KR20100063316A - 바이오 물질 검출 장치 및 이를 이용한 바이오 물질 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
바이오 물질 검출 장치 및 이를 이용한 바이오 물질 검출 방법이 제공된다. 바이오 물질 검출 장치는 금 나노 입자들에 고정된 바이오 감지 물질들을 포함하는 바이오 물질 반응부, 바이오 물질 반응부로 빛을 조사하는 광원부 및 바이오 감지 물질들이 바이오 물질과 결합하기 전후에, 바이오 물질 반응부를 통과한 상기 빛을 검출하여, 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 감지하는 검출부를 포함한다.
바이오 물질, 금 나노 입자, 표면 흡광도
Description
본 발명은 바이오 물질 검출 장치 및 이를 이용한 바이오 물질 검출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금 나노 입자의 표면 흡광도 변화를 측정하여 바이오 물질을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-S-014-01, 과제명: 가정용 고감도 배뇨분석 센서 모듈].
바이오 센서란, 특정한 바이오 물질에 대한 인식기능을 갖는 생물학적 수용체와 분석하고자 하는 분석체와의 선택적 반응 및 결합에 따라 변화되는 광학적 또는 전기적 신호를 감지할 수 있는 소자이다. 즉, 바이오 센서는 바이오 물질들의 존재를 확인하거나, 정성적 또는 정량적으로 분석할 수 있다. 여기서, 생물학적 수용체(즉, 감지 물질)로는 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 효소, 항체 및 DNA 등이 사용된다. 그리고, 신호 감지 방법으로는 분석체의 유무에 따른 전기적 신호 변화, 수용체와 분석체의 화학적 반응에 의한 광학적 신호 변화 등 다양한 물리화학적 방법을 사용하여 바이오 물질을 검출 및 분석한다.
한편, 종래의 바이오 물질을 검출하는 방법으로서, 특정 항체에 방사성 동위 원소나 형광 물질 등으로 표지(label)한 후, 이에 대응하는 항원이 특정 항체에 반응하여 발생하는 방사선의 변화나 형광 세기의 변화를 이용하여, 특정 항원을 정량적으로 측정하는 표지식 검출 방법이 사용되고 있다. 이와 같은 바이오 물질 검출 방법은, 특정 항체에 특정 색깔을 내는 형광 물질을 표지하는 부가적인 과정이 필요하기 때문에, 공정이 복잡하며 공정 단가 또한 높아진다.
이에 따라, 최근에는 특정 색깔을 내는 형광 물질과 같은 표지 물질을 사용하지 않는 형태의 비표지식(Label-free) 검출 방법을 이용하는 바이오 센서들에 대한 연구 개발이 이루어지고 있다. 즉, 표면 플라즈몬 바이오센서(Surface Plasmon Biosensor), 전반사 엘립소메트리 바이오 센서(Total Internal Reflection Ellipsometry Biosensor), 광 도파로 바이오 센서(Waveguide Biosensor) 등의 광학적 방법들을 이용한 바이오 센서들에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.
비표지식 바이오 센서인, 표면 플라즈몬, 전반사 엘립소메트리 및 광 도파로를 이용하는 일반적인 광학식 바이오 센서들은, 광을 생성하는 광원부, 항체와 항원의 반응이 일어나는 반응부 및 광 신호를 측정하는 감지부를 포함한다. 광을 생성하는 광원부로는 발광 다이오드(light-emitting diode) 및 발광 레이저(laser)가 사용되며, 광 감지부로는 스펙트로미터(spectrometer)가 일반적으로 사용된다.
그런데, 스펙트로미터를 광 감지부로 사용하는 경우, 광원으로부터 반응부 로 광이 입사하는 방향에 따라, 광학 신호가 매우 민감하게 달라질 수 있다. 또한, 광 스펙트럼을 측정하기 위해서는 광을 생성하는 광원부가 파장 가변형 광원을 사용하거나, 광학 신호 변화를 검출하는 감지부로서 스펙트로미터를 사용하여야 한다. 따라서, 광원부와 감지부를 구성하기 위해 매우 복잡한 광학계가 필요하며, 바이오 센서의 제조 비용이 증가한다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 보다 용이하게 바이오 물질을 검출할 수 있는 바이오 물질 검출 장치를 제공하는데 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 보다 용이하게 바이오 물질을 검출할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치는 금 나노 입자들에 고정된 바이오 감지 물질들을 포함하는 바이오 물질 반응부, 바이오 물질 반응부로 빛을 조사하는 광원부 및 바이오 감지 물질들이 바이오 물질과 결합하기 전후에, 바이오 물질 반응부를 통과한 상기 빛을 검출하여, 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 감지하는 검출부를 포함한다.
상기 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법은 바이오 물질과 결합하는 바이오 감지 물질들을 금 나노 입자들에 고정화시키는 단계, 금 나노 입자들에 고정된 바이오 감지 물질들에 바이오 물질들을 결합시키는 단계, 바이오 물질이 바이오 감지 물질들과 결합하기 전후에, 금 나노 입자들에 빛을 조사하는 단계 및 바이오 물질이 바이오 감지 물질 들과 결합하기 전후에, 금 나노 입자들을 통과한 빛을 감지하여, 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 감지하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 바이오 물질 검출 장치 및 이를 이용한 바이오 물질 검출 방법에 따르면, 금 나노 입자들의 표면에서 바이오 감지 물질과 바이오 물질의 결합 또는 반응에 의한, 금 나노 입자의 표면 흡광도 변화를 측정하여 바이오 물질의 유무 및 농도를 검출할 수 있다.
본 발명의 바이오 물질 검출 장치에 따르면, 금 나노 입자를 이용하여 바이오 물질을 검출할 수 있으므로, 바이오 물질 검출 장치의 제조 비용을 줄일 수 있다. 또한, 포토다이오드와 같은 광 센서를 이용하여 금 나노 입자들을 통과한 빛을 검출할 수 있으므로, 검출부를 소형으로 제조할 수 있으며, 제조 비용을 줄일 수 있다.
또한, 금 나노 입자들로 조사되는 광원의 입사 각도와 상관없이 바이오 물질들을 검출할 수 있으므로, 바이오 물질들을 검출하는 방법이 용이하다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태 로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서 금 나노 입자는 1 nm 이상 1000 nm 이하의 나노 크기를 갖는 금 입자를 의미한다. 다시 말해, 본 발명의 실시예들에서, 금 나노 입자의 직경은 1 nm 이상 1000 nm 이하의 크기를 갖는다.
본 명세서에서 바이오 물질이란, 특정 기질을 나타내는 생체 분자로서, 타겟 분자(target molecules), 분석체 또는 애널라이트(analytes)와 동일한 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 바이오 감지 물질이란, 바이오 물질과 특이 결합(specific binding)하는 생체 분자로서, 프로브 분자(probe molecules), 수용체(receptor) 또는 억셉터(acceptor)와 동일한 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 물질 검출 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치의 개략 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치에 구비된 바이오 물질 감지부의 개략 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치는 바이오 물질 반응부(100), 광원부(200) 및 검출부(300)를 포함한다.
바이오 물질 반응부(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(110) 및 기판(110) 상에 형성된 반응 용기(120)들을 포함한다.
기판(110)은 빛이 투과할 수 있도록 투명한 물질로 형성될 수 있다. 기판(110)은, 예를 들어, 플라스틱, 유리, 또는 실리콘 기판일 수 있다. 또한, 기판(100)으로는 티타늄 산화물(TiO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3) 등과 같은 투명한 산화물의 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판(100)은 PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cyclic copolymer), PA(polyamide), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등의 투명한 폴리머로 이루어질 수 있다.
반응 용기(120)는 기판(110) 상에 복수 개가 설치될 수 있으며, 반응 용기(120) 내에 바이오 감지 구조체들이 수용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 바이오 감지 구조체란, 금 나노 입자들의 표면에 고정화(immobilization)된 바이오 감지 물질들을 의미하며, 바이오 감지 구조체에는 분석하고자 하는 바이오 물질들이 특이 결합할 수 있다. 바이오 감지 구조체에서, 금 나노 입자들은, 그 크기 및 표면에 고정되는 물질들에 따라, 입사되는 빛의 파장을 변화시킬 수 있으며, 금 나노 입자들의 표면에 흡수되는 빛의 양이 달라질 수 있다. 구체적으로, 금 나노 입자들은 그 크기에 따라 표면 플라즈몬 효과(surface plasmon effect)에 의해 표면 흡광도(surface absorbance)가 변화한다. 또한, 바이오 감지 물질들은 검출 및 분석하고자 하는 바이오 물질들과 선택적으로 특이 결합될 수 있는 물질이다. 바이오 감지 물질들은 예를 들어, 단백질, 세포, 바이러스, 핵산, 유기 분자 또는 무기 분자일 수 있다. 단백질의 경우, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소, 조효소 등 어떠한 바이오 물질이라도 가능하다. 그리고 핵산의 경우, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 그들의 혼성체일 수 있다.
또한, 반응 용기(120) 내에서는, 외부로부터 제공되는 바이오 물질들과, 바 이오 감지 구조체들이 반응한다. 즉, 반응 용기(120) 내에서, 바이오 물질들과, 바이오 감지 물질들이 결합 또는 반응한다. 또한, 반응 용기(120) 내에 버퍼 용액을 수용할 수 있으며, 버퍼 용액 내에 바이오 감지 구조체들이 분산되어 반응 용기(120) 내에 수용될 수 있다. 버퍼 용액은 예를 들어, 물 또는 PBS(Phosphate buffered saline) 용액일 수 있다.
한편, 각각의 반응 용기(120) 내에는, 서로 다른 특질을 갖는 바이오 감지 구조체들이 수용될 수 있다. 그리고, 각각의 용기로, 동일한 특질을 갖는 바이오 물질들이 제공되거나, 서로 다른 특질을 갖는 바이오 물질들이 제공될 수 있다. 그러므로, 다양한 바이오 물질들을 포함하는 용액을 복수 개의 반응 용기(120)들에 제공함으로써, 다양한 바이오 물질들을 한번에 검출할 수 있다.
광원부(200)는 바이오 물질 반응부(100), 즉, 바이오 물질 반응부(100)의 금 나노 입자들로 빛(10)을 조사한다. 광원부(200)는 바이오 물질 반응부(100)에 구비된 반응 용기(120)들의 개수에 따라 복수 개의 광원(210)들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 광원(210)들은 반응 용기(120)들과 일대일로 설치될 수 있으며, 다른 실시예에서는 하나의 광원을 이용하여 복수의 반응 용기(120)들로 빛(10)을 조사할 수도 있다.
광원부(200)로부터 제공된 빛(10)은 금 나노 입자들의 표면에서 흡수될 수 있으며, 금 나노 입자들의 표면에서 흡수되는 빛의 양은 금 나노 입자들 주변 또는 금 나노 입자들 표면의 물질들에 따라 달라질 수 있다. 또한, 광원부(200)로부터 제공된 빛(10)이 금 나노 입자들에 흡수됨에 따라 빛의 세기가 달라질 수 있다. 즉, 금 나노 입자들의 표면 흡광도가 금 나노 입자들 표면의 바이오 감지 물질 및 바이오 물질들에 의해 변화될 수 있다.
이러한 광원부(200)로는 발광 다이오드(light emitting diode)가 이용될 수 있으며, 광원(210)의 파장은 금 나노 입자들의 크기에 따라 달라질 수 있다.
검출부(300)는 바이오 물질 반응부(100)를 통과한 빛(20)을 검출하여, 바이오 감지 물질과 바이오 물질의 결합 전후에, 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 감지할 수 있다. 검출부(300)는 광 감지 소자(310), 즉, 광 센서를 이용하여, 바이오 물질 반응부(100)를 통과한 빛(20)의 양 또는 세기를 감지할 수 있으며, 이에 따라 금 나노 입자들의 표면에서의 흡광도를 측정할 수 있다. 표면 흡광도는, 금 나노 입자들의 주변 환경이나 물질에 따라 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 달라질 수 있다. 즉, 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 감지함에 따라, 바이오 물질을 검출 및 분석할 수 있다.
검출부(300)는, 광원부(200)로부터 바이오 물질 반응부(100)를 통과한 빛의 파장에 가장 민감도가 우수한 광 검출기를 사용한다. 예를 들어, 검출부(300)는 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor), 광 증폭기(photomultiplier), 촬상 소자(charge coupled device, CCD) 또는 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)와 같은 이미지 소자로 이루어질 수 있다.
이하, 도 3, 도 4, 도 5a 및 도 5c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법 및 바이오 물질의 농도 검출 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질의 농도 검출 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법에서, 바이오 감지 물질들과 바이오 물질들의 결합에 따른 금 나노 입자들의 변화를 나타내는 모식도들이다.
도 3 및 도 5a를 참조하면, 일반적인 방법을 이용하여 금 나노 입자(132)들을 제조한다(S10). 예를 들어, 금 나노 입자(132)들은 물리적, 화학적 또는 전기 분해 방법들을 이용하여 나노 크기로 제조될 수 있다.
금 나노 입자(132)들은 그 크기에 따라 표면 플라즈몬 효과에 의해 표면 흡광도가 변화한다. 구체적으로, 표면 플라즈몬 효과란, 특정 파장의 빛이 금 표면에 조사되면, 금 표면에 존재하는 전자들이 진동하여 집단적인 요동(표면 플라즈몬 파동(wave)) 현상을 일으키는 것을 말하며, 양자화된(quantized) 전자의 요동이 표면 플라즈몬이다. 그리고, 금 표면 물질의 변화에 따라 표면 플라즈몬 파동의 파장(wavelength)의 이동이 발생한다. 이에 따라, 금 나노 입자들 표면에서의 흡광도가 변화한다.
금 나노 입자(132)들을 제조한 후에는, 금 나노 입자(132)들의 표면에 바이오 감지 물질(134)들을 고정화시켜 바이오 감지 구조체(140)들을 형성한다(S20).
금 나노 입자(132)들에 고정화되는 바이오 감지 물질(134)은, 검출하고자 하는 바이오 물질에 따라 단백질, 세포, 바이러스, 핵산, 유기 분자 또는 무기 분자일 수 있으며, 단백질의 경우, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소, 조효소 등 어떠 한 바이오 물질이라도 가능하다. 그리고 핵산의 경우, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 그들의 혼성체일 수 있다.
금 나노 입자(132)들의 표면에 바이오 감지 물질(134)들을 고정화시키는 방법으로는, 화학적인 흡착(chemical adsorption), 공유결합(covalent-binding), 전기적인 결합(electrostatic attraction), 공중합체(co-polymerization), 아비딘-바이오틴 결합 시스템(avidin-biotin affinity system) 등이 있다.
즉, 바이오 감지 물질(134)들은 금 나노 입자(132)들의 표면에, 직접 혹은 중간 매개체 분자로서 유기 분자를 사용하여 고정될 수 있다. 그리고, 바이오 감지 물질(134)들을 금 나노 입자(132)들의 표면에 고정화시키기 위해, 금 나노 입자(132)들의 표면에 활성기가 유도될 수 있다. 예를 들어, 금 나노 입자(132)들의 표면에, 카르복실기(-COOH), 티올기(-SH), 수산기(-OH), 실란기, 아민기 또는 에폭시기와 같은 활성기들이 유도될 수 있다.
금 나노 입자(132)들의 표면에 바이오 감지 물질(134)들을 고정화시킨 다음, 바이오 감지 구조체(140)들을 바이오 물질 반응부(도 1의 100)의 반응 용기(도 1의 120) 내에 분산시킨다. 반응 용기(도 1의 120) 내에는 버퍼 용액이 수용될 수 있으며, 바이오 감지 구조체(140)들은 버퍼 용액 내에서 균일하게 분산될 수 있다. 여기서, 버퍼 용액으로는 물 또는 PBS 용액이 사용될 수 있다.
바이오 감지 구조체(140)들을 반응 용기(도 1의 120) 내에 분산시킨 후, 검출부(도 1의 300)를 통해 금 나노 입자(132)들의 표면 흡광도를 1차 측정한다(S30).
즉, 광원부(도 1의 200)를 통해 바이오 물질 반응부(도 1의 100)의 반응 용기(도 1의 120) 내로 빛을 조사하면, 금 나노 입자(132)들에 의해 빛이 일부 흡수될 수 있다. 그리고, 금 나노 입자(132)들을 통과한 빛을 검출하여 금 나노 입자(132)들의 표면에서의 흡광도를 측정한다. 즉, 금 나노 입자(132)들의 표면에 바이오 감지 물질(134)들만 고정되어 있을 때, 금 나노 입자(132)의 표면 흡광도를 측정한다. 여기서 측정된 표면 흡광도를 제 1 표면 흡광도라 정의한다.
이어서, 도 3, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 바이오 감지 구조체(140)들이 수용된 반응 용기 내에, 검출하고자 하는 바이오 물질(136)들을 제공하여, 바이오 감지 물질(134)들과 바이오 물질(136)들을 결합시킨다(S40).
본 발명의 일 실시예에서, 바이오 물질(136)은, 생체로부터 얻어진 것으로서 바이오 감지 물질(134)들과 특이 결합하는 생체 분자이다. 다시 말해, 금 나노 입자(132)들에 고정된 바이오 감지 물질(134)들이 수용된 반응 용기 내에, 바이오 물질(136)들을 포함하는 용액을 제공한다. 바이오 물질(136)들을 포함하는 용액으로는, 예를 들어, 혈액, 혈청, 혈장, 소변 또는 타액과 같이 생체로부터 얻어진 체액일 수 있다. 그러므로, 바이오 물질(136)들을 포함하는 용액에는 검출하고자 하는 바이오 물질(136)뿐만 아니라, 바이오 감지 물질(134)들과 결합하지 않는 비특이성(nonspecific) 분자들을 포함할 수 있다.
예를 들어 바이오 물질(136)은 핵산, 세포, 바이러스, 단백질, 유기 분자 또는 무기 분자일 수 있다. 단백질 분자의 경우, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소, 조효소 등 어떠한 바이오 분자라도 가능하다. 그리고 핵산의 경우, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 그들의 혼성체일 수 있다.
또한, 반응 용기(110) 내에 바이오 물질(136)들을 제공하면, 바이오 감지 물질(134)들과 바이오 물질(136)들은 핵산 혼성화, 항원-항체 반응 및 효소 결합 반응 등과 같은 화학적 및 생화학적 반응들에 의해 결합될 수 있다.
이와 같이, 바이오 감지 물질(134)들에 바이오 물질(136)들을 결합시킨 후, 광원부(도 1의 200)를 통해 바이오 물질 반응부(도 1의 100)에 빛을 조사하고, 검출부(도 1의 300)를 통해 금 나노 입자(132)들의 표면 흡광도를 2차 측정한다(S50).
즉, 표면에 바이오 감지 물질(134)과 바이오 물질(136)이 결합된 금 나노 입자(132)들에 빛을 조사하여, 금 나노 입자(132) 표면의 흡광도를 측정한다. 바이오 감지 구조체(140)에 바이오 물질(136)들이 결합함에 따라, 표면 플라즈몬 효과에 의해 금 나노 입자(132) 표면의 흡광도가 변화된다. 여기서 측정된 표면 흡광도를 제 2 표면 흡광도라 한다.
이후, 금 나노 입자의 표면 흡광도 변화량을 분석한다(S60). 이 때, 금 나노 입자(132)들의 표면 흡광도의 변화량에 따라 바이오 물질(136)들의 유무를 검출할 수 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 표면 흡광도의 차이를 계산한다. 제 1 표면 흡광도를 측정할 때와, 제 2 표면 흡광도를 측정할 때, 금 나노 입자(132)들의 표면에 고정된 물질들이 달라지므로, 제 1 표면 흡광도와 제 2 표면 흡광도가 다르다. 그러므로, 바이오 물질(136)을 바이오 감지 물질(134)들에 결합시키기 전후에, 금 나노 입자(132)들의 표면 흡광도 변화를 측정하여, 바이오 물질(136)을 검출할 수 있다. 한편, 바이오 물질(136)들이 바이오 감지 구조체(140)들과 특이 결합하지 않는 경우, 제 2 표면 흡광도와 제 1 표면 흡광도 사이의 변화량은 크게 달라지지 않는다.
한편, 도 4를 참조하면, 금 나노 입자의 표면 흡광도의 변화를 측정하여, 바이오 물질들의 존재 유무뿐만 아니라, 바이오 물질들의 농도도 검출할 수 있다(S70).
도 5b 및 도 5c를 참조하여 상세히 설명하면, 바이오 감지 구조체(140)들이 수용된 반응 용기(120) 내에 바이오 물질(136)들을 제공한 후, 시간이 경과함에 따라, 바이오 물질(136)들은 하나 이상의 바이오 감지 물질(134)들과 결합될 수 있다. 이에 따라, 반응 용기(120) 내에 금 나노 입자(132)들이 응집되어 응집체(150a, 150b)들을 형성할 수 있다.
바이오 감지 물질(134)들과 바이오 물질(136)들이 결합하여 형성된 응집체(150a, 150b)들은, 반응 용기(120)에 제공된 바이오 물질(136)들의 농도에 따라 그 크기가 달라질 수 있다. 즉, 바이오 물질(136)들을 포함하는 용액 내에 바이오 물질(136)들의 함량이 낮은 경우, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상대적으로 응집체(150a)들의 크기가 작을 수 있다. 반면, 바이오 물질(136)들을 포함하는 용액 내에 바이오 물질(136)들의 함량의 높은 경우, 상대적으로 응집체(150b)들의 크기가 커질 수 있다.
또한, 금 나노 입자(132)들이 응집됨에 따라, 반응 용기(120) 내에 나노 크기의 물질들은 감소되고, 응집체(150a, 150b)들의 크기가 증가할 수 있다. 그리고, 응집체(150a, 150b)들이 증가함에 따라 금 나노 입자들의 표면에서의 빛의 산란이 줄어들어 금 나노 입자들의 표면 흡광도 또한 감소한다. 즉, 바이오 물질의 농도가 높을수록, 바이오 감지 물질과 결합하는 양이 증가되므로, 금 나노 입자가 바이오 물질들에 의해 스크리닝될 수 있다. 이에 따라, 금 나노 입자들의 표면에서 빛이 흡수되는 양이 감소한다.
다시 말해, 바이오 물질(136)들의 농도에 따라 응집체들(150a, 150b)의 크기가 변화될 수 있으며, 응집체들(150a, 150b)의 크기에 따라 금 나노 입자(132)의 표면 흡광도가 달라질 수 있다. 그러므로, 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 분석하여, 바이오 물질(136)들의 농도를 검출할 수 있다.
따라서, 금 나노 입자들의 표면에서, 흡광도의 변화를 감지하여 바이오 물질들을 검출한 다음, 표면 흡광도의 변화량을 분석한다. 보다 구체적으로, 동일한 파장에서, 바이오 감지 물질과 바이오 물질이 결합하기 전후의 표면 흡광도 차이를 분석하여, 바이오 물질들의 농도를 검출할 수 있다. 즉, 각 파장 별로, 바이오 감지 물질과 바이오 물질이 결합하기 전후의 표면 흡광도 차이를 분석하여, 바이오 물질의 농도를 정량화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법에 따라, 바이오 감지 물질들과 바이오 물질들의 결합 전후에, 검출되는 빛의 파장 변화 및 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 점선 그래프(A)는 바이오 감지 물질들이 바이오 물질들과 결합하기 전, 금 나노 입자들의 표면 흡광도를 나타낸다. 실선 그래프(B)는 바이오 감지 물질들이 바이오 물질들과 결합한 후, 금 나노 입자들의 표면 흡광도를 나타낸다.
그래프들을 비교하면, 금 나노 입자의 표면에서 바이오 감지 물질들과 바이오 물질들이 결합한 후에, 검출되는 빛의 파장이 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 금 나노 입자의 표면 물질에 따라 빛의 파장이 변화한다. 또한, 금 나노 입자의 표면에서 바이오 감지 물질들과 바이오 물질들이 결합한 후에, 표면 흡광도가 변화함을 확인할 수 있다. 이에 따라, 바이오 물질들이 결합하기 전, 제 1 중심 파장(l1)에서 금 나노 입자가 가지는 표면 흡광도(IA(l1))와, 바이오 물질들이 결합된 후, 제 2 중심 파장((l2)에서 금 나노 입자 가지는 표면 흡광도(IB(l2))의 차이를 분석하여 바이오 물질들을 검출할 수 있다. 이 때, 제 1 파장(l1) 및 제 2 파장(l2)은 표면 흡광도 측정시, 각각 검출부에서 감지되는 빛의 중심 파장을 나타낸다. 즉, 바이오 감지 물질들과 바이오 물질들의 결합 전후, 표면 흡광도(즉, 빛의 세기) 변화를 통해 바이오 물질을 검출할 수 있다.
또한, 제 1 또는 제 2 중심 파장(l1, l2)에서, 바이오 감지 물질들과 바이오 물질들 간의 반응 전후의 표면 흡광도 차이를 분석하여 바이오 물질의 농도를 정량화할 수 있다. 즉, 제 1 중심 파장(l1)에서 표면 흡광도 차이(IA(l1)-IB(l1))와, 제 2 중심 파장(l2)에서의 표면 흡광도 차이(IB(l2)-IA(l2))를 분석하여, 바이오 물질들의 농도를 정량화할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치의 바이오 물질 감지부의 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질의 농도 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법에서, 바이오 감지 물질들과 바이오 물질들의 결합에 따른 금 나노 입자들의 변화를 나타내는 모식도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법에 따라, 이오 감지 물질들과 바이오 물질들의 결합 전후에, 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 바이오 물질 반응부 132: 금 나노 입자
134: 바이오 감지 물질 136: 바이오 물질
140: 바이오 감지 구조체 150a, 150b: 응집체
200: 광원부 300: 검출부
Claims (19)
- 금 나노 입자들에 고정된 바이오 감지 물질들을 포함하는 바이오 물질 반응부;상기 바이오 물질 반응부로 빛을 조사하는 광원부; 및상기 바이오 감지 물질들이 바이오 물질과 결합하기 전후에, 상기 바이오 물질 반응부를 통과한 상기 빛을 검출하여, 상기 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 감지하는 검출부를 포함하는 바이오 물질 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 바이오 물질 반응부는, 상기 빛이 투과되는 기판 및 상기 기판 상에 형성되며, 상기 금 나노 입자들에 고정된 상기 바이오 감지 물질들을 수용하는 반응 용기를 포함하는 바이오 물질 검출 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 기판은, 투명한 물질로 형성된 바이오 물질 검출 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 반응 용기는 상기 기판 상에 복수 개가 설치되며,상기 각각의 반응 용기 내에, 서로 다른 특질을 갖는 바이오 감지 물질들을 수용하는 바이오 물질 검출 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 광원부는 상기 반응 용기들 각각에 대응되도록 설치된 복수 개의 광원들을 포함하는 바이오 물질 검출 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 감지부는 상기 바이오 물질 반응부를 사이에 두고 상기 광원부와 대향되도록 설치된 바이오 물질 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 감지부는 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광 증폭기, 촬상 소자 및 씨모스 이미지 센서로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 바이오 물질 검출 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 바이오 감지 물질들은 핵산, 세포, 바이러스, 단백질, 유기 분자 및 무기 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 바이오 물질 검출 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그들의 혼성체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 바이오 물질 검출 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 바이오 물질 검출 장치.
- 바이오 물질과 결합하는 바이오 감지 물질들을 금 나노 입자들에 고정화시키는 단계;상기 금 나노 입자들에 고정된 상기 바이오 감지 물질들에 바이오 물질들을 결합시키는 단계;상기 바이오 물질이 상기 바이오 감지 물질들과 결합되기 전에, 상기 금 나노 입자들에 빛을 조사하는 단계;상기 바이오 물질이 상기 바이오 감지 물질들과 결합된 후에, 상기 금 나노 입자들에 빛을 조사하는 단계; 및상기 바이오 물질이 상기 바이오 감지 물질들과 결합하기 전후에, 상기 금 나노 입자들을 통과한 상기 빛을 감지하여, 상기 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화를 감지하는 단계를 포함하는 바이오 물질 검출 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 금 나노 입자들의 표면 흡광도 변화가 감지될 때, 상기 표면 흡광도의 변화량을 분석하여 상기 바이오 물질들의 농도를 정량화하는 것을 더 포함하는 바이오 물질 검출 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 바이오 감지 물질들을 금 나노 입자들에 고정화시키는 단계 전에,버퍼 용액 내에 상기 금 나노 입자들을 분산시키는 단계; 및상기 분산된 금 나노 입자들에 상기 바이오 감지 물질들을 제공하는 단계를 포함하는 바이오 물질 검출 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 바이오 감지 물질들에 바이오 물질들을 결합시키는 단계는, 상기 바이오 물질들을 포함하는 용액을, 상기 바이오 감지 물질들을 포함하는 상기 버퍼 용액으로 제공하는 바이오 물질 검출 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 바이오 물질들을 포함하는 상기 용액은, 혈액, 혈청, 혈장, 소변 또는 타액인 바이오 물질 검출 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 바이오 감지 물질은 핵산, 단백질, 유기 분자, 무기 분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 바이오 물질 검출 방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그들의 혼성체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 바이오 물질 검출 방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 바이오 물질 검출 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 바이오 감지 물질들과 상기 바이오 물질들의 결합은, 핵산 혼성화, 항원-항체 반응 또는 효소 결합 반응을 포함하는 바이오 물질 검출 방법.
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