KR20110059291A - 광 바이오 센서, 광 바이오 센서 어레이 및 이를 이용한 바이오 물질의 검출 방법 - Google Patents

광 바이오 센서, 광 바이오 센서 어레이 및 이를 이용한 바이오 물질의 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 바이오 센서, 광 바이오 센서 어레이 및 이들을 이용한 바이오 물질의 검출 방법에 관한 것으로, 상기 광 바이오 센서는 광을 생성하는 발광 다이오드; 광 검출기; 발광 다이오드와 광검출기를 연결하는 광 파이버; 및 상기 광 파이버 상에 형성된 마이크로 플루이딕 채널을 포함하되, 상기 광 파이버 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있고, 상기 마이크로 플루이딕 채널에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있는 금 나노 입자를 포함한다. 이와 같은 광 바이오 센서는 발광 다이오드와 광검출기를 연결하는 광 파이버 표면을 통해 진행하는 광에 대한 금 나노 입자 고유의 표면 플라즈몬 흡수를 이용하여 구성가능하기 때문에 센서 제작이 용이하고 제조 비용이 저렴하다는 장점을 갖는다.
광 파이버, 광검출기, 표면 플라즈몬

Description

광 바이오 센서, 광 바이오 센서 어레이 및 이를 이용한 바이오 물질의 검출 방법{Photonic Biosensor, Photonic Biosensor Array, and Method for Detecting Biomaterials Using Them}
본 발명은 광 바이오 센서, 광 바이오 센서 어레이 및 이들을 이용한 바이오 물질의 검출 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광 파이버 표면을 통해 진행하는 광에 대한 금 나노 입자 고유의 표면 플라즈몬 흡수를 이용한 광 바이오 센서, 광 바이오 센서 어레이 및 이들을 이용한 바이오 물질의 검출 방법에 관한 것이다.
바이오센서는 바이오 감지물질과 신호 감지부로 구성되어 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 센서이다. 바이오 감지물질로는 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 효소, 항체 및 DNA 등을 사용하며, 신호감지 방법으로는 바이오 물질의 유무에 따른 미세한 전기 변화(전압, 전류, 저항 등), 화학적 반응에 의한 형광의 세기 변화 및 광학적 스펙트럼의 변화 등 다양한 물리화학적 방법을 사용하여 바이오 물질의 신호를 감지하고 있다.
이러한 바이오센서의 응용 범위는 유전자 연구뿐만 아니라 초기 질병 진단 및 만성질환 관리 등 의료용 용도 외에도, 환경, 식품, 군대 및 산업용 바이오센서에 이르기까지 매우 광범위하다. 질병 진단 및 만성질환 관리에 사용되는 검사 방법으로는 효소의 화학적 반응에 의한 발색이나 형광 세기 등의 감도를 측정하는 방법에 기반을 두는 검사법이 일반적으로 널리 사용되고 있다.
또한, 최근 들어 특정 바이오 물질에 특유적으로 결합하는 성격을 갖는 항체(Antibody) 또는 압타머(Aptamer)에 관한 연구의 발달로 인해 이들의 특징적 결합을 이용하여 민감도, 정확도 및 신뢰성이 우수한 면역 검사(Immunoassay)를 이용하는 바이오 물질 감지 방법 등도 활발하게 연구되고 있다. 종래의 바이오 물질을 감지하는 방법은 주로 특정 항체에 방사성 동위 원소나 형광 물질 등으로 표지(Label)를 한 후 이에 대응하는 항원이 특정 항체에 반응한 후 센서 감지부에서 방사선의 변화나 형광 세기의 변화에 의해 특정 항원을 정량적으로 측정하는 표지식 바이오센서가 널리 사용되고 있다. 이와 같은 바이오 물질 감지 방법은 특정 항체에 특정 색깔을 발현하는 형광 물질을 표지하는 부가적인 과정이 필요하기 때문에 공정이 복잡하며 공정 단가 또한 높아진다는 단점이 있다.
그러므로, 최근에는 특정 색깔을 발현하는 형광 물질과 같은 표지 물질을 사용하지 않는 형태의 비표지식(Label-free) 바이오센서로서 표면 플라즈몬 바이오센서(Surface Plasmon Biosensor), 전반사 엘립소메트리 바이오센서(Total Internal Reflection Ellipsometry Biosensor), 광 도파로 바이오센서 (Waveguide Biosensor) 등의 광학적 방법들을 이용한 바이오센서들에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.
위에서 열거한 바이오센서인 표면 플라즈몬, 전반사 엘립소메트리 및 광도파로를 이용하는 일반적인 광학식 바이오센서는 광을 생성하는 광원부, 항체와 항원의 반응이 일어나는 반응부 및 광 신호를 측정하는 감지부로 구성된다. 광을 생성하는 광원부로는 발광 다이오드(light-emitting diode) 및 발광 레이저(laser)가 사용된다. 그리고 광 신호변화를 잡는 감지부로는 스펙트로미터(spectrometer)가 일반적으로 사용되고 있다.
일반적인 광학식 바이오센서는 광을 생성하는 광원부과 광 신호 변화를 검출하는 감지부인 스펙트로미터를 사용하여 바이오센서를 구성한다. 이 경우 광원으로부터 특정 항체와 항원의 반응이 일어나는 반응부에 광이 입사하는 방향에 따라 감지부에서 나오는 광학 신호가 매우 민감하게 달라질 뿐만 아니라 광 스펙트럼을 측정하기 위해서는 광을 생성하는 광원부가 파장 가변형 광원이거나 또는 광학 신호 변화를 검출하는 감지부를 스펙트로미터로 사용하여야 하기 때문에 광원부과 감지부를 구성하기 위해서는 매우 복잡한 광학 계가 필요하며 바이오센서 제작 단가 또한 높아진다는 단점이 존재한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광 파이버 표면에 흡착되어 있는 바이오 항체 또는 압타머와 금 나노 입자의 반응에 의해 광 파이버 표면을 통해 진행하는 광 전류의 변화를 측정하여 바이오 물질을 검출하기가 매우 용이한 광 바이오 센서를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 광 파이버, 발광 다이오드 및 광검출기로 구성된 광 바이오센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 광을 생성하는 발광 다이오드; 광 검출기; 발광 다이오드와 광검출기를 연결하는 광 파이버; 및 상기 광 파이버 상에 형성된 마이크로 플루이딕 채널을 포함하되, 상기 광 파이버 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있고, 상기 마이크로 플루이딕 채널에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있는 금 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 광 바이오 센서에 있어서, 상기 발광 다이오드는 단일 광원인 발광 다이오드이고, 상기 광 검출기는 발광 다이오드의 단일 광원에 대하여 가장 높은 민감도를 갖는 광 검출기인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광 파이버는 그의 길이는 1㎚ 내지 10㎝인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광 바이오 센서에 있어서, 상기 마이크로 플루이딕 채널은 광 파이버 상부에 실리콘(PDMS)을 이용하여 형성되며, 상기 광 파이버 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머가 물리적 흡착 또는 화학적 결합을 통해 고정되며, 상기 마이크로 플루이딕 채널 내의 금 나노 입자에 바이오 항체 또는 압타머는 물리적 흡착 또는 화학적 결합을 통해 고정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광 바이오 센서를 다수 구성시켜 광 바이오 센서 어레이를 제공할 수 있다.
또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 광을 생성하는 발광 다이오드; 광 검출기; 발광 다이어드와 광검출기를 연결하는 광 파이버; 및 상기 광 파이버 상에 형성된 마이크로 플루이딕 채널을 포함하되, 상기 광 파이버 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있고, 상기 마이크로 플루이딕 채널에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있는 금 나노 입자를 포함하는 광 바이오 센서의 광전류를 측정하는 단계; 상기 광 바이오 센서의 마이크로 플루이딕 채널을 통하여 검출하고자는 바이오 항원이 포함된 용액을 흘려주는 단계; 광 파이버 표면 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머와 금 나노 입자 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머 사이에 바이오 항원이 결합되는 단계; 및 상기 항원 결합된 광 바이오 센서의 광 전류를 측정하여 특정 바이오 항원들을 검출하는 단계를 포함하는 광 바이오 센서의 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 광 바이오 센서의 검출 방법에 있어서, 상기 금 나노 입자 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머는 바이오 항원이 포함된 용액과 함께 마이크로 플루이딕 채널을 통해 흘려주는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 광 바이오 센서의 검출 방법에 있어서, 상기 바이오 분자의 검출 단계는 발광 다이오드로부터 나오는 광이 광 파이버 상부에서 일어나는 바이오 항체와 항원의 반응이 일어나기 전과 반응이 일어난 후 광 검출기에서 측정되는 광전류의 차이를 비교하여 검출한다.
본 발명에 따른 광 바이오 센서의 검출 방법에 있어서, 상기 바이오 항원이 포함된 용액은 혈액, 배뇨 또는 타액이다.
본 발명의 광 파이버 표면을 통해 진행하는 광에 대한 금 나노 입자 고유의 표면 플라즈몬 흡수를 이용한 광 바이오센서는 광원, 광 파이버 및 광 검출기를 이용하여 구성가능하기 때문에 센서 제작이 용이하고 제조 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다.
또한, 광원으로 사용하는 발광 다이오드 및 반응부로 이용하는 광 파이버 및 반응부를 통과한 후 광 전류를 측정하는 광 검출기는 소형이기 때문에 광학 측정 시스템을 매우 간단하게 제작할 수 있으며, 여러 가지 바이오 물질들을 측정할 수 있는 센서 어레이를 구성하기가 용이하다는 장점을 가지고 있다.
본 발명의 광 바이오 센서는 용액(혈액, 배뇨, 타액 등) 내에 포함되어 있는 바이오, 생물학적, 생화학적, 또는 환경 물질을 감지 및 정량적으로 검출하는데 이 용될 수 있다.
이하, 본 발명은 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 구조를 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서가 다수 구성된 광 바이오 센서 어레이를 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광 바이오 센서는 발광 다이오드(100), 광 검출기(300) 및 발광 다이오드(100)와 광 검출기(300)을 연결하는 광 파이버(200), 및 상기 광 파이버(200) 상에 형성된 마이크로 플루이딕 채널(400)를 포함하되, 상기 광 파이버 표면(200) 상에는 바이오 항체 또는 압타머(500)가 고정되어 있고, 상기 마이크로 플루이딕 채널(400)에는 바이오 항체 또는 압타머(700)가 고정되어 있는 금 나노 입자(800)를 포함한다.
상기 발광 다이오드(100)는 광을 생성하는 광원부로써 단일 광원인 발광 다 이오드를 사용하여 사용 파장이 금 나노 입자 크기에 따라 달라지게 한다.
상기 광 검출기(300)은 광 전류 변화를 측정하는 감지부로써 사용하는 단일 광원인 발광 다이오드의 파장 대역에서 가장 민감도가 우수한 광 검출기를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 발광 다이오드(100)으로부터 광 검출기(300)로 광(900)이 진행되는 경로인 광 파이버(200) 상부에는 마이크로 플루이딕 채널(400)이 형성되어 있으며, 광 파이버(200)의 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머(500)이 고정된다.
여기서, 광 파이버(200)은 이 분야에서 일반적으로 사용되고 있는 광파이버로 만들어질 수 있으며, 광 파이버(200)의 길이는 1㎚ 내지 10㎝인 것이 사용될 수 있다.
상기 광 파이버(200) 상부에 형성된 마이크로 플루이딕 채널(400)은 광 파이버(200) 상부에 실리콘(PDMS)을 이용하여 형성할 수 있으며, 마이크로 플루이딕 채널(400)의 길이는 1㎚ 내지 50㎝인 이고, 전체 용적은 1nl 내지 1ml의 범위 인 것이 바람직하다. 마이크로 플루이딕 채널에 존재하는 금 나노 입자(800) 상에는 바이오 항체 또는 압타머(700)가 고정되며, 여기도 마찬가지로 생물학적 또는 물리화학적 방법으로 고정될 수 있다.
이 경우, 바이오 항체 또는 압타머(500)은 특정한 생물학적, 생화학적, 또는 환경적 항체 또는 압타머일 수 있으며, 항체 또는 압타머의 고정은 생물학적 또는 물리화학적 방법으로 고정될 수 있다.
상기 금 나노 입자(800)는 고유한 광 흡수를 갖기 때문에 발광 다이오 드(100)으로부터 광 파이버(200)를 통하여 광(900)이 진행할 때 광 흡수가 일어나기 때문에 광 검출기(300)에서 광 전류를 측정하면 특정 바이오 분자들을 감지할 수 있으며, 또한 광 전류의 변화량을 통하여 특정 바이오 분자들을 정량적으로 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 광 바이오 센서를 다수로 구성시켜 도 2에 나타난 바와 같은 광 바이오 센서 어레이로 구성하며, 이에 따라 한번에 여러가지 서로 다른 바이오 물질을 검출하기가 용이한 센서 시스템을 구성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 광 바이오 센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 광 바이오 센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용한 바이오 물질 검출 방법은 광 바이오 센서의 광 전류를 측정하는 단계(S11); 광 바이오 센서의 마이크로 플루이딕 채널(400)을 통하여 검출하고자 하는 바이오 항원이 포함된 용액을 흘려주는 단계(S12); 광 파이버(200) 표면 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머(500)와 금 나노 입자(800) 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머(700) 사이에 바이오 항원(600)이 결합되는 단계(S13); 및 상기 항원 결합된 광 바이오 센서의 광 전류를 측정하여 특정 바이오 항원들을 검출하는 단계(S14)를 포함한다.
상기 광 바이오 센서의 광 전류를 측정하는 단계(S11)는 항원이 결합되기 전의 광 전류를 측정하는 것이며, 후에 항원이 결합된 경우 측정된 광 전류값과 비교 되어 질 수 있다.
상기 광 바이오 센서의 마이크로 플루이딕 채널(400)을 통하여 검출하고자 하는 바이오 항원이 포함된 용액을 흘려주는 단계(S12)에서는 바이오 항체와 압타머(700)가 고정된 금 나노 입자(800)와 바이오 항원(600)이 포함된 용액, 예를 들면, 혈액, 배뇨 또는 타액 등을 함께 흘려준다. 즉, 마이크로 플루이딕 채널(400)의 주입구로부터 용액을 흘려주어 배출구로 배출시킨다. 이 경우, 바이오 항원(600)이 포함된 용액은 분당 1nl 내지 1ml의 속도로 흘러주는 것이 바람직하다.
광 파이버(200) 표면 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머(500)와 금 나노 입자(800) 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머(700) 사이에 바이오 항원(600)이 결합되는 단계(S13)에서는 용액 속에 포함되어 흘러들어간 바이오 항원(600)이 광 파이버 표면 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머(500)와 마이크로 플루이딕 채널 내의 금 나노 입자(800) 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머(700) 사이에 결합되게 된다.
상기 항원 결합된 광 바이오 센서의 광 전류를 측정하여 특정 바이오 항원들을 검출하는 단계(S14)에서는 바이오 항원이 결합된 후 발광 다이오드(100)로부터 광 검출기(300)로 광(900)이 진행하면서 흡수되는 광 전류값을 측정하여, 바이오 항원이 결합되기 전의 광 전류값과 비교하여, 그 차이를 통해 분석하고자 하는 용액 내의 항원의 농도를 분석하게 된다.
도 5는 본 발명에 의한 광 바이오 센서를 사용하여 바이오, 생물학적, 생화학적, 또는 환경 항체(500, 700)와 항원(600)의 반응이 일어나기 전과 후의 광 검 출기(300)에서 출력되는 광 전류 값의 변화를 분석한 그림이다.
광 파이버(200) 표면상에서 일어나는 바이오 물질들의 반응에 의해서 광 검출기(300)에 출력되는 광 전류 값의 변화가 그래프상에 점선으로 표시되어 있다. 마이크로 플루이딕 채널(400) 내에서 광 파이버(200) 표면 상에 고정화된 항체(500)에 금 나노 입자(800) 표면 상에 고정화된 항체(700)와 용액(혈액, 배뇨, 타액 등) 내에 포함되어 있는 항원(600)간의 반응 후에 금 나노 입자(800)가 가지는 고유의 흡수 때문에 발생하는 광 전류 값의 차이(I1- I2)를 측정하여 항원(600)의 농도를 측정할 수 있다. 또한, 마이크로 플루이딕 채널(900) 내에서 검출하고자 하는 항원(600)의 농도가 용액(혈액, 배뇨, 타액 등) 내에 많이 포함되어 있을수록 반응 전 후 두 광 전류 값의 차이가 더욱 커지게 된다. 따라서, 두 광 전류 값의 차이를 측정하면 분석하고자 하는 용액(혈액, 배뇨, 타액 등) 내의 항원(600)의 농도를 매우 정밀하며, 높은 민감도 및 정량적으로 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서가 다수 구성된 광 바이오 센서 어레이를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 광 바이오 센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 광 바이오 센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 의한 광 바이오 센서를 사용하여 바이오, 생물학적, 생화학적, 또는 환경 항체와 항원의 반응이 일어나기 전과 후의 광 검출기에서 출력되는 광 전류 값의 변화를 분석한 도면이다.

Claims (12)

  1. 광을 생성하는 발광 다이오드;
    광 검출기;
    발광 다이오드와 광검출기를 연결하는 광 파이버; 및
    상기 광 파이버 상에 형성된 마이크로 플루이딕 채널을 포함하되,
    상기 광 파이버 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있고, 상기 마이크로 플루이딕 채널에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있는 금 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드는 단일 광원인 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광 검출기는 발광 다이오드의 단일 광원에 대하여 가장 높은 민감도를 갖는 광 검출기인 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광 파이버는 그의 길이가 1㎚ 내지 10㎝인 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 플루이딕 채널은 광 파이버 상부에 실리콘(PDMS)을 이용하여 형성되는 것인 광 바이오 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광 파이버 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머가 물리적 흡착 또는 화학적 결합을 통해 고정되는 것인 광 바이오 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 플루이딕 채널 내의 금 나노 입자에 바이오 항체 또는 압타머가 물리적 흡착 또는 화학적 흡착을 통해 고정되는 것인 광 바이오 센서.
  8. 광을 생성하는 다수의 발광 다이오드;
    다수의 광 검출기;
    다수의 발광 다이오드와 광검출기를 연결하는 다수의 광 파이버; 및
    상기 각각의 광 파이버 상에 형성된 마이크로 플루이딕 채널을 포함하되,
    상기 각각의 광 파이버 표면 상에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있고, 상기 각각의 마이크로 플루이딕 채널에는 바이오 항체 또는 압타머가 고정되어 있는 금 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서 어레이.
  9. 제 1항에 따른 광 바이오 센서의 광 전류를 측정하는 단계;
    상기 광 바이오 센서의 마이크로 플루이딕 채널을 통하여 검출하고자는 바이오 항원이 포함된 용액을 흘려주는 단계;
    상기 광 바이오 센서의 광 파이버 표면 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머와 금 나노 입자 상에 고정된 바이오 항체 또는 압타머 사이에 바이오 항원이 결합되는 단계; 및
    상기 항원 결합된 광 바이오 센서의 광 전류를 측정하여 특정 바이오 항원들을 검출하는 단계를 포함하는 광 바이오 센서의 검출 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 바이오 항체 또는 압타머가 고정된 금 나노 입자와 바이오 항원이 포함된 용액을 순차적으로 또는 동시에 마이크로 플루이딕 채널을 통해 흘려주는 것인 광 바이오 센서의 검출 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 바이오 항원의 검출 단계는 바이오 항체 또는 압타머와 항원의 반응이 일어나기 전과 반응이 일어난 후 광 검출기에서 측정되는 광전류값의 차이를 비교하는 것인 광 바이오 센서의 검출 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 바이오 항원이 포함된 용액은 혈액, 배뇨 또는 타액인 광 바이오 센서의 검출 방법.
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