KR20200030321A - 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서 및 이를 이용한 분석 방법 - Google Patents

수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서 및 이를 이용한 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 분석 대상이 수직적으로 통과하고, 서로 다른 기공 크기를 가지는 수직적으로 구분된 복수 개의 층을 포함하는 샘플 패드층; 상기 샘플 패드층을 통과한 분석 대상의 검출을 위한 반응 영역을 포함하는 분석 기판층; 및 상기 샘플 패드층과 분석 기판층 사이에 형성된 콘주게이트 패드층; 을 포함하는 것인, 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서 및 이를 이용한 분석 방법에 관한 것이다.

Description

수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서 및 이를 이용한 분석 방법{INTEGRATED VERTICAL FLOW BIO-SENSOR AND METHOD FOR ANALYZING USING THE SAME}
본 발명은, 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서 및 이를 이용한 분석 방법에 관한 것이다.
바이오 센서는, 특정한 물질에 대한 인식기능을 갖는 생물학적 수용체가 전기 또는 광학적 변환기와 결합되어 생물학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 또는 광학적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지하는 소자이다. 바이오 센서에서 생물학적 수용체는 분석물질을 선택적으로 인식함과 동시에 변환기가 측정할 수 있는 신호를 발생시키는 생체 분자가 적용되고 있고, 효소, 항원, 항체, 단백질, DNA, 세포, 호르몬 등이 적용되고 있다.
바이오 센서는, 일상 생활에서 병원균 등을 신속하고 간편하게 검출할 수 있는 장점으로 인하여, 제약, 환경, 식품, 군사 분야 등의 다양한 분야에서 응용 및 연구되고 있다. 최근에는 마이크로/나노기술과 융합되어 단일 분자의 측정 및 조작 등과 같은 보다 정밀한 작업이 요구되는 의료 분야에 확대되고 있다. 또한, 바이오칩, 바이오센서, 바이오 MEMS에 응용되는 차세대 융합기술인 나노바이오테크놀로지(Nanobiotechnology, NBT)와 Bio-IT (Biotechnology-Information Technology) 분야의 기술 개발이 확대되고 있으므로, 적은 시료 주입에 의해 보다 정확하고 신속한 측정을 위한 고감도의 바이오 센서의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은, 분석 시료가 수직적으로 흐르고, 기공 크기가 상이한 샘플 패드를 적용하여, 간단하면서도 센서의 측정 시간을 줄이고 고감도의, 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은, 본 발명에 의한 바이오 센서를 적용하여 신속하고 정밀한 분석이 가능한 분석 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 분석 대상이 수직적으로 통과하고, 서로 다른 기공 크기를 가지는 수직적으로 구분된 복수 개의 층을 포함하는 샘플 패드층; 상기 샘플 패드층을 통과한 분석 대상의 검출을 위한 반응 영역을 포함하는 분석 기판층; 및 상기 샘플 패드층과 분석 기판층 사이에 형성된 콘주게이트 패드층; 을 포함하는 것인, 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 샘플 패드층의 상부층은, 하부층 보다 더 큰 기공을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 샘플 패드층의 하부층과 상부층은, 서로 동일하거나 또는 상이한 물질로 이루어지고, 상기 샘플 패드층의 하부층 대 상부층의 기공 크기비는, 1:1 내지 1:100인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 샘플 패드층의 기공 크기는, 100 ㎛ 이하이고, 상기 샘플 패드층의 두께는, 10㎛ 내지 10 mm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 샘플 패드층은, 복수 개의 다공성 기판을 포함하고, 상기 다공성 기판은, 종이, 폴리이미드, 알루미늄, 폴리아크릴, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리염화비닐(PVC) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 콘주게이트 패드층은, 분석 대상과 선택적으로 결합하여 접합체를 형성하는, 발색 효소, 형광물질(Fluorescent substances), 발광물질, 금속 나노입자 및 흡광물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 리셉터는, 접합체와 특이적으로 반응하는 항체, 항원, 효소, 펩타이드, 단백질, DNA, RNA, PNA 및 압타머로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 샘플 패드층과 콘주게이트 패드층을 고정하기 위한 제1 접착층; 및 상기 분석 기판층과 콘주게이트 패드층을 고정하기 위한 제2 접착층;을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 샘플 패드층 상에 형성되고, 분석 시료를 주입하는 주입구를 포함하는 샘플 주입층; 을 더 포함하고, 상기 샘플 주입층은, 일면에 접착층을 갖는 접착 시트인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 샘플 패드층에 분석 시료를 수직으로 주입하는 단계; 및 리셉터가 고정화된 반응 영역의 화학적, 물리적 및 광학적 중 적어도 하나의 변화를 분석하는 단계; 를 포함하고, 본 발명에 의한 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서를 이용하는, 분석 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 분석하는 단계는, 면역 반응 또는 효소 반응에 의한 발색, 형광, 흡광도, 질량 변화, 전기화학적 특성 및 전기전도도 중 적어도 하나의 변화를 분석하는 것일 수 있다.
본 발명은, 분석 시료가 수직적으로 관통하고 분석 시료의 필터 기능을 갖고, 위아래층에 상이한 기공을 갖는 샘플 패드를 적용하여 분석 시료의 흐름 속도의 조절이 가능한 바이오 센서를 제공할 수 있다.
본 발명은 신속한 측정과 정확성 및 정밀도가 개선된 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 바이오 센서의 개략적 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 바이오 센서의 샘플 패드의 평면도 및 샘플 패드 내의 분석 시료의 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에서 사용된 본 발명에 의한 바이오 센서의 개략적 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에서 반응 영역의 제조 공정 및 분석 대상의 결합 반응 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명에 의한 바이오 센서의WE(반응 전극)의 표면처리 물질에 따른 (a) 전류-전압 곡선 및 (b) 임피던스 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명에 의한 (a) 시료 주입 직후 샘플 패드, 시료 측정 후 샘플 패드와 반응전극 위, 총 세 군데의 분석 시료의 형광 이미지, (b) 상기 세 군데의 잔류 분석 시료 입자의 평균 크기 및 (c) 시간에 따른 단일 크기의 기공과 다른 크기의 기공을 가진 샘플 패드에 의한 전기 저항 변화를 나타낸 것이다. 도 6에서 샘플패드는 측정 시료 입자인 바이러스 입자는 통과시켜 반응전극에 전달하고, 그것보다 큰 입자는 걸러내는 필터역할을 하는 것을 알 수 있다. 또한 샘플 패드층의 상부층이 하부층 보다 더 큰 기공을 가진 경우, 단일 크기의 기공을 가진 경우보다 반응시간이 빨라졌고, 정확도 역시 향상됨을 볼 수 있다.
도 7은, 본 발명에 의한 바이오 센서를 이용하여 여러 분석 대상에 따른 전하전이 저항(Charge Transfer Resistance, Rct) 및 색 강도의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명에 의한 바이오 센서에 의해 H1N1의 농도(PFUmL- 1)에 따른 (a) PBS 버퍼 와 (b) 실제 시료 (침)에 따른 색 강도를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은, 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서에 관한 것으로, 분석 시료의 흐름 속도를 제어할 수 있는 샘플 패드층을 적용하여 분석 대상의 감도와 정확도를 향상시키고, 분석 시간을 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하여 설명하며, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 도 1에서 상기 바이오 센서는 샘플 주입층(110); 샘플 패드층(120); 콘주게이트 패드층(130); 및 분석 기판층(140); 을 포함하고, 상기 바이오 센서는, 색깔의 강도와 전기화학적 변화를 동시에 측정함으로써 측정의 안정성을 향상시킬 수 있다.
샘플 주입층(110)은, 분석 시료를 수직으로 떨어뜨려 홀을 통하여(FTH, Flow Through Hole) 수직적 흐름을 위한 하나 이상의 분석 시료의 주입구(H)가 형성되고, 상기 분석 시료는 분석 가능한 시료라면 제한 없이 적용될 수 있고, 예를 들어, 분석 대상은 화합물, 단백질, 펩타이드, 호르몬, 항체, 항원, 효소, DNA, RNA, 세포, 면역분자 등의 단일 분자 또는 이들의 복합체로 이루어진 바이오 분자 등일 수 있고, 분석 시료는 분석 대상이 용해되거나 포함하는 용액 또는 현탄액 및 생리적 체액일 수 있다. 상기 생리적 체액은, 전혈(blood), 혈청(serum), 혈장(Plasma), 간질액(interstitial fluid), 정액(semen), 양수(amniotic fluid), 복수(ascitic fluid), 흉막액(pleural fluid), 뇌척수액(spinal fluid), 복막액(peritoneal fluid), 세척물(lavage), 땀 (perspiration), 침(saliva), 대변(stool) 및 소변(urine)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
샘플 주입층(110)은, 바이오 센서에 적용 가능한 기판(또는, 시트, 필름 등)이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 예를 들어, 종이, 폴리에스테르(polyester), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌(polystylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polyymethyl methacrylate, PMMA), 폴리아크릴 및 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
샘플 주입층(110)은, 적어도 일면 또는 양면에 접착층을 포함하는 기판이며, 예를 들어, 샘플 패드층(120)과 접착을 위한 접착제층을 포함하는 접착 테이프일 수 있다. 상기 접착제층은, 실리콘, 고무계, 변성 실리콘계, 아크릴계(acrylic), 폴리 아마이드(ployamide), 폴리올레핀(polyolefin), 테프론계, 폴리에스터(polyester), 에폭시(epoxy), 자외선 감응 경화성 접착제(UV curable adhesive), UV접착제 및 열 가소성 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 예를 들어, 고무, 아크릴(Acryl), 실리콘(Silicone), 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리부타디엔(Polybutadiene), 폴리이소프렌(Polyisoprene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리올레핀(Polyolefine), 및 에틸렌초산비닐(Ethylene vinyl acetate) 등일 수 있다.
샘플 패드층(120)은, 샘플 주입층(110)의 분석 시료의 주입구(H)에 투입된 분석 시료의 수직적 흐름을 제어하고, 바이오 센서의 감도 및 검출 속도를 개선시킬 수 있다.
샘플 패드층(120)은, 2 이상의 상이한 크기의 기공을 포함할 수 있고, 상기 기공은, 샘플 패드층(120)의 수평 방향, 수직 방향 또는 이 둘다에 따라 상이한 크기로 분포될 수 있다. 바람직하게는 상기 기공은, 샘플 패드층(120)의 수직방향, 예를 들어, 상부면과 하부면이 서로 상이한 크기의 기공으로 분포될 수 있다. 즉, 상기 분석 시료가 시료 주입구를 통과한 이후, 샘플 패드층(120)에 흡수 및 확산되고 기공을 통하여 수직방향으로 흐르게 되는데, 이는 상부면 및 하부면의 기공 차이에 의해서 보다 빠르게 수직방향 흐름을 유도하여 측정 시간을 줄이고, 감도를 향상시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 샘플 패드층의 구성을 예시적으로 나타낸 것으로, 도 2에서 샘플 패드층(120)의 상부층(또는, 상부면)은, 하부층(또는, 하부면) 보다 더 큰 기공을 포함하고, 샘플 패드층(120)의 하부층 대 상부층의 기공 크기비는, 1:1 내지 1:100;일 수 있다. 샘플 패드층(120)이 상기 기공 크기 비의 범위 내에 포함되면, 기공을 통하여 분석 시료의 수직적 흐름 속도(FHO)를 최적으로 감소시켜 분석물질-컨쥬게이터 접합체를 많이 만들 수 있으며, 이는, 측정할 때 100 ㎕(microliter)의 PBS버퍼를 주입시에 측정의 정확도와 측정 시간을 줄이고 고감도의 검출 결과를 제공할 수 있다. 상기 크기는, 기공의 형태에 따라 직경, 너비 등을 의미할 수 있다.
샘플 패드층(120)는, 각각 종이, 유리, 폴리이미드, 알루미늄, 폴리아크릴, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystylene)), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리염화비닐(PVC, polyvinylchloride) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
샘플 패드층(120)의 기공 크기는, 100 ㎛ 이하; 50 ㎛ 이하; 1 nm 내지 20 ㎛; 또는 100 nm 내지 15 ㎛일 수 있다. 샘플 패드층(120)의 두께는, 10 ㎛ 내지 10 mm인 것일 수 있다. 상기 기공 크기 및 두께 범위 내에 포함되면 과도한 기공 및 두께 크기에 의해 분석 시료의 수직적 흐름의 제어에 어려움을 방지하고, 신속하고 정확한 측정 결과를 제공할 수 있다.
샘플 패드층(120)은, 서로 다른 기공 크기를 가지고, 수직적으로 구분된 다른 재료로 이루어진 복수 개의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기공 크기가 상이한 복수 개의 다공성 기판이 접합된 접합체일 수 있다. 상기 복수 개의 다공성 기판의 기공의 구성 및 특성은, 상기 샘플 패드층(120)에서 언급한 바와 같고, 상기 복수 개의 다공성 기판은, 각각, 종이, 유리, 폴리이미드, 알루미늄, 폴리아크릴, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystylene)), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리염화비닐(PVC, polyvinylchloride) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
콘주게이트 패드층(130)은, 검출신호를 제공하기 위해서 분석 대상과 선택적으로 결합하여 분석대상-접합체를 형성하는 접합체 생성물질을 포함할 수 있다. 상기 접합체 생성물질은, 샘플 패드층(120)의 기공을 통하여 수직적 흐름으로 통과한 분석 시료 중 분석 대상과 선택적으로 결합하는 물질이며, 전기화학, 형광, 색, 열, SPR(Surface Plasmon Resonance) 등의 열적, 전기적, 화학적, 광학적 또는 물리적 검출신호를 제공하여 정성 및 정량 분석을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 항체, 발색 효소, 형광물질(Fluorescent substances), 발광물질, 금속 나노입자 및 흡광물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 발색 효소는, 겨자무 과산화 효소(horseradish peroxidase, HRP), 알카리성 인산가수분해효소(alkaline phosphatase), β-갈락토시다아제(β-galactosidase), 알쓰로마이시스 라모서스 과산화 효소(arthromyces ramosus peroxidase, ARP)으로 이루어진 군에서 선택되 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 형광물질 및 발광물질은, 아크리딘(acridine), 시아닌(cyanine), 플루로돈(fluorone), 옥사진(oxazine), 페나트리딘(phenanthridine), 로다민(rhodamine) 및 쿠마린(coumarine), 아다만탄-디옥세탄(Adamantane-dioxetane), 아크리디늄(Acridinium) 유도체, 루미놀(Luminol) 유도체, 루시게닌(Lucigenin), 반딧불이 루시페린(Firefly luciferin), 포토프로테인(Photoprotein), 히드라지드(hydrazides) 및 쉬프(schiff)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 금속 나노 입자는, 1000 nm 이하; 10 nm 내지 800 nm; 또는 50 nm 내지 300 nm 크기를 갖는, 금, 은, 니켈, 구리 등일 수 있고, 나노로드, 나노섬유, 나노튜브 등의 형태로 도입될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
분석 기판층(140)은, 분석 대상의 반응 및 검출을 위한 리셉터의 고정화(Immobilization)가 고정된 반응 영역을 포함하고, 열적, 광학적, 전기적, 화학적 또는 물리적 검출신호를 감지 및 분석을 위한 장치 및 전극 등이 더 연결 또는 배치될 수 있다.
분석 기판층(140)은, 전기적 신호 및 발색 신호를 감지하기 위한 것으로, 색깔의 강도와 전기화학적 변화를 동시에 측정함으로써 측정의 안정성을 향상시킬 수 있다. 분석 기판층(140)는, WE(working electrode), RE(reference electrode) 및 CE(counter electrode)이 형성된다. WE(working electrode) 상에 리셉터가 고정화되어 전기화학적 측정영역이 형성되고, WE옆에 발색 영역(Colorimetric zone)이 형성되어 상기 분석 대상 접합체와 리셉터의 반응에 의해 발색(또는, 흡광도) 변화 및 전기저항 변화를 감지하여 분석 대상을 정성 및 정량적으로 검출할 수 있다. 또한, 발색 특성을 비교하기 위해서 상기 접합체 생성물질와 반응하는 리셉터가 고정화된 색깔측정 영역(C)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 WE(working electrode) 및 CE(counter electrode) 간에 반소수성 격벽(semi-hydrophobic barrier)이 형성될 수 있다.
상기 리셉터는, 접합체와 특이적으로 결합(specific binding))하는 물질이며, 항체, 항원, 효소, 조효소, 세포, 바이러스, 펩타이드, 단백질, DNA, RNA, PNA, LNA, 압타머, 유기 분자 및 무기 분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
분석 기판층(140)는 상기 언급한 신호를 검출하기 위한 본 발명의 기술분야에서 적용되는 다양한 장치가 결합 또는 연결될 수 있고, 본 명세서는 구체적으로 언급하지 않는다.
상기 리셉터의 고정화는 물리적인 흡착(physisoprtion), 화학적인 흡착(chemical adsorption), EDC/NHS(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide/N-hydroxy succinimide) 등과 같은 공유결합(covalent-binding), 전기적인 결합(electrostatic attraction), 공중합체(co-polymerization) 또는 아비딘-바이오틴 결합 시스템(avidin-biotin affinity system) 등이 이용될 수 있다.
분석 기판층(140)은, 니트로셀룰로오스 멤버레인, 벌크(bulk) 반도체 기판, 유리 기판 또는 플라스틱 기판, 절연성 기판 등을 포함할 수 있다.
본 발명은, 접착층(A1 및A2)을 더 포함하고, 접착층(A1 및 A2)은, 샘플 패드층과 콘주게이트 패드층을 고정하기 위한 제1 접착층(A1); 및 분석 기판층과 콘주게이트 패드층을 고정하기 위한 제2 접착층(A2);을 포함할 수 있다.
접착층(A1 및 A2)은, 분석 시료의 수직적 흐름을 유도하기 위해서 특정 형태로 패터닝되어 개구를 형성할 수 있다.
접착층(A1 및 A2)은, 접합물질 또는 양면접착 소재로 이루어지고, 상기 양면접착 소재는, 기재; 및 상기 기재의 양면에 형성된 접착제층을 포함할 수 있고, 상기 기재의 예로는, 종이, 고무, 레이온(Rayon), 면(Cotton), 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리스틸렌, 아세테이트(Acetate), 폴리프로필렌(Polypropylene), 셀로판(Cellophane), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride), 폴리에스테르(Polyester), 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(Polyimide), 폴리우레탄(Polyurethane) 등일 수 있으나, 이제 제한되지 않는다. 또한, 상기 접합체층은, 바이오 센서에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 실리콘, 고무계, 변성 실리콘계, 아크릴계(acrylic), 폴리 아마이드(ployamide), 폴리오레핀(polyolefin), 테프론계, 폴리에스터(polyester), 에폭시(epoxy), 자외선 감응 경화성 접착제(UV curable adhesive), UV접착제, 스카치 테이프 및 열 가소성 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 예를 들어, 고무, 아크릴(Acryl), 실리콘(Silicone), 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리부타디엔(Polybutadiene), 폴리이소프렌(Polyisoprene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리올레핀(Polyolefine), 및 에틸렌초산비닐(Ethylene vinyl acetate) 등일 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서를 이용하는 분석 방법에 관한 것으로, 상기 분석 방법은, 면역 반응 또는 효소 반응을 이용한 분석 방법일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 분석 방법은, 샘플 패드층에 분석 시료를 수직으로 주입하는 단계; 및 반응 영역의 열적, 광학적, 전기적, 화학적 및 광학적 중 적어도 하나의 신호를 분석하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 분석하는 단계는, 면역 반응 또는 효소 반응에 의한 발색, 형광, 흡광도, 전기화학적 특성 및 전기전도도 중 적어도 하나의 변화를 분석하여 분석 대상을 검출하거나 또는 정량 분석할 수 있다.
실시예
도 3에 나타낸 바이오 센서를 이용하고, 샘플 패드층은, 상부층으로 11 ㎛ 다공성 기판(Whatman filter papers) 및 하부층으로 0.45 ㎛ 다공성 기판 (polytetrafluorethylene membrane filters)을 접합하여 제조하였다. 콘주게이트층은 HRP-Ab를 주입하였고, 각 층은 3M scotch양면 테이프로 고정하였다. 도 4에 따라 전극 WE(working electrode), RE(reference electrode) 및 CE(counter electrode)이 장착된 니트로셀룰로오스 멤버레인을 준비하고, 상기 작업 전극 (WE) 상에 MUA를 상온에서 12 시간동안 고정화하고, EDC-NHS를 주입하여 상온에서 30 분 동안 반응시켰다. 다음으로, 37 ℃에서 2 시간 동안 Ab-E 20 ㎍/ml와 결합시키고, BSA를 상온에서 30 분 동안 처리하여 반응 영역(전기 반응 영역)을 생성하고, 멤버레인 상에 Ab-C 25 ㎍/ml 주입하여 작업 전극 옆에 colorimetric zone을 제조하였다. 여기에서 기존의 colorimetric sensor에서 사용하는 대조군은 사용하지 않았지만 충분히 사용 가능하다. 마지막으로, 흡수 패드로 Whatman filter paper 를 결합하여 VFA 바이오 센서를 제조하였다. 또한, 상기 WE와 CE는 반소수성 격벽으로 분리하였다.
특성 평가
(1) 전류-전압 곡선 및 임피던스
GPE, MUA/GPE, Ab/MUA/GPE 및 BSA/Ab/MUA/GPE는 작업전극을 만드는데 필요한 functionalization 재료이며 WE(반응 전극)의 표면처리 물질에 따른 (a) 전류-전압 곡선 및 (b) 임피던스를 측정하여, 도 5에 나타내었다. 도 5에서 본 발명에 의한 바이오 센서는 작업전극의 센서로서의 표면 처리과정이 우수한 것을 확인할 수 있다.
(2) 바이오 센서 감도 특성
실시예의 샘플 패드, 100 ㎕ PBS로 세척한 실시예의 샘플 패드 및 기존의 니트로셀룰로오스 멤버레인을 바이오 센서에 적용하여 VFA(vertical flow assay)를 실시하여 그 결과는 도 5에 나타내었다.
도 6은 (a) 시료 주입 직후 샘플 패드, 시료 측정 후 샘플 패드와 반응전극 위 총 세 군데의 분석 시료의 형광 이미지, (b) 상기 세 군데의 잔류 분석 시료 입자의 평균 크기 및 (c) 시간에 따른 단일 크기의 기공과 다른 크기의 기공을 가진 샘플 패드에 의한 전기 저항 변화를 나타낸 것이다. 도 6의 (a) 및 (b)에서, 위아래에 이중 기공 구조를 갖는 샘플 패드는 0.1마이크로 미터 크기의 입자는 통과시키지만 3 마이크로 미터 크기의 입자는 통과시키지 못하고 샘플패드에 남게 된다. 도 6에서 샘플패드는 측정 시료 입자인 바이러스 입자는 통과시켜 반응 전극에 전달하고, 그것보다 큰 입자는 걸러내는 필터역할을 하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6의 (c)에서 이중 기공 구조를 갖는 샘플 패드(샘플 패드층의 상부층이 하부층 보다 더 큰 기공을 가짐)의 경우, 단일 크기의 기공을 가진 경우보다 반응시간이 빨랐고, 정확도 역시 향상됨을 볼 수 있다.
(3) 전기화학 분석 및 발색 분석
H1N1, BSA, Influenza B, Adenovirus 및 MS2를 각각 2500 PFU/ml로 실시예의 바이오 센서에 수직적으로 주입하여 전기저항 및 색 강도를 측정하여 도 7에 나타내었다.
도 7을 살펴보면, 본 발명에 의한 이중 구조 샘플 패드를 적용한 바이오 센서는 특정 시료 (여기서는 인플루엔자 H1N1)에만 반응하는 특이성도 갖는 것을 확인할 수 있다.
(4) 농도에 따른 감도 분석
H1N1 각각, 0, 5, 50, 100, 250, 500, 1000, 2500, 5000, 7500 및 10000 PFU/ml에 따라 색 강도를 측정하여 도 8에 나타내었다.
도 8의 (a)에서 발색 특성에 대한 이미지를 나타낸 것으로, PFU/ml에 따라 발색 특성이 변화되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8의 (b) 및 (c)에서 평균 색 강도 값이 (a) PBS 버퍼 와 (b) 실제 시료 (침)에서 선형으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 바이오 센서를 이용하여 정성 및 정량 분석이 가능한 것을 보여준다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 분석 대상이 수직적으로 통과하고, 서로 다른 기공 크기를 가지는 수직적으로 구분된 복수 개의 층을 포함하는 샘플 패드층;
    상기 샘플 패드층을 통과한 분석 대상의 검출을 위한 반응 영역을 포함하는 분석 기판층; 및
    상기 샘플 패드층과 분석 기판층 사이에 형성된 콘주게이트 패드층;
    을 포함하는 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 패드층의 상부층은, 하부층 보다 더 큰 기공을 포함하는 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 패드층의 하부층과 상분층은 서로 동일하거나 또는 상이한 물질로 이루어지고,
    상기 샘플 패드층의 하부층 대 상부층의 기공 크기비는, 1:1 내지 1:100인 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 패드층의 기공 크기는, 100 ㎛ 이하이고,
    상기 샘플 패드층의 두께는, 10 ㎛ 내지 10 mm인 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 패드층은, 복수 개의 다공성 기판을 포함하고,
    상기 다공성 기판은, 종이, 폴리이미드, 알루미늄, 폴리아크릴, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리염화비닐(PVC) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 콘주게이트 패드층은, 분석 대상과 선택적으로 결합하여 접합체를 형성하는, 발색 효소, 형광물질(Fluorescent substances), 발광물질, 금속 나노입자 및 흡광물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리셉터는, 접합체와 특이적으로 반응하는 항체, 항원, 효소, 펩타이드, 단백질, DNA, RNA, PNA 및 압타머로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 패드층과 콘주게이트 패드층을 고정하기 위한 제1 접착층; 및
    상기 분석 기판층과 콘주게이트 패드층을 고정하기 위한 제2 접착층;
    을 더 포함하는 것인,
    수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 패드층 상에 형성되고, 분석 시료를 주입하는 주입구를 포함하는 샘플 주입층; 을 더 포함하고,
    상기 샘플 주입층은, 일면에 접착층을 갖는 접착 시트인 것인, 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서.
  10. 샘플 패드층에 분석 시료를 수직으로 주입하는 단계; 및
    리셉터가 고정화된 반응 영역의 화학적, 물리적 및 광학적 중 적어도 하나의 변화를 분석하는 단계;
    를 포함하고,
    제1항의 수직 유체 흐름을 갖는 바이오 센서를 이용하는,
    분석 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분석하는 단계는, 면역 반응 또는 효소 반응에 의한 발색, 형광, 흡광도, 전기화학적 특성 및 전기전도도 중 적어도 하나의 변화를 분석하는 것인,
    분석 방법.
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