋은 높은 잠재성을 가지는 물질이다. 나노바이오센서 플랫폼의 표면에 CNT의 고정화를 수행하고, CNT의 농도별 저항값을 결정하는 것으로 나노바이오센서 플랫폼의 표면에 CNT의 고정화를 확인할 수 있었으며, 하기의 표 1에 CNT의 농도별 저항값을 나타내었다[단, 기재된 a 내지 c는 시료들 사이에 유의수준(P < 0.05)을 나타냄].In general, carbon nanotubes are small-sized and have remarkable electrical properties, and thus have high potential for application to solid-state devices. The immobilization of CNT on the surface of the nano-biosensor platform and the determination of the resistance value of each concentration of CNT were confirmed by the immobilization of CNT on the surface of the nano-biosensor platform. (Where a to c represent significance levels (P < 0.05) between samples).

Figure 112016048030455-pat00001
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표 1에 나타난 바와 같이, 고정화된 CNT의 농도가 증가할수록, 센서 플랫폼의 저항값이 감소하였다. 이러한 결과는 저항값이 CNT의 농도가 증가함에 따라 감소한다는 사실을 나타낸다. CNT의 농도가 1 및 10 mg/mL인 경우, 저항값이 매우 작은 것을 확인할 수 있었다. 비록 0.02 mg/mL 농도의 CNT를 도포한 경우 저항값이 최대인 것으로 확인되었으나, 저항값은 세척공정에 따라 변동될 수 있다. 저항값의 변동은 0.02 mg/mL 농도로 플랫폼의 표면에 CNT의 고정이 불안정하기 때문인 것으로 판단되었다. 0.1 mg/mL 농도의 CNT를 도포한 경우, 저항값이 유의적인 범위임을 확인하였고, 5회 세척한 후에도 저항값이 안정적으로 유지된다는 사실을 확인하였다. 나노바이오센서 플랫폼의 표면에 고정화를 위해 도포되는 CNT의 최적 농도는 0.1 mg/mL인 것으로 판단되었다.As shown in Table 1, as the concentration of immobilized CNT increases, the resistance value of the sensor platform decreases. These results indicate that the resistance value decreases as the concentration of CNT increases. When the concentration of CNT was 1 and 10 mg / mL, it was confirmed that the resistance value was very small. Although CNTs with a concentration of 0.02 mg / mL were found to have the highest resistance values, the resistance values could vary with the cleaning process. The variation of the resistance value was considered to be due to the instability of the CNT on the platform surface at a concentration of 0.02 mg / mL. When the CNT concentration of 0.1 mg / mL was applied, it was confirmed that the resistance value was in a significant range, and that the resistance value remained stable even after washing five times. The optimum concentration of CNT applied to the surface of the nano-biosensor platform for immobilization was 0.1 mg / mL.

(3) SWCNT 나노바이오센서 플랫폼에 항체의 고정화(3) Immobilization of antibody on SWCNT nano-biosensor platform

SWCNT 나노바이오센서 플랫폼에 항체의 고정화는 SWCNT 표면 및 항체 사이에 링커를 필요로 한다. 많은 생물학적 종(species)이 소수성, π-π 적층 및 또는 정전기적 상호작용으로 인해 비공유결합적으로 SWCNT의 표면에 흡수될 수 있다. 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)는 SWCNT의 링커로 폭넓게 활용이 가능하다. 1-피렌부탄산의 피레닐기 숙신이미딜에스터의 소수성은 π-π 적층 상호작용을 통해 SWCNT의 소수성 외벽에 가역적으로 흡수될 수 있다. SWCNT 표면의 링커의 결합은 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼의 저항값을 크게 변화시키지 않는다(도 3의 SWCNT + linker 참조). Immobilization of the antibody on the SWCNT nano-biosensor platform requires a linker between the SWCNT surface and the antibody. Many biological species can be adsorbed to the surface of SWCNT non-covalently due to hydrophobic, pi-pi stacking and / or electrostatic interactions. 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester can be widely used as a linker of SWCNT. The hydrophobicity of the pyrenyl group succinimidyl ester of 1-pyrenobutanoic acid can be reversibly absorbed into the hydrophobic outer wall of the SWCNT through a pi-pi lamination interaction. The binding of the linker on the SWCNT surface does not significantly change the resistance value of the SWCNT nano-biosensor platform (see SWCNT + linker in FIG. 3).

항체 표면의 2차 아민이 디메틸포름알데하이드(DMF) 용매에 존재하는 환경에서 친핵성 치환을 위해 반응한다. 항체의 고정화는 나노바이오센서 플랫폼의 저항값을 크게 증가시킬 수 있다(도 3의 SWCNT + linker + Ab 참조). 나노바이오센서의 저항값의 증가는 전류를 감소시키고, 항체로 부터 음전하의 축적을 유도한다. 항체는 가변부와 불변부의 두 영역으로 나누어진다. 이것은 항체의 가변부가 항원결합의 역할을 하며, 불변부는 표적 미생물 또는 분자와 반응한다. 나노바이오센서 플랫폼의 항체 고정화는 링커인 숙신이미딜에스터와 항체의 불변부의 아미노기가 반응함으로 인한 공유결합을 형성시켜 달성된다. 이와 같은 상호작용은, SWCNT 나노바이오센서 플랫폼의 저항값을 크게 변화시킬 수 있다. SWCNT 나노바이오센서 플랫폼에 항황색포도상구균 항체를 고정화하였을 때, SWCNT 나노바이오센서 플랫폼의 전기전 전류변화를 측정하는 것으로 인해 SWCNT 전계 효과 트렌지스터의 전류를 감소시킨다. 장치의 전류는 항황색포도상구균 항체를 고정화한 후에 항체가 CNT로 전자 전달을 저해하기 때문이다. 이와같은 전자들은 CNT의 역치전위를 변화시키고 전류 감소를 유도하는 아미노산 잔기의 아미드기에 제공된다.The secondary amine on the antibody surface reacts for nucleophilic substitution in the presence of dimethylformaldehyde (DMF) solvent. Immobilization of the antibody can greatly increase the resistance value of the nano-biosensor platform (see SWCNT + linker + Ab in Fig. 3). An increase in the resistance value of the nano-biosensor reduces the current and induces the accumulation of negative charge from the antibody. Antibodies are divided into two regions, variable and immutable. This is because the variable portion of the antibody acts as an antigen binding, and the constant portion reacts with the target microorganism or molecule. Antibody immobilization of the nano-biosensor platform is achieved by forming a covalent bond between the linker, the succinimidyl ester, and the amino group of the invariant portion of the antibody. Such an interaction can greatly change the resistance value of the SWCNT nano-biosensor platform. When the anti-staphylococcal antibody is immobilized on the SWCNT nano-biosensor platform, the current of the SWCNT field effect transistor is reduced by measuring the electric current change of the SWCNT nano-biosensor platform. This is because the current of the device inhibits the electron transfer to the CNT after the anti-Staphylococcal antibody is immobilized. These electrons are provided in the amide group of the amino acid residue which changes the threshold potential of the CNT and induces a current reduction.

(4) 링커 및 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼의 탐지 응답(4) Detection response of the linker and antibody-immobilized SWCNT nano-biosensor platform

일반적으로 미생물 대사는 임피던스의 감소를 유도해 전도도(conductance) 및 전기용량(capacitance)를 증가시킨다. 더욱이, 항체와 결합된 박테리아의 특이적 결합은 저항증가를 유도하고, 퍼텐시오스타트와 같은 감지장치에 의해 모니터링이 가능하다. 박테리아 및 항체의 특이적 상호작용은 전류흐름을 감소시키고, 단계적으로 저항값을 크게 증가시킨다.In general, microbial metabolism induces a decrease in impedance, increasing conductance and capacitance. Moreover, the specific binding of bacteria bound to the antibody can lead to increased resistance and can be monitored by a sensing device such as a putency start. The specific interaction of bacteria and antibody reduces the current flow and increases the resistance value step by step.

Figure 112016048030455-pat00002
Figure 112016048030455-pat00002

표 2에 나타난 바와 같이, SWCNT가 고정된 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT)이나 SWCNT 및 링커가 고정된 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT + linker)에는 PBS 완충용액 또는 박테라아 세포을 공급한 경우, PBS 완충용액 및 박테리아 배양액 사이에 저항값에는 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다. 이는, 항체가 고정되지 않은 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼은 박테리아와 반응하지 않음을 뜻한다. 그러나, 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(SWCNT + linker + Ab)의 경우에는 PBS 및 박테리아 배양액을 공급한 경우, 중요한 차이를 나타내었다. 저항값의 큰 증가는 항체 및 박테리아의 특이적인 상호작용에 의한 것으로 판단되었다. As shown in Table 2, when a PBS buffer solution or a bacteriocyte was supplied to a nano-biosensor platform (SWCNT) or a nano-biosensor platform (SWCNT + linker) to which a SWCNT and a linker were immobilized, And the bacterial culture solution. This means that the SWCNT nano-biosensor platform, in which the antibody is not immobilized, does not react with the bacteria. However, in the case of the SWCNT nano-biosensor platform (SWCNT + linker + Ab) immobilized with antibodies, significant difference was shown when PBS and bacterial culture were supplied. A large increase in the resistance value was attributed to the specific interaction of the antibody and the bacteria.

(5) 나노바이오센서에 포획된 박테리아 세포의 미세 구조 분석(5) Microstructure analysis of bacteria cells captured by nano-biosensor

나노바이오센서 플랫폼의 표면에 고정화된 SWCNT의 미세구조를 주사 전자 현미경으로 촬영하여 도 4에 나타내었으며, 박테리아 세포의 고정화 단계에 의한 저항값의 변화를 측정하여 하기의 도 5에 나타내었다. The microstructure of the SWCNT immobilized on the surface of the nano-biosensor platform was photographed by a scanning electron microscope and shown in FIG. 4, and the change of the resistance value by the immobilization step of the bacterial cell was measured and shown in FIG.

도 4에 나타난 바와 같이, 대조군인 SWCNT 나노바이오센서는 PBS 완충용액과 반응하여 나노바이오센서 플랫폼의 표면에 SWCNT의 전형적인 얽힌 실의 형상을 나타내었다(도 4a). 반면에 나노바이오센서에 박테리아 셀 배양액을 공급하였을 때에는 나노바이오센서 플랫폼의 표면에 박테리아 세포가 포획되어 있음을 확인할 수 있었다(도 4b). As shown in FIG. 4, the control SWCNT nano-biosensor reacted with a PBS buffer solution to form a typical entangled thread of the SWCNT on the surface of the nano-biosensor platform (FIG. 4A). On the other hand, when a bacterial cell culture solution was supplied to the nano-biosensor, it was confirmed that bacterial cells were captured on the surface of the nano-biosensor platform (FIG. 4B).

SEM 이미지를 통해 박테리아 세포가 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼에 포획되었음을 확인할 수 있었고, 이에 의해 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼의 저항값이 크게 증가되었음을 확인할 수 있었다. 상기의 표 2에서 단지 링커만 고정화된 나노바이오센서(linker)는 박테리아를 고정화하지 못했으나, 항체가 링커와 함께 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼(linker + antibody)의 경우에는, 박테리아 세포 배양액을 공급한 경우와, PBS 완충용액을 공급한 경우가 각각 저항값에 차이를 보였다(도 5 참조). 이와 같은 결과는, 항체에 의해 박테리아가 포획되었음을 나타내었고, 저항값이 증가하였음을 나타내었다. 이는 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼에 고정화된 항체의 특이적인 결합력에 의한 것임을 확인할 수 있었다.SEM images confirmed that the bacterial cells were captured on the SWCNT nano-biosensor platform, which confirmed that the resistance of the SWCNT nano-biosensor platform was greatly increased. In Table 2, only the linker-immobilized nano-biosensor could not immobilize the bacteria. However, in the case of the SWCNT nano-biosensor platform (linker + antibody) immobilized with the linker, (FIG. 5), and when the PBS buffer solution was supplied, the resistance values were different from each other (see FIG. 5). These results indicated that the bacteria were captured by the antibody and that the resistance value was increased. It is confirmed that this is due to the specific binding force of the immobilized antibody to the SWCNT nano-biosensor platform.

(6) (6) SWCNTSWCNT 나노바이오센서 플랫폼의 탐색 제한 Nano-biosensor platform navigation limitations

박테리아 배양액의 농도를 달리하여 항체가 고정화된 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼에 공급하였다. 박테리아 농도가 증가할수록 SWCNT 나노바이오센서 플랫폼의 저항값의 차이가 증가하였으며, 이는 박테리아 배양액의 농도가 8 Log CFU/mL인 경우까지 지속적으로 증가하였다(도 6 참조). 이는 박테리아가 나노바이오센서 항체와의 결합으로 인해 저항값이 지속적으로 변화되어, 박테리아 세포의 농도를 정량할 수 있음을 확인할 수 있었다.The culture was supplied to the SWCNT nano-biosensor platform immobilized with different concentrations of bacterial culture. As the bacterial concentration increased, the resistance value of the SWCNT nano-biosensor platform increased, which continued to increase until the bacterial culture concentration reached 8 Log CFU / mL (see FIG. 6). This indicates that the resistance value of the bacteria is continuously changed due to the binding with the nano-biosensor antibody, and the concentration of bacterial cells can be quantified.

Claims (11)

(a) 기판 상에 전극 패턴을 형성시키는 단계;
(b) 상기 전극 패턴이 형성된 기판에 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 혼합용액을 도포하여 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시키는 단계;
(c) 상기 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 1-피렌부탄산 숙신이미딜에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidylester)를 도포하여 링커층을 형성시키는 단계; 및
(d) 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하여 상기 링커층에 항체를 결합시키는 단계;를 포함하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법.
(a) forming an electrode pattern on a substrate;
(b) forming a single-walled carbon nanotube layer by applying a mixed solution containing single-walled carbon nanotubes to a substrate on which the electrode pattern is formed;
(c) applying 1-pyrenebutanoic acid succinimidylester on the single-walled carbon nanotube layer to form a linker layer; And
(d) applying a mixed solution containing an antibody to the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed to bind the antibody to the linker layer.
제1항에 있어서,
상기 기판은 크롬(Cr)이 도핑된 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a chromium (Cr) -doped silicon substrate.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서는, 전자빔 증발법(e-beam evaporator)을 이용하여 금(Au) 전극 패턴을 형성시키는 것을 특징으로 하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), a gold (Au) electrode pattern is formed using an e-beam evaporator.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 상기 혼합용액은 0.1 내지 10 mg/mL의 농도로 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixed solution comprises a single-walled carbon nanotube at a concentration of 0.1 to 10 mg / mL in the step (b).
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서는, 상기 단일벽 탄소나노튜브 층을 형성시킨 후, 탈이온수(deionized water)로 상기 기판을 3회 이상 세척하는 것을 특징으로 하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (b) comprises washing the substrate with deionized water three or more times after forming the single-walled carbon nanotube layer.
제1항에 있어서,
상기 단계 (d)에서는, 0.001 내지 0.01 mg/mL의 농도로 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하는 것을 특징으로 하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixed solution containing the antibody is applied at a concentration of 0.001 to 0.01 mg / mL in the step (d).
제1항에 있어서,
상기 단계 (d)에서는, 상기 링커층이 형성된 단일벽 탄소나노튜브 층 상에 포도상구균을 포획할 수 있는 다클론 항체를 포함하는 혼합용액을 도포하는 것을 특징으로 하는 미생물 검출용 나노바이오센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (d) comprises applying a mixed solution containing a polyclonal antibody capable of capturing staphylococci onto the single-walled carbon nanotube layer on which the linker layer is formed, Way.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 나노바이오센서.A nano-biosensor produced by the method according to any one of claims 1 to 7. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 나노바이오센서;
상기 나노바이오센서와 전기적으로 연결되어 상기 나노바이오센서의 저항값 변화를 감지하는 저항감지부; 및
상기 저항감지부에서 감지한 저항값 변화를 표시하는 표시부;
가 구비된 미생물 검출 시스템.
A nano-biosensor manufactured by the method according to any one of claims 1 to 7;
A resistance sensing unit electrically connected to the nano-biosensor and sensing a change in resistance value of the nano-biosensor; And
A display unit for displaying a resistance value change sensed by the resistance sensing unit;
And a microorganism detection system.
제9항에 있어서, 4 Log CFU/mL 이하의 농도로 미생물을 포함하는 시료를 공급하여 미생물을 검출하는 것을 특징으로 하는 미생물 검출 시스템.10. The microbial detection system according to claim 9, wherein the microorganism is detected by supplying a sample containing microorganisms at a concentration of 4 Log CFU / mL or less. 제10항에 있어서,
상기 미생물은 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)인 것을 특징으로 하는 미생물 검출 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the microorganism is Staphylococcus aureus .
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