KR20210056808A - 메타표면 나노홀 어레이를 포함한 바이오 센서 및 이를 이용한 질병 진단 방법 - Google Patents

메타표면 나노홀 어레이를 포함한 바이오 센서 및 이를 이용한 질병 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 AAO 템플릿을 이용해 제조한 메타표면 나노홀 어레이의 표면에 타겟 물질과 특이적으로 결합하는 프로브 물질을 처리하고, 상기 타겟 물질의 존재 여부에 따른 색 변화를 측정함으로써 타겟 물질을 검출하는 바이오 센서 및 상기 바이오 센서를 이용하여 질병관련 바이오 마커를 검출하는 방법에 관한 것이다.

Description

메타표면 나노홀 어레이를 포함한 바이오 센서 및 이를 이용한 질병 진단 방법 {BIOSENSOR INCLUDING METASURFACE NANOHOLE ARRAY AND A METHOD FOR DIAGNOSING DISEASES USING THE SAME}
본 발명은 메타표면 나노홀 어레이를 이용한 바이오 센서 및 상기 바이오 센서를 이용하여 질병관련 마커를 검출하는 방법에 관한 것이다.
바이오 센서(biosensor)란 생물체의 특정한 기능을 가지는 표적물질인 효소, 항체, DNA 등을 인식하고 결합하는 리셉터가 신호 변환장치와 결합되어 생화학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 전기 화학적 센서를 의미한다.
바이오 센서는 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화 할 수 있어 대상 물질의 종류에 따라 바이오, 화학, 환경 등의 활용 용도로 널리 사용될 것으로 기대되는 소자이다.
전기 화학적 센서를 이용한 표적물질의 검출 및 분석을 위해서는 표적물질이 가지는 미세한 특성에도 신호의 변화가 크게 나타날 수 있도록 높은 감도를 가지고 있어야 하며, 체액의 화학성분에 견딜 수 있는 화학적 안정성과 유체의 흐름에도 영향을 받지 않는 물리적 안정성을 지니고 있어야 한다. 또한 용이한 사용을 위하여 기존의 측정 플랫폼을 이용할 수 있어야 하며 경제성과 실용성을 위하여 대량 생산이 용이한 구조로 제작될 것이 요구된다.
최근에는 표적물질이 수용 물질(리셉터)에 물리 화학적으로 결합함에 따라 채널의 표면 전하 밀도가 변화하고, 이때 발생하는 반도체 반전층 또는 쇼트키 장벽의 변화에 의한 채널 전류의 변화량을 측정하는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor) 동작 원리에 기반한 바이오 센서가 주로 연구 개발되고 있다.
하지만 상기 전하량 측정 방식은 비표지 초고감도 측정이 가능한 반면, 생체 시료가 포함된 표준 시약(background solution)의 pH, 염(salt) 및 표적물질 외 물질의 표면 전하에 의해서도 신호가 발생되는 태생적 한계를 지니고 있어 노이즈 제거에 많은 어려움이 따른다.
이를 해결하기 위해 PDMS 등의 폴리머를 이용한 원 칩(One-chip)형태의 유체 채널을 도입하는 방식이 일반적으로 널리 연구되고 있으나, 별도의 몰드(Mold) 제작 공정 및 소자의 부착을 위한 공정이 추가됨에 따라 그 절차 및 비용이 상승되며, 시료의 주입에 있어서도 원 스텝 신호 측정이 아닌 추가적인 버퍼 주입을 위한 단계가 존재하기 때문에 실제 사용 시에 불편함을 감수해야 해야 하는 단점이 있다.
본 발명자는 나노 구조물의 화학적 도핑에 의해 광학적 특성이 변화하거나, 나노 구조물을 특정한 배열로 정렬하는 경우 전혀 새로운 광학적 특성을 가진다는 점에 주목함으로써, 상기한 FET 방식의 한계를 뛰어넘는 새로운 바이오 센서를 발명하고자 하였다.
한국등록특허 제10-10-0980738호
본 발명의 목적은 기판; 상기 기판의 상층부에 위치하는 금속층; 상기 금속층의 상층부에 위치하는 클래드;를 포함하고, 상기 클래드는 내부에 하나 이상의 메타표면 나노홀 어레이;를 포함하며, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 표면에 표적물질과 결합할 수 있는 하나 이상의 리셉터;가 부착되어 있고, 각각의 나노홀 어레이는 기판으로부터 수직방향으로 연장된 형태인 것인, 바이오 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 바이오 센서에서 금속층 없이 기판 상층부에 바로 클래드가 위치하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 (a) 피험체로부터 대상시료를 수득하는 단계; (b) 상기 시료를 제1항의 바이오 센서에 접촉시키는 단계; (c) 대상시료에 존재하는 표적물질이 상기 바이오 센서 내 리셉터에 결합됨에 따라 변화하는 색상을 센서를 통해 감지하는 단계; 및 (d) 색상의 변화정도를 감지하여 대상시료 내 표적물질의 수준을 판별하는 단계;를 포함하는 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 바이오 센서를 포함하는 질병 진단용 키트를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 기판; 상기 기판의 상층부에 위치하는 금속층; 상기 금속층의 상층부에 위치하는 클래드;를 포함하고, 상기 클래드는 내부에 하나 이상의 메타표면 나노홀 어레이;를 포함하며, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 표면에 표적물질과 결합할 수 있는 하나 이상의 리셉터;가 부착되어 있고, 각각의 나노홀 어레이는 기판으로부터 수직방향으로 연장된 형태인 것인, 바이오 센서를 제공한다. 상기 메타표면 나노홀 어레이의 구조 및 형태는 도 3에 나타내었다.
본 발명에서 상기 “메타표면 나노홀 어레이(nanohole array)”는 수십 대 일의 큰 종횡비(aspect ratio)를 가지는 나노 스케일의 구조로서 이러한 메타표면 나노홀 어레이가 적용된 소자는 그 응용에 따라 FET와 같이 각종 전자소자의 핵심부품인 트랜지스터로 이용될 수 있고 화학센서 및 바이오 센서 등으로 다양하게 이용되고 있다.
구체적으로, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 나노홀 어레이의 직경(diameter)에 따라 미리 설정된 빛의 기본 주파수(fundamental frequency)를 흡수하도록 설정되어 있고(도 6), 메타표면 나노홀 어레이에 부착된 리셉터에 표적물질이 결합하는 순간 흡수하는 빛의 파장이 변경되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 바이오 센서 내부 또는 외부에 존재하는 광원으로부터 조사되는 빛의 특정 파장만을 흡수하고, 리셉터-표적물질의 결합에 의해 흡수하는 빛의 파장이 변경됨에 따라 색이 변화할 수 있다. 본 발명은 상기와 같은 색의 변화 정도를 측정함으로써 대상시료 내 표적물질의 수준을 극미량부터 검출할 수 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 본원 발명의 개념을 간략히 도 1에 도시하였다.
또한, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 자외선(LTV) 또는 적외선(IR) 스펙트럼과 같은 가시 스펙트럼이 아닌 파장에서 강한 흡수를 하도록 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 대표적인 하드 주형법(hard templating)인 다공성 나노 기공을 가지고 있는 아노딕 알루미늄 옥사이드(anodic aluminum oxide, AAO)를 이용하여 메타표면 나노홀 어레이 전체가 균일한 화학적 조성으로 이루어지도록 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 금속 유도 결정화(MIC; Metal Induced Crystallization) 공정 등 메타표면 나노홀 어레이를 제조할 수 있는 다른 모든 방법이 필요에 의해 적절히 변경되어 적용될 수 있다.
구체적으로, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 실리콘(silicon, Si), 게르마늄(germanium, Ge), 인화 붕소(boronphosphide, BP), 비화 붕소(boron arsenide, BAs), 인화 알루미늄(aluminum phosphide, AlP), 비화 알루미늄(aluminum arsenide, AlAs), 안티몬화 알루미늄(aluminum antimonide, AlSb), 질화 갈륨(gallium nitride, GaN), 인화 갈륨(gallium phosphide, GaP), 비화 갈륨(gallium arsenide, GaAs), 안티몬화 갈륨(gallium antimonide, GaSb), 질화 인듐(indium nitride, InN), 인화 인듐(indium phosphide, InP), 비화 인듐(indium arsenide, InAs), 산화 아연(zinc oxide, ZnO), 황화 아연(zinc sulfide, ZnS), 셀렌화 아연(zinc selenide, ZnSe), 텔루르화 아연(zinc telluride, ZnTe), 황화 카드뮴(cadmium sulfide, CdS), 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide, CdSe), 및 텔루르화 카드뮴(cadmium telluride, CdTe)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하여 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 메타표면 나노홀 어레이는 각각의 메타표면 나노홀 어레이가 같거나 다른 모양 및 크기를 가질 수 있다. 메타표면 나노홀 어레이는 임의의 적절한 패턴으로 정렬될 수 있고, 예로, 직사각형 그리드, 정사각형 그리드, 육각형 그리드 및 동심원 등을 포함할 수 있다.
또한, 구체적으로 상기 바이오 센서를 구성하는 금속층은 은(silver)으로 구성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 바이오 센서에서 금속층이 포함되지 않고 기판 상층부에 바로 클래드가 존재하는 형태의 바이오 센서를 제공한다. 금속층을 포함하는 경우는 도 1에, 금속층을 포함하지 않는 경우는 도 2에 나타내었다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 바이오 센서는 상부에 표적물질이 포함된 대상시료를 주입하기 위한 경로를 제공하는 주입부; 및 주입부로부터 상기 바이오 센서로 대상시료가 전달되는 경로를 제공하는 전달부;를 추가로 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 주입부는 기판에 수직하고, 전달부는 기판에 평행한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 필요에 따라 적절히 변경하여 적용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 바이오 센서에 존재하는 클래드는 메타표면 나노홀 어레이 전체를 둘러싸고 있는 형태를 가질 수 있다.
본 발명에서 상기 "클래드(clad)"는 메타표면 나노홀 어레이 주변의 물질층을 의미하는 것으로, 상기 클래드는 질화규소, 실리콘 산화물 및/또는 이들의 조합과 같은 어느 적합한 재료를 포함할 수 있다. 클래드는 바람직하게는 최소한 50%, 더 바람직하게는 최소한 70%, 가장 바람직하게는 최소한 90%의 투과율을 갖는 가시광선에 대체로 투명한 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 표적물질은 항원, 단백질, 아미노산, DNA, RNA, 펩타이드(peptide) 중 1종 이상으로 구성되고, 상기 표적물질과 결합하는 상기 리셉터는 항체, 압타머(aptamer), 아미노산, 펩타이드(peptide), 단백질, DNA, RNA, 나노입자 중 1종 이상으로 구성된 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 “압타머(aptamer)”는 단백질에 높은 친화력을 가지는 DNA 핵산가닥을 의미하는 것으로서, 단백질에 비해 높은 안정성을 가지고 있으며, 저가 생산이 가능하다는 장점이 존재한다.
본 발명의 바이오 센서는 상기 표적물질-리셉터의 결합 반응을 통하여 변화하는 빛의 파장을 측정하여 대상시료 내 존재하는 표적물질을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판은 실리콘(silicon, Si), 실리콘 산화물(silicon oxide, SiO2), 질화규소(silicon nitride, Si3N4), 사파이어(sapphire), 다이아몬드(diamond), 탄화규소(silicon carbide), 질화갈륨(gallium nitride, GaN), 게르마늄(germanium, Ge), 인듐 갈륨 비소화물(indium gallium arsenide, InGaAs), 갈륨 비소화물(gallium arsenide, GaAs) 및 황화납(lead sulfide)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, (a) 피험체로부터 대상시료를 수득하는 단계;
(b) 상기 시료를 제1항의 바이오 센서에 접촉시키는 단계;
(c) 대상시료에 존재하는 표적물질이 상기 바이오 센서 내 리셉터에 결합됨에 따라 변화하는 색상을 센서를 통해 감지하는 단계; 및
(d) 색상의 변화정도를 감지하여 대상시료 내 표적물질의 수준을 판별하는 단계;를 포함하는 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 (a) 단계의 대상시료는 조직, 세포, 전혈, 혈장, 혈청, 혈액, 타액, 객담, 림프액, 뇌척수액, 세포간액 및 소변으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 (c) 단계의 표적물질은 바이오마커(biomarker)일 수 있으며, 구체적으로 스크리닝(screening) 바이오마커, 예후(prognostic) 바이오마커, 계층(stratification) 바이오마커, 효능(efficacy) 바이오마커, 독성(toxicity) 바이오마커, 반응예측(Predictive) 바이오마커 및 약역학(Pharmacodynamic) 바이오마커로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 바이오 센서를 이용한 질병 진단을 위한 정보 제공 방법은 당뇨병, 류마티스 관절염, 백혈병(leukemia), 림프종(lymphoma) 혈액종양(hematopoietic malignancy), 자궁경부암(cervical cancer), 육종(sarcoma), 고환암(testicular cancer), 악성 흑색종(malignant melanoma), 내분비 종양(endocrine tumor), 골암(bone cancer), 전립선암(prostate cancer), 자궁암(uterus cancer), 유방암(breast cancer), 방광암(bladder cancer), 뇌 종양(brain cancer), 간암(liver cancer), 위암(stomach cancer), 췌장암(pancreas cancer), 피부암(skin cancer), 폐암(lung cancer), 후두암(larynx cancer), 두경부암(head and neck cancer), 식도암(esophageal cancer), 대장암(colorectal cancer) 및 난소암(ovarian cancer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 질병이 특이적으로 발현하는 바이오마커를 검출함으로써 질병을 진단할 수 있으며, 상기 질병에 국한되지 않고 질병의 발병 또는 진행정도에 따라 특정한 바이오마커가 존재하는 모든 질병에 적용 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 바이오 센서를 포함하는 질병 진단용 키트를 제공한다.
상기 질병 진단용 키트는 용액, 동결건조 분말, 냉동 용액, 또는 스트립 형태를 가질 수 있으며, 각각의 형태는 당업계에서 통상적인 방법으로 제제화할 수 있다. 예를 들어, 용액 형태의 검출용 키트는 나트륨-인산, 칼륨-인산, 트리스-염산 및 이외의 여러 종류의 완충액 등의 완충액에 단백질 또는 프라이머 등을 별도로 또는 혼합하여 제제화할 수 있으며, 필요에 따라 냉동시키거나 동결 건조할 수도 있다.
상기 검출용 키트는 면역측방유동 스트립 방식을 이용한 것일 수 있다. 측방유동분석법(lateral flow assay)은 크로마토그래피 방법을 기본으로 하는 단백질 또는 핵산의 검출 방법이다. 이러한 측방유동분석법은 임신진단, 암진단, 기타 특정 단백질 또는 유전자의 존재 여부 또는 미생물탐지 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다. 측방유동분석법은 항원-항체 반응과 같은 두 물질 간의 특이적인 반응을 기본으로 하는 것으로, 민감도와 특이성이 높고, 빠른 시간 내에 결과를 확인할 수 있다는 장점이 있어 질병의 진단 및 빠른 예방 조치를 가능하게 한다.
본 발명의 검출용 키트에는 본 발명의 바이오 센서를 이용하여 질병 관련 바이오마커를 검출하는데 필요한 실험(예: PCR) 및 결과 확인에 필요한 여러 가지 시약들, 예컨대, PCR 조성물, 제한효소, 아가로스, 혼성화 및 전기영동에 필요한 완충용액 등이 추가로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 PCR 조성물은 역전사 반응에 의해서 합성된 상보적 DNA와 본 발명에서 제공되는 PCR 프라이머 쌍 이외에 적당량의 DNA 중합효소(예, Thermusaquaticus(Taq), Thermusthermophilus(Tth), Thermusfiliformis, Thermisflavus, Thermococcusliteralis 또는 Pyrococcus furiosus(Pfu)로부터 얻은 열 안정성 DNA 중합효소), dNTP, PCR 완충용액 및 물(dH2O)을 포함할 수 있다. 상기 PCR 완충용액은 트리스-HCl(Tris-HCl), MgCl2, KCl 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 바이오 센서는 메타표면 나노홀 어레이 표면에 존재하는 리셉터에 표적물질이 결합함에 따라 변화하는 색상변화를 측정함으로써 극소량의 시료만으로도 표적물질의 검출이 가능하여 측정의 신뢰성이 높아지는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 바이오 센서는 별도의 몰드 제작 또는 소자의 부착이 필요하지 않아 제작 절차 및 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐 아니라 사용 단계에 있어서도 추가 버퍼 주입 단계를 요구치 않아 간편한 사용이 가능하다.
상기 바이오 센서는 목적하는 대상 질병의 특정 바이오 마커, 대사체 및 유전물질 등 나노홀 어레이 표면에 부착할 수 있는 리셉터 종류에 제한이 없고, 검출 과정에서 단백질 변형이 없을 뿐 아니라 형광물질이나 동위원소를 사용하지 않아 인체에 대한 유해성이 적다.
본 발명의 바이오 센서는 색상변화를 측정하는 것으로서, 메타표면 나노홀 어레이 표면에 표적물질이 결합함에 따라 저항이 증가하여 검출 민감도가 저하되는 등의 문제점을 원천적으로 해결하였다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 태양에 따라 금속층이 포함된 바이오 센서의 작동 원리를 나타낸 개념도이다(A: 메타표면 나노홀 어레이 내부 기공 표면에 리셉터가 부착된 형태. B: 메타표면 나노홀 어레이 기공 외부 표면에 리셉터가 부착된 형태.).
도 2는 본 발명의 실시 태양에 따라 금속층 없이 제조된 바이오 센서의 작동 원리를 나타낸 개념도이다(A: 메타표면 나노홀 어레이 내부 기공 표면에 리셉터가 부착된 형태. B: 메타표면 나노홀 어레이 기공 외부 표면에 리셉터가 부착된 형태.).
도 3은 본 발명의 메타표면 나노홀 어레이의 구조 및 형태를 표현한 개념도이다(A: 메타표면 나노홀 어레이의 구조, B: 메타표면 나노홀 어레이의 사시도, C: 메타표면 나노홀 어레이의 side view, D: 메타표면 나노홀 어레이의 top view).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 AAO 메타표면 나노홀 어레이의 현미경 사진을 나타내었다(A: 직경 70nm 나노홀 어레이의 top view, B: 직경 20nm 나노홀 어레이의 side view).
도 5는 본 발명의 바이오 센서를 이용하여 질병과 관련된 바이오 마커를 검출하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 AAO 메타표면 나노홀 어레이의 구조 차이에 따른 광학적 특성의 변화를 나타내었다(A: AAO 메타표면 나노홀 어레이의 기공 지름에 따라 투과되는 빛의 색상이 상이함을 나타낸 개념도. B: 기공의 지름(d)에 따라 투과되는 빛의 파장 길이.).
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들 과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서는 바이오 시료에 포함되어 있는 바이오 분자(biomolecule)를 분석함으로써, 유전자 발현 분석(gene expression profiling), 유전자형 분석(genotyping), SNP(Single Nucleotide Polymorphism)와 같은 돌연 변이(mutation) 및 다형(polymorphism)의 검출, 단백질 및 펩티드 분석, 잠재적인 약의 스크리닝, 신약 개발과 제조 등을 하는데 이용된다. 바이오 센서는 분석하고자 하는 바이오 시료의 대상에 따라 그에 맞는 프로브(probe) 또는 리셉터들을 채용한다. 바이오 센서에 채용될 수 있는 프로브의 예는 DNA 프로브, 효소나 항체/항원, 박테리오로돕신(bacteriorhodopsin) 등과 같은 단백질 프로브, 미생물 프로브, 신경세포 프로브 등을 포함한다. 칩 형태로 제조된 바이오 센서는 바이오칩으로도 지칭된다. 예를 들어, 각각 채용되는 프로브의 종류에 따라 DNA칩, 단백질칩, 세포칩, 뉴런칩 등으로도 지칭될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 바이오 센서는 프로브로서 올리고머 프로브를 포함할 수 있다. 상기 올리고머 프로브는 채용되는 프로브의 모노머 수가 올리고머 수준임을 암시한다. 여기서, 올리고머란, 공유 결합된 두개 이상의 모노머(monmer)로 이루어진 폴리머(polymer) 중 분자량이 대략 1000 이하의 것을 지칭하는 의미로 사용될 수 있다. 구체적으로 약 2-500개의 모노머, 바람직하기로는 5-30개의 모노머를 포함하는 것일 수 있다. 그러나, 올리고머 프로브의 의미가 상기 수치에 제한되는 것은 아니다.
올리고머 프로브를 구성하는 모노머는 분석 대상이 되는 바이오 시료의 종류에 따라 변형 가능하며, 예를 들면 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 아미노산, 펩티드 등일 수 있다.
뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드는 공지의 퓨린 및 피리미딘 염기를 포함할 뿐만 아니라 메틸화된 퓨린 또는 피리미딘, 아실화된 퓨린 또는 피리미딘 등을 포함할 수 있다. 또, 뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드는 종래의 리보스 및 디옥시리보스 당을 포함할 뿐만 아니라 하나 이상의 하이드록실기가 할로겐 원자 또는 지방족으로 치환되거나 에테르, 아민 등의 작용기가 결합한 변형된 당을 포함할 수 있다.
아미노산은 자연에서 발견되는 아미노산의 L-, D-, 및 비키랄성(nonchiral)형 아미노산뿐만 아니라 변형 아미노산(modified amino acid), 또는 아미노산 유사체(analog) 등일 수 있다.
펩티드란 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이의 아미드 결합에 의해 생성된 화합물을 지칭한다.
특별히 다른 언급이 없는 한, 이하의 실시예들에서 예시적으로 상정되는 프로브는 DNA 프로브로서, 약 5-30개의 뉴클레오타이드의 모노머가 공유 결합된 올리고머 프로브이다. 그러나, 본 발명이 그에 제한되는 것은 아니며, 상술한 다양한 프로브들이 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 바이오 센서는 하나 이상의 나노홀 어레이들을 포함할 수 있고, 이에 따라 하나 이상의 나노홀 어레이 각각은 기판의 표면으로부터 수직으로 연장되어 있다.
각각의 나노홀 어레이는 빛을 나노홀 어레이 안으로 지향(direct)시키도록 구성된 광학 커플러와 연결될 수 있다.
빛은 개개의 나노홀 어레이들 내에서 이들의 직경에 따라 유도 모드(guided mode)로 결합될 수 있으며, 더 긴 파장을 가진 빛은 더 큰 직경의 나노홀 어레이에 결합될 수 있다. 이와 같이 빛의 특정 파장이 개개의 나노홀 어레이에 결합되는 것은 결과적으로 이러한 빛의 파장이 거의 완벽하게(98%에 이를 정도로 높게) 흡수될 수 있도록 한다.
예를 들어, 만약 이러한 메타표면 나노홀 어레이가 백색광(white light)에 노출된다면, 이머징라이트(emerging light)의 파장은 백색광을 제외(subtract)하게 될 것이다. 따라서, 다양한 직경을 갖는 메타표면 나노홀 어레이의 상이한 직경들에 따라 빛의 다양한 파장들을 제외시키기 위한 필터로서 동작할 수 있다.
즉, 다양한 직경을 갖는 메타표면 나노홀 어레이를 기판에 적절히 배치함으로써 특정 컬러 혹은 색조(color shades)를 필터링하기 위한 컬러 필터가 설계될 수 있으며, 나아가 나노홀 어레이의 물질, 나노홀 어레이의 길이, 나노홀 어레이를 둘러싸는 물질 등과 같은 인자들이 메타표면 나노홀 어레이의 직경과 그 흡수되는 파장 간의 특정 관계를 결정할 수 있다.
예를 들어, 약 90 ㎚ 내지 약 110 ㎚의 직경을 가지며 실리콘으로 되어 있는 메타표면 나노홀 어레이는 적색광(red light)을 제외시킬 수 있고, 반면 동일한 직경을 가지며 비화 갈륨으로 되어 있는 나노홀 어레이는 다른 파장을 제외시킬 수 있다. 마찬가지로, 만약 실리콘 나노홀 어레이가 공기와는 다른 물질에 의해 둘러싸인다면, 이러한 메타표면 나노홀 어레이에 의해 제외되는 파장은 변할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 AAO 메타표면 나노홀 어레이를 이용한 컬러필터를 이용하였으며, 나노홀 어레이의 직경에 따라 투과되는 빛의 파장이 상이한 것을 도 6에 나타내었다.
즉 본 발명은 상기한 내용의 연장선상에서, 나노홀 어레이에 부착된 리셉터에 표적물질이 결합함으로써 흡수하는 빛의 파장이 변한다는 사실에 기반하여 신규한 바이오센서를 제공한다.
실시예
도 1은 본 발명의 실시 태양에 따른 바이오 센서의 개략적인 작동 원리를 나타낸 개념도로서, 실제 비율이 도시되거나 제시된 도면에 의하여 치수 및 종횡비가 한정되는 것은 아니다. 상기 바이오 센서는 기판, 광다이오드 및 클래드를 포함할 수 있다. 클래드는 기본적으로 기판 및 광다이오드로부터 수직으로 확장하는 하나 이상의 메타표면 나노홀 어레이를 포함할 수 있다.
상기 메타표면 나노홀 어레이에는 하나 이상의 리셉터가 부착되어 있으며, 표적물질이 상기 리셉터에 결합할 수 있다. 구체적으로, 상기 리셉터는 나노홀 어레이 내부 기공의 표면에 부착된 형태(도 1A)이거나, 메타표면 나노홀 어레이 기공 외부에 부착된 형태(도 1B)일 수 있다.
상기 기판은 실리콘(silicon, Si), 실리콘 산화물(silicon oxide, SiO2), 질화규소(silicon nitride, Si3N4), 사파이어(sapphire), 다이아몬드(diamond), 탄화규소(silicon carbide), 질화갈륨(gallium nitride, GaN), 게르마늄(germanium, Ge), 인듐 갈륨 비소화물(indium gallium arsenide, InGaAs), 갈륨 비소화물(gallium arsenide, GaAs), 황화납(lead sulfide) 및/또는 이들의 조합과 같은 어느 적합한 재료를 포함할 수 있으며, 본 실시예에서는 실리콘 산화물(SiO2)을 이용하여 제조하였으나, 이에 제한되지 않는다.
광다이오드는 어느 적합한 광다이오드일 수 있다. 광다이오드는 p-i-n 접합의 p-n 접합 및 어느 적합한 회로를 가질 수 있다. 광다이오드는 바람직하게는 클래드의 풋프린트를 완벽하게 둘러싸고 있는 풋프린트를 가진다.
메타표면 나노홀 어레이는 대표적인 하드 주형법(hard templating)인 다공성 나노 기공을 가지고 있는 아노딕 알루미늄 옥사이드(anodic aluminum oxide, AAO)를 이용하여 제조하였으며, 폴리 9,9-디옥틸플루오렌(poly(9,9-dioctylflurorene, PFO), 폴리 9,9-디옥틸플루오렌-코-벤조싸이아디아졸(poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole, F8BT) 및 폴리 3-헥실사이오펜(poly(3-hexylthiophene, P3HT) 등을 재료로 사용할 수 있으나, 메타표면 나노홀 어레이 및 기판은 실질적으로 동일한 화학적 조성을 가지는 것이 바람직하다.
메타표면 나노홀 어레이 및 기판의 결정 격자는, 만일 둘 다 단결정이라면, 그들 사이의 계면에서 연속적인 것이 바람직하다. 메타표면 나노홀 어레이는 같거나 다른 모양 및 크기를 가질 수 있다. 메타표면 나노홀 어레이는 임의의 적절한 패턴으로 정렬될 수 있고, 예로, 직사각형 그리드, 정사각형 그리드, 육각형 그리드 및 동심원 등을 포함할 수 있다.
이때, 메타표면 나노홀 어레이의 굴절률(즉, 비굴절률 차(refractive index contrast))과 메타표면 나노홀 어레이를 둘러싸고 있는 클래드의 굴절률의 비율은 같거나 높을 수 있고, 바람직하게는 최소한 2이며, 더 바람직하게는 최소한 3이다.
나노홀 어레이의 기공 반지름은 1 내지 1000nm이며, 바람직하게는 5 내지 500nm이고, 더욱 바람직하게는 10 내지 100nm이다. 나노홀 어레이의 길이는 수십 나노미터에서 수백 마이크로미터까지 필요에 따라 적절히 변경하여 적용 가능하다. 도 4에는 AAO를 이용하여 제조한 나노홀 어레이의 현미경 사진을 나타내었으며, 각각 약 70nm의 직경(도 4A) 및 약 20nm(도 4B)의 직경을 갖는 AAO 나노홀 어레이를 나타내었다.
클래드는 질화규소, 실리콘 산화물 및/또는 이들의 조합과 같은 어느 적합한 재료를 포함할 수 있다. 클래드는 바람직하게는 최소한 50%, 더 바람직하게는 최소한 70%, 가장 바람직하게는 최소한 90%의 투과율을 갖는 가시광선에 대체로 투명한 것이 바람직하다.
상기 바이오 센서는 나노홀 어레이에 부착된 리셉터에 표적물질이 결합함으로써 필터링되는 빛의 파장이 변화되어 색상이 변경되고, 이를 감지함으로써 대상시료 내 미량으로 존재하는 표적물질의 존재 수준을 알 수 있다.
도 5는 상기 바이오 센서를 이용하여 질병과 관련된 바이오 마커를 검출하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 본 발명의 기술분야에 숙련된 자들은 합당한 실험으로 이러한 방법의 다양한 단계들의 순서를 바꾸더라도 사용되는 특정 공정 및 물질에 따라 동일하거나 유사한 결과들이 나올 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 본 명세서에서 설명되는 다양한 단계들이 수행되는 순서 및 공정은 한정의 의미로 고려되어서는 안되며, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들은 본 개시내용의 사상 및 범위 내에서 이러한 방법을 적절하게 수정하여 적용할 수 있을 것이다. 다양한 실시예에서는, 예시되는 단계들 중 하나 이상의 단계가 생략될 수 있다. 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자는 원하는 결과를 여전히 획득하면서도 어떤 단계들이 생략될 수 있는지를 예를 들어, 사용되는 특정 물질, 물질의 품질, 이용가능한 시약(reagents), 이용가능한 장비 등과 같은 인자들에 근거하여 결정할 수 있을 것이다.
일 실시예에서 상기 바이오 센서를 이용하여 질병과 관련된 바이오 마커를 검출하는 방법은 AAO를 이용하여 기판에 수직으로 연장되는 메타표면 나노홀 어레이를 형성하는 단계(110); 메타표면 나노홀 어레이에 표적물질의 리셉터를 결합시키는 단계(120); 표적물질이 포함된 대상시료를 바이오 센서에 접촉시키는 단계(130); 리셉터에 표적물질이 결합되어 변화하는 색상을 센서를 통해 감지하는 단계(140); 및 색상의 변화정도를 감지하여 대상시료 내 표적물질의 수준을 판별하는 단계(150)를 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 바이오 센서에 있어서,
    기판; 상기 기판의 상층부에 위치하는 금속층; 상기 금속층의 상층부에 위치하는 클래드;를 포함하고,
    상기 클래드는 내부에 하나 이상의 메타표면 나노홀 어레이;를 포함하며,
    상기 메타표면 나노홀 어레이는 표면에 표적물질과 결합할 수 있는 하나 이상의 리셉터;가 부착되어 있고, 각각의 나노홀 어레이는 기판으로부터 수직방향으로 연장된 형태인 것인, 바이오 센서.
  2. 바이오 센서에 있어서,
    기판; 상기 기판의 상층부에 위치하는 클래드;를 포함하고,
    상기 클래드는 내부에 하나 이상의 메타표면 나노홀 어레이;를 포함하며,
    상기 메타표면 나노홀 어레이는 표면에 표적물질과 결합할 수 있는 하나 이상의 리셉터;가 부착되어 있고, 각각의 나노홀 어레이는 기판으로부터 수직방향으로 연장된 형태인 것인, 바이오 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메타표면 나노홀 어레이는 나노홀의 직경(diameter)에 따라 미리 설정된 빛의 기본 주파수(fundamental frequency)를 필터링하도록 설정되어 있고, 나노홀 어레이에 부착된 리셉터에 표적물질이 결합하는 순간 필터링하는 빛의 파장이 변경되는 것인, 바이오 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메타표면 나노홀 어레이는 아노딕 알루미늄 옥사이드(anodic aluminum oxide, AAO)를 이용하여 메타표면 나노홀 어레이 전체가 균일한 화학적 조성으로 이루어지도록 제조된 것인, 바이오 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메타표면 나노홀 어레이는 실리콘(silicon, Si), 게르마늄(germanium, Ge), 인화 붕소(boronphosphide, BP), 비화 붕소(boron arsenide, BAs), 인화 알루미늄(aluminum phosphide, AlP), 비화 알루미늄(aluminum arsenide, AlAs), 안티몬화 알루미늄(aluminum antimonide, AlSb), 질화 갈륨(gallium nitride, GaN), 인화 갈륨(gallium phosphide, GaP), 비화 갈륨(gallium arsenide, GaAs), 안티몬화 갈륨(gallium antimonide, GaSb), 질화 인듐(indium nitride, InN), 인화 인듐(indium phosphide, InP), 비화 인듐(indium arsenide, InAs), 산화 아연(zinc oxide, ZnO), 황화 아연(zinc sulfide, ZnS), 셀렌화 아연(zinc selenide, ZnSe), 텔루르화 아연(zinc telluride, ZnTe), 황화 카드뮴(cadmium sulfide, CdS), 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide, CdSe), 및 텔루르화 카드뮴(cadmium telluride, CdTe)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하여 제조된 것인, 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속층을 구성하는 금속 물질은 은(silver)인 것인, 바이오 센서.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 클래드는 나노홀 어레이 전체를 둘러싸고 있는 형태인, 바이오 센서.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 표적물질은 항원, 단백질, 아미노산, DNA, RNA, 펩타이드(peptide) 중 1종 이상으로 구성되고,
    상기 표적물질과 결합하는 상기 리셉터는 항체, 압타머(aptamer), 아미노산, 펩타이드(peptide), 단백질, DNA, RNA, 나노입자 중 1종 이상으로 구성되며,
    상기 표적물질-리셉터의 반응을 통하여 변화하는 빛의 파장을 측정하는 것인, 바이오 센서.
  9. (a) 피험체로부터 대상시료를 수득하는 단계;
    (b) 상기 시료를 제1항 또는 제2항의 바이오 센서에 접촉시키는 단계;
    (c) 대상시료에 존재하는 표적물질이 상기 바이오 센서 내 리셉터에 결합됨에 따라 변화하는 색상을 센서를 통해 감지하는 단계; 및
    (d) 색상의 변화정도를 감지하여 대상시료 내 표적물질의 수준을 판별하는 단계;를 포함하는 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 대상시료는 조직, 세포, 전혈, 혈장, 혈청, 혈액, 타액, 객담, 림프액, 뇌척수액, 세포간액 및 소변으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것인, 정보 제공 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 표적물질은 스크리닝(screening) 바이오마커, 예후(prognostic) 바이오마커, 계층(stratification) 바이오마커, 효능(efficacy) 바이오마커, 독성(toxicity) 바이오마커, 반응예측(Predictive) 바이오마커 및 약역학(Pharmacodynamic) 바이오마커로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인, 정보 제공 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 질병은 당뇨병, 류마티스 관절염, 백혈병(leukemia), 림프종(lymphoma) 혈액종양(hematopoietic malignancy), 자궁경부암(cervical cancer), 육종(sarcoma), 고환암(testicular cancer), 악성 흑색종(malignant melanoma), 내분비 종양(endocrine tumor), 골암(bone cancer), 전립선암(prostate cancer), 자궁암(uterus cancer), 유방암(breast cancer), 방광암(bladder cancer), 뇌 종양(brain cancer), 간암(liver cancer), 위암(stomach cancer), 췌장암(pancreas cancer), 피부암(skin cancer), 폐암(lung cancer), 후두암(larynx cancer), 두경부암(head and neck cancer), 식도암(esophageal cancer), 대장암(colorectal cancer) 및 난소암(ovarian cancer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것인, 정보 제공 방법.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오 센서를 포함하는, 질병 진단용 키트.
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