KR102253033B1

KR102253033B1 - 바이오센서

Info

Publication number: KR102253033B1
Application number: KR1020180160529A
Authority: KR
Inventors: 전진우; 황혜진; 박연수; 김기범
Original assignee: (주)플렉센스
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2021-05-17
Also published as: KR20190070891A

Abstract

본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바이오센서는 판(plate) 형상으로 형성되고, 일면 및 타면 중 적어도 어느 하나 이상에 타겟 물질과 특이적으로 결합되는 고정 물질이 배치된 검지 구조체;를 포함한다.

Description

바이오센서{BIOSENSOR}

본 발명은 면역분석용 바이오센서 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면역분석 속도 및 민감도를 향상시킬 수 있도록 구조화된 바이오센서에 관한 것이다.

ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay)는 펩타이드, 단백질, 항체 및 호르몬 등과 같은 타겟 물질을 검출하고 정량하는 분석 기술이다. ELISA에서, 항원 등과 같은 타겟 물질은 고체 표면 상에 고정화된 다음, 시약, 예를 들어 효소와 중합된 항체와 복합체를 형성한다. 이에 기질을 첨가하면 기질이 효소와 반응하여 측정 가능한 반응 생성물을 생성하므로, 효소 활성을 평가하여 타겟 물질을 검출하고 분석할 수 있다. 이러한 ELISA의 유형으로는 직접 ELISA (direct ELISA), 간접 ELISA (indirect ELISA), 샌드위치 ELISA (sandwich ELISA) 및 경쟁 ELISA (competitive ELISA) 등이 있다.

직접 ELISA는 항원이 멀티 웰 플레이트(multi-well plate)의 표면에 고정화되고, HRP 또는 다른 표지자가 결합된 항체와 특이적으로 반응함으로써 검출된다.

간접 ELISA에서도, 직접 ELISA와 유사하게, 항원이 멀티 웰 플레이트의 표면에 고정화되지만, 여기서는 1차 항체가 그 항원과 특이적으로 반응한 후, 표지된 2차 항체가 1차 항체와 반응하여 검출된다. 이러한 방법은 1차 항원을 혈청(serum)으로 대체하여 혈청 시료내의 특이 항체를 검출하는데 사용할 수 있다.

샌드위치 ELISA (또는 샌드위치 면역 측정법)에서는 항원에 특이적인 2개의 항체가 사용된다. 항체 중 하나는 멀티 웰 플레이트의 표면에 코팅되어 항원을 고정화하는 포획 항체로 작용하고, 다른 항체는 그 항원과 중합되어 항원의 검출을 용이하게 한다.

억제 ELISA 또는 경쟁 면역 측정법으로도 지칭되는 경쟁 ELISA의 경우에는, 항원의 농도가 신호 간섭에 의해 측정된다. 시료 내의 항원은 표지 항체와 결합하기 위해 기준 항원과 경쟁하는데, 여기서 기준 항원은 다중 웰 플레이트 상에 우선적으로 코팅된다. 시료는 표지 항체와 미리 반응한 후 웰에 첨가되기 때문에, 시료 내의 항원의 양에 따라 기준 항원과 결합할 수 있는 항체가 많거나 적을 수 있다. 이에 의하면, 시료에 항원이 많을수록 기준 항원이 적게 검출되어 신호가 약해지고, 시료에 항원의 양이 적을수록 웰에서 표지된 항원이 더 많아지기 때문에 신호가 강해진다.

KR

10-2017-0010526

A

본 발명은 상기와 같이, 종래 ELISA의 단점으로 알려진 후크 효과(hook effect)를 개선함으로써, 반응체 또는 항체의 농도를 향상시킬 수 있고, 기존의 면역분석기법 대비 편리성이 현저히 증대되고 분석시간이 현저히 단축되는 바이오센서를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 바이오센서는 판(plate) 형상으로 형성되고, 일면 및 타면 중 적어도 어느 하나 이상에 타겟 물질과 특이적으로 결합하는 고정 물질이 배치된 검지 구조체;를 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 검지 구조체의 일면 및 타면 중 적어도 어느 하나 이상에, 돌기 형태로 형성되고, 외면에 상기 고정 물질이 결합되는 나노 구조체가 형성된다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 타겟 물질은 아미노산, 펩티드, 폴리펩티드, 단백질, 당단백질, 지단백질, 뉴클레오시드, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고당, 다당류, 지방산, 지질, 호르몬, 대사물질, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경 전달 물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사물질, 보조 인자, 저해제, 약물, 약제, 영양소, 플리온, 독소, 독, 폭약, 살충제, 화학적 교전제, 생물위험제, 박테리아, 바이러스, 방사선 동위원소, 비타민, 헤테로시클 방향족 화합물, 카르시노겐, 뮤타겐, 마약, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 및 오염물로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 이상이다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 타겟 물질을 포함하는 시료가 수용된 큐벳에, 상기 검지 구조체가 삽입되어 침지된 상태에서, 상기 고정 물질과 상기 타겟 물질이 반응한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 검지 구조체의 일단과 연결되고, 사용자에 의해 파지되는 파지부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 검지 구조체와 상기 파지부를 서로 연결하고, 상기 큐벳의 입구에 삽탈 가능하게 삽입되는 캡;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 캡의 외면에 배치되고, 상기 캡이 상기 큐벳 내에 삽입될 때에 형태가 변하면서 발생하는 복원력에 의해 상기 큐벳의 내주면에 밀착되는 고정부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 검지 구조체는 상기 시료에 침지되는 침지부와 비침지부로 구분되고, 상기 비침지부에, 상기 침지부의 폭보다 상대적으로 폭이 좁아지는 협폭부를 구비한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 협폽부는 상기 검지 구조체의 양측면 중 적어도 어느 하나 이상에, 오목하게 함몰되어 형성되고, 상기 검지 구조체의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 형성된다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 검지 구조체는 다수 개로, 서로 이격되어 나란하게 배치된다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 검지 구조체를 사이에 두고 서로 맞은 편에 배치되어, 상기 검지 구조체를 보호하는 한 쌍의 가드;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 소정의 길이를 갖는 본체, 및 상기 타겟 물질을 포함하는 시료를 수용할 수 있도록 상기 본체의 일면으로부터 함몰되어 다수 개가 형성되고 각각의 내부에 상기 검지 구조체가 배치되는 반응챔버를 포함하는 적어도 하나 이상의 센서스트립;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 일면에 상기 센서스트립이 탈착 가능하게 부착되는 고정판;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 검지 구조체는 수 개로, 서로 이격되어 다단으로 상하 배열된다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 반응챔버와 연통되도록, 상기 본체의 일면으로부터 함몰되어 형성된 시료주입구;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 고정판의 일면으로부터 돌출된 삽입돌출부;를 더 포함하고, 상기 본체에, 상기 삽입돌출부가 삽입되도록 함몰되거나 또는 관통된 삽입공이 형성되어, 상기 센서스트립이 상기 고정판에 부착된다.

또한, 본 발명에 다른 바이오센서에 있어서, 상기 본체 일단의 코너(corner)가 내측을 향하여 함몰되고, 상기 삽입돌출부가 상기 삽입공에 삽입될 때에, 상기 본체 일단의 코너에 접하도록, 상기 삽입돌출부로부터 이격되어 상기 고정판의 일면으로부터 돌출된 고정턱;을 더 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 바이오센서는 단위 부피당 반응하는 수용체 또는 항체의 농도를 상대적으로 증가시킬 수 있도록 하여, 면역분석의 편의성을 증대시키고 분석시간을 단축시킴과 아울러 반응 민감도를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1의 (A)는 순차반응을 이용한 종래의 ELISA 분석방법을, 도 1의 (B)는 동시반응을 이용한 원-스텝 ELISA 분석방법을 각각 나타내는 개념도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서의 검지 구조체를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서의 나노 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 큐벳형 바이오센서의 단면도이고, 도 4c는 사시도이다.
도 5는 도 4c에 도시된 바이오센서가 큐벳에 삽입되는 과정을 도시한 정면도이다.
도 6은 도 4c에 도시된 바이오센서가 큐벳에 삽입된 상태를 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 큐벳형 바이오센서의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스트립형 바이오센서의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스트립형 바이오센서의 검지 구조체를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스트립형 바이오센서의 센서스트립을 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트립형 바이오센서의 사시도이다.
도 12 내지 도 14b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스트립형 바이오센서의 분해 사시도, 결합 사시도, 및 사진이다.
도 15는 본 발명에 따른 큐벳형 바이오센서를 이용한 시료 분석방법의 순서도이다.
도 16은 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서를 이용한 시료 분석방법의 순서도이다.
도 17a 내지 도 17f는 본 발명에 따른 바이오센서를 이용하여 다양한 검출 대상 항체의 농도에 따라 흡광도를 측정한 실험 결과 그래프이다.
도 18a 내지 도 18b는 본 발명에 따른 검지 구조체의 개수가 서로 다른 바이오센서를 이용하여 농도가 상이한 검출 대상 항체의 반응 생성물의 흡광도를 측정한 실험 결과 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

ELISA의 유형에 관계없이, 보다 신속하고 민감한 ELISA에 대한 공통 과제는 빠른 반응속도로, 타겟 물질의 감지 신호를 증강시키는 데 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

면역분석에서 반응성을 좌우하는 요인은 다양하지만, 그 중에서도 반응에 참여하는 시료 내 단백질의 농도와 해당 단백질과 반응하는 수용체 또는 항체의 농도가 가장 중요한 요소이다.

일반적인 ELISA의 경우, 면역분석용 마이크로티터 플레이트(microtiter plate)의 반응 영역은 시료를 수용하는 영역에 한정되기 때문에, 동일한 시료의 단위 부피당 그 반응에 관여하는 수용체 또는 항체의 농도가 제한적일 수밖에 없다. 또한, 민감도 증강을 위해 표면 대 부피비를 증대시키는 종래 ELISA 기술의 경우에는 다양한 시약 및/또는 분석물질의 확산을 감소시켜 반응 시간이 지나치게 늘어나는 문제점이 발생하는바, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 본 발명에 따른 바이오센서가 안출되었다.

도 1의 (A)는 순차반응을 이용한 종래의 ELISA 분석방법을, 도 1의 (B)는 동시반응을 이용한 원-스텝 ELISA 분석방법을 각각 나타내는 개념도이다.

도 1의 (A)를 참고로, 일반적인 샌드위치 ELISA는 수용체 또는 항체가 고정되어 있는 기판에, 단백질과 같은 타겟 물질이 포함된 시료를 반응시켜 반응 복합체를 생성하고, 그 반응 복합체를 세척한 이후에 표지자가 중합된 탐지항체를 반응시킨다. 이와 같은 순차적인 반응과정은 매우 복잡하다. 따라서, 숙련된 사용자가 연구실 내에서 실시해야 하며, 분석시간에 4시간 이상이 소요되는 문제가 있다.

도 1의 (B)를 참고로, 도 1의 (A)에 도시된 샌드위치 ELISA의 지나치게 긴 분석시간 및 반응과정의 복잡성을 해소하고자, 일부 면역분석 기술에서는 단백질 등의 타겟 물질이 포함된 시료와 표지자가 중합된 탐지항체를 먼저 혼합하여 반응시키고, 그 혼합물을 수용체 또는 항체가 고정된 기판에 반응시키는 방법을 사용한다. 이 방법은 한 번의 시료 주입으로 면역분석을 실시할 수 있으므로, 매우 편리하고, 분석시간이 기존 대비 8배 정도 단축되는 효과가 있다. 하지만, 이와 같은 면역분석기법의 효과는 다양한 이유로 인해 실현되지 못하는 경우가 있다. 예를 들어, 다량의 타겟 단백질이 존재하는 경우, 표지자가 중합된 탐지 항체와 반응하지 못한 미반응 타겟 단백질이 기판에 고정된 항체와 반응하게 되는데, 이러한 현상을 '후크 효과(hook effect)'라고 부른다. 또한, 표지자가 없는 미반응 타겟 단백질로 인해 농도를 정확하게 확인할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 근본적으로 반응에 참여하는 수용체 또는 항체의 농도가 타겟 단백질보다 높아야 한다.

감도 증강 나노구조 활성 표면을 구비한 바이오센서

바이오센서에 있어서, 생체분자 및/또는 분석물질(유기물 또는 무기물)을 고정하는 검지 구조체의 활성 표면적이 증대되면, 고정되는 생체분자 및/또는 분석물질의 밀도를 증가시킬 수 있어 면역분석의 민감도 향상을 기대할 수 있다. 이 경우, 다양한 생체분자, 시약 및/또는 분석물질의 확산 수송(diffusion transport)의 부정적인 영향을 감소시키면서, 그 활성 표면적을 증대시키는 것이 바람직하다.

이에, 본 발명에 따른 바이오센서는 텍스처(textured) 또는 개질된 고분자 표면을 포함하는 활성 표면 영역을 구비한다. 여기서, 고분자 표면에는 서브미크론(submicron) 또는 나노 구조체가 형성될 수 있다. 이하에서, 서브미크론 구조체는, 예를 들어 길이, 폭, 높이, 직경 등의 물리적 치수 중 어느 하나 이상이 약 1 ㎛ 이하인 구조체를, 나노 구조체는 그 물리적 치수 중 하나 이상이 약 100 ㎚ 이하인 구조체를 각각 의미한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서의 검지 구조체를 개략적으로 도시한 측면도이고, 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서의 나노 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서는 일면과 이와 마주보는 반대쪽 타면을 구비한 판(plate) 형상의 검지 구조체(10)를 포함한다. 여기서, 일면 및 타면 각각에 활성 표면이 포함될 수 있는데, 그 활성 표면은 서브미크론 또는 나노 구조체(11)를 구비하는 텍스처(textured) 고분자 표면으로 구현될 수 있다. 서브미크론 또는 나노 구조체(11)는 고분자 재료로 형성될 수 있는데, 예를 들어 검지 구조체(10) 재료와 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 여기서, 활성 표면은 면역분석을 위해, 하나 이상의 생체분자 및/또는 분석물질이 고정화되는 표면을 의미한다. 활성 표면은 생체분자 및/또는 분석물질, 예를 들어 항체 또는 항원이 특이적으로 결합되도록 화학처리를 하여 구현할 수도 있다.

검지 구조체(10)는 평면형 구조로, 평평한 판면, 즉 일면 및 타면 중 적어도 어느 한 면 이상에 고정 물질(C), 예를 들어 항체 등과 같은 생체분자 또는 시약 등이 배치될 수 있다. 여기서, 고정 물질(C)은 타겟 물질과 특이적으로 서로 결합하는 물질이다. 한편, 타겟 물질은 그 자체로 독립적으로 제공되거나, 또는 시료에 포함되어 제공될 수 있으며, 이때 표지자가 중합된 검출물질(예를 들면, 생체분자 또는 시약)이 그 시료에 추가적으로 포함될 수도 있다. 제공되는 타겟 물질은 아미노산, 펩티드, 폴리펩티드, 단백질, 당단백질, 지단백질, 뉴클레오시드, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고당, 다당류, 지방산, 지질, 호르몬, 대사물질, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경 전달 물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사물질, 보조 인자, 저해제, 약물, 약제, 영양소, 플리온, 독소, 독, 폭약, 살충제, 화학적 교전제, 생물위험제, 박테리아, 바이러스, 방사선 동위원소, 비타민, 헤테로시클 방향족 화합물, 카르시노겐, 뮤타겐, 마약, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물, 및 오염물로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.

한편, 이러한 타겟 물질과 특이적으로 결합되는 고정 물질(C)은 타겟 물질에 따라 정해지는데, 고정 물질(C)의 일례로는, 저분자 화합물, 항원, 항체, 단백질, 펩타이드, Deoxyribo Nucleic Acid(DNA), Ribo Nucleic Acid(RNA), Peptide Nucleic Acid (PNA), 효소, 효소 기질, 호르몬, 호르몬 수용체, 관능기를 포함하는 합성 시약으로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 이상, 이의 모사물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 표지자는 HRP(horseradish peroxidase), 염기성 탈인산화효소(alkaline phosphatase) 및 형광물질(fluorescein) 중 어느 하나일 수 있다.

상기 시료는 상기 표지자와 반응하는 시약으로서, ABTS(2,2'-아지노비스[3-에틸벤조티아졸린-6-설폰산]-다이암모늄염) 또는 TMB(3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘)를 포함하는 기질 용액을 더 포함하는 것일 수 있다.

다만, 타겟 물질, 고정 물질(C), 표지자, 및 시약 등은 반드시 전술한 종류에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 3a 내지 도 3e과 같이, 검지 구조체(10)의 일면 및 타면 중 적어도 어느 한 면 이상에 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성될 수 있다. 여기서, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)는 검지 구조체(10)의 일면 및/또는 타면의 전체 영역에, 또는 일부 영역에 형성될 수 있고, 이러한 서브미크론 또는 나노 구조체(11)의 외면에는 고정 물질(C)이 배치될 수 있다. 이렇게 서브미크론 또는 나노 구조체(11)를 구비한 검지 구조체(10)는 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 구비되지 않은 평면형 검지 구조체(10)의 표면에 비해 표면적이 넓어지므로, 더 많은 양의 고정 물질(C)이 검지 구조체(10)에 배치된 타겟 물질과 반응하게 된다.

한편, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)는 적어도 하나 이상의 돌기 형태로 형성될 수 있는바, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)는 베이스에서부터 멀어질수록 단면적이 점점 감소하는 돌기를 포함할 수 있다. 이러한 돌기는 고정 물질(C)이 고정되는 표면적을 향상시킴과 동시에, 다양한 시약 및/또는 분석물질의 확산 수송의 부정적 영향을 감소시킨다. 또한, 돌기는 구형, 피라미드(pyramid), 삼각형, 직사각형, 큐브(cube), 플레이트(plate), 디스크(disc), 실린더(cylinder), 와이어(wire), 로드(rod), 시트(sheet), 프랙탈(fractal) 등의 형태로 형성될 수 있고, 위의 형태에서 소정의 영역이 절단되거나 비틀린 형상으로 이루어질 수도 있다.

일례로, 돌기는 절단된 구형, 예를 들어 반구(hemisphere) 형태 등으로 형성될 수 있고, 여기서 그 반구형 돌기가 규칙적으로 배열되어 서브미크론 또는 나노 구조체 어레이(array)를 형성할 수 있다. 이때, 서브미크론 또는 나노 구조체 어레이는 돌기가 지그재그 형태로 배열되고, 인접하는 돌기끼리 서로 접촉하도록 배열될 수도 있다(도 3a 참조).

또한, 돌기는 삼각기둥의 프리즘 형태(도 3b 참조), 또는 반원기둥 형태(도 3c 참조)로 형성될 수도 있으며, 검지 구조체(10)의 표면에 수직한 방향으로 갈수록 그 횡단면이 점점 작아지는 피라미드 절두체(pyramidal frustrum, 도 3d 참조), 또는 원추형 절두체(conical frustrum, 도 3e 참조) 형태로 형성될 수도 있다.

이와 같이 서브미크론 또는 나노 구조체(11)는 표면적을 향상시키기 때문에, 반응에 관여하는 수용체 또는 항체의 농도를 상대적으로 증가시킬 수 있으므로, 기존 ELISA 분석방법 대비 민감도를 향상시키며, 특히 수용체 또는 항체의 농도보다 높은 농도의 단백질이 존재할 때 발생하는 후크 효과(hook effect)를 유효하게 제어할 수 있다.

한편, 서브미크론 또는 나노 구조체 어레이는 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 규칙적으로, 예를 들어 주기적으로 배열될 수 있다. 그러나 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 불규칙적으로, 또는 일 방향에 대해서는 규칙적이고 타 방향에 대해서는 불규칙적으로 배열될 수도 있다. 한편, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)는 나노와이어, 나노필라(nanopillar), 또는 나노섬유(nanofiber)를 포함할 수도 있다.

감도 및 시약 확산 증강 큐벳형 바이오센서

본 발명에 따른 바이오센서는 큐벳형과 스트립형으로 제공될 수 있는데, 이하에서 그 구조를 구분하여 상세하게 설명한다. 전술한 바와 같이, 바이오센서는 다양한 생체분자, 시약 및/또는 분석물질의 확산 수송에 대한 부정적 영향을 감소시키고, 동시에 활성 표면이 증가된 구조의 검지 구조체를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 요구를 충족하기 위해서, 본 발명에 따른 바이오센서는 하나 이상의 공동(cavity)을 구비한 투명 용기 및 그 공동에 삽입되어 생체분자 또는 시약을 고정화하는 다수의 활성 표면을 포함할 수 있다. 여기서, 바이오센서는 상기 공동에 삽입되는 투명한 검지 구조체를 포함하고, 그 투명 검지 구조체는 하나 이상의 활성 표면을 제공하는 적어도 하나 이상의 메인 표면을 포함할 수 있다. 다수의 활성 표면은 생체분자 및/또는 분석물질을 고정하는 활성 표면적을 증가시킨다. 또한, 활성 표면 각각은 소정의 간격으로 이격되어 서로 분리됨으로써, ELISA에 있어 다양한 생체분자, 시약 및/또는 분석물질의 확산 수송을 촉진한다. 본 발명에서는 상기 확산 수송을 방해하지 않도록 인접하는 활성 표면 간의 간격이 대략 300 ~ 9000 ㎛일 수 있다. 또한, ELISA에 사용되는 다양한 생체분자 및/또는 분석물질을 고정하기 위해 제공되는 전체 활성 영역은 단위 부피 당 1.0 ~ 6.0 ㎟/㎕일 수 있다. 이 범위에서, 분석물질의 검출 가능 농도가 투명 검지 구조체를 구비하지 않은 센서에 비해 적게는 2배에서 많게는 20배 이상 증가하는데, 이때 반응속도는 감소하지 않는다. 다만, 상기 간격 및 활성 영역의 면적은 바이오센서의 형상, 타겟 물질 등에 의해 의존적으로 결정되는 것이므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 큐벳형 바이오센서의 단면도이고, 도 4c는 사시도이고, 도 5는 도 4c에 도시된 바이오센서가 큐벳에 삽입되는 과정을 도시한 정면도이며, 도 6은 도 4c에 도시된 바이오센서가 큐벳에 삽입된 상태를 도시한 측면도이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 큐벳형 바이오센서(1000A)는 큐벳(cuvette, 1)을 포함하고, 그 큐벳(1)의 내면 중 전체 또는 일부 영역이 검지 구조체로 제공되고, 그 위에 시료(3) 내 타겟 물질과 반응하는 고정 물질(C)이 배치될 수 있다. 또한, 검지 구조체로 제공되는 큐벳(1)의 내면 영역에 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성되고, 그 서브미크론 또는 나노 구조체(11) 상에 고정 물질(C)이 배치될 수 있다.

도 4b를 참고로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 큐벳형 바이오센서(1000B)는 검지 구조체(10)가 큐벳(cuvette, 1)에 삽입되는 형태로 구현된다. 즉, 큐벳형 바이오센서(1000C)는 타겟 물질이 수용된 큐벳(1)에 검지 구조체(10)가 삽입되어 검지 구조체(10)에 배치된 고정 물질(C)이 타겟 물질과 반응하도록 구현되는 것이다. 여기서, 타겟 물질은 시료(3)에 포함되어 큐벳(1)에 수용될 수 있는데, 이때 검지 구조체(10)가 그 시료(3)에 침지된 상태에서, 고정 물질(C)이 타겟 물질과 반응하게 된다. 한편, 검지 구조체(10)에는 전술한 바와 같이, 고정 물질(C)이 배치되는데, 또한 나노 구조체(11)가 검지 구조체(10)의 일면 및/또는 타면의 전체 영역에, 또는 일부 영역에 형성되어 그 외면에 고정 물질(C)이 배치될 수도 있다. 일실시예에서, 검지 구조체(10) 상에 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성될 수 있다. 이때, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)는 검지 구조체(10) 메인 표면 각각의 활성 영역 중 적어도 일부에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 검지 구조체(10)의 일면 및/또는 타면 전체 영역에 걸쳐 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성되어 그 전면이 활성 영역으로 작용할 수 있다. 이와 달리, 검지 구조체(10)의 일면 및/또는 타면 중 일부분에만 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성되어, 그 일부에 대해서만 활성 영역이 제공될 수도 있다.

여기서, 큐벳(1)은 전술한 큐벳형 바이오센서(1000A, 도 4a 참조)와 유사하게, 그 내면 중 전체 또는 일부 영역에 고정 물질(C)이 배치될 수 있으며, 또한 그 내면의 전체 또는 일부 영역에 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성되고, 그 서브미크론 또는 나노 구조체(11) 상에 고정 물질(C)이 배치될 수 있다.

한편, 흡광도 측정은 검지 구조체(10)가 큐벳(1)에 삽입된 상태에서 이루어질 수 있는데, 검지 구조체(10) 및 큐벳(1) 자체의 흡광도는 기준 흡광도로 활용한다.

검지 구조체(10) 및 큐벳(1)은 소정의 투광도를 갖기 위해서, 예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 트리아세틸셀룰로오스, 환상올레핀, 폴리아릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프타레이트, 또는 폴리이미드 등과 같은 고분자 재료로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 일례에 불과하고 광 투과가 가능한 소재이면 특별한 제한을 두지는 않는다. 검지 구조체(10) 및/또는 큐벳(1)의 재료는 표면의 화학적 변형 또는 기능화를 통한 활성 표면 형성에 효과적인지, 또는 표면에 대한 직접적인 변형이 가능한지 등을 고려하여 적절하게 선택한다. 예를 들어, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)를 고분자 기판 등과 같은 고체 기판과 일체로 형성할 수 있거나, 그 기판 위에 별도로 성형할 수 있거나, 또는 에칭이나 플라즈마 처리 등과 적절한 방법으로 형성할 수 있는 재료를 선택한다. 따라서, 일실시예에서, 활성 표면은 생체분자 및/또는 분석물질이 고정되는 활성 표면으로서 직접 제공되는 고분자 표면을 포함할 수 있다. 상기 실시예에서, 활성 표면은 금속 등과 같은 추가적인 물질을 포함하지 않지만, 다른 실시예에서는 활성 표면을 형성하는 추가적 물질을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 큐벳형 바이오센서(1000B)는 검지 구조체(10)의 일단과 연결되는 파지부(20)를 더 포함할 수 있다. 파지부(20)는 사용자에 의해 파지되도록 형성된 부재로서, 검지 구조체(10)의 일단과 연결된다. 사용자는 파지부(20)를 잡고, 검지 구조체(10)의 자유단부터 큐벳(1) 내에 삽입하여, 시료(3)에 검지 구조체(10)를 침지시킬 수 있다. 검지 구조체(10)의 자유단은 파지부(20)에 연결되는 검지 구조체(10) 일단의 반대쪽 말단을 의미한다.

여기서, 검지 구조체(10)는 하나 이상 제공될 수 있다. 다수 개의 검지 구조체(10)를 구비하는 경우, 각각이 하나의 파지부(20)에 연결되어 고정되는데, 이때 검지 구조체(10) 중 어느 하나의 일면과 다른 하나의 일면 또는 타면이 서로 마주보도록, 서로 소정의 간격을 두고 이격되어 나란하게 배열될 수 있다. 여기서, 서로 인접하는 검지 구조체(10) 사이의 간격은 전술한 이격 거리 중 어느 하나일 수 있고, 이는 광학 밀도의 증가 및/또는 반응 시간 감소 등과 같은 효과를 달성하기 위한 중요한 요소가 된다. 이렇게 다수 개의 검지 구조체(10)가 마련되면, 단위면적당 높은 밀도(농도)로 고정 물질이 배치되므로, 센서의 민감도를 향상시키고 나아가 후크 효과를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 큐벳형 바이오센서(1000B)는 캡(30)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 캡(30)은 큐벳(1)의 입구에 삽탈 가능하게 삽입되어, 개방된 큐벳(1)의 입구를 폐쇄하도록 형성된다. 이때, 큐벳(1)의 입구는 캡(30)에 의해 전체 영역이 폐쇄될 수 있으나, 그 중 일부 영역만 폐쇄되어도 무방하다. 이러한 캡(30)은 파지부(20)의 하부에 배치되어, 파지부(20)와 검지 구조체(10)를 서로 연결하며, 큐벳(1)의 내면에 접하여 고정됨으로써, 검지 구조체(10)가 큐벳(1) 내에서 움직이지 않도록 한다. 도 4b에서는 파지부(20) 및 캡(30)을 일체로 도시했으나, 도 4c와 같이 서로 분리된 구조를 가지도록 형성될 수 있다.

도 4c 내지 도 6를 참고로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 큐벳형 바이오센서(1000C)는 전술한 큐벳형 바이오센서(1000B)의 기술적 특징을 모두 포함하고, 이에 대한 구체적 내용은 큐벳형 바이오센서(1000B)에서 상술하였는바, 중복되는 사항에 대해서는 설명을 생략하거나 간단하게만 기술하고, 이하에서는 차이점을 중심으로 큐벳형 바이오센서(1000C)를 설명한다.

본 실시예에 따른 큐벳형 바이오센서(1000B)에 있어 큐벳(1) 입구의 사이즈에 따라서 캡(30)의 외면과 큐벳(1) 입구의 내면 사이에 유격이 생길 수 있고, 이로 인해 캡(30)이 큐벳(1)에 고정되지 않아 정확한 시료(3)의 분석이 곤란해지는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 본 실시예에 다른 바이오센서(1000C)는 큐벳(1)과 캡(30) 사이의 상대적인 크기에 상관없이 검지 구조체(10)가 고정되도록, 고정부(40)를 더 포함할 수 있다.

상기 고정부(40)는 캡(30)의 외면에 배치되어, 캡(30)이 큐벳(1)에 삽입될 때에, 본래의 위치 또는 형태가 변하고, 이때 발생하는 복원력에 의해 큐벳(1)의 내주면에 밀착되도록 형성된다. 이렇게 캡(30)에 배치된 고정부(40)가 큐벳(1)에 밀착되면, 캡(30)에 연결된 검지 구조체(10)가 큐벳(1) 내에서 고정된다.

구체적으로, 고정부(40)는, 큐벳(1)에 캡(30)이 삽입될 때에, 큐벳(1)의 내면에 의해 가압되면서 변형이 일어나고, 탄성력에 의해 큐벳(1)의 입구 내면에 밀착되는 탄성체로 형성될 수 있다. 이러한 고정부(40)는 고무 등과 같은 소재가 가지는 물성 자체의 탄성력을 이용하거나, 용수철과 같은 부품의 속성을 이용할 수도 있다. 다만, 고정부(40)가 반드시 재료 내지 부품이 가지는 탄성력을 이용해야 하는 것은 아니고, 소정의 구조를 통해서도 구현 가능한데, 이하에서 자세하게 설명한다.

고정부(40)는 캡(30)의 외면으로부터 연장되되, 소정의 방향으로 절곡되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 캡(30)의 외면으로부터 외측으로 연장되되, 캡(30)의 외면과 나란하게 절곡되어, "ㄱ"자 형태를 이루고, 그 말단에 외측으로 돌출된 돌출부가 형성됨으로써, 큐벳(1)의 내면에 돌출부가 가압되면서 텐션(tension)에 의해 밀착될 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 이때, 고정부(40)가 캡(30) 방향으로 가압되어 움직이므로, 캡(30)의 외면 중 고정부(40)와 대향하는 대향부분은 오목하게 함몰될 수 있다.

상술한 구조 이외에도, 함몰된 상기 대향부분의 내면에 고정부(40)가 연장되고, 캡(30)의 외면 외측으로 돌출되는 돌출부가 형성되어, "ㄴ" 자 형태의 구조로 이루어질 수도 있다.

결과적으로, 고정부(40)는 캡(30)이 큐벳(1)에 삽입될 때에, 텐션에 의해 큐벳(1)의 내면에 밀착되는 한, 상술한 구조 이외에도 다양한 구조로 변형 가능하다.

한편, 본 실시예에 따른 바이오센서(1000C)의 검지 구조체(10)는 협폭부(12)를 구비할 수 있다. 검지 구조체(10)가 시료(3)에 침지될 때에, 시료(3)에 침지되는 침지부와 침지되지 않는 비침지부로 구분되는데, 비침지부에 침지부의 폭보다 상대적으로 폭이 좁아지도록 협폭부(12)가 형성된다.

시료(3)를 분석하기 위해서는, 큐벳(1) 내에 검지 구조체(10)가 삽입되는데, 이때 검지 구조체(10)와 큐벳(1) 내면 사이의 간극이나, 서로 나란한 검지 구조체(10) 사이의 간극에서, 모세관력이 발생하여, 시료(3)가 상승하게 된다. 이러한 시료(3)의 상승으로 인해, 분석에 필요한 시료(3)의 양이 증가하고, 분석 신뢰도가 심각하게 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서 안출된 것이 협폭부(12)이다. 시료(3)는 검지 구조체(10)와의 사이에서 작용하는 인력에 의해, 검지 구조체(10)를 따라 상승하므로, 협폭부(12)에서 그 폭이 좁아지면, 검지 구조체(10)와 시료(3)가 접하는 면적이 작아져서, 더 이상 시료(3)가 상승하지 않게 된다.

구체적으로, 협폭부(12)는 검지 구조체(10)의 측면에 오목하게 함몰된 상승방지홈(17) 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 상승방지홈(17)은 검지 구조체(10)의 일측면에서부터 타측면 방향으로, 소정의 깊이만큼, 함몰되어 형성되므로, 상승방지홈(17)이 형성된 위치에서의 검지 구조체(10)의 폭, 즉 양측면 사이의 거리가 짧게 형성된다. 이러한 상승방지홈(17)은 검지 구조체(10)의 일측면에만 형성될 수 있으나, 양측면 각각에 형성될 수도 있다. 양측면 각각에 상승방지홈(17)이 형성된 경우에, 서로 마주보도록 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 지그재그 형식으로 엇갈리게 형성되어도 무방하다. 또한, 상승방지홈(17)은 검지 구조체(10)의 측면을 따라, 길이방향으로 소정의 간격으로 이격되어, 다수 개가 형성될 수도 있다.

이러한 상승방지홈(17)은 함몰되는 부위가 만곡되어 라운드지게 형성될 수 있으나, 반드시 이러한 형상으로 형성되어야 하는 것은 아니고, 검지 구조체(10)의 폭이 좁아지는 한, 어떠한 형태로 함몰되어도 무방하다.

한편, 도 7은 본 발명에 따른 큐벳형 바이오센서의 다른 실시예에 따른 사시도로, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 바이오센서(1000D)는 전술한 제3 실시예에 따른 바이오센서(1000C)에 추가적으로, 검지 구조체(10)를 보호하기 위해, 한 쌍의 가드(50)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 한 쌍의 가드(50)는 검지 구조체(10)를 사이에 두고, 검지 구조체(10)와 이격되어, 서로 맞은 편에 배치되는 부재이다. 다수 개의 검지 구조체(10)가 배치된 경우에도, 한 쌍의 가드(50) 사이에 다수 개의 검지 구조체(10)가 배열되도록, 가드(50)가 배치된다. 이렇게 가드(50)가 검지 구조체(10)의 양쪽 최외측 각각에 배치되므로, 큐벳(1)의 내면에 검지 구조체(10)가 닿지 않도록 하고, 외부의 충격 등으로부터 검지 구조체(10)를 보호할 수 있다. 가드(50)는 판 형태로 형성될 수 있으나, 그 형태가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 가드(50)가 판 형상으로 형성된 경우에, 나란하게 배치되는 검지 구조체(10) 또는 큐벳(1) 내측면 사이의 간극에서 시료(3)가 상승할 수도 있으므로, 가드(50)에도 소정의 높이에서 상대적으로 그 폭이 좁아지는 협폭부(12a)가 형성될 수도 있다. 이때, 협폭부(12a)도 가드(50)의 측면에 상승방지홈(17a)이 함몰되어 형성될 수 있는데, 반드시 가드(50)에 협폭부(12a)가 형성되거나, 상승방지홈(17a)에 의해 협폭부(12a)가 형성되어야 하는 것은 아니다.

또한, 가드(50)의 일면 및 타면 중 적어도 어느 한 면 이상에 고정 물질이 결합되어, 단위부피당 고정 물질의 밀도를 향상시킬 수 있다.

한편, 도 2a 내지 도 7에 도시된 본 발명에 따른 실시예에서, 검지 구조체(10)의 두께는 대략 100 ~ 5,000 ㎛ 범위에서 선택될 수 있고, 검지 구조체(10)의 적어도 하나 이상의 메인 표면, 예를 들어 일면 및/또는 타면은 10 ~ 100 ㎟의 면적을 가질 수 있다. 또한, 활성 표면은 상기 메인 표면 대비 30 ~ 100%를 차지할 수 있다. 큐벳(1)은 약 50 ~ 3,000 ㎣ 정도의 액체를 수용할 수 있도록 형성될 수 있으며, 큐벳(1)과 검지 구조체(10)의 크기는 활성 표면이 서로 적당한 거리를 두고 이격될 수 있고, 적절한 활성 영역이 형성되도록 정해지며, 일례로 1 ~ 20 개 정도의 검지 구조체(10)가 삽입되도록 큐벳(1)의 크기가 정해질 수 있다.

감도 및 시약 확산 증강 스트립형 바이오센서

이하에서는 스트립형 바이오센서에 대해 설명한다. 본 실시예에서, 적어도 하나 이상의 검지 구조체를 수용하는 광학적 투명 용기는 다수의 공동(cavity)을 구비하는 스트립 용기를 포함한다. 전술한 큐벳형 바이오센서는 적어도 하나 이상의 판 형 검지 구조체의 메인 표면이 공동 내에서 그 깊이방향에 대해 나란하게 서로 대향하도록 배치되는 반면, 본 스트립형 바이오센서는 적어도 하나 이상의 판 형 투명 검지 구조체는, 그 메인 표면이 공동 내 깊이방향에 대해 수직으로 서로 대향하도록 배치된다. 본 발명의 일실시예에 따른 스트립형 바이오센서는 투명 검지 구조체는 서로 평행하게 대향하는 메인 표면을 구비하는 판 구조체를 포함한다. 여기서, 메인 표면은 공동의 바닥면과 마주보는데, 실질적으로는 그 바닥면과 평행하게 배열되고, 약 500 ㎛의 간격을 두고 서로 이격될 수 있다.

한편, 투명 검지 구조체는 중심부가 중심부가 공동의 내측과 연결된 판 구조체를 포함할 수 있다(도 8 내지 도 11 참조). 여기서, 적어도 하나 이상의 투명 검지 구조체의 메인 표면들은 공동의 깊이방향에 대해 수직으로 서로 평행하게 중첩될 수 있다. 한편, 2개 이상의 투명 검지 구조체가 배열되는 경우, 서로 인접하는 2개의 투명 검지 구조체의 서로 마주보는 각각의 메인 표면은 약 500 ㎛ 이상의 간격으로 이격 배치될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서의 일실시예에 따른 사시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서의 검지 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 10은 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서의 센서스트립을 도시한 사시도이다.

한편, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 스트립형 바이오센서는 소정의 길이를 갖는 본체(150), 및 타겟 물질을 포함하는 시료를 수용할 수 있도록 본체(150)의 일면으로부터 함몰되어 다수 개가 형성되고 각각의 내부에 검지 구조체(10)가 배치되는 반응챔버(130)를 포함하는 적어도 하나 이상의 센서스트립(100)을 포함한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서는 센서스트립(100)을 포함하는데, 센서스트립(100)은 소정의 길이와 폭을 갖는 판(plate) 형상의 본체(150)에 반응챔버(130)가 형성되고, 그 반응챔버(130) 내부에 검지 구조체(10)가 배치되는 구조를 갖는다.

반응챔버(130)는 내부에 시료가 채워지도록, 본체(150)의 외면 중 어느 하나의 일면으로부터 오목하게 함몰되어 형성되고, 본체(150)의 길이방향을 따라서 다수 개가 배열된다. 한편, 반응챔버(130)의 바닥면에는 고정 물질이 배치될 수 있고, 나아가 그 바닥면에도 전술한 바와 유사한 돌기형의 나노 구조체(도시되지 않음)가 형성되고, 그 돌기형 나노 구조체외 외면에 고정 물질이 배치됨으로써, 단위부피당 고정 물질의 밀도를 증대시킬 수 있다.

검지 구조체(10)는 반응챔버(130) 내에 수용된 시료에 침지될 수 있도록, 다수의 반응챔버(130) 각각에 배치된다. 여기서, 검지 구조체(10)의 표면은 평면형으로 형성되거나, 또한 일면 및 타면 중 적어도 어느 한 면 이상의 전체 영역에, 또는 일부 영역에 추가적으로 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성되고, 그 외면에 고정 물질이 배치될 수 있다(도 9 참조).

센서스트립(100)은 적어도 하나 이상 제공될 수 있고, 센서스트립(100) 각각에 다수의 반응챔버(130) 및 검지 구조체(10)가 구비되므로, 다수의 시료를 동시에 분석할 수 있다. 즉, 동일 시료에 대하여 서로 다른 내용의 분석을 실행하거나, 또는 각각의 반응챔버(130)마다, 또는 동일 반응챔버(130) 내 각각의 검지 구조체(10)마다 서로 다른 포획 상체가 고정되어 서로 다른 시료를 분석할 수 있다. 한편, 반응챔버(130)의 개구부가 형성된 센서스트립(100) 일면의 반대쪽 타면은 고정판(200) 상에 배치될 수 있다.

고정판(200)은 소정의 넓이와 두께를 갖는 판 형상으로 형성되고, 그 일면에 적어도 하나 이상의 센서스트립(100)이 탈착 가능하게 부착된다. 이때, 고정판(200)과 센서스트립(100)은 삽입돌출부(400)와 삽입공(120)에 의해 탈부착될 수 있다. 삽입공(120)은 삽입돌출부(400)가 삽입되어 고정되고, 삽탈되어 해제되도록, 삽입돌출부(400)의 외형에 대응되는 형상으로 함몰되거나 또는 관통되어 형성될 수 있다. 여기서, 삽입돌출부(400)가 고정판(200)의 일면으로부터 돌출되어 형성되고, 센서스트립(100)의 본체(150)의 타면에 삽입공(120)이 구비되어, 센서스트립(100)과 고정판(200)이 탈부착될 수 있다. 이때, 삽입돌출부(400)가 센서스트립(100)에 형성되고, 삽입공(120)이 고정판(200)에 형성되어도 무방하다.

본 발명에 따른 바이오센서는 흡광도 측정을 통해 타겟 물질을 분석하므로, 외부의 광이 검지 구조체(10)에 조사되어야 하는바, 고정판(200)은 천공(210)을 구비할 수 있다. 천공(210)은 고정판(200)의 두께방향을 따라 관통된 구멍으로, 천공(21)이 형성된 고정판(200) 영역 상에 반응챔버(130)가 배치된다. 따라서, 반응챔버(130)와 천공(21)은 서로 대응하는 위치에, 동일한 개수로 마련될 수 있다. 또한, 반응챔버(130)의 바닥면 및 검지 구조체(10)를 통해서도 광 투과가 가능하여야 하는바, 반응챔버(130)의 바닥면 및 검지 구조체(10)도 광 투과가 가능한 소재, 예를 들어 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 트리아세틸셀룰로오스, 환상올레핀, 폴리아릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프타레이트, 또는 폴리이미드 등과 같은 고분자 재료로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 일실시예이고, 그 소재가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 실시예에 따른 센서스트립(100)은 다수 개의 검지 구조체(10, 10a, 10b, 10c)를 포함할 수 있다. 여기서, 다수 개의 검지 구조체(10, 10a, 10b, 10c)는 반응챔버(130)의 깊이방향을 따라서 서로 소정의 간격을 두고 이격되어 다단으로 상하 배열될 수 있다. 이때, 어느 하나의 검지 구조체(10a)와 다른 하나의 검지 구조체(10b 또는 10c)는 서로 마주보게 배치될 수 있다. 이렇게 다수의 검지 구조체(10)가 마련됨으로써, 단위부피당 고정 물질의 밀도(농도)가 높아지게 된다. 이때, 검지 구조체(10)의 표면에 서브미크론 또는 나노 구조체(11)가 형성되고, 서브미크론 또는 나노 구조체(11)의 외면에 고정 물질이 배치될 수도 있다.

또한, 본 실시예에 따른 스트립형 바이오센서는 시료주입구(300)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 시료주입구(300)는 반응챔버(130)과 연통되도록 본체(150)의 일면으로부터 함몰되어 형성되므로, 시료주입구(300)를 통해 주입된 시료가 반응챔버(130) 내부로 유입되고, 검지 구조체(10)는 그 시료 중에 침지된다.

도 11은 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서의 다른 실시예에 따른 사시도이다.

도 11을 참고로, 본 실시예에 따른 스트립형 바이오센서는 센서스트립(100)을 고정판(200)에 더욱 견고히 고정하기 위해서, 고정턱(500)을 더 포함할 수 있다. 고정턱(500)은 고정판(200)의 일면으로부터 돌출되어 형성되는데, 고정판(200) 상의 삽입돌출부(400)와는 소정의 간격을 두고 서로 이격되도록 배치된다. 여기서, 고정턱(500)과 삽입돌출부(400)의 이격거리는 삽입돌출부(400)가 삽입공(120)에 삽입될 때에, 고정턱(500)이 센서스트립(100)의 본체(150) 일단쪽 외면에 접하도록 정해진다. 한편, 센서스트립(100)의 본체(150) 일단의 코너(corner)가 내측을 향하여 함몰되도록 형성될 수 있고, 이때 삽입돌출부(400)가 삽입공(120)에 삽입되면서, 함몰된 코너와 고정턱(500)이 밀착되면서 센서스트립(100)이 고정판(200)에 단단히 고정될 수 있다.

도 12 내지 도 14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트립형 바이오센서의 분해 사시도, 결합 사시도, 및 사진이다. 보다 상세하게, 도 12, 도 13a 및 도 14a는 스트립형 바이오센서의 분해 및 결합사시도이고, 도 13b는 도 13a에 따라, 도 14b는 도 14a에 따라 각각 제작된 바이오센서의 사진이다.

도 12 내지 도 14b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 검지 구조체는 반응챔버의 내면으로부터 연장되어 돌출된 형태로 형성될 수 있다.

도 12는 상기 검지 구조체의 형태를 구현하기 위한 일례를 도시하고 있는데, 이를 참고하면, 검지 구조체(10)가 배치된 센서스트립(100)은 다수 개의 플레이트가 적층되어 형성된다. 상기 플레이트는 평평한 형태의 바닥 플레이트(110a), 중심부에 천공을 구비하는 스페이서 플레이트(110b), 중심부에 천공이 형성되되 그 천공의 내면으로부터 중심부 방향으로 연장된 돌출부를 구비하는 센서 플레이트(110c)를 포함하고, 바닥 플레이트(110a), 스페이서 플레이트(110b), 및 센서 플레이트(110c)가 순차적으로 적층되어 조립됨으로써, 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서를 형성할 수 있다. 이때, 스페이서 플레이트(110b)와 센서 플레이트(110c) 각각의 천공이 서로 대응되는 위치에 형성되어 적층된 상태에서 반응챔버(130)를 형성하게 되고, 센서 플레이트(110c)의 돌출부가 검지 구조체(10, 10a, 10b)를 형성하게 된다.

한편, 센서 플레이트(110c)는 2개 이상 적층될 수 있다. 이때, 어느 하나의 제1 센서 플레이트(111c)의 돌출부와 다른 하나의 제2 센서 플레이트(113c)의 돌출부는 적층되는 때에 서로 겹쳐지지 않도록 형성될 수 있다. 이를 구현하기 위해서, 반응챔버(130)의 깊이방향을 Z축으로 할 때에, 제1 센서 플레이트(111c)의 돌출부가 Z축에 수직인 X축 방향으로 돌출되고, 제2 센서 플레이트(113c)의 돌출부가 X축 방향에 대해 Y축 방향으로 소정의 각도로 편향되어 돌출될 수 있다. 이 경우, 적층되는 다수의 센서 플레이트(111c, 113c)의 돌출부는 반응챔버의 깊이방향을 따라 서로 엇갈리면서 지그재그로 배열되어, 이에 대응되는 패턴으로 검지 구조체(10a, 10b)가 배열된다. 다만, 반응챔버(130)의 깊이방향에 대한 돌출부의 배열 패턴이 반드시 상기와 같이 엇갈리도록 배치되는 것은 아니고, 다수의 센서 플레이트(111c, 113c)의 돌출부가 동일한 위치에 형성되어, 적층될 때에 반응챔버(130)의 깊이방향을 따라 서로 겹쳐지게 형성될 수도 있다.

여기서, 센서 플레이트(110c)의 돌출부는 2개 이상으로, 천공의 내주면을 따라 소정의 간격을 두고 이격될 수 있다. 일례로, 센서 플레이트(110c)의 돌출부 사이의 간격은 천공을 중심으로 30 ~ 180°만큼 이격될 수 있다. 다만, 그 간격은 돌출부의 개수 및 천공의 내주면 둘레 등에 따라 변경 가능하다. 이 경우, 어느 하나의 센서 플레이트(110c, 111c)의 돌출부가 다른 하나의 센서 플레이트(110c, 113c)의 돌출부 사이의 간격에 배치되어 서로 겹치지 않도록 형성될 수 있다.

한편, 2개 이상의 센서 플레이트(110c)는 연속적으로 적층될 수 있고, 나아가 그 사이에 적어도 하나 이상의 스페이서 플레이트(110b)가 적층될 수 있다. 또한, 바닥 플레이트(110a)와 센서 플레이트(110c) 사이에도 2개 이상의 스페이서 플레이트(110b)가, 그리고 센서 플레이트(110c) 위에도 하나 이상의 스페이서 플레이트(110b)가 연속하여 적층될 수 있다. 이러한 경우, 반응챔버(130)의 용량을 증대시킬 수 있으며, 스페이서 플레이트(110b) 각각의 천공의 내주면을 활성 표면으로 사용할 수 있으므로, ELISA에 있어 생체분자 및/또는 분석물질, 시약 및/또는 분석물질의 확산을 향상시킬 수 있다.

한편, 돌출부의 말단 중 어느 하나의 고정단은 천공의 내주면으로부터 연장되지만, 그 반대쪽 자유단은 천공의 내주면과 이격되고, 다른 돌출부의 자유단과도 이격된다. 이에, 돌출부에 의해 둘러싸이는 반응챔버(130)의 중심부는 피펫(pipette)이 용이하게 수용될 수 있도록 돌출부를 배열하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 스트립형 바이오센서는 스페이서 플레이트(110b), 및 센서 플레이트(110c)마다 서로 대응되는 위치에 2개 이상의 천공이 각각 구비되어 2개 이상의 반응챔버(130)가 형성될 수 있고, 센서 플레이트(110c)의 각각의 천공마다 돌출부가 형성되어 각각의 반응챔버(130) 내에 검지 구조체(10)가 배치될 수 있다. 이 경우, 도 13a 내지 도 13b를 참고로, 다수의 반응챔버 각각에 다수의 검지 구조체가 반응챔버의 깊이방향을 따라 서로 겹치도록 배열된 스트립형 바이오센서가 형성된다.

한편, 14a 내지 도 14b와 같이, 돌출부의 배열이 서로 다른 센서 플레이트를 적층함으로써, 다수의 반응챔버 각각에 다수의 검지 구조체가 반응챔버의 깊이방향을 따라 서로 엇갈리도록 배열된 스트립형 바이오센서가 형성될 수도 있다.

감도 및 확산 증강 센서 조립체를 이용한 면역분석 방법

본 발명에 따른 바이오센서는 ELISA 등과 같은 다양한 면역분석에 효과적으로 사용될 수 있다. 일실시예에 따른 ELISA 분석방법은 본 발명의 실시예 중 어느 하나에 따른 ELISA 키트(kit)를 준비한다. 여기서, ELISA 키트는 하나 이상의 ELISA용 시약, 분석물질 및/또는 생체분자, 그리고 ELISA에 적합한 센서 조립체를 포함한다.

또한, ELISA 분석방법은 전술한 큐벳 또는 하나 이상의 반응챔버를 구비한 센서스트립 등과 같은 투명 용기 내에서 ELISA 반응을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, ELISA 분석방법은 타겟 물질 및 그 타겟 물질에 특이적으로 결합되는 표지자 중합 검출시약을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 타겟 물질에 특이적으로 결합되는 포획시약을 센서 조립체의 활성 표면 상에 고정하는 단계; 타겟 물질이 포획시약 및 표지자 중합 검출시약에 특이적으로 결합되도록 적어도 일부의 활성 표면을 상기 용액에 침지하는 단계; 포획시약 및 표지자 중합 검출시약에 특이적으로 결합된 타겟 물질을 검출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

한편, 다른 실시예에 따른 ELISA 분석방법은 ELISA 웰(well)을 준비하는 단계를 포함하는데, 여기서 ELISA 웰은 투명 용기, 및 상기 투명 용기 내에 하나 이상의 증강층을 포함하고, 상기 증강층은 항체가 결합되도록 형성되며, 액체 부피당 증강층의 결합 표면 면적 비가 1.0 ~ 5.0 ㎟/㎕일 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 투명 용기로 ELISA 반응을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있고, 여기서 한 번의 세척 단계를 거칠 수 있다.

본 발명에 따른 ELISA 프로토콜 및/또는 성분들은 간접 ELISA, 스트렙트아비딘(streptavidin) 검출 직접 ELISA, 샌드위치 ELISA, 경쟁 ELISA 및/또는 스트렙-비오틴(strep-biotin) 검출 샌드위치 ELISA 등에 사용되기 위한 것이다. 본 발명에 따른 ELISA 키트는 코팅 완충액, 블로킹 완충액(예를 들어, 1% BSA 첨가 PBS), 및 세척 완충액(예를 들어, 0.05% v/v Tween-20 첨가 PBS) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, ELISA 키트는 기질 용액(예를 들어, TMB Core+ (BHU062) 또는 pNPP (BUF044)) 및 정지액(stop solution, 예를 들어 0.2M H₂SO₄ 또는 1M NaOH)을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 ELISA 분석방법은 항원 용액으로 웰을 코팅하는 단계, 선택적으로 플레이트를 증류수로 세척하는 단계, 블로킹 완충액을 첨가하고 플레이트를 세척하는 단계, 효소가 중합된 2차 항체를 첨가하고 플레이트를 세척하는 단계, 기질 용액을 첨가하고 반응을 발생시키는 단계, 및 큐벳 또는 웰에서 흡광도를 측정하는 단계 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 방법은 간접 ELISA에 적용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 ELISA 분석방법은 웰을 코팅하는 단계, 선택적으로 플레이트를 증류수로 세척하는 단계, 블로킹 완충액을 첨가하고 플레이트를 세척하는 단계, 시료를 웰에 첨가하는 단계, 비오틴이 중합된 검출항체를 각각의 웰에 첨가하는 단계(선택적으로 세척 단계를 포함할 수 있음), 효소가 중합된 스트렙트아비딘을 웰에 첨가하는 단계(선택적으로 세척 단계를 포함할 수 있음), 기질 용액을 웰 또는 큐벳에 첨가하는 단계, 및 흡광도를 측정하는 단계 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 방법은 직접 ELISA에 적용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 직접 ELISA는 (ⅰ) 코팅 완충액에 용해된 항원으로 고체 지지체를 코팅하는 단계; (ⅱ) 고체 지지체를 블로킹 시약과 1시간 동안 반응시켜 고체 지지체의 비특이적 결합부위를 블로킹하는 단계; (ⅲ) 고체 지지체를 PBS 또는 PBST로 1분 동안 3회 세척하는 단계; (ⅳ) 항원과 결합하는 제1 검출 시제(agent)와 고체 지지체를 반응시키는 단계; (ⅴ) 고체 지지체를 PBS 또는 PBST로 1분 동안 5회 세척하여 비특이적으로 결합된 제1 검출 시제를 제거하는 단계; 및 (ⅵ) UV, 형광, 화학 발광 등의 검출 시스템 또는 다른 검출 방법을 사용하여 결합된 제1 검출 시제를 검출하는 단계를 포함한다. 제1 검출 시제는 특별한 제한은 없지만, 형광 염료, 또는 염기성 탈인산화 효소(alkaline phosphatase, AP)나 HRP(horseradish peroxidase) 등과 같은 리포터 효소와 연결된 검출 시제일 수 있다. 이러한 검출 시제는 무색 기질을 유색 생성물로 변환시키고, 유색 생성물의 광학 밀도는 타겟 파장에서 ELISA 플레이트 판독기로 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 간접 ELISA는 (ⅰ) 코팅 완충액에 용해된 항원으로 고체 지지체를 코팅하는 단계; (ⅱ) 고체 지지체를 블로킹 시약과 1시간 동안 반응시켜 고체 지지체의 비특이적 결합부위를 블로킹하는 단계; (ⅲ) 고체 지지체를 PBS 또는 PBST로 1분 동안 3회 세척하는 단계; (ⅳ) 용액 내 제1 검출 시제(agent)와 고체 지지체를 1시간 동안 반응시키는 단계; (ⅴ) 고체 지지체를 PBS 또는 PBST로 1분 동안 3회 세척하여 비특이적으로 결합된 제1 검출 시제를 제거하는 단계; (ⅵ) 용액 내 제2 검출 시제와 고체 지지체를 1시간 동안 반응시키는 단계; (ⅶ) 고체 지지체를 PBS 또는 PBST로 1분 동안 5회 세척하여 비특이적으로 결합된 제2 검출 시제를 제거하는 단계; 및 (ⅷ) UV, 형광, 화학 발광 등의 검출 시스템 또는 다른 검출 방법을 사용하여 결합된 제2 검출 시제를 검출하는 단계를 포함한다. 여기서, 제2 검출 시제는 제1 검출 시제와 결합한다. 제2 검출 시제는 특별한 제한은 없지만, 염기성 탈인산화 효소(alkaline phosphatase, AP)나 HRP(horseradish peroxidase) 등과 같은 리포터 효소와 연결된 검출 시제일 수 있다. 이러한 검출 시제는 무색 기질을 유색 생성물로 변환시키고, 유색 생성물의 광학 밀도는 타겟 파장에서 ELISA 플레이트 판독기로 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 직접 ELISA는 고체 지지체와 항원 사이의 제1 반응 단계; 고체 지지체와 블로킹 시약 사이의 제2 반응 단계; 및 고체 지지체와 제1 검출 시제 사이의 제3 반응 단계를 포함할 수 있다. 상기 반응 단계는 2상 반응(two-phase reaction)일 수 있고, 고체 지지체 상의 항원과 검출 시제 사이의 결합 반응을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 간접 ELISA는 고체 지지체와 항원 사이의 제1 반응 단계; 고체 지지체와 블로킹 시약 사이의 제2 반응 단계; 고체 지지체와 제1 검출 시제와의 제3 반응 단계, 및 고체 지지체와 제2 검출 시제와의 제4 반응 단계를 포함할 수 있다. 상기 반응 단계는 2상 반응(two-phase reaction)일 수 있고, 고체 지지체 상의 항원과 검출 시제 사이의 결합 반응을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 직접 ELISA에 있어서, 제1 반응 단계(항원 코팅)는 적어도 2시간 동안 반응시키고, 다른 반응 단계는 약 1시간 동안 반응시킬 수 있다.

본 발명에 따른 간접 ELISA에있어서, 제1 반응 단계(항원 코팅)는 적어도 2시간 동안 반응시키고, 다른 반응 단계는 약 1시간 동안 반응시킬 수 있다.

본 발명에 따른 세포 기반 ELISA(cell-based ELISA, C-ELISA)는 세포 단백질의 검출 및 정량화를 위한 방식으로, 세포 단백질은 세포 활성(예를 들어, 인산화 및 분해)과 관련된 번역 후 변형(post-translational modification)을 포함할 수 있다. 세포를 플레이팅하고, 실험요구 사항에 따라 처리하고, 웰에 직접 고정한 다음, 투과화(permeabilized)한다. 투과화 후에, 고정된 세포에 대해 종래 면역 블록(immunoblot)과 유사하게, 즉 블로킹, 제1 항체와의 반응, 세척, 제2 항체와의 반응, 화학발광 기질(chemilumescent substrate) 추가 등을 실행할 수 있다.

본 발명에 따른 ELISA는 4℃에서 활성 웰과 항원을 1일 동안 코팅하고, 37℃에서 2시간 동안 웰을 블로킹한 다음, 각각 37℃에서 2시간 동안 항체 및 중합체 결합을 수행하고, 5분 동안 실온에서 효소 기질 반응을 수행한 후, 흡광도를 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 ELISA 키트(kit)는 Acetylcholine ELISA Kit, AGE ELISA Kit, CXCL13 ELISA Kit, FGF23 ELISA Kit, HMGB1 ELISA Kit, iNOS ELISA Kit, LPS ELISA Kit, Malondialdehyde ELISA Kit, Melatonin ELISA Kit, NAG ELISA Kit, OVA ELISA Kit, Oxytocin ELISA Kit, PGE2 ELISA Kit, PTHrP ELISA Kit, S100b ELISA Kit, Tenascin C ELISA Kit, VEGF-B ELISA Kit, 및 Versican ELISA Kit로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바이오센서를 이용한 원-스텝 항원검출 면역분석 방법에 대해 설명한다.

도 15는 본 발명에 따른 큐벳형 바이오센서를 이용한 시료 분석방법의 순서도이고, 도 16은 본 발명에 따른 스트립형 바이오센서를 이용한 시료 분석방법의 순서도이다.

먼저, 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 큐벳형 바이오센서를 이용한 원-스텝 항원검출 면역분석 방법은, (a) 타겟 물질(예를 들어, 항원 등)을 포함하는 시료, 및 표지자가 중합된 검출물질(예를 들어, 검출항체(detection antibody) 등)을 포함하는 검출물질중합용액(예를 들어, 검출항체중합용액(detection antibody complex solution) 등)을 각각 준비하는 단계, (b) 타겟 물질에 결합 가능한 고정 물질(예를 들어, 포획 항체(capture antibody) 등)가 표면에 결합된 검지 구조체를, 상기 시료 및 상기 검출물질중합용액 중 어느 하나에 침지시킨 후 다른 하나에 침지시키거나, 또는 상기 시료와 상기 검출물질중합용액을 혼합한 혼합용액에 침지시키는 단계, 및 (c) 흡광도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (b) 단계에서 고정 물질과 타겟 물질, 그리고 표지자가 중합된 검출물질이 서로 반응하게 된다. 대략적으로 15 ~ 30 분 정도가 경과하여 반응이 종료되면, 검지 구조체를 효소기질(enzyme substrate)이 수용된 큐벳에 침지시켜 그 상태에서 흡광도를 측정한다. 이때, (b) 단계 종료한 후에, 추가적으로 검지 구조체를 세척하여 미반응 타겟 물질 및/또는 표지자가 중합된 검출물질를 제거하고, 효소기질이 수용된 큐벳에 검지 구조체를 침지시킬 수도 있다.

한편, 스트립형 바이오센서의 경우에는, (b) 단계에서, 시료주입구를 통해, 상기 시료 및 상기 검출물질중합용액 중 어느 하나를 먼저 주입한 후 다른 하나를 주입하거나, 또는 상기 시료와 상기 검출물질중합용액을 혼합하여 주입하고, (c) 단계에서 효소기질을 주입하여 흡광도를 측정할 수 있다.

전술한 방법에 따라, 곡물 곰팡이독소(aflatoxin B1), 과일목 잔류농약(streptomycin), HE4(human epididymis protein 4), CEA(carcinoembryonic antigen), Mouse IgG, 및 Cortisol을 타겟 물질로 선정하여, 그 농도에 따른 흡광도를 측정하고, 그 결과를 도 17a 내지 도 17f에 도시하였다.

곡물 곰팡이독소를 분석하는 경우(도 17a 참조), 19.53 ~ 312.5 pg/mL의 농도 범위에서 검출 가능했고, 검출 시간은 45분이 소요되었다. 과일목 잔류농약의 경우(도 17b 참조)에는, 0.39 ~ 50 ng/mL 농도 범위에서 검출되고 검출 시간은 30분이 소요되었다.

한편, 본 발명에 따른 바이오센서의 민감도가 향상되는지 확인하기 위해서, HE4, CEA, Mouse IgG, 및 Cortisol을 대상으로는 경쟁사의 바이오센서를 이용해서도 분석을 실시하였다. 경쟁사의 바이오센서인 ELISA kit를 사용하였고, 본 발명에 따른 바이오센서에 의해 측정된 흡광도는 실선으로, 경쟁사의 바이오센서에 의해 측정된 흡광도는 점선으로 표시한다.

HE4 분석(도 17c 참조)에 있어서, 본 발명에 따른 바이오센서는 6.1 ~ 390 pg/mL의 농도 범위에서 30분 내에 검출이 완료되었으나, 경쟁사의 바이오센서는 78 ~ 5,000 pg/mL의 농도 범위에서 검출되었고 검출 시간은 4시간이 소요되었다.

CEA 분석의 경우(도 17d 참조), 본 발명에 따른 바이오센서는 0.2 ~ 390 ng/mL의 농도 범위에서 검출 가능했고, 검출 시간은 15 ~ 30분 정도였다. 반면, 경쟁사의 바이오센서는 90분 동안 1 ~ 65 ng/mL의 농도 범위에서 검출되었다.

Mouse IgG을 검출하는 경우(도 17e 참조), 본 발명에 따른 바이오센서의 검출 농도 범위는 0.05 ~ 25 ng/mL이고, 검출 시간은 30분인데 반해, 경쟁사의 바이오센서의 검출 범위는 7.8 ~ 500 ng/mL이고 이때 소요되는 시간은 120분이었다.

Cortisol을 타겟 물질로 한 경우(도 17f 참조), 본 발명에 따른 바이오센서를 사용하면 0.05 ~ 25 ng/mL의 농도 범위에서 30분 내에 검출 가능하였으나, 경쟁사의 바이오센서를 사용하면 7.8 ~ 500 ng/mL의 농도 범위에서 120분이 소요되었다.

위의 결과를 종합적으로 분석해 보면, 본 발명에 따른 바이오센서를 사용하는 경우 센서 민감도가 매우 향상되고, 타겟 물질의 검출에 소요되는 시간이 단축됨을 알 수 있다.

도 18a 내지 도 18b는 본 발명에 따른 검지 구조체의 개수가 서로 다른 바이오센서를 이용하여 농도가 상이한 검출 대상 항체의 반응 생성물의 흡광도를 측정한 실험 결과 그래프이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서의 활성 또는 반응 영역은 종래 ELISA 플레이트와 비교할 때에 상대적으로 훨씬 넓게 형성된다. 이에 종래 ELISA 플레이트에 비해, 본 발명에 따른 바이오센서는 더 많은 수의 고정 물질(포획 분자 내지 수용체)이 표적 물질과 반응할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 바이오센서는 후크 효과를 감소시켜 분석 민감도를 향상시키고, 동시에 반응속도를 증가시켜 반응 시간을 줄일 수 있다.

도 18a를 참고로, 본 발명에 따른 바이오센서를 사용하는 경우(◇ 및 붉은색 표시) 경쟁사 바이오센서(microtiter plate; 96 well)를 사용하는 경우(△ 및 검정색 표시)에 비해 분석 민감도가 증가했고, 분석시간은 상당히 단축된다.

또한, 본 발명에 따른 다수의 검지 구조체가 적층됨으로써, 항원 등과 같은 단백질과 반응하는 수용체 및 항체의 농도가 실질적으로 증가한다. 예를 들어, 도 18b를 참조하면, 본 발명에 따라 6개의 검지 구조체를 구비하는 바이오센서는 2개의 검지 구조체를 구비한 경우에 비해 높은 감도로 IgG를 검출한다. 종합적으로, 다수의 검지 구조체를 구비하는 바이오센서의 고민감도는 고정 물질(예를 들어, 포획 분자 내지 수용체)이 고밀도로 배치되고 이들의 확산이 증대된 결과이다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 큐벳 3: 시료
C: 고정 물질 10: 검지 구조체
11: 나노 구조체 12, 12a: 협폭부
17, 17a: 상승방지홈 20: 파지부
30: 캡 40: 고정부
50: 가드 100: 센서스트립
120: 삽입공 130: 반응챔버
150: 본체 200: 고정판
300: 시료주입구 400: 삽입돌출부
500: 고정턱

Claims

판(plate) 형상으로 형성되고, 일면 및 타면 중 적어도 어느 하나 이상에 타겟 물질과 특이적으로 결합하는 고정 물질이 배치된 검지 구조체; 및
소정의 길이를 갖는 본체, 및 상기 타겟 물질을 포함하는 시료를 수용할 수 있도록 상기 본체의 일면으로부터 함몰되어 다수 개가 형성되고 각각의 내부에 상기 검지 구조체가 배치되는 반응챔버를 포함하는 적어도 하나 이상의 센서스트립;을 포함하고,
상기 검지 구조체는,
상기 반응챔버의 내면으로부터 연장 돌출되며,
다수 개로, 상기 반응챔버의 깊이방향을 따라, 서로 이격되고, 엇갈리면서 지그재그로 상하 배열되는 바이오센서.
청구항 1에 있어서,
상기 검지 구조체의 일면 및 타면 중 적어도 어느 하나 이상에, 돌기 형태로 형성되고, 외면에 상기 고정 물질이 결합되는 나노 구조체가 형성되는 바이오센서.
청구항 1에 있어서,
상기 타겟 물질은 아미노산, 펩티드, 폴리펩티드, 단백질, 당단백질, 지단백질, 뉴클레오시드, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고당, 다당류, 지방산, 지질, 호르몬, 대사물질, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경 전달 물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사물질, 보조 인자, 저해제, 약물, 약제, 영양소, 플리온, 독소, 독, 폭약, 살충제, 화학적 교전제, 생물위험제, 박테리아, 바이러스, 방사선 동위원소, 비타민, 헤테로시클 방향족 화합물, 카르시노겐, 뮤타겐, 마약, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 및 오염물로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 바이오센서.
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삭제
청구항 1에 있어서,
일면에 상기 센서스트립이 탈착 가능하게 부착되는 고정판;
을 더 포함하는 바이오센서.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 반응챔버와 연통되도록, 상기 본체의 일면으로부터 함몰되어 형성된 시료주입구;
를 더 포함하는 바이오센서.
청구항 12에 있어서,
상기 고정판의 일면으로부터 돌출된 삽입돌출부;
를 더 포함하고,
상기 본체에, 상기 삽입돌출부가 삽입되도록 함몰되거나 또는 관통된 삽입공이 형성되어, 상기 센서스트립이 상기 고정판에 부착되는 바이오센서.
청구항 15에 있어서,
상기 본체 일단의 코너(corner)가 내측을 향하여 함몰되고,
상기 삽입돌출부가 상기 삽입공에 삽입될 때에, 상기 본체 일단의 코너에 접하도록, 상기 삽입돌출부로부터 이격되어 상기 고정판의 일면으로부터 돌출된 고정턱;
을 더 포함하는 바이오센서.