KR20160040478A - 분석대상 시료의 실시간 분석이 가능한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템 및 이를 이용한 분석방법 - Google Patents

분석대상 시료의 실시간 분석이 가능한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템 및 이를 이용한 분석방법 Download PDF

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KR20160040478A
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Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 및 이를 이용한 분석방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분석대상 시료의 광반응이 수행되는 과정에서 실시간 분석이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 및 이를 이용한 분석방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템 및 이를 이용하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법은 센서 시스템에 광반응용 광원부를 도입함으로써, 금속박막에 인접 또는 흡착된 분석대상 시료에 대한 광반응을 수행되는 과정에서 광반응에 따른 시료의 화학적, 물리적 변화를 실시간으로 분석할 수 있으므로 화학 및 생체물질의 특성분석에 있어 학문적, 실용적인 면에서 응용성이 크다. 또한, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 증폭 효과를 통한 정밀도 개선이 되는 장점이 있다.

Description

분석대상 시료의 실시간 분석이 가능한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템 및 이를 이용한 분석방법{Surface plasmon resonance sensor system capable of real-time monitoring of the sample and analysis method using the same}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 및 이를 이용한 분석방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분석대상 시료의 광반응이 수행되는 과정에서 실시간 분석이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 및 이를 이용한 분석방법에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(Surface Plasmon)이란 도체 표면, 이를테면 금속박막의 표면을 따라 전파하는 자유전자의 양자화된 진동이다. 이러한 표면 플라즈몬은 프리즘과 같은 유전매체(Dielectric medium)를 지나 유전매체의 임계각 이상의 각도로 금속박막에 입사하는 입사광에 의해 여기되어 공명을 일으키는데, 이를 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR)이라 한다. 표면 플라즈몬 공명(SPR)이 일어나는 입사광의 입사각, 즉 공명각은 금속박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 매우 민감하다.
이러한 성질을 이용한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서는 금속박막에 근접한 물질 즉, 시료의 굴절률 변화로부터 시료의 정량분석, 정성 분석 및 박막인 시료의 두께를 측정하는 데에 이용된다. 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서는 형광물질과 같은 별도의 표지물질 없이 광학적 원리를 이용하여 분자들 간의 상호작용을 계측할 수 있고, 반응의 진행상황을 실시간으로 관측할 수 있다. 따라서, 단백질과 같은 생체물질이 센서 표면에 결합될 경우, 신호 변화를 일으키는 현상을 이용하여 바이오센서 및 바이오칩 측정방법으로 많이 이용되고 있다(비특허문헌 1).
한편, 광반응이란 빛에 의해 화학적 반응이 진행되는 것으로, 가장 잘 알려진 광반응으로는 광합성을 들 수 있으며, 그 외에도 빛을 조사하여 반응을 일으키는 다양한 생물, 화학적 광반응이 알려져 있다. 최근, 광반응은 그 적용분야가 넓어지고 있으며, 화학 및 생명분야에서도 그 활용이 증가되고 있다. 이와 관련하여, 광반응이 진행됨과 동시에 실시간으로 시료의 화학적, 물리적 변화를 관찰할 수 있다면, 화학 및 생체물질의 특성분석에 있어 학문적, 실용적인 면에서 응용성이 크므로, 이와 관련된 연구들이 활발히 진행되고 있다.
이와 관련하여 비특허문헌 2는 광반응을 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서에 도입한 예로서, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 칩에 광반응을 통하여 분자를 도입하고, 상기 분자와 선택적으로 결합하는 단백질을 검출하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 칩 표면에 분자를 도입하는 과정에서 광반응을 사용했을 뿐, 광반응이 진행되면서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호를 측정한 결과는 아니다.
이에, 본 발명자들은 광반응이 진행되는 과정에서 실시간으로 분석대상 시료의 화학적, 물리적 변화를 관찰할 수 있는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서에 대하여 연구하던 중, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서에 광반응용 광원부를 도입하여 만든 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서가 분석대상 시료에 광을 조사하여 광반응을 수행함과 동시에 반응에 의해 변화하는 분석대상 시료의 분석이 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Nice, E. C. and Catimel, B., Bioassays, 1999, 21, 339-352; Naoki et al., Anal. Chem., 2006, 78, 2226-2230.
본 발명의 목적은 분석대상 시료의 광반응이 수행되는 과정에서 광반응에 따른 분석대상 시료의 변화를 실시간으로 분석할 수 있는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 표면 플라즈몬 공명 센서(SPR) 시스템을 이용하여 광반응이 진행되는 분석대상 시료의 변화를 실시간으로 분석하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 투명기판(101)과 상기 투명기판(101)의 일면에 적층되는 금속박막(102)을 포함하여 구성되고, 상기 금속박막(102) 표면에 분석대상 시료가 고정되는 센서칩;
상기 금속박막(102)이 적층되지 않은 투명기판(101)의 타면 상에 부착되는 유전매체(103);
상기 유전매체(103)를 통하여 센서칩에 입사되는 입사광(107)을 발생시키는 입사광원부(104);
상기 센서칩 표면에 고정되는 분석대상 시료에 입사되는 광반응용 광(108)을 발생시키는 광반응용 광원부(105); 및
상기 센서칩으로부터 반사되는 반사광(109)을 감지하는 수광부(106);를 포함하고, 광반응에 의한 분석대상 시료의 변화가 실시간으로 분석이 가능한 표면 플라즈몬 공명 센서(SPR) 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 표면 플라즈몬 공명 센서(SPR) 시스템의 센서칩 상에 분석대상 시료와 특이적으로 결합 반응을 통해 결합이 가능한 결합물질을 고정화시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 결합물질과 분석대상 시료를 반응시켜 분석대상 시료를 센서칩 상에 고정시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 센서칩 상에 고정시킨 분석대상 시료에 광반응용 광을 조사하여 광반응을 수행하면서,
동시에, 광반응이 진행되고 있는 센서칩에 입사광을 입사시켜 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장을 발생시키는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 발생된 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장에 의해서 반사되는 반사광을 감지하는 단계(단계 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광반응이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법을 제공한다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템 및 이를 이용하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법은 센서 시스템에 광반응용 광원부를 도입함으로써, 금속박막에 인접 또는 흡착된 분석대상 시료에 대한 광반응을 수행되는 과정에서 광반응에 따른 시료의 화학적, 물리적 변화를 실시간으로 분석할 수 있으므로 화학 및 생체물질의 특성분석에 있어 학문적, 실용적인 면에서 응용성이 크다. 또한, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 증폭 효과를 통한 정밀도 개선이 되는 장점이 있다.
도 1은 광반응용 광(108)이 금속박막(102)에 직접 조사되는 형태의 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 광반응용 광(208)이 금속박막(202)의 한 지점에 집속되어 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호 증폭에 따른 분석대상 시료의 정량과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1에서 측정된 표면 플라즈몬 공명(SPR) 굴절지수 변화 값을 도시한 그래프이다.
도 5는 종래의 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서를 이용하여 분석대상 시료를 정량분석한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 광반응이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서를 이용해 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호를 증폭시켜 분석대상 시료를 정량분석한 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명은 투명기판(101)과 상기 투명기판(101)의 일면에 적층되는 금속박막(102)을 포함하여 구성되고, 상기 금속박막(102) 표면에 분석대상 시료가 고정되는 센서칩;
상기 금속박막(102)이 적층되지 않은 투명기판의 타면 상에 부착되는 유전매체(103);
상기 유전매체(103)를 통하여 센서칩에 입사되는 입사광(107)을 발생시키는 입사광원부(104);
상기 센서칩 표면에 고정되는 분석대상 시료에 입사되는 광반응용 광(108)을 발생시키는 광반응용 광원부(105); 및
상기 센서칩으로부터 반사되는 반사광(109)을 감지하는 수광부(106);를 포함하고, 광반응에 의한 분석대상 시료의 변화가 실시간으로 분석 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 상기 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템을 각 구성성분 별로 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템의 센서칩은 투명기판(101)과 상기 투명기판(101)의 일면에 적층되는 금속박막(102)을 포함하여 구성되며, 상기 투명기판의 일면에 적층되는 금속박막(102)은 분석대상 시료를 고정하는 역할과 함께 입사광원부(105)로부터 입사되는 입사광(107)을 수광부(106)로 반사시키고, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 현상을 발생시키는 역할을 수행한다.
이때, 상기 투명기판(101)은 투명한 매질, 예를 들면, 투명 유리 기판 등을 사용할 수 있으며, 또는 실리콘(Si) 기판, 티타늄 산화물(TiO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O5) 등과 같은 투명 산화물 기판을 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판(101)은 센서 시스템에 구비되는 유전 매체(103)와 동일 또는 유사한 굴절율을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 금속박막(102)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 규소(Si), 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 금속박막(102)의 두께는 10 nm 내지 100 nm인 것이 바람직하다.
상기 금속박막(102)의 두께가 10 nm 미만인 경우, 박막을 증착하기가 어려운 문제점이 있고, 금속박막(102)의 두께가 100 nm를 초과하는 경우에는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호검출이 어려운 문제점이 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 유전매체(103)는 금속박막(102)이 적층되지 않은 투명기판(101)의 타면 상에 도입되어 금속박막(102)과 경계면을 이루며, 표면 전하들의 진동을 유도하는 역할을 수행한다.
이때, 유전매체(103)로 사용가능한 것으로는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄/하프늄 실리케이트, 페로브스카이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물; 또는 방향족 열경화형 수지, 폴리비닐페놀(Polyvinylphnole:PVP),폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenfluoride:PVDF), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate:PMMA), 폴리에틸렌테레프탈 레이트(Polyethyleneterephthalate:PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate:PEN), 폴리카보네이트(Polycarbonate:PC), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate:PAR), 폴리에더술폰(Polyethersulphone:PES), 폴리이미드(Polyimide:PI) 및 파릴렌(Parylene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기물 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 입사광원부(104)는 센서칩에 입사되는 광(107)을 발생시키는 역할을 수행하며, 입사광원부(104)에 의해서 발생되는 광(107)은 센서칩의 일면에 도입된 유전매체(103)를 통하여 센서칩에 도달하게 된다.
이때, 센서칩으로 입사되는 광(107)은 레이저에 의해 발생될 수 있다. 보다 구체적으로는 레이저다이오드, 가스레이저 등과 같은 레이저에 의해 발생될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 센서칩으로 입사되는 광(107)은 금속박막(102)에서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 현상이 최적화되도록 400 nm 내지 900 nm의 파장을 갖는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 광반응용 광원부(105)는 센서칩 표면에 고정되는 분석대상 시료에 입사되는 광반응용 광(108)을 발생시키는 역할을 수행한다.
이때, 광반응용 광원부(105)에서 발생되는 광(108)은 자외선, 가시광선, 적외선 등을 사용할 수 있으나, 입사광원부(104)에서 발생되는 입사광(107)과 동일한 파장의 광은 시료분석능을 감소시킬 수 있으므로 피하는 것이 바람직하다.
또한, 광반응용 광원부(1015)는 도 1에 나타낸 바와 같이 금속박막(102) 위쪽에 위치하여 광반응용 광(108)을 금속박막(102) 표면의 시료에 조사할 수 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이 금속박막(202) 위쪽에서 광반응용 광(208)을 조사하지 않고도, 광섬유(210)를 이용하여 광반응용 광원부(205)에서 조사된 광(208)을 금속박막(202) 아래의 투명기판(201)에 집적시킬 수도 있다. 광섬유(210)를 이용하는 경우에는 투명기판(201)에 집적된 광반응용 광(208)이 도파되어 금속박막(202) 표면에서 광반응을 진행되며, 이때 광섬유(210)로부터 조사되는 광반응용 광(208)은 렌즈(211)를 이용하여 투명기판(101)에 초점을 맞추어 집적시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 수광부(106)는 금속박막(102)에 의해 반사되는 광(109)의 세기가 최소가 되는 이미지상의 어두운 부분을 모니터함으로써 실시간으로 시료를 분석하는 역할을 수행한다.
이때, 상기 수광부(106)로는 예를 들면, 포도다이오드 어레이, 전자결합소자, 상보적 금속산화물 반도체 등의 이미지 검출기용 수광부(106)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 광반응에 의한 분석대상 시료의 변화를 실시간으로 분석 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템은 입사광원부(105)로부터 입사되는 입사광(107)이 금속박막(102) 상의 한 지점에 집적되고, 집적된 입사광(107)에 의해서 금속박막(102)은 표면 플라즈몬 공명(SPR)이 발생시킨다. 발생된 표면 플라즈몬 공명(SPR)은 금속박막(102)에 인접 또는 흡착된 시료에 따라 입사광(107)을 반사시키며, 반사된 반사광(108)은 수광부에 수집되어 분석대상 시료를 분석하는 과정을 수행한다. 이때, 광반응용 광(108)을 함께 조사함으로써 금속 박막(102) 표면에서 진행되는 광반응에 의한 분석대상 시료의 화학적, 물리적 변화를 실시간으로 분석할 수 있다(실시예 1 참조).
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템의 센서칩 상에 분석대상 시료와 특이적으로 결합 반응을 통해 결합이 가능한 결합물질을 고정화시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 결합물질과 분석대상 시료를 반응시켜 분석대상 시료를 센서칩 상에 고정시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 센서칩 상에 고정시킨 분석대상 시료에 광반응용 광을 조사하여 광반응을 수행하면서,
동시에, 광반응이 진행되고 있는 센서칩에 입사광을 입사시켜 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장을 발생시키는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 발생된 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장에 의해서 반사되는 반사광을 감지하는 단계(단계 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광반응이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 상기 광반응이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 상기 단계 1은 본 발명에 따른 상기 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템의 센서칩 상에 분석대상 시료와 특이적으로 결합 반응을 통해 결합이 가능한 결합물질을 고정화시키는 단계이다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템은 상기 분석하고자 하는 분석대상 시료와 특이적으로 결합하는 수용체 등의 결합물질을 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템의 센서칩 상에 고정시킴으로써, 분석대상 시료만을 특이적으로 검출할 수 있다. 이때, 상기 분석대상 시료는 결합물질과 특이적으로 결합반응하는 리간드 물질로서, 예를 들면, 항원 등을 들 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 2는 단계 1의 결합물질과 분석대상 시료를 반응시켜, 분석대상 시료를 센서칩 상에 고정시키는 단계이다. 보다 구체적으로, 상기 단계 2는 단계 1에서 금속박막 상에 고정된 결합물질에 분석대상 시료를 흘려 결합물질과 분석대상 시료를 특이적으로 결합반응시킴으로써 센서칩 상에 분석대상 시료를 고정시키는 단계이다.
이때, 상기 분석대상 시료는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장 변화를 증폭시키는 역할을 수행하는 나노 입자를 더 포함하여 복합체를 형성할 수 있다. 상기 나노 입자로는 예를 들면, Fe3O4-SiO2-TiO2 나노 입자, @TiO2 나노입자 등을 사용할 수 있으며, 상기 나노 입자는 분석 대상 시료와 결합하기 위하여 항체로 표면 개질된 상태인 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 3은 단계 2에서 센서칩 상에 고정시킨 분석대상 시료에 광반응용 광을 조사하여 광반응을 수행함과 동시에 광반응이 진행되고 있는 센서칩에 입사광을 입사시켜 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장을 발생시키는 단계이다.
다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 4는 단계 3에서 발생된 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장에 의해서 반사되는 반사광을 감지하는 단계이다. 보다 구체적으로는 상기 단계 4는 단계 3에서 발생되는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 파장에 의해 반사되는 반사광의 세기가 최소가 되는 이미지상의 어두운 부분을 분석함으로써 분석대상 시료를 분석할 수 있다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템을 이용한 광반응이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법은 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템에 광반응용 광원부를 도입함으로써, 금속박막에 인접 또는 흡착된 분석대상 시료에 대한 광반응을 수행함과 동시에, 광반응에 따른 시료의 화학적, 물리적 변화를 실시간으로 분석할 수 있다는 장점이 있다(실시예 1 참조).
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 표면 플라즈몬 공명( SPR ) 센서 시스템을 이용한 시료의 측정 1
인산완충용액(PBS)에 0.2 mg/ml 농도로 녹아있는 시스테인 3 단백질 G(Cys3 protein G)를 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템의 금 박막으로 이루어진 센서칩 위에 흘려주어 센서칩 표면을 개질하였다. 그 후, 단백질 G로 개질된 센서칩을 살모넬라 항체가 0.1 mg/ml 농도로 용해된 인산완충용액(PBS)과 반응시켜, 단백질 G에 살모넬라 항체를 결합시켰다. 또한, 센서칩 표면의 비특이적 반응을 방지하기 위하여 센서칩을 소혈청알부민(BSA)이 1 mg/ml 농도로 용해되어 있는 인산완충용액(PBS)과 반응시켰다.
상기 결합물질인 살로넬라 항체가 고정된 센서칩에 인산완충용액(PBS)에 용해되어 있는 분석대상 시료인 살모넬라균을 흘려주면서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호 변화를 1차 측정하였다.
센서칩 표면에 분석대상 시료가 흡착된 후, 광반응이 가능한 나노입자인 Fe3O4@SiO2@TiO2를 센서칩 표면에 흘려주면서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호 변화를 2차 측정하였다. 이때, 상기 나노입자는 분석대상 시료와 결합하기 위한 항체로 표면이 개질된 상태로, 센서칩 표면을 흐르면서 분석대상 시료와 복합체를 형성하게 된다.
이후, 상기 센서칩 표면에 분석대상 시료-나노입자 복합체가 흡착된 상태로 10 mM 질산은(AgNO3) 수용액을 흘려주면서 광반응용 광(파장: 254 nm UV)을 10분간 조사시키고 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호 변화를 3차 측정하였다.
그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 센서칩 상에 분석대상 시료만 흡착, 분석대상 시료-나노입자 복합체 형성 및 상기 분석대상 시료-나노입자 복합체의 광반응이 진행됨에 따라 점차적으로 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호가 증폭되는 것을 알 수 있다. 이는 분석대상 시료에 의한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호를 나노입자가 증폭시키고, 이후 분석대상 시료-나노입자 복합체과 질산은(AgNO3)의 광반응이 진행됨에 따라 은(Ag) 이온이 나노입자 표면에 환원되어 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호를 증폭시키기 때문이다.
또한, 분석대상 시료의 정량분석 결과를 살펴보면, 종래의 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서를 이용하여 정량분석한 결과를 나타낸 도 5와 대비하여 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서를 이용한 경우, 100배 이상의 감도 향상이 이루어지는 것을 알 수 있다(도 6 참조).
따라서, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템 및 이를 이용하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법은 센서 시스템에 광반응용 광원부를 도입함으로써, 금속박막에 인접 또는 흡착된 분석대상 시료에 대한 광반응이 수행되는 과정에서 분석대상 시료의 화학적, 물리적 변화를 실시간으로 분석할 수 있으므로, 화학 및 생체물질의 특성분석에 활용도가 높으며, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 증폭 효과를 통한 정밀도 개선이 되는 장점이 있다(실시예 1 참조).
< 실시예 2> 표면 플라즈몬 공명( SPR ) 센서 시스템을 이용한 시료의 측정 2
인산완충용액(PBS)에 0.2 mg/ml 농도로 녹아있는 시스테인 3 단백질 G(Cys3 protein G)를 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템의 금 박막으로 이루어진 센서칩 위에 흘려주어 센서칩 표면을 개질하였다. 그 후, 단백질 G로 개질된 센서칩을 살모넬라 항체가 0.1 mg/ml 농도로 용해된 인산완충용액(PBS)과 반응시켜, 단백질 G에 살모넬라 항체를 결합시켰다. 또한, 센서칩 표면의 비특이적 반응을 방지하기 위하여 센서칩을 소혈청알부민(BSA)이 1 mg/ml 농도로 용해되어 있는 인산완충용액(PBS)과 반응시켰다.
분석대상 시료와 나노입자의 복합체를 형성하기 위하여 인산완충용액에서 혼합하고 30분 동안 배양시켰다. 이때, 상기 나노입자로는 분석대상 시료와 결합하기 위한 항체로 표면이 개질된 상태의 Fe3O4@SiO2@TiO2를 사용하였다. 배양 후, 형성된 분석대상 시료-나노입자 복합체를 상기 센서칩에 흘려주면서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호 변화를 1차 측정하였다.
상기 센서칩 표면에 분석대상 시료-나노입자 복합체가 흡착된 상태로 10 mM 질산은(AgNO3) 수용액을 흘려주면서 광반응용 광(파장: 254 nm UV)을 10분간 조사하여 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호 변화를 2차 측정하였다.
100: 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서의 모식도 1;
101: 투명기판;
102: 금속박막;
103: 유전매체;
104: 입사광원부;
105: 광반응용 광원부;
106: 수광부;
107: 입사광;
108: 광반응용 광;
109: 반사광;
200: 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서의 모식도 2;
201: 투명기판;
202: 금속박막;
203: 유전매체;
204: 입사광원부;
205: 광반응용 광원부;
206: 수광부;
207: 입사광;
208: 광반응용 광;
209: 반사광;
210: 광섬유; 및
211: 렌즈.

Claims (9)

  1. 투명기판과 상기 투명기판의 일면에 적층되는 금속박막을 포함하여 구성되고, 상기 금속박막 표면에, 광에 의해 화학적 반응이 일어나는 광반응 가능한 분석대상 시료가 고정되는 센서칩;
    상기 금속박막이 적층되지 않은 투명기판의 타면 상에 부착되는 유전매체;
    상기 유전매체를 통하여 센서칩에 입사되는 입사광을 발생시키는 입사광원부;
    상기 센서칩 표면에 고정되는 분석대상 시료에 입사되는 광반응용 광을 발생시키는 광반응용 광원부; 및
    상기 센서칩으로부터 반사되는 반사광을 감지하는 수광부;를 포함하고, 광반응에 의한 분석대상 시료의 변화를 실시간 분석이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속박막은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 규소(Si), 또는 이들의 혼합물 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속박막의 두께는 10 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전매체는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄/하프늄 실리케이트, 페로브스카이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물; 또는 방향족열경화형 수지, 폴리비닐페놀(Polyvinylphnole:PVP),폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenfluoride: PVDF), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate: PMMA), 폴리에틸렌테레프탈 레이트(Polyethyleneterephthalate: PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate: PEN), 폴리카보네이트(Polycarbonate: PC), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate: PAR), 폴리에더술폰(Polyethersulphone: PES), 폴리이미드(Polyimide: PI) 및 파릴렌(Parylene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기물로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입사광은 400 nm 내지 900 nm의 파장을 갖는 레이저인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광반응용 광은 자외선, 가시광서 및 적외선으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이되,
    제5항의 입사광과는 다른 파장의 광인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템.
  7. 제1항의 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서 시스템 센서칩 상에, 분석대상 시료와 특이적으로 결합 반응을 통해 결합이 가능한 결합물질을 고정화시키는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 결합물질과 분석대상 시료를 반응시켜 분석대상 시료를 센서칩 상에 고정시키는 단계(단계 2);
    상기 단계 2의 센서칩 상에 고정시킨 분석대상 시료에, 표면이 상기 단계 2의 결합물질로 개질된 Fe3O4@SiO2@TiO2 또는 TiO2 나노입자를 직접 결합시켜 분석대상 시료와 나노입자의 복합체를 형성하는 단계(단계 3);
    상기 단계 3에서 센서칩 상에 고정시킨 분석대상 시료와 나노입자의 복합체에 질산은(AgNO3) 수용액을 흘려주며 광반응용 광을 조사하여 광반응을 수행하여, 이에 상기 Fe3O4@SiO2@TiO2 또는 TiO2 나노입자의 표면에 은(Ag+) 이온이 환원되면서,
    동시에, 광반응이 진행되고 있는 센서칩에 입사광을 입사시켜 표면 플라즈몬 공명 파장을 발생시키는 단계(단계 4); 및
    상기 단계 4에서 발생된 표면 플라즈몬 공명 파장에 의해서 반사되는 반사광을 감지하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광반응이 가능한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 분석대상 시료는 결합물질과 특이적으로 결합반응하는 리간드 물질이고, 상기 결합물질은 상기 리간드를 수용하는 수용체인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리간드 물질은 항원이고, 상기 결합물질은 리간드 물질인 항원의 항체인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분석방법.
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