KR20130104779A - Method for detecting contaminants from samples using quantum dot based competitive immunoassay and multiplexed flow cytometric readout - Google Patents

Method for detecting contaminants from samples using quantum dot based competitive immunoassay and multiplexed flow cytometric readout Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method for detecting a contaminant from a sample by quantum dot-based competitive immunoassay and multiplex flow cytometry is provided to enhance sensitivity (reduction of LOD and increase of measurement range), to shorten analysis time, and to simplify operation, thereby quickly and easily diagnosing dangerous factors in the sample with high sensitivity. CONSTITUTION: A method for detecting a contaminant from a sample by quantum dot-based competitive immunoassay and multiplex flow cytometry comprises the steps of: preparing polystyrene bead-antigen competitive complexes in which each antigen is conjugated to polystyrene beads; preparing quantum dot probes in which each antibody is conjugated to quantum dots; applying the polystyrene bead-antigen competitive complexes to a sample solution to be analyzed; and adding the quantum dot probes; and analyzing the sample solution using a flow cytometry device. [Reference numerals] (1) Produce a sample solution; (2) Add polystyrene bead-antigen (PB/Ag) competitive complexes; (3) Add quantum dot detecting probe; (4) Competitive immune reaction; (5) Implement a flow cytometry; (AA) Pollutant (antigen) 1; (BB) Pollutant (antigen) 2; (CC) PB/Ag complex 1; (DD) PB/Ag complex 2; (EE) Quantum dot detecting probe 1; (FF) Quantum dot detecting probe 2; (GG) Quantum dot detecting probe combined PB/Ag complex; (HH) Laser; (II) Photoelectron multiplier (fluorescence channel 1); (JJ) Photoelectron multiplier (fluorescence channel 3); (KK) Collect data; (SS) Side Wall Scattering

Description

양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법 {Method for detecting contaminants from samples using quantum dot based competitive immunoassay and multiplexed flow cytometric readout}Method for detecting contaminants from samples using quantum dot based competitive immunoassay and multiplexed flow cytometric readout

본 발명은 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용하여 시료 중으로부터 오염물질을 다중 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for multiple detection of contaminants from a sample using quantum dot based competitive immunoassays and multiple flow cytometry.

환경 오염물질의 검출은 음용수 관련 공중위생에 있어서 큰 관심사이며, 이는 주로 미생물과 화학적 위험인자에 인체가 노출되는 것과 관련된다. 음용수의 안전성을 효과적으로 보장하기 위해서는 엄격한 수질 기준 및 요구 사항을 만족해야 하며, 이를 위해서는 종래 분석기술의 단점을 극복하면서, 환경 오염물질을 고감도로, 신속하게, 또한 사용하기 쉽게 진단하기 위한 더욱 강력한 분석 장치가 필요하다. 더 나아가, 실제 현장 분석을 위해서는, 복잡한 물 시료 내 여러 특정 표적 화합물들을 동시에 측정할 수 있어야 한다.The detection of environmental pollutants is of great concern for drinking water-related sanitation, which is mainly associated with human exposure to microorganisms and chemical hazards. To ensure the safety of drinking water effectively, strict water quality standards and requirements must be met, which is a more powerful analysis for diagnosing environmental pollutants with high sensitivity, speed and ease of use while overcoming the disadvantages of conventional analytical techniques. A device is needed. Furthermore, real field analysis requires the ability to measure several specific target compounds in complex water samples simultaneously.

현재 다중 분석을 위한 2 가지 주요 방법으로는, 반응 부위 및 분석물질의 식별방법에 따라서, 평면 배열법과 비드 기반의 배열법이 있다 (Braeckmans, K.; De Smedt, S. C.; Leblans, M.; Pauwels, R.; Demeester, J., Encoding microcarriers: present and future technologies. Nat Rev Drug Discov 2002, 1, (6), 447-456). 먼저, 평면 배열법에서는 표적 분자들이 평면 상에서 반응하고 코딩되며, 마이크로칩과 같은 정확한 위치 (x, y 좌표)에 따라 검출된다. 다음으로, 다중 분석법에서는 반응이 마이크로비드 (microsphere) 상에서 일어나며, 코딩된 비드 특성에 따라서 반응을 추적한다. 비드를 이용하는 분석법은 분자 반응 속도가 빠르고 및 신속한 판독 성능을 갖기 때문에 평면 미소배열법에 비해 상당한 이점이 있다 (Deng, W.; Drozdowicz-Tomsia, K.; Jin, D.; Goldys, E. M., Enhanced Flow Cytometry-Based Bead Immunoassays Using Metal Nanostructures. Analytical Chemistry 2009, 81, (17), 7248-7255). 이 분석법은 복잡한 혼합물 중에서 다중의 표적 성분들을 동시에 검출할 수 있으며 (다중화 검출), 이는 광학적으로 코딩된 마이크로비드를, 생체분자가 코팅된 형광물질로 표지하여 형광 검출 장비 (예를 들어 유세포 분석기)로 검출함으로써 가능하다.Currently, the two main methods for multiplex analysis are planar and bead-based alignment (Braeckmans, K .; De Smedt, SC; Leblans, M .; Pauwels, depending on the reaction site and method of identification of the analyte). R .; Demeester, J., Encoding microcarriers :. present and future technologies Nat Rev Drug Discov 2002, 1 , (6), 447-456). First, in planar alignment, target molecules react and code on a plane and are detected according to the exact position (x, y coordinate), such as a microchip. Next, in multiple assays, the reaction occurs on microspheres and the reaction is tracked according to the coded bead properties. Assays using beads have significant advantages over planar microarrays because of their fast molecular response and fast read performance (Deng, W .; Drozdowicz-Tomsia, K .; Jin, D .; Goldys, EM, Enhanced Flow). Cytometry-Based Bead Immunoassays Using Metal Nanostructures . Analytical Chemistry 2009, 81, (17), 7248-7255). This assay can simultaneously detect multiple target components in complex mixtures (multiplexing detection), which is used to label optically coded microbeads with fluorescently coated biomolecules to detect fluorescence (eg flow cytometers). It is possible to detect by.

유세포 분석법 (flow cytometry)은, 단일 유체 흐름에 존재하는 대량의 세포 및 기타 미소입자들에 대한 다중 특성을 신속하게 분석하기 위한 강력한 기술로서 (Soman, C. P.; Giorgio, T. D., Quantum Dot Self-Assembly for Protein Detection with Sub-Picomolar Sensitivity. Langmuir 2008, 24, (8), 4399-4404), 생의학 연구분야 (즉, 종양학, 면역학 및 독성학)에서는 통상적인 기술이지만 (Hahn, M. A.; Keng, P. C.; Krauss, T. D., Flow Cytometric Analysis To Detect Pathogens in Bacterial Cell Mixtures Using Semiconductor Quantum Dots. Analytical Chemistry 2008, 80, (3), 864-872), 환경 및 미생물학과 같은 다른 분야에서는 상대적으로 연구가 적다 (Anderson, G. P.; Lamar, J. D.; Charles, P. T., Development of a Luminex Based Competitive Immunoassay for 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT). Environmental Science & Technology 2007, 41, (8), 2888-2893 등). 전체 시료의 평균 분광특성을 측정하는 다른 형광 분석기들과는 달리, 유세포 분석법은 시료 내 거의 모든 개별 입자들을 조사할 수 있고, 광 산란 (크기 및 과립도) 및 다양한 파장에서의 형광 세기와 같은 다중 특성들을 동시에 측정한다. 이러한 장점으로 인해서, 유세포 분석법은 전체 집단에서 다중 파라미터 분석으로 특정 개체를 명확하게 구별할 수 있다. Flow cytometry is a powerful technique for rapidly analyzing multiple properties of large numbers of cells and other microparticles in a single fluid stream (Soman, CP; Giorgio, TD, Quantum Dot Self-Assembly for Protein Detection with Sub-Picomolar Sensitivity. Langmuir 2008, 24 , (8), 4399-4404), a common technique in the field of biomedical research (ie oncology, immunology and toxicology), but (Hahn, MA; Keng, PC; Krauss, TD, Flow Cytometric Analysis To Detect Pathogens in Bacterial Cell Mixtures Using Semiconductor Quantum Dots. Analytical Chemistry 2008, 80 , (3), 864-872, relatively little research in other fields such as environment and microbiology (Anderson, GP; Lamar, JD; Charles, PT, Development of a Luminex Based Competitive Immunoassay for 2,4) , 6-Trinitrotoluene (TNT). Environmental Science & Technology 2007, 41 , (8), 2888-2893, etc.). Unlike other fluorescence analyzers, which measure the average spectral characteristics of an entire sample, flow cytometry can examine almost every individual particle in a sample, and allows for multiple properties such as light scattering (size and granularity) and fluorescence intensity at various wavelengths. Measure at the same time. Because of these advantages, flow cytometry can clearly distinguish specific individuals from multiparametric analyzes across the population.

유세포 분석법에서는 필수적으로, 표적 화합물에 대해 특이적인 생체 분자와 접합한 형광색소 (형광 표지자 또는 탐침)가 사용되는데, 이는 특정 세포 집단을 인식하고 정량화하기 위해 필요하다. 이를 위해서 통상적으로 유기 염료가 사용되지만, 다중 표적을 분석하기 위해 동시에 여러 유기 염료를 사용할 때에는 하기와 같이 일부 심각한 단점과 한계가 존재한다; (1) 유기 염료가 갖는 좁은 흡수 스펙트럼을 분석하기 위해서는 다파장 레이저 또는 형광 공명 에너지 이동 (Fluorescence Resonance Energy Transfer: FRET) 시스템과 같은 보조 여기원을 필요로 하므로, 실험 장치가 복잡해지고 비용이 증가되며, (2) 유기 염료의 넓은 방출 특성은 형광색소 간 스펙트럼 중첩을 야기하여 추가적인 색 보상 및 보정 과정을 필요로 하고, (3) 낮은 양자 효율을 갖는다는 문제점이 있다 (Chattopadhyay, P. K.; Price, D. A.; Harper, T. F.; Betts, M. R.; Yu, J.; Gostick, E.; Perfetto, S. P.; Goepfert, P.; Koup, R. A.; De Rosa, S. C.; Bruchez, M. P.; Roederer, M., Quantum dot semiconductor nanocrystals for immunophenotyping by polychromatic flow cytometry. Nature Medicine 2006, 12, (8), 972-977 등).Essentially in flow cytometry, fluorescent dyes (fluorescent markers or probes) conjugated with biomolecules specific for the target compound are used, which is necessary to recognize and quantify a particular cell population. Organic dyes are commonly used for this purpose, but there are some serious drawbacks and limitations when using multiple organic dyes simultaneously to analyze multiple targets; (1) Analyzing the narrow absorption spectrum of organic dyes requires auxiliary excitation sources such as multi-wavelength lasers or Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) systems, which complicates the experimental setup and increases costs. (2) wide emission characteristics of organic dyes cause spectral overlap between fluorescent dyes, requiring additional color compensation and correction processes, and (3) low quantum efficiency (Chattopadhyay, PK; Price, DA; Harper, TF; Betts, MR; Yu, J .; Gostick, E .; Perfetto, SP; Goepfert, P .; Koup, RA; De Rosa, SC; Bruchez, MP; Roederer, M., Quantum dot semiconductor nanocrystals for immunophenotyping by polychromatic flow cytometry. Nature Medicine 2006, 12 , (8), 972-977, etc.).

따라서, 전술한 문제점들을 개선하기 위해서 이러한 형광색소 대신 반도체 나노입자인 양자점 (Quantum Dot: QD)을 사용하고자 하는 연구가 보고된 바 있다 (Chattopadhyay, P. K.; Perfetto, S. P.; Yu, J.; Roederer, M., The use of quantum dot nanocrystals in multicolor flow cytometry. Wiley Interdisciplinary Reviews : Nanomedicine and Nanobiotechnology 2010, 2, (4), 334-348 등). QD는 유기 염료와 달리 넓은 흡광 스펙트럼을 갖기 때문에, FRET 유도물질이 필요 없고 하나의 여기원 만으로도 실험 장치를 구성할 수 있다. 또한, QD의 방출 스펙트럼 (반치폭 ~ 24-40 nm)은 좁고 대칭적이어서 스펙트럼 중복 현상이 거의 없어 색상 보정과정이 불필요하다. 더 나아가, QD는 높은 양자 수율 및 높은 몰 소광계수 (유기염료의 ~10 - 100배)를 갖기 때문에, 바탕신호와 염색된 집단을 구별하는 능력, 즉 감도가 개선된다.Therefore, research has been reported to use quantum dots (QDs), which are semiconductor nanoparticles instead of such fluorescent dyes, to improve the aforementioned problems (Chattopadhyay, PK; Perfetto, SP; Yu, J .; Roederer, M., The use of quantum dot nanocrystals in multicolor flow cytometry. Wiley Interdisciplinary Reviews : Nanomedicine and Nanobiotechnology 2010, 2 , (4), 334-348, etc.). Unlike organic dyes, QDs have a broad absorption spectrum, which eliminates the need for FRET inducers and can be used to construct experimental devices with just one excitation source. In addition, the emission spectrum (half width ~ 24-40 nm) of the QD is narrow and symmetrical, so there is almost no spectral overlap and no color correction is necessary. Furthermore, since QD has a high quantum yield and a high molar extinction coefficient (˜10-100 times that of organic dyes), the ability to distinguish a background signal from a dyed population, i.e., sensitivity, is improved.

따라서, 본 발명에서는 여러 분석 물질을 동시에 검출하기 위해 유세포 분석 판독법과 병합한 양자점 기반의 경쟁 면역분석법을 제공함으로써, 환경 오염 물질을 고감도 및 고속으로, 용이하게 검출하기 위한 장치를 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a quantum dot-based competitive immunoassay combined with flow cytometry to detect several analytes simultaneously, thereby providing an apparatus for easily detecting environmental contaminants with high sensitivity and high speed.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,In order to solve the above problems,

폴리스티렌 비드에 검출 대상이 되는 각각의 항원이 결합된 각각의 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체들을 제조하는 단계;Preparing respective polystyrene bead-antigen competition complexes to which each antigen to be detected is bound to the polystyrene beads;

양자점에 상기 검출 대상이 되는 각각의 항원과 항원-항체 면역반응을 수행할 수 있는 각각의 항체가 결합된 각각의 양자점 검출 탐침자들을 제조하는 단계;Preparing respective quantum dot detection probes in which quantum dots are bound to each of the antigens to be detected and each antibody capable of performing an antigen-antibody immune response;

상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체들을 분석 대상 시료액에 가해주는 단계;Adding the polystyrene bead-antigen competition complexes to the sample solution to be analyzed;

상기 양자점 검출 탐침자들을 상기 분석 대상 시료액에 가해주는 단계; 및Applying the quantum dot detection probes to the sample liquid to be analyzed; And

상기 분석 대상 시료액을 유세포 분석장치 중에서 분석하는 단계를 포함하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법을 제공한다.It provides a method for detecting contaminants in a sample using a quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry comprising the step of analyzing the sample solution in the flow cytometry.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체는 스트렙타비딘 코팅된 폴리스티렌 비드와 바이오틴화된 검출 항원의 접합 반응에 의해서 형성될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the polystyrene bead-antigen competition complex may be formed by conjugation reaction of streptavidin coated polystyrene beads with biotinylated detection antigen.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 양자점 검출 탐침자들은 상기 검출 대상이 되는 항원에 대한 단일 클론 항체를 상기 양자점 표면에 코팅함으로써 제조될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the quantum dot detection probes may be prepared by coating a monoclonal antibody against the antigen to be detected on the surface of the quantum dot.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 양자점 검출 탐침자들을 상기 분석 대상 시료액에 가해준 이후에는, 상기 분석 대상 시료액 중의 검출 대상 항원과 상기 양자점 검출 탐침자에 결합된 항체와의 경쟁적인 항원-항체 면역반응 및 상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체에 결합된 항원과 상기 양자점 검출 탐침자에 결합된 항체와의 항원-항체 면역반응이 평형상태에 이르도록 방치하는 단계를 더 포함할 수도 있다.According to another embodiment of the present invention, after applying the quantum dot detection probes to the sample liquid, the competition between the antigen to be detected in the sample liquid and the antibody bound to the quantum dot detection probe The method may further include allowing an antigen-antibody immune response and an antigen-antibody immune response between the antigen bound to the polystyrene bead-antigen competition complex and the antibody bound to the quantum dot detection probe to reach an equilibrium state.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유세포 분석장치는 전기적 부피의 크기 파라미터, 측면 산란의 과립도 구별 파라미터 및 형광 파라미터에 관한 정보를 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the flow cytometer may provide information about the size parameter of the electrical volume, the granularity of the side scattering parameter and the fluorescence parameter.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 검출 대상이 되는 각각의 항원은 마이크로시스틴-LR 및 벤조[a]피렌일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, each antigen to be detected may be microcystine-LR and benzo [a] pyrene.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 양자점은 525nm에서 형광을 방출하는 양자점 및 655nm에서 형광을 방출하는 양자점일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the quantum dots may be quantum dots emitting fluorescence at 525nm and quantum dots emitting fluorescence at 655nm.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 양자점 검출 탐침자는 상기 525nm에서 형광을 방출하는 양자점에 상기 마이크로시스틴-LR 항체가 부착된 양자점 검출 탐침자 및 상기 655nm에서 형광을 방출하는 양자점에 상기 벤조[a]피렌 항체가 부착된 양자점 검출 탐침자일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the quantum dot detection probe is a quantum dot detection probe attached to the microcystine-LR antibody to the quantum dot emitting fluorescence at 525nm and the benzo [ a] may be a quantum dot detection probe to which a pyrene antibody is attached.

본 발명에 따르면, 우수한 처리량 및 처리속도를 갖는 유세포 분석 판독법에 기초하여, 종래의 분석방법에 비해, 감도 개선 (검출한계 감소와 측정범위 확장), 분석시간 단축 및 조작 단순화를 도모할 수 있으며, 따라서 시료 내 위험인자들을 동시에 고감도 및 고속으로, 용이하게 다중 검출할 수 있다.According to the present invention, it is possible to improve sensitivity (reduce detection limit and extend measurement range), shorten analysis time and simplify operation, based on flow cytometry reading method having excellent throughput and throughput, Therefore, it is possible to easily detect multiple risk factors in a sample at the same time with high sensitivity and high speed.

도 1은 본 발명에 따른 오염물질의 다중 검출 방법에 대한 개략적인 공정도이다.
도 2는 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체 및 양자점 검출 탐침자에 대한 게이트된 영역들을 나타낸 도면으로서, 도 2a는 전기적 부피에 대한 히스토그램을, 도 2b는 게이트된 영역 1 (삽입 도면)에서의 전기적 부피, 측면 산란 및 형광 히스토그램에 대한 밀도 플롯을 나타낸 도면이다.
도 3은 마이크로시스틴-LR 및 벤조[a]피렌의 검출을 위한 경쟁 면역분석법에서, 배양시간 최적화 과정을 위한 그래프이다.
도 4a (표준 마이크로시스틴-LR) 및 4b (표준 벤조[a]피렌은 QD 형광세기와 표준 분석물질 농도의 로그 사이의 관계를 보여주는 검량 곡선을 나타낸 그래프이고, 삽입도면은 항원 농도와 QD 형광강도 사이의 선형 관계를 보여주는 측정범위이다.
도 5는 폴리스티렌 비드 경쟁자에 결합된 QD 검출 탐침의 시각화를 위한 공초점 레이저 스캐닝 현미경 영상들로서, 도 5 중, (a) 및 (c)는 순수 폴리스티렌 비드-항체 경쟁 복합체 및 이에 결합된 QD 검출 탐침자에 대한 차별 간섭 대조 (differential interference contrast) 모드 영상이고, (b) 및 (d)는 순수 폴리스티렌 비드-항체 경쟁 복합체 및 이에 결합된 QD 검출 탐침자에 대한 형광 모드 영상이며, (a+b) 및 (c+d)는 각각 a와 b를 합한 영상 및 c와 d를 합한 영상이다.
도 6은 마이크로시스틴-LR 및 벤조[a]피렌이 동시에 존재하는 시료 중에서 QD 형광세기와 표준 분석물질 농도의 로그 사이의 관계를 보여주는 검량 곡선을 나타낸 그래프로서, 도 6a는 벤조[a]피렌 존재 하에서의 마이크로시스틴-LR 검출을 위한 그래프이고, 도 6b는 마이크로시스틴-LR 존재 하에서의 벤조[a]피렌 검출을 위한 그래프이다.
도 7은 FL1과 FL3 채널에서 각각 검출되고 스필오버된 형광값(%)으로서 계산되는 2개의 QD525/Ab마이크로시스틴- LR와 QD655/Ab벤조[a]피렌 검출 탐침의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic process diagram of a method for multiple detection of contaminants in accordance with the present invention.
FIG. 2 shows gated regions for polystyrene bead-antigen competition complexes and quantum dot detection probes, FIG. 2A shows histograms for electrical volume, FIG. 2B shows electrical volume in gated region 1 (inset), Density plots for side scattering and fluorescence histograms.
3 is a graph for the incubation time optimization process in a competitive immunoassay for the detection of microcystine-LR and benzo [a] pyrene.
4A (standard microcystine-LR) and 4b (standard benzo [a] pyrene) are graphs showing a calibration curve showing the relationship between QD fluorescence intensity and log of standard analyte concentration, and insets show antigen concentration and QD fluorescence intensity. It is a measurement range showing the linear relationship between them.
FIG. 5 is a confocal laser scanning microscopy image for visualization of a QD detection probe bound to a polystyrene bead competitor, in FIG. 5, (a) and (c) are pure polystyrene bead-antibody competition complexes and QD detection probes bound thereto A differential interference contrast mode image for the child, (b) and (d) are fluorescence mode images of the pure polystyrene bead-antibody competition complex and the QD detection probe bound thereto, (a + b) And (c + d) are the sum of a and b and the sum of c and d, respectively.
FIG. 6 is a graph showing a calibration curve showing the relationship between QD fluorescence intensity and log of standard analyte concentration in a sample in which microcystine-LR and benzo [a] pyrene are present simultaneously. FIG. Is a graph for microcystine-LR detection under FIG. 6B is a graph for benzo [a] pyrene detection in the presence of microcystine-LR.
FIG. 7 is a graph showing the emission spectra of two QD525 / Ab microcystine- LR and QD655 / Ab benzo [a] pyrene detection probes, calculated as% fluorescence values detected and spilled over in the FL1 and FL3 channels, respectively.

본 발명에서는 유세포 분석법에 기반한 정량분석을 위해서 다른 색상을 갖는 2개의 감지 요소 (항체-코팅된 QD 검출 탐침자와 항원-고정된 폴리스티렌 비드)를 사용하여 특이적 면역반응을 동시에 수행한다. 상기 2개의 감지 요소는 각 표적 화합물에 대해서 경쟁 면역방식으로 반응한다. 표적물질에 따라 여러 색상의 QD로 특이적으로 염색된 마이크로비드들은 유세포 분석법을 이용하여 동시에 특성 분석 및 해석이 이루어지는데, 이때 유세포 분석법은 특이적으로 코딩된 대상 마이크로비드를 선택적으로 판별하고 형광을 측정할 수 있다. 특정 검출기에 기록된 각 QD의 형광 세기는 각 표적 분자에 대한 정성적 및 정량적 정보를 직접 제공한다.In the present invention, specific immune responses are simultaneously performed using two sensing elements (antibody-coated QD detection probes and antigen-fixed polystyrene beads) with different colors for quantitative analysis based on flow cytometry. The two sensing elements respond in a competitive immunity to each target compound. Depending on the target material, microbeads specifically stained with different colors of QD are simultaneously characterized and interpreted using flow cytometry, where flow cytometry selectively discriminates specifically targeted microbeads and displays fluorescence. It can be measured. The fluorescence intensity of each QD recorded on a particular detector directly provides qualitative and quantitative information about each target molecule.

본 발명에 따른 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법은, 폴리스티렌 비드에 검출 대상이 되는 각각의 항원이 결합된 각각의 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체들을 제조하는 단계; 양자점에 상기 검출 대상이 되는 각각의 항원과 항원-항체 면역반응을 수행할 수 있는 각각의 항체가 결합된 각각의 양자점 검출 탐침자들을 제조하는 단계; 상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체들을 분석 대상 시료액에 가해주는 단계; 상기 양자점 검출 탐침자들을 상기 분석 대상 시료액에 가해주는 단계; 및 상기 분석 대상 시료액을 유세포 분석장치 중에서 분석하는 단계를 포함한다.The method for detecting contaminants in a sample using quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry according to the present invention comprises the steps of preparing respective polystyrene bead-antigen competition complexes in which each antigen is bound to polystyrene beads. ; Preparing respective quantum dot detection probes in which quantum dots are bound to each of the antigens to be detected and each antibody capable of performing an antigen-antibody immune response; Adding the polystyrene bead-antigen competition complexes to the sample solution to be analyzed; Applying the quantum dot detection probes to the sample liquid to be analyzed; And analyzing the sample liquid to be analyzed in a flow cytometry apparatus.

도 1에는 본 발명에 따른 오염물질의 검출 방법에 대한 개략적인 공정도를 도시하였다. 도 1에는 2가지 종류의 항원 (도면에서 노란색 구체 및 보라색 구체로 표시)을 포함하는 분석 대상 시료 (도 1, 단계 1)에 대한 방법을 도시하였으며, 도 1을 참조하면, 분석 대상 시료 중의 오염물질 (항원)과 경쟁적 면역 반응을 수행하게 되는 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체를 제조하게 된다. 이와 더불어, 양자점에 분석 대상 시료 중의 오염물질 (항원) 또는 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체 중의 항원과 항원-항체 면역반응을 수행할 수 있는 항체가 결합된 양자점 검출 탐침자도 제조한다. 이와 같이 제조된 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체를 분석 대상 시료에 첨가한다 (도 1, 단계 2). 다음으로, 상기 제조된 양자점 검출 탐침자를 분석 대상 시료에 첨가한다 (도 1, 단계 3). 이와 같이 분석 대상 시료에 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체 및 양자점 검출 탐침자를 첨가하게 되면, 분석 대상 시료 중의 오염물질들 (항원들)과 양자점 검출 탐침자와의 항원-항체 반응과, 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체의 항원들과 양자점 검출 탐침자와의 항원-항체 반응이 경쟁적으로 이루어지게 된다 (도 1, 단계 4). 이후, 최종적으로 상기 분석 대상 시료를 유세포 분석장치 중에서 분석함으로써 분석 대상 시료 중의 오염물질 (항원)을 정성 및 정량적으로 분석할 수 있게 된다.1 shows a schematic process diagram of a method for detecting contaminants according to the present invention. FIG. 1 shows a method for an analyte sample (FIG. 1, step 1) comprising two kinds of antigens (indicated by yellow spheres and purple spheres in the drawing). Referring to FIG. A polystyrene bead-antigen competition complex will be prepared that will undergo a competitive immune response with the substance (antigen). In addition, a quantum dot detection probe is prepared in which a quantum dot is combined with an antibody capable of performing an antigen-antibody immune reaction with an antigen in a contaminant (antigen) or a polystyrene bead-antigen competition complex in the sample to be analyzed. The polystyrene bead-antigen competition complex thus prepared is added to the sample to be analyzed (FIG. 1, step 2). Next, the prepared quantum dot detection probe is added to the sample to be analyzed (FIG. 1, step 3). Thus, when the polystyrene bead-antigen competition complex and the quantum dot detection probe are added to the sample to be analyzed, the antigen-antibody reaction between the contaminants (antigens) and the quantum dot detection probe in the sample to be analyzed and the polystyrene bead-antigen competition Antigen-antibody reactions between the antigens of the complex and the quantum dot detection probes are made competitive (FIG. 1, step 4). Thereafter, the sample to be analyzed is finally analyzed in a flow cytometry device, so that contaminants (antigens) in the sample to be analyzed can be qualitatively and quantitatively analyzed.

상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체는, 폴리스티렌 비드 상에 검출 대상이 되는 항원을 부착시키는 다양한 방법에 의해서 제조될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 스트렙타비딘 코팅된 폴리스티렌 비드와 바이오틴화된 검출 항원의 접합 반응에 의해서 제조할 수 있다.The polystyrene bead-antigen competition complex may be prepared by various methods of attaching an antigen to be detected on polystyrene beads, but is not limited thereto, for example, biotinylated with streptavidin coated polystyrene beads. It can manufacture by the conjugation reaction of a detection antigen.

또한, 상기 양자점 검출 탐침자들은 상기 검출 대상이 되는 항원에 대한 단일 클론 항체를 상기 양자점 표면에 코팅함으로써 제조될 수 있다.In addition, the quantum dot detection probes can be prepared by coating a monoclonal antibody against the antigen to be detected on the surface of the quantum dot.

한편, 상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체 및 상기 양자점 검출 탐침자들을 분석 대상 시료액에 가해준 이후에는, 양자점 검출 탐침자에 결합된 항체가 검출 대상 항원 및 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체와 경쟁적인 항원-항체 면역반응을 하여, 항원-항체 면역반응이 평형상태에 이르도록 일정 시간 동안 방치하는 단계가 더 포함될 수도 있다 (도 1, 단계 4 이후 방치).On the other hand, after the polystyrene bead-antigen competition complex and the quantum dot detection probes are added to the sample solution to be analyzed, the antibody bound to the quantum dot detection probe is the antigen-competitive with the detection antigen and the polystyrene bead-antigen competition complex- The antibody immune response may further include the step of allowing the antigen-antibody immune response to reach an equilibrium for a predetermined time (left after FIG. 1 and step 4).

본 발명에 있어서, 유세포 분석장치로 이송된 분석 대상 시료에 대해서는 분석 대상 시료 중의 오염물질에 대한 다양한 정보가 제공된다. 이러한 정보에 대한 비제한적인 예로는, 전기적 부피의 크기 파라미터, 측면 산란의 과립도 구별 파라미터 및 형광 파라미터에 관한 정보를 들 수 있다.In the present invention, a variety of information on the contaminants in the sample to be analyzed is provided for the sample to be transferred to the flow cytometer. Non-limiting examples of such information include information about the size parameter of the electrical volume, the granularity discrimination parameter of lateral scattering, and the fluorescence parameter.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are merely to aid the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following Examples.

실시예Example

이하, 하기 실시예에서는 음용수 내 환경 위험인자 중 2개의 예시 표적 분자로서 미생물로부터 비롯된 물질 (남조류 독소인 마이크로시스틴-LR)과 화합물로부터 비롯된 물질 (다환 방향족 탄화수소(PAH)인 벤조[a]피렌)을 이용하여 본 발명에 따른 방법을 수행하였다.Hereinafter, in the following examples, two examples of environmental risk factors in drinking water are substances derived from microorganisms (microcystin-LR, which is a cyanobacteria toxin), and substances derived from compounds (benzo [a] pyrene, which is a polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)). The method according to the invention was carried out using.

양자점Qdot ( ( QDQD )/항체 () / Antibody ( AbAb ) 검출 ) detection 탐침자의Probe 제조 Produce

면역학적 인식용 색상 표지 (녹색 또는 적색)를 만들기 위해, 마이크로시스틴-LR (마이크로시스틴-LR, MC10E7, 엔조 라이프 사이언시스)와 벤조[a]피렌 (22F12, 독일 뮌헨공대 제공)에 대한 단일 클론 항체 (mAbs)를 제조사 지침에 따라 QD (Qdot525 및 QD655 항체 접합 키트, 인비트로젠)의 표면에 각각 코팅하였다. 합성한 QD525/Ab마이크로시스틴- LR 검출 탐침자의 결합능은 탐침 하나 당 마이크로시스틴-LR 분자 10개인 것으로 이미 평가되었지만 (Yu, H. W.; Lee, J.; Kim, S.; Kim, S. J.; Kim, I. S., Photoelectronic characterization of IgG antibody molecule-quantum dot hybrid as biosensing probe. Nanotechnology 2010, 21, (42), 425501-425511), 8개의 항원이 QD655/Ab벤조[a]피렌 검출 탐침자 (인비트로젠)과 접합할 수 있다고 추정되었다.Monoclonals for microcystine-LR (microcystine-LR, MC10E7, Enzo Life Sciences) and benzo [a] pyrene (22F12, Munich, Germany) to make color markers (green or red) for immunological recognition Antibodies (mAbs) were coated on the surface of QD (Qdot525 and QD655 antibody conjugation kit, Invitrogen), respectively, according to manufacturer's instructions. The binding capacity of the synthesized QD525 / Ab microcystine- LR detection probe was already estimated to be 10 microcystine-LR molecules per probe (Yu, HW; Lee, J .; Kim, S .; Kim, SJ; Kim, IS). , Photoelectronic characterization of IgG antibody molecule-quantum dot hybrid as biosensing probe.Nanotechnology 2010, 21 , (42), 425501-425511), it is estimated that eight antigens can be conjugated with the QD655 / Ab benzo [a] pyrene detection probe (Invitrogen).

폴리스티렌 polystyrene 비드Bead ( ( PBPB )/항원 () / Antigen ( AgAg ) 경쟁자 합성Competitor Synthesis

연속 2단계 반응, 즉 각 항원의 바이오틴화 반응과 스트렙타비딘-코팅된 PB 표면에 바이오틴화된 분자의 접합 반응을 통해 각 항원 (마이크로시스틴-LR 또는 벤조[a]피렌 유도체)을 폴리스티렌 비드에 결합시켜 PB/Ag 경쟁자를 제조하였다. 다음, 0.30 μmol의 마이크로시스틴-LR (알렉시스)과 벤조[a]피렌 유도체 (c-(10-벤조[a]피레닐)-부티르산, B[a]P-10-C4, 자이델 A 교수(독일 환경 발암물질 생화학 연구소)로부터 입수)를 무수 디메틸설폭시드 (DMSO)/아세토니트릴 (25:75% v/v) 중에 용해시킨 0.45 μmol의 N-히드록시숙신이미드 (NHS)와 0.45 μmol의 디시클로헥실카르보디이미드 (DCC)와 데시케이터에서 24시간 동안 혼합하였다. 이후, 상기 카르복시산의 활성화된 NHS 에스테르를 0.60 μmol EZ-연결 아민-PEG3-바이오틴 (써모 사이언티픽)의 1차 아민기와 21시간 동안 반응시킨 다음, 트리에틸아민 (0.45 μmol)과 3시간 배양하여 잔류 미반응 아민-반응기의 반응성을 제거하였다. 단백질 중합을 최소화하기 위해 상기 시약들의 비율은 아민-PEG3-바이오틴의 몰량을 과량으로 사용하고 DCC의 양을 제한적으로 사용하여 선택하였다. 또한, 0.74 nmol의 바이오틴 결합능에 해당하는 1 mL의 스트렙타비딘-코팅된 폴리스티렌 비드 (Sphero 스트렙타비딘 폴리스티렌 입자 (5.0-5.9 μm), 스페로테크)를 미리 제조한 바이오틴-변형 분자 현탁액 (기능화된 마이크로비드의 바이오틴 결합능 대비 400배 과량의 몰량)과 일정하게 혼합하면서 24시간 동안 배양하였다. 이후, 합성한 PB 경쟁자로부터 미결합 물질을 0.45 μm 필터튜브 (와트만)를 이용하여 PBS 완충액으로 수차례 원심 세척함으로써 제거하였다. 이후, 최종 착물을 사용하기 전에 4℃의 보존용 완충액으로서 0.02% 아지드화 나트륨/PBS에 재현탁하여 보관하였다. Each antigen (microcystine-LR or benzo [a] pyrene derivatives) is added to polystyrene beads through a contiguous two-step reaction, i.e., biotinylation of each antigen and conjugation of biotinylated molecules to streptavidin-coated PB surfaces. PB / Ag competitors were made by binding. Next, 0.30 μmol of the microcystine-LR (Alexis) and benzo [a] pyrene derivatives (c- (10-benzo [a] pyrenyl) -butyric acid, B [a] P-10-C4, Professor Xideel A) 0.45 μmol N-hydroxysuccinimide (NHS) and 0.45 μmol dissolved in anhydrous dimethylsulfoxide (DMSO) / acetonitrile (25: 75% v / v). Mix with dicyclohexylcarbodiimide (DCC) in a desiccator for 24 hours. Thereafter, the activated NHS ester of the carboxylic acid was reacted with a primary amine group of 0.60 μmol EZ-linked amine-PEG3-biotin (thermo Scientific) for 21 hours, and then incubated with triethylamine (0.45 μmol) for 3 hours to remain. The reactivity of the unreacted amine-reactor was removed. To minimize protein polymerization the ratio of the reagents was chosen using an excess molar amount of amine-PEG3-biotin and a limited amount of DCC. In addition, a biotin-modified molecular suspension (functionalized) of 1 mL of streptavidin-coated polystyrene beads (Sphero streptavidin polystyrene particles (5.0-5.9 μm), spherotech) corresponding to a biotin binding capacity of 0.74 nmol was prepared. Cultured for 24 hours with constant mixing with 400 times the molar amount compared to the biotin binding capacity of the microbeads. Unbound material was then removed from the synthesized PB competitor by centrifuging several times with PBS buffer using 0.45 μm filter tubes (Watman). The final complex was then resuspended and stored in 0.02% sodium azide / PBS as a preservative buffer at 4 ° C. before use.

경쟁적 면역반응의 최적화Optimization of Competitive Immune Response

경쟁적 면역반응에 영향을 주는 인자들을 최적화하여 감도와 분석시간에 관한 분석 성능을 향상시켰다. 경쟁적 면역학적 인식과 QD 형광신호의 추가 발생을 위한 최적의 실험조건을 파악하기 위해서 QD 검출 탐침자의 시약 농도 (QD525/Ab마이크로시스틴- LR의 경우 2.5×10-8 내지 2.0×10-7 M, QD655/Ab벤조[a]피렌의 경우 5.0×10-8 내지 4.0×10-7 M), PB 경쟁자의 시약농도 (2.4×10-14 내지 1.9×10-13 M) 및 배양시간 (10-120분)을 최적화하였다.Factors affecting the competitive immune response were optimized to improve the sensitivity and analysis time. Reagent concentrations of QD detection probes (2.5 × 10 −8 to 2.0 × 10 −7 M for QD525 / Ab microcystine- LR , to identify optimal experimental conditions for competitive immunological recognition and further generation of QD fluorescence signals) 5.0 × 10 -8 to 4.0 × 10 -7 M for QD655 / Ab benzo [a] pyrene , reagent concentrations of PB competitor (2.4 × 10 -14 to 1.9 × 10 -13 M) and incubation time (10-120 Minutes).

면역학적 인식: 경쟁 면역분석법Immunological Perception: Competitive Immunoassay

환경 오염물질을 분석하기 위해서 100% 메탄올을 이용한 연속 희석법으로 표준 마이크로시스틴-LR과 벤조[a]피렌을 각각 10-3 - 102 μg/L와 10-4 - 50 μg/L 범위에서 제조하였다. 각 분석물질을 상온에서 30분간 마이크로시스틴-LR 검출용 (9.5×10-14 M의 PB/마이크로시스틴-LR와 1.0×10-7 M의 QD525/Ab마이크로시스틴- LR) 또는 벤조[a]피렌 검출용 (2.4×10-14 M의 PB/벤조[a]피렌과 2.0×10-7 M의 QD655/Ab벤조[a] ) 20 μl의 감지 요소 세트를 이용하여 배양하였다. 경쟁적 면역반응 종료 후, 최종 분석 단계로서, 유세포 분석기를 이용하여 세척 단계를 거치지 않은 각 QD의 형광 측정을 수행하였다.It was prepared from 50 μg / L range streak dilution method using a 100% methanol standard Microcystin -LR and benzo [a] pyrene 10 -3, respectively in order to analyze the environmental pollutant-2 10 μg / L and 10-4 . Each analyte was detected for 30 minutes at room temperature for microcystine-LR (9.5 × 10 −14 M PB / microcystine-LR and 1.0 × 10 −7 M QD525 / Ab microcystine- LR ) or benzo [a] pyrene and cultured using a detection (2.4 × 10 -14 M PB / benzo [a] pyrene and 2.0 × 10 -7 M QD655 / Ab-benzo [a] P of the alkylene) sensing elements set of 20 μl. After the completion of the competitive immune response, as a final analysis step, fluorescence measurements of each QD without undergoing a washing step were performed using a flow cytometer.

신호변환: Signal conversion: 유세포Flow cell 분석법 Analysis method

상기 각 분석물질 시료 단독 또는 이들의 혼합물을 22 mW 488 nm 여기 레이저를 장착한 Cell Lab Quanta SC 유세포 분석기 (베크만 쿨터)로 분석하였다. 단일 마이크로비드들을 운반 유체 (sheath fluid: iso-diluent, NPE 시스템즈)를 사용하여 105 - 107 입자/ml의 밀도로 현탁시킴으로써, 유세포 분석기의 좁은 구멍 및 그 튜브가 막히지 않도록 하였다. 매 실험진행 전에, 488 nm 레이저 적용을 위한 품질 관리 (QC)를 위해 Flow-check fluorosphere (베크만 쿨터)를 이용하여 조정하였으며, 이를 통하여 장치가 정밀하고 정확하게 작동하도록 하였다. 전기적 부피 (Electronic Volume: EV)의 하한 판별기 (lower level discriminator: LLD)에 의해 설정된 직경 4 μm (EV 채널 = 100)를 초과하는 100,000개의 입자를 계수하여 분석하였다. EV 파라미터에 대한 채널 세팅에 의해서, 설정치 미만의 개체를 배제하고, 미반응 QD/Ab 검출 탐침자, 항원, 이들의 접합체와 불순물에 의해서 초래되는 신호를 제거하였다. 5 μm 보정 비드 (Coulter CC size standard L5, 베크만 쿨터)로 유세포 분석기 EV 채널 축 (㎛3)을 입자 크기 (㎛)로 변환하였다. 시료의 유속을 제어하여 시료 실험 진행 중에 계수율을 일정하게 (600 - 700) 유지하였다. 게인 (gain), PMT 전압 및 판별값을 적당히 설정하여 시료를 배경 노이즈와 구별하는 것이 중요하다. EV와 측면 산란 (SS)의 게인값은 각각 5.23과 3.40이었다. 녹색 (형광 채널 1, F1)과 적색 (형광 채널 3, F3)의 2색 형광 측정을 위한 광전자 증배관 (photomultiplier tube: PMT) 전압을 또한 각각 6.04와 5.98로 설정하였다. 각 항원 (마이크로시스틴-LR과 벤조[a]피렌)의 정량 분석을 위해서, 4개 파라미터 (EV, SS, FL1과 FL3)의 유세포 분석 데이터를 수집하였다.Each analyte sample alone or a mixture thereof was analyzed with a Cell Lab Quanta SC flow cytometer (Beckman Coulter) equipped with a 22 mW 488 nm excitation laser. A single microbead carrier fluid: 10 5 using (sheath fluid iso-diluent, NPE, Inc.) by suspending the particles in a density of 10 7 / ml, the narrow hole and the tubes of the flow cytometer was not blocked. Prior to each experiment, flow-check fluorospheres (Beckman Coulter) were used for quality control (QC) for 488 nm laser applications, allowing the device to operate accurately and accurately. 100,000 particles exceeding 4 μm in diameter (EV channel = 100) set by the lower level discriminator (LLD) of the Electronic Volume (EV) were counted and analyzed. By setting the channel for the EV parameters, individuals below the setpoint were excluded and the signals caused by unreacted QD / Ab detection probes, antigens, their conjugates and impurities were removed. Flow cytometer EV channel axis (μm 3 ) was converted to particle size (μm) with 5 μm calibration beads (Coulter CC size standard L5, Beckman Coulter). The flow rate of the sample was controlled to keep the count rate constant (600-700) during the sample experiment. It is important to set the gain, PMT voltage and discrimination values appropriately to distinguish the EUT from background noise. The gain values of EV and side scatter (SS) were 5.23 and 3.40, respectively. Photomultiplier tube (PMT) voltages for two-color fluorescence measurements of green (fluorescent channels 1, F1) and red (fluorescent channels 3, F3) were also set to 6.04 and 5.98, respectively. For quantitative analysis of each antigen (microcystine-LR and benzo [a] pyrene), flow cytometry data of four parameters (EV, SS, FL1 and FL3) were collected.

결과 및 검토Results and review

유세포Flow cell 분석법에서  In the method 게이팅Gating ( ( gatinggating ) 방법과 데이터 해석Method and data interpretation

마이크로시스틴-LR과 벤조[a]피렌은 각각 분자량이 불과 995.17 g/mol(C49H74N10O12)과 339.41 g/mol(C24O2H19)인 상대적으로 작은 분자들이기 때문에 2중 항체를 이용한 샌드위치 면역분석법은 결합 부위의 입체적인 방해 때문에 적용에 어려움이 있다. 따라서, 본 발명에서는 단일의 항체를 이용하여 작은 분자를 인식하도록 경쟁 면역분석법을 구성하였다. 본 발명에서는 2개의 주요 감지 요소 (Ab-코팅된 QD 검출 탐침자와 항원-고정된 PB 경쟁자)를 도입하여 표적 오염물질과 경쟁하도록 하였다. 항체가 코팅된 QD 검출 탐침자의 목적은 (1) 대상 항원을 특이적으로 인식하는 면역학적 결합과, (2) 광학 신호 발생을 제공하는 것이다. 항원-고정된 PB 경쟁자는 또한 2개의 기능, 즉 (1) 고체 담지체 및 QD 검출 탐침자의 한정된 결합 부위에 결합함에 있어서, 대상 분석물질과의 경쟁하는 기능과, (2) 후속 유세포 분석을 위한 크기 판별 기능이 있다. Microcystine-LR and benzo [a] pyrene are relatively small molecules having a molecular weight of only 995.17 g / mol (C 49 H 74 N 10 O 12 ) and 339.41 g / mol (C 24 O 2 H 19 ), respectively. Sandwich immunoassays using heavy antibodies are difficult to apply due to steric hindrance of binding sites. Thus, in the present invention, a competitive immunoassay was constructed to recognize small molecules using a single antibody. In the present invention two main sensing elements (Ab-coated QD detection probes and antigen-fixed PB competitors) were introduced to compete with the target contaminants. The purpose of an antibody coated QD detection probe is to provide (1) immunological binding to specifically recognize the antigen of interest and (2) optical signal generation. The antigen-immobilized PB competitor also has two functions: (1) to compete with the analyte of interest in binding to a defined binding site of the solid carrier and the QD detection probe, and (2) for subsequent flow cytometry. There is a size determination function.

먼저, 본 발명에서는 유세포 분석법에 기반한 정량분석을 위해서 다른 색상을 갖는 2개의 감지 요소 (QD/Ab 검출 탐침자와 PB/Ag 경쟁자)를 사용하여 특이적 면역반응을 동시에 수행한다. 상기 2개의 감지 요소는 각 표적 화합물에 대해서 경쟁 면역방식으로 반응한다. 표적물질에 따라 여러 색상의 QD로 특이적으로 염색된 마이크로비드들은 유세포 분석법을 이용하여 동시에 특성 분석 및 해석이 이루어지는데, 이때 유세포 분석법은 특이적으로 코딩된 대상 마이크로비드를 선택적으로 판별하고 형광을 측정할 수 있다. 특정 검출기에 기록된 각 QD의 형광 세기는 각 표적 분자에 대한 정성적 및 정량적 정보를 직접 제공한다.First, in the present invention, specific immunological responses are simultaneously performed using two sensing elements (QD / Ab detection probes and PB / Ag competitors) having different colors for quantitative analysis based on flow cytometry. The two sensing elements respond in a competitive immunity to each target compound. Depending on the target material, microbeads specifically stained with different colors of QD are simultaneously characterized and interpreted using flow cytometry, where flow cytometry selectively discriminates specifically targeted microbeads and displays fluorescence. It can be measured. The fluorescence intensity of each QD recorded on a particular detector directly provides qualitative and quantitative information about each target molecule.

유세포 분석기에 의해서 분석될 주입 시료에 대한 수력학적 집중 (hydrodynamic focusing)이 이루어진 이후에는, 각각의 면역반응 후 코딩된 마이크로비드들이 광선을 통해서 하나씩 통과된다. 광 산란 또는 형광방출은 전기적 부피의 크기 파라미터 (sizing parameter of electronic volume: EV), 측면 산란의 과립도 구별 파라미터 (granularity differentiating parameter of side scatter: SS) 및 형광 파라미터 (fluorescence parameter: FL)와 같은 3개의 파라미터로 측정되며, 따라서 이는 입자 자체의 고유한 특성에 대한 정보를 제공한다. 유세포 분석기로부터 얻어진 데이터에 대한 분석은 마이크로비드들을 다른 비드 형태가 아닌 개체 (미반응 QD/Ab 검출 탐침자, 항원, 이들의 접합체와 불순물)와 구별함으로써 수행되는데, 이는 마이크로비드 평균 직경인 5.04 μm에 해당하는 EV 채널 100 이상의 값을 갖는 EV를 통해서 주로 이루어진다 (도 2a). 관심 집단 (population of interest: POI)을 더욱 선택적으로 정의하기 위한 방법으로서, EV 및 SS 파라미터의 조합은 불균질한 시료에서 QD가 표지된 PB 경쟁자의 특성을 분석하기 위한 단순하고 빠르면서도 효과적인 방법이 될 수 있다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, EV/SS 특성을 이용해서 PB 경쟁자 및 그 QD 검출 탐침자와의 접합체 (높은 EV와 높은 SS)는 PB 경쟁자의 표면에 결합되지 않은 반응물들 (낮은 EV와 낮은 SS)과 명확히 구별된다. 원하는 POI는 EV/SS의 밀도 그래프에서 마이크로비드 조립체를 나타내며, 이는 양성 데이터 세트에 대한 영역 1 (R1)으로서 게이트되지만, 음성 집단 (영역 2, R2)은 전자 게이트 기능에 의해 제거되었다. 이러한 전자적 판별과정은 통상적인 면역분석법에 있어서 필수적이지만 많은 시간이 소요되는 세척 단계를 대체할 수 있다. 일단 R1이 EV/SS 플롯의 여러 세트들 중에서 관심대상이 되는 마이크로비드를 선택적으로 게이트하면, 이와 동시에 2색 형광 강도는 단일의 여기 에너지원으로 측정된다. 그리고, 각 분석물의 정량을 위한 형광 검출 탐침자의 색상들에 따라서 다른 FL 채널들에서 개별적으로 기록된다. 형광 히스토그램 (도 2b의 삽입 그래프)은 상대적 형광 강도에 대한 검출 횟수를 나타내며, 이는 음성 집단 (염색 음성 대조군으로서 PB/Ag 경쟁자 단독), 양성 집단 (PB/Ag 경쟁자와 접합된 QD/Ab 검출 탐침자)의 형광세기로 표시된다. 정량분석을 위해서 마이크로시스틴-LR에 대한 녹색의 PB 경쟁자와 벤조[a]피렌에 대한 적색의 PB 경쟁자의 각 형광세기를 수집하여 평균 형광세기 (mean fluorescence intensity: MFI)로서 표시한다. 그 결과, QD로부터 생성되는 광학신호, 즉 PB 경쟁자와 결합하는 경쟁 비율은 시료 중 마이크로시스틴-LR 또는 벤조[a]피렌 분석물의 농도에 반비례한다는 사실을 알 수 있었다.After hydrodynamic focusing of the injected sample to be analyzed by the flow cytometer, coded microbeads are passed through the beam one by one after each immune response. Light scattering or fluorescence emission can be measured by three factors such as sizing parameter of electronic volume (EV), granularity differentiating parameter of side scatter (SS) and fluorescence parameter (FL). It is measured with two parameters, which thus provide information about the unique properties of the particles themselves. Analysis of the data obtained from the flow cytometer is performed by distinguishing the microbeads from non-bead-like individuals (unreacted QD / Ab detection probes, antigens, conjugates and impurities thereof), which is a microbead diameter of 5.04 μm. It is mainly through the EV having a value equal to or greater than the EV channel 100 corresponding to (Fig. 2A). As a more selective method of defining a population of interest (POI), the combination of EV and SS parameters is a simple, fast and effective method for characterizing QD-labeled PB competitors in heterogeneous samples. Can be. As shown in FIG. 2B, the conjugate with the PB competitor and its QD detection probe (high EV and high SS) using the EV / SS characteristics, reactants that are not bound to the surface of the PB competitor (low EV and low SS). Is clearly distinguished from. The desired POI represents the microbead assembly in the density graph of EV / SS, which is gated as region 1 (R1) for the positive data set, but the negative population (region 2, R2) was removed by the electron gate function. This electronic discrimination process is essential for conventional immunoassays but can replace time consuming washing steps. Once R1 selectively gates the microbeads of interest among the various sets of EV / SS plots, at the same time the dichroic fluorescence intensity is measured with a single excitation energy source. And it is recorded separately in different FL channels according to the colors of the fluorescence detection probe for quantification of each analyte. Fluorescence histogram (inset graph in FIG. 2B) shows the number of detections for relative fluorescence intensity, which is negative population (PB / Ag competitor alone as dye negative control), positive population (QD / Ab detection probe conjugated with PB / Ag competitor (I) The fluorescence intensity of For quantitative analysis, each fluorescence intensity of the green PB competitor for microcystine-LR and the red PB competitor for benzo [a] pyrene is collected and expressed as mean fluorescence intensity (MFI). As a result, it was found that the optical signal generated from the QD, that is, the ratio of competition to the PB competitor, was inversely proportional to the concentration of the microcystine-LR or benzo [a] pyrene analyte in the sample.

경쟁 면역분석의 최적화: 감지 요소의 농도와 반응시간Optimization of competitive immunoassays: concentration of detection elements and response time

분석 구성방식과 신호변환 방법이 설정되면 면역분석 최적화의 목표는 감도를 향상시키고 분석시간을 단축하는 것으로, 이들은 시약특성 (2개의 감지 성분인 PB/Ag 경쟁자와 QD/Ab 검출 탐침자에 대한 결합능)과 분석 조건 (감지 요소의 농도와 배양시간)에 의해 주로 좌우된다. 최적의 실험 조건을 결정하기 위해서 분석물질이 존재하는 상태에서 얻어지는 광학 신호 (형광)(B)와 분석물질이 없는 상태에서의 신호 (Bo) 사이의 비율로서 기술되는 감도 지수 (B/Bo)를 도입하였다. 추가 분석을 위해서, 가장 큰 기울기와 함께 최저 감도 지수를 제공하는 최적의 인자를 선택하였다. Once the assay configuration and signal transduction methods are established, the goal of optimizing immunoassays is to improve sensitivity and reduce assay time. ) And analytical conditions (concentration of the sensing element and incubation time). Sensitivity index (B / B o ) described as the ratio between the optical signal (fluorescence) (B) obtained in the presence of the analyte and the signal (B o ) in the absence of the analyte to determine the optimum experimental conditions. ) Was introduced. For further analysis, the optimal factor was selected that gives the lowest sensitivity index with the largest slope.

분석 감도를 향상시키기 위해 각 표적 분석물질에 대한 최선의 PB 경쟁자와 QD 검출 탐침자 농도를 최적화하기 위해, 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 다양한 조합들에 대해서 연속 2배 희석을 통해 바둑판식 적정실험을 진행하였다. 실제 사용에 있어서 원하는 측정범위에 적합하다고 평가된 감도 지수를 토대로 하여 가장 적합한 QD 검출 탐침자와 PB 경쟁자 농도를 다음과 같이 선택하였다: 마이크로시스틴-LR에 대한 감지 요소 쌍 (QD525/Ab마이크로시스틴- LR 검출 탐침자 = 100 nM와 PB/마이크로시스틴-LR 경쟁자 = 95 fM)과 벤조[a]피렌에 대한 쌍 (QD655/Ab벤조[a]피렌 검출 탐침자 = 200 nM와 PB/벤조[a]피렌 경쟁자 = 24 fM).To optimize the best PB competitor and QD detection probe concentrations for each target analyte to improve assay sensitivity, as shown in Tables 1 and 2, tiled through serial 2-fold dilutions for various combinations. A titration experiment was conducted. On the basis of the sensitivity index evaluated as suitable for the desired measurement range in practical use, the most suitable QD detection probe and PB competitor concentrations were selected as follows: pair of sensing elements for microcystine-LR (QD525 / Ab microcystine-). LR detection probe = 100 nM and PB / microcystine-LR competitor = 95 fM) and pairs for benzo [a] pyrene (QD655 / Ab benzo [a] pyrene detection probe = 200 nM and PB / benzo [a] Pyrene competitor = 24 fM).

PB/마이크로시스틴-LR 경쟁자 (fM)PB / Microcystin-LR Competitor (fM) QD525/Ab마이크로시스틴- LR 검출탐침 (nM) QD525 / Ab Microcystine- LR Detection Probe (nM ) 200200 100100 5050 2525 190190 1.09 (4.45) b 1.09 (4.45) b 0.98 (5.35)0.98 (5.35) 0.92 (5.41)0.92 (5.41) 0.89 (5.68)0.89 (5.68) 9595 0.99 (1.56)0.99 (1.56) 0.82 (0.89)0.82 (0.89) 0.83 (2.55)0.83 (2.55) 0.88 (6.06)0.88 (6.06) 4848 0.94 (3.08)0.94 (3.08) 0.92 (1.09)0.92 (1.09) 0.85 (4.13)0.85 (4.13) 0.89 (5.54)0.89 (5.54) 2424 0.96 (2.50)0.96 (2.50) 0.84 (0.69)0.84 (0.69) 0.87 (4.47)0.87 (4.47) 0.82 (6.31)0.82 (6.31)

PB/벤조[a]피렌 경쟁자 (fM)PB / benzo [a] pyrene competitor (fM) QD655/Ab벤조[a]피렌 검출탐침 (nM)QD655 / Ab Benzo [a] pyrene Detection Probe (nM) 400400 200200 100100 5050 190190 0.97 (8.23)0.97 (8.23) 1.01 (7.32)1.01 (7.32) 1.02 (6.86)1.02 (6.86) 0.98 (3.76)0.98 (3.76) 9595 0.95 (4.21)0.95 (4.21) 0.94 (8.34)0.94 (8.34) 0.95 (6.32)0.95 (6.32) 0.85 (8.31)0.85 (8.31) 4848 0.92 (2.17)0.92 (2.17) 0.89 (4.51)0.89 (4.51) 0.88 (6.82)0.88 (6.82) 0.85 (2.35)0.85 (2.35) 2424 0.87 (7.43)0.87 (7.43) 0.82 (4.87)0.82 (4.87) 0.86 (9.30)0.86 (9.30) 0.84 (7.44)0.84 (7.44)

선택된 주입농도는 최적의 감도를 달성하기에 적합한 것으로 간주되며, 이는 이러한 세트가 항원-항체 반응의 평형과 QD 형광 발생 사이의 평형상태를 유지하기 때문이며, 따라서 이를 각 분석물질의 추가 측정에 사용하였다. 전체 분석 시간은 배양 시간에 의해 결정되기 때문에, 경쟁적 결합에 대한 시간의 영향을, 전술한 수치로 시약 농도를 고정하고, 10-120분 범위에 걸쳐 조사하였다. 도 3에 나타낸 바와 같이, MFI를 토대로 최소 감도 지수에 해당하는 30분의 배양 시간을 경쟁 면역분석법에 가장 효과적인 것으로서 선택하였다. 상기 배양시간은 30분 경과 전까지는 QD 검출 탐침자가 분석물질과 PB 경쟁자와 경쟁적 반응을 하기에는 불충분한 것으로 보였지만, 그 후에는 QD 검출 탐침자의 경쟁적 반응에 대한 평형은 PB 경쟁자 쪽으로 이동하여 감도 지수가 약간 상향 이동하는 경향이 나타난다. 평면 분석법과 달리, 이 같이 빠른 결합속도는 현탁 비드 분석법을 기초로 항원-항체 반응은 더 빠른 평형상태에 도달하며, 이는 QD 및 PB 입자의 부피 당 활성 생체분자와 반응하는 표면적이 커지고 확산 거리가 짧아지기 때문이다.The injection concentration chosen is considered suitable to achieve optimal sensitivity because this set maintains an equilibrium between the antigen-antibody response equilibrium and the QD fluorescence generation and thus was used for further measurement of each analyte. . Since the total assay time is determined by the incubation time, the effect of time on competitive binding was investigated over a range of 10-120 minutes with the reagent concentration fixed at the above mentioned values. As shown in FIG. 3, a 30 minute incubation time corresponding to the minimum sensitivity index was selected as the most effective for competitive immunoassay based on MFI. The incubation time appeared to be insufficient for the QD detection probe to compete competitively with the analyte and the PB competitor until 30 minutes later. There is a tendency to move upward. Unlike planar assays, this fast binding rate allows antigen-antibody reactions to reach a faster equilibrium based on suspended bead assays, which results in greater surface area and increased diffusion distance to react with active biomolecules per volume of QD and PB particles. Because it becomes short.

단일 분석물질의 Of a single analyte 유세포Flow cell 분석 analysis

일반적인 분석 파라미터가 최적화되면, 유세포 분석법과 조합된 경쟁 형광 면역분석법을 사용하여 단일 분석물질의 측정을 수행하기 위해서, 10-3 내지 102 μg/L 마이크로시스틴-LR과 10-4 내지 50 μg/L 벤조[a]피렌 범위의 각 분석물질 표준 용액을 측정하였다. QD525/Ab마이크로시스틴- LR와 QD655/Ab벤조[a]피렌 검출 탐침자를 사용하여 분석물을 경쟁 면역학적으로 염색시킴으로써, 마이크로시스틴-LR에 대해서는 녹색의 PB 경쟁자, 벤조[a]피렌에 대해서는 적색의 PB 경쟁자에 대한 형광 세기 (MFI)를, 게이트된 R1에서 측정하였다. 도 4는 QD 형광세기와 표준 분석물질 농도의 로그 사이의 관계를 보여주는 검량 곡선을 나타내고 있다. 마이크로비드에 결합된 QD로부터 방출된 녹색 (EL1)과 적색 (FL3) 형광의 세기는 각각 단일 분석물질 시료 내 마이크로시스틴-LR과 벤조[a]피렌의 농도에 반비례하였다. 본 발명의 감도와 신뢰도를 확인하기 위해서, 검출한계 (LOD), 정량한계 (LOQ)와 선형한계 (LOL)를 표준 곡선에서 규명하였다. 마이크로시스틴-LR (WHO 제시 음용수 규정 < 1 μg/L)의 단일 분석물질 측정의 경우, LOQ(S/N = 10)로부터 LOL에 이르는 측정범위는 0.36-30 μg/L의 범위 (퍼센트로서 표시한 상대 표준편차 (%RSD)는 1.1-8.5%)에서 얻어졌고; LOD (S/N = 3)는 0.08 μg/L인 것으로 계산되었다. 벤조[a]피렌 (유럽 이사회 제시 음용수 규정 < 10 ng/L)의 단일 분석물질 측정의 경우, 광학신호는 0.097-10 μg/L 범위 (%RSD는 1.3-12.7%)에서 선형관계에 있으며, LOD는 0.044 μg/L였다. 본 발명자들의 이전 연구에서 분광광도계를 이용한 마이크로비드 기반의 형광 측정과 달리 (Yu, H.-W.; Jang, A.; Kim, L. H.; Kim, S.-J.; Kim, I. S., Bead-Based Competitive Fluorescence Immunoassay for Sensitive and Rapid Diagnosis of Cyanotoxin Risk in Drinking Water. Environmental Science & Technology 2011, 45, (18), 7804-7811), 본 발명의 분석법은 상당히 높은 감도 (넓은 측정범위와 기울기)를 나타내는데, 그 이유는 유세포 분석기의 개별 입자 측정과 관련한 높은 분해능 및 감도 (바탕신호와 광산란 및 형광을 구별하는 능력) 때문인 것으로 판단된다.Once the general assay parameters are optimized, 10 -3 to 10 2 μg / L microcystine-LR and 10 -4 to 50 μg / to perform measurements of a single analyte using a competitive fluorescence immunoassay combined with flow cytometry. Each analyte standard solution in the L benzo [a] pyrene range was measured. Competitive immunological staining of the analytes using the QD525 / Ab microcystine- LR and QD655 / Ab benzo [a] pyrene detection probes to provide a green PB competitor for microcystine-LR and red for benzo [a] pyrene Fluorescence intensity (MFI) for the PB competitor at was measured at gated R1. 4 shows a calibration curve showing the relationship between the QD fluorescence intensity and the logarithm of the standard analyte concentration. The intensity of green (EL1) and red (FL3) fluorescence emitted from QD bound to microbeads was inversely proportional to the concentrations of microcystine-LR and benzo [a] pyrene in a single analyte sample, respectively. In order to confirm the sensitivity and reliability of the present invention, detection limits (LOD), quantitative limits (LOQ) and linear limits (LOL) were identified on standard curves. For single analyte measurements with microcystine-LR (WHO-presented drinking water rule <1 μg / L), the measurement range from LOQ (S / N = 10) to LOL is in the range of 0.36-30 μg / L (expressed as a percentage) One relative standard deviation (% RSD) was obtained from 1.1-8.5%); LOD (S / N = 3) was calculated to be 0.08 μg / L. For single analyte measurements of benzo [a] pyrene (the drinking water regulation presented by the European Council <10 ng / L), the optical signal is linear in the range 0.097-10 μg / L (% RSD is 1.3-12.7%), LOD was 0.044 μg / L. In contrast to microbead based fluorescence measurements using a spectrophotometer in our previous study (Yu, H.-W .; Jang, A .; Kim, LH; Kim, S.-J .; Kim, IS, Bead- Based Competitive Fluorescence Immunoassay for Sensitive and Rapid Diagnosis of Cyanotoxin Risk in Drinking Water. Environmental Science & Technology 2011, 45 , (18), 7804-7811), the assays of the present invention exhibit significantly higher sensitivity (wideer measuring ranges and slopes) because of the higher resolution and sensitivity associated with the measurement of individual particles in flow cytometry. Ability to distinguish light scattering and fluorescence).

2개의 분석물질에 대한 동시 Simultaneous for two analytes 유세포Flow cell 분석 analysis

동일 용기 내 마이크로시스틴-LR과 벤조[a]피렌 분석물질이 존재하는 상태에서 QD525/Ab 또는 QD655/Ab 검출 탐침을 경쟁적 면역반응을 통해 각 표적 항원-코팅된 PB 경쟁자에 선택적으로 결합시켰다. 혼합 시료에서 여러 가지 형광신호를 동시에 검출하기 위해서는, 형광염료 간 스펙트럼 중첩이 일어날 가능성을 고려하여 광학 신호를 정확히 판독할 필요가 있다 (Chattopadhyay, P. K.; Price, D. A.; Harper, T. F.; Betts, M. R.; Yu, J.; Gostick, E.; Perfetto, S. P.; Goepfert, P.; Koup, R. A.; De Rosa, S. C.; Bruchez, M. P.; Roederer, M., Quantum dot semiconductor nanocrystals for immunophenotyping by polychromatic flow cytometry. Nature Medicine 2006, 12, (8), 972-977). 이러한 형광 중첩은 스필오버 (spillover) 형광의 크기를 주 검출기에서 측정된 형광의 분율로서 추정함으로써 차감하는 과정, 일명 보상 (compensation)의 과정을 통해 보정된다. 상기 과정은 각 채널에서의 신호가 검출될 형광색소의 실제 신호를 나타낼 때까지 모든 채널에 대해 반복한다. 도 7은 FL1과 FL3 채널에서 측정되는 스필오버를 분석하기 위한 QD525/Ab마이크로시스틴- LR와 QD655/Ab벤조[a]피렌 검출 탐침자의 발광 스펙트럼을 보여주고 있다. 이들의 발광 스펙트럼은 좁고 대칭적이기 때문에, QD가 생체분자에 의한 개질 여부와 관계없이 최소 보상값으로 다중 검출할 수 있다는 것을 보여준다. 유기 형광염료와 달리, QD 사이의 스펙트럼 중복 현상은 무시할 정도의 수준이므로, 감도 개선뿐만 아니라, 정확한 양성 신호를 측정할 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 2개의 분석물질을 동시 검출하기 위한 QD 기반의 경쟁 형광 면역 분석은 PB/Ag 경쟁자와 QD/Ab 검출 탐침자라는 서로 다른 감지 요소 세트를 이용하여 달성될 수 있었다. 특정 QD/Ab 검출 탐침자로 코딩된 각각의 마이크로비드는 2개의 분석물질이 존재하는 상태에서 선택적 경쟁반응에 의해 형성된다. 이후의 유세포 분석에 의한 명확한 판별과 형광 신호측정을 통해 정량적인 정보를 제공한다 (도 6 참조). 마이크로시스틴-LR 또는 벤조[a]피렌 분석물질의 표준 검량 곡선은 단일 분석물질 분석과 크게 다르지 않다. 분석물질에 특이적인 마이크로비드로부터 발생한 형광신호는 다른 표적 분석물질의 존재 여부와 관계없이 시료 내 각 항원 농도가 증가함에 따라 감소하였다. 그러나, 이들 분석의 LOD와 감도는 혼합 면역분석 과정 중에 생성된 형광 신호 방해에 의해 약간 변화될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 경쟁 면역분석법과 조합한 QD 기반의 유세포 분석법에 의하면 다른 여러 분석물질을 동시에 검출할 수 있다는 사실을 알 수 있다. QD525 / Ab or QD655 / Ab detection probes were selectively bound to each target antigen-coated PB competitor via a competitive immune response in the presence of microcystine-LR and benzo [a] pyrene analytes in the same vessel. In order to simultaneously detect several fluorescent signals in a mixed sample, it is necessary to accurately read the optical signals in consideration of the possibility of spectral overlap between the fluorescent dyes (Chattopadhyay, PK; Price, DA; Harper, TF; Betts, MR; Yu, J .; Gostick, E .; Perfetto, SP; Goepfert, P .; Koup, RA; De Rosa, SC; Bruchez, MP;. Roederer, M., Quantum dot semiconductor nanocrystals for immunophenotyping by polychromatic flow cytometry Nature Medicine 2006, 12 , (8), 972-977). This fluorescence superposition is corrected through a process of subtracting the so-called compensation by estimating the magnitude of the spillover fluorescence as a fraction of the fluorescence measured at the main detector. The process is repeated for all channels until the signal in each channel represents the actual signal of the fluorescent dye to be detected. FIG. 7 shows the emission spectra of QD525 / Ab microcystine- LR and QD655 / Ab benzo [a] pyrene detection probes for analyzing spillover measured in FL1 and FL3 channels. Because their emission spectra are narrow and symmetrical, they show that QDs can be detected multiple times with minimal compensation, regardless of whether they are modified by biomolecules. Unlike organic fluorescent dyes, the spectral overlap between QDs is negligible, so that accurate positive signals can be measured as well as improved sensitivity. As shown in FIG. 5, QD-based competitive fluorescence immunoassay for simultaneous detection of two analytes could be achieved using different sets of sensing elements, PB / Ag competitor and QD / Ab detection probe. Each microbead encoded with a specific QD / Ab detection probe is formed by selective competition in the presence of two analytes. Quantitative information is provided through clear determination and fluorescence signal measurement by flow cytometry thereafter (see FIG. 6). Standard calibration curves for microcystine-LR or benzo [a] pyrene analytes are not significantly different from single analyte assays. Fluorescence signals generated from microbeads specific to the analyte decreased with increasing concentration of each antigen in the sample, regardless of the presence of other target analytes. However, the LOD and sensitivity of these assays may be slightly altered by fluorescence signal interference generated during the mixed immunoassay process. Nevertheless, it can be seen that QD-based flow cytometry in combination with a competitive immunoassay according to the present invention can simultaneously detect several different analytes.

매트릭스 간섭 효과에 대한 분석 검증Analytical Validation of Matrix Interference Effects

본 발명의 성능을 확인하기 위해서는 잠재적 방해물질이 존재하는 여러 수질 샘플에서의 회수율을 고려하여야 하는데, 이러한 시료 매트릭스 회수율은 여러 유형의 수질 성분 변동성에 의해서 초래된다. 따라서, 이러한 매트릭스 효과의 평가는 수중에 용해된 환경 위험인자에 대해 신뢰성 있는 데이터를 제공하기 위한 중요한 검증 단계이다. 본 실시예에서는, 주변 환경에 있는 5종의 물 시료의 회수율을, 저, 중, 고농도의 내부 분석물질로서 표준 마이크로시스틴-LR과 벤조[a]피렌을 스파이킹 (spiking)함으로써 평가하였는데, 이러한 농도 범위는 본 발명에 따른 방법의 측정범위 내에서 일정 농도 간격으로 선택된 것들이다 (표 3 및 4 참조). 회수율이 90-110%의 범위에 있기 때문에, 본 발명이 수중에 현탁된 성분의 비특이적 결합에 크게 영향을 받지 않고, 따라서 수질 유형에 무관하게 환경 오염물질의 직접 측정에 적용될 수 있음을 알 수 있다.In order to confirm the performance of the present invention, the recovery of several water samples with potential interferences should be considered, which is caused by different types of water component variability. Therefore, the evaluation of this matrix effect is an important verification step to provide reliable data on environmental risk factors dissolved in water. In this example, the recovery rates of five water samples in the surrounding environment were evaluated by spiking standard microcystine-LR and benzo [a] pyrene as low, medium and high concentrations of internal analytes. Concentration ranges are those selected at regular concentration intervals within the measurement range of the method according to the invention (see Tables 3 and 4). Since the recovery is in the range of 90-110%, it can be seen that the present invention is not significantly affected by the nonspecific binding of the components suspended in water and thus can be applied to the direct measurement of environmental pollutants regardless of the type of water quality. .

마이크로시스틴-LR의 농도 (㎍/L)Concentration of microcystine-LR (μg / L) % 회수a % Recovery a 병 생수Bottled water 수돗물tap water 강물b River b 호숫물c Lake water c 해수d Sea water d 음 대조군Negative control 00 92.6 (13.7)92.6 (13.7) 100.6 (10.9)100.6 (10.9) 101.9 (12.4)101.9 (12.4) 96.9 (14.7)96.9 (14.7) 99.7 (15.4)99.7 (15.4) that 1One 96.4 (11.3)96.4 (11.3) 94.3 (12.0)94.3 (12.0) 94.9 (13.4)94.9 (13.4) 99.7 (18.7)99.7 (18.7) 104.7 (9.3)104.7 (9.3) medium 1515 106.5 (9.3)106.5 (9.3) 104.8 (10.2)104.8 (10.2) 104.4 (10.3)104.4 (10.3) 103.3 (7.6)103.3 (7.6) 102.8 (10.6)102.8 (10.6) The 3030 92.6 (12.2)92.6 (12.2) 97.5 (9.6)97.5 (9.6) 97.0 (12.1)97.0 (12.1) 96.3 (13.0)96.3 (13.0) 94.1 (10.4)94.1 (10.4)

벤조[a]피렌의 농도 (ng/L)Concentration of benzo [a] pyrene (ng / L) % 회수a % Recovery a 병 생수Bottled water 수돗물tap water 강물b River b 호숫물c Lake water c 해수d Sea water d 음 대조군Negative control 00 104.0 (9.4)104.0 (9.4) 91.5 (15.2)91.5 (15.2) 100.6 (10.3)100.6 (10.3) 96.4 (18.9)96.4 (18.9) 90.5 (12.0)90.5 (12.0) that 0.50.5 94.4 (12.9)94.4 (12.9) 104.8 (8.5)104.8 (8.5) 91.3 (8.1)91.3 (8.1) 109.9 (5.8)109.9 (5.8) 93.8 (11.0)93.8 (11.0) medium 55 103.6 (17.4)103.6 (17.4) 103.3 (8.8)103.3 (8.8) 104.9 (17.8)104.9 (17.8) 102.8 (16.5)102.8 (16.5) 102.2 (8.4)102.2 (8.4) The 1010 95.4 (14.4)95.4 (14.4) 107.2 (8.9)107.2 (8.9) 109.8 (5.3)109.8 (5.3) 104.9 (18.0)104.9 (18.0) 110.3 (4.7)110.3 (4.7)

a. % 회수 = (측정량/기대량)×100, 모든 물 시료는 겨울에 수집되었으며, 0.2 ㎛ 주사기 필터를 사용하여 전처리함으로써 입자 또는 미생물 세포들에 의해서 야기되는 간섭 효과를 배제하였다. 괄호 안의 수치는 3회의 반복 실험에 기초한 %CV를 나타낸다.a. % Recovery = (Measurement / Expected) × 100, all water samples were collected in winter and pretreated using a 0.2 μm syringe filter to rule out interference effects caused by particles or microbial cells. Figures in parentheses represent% CV based on three replicates.

b. 강물은 대한민국 광주천 (35°09'N 및 126°50'E)에서 수집하였다.b. The river was collected from Gwangjucheon (35 ° 09'N and 126 ° 50'E), Korea.

c. 호숫물은 대한민국 광주시에 위치하는 호수 (35°13'N 및 126°50'E)로부터 수집하였다.c. The lake water was collected from lakes (35 ° 13'N and 126 ° 50'E) located in Gwangju, South Korea.

d. 해수는 동해에 위치한 지점 (35°13'N 및 129°14'E)에서 수집하였다.d. Seawater was collected at points on the East Sea (35 ° 13'N and 129 ° 14'E).

전술한 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 여러 환경 오염물질을 동시에 검출하기 위해 정립한 분석법은 QD 기반의 경쟁 형광 면역분석법을 유세포 분석 판독법과 효과적으로 병합함으로써 성공적으로 실행되었다. 종래의 분석방법에 비해, 본 발명의 병합된 기술은 감도 증강 (LOD 감소와 측정범위 확장), 분석시간 단축 및 조작 단순화를 달성할 수 있다. 본 발명의 이러한 높은 성능은 3개의 주요 개선점, 즉 현탁 비드 기반의 경쟁적 면역반응, 높은 처리율과 신속한 유세포 동시 분석 다중 판독법, 및 단일의 여기원을 이용한 QD 기반의 광학신호 증폭으로부터 유래된다. 이들 뚜렷한 특징에 의해 본 발명은 음용수 내 다른 환경 위험인자들을 고감도로, 신속 및 용이하게 진단하는 기술로서 매우 효과적이다. 더 나아가, 본 발명의 분석법을 소형 미세유체 유세포 분석법과 결합하면 환경 시료의 실제 현장 평가용으로 각종 독성 화합물을 동시에 빠르게 자동 선별하는 시스템으로도 응용될 수 있다.As can be seen from the above examples, the assays established for the simultaneous detection of several environmental contaminants in the present invention have been successfully implemented by effectively incorporating QD-based competitive fluorescence immunoassays with flow cytometry readings. Compared to the conventional analytical methods, the combined technique of the present invention can achieve sensitivity enhancement (LOD reduction and measurement range extension), analysis time reduction and operation simplification. This high performance of the present invention is derived from three major improvements: suspension bead based competitive immune response, high throughput and rapid flow cytometry multiplex reading, and QD based optical signal amplification using a single excitation source. These distinctive features make the present invention very effective as a technique for diagnosing other environmental risk factors in drinking water with high sensitivity, quickly and easily. Furthermore, when combined with the small microfluidic flow cytometry of the present invention, it can be applied as a system for rapid and automatic screening of various toxic compounds simultaneously for the actual field evaluation of environmental samples.

Claims (8)

폴리스티렌 비드에 검출 대상이 되는 각각의 항원이 결합된 각각의 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체들을 제조하는 단계;
양자점에 상기 검출 대상이 되는 각각의 항원과 항원-항체 면역반응을 수행할 수 있는 각각의 항체가 결합된 각각의 양자점 검출 탐침자들을 제조하는 단계;
상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체들을 분석 대상 시료액에 가해주는 단계;
상기 양자점 검출 탐침자들을 상기 분석 대상 시료액에 가해주는 단계; 및
상기 분석 대상 시료액을 유세포 분석장치 중에서 분석하는 단계를 포함하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.
Preparing respective polystyrene bead-antigen competition complexes to which each antigen to be detected is bound to the polystyrene beads;
Preparing respective quantum dot detection probes in which quantum dots are bound to each of the antigens to be detected and each antibody capable of performing an antigen-antibody immune response;
Adding the polystyrene bead-antigen competition complexes to the sample solution to be analyzed;
Applying the quantum dot detection probes to the sample liquid to be analyzed; And
Method for detecting contaminants in a sample using a quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry comprising the step of analyzing the sample solution in the flow cytometry.
제1항에 있어서, 상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체는 스트렙타비딘 코팅된 폴리스티렌 비드와 바이오틴화된 검출 항원의 접합 반응에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.The method of claim 1, wherein the polystyrene bead-antigen competition complex is formed by a conjugation reaction of a streptavidin-coated polystyrene bead and a biotinylated detection antigen, using a quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry. Method for detecting contaminants in a sample. 제1항에 있어서, 상기 양자점 검출 탐침자들은 상기 검출 대상이 되는 항원에 대한 단일 클론 항체를 상기 양자점 표면에 코팅함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.The method according to claim 1, wherein the quantum dot detection probes are prepared by coating a monoclonal antibody against the antigen to be detected on the surface of the quantum dot, using a quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry. Method of detecting contaminants. 제1항에 있어서, 상기 양자점 검출 탐침자들을 상기 분석 대상 시료액에 가해준 이후에는, 상기 분석 대상 시료액 중의 검출 대상 항원과 상기 양자점 검출 탐침자에 결합된 항체와의 경쟁적인 항원-항체 면역반응 및 상기 폴리스티렌 비드-항원 경쟁 복합체에 결합된 항원과 상기 양자점 검출 탐침자에 결합된 항체와의 항원-항체 면역반응이 평형상태에 이르도록 방치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.The method of claim 1, wherein after applying the quantum dot detection probes to the sample solution, competitive antigen-antibody immunity between the antigen to be detected in the sample solution and the antibody bound to the quantum dot detection probe And allowing the antigen-antibody immune response of the antibody bound to the polystyrene bead-antigen competition complex to the antibody bound to the quantum dot detection probe to reach an equilibrium state. Method for detecting contaminants in a sample using competitive immunoassay and multiple flow cytometry. 제1항에 있어서, 상기 유세포 분석장치는 전기적 부피의 크기 파라미터, 측면 산란의 과립도 구별 파라미터 및 형광 파라미터에 관한 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.The sample using the quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry according to claim 1, wherein the flow cytometer provides information on an electrical volume size parameter, a side scattering granularity discrimination parameter, and a fluorescence parameter. Method of detecting heavy pollutants. 제1항에 있어서, 상기 검출 대상이 되는 각각의 항원은 마이크로시스틴-LR 및 벤조[a]피렌인 것을 특징으로 하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.The method of claim 1, wherein each antigen to be detected is microcystine-LR and benzo [a] pyrene. 4. The method of detecting contaminants in a sample using quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry. 제1항에 있어서, 상기 양자점은 525nm에서 형광을 방출하는 양자점 및 655nm에서 형광을 방출하는 양자점인 것을 특징으로 하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.The method of claim 1, wherein the quantum dots are quantum dots emitting fluorescence at 525 nm and quantum dots emitting fluorescence at 655 nm. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 양자점 검출 탐침자는 상기 525nm에서 형광을 방출하는 양자점에 상기 마이크로시스틴-LR 항원이 부착된 양자점 검출 탐침자 및 상기 655nm에서 형광을 방출하는 양자점에 상기 벤조[a]피렌 항원이 부착된 양자점 검출 탐침자인 것을 특징으로 하는 양자점 기반의 경쟁 면역분석법 및 다중 유세포 분석법을 이용한 시료 중 오염물질의 검출 방법.The quantum dot detection probe of claim 6 or 7, wherein the quantum dot detection probe is attached to the quantum dot emitting fluorescence at 525 nm, and the benzo [B] is applied to the quantum dot emitting fluorescence at 655 nm. A method for detecting contaminants in a sample using a quantum dot-based competitive immunoassay and multiple flow cytometry characterized in that the quantum dot detection probe attached to a pyrene antigen.
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