KR20190123974A - A biosensor using localized surface plasmon resonance and a method for analyzing biomolecules using the same - Google Patents

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KR20190123974A
KR20190123974A KR1020180047950A KR20180047950A KR20190123974A KR 20190123974 A KR20190123974 A KR 20190123974A KR 1020180047950 A KR1020180047950 A KR 1020180047950A KR 20180047950 A KR20180047950 A KR 20180047950A KR 20190123974 A KR20190123974 A KR 20190123974A
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신용범
조나래
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한국생명공학연구원
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Abstract

The present invention relates to a localized surface plasmon resonance-based biosensor and a method for analyzing a biological material using the same, comprising: a substrate; a three-dimensional metal nanostructure arranged on the substrate and shielding an upper surface; and a receptor of an analysis biological material immobilized on a side surface of the metal nanostructure. Therefore, the present invention is capable of remarkably improving a sensitivity when compared to a conventional method.

Description

국소 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서 및 이를 이용한 생체 분자의 분석 방법{A BIOSENSOR USING LOCALIZED SURFACE PLASMON RESONANCE AND A METHOD FOR ANALYZING BIOMOLECULES USING THE SAME}Biosensor using local surface plasmon resonance and analysis method of biomolecule using same {A BIOSENSOR USING LOCALIZED SURFACE PLASMON RESONANCE AND A METHOD FOR ANALYZING BIOMOLECULES USING THE SAME}

본 발명은 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서와 이를 이용하여 생체 분자를 분석하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor using local surface plasmon resonance and a method for analyzing biomolecules using the same.

표면 플라즈몬(surface plasmon)이란 도체 표면, 이를테면 금속 박막의 표면을 따라 전파하는 자유전자의 양자화된 진동을 의미한다. 이와 같은 표면 플라즈몬은 프리즘과 같은 유전매체(dielectric medium)를 지나 유전매체의 임계각 이상의 각도로 금속 박막에 입사하는 입사광에 의해 여기(excite)되어 공명을 일으키는데, 이를 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)이라 한다. 이때 발생하는 표면 플라즈몬은 금속 박막을 따라 수 ㎛를 전파하는 특성을 지니고 있어, 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, SPP)이라고 부르기도 한다.Surface plasmons refer to quantized vibrations of free electrons that propagate along a conductor surface, such as the surface of a metal thin film. Such surface plasmons are excited by incident light incident on a metal thin film through a dielectric medium such as a prism at an angle greater than or equal to the critical angle of the dielectric medium, and cause resonance. Surface Plasmon Resonance (SPR) It is called). The surface plasmon generated at this time has a property of propagating several micrometers along the metal thin film, and is also called surface plasmon polariton (SPP).

단색 입사광을 사용할 때, 공명이 일어나는 입사광의 입사각(공명각) 및 공명이 일어나는 파장(공명파장)은 금속 박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 매우 민감하다. 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서는 이러한 성질을 이용하여 금속 박막에 근접한 물질 즉, 시료의 굴절률 변화로부터 시료를 정량·정성 분석하는 데에 이용되어 왔다.When using monochromatic incident light, the angle of incidence (resonance angle) of the incident light with resonance and the wavelength at which resonance occurs (resonance wavelength) are very sensitive to the change in refractive index of the material close to the metal thin film. Surface plasmon resonance (SPR) sensors have been used to quantitatively and qualitatively analyze a sample from a change in refractive index of a material, that is, a sample close to a metal thin film using this property.

한편, 금속 박막이 아닌, 금속으로 이루어진 나노입자(nanoparticle 또는 nanodot), 나노막대(nanorod), 또는 나노구멍(nanohole) 등의 수 ㎚ ~ 수백 ㎚ 크기의 금속 나노 구조체는 외부에서 입사되는 특정한 주파수(파장)의 빛에 의하여 나노 구조체의 전도대(conduction band)에 있는 전자들의 집단적 진동(collective oscillation)이 유발되어 전기 쌍극자 특성을 띠게 된다. 그 결과, 해당 주파수 영역의 빛을 강하게 산란 및 흡수를 하게 되는데, 이를 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)이라 한다. LSPR에 의한 산란과 흡수는, SPP와는 달리 프리즘 또는 회절격자 없이 단순 투과분광학적 방법에 의하여 흡광도(extinction)의 측정이 가능한데, 금속 나노 구조체의 외부 입사광에 대한 흡광도 특성, 즉 흡광 세기, 흡광 스펙트럼의 선폭, 흡광 중심 파장 등은 금속의 종류나 금속 나노 구조체의 크기 및 형상에 매우 강한 의존성을 보인다. 뿐만 아니라, SPP와 유사하게, 그들의 흡광 특성은 금속 나노 구조체의 외부환경, 즉 금속 나노 구조체 표면 주위 매질의 복소 유전율에 민감하게 반응하는데, 이 성질을 이용하여 생체 분자나 화학 성분을 검출하는 바이오/화학 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Meanwhile, metal nanostructures having a size of several nm to several hundred nm, such as nanoparticles (nanoparticles or nanodots), nanorods, or nanoholes, which are made of metal, and not metal thin films, may have a specific frequency ( Wavelength) causes collective oscillation of electrons in the conduction band of the nanostructure, resulting in electrical dipole characteristics. As a result, the light in the frequency region is strongly scattered and absorbed, which is called Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR). Scattering and absorption by LSPR, unlike SPP, can measure extinction by simple transmission spectroscopic method without prism or diffraction grating. Line width, absorption center wavelength and the like show a very strong dependence on the type of metal and the size and shape of the metal nanostructure. In addition, similar to SPP, their absorbance properties are sensitive to the external environment of the metal nanostructure, i.e. the complex permittivity of the medium around the surface of the metal nanostructure, which is used to detect biomolecules or chemical components. Research on chemical sensors is being actively conducted.

그러나 SPP 기반의 바이오/화학 센서와는 달리, LSPR 기반의 바이오/화학 센서는 그 감도가 현저히 낮아 SPP 기반 센서의 1/10 내지 1/100 정도에 불과하다. 그 이유는, LSPR에 의해 발생되는 전자기장(electromagnetic field)이 미치는 범위가 SPP의 약 1/10 정도에 불과하기 때문이다. 즉, SPP의 경우, 금속박막 표면에서 측정하고자 하는 매질 방향으로의 플라즈몬 전자기장 침투 깊이가 파장에 따라 약 200∼300㎚에 이르는 반면, LSPR의 경우 금속 나노 구조체 표면에서 매질 방향으로의 전자기장 침투 깊이가 약 20∼30㎚에 불과하다. 더욱 심각한 것은, 금속 박막 표면 전체에 고르게 전자기장이 형성되는 SPP의 경우와는 달리 LSPR의 경우, 발생되는 전자기장이 금속 나노 구조체의 측면과 같이 특정한 일부 영역에만 집중적으로 분포되는 특성을 보이므로, 검출하고자 하는 분석 대상 생체 물질이 금속 나노 구조체 전표면에 동일한 확률로 균일하게 흡착될 경우, 감도 측면에서 상당한 손실을 초래하게 되는 문제점이 있다.However, unlike SPP-based bio / chemical sensors, LSPR-based bio / chemical sensors have a very low sensitivity, which is only about 1/10 to 1/100 of SPP-based sensors. The reason is that the range of the electromagnetic field generated by LSPR is only about 1/10 of the SPP. That is, in the case of SPP, the depth of plasmon electromagnetic field penetration from the surface of the metal thin film to the medium to be measured reaches about 200 to 300 nm depending on the wavelength, whereas in the case of LSPR, the depth of electromagnetic field penetration from the surface of the metal nanostructure to the medium is increased. It is only about 20-30 nm. Even more seriously, unlike in the case of the SPP where the electromagnetic field is formed evenly on the surface of the metal thin film, the LSPR has a characteristic that the generated electromagnetic field is concentrated only in a specific area such as the side of the metal nanostructure. If the biological material to be analyzed is uniformly adsorbed on the entire surface of the metal nanostructure with the same probability, there is a problem that causes a significant loss in terms of sensitivity.

따라서, 위와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 특히 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서의 감도를 더욱 향상시키기 위한 연구가 여전히 필요한 실정이다.Therefore, in order to solve the above problems, there is still a need for research to further improve the sensitivity of the biosensor, in particular, using local surface plasmon resonance.

미국 공개특허공보 제2012/0188551호United States Patent Application Publication No. 2012/0188551

본 발명은 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용하면서도, 그 감도가 종래에 비해 현저히 향상된 바이오 센서와 이를 이용한 생체 물질의 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a biosensor using a local surface plasmon resonance, the sensitivity of which is significantly improved compared to the conventional method, and a method for analyzing a biomaterial using the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 기판, 상기 기판 상에 배열되고, 상부면이 차폐된 입체 구조의 금속 나노 구조체 및 상기 금속 나노 구조체의 측면에 고정화된 분석 대상 생체 물질의 수용체를 포함하는 것인, 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 기반 바이오 센서를 제공한다.In order to achieve the above object, an aspect of the present invention provides a substrate, a metal nanostructure of a three-dimensional structure arranged on the substrate, the upper surface is shielded and the receptor of the analyte biological material immobilized on the side of the metal nanostructure To provide, it provides a topical surface plasmon resonance (LSPR) based biosensor.

또한, 본 발명의 다른 측면은 기판 상에, 상부면이 차폐된 입체 구조의 금속 나노 구조체를 형성하는 단계 및 상기 금속 나노 구조체의 측면에 분석 대상 생체 물질의 수용체를 고정화하는 단계를 포함하는 것인, LSPR 기반 바이오 센서의 제조방법을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention comprises the step of forming a three-dimensional metal nanostructure of the top surface shielded on the substrate, and immobilizing the receptor of the biological material to be analyzed on the side of the metal nanostructure In addition, the present invention provides a method of manufacturing an LSPR-based biosensor.

또한, 본 발명의 또 다른 측면은 전술한 LSPR 기반 바이오 센서에, 분석 대상 생체 물질을 처리하는 단계 및 상기 LSPR 기반 바이오 센서에서 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 측정하는 단계를 포함하는 LSPR을 이용한 생체 물질의 분석 방법을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention is a living body using LSPR comprising the step of processing the biological material to be analyzed in the above-described LSPR-based biosensor and local surface plasmon resonance (LSPR) in the LSPR-based biosensor Provide a method for analyzing the substance.

본 발명의 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서는, 기판 상에 배열된 입체 구조의 금속 나노 구조체의 상부면을 차폐하여 표면이 노출되어 있고 전자기장이 집중적으로 분포되어 있는 금속 나노 구조체의 측면에만 의도적으로 분석 대상 생체 물질의 수용체를 고정화함으로써, 적은 양의 생체 물질도 매우 높은 감도로 검출 또는 분석해 낼 수 있다.The local surface plasmon resonance-based biosensor of the present invention intentionally analyzes only the side of the metal nanostructure in which the surface is exposed and the electromagnetic field is concentrated by shielding the upper surface of the three-dimensional metal nanostructure arranged on the substrate. By immobilizing the receptor of the biological material of interest, even a small amount of biological material can be detected or analyzed with a very high sensitivity.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSPR 기반 바이오 센서를 나타내는 개략적인 도시이다.
도 2의 (가)는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 구조체의 개략적인 도시이고, (나)는 Finite-difference time-domain(FDTD) program을 이용하여 (가)의 금속 나노 구조체에서 일어나는 전자기장의 분포와 세기를 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1에 따른 금속 나노 구조체의 개략적인 도시이다.
도 4는 본 발명의 비교예 2에 따른 금속 나노 구조체의 개략적인 도시이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예 1, 2에서 AFP 농도별 LSPR 시그널을 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
1 is a schematic diagram illustrating an LSPR based biosensor according to an embodiment of the present invention.
2A is a schematic diagram of a metal nanostructure according to an embodiment of the present invention, and (B) occurs in the metal nanostructure of (A) using a Finite-difference time-domain (FDTD) program. This is a graph showing the distribution and intensity of electromagnetic fields.
3 is a schematic view of a metal nanostructure according to Comparative Example 1 of the present invention.
4 is a schematic view of a metal nanostructure according to Comparative Example 2 of the present invention.
5 is a view showing the results of measuring the LSPR signal for each AFP concentration in Examples and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.

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

1. 국소 표면 1. Topical Surface 플라즈몬Plasmon 공명( resonance( LSPRLSPR ) 기반 바이오 센서A) based biosensor

본 발명의 일 측면은 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서를 제공한다.One aspect of the invention provides a topical surface plasmon resonance based biosensor.

상기 LSPR 기반 바이오 센서는 기판, 금속 나노 구조체 및 분석 대상 생체 물질의 수용체를 포함한다.The LSPR-based biosensor includes a substrate, a metal nanostructure, and a receptor of the biomaterial to be analyzed.

상기 기판은 유리, 플라스틱, 금속, 실리콘, 석영, 알루미나, 산화물 결정, 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.The substrate may be glass, plastic, metal, silicon, quartz, alumina, oxide crystals, or a mixture thereof.

상기 플라스틱은 폴리에틸렌프탈레이트(polyethylene phthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 또는 시클릭올레핀 공중합체(cyclic olefin copolymer, COC) 등일 수 있다.The plastic may be polyethylene phthalate (PET), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), or cyclic olefin copolymer (COC).

상기 금속은 니켈, 알루미늄, 철, 또는 구리 등일 수 있고, 상기 산화물 결정은 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 오산화탄탈럼(Ta2O5), 또는 다이알루미늄다이옥사이드(Al2O2) 등일 수 있다.The metal may be nickel, aluminum, iron, or copper, and the oxide crystal may be silicon dioxide (SiO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), or dialuminum dioxide (Al 2). O 2 ) and the like.

상기 기판은 투명한 것이 바람직하며, 두께는 50㎛ 내지 5㎜인 것이 바람직하다. 상기 기판의 두께가 50㎛ 미만인 경우에는 강도가 약해 핸들링하기 어려운 문제가 있고, 5㎜를 초과할 경우 측정을 위해 분광기 및 기타 장치에 장착하는데 문제가 발생할 수 있다.It is preferable that the said substrate is transparent, and it is preferable that the thickness is 50 micrometers-5 mm. If the thickness of the substrate is less than 50㎛ there is a problem that the strength is difficult to handle, if it exceeds 5mm may be a problem in mounting on the spectroscope and other devices for measurement.

상기 기판 상의 적어도 일부에, 적어도 하나의 금속 나노 구조체가 형성된다. 상기 금속 나노 구조체가 복수 개인 경우, 상기 금속 나노 구조체는 상기 기판 상에 일정한 패턴으로 정렬 또는 배열될 수 있다.At least one metal nanostructure is formed on at least a portion of the substrate. When there are a plurality of metal nanostructures, the metal nanostructures may be aligned or arranged in a predetermined pattern on the substrate.

상기 금속 나노 구조체는 정형화된 형상 또는 비정형화된 형상일 수 있다. 특히, 상기 금속 나노 구조체가 정형화된 형상인 경우, 상기 금속 나노 구조체는 원기둥, 또는 사각기둥, 삼각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥 등의 다각 기둥, 또는 원뿔대, 또는 삼각뿔대, 사각뿔대, 오각뿔대, 육각뿔대, 또는 팔각뿔대 등의 다각뿔대와 같은 다양한 형태를 갖는 입체 구조일 수 있다.The metal nanostructure may be in a standardized shape or an atypical shape. Particularly, when the metal nanostructure is a shaped shape, the metal nanostructure is a cylinder, or a polygonal column such as a square column, a triangular column, a pentagonal column, a hexagonal column, an octagonal column, or a truncated cone, or a triangular pyramid, a square pyramid, It may be a three-dimensional structure having various shapes such as a polygonal pyramid such as a pentagonal pyramid, a hexagonal pyramid, or an octagonal pyramid.

상기 금속 나노 구조체는 금, 은, 동, 알루미늄, 백금, 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어진 금속성 재질로 이루어질 수 있고, 더욱 바람직하게는 금, 은, 동, 알루미늄 등의 재질로 이루어질 수 있다.The metal nanostructure may be made of a metallic material made of gold, silver, copper, aluminum, platinum, or a mixture thereof, and more preferably, may be made of a material such as gold, silver, copper, aluminum, and the like.

상기 금속 나노 구조체의 높이(두께)는 1 ㎚ 내지 500 ㎚이며, 바람직하게는 10 ㎚ 내지 200 ㎚일 수 있다. 상기 금속 나노 구조체의 높이가 범위를 벗어나게 되면 LSPR 현상을 관측하는데 문제가 있을 수 있다.The height (thickness) of the metal nanostructure may be 1 nm to 500 nm, and preferably 10 nm to 200 nm. If the height of the metal nanostructure is out of range, there may be a problem in observing the LSPR phenomenon.

상기 금속 나노 구조체의 직경 또는 외접원의 반지름은 5 ㎚ 내지 500 ㎚일 수 있고, 바람직하게는 50 ㎚ 내지 250 ㎚일 수 있다. 상기 금속 나노 구조체가 원뿔대, 삼각뿔대, 사각뿔대, 오각뿔대, 육각뿔대, 또는 팔각뿔대인 경우 하단 직경 또는 외접원의 반지름은 5 ㎚ 내지 500 ㎚이고, 상부면 직경 또는 외접원의 반지름은 5 ㎚ 내지 400 ㎚일 수 있고, 이 경우, 상부면 직경 또는 외접원의 반지름은 하단 직경 또는 외접원의 반지름보다 작을 수 있다. 상기 금속 나노 구조체의 직경 또는 외접원의 반지름의 길이가 상기 범위를 벗어나는 경우 LSPR 현상을 관측하는데 문제가 있다.The diameter of the metal nanostructure or the radius of the circumscribed circle may be 5 nm to 500 nm, preferably 50 nm to 250 nm. When the metal nanostructure is a truncated cone, a triangular pyramid, a square pyramid, a pentagonal pyramid, a hexagonal pyramid, or an octagonal truncated cone, the radius of the bottom diameter or the circumscribed circle is 5 nm to 500 nm, and the diameter of the top surface or the circumscribed circle is 5 nm to 400 nm. In this case, the top surface diameter or radius of the circumscribed circle may be smaller than the bottom diameter or radius of the circumscribed circle. If the diameter of the metal nanostructure or the length of the radius of the circumscribed circle is out of the range, there is a problem in observing the LSPR phenomenon.

상기 금속 나노 구조체의 형태, 재질, 크기 등에 따라서 표면 플라즈몬 밴드(플라즈몬 흡수대(Surface Plasmon Absorption Band)) 파장 영역이 달라지며, 이에 따라 측정 감도 또한 달라질 수 있다. 일반적으로 파장이 길어질수록 측정 감도가 높아지나 현실적으로 측정 시스템의 사양에 맞게 조절해야 한다.The wavelength region of the surface plasmon band (Surface Plasmon Absorption Band) varies according to the shape, material, size, etc. of the metal nanostructure, and thus measurement sensitivity may also vary. In general, the longer the wavelength, the higher the measurement sensitivity, but in reality it must be adjusted to the specifications of the measurement system.

상기 금속 나노 구조체는, 나노 임프린트 리소그라피(Nano Imprint Lithography, NIL), 전자빔 리소그라피(Electron Beam Lithography, EBL), 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB), 소프트 리소그라피(Soft Lithography, SL), 또는 블록공중합체의 자기조립 등의 방법에 의하여 상기 기판에 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 상기 기판 상에 복수 개의 금속 나노 구조체가 형성되는 경우, 상기 금속 나노 구조체들이 배열된 간격은 특별히 제한되지 않으나, 인접한 다른 금속 나노 구조체의 LSPR 특성에 영향을 주지 않을 정도로, 금속 나노 구조체의 직경 또는 외접원의 반지름(또는 하단의 직경 또는 외접원의 반지름)의 0.7 내지 1.5배인 것이 바람직하다.The metal nanostructure may include nano imprint lithography (NIL), electron beam lithography (ebl), focused ion beam (fob), soft lithography (sl), or block copolymers. It may be arranged at regular intervals on the substrate by a method such as self-assembly. When a plurality of metal nanostructures are formed on the substrate, the spacing in which the metal nanostructures are arranged is not particularly limited, but the diameter or circumscribed circle of the metal nanostructures is such that they do not affect the LSPR properties of other adjacent metal nanostructures. It is preferably 0.7 to 1.5 times the radius of (or the diameter of the lower end or the radius of the circumscribed circle).

상기 금속 나노 구조체의 상부면은 차폐될 수 있다. 이때, 상기와 같이 금속 나노 구조체의 상부면을 차폐하는 차폐 물질은, 분석 대상 생체 물질 및 이들과 선택적으로 결합하는 리셉터 등의 생체 물질들의 흡착을 억제하는 금속 산화물 또는 비금속 산화물일 수 있다. 상기 차폐 물질은 산화규소 (SiO2), 산화알루미늄 (Al2O3) 등의 산화물일 수 있으며, 가장 바람직하게는 산화규소일 수 있다. 이 경우, 상기 금속 나노 구조체의 상부면은 전자빔 증착기(electron beam evaporator)의 수직 증착을 사용하여 입체 구조의 금속 나노 구조체의 상부면에 차폐 물질을 증착시킬 수 있다.An upper surface of the metal nanostructure may be shielded. In this case, the shielding material for shielding the upper surface of the metal nanostructure as described above, may be a metal oxide or non-metal oxide that inhibits the adsorption of the biological material, such as the biological material to be analyzed and the receptor selectively coupled thereto. The shielding material may be an oxide such as silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and most preferably silicon oxide. In this case, the upper surface of the metal nanostructure may be deposited on the upper surface of the metal nanostructure of the three-dimensional structure using the vertical deposition of the electron beam evaporator (electron beam evaporator).

도 2의 (나)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 구조체의 경우, 입사된 광에 의해 발생되는 국소 표면 플라즈몬의 전자기장이 금속 나노 구조체의 상부면 보다는 측면에 더욱 집중적으로 분포되어 있고, 그 세기 또한 큰 것을 확인할 수 있다. 결국, LSPR을 이용하여 생체 물질을 검출 또는 분석하는 경우에, 그 생체 물질의 결합 반응이 상기와 같은 금속 나노 구조체의 측면에서 집중적으로 일어날 수 있도록 함으로써, LSPR의 시그널 변화를 더욱 증폭시킬 수 있는 것이다. 따라서 상기와 같이 금속 나노 구조체의 상부면을 차폐함으로써 상부면의 금속이 노출되는 것을 차단하고 금속 나노 구조체의 측면에만 금속을 노출시켜, 후술하는 분석 대상 생체 물질의 수용체와 분석 대상 생체 물질의 결합 반응이 금속 나노 구조체의 측면에서 집중적으로 일어날 수 있는 것이다.Referring to (b) of FIG. 2, in the case of the metal nanostructure according to the embodiment of the present invention, the electromagnetic field of the local surface plasmon generated by the incident light is distributed more intensively on the side than the upper surface of the metal nanostructure. You can see that the strength is also great. After all, when detecting or analyzing a biological material using LSPR, the binding reaction of the biological material can be concentrated in terms of the metal nanostructure as described above, thereby further amplifying the signal change of the LSPR. . Therefore, by shielding the upper surface of the metal nanostructure as described above, the metal of the upper surface is blocked and the metal is exposed only on the side of the metal nanostructure, thereby combining the reaction of the receptor of the analyte to be described below with the analyte to be analyzed. This can happen intensively in terms of metal nanostructures.

상기 상부면 차폐 물질은 1 ㎚ 내지 30 ㎚의 두께로 도포될 수 있다. 상기 금속 나노 구조체의 상부면을 차폐하는 물질의 두께가 1 ㎚ 미만인 경우 상부면을 차폐하는 효과가 충분히 나타나지 않으며, 30 ㎚ 초과인 경우 금속 나노 구조체의 과도한 국부 유효 굴절률 증가와 이로 인한 측정 공명파장이 과도하게 장파장으로 이동하여 관측범위를 벗어날 가능성이 있다.The upper surface shielding material may be applied in a thickness of 1 nm to 30 nm. If the thickness of the material that shields the upper surface of the metal nanostructure is less than 1 nm, the effect of shielding the upper surface is not sufficiently exhibited. If the thickness is greater than 30 nm, the excessive local effective refractive index increase of the metal nanostructure and the measurement resonance wavelength resulting therefrom are It is possible to move excessively long wavelengths out of the observation range.

상기 분석 대상 생체 물질의 수용체는 분석하고자 하는 대상 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 수용체로서, 상기 금속 나노 구조체의 측면에 고정화된다.The receptor of the biological material to be analyzed is a receptor that can specifically bind to the material to be analyzed, and is immobilized on the side of the metal nanostructure.

상기 분석 대상 생체 물질의 수용체는 분석 대상 생체 물질과 특이적으로 결합될 수 있는 임의의 수용체로서, 예를 들어 DNA, 앱타머, 펩타이드, 단백질(항체 등) 등의 형태일 수 있다.The receptor of the biological material to be analyzed may be any receptor that can specifically bind to the biological material to be analyzed, and may be, for example, in the form of DNA, aptamer, peptide, protein (antibody, etc.).

상기 분석 대상 생체 물질의 수용체는 상기 금속 나노 구조체의 측면의 표면에 직접 고정화될 수 있고, 또는 중간 가교 역할을 하는 링커(linker)를 고정화한 후에 상기 분석 대상 생체 물질의 수용체를 상기 링커에 고정화하는 단계를 통하여 고정화될 수도 있다.The receptor of the biological material to be analyzed may be directly immobilized on the surface of the side surface of the metal nanostructure, or after immobilizing a linker serving as an intermediate crosslinking, the receptor of the biological material to be analyzed is immobilized on the linker. It may be immobilized through the steps.

상기 링커는 MUA(11-mercaptoundecanoic acid), MUOH(11-mercaptoundecanol), MPA(3-mercaptopropionic acid), 티올(thiol) 올리고 에틸렌글리콜(OEG), 또는 티올 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등일 수 있다.The linker may be 11-mercaptoundecanoic acid (MUA), 11-mercaptoundecanol (MUOH), 3-mercaptopropionic acid (MPA), thiol oligo ethylene glycol (OEG), thiol polyethylene glycol (PEG), or the like.

상기 분석 대상 생체 물질은 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 각종 암질환 표지자, 심혈관질환 표지자, 호르몬, 독소, 각종 사이토카인(cytokine) 류, 환경유해 저분자 물질 등의 생체분자 등일 수 있고, 상기 분석 대상 생체 물질에 따라 그와 특이적으로 결합하는 수용체가 적절히 선택되어 이용될 수 있다.The biological material to be analyzed may be used without particular limitation, and may be various cancer disease markers, cardiovascular disease markers, hormones, toxins, various cytokines (cytokine), biomolecules such as environmentally harmful low molecular substances, and the like. Depending on the substance, a receptor specifically binding thereto may be appropriately selected and used.

상기 LSPR 기반 바이오 센서는, 분석 대상 생체 물질의 수용체가 고정된 금속 나노 구조체의 표면에 LSPR의 전자기장을 형성하고 이에 따른 LSPR 시그널의 변화를 측정함으로써, 생체 물질의 검출 또는 분석이 가능하다. 이 때, 본 발명과 같이, 기판 상에 배열된 금속 나노 구조체의 상부면을 차폐시켜 상부면의 금속이 노출되는 것을 차단하는 경우에는, LSPR으로부터 발생한 전자기장이 집중적으로 분포된 금속 나노 구조체의 측면에만 분석 대상 생체 물질의 수용체를 고정화하는 것이 가능함으로써, 결과적으로 LSPR을 이용하는 생체 물질의 검출 또는 분석 과정에서, 적은 양의 생체 물질만으로도, LSPR 시그널의 변화를 감지하여 분석이 가능하다.The LSPR-based biosensor can detect or analyze a biomaterial by forming an electromagnetic field of LSPR on a surface of a metal nanostructure in which a receptor of the biomaterial to be analyzed is fixed and measuring a change in the LSPR signal. At this time, as in the present invention, when shielding the upper surface of the metal nanostructure arranged on the substrate to block the exposure of the metal on the upper surface, only the side of the metal nanostructure in which the electromagnetic field generated from the LSPR is concentrated Since the receptor of the biological material to be analyzed can be immobilized, in the process of detecting or analyzing the biological material using the LSPR, a change in the LSPR signal can be detected and analyzed even with a small amount of the biological material.

2. 2. LSPRLSPR 기반 바이오 센서를 이용한 생체 물질의 분석 방법 Analytical Method of Biological Materials Using Biobased Sensors

본 발명의 다른 측면은 LSPR 기반 바이오 센서를 이용한 생체 물질의 분석 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for analyzing a biomaterial using an LSPR-based biosensor.

상기 LSPR 기반 바이오 센서를 이용한 생체 물질의 분석 방법은, 전술한 LSPR 기반 바이오 센서에, 분석 대상 생체 물질을 처리하는 단계 및 상기 LSPR 기반 바이오 센서에서 LSPR을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.The method for analyzing a biomaterial using the LSPR-based biosensor may include processing the biomaterial to be analyzed in the LSPR-based biosensor and measuring LSPR in the LSPR-based biosensor.

상기 전술한 LSPR 기반 바이오 센서에, 분석 대상 생체 물질을 처리하는 단계 이후, LSPR을 측정하는 단계 이전에, LSPR 시그널을 증폭시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The above-described LSPR-based biosensor may further include amplifying the LSPR signal after processing the biological material to be analyzed and before measuring the LSPR.

상기 LSPR 시그널을 증폭시키는 단계는, 상기 분석 대상 생체 물질과 특이적으로 결합하는 효소가 결합된 수용체를 반응시키는 단계 및 상기 효소와 반응하여 침전물을 형성시키는 침전물 형성용 물질을 첨가하여 상기 금속 나노 구조체의 표면에 침전물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 LSPR 기반 바이오 센서는 금속 나노 구조체 표면 근처의 굴절률 변화를 감지하는 원리이기 때문에, 금속 나노 구조체 표면의 굴절률 변화를 극대화시킴으로써 LSPR 시그널을 증폭시킬 수 있는데, 위와 같이 금속 나노 구조체의 표면에 침전물이 쌓이게 되면, 표면의 굴절률 변화를 크게 만들어서, LSPR 시그널(공명파장의 변화)이 증폭될 수 있다.The amplifying the LSPR signal may include reacting a receptor to which an enzyme specifically binding to the biological material to be analyzed is bound and adding a precipitate forming material that reacts with the enzyme to form a precipitate, thereby forming the metal nanostructure. Forming a precipitate on the surface of may include. Since the LSPR-based biosensor detects a change in refractive index near the surface of the metal nanostructure, the LSPR signal can be amplified by maximizing the change in the refractive index of the surface of the metal nanostructure, and thus, deposits are deposited on the surface of the metal nanostructure. This makes the surface refractive index change large, so that the LSPR signal (change in resonance wavelength) can be amplified.

상기 효소가 결합된 수용체는, 상기 분석 대상 생체 물질과 결합하는 부분 외의 다른 부분에 상기 효소와 결합할 수 있는 리간드를 포함할 수 있다. 상기 효소는 상기 효소가 결합된 수용체 또는 상기 효소가 결합된 수용체의 리간드와 특이적으로 결합할 수 있는데, 상기 효소에는 상기 효소가 결합된 수용체의 리간드와 특이적으로 결합할 수 있는 링커 분자가 미리 결합되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 링커 분자는 DNA, PNA, 앱타머, 저분자 화합물, 아미노산, 펩타이드, 단백질 등일 수 있다. 상기 효소는 바이오틴(Biotin) 또는 알카라인 포스파타제(Alkaline phosphatase)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The receptor to which the enzyme is bound may include a ligand capable of binding the enzyme to a portion other than a portion that binds the biological material to be analyzed. The enzyme may specifically bind to a ligand of the receptor to which the enzyme is bound or a receptor to which the enzyme is bound, wherein the enzyme is previously linked with a linker molecule capable of specifically binding to a ligand of the receptor to which the enzyme is bound. May be combined. At this time, the linker molecule may be DNA, PNA, aptamer, low molecular weight compounds, amino acids, peptides, proteins and the like. The enzyme may be biotin or alkaline phosphatase, but is not limited thereto.

상기 침전물 형성용 물질은 상기 효소와 특이적으로 반응하는 기질로서, 상기 효소와 상기 침전물 형성용 물질이 반응하여 얻어진 생성물은 상기 금속 나노 구조체의 표면에 침전 및 흡착되어 LSPR 시그널을 증폭시킬 수 있다.The precipitate forming material is a substrate that specifically reacts with the enzyme, and the product obtained by reacting the enzyme with the precipitate forming material may precipitate and adsorb onto the surface of the metal nanostructure to amplify the LSPR signal.

상기 침전물 형성용 물질은 단일 물질이거나 2 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히, 침전물 형성용 물질은 굴절률이 큰 벤젠 고리와 원자 분극률(atomic polarizability)이 큰 원소인 브롬(Br)으로 이루어진 화합물을 이용함으로써, 최종적으로 형성된 침전물에 벤젠 고리와 브롬원소가 전부 포함되어, 금속 나노 구조체의 표면의 굴절률 변화를 극대화 시킬 수 있는 것이다. 구체적으로 상기 침전물 형성용 물질은 BCIP(5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate p-toluidine), NBT(nitro blue tetrazolium), 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 상기 효소와 반응하여 침전을 형성할 수 있는 것이면 이에 한정되는 것은 아니다. The precipitate forming material may be a single material or a mixture of two or more. In particular, the precipitate-forming material includes all of the benzene ring and bromine element in the finally formed precipitate by using a compound composed of a benzene ring having a high refractive index and bromine (Br), an element having a high atomic polarizability. It is possible to maximize the refractive index change of the surface of the metal nanostructure. Specifically, the precipitate-forming material may be 5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate p-toluidine (BCIP), nitro blue tetrazolium (NBT), or a mixture thereof, but reacts with the enzyme to form a precipitate. If it can, it is not limited to this.

이하에서, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments.

그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<< 실시예Example >>

<1> 금(Au) 나노 구조체 어레이 제작<1> Gold (Au) nanostructure array fabrication

투명 유리 기판(5인치 글라스 웨이퍼) 상에 직경 150 ㎚, 높이 40 ㎚인 원뿔대 형의 금 나노 구조체의 상부면이 두께 5 ㎚의 산화규소로 차폐된 금 나노 구조체 어레이를 제조하였다.On the transparent glass substrate (5-inch glass wafer), an array of gold nanostructures having a top surface of a cone-shaped gold nanostructure 150 mm in diameter and 40 nm in height was shielded with silicon oxide having a thickness of 5 nm.

<2> 금 나노 구조체 어레이 표면에 링커 고정화<2> Linker Immobilization on Gold Nanostructure Array Surfaces

제조된 금 나노 구조체 어레이를, 피라나 용액(piranha solution, H2SO4:H2O2=3:1)에 120℃에서 2분간 담지시켜, 표면에 흡착된 오염물질을 제거하였다. 세척 후, 금 나노 구조체 어레이를 에탄올에 녹인 10 mM의 11-머캅토운데칸산(11-mercaptoundecanoic acid, MUA)에 12시간 이상 담지시켜 금 표면에 MUA를 결합시켰다. 이 후, 증류수에 0.1 M의 1-에틸-3-[3-디메틸아미노프로필]카보이미드 하이드로클로라이드(1-ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride, EDC) 및 0.025 M의 n-하이드로숙신이미드(n-hydrosuccinimide, NHS)를 녹인 용액에 15분간 담지시켜 MUA의 카르복실기(COOH)를 활성화시켰다.The prepared gold nanostructure array was supported by piranha solution (piranha solution, H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 3: 1) at 120 ° C. for 2 minutes to remove contaminants adsorbed on the surface. After washing, the array of gold nanostructures was immersed in 10 mM 11-mercaptoundecanoic acid (MUA) dissolved in ethanol for 12 hours or longer to bind MUA to the surface of gold. Thereafter, 0.1 M of 1-ethyl-3- [3-dimethylaminopropyl] carbodiimide hydrochloride (1-ethyl-3- [3-dimethylaminopropyl] carbodiimide hydrochloride, EDC) and 0.025 M of n-hydrosuccinic acid were dissolved in distilled water. Immersion (n-hydrosuccinimide, NHS) was dissolved in a solution for 15 minutes to activate the carboxyl group (COOH) of MUA.

<3> 금 나노 구조체에 특이 수용체 결합<3> Specific Receptor Binding to Gold Nanostructures

제조된 링커(MUA)가 결합된 금 나노 구조체 어레이를 0.1 mg/ml의 AFP(alphaferoprotein) 항체를 함유하는 1X PBS(phosphate buffered saline)(pH 7.4) 용액에 담지시킨 후, 30분간 반응시켜 금 나노 구조체의 표면에 AFP 항체를 고정화하였다. 비특이적 결합을 막기 위하여 1%의 보빈 세럼 알부민(bovine serum albumin, BSA)을 함유하는 1X PBS(pH 7.4)를 30분간 반응시켰다.The prepared linker (MUA) -conjugated gold nanostructure array was immersed in a 1X PBS (phosphate buffered saline) solution containing 0.1 mg / ml AFP (alphaferoprotein) antibody, and then reacted for 30 minutes. AFP antibodies were immobilized on the surface of the construct. In order to prevent nonspecific binding, 1X PBS (pH 7.4) containing 1% of bovine serum albumin (BSA) was reacted for 30 minutes.

<4> 특이 수용체와 생체 물질의 결합<4> Binding of Specific Receptors to Biological Materials

AFP(alphaferoprotein)(in 1 mg/ml BSA)를 AFP 항체가 고정된 금 나노 구조체 어레이에 도포시켜 30분간 반응시켰다.AFP (alphaferoprotein) (in 1 mg / ml BSA) was applied to the gold nanostructure array to which the AFP antibody was immobilized and reacted for 30 minutes.

<5> LSPR의 측정<5> measurement of LSPR

AFP와 특이적으로 붙는 바이오틴(Biotin)과 알카라인 포스페이트(alkaline phosphatase)가 결합된 AFP 항체를 30분간 반응 시켰다. 알카라인 포스페이트(alkaline phosphatase)와 효소 침전 반응을 일으키는 물질인 0.1 M BCIP(5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate p-toluidine)와 1 mg/mL의 NBT(nitro blue Tetrazolium)를 포함한 AP Buffer 용액(100mM Tris-HCl, 100mM NaCl, 5mM MgCl2. pH 9.5)을 반응시켜, AFP 농도에 비례하는 침전물을 금 나노 구조체 표면에 생성하였다. 그런 다음, AFP의 농도를 1 ng/ml, 10 pg/ml, 1 fg/ml에서 LSPR 시그널을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다.AFP antibody, which binds specifically to AFP and binds to biotin and alkaline phosphatase, was reacted for 30 minutes. AP Buffer containing 0.1 M BCIP (5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate p-toluidine) and 1 mg / mL nitro blue tetrazolium (NBT), an enzyme that causes enzyme precipitation with alkaline phosphatase The solution (100 mM Tris-HCl, 100 mM NaCl, 5 mM MgCl 2, pH 9.5) was reacted to produce a precipitate proportional to the AFP concentration on the surface of the gold nanostructures. Then, the results of measuring the LSPR signal at the concentration of AFP at 1 ng / ml, 10 pg / ml, and 1 fg / ml are shown in FIG. 5.

<< 비교예Comparative example 1> 1>

투명 유리 기판(5인치 글라스 웨이퍼) 상에 직경 150 ㎚, 높이 40 nm인 원뿔대형의 금 나노구조체 어레이를 준비하였다.An array of conical gold nanostructures having a diameter of 150 nm and a height of 40 nm was prepared on a transparent glass substrate (5-inch glass wafer).

상기 실시예 <2> 내지 <5>과 동일한 방법으로 실험하여, LSPR 시그널을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다.In the same manner as in Examples <2> to <5>, the results of measuring LSPR signals are shown in FIG. 5.

<< 비교예Comparative example 2> 2>

투명 유리 기판(5인치 글라스 웨이퍼) 상에 직경 150 ㎚, 높이 20 ㎚인 원통형의 금 나노구조체 어레이를 준비하였다.A cylindrical gold nanostructure array having a diameter of 150 nm and a height of 20 nm was prepared on a transparent glass substrate (5-inch glass wafer).

상기 실시예 <2> 내지 <5>과 동일한 방법으로 실험하여, LSPR 시그널을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다.In the same manner as in Examples <2> to <5>, the results of measuring LSPR signals are shown in FIG. 5.

도 5에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 테스트한 모든 AFP 농도에서 비교예 1 및 2와 대비하여 LSPR의 시그널 변화(파장변화)가 더 큰 것을 확인할 수 있어서, 보다 더 감도 높고 정밀한 바이오 센싱이 가능함을 알 수 있었다.As shown in FIG. 5, the embodiment according to the present invention can confirm that the signal change (wavelength change) of LSPR is larger than that of Comparative Examples 1 and 2 at all the AFP concentrations tested, and thus, more sensitive and precise bio Sensing was possible.

100: 기판
200: 금속 나노 구조체
300: 상부면 차폐 물질
400: 분석 대상 생체 물질의 수용체
100: substrate
200: metal nanostructure
300: top surface shielding material
400: Receptor of the biological material to be analyzed

Claims (6)

기판;
상기 기판 상에 배열되고, 상부면이 차폐된 입체 구조의 금속 나노 구조체; 및
상기 금속 나노 구조체의 측면에 고정화된 분석 대상 생체 물질의 수용체;
를 포함하는 것인 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서.
Board;
A three-dimensional metal nanostructure arranged on the substrate, the upper surface of which is shielded; And
A receptor of the biological material to be immobilized on the side of the metal nanostructure;
Topical surface plasmon resonance based biosensor that comprises.
청구항 1에 있어서,
상기 수용체는 상기 금속 나노 구조체의 측면에, 직접 고정화 되거나 링커를 통하여 고정화되는 것인 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Wherein said receptor is directly immobilized on the side of said metal nanostructure, or immobilized via a linker.
청구항 1에 있어서,
상기 입체 구조는 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥, 원뿔대, 삼각뿔대, 사각뿔대, 오각뿔대, 육각뿔대 및 팔각뿔대로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서.
The method according to claim 1,
The three-dimensional structure is a topical surface plasmon which is any one selected from the group consisting of cylinder, triangular prism, square pillar, pentagonal pillar, hexagonal pillar, octagonal pillar, truncated cone, triangular pyramid, square pyramid, pentagonal pyramid, hexagonal pyramid and octagonal pyramid Resonance based biosensor.
청구항 1에 있어서,
상기 입체 구조의 금속 나노 구조체의 상부면을 금속 산화물 또는 비금속 산화물로 차폐하는 것인 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Local surface plasmon resonance-based biosensor that shields the upper surface of the three-dimensional structure of the metal nanostructure with a metal oxide or non-metal oxide.
청구항 1의 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서에, 분석 대상 생체 물질을 처리하는 단계; 및
상기 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서에서 국소 표면 플라즈몬 공명을 측정하는 단계;
를 포함하는 것인 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서를 이용한 생체 물질의 분석 방법.
Processing the biomaterial to be analyzed in the topical surface plasmon resonance based biosensor of claim 1; And
Measuring local surface plasmon resonance in the local surface plasmon resonance based biosensor;
Method of analysis of a biological material using a topical surface plasmon resonance-based biosensor.
청구항 5에 있어서,
상기 분석 대상 생체 물질을 처리한 후 국소 표면 플라즈몬 공명을 측정하기 전에, 국소 표면 플라즈몬 공명의 시그널을 증폭시키는 단계를 더 포함하는 것인 국소 표면 플라즈몬 공명 기반 바이오 센서를 이용한 생체 물질의 분석 방법.
The method according to claim 5,
And amplifying a signal of local surface plasmon resonance after measuring the local surface plasmon resonance after treating the biological material to be analyzed.
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