KR20110089194A - 시분해 형광을 이용한 막 기반 분석법 - Google Patents

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쉐동 송
로잔 케일러
마이클 크놋츠
닝 웨이
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킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
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Abstract

본 발명은 시험 샘플 내의 잔류 분석물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 막-기반 분석 장치에 관한 것이다. 이 장치는 여기된 발광 표지에 의해 발생하는 신호를 검출하기 위해 시분해 형광을 이용한다. 상기 표지들이 비교적 긴 방출 수명을 가질 수 있으므로, 지연된 형광 검출을 통해 짧은 수명의 배경 방해가 사실상 제거될 수 있다. 또한, 그 결과 형광 판독기는 간단하고 비싸지 않은 디자인을 지닐 수 있다. 예를 들어, 일 실시태양에서, 판독기는 표지를 정확하게 여기하기 위해 실리콘 광다이오드 및 펄스 발광 다이오드 (LED)를 이용할 수 있고, 모노크로매터 또는 좁은 방출 띠폭 광학 필터와 같은 고가의 부품을 사용하지 않고도 막-기반 분석 장치상의 형광을 검출할 수 있다.
[색인어]
막 기반 분석, 시분해 형광, 발광 다이오드

Description

시분해 형광을 이용한 막 기반 분석법{MEMBRANE-BASED ASSAYS USING TIME-RESOLVED FLUORESCENCE}
<관련 출원>
본 출원은 2002년 8월 27일에 제출된 미국 출원 제 10/228,836호의 일부 계속 출원이다.
분석물의 검출을 용이하게 하는 형광 표지를 도입하는 분석법이 개발되어 왔다. 형광은 일반적으로 3 단계 과정의 결과이다. 제1 단계로, 에너지가 외부원, 가령 백열등 또는 레이져에 의해 공급되고 형광 화합물에 의해 흡수되어 여기된 단일항의 전자 상태를 발생시킨다. 제2 단계로, 여기된 상태는 형광 화합물이 형태 변화하는 한정된 시간 동안 존재하고, 또한 그의 분자 환경과 다수의 가능한 상호작용을 한다. 이 시간 동안 여기 상태의 에너지가 부분적으로 소산되어, 형광 방출이 발생하는 완화 상태를 가져온다. 제3 단계는 에너지가 방출되어 형광 화합물이 그의 바닥 상태로 되돌아가는 형광 방출 단계이다. 방출된 에너지는 그 여기 에너지 (빛 또는 레이져)보다 낮으므로 더 긴 파장을 갖는다. 이러한 에너지 또는 파장에서의 이동 또는 차이는 방출 에너지가 여기 에너지로부터 검출되고 분리될 수 있게 한다.
통상적인 형광 검출은 여기 광자로부터 방출 광자를 분리하기 위해 일반적으로 파장 필터링을 이용하고, 방출 광자를 기록하고 보통 전기 신호 또는 사진상으로 기록가능한 결과를 나타내는 검출기를 이용한다. 그러나, 통상적인 형광 검출 기법에는 몇 가지 문제가 있다. 예를 들어, 대부분의 생물학적 유체는 검출 정확도를 감소시킬 수 있는 자체형광 (autofluorescence)을 포함한다. 분석 장치 역시 자체형광을 가질 수 있다. 이런 방해는 예컨대 20 내지 50 나노미터인 많은 통상적인 형광 표지의 작은 스토크스 (Stokes) 이동에 의해 증강될 수 있다.
통상적인 형광 검출 기법이 갖는 일부 문제점들에 대응하여 "시분해" 형광으로 알려진 기법이 개발되었다. 시분해 형광은 형광 표지를 짧은 펄스의 빛으로 여기시키고, 긴 수명의 나머지 형광 신호를 측정하기 전에 여기 후 일정 시간 (예컨대, 약 100 내지 200 마이크로초) 기다리는 것을 포함한다. 이러한 방식으로, 짧은 수명의 임의의 형광 배경 신호 및 산란된 여기 방사선이 제거된다. "시분해" 기법이 큐벳 기반 기기와 같은 일부 유형의 분석 장치에 성공적으로 도입되기는 하였으나, 그럼에도 막 기반 장치와 같은 다른 유형의 분석 장치에서는 시분해 기법을 결합하는 데 문제가 있었다.
특히, 통상적인 시분해 시스템, 예컨대 모노크로매터에 기반한 것들은 매우 복잡하고 값비싼 기기들을 포함한다. 예를 들어, 일반적인 연구 등급의 실험용 형광계는 여기 파장을 선별하는데 이용되는 하나의 모노크로매터와 검출 파장을 선별하는데 이용되는 또 다른 모노크로매터를 갖는 이중 모노크로매터 시스템이다. 이 수준의 복잡성은 시스템의 가격을 크게 증가시키고, 또한 부피가 크고 휴대할 수 없으며 무거운 기기를 요구한다. 게다가, 통상적인 시분해 시스템은 막 기반 분석 장치와 함께 이용되는 경우에도 문제가 있다. 전형적으로, 막 기반 장치에서 분석물의 농도는 다공성 막을 유통할 수 있는 액체에 의해 희석되므로 감소된다. 불행히도, 검출되는 형광 강도가 비교적 낮기 때문에 배경 방해는 그러한 낮은 분석물 농도에서는 점점 문제가 된다. 막의 구조 또한 방출된 빛을 반사하는 경향이 있으므로, 검출기가 표지된 분석물의 형광 강도를 정확하게 측정하는 능력은 실질적으로 감소된다. 사실상, 방출된 형광 신호의 강도는 일반적으로 다공성 막에 의해 반사된 여기광보다 3 내지 4 차수의 크기로 작다.
그러므로, 막 기반 분석 장치에서 형광을 측정하기 위한 단순하고 비싸지 않으며 효과적인 시스템이 현재 필요하다.
<발명의 요약>
본 발명의 일 실시태양에 따르면, 시험 샘플에 존재하는 분석물의 유무 또는 양을 검출하는 방법은
i) 약 1 마이크로초를 초과하는 형광 방출 수명을 갖는 형광 표지에 유체가 통과할 수 있는, 검출 구역을 이루는 다공성 막을 포함하는 유통 분석 장치를 제공하는 것,
ii) 혼합물 (예컨대 용액, 현탁액 등)을 형성하기 위해 시험 샘플을 형광 표지와 접촉시키는 것,
iii) 혼합물을 검출 구역으로 유동하게 하는 것,
iv) 펄스 여기원 (pulsed excitation source) 및 시간 게이트 검출기 (time gated detector)를 포함하는 시분해 형광 판독기를 검출 구역에 인접하게 위치시키는 것,
v) 형광 표지를 펄스화 여기원으로 검출 구역에서 여기시키고, 이때 여기에 의해 형광 표지가 검출 신호를 방출하는 것;
vi) 시간 게이트 검출기로 검출 신호의 강도를 측정하는 것
을 포함하는 것으로 개시되어 있다.
형광 표지는 사마륨, 디스프로슘, 유러퓸, 테르븀 또는 이들의 조합의 란탄족 킬레이트를 포함할 수 있다. 더욱이, 몇몇 실시태양에서 형광 표지는 약 10 마이크로초를 초과하고, 어떤 실시태양에서는 약 50 마이크로초를 초과하며, 어떤 실시태양에서는 약 100 내지 약 1000 마이크로초의 방출 수명을 가질 수 있다. 마찬가지로, 형광 표지는 약 50 나노미터를 초과하고, 몇몇 실시태양에서는 약 100 나노미터를 초과하며, 어떤 실시태양에서는 약 250 내지 약 350 나노미터인 스토크 이동을 가질 수 있다. 필요한 경우, 표지는 분석물에 대한 특이적 결합원으로 변형된 마이크로입자와 연결하여 이용할 수 있다.
형광 판독기는 표지를 정확하게 여기시키고, 모노크로매터 또는 좁은 방출 띠폭 광학 필터와 같은 고가의 부품을 사용할 필요 없이 막 기반 분석 장치상에서 형광을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시태양에서 예를 들어 펄스 여기원은 실리콘 광다이오드이다. 형광 판독기는 신호 펄스화 및 검출을 제어하기 위해 펄스 여기원 및 시간 게이트 검출기와 연결된 시한 회로 (예를 들어, A/D 변환기, 마이크로프로세서, 증폭기, 분배기, 결정 발진기, 트랜지스터, 플립-플롭 회로 등)를 함유할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 의하면, 시험 샘플 내 잔류 분석물의 존재 또는 양을 검출하는 방법은
i) 약 50 마이크로초를 초과하는 형광 방출 수명 및 약 100 나노미터를 초과하는 스토크스 이동을 갖는 란탄족 킬레이트를 함유하는 접합 프로브에 유체가 통과할 수 있는, 검출 구역 및 교정 구역을 이루는 다공성 막을 포함하는 유통 분석 장치를 제공하는 것,
ii) 혼합물을 형성하기 위해 접합 프로브와 시험 샘플을 접촉시키는 것,
iii) 혼합물이 검출 구역 및 교정 구역으로 유동하게 하는 것,
iv) 펄스 발광 다이오드 및 실리콘 광다이오드를 포함하는 시간 게이트 검출기, 및 이들의 조합을 포함하는 시분해 형광 판독기를 검출 구역 및 교정 구역에 인접하여 위치시키는 것,
v) 펄스 발광 다이오드로 검출 구역 및 교정 구역에서 란탄족 킬레이트를 여기시키고, 이때 여기에 의해 검출구역에서의 란탄족 킬레이트가 검출 신호를 방출하고 교정 구역에서의 란탄족 킬레이트가 교정 신호를 방출하는 것,
vi) 시간 게이트 검출기로 검출 신호 및 교정 신호의 강도를 측정하는 것,
vii) 교정 신호에 대한 검출 신호의 강도를 비교하고, 이때 시험 샘플 내의 분석물의 양이 교정 신호의 강도에 의해 교정된 검출 신호의 강도에 비례하는 것
을 포함하는 것으로 개시되어 있다.
검출 구역의 형광 표지는 교정 구역의 형광 표지와 동시에 또는 별도로 여기될 수 있다. 마찬가지로, 검출 신호 및 교정 신호 또한 동시에 또는 별도로 측정될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들을 아래에서 훨씬 자세히 논의한다.
본 발명의 결과로서, 산란광 및 자체형광과 같은 많은 원인으로부터의 배경 방해가 검출동안 실질적으로 제거될 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용하는 형광 판독기는 간단하고 비싸지 않은 디자인을 지닐 수 있다. 예를 들어, 일 실시태양에서 판독기는 펄스 발광 다이오드 (LED) 및 실리콘 광다이오드를 이용하여 정확하게 표지를 여기시키고 모노크로매터 또는 좁은 방출띠폭의 광학 필터와 같은 고가의 부품을 사용하지 않고도 막 기반 분석 장치 상의 형광을 검출할 수 있다.
본 발명의 최적의 방식을 비롯하여 당 기술분야의 통상의 기술을 가진자를 위한 본 발명의 완전하고도 실시가능한 개시가 본 명세서의 나머지 부분에 더 상세히 제시되어 있고, 이는 첨부된 하기의 도면을 참조로 한다.
도 1은 본 발명의 막 기반 장치의 일 실시태양의 사시도이다.
도 2는 대표적인 전자 부품을 포함한, 본 발명에서 사용될 수 있는 시분해 형광 판독기의 일 실시태양의 개략도이다.
도 3은 대표적인 전자 부품을 포함한, 본 발명에서 사용될 수 있는 시분해 형광 판독기의 또 다른 실시태양의 개략도이다.
도 4는 대표적인 전자 부품을 포함한, 본 발명에서 사용될 수 있는 시분해 형광 판독기의 또 다른 실시태양의 개략도이다.
도 5는 실시예 2에서 얻어진 결과에 대한 정규화된 여기 및 방출 스펙트럼의 그래프이다.
도 6은 실시예 4에서 얻어진 결과에 대한 정규화된 형광 강도 대 분석물 농도 (밀리리터 당 나노그램)의 그래프이다.
본 명세서 및 도면에 있어서의 반복적인 참조 부호의 사용은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징 또는 구성요소를 나타내려는 것이다.
<정의>
본원에서 사용되는 용어 "분석물"은 일반적으로 검출되는 물질을 의미한다. 예를 들어, 분석물은 항원성 물질, 합텐, 항체 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 분석물은 톡신, 유기 화합물, 단백질, 펩티드, 미세유기체, 아미노산, 핵산, 호르몬, 스테로이드, 비타민, 약물 (치료 목적으로 투여되는 약물 및 금지된 목적으로 투여되는 약물을 포함), 약물 중간체 또는 부산물, 세균, 바이러스 입자 및 상기 임의의 물질의 대사산물 또는 상기 물질에 대한 항체를 포함하고, 이로 제한되지 않는다. 몇몇 분석물의 구체적인 예는 페리틴, 크레아티닌 키나제 MIB (CK-MB), 디곡신, 페니토인, 페노바르비톨, 카르바마제핀, 반코마이신, 겐타마이신, 테오필린, 발프로산, 퀴니딘, 혈청황색소화 호르몬 (LH), 난포 자극 호르몬 (FSH), 에스트라디올, 프로게스테론, C-반응성 단백질, IgE 항체, 비타민 B2 마이크로글로불린, 당화 헤모글로빈 (Gly. Hb), 코르티졸, 디기톡신, N-아세틸프로카인아미드 (NAPA), 프로카인아미드, 풍진에 대한 항체, 예를 들어 풍진-IgG 및 풍진 IgM, 주혈원충증에 대한 항체, 예를 들어 주혈원충증 IgG (Toxo-IgG) 및 주혈원충증 IgM (Toxo-IgM), 테스토스테론, 살리실레이트, 아세트아미노펜, B형 간염 바이러스 표면 항원 (HBsAg), B형 간염 코어 항원에 대한 항체, 예를 들어 B형 간염 코어 항원 IgG 및 IgM (항-HBC), 인간 면역 결핍 바이러스 1 및 2 (HIV 1 및 2), 인간 T-세포 백혈병 바이러스 1 및 2 (HTLV), Be형 간염 항원 (HBeAg), Be형 간염 항원에 대한 항체 (항-HBe), 갑상선 자극 호르몬 (TSH), 티록신 (T4), 총 트리요오도티로닌 (총 T3), 유리 트리요오도티로닌 (유리 T3), 태아성암 항원 (CEA) 및 알파 태아 단백질 (AFP)을 포함한다. 남용 약물 및 통제 물질은 암페타민, 메탐페타민, 바르비투레이트, 예를 들어 아모바르비탈, 세코바르비탈, 펜토바르비탈, 페노바르비탈 및 바르비탈, 벤조디아제핀, 예를 들어 리브륨 및 발륨, 칸나비노이드, 예를 들어 해시시 및 마리화나, 코카인, 펜타닐, LSD, 메타쿠알론, 진정제, 예를 들어 헤로인, 몰핀, 코데인, 히드로모르폰, 히드로코돈, 메타돈, 옥시코돈, 옥시모르폰 및 아편, 펜시클리딘 및 프로폭시헨을 포함하고, 이로 제한되지 않는다. 다른 잠재적인 분석물은 미국 특허 제6,436,651호 (에버하르트 등), 제4,366,241호 (톰 등)에 기재되어 있다.
본원에서 사용되는 용어 "시험 샘플"은 일반적으로 분석물을 포함하는 것으로 의심되는 물질을 의미한다. 시험 샘플은 공급원으로부터 입수한 상태로 직접 사용하거나 샘플의 특성을 변경시키기 위해 전처리한 후에 사용할 수 있다. 시험 샘플은 임의의 생물학적 공급원, 예를 들어 혈액, 간질액, 타액, 안 렌즈액, 뇌척수액, 땀, 뇨, 유즙, 복수 유체, 점액, 활액, 복막액, 질액, 양막액 등을 포함하는 생리학적 유체로부터 유래할 수 있다. 시험 샘플은 사용 전에 예를 들어 혈액으로부터 혈장의 제조, 점액의 희석 등과 같이 전처리될 수 있다. 처리 방법은 저해 성분의 여과, 침전, 희석, 증류, 농축, 불활성화 및 시약의 첨가를 수반할 수 있다. 생리학적 유체 이외에, 다른 액체 샘플, 예를 들어 환경 또는 식품 제조 분석을 수행하기 위한 물, 식품 등을 사용할 수 있다. 또한, 분석물을 포함하는 것으로 의심되는 고체 물질을 시험 샘플로서 사용할 수 있다. 일부 경우에, 액체 매질을 형성하거나 분석물을 방출시키기 위해서 고체 시험 샘플을 변형시키는 것이 유리할 수 있다.
<상세한 설명>
그의 하나 이상의 예가 아래에 제시되는 본 발명의 상이한 실시태양을 참고로 하여 보다 상세하게 설명한다. 각각의 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 제시된 것으로서 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 실제로, 당업계의 숙련인은 본 발명의 범위 및 취지를 벗어나지 않는 상이한 변형 및 변경을 가할 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 한 실시태양의 일부로서 예시되거나 설명된 특징은 다른 실시태양을 설명하기 위해서 다른 실시태양에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구 범위 및 그의 균등물에 포함되는 상기 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.
일반적으로, 본 발명은 샘플 내의 분석물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 막 기반 분석 장치에 관한 것이다. 이 장치는 여기된 형광 표지에 의해 발생되는 신호를 검출하기 위해 시분해 형광을 이용한다. 표지는 긴 방출 수명을 지닐 수 있으므로, 산란광 및 자체형광과 같은 많은 원인으로부터의 배경 방해가 검출 동안 실질적으로 제거될 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용되는 형광 판독기는 간단하고 비싸지 않은 디자인을 지닐 수 있다. 예를 들어, 일 실시태양에서 판독기는 펄스 발광 다이오드 (LED) 및 실리콘 광다이오드를 이용하여 표지를 정확하게 여기시키고 모노크로매터 또는 좁은 방출띠폭 광학 필터와 같은 고가의 부품을 사용하지 않고도 막 기반 분석 장치 상의 형광을 검출할 수 있다.
도 1을 참고로 하여, 예를 들어 본 발명에 따라 형성될 수 있는 유통 분석 장치 (20)의 일 실시태양을 아래에서 보다 상세하게 설명한다. 도시된 바와 같이, 장치 (20)은 경질 물질 (21)에 의해 임의로 지지된 다공성 막 (23)을 포함한다. 일반적으로, 다공성 막 (23)은 시험 샘플이 그를 통과할 수 있는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다공성 막 (23)을 형성하기 위해 사용되는 물질은 천연, 합성 또는 합성에 의해 개질된 천연 물질, 예를 들어 폴리사카라이드 (예를 들어 셀룰로스 물질, 예를 들어 종이 및 셀룰로스 유도체, 예를 들어 셀룰로스 아세테이트 및 니트로셀룰로스), 폴리에테르 술폰, 나일론 막, 실리카, 중합체, 예를 들어 비닐 클로라이드, 비닐 클로라이드-프로필렌 공중합체 및 비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 공중합체와 함께 다공성 중합체 매트릭스에 균일하게 분산된 무기 물질, 예를 들어 실활 알루미나, 규조토, MgS04, 또는 다른 무기 미분 물질, 천연 직물 (예를 들어 면) 및 합성 직물 (예를 들어 나일론 또는 레이온), 다공성 겔, 예를 들어 실리카겔, 아가로스, 덱스트란 및 젤라틴, 중합체 필름, 예를 들어 폴리아크릴아미드 등을 포함하고, 이로 제한되지 않는다. 한 특정 실시태양에서, 다공성 막 (23)은 니트로셀룰로스 및(또는) 폴리에스테르 술폰 물질로 형성된다. 용어 "니트로셀룰로스"는 셀룰로스의 질산 에스테르를 의미하고, 니트로셀룰로스 단독 또는 질산 및 다른 산, 예를 들어 탄소수 1 내지 7의 지방족 카르복실산의 혼합 에스테르일 수 있음을 이해하여야 한다.
장치 (20)은 또한 위킹 패드 (28)을 포함할 수 있다. 위킹 패드 (28)은 일반적으로 전체 다공성 막 (23)을 통해 이동하는 유체를 수용한다. 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이, 위킹 패드 (28)은 막 (23)을 통한 모세관 작용 및 유체 유동 촉진을 도울 수 있다.
시험 샘플 내의 분석물의 검출을 개시하기 위해서, 사용자는 시험 샘플을 그를 통해 이동할 수 있는 다공성 막 (23)의 일부에 직접 적용할 수 있다. 별법으로, 시험 샘플을 다공성 막 (23)에 유체가 통과할 수 있는 샘플링 패드 (도시하지 않음)에 먼저 적용할 수 있다. 샘플링 패드 형성에 사용될 수 있는 몇몇 적합한 물질은 니트로셀룰로스, 셀룰로스, 다공성 폴리에틸렌 패드 및 유리 섬유 여과지를 포함하고, 이로 제한되지 않는다. 필요한 경우, 샘플링 패드는 또한 확산 또는 비확산에 의해 부착된 하나 이상의 분석 전처리 시약을 포함할 수도 있다.
예시된 실시태양에서, 시험 샘플은 샘플링 패드 (도시하지 않음)로부터 샘플링 패드의 한 말단에 유체가 통과 할 수 있게 배치된 컨쥬게이트 패드 (22)로 이동한다. 컨쥬게이트 패드 (22)는 시험 샘플이 그를 통과할 수 있는 물질로 형성된다. 예를 들어, 한 실시태양에서 컨쥬게이트 패드 (22)는 유리 섬유로 형성된다. 단지 하나의 컨쥬게이트 패드 (22)가 도시되었지만, 다른 컨쥬게이트 패드도 본 발명에 사용할 수 있음을 이해하여야 한다.
시험 샘플 내의 분석물의 존재 또는 부재의 정확한 검출을 용이하게 하기 위해, 표지들을 장치 (20)의 여러 위치에 적용한다. 표지들은 분석물의 검출 및 교정 모두를 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 장치 (20)에 사용되는 표지의 적어도 일부가 형광 화합물을 함유한다. 일반적으로, 그러한 형광 화합물들은 형광 분자, 중합체, 덴드리머, 입자 등일 수 있다.
본 발명에 따르면, 형광 표지는 "시분해 형광 검출"이 가능하도록 구성된다. 시분해 형광은 짧은 광 펄스로 형광 표지를 여기시키고, 나머지 긴 수명의 형광 신호를 측정하기 전에 통상적으로 여기 후 일정 시간 (예컨대, 약 100 내지 200 마이크로초) 기다리는 것을 포함한다. 이런 방식에서, 임의의 짧은 수명의 형광 배경 신호 및 산란된 여기 방사선이 제거된다. 많은 배경 신호를 제거하는 이런 능력은 통상적인 형광보다 2 내지 4 차수 더 큰 감도를 가져올 수 있다. 따라서, 시분해 형광 검출은 특정 형광 물질의 형광 특성을 이용함으로써 방출원 또는 산란 과정 (여기 방사선의 산란으로 인함)으로부터의 배경 신호를 감소시키도록 고안된다.
시분해 형광을 위한 특히 바람직한 표지의 선택 기준은 비교적 긴 방출 수명을 포함한다. 상기 언급한 바와 같이, 이는 임의의 짧은 수명 배경 신호가 소산된 충분한 이후에 표지가 그의 신호를 방출하도록 하는데 요구된다. 더욱이, 긴 형광 수명은 시간 게이트 형광 측정용으로 저가의 회로를 이용하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 본 발명에서 사용되는 형광 표지는 약 1 마이크로초를 넘고, 일부 실시태양에서는 약 10 마이크로초를 초과하며, 일부 실시태양에서는 약 50 마이크로초를 초과하고, 일부 실시태양에서는 약 100 마이크로초 내지 약 1000 마이크로초의 형광 수명을 가질 수 있다. 또한, 형광 표지는 비교적 큰 "스토크스 이동"을 가질 수도 있다. "스토크스 이동"이란 용어는 일반적으로 여기선 또는 여기띠보다 긴 방출 파장으로 발광 방사선의 스펙트럼선 또는 띠가 이동하는 것으로 정의된다. 비교적 큰 스토크스 이동은 형광 표지의 여기 파장이 그의 방출 파장에서 멀리 떨어져 유지되게 하고, 여기 및 방출 파장간의 큰 차는 방출된 신호로부터 반사된 여기 방사선을 제거하는 것을 용이하게 하므로 바람직하다. 더욱이, 큰 스토크스 이동은 또한 샘플 내의 형광 분자로부터의 방해 및/또는 일부 체액 (예컨대 혈액)의 경우 존재하는 단백질 또는 콜로이드에서 기인하는 빛 산란을 최소화한다. 또한, 큰 스토크스 이동은 또한 배경 방해를 제거하기 위해 고가의 고정밀 필터를 사용할 필요가 없다. 예를 들어, 일부 실시태양에서 형광 표지는 약 50 나노미터를 초과하고, 일부 실시태양에서는 100 나노미터를 초과하며, 일부 실시태양에서는 약 250 내지 약 350 나노미터의 스토크스 이동을 갖는다.
비교적 긴 방출 수명과 비교적 큰 스토크스 이동을 모두 갖는 한 유형의 형광 화합물의 한 유형은 사마륨 (Sm(III)), 디스프로슘 (Dy(III)), 유러퓸 (Eu(III)), 및 테르븀 (Tb(III))의 란탄족 킬레이트들이다. 그러한 킬레이트는 충분히 짧은 파장에서 킬레이트의 여기 후에, 좁은띠, 긴 수명의 강하게 적색 이동된 방출을 나타낼 수 있다. 일반적으로 킬레이트는 분자 내에서 란탄족 가까이에 위치한 발색단으로 인해 강한 자외선 여기띠를 보유한다. 발색단에 의한 여기에 이어서, 여기 에너지는 여기된 발색단에서 란탄족으로 전달될 수 있다. 그 다음에 란탄족의 형광 방출 특성이 나타난다. 예를 들어, 유러퓸 킬레이트는 플루오레세인에 대한 단지 약 28 나노미터의 스토크스 이동에 비하여 약 250 내지 약 350 나노미터의 예외적으로 큰 스토크스 이동을 갖는다. 또한 유러퓸 킬레이트의 형광은 다른 형광 표지에 있어서의 약 1 내지 약 100 나노초 수명에 비해 약 100 내지 약 1000 마이크로초의 긴 수명을 갖는다. 또한, 이들 킬레이트는 전형적으로 약 50% 방출에서 약 10 나노미터 미만의 띠폭을 갖는 매우 좁은 방출 스펙트럼을 갖는다. 적절한 유러퓸 킬레이트의 하나는 N-(p-이소티오시아나토벤질)-디에틸렌 트리아민 테트라아세트산-Eu+3이다.
또한, 수용액 또는 현탁액에서 불활성이고 안정하며 본질적으로 형광인 란탄족 킬레이트 역시, 수용액 또는 현탁액에서 제한된 용해도 및 켄칭 문제를 갖는 킬레이트를 보호하는데 종종 이용되는 미셀-형성제에 대한 필요를 없애기 위해 본 발명에서 사용될 수 있다. 그러한 킬레이트의 한가지 예는 4-[2-(4-이소티오시아나토페닐)에티닐]-2,6-비스([N,N-비스(카르복시메틸)아미노]메틸)-피리딘이다 [참고문헌: Lovgren, T., et al.; Clin. Chem. 42, 1196-1201 (1996)]. 몇 가지 란탄족 킬레이트 또한 예외적으로 높은 신호 대 노이즈 비를 보인다. 예를 들어, 그러한 한가지 킬레이트는 네자리 β-디케토네이트-유러퓸 킬레이트이다 [참고문헌: Yuan, J. and Matsumoto, K.; Anal. Chem. 70,596-601(1998)]. 앞서 기술된 형광 표지 외에, 본 발명에서의 이용에 적당한 다른 표지들이 미국 특허 제6,030,840호 (물리낵스 (Mullinax) 외)), 제5,585,279호 (데이비슨 (Davidson)), 제5,573,909호 (싱어 (Singer) 외), 제6,242,268호 (위더 (Wieder) 외) 및 제5,637,509호 (헴미라 (Hemmila) 외)에서 기술되었을 수 있는데, 이들은 모든 목적을 위해 본원에 참고문헌으로서 그 자체로 포함된다.
형광 표지는 프로브를 형성하기 위해 다양한 방법으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 표지는 프로브를 형성하기 위해 단독으로 사용될 수 있다. 별법으로, 표지들은 프로브를 형성하기 위해 중합체, 리포솜, 덴드리머 및 기타 마이크로- 또는 나노-크기 구조와 연결하여 사용할 수 있다. 또한 표지들은 마이크로입자 (종종 "비드" 또는 "마이크로비드"로 부름)와 연결하여 사용되어 프로브를 형성할 수 있다. 예를 들어, 천연적으로 생성되는 마이크로입자, 가령 핵, 미코플라스마, 플라스미드, 플라스티드, 포유류 세포 (예컨데, 에리트로사이트 고스트), 단세포 미생물 (예컨대 박테리아), 다당류 (예컨대 아가로우즈), 실리카, 유리, 셀룰로스 기재 입자 등이 이용될 수 있다. 또한, 합성 마이크로입자 역시 이용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시태양에서 형광 또는 착색 염료로 표지된 라텍스 마이크로입자를 이용한다. 본 발명에서 임의의 라텍스 마이크로입자가 사용될 수 있지만, 라텍스 마이크로입자는 일반적으로 폴리스티렌, 부타디엔 스티렌, 스티렌아크릴-비닐 삼원공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 스티렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐피리딘, 폴리디비닐벤젠, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 아크릴로니트릴, 비닐클로라이드-아크릴레이트 등, 또는 이들의 알데히드, 카르복실, 아미노, 히드록실 또는 히드라지드 유도체이다. 다른 적당한 마이크로입자가 미국 특허 제5,670,381호 (조우 (Jou) 외) 및 제5,252,459호 (Tarcha(타르차) 외)에서 기술될 수 있고, 이들은 모든 목적을 위해 그 전체로서 참고문헌으로 본원에 포함된다.
일부 실시태양에서 마이크로입자는 자성일 수 있다. 일반적으로, 물질은 자기장의 인가에 의해 영향받을 경우, 예를 들어 유인되거나 배척되거나 또는 검출가능한 자기 민감성 또는 유도성을 갖는 경우에 "자성"인 것으로 간주된다. 예를 들어, 프로브에 자기 특성을 부여하기 위해 사용될 수 있는 적합한 자기 반응성 물질의 몇몇 예는 상자성 물질, 초상자성 물질, 강자성 물질, 준강자성 물질 및 준자성 물질을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 예는 금속, 예를 들어 철, 니켈, 코발트, 크롬, 망간 등, 란탄족 원소, 예를 들어 네오디뮴, 에르븀 등, 합금, 예를 들어 알루미늄, 니켈, 코발트, 구리 등의 자기 합금, 산화물, 예를 들어 산화제2철 (Fe304), 산화제1철 (Fe203), 산화크롬 (Cr02), 산화코발트 (CoO), 산화니켈 (Ni02), 산화망간 (Mn203) 등, 복합 물질, 예를 들어 페라이트 등, 및 고체 용액, 예를 들어 산화제2철을 갖는 마그네타이트 등이다.
앞서 기술한 것과 같은 입자들을 이용하는 경우, 입자의 평균 직경은 일반적으로 여러 요인, 예를 들어 선택된 입자 종류, 막의 공극 크기 및 막 조성에 따라 요구되는 바와 같이 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시태양에서, 입자 프로브의 평균 직경은 약 0.01 미크론 내지 약 1,000 미크론, 일부 실시태양에서 약 0.01 미크론 내지 약 100 미크론, 일부 실시태양에서 약 0.01 미크론 내지 약 10 미크론일 수 있다. 한 특정 실시태양에서, 입자 프로브의 평균 직경은 약 1 내지 약 2 미크론이다. 일반적으로, 입자는 실질적으로 구형이지만, 판형, 막대형, 바형, 불규칙 형태 등을 포함하여 다른 형태도 본 발명에 사용하기 적합하다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 입자의 조성, 형태, 크기 및(또는) 밀도는 크게 상이할 수 있다.
일부 예에서, 프로브를 어떤 방식으로 변형하여 더 쉽게 분석물에 결합하게 하는 것이 바람직하다. 그러한 예에서, 프로브는 부착되어 접합 프로브를 형성하는 특정의 특이적 결합원으로 변형될 수 있다. 특이적 결합원은 일반적으로 특이적 결합쌍, 즉, 한 분자가 다른 분자에 화학적으로 및/또는 물리적으로 결합하는 2개의 상이한 분자의 구성원을 의미한다. 예를 들어, 면역반응성 특이적 결합원은 재조합 DNA 방법 또는 펩티드 합성법에 의해 형성된 것을 포함하여 항원, 합텐, 앱타머 (aptamer), 항체 및 이들의 복합체를 포함할 수 있다. 항체는 모노클로날 또는 폴리클로날 항체, 재조합 단백질 또는 이들의 혼합물(들) 또는 이들의 단편(들), 및 항체와 다른 특이적 결합 성분의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 항체의 제조 및 특이적 결합 성분으로서 사용하기 위한 적합성의 상세한 내용은 당업계의 숙련인에게 공지되어 있다. 다른 통상적인 특이적 결합쌍은 비오틴 및 아비딘, 비오틴 및 스트렙트아비딘, 항체-결합 단백질 (단백질 A 또는 G 등) 및 항체, 탄수화물 및 렉틴, 상보성 뉴클레오티드 서열 (표적 핵산 서열을 검출하기 위한 DNA 혼성화 분석에 사용되는 표지 및 포획 핵산 서열 포함) 및 재조합 방법에 의해 형성되는 것을 포함하는 상보성 펩티드 서열, 이펙터 및 수용체 분자, 호르몬 및 호르몬 결합 단백질, 효소 코팩터 및 효소, 효소 저해제 및 효소 등을 포함하나, 이로 제한되지 않는다. 또한, 특이적 결합쌍은 본래의 특이적 결합원의 유사체인 구성원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분석물의 유도체 또는 단편, 즉 분석물-유사체는 분석물과 공통적인 적어도 하나의 에피토프를 갖는 한 사용될 수 있다.
특이적 결합원은 일반적으로 임의의 다양한 공지 기술을 사용하여 프로브에 부착될 수 있다. 예를 들어, 특이적 결합원의 프로브 (예를 들어 표지화된 마이크로입자)에 대한 공유 결합에 의한 부착은 카르복실기, 아미노기, 알데히드기, 브로모아세틸기, 요오도아세틸기, 티올기, 에폭시기 및 다른 반응성 또는 연결 관능기, 및 그를 통해 단백질 커플링 반응을 수행할 수 있는 잔류 유리 라디칼 및 라디칼 양이온을 사용하여 달성할 수 있다. 또한, 마이크로입자의 표면은 비교적 높은 표면 농도의 극성기를 포함할 수 있기 때문에 표면 관능기가 관능화된 공단량체로서 도입될 수도 있다. 또한, 특정 경우, 예를 들어 폴리(티오페놀)의 경우에 마이크로입자 표지가 합성 후에 종종 관능화되기 때문에 마이크로입자는 추가로 변형할 필요없이 단백질과 직접 공유 결합할 수 있다. 예를 들어, 일 실시태양에서 접합의 제1 단계는 카르보디이미드를 사용하여 입자 표면 상에서 카르복실기를 활성화하는 것이다. 제2 단계에서, 활성화된 카르복실산기는 항체의 아미노기와 반응하여 아미드 결합을 형성한다. 활성화 및/또는 항체 커플링은 완충액, 예를 들어 포스페이트-완충 염수 (PBS) (예를 들어, pH 7.2) 또는 2-(N-모르폴리노)에탄 술폰산 (MES) (예를 들어, pH 5.3)에서 발생할 수 있다. 도시된 바와 같이, 생성되는 프로브는 이어서 예를 들어 에탄올아민으로 차단하여 표지 접합체를 형성할 수 있다. 공유결합 이외에, 다른 부착 기술, 예를 들어 흡착도 본 발명에서 사용할 수 있다.
일반적으로, 다양한 유통 분석 장치가 시분해 형광 검출 시스템과 함께 이용하기 위해 본 발명에 따라 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 여러가지 본 발명의 실시태양이 이제 더 상세히 기술될 것이다. 그러나 아래 기술되는 실시태양들은 단지 예시적인 것이며 다른 실시태양들 역시 본 발명에 의해 고려될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 다시 도 1을 참조하면, 시험 샘플 내의 분석물의 존재를 검출하는 하나의 시스템이 도식적으로 묘사되어 있다. 처음에는, 분석물을 함유하는 시험 샘플을 샘플링 패드 (나타나 있지 않음)에 적용한다. 그후 테스트 샘플이 샘플링 패드로부터 컨쥬게이트 패드 (22)로 이동하는데, 여기서 분석물이 프로브와 혼합되어 분석물 복합체를 형성한다. 일 실시태양에서, 예컨대 프로브는 상기 기술한 것과 같은 란탄족 킬레이트 표지로 염색되고 관심 분석물에 대한 특이적 결합원과 결합된 마이크로입자로부터 형성된다. 더욱이, 컨쥬게이트 패드 (22)는 다공성 막 (23)에 유체가 통과할 수 있으므로, 복합체가 컨쥬게이트 패드 (22)에서 다공성 막 (23) 상에 존재하는 검출 구역 (31)로 이동할 수 있다.
검출 구역 (31)은 일반적으로 프로브와 화학적 또는 물리적 결합을 할 수 있는 고정화된 포획제를 함유할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시태양에서, 결합제는 생물학적 포획제를 함유할 수 있다. 그러한 생물학적 포획제는 당해 기술분야에 공지되어 있고, 항원, 합텐, 항체, 단백질 A 또는 G, 아비딘, 스트렙트아비딘, 2차 항체 및 이들의 착물을 포함한다 (이에 한정되지는 않음). 많은 경우에서, 이들 생물학적 포획제가 마이크로입자 상에 존재하는 특이적 결합원 (예컨대 항체)에 결합할 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 결합제로 다양한 비생물학적 물질을 이용하는 것 역시 바람직할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시태양에서 결합제는 비포획 프로브에 결합할 수 있는 고분자전해질을 포함할 수 있다. 고분자전해질은 일반적으로 중성인 알짜 전하 뿐만 아니라, 알짜 양전하 또는 음전하를 가질 수 있다. 예를 들어, 알짜 양전하를 갖는 고분자전해질의 일부 적당한 예는 폴리리신 (미조리주 세인트 루이스의 시그마-알드리치 케미칼 코. 인크. (Sigma-Aldrich Chemical Co., Inc.)에서 시판됨), 폴리에틸렌이민; 에피클로로히드린-관능성 폴리아민 및/또는 폴리아미도아민, 예컨대 폴리(디메틸아민-co-에피클로로히드린); 폴리디알릴디메틸-암모늄 클로라이드; 양이온성 셀룰로스 유도체, 예컨대 4차 암모늄 수용성 단량체로 그래프트된 셀룰로스 공중합체 또는 셀룰로스 유도체 등을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 특별한 하나의 실시태양에서, 4차 암모늄 수용성 단량체를 함유하는 셀룰로스 유도체인 CelQuat (등록상표) SC-230M 또는 H-100 (내쇼날 스타치 & 케미칼, 인크. (National Starch & Chemical,Inc.)에서 입수 가능)이 이용될 수 있다. 더욱이, 알짜 음전하를 갖는 고분자전해질의 일부 적당한 예는 폴리(에틸렌-co-메타크릴산, 나트륨염) 등과 같은 폴리아크릴산을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 친양쪽성 고분자전해질 (즉, 극성 및 비극성 부분을 지님)과 같은 기타 고분자전해질 역시 본 발명에서 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 적당한 친양쪽성 고분자전해질의 몇몇 예는 폴리(스티릴-b-N-메틸 2-비닐 피리디늄 요오드) 및 폴리(스티릴-b-아크릴산) (양자 모두 캐나다 도르발의 폴리머 소스 인크. (Polymer Source, Inc.)에서 입수가능함)을 포함하나 이에 한정되지는 않는다.
이들 포획제는 프로브 접합체/분석물 복합체에 대한 고정된 결합 자리 역할을 한다. 일부 예에서, 항체, 항원 등과 같은 분석물은 두개의 결합 자리를 갖는다. 검출 구역 (31)에 이르면 이들 결합 자리 중 하나는 복합화된 프로브의 특이적 결합원이 차지한다. 그러나, 분석물의 유리 결합자리는 고정화된 포획제에 결합할 수 있다. 고정화된 포획제에 결합하면, 복합화된 프로브는 새로운 삼성분 샌드위치 복합체를 형성한다.
검출 구역 (31)은 일반적으로 임의의 수의 구분된 검출 영역을 제공하여 사용자가 시험 샘플 내의 특정 분석물의 농도를 더 잘 측정할 수 있게 할 수 있다. 각 영역은 동일한 포획제를 함유하거나 복수의 분석물을 포획하기 위해 상이한 포획제를 함유할 수 있다. 예를 들어, 검출 구역 (31)은 두개 이상의 구분된 검출 영역 (예컨대, 선, 점 등)을 포함할 수 있다. 검출 영역은 분석 장치 (20)을 통과하는 시험 샘플의 흐름에 대해 실질적으로 직각인 방향으로 선의 형태로 배치될 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예에서, 검출 영역은 분석 장치를 통과하는 시험 샘플의 흐름에 실질적으로 평행한 방향으로 선의 형태로 배치될 수 있다.
검출 구역 (31)이 분석물의 존재를 나타낼 수 있긴 하지만, 검출 구역 (31)만을 사용해서는 종종 시험 샘플 내의 분석물의 상대 농도를 측정하기가 어렵다. 따라서, 분석 장치 (20)은 교정 구역 (32)를 역시 포함할 수 있다. 이 실시태양에서, 교정 구역 (32)는 다공성 막 (23) 상에 형성되고 검출 구역 (31)의 하류쪽에 위치한다. 교정 구역 (32)에는 막 (23)의 길이를 통과하는 임의의 나머지 비포획 프로브에 결합가능한 포획제가 제공된다. 특히, 시험 샘플과 접촉하면, 분석물에 결합하지 않는 임의의 비포획 프로브들은 검출 구역 (31)을 통하여 이동하여 다공성 막 (23)의 교정 구역 (32)로 들어간다. 교정 구역 (32)에서 , 이들 비포획 프로브들은 이후에 포획제에 결합한다. 교정 구역 (32)에서 이용되는 포획제는 검출 구역 (31)에서 사용되는 포획제와 동일하거나 상이할 수 있다. 더욱이, 검출 구역 (31)과 유사하게, 사용자가 시험 샘플 내의 특정 분석물의 농도를 더 잘 측정하도록 교정 구역 (32) 역시 임의의 수의 구분된 교정 영역을 제공할 수 있다. 각각의 영역은 동일한 포획제를 함유하거나, 또는 상이한 형광 표지를 포획하기 위한 상이한 포획제를 함유할 수 있다.
교정 영역은 상이한 양의 결합제로 다공성 막 (23) 상에 미리 설치하여, 비포획 프로브가 옮겨지면 각 교정 영역에 의해 상이한 신호 강도가 발생하도록 할 수 있다. 각 교정 영역 내 결합제의 전체 양은 상이한 크기의 교정 영역을 이용하고/하거나 각 교정 영역 내의 결합제 농도 또는 부피를 변화시킴으로써 변화시킬 수 있다. 필요하다면 각 교정 영역이 신호 강도에 대한 최대의 미리 측정된 잠재력에 도달하도록 과량의 프로브 분자를 분석 장치 (20)에 적용할 수 있다. 즉, 교정 영역상에 도입된 결합제의 양이 미리 측정되고 알려진 수준으로 맞추어지므로 교정 영역상에 위치한 비포획된 프로브의 양이 미리 측정된다.
일단 포획되면, 검출 및 교정 구역 (31) 및 (32)에서의 프로브의 형광 신호는 시분해 형광 판독기 (50)을 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들어 이 실시태양에서, 형광 판독기 (50)은 검출 및 교정 구역 (31) 및 (32) 상으로 동시에 펄스광을 방출하도록 구성된다. 판독기 (50)은 또한 검출 및 교정 구역 (31) 및 (32)에서 여기된 표지로부터의 형광 신호를 동시에 수신할 수 있다. 별법으로, 형광 판독기 (50)은 검출 구역 (31) 및 교정 구역 (32) 상으로 펄스광을 연속하여 방출하도록 구성될 수 있다. 또한 분리된 형광 판독기 (나타나 있지 않음)가 교정 구역 (32)에서의 형광 신호를 측정하는데 이용될 수도 있다.
형광 판독기 (50)의 구성은 일반적으로 여러가지 요소, 예컨대 가격, 필요한 정확도, 관심 분석물의 성질 및 농도 등에 따라 다양할 수 있다. 일반적으로, 형광 판독기 (50)은 서로, 그리고 광학 필터와 같은 기타 임의의 부품과 연계되어 있는 하나 이상의 펄스화 여기원 및 광검출기를 이용한다. 광학 필터와 임의적으로 결합된 펄스화 여기 및 시간 게이트 검출의 이용은 형광 표지만으로부터의 특정 형광 검출을 가능하게 하고, 샘플 내에 존재하는 일반적으로 수명이 짧은 기타 종으로부터의 방출은 배제되게 한다.
예를 들어, 도2를 참조하면 예시적인 형광 판독기 (50)의 일 실시태양이 여기원 (52) 및 검출기 (54)를 포함한 것으로 나타난다. 예를 들어, 발광 다이오드 (LED), 플래쉬램프 및 기타 적당한 소스를 비롯한 다양한 여기원 (52)가 본 발명에서 사용될 수 있다. 여기 조명은 또한 다중화되고/되거나 시준될 수 있다. 예를 들어, 복수의 결맞는 소스 (예컨대 레이져)로부터의 다양한 분리된 진동수 빔을 일련의 이색성 거울을 이용하여 시준하고 다중화할 수 있다. 더욱이, 조명은 연속형 또는 펄스형일 수 있거나, 또는 연속 파 (CW) 및 펄스화 조명을 결합시킬 수 있는데, 여기서 복수의 조명빔은 다중화되어 (예컨대, 펄스빔은 CW 빔과 다중화됨) CW 원에 의해 유도된 형광과 펄스원에 의해 유도된 형광 사이의 신호 구분을 가능케 한다. 예를 들어 갈륨 비소 LED 다이오드 (예컨대 알루미늄 갈륨 비소 적색 다이오드, 갈륨 포스파이드 녹색 다이오드, 갈륨 비소 포스파이드 녹색 다이오드 또는 인듐 갈륨 니트라이드 자색/청색/자외선 (UV) 다이오드)가 조명원으로 이용될 수 있다. 본 발명에 적합하게 사용할 수 있는, 시판되는 적당한 UV LED 여기 다이오드의 예는 모델 NSHU550E (니치아 코포레이션 (Nichia Corporation))로, 반최대 10 도, 370 내지 375 나노미터의 피크 파장 및 12 나노미터의 스펙트럼 반치폭에서 전치폭를 갖는 빔으로의 10 밀리암페어 (3.5-3.9 볼트)의 순방향 전류에서 750 내지 1000 마이크로와트의 광출력을 방출한다.
또한 본 발명에서 사용될 수 있는 적합한 검출기 (54)의 예는 광증폭 장치; 애벌란시 광다이오드, 실리콘 광다이오드 등과 같은 광다이오드; 고속, 선형 전하 결합 소자 (CCD), CID 소자, 또는 CMOS 기반 영상장치 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 일 실시태양에서 형광 시스템은 형광 검출을 위해 실리콘 광다이오드를 이용한다. 실리콘 광다이오드는 비싸지 않고 민감하며 고속 동작 (짧은 상승 시간/높은 띠폭)이 가능하고 대부분의 기타 반도체 기술 및 단일 회로 내에 쉽게 통합된다는 점에서 유리하다. 또한, 실리콘 광다이오드는 물리적으로 소형이어서 막 기반 장치에서 사용하기 위한 시스템 내에 용이하게 결합될 수 있다. 실리콘 광다이오드가 사용되는 경우, 형광 방출의 파장 범위는 400 내지 1100 나노미터인 그들의 감도 범위 이내이어야 한다. 또 다른 검출기 사양은 CdS (황화 카드뮴) 광도전 셀로, 반사된 여기 방사선을 더 쉽게 배제할 수 있는 인간 시력 (광순응 곡선)과 유사한 스펙트럼 감도를 지니는 장점을 갖는다.
임의적으로, 광학 필터 (나타나 있지 않음)가 여기원 (52) 및 검출기 (54)에 인접하여 위치할 수 있다. 광학 필터는 여기원으로부터 바람직하지 않은 파장을 여과해 내기 위해 여기 파장 범위 (들)에서 높은 투과성 및 하나 이상의 바람직하지 않는 파장 띠 (들)에서 낮은 투과성을 지닐 수 있다. 바람직하지 않은 파장 범위는 일반적으로 검출가능한 샘플 자체형광을 발생하고/발생하거나 약 25 내지 약 100 나노미터의 여기 최대 파장 이내이어서 산란된 여기 조명으로부터의 배경 노이즈의 가능성 있는 소스인 파장을 포함한다. 본 발명에서 이용될 수 있는 광학 필터의 몇몇 예는 염색된 플라스틱 수지 또는 젤라틴 필터, 이색성 필터, 얇은 다층 필름 간섭 필터, 플라스틱 또는 유리 필터, 에폭시 또는 경화된 투명 수지 필터를 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 일 실시태양에서, 검출기 및/또는 여기원은 필터 내에 매립되거나 캡슐화될 수 있다. 광학 필터가 이용될 수 있기는 하지만, 본 발명의 한가지 유리한 측면은 그러한 필터가 종종 시분해의 결과로 인해 불필요하다는 것이다. 특히, 형광 방출에서의 지연으로 인해, 여기원에 의해 방출되는 임의의 짧은 수명의 형광을 여과해 내는데 방출 띠폭 필터가 불필요할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 여러가지 시한 회로가 또한 여기원 (52)의 펄스 여기 및 방출된 형광의 측정을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시태양에서, 클록 소스 (56) (예컨대 결정 발진기)이 형광 판독기 (50)에서 다른 전자 부품에 제어된 주파수원을 제공하기 위해 도입된다. 이 특별한 실시태양에서, 예를 들어, 발진기 (56)은 20 MHz의 신호를 발생시킬 수 있는데, 이는 LED 구동기/펄스 발생기 (55) 및 A/D 변환기 (64)로 공급된다. 발진기 (56)에서 A/D 변환기 (64)로의 클록 신호는 A/D 변환기 (64)의 작동 속도를 제어한다. A/D 변환기 (64)의 작동 주파수 또는 LED 구동기/펄스 발생기 (55)로의 클록 입력의 바람직한 주파수가 20 MHz가 아니면, 주파수 분배기가 상기 각각의 신호 경로에 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 발진기 (56)에서의 신호가 바람직한 주파수의 신호를 제공하도록 적절하게 변형될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시태양에서, 발진기 (56)에서의 신호가 또한 마이크로프로세서 (60)으로 공급되어 그의 작동 속도를 제어할 수 있다. 추가적인 주파수 분배기가 본 발명에 따른 기타 신호 경로에서 이용될 수 있다.
마이크로프로세서 (60)은 펄스 발생기 (55)에 제어 입력을 공급하여, 원하는 펄스 지속 및 반복도 (예컨대 50% 듀티 사이클을 갖는 1 KHz 소스)를 제공하도록 발진기 (56)에서 20 MHz 신호가 프로그램가능하게 조절되게 한다. 그 다음 펄스 발생기 (55)에서의 신호는 여기원 (52)에 공급되어 그의 펄스 반복도 및 조명의 듀티 사이클을 제어한다. 일부 실시태양에서, 트랜지스터가 여기원 (52)으로의 신호 경로에 제공되어, 여기원 (52)에서 펄스화된 광신호를 작동시키는 스위치 수단을 제공한다.
상기 기술한 바 처럼, 펄스광은 대상 분석 장치와 연계된 형광 표지를 여기시킨다. 바람직한 반응 시간 후 (예컨대 약 100 내지 약 200 마이크로초), 검출기 (54)는 여기된 형광 표지에 의해 방출되는 형광 신호를 검출하고 그것을 표현하는 전류를 발생시킨다. 이어서, 이 전류는 비교적 낮은 정정 시간 및 포화로부터의 빠른 회복이 특징인 고속 트랜스임피던스 예비증폭기 (78)에 의해 전압 수준으로 전환될 수 있다. 예비증폭기 (78)의 출력은 이어서 A/D 변환기 (64)의 데이타 입력으로 공급될 수 있다. 추가적인 증폭기 부품 (예컨대 프로그램 가능 이득 증폭기)이 예비증폭기 (78) 이후 및 A/D 변환기 (64) 이전의 신호 경로에 도입되어, A/D 변환기 (64)에 공급하기 위한 여기 펄스의 트레일링 가장자리에서 적당한 전압 범위 내의 신호를 산출할 수 있다. A/D 변환기 (64)는 대상 형광 표지들의 형광 수명 이내에서 많은 점들을 얻기에 충분한 샘플 비율을 갖는 고속 변환기일 수 있다. 예비증폭기 (78)의 이득은 여기 펄스의 트레일링 가장자리 상에서 최대 A/D 수 (예컨대 12 비트 변환기에 대해 2047) 미만으로 데이타 값이 떨어지도록 세팅될 수 있다. 그러면, A/D 변환기 (64)의 동적 범위 이내의 데이터는 바람직한 형광 신호를 주로 나타낼 것이다. 만일 샘플 간격이 여기 펄스의 상승 시간 및 하강 시간에 비해 짧다면, 예비증폭기 (78)의 이득은 A/D 변환기 (64)의 동적 범위의 상위 1/2 또는 3/4 이내의 신호값이 방출 펄스의 트레일링 가장자리에 해당하도록 세팅될 수 있다.
A/D 변환기 (64)는 예비증폭기 (78)에서의 신호를 샘플링하여, 이것을 다양한 디지털 신호의 처리를 위해 소프트웨어 지시가 구성되는 마이크로프로세서 (60)에 제공한다. 마이크로프로세서 (60)에서의 출력은 검출된 형광 신호가 샘플링될 때 추가 제어를 위해 A/D 변환기 (64)로 제공된다. 예비증폭기 (78) 및 A/D 변환기 (64)로의 제어 신호 (나타나있지 않음)는 가장 적당한 이득, 샘플링 간격 및 트리거 오프셋을 획득하기 위해 연속적으로 변화될 수 있다. A/D 변환기 (64) 및 마이크로프로세서 (60)이 별개의 부품으로 그려지긴 하였으나, 단일 모듈 내에 상기 부품들 모두를 포함하는 칩이 시판되어 본 발명에서 이용될 수 있다. 처리 후, 마이크로프로세서 (60)은 검출기 (54)에 의해 검출되는 형광 수준을 나타내는 하나 이상의 출력을 제공할 수 있다. 그러한 예시적인 출력의 하나는 표시장치 (86)에 공급되어 사용자에게 표지에 의해 발생되는 형광 신호를 시각적으로 표시해준다. 표시장치 (86)은 사용자가 마이크로프로세서 (60)에 프로그램 가능 입력을 할 수 있는 제어 인터페이스와 같은 상호작용 특징을 추가로 제공할 수 있다.
형광 판독기 (50)에서 사용하기 위한 대표적인 특정 전자 부품의 또 다른 실시태양이 도 3에 예시된다. 도 3의 많은 부품들은 도 2의 것들과 유사하여서 동일한 참조 부호가 사용된다. 예를 들어, 도 2와 비교한 경우 도 3의 판독기 (50)에서의 한가지 차이는 위상 지연 모듈 (57)에서의 게이트 신호의 발생이다. 마이크로프로세서 (60)에서의 제어 신호가 위상 지연 모듈 (57)에 공급되어, 여기에 공급되는 클록 신호의 효과적인 위상 이동을 프로그램한다. 이동된 클록 신호 (또한 게이트 신호로도 언급됨)는 그 후, 검출기 (54)에 의해 수신되어 예비증폭기 (78)을 통과하는 주기적인 검출기 신호에 의해 그러한 신호를 배율화하는 혼합기 (58)에 공급된다. 생성된 혼합기 (58)의 출력은 이어서 A/D 변환기 (64)에 공급되기 전에 저역 필터 (62)로 보내진다. 그러면 A/D 변환기 (64)는 저역 필터 (62)의 출력을 측정하여 게이트 신호에 의해 정의된 간격 동안 형광 측정치를 얻는다.
예시적인 형광 판독기의 실시태양 (50)에 대한 추가적인 선택적 특징들이 도 4에 도시되어 있다. 예를 들어, 샘플/홀드 증폭기 (88) (가끔 트랙-앤드-홀드 증폭기로도 언급됨)이 외부 신호 제어하의 특정 시점에서 전압 입력을 포착 및 유지하는 것으로 나타나 있다. 본 기술에 사용하기 위한 샘플/홀드 증폭기의 특정 예는 버르-브라운 코포레이션 (Burr-Brown Corporation)에서 판매하는 것과 같은 SHC5320 칩이다. 도 4의 실시태양에서 샘플/홀드 증폭기 외부 제어 신호는 지연 회로 (92)로부터 수신되는데, 이는 예컨대 카운터, 기본 논리 게이트, 및 플립-플롭 회로를 이용하여 클록으로부터 미리 결정된 지연을 유도해내는 디지털 지연 회로일 수 있다. 지연 회로 (92)는 발진기 (56)으로부터의 클록 신호 및 주파수 분배기 (90)으로부터의 이네이블 신호를 수신하고, 이는 발진기 (56)에서 발생되는 것보다 감소된 주파수 수준에서 주기적인 신호를 간단하게 제공한다. 지연 회로 (92)는 또한 마이크로프로세서 (60)으로부터 제어 입력을 수신하여, 지연의 프로그램 가능한 측면이 샘플/홀드 증폭기 (88)에서 적절한 샘플링을 보장하도록 한다. 따라서, 지연 회로 (92)에서 샘플/홀드 증폭기 (88)로의 지연된 펄스 제어 신호는, 여기원 (52)이 꺼진 후 사전 설정된 시간 간격에서 검출기 (54)로부터의 형광 신호의 획득을 유발한다.
이용되는 판독기 (50)의 구성에 상관없이 분석물의 양은, 검출 구역 (31)에서 포획된 표지의 방출 형광 신호 Is를 사전 측정된 분석물 농도와 연관시킴으로써 확정될 수 있다. 일부 실시태양에서, 강도 신호 Is는 또한 교정 구역 (32)에서 포획된 표지의 방출 형광 강도 신호 Ic와 비교될 수 있다. 형광 강도 신호 Is는 형광 강도 신호 Ic와 비교될 수 있다. 이 실시태양에서 교정 구역 (32)에서의 총 표지의 양은 미리 측정되어 알려지므로 교정 목적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시태양 (예컨대 샌드위치 어레이)에서, 분석물의 양은 Is 대 Ic의 비에 정비례한다. 다른 실시태양 (예컨대 경쟁적 분석)에서, 분석물의 양은 Is 대 Ic의 비에 반비례한다. 검출 구역 (31)이 해당하는 강도 범위에 기초하여, 분석물에 대한 일반적인 농도 범위를 측정할 수 있다. 그 결과, 교정 및 샘플 시험이 동시에 대략 동일 조건에서 수행될 수 있고, 따라서 감도가 증가된 신뢰가능한 정량적 또는 준 정량적 결과가 제공된다.
필요한 경우, 교정 곡선을 나타내기 위해, Is 대 Ic의 비를 기지의 분석물 농도의 범위에 있어서의 분석물 농도에 대해 도식화할 수 있다. 미지의 시험 샘플 중의 분석물의 양을 측정하기 위해, 이어서 신호비가 고정 곡선에 따른 분석물 농도로 전환될 수 있다. Is 및 Ic 사이의 다른 수학적 관계가 교정 곡선을 나타내기 위해 분석물 농도에 대하여 도식화될 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 일 실시태양에서 Is/(Is+Ic)의 값이 분석물 농도에 대해 도식화되어 교정 곡선을 나타낼 수 있다.
상기에서 나타난 바와 같이, 샌드위치 방식, 경쟁적 방식 등이 장치 (20)에 이용될 수 있다. 샌드위치 어레이 방식은 일반적으로 분석물에 대한 항체와 시험 샘플을 혼합하는 것을 포함한다. 이들 항체는 이동성이고, 염색된 라텍스, 콜로이드 금속 졸, 또는 방사선동위원소와 같은 표지 또는 표지들에 연결된다. 이들 혼합물을 이어서 분석물에 대한 고정화 항체의 띠 또는 구역을 함유한 크로마토그래피 매질과 접촉시킨다. 크로마토그래피 매질은 종종 딥스틱 (dipstick)과 유사한 스트립의 형태이다. 분석물 및 표지된 항체의 복합체가 크로마토그래피 매질상에 고정화된 항체의 구역에 도달할 때, 결합이 일어나고 결합된 표지화 항체가 구역에 배치된다. 이는 분석물의 존재를 나타낸다. 이 기법은 정량적 또는 준 정량적 결과를 얻는데 이용될 수 있다. 그러한 샌드위치 유형 분석의 일부 예는 미국 특허 제4,168,146호 (그루브 (Grubb) 외) 및 제4,366,241호 (톰 (Tom) 외)에 기술되어 있는데, 이들은 모든 목적을 위해 그 전체로서 참고문헌으로 본원에 포함된다.
경쟁적 분석에서, 표지는 일반적으로 샘플 내에 존재하는 임의의 비표지화 분석물과 항체의 결합에 대하여 경쟁하는 표지화 분석물 또는 분석물 유사체이다. 경쟁적 분석은 일반적으로 합텐과 같은 분석물의 검출에 사용되는데, 각 합텐은 일가이고 하나의 항체 분자에만 결합할 수 있다. 경쟁적 면역분석 장치의 예는 미국 특허 제4,235,601호 (데우취 (Deutsch) 외), 제4,442,204호 (리오타 (Liotta)), 제5,208,535호 (베츨러 (Buechler) 외) 등에 기술되어 있는데, 이들은 모든 목적을 위해 그 전체로서 본원에 참고문헌으로 포함된다. 여러가지 다른 장치 구성 및/또는 분석 방식이 또한 미국 특허 제5,395,754호 (람보트 (Lambotte) 외), 제5,670,381호 (조우 (Jou) 외), 제6,194,220호 (매릭 (Malick) 외) 등에 기술되어 있는데, 이들은 모든 목적을 위해 그 전체로서 본원에 참고문헌으로 포함된다.
다양한 장치 구성의 실시태양들이 상기에 기술되었지만, 본 발명의 장치가 일반적으로 바람직한 임의의 구성을 갖고, 상기 기술된 모든 부품을 포함할 필요가 없다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 다음 실시예들을 참고로 하여 더욱 잘 이해될 수 있다.
[실시예]
실시예 1
막 기반 장치에서 사용되는 접합 형광 프로브 입자를 형성하는 능력을 설명한다. 500 마이크로미터의 0.5% 카르복실화 유러퓸 킬레이트 캡슐화 입자 (0.02 미크론, EU-P 입자, 몰레큐라 프로브스, 인크. (Molecular Probes,Inc.)에서 입수)를 100 마이크로리터의 PBS 완충액 (0.1 몰)로 세척하였다. 40 마이크로리터의 세척된 입자를 3 밀리그램의 카르보디이미드 (폴리사이언스, 인크. (Polysciences,Inc.))로 처리하였다. 혼합물을 실온에서 30 분 동안 진탕기 (shaker)상에서 반응하게 두었다. 이어서 활성화된 입자를 붕산염 완충액으로 원심분리를 통해 2회 세척하였다. 활성화된 입자를 다시 2 분 중탕 초음파 처리를 통해 200 마이크로리터의 붕산염 완충액에서 재현탁하였다.
그 후, 30 마이크로리터의 C-반응성 단백질 (CRP) (4.9 mg/mL, Mab1 A58110228P, 캘리포니아주 에머리빌 바이오스퍼시픽 인크. (BiosPacific, Inc.)에서 입수)을 활성화된 입자에 첨가하였다. 반응 혼합물을 2.5 시간 동안 진탕기 상에서 실온에서 반응하게 두었다. 이어서 활성화된 입자를 수집하고 30 분 동안 부드럽게 진탕시키면서 0.25 밀리리터의 0.25 몰 에탄올아민 중에서 인큐베이션하였다. 그런 후 입자를 PBS로 2회 세척하였다. 이어서, 입자를 얼음조에서 PBS 중에서 10 초 동안 3회 프로브-초음파 처리하고 4 ℃로 보관하였다.
실시예 2
실시예 1에서 형성된 접합 프로브 입자의 여기 및 방출 스펙트럼을 370 나노미터의 여기 파장 및 615 나노미터의 방출 파장을 이용하는 통상적인 플루오로로그 III (FluoroLog III) 형광분광계 (호리바 그룹 (Horiba Group)에서 구입)를 이용하여 측정하였다.
그 결과가 도 5에 나타나 있다. 보는 바와 같이 프로브 입자의 여기 및 방출 스펙트럼은, 접합체에 있어 615 나노미터 피크에 대한 430 나노미터 피크의 상대 강도가 더 높다는 것을 제외하고는 비접합 프로브 입자의 여기 및 방출 스펙트럼과 유사하였다. 접합 프로브 입자는 355 나노미터 근방에서 강한 여기 피크 및 430 및 615 나노미터에서 두개의 강한 방출 피크를 나타냈다. 430 나노미터에서의 방출 피크는 리간드로부터 발생한데 비해, 615 나노미터에서의 피크는 리간드에서 유러퓸 금속 중심으로의 에너지 전달을 통한 유러퓸 금속 이온의 d-d 전이에서 발생하였다고 여겨진다.
실시예 3
막 기반 분석을 형성하는 능력을 설명한다. 처음에는 니트로셀룰로스로 만든 밀리포어 (Millipore) SX 다공성 막을 약 30 센티미터의 길이를 갖는 해당 지지 카드 상에 적층하였다. C-반응성 단백질 (CRP) 모노클로날 항체 (Mab A58040136P, 2.3 mg/mL, 캘리포니아주 에머리빌의 바이오스퍼시픽 인크.에서 입수)를 막 위에 스트리핑하여 검출선을 형성하였다. 골드라인 (브리티쉬 바이오셀 인터내쇼날 (British Biocell International)에서 입수한 폴리리신 용액)을 이어서 막 위에 스트리핑하여 교정선을 형성하였다. 막을 37 ℃에서 1 시간 동안 건조시켰다.
셀룰로스 섬유 위킹 패드 (밀리포어 코.)를 막의 한쪽 끝에 부착하였다. 막의 다른 끝에 밀리포어 코.에서 입수한 두개의 유리 섬유 패드 (샘플 및 컨쥬게이트 패드)를 적층하였다. 컨쥬게이트 패드 및 위킹 패드를 막과 직접 접촉시키고, 샘플 패드를 컨쥬게이트 패드와 직접 접촉시켰다. 컨쥬게이트 패드 및 샘플 패드는 각각 4 밀리미터의 폭을 가졌다. 샘플 패드를 1% 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트 ("트윈 20"이라는 명칭으로 시그마-알드리치에서 입수가능한 비이온성 계면활성제)로 처리하고 37 ℃에서 2 시간 동안 건조시켰다. 컨쥬게이트 패드를 PBS 완충액, 200 마이크로리터의 2% "트윈 20", 및 200 마이크로리터의 20% 수크로스와 혼합한 실시예 1의 200 마이크로리터 접합 프로브 입자로 처리하였다. 적셔진 컨쥬게이트 패드를 37 ℃에서 1.5 시간 동안 오븐에서 건조시켰다.
생성된 장치를 보관용 백에 밀봉하였다.
실시예 4
분석물의 존재를 검출하는 실시예 3의 장치의 능력을 측정하였다. 특히, 실시예 3의 장치 8 개의 전 샘플을 제공하였다. PBS 중의 상이한 농도의 40 밀리리터의 CRP 용액 (즉, 밀리리터 당 0, 1, 2, 5, 10, 20, 50 및 100 나노그램)을 직접 각각의 샘플의 샘플 패드에 적용하였다. 장치들을 30 분 동안 현상하고 검출선 및 교정선 상의 형광을 여기 파장 370 나노미터 및 611.5 나노미터에서 각각 측정하였다. 형광을 전면 모드 (front face mode)를 이용하는 통상적인 플루오로로그 III 형광분광계 (호리바 그룹에서 구입)로 측정하였다. 여기 빔을 장치 표면 표준에 대해 약 70° 및 방출을 위한 장치 표면 표준에 대해 약 45°로 정렬시켰다. 약 15분 이내에 반응이 완결되는 것이 시각적으로 관찰되었으나, 형광 측정을 하기 전에 완전히 반응하도록 충분한 시간을 두었다.
표 I은 교정 및 검출선 모두에 대한 형광 데이터를 나타낸다.
[표 I]
Figure pat00001

CRP 농도에 대한 Is/(Is + Ic)의 정규화 강도비가 도 6에 나타나 있다. 정규화된 강도를 샘플의 측정된 형광 강도를 대조 샘플의 형광 강도로 나누어 얻었다. 나타난 바와 같이, 용량 반응 곡선을 교정선에 의해 교정하였고, 특히 20 ng/mL 미만의 CRP 농도에 대해서는 직선이었다.
실시예 5
분석물의 존재를 검출하는 실시예 3의 장치의 능력을 측정하였다. 특히, 실시예 3의 장치의 4 개의 전 샘플을 각각 포함한 5 개의 그룹을 제공하였다. PBS 중의 상이한 농도 (즉, 0, 1, 2 및 5 ng/mL)의 40 마이크로리터의 CRP 용액을 직접 샘플 패드에 도포하였다. 장치들을 30 분 동안 현상되게 하고 검출선 및 교정선 모두에서의 형광을 여기 파장 370 나노미터 및 611.5 나노미터에서 각각 측정하였다. 형광을 전면 모드를 이용하는 통상적인 플루오로로그 III 형광분광계로 측정하였다. 여기 빔을 장치 표면 표준에 대해 약 70° 및 방출을 위한 장치 표면 표준에 대해 45°로 정렬하였다. 반응이 약 15 분 이내에 완료되는 것으로 시각적으로 관찰되었으나, 형광을 측정하기 전 완전히 반응되도록 충분한 시간을 두었다.
표 II 및 III에 교정 및 검출선 모두에 대한 데이터를 제공한다.
[표 II]
Figure pat00002

[표 III]
Figure pat00003

따라서, 본 발명의 결과로서, 산란광 및 자체형광과 같은 많은 원인으로부터의 배경 방해가 검출동안 실질적으로 제거될 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용하는 형광 판독기는 간단하고 비싸지 않은 디자인을 지닐 수 있다. 예를 들어, 일 실시태양에서 판독기는 펄스 발광 다이오드 (LED) 및 실리콘 광다이오드를 이용하여 정확하게 표지를 여기시키고 모노크로매터 또는 좁은 방출띠폭의 광학 필터와 같은 고가의 부품을 사용하지 않고도 막 기반 분석 장치 상의 형광을 검출할 수 있다.
본 발명의 그의 구체적인 실시태양에 관련하여 상세히 설명하였지만, 당업계의 숙련인은 상기한 내용을 이해하면 상시 실시태양의 변경, 변동 및 동등물을 쉽게 생각할 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위와 그에 대한 임의의 동등물의 범위로서 평가되어야 한다.
20: 유통 분석 장치
21: 경질 물질
22: 컨쥬게이트 패드
23: 다공성 막
28: 위킹 패드
31: 검출 구역
32: 교정 구역
50: 시분해 형광 판독기

Claims (1)

  1. 시험 샘플 내 잔류 분석물의 존재 또는 양의 검출 방법.
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