KR20180102363A - Metal ion detection method using dielectrophoretic technique - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for detecting metal ions using a novel spectroscopic technique and for simply and accurately mass-measuring a wide range of metal ion concentration. More specifically, the present invention utilizes a polynucleotide-coated substrate and microspheres to increase mutual binding force between metal ion-mediated polynucleotides as the metal ion concentration increases. Therefore, the present invention can measure presence of the metal ions in a simple manner at a wide concentration range with high sensitivity by measuring unbinding force by DEP force and quantifying the same by a statistical analysis method, and mass measurement at a given time.

Description

유전영동기술을 이용한 금속이온 검출방법{Metal ion detection method using dielectrophoretic technique}[0001] The present invention relates to a metal ion detection method using a dielectrophoretic technique,

본 발명은 유전영동기술을 이용한 금속이온 탐지 방법 및 금속이온 농도측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal ion detection method and a metal ion concentration measurement method using a dielectrophoretic technique.

산업의 급속한 발전으로 인해 발생한 중금속들은 대기, 수질 및 토양 등의 환경오염을 유발하는 인자로써 그 자체 독성뿐만 아니라 생체 내에서 분해되지 않고 축적되어 인간들에게 다양한 질병을 유발시킬 위험성이 매우 크다. 인간의 몸에 중금속이 축적되면 중추신경마비, 언어장애 등의 피해를 입을 수 있으며 골다공증 위장, 신장장애를 일으킬 수 있고 유산, 저체중 출산, 유아의 성장 장애 등을 유발할 수 있다. 따라서 중금속 오염 정도를 쉽고 정확하게 측정할 수 있는 금속이온 탐지 및 농도측정방법의 개발이 필수적이다.The heavy metals generated by the rapid development of industry are the factors that cause environmental pollution such as air, water quality and soil, and they are accumulated not without decomposition in vivo as well as toxicity itself, and there is a great risk of causing various diseases to humans. Accumulation of heavy metals in the human body can cause damage to the central nervous system paralysis and speech disorders, can cause osteoporosis, gastrointestinal disorders, kidney failure, miscarriage, low birth weight and infant growth disorders. Therefore, it is essential to develop metal ion detection and concentration measurement method that can easily and accurately measure the degree of heavy metal contamination.

통상적으로 미량의 중금속을 정량하는 방법으로 활용하고 있는 방법으로는 기체크로마토그래피(GC), 유도결합 플라즈마 분광법(ICP), 원자 흡수 분과광도법(AAS) 그리고 원자방출분광법(AES) 등의 장비를 이용하는 방법 또는 전기화학적 방법으로 크게 나눌 수 있다. Typical methods for quantifying trace metals include gas chromatography (GC), inductively coupled plasma spectroscopy (ICP), atomic absorption spectroscopy (AAS), and atomic emission spectroscopy (AES) Method or an electrochemical method.

그러나 상기 원자 흡수 분광광도법은 측정시간이 많이 소요될 뿐만 아나라, 상비 장비와 같은 측정 기기들이 매우 고가에 유지비가 높으며, 기기조절 방법이 복집하고, 분석 단가가 높다는 문제점이 있다. 특히, 분광법을 이용한 측정기는 광원을 비롯하여 기기의 주요 부품들이 매우 고가이며 부품 교체 및 A/S에 있어 부가적 유지관리비가 요구될 뿐만 아니라, 기기의 구성과 원리상 현장적용이 어려워 측정값의 재현성과 정확도에 있어 많은 문제점을 갖고있다. 한편, 상기 전기화학적 측정방법은 분광법에 비해 신속, 경제적인 분석방법으로 널리 사용되고 있다. 그러나 전기화학적 측정방법 중 하나인 적하수은 전극 방식의 경우, 수은 원액을 전도매체로 사용하였을 때 수은 전극의 끊김 현상이 발생하여 안정적이고 연속적인 측정이 불가능하고, HDME(Hanging Mercury Drop Electrode), MTFE(Metal Thin Film Electrode)의 경우 수은 원액이 전도매체로 사용되기에 2차 환경오염 발생 우려가 있을 뿐 아니라, 분석 재현성 및 신뢰성이 다소 낮다는 문제점이 있다. 대표적인 중금속 분석법으로 가장 많이 사용되는 SWV(square wave stripping voltammetry)의 경우 분광학적인 방법이나 다른 전기화학적인 방법보다 높은 감도로 낮은 농도의 중금속이온을 검출할 수 있는 장점이 있으나 저농도의 중금속을 검출하기 위해서는 센서 표면에 농축시키기 위한 전처리 과정을 거칠 필요가 있으므로 수분 내지 수십 분의 측정시간이 요구된다. 또한, 장기간 사용 시 중금속 농축에 의한 센서 표면의 오염되어 측정감도 저하가 발생하는 문제점이 있다. However, the above-described atomic absorption spectrophotometry requires a long time for measurement, and the measurement apparatuses such as stationary apparatuses are very expensive, have a high maintenance cost, are complicated in the apparatus control method, and have a high analysis cost. Especially, the measuring instrument using spectroscopy is very expensive because the main parts of the instrument including the light source are required to have an additional maintenance cost in parts replacement and after-sales service, And accuracy. On the other hand, the electrochemical measurement method is widely used as a quick and economical analysis method compared to the spectroscopic method. However, in the case of the mercury electrode method, which is one of the electrochemical measurement methods, when the mercury source solution is used as the conduction medium, the mercury electrode is disconnected and stable and continuous measurement is impossible. (Metal Thin Film Electrode), there is a concern that secondary pollution occurs because the mercury undecaneous solution is used as a conduction medium, and the reproducibility and reliability of the analysis are somewhat low. In the case of SWV (square wave stripping voltammetry), which is most commonly used as a typical heavy metal analysis method, it is advantageous to detect heavy metal ions at a low concentration with higher sensitivity than spectroscopic methods or other electrochemical methods. However, Since it is necessary to perform a pretreatment process to concentrate the surface of the sensor, measurement time of several minutes to several tens of minutes is required. Further, there is a problem that when the sensor is used for a long period of time, the surface of the sensor is contaminated by heavy metal concentration, resulting in a decrease in measurement sensitivity.

따라서 상기 문제점들을 극복하고 장기 사용하여도 중금속을 안정한 고감도로 검출할 수 있으며, 수초 내의 짧은 시간내 금속이온을 탐지하고 농도측정이 가능한 새로운 금속이온 검출 및 농도 측정방법의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to overcome the above problems and to detect a heavy metal in a stable high sensitivity even in a long term use, and to develop a new metal ion detection and concentration measurement method capable of detecting metal ions and measuring the concentration in a short time in a few seconds.

은은 지난 6천년간 항균시약으로 사용되어왔다. 고대 이집트인, 그리스인 과 로마인들은 용액을 신선하게 유지하기 위해 은 용기를 사용하였으며, 상처 치료를 위해 은 패드를 사용하였다. 최근 나노기술의 발전은 은 살균성 제품에 관한 많은 연구 보고서들을 생성하면서 향상된 항균활성을 가진 은나노물질들을 생산하기에 이르렀다.Silver has been used as an antibacterial reagent for the last 6,000 years. The ancient Egyptians, Greeks and Romans used silver bowls to keep the solution fresh and silver pads for wound healing. Recent advances in nanotechnology have led to the production of silver nanomaterials with enhanced antimicrobial activity, while generating numerous research reports on silver-based bactericidal products.

그러나 상기 향상된 은제품들로부터 방출된 은이온이 다양한 생태계로 노출될 경우, 이로 인한 환경 및 건강의 안전성 위험 문제가 발생할 수 있다는 염려가 제기되어 왔다. 다수의 연구에서는 Ag+가 야생동물은 물론 인간에게까지 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 점을 밝힌 바 있다. 또한, 방출된 Ag+는 Ag+-폴리뉴클레오타이드 복합체를 형성해 DNA 손상의 원인이 될 수도 있다. 따라서 환경에 존재하는 Ag+를 탐지하고 Ag+-폴리뉴클레오타이드 복합체 형성여부를 측정할 수 있는 방법을 개발하는 것은 중요하다.However, there has been a concern that when the silver ions emitted from the improved silver products are exposed to various ecosystems, there may arise a risk of environmental and health safety hazards thereof. Many studies have shown that Ag + can have a negative impact on humans as well as on wildlife. Also, the released Ag + forms an Ag + - polynucleotide complex, which may cause DNA damage. Therefore, it is important to develop a method that can detect the presence of Ag + in the environment and measure the formation of the Ag + - polynucleotide complex.

기존 연구들을 통해, 금속이온과 유기 분자 간의 결합 특이성에 기초하여 원자 흡수 분광법(atomoc absorption spectrometry)과 형광 탐침(fluorescent probes)을 사용한 Ag+ 측정이 가능해졌다. 그러나 상기 접근법들은 Ag+를 측정하기 위한 전처리과정을 포함한 준비과정이 복잡하며, 낮은 농도의 Ag+를 측정하기 충분할 만큼 정밀하지는 않다. 상기 접근법을 대체할 수 있는 방법으로서 시토신(C)을-포함하는 폴리뉴클레오타이드를 활용한 측정 방법이 있으며, 상기 측정방법은 형광기반 검정법(fluorescence-based assays)(10 nM to 1 μM), 전기화학적 센서(electrochemical sensors)(10 nM to 10 μM), 공진 캔틸레버(resonant cantilevers)(1 nM to 10 μM), 및 켈빈 프로브 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy)(100 pM to 100 nM)을 이용하여 시토신이 풍부한 DNA(시토신-rich DNA)에 대한 높은 선택성과 특이성을 가지고 Ag+를 측정할 수 있다. Previous studies have made it possible to measure Ag + using atomic absorption spectrometry and fluorescent probes based on the binding specificity between metal ions and organic molecules. However, the above approaches are complicated preparation process, including the pre-treatment process for measuring the Ag +, and, it is not precise enough to measure low concentrations of Ag +. As a possible alternative to this approach, there is a method of measuring using cytosine (C) -containing polynucleotides, which may include fluorescence-based assays (10 nM to 1 [mu] M) Cytosine was detected using electrochemical sensors (10 nM to 10 μM), resonant cantilevers (1 nM to 10 μM), and Kelvin probe force microscopy (100 pM to 100 nM) Ag + can be measured with high selectivity and specificity for abundant DNA (cytosine-rich DNA).

그러나 상기 측정 기술들이 Ag+ 탐지에 있어 종래의 방법들보다는 높은 선택성을 제공하더라도, 수소(H+)-폴리뉴클레오타이드-복합체와 Ag+-폴리뉴클레오타이드 복합체 형성에 중요하게 관련되어 있는 배위(coordinate)(Ag+-폴리뉴클레오타이드) 결합체에 의해 중재되는 결합 상호작용을 조사함에 있어서는 여전히 제한적인 면이 존재한다. 따라서 간단하면서도 일정시간에 많은 양을 처리할 수 있는 기술을 사용해 다양한 농도 범위의 Ag+를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 Ag+, H+ 및 폴리뉴클레오타이드에 의해 생성되는 결합 분자 상호간 상호작용을 측정할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.However, even if the measurement techniques provide high selectivity than conventional methods in the Ag + is detected, the hydrogen (H +) - a polynucleotide-complex with Ag +-related important to polynucleotide complexing coordination (coordinate) in ( & Lt ; / RTI > Ag + -polynucleotides) conjugate. Therefore, it is possible to measure the Ag + , Ag + , H +, and intermolecular interactions produced by the polynucleotides as well as to measure various concentrations of Ag + using a simple, The development of a method is required.

결합 상호작용의 파열힘(rupture force)은 하나의 탐침(probe)으로 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 사용가능한 후보이다. 그럼에도 불구하고, 정량분석적 접근법은 현재까지 보고된 바가 없다. 최근에 개발된 내부 미세흐름 장치를 사용하는 힘 분광법 기반 유전영동-집게(Dielectrophoretic-tweezers based force spectroscopy; DEPFS)의 경우 일정 조건에서 화학적 또는 생물학적 기능화된 수백개의 마이크로스피어(microspheres)를 탐침(probe)으로 동시 사용함으로써, 다양한 pH 조건하에서 수많은 약한 결합 상호작용들과 특이적인 리간드-리셉터 결합, 비특이적 상호작용, 그리고 DNA-DNA 상호작용같은 수많은 내부분자 상호관계의 측정이 가능하다. 따라서, 다른 힘 분광학적 접근(force spectroscopic approaches)들과는 반대로 DEPFS는 비결합분자간 상호작용의 통계적으로 신뢰성 있는 데이터를 얻는데 사용할 수 있으며, 이러한 데이터는 상호관계의 특징들을 간단하고 높은 정확성으로, 대량 분석이 가능한 방법으로써 통계적 조사에 활용할 수 있다.The rupture force of a binding interaction is a usable candidate that can meet this need with a single probe. Nevertheless, the quantitative approach has not been reported so far. In the case of DEPFS using a recently developed internal microfluidic device, several hundreds of microspheres, either chemically or biologically functionalized under certain conditions, are probed. , It is possible to measure a number of weak binding interactions and numerous internal molecular interactions such as specific ligand-receptor binding, nonspecific interaction, and DNA-DNA interaction under various pH conditions. Thus, contrary to other force spectroscopic approaches, DEPFS can be used to obtain statistically reliable data of non-intermolecular interactions, and this data can be used for simple, It can be used for statistical investigation as a possible way.

따라서, 본 발명자들은 DEPFS 접근법을 사용하여, 넓은 범위 농도에 걸쳐 높은 민감성을 가지고 금속(예컨대 Ag+)을 탐지하고 금속 폴리-C DNA 복합체(예컨데 Ag+/H+ 폴리-C DNA 복합체)간의 분자간 힘 탐지를 기반으로 금속, 수소이온 및 폴리-C DNA(예컨데, Ag+, H+ 와 폴리-C DNA) 사이의 상호작용을 정량적으로 측정하는 새로운 방법을 개발하였다. 또한, 이 방법으로 증류수와 식수 샘플 내 100 pM부터 100 μM의 넓은 검출 범위에 있는 DNA 복합체 상의 파열힘(FU)을 측정하였으며, 힘 분광법(force spectroscopy)으로 Ag+/H+ 폴리-C DNA 복합체 내에서 Ag+-폴리-C DNAs 와 H+-폴리-C DNAs의 수소 상호작용, 배위상호작용 협동성(cooperativity)을 측정하고 통계적 평가에 사용하여 DNA 폴리뉴클레오타이드 내의 Ag+ 상호작용 메커니즘을 조사하였다. Thus, we use the DEPFS approach to detect metals (e.g., Ag + ) with high sensitivity over a wide range of concentrations and to detect intermolecular interactions between metal poly-C DNA complexes (e.g., Ag + / H + Based on force detection, a new method has been developed to quantitatively measure the interactions between metals, hydrogen ions and poly-C DNA (eg, Ag + , H + and poly-C DNA). In addition, the rupture force (F U ) on DNA complexes ranging from 100 pM to 100 μM in distilled water and drinking water samples was measured by this method and Ag + / H + poly-C DNA was detected by force spectroscopy. The hydrogen interaction, coordinate interaction cooperativity of Ag + - poly-C DNAs and H + -poly-C DNAs in the complex was measured and used for statistical evaluation to investigate the mechanism of Ag + interaction in DNA polynucleotides .

따라서, 본 발명자들은 DEPFS를 사용해, 용액 내 존재하는 금속이온의 검출 및 금속이온의 농도를 정량적으로 측정하고 DNA 폴리뉴클레오타이드 내의 금속이온 상호작용 메커니즘을 측정할 수 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have found that, by using DEPFS, the detection of the metal ion present in the solution and the detection of the metal ion The present inventors have completed the present invention by determining that the concentration can be measured quantitatively and the mechanism of metal ion interaction in the DNA polynucleotide can be measured.

한국등록특허 제1,599,606호Korean Patent No. 1,599,606 한국등록특허 제1,380,716호Korean Patent No. 1,380,716

Measurement of the Interaction Between Hemicytosinium Duplexed Using Dielectrophoretic Tweezers(2015 The 6th Asian Particle Technology Symposium 15-18th Sept. / Seungyeop Choi, Min Hyung Kim, 외 7명)Measurement of the Interaction Between Hemicytosinium Duplexed Using Dielectrophoretic Tweezers (2015, 6th Asian Particle Technology Symposium 15-18th Sept. / Seungyeop Choi, Min Hyung Kim, Direct measurement of the interaction force between hemicytosinium duplexes using dielectrophoreticforce spectroscopy(2015 대한의용생체공학회 추계학술대회(12-14th_Nov.)Direct measurement of the interaction force between hemicytosinium duplexes using dielectrophoretic force spectroscopy (2015 Korea Society of Biomedical Engineering Fall Conference) (12-14th_Nov.) Detection of Silver Ions Using Dielectrophoretic Tweezers-Based Force Spectroscopy(2016 Analytical Chemistry(20th_July) / Seungyeop Choi, Sang Woo Lee 외 10명)Detection of Silver Ions Using Dielectrophoretic Tweezers-Based Force Spectroscopy (2016 Analytical Chemistry (20th_July) / Seungyeop Choi, Sang Woo Lee et al.

본 발명은 용액 내 금속이온의 존재와 농도를 간단하고 정밀하게 측정하고 대량 분석이 가능한 새로운 DEP 힘 기반 힘 분광법을 제공한다.The present invention provides new DEP force-based force spectrometry capable of simple and precise measurement of the presence and concentration of metal ions in solution and mass spectrometry analysis.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object,

(a) 전극이 형성된 기판의 일면 이상을 폴리뉴클레오타이드로 기능화시키는 단계;(a) functionalizing at least one surface of a substrate on which an electrode is formed, with a polynucleotide;

(b) 단계(a)의 기판과 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈를 챔버(chamber)에 넣는 단계;(b) placing the substrate of step (a) and beads functionalized with polynucleotides into a chamber;

(c) 챔버에 금속을 포함 또는 미포함하는 피검용액을 넣고 기판에 전압을 인가하는 단계;(c) placing a test solution containing or not containing a metal in a chamber and applying a voltage to the substrate;

(d) 비즈의 움직임을 측정하여 영상신호 정보를 수득하는 단계;(d) measuring motion of the beads to obtain video signal information;

(e) 단계(d)에서 수득한 영상신호 정보로부터 그레이스케일 값을 구하는 단계;(e) obtaining a gray scale value from the video signal information obtained in step (d);

(f) 단계 (e)에서 얻은 그레이스케일 값을 이용하여 파열 순간을 검출하는 단계; 및(f) detecting a moment of rupture using the gray scale value obtained in step (e); And

(g) 파열지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(FU; unbinding force)을 구하는 단계를 포함하는, 금속이온 검출 방법을 제공한다.(g) measuring the unbinding voltage at the rupture point and obtaining a rupture force (F U ) through a conversion process.

또한, 본 발명은 In addition,

(a) 전극이 형성된 기판의 일면 이상을 폴리뉴클레오타이드로 기능화시키는 단계;(a) functionalizing at least one surface of a substrate on which an electrode is formed, with a polynucleotide;

(b) 단계(a)의 기판과 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈를 챔버(chamber)에 넣는 단계;(b) placing the substrate of step (a) and beads functionalized with polynucleotides into a chamber;

(c) 챔버에 금속을 포함 또는 미포함하는 피검용액을 넣고 기판에 전압을 인가하는 단계;(c) placing a test solution containing or not containing a metal in a chamber and applying a voltage to the substrate;

(d) 비즈의 움직임을 측정하여 영상신호 정보를 수득하는 단계;(d) measuring motion of the beads to obtain video signal information;

(e) 단계(d)에서 수득한 영상신호 정보로부터 그레이스케일 값을 구하는 단계;(e) obtaining a gray scale value from the video signal information obtained in step (d);

(f) 단계 (e)에서 얻은 그레이스케일 값을 이용하여 파열 순간을 검출하는 단계; (f) detecting a moment of rupture using the gray scale value obtained in step (e);

(g) 파열지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(FU; unbinding force)을 구하는 단계; 및(g) measuring an unbinding voltage at a rupture point and obtaining an unbinding force (F U ) through a conversion process; And

(h) 단계 (g)에서 구한 파열힘 값과 포아송 통계분석방법(Poisson statistics)을 이용한 분자간 결합력 측정 방법을 제공한다. (h) Provides a method of measuring the intermolecular bonding force using the Poisson statistics and the tear force value obtained in the step (g).

아울러, 본 발명은 In addition,

폴리뉴클레오타이드로 기능화된 기판 및 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈(beads)가 들어 있는 챔버;A chamber containing polynucleotide-functionalized substrates and polynucleotide-functionalized beads;

상기 챔버 밑에 위치하되, 전극부를 구비하며, 상기 전극부에 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 전계생성부;An electric field generator positioned below the chamber, the electric field generator comprising an electrode unit and applying an electric voltage to the electrode unit to form an electric field;

상기 챔버 위 또는 일측에 위치되어, 상기 챔버 내를 촬상하는 카메라; A camera positioned above or at one side of the chamber to image the inside of the chamber;

상기 카메라로부터 수신된 영상신호로부터 그레이스케일 값을 측정하고, 그레이스케일 값을 이용해 파열 순간을 검출하는 측정부; 및A measuring unit measuring a gray scale value from a video signal received from the camera and detecting a moment of rupture using a gray scale value; And

상기 측정부에서 측정한 파열 지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(FU; unbinding force)을 구하는 분석부를 포함하는, 금속이온 측정장치를 제공한다.Provides including a analysis to obtain; (unbinding force F U), metal ions, the measuring device measures the voltage (unbinding voltage) of the rupture point measured by the measurement section and after the transformation process rupture strength.

본 발명은 DEP 기반 힘 분광법을 이용해 정밀하며 간단한 금속이온 탐지, 금속이온 농도측정 및 금속이온과 폴리뉴클레오타이드 간의 상호작용을 측정하고 통계적 분석을 통해 정량화하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for accurately and simply detecting metal ions, measuring metal ion concentrations, and interactions between metal ions and polynucleotides using DEP-based force spectroscopy and quantifying them through statistical analysis.

도 1은 Ag+가 들어있는 용액 내에서 폴리-C DNA가 고정된 마이크로스피어와 DEP 칩간의 Ag+-폴리 C-DNA 상호결합 형태를 나타냈으며, DEP 힘을 증가시킬 경우 마이크로스피어가 부양하게 되고 이에 따라 Ag+를 매개해 결합되어 있던 폴리-C DNA간 결합이 파괴되며, 그 순간의 파열힘(Unbinding force)을 측정하여 Ag+의 농도가 증가함에 따라 파열힘이 증가하는 결과를 요약해 나타낸 것이다.
도 2는 측정 시스템의 개략도를 나타낸다. Ag+에 의해 매개되는, parallel 폴리-C DNA 사이의 상호관계를 측정하는 DEPFS를 도식으로 나타낸 개략도(스케일을 나타내지 않은)이다. 수소 결합 및 배위결합의 조합과 함께, H+/Ag+-폴리-C 복합체 안의 내재 힘(inherent forces)은 DEP 힘에 의한 마이크로스피어의 상향 이동으로 측정된다.
도 3은 실험 구성을 도식적으로 나타낸 것으로 측정 방법은 세 단계로 구성된다. (A) 첫 번째 단계는 전극의 중심에 고정된 폴리-C DNA를 가진 마이크로스피어를 붙잡기 위해 네거티브 DEP 힘(48Vp-p, 1 MHz)을 인가하는 것이다. (B) 다음 단계는 마이크로스피어 탐침과 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 표면 사이의 C-Ag+-C 결합을 유도하는 것이다. (C) 그 다음으로 파열힘을 수직 DEP 힘(122Vp-p, 1 MHz)을 사용해 측정한다. (D-F) 100 pM(100 μm scale bar) Ag+ 농도가 들어있는 서로 맞물린 전극(interdigitated electrodes)이 존재하는 DEP chip 안에서 (A-C) 단계로부터 획득된 시각적 이미지를 나타낸다. 삽도는 각각의 인가전압에 따른 단일 마이크로스피어 이동을 나타낸다(10 μm scale bar).
도 4는 폴리-C DNA의 표면 고정화와 특징을 나타낸다. (A) SiO2 표면상에 폴리-C DNA 공유결합과 EDC/NHS를 가진 마이크로스피어를 도식적으로 설명하였다.
도 5는 6-FAM(여기(excitation)/ 방출(emission) 파장은 495 nm / 520 nm)으로 표지된 DEP 칩 표면(A)과 폴리-C DNA가 고정된 마이크로스피어(B)의 형광이미지를 나타낸다.((A) scale bar 100 ㎛, (B) scale bar 200 ㎛)
도 6의 (A)는 고정화된 폴리-C DNA를 가지는 마이크로스피어의 SEM 이미지를 나타내며, (B)는 폴리-C DNA가 있는 D 박스 지역의 이미지를 분명하게 보기 위해 나타낸 것이다. 삽도는 카르복실화된 폴리스티렌 마이크로스피어의 AFM 이미지를 나타낸다((A) scale bar 10 ㎛ (B) scale bar 100 nm).
도 7은 AFM 이미지로부터 얻은 형태학적 높이 분배를 나타낸다. 삽도는 카르복실화된 DEP 칩 표면(왼쪽)의 AFM 이미지와 폴리-C DNA 고정화된 DEP 칩 표면(오른쪽)을 나타낸다. 각각의 사이즈는 5 × 5 ㎛2이다.
도 8은 6-염기에서 36-염기 범위의 서로 다른 길이(L)를 가지는 폴리-C DNA와 Ag+, H+ 사이의 분자간 힘을 정량화한 결과를 나타낸다. (A,B) 파열힘(Unbinding for (FU))히스토그램 및 각각의 L 값들에서 Ag+가 존재/ 비존재시 가우스 핏(Gaussian fits)을 나타낸다. (C) A와 B로부터 얻어지는 평균 파열 힘(<FU>)과 표준편차를 나타냈으며, 삽도는 DNA 분자의 짝풀림 상태(unzipping of DNA molecules)를 나타내었다. (D) 이동 힘(Shift force, SF)은 Ag+가 존재 또는 부존재하는 상태에서 얻어지는 <FU> 값의 차이를 나타내며, 이는 폴리-C6 DNA의 SF값들을 정규화(normalization)하여 얻는다.
도 9는 DEPFS를 사용한 Ag+의 탐지 능력의 정량적 특징을 나타낸다. (A) 세미로그 스케일(semilogarithm scale) 상에서 DEPFS를 사용한 Ag+ assay로부터 얻은 평균 파열 힘(<FU>) 및 표준편차를 나타낸다. student's t test (two-tailed) 는 통계적 분석을 위해 사용하였다(*P < 0.0001). 점선은 하기 로그 함수에 들어맞는다. <FU>= 3.65×10-9×log[Ag+] + 48.91 ×10-9. (B) 이온 선택성 테스트 및 (C) Ag+ 센서로 DEPFS의 실제적 적용결과를 나타낸다(**P < 0.0001).
도 10은 Ag+와 폴리-C DNA 사이의 상호작용의 통계적 분석결과를 나타낸다. (A) 세미로그 스케일 상에서 [Ag+]대비 Ag+-폴리-C 복합체 상호작용의 단일 파열 힘(Single rupture force) 및 Ag+-폴리-C 복합체 내 Ag+와 H+의 상호관계를 도식적으로 나타낸다. (B) [Ag+](오각형, 검은색) 대비 정규화된 FUsingle(즉, FUsingle*)의 세미로그 도표(Semilogarithmic plot)가 Hill 공식(점선, 초록색)에 부합함을 나타낸다. FUsingle* 은 하기 공식으로부터 얻어진다. FUsinle* =FUsingle - MIN[FUsingle])/(MAX[FUsingle] - MIN[FUsingle]). 삽도는 파트 B의 연산도표를 나타낸다.
도 11은 그레이스케일 분석법을 사용하여 C-Ag+-C/C-H+-C 복합체 사이의 파열힘(unbinding force)을 결정하는 방법을 나타낸다. 보다 구체적으로 그레이스케일 변분법(grayscale variation method)을 사용하여 파열 전압(unbinding voltage)을 결정하는 것이다. Ⅰ) 표준 정규 분포(normal Gaussian distribution)에서 평균값(μ)으로부터 2배 이상 표준편차(2σ)로 결정되는 노이즈 레벨. Ⅱ) 노이즈 레벨을 넘어서 지속적인 그레이스케일 값으로 나타나는 파열 전압(unbinding voltage)을 나타낸다. 내부 마이크로스피어 지역의 밝기(그레이스케일 값)를 나타내는 삽도는 인가되는 전압의 함수에 따라 증가한다. 막대는 그레이스케일 레벨을 나타낸다(0 에서 255까지).
도 12는 파열 전압(unbinding voltage)을 반영한 파열 힘(FU)을 결정하는 방법을 나타낸다. I) DEP 힘의 계산법을 설명하기 위한 도이다. DEP 힘의 이론적 모델은 세개의 파라피터(εp*; 복합체 소분자 유전율(complex particle permittivity), εm*; 복합체 배지 유전율(complex medium permittivity), r; 마이크로스피어 지름(microsphere radius), 파열 전압(unbinding voltage), 유한 요소 시뮬레이션(finite element simulation)(COMSOL Multiphysics 3.5a)으로 풀리는 전기장 프로파일(electric field profile, E)에 도입된다. Ⅱ) DEP 힘과 인가된 전압 함수로부터 파열 사건(unbinding event)의 히스토그램(histogram) 그래프를 나타낸다.
도 13은 DEP 칩의 유한-요소 시뮬레이션(finite-element simulation)을 나타낸다. (A)는 유전영동 트위저(Dielectrophoretic tweezers)에 대한 다중선형전극(interdigiated electrode)의 개략도를 나타낸다. (B)는 DEP 칩 구조의 측면도를 나타낸다. (C)는 제한 요소 시뮬레이션 상에서 구현된 다중선형전극 에서의 전기장의 표면 기울기(그레이스케일 레벨)와 유전영동 힘의 방향(보라색 화살표)을 나타낸다.
도 14는 DEP 칩 표면과 폴리스티렌 마이크로스피어에 폴리-C DNA를 고정화하는 방법을 나타낸다. (Ⅰ내지 Ⅲ)는 두 표면(DEP 칩, 폴리스티렌 마이크로스피어) 모두에 폴리-C DNA를 고정화시키는 과정을 나타낸다. EDC/NHS는 아마이드를 형성하기 위해 카르복실산을 활성화시키고 폴리-C DNA는 각각의 표면에 안정한 아마이드 결합을 포함한다.
도 15는 폴리스티렌 마이크로스피어 표면 상에 폴리-C DNA가 고정화 됨을 증명하는 도이다. SEM 이미지와 표면 거칠기는 카르복실화 마이크로스피어(bare)와 고정화된 폴리-C DNA를 가진 마이크로스피어(DNA)를 나타낸다. 스케일 바는 100 nm이다. 바닥 이미지는 1,280 x 960 pixels을 아우르는 지역을 거쳐 그레이스케일 값(0 부터 255)으로 구성된 ImageJ 소프트웨어를 사용해 얻은 3D 이미지를 나타낸다.
도 16은 DEP 칩 표면상의 고정화된 폴리-C DNA의 거칠기를 나타낸다. AFM은 카르복실 기능기와 폴리-C DNA의 고정화된 SiO2 표면의 루트-평균-제곱 높이(root-mean-squared height)(Rq)를 이미지화한것이다. 이미지의 크기는 5 × 5 μm2 이다. 폴리-C DNA가 고정화된 SiO2 표면의 거칠기는 반응하지 않은 카르복실 기능기와 활성화된 시약(EDC, NHS)과 같은 잔여 분자들에 의해 증가한다.
도 17은 DEPFS 안에서 칩 세척 과정 이후의 파열전압(unbinding voltage)(Vp-p) 반복테스트 결과를 나타낸다.
도 18은 폴리-C DNA 안의 짝풀림 상태와 늘림상태의 일련순서 개략도를 나타낸다. (A) 폴리-C DNA의 3' 말단이 있는 곳에서 폴리-C DNA의 짝풀림 모델(unzipping model)이 각각의 표면(마이크로스피어 및 DEP 칩)에 고정화된다. (B) 각각의 3' 말단 및 5' 말단이 있는 곳에서 폴리-C DNA의 전단모델(shear model)이 서로 다른 표면상(마이크로스피어 및 DEP 칩)에 고정화된다.
도 19는 서로 다른 Ag+ 농도(100 pM에서 1 pM까지)에서 C-H+-C 결합의 강도와 배지 전도성(medium conductivity) 사이의 관계를 나타낸다. Ag+의 농도를 반영하는 DEP 힘의 변화를 검사하기 위해, 증류수 내에서 카르복실화된 마이크로스피어와 카르복실화된 SiO2 표면 사이의 평균 파열 힘을 관찰하였다. <FU>값은 Ag+가 100 μM보다 낮을 경우 배지 전도성에 의해 영향받지 않았다. 그러나, Ag+가 1 mM일 때의 <FU>는 극적으로 증가하였다. 이에 따라, 본 발명자들은 100 pM 부터 100 μM 까지의 Ag+의 이온의 측정 범위를 선택할 수 있다.
도 20은 파열 힘(Unbinding force)(Fu) 히스토그램과 서로 다른 Ag+ 농도의 가우스 핏(Gaussian fits)를 나타낸다. 히스토그램이 FU와 표준편차가 증가함에 따라 오른쪽으로 이동함을 알 수 있다.
도 21은 본 발명의 DEPFS 시스템의 측정한계점(또는 측정의 한계; LOD)의 평가치를 나타낸다. (A) Ag+가 없을 때의 파열힘(FU) 히스토그램 및 가우스 핏(Gaussian fit)을 나타낸다. (B) 세미-로그 스케일(semi-logarithm scale)로 DEPFS의 Ag+ 검사법으로부터 구한 평균 파열 힘(<FU>) 및 표준편차를 나타낸다. Ag+ 가 존재하지 않는 상태에서 <FU>의 빈칸(blank)의 표준편차(standard deviation,σ) 의 3배로 정의되는 LOD(μ blank +3σ blank )에 따르면, 본 발명의 시스템하에서 Ag+ 측정을 위한 LOD는 ~300 pM까지로 정의된다.
도 22는 100 nM 금속이온 용액상에서 미디움 전도성(Medium conductivity)을 나타낸다. 각종 금속이온 용매 내 미디움 전도도를 증류수에서 얻은 값(3.1μS/cm)과 비교하였으며, <FU>값은 100 μM까지는 미디움 전도성에 영향을 받지 않았다. 따라서, <FU>는 100 nM 금속이온 용액에서는 미디움 전도성에 의한 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
도 23은 원편광 이색성 분광법(circular dichroism; CD)를 사용해 증류수에서 free 폴리-C DNA간의 C-H+-C 상호작용 확인결과를 나타낸다. 각각의 파란색 선은 266 nm 및 288 nm를 나타낸다. 266 nm와 288 nm에서 각각의 피크는 수소화된 염기(C+)의 신호와 DNA 인터베이스 안에서 C-H+-C의 형성 신호를 나타낸다. 이것은 이전의 연구결과와 동일하게 증류수에서 수소화된 시토신과 시토신사이에 결합을 형성하고 있음을 의미한다. 그러나 이러한 접근법에서 매체 내 수소화된 시토신의 특이적 양을 정량화하는 것은 어렵다.
도 24는 DEP 칩 상에서 서로 다른 폴리-C DNA 농도 상태에서 C-H+-C 결합 강도를 나타낸다. (A) DEP 칩 표면에 고정화된 폴리-C DNA 농도 함수로부터 얻은 파열 평균 힘(<FU>)을 나타낸다. <FU>는 DNA 몰 농도와 선형관계를 나타낸다. (B) 폴리-C DNA 코팅된 마이크로스피어와 폴리-C DNA 코팅된 칩 표면 사이의 수소 상호작용을 확인하기 위해 단일 파열 힘(FUsingle)을 계산하는데 Poisson statistics 이론 모델에 따른 편차(Variation) vs. <FU> 그래프를 사용하였다. FUsingle을 계산하기 위해서, DNA 분자 밀도를 서로 다른 <FU> 측정으로 규제하였다. 붉은 선은 선형 핏(linear fit)(128.1×10-12×[<FU>])을 나타내고 선형 핏의 기울기는 폴리-C/폴리-C 사이의 FUsingle을 의미한다.
도 25는 도 9A를 프로브와 칩표면 간에 상호작용하는 모든 폴리-C DNA 사이에서의 상호작용 특성(벌키(bulky)한 분자들 사이의 협동성 특성)을 폴리-C DNA 단일 분자 사이의 상호작용 특성과 비교하기 위하여, 정규화 과정을 수행한 <FU>의 그래프를 나타낸 것이다. 이 때, Ag+와 폴리-C DNA 사이의 결합된 협동성 특성을 알아보기 위하여 적용한 Hill 공식에 부합하는지를 확인하였다. 그 결과, R-square이 0.95로 높은 신뢰성을 나타내었다.
도 26은 벌키(bulky)한 분자와 단일 분자 사이의 협동성 특성(cooperativity property)의 차이점을 나타낸다. 단일 파열 힘(single unbinding force)(FUsingle *; 검은색 오각형 및 초록색 점선)과 평균 파열 힘(<FU *>; 붉은색 육각형 및 붉은색 점선) vs Hill 공식에 부합하는 [Ag+]를 나타낸다.
도 27은 칩 표면에 분주된 폴리-시토신 DNA 농도에 따른 수소결합력 측정 결과를 나타낸다.
FIG. 1 shows the form of Ag + -poly-C-DNA bond between microspheres immobilized with poly-C DNA and a DEP chip in a solution containing Ag + . When the DEP force is increased, the microspheres are floated As a result, the bond between the poly-C DNA bound to Ag + was destroyed, and the unbinding force at that moment was measured to summarize the result of increasing the rupture force as the concentration of Ag + will be.
Figure 2 shows a schematic diagram of a measuring system. (Not to scale) depicting DEPFS, which measures the interrelationship between parallel poly-C DNA, mediated by Ag + . With the combination of hydrogen bonding and coordination bonding, the inherent forces in the H + / Ag + - poly-C complex are measured by the upward movement of the microspheres by the DEP force.
Fig. 3 schematically shows the experiment configuration. The measuring method is composed of three steps. (A) The first step is to apply a negative DEP force (48 Vp-p, 1 MHz) to hold the microspheres with poly-C DNA immobilized in the center of the electrode. (B) The next step is to induce a C-Ag + -C bond between the microsphere probe and the silicon dioxide (SiO 2 ) surface. (C) The bursting force is then measured using a vertical DEP force (122 Vp-p, 1 MHz). (DF) represents a visual image obtained from the (AC) step in a DEP chip with interdigitated electrodes containing 100 pM (100 μm scale bar) Ag + concentration. The plot shows a single microsphere movement (10 μm scale bar) with each applied voltage.
Fig. 4 shows the surface immobilization and characteristics of poly-C DNA. (A) Microspheres with poly-C DNA covalent bonds and EDC / NHS on the SiO 2 surface are diagrammatically illustrated.
5 shows a fluorescence image of a DEP chip surface (A) labeled with 6-FAM (excitation / emission wavelength is 495 nm / 520 nm) and a microsphere (B) ((A) scale bar 100 μm, (B) scale bar 200 μm)
6 (A) shows an SEM image of a microsphere having immobilized poly-C DNA, and (B) shows a clearly visible image of a D-box region with poly-C DNA. The illustration shows the AFM image of the carboxylated polystyrene microspheres ((A) scale bar 10 μm (B) scale bar 100 nm).
Figure 7 shows the morphological height distribution obtained from the AFM image. The illustration shows the AFM image of the carboxylated DEP chip surface (left) and the surface of the poly-C DNA immobilized DEP chip (right). Each size is 5 × 5 μm 2 .
Figure 8 shows the results of quantifying the intermolecular forces between poly-C DNA and Ag + , H + having different lengths (L) in the 6-base to 36-base ranges. (A, B) Unbinding for (F U ) represents the histogram and Gaussian fits in the presence / absence of Ag + at each L value. (C) Mean rupture force (<F U >) and standard deviation of A and B, and the illustration showed unzipping of DNA molecules. (D) The shift force (S F ) represents the difference in the <F U > value obtained in the presence or absence of Ag + , which is obtained by normalizing the S F values of the poly-C 6 DNA .
Figure 9 shows the quantitative characterization of Ag + detection capability using DEPFS. (A) Average rupture force (<F U >) and standard deviation from the Ag + assay using DEPFS on a semilogarithm scale. Student's t test (two-tailed) was used for statistical analysis (* P <0.0001). The dotted line corresponds to the following log function. <F U> = 3.65 × 10 -9 × log [Ag +] + 48.91 × 10 -9. (B) the ion selectivity test and (C) the actual application of DEPFS to the Ag + sensor (** P <0.0001).
Figure 10 shows the statistical analysis of the interaction between Ag + and poly-C DNA. (A) [Ag +] compared to Ag + on a semi-log scale - diagrammatically the interrelationship of the poly -C composite in Ag + and H + - poly -C complex mutual single rupture strength (Single rupture force) of the working and Ag + . (B) [Ag + ] (pentagonal, black) Contrast indicates that the semilogarithmic plot of normalized F Usingle (ie, F Usingle *) matches the Hill formula (dotted line, green). F Usingle * is obtained from the following formula. F Usinle * = F Usingle - MIN [F Usingle ]) / (MAX [F Usingle ] - MIN [F Usingle ]). The illustration shows the operation chart of Part B.
Figure 11 shows a method for determining the unbinding force between C-Ag + -C / CH + C complexes using grayscale analysis. More specifically, the grayscale variation method is used to determine the unbinding voltage. Ⅰ) Noise level determined by more than 2 times the standard deviation (2σ) from the mean value (μ) in the normal Gaussian distribution. II) an unbinding voltage that appears as a continuous grayscale value beyond the noise level. The illustration showing the brightness (gray scale value) of the internal microsphere region increases with a function of the applied voltage. The bar represents the gray scale level (from 0 to 255).
12 shows a method of determining the bursting force F U reflecting the unbinding voltage. I) is a diagram for explaining the calculation of the DEP force. The theoretical model of DEP force consists of three parametres (ε p *; complex particle permittivity, ε m *, complex medium permittivity, r, microsphere radius, burst voltage unbinding voltage, and finite element simulation (COMSOL Multiphysics 3.5a), which are unrolled from the electric field profile (E) Ⅱ) from the DEP force and applied voltage function to the unbinding event A histogram graph is shown.
Figure 13 shows a finite-element simulation of a DEP chip. (A) shows a schematic diagram of an interdigiated electrode for dielectrophoretic tweezers. (B) shows a side view of the DEP chip structure. (C) shows the surface gradient (gray scale level) of the electric field and the direction of the dielectrophoretic force (purple arrow) on the multiple linear electrodes implemented on the constraint element simulation.
14 shows a method of immobilizing poly-C DNA on the DEP chip surface and polystyrene microspheres. (I to III) show the process of immobilizing poly-C DNA on both surfaces (DEP chip, polystyrene microsphere). The EDC / NHS activates the carboxylic acid to form amides and the poly-C DNA contains stable amide bonds on each surface.
15 is a figure for demonstrating immobilization of poly-C DNA on polystyrene microsphere surface. SEM images and surface roughness represent microspheres (DNA) with carboxylated microspheres (bare) and immobilized poly-C DNA. The scale bar is 100 nm. The floor image represents a 3D image obtained using ImageJ software consisting of gray scale values (0 to 255) through an area spanning 1,280 x 960 pixels.
16 shows the roughness of the immobilized poly-C DNA on the DEP chip surface. AFM is an image of the root-mean-squared height (Rq) of the carboxyl functional group and the immobilized SiO 2 surface of the poly-C DNA. The size of the image is 5 × 5 μm 2 . The poly-C DNA immobilized SiO 2 Surface roughness is increased by residual molecules such as unreacted carboxyl functional groups and activated reagents (EDC, NHS).
17 shows the results of repeated testing of the unbinding voltage (Vp-p) after the chip cleaning process in DEPFS.
Fig. 18 shows a schematic sequence diagram of a pair-fold state and a stretched state in poly-C DNA. (A) At the 3 'end of poly-C DNA, a unzipping model of poly-C DNA is immobilized on each surface (microsphere and DEP chip). (B) where the 3 'and 5' ends of each poly-C DNA are immobilized on different surfaces (microspheres and DEP chips).
Figure 19 shows the relationship between the intensity of CH + C bond and the medium conductivity at different Ag + concentrations (from 100 pM to 1 pM). To examine the change in DEP force that reflects the concentration of Ag + , we observed the average bursting power between the carboxylated microspheres and the carboxylated SiO 2 surface in distilled water. The value of < FU > was not influenced by medium conductivity when Ag + was lower than 100 μM. However, <F U > increased dramatically when Ag + was 1 mM. Accordingly, the present inventors can select a measurement range of Ag + ions from 100 pM to 100 μM.
FIG. 20 shows Gaussian fits of different Ag + concentrations from the unbinding force (Fu) histogram. It can be seen that the histogram moves to the right as F U and standard deviation increase.
Fig. 21 shows an evaluation value of a measurement limit (or limit of measurement; LOD) of the DEPFS system of the present invention. (A) Rupture force ( FU ) histogram and Gaussian fit when Ag + is absent. (B) Mean breaking force (<F U >) and standard deviation obtained from the DEPFS Ag + test with a semi-logarithm scale. According to Ag + is in the non-existent state <F U> standard deviation of the blank (blank) (standard deviation, σ ) LOD (μ blank + 3 σ blank) that is three times the definition of, Ag + under the system of the present invention The LOD for the measurement is defined as ~ 300 pM.
Figure 22 shows medium conductivity on a 100 nM metal ion solution. The medium conductivity in various metal ion solvents was compared with that obtained from distilled water (3.1 μS / cm), and the <F U > value was not affected by medium conductivity until 100 μM. Therefore, it can be seen that <F U > is not affected by medium conductivity in 100 nM metal ion solution.
Figure 23 shows the results of CH + -C interactions between free poly-C DNA in distilled water using circular dichroism (CD). Each blue line represents 266 nm and 288 nm. At 266 nm and 288 nm, each peak represents the signal of the hydrogenated base (C + ) and the formation signal of CH + C in the DNA interbase. This means that in the same way as the previous study, a bond is formed between hydrogenated cytosine and cytosine in distilled water. In this approach, however, it is difficult to quantify the specific amount of hydrogenated cytosine in the medium.
Figure 24 shows the CH + C bond strength at different poly-C DNA concentration states on a DEP chip. (A) Rupture average force (<F U >) obtained from a poly-C DNA concentration function immobilized on a DEP chip surface. < FU > indicates a linear relationship with DNA molarity. (B) To determine the hydrogen interaction between the poly-C DNA coated microspheres and the surface of the poly-C DNA coated chip, the single burst force (F Usingle ) is calculated. Poisson statistics Variation vs. theoretical model . < FU > Graph was used. To compute F Usingle , the DNA molecular densities were regulated by different <F U > measurements. The red line represents a linear fit (128.1 × 10-12 × [<F U >]) and the slope of the linear fit represents F Usingle between poly-C / poly-C.
Figure 25 shows the interaction characteristics (the co-operative nature among the bulky molecules) between all poly-C DNAs interacting between the probe and the chip surface (Figure 9A) , it shows a graph of performing a normalization procedure <F U> in order to compare. At this time, it was confirmed whether or not it conformed to the Hill formula applied to investigate the cooperative nature of the bond between Ag + and poly-C DNA. As a result, R-square showed a high reliability of 0.95.
Figure 26 shows the difference in cooperativity properties between a bulky molecule and a single molecule. The average unbinding force (F Usingle *; black pentagonal and green dashed lines) and average rupture force (<F U * >; red hexagons and red dashed lines) vs Ag + .
27 shows the result of measurement of the hydrogen bonding force according to the concentration of poly-cytosine DNA distributed on the chip surface.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은The present invention

(a) 전극이 형성된 기판의 일면 이상을 폴리뉴클레오타이드로 기능화시키는 단계;(a) functionalizing at least one surface of a substrate on which an electrode is formed, with a polynucleotide;

(b) 단계(a)의 기판과 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈를 챔버(chamber)에 넣는 단계;(b) placing the substrate of step (a) and beads functionalized with polynucleotides into a chamber;

(c) 챔버에 금속을 포함 또는 미포함하는 피검용액을 넣고 기판에 전압을 인가하는 단계;(c) placing a test solution containing or not containing a metal in a chamber and applying a voltage to the substrate;

(d) 비즈의 움직임을 측정하여 영상신호 정보를 수득하는 단계;(d) measuring motion of the beads to obtain video signal information;

(e) 단계(d)에서 수득한 영상신호 정보로부터 그레이스케일 값을 구하는 단계;(e) obtaining a gray scale value from the video signal information obtained in step (d);

(f) 단계 (e)에서 얻은 그레이스케일 값을 이용하여 파열 순간을 검출하는 단계; 및(f) detecting a moment of rupture using the gray scale value obtained in step (e); And

(g) 파열지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(FU; unbinding force)을 구하는 단계를 포함하는, 금속이온 검출 방법을 제공한다.(g) measuring the unbinding voltage at the rupture point and obtaining a rupture force (F U ) through a conversion process.

상기 단계(a)의 기판은 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니나 미세유체 칩(microfluidic chip)을 사용하는 것이 적절하며, 미세유체 칩은 절연기판을 추가로 포함할 수 있으며 상기 절연기판은 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니나, 이산화규소(SiO2, 실리카)가 증착된 실리콘일 수 있다. 한편, 상기 기판의 일면 이상을 폴리뉴클레오타이드로 기능화할 수 있으며, 보다 적절하게는 단일면을 폴리뉴클레오타이드로 기능화하는 것이 적절하다. 한편, 상기 단계(b)의 챔버는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 제조할 수 있다.Although the type of the substrate of the step (a) is not particularly limited, it is appropriate to use a microfluidic chip, and the microfluidic chip may further include an insulating substrate, Although not particularly limited, the silicon dioxide (SiO 2, silica) may be a deposited silicon. On the other hand, more than one surface of the substrate can be functionalized with a polynucleotide, and more suitably, a single surface is functionalized with a polynucleotide. Meanwhile, the chamber of step (b) may be made of polydimethylsiloxane (PDMS).

한편, 상기 금속이온 검출방법에서 금속은 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 은(Ag), 수은(Hg), 리튬(Li), 나트륨(Na), 철(Fe) 및 아연(Zn)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하며, 보다 적절하게는 은이온 및 수은 이온을 검출하는데 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, in the above metal ion detection method, the kind of the metal is not particularly limited, but the metal is preferably selected from the group consisting of Ag, Hg, Li, Na, Fe, , And more preferably, it is preferably used for detecting silver ions and mercury ions.

본 발명을 피검용액 속 은이온 검출을 위해 사용할 경우, 상기 폴리뉴클레오티드는 폴리-시토신 DNA을 사용하는 것이 적절하다. 상기 폴리-시토신 DNA는 시토신 염기 15 내지 32개로 구성됨이 바람직하며, 적절하게는 20 내지 28개, 보다 바람직하게는 22 내지 26개. 가장 바람직하게는 24개인 것이 바람직하다.When the present invention is used for ion detection in the test solution, it is appropriate to use poly-cytosine DNA as the polynucleotide. The poly-cytosine DNA is preferably composed of 15 to 32 cytosine bases, suitably 20 to 28, more preferably 22 to 26. Most preferably, it is 24.

본 발명을 피검용액 속 수은이온 검출을 위해 사용할 경우, 상기 폴리뉴클레오타이드는 폴리-시토신티민 DNA를 사용하는 것이 적절하다. 상기 폴리-시토신티민 DNA는 5'-(CT)n-3'이고, 여기에서 n은 3 내지 9의 정수인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 5'-CTCTCTCTCTCT-3'인 것이 바람직하다.When the present invention is used for mercury ion detection in a test solution, it is appropriate to use poly-cytosine thymine DNA as the polynucleotide. The poly-cytosine thymine DNA is 5 '- (CT) n -3', wherein n is an integer of 3 to 9, more preferably 5'-CTCTCTCTCTC-3 '.

한편, 상기 단계 (f)의 파열 순간을 검출하는 단계는 전압을 인가함으로써 발생하는 비즈의 부양 변위(levitation displacement)와 그레이스케일 값 강도의 변화를 매칭하고, 기준치를 넘어서 변동(fluctuation)이 발생하는 순간을 파열 순간으로 정의함을 특징으로 한다(도 11 참고). 그리고 상기 기준치는 하기 [식 1]의 가우스 분포를 따르는 그레이스케일 값의 변동(fluctuation)을 측정하되, 변동 레벨(fluctuation level)은 μ± 2σ로 나타내어지고,Meanwhile, the step of detecting the rupture moment in the step (f) may be performed by matching the change of the levitation displacement of the beads and the intensity of the gray scale value generated by applying the voltage, and if fluctuation occurs beyond the reference value And the moment is defined as the moment of rupture (see FIG. 11). And the reference value measures the fluctuation of the gray scale value according to the Gaussian distribution of [Equation 1], where the fluctuation level is represented by [mu]

[식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 식에서, In this formula,

χ는 그레이스케일 값이고,x is a gray scale value,

μ는 그레이스케일 값의 평균이며, mu is the average of the gray scale values,

σ는 그레이스케일 값의 표준 편차인 것을 특징으로 한다.and? is the standard deviation of the gray scale value.

한편, 상기 단계(g)의 변환과정은 하기 [식 2]를 이용하여 수행되고, On the other hand, the conversion process of the step (g) is performed using the following equation (2)

[식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

변환과정을 거쳐 파열 힘(FU : unbinding force)을 구하며, 상기 식에서, εm은 매질의 유전율(permittivity)이며, Re는

Figure pat00003
분수 계산값의 실수부만 취한 값을 의미하며, εp *은 복합체 소분자 유전율(complex particle permittivity)이며, εm *은 복합체 배지 유전율(complex medium permittivity)이고, r은 마이크로스피어 지름(microsphere radius)이며, E rms 는 유한요소 시뮬레이션(finite element simulation, COMSOL Multiphysics 3.5a)으로부터 얻은 전기장 프로파일(electric field profile)인 것을 특징으로 하며, 상기 (g)단계의 평균 파열힘(<Fu>)값과 금속이온 농도가 비례하는 것을 이용하여, 금속이온의 존재 및 농도를 측정한다.(F U ), where ε m is the permittivity of the medium, and Re is the permittivity of the medium
Figure pat00003
Where ε p * is the complex particle permittivity, ε m * is the complex medium permittivity, r is the microsphere radius, And E rms is an electric field profile obtained from finite element simulation (COMSOL Multiphysics 3.5a). The average rupture force (Fu) value of step (g) The presence and concentration of metal ions are measured using the fact that the ion concentration is proportional.

또한, 본 발명은 In addition,

(a) 전극이 형성된 기판의 일면 이상을 폴리뉴클레오타이드로 기능화시키는 단계;(a) functionalizing at least one surface of a substrate on which an electrode is formed, with a polynucleotide;

(b) 단계(a)의 기판과 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈를 챔버(chamber)에 넣는 단계;(b) placing the substrate of step (a) and beads functionalized with polynucleotides into a chamber;

(c) 챔버에 금속을 포함 또는 미포함하는 피검용액을 넣고 기판에 전압을 인가하는 단계;(c) placing a test solution containing or not containing a metal in a chamber and applying a voltage to the substrate;

(d) 비즈의 움직임을 측정하여 영상신호 정보를 수득하는 단계;(d) measuring motion of the beads to obtain video signal information;

(e) 단계(d)에서 수득한 영상신호 정보로부터 그레이스케일 값을 구하는 단계;(e) obtaining a gray scale value from the video signal information obtained in step (d);

(f) 단계 (e)에서 얻은 그레이스케일 값을 이용하여 파열 순간을 검출하는 단계; (f) detecting a moment of rupture using the gray scale value obtained in step (e);

(g) 파열지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(Fu; unbinding force)을 구하는 단계; 및(g) measuring an unbinding voltage at a burst point and obtaining a unbinding force (Fu) through a conversion process; And

(h) 단계 (g)에서 구한 파열힘 값과 포아송 통계분석방법(Poisson statistics)을 이용한 분자간 결합력 측정 방법을 제공한다. (h) Provides a method of measuring the intermolecular bonding force using the Poisson statistics and the tear force value obtained in the step (g).

아울러, 본 발명은 In addition,

폴리뉴클레오타이드로 기능화된 기판 및 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈(beads)가 들어 있는 챔버;A chamber containing polynucleotide-functionalized substrates and polynucleotide-functionalized beads;

상기 챔버 밑에 위치하되, 전극부를 구비하며, 상기 전극부에 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 전계생성부;An electric field generator positioned below the chamber, the electric field generator comprising an electrode unit and applying an electric voltage to the electrode unit to form an electric field;

상기 챔버 위 또는 일측에 위치되어, 상기 챔버 내를 촬상하는 카메라; A camera positioned above or at one side of the chamber to image the inside of the chamber;

상기 카메라로부터 수신된 영상신호로부터 그레이스케일 값을 측정하고, 그레이스케일 값을 이용해 파열 순간을 검출하는 측정부; 및A measuring unit measuring a gray scale value from a video signal received from the camera and detecting a moment of rupture using a gray scale value; And

상기 측정부에서 측정한 파열 지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(Fu; unbinding force)을 구하는 분석부를 포함하는, 금속이온 측정장치를 제공한다.And an analyzer for measuring an unbinding voltage at a rupture point measured by the measuring unit and obtaining a rupture force (Fu (unbinding force) through a conversion process).

이하 실시예 및 실험예에서 미세유체칩, 뉴클레오타이드의 제작 및 뉴클레오타이드를 칩과 마이크로스피어에 기능화하는 방법, 금속이온과 폴리뉴클레오타이 드 복합체 사이의 화학적 상호작용을 측정하는 DEPFS의 원리 및 상호작용 측정, 포아송 통계분석을 이용한 결합-파열 힘 측정, 통계적 방법으로 단일 결합력 분석, Hill 공식을 이용한 금속과 폴리뉴클레오타이드 사이의 결합 협동성을 측정하는 방법을 설명하였다.In the following Examples and Experimental Examples, the principles and interactions of DEFFS for measuring microfluidic chips, nucleotides, functionalization of nucleotides on chips and microspheres, and chemical interactions between metal ions and polynucleotide complexes , Poisson statistical analysis, and single bond strength analysis by statistical method, and the method of measuring bond cooperativity between metal and polynucleotide using Hill formula.

결과적으로, 본 발명은 피검물질 내 금속이온을 측정하는 새로운 접근방법을 제시하였으며, 본 발명의 유전영동기술을 이용한 금속이온 탐지 방법 및 금속이온 농도측정 방법은 폴리뉴클레오티드와 특정 금속이온의 결합력 및 DEP 힘을 이용하여 파열힘(<Fu>)을 측정하고 본 발명자들이 개발한 통계적분석방법을 사용하여, 피검용액 내 금속이온의 존재 및 농도를 간단하고 정확하며, 높은 민감성을 가지고 정밀하게 측정할 수 있다. As a result, the present invention provides a new approach for measuring metal ions in a test substance, and a method for detecting metal ions and a method for measuring metal ion concentration using the dielectrophoretic technique of the present invention is characterized by a binding force between a polynucleotide and a specific metal ion, By using the statistical analysis method developed by the inventors of the present invention, the presence and concentration of metal ions in the test solution can be measured simply and accurately, with high sensitivity, have.

이하 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만 이는 본 발명의 권리범위를 이로 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. However, the scope of the present invention is not limited thereto.

<< 실시예Example 1>  1> 미세유체칩Microfluidic chip (( microfludicmicrofludic chip) 제작 chip manufacturing

포토리소그래피(photolithography)기술을 사용해 산화된 실리콘 기판(i-Nexus, Seongnam, Republic of Korea)상에 다중 선형 전극 패턴(interdigitated electrode array pattern)(40 μm 폭 및 10 μm 간격)을 제작하였다. 구체적으로 1000Å 두께의 두꺼운 크롬 맞물림 전극 배열 패턴을 열 증착 기술과 표준 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 기판(wafer)상에 증착한 후 금속 전극을 7000Å 두께의 두꺼운 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposited) 실리콘 다이옥사이드로 씌웠다. 구조의 평면도는 도3의 D 내지 F에 도식화하였으며, 칩의 개략적인 단면도는 도 13에 나타내었다.An interdigitated electrode array pattern (40 μm wide and 10 μm apart) was fabricated on an oxidized silicon substrate (i-Nexus, Seongnam, Republic of Korea) using photolithography. Specifically, a thick chromium electrode array pattern of 1000 angstroms thick was deposited on a wafer using a thermal deposition technique and a standard lift-off process, and then the metal electrode was subjected to a thick PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposited silicon dioxide. A plan view of the structure is shown in FIGS. 3 D to F, and a schematic cross-sectional view of the chip is shown in FIG.

<< 실시예Example 2> 올리고  2> Oligo 뉴클레오타이드의Nucleotide 제조  Produce

폴리-C DNA는 상업적으로 입수하였다(Cosmogentech, Seoul, Rupublic of Korea). 상기 폴리-C DNA는 다음과 같은 서열을 가지고 있다: 24-염기 폴리-C DNA(5′-CCC CCCCCC CCC CCC CCC CCC CCC-3′-(CH2)6-NH2 및 6-FAM-5′-CCC CCC CCC CCC CCC CCC CCC CCC-3′-(CH2)6-NH2); 12-염기 폴리-C DNA (5′-CCC CCC CCCCCC-3′-(CH2)6-NH2); 6-염기 폴리-C DNA (5′-CCC CCC-3′-(CH2)6-NH2). 고압 액체 크로마토그래피 순도에서 모든 올리고 뉴클레오타이드를 합성하였으며 DEP 칩 표면 및 마이크로스피어를 기능화(Functionalized)하는데 사용하였다.Poly-C DNA was commercially obtained (Cosmogentech, Seoul, Rupublic of Korea). The poly-C DNA has the following sequence: 24-base poly-C DNA (5'-CCC CCCCCC CCC CCC CCC CCC CCC-3 '- (CH 2 ) 6 -NH 2 and 6-FAM-5 '-CCC CCC CCC CCC CCC CCC CCC-3' - (CH 2 ) 6 -NH 2 ); 12-base poly-C DNA (5'-CCC CCC CCCCCC-3 '- (CH 2 ) 6 -NH 2 ); 6-base poly -C DNA (5'-CCC CCC- 3 '- (CH 2) 6 -NH 2). All oligonucleotides were synthesized at high pressure liquid chromatographic purity and used to functionalize DEP chip surfaces and microspheres.

<< 실시예Example 3>  3> 폴리Poly -C DNA를 이용한 미세유체 장치(Microfluidic device using DNA MicrofluidicMicrofluidic Device)의 기능화(Functionalization) Device Functionalization

상기 <실시예 1>에서 제조한 미세유체 장치의 표면을 다음과 같이 기능화하였다: 3-트리에톡시실릴프로필 석신산 무수물(3-triethoxysilylpropyl succinic anhydride; TESPSA)을 처리해 카르복실-말단 산화 표면층을 가진 장치 표면에 폴리-C DNA를 고정화하였다. 실리콘 다이옥사이드 칩(Silicon dioxide chip)을 우선 H2SO4-H2O2(1 : 2) 비율로 구성된 용액으로 이동시켜 하이드록실 기능화된 기판(hydroxyl functionalized substrate)(SiO2-OH)을 제조하였다. 그 후 하이드록실 기능화된 기판을 100 mM TEPSA(Gelest, Morrisville, PA)가 들어있는 유기용매(톨루엔, 99.8%)에 하룻밤동안 침지시켰다(SiO2-COOH). 카르복실화한 기판을 세 종류의 서로 다른 용매(톨루엔, N,N-다이메틸포름아마이드 (DMF, Sigma-Aldrich, St, Louis, MO; 99.9% HPLC grade 및 증류수)로 세척하고 질소로 건조시킨 후 카르복실화된 기판을 65 mM N-(3-디메틸아미노프로필)-N′-에틸카르보이미드 하이드로클로라이드(EDC; Sigma-Aldrich,99%) 및 108 mM N-하이드록시숙신이미드(NHS; Sigma-Aldrich, 98%)를 포함한 0.01 M PBS(phosphate buffered saline) (Gibco, Gaithersburg, MD) 용액에 pH 7.2 조건에서 1시간 동안 침지시켰다. 그 후 칩 표면에 아마이드 결합(amide bond)을 형성하기 위해서 상기 용액에 200, 400 및 800 nM 폴리-C DNA 용액을 각각 첨가한 후 하룻밤 동안 두었다(SiO2-폴리-C DNA). 폴리-C DNA를 고정화한 후, DEP 칩 기판을 과량의 PBS 버퍼 용액과 증류수로 헹구고 질소 가스로 건조시켰다. 상기 모든 샘플의 준비는 22 ℃에서 수행하였다. The surface of the microfluidic device prepared in Example 1 was functionalized as follows: 3-triethoxysilylpropyl succinic anhydride (TESPSA) was treated to form a carboxyl-terminated oxide layer The poly-C DNA was immobilized on the surface of the device. A silicon dioxide chip was first transferred to a solution composed of H 2 SO 4 -H 2 O 2 (1: 2) to produce a hydroxyl functionalized substrate (SiO 2 -OH) . The hydroxyl functionalized substrate was then immersed in an organic solvent (toluene, 99.8%) containing 100 mM TEPSA (Gelest, Morrisville, PA) overnight (SiO 2 -COOH). The carboxylated substrate was washed with three different solvents (toluene, N, N-dimethylformamide (DMF, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO; 99.9% HPLC grade and distilled water) The carboxylated substrate was incubated with 65 mM N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC; Sigma-Aldrich, 99%) and 108 mM N-hydroxysuccinimide (Gibco, Gaithersburg, MD) solution containing 0.01 M PBS (Sigma-Aldrich, 98%) for 1 hour at pH 7.2 and then forming amide bond after each addition of the 200, 400 and 800 nM poly -C DNA solution into the solution in order to kept overnight. (SiO 2 - poly -C DNA) -C poly after fixing the DNA, the DEP chip substrate excess PBS Rinsed with buffer solution and distilled water and dried with nitrogen gas. All the above samples were prepared at 22 캜.

<< 실시예Example 4> 고정화된(Immobilized)  4> Immobilized 폴리Poly -C DNA를 갖는 Having -C DNA 마이크로스피어Microsphere 제작 making

폴리-C DNA로 고정화된 마이크로스피어를 제조하기 위해, 카르복실화된 폴리스티렌 마이크로스피어 3 mg/mL(Kisker, Steinfurt, Germany; 15 μm)을 6.25 mg 99% EDC와 6.25 mg 98% NHS가 포함되어 있는 PBS(Gibco; 0.01 M, pH 7.2) 용액에서 1시간 동안 반응시켰다. 그 다음으로 상기 반응시킨 혼합물은 하룻밤동안 1 μM 폴리-C DNA와 함께 반응시켜 폴리-C DNA가 고정화된 마이크로스피어를 제조한 후 볼텍스시키고 원심분리기로 PBS 안에서 5회 세척하였다. 상기 마이크로스피어를 증류수(Gibco, Gaithersburg,MD) 또는 식수(Jeju Samdasoo, JPDC, and Republic of Korea)로 희석하고 사용 전에 원심분리하였다. 상기 모든 샘플의 준비는 22℃에서 수행하였다. To prepare the microspheres immobilized with poly-C DNA, the carboxylated polystyrene microspheres 3 mg / mL (Kisker, Steinfurt, Germany; 15 μm) were mixed with 6.25 mg 99% EDC and 6.25 mg 98% NHS In PBS (Gibco; 0.01 M, pH 7.2) for 1 hour. Next, the reaction mixture was reacted with 1 μM poly-C DNA overnight to prepare poly-C DNA-immobilized microspheres, vortexed and washed five times in PBS with a centrifuge. The microspheres were diluted with distilled water (Gibco, Gaithersburg, MD) or drinking water (Jeju Samdasoo, JPDC, and Republic of Korea) and centrifuged before use. The preparation of all the samples was carried out at 22 ° C.

<< 실시예Example 5> 형광 현미경(Fluorescence Microscopy), 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy;  5> Fluorescence Microscopy, Scanning Electron Microscopy, SEMSEM ) 및 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy; AFM)으로 기능화된 칩과 마이크로스피어 특정화 방법) And Atomic Force Microscopy (AFM) functionalized chips and microsphere characterization methods

폴리-C DNA 고정화된 마이크로스피어와 DEP 칩을 분석 이전에 PBS와 증류수로 세척하였다. 마이크로스피어의 표면과 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 산화물을 WB 필터를 사용해 형광 현미경(BX60, Olympus, Tokyo, Japan)으로 검사하였다. FE SEM(Field emmission SEM)(JSM-7001F, JEOL, Tokyo, Japan)을 폴리-C DNA와 카르복실 기능기가 고정되어 있는 폴리스티렌 마이크로스피어 표면의 형태와 구성 관찰을 위해 사용하였다.Poly-C DNA-immobilized microspheres and DEP chips were washed with PBS and distilled water prior to analysis. The surface of the microspheres and the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) oxide were examined with a fluorescence microscope (BX60, Olympus, Tokyo, Japan) using a WB filter. FE SEM (Field Emmission SEM) (JSM-7001F, JEOL, Tokyo, Japan) was used to observe the morphology and composition of the polystyrene microsphere surface with poly-C DNA and carboxyl functional groups.

폴리-C DNA 고정화된 마이크로스피어와 카르복실화 폴리스티렌 마이크로스피어는 비전도성 물질이기 때문에, 전자 손상으로부터 보호하기 위해, 샘플을 백금 이온 증착으로 전처리하였다. SEM 이미지 상면도 간의 차이점은 Image J를 이용해 분석하였다(도 15). AFM 측정은 공기중에서 멀티모드 V (Veeco, Santa Barbara, CA)를 사용해 수행하였으며 그로부터 얻은 이미지들은(5 × 5 μm2) 나노스코프 소프트웨어(Nanoscope software)(Bruker)를 사용해 추가 분석하였다. 또한, 폴리-C DNA를 가지거나 가지지 않는 DEP 칩 기판의 AFM 높이 이미지는 제곱 평균 제곱근 값(root mean square)으로 정의한 표면 거칠기와 대조해 정량화하였다.Poly-C DNA-Immobilized Microspheres and Carboxylated Polystyrene Microspheres are nonconductive materials, so the samples were pretreated with platinum ion deposition to protect them from electron damage. The difference between the top views of the SEM images was analyzed using Image J (Fig. 15). AFM measurements were performed in air using multimode V (Veeco, Santa Barbara, Calif.) And images obtained from them were further analyzed using (5 × 5 μm 2 ) Nanoscope software (Bruker). In addition, the AFM height image of a DEP chip substrate with or without poly-C DNA was quantified against the surface roughness defined as the root mean square (root mean square) value.

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 Rq는 Root mean square 이며, 구체적으로 AFM을 이용하여 표면의 높이(height)를 개별적으로 측정하고 측정된 높이의 평균값을 구한 후 평균값과와 측정값과의 편차를 측정하고 편차를 제곱한 값들을 모두 더하여 총 측정갯수로 나눈 값의 평균값을 의미한다.Specifically, R q is a root mean square. Specifically, the height of the surface is individually measured using AFM, the average value of the measured height is obtained, the deviation between the average value and the measured value is measured, and the deviation is squared And the average value of the values divided by the total number of measurements.

n은 측정한 sample(=height)의 총 갯수이고,n is the total number of measured samples (= height)

yi는 ith sample 측정치 - sample 측정치 평균값이다.y i is the i th sample measurement value - the average value of the sample measurement value.

<< 실시예Example 6> C- 6> C- AgAg ++ -C/C-H-C / C-H ++ -C 복합체의 파열 힘(unbinding force) 측정방법Method of measuring unbinding force of -C composite

폴리-C DNA가 고정되어 기능화된 DEP 칩 표면 중간 지점에 3 mm 지름의 구멍을 가지고 있는 6 × 6 × 1.2 mm3 크기의 폴리디메틸실록산(PDMS)챔버에 접촉시켜 넣었다. 구체적으로, 금속이온과 고정화된 폴리-C DNA를 갖는 마이크로스피어 혼합물(폴리-C DNA : 금속이온 = 9 : 1 ; 10 μL)을 상기 PDMS 챔버에 넣었다. 모든 금속이온 용액은 금속 질산염(AgNO3, LiNO3, NaNO3, Hg(NO3)2, Zn(NO3)2, 및 Fe(NO3)3; Sigma-Aldrich) 형태로 사용하였다. 전압은 33250 함수 발생기(Agilent Technologies, Santa Clara, CA)와 연결된 WMA300 증폭기(Falco Systems, Amsterdam, The Netherlands)를 사용해 미세유동 칩의 전극에 인가하였고, 인가전압을 검사하기 위해 오실로스코프(WaveRunner 6050, LeCroy, New York, NY)로 재확인하였다. 그 후, 비드(bead)의 움직임을 평면도 전하 결합 소자 카메라(top-view charge coupled camera)(Motionscope M3, Redlake, San Diego, CA)를 이용해 기록하였다. 분자간 상호작용 파열 힘(FU)을 그레이스케일 변화 방법 및 유한 요소 시뮬레이션(Finite elements simulation; FES)으로부터 얻은 DEP 힘 지도(DEP force map)를 조합해 사용함으로써 정량화하였다. 요약하자면, 칩 기판 표면으로부터의 마이크로스피어(탐침)의 파열 지점을 결정하기 위해서, 본 발명자들은 인가된 전압의 함수값으로써 평면도 시각 이미지의 각각의 마이크로스피어의 내부 영역의 그레이스케일 값을 사용하였다. The poly-C DNA was placed in contact with a 6 × 6 × 1.2 mm 3 polydimethylsiloxane (PDMS) chamber with a 3 mm diameter hole at the midpoint of the functionalized DEP chip surface. Specifically, a microsphere mixture (poly-C DNA: metal ion = 9: 1; 10 μL) having immobilized poly-C DNA with metal ions was placed in the PDMS chamber. All metal ion solutions were used in the form of metal nitrate (AgNO 3 , LiNO 3 , NaNO 3 , Hg (NO 3 ) 2 , Zn (NO 3 ) 2 , and Fe (NO 3 ) 3 ; Sigma-Aldrich). Voltage was applied to electrodes of the microfluidic chip using a WMA 300 amplifier (Falco Systems, Amsterdam, The Netherlands) connected to a 33250 function generator (Agilent Technologies, Santa Clara, Calif.) And an oscilloscope (WaveRunner 6050, LeCroy , New York, NY). The movement of the bead was then recorded using a top-view charge coupled camera (Motionscope M3, Redlake, San Diego, Calif.). The intermolecular interaction tear force (F U ) was quantified by using a combination of the gray scale variation method and the DEP force map obtained from finite element simulation (FES). In summary, in order to determine the point of rupture of the microspheres (probe) from the chip substrate surface, we used the grayscale value of the interior area of each microsphere of the planar visual image as the function value of the applied voltage.

더욱 상세한 DEPFS에서 파열힘(unbinding force) 측정 과정은 다음과 같다. DEPFS 시스템을 이용하여 은 이온들과 올리고뉴클레오타이드 사이의 파열 힘을 측정하기 위해서, DEP에 의한 부양 힘(leviation force)의 대상인 마이크로스피어의 파열 이동(rupture displacement)을 결정하는 것이 중요하다. The more detailed DEPFS procedure for measuring the unbinding force is as follows. To determine the rupture force between silver ions and oligonucleotides using the DEPFS system, it is important to determine the rupture displacement of the microsphere that is the subject of the levitation force by DEP.

그레이스케일 변이 방법은(grayscale variation method)은 부양 변위(leviation displacement)와 그레이스케일 값 강도의 변화를 매칭함으로써 마이크로스피어의 부양 순간을 예측가능하게 한다. 칩 전극내 인가된 전압이 증가할 때, 즉 마이크로스피어에 영향을 미치는 DEP 힘들이 증가할 때 비즈(beads)의 부양변이(leviation displacement)가 일어난다. 상면 이미지의 저속 촬영 분석결과, 각 마이크로스피어에서 내부 영역의 그레이스케일 값 강도가 DEP 힘에 의해 부양함에 따라 증가됨을 나타낸다. 이러한 방법들을 통해, 칩 기판 상에 고정화된 다른 생체분자들과 화학 물리학적으로 상호작용하는 생체분자들로 고정화된 마이크로스피어의 파열 변이를 구할 수 있다. 이전 연구에서 내부 마이크로스피어 지역의 그레이스케일 값의 변동(fluctuation)을 60초간 측정하였으며, 변동은 하기 식과 같이, 가우스 분포를 따른다.The grayscale variation method predicts the microsphere lifting moment by matching the change in levitation displacement and intensity of the gray scale value. As the applied voltage in the chip electrode increases, that is, as the DEP forces affecting the microspheres increase, levitation displacement of the beads occurs. The low-speed image analysis of the top image shows that the intensity of the gray scale value of the inner area in each microsphere increases as the DEP force is levitated. Through these methods, it is possible to obtain the rupture variations of the microspheres immobilized with biomolecules chemophysically interacting with other biomolecules immobilized on a chip substrate. In previous studies, the fluctuation of the gray scale value of the internal microsphere region was measured for 60 seconds, and the variation follows a Gaussian distribution as follows:

Figure pat00005
Figure pat00005

x는 그레이스케일 값을 나타내며, μ는 그레이스케일 값의 평균을 σ는 그레이스케일 값의 표준 편차를 의미한다. 도11의 I은 μ = 109.15, σ = 0.45 에서 가우스 분포 경향이 있는 마이크로스피어의 전형적 예시를 나타낸다. 이러한 마이크로스피어의 변동은 열역학 이론에 따르면 입자들의 열적 변동에 의해 영향을 받으며, 칩 표면의 몇몇 분자들과의 분자간 상호관계에 의해 발생한다(즉, 비공유 결합). 결론적으로, 본 발명자들은 마이크로스피어의 그레이스케일 레벨이 변동 지역(fluctuated region)을 초과하지 않는 곳에서 μ± 2σ(μ,σ는 Gaussican 분포 파라미터)로 나타내는 변동 레벨(fluctuation level)을 경계선으로 정의하였다. 만약 마이크로스피어의 변동 정도가 외부 힘에 의해 변한다면, 그 힘을 특정 실험 조건에서의 파열 힘(rupture force)으로 정의할 수 있다(도 11의 Ⅱ).x denotes a gray scale value, μ denotes an average of the gray scale values, and σ denotes the standard deviation of the gray scale values. I in Fig. 11 shows a typical example of a microsphere with a Gaussian distribution tendency at μ = 109.15, σ = 0.45. This variation of microspheres is affected by thermal fluctuations of particles according to thermodynamic theory and is caused by intermolecular interactions with some molecules on the chip surface (ie non-covalent bonding). In conclusion, the present inventors have defined a fluctuation level as a boundary, expressed as μ ± 2σ (μ, σ is a Gaussian distribution parameter) where the gray scale level of the microsphere does not exceed the fluctuated region . If the degree of fluctuation of the microspheres is changed by an external force, the force can be defined as a rupture force in a specific experimental condition (II in FIG. 11).

칩 표면에서 마이크로스피어가 위쪽으로 이동할 때, 상면도(도 11 A-Ⅱ 삽도)에서 마이크로스피어의 그레이스케일 값이 증가하는 것과 일치되게 각각의 마이크로스피어는 초점 밖(즉, 칩 표면 접지)을 나가면서 흐릿해지기 시작하였다. 따라서 본 발명자들은 변동 레벨을 넘어서면서 인가된 전압이 증가됨에 따라 그레이스케일 값을 비교함으로써 파열 지점(이동점)을 찾을 수 있다. 이러한 파열은 칩 내에서 모든 비즈들에서 동시에 일어나고, 본 발명자들은 세 개의 독립적 측정법으로 CCD 카메라 시스템 안에서 ~400 비즈까지 추적할 수 있었다.As the microspheres move upwards from the chip surface, each microsphere is out of focus (i.e., the chip surface ground) to match the gray scale value of the microspheres in the top view (Figures 11A-11) And began to become cloudy. Therefore, the present inventors can find the burst point (moving point) by comparing the gray scale value as the applied voltage increases while exceeding the variation level. This rupture occurred simultaneously in all the beads in the chip, and we were able to track up to 400 beads in the CCD camera system with three independent measurements.

본 발명자들은 각각의 마이크로스피어에서 파열을 일으키는 각각의 인가된 전압을 측정하고 DEP 파열 힘(unbinding force)으로 전환시켰다(도 12). 변환 과정에서, 본 발명자들은 COMSOL Multiphysics로 FEA(finite element analysis)를 수행하면서 얻은 몇몇 파라미터(e.g., εp *, εm *, r 및 E ) 값들의 측정값으로 부호화된 custombuilt Matlab을 사용하였다. 상기 모든 과정들 각각은 본 발명자들이 개발한 것이며, 보다 자세한 과정은 하기에서 설명한다. 확실한 은 이온 농도를 얻기 위해, 정규화 분포를 보여주는 ~400 서로 다른 FU 값을 구하였다(도 12, Ⅱ). 가우스 곡선(Gaussian curve)에 맞춰봄으로써, 평균 파열 힘(unbinding force, <FU>)을 구할 수 있었다.The inventors measured each applied voltage that caused the rupture in each microsphere and converted it to a DEP unbinding force (Figure 12). In the conversion process, the inventors used a custombuilt Matlab encoded with measurements of some parameters (eg, ε p * , ε m * , r and E ) obtained while performing FEA (finite element analysis) with COMSOL Multiphysics. Each of the above processes has been developed by the present inventors, and a more detailed process will be described below. In order to obtain a definite silver ion concentration, ~400 different F U values showing the normalization distribution were obtained (Fig. 12, II). By fitting to the Gaussian curve, the average unbinding force (F U ) was obtained.

DEP힘은 다음과 같이 제시된다.DEP force is presented as follows.

Figure pat00006
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여기서 n은 힘의 순서(force order), Kn은 nth-order Clausis-Mossotti factor이며, φ는 외부 전기장의 정전기 포텐셜(electrostatic potential), εp : particle 유전율, εm: medium 유전율, r : particle의 반지름을 나타낸다. 1Vpeak -to-peak, 1 MHz인 AC signal이 전극에 인가되었을 때, 10 ㎛ 분리되어있는 40 ㎛ 넓이의 IDT 전극 구조 상에서 전기장 프로파일(profile)을 발생시키는 유한 요소 프로그램(finite element program)인 COMSOL Multiphysics과 상기 공식을 이용해 전체 DEP 힘을 측정용으로 Matlab(R12, Mathworks)을 개발하였으며, Matlab을 사용한 인가된 전압의 함수를 이용해 전기영동 힘(dielectrophoretic force)을 계산하였다(도 13). FEM(finite element method) 분석의 품질은 상대적으로 메쉬의 질(quality of mesh)과 같은 유한 요소 컨버젼스(finite element convergence)의 해상도에 영향을 받을 수 있기 때문에, 본 발명자들은 미리 메쉬의 질(mesh quality)과 샘플링 비(sampling ratio)의 함수로써 FEM 분석의 품질을 특정화하였다. 상기 기술에 기초하여, 수직 네거티브 DEP 힘 프로파일(vertical negative DEP force profile)을 서로 다른 전압에서 평가하였다. Where n is the force order, K n is the n th -order Clausis-Mossotti factor, φ is the electrostatic potential of the external electric field, ε p : particle dielectric constant, ε m : medium permittivity, and r: particle radius. A finite element program (COMSOL), which generates an electric field profile on a 40 ㎛ wide IDT electrode structure separated by 10 μm when an AC signal of 1 V peak -to-peak and 1 MHz is applied to the electrode, Matlab (R12, Mathworks) was developed for measuring total DEP force using multiphysics and the above formula, and the dielectrophoretic force was calculated using a function of the applied voltage using Matlab (Fig. 13). Since the quality of the FEM analysis may be affected by the resolution of finite element convergence, such as the quality of the mesh, the present inventors have previously found that the quality of the mesh quality ) And the sampling ratio as the function of the FEM analysis. Based on this technique, a vertical negative DEP force profile was evaluated at different voltages.

<< 실시예Example 7> DEP 칩의 교정(Calibration of DNA chip) 7> Calibration of DNA chip

동일한 MEMS 제작 과정으로 DEP 칩을 생산하더라도, 칩들은 종종 성능상 차이를 나타낸다. 따라서 본 발명자들은 DEP 칩을 사용하기 전에 DEP칩의 품질체크를 하였다. 칩 성능 품질체크 결과를 도 17에 나타내었다. 여기서는 카르복실화된 마이크로스피어의 파열 전압 측정결과 비슷한 성능을 나타내는 잘 세척된 칩을 선택해 사용하였으며, 1.002 Vp-p, 평균 파열 전압(unbinding voltage)은 반데르발스 상호작용 범위내인 46.51 pN, DEP 힘과 일치하였다(cf., 마이크로스피어의 중력(∼0.1 pN)). Even when producing DEP chips in the same MEMS fabrication process, chips often exhibit performance differences. Therefore, the present inventors checked the quality of the DEP chip before using the DEP chip. The chip performance quality check result is shown in Fig. In this case, a well-cleaned chip with similar performance was selected as the result of measuring the bursting voltage of the carboxylated microspheres. The unbinding voltage was 1.002 Vp-p, which was 46.51 pN in the van der Waals interaction range, DEP (Cf., gravity of microsphere (~ 0.1 pN)).

<< 실험예Experimental Example 1>  1> AgAg ++ /H/ H ++ 폴리Poly -C DNA 복합체의 상호작용을 측정하는 -C DNA complexes DEPFS의Of DEPFS 원리 principle

본 발명자의 목표는 기능화된 폴리-C DNA를 포함하는 마이크로스피어(프로브)에 네거티브 DEP(nDEP)힘을 이용해 Ag+의 농도함수로 C-Ag+-C/C-H+-C 힘을 직접적이고 대규모로 측정하는 것이다(도 2 및 도 3). Ag+/H+ 폴리-C DNA 복합체의 분자 간 상호작용을 측정하기 위해, 본 발명자들은 수백개의 폴리스티렌 마이크로스피어와 DEP 칩 기판(SiO2)을 폴리-C DNA로 기능화 시켰다(도 2 및 도 14). 마이크로스피어는 Ag+가 존재 또는 존재하지 않는 상태에서 폴리-C DNA 기능화된 칩 표면과 상호작용한다. 그 결과 두 표면(즉 마이크로스피어 및 칩 기판) 간에 분자 간 상호작용이 발생한다. 또한, 본 발명자는 3' 아민(amine) 그룹을 사용해 두 개의 서로 다른 표면에(즉, 마이크로스피어 및 DEP 칩) 폴리-C DNA를 고정화하기 때문에 도 18에 나타낸 바와 같이 짝풀림 형태(unzipping mode)가 전단형태(shear mode)보다 일반적인 것으로 확인하였다.The goal of the present inventors is to provide C-Ag + -C / CH + C forces as a function of concentration of Ag + using a negative DEP (nDEP) force on a microsphere (probe) containing functionalized poly- (Figs. 2 and 3). Ag + / H + poly for measuring the mutual inter-molecular DNA of -C complex action, the inventors were functionalized hundreds of polystyrene microspheres with DEP chip substrate (SiO 2) in the poly -C DNA (Figs. 2 and 14 ). The microspheres interact with the poly-C DNA functionalized chip surface in the presence or absence of Ag + . As a result, intermolecular interaction occurs between the two surfaces (i.e., the microspheres and the chip substrate). In addition, the present inventors used an unzipping mode as shown in FIG. 18 because it immobilizes poly-C DNA on two different surfaces (i.e., microspheres and DEP chips) using a 3 'amine group. Was found to be more common than shear mode.

DEP 힘이 증가할수록, 상기 상호작용은 칩 기판으로부터 고정화된 폴리-C DNA를 가지는 마이크로스피어의 상향 이동에 의해 깨지게 된다. 이것은 Ag+와 H+에 의해 매개되는 폴리-C DNA사이의 분자간 힘(파열)을 직접적으로 측정하는 것을 가능하게 한다. 특히, 마이크로스피어는 무작위로 미세 유동 챔버(microfluidic chamber)내의 IDT(interdigitated) 전극 위의 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide) 필름 상에 분산된다. 교류전압(48 Vp -p, 1 MHz)이 IDP(Interdigitated) 전극에 인가되면, 마이크로스피어는 nDEP 힘에 의해 전극의 가운데를 따라 가지런해지고(도 3B), 그런 다음 Ag+와 함께 상호작용하고, C-Ag+-C 및 C-H+-C 복합체를 형성한다(도 3C). 또한, 더 높은 전압(∼122 Vp -p, 1 MHz)이 인가된 IDP 전극은 마이크로스피어가 전극 가운데에서 수직으로 부양될 때 복합체를 깨뜨릴 수 있다. 마이크로스피어의 움직임과 이동은 광학 현미경 이미지를 사용해 평가하였으며, 마이크로스피어의 밝기는 그레이스케일(grayscale) 방법을 사용하여 복합체의 파열 힘(rupture force)을 결정하기 위해 정량분석되는 초점이탈 깊이(defocusing depth)에 기인한 트랩(trap) 높이의 변화로 측정하였다(도 3D-F). As the DEP force increases, the interaction is broken by the upward movement of the microspheres with immobilized poly-C DNA from the chip substrate. This makes it possible to directly measure intermolecular forces (ruptures) between poly + C DNA mediated by Ag + and H + . In particular, the microspheres are randomly dispersed on a silicon dioxide film on an interdigitated (IDT) electrode in a microfluidic chamber. When an AC voltage (48 V p -p, 1 MHz ) applied to the IDP (Interdigitated) electrode, and the microspheres are arrayed becomes (FIG. 3B), then interacts with the Ag + along the center of the electrode by the power nDEP , C-Ag + -C and CH + C complex (FIG. 3C). Further, the higher voltage is applied to the IDP (~122 V p -p, 1 MHz) electrode can break the complex when the microspheres to be perpendicular to the support in the center electrode. The movement and movement of the microspheres was assessed using an optical microscope image and the brightness of the microspheres was determined by using a grayscale method to determine the defocusing depth to be quantified to determine the rupture force of the composite ) (Fig. 3D-F). &Lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt;

<< 실험예Experimental Example 2> 고정화된  2> Immobilized 폴리Poly -C DNA를 가지는 DEP 칩 기판과 - DEP chip substrate with DNA 마이크로스피어Microsphere 특징확인 Identify features

<실시예 3> 및 <실시예 4>에 개시한 바와 같이 폴리-C DNA 고정화된 마이크로스피어와 DNA코팅된 칩을 얻기 위해서, 아미노-표지화된(amino-labeled) 폴리-C DNA를 카르복실 그룹으로 기능화된 폴리스티렌 마이크로스피어와 역시 카르복실 그룹으로 기능화된 DEP 칩의 실리콘 다이옥사이드 기질표면을 펩타이드 결합을 통해 고정화하였다(도 4 및 도 14). 마이크로스피어와 DEP 칩 기판의 제작은 형광 현미경(fluorescent microscopy)으로 확인하였다(도 5A,B). 한편, 형광-표식된 올리고뉴클레오타이드를 사용해 기능화 프로토콜이 잘 진행되었는지 여부를 확인하였다. 또한 탐침 비드뿐만 아니라 DEP 칩 표면 상에 올리고뉴클레오타이드의 기능화를 확인하기 위해 형광(6-FAM)으로 표시된 폴리-C DNA를 사용하였다(도 14).In order to obtain poly-C DNA-immobilized microspheres and DNA-coated chips as disclosed in Examples 3 and 4, amino-labeled poly-C DNA was immobilized on a carboxyl group Functionalized polystyrene microspheres and also a silicon dioxide substrate surface of a DEP chip functionalized with a carboxyl group were immobilized through peptide bonds (FIGS. 4 and 14). Fabrication of the microsphere and DEP chip substrate was confirmed by fluorescent microscopy (Fig. 5A, B). Meanwhile, fluorescence-labeled oligonucleotides were used to confirm whether the functionalization protocol proceeded well. Also, poly-C DNA labeled with fluorescence (6-FAM) was used to confirm functionalization of oligonucleotides on the DEP chip surface as well as probe beads (Fig. 14).

다만, 실제로 DEPFS를 사용해 은 이온 탐지 수행시 형광-표식된 올리고뉴클레오타이드를 사용하지 않고 그 대신에 순수한 올리고뉴클레이타이드 서열을 사용하였다. 이는 힘 측정에서 염색 분자(즉, 6-FAM)에 의해 유도되는 실험적 오류를 피하기 위해서이다. 추가적인 실험(SEM, AFM)으로 형광 염료가 없는 고정된 폴리-C DNA의 분포를 관찰하였다. 또한 SEM과 AFM을 사용하여 고정화된 폴리-C DNA를 가지는 마이크로스피어와 DNA 코팅된 칩들을 각각 검사하였다(도 6 및 도 7). 마이크로스피어 표면의 AFM 분석은 마이크로스피어의 곡률과 흔들림(wobbling)(즉, 요동(rocking) 운동)에 의해 변화하기 때문에, SEM을 이용하여 폴리-C DNA가 고정되어있는 마이크로스피어의 형태뿐만 아니라, 폴리-C DNA가 수 많은 작은 알갱이로 관찰되는 폴리-C DNA 표면을 관찰하였다. 상기 결과는 폴리-C DNA가 존재할 때 입상도(granularity)의 경향이 증가함이 보고된 이전 결과와 일관되었다. 이와 대조적으로 대조샘플(카르복실화된 폴리스티렌 마이크로스피어)는 상대적으로 평평한 표면을 나타냄을 확인하였다(도 6B, 도 15). However, pure oligonucleotide sequences were used instead of fluorescence-labeled oligonucleotides in performing silver ion detection using DEPFS. This is to avoid experimental errors induced by dye molecules (ie, 6-FAM) in force measurements. Further experiments (SEM, AFM) showed the distribution of fixed poly-C DNA without fluorescent dye. Microspheres and DNA-coated chips with immobilized poly-C DNA were also examined using SEM and AFM, respectively (FIGS. 6 and 7). Since the AFM analysis of the microsphere surface changes due to the curvature and wobbling (i.e., rocking motion) of the microspheres, it is possible to use not only the shape of the microspheres to which the poly- The poly-C DNA surface was observed where the poly-C DNA was observed in numerous small grains. The results are consistent with previous reported results that the tendency of granularity increases when poly-C DNA is present. In contrast, it was confirmed that the control sample (carboxylated polystyrene microsphere) exhibits a relatively flat surface (Fig. 6B, Fig. 15).

또한, 생체분자들(폴리-C DNA)이 기능화된 칩 표면의 정밀 지형적 변화를 탐지하기 위해 AFM을 사용하였다. 이러한 지형학적 윤곽의 변화를 정량화하기 위해, 표면 거칠기 히스토그램(histogram)을 이용하여 폴리-C DNA 고정화단계를 거치기 전과 거친 후를 비교하여 확인하였다. 올리고뉴클레오타이드(크기)가 카르복실 기능기보다 크기 때문에, DNA가 고정화된 표면의 높이 분포는 더 높아진다. 이러한 히스토그램 상에서 높이 차이는 동등한 AFM 이미지 조건에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로의 큰 이동을 나타냄을 보여준다(도 7). 일반적으로, DNA가 없을 경우보다 DNA-고정화 된 경우 표면 거칠기가 높아지며, 지형 높이(topographic height)의 히스토그램(histogram)이 더 넓은 폭을 나타낸다(도 16). 이러한 다양한 현미경 관찰 분석을 통하여, 본 발명자들은 제작 방법을 확인하였다. 그러나 상기 분석은 시스템상 고정화된 폴리-C DNA를 가지는 마이크로스피어의 안정성을 보장하지는 못한다. 또한, DNAs 사이의 인장력 또는 분자간 상호작용은 DNA 길이에 의존 할 뿐만 아니라 온도 또는 pH, 수소 및 Ag+, H+와 폴리-C DNA 사이의 상호작용에 의해 발생되는 배위 상호작용(coorinate interactions)과 같은 미세환경에 의존함은 익히 알려져 있다. 따라서 본 발명자들은 하기 <실험예 3>과 같이 최적화된 방법을 확립하였다.In addition, AFM was used to detect precise topographic changes of the chip surface where biomolecules (poly-C DNA) were functionalized. In order to quantify the change of the topographic outline, the surface roughness histogram was compared before and after the poly-C DNA immobilization step. Because the oligonucleotide (size) is larger than the carboxyl functional group, the height distribution of the surface on which the DNA is immobilized is higher. The height difference on this histogram shows a large shift from left to right in equivalent AFM image conditions (FIG. 7). In general, the surface roughness is higher when DNA-immobilized than when no DNA is present, and the histogram of the topographic height shows a wider width (Fig. 16). Through these various microscopic observation analyzes, the present inventors confirmed the production method. However, this analysis does not guarantee the stability of the microspheres with immobilized poly-C DNA in the system. In addition, tensile forces or intermolecular interactions between DNAs are dependent not only on DNA length but also on coorinate interactions caused by the interaction between temperature or pH, hydrogen and Ag + , H + and poly-C DNA Dependence on the same microenvironment is well known. Therefore, the present inventors have established an optimized method as shown in <Experimental Example 3>.

<< 실험예Experimental Example 3>  3> AgAg ++ /H/ H ++ 폴리Poly -C DNA 복합체간 상호작용을 위한 -C for interaction between DNA complexes 마이크로스피어Microsphere 최적화 optimization

약한 산성 조건(pH 5)에서 시토신과 헤미프로톤화된 시토신(C-H+-C) 사이에서 수소결합이 일어남은 익히 알려져있다. 또한, Ag+가 수용액 안에 존재할 때, C-H+-C 수소 결합은 각각의 시토신 내 헤테로 질소원자들 사이의 가교를 거쳐 Ag+의 배위결합으로 대체될 수 있다(즉, C-Ag+-C가 됨). 이러한 이유로 Ag+/H+ 폴리-C DNA 복합체들 간 상호작용을 보다 정확히 측정하기 위해 폴리-C DNA가 고정화된 최적의 마이크로스피어를 만들어야하며, 따라서 폴리-C DNA의 길이를(L) 최적화하는 것이 필요하다. It is well known that hydrogen bonding occurs between cytosine and hemiprotonated cytosine (CH + C) under weak acidic conditions (pH 5). In addition, when Ag + is present in aqueous solution, the CH + -C hydrogen bond can be replaced by a coordination bond of Ag + via cross-linking between the respective nitrogen atoms of the cytosine (i.e., C-Ag + -C being). For this reason, in order to more accurately measure the interaction between Ag + / H + poly-C DNA complexes, it is necessary to make an optimal microsphere immobilized with poly-C DNA, and thus to optimize the length (L) It is necessary.

구체적으로 고정화된 폴리-C DNA를 가진 마이크로스피어의 최적화를 위해, 본 발명자들은 DEPFS를 사용해 증류수(pH 5.4) 안에 Ag+가 존재 또는 부존재하는 조건에서 폴리-C DNA의 다른 길이(L)로 기능화된 칩 표면과 마이크로스피어 사이의 FU를 측정하였다. 그 결과, L이 증가함에 따라 더 큰 FU를 얻을 수 있었다. 이는 L이 증가할수록 Ag+가 없는 상태에서 마이크로스피어와 칩의 각 표면의 폴리-C DNA 사이에서 C-H+-C를 형성할 수 있는 시토신염기의 수가 증가하고, 이에따라 C-H+-C 이중체의 결합수가 증가하기 때문이다(도 8A, B). Ag+ 가 존재하는 상태에서 FU 값은 Ag+가 존재하지 않을 때보다 커지는데, 이는 배위 상호작용이 수소 상호작용보다 결합강도가 높기 때문이다. 이는 폴리-C6 DNA가 결과적으로 매우 작은 FU 값을 야기함을 나타낸다. 이것은 아마 상온에서 짧은 이중-가닥 DNA의 경우, DNA 혼성화의 열역학적 안전성 때문으로 이러한 불안전성은 Ag+의 도입으로 인한 배위결합형성으로 안정화될 수 있다(도 8B).Specifically, for optimization of the microspheres with immobilized poly-C DNA, we used DEPFS to functionalize with different lengths (L) of poly-C DNA in the presence or absence of Ag + in distilled water (pH 5.4) the F U was measured between the chip surface and the microspheres. As a result, a larger F U was obtained as L increased. As L increases, the number of cytosine bases capable of forming CH + -C increases between the microspheres and the poly-C DNA on each surface of the chip in the absence of Ag + , and thus the binding of CH + (Fig. 8A, B). In the presence of Ag + , the F U value is larger than when Ag + is absent, because the coordination interaction is higher than the hydrogen interaction. This indicates that poly -C 6 DNA as a result, lead to a very small value F U. This is probably due to the thermodynamic safety of DNA hybridization in the case of short double-stranded DNA at room temperature, and this instability can be stabilized by coordination formation due to the introduction of Ag + (Fig. 8B).

측정된 Fu값은 가우스 핏에 근거한 평균 파열힘(unbinding force)(<FU>)은 FU으로 요약될 수 있으며, 도 8C에 도시하였다. Ag+가 존재할 때와 부존재할 때의 <FU> 사이의 차이(SF)가 C24에서 가장 강하게 나타났다(도 8D). 따라서 24-염기 폴리-C DNA가 10 μM Ag+를 탐지할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 발명자들은 폴리-C24 DNA로 하기 실험을 수행하였다.The measured Fu values are summarized in FIG. 8C as the average unbinding force (< F U &gt;) based on the Gaussian pit can be summarized as F U. <F U> The difference between (S F) appeared most strongly at 24 C (Fig. 8D) when the non-existence when the Ag + present. Thus, it was confirmed that 24-base poly-C DNA can detect 10 μM Ag + . Therefore, the present inventors performed the following experiments with poly-C 24 DNA.

<< 실험예Experimental Example 4>  4> AgAg ++ /H/ H ++ 폴리Poly -C DNA 복합체 간 상호작용 측정-C Interaction between DNA complexes

DEPFS를 사용해 수소(C-H+-C) 및 배위(C-Ag+-C)상호작용에 의해 매개되는 Ag+/H+ 폴리-C DNA 복합체간 상호작용을 측정하기 위해, 본 발명자들은 고정화된 폴리-C DNA를 가지는 마이크로스피어와 칩 표면 사이의 미세유동칩 내로 Ag+를 도입하였다. 상기 상호작용 측정 전에, 다양한 Ag+ 농도(100 pM - 1 mM)를 포함하는 매체의 전도도를 측정하였고, 이는 미디엄(medium)의 전도도가 유전영동힘을 결정하는데 있어 중요한 파라미터이기 때문이다. 한편, 최고값(1 mM)을 제외하고는, 테스트된 Ag+ 농도가 매체 전도도에 중요하게 영향받지 않음을 전도도값, 유전영동힘값(FMU)을 통하여 확인하였다(도 19). 구체적으로, 카르복실화된 마이크로스피어와 음 전하를 띄는 표면을 사용해 서로 다른 Ag+ 농도에서 <FU>를 측정함으로써 매체 전도도에 있어 Ag+ 농도의 효과 유효성을 검증하였다. 결론적으로, 폴리-C DNA가 표면에 고정된 마이크로스피어와 칩을 사용하여, Ag+ 100 pM 부터 100 μM의 범위에서 DNA 복합체의 Ag+/H+ 폴리-C의 상호작용을 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타냈다. 아울러 상호작용의 <FU>는 12.51 ± 1.33 nN부터 35.75 ± 3.20 nN까지 Ag+ 농도가 증가함을 확인하였다(도 20).To measure interactions between Ag + / H + poly-C DNA complexes mediated by hydrogen (CH + C) and coordination (C-Ag + -C) interactions using DEPFS, having a -C DNA was introduced into the Ag + into the microfluidic chip between the microspheres and the chip surface. Prior to the interaction measurements, the conductivity of the medium containing various Ag + concentrations (100 pM - 1 mM) was measured, since the medium conductivity is an important parameter in determining the dielectrophoretic force. On the other hand, except for the highest value (1 mM), the measured Ag + concentration was not significantly influenced by the medium conductivity by the conductivity value, the dielectrophoretic force value (F MU ) (FIG. 19). Specifically, the effect of Ag + concentration on the medium conductivity was verified by measuring <F U > at different Ag + concentrations using carboxylated microspheres and negatively charged surfaces. In conclusion, the interaction of Ag + / H + poly-C of DNA complexes was measured in the range of Ag + 100 pM to 100 μM using microspheres and chips immobilized on the surface of poly-C DNA, Is shown in Fig. In addition, it was confirmed that the mutual <F U> is Ag + concentration increases from 12.51 ± 1.33 to 35.75 ± 3.20 nN nN of action (Fig. 20).

<< 실험예Experimental Example 5>  5> DEPFS를DEPFS 사용시  When using AgAg ++ 의 탐지 능력 확인The detection capability of

DEPFS를 이용한 Ag+의 검출력 분석하기 위해서, FU 데이터를 이용하여 표준 편차와 평균 파열 힘(<FU>)을 표시하였다(도 9A). 도 9A에 나타난 바와 같이, 세미로그 스케일(semi-logarithm scale) 상에서 Ag+ 농도가 증가할수록 <FU>가 그에 비례해 증가함을 확인하였다. 다수의 DEP 칩들 상에서 폴리-C DNA가 고정화된 마이크로스피어 400개 이상을 상기 분석을 위해 사용하였으며, 이 분석법은 높은 신뢰도(P <0.0001)와 매우 짧은 검출 시간(< 3분)을 가짐을 증명하였다. 농도 검출의 한계는 ∼300 pM까지이며(도 21), 이는 기존 화학 변성 전극상의 스트리핑 전압전류법(tripping voltammetry at a chemically modified electrode)(∼2 pM) 및 유도결합 플라즈마 질량 분석기(inductively coupled plasma-mass spectrometry)(∼6 pM)와 같은 전통적인 방식과 비교해 우수한 값을 나타냄을 확인하였다.In order to analyze the detection power of Ag + using DEPFS, standard deviation and mean bursting force (< F U &gt;) were expressed using F U data (FIG. 9A). As shown in FIG. 9A, it was confirmed that as the Ag + concentration increases on the semi-logarithm scale, < F U > increases proportionally. More than 400 microspheres with poly-C DNA immobilized on multiple DEP chips were used for this analysis and this assay demonstrated high reliability (P <0.0001) and very short detection time (<3 min) . The limit of detection of the concentration is up to ~ 300 pM (Figure 21), which is a tripping voltammetry at chemically modified electrode (~ 2 pM) and inductively coupled plasma- mass spectrometry (~ 6 pM).

또한 Zn2 +, Li+, Na+, Hg2 + 및 Fe3 +를 포함하는 다양한 금속이온들(100 nM)을 사용해 이온 선택성을 평가하였다(도 9B). 본 발명의 DEPES의 측정 능력을 정량화하기 위해서, 폴리-C DNA와 Ag+ 또는 다른 양이온들(X) 중 어느 하나 사이의 두 개의 평형상수비로 정의되는 선택계수(Selectivity coefficient)(ξ)를 계산하였다. (즉, ξ = KDNA,X/KDNA,Ag+)In addition, Zn 2 +, Li +, Na +, Hg 2 + and was used a variety of metal ions (100 nM) containing Fe 3 + evaluate the ion selectivity (Fig. 9B). To quantify the measurement capability of DEPES of the present invention, the polyester was calculated -C DNA with Ag + or other cations (X) of two selected equilibrium coefficient is defined as the ratio constant (Selectivity coefficient) between any one of (ξ) . (I.e.,? = K DNA, X / K DNA , Ag + ),

상기 선택계수(ξ)를 계산하기 위해, 본 발명자들은 본 발명의 DEPFS 시스템 내 평형상수(K)를 다음과 같이 정의하였다. In order to calculate the selection factor ( xi ), the inventors have defined the equilibrium constant (K) in the DEPFS system of the present invention as follows.

Figure pat00007
Figure pat00007

평형상수(KDNA, X )가 폴리 C-DNA와 복합체 형태(금속이온을 갖는 폴리-C DNA,X)들 사이의 힘의 비율로 정의되는 곳에서 이들은 각각 F DNA F DNA -X 를 나타낸다. 금속이온의 종류(즉, Ag+, Li+, Na+, Fe3 +, Hg2 +, Zn2 +등)에 불구하고 금속이온(X)의 동일한 농도의 존재 내 bare beads와 DEP 칩 표면 사이의 결합 힘 평균은 동등한 것으로 간주한다. 따라서 상기 공식은 본 발명의 시스템 내 F DNA 가 동일한 곳(~11.22 pN)에서는 K DNA,X F DNA -X /F DNA 로 간단히 할 수 있다(도 8B). 따라서 K DNAX F DNA -X 에 정비례한다 말할 수 있으며, 두 개의 서로 다른 금속이온 사이의 선택계수는 두 평형 상수(K DNA,X1 K DNA,X2 )의 비율로 정의한다. Where the equilibrium constant (K DNA, X ) is defined as the ratio of the force between the poly-C-DNA and the complex form (poly-C DNA, X with metal ions, X) F DNA And F DNA- X . The kind of metal ion (i.e., Ag +, Li +, Na +, Fe 3 +, Hg 2 +, Zn 2 + , etc.) in the less metal ions (X) between the same present in the bare beads and DEP chip surface at a concentration of The combined force averages are considered to be equivalent. Therefore, the above formula can be simplified as K DNA, X ? F DNA- X / F DNA in the same F DNA (~ 11.22 pN) in the system of the present invention (FIG. Thus, K DNAX is directly proportional to F DNA- X , and the selectivity between two different metal ions is defined as the ratio of two equilibrium constants ( K DNA, X1 and K DNA, X2 ).

Figure pat00008
Figure pat00008

예를 들어, 상기에서 언급한 바와 같은 정의에 기초로, 은 이온과 리튬 이온사이의 선택계수는 대략 0.6으로 측정할 수 있으며(~14pN / 23 pN), 표 1은 데이터 내 선택 계수를 계산한 것을 요약하였다. 따라서, Ag+가 본 발명의 DEPFS 시스템상에서 다른 양이온들보다 적어도 25 %이상 선택성이 우수함을 확인하였다.For example, based on the definition as mentioned above, the selection factor between silver ions and lithium ions can be measured to be approximately 0.6 (~ 14 pN / 23 pN) . Thus, it has been confirmed that Ag + is at least 25% more selective than other cations on the DEPFS system of the present invention.

X1X1 Ag+ Ag + X2X2 Ag+ Ag + Li+ Li + Na+ Na + Hg+ Hg + Zn2 + Zn 2 + Fe3 + Fe 3 + ξξ 1.0001,000 0.6370.637 0.5160.516 0.5570.557 0.7410.741 0.6730.673

따라서, 본 발명의 DEPFS 시스템 상에서 다른 양이온들과 비교해 적어도 25%정도, Ag+가 우수한 선택성을 나타냄을 확인하였다. 이는 다른 금속이온들과 비교해 보았을 때 Ag+ 포획이 좋은 선택성을 가짐을 입증하였다.Therefore, it was confirmed that Ag + shows excellent selectivity on the DEPFS system of the present invention by at least 25% as compared with other cations. This proved that Ag + capture has good selectivity when compared to other metal ions.

<< 실험예Experimental Example 6> 식수 내에서  6> Within drinking water AgAg + + 농도 측정 Concentration measurement 여부확인Check whether

본 발명의 방법을 이용하여, 일반적 식수(제주 삼다수, JPDC,한국) 내 Ag+농도 측정 가능여부를 확인하였으며, 구체적으로 식수내 AgNO3(1-100 ㎛)의 다양한 농도를 분석하였다. 도 9C에 나타난 바와 같이, 식수 내 <FU>값이 증류수에서보다 약 20 nN 정도 낮게 나타났다. 그럼에도 불구하고 식수에서 [Ag+]에 따른 <FU>의 직선적 증가는, DEPFS가 U.S. 환경 보호 협약에 규정된 표준 식수 기준의 민감한 요구사항(46 μM)에 근거한 환경 용수 내 Ag+를 측정하기 위한 실용적 적용에 적합함을 뒷받침한다. 아울러 도 9A의 <FU>의 선형성은 Ag+, H+와 폴리-C 사이의 상호작용이 Ag+/H+ 폴리-C DNA 복합체 내 수소(C-H+-C) 와 배위(C-Ag+-C) 상호작용 간의 간단한 기계적 모델로 설명 가능함을 보여준다.Using the method of the present invention, it was confirmed whether Ag + concentration could be measured in general drinking water (Jeju Samdasoo, JPDC, Korea), and specifically, various concentrations of AgNO 3 (1-100 μm) in drinking water were analyzed. As shown in FIG. 9C, the <F U > value in drinking water was about 20 nN lower than in distilled water. Nonetheless, the linear increase of <F U > in drinking water according to [Ag + ] indicates that DEPFS measures the Ag + in the environmental water based on the sensitive requirement (46 μM) of the standard drinking water standard set forth in the US Environmental Protection Convention Which is suitable for practical applications. In addition, also the linearity of <F U> of 9A is Ag +, interaction between H + and poly -C this Ag + / H + poly -C DNA complexes hydrogen (CH + -C) and coordinate (C-Ag + C) interactions between the two systems.

<< 실험예Experimental Example 7> 포아송7> Poisson 통계분석을 이용한  Using statistical analysis AgAg ++ /H/ H ++ 폴리Poly -C DNA 복합체 형성에 있어 각각의 결합-파열 힘(bond-rupture force) 측정-C bond-rupture force measurements in the formation of DNA complexes

본 발명자들은 동일한 <FU>측정 데이터를 활용하고 포아송 통계분석(Poisson statistics)으로 Ag+/H+ 폴리-C DNA 복합체에 있어 각각의 결합-파열 힘(bond-rupture force)(즉, 폴리-C DNA의 파열 힘)을 계산하였다. We used the same < FU > measurement data and used Poisson statistics to determine the respective bond-rupture force (ie, poly-Si) of the Ag + / H + C DNA rupture force) was calculated.

포아송 통계방법을 사용해 각각의 결합을 계산하는 방법은 다음과 같다.The method for calculating each combination using the Poisson statistical method is as follows.

포아송 통계적 분석을 위해 각각의 결합은 독립(independent), 이산 확률(discrete random)변수이고, 프로브와 표면 사이의 파열 힘은 각각의 개별 결합의 합이라 정의한다(Williams, J. M.; Han, T.; Beebe, T. P. Langmuir 1996, 12, 1291-1295/ Williams, D. H.; Stephens, E.; Zhou, M. Journal of Molecular Biology 2003, 329, 389-399.). 이러한 가정은 이전의 연구들을 고려하였을 때 합리적이다. 이러한 통계적 방법은 통계적으로 신뢰할 수 있는 측정 데이터로부터 유도된 평균힘과 표준편차를 사용해 각각의 결합들을 계산하는데 사용한다. 포아송 통계분석법에 따르면, 분산(distribution)은 n 이산 사건(events)(즉, 발생하는 각각의 결합의 파열을 위한 n 사건)의 무작위 샘플을 관찰한 것의 비율을 말하며, 파열힘(unbinding force)은 하기 평균(mean; m) 및 편차(variance, σ2)의 포아송 분산으로써 달라진다.For Poisson statistical analysis, each bond is an independent, discrete random variable, and the rupture force between the probe and the surface is defined as the sum of each individual bond (Williams, JM; Han, T .; Beebe, TP Langmuir 1996, 12, 1291-1295 / Williams, DH, Stephens, E .; Zhou, M. Journal of Molecular Biology 2003, 329, 389-399). This assumption is reasonable when considering previous studies. These statistical methods are used to calculate each combination using mean power and standard deviation derived from statistically reliable measurement data. According to Poisson statistical analysis, the distribution is the ratio of observing a random sample of n discrete events (ie, the n event for the rupture of each resulting bond), and the unbinding force And the Poisson distribution of the mean (m) and variance (σ 2 ).

m = nF, m = nF,

σ= nF2 , σ = nF 2 ,

고정된 접촉 지역 내에서 F 및 n은 각각 개별적으로 각각의 결합 힘 및 결합들의 수를 나타낸다. 개별 결합 힘은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Within the fixed contact area, F and n individually represent the respective coupling forces and the number of combinations. The individual coupling forces can be expressed as:

F = σ 2 / m .F = σ 2 / m .

본 발명에서는 높은 통계적 신뢰도(P < 0.0001)를 얻기 위해 동일한 환경하에서 동시에 400개 이상의 마이크로스피어 프로브를 측정한 결과로부터 도출해 낸 평균힘과 표준편차를 사용하여 각각의 Ag+-폴리-C DNA 복합체들을 계산하는데 사용하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 추가적으로, Ag+가 부존재하는 상태에서 폴리-C DNA 복합체의 측정 데이터 및 각각의 결합-파열을 이용하여 계산한 평균 힘 및 표준편차를 도 24에 나타내었다.In the present invention, each of the Ag + -poly-C DNA complexes is analyzed using the mean power and standard deviation derived from the measurement of more than 400 microsphere probes simultaneously under the same environment to obtain a high statistical reliability (P < 0.0001) The results are shown in Fig. In addition, the measurement data of the poly-C DNA complex in the state where Ag + is absent and the average force and standard deviation calculated using each bond-rupture are shown in Fig.

마이크로스피어와 전극 표면 사이의 접촉지역이 접촉지역 중심점에서 대칭적 기하구조를 가지기 때문에, 통계적 관점으로 접촉 지역의 로딩(loading)된 힘은 모든 가능한 내부분자들과 동등화 될 것이라 추측할 수 있다. 비록 접촉지역의 분자긴 로딩된 힘이 다양할지라도, 평균 로딩된 힘은 일정한 로딩 값에서 유지된다.From the statistical point of view, it can be inferred that the loading force of the contact area is equivalent to all possible internal molecules, since the contact area between the microsphere and the electrode surface has a symmetrical geometry at the contact area midpoint. Even though the molecular long loaded forces of the contact zone vary, the average loaded forces are maintained at constant loading values.

<< 실험예Experimental Example 8> 통계적 방법으로 단일 결합력 분석  8> Single bond strength analysis by statistical method

또한, 본 발명자들은 각각의 결합 합계 값으로 제시되는 평균 힘을 측정하고 평균힘으로부터 통계적 방법을 사용해 단일 결합력을 분석하였다. 비록 개별의 분자간에 수소와 킬레이트 결합(chelate bond)의 다양한 혼합성분이 있었음에 불구하고, 포아송 방법으로 단일결합을 분석하였다. 분석한 단일결합은 가능한 모든 결합 구성요소로부터 금속이온에 의해 매개되는 폴리-C DNA 복합체의 평균 결합 확률(average bond probability)로 나타내었다. 포아송 통계 모델을 반영하면, 단일 파열 힘은 단일 분자(즉, DNA 한쌍)를 의미한다. 도 10A에 나타낸 바와 같이 각각의 결합-파열 힘, FUsingle은 Ag+ 농도가 증가함에 따라 139 부터 296 pN 까지 증가하였다. 이 S자형 곡선은 DNA-Ag+의 상호 작용을 이용한 이전 연구 결과와 일치하는 결과이며(C-Ag+-C), 상기 결과는 각각의 내부 분자간 결합이 동일한 한 종류로 구성될 때는 나타나지 않았다.The inventors also measured the average force presented by each combined value and analyzed the single binding force using a statistical method from the mean power. Single bonds were analyzed by the Poisson method, although there were various mixed constituents of hydrogen and chelate bonds between individual molecules. The analyzed single bond was expressed as the average bond probability of the poly-C DNA complex mediated by the metal ion from all possible binding components. Reflecting the Poisson statistical model, a single tear force means a single molecule (ie, a pair of DNA). As shown in FIG. 10A, the respective bond-breaking force, F Usingle , increased from 139 to 296 pN as the Ag + concentration increased. This S-shaped curve is consistent with previous studies using DNA-Ag + interactions (C-Ag + -C), and the results are not present when each internal intermolecular bond is composed of the same kind.

또한, 약한 산 조건(pH 5)하에서 헤미수소화 시토신(C-H+-C) 수소 결합이 존재할 때 Ag+가 없는 상태에서 폴리-C-DNA 복합체의 각각의 결합-파열 힘은 비록 폴리-C-DNA 복합체의 농도가 다양하더라도 128 pN에서 일정하게 나타났다(도 24). 따라서, 도 10A에 나타낸 바와 같이 FUsingle 의 증가는 Ag+, 폴리-C-DNA 복합체 상에서 C-H+-C 와 C-Ag+-C 이중체로 구성된 잡종(heterogeneity) 정도에 영향을 받음을 확인하였으며, 약한 산성 조건에서, 폴리-C DNA는 수소결합을 통해 다른 폴리-C DNA와 함께 평행-가닥 이중체를 구성함을 확인하였다.In addition, in the presence of heme hydrogenated cytosine (CH + C) hydrogen bond under weak acid conditions (pH 5), the respective bond-tear strength of the poly-C-DNA complex in the absence of Ag + Even at various concentrations of the complex, at 128 pN (Fig. 24). Therefore, as shown in Fig. 10A F Usingle C-DNA complexes were affected by the degree of heterogeneity of Ag + , CH + -C and C-Ag + -C duplexes on the Ag + , poly-C DNA complexes. Under weak acidic conditions, Stranded duplex with other poly-C DNA through hydrogen bonding.

한편, 상기 잡종(heterogeneity) 정도에 따른 결합-파열 힘에 영향을 미칠 수 있는 다른 요인으로 염기간 스태킹(base stacking) 상호작용이 있으나, 최근 AFM 힘 분광학 연구 결과에 따르면 단일 염기 스태킹의 힘은 ∼2 pN로 결합-파열 힘에서는 미미한 영향력을 끼치는 것이 확인되었는바, 위와 같은 연구결과와 본 발명자들은 이번 실험결과를 종합해 볼때, 상기 실험에서 측정한 결합-파열 힘은 염기 스태킹보다 수소결합의 기여도가 더 일반적인 현상임을 확인하였다.Meanwhile, the base stacking interaction is another factor that may affect the bond-rupture force depending on the degree of heterogeneity. However, according to recent AFM force spectroscopy studies, the strength of single- 2 pN, it was found that the bonding-rupture force had a slight influence on the rupture force. From the results of the above study and the present inventors, it was found that the bond-rupture force measured in the above experiment was higher than that of the base stacking Is a more common phenomenon.

구체적으로, 단일 폴리-C DNA 사이의 상호결합 측면에서, 낮은 Ag+농도 범위(0.1, 1 및 10 nM)에서는 폴리-C DNA에서는 C-Ag+-C 결합이 거의 생성되지 않아 Ag+이온이 폴리-C DNA와 활발히 상호작용하지 않음을 알 수 있었다. 반면, 높은 Ag+ 농도 범위에(e.g., 1, 10, 및 100 μM)에서는 Ag+/H+-폴리-C-DNA 복합체 안에서 C-Ag+-C 형성됨을 확인할 수 있었다. 예를 들어 1 nM Ag+에서 FUsingle 값은 약 139 pN이었으며 이는 수소 결합의 각각의 파열힘과 매우 유사하다(∼128 pN). 한편 100 μM Ag+에서 FUsingle은 낮은 Ag+ 농도에서 얻어지는 값보다 약 2.1 배 정도 더 크다. 또한, 높은 Ag+ 농도 범위에서, FUsingle 값이 포화되는 것으로 나타났다.Specifically, a single poly -C in mutual engagement side between the DNA, the low Ag + concentration range (0.1, 1 and 10 nM) in the poly-C -C DNA Ag + -C bonds are hardly generated Ag + ions But did not actively interact with poly-C DNA. On the other hand, in the high Ag + concentration range (eg, 1, 10, and 100 μM), it was confirmed that C-Ag + -C was formed in the Ag + / H + -poly-C-DNA complex. For example, the F Usingle value at 1 nM Ag + was about 139 pN, which is very similar to the rupture force of each hydrogen bond (~128 pN). On the other hand, F Usingle at 100 μM Ag + is about 2.1 times greater than the value obtained at low Ag + concentration. Also, in the high Ag + concentration range, the F Usingle value was found to saturate.

<< 실험예Experimental Example 9> Hill 공식(Hill equation)을 이용한  9> Using the Hill equation AgAg ++ Wow 폴리Poly -C DNA 사이의 -C DNA between 결합된Combined 협동성(binding  Binding cooperativitycooperativity ) 계산) Calculation

계산 결과를 좀 더 분석하기 위해서, 두 개의 서로 다른 결합 구성요소들보다 많은 협동성을 조사하는데 사용하는 Hill 공식(Hill equation)을 이용해 Ag+와 폴리-C DNA 사이의 결합된 협동성(binding cooperativity)을 확인하였다.To further analyze the results of the calculations, we use the Hill equation, which is used to investigate more cooperativity than two different binding components, to determine the binding cooperativity between Ag + and poly-C DNA Respectively.

그 결과, 측정 계산후 얻은 상대적인 정규화 값과 Hill 공식이 일치함을 알 수 있었으며(도 10B), Hill 공식을 정규화된 FUsingle에 적용하였다(즉, FUsingle *)(도 10A). 생체분자들 사이의 협동성에 대한 기존 이론들에 따르면, 결합관련성은 Hill 공식(R2 = 0.99)에서 분리상수(Kd)와 Hill협동성 계수(coefficients)(n)로 특정된다. 실험결과 Kd 값과 n은 각각 87.6 nM과 0.962이였으며, C-Ag+-C 상호작용은 다른 선행연구에서 밝혀진 비특이적 금속-리간드 상호관계보다 더 높은 특이성을 가짐을 확인하였다. 또한, Hill 협동성 계수(coefficients; n)가 1에 근접하게 나타났으며, 이로부터 폴리-C DNA 내에 C-Ag+-C 결합이 형성되더라도 결합부위 주위에서 또 다른 C-Ag+-C 결합이 형성될 확률에 영향을 미치지 않음을 확인하였다(no cooperativity). 상기 결과는 등온 적정 열량 측정법(isothermal titration calorimetry)을 사용하여 Ag+가 특히 1 : 1의 몰비의 C : C 염기쌍과 결합함을 분석하였던 이전 연구결과와 일치하는 결과이다.As a result, it was found that the relative normalization value obtained after the measurement calculation agrees with the Hill formula (FIG. 10B), and the Hill formula was applied to the normalized F Usingle (that is, F Usingle * ) (FIG. According to existing theories of co-ordination between biomolecules, the binding relevance is specified by the separation constant (K d ) and the Hill co-operative coefficient (n) in the Hill formula (R 2 = 0.99). The K d and n values were 87.6 nM and 0.962, respectively, and the C-Ag + -C interaction had higher specificity than the nonspecific metal-ligand correlation found in other previous studies. In addition, the Hill co-operation coefficient (n) was close to 1, indicating that even if a C-Ag + -C bond is formed in the poly-C DNA, another C-Ag + (No cooperativity). The results are consistent with previous studies in which isoelectric titration calorimetry was used to analyze the binding of Ag + to the C: C base pair, especially at a molar ratio of 1: 1.

한편, S자 곡선(도 10A)은 Ag+, H+ 와 폴리-C DNA 사이에서 상호작용 동안 수소결합(C-H+-C)과 배위 결합(coordinate bonds; C-Ag+-C)들의 혼합 비율에 영향을 받음을 확인하였다. 즉, 낮은 Ag+ 농도에서는 수소 결합(즉, C-H+-C 형성)형성이 지배적이며, Ag+와 폴리-C DNA 사이의 상호작용은 거의 발생하지 않으나 Ag+ 농도가 증가함에 따라 임계 농도 지점(즉,Kd 1 /n = 46.1 nM)이 존재하기 때문에 Ag+-연계 배위 결합( Ag+-mediated coordinate bonds)에 의해 관리되는 강한 결합형태로 변함을 알 수 있었다. 비록 폴리-C DNA와 Ag+ 결합특징이 협동성에 기초하지 않더라도(no cooperativity), 이러한 형태변화가 (C-H+-C → C-Ag+-C) Ag+ 농도 뿐만 아니라 측정 미디움(medium) 내의 산성 정도에 따른 수소 결합의 총량에 의해서 결정될 수 있음을 확인하였다. 한편, Ag+ 농도에 따른 프로브와 chip 표면 간에 상호작용하는 모든 폴리-C DNA 사이에서의 상호작용 특성 (벌키(bulky)한 분자들 사이의 협동성 특성)은 폴리-C DNA 단일 분자 사이의 상호작용 특성과 차이(도9A 의 <FU>, 선형모양 vs 도10B 의 FUsingle, S자 모양)가 있는 것으로 확인하였다. 따라서 벌키(bulky)한 분자들 사이의 협동성 특성을 확인하기 위하여, Ag+와 폴리-C DNA 사이의 결합된 협동성 특성을 관측하는 용도로 적용한 Hill공식(Hill equation)에 부합하는지 확인하였다. 도 10B 보다는 다소 떨어지지만, R-square 이 0.95 로 비교적 높은 신뢰성을 나타내었다. 하지만, Ag+-폴리-C 복합체의 단일 및 평균 비결합 힘은 다른 협동 상수(n)를 갖는다 (FUsingle *, 0.962; <FU *>, 0.367). 이는 특정 입자(본 연구에서는 Ag+)와 단일 입자 (본 연구에서는 폴리-C DNA 해당) 사이의 상호작용과 벌키한 분자들 사이의 상호작용 특성이 다르게 확인된다는 종전연구 결과와 유사하다. 따라서 결합 협동성(binding cooperativity)은 결합력이 감소함에 따라 감소함을 확인하였다.On the other hand, the S curve (FIG. 10A) shows a mixed ratio of hydrogen bonds (CH + C) and coordinate bonds (C-Ag + C) during the interaction between Ag + , H + And the effect of the In other words, at low Ag + concentration, the formation of hydrogen bonds (ie, CH + C formation) predominates and interactions between Ag + and poly-C DNA rarely occur, but as the Ag + concentration increases, i.e., K d 1 / n = 46.1 nM) since the presence Ag + - was found to change to a stronger binding type that is managed by the linked coordinate bond (Ag + -mediated coordinate bonds). Although poly -C DNA and Ag + binding characteristics without the basis of the cooperativity (no cooperativity), this type of change in the (CH + C → -C-Ag + -C) Ag + concentration in the acid, as well as the measurement medium (medium) And the total amount of hydrogen bonds according to the degree of hydrogen bonding. On the other hand, the interaction characteristics (the co-operative nature among the bulky molecules) between all poly-C DNAs interacting with the probe surface and the chip surface with Ag + it was confirmed that there is a characteristic difference (<F U>, the linear shape vs Figure 10B Usingle F, S-shape of Fig. 9A). Thus, in order to confirm the co-operative properties between bulky molecules, we confirmed that it conforms to the Hill equation, which is used for observing the combined co-operative properties between Ag + and poly-C DNA. 10B, R-square was 0.95, indicating a relatively high reliability. However, the single and mean nonbonding forces of the Ag + -poly-C composites have different cooperative constants (F Usingle * , 0.962; <F U * >, 0.367). This is similar to previous studies in which the interaction between a specific particle (Ag + in this study) and a single particle (corresponding to a poly-C DNA in this study) and the interaction characteristics between bulky molecules are different. Therefore, it was confirmed that binding cooperativity decreases with decreasing binding force.

<< 실험예Experimental Example 10>  10> 폴리Poly -CT DNA와 DEP 힘을 이용해 HgUsing CT DNA and DEP force, Hg ++ 이온 검출 가능성 확인 Identification of ion detectability

DEPFS(Dielectrophoretic-tweezers based force spectroscopy) system 내에서 핵염기(nucleobase)와 수은이온(Hg2+)간의 특이적 결합력 측정가능 여부를 확인하기 위하여, 티민(thymine) 핵염기와 수은이온간의 특이적 배위결합(T-Hg2 +-T) 특성을 이용하여, 폴리뉴클레오타이드로 5’-CTCTCTCTCTCT-3’를 사용하고, 해당 폴리-CT DNA를 마이크로스피어 및 DEP chip에 분주시켜 약산성 용액(증류수) 내에서 핵염기와 수은이온 간의 특이적 결합력을 확인하였다. 보다 구체적으로, 비즈(beads)로 10 μm Spherotech 제품을 사용해 Hg2 + 이온농도가 0 M, 1 μM 일 때의 각각의 unbinding voltage을 확인하였으며, 상기 <실시예 6>와 동일한 방법으로 DEP 파열힘(DEP rupture force)을 측정하였다(도 27).In order to confirm whether the specific binding force between nucleobase and mercury ion (Hg 2+ ) can be measured in DEPFS (Dielectrophoretic-tweezers based force spectroscopy) system, the specific coordination between thymine nucleobase and mercury ion CTCTCTCTCTT-3 'as a polynucleotide and dividing the poly-CT DNA into a microsphere and a DEP chip using a binding (T-Hg 2 + -T) characteristic in a weakly acidic solution (distilled water) The specific binding force between the nucleobase and the mercury ion was confirmed. More specifically, each unbinding voltage was observed when Hg 2 + ion concentration was 0 M and 1 μM using 10 μm Spherotech beads as the beads. In the same manner as in Example 6, the DEP rupture force (DEP rupture force) was measured (Fig. 27).

그 결과, 도 27에 나타낸 바와 같이, 폴리-CT DNA 사이의 결합력은 같은 핵염기수(12)의 폴리-C DNA에 비해서 50% 정도 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 기존 연구에서의 사용한 시토신 수보다 50% 감소한 시토신을 사용에 따른 결과로써 폴리-CT DNA 사이에서의 C-H+-C 결합수가 약 50% 정도 감소해 결합력이 형성되는 것을 확인하였으며, Hg2 + 이 첨가됨으로 인해, Hg2 + 이온과 선택적 배위결합을 형성하는 티민 핵염기가 증가함에 따라, 결합력이 증가하였음을 알 수 있었다. 결과적으로, 폴리-CT DNA를 이용하여 Ag+ 이온과의 결합력 검출뿐만 아니라 Hg2 + 이온과의 결합력 검출 및 해당 분석 모델 구현의 가능성을 확인하였다.As a result, as shown in Fig. 27, it was confirmed that the binding force between the poly-CT DNA was reduced by about 50% as compared with the poly-C DNA of the same nucleating base 12. It was confirmed that the bonding force to be combined CH + -C between poly -CT DNA decreases by about 50% as a result of a decrease of 50% cytosine cytosine than the number used in the previous studies on the use form, Hg + 2 is As a result, it was found that the binding force was increased with the increase of the thymine nucleus forming selective coordination bond with Hg 2 + ion. As a result, the detection of binding force with Ag + ions as well as the detection of binding force with Hg 2 + ions and the feasibility of implementing the corresponding analytical model were confirmed using poly-CT DNA.

결론적으로, 본 발명자들은 DEP 기반 힘 분광법을 이용해 간단하고, 견고하고, 대량 분석이 가능한 방법으로써 넓은 농도 범위를 거쳐 Ag+ 검출 및 높은 민감도를 가질 뿐만 아니라 분자간 상호작용에 의해 Ag+, H+와 폴리-C DNA 이중체간의 상호작용의 통계적 분석의 새로운 접근법을 증명하였다. 이 접근법을 사용해, Ag+-폴리-C 복합체에서 수소와 배위 결합 사이에서 결합 상호작용의 파열 힘(FU)를 정량화하였으며, 증류수와 식수 내 Ag+ 를 감지하기 위해 폴리-C DNA의 최적 길이를 특정하였다. 또한, 본 발명자들은 동등한 FU 측정 데이터를 사용해 C-H+-C 와 C-Ag+-C 이중체로 구성된 Ag+/H+-폴리-C DNA 복합체의 상호작용을 밝혔으며, Hill의 결합모델과 결합하여 포아송 통계법에 의한 단일 결합 힘과 Ag+와 폴리-C DNA의 결합협동성을 측정하였다. 본 발명자들은 Ag+ 가 존재하지 않을 경우 폴리-C DNA 상호작용은 C-H+-C에 의존함을 밝혔으며, 이와 반대로 Ag+ 농도가 증가함에 따라 C-H+-C 형성이 Ag+와 폴리-C DNA 사이의 C-Ag+-C으로 대체됨을 증명하였다. 본 발명자들은 일회용 미세유동칩 안의 폴리뉴클레오타이드와 Ag+의 약한 킬레이션(chelation)을 정량화해 독특한 힘 분광학 기술로써 DEPFS의 유용성 및 타당성을 입증하였다.In conclusion, the present inventors have found that by using DEP-based force spectroscopy, a simple, robust, and mass spectrometric method, Ag + and H + are detected by intermolecular interaction as well as Ag + detection and high sensitivity over a wide concentration range A new approach to statistical analysis of interactions between poly-C DNA duplexes has been demonstrated. Using this approach, the rupture force (F U ) of binding interactions between hydrogen and coordination bonds in the Ag + - poly-C complex was quantified and the optimal length of the poly-C DNA to detect distilled water and Ag + . We have also demonstrated the interaction of Ag + / H + -poly-C DNA complexes composed of CH + C and C-Ag + C duplexes using equivalent FU measurement data, The binding cohesiveness of Ag + and poly-C DNA was measured by Poisson's statistical method. The present inventors does not exist, the Ag + poly -C DNA interactions CH + -C had to us to be dependent, on the other hand the Ag + and poly CH + -C formed as the Ag + concentration increases -C DNA C & lt ; / RTI &gt; The present inventors quantified the weak chelation of the polynucleotide and Ag + in the disposable microfluidic chip to demonstrate the usefulness and validity of DEPFS as a unique force spectroscopy technique.

Claims (28)

(a) 전극이 형성된 기판의 일면 이상을 폴리뉴클레오타이드로 기능화시키는 단계;
(b) 단계(a)의 기판과 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈를 챔버(chamber)에 넣는 단계;
(c) 챔버에 금속을 포함 또는 미포함하는 피검용액을 넣고 기판에 전압을 인가하는 단계;
(d) 비즈의 움직임을 측정하여 영상신호 정보를 수득하는 단계;
(e) 단계(d)에서 수득한 영상신호 정보로부터 그레이스케일 값을 구하는 단계;
(f) 단계 (e)에서 얻은 그레이스케일 값을 이용하여 파열 순간을 검출하는 단계; 및
(g) 파열지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(FU; unbinding force)을 구하는 단계를 포함하는, 금속이온 검출 방법.
(a) functionalizing at least one surface of a substrate on which an electrode is formed, with a polynucleotide;
(b) placing the substrate of step (a) and beads functionalized with polynucleotides into a chamber;
(c) placing a test solution containing or not containing a metal in a chamber and applying a voltage to the substrate;
(d) measuring motion of the beads to obtain video signal information;
(e) obtaining a gray scale value from the video signal information obtained in step (d);
(f) detecting a moment of rupture using the gray scale value obtained in step (e); And
(g) measuring the unbinding voltage at the rupture point, and obtaining a rupture force (F U ) through a conversion process.
제1항에 있어서,
상기 단계(a)의 기판은 미세유체 칩(microfluidic chip)인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate of step (a) is a microfluidic chip.
제2항에 있어서,
미세유체 칩은 절연기판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the microfluidic chip further comprises an insulating substrate.
제3항에 있어서,
절연기판은 이산화규소(SiO2, 실리카)가 증착된 실리콘인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method of claim 3,
The insulating substrate is a metal ion detecting method, characterized in that the silicon dioxide (SiO 2, silica) of the deposited silicon.
제1항에 있어서,
상기 단계(b)의 챔버는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)로 제조되는 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the chamber of step (b) is made of polydimethylsiloxane (PDMS).
제1항에 있어서,
상기 금속은 은(Ag), 수은(Hg), 리튬(Li), 나트륨(Na), 철(Fe) 및 아연(Zn)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal is at least one selected from the group consisting of silver (Ag), mercury (Hg), lithium (Li), sodium (Na), iron (Fe) .
제1항에 있어서, 상기 금속이온은 은이온인 것을 특징으로 하며, 상기 폴리뉴클레오타이드는 폴리-시토신 DNA인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1, wherein the metal ion is silver ion, and the polynucleotide is poly-cytosine DNA.
제7항에 있어서,
상기 폴리-시토신 DNA는 시토신 염기 15 내지 32개로 구성됨을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the poly-cytosine DNA comprises 15 to 32 cytosine bases.
제1항에 있어서,
상기 금속이온은 수은이온이고, 상기 폴리뉴클레오타이드는 폴리-시토신티민(폴리-CytosineThymine) DNA인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal ion is a mercury ion and the polynucleotide is poly-CytosineThymine DNA.
제9항에 있어서, 상기 폴리-시토신티민 DNA는 5'-(CT)n-3' 이고, 여기에서 n은 3 내지 9의 정수인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method of claim 9, wherein the poly-cytosine thymine DNA is 5 '- (CT) n -3', wherein n is an integer from 3 to 9.
제9항에 있어서, 상기 폴리-시토신티민 DNA는 5'-CTCTCTCTCTCT-3'인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
10. The method of claim 9, wherein the poly-cytosine thymine DNA is 5'-CTCTCTCTCTCT-3 '.
제1항에 있어서,
상기 단계 (f)는 전압을 인가함으로써 발생하는 비즈의 부양 변위(levitation displacement)와 그레이스케일 값 강도의 변화를 매칭하고, 기준치를 넘어서 변동(fluctuation)이 발생하는 순간을 파열 순간으로 정의함을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1,
The step (f) matches the change of the levitation displacement of the beads caused by application of the voltage and the change of the intensity of the gray scale value, and defines the instant when the fluctuation occurs beyond the reference value as the moment of rupture Wherein the metal ions are detected by a detector.
제12항에 있어서, 상기 기준치는.
하기 [식 1]의 가우스 분포를 따르는 그레이스케일 값의 변동(fluctuation)을 측정하되,
변동 레벨(fluctuation level)은 μ± 2σ로 나타내어지고,
[식 1]
Figure pat00009

상기 식에서,
χ는 그레이스케일 값이고,
μ는 그레이스케일 값의 평균이며,
σ는 그레이스케일 값의 표준 편차인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
13. The method of claim 12, wherein the reference value is.
Measuring the fluctuation of the gray scale value according to the Gaussian distribution of [Equation 1] below,
The fluctuation level is represented by μ ± 2σ,
[Formula 1]
Figure pat00009

In this formula,
x is a gray scale value,
mu is the average of the gray scale values,
and? is the standard deviation of the gray scale value.
제1항에 있어서,
상기 단계 (g)의 변환과정은 하기 [식 2]를 이용하여 수행되고,
[식 2]
Figure pat00010

변환과정을 거쳐 파열 힘(FU : unbinding force)을 구하며,
상기 식에서,
εm은 매질의 유전율(permittivity)이며,
Re는 파열 전압(unbinding force)이고,
εp *은 복합체 소분자 유전율(complex particle permittivity)이며,
εm *은 복합체 배지 유전율(complex medium permittivity)이고,
r은 마이크로스피어 지름(microsphere radius)이며,
E rms 는 유한요소 시뮬레이션(finite element simulation, COMSOL Multiphysics 3.5a)으로부터 얻은 전기장 프로파일(electric field profile)인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1,
The conversion process of step (g) is performed using the following formula 2,
[Formula 2]
Figure pat00010

Through the conversion process, F u (unbinding force) is obtained,
In this formula,
ε m is the permittivity of the medium,
Re is the unbinding force,
epsilon p * is the complex complex permittivity,
epsilon m * is the complex medium permittivity,
r is the microsphere radius,
Wherein E rms is an electric field profile obtained from finite element simulation (COMSOL Multiphysics 3.5a).
제1항에 있어서,
상기 (g)단계의 평균 파열힘(<FU>) 값과 금속이온 농도가 비례하는 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the average rupture force (< F U ) value of step (g) is proportional to the metal ion concentration.
(a) 전극이 형성된 기판의 일면 이상을 폴리뉴클레오타이드로 기능화시키는 단계;
(b) 단계(a)의 기판과 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈를 챔버(chamber)에 넣는 단계;
(c) 챔버에 금속을 포함 또는 미포함하는 피검용액을 넣고 기판에 전압을 인가하는 단계;
(d) 비즈의 움직임을 측정하여 영상신호 정보를 수득하는 단계;
(e) 단계(d)에서 수득한 영상신호 정보로부터 그레이스케일 값을 구하는 단계;
(f) 단계 (e)에서 얻은 그레이스케일 값을 이용하여 파열 순간을 검출하는 단계;
(g) 파열지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(FU; unbinding force)을 구하는 단계; 및
(h) 단계 (g)에서 구한 파열힘 값과 포아송 통계분석방법(Poisson statistics)을 이용한 분자간 결합력 측정 방법.
(a) functionalizing at least one surface of a substrate on which an electrode is formed, with a polynucleotide;
(b) placing the substrate of step (a) and beads functionalized with polynucleotides into a chamber;
(c) placing a test solution containing or not containing a metal in a chamber and applying a voltage to the substrate;
(d) measuring motion of the beads to obtain video signal information;
(e) obtaining a gray scale value from the video signal information obtained in step (d);
(f) detecting a moment of rupture using the gray scale value obtained in step (e);
(g) measuring an unbinding voltage at a rupture point and obtaining an unbinding force (F U ) through a conversion process; And
(h) Measuring the intermolecular binding force using Poisson statistics and the tear force value obtained in step (g).
제16항에 있어서, 상기 단계 (h)의 포아송 통계분석방법은 하기 <식 2>를 이용하여 수행되고,
[식 2]
m = nF, σ= nF2
F = σ 2 / m
상기 식에서 F는 분자간 결합력이고,
m 은 파열 힘(FU)의 평균이며,
σ 2 은 편자(variance)임을 특징으로 하는 분자간 결합력 측정 방법.
17. The method of claim 16, wherein the Poisson statistical analysis method of step (h) is performed using Equation (2) below,
[Formula 2]
m = nF, σ = 2 nF
F = ? 2 / m
Wherein F is the intermolecular bonding force,
m is the average of the bursting forces F U ,
and σ 2 is a variance.
폴리뉴클레오타이드로 기능화된 기판 및 폴리뉴클레오타이드로 기능화된 비즈(beads)가 들어 있는 챔버;
상기 챔버 밑에 위치하되, 전극부를 구비하며, 상기 전극부에 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 전계생성부;
상기 챔버 위 또는 일측에 위치되어, 상기 챔버 내를 촬상하는 카메라;
상기 카메라로부터 수신된 영상신호로부터 그레이스케일 값을 측정하고, 그레이스케일 값을 이용해 파열 순간을 검출하는 측정부; 및
상기 측정부에서 측정한 파열 지점의 전압(unbinding voltage)을 측정하고 변환과정을 거쳐 파열 힘(FU; unbinding force)을 구하는 분석부를 포함하는, 금속이온 측정장치.
A chamber containing polynucleotide-functionalized substrates and polynucleotide-functionalized beads;
An electric field generator positioned below the chamber, the electric field generator comprising an electrode unit and applying an electric voltage to the electrode unit to form an electric field;
A camera positioned above or at one side of the chamber to image the inside of the chamber;
A measuring unit measuring a gray scale value from a video signal received from the camera and detecting a moment of rupture using a gray scale value; And
Measuring the voltage (unbinding voltage) of the rupture point measured by the measurement section and after the transformation process rupture strength; that includes an analysis to obtain the (F U unbinding force), metal ion measuring device.
제18항에 있어서, 상기 금속은 은(Ag), 수은(Hg), 리튬(Li), 나트륨(Na), 철(Fe) 및 아연(Zn)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method of claim 18, wherein the metal is at least one selected from the group consisting of silver (Ag), mercury (Hg), lithium (Li), sodium (Na), iron (Fe) Gt; metal ion detection method.
제1항에 있어서 상기 금속이온은 은이온인 것을 특징으로 하며, 상기 폴리뉴클레오타이드는 폴리-시토신 DNA인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method of detecting a metal ion according to claim 1, wherein the metal ion is silver ion, and the polynucleotide is poly-cytosine DNA.
제20항에 있어서,
상기 폴리-시토신 DNA는 시토신 염기 20 내지 32개로 구성됨을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
21. The method of claim 20,
Wherein the poly-cytosine DNA is composed of 20 to 32 cytosine bases.
제21항에 있어서,
상기 금속이온은 수은이온이고, 상기 폴리뉴클레오타이드는 폴리-시토신티민 DNA인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
22. The method of claim 21,
Wherein the metal ion is a mercury ion, and the polynucleotide is poly-cytosine thymine DNA.
제22항에 있어서, 상기 폴리-시토신티민 DNA는 5'-(CT)n-3'이고, 여기에서 n은 3 내지 9의 정수인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
The method of claim 22, wherein the poly-cytosine thymine DNA is 5 '- (CT) n -3', wherein n is an integer from 3 to 9.
제23항에 있어서, 상기 폴리-시토신티민 DNA는 5'-CTCTCTCTCTCT-3'인 것을 특징으로 하는, 금속이온 검출방법.
24. The method of claim 23, wherein the poly-cytosine thymine DNA is 5'-CTCTCTCTCTCT-3 '.
제18항에 있어서, 상기 측정부는 전압을 인가함으로써 발생하는 비즈의 부양 변위(leviation displacement)와 그레이스케일 값 강도의 변화를 매칭하고, 기준치를 넘어서 변동(fluctuation)이 발생하는 순간을 파열순간으로 정의함을 특징으로 하는, 금속이온 측정장치.
19. The apparatus of claim 18, wherein the measuring unit is configured to match a change in levitation displacement of a bead caused by application of a voltage and a change in intensity of a gray scale value, define a moment when a fluctuation occurs beyond a reference value as a burst moment Characterized in that the metal ion measuring device is a metal ion measuring device.
제25항에 있어서, 상기 기준치는
하기 [식 1]의 가우스 분포를 따르는 그레이스케일 값의 변동(fluctuation)을 측정하되,
변동 레벨(fluctuation level)은 μ± 2σ로 나타내어지고,
[식 1]
Figure pat00011

상기 식에서,
χ는 그레이스케일 값이고,
μ는 그레이스케일 값의 평균이며,
σ는 그레이스케일 값의 표준 편차인 것을 특징으로 하는, 금속이온 측정장치.
26. The method of claim 25,
Measuring the fluctuation of the gray scale value according to the Gaussian distribution of [Equation 1] below,
The fluctuation level is represented by μ ± 2σ,
[Formula 1]
Figure pat00011

In this formula,
x is a gray scale value,
mu is the average of the gray scale values,
and? is the standard deviation of the gray scale value.
제18항에 있어서, 변환과정은 하기 [식 2]를 이용하여 수행되고,
[식 2]
Figure pat00012

변환과정을 거쳐 파열 힘(FU : unbinding force)을 구하며,
상기 식에서,
εm 은 배지의 유전율(medium permittivity)이며,
Re는 파열 전압(unbinding force)이고,
εp *은 복합체 소분자 유전율(complex particle permittivity)이며,
εm *은 복합체 배지 유전율(complex medium permittivity)이고,
r은 마이크로스피어 지름(microsphere radius)이며,
E는 유한요소 시뮬레이션(finite element simulation, COMSOL Multiphysics 3.5a)으로부터 얻은 전기장 프로파일(electric field profile)인 것을 특징으로 하는, 금속이온 측정장치.
19. The method of claim 18, wherein the conversion process is performed using Equation (2) below,
[Formula 2]
Figure pat00012

Through the conversion process, F u (unbinding force) is obtained,
In this formula,
m Is the medium permittivity of the medium ,
Re is the unbinding force,
epsilon p * is the complex complex permittivity,
epsilon m * is the complex medium permittivity,
r is the microsphere radius,
Wherein E is an electric field profile obtained from a finite element simulation (COMSOL Multiphysics 3.5a).
제18항에 있어서,
상기 분석부는 평균 파열힘(<FU>) 값과 금속이온 농도가 비례하는 것을 이용해 금속이온을 검출하는 것을 특징으로 하는, 금속이온 측정장치.

19. The method of claim 18,
Wherein the analysis unit detects the metal ion by using the ratio of the average rupture force (< F U &gt;) to the metal ion concentration.

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