KR20120046616A - Bio-sensing chip for convenient measurement of biochemical-binding and method of measuring bio-marker using it - Google Patents

Bio-sensing chip for convenient measurement of biochemical-binding and method of measuring bio-marker using it Download PDF

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KR20120046616A
KR20120046616A KR1020100108362A KR20100108362A KR20120046616A KR 20120046616 A KR20120046616 A KR 20120046616A KR 1020100108362 A KR1020100108362 A KR 1020100108362A KR 20100108362 A KR20100108362 A KR 20100108362A KR 20120046616 A KR20120046616 A KR 20120046616A
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윤현철
송승연
한용덕
양상식
김강일
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아주대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A biosensing chip having a channel part and a method for optically measuring the biomarker using the same are provided to measure biomarker concentration without a special program. CONSTITUTION: A biosensing chip for bio sample analysis comprises: a sensing unit(100) having patterned gold thin film(112) of intaglio shape on a lower substrate; and a channel part(200) having a bio sample inlet(212b) of an upper substrate and a channel(212a) for providing moving pathway. A self assembly monolayer is formed on the surface of the gold thin film. The self assembly monolayer contains 3,3'-dithio-bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester(DTSP).

Description

생화학적 결합반응의 간편한 측정이 가능한 바이오 센싱 칩 및 이를 이용한 바이오 마커의 측정 방법{Bio-sensing chip for convenient measurement of biochemical-binding and method of measuring bio-marker using it}Bio-sensing chip for convenient measurement of biochemical-binding and method of measuring bio-marker using it}

본 발명은 음각 형태로 금 박막이 패턴화된 센싱부와 생체시료를 이동할 수 있는 채널부가 층상구조로 결합된 바이오 센싱 칩 및 이를 이용한 바이오 마커의 광학적 측정 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a biosensing chip in which a gold thin film is patterned in an intaglio form and a channel portion capable of moving a biological sample in a layered structure, and an optical measuring method of a biomarker using the same.

바이오 센싱(Biosensing) 기기는 효소 항체 등의 단백질이나 핵산, 혹은 다른 생물학적 생체 물질들 (biological elements)을 측정의 목표 물질로 하며, 이 목표 물질들을 인식하는 부분(recognition element)과 이를 감지하여 정량화가 용이한 신호로 전환하는 신호 변환기 부분 (transducer element)으로 구성된 생화학적 분석 장치이다. 특히, 바이오 센싱 기기에 측정 검체 시료의 운송, 전달, 반응, 세척 반응 등을 함께 결합하여 측정 및 분석의 다단계 과정을 하나의 칩(chip) 상에서 이루어 내는 방식으로 구현되고 있는 LOC (Lab-on-a-chip)이나 μTAS(micro-total analysis system) 형의 바이오 센싱 칩은 소형화 및 고감도, 안정성, 신속성, 그리고 높은 신뢰성 등의 장점을 지니고 있다. 바이오 센싱 칩은생물공학 분야 중 진단, 의약, 환경, 식품 등의 분야에서 많은 부분이 상용화에 적용되고 있다. [윤현철, 최형길, "면역센싱의 고도화를 위한 나노-바이오기술의 적용", 전자공학회지, 제 32권, 제 8호, pp.52-61, 2005.].Biosensing devices use proteins, nucleic acids, or other biological elements, such as enzyme antibodies, as targets for measurement, and the recognition elements that recognize these targets and their quantification. It is a biochemical analysis device composed of a signal transducer element for converting an easy signal. In particular, a multi-step process of measurement and analysis is performed on a single chip by combining the transport, delivery, reaction, and washing reactions of a sample to a biosensing device. Bio-sensing chips of either a-chip or micro-total analysis systems have the advantages of miniaturization, high sensitivity, stability, speed and high reliability. Bio-sensing chips are widely used for commercialization in the fields of biotechnology such as diagnosis, medicine, environment, and food. [Yun-Chul Yoon, Hyung-Gil Choi, "Application of Nano-Bio Technology for Advanced Immunity Sensing", Journal of the Institute of Electronics Engineers, Vol. 32, No. 8, pp.52-61, 2005.].

지금까지 질병마커의 진단을 위한 방법으로는 항원-항체 반응이 가장 널리 쓰이며, 항원-항체반응을 이용한 측정 방법 중 ELISA(Enzyme linked immunosorbent assay)법이 가장 널리 활용된다. 상기 ELISA 법은 96-웰 플레이트 상에서 효소반응에 기인한 발색 반응을 통해 질병 마커, 즉 타겟의 농도를 측정하게 되며, 이를 측정하기 위해서는 웰 플레이트 내의 흡광, 발광 또는 형광의 측정이 가능한 고가의 측정기기를 이용해야 한다. Until now, the antigen-antibody reaction is the most widely used method for the diagnosis of disease markers, and the ELISA (Enzyme linked immunosorbent assay) method is the most widely used measurement method using the antigen-antibody reaction. The ELISA method measures the concentration of a disease marker, that is, a target, through a color reaction due to an enzymatic reaction on a 96-well plate. In order to measure this, an expensive measuring device capable of measuring absorbance, emission, or fluorescence in a well plate Should be used.

따라서 검체 시료내의 질병마커 타겟의 농도를 간편하면서도 정확하게 측정할 수 있는 바이오 센싱 방법과 바이오 센싱 칩의 개발에 대한 연구가 계속해서 요구되는 실정이다.
Therefore, there is a continuing need for research on the development of a biosensing chip and a biosensing method capable of easily and accurately measuring the concentration of a disease marker target in a specimen sample.

이에, 본 발명자들은 간편하면서도 정확한 바이오 마커의 광학적 측정방법을 개발하고자 연구, 노력한 결과, 기판 표면에 음각 형태로 패턴화된 금 박막을 포함하는 센싱부와 생체 시료의 투입구, 이동 채널을 포함하는 채널부가 결합된 바이오 센싱 칩을 제조하여 원하는 바이오 마커를 간단하게 정량화할 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have conducted research and efforts to develop a simple and accurate optical measurement method of a biomarker, and as a result, a channel including a sensing unit including a gold thin film patterned in a negative shape on a substrate surface, an inlet for a biological sample, and a moving channel The present invention has been completed by discovering that an additionally bound biosensing chip can be prepared to simply quantify the desired biomarker.

따라서, 본 발명은 기판 표면에 음각 형태로 패턴화된 금 박막을 포함하는 센싱부와 생체 시료의 이동 통로를 제공하는 채널부가 결합된 바이오 센싱 칩을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a bio-sensing chip in which a sensing unit including a gold thin film patterned in a negative shape on a surface of a substrate and a channel unit providing a moving passage of a biological sample are combined.

또한 본 발명은 상기 바이오 센싱 칩에 생체 시료 및 형광 비드를 접촉시키고 고정된 형광 비드의 수를 측정하는 바이오 마커의 광학적 측정방법을 제공하여, 다수의 센싱 표면을 동시에 관찰할 수 있도록 패턴화한 바이오 센싱 칩을 사용하여 비특이적 결합의 구분과 정확한 정량화가 동시에 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.The present invention also provides an optical measuring method of a biomarker for contacting a biological sample and a fluorescent bead to the biosensing chip and measuring the number of the fixed fluorescent beads, thereby patterning the bio to be simultaneously patterned for observing a plurality of sensing surfaces. The purpose of the sensing chip is to enable simultaneous identification and accurate quantification of nonspecific binding.

본 발명은 The present invention

하부 기판에 음각 형태로 금 박막이 패턴화된 센싱부; 및A sensing unit in which a gold thin film is patterned in a negative shape on a lower substrate; And

상부 기판의 생체 시료 투입구와 상기 센싱부에 생체 시료가 접촉될 수 있는 이동 통로를 제공하는 채널을 포함하는 채널부Channel portion including a biological sample inlet of the upper substrate and a channel providing a moving passage for contacting the biological sample to the sensing unit

를 포함하는 생체 시료 분석용 바이오 센싱 칩을 그 특징으로 한다.Characterized by the biosensing chip for biological sample analysis comprising a.

또한 본 발명은, 상기 바이오 센싱 칩의 시료 투입구에 바이오 마커인 항원이 포함된 생체 시료, 항원 특이적 항체 및 형광 비드를 투입하는 단계를 포함하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법을 또 다른 특징으로 한다.
The present invention also provides a method for measuring a biomarker in a biological sample, comprising the step of injecting a biological sample, an antigen-specific antibody, and a fluorescent bead containing an antigen as a biomarker into a sample inlet of the biosensing chip. do.

종래의 형광현미경을 이용한 형광 측정은 형광현미경으로 측정하고자 하는 용액 및 칩 표면을 관찰하여 기록한 이미지를 형광의 세기를 측정하는 고가의 프로그램을 통해서만 이루어질 수 있었으나, 본 발명의 바이오 센싱 칩은 특정 프로그램을 이용하지 않아도 형광 현미경을 이용하여 측정된 이미지를 통해 칩의 패턴부와 패턴외부에 결합된 형광 비드의 개수로 정량화함으로써 정확하고도 간편하게 바이오 마커의 농도를 측정할 수 있다. 또한 형광현미경을 통해 관찰된 이미지를 통하여 항원과 항체의 반응이 일어나는 패턴화된 박막 내부와 외부를 동시에 볼 수 있어, 박막 외부에서 나타나는 비특이적 결합을 정확하고도 간편하게 구분해낼 수 있다. 그리고 복수의 패턴화된 박막에서 고정화된 형광 비드의 개수를 평균값, 분산과 같은 간단한 통계 처리를 이용하여 보다 정확한 정량화가 가능하다.
The fluorescence measurement using a conventional fluorescence microscope could be made only through an expensive program for measuring the intensity of fluorescence of an image recorded by observing the surface of the solution and the chip to be measured by the fluorescence microscope, but the biosensing chip of the present invention may not perform a specific program. The biomarker concentration can be measured accurately and simply by quantifying the number of fluorescent beads coupled to the pattern portion of the chip and the outside of the pattern through an image measured using a fluorescence microscope even if not used. In addition, the images observed through the fluorescence microscope can simultaneously see the inside and outside of the patterned thin film where the reaction between the antigen and the antibody occurs, it is possible to accurately and easily distinguish the non-specific binding appearing outside the thin film. The number of fluorescence beads immobilized in the plurality of patterned thin films can be more accurately quantified by using simple statistical processing such as average value and dispersion.

도 1은 센싱부와 채널부가 결합된 바이오 센싱 칩을 도시한 사시도이다.
도 2는 센싱부 및 채널부를 각각 도시한 평면도이다.
도 3은 실시예 1에서 바이오 센싱 칩의 센싱 과정을 도시한 모식도이다.
도 4는 실시예 1에 따라 광학적 신호 검출을 유도한 결과의 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 형광현미경을 통하여 패턴화된 박막 내부와 외부에 고정화된 비드의 개수를 항원의 농도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 2에서 바이오 센싱 칩의 센싱 과정을 도시한 모식도이다.
도 7는 실시예 2에 따라 광학적 신호 검출을 유도한 결과의 사진이다.
도 8는 실시예 2에서 형광현미경을 통하여 패턴화된 박막 내부와 외부에 고정화된 비드의 개수를 항원의 농도에 따라 나타낸 그래프이다.
1 is a perspective view illustrating a bio sensing chip in which a sensing unit and a channel unit are combined.
2 is a plan view illustrating a sensing unit and a channel unit, respectively.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a sensing process of a bio sensing chip in Example 1. FIG.
4 is a photograph of a result of inducing optical signal detection according to Example 1. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the number of beads immobilized inside and outside the thin film patterned through the fluorescence microscope according to the concentration of the antigen in Example 1. FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a sensing process of a bio sensing chip in Example 2. FIG.
7 is a photograph of the results of inducing optical signal detection according to the second embodiment.
FIG. 8 is a graph showing the number of beads immobilized inside and outside the thin film patterned through a fluorescence microscope according to the concentration of antigen.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 하부 기판에 음각 형태로 금 박막이 패턴화된 센싱부; 및 상부 기판의 생체 시료 투입구와 상기 센싱부에 생체 시료가 접촉될 수 있는 이동 통로를 제공하는 채널을 포함하는 채널부를 포함하는 생체 시료 분석용 바이오 센싱 칩을 특징으로 한다. According to an embodiment of the present invention, a sensing unit in which a gold thin film is patterned in a negative shape on a lower substrate; And a channel unit including a biological sample inlet of the upper substrate and a channel providing a moving passage through which the biological sample may be in contact with the sensing unit.

종래의 바이오 센싱 칩은 기판 위로 금속 박막이 코팅되는 양각 방식으로 이루어지나, 본 칩은 기판 밑으로 금 박막이 패턴화된 음각 형태를 특징으로 하며, 이 경우 양각 패턴 끝의 가장자리 부분에 형광 비드 등이 모여있게 되는 현상을 막을 수 있다. 상기 기판으로 사용될 수 있는 재료는 일정 강도를 유지하면서 생체 시료와 반응하지 아니하는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 실리콘, 실리콘 옥사이드, 유리 등을 사용하는 것이 좋다. Conventional bio-sensing chips are made of an embossed method in which a metal thin film is coated on a substrate, but the chip is characterized by an intaglio pattern in which a gold thin film is patterned beneath the substrate. This can prevent the phenomenon of gathering. The material that can be used as the substrate is not particularly limited as long as it does not react with a biological sample while maintaining a certain strength, preferably silicon, silicon oxide, glass, or the like.

상기 금 박막은 각각의 채널부에서 하나의 생체 시료와 접촉되는 부분이 2개 이상 존재하도록 직사각형 모양으로 패턴화하는 것이 바람직하며, 패턴의 크기는 항원의 농도에 따른 신호의 차이를 볼 수 있을 정도로 형광비드가 고정될 수 있으며 ,형광현미경으로 한눈에 신호 측정부가 관찰될 수 있을 정도의 크기인 100 ~ 800 μm, 세로 10 ~ 200 μm 범위로 하여 패턴화되는 것이 좋다. 또한, 3 ~ 10 개의 금속 패턴이 가깝게 배열되도록 하여 각 박막에서의 측정값을 평균화하는 것이 정밀한 측정을 위하여 바람직하다. The gold thin film is preferably patterned in a rectangular shape such that at least two portions in contact with one biological sample in each channel part exist, and the size of the pattern is such that the difference in signal according to the concentration of the antigen can be seen. Fluorescent beads may be fixed and patterned in a range of 100 to 800 μm and 10 to 200 μm long enough to be observed at a glance with a fluorescence microscope. In addition, it is preferable for the precise measurement that the three to ten metal patterns are arranged closely so that the measured values in each thin film are averaged.

상기 금 박막 상부에는 자기조립 단층막(self assembly monolayer, SAM)을 형성시켜 아민과 반응할 수 있는 반응기를 생성시킨다. 상기 자기조립 단층막을 생성시키기 위하여 한쪽 말단이 아민, 숙신이미드, 카르복시아미드, 알데히드 등의 작용기로 수식된 알칸티올이나 다이설파이드계 화합물을 사용할 수 있으며, 그 예로서 3,3'-디티오-비스-프로피온산 N-하이드록시숙신이미드 에스터(3,3'-dithio-bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester, DTSP)를 사용할 수 있다. A self assembly monolayer (SAM) is formed on the gold thin film to generate a reactor that can react with the amine. In order to produce the self-assembled monolayer film, an alkane thiol or a disulfide-based compound whose one end is modified with a functional group such as amine, succinimide, carboxyamide, and aldehyde may be used. For example, 3,3'-dithio- Bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester (3,3'-dithio-bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester, DTSP) can be used.

본 발명의 바이오 센싱 칩은 상부 기판의 생체 시료 투입구와 상기 자기조립 단층막에 생체 시료가 접촉될 수 있는 이동 통로를 제공하는 채널을 포함하는 채널부를 포함한다. The biosensing chip of the present invention includes a channel portion including a biological sample inlet on an upper substrate and a channel providing a moving passage through which the biological sample may contact the self-assembled monolayer film.

상기 채널부는 생체 시료 투입구 및 채널을 포함하는데, 바람직하게는 채널 양쪽 끝에 생체 시료 투입구가 형성되는 것이 좋다. 또한 상기 채널에 의하여 형성된 이동 통로를 통하여 생체 시료가 자기조립 단층막에 접촉될 수 있도록 하며, 채널의 높이는 0.01 ~ 1.0 mm 범위로 형성시키는 것이 적절한 생체 시료의 사용에 있어 바람직하다. 또한 상기 채널부는 사용되는 생체 시료의 양 및 접촉 여부의 확인을 용이하게 하기 위하여 투명 소재로 제조되는 것이 바람직하다.The channel unit includes a biological sample inlet and a channel. Preferably, the biological sample inlet is formed at both ends of the channel. In addition, the biological sample may be brought into contact with the self-assembled monolayer film through a moving passage formed by the channel, and the height of the channel is preferably in the range of 0.01 to 1.0 mm. In addition, the channel portion is preferably made of a transparent material to facilitate the confirmation of the amount and contact of the biological sample used.

또한, 본 발명은 상기 바이오 센싱 칩의 시료 투입구에 바이오 마커로서 항원이 포함된 생체 시료, 항원 특이적 항체 및 형광 비드를 투입하는 단계를 포함하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법을 또다른 특징으로 하며, 형광에 의한 표지 면역 검정법(Fluorescence label immunoassay)에 의하여 항원-항체 결합반응을 측정할 수 있다. In another aspect, the present invention provides a method for measuring a biomarker in a biological sample comprising the step of injecting a biological sample, antigen-specific antibody and fluorescent beads containing the antigen as a biomarker in the sample inlet of the bio-sensing chip In addition, the antigen-antibody binding reaction can be measured by fluorescence label immunoassay.

상기 항원 및 항체의 항원-항체 결합반응은 효소결합 면역흡착 분석법 (enzyme linked immunosorbent assay; ELISA), 방사선 면역측정법 (radioimmunoassay; RIA), 샌드위치 면역측정법 (sandwich immunoassay), 폴리아크릴아미드 겔 상의 웨스턴 블럿 또는 면역 블럿 분석법 등이 있으나, 바람직하게는 샌드위치 측정법에 의하여 진행하는 것이 좋다. The antigen-antibody binding reaction of the antigen and antibody can be performed by enzyme linked immunosorbent assay (ELISA), radioimmunoassay (RIA), sandwich immunoassay, western blot on polyacrylamide gel or Although there is an immunoblot analysis method, it is preferable to proceed by the sandwich measurement method.

상기 항원-항체 결합에 따라 금 박막에 고정화된 형광 비드의 개수를 형광 현미경 등으로 측정하여 바이오 마커인 항원의 농도를 측정할 수 있으며, 이 경우 형광 비드의 측정값을 표준 곡선과 비교하는 것에 의하여 바이오 마커의 농도를 정량화할 수 있다. According to the antigen-antibody binding, the number of fluorescent beads immobilized on the gold thin film may be measured by a fluorescence microscope to measure the concentration of the antigen, which is a biomarker. In this case, by comparing the measured values of the fluorescent beads with a standard curve The concentration of the biomarker can be quantified.

또한, 형광현미경을 통해 관찰된 패턴화된 박막 내부와 외부를 비교하여 한눈에 비특이적 결합 여부를 관찰할 수 있으며, 박막 내부와 외부에 고정된 비드의 개수를 비교하여, 항원-항체 반응의 특이적 결합에 의한 신호를 측정할 수 있다.In addition, by comparing the inside and the outside of the patterned thin film observed through the fluorescence microscope can be observed whether the non-specific binding at a glance, by comparing the number of beads fixed inside and outside the thin film, specificity of the antigen-antibody reaction The signal by combining can be measured.

특히, 하부 기판에 존재하는 복수의 패턴화된 박막에 바이오 마커를 동시에 반응시켜 박막 내부 및 외부에 결합된 비드의 개수를 비교하여 비특이적 결합을 특이적 결합과 구분하는 동시에, 결합된 비드의 개수를 평균값과 분산을 이용하여 정량화하면, 한 개의 패턴에서의 반응에 의한 정량화 방법보다 오차를 줄일 수 있어 신호의 정량화에 재현성 및 정확도를 보장할 수 있게 된다.
In particular, the biomarker is simultaneously reacted with a plurality of patterned thin films on the lower substrate to compare the number of beads bound to the inside and outside of the thin film, thereby distinguishing the non-specific binding from the specific binding, and simultaneously determining the number of bound beads. Quantification using the mean value and the variance can reduce the error than the quantification method by the response in one pattern, thereby ensuring reproducibility and accuracy in the quantification of the signal.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited thereto.

제조예 : 바이오 센싱 칩의 제조Preparation Example: Preparation of Bio Sensing Chip

도 1은 본 발명의 바이오 센싱 칩을 도시한 것으로, 상기 바이오 센싱 칩은 음각으로 패턴화된 금 박막(112)과 실리콘 기판을 포함하는 센싱부(100) 및 생체 시료 투입구(212b)와 채널(212a)를 포함하는 채널부(200)로 구성된다. 이 때, 하나의 칩에 채널은 4개(7.5 × 2 × 0.12 mm3)가 존재하며, 각각의 채널에서 생체 시료와 접촉되는 금 박막은 5개의 직사각형 형태(800 ㎛ × 180 ㎛)로 패턴화된다. 1 illustrates a biosensing chip according to an embodiment of the present invention, wherein the biosensing chip includes a sensing unit 100 including an intaglio patterned gold thin film 112 and a silicon substrate, a biological sample inlet 212b, and a channel ( And a channel unit 200 including 212a. At this time, four channels (7.5 × 2 × 0.12 mm 3 ) exist in one chip, and the gold thin film contacting the biological sample in each channel is patterned into five rectangular shapes (800 μm × 180 μm). do.

또한 도 2는 상기 센싱부와 채널부를 분리하여 도시화한 것이다.
2 shows the sensing unit and the channel unit separately.

실시예 1 : 바이오 센싱 칩을 이용한 바이오 마커의 측정Example 1 Measurement of Biomarkers Using Biosensing Chips

상기 바이오 센싱 칩의 금 박막 표면에 항체를 고정화시키기 위하여 항체와 반응할 수 있는 3,3'-디티오-비스-프로피온산 N-하이드록시숙신이미드 에스터(DTSP) 자기조립 단분자막을 형성시켰다. 단분자막을 형성시키기 앞서, 피라나 용액 (piranha solution : 30중량% H2O2와 H2SO4 1 : 4, v/v)로 바이오 센싱 칩의 센싱부를 세척하거나 150 W, O2 50 sccm의 플라즈마에 5분동안 노출시켜 세척하였다. 상기 세척된 센싱부를 5mM DTSP가 용해된 DMSO 용액에 2시간 동안 담지함으로써 패턴된 금 박막에 DTSP 단분자막을 형성하여 숙신이미드기를 노출시켰다. A 3,3'-dithio-bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester (DTSP) self-assembled monolayer was formed to immobilize the antibody on the gold thin film surface of the bio-sensing chip. Prior to forming the monomolecular film, the sensing part of the biosensing chip may be washed with a piranha solution (30 wt% H 2 O 2 and H 2 SO 4 1: 4, v / v) or 150 W, O 2 50 sccm Washing by exposure to plasma for 5 minutes. The washed sensing part was immersed in a DMSO solution in which 5 mM DTSP was dissolved for 2 hours to form a DTSP monomolecular film on the patterned gold thin film to expose the succinimide group.

단분자막을 형성시킨 후 센싱부를 DMSO와 에탄올 용액과 3차 증류수로 세척하고, 채널부와 결합시킨다. 채널부의 한쪽 시료 투입구에 0.1 mg/ml cTnI(Cardiac Troponin I, Biodesign 社 625 clone) 제1항체를 8 μl 흘려주어 1시간 동안 반응시켜 DTSP의 숙신이미드기와 항체의 아민기의 결합을 이용하여 상기 제1항체를 고정화시킨다.After forming the monomolecular film, the sensing unit is washed with DMSO and ethanol solution and tertiary distilled water and combined with the channel unit. 8 μl of 0.1 mg / ml cTnI (Cardiac Troponin I, 625 clone from Biodesign) was flowed into one sample inlet of the channel part, and reacted for 1 hour. Immobilize the first antibody.

과량의 PBS(phosphate buffered saline)를 채널에 흘려주어 남은 항체를 세척한 후, 자기조립 단분자막에서 미반응 잔기의 숙신이미드기에서 비 특이적 결합을 최소화하기 위하여 10 mM 에탄올 아민용액을 10분간 흘려주어 숙신이미드기를 차단(blocking)하였으며, 중탄산염 버퍼(bicarbonate buffer)와 PBS 용액을 흘려주어 세척하였다. 그 후 심근 경색 마커인 cTnI 를 0, 0.1, 1, 10, 100 ng/ml 의 농도로 첨가한 PBS 용액 8 μl를 각각 시료 투입구를 통하여 채널에 주입하여 30 분 동안 반응시켰다. 과량의 PBS를 흘려주어 반응되지 않고 남은 cTnI를 세척하였다. Excess PBS (phosphate buffered saline) was flowed into the channel to wash the remaining antibody, and 10 mM ethanol amine solution was flowed for 10 minutes to minimize non-specific binding at the succinimide group of unreacted residues in the self-assembled monolayer. The succinimide groups were blocked, and washed by pouring a bicarbonate buffer and a PBS solution. Thereafter, 8 μl of a PBS solution added with cTnI, a myocardial infarction marker at a concentration of 0, 0.1, 1, 10, and 100 ng / ml, was injected into the channel through a sample inlet, and reacted for 30 minutes. Excess PBS was flushed to wash out cTnI that remained unreacted.

한편, 칩 표면에 고정화된 cTnI를 광학적으로 측정하기 위하여 형광 비드와 cTnI 2차 항체의 합성물을 제조하였다. 540 nm에서 여기(excitation) 되고, 560 nm에서 방출(emission)되는 오렌지 색의 형광 물질이 담지된 200 nm 크기의 폴리스티렌 형광 비드(Invitrogen 社 F8809, 1 ml 당 4.6 × 1013 개의 비드 포함)에 카르보다이이미드와 하이드록시숙신산을 첨가하여 비드 표면의 카르복실산이 항체의 아민기와 반응할 수 있도록 15분간 활성화시켰다. 이후, cTnI 2차 항체(detecting antibody, Biodesign 社 19C7 clone)를 첨가하여 2시간 동안 반응시킨 후, 항원-항체 결합에 따른 특이적 결합 이외의 비특이적 결합을 최소로 하기 위해 L-라이신(L-lysine)과 PEG로 항체와 반응하고 남아 있는 아민반응성 잔기를 차단하여 형광 비드와 cTnI 2차 항체의 합성물을 얻었다.Meanwhile, in order to optically measure cTnI immobilized on the chip surface, a composite of fluorescent beads and cTnI secondary antibody was prepared. Carbohydrates were prepared in 200 nm polystyrene fluorescent beads (Invitrogen F8809, containing 4.6 × 10 13 beads per ml) loaded with orange fluorescent material which was excited at 540 nm and emitted at 560 nm. Vodaimide and hydroxysuccinic acid were added to activate the carboxylic acid on the surface of the beads for 15 minutes to react with the amine groups of the antibody. Then, cTnI secondary antibody (detecting antibody, 19C7 clone of Biodesign Co., Ltd.) was added and reacted for 2 hours, and then L-lysine (L-lysine) was used to minimize nonspecific binding other than specific binding according to antigen-antibody binding. ) And PEG reacted with the antibody and blocked the remaining amine reactive residues to obtain a composite of fluorescent beads and cTnI secondary antibody.

센싱부에 고정화된 cTnI의 농도를 측정하기 위하여 상기 제조된 형광 비드와 cTnI 2차 항체의 합성물을 BSA가 0.1 % 포함된 PBST(PBS-Triton X 100) 버퍼로 100 배 희석한 뒤, 상기 희석액 8 μl를 채널부에 주입하여 10 분 동안 반응시켰다. In order to measure the concentration of cTnI immobilized on the sensing unit, the prepared mixture of fluorescent beads and cTnI secondary antibody was diluted 100-fold with PBST (PBS-Triton X 100) buffer containing 0.1% of BSA, and the dilution 8 μl was injected into the channel and allowed to react for 10 minutes.

상기 센싱부에서의 센싱 과정을 도식화한 것을 도 3에 나타내었다. 3 illustrates a sensing process of the sensing unit.

이후, 칩의 패턴된 박막에 결합된 비드는 Image J프로그램을 이용하여 그 수를 세어 정량화하였으며, 패턴과 패턴 외부에 결합된 비드의 수를 비교하여 항원-항체 반응에 의한 특이적 반응과 정전기적 결합 및 소수성 결합과 같은 비특이적 결합의 정도를 함께 비교하였다. 이 때, 패턴 외부(실리콘 기판 부)의 비드 개수는 패턴과 똑같은 크기의 800 ㎛ × 180 ㎛로 분획하여 정량하여 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.Afterwards, the beads bound to the patterned thin film of the chip were counted and quantified using the Image J program, and the specific reaction and the electrostatic reaction by the antigen-antibody reaction were compared by comparing the pattern and the number of beads bound outside the pattern. The degree of nonspecific binding, such as binding and hydrophobic binding, was compared together. At this time, the number of beads outside the pattern (silicon substrate portion) was quantified by dividing it into 800 μm × 180 μm having the same size as the pattern, and the results are shown in FIGS. 4 and 5.

도 4에서 보는 바와 같이 0.1 ng/ml부터 100 ng/ml 의 항체의 농도에 따라 패턴화된 박막 내부와 외부에서 형광 비드의 결합 정도가 상이함을 확인할 수 있었으며, 비드의 개수를 정량화한 도 5에서는 0.1 ng/ml 까지 측정이 가능함을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 4, the degree of binding of the fluorescent beads in and out of the patterned thin film was different depending on the concentration of the antibody from 0.1 ng / ml to 100 ng / ml, and the number of beads was quantified in FIG. 5. In it was confirmed that the measurement to 0.1 ng / ml.

실시예 2 : 바이오틴 결합 항체와 아비딘 결합 형광 비드 간의 결합을 이용한 바이오 마커의 측정Example 2 Measurement of Biomarkers Using Binding Between Biotin-Binding Antibodies and Avidin-Bound Fluorescent Beads

상기 실시예 1에서 보다 증폭된 신호를 얻기 위하여 바이오틴-아비딘 반응을 도입하고자 하기와 같이 실험하였다. In order to introduce a biotin-avidin reaction in order to obtain a more amplified signal in Example 1 was tested as follows.

제2항체로서 바이오틴을 결합시킨 cTnI 항체(영인프런티어 社, LF-EK0128 ELISA kit) 8 μl를 채널부에 흘려주어 30분 간 반응시켰다. As a second antibody, 8 μl of a cTnI antibody (LF-EK0128 ELISA kit, Youngin Frontier Co., Ltd.) bound to the biotin was poured into the channel portion and allowed to react for 30 minutes.

한편, 상기 실시예 1과 동일한 폴리스티렌 형광 비드(Invitrogen 社 F8809, 1 ml 당 4.6 × 1013 개의 비드 포함)에 카르보다이이미드와 하이드록시숙신산을 첨가하여 비드 표면의 카르복실산이 항체의 아민기와 반응할 수 있도록 15분간 활성화시켰다. 다음, 아비딘을 첨가하여 2시간 동안 반응시킨 후, 항원-항체 결합에 따른 특이적 결합 이외의 비특이적 결합을 최소로 하기 위해 L-라이신(L-lysine)과 PEG로 항체와 반응하고 남아 있는 아민반응성 잔기를 차단하여 아비딘 결합 형광 비드를 얻었다.Meanwhile, carbodiimide and hydroxysuccinic acid were added to the same polystyrene fluorescent beads (Invitrogen F8809, including 4.6 × 10 13 beads per ml) as in Example 1, whereby the carboxylic acid on the surface of the beads reacted with the amine group of the antibody. It was activated for 15 minutes. Next, after adding avidin for 2 hours and reacting the antibody with L-lysine and PEG to minimize nonspecific binding other than the specific binding according to antigen-antibody binding, the remaining amine reactivity The residues were blocked to yield avidin binding fluorescent beads.

센싱부에 고정화된 cTnI의 농도를 측정하기 위하여 상기 제조된 아비딘 결합 형광 비드를 BSA가 0.1 % 포함된 PBST(PBS-Triton X 100) 버퍼로 100 배 희석한 뒤, 상기 희석액 8 μl 를 채널부에 투입하여 10 분 동안 반응시켰다. In order to measure the concentration of cTnI immobilized on the sensing unit, the prepared avidin-bound fluorescent beads were diluted 100-fold with PBST (PBS-Triton X 100) buffer containing 0.1% of BSA, and 8 μl of the diluted solution was added to the channel unit. It was added and reacted for 10 minutes.

이 때, 센싱부에서의 센싱 과정을 도식화한 것을 도 6에 나타내었다. 6 illustrates a schematic diagram of a sensing process of the sensing unit.

또한, 실시예 1과 동일하게 정량화 과정을 진행하였으며, 패턴과 패턴 외부에 결합된 비드의 형태 및 정량화 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었다. In addition, the quantification process was performed in the same manner as in Example 1, and the morphology and quantification results of the pattern and the beads bound to the outside of the pattern are shown in FIGS. 7 and 8.

상기 도 7 및 8에서 보는 바와 같이 실시예 1에 비하여 패턴 내 고정화된 형광 비드의 양이 증가하여 보다 정밀한 측정이 가능함을 확인할 수 있었다.
As shown in FIGS. 7 and 8, it was confirmed that the amount of fluorescent beads immobilized in the pattern was increased as compared with Example 1, thereby enabling more accurate measurement.

10 : 하부 기판 12 : 금 박막
14 : 자기조립 단층막 20 : 1차 항체
30 : 항원 40 : 2차 항체
42 : 바이오틴 46 : 아비딘
50 : 형광 비드
100 : 센싱부 110 : 하부 기판
112, 114, 116, 118 : 금 박막
200 : 채널부 210 : 상부 기판
212, 214, 216, 218 : 채널
10: lower substrate 12: gold thin film
14 self-assembled monolayer 20: primary antibody
30: antigen 40: secondary antibody
42: Biotin 46: Avidin
50: fluorescent bead
100 sensing unit 110 lower substrate
112, 114, 116, 118: gold thin film
200: channel portion 210: upper substrate
212, 214, 216, 218: Channel

Claims (11)

하부 기판에 음각 형태로 금 박막이 패턴화된 센싱부; 및
상부 기판의 생체 시료 투입구와 상기 센싱부에 생체 시료가 접촉될 수 있는 이동 통로를 제공하는 채널을 포함하는 채널부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 분석용 바이오 센싱 칩.
A sensing unit in which a gold thin film is patterned in a negative shape on a lower substrate; And
Channel portion including a biological sample inlet of the upper substrate and a channel providing a moving passage for contacting the biological sample to the sensing unit
Biosensing chip for biological sample analysis, comprising a.
제 1 항에 있어서, 상기 금 박막 표면에 형성된 자기조립 단층막이 형성되는 것을 특징으로 하는 생체 시료 분석용 바이오 센싱 칩.
The biosensing chip for biological sample analysis according to claim 1, wherein a self-assembled monolayer film formed on the surface of the gold thin film is formed.
제 2 항에 있어서, 상기 자기조립 단층막은 3,3'-디티오-비스-프로피온산 N-하이드록시숙신이미드 에스터(3,3'-dithio-bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester, DTSP)로 이루어진 것을 특징으로 하는 생체 시료 분석용 바이오 센싱 칩.
The method of claim 2, wherein the self-assembled monolayer film is 3,3'-dithio-bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester (3,3'-dithio-bis-propionic acid N-hydroxysuccinimide ester, DTSP). Bio-sensing chip for biological sample analysis, characterized in that made.
제 1 항에 있어서, 상기 채널은 2개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 분석용 바이오 센싱 칩.
The biosensing chip of claim 1, wherein at least two channels are present.
제 1 항에 있어서, 각각의 채널에서 생체 시료와 접촉되는 금 박막은 2개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 분석용 바이오 센싱 칩.
The biosensing chip for biological sample analysis according to claim 1, wherein at least two gold thin films contacting the biological sample in each channel are present.
제 1 항 내지 제 5 항 중 선택된 어느 한 항의 바이오 센싱 칩의 시료 투입구에 바이오 마커인 항원이 포함된 생체 시료, 항원 특이적 항체 및 형광 비드를 투입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법.
Claims 1 to 5 in the biological sample comprising the step of injecting a biological sample, antigen-specific antibody and fluorescent beads containing the antigen as a biomarker in the sample inlet of the biosensing chip of any one of the selected. Method for measuring biomarkers.
제 6 항에 있어서, 형광에 의한 표지 면역 검정법(Fluorescence label immunoassay)에 의하여 항원-항체 결합반응을 측정하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법.
The method of measuring a biomarker in a biological sample according to claim 6, wherein the antigen-antibody binding reaction is measured by a fluorescence label immunoassay.
제 6 항에 있어서, 샌드위치 면역측정법(sandwich immunoassay)에 의하여 항원-항체 결합반응을 측정하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법.
The method of measuring biomarkers in a biological sample according to claim 6, wherein the antigen-antibody binding reaction is measured by a sandwich immunoassay.
제 6 항에 있어서, 패턴화된 금 박막의 내부 및 외부에 고정된 형광 비드의 양을 비교하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법.
The method of claim 6, wherein the amount of fluorescent beads immobilized on the inside and outside of the patterned gold thin film is compared.
제 6 항에 있어서, 패턴화된 금 박막 각각에서의 측정값을 평균하여 정량화하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법.
The method of claim 6, wherein the measured values in each of the patterned gold thin films are averaged and quantified.
제 6 항에 있어서, 상기 형광 비드의 측정값을 표준 곡선과 비교하는 것에 의하여 바이오 마커의 농도를 정량하는 것을 특징으로 하는 생체 시료 내 바이오 마커의 측정방법.
The method of claim 6, wherein the concentration of the biomarker is quantified by comparing the measured value of the fluorescent beads with a standard curve.
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