KR20120062327A - 바이오센서 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내벽 표면에 프로브 분자들이 고정화되어 있는 모세관 및 타겟 분자들을 함유하며 상기 모세관 내에 채워지는 액체시료를 포함하고,
상기 모세관 내벽 표면과 액체시료 간의 접촉각이 상기 프로브 분자들과 상기 타겟 분자들 간의 특이적인 결합에 따라 변화하고, 상기 접촉각의 변화에 따라 모세관 내 액체시료의 높이가 변화하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치를 제공한다.

Description

바이오센서 장치 및 이의 제조방법{BIOSENSOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 모세관 내부에 채워지는 액체시료 내의 타겟 분자와모세관 내벽에 고정화된 프로브 분자들 간의 특이적 결합에 따른, 액체시료-모세관 내벽 접촉각 변화 및 이로 인한 액체시료의 높이 변화로부터 액체시료 내 타겟 분자의 양을 측정하는 바이오센서 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
액체 생체시료 내에 포함되어 있는 특정 타겟(target) 바이오 분자(단백질, 효소, DNA 등)를 검출하기 위한 대부분의 바이오센서들은 센싱부 표면에 프로브(probe) 분자들이 고정화되어 있는데, 이들 프로브 분자들은 특정 타겟 분자들과만 특이적인 결합을 함으로써 선택적인 검출을 가능하게 한다.
타겟 분자와 프로브 분자들 간의 결합을 정량적으로 검출하는 센서 방식은 광학적 방식과 전기적 방식으로 나눌 수 있는데, 광학적 방식은 센싱부 표면의 프로브 분자와결합한 타겟 분자에 형광물질, 인광물질, 발색물질 등의 발광물질을 표지한 후, 이로부터 발생하는 광신호를 감지하는 방법이다. 반면, 전기적 방식은 센싱부인 전계효과트랜지스터(field effect transistor)의 채널 표면에프로브 분자를 고정화하고, 이에 타겟 분자가 결합할 때 발생하는 타겟 분자 전하에 의한 채널전류 변화를 감지하는 방법 등이 주로 사용된다.
이러한 종래의 기술들은 타겟 분자와 프로브 분자 간의 결합을 광학적, 전기적 신호로 변환하는 센서 소자부 외에, 변환된 신호를 검출, 측정하기 위한 별도의 분석장치를 필요로 한다. 즉, 광학적 방식의 경우 발광 표지자의 신호를 검출하기 위해 광학 스캐너 등 고가의 광학계를 갖춘 대형 분석기기가 사용되며, 전기적 방식의 경우에는 수 내지 수십 nA 크기의 미세전류 변화를 높은 신호 대 잡음 비율로 측정할 수 있는 계측기가 필요하다.
즉, 종래의 바이오센서 기술에서는 센서 소자 이외에 센서 신호 검출 및 처리, 외부 표시 등의 모듈을 갖춘 별도의 리더기(reader)가 반드시 필요하며, 이러한 리더기는 휴대형, 저가형의 시스템으로 구현하기가 어려워 사용자 편의성이나 접근성, 진단의 신속성 및 비용 측면에서 문제점을 지니고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 사용자가 별도의 분석장치 없이 현장에서 육안으로 생체시료 내 타겟 분자의 양을 확인할 수 있는 새로운 방식의 바이오센서 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 내벽 표면에 프로브 분자들이 고정화되어 있는 모세관 및 타겟 분자들을 함유하며 상기 모세관 내에 채워지는 액체시료를 포함하고,
상기 모세관 내벽 표면과 액체시료 간의 접촉각이 상기 프로브 분자들과 상기 타겟 분자들 간의 특이적인 결합에 따라 변화하고, 상기 접촉각의 변화에 따라 모세관 내 액체시료의 높이가 변화하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
모세관을 준비하는 단계
상기 모세관 내벽 표면에 프로브 분자들을 고정화하는 단계
상기 프로브 분자와 특이적인 결합을 하는 타겟 분자들을 함유하는 액체시료를 준비하는 단계 및
상기 액체시료 속에 상기 모세관을 담그는 단계를 포함시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바이오센서 장치에 따르면, 별도의 리더기를 사용하지 않고 단위 센서소자 만으로 액체 생체시료 내의 특정 타겟 분자의 양을 육안으로 확인할 수 있다. 따라서, 사용자가 현장에서 신속, 간편하게 분석 결과를 확인할 수 있으며, 리더기 제작 및 운용에 따르는 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 평탄한 고체 표면과 그 위에 놓여있는 액체시료 방울 간의 접촉각(θc)을 나타낸 것이다.
도 2는 기판 표면에 부착되어 있던 바이오틴 분자에 스트렙타비딘이 결합되면서 접촉각이 변하는 것을 나타낸 것이다.
도 3은 모세관 압력에 의해 모세관 내부의 액체시료가 상승 또는 하강하는 것을 나타낸 것이다.
도 4는 타겟 분자의 결합에 의해 접촉각이 감소하는 경우(θc1>θc2)에 대하여, 타겟 분자의 농도가 낮을 때(h1)와 높을 때(h2)의 상승 높이 차이를 보여주는 실시예이다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 바이오센서 장치는 내벽 표면에 프로브 분자들이 고정화되어 있는 모세관 및 타겟 분자들을 함유하며 상기 모세관 내에 채워지는 액체시료를 포함하고,
상기 모세관 내벽 표면과 액체시료 간의 접촉각이 상기 프로브 분자들과 상기 타겟 분자들 간의 특이적인 결합에 따라 변화하고, 상기 접촉각의 변화에 따라 모세관 내 액체시료의 높이가 변화하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 모세관이란 모세관 현상이 일어날 정도로 가늘고 긴 관을 의미한다.
또한, 모세관 현상은 액체 속에 모세관을 넣었을 때, 액체의 응집력와 모세관과 액체 사이의 부착력에 의해 모세관 내부의 액체 표면이 외부의 표면보다 높거나 낮아지는 현상이다.
상기 모세관은 액체시료의 높이를 육안으로 확인할 수 있도록 투명재질인 것이 바람직하다.
상기 모세관 외벽 표면에는 액체시료의 높이를 확인할 수 있는 눈금이 표시될 수 있다.
상기 프로브 분자는 특정 타겟 분자와 특이적인 결합을 하며, 그 예로 단백질, 효소, DNA 등을 들 수 있다. 바이오틴이 바람직하나, 이에만 한정되지는 않는다.
상기 타겟 분자는 특정 프로브 분자와 특이적인 결합을 하고, 그 예로 단백질, 효소, DNA 등을 들 수 있다. 스트렙타비딘이 바람직하나, 이에만 한정되지 않는다.
상기 액체시료는 특별히 한정되지는 않으나, 모세관 현상을 나타낼 수 있을 정도의 밀도를 가질 것을 요한다.
평탄한 고체 표면과 그 위에 놓여있는 액체시료 방울 간의 접촉각(θc)는 도 1에서와 같이 도시되고, 액상-기상, 고상-액상, 고상-기상 간의 계면에너지를 각각 γLG, γSL, γSG 라고 할 때 하기 수학식 1로 표시된다.
[수학식 1]
Figure pat00001

위 식에 의하면, 액체시료와 고체 표면 간의 접촉각(θc)은 고상-액상 간 계면에너지(γSL)가 낮아짐에 따라 점차 작아지는 특성을 보인다.
Rio와 Smirnov 등은 프로브 분자인 바이오틴이 고정화되어 있는 유리기판 표면에 타겟 분자인 스트렙타비딘을 함유하는 액체시료를 떨어뜨린 후 시간에 따른 접촉각의 변화를 측정하였는데, 스트렙타비딘의 농도가 높아지거나 반응시간이 길어질수록 접촉각이 점차 감소함을 확인하였다 (Applied Materials and Interfaces Vol 1, No.4, 768-774 (2009)).
도 2에서와 같이, 기판 표면에 부착되어 있던 바이오틴 분자에 스트렙타비딘이 결합되면서 고체기판-액체시료 간 계면에너지(γSL)가 감소하였다. 상기 계면에너지(γSL)의 감소폭은 표면에 결합되는 스트렙타비딘, 즉 시료 내 스트렙타비딘의 양이 증가함에 따라 커졌다. 이러한 결과는, 고체기판-액체시료 계면에서 발생하는 바이오틴과 스트렙타비딘 간의 특이적 결합 반응이 계면에너지를 변화시키고, 접촉각을 변하게 할 수 있음을 보여주는 것이다.
본 발명의 바이오센서 장치는, 이러한 시료 내 타겟 분자 수에 따른 접촉각 변화 양상을 육안으로 확인할 수 있도록 하기 위하여 모세관 현상을 이용한다.
도 3에서와 같이, 충분히 작은 반경을 가지며 그 내벽에 프로브 분자들이 고정화되어 있는 모세관을 액체시료에 담그면, 구형의 메니스커스(meniscus)를 사이에 두고 발생하는 모세관 압력에 의해 모세관 내부의 액체시료가 상승 또는 하강한다. 액체시료의 높이(h)는 하기 수학식 2로 표시된다.
[수학식 2]
Figure pat00002

여기서, h는 액체시료의 높이, γLG는 액상-기상 간 계면에너지, θc는 접촉각, ρ는 액체시료의 밀도, g는 중력가속도, r은 모세관의 반경을 의미한다.
즉, 액상-기상 간 계면에너지(γLG)가 일정할 때, θc가 90도 이하이면 양(상승), 그 이상이면 음(하강)의 값을 가진다.
따라서, 앞에서 기술한 바와 같이, 액체시료와 모세관 내벽 간의 접촉각(θc)이 타겟 분자와 프로브 분자 간의 결합에 의해 변화하는 경우, 이는 모세관 내 액체시료의 높이 변화로 나타나게 된다. 또한, 그 변화폭은 상기 모세관 내벽 표면에 고정화된 프로브 분자와 결합하는 타겟 분자의 수에 비례하게 되므로, 결국 시료 내 타겟 분자의 농도를 나타내는 척도가 된다.
이러한 원리를 이용한 본 발명의 바이오센서는 특정 프로브 분자들이 내벽에 고정화되어 있는 투명 모세관을 액체시료에 담그고, 일정 시간이 경과한 후 액체시료의 높이를 확인하고, 그 높이를 미리 보정된 눈금과 비교함으로써 액체시료 내 타겟 분자의 양을 정량적으로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은
모세관을 준비하는 단계
상기 모세관 내벽 표면에 프로브 분자들을 고정화하는 단계
상기 프로브 분자와 특이적인 결합을 하는 타겟 분자들을 함유하는 액체시료를 준비하는 단계 및
상기 액체시료 속에 상기 모세관을 담그는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치의 제조방법을 제공한다.
상기 모세관은 액체시료의 높이를 육안으로 확인할 수 있도록 투명재질인 것이 바람직하며, 상기 모세관 외벽 표면에는 액체시료의 높이를 확인할 수 있는 눈금이 표시될 수 있다.
본 발명에 따르면 사용자가 별도의 분석장치 없이 현장에서 육안으로 생체시료 내 타겟 분자의 양을 확인할 수 있다.

Claims (12)

  1. 내벽 표면에 프로브 분자들이 고정화되어 있는 모세관 및
    타겟 분자들을 함유하며 상기 모세관 내에 채워지는 액체시료를 포함하며,
    상기 모세관 내벽 표면과 액체시료 간의 접촉각이 상기 프로브 분자들과 상기 타겟 분자들 간의 특이적인 결합에 따라 변화하고, 상기 접촉각의 변화에 따라 모세관 내 액체시료의 높이가 변화하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 모세관은 투명재질이고, 외벽에는 액체시료의 높이를 확인할 수 있는 눈금이 표시되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 프로브 분자는 단백질, 효소 또는 DNA이고, 상기 타겟 분자는 단백질, 효소 또는 DNA인 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 프로브 분자는 바이오틴이고, 상기 타겟 분자는 스트렙타비딘인 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 접촉각은 액체시료 내 타겟 분자 수에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 액체시료의 높이의 변화 크기는 상기 모세관 내벽 표면에 고정화된 프로브 분자와 결합하는 타겟 분자 수에 비례하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 모세관 내 액체시료의 높이(h)는 하기 수학식 2로 표시되고, 하기 액상-기상 간 계면에너지(γLG)가 일정할 때, θc가 90도 이하이면 양(상승), 90도 이상이면 음(하강)의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.

    [수학식 2]
    Figure pat00003


    여기서, h는 액체시료의 높이, γLG는 액상-기상 간 계면에너지, θc는 액체시료와 고체표면 간의 접촉각, ρ는 액체시료의 밀도, g는 중력가속도, r은 모세관의 반경이다.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 프로브 분자들이 내벽에 고정화되어 있는 투명 모세관을 액체시료에 담그고, 일정 시간이 경과한 후 액체시료의 높이를 확인하고, 그 높이를 미리 보정된 눈금과 비교함으로써 액체시료 내 타겟 분자의 양을 정량적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
  9. 모세관을 준비하는 단계
    상기 모세관 내벽 표면에 프로브 분자들을 고정화하는 단계
    상기 프로브 분자와 특이적인 결합을 하는 타겟 분자들을 함유하는 액체시료를 준비하는 단계 및
    상기 액체시료 속에 상기 모세관을 담그는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 모세관은 투명재질이고, 모세관 외벽에는 액체시료의 높이를 확인할 수 있는 눈금이 표시되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치의 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 프로브 분자는 단백질, 효소, DNA이고, 상기 타겟 분자는 단백질, 효소, DNA인 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치의 제조방법.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 프로브 분자는 바이오틴이고, 상기 타겟 분자는 스트렙타비딘인 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치의 제조방법.
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