KR20210091990A - 유전물질 검출 장치 및 유전물질 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료로부터 타겟 유전물질을 검출하기 위한 탐지체; 상기 탐지체로부터 탐지 신호를 감지하고 상기 타겟 유전물질 존부를 판단하는 판단부; 및 탐지체에 전기장을 인가하는 방전부를 포함하고, 상기 탐지체는 기재; 상기 기재의 일측 상에 제공되어 상기 타겟 유전물질의 일 측과 상보적으로 결합하는 탐지 유전물질; 상기 탐지 유전물질과 이격되어 제공되어 상기 타겟 유전물질의 타 측과 상보적으로 결합하는 신호 유전물질을 포함하고, 상기 방전부로부터 인가된 상기 전기장은 상기 탐지 유전물질 또는 상기 신호 유전물질과 상기 시료 내 불순물간 결합을 방지하는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.

Description

유전물질 검출 장치 및 유전물질 검출 방법{DETECTING DEVICE OF GENETIC MATERIAL AND DETECTING METHOD OF GENETIC MATERIAL}
본 발명은 유전물질 검출 장치 및 유전물질 검출 방법에 관한 것이다.
최근 유전공학의 발전과 함께 다양한 분야에서 유전공학이 사용되고 있다. 유전공학이 사용되는 분야 중 하나는 시료 분석이다. 시료 분석을 수행함에 있어서 유전공학은 특정 유전물질을 검출하는데 이용될 수 있다. 이에 따라, 특정 유전물질 포함하는 박테리아, 세균 등을 검출할 수 있다.
다만, 이러한 유전공학을 이용한 유전물질 검출 방법에도 한계는 있다. 예를 들어, 유전물질 검출을 위해서는 매우 높은 민감도가 요구되기 때문에 사용에 제약이 따른다. 특히, 시료에 불순물이 포함된 경우 또는 시료의 양이 적은 경우 유전물질 검출에 어려움이 있을 수 있다. 이러한 문제는 특히 환경 시료를 대상으로 유전물질 검출을 수행할 때 대두될 수 있다. 환경 시료 내에는 상대적으로 적은 양의 유전물질만이 포함되어 있을 수 있으며, 불순물이 많이 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라, 환경 시료 내에서 특정 유전물질을 검출하기 위해서는 불순물이 있는 환경에서도 높은 민감도로 작동할 수 있는 유전물질 검출 장치 또는 유전물질 검출 방법이 필요하다.
본 발명은 불순물이 있는 환경에서도 높은 민감도로 특정 유전물질을 검출할 수 있는 유전물질 검출 장치 또는 유전물질 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료로부터 타겟 유전물질을 검출하기 위한 탐지체; 상기 탐지체로부터 탐지 신호를 감지하고 타겟 유전물질 존부를 판단하는 판단부; 및 탐지체에 전기장을 인가하는 방전부를 포함하고, 상기 탐지체는 기재; 상기 기재의 일측 상에 제공되어 상기 타겟 유전물질의 일 측과 상보적으로 결합하는 탐지 유전물질; 상기 탐지 유전물질과 이격되어 제공되어 상기 타겟 유전물질의 타 측과 상보적으로 결합하는 신호 유전물질을 포함하고, 상기 방전부로부터 인가된 상기 전기장은 상기 탐지 유전물질 또는 상기 신호 유전물질과 상기 시료 내 불순물간 결합을 방지하는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방전부는 상기 시료와 맞닿는 형태로 제공되는 제1 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 시료와 이격되어 제공되는 제2 전극을 포함하고, 상기 전기장은 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극을 향해 인가되는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은 평판 형상을 갖고, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 향하는 탐침 형태로 제공되는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탐지 유전물질 및 상기 신호 유전물질 중 적어도 하나는 상기 타겟 유전물질과 상보적으로 결합하는 영역과 이격된 영역에 제공된 형광체를 포함하는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 형광체는 양자점을 포함하는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탐지 유전물질 상에는 제1 형광체가 제공되고, 상기 신호 유전물질 상에는 상기 제1 형광체와 상이한 제2 형광체가 제공되는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탐지 유전물질, 상기 신호 유전물질, 및 상기 타겟 유전물질은 DNA인, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기재는 자성을 갖는 입자를 포함하는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기장은 상기 탐지 유전물질 또는 상기 신호 유전물질과 마그네슘 이온(Mg2+)간 결합을 방지하는, 유전물질 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 타겟 유전물질을 포함하는 시료를 준비하는 제1 단계; 상기 시료와 탐지체를 혼합하면서 상기 시료와 상기 탐지체 상에 전기장을 인가하는 제2 단계; 상기 탐지체 및 상기 타겟 유전물질을 상기 시료로부터 분리하고 상기 탐지체 및 상기 타겟 유전물질로부터 제공되는 탐지 신호를 확인하는 제3 단계를 포함하고, 상기 전기장은 상기 탐지체와 상기 시료 내 불순물이 결합하는 것을 방지하는, 유전물질 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탐지체는 기재; 상기 기재의 일측 상에 제공되어 상기 타겟 유전물질의 일 측과 상보적으로 결합하는 탐지 유전물질; 상기 탐지 유전물질과 이격되어 제공되어 상기 타겟 유전물질의 타 측과 상보적으로 결합하는 신호 유전물질을 포함하고, 상기 제2 단계에서 상기 타겟 유전물질은 상기 탐지 유전물질 및 상기 신호 유전물질과 결합하는, 유전물질 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탐지 유전물질에는 제1 형광체가 제공되고, 상기 신호 유전물질에는 상기 제1 형광체와 상이한 제2 형광체가 제공되고, 상기 제3 단계에서 상기 제1 형광체에 의해 발생된 제1 파장 대역의 신호의 크기와 상기 제2 형광체에 의해 발생된 제2 파장 대역의 신호의 크기를 비교하는, 유전물질 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기재는 자성을 갖는 입자를 포함하고, 상기 제3 단계에서 상기 시료에 자기장을 인가하여 상기 탐지체 및 상기 타겟 유전물질을 상기 시료로부터 분리하는, 유전물질 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탐지 유전물질, 상기 신호 유전물질, 및 상기 타겟 유전물질은 DNA인, 유전물질 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 단계에서 1kV 내지 4kV의 전압을 인가함으로써 상기 전기장을 형성하는, 유전물질 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기장은 상기 탐지체와 마그네슘 이온(Mg2+)간 결합을 방지하는, 유전물질 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 불순물이 있는 환경에서도 높은 민감도로 특정 유전물질을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마그네슘 이온이 존재하는 환경 시료로부터 높은 민감도로 특정 유전물질을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐지체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 판단부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치의 검출 민감도를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 마그네슘 이온이 유전물질 검출에 미치는 영향을 나타낸 그래프이며, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치의 유전물질 검출 성능을 나타낸 그래프이다. 도 6d는 비교예에 따른 유전물질 검출 장치의 유전물질 검출 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 마그네슘 이온이 유전물질 검출에 미치는 영향을 나타낸 그래프이며, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치의 유전물질 검출 성능을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치 및/또는 유전물질 검출 방법을 이용하면 마그네슘 이온(Mg2+) 등의 불순물이 많은 시료에서도 높은 민감도로 특정 유전물질을 검출할 수 있다. 이에 따라, 본 유전물질 검출 장치 및/또는 유전물질 검출 방법 운용이 매우 용이하며 그 활용폭이 크다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치를 나타낸 단면도이다.
도 1에 따르면, 유전물질 검출 장치(10)가 제공된다. 유전물질 검출 장치(10)는 시료(20) 내에 검출하고자 하는 타겟 유전물질(21)이 존재하는지 여부와 타겟 유전물질(21)이 존재한다면 그 양이 어느 정도인지를 확인하는데 사용될 수 있다.
유전물질 검출 장치(10)로 검사할 수 있는 시료(20)에는 제한이 없다. 예를 들어, 유전물질 검출 장치(10)는 대기 시료, 수질 시료, 토양 시료 등의 환경 시료일 수 있다. 시료(20)는 액체 상으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 고체 상 또는 기체 상의 시료(20)의 경우 용매에 용해된 형태로 제공될 수 있다.
유전물질 검출 장치(10)로 확인할 수 있는 타겟 유전물질(21)에도 제한이 없다. 예를 들어, 타겟 유전물질(21)은 단일가닥 DNA(ssDNA), 이중가닥 DNA(dsDNA), RNA 등 다양한 유전물질일 수 있다. 타겟 유전물질(21)은 식물, 동물, 미생물, 또는 박테리아 등에서 추출한 염색체, 유전인자, 플라스미드 형태로 시료(20) 내에 제공될 수 있다.
유전물질 검출 장치(10)는 간결한 구성을 가지며 저전력으로 구동될 수 있다. 이에 따라 유전물질 검출 장치(10)는 휴대성이 우수하다. 사용자는 유전물질 검출 장치(10)를 시료 채취 현장 등으로 가지고 가서 바로 이용할 수 있다. 이에 따라 시료(20)를 채취한 후 보관하고 이동하는 데서 발생하는 비용과 시간이 절약될 수 있다. 또한, 시료(20)가 채취된 후 검사를 위해 이동되는 과정에서 변질될 우려가 적다. 예를 들어, 미생물을 포함하는 시료(20)의 경우 시료(20)를 현장에서 채취한 후 타겟 유전물질(21) 검출을 위해 이동하는 과정에서 미생물이 증식할 가능성이 있다. 이 경우 시료(20)를 채취하는 시점과 시료(20)를 검사하는 시점에서의 미생물의 양, 즉 타겟 유전물질(21)의 양이 달라질 수 있다. 유전물질 검출 장치(10)를 시료 채취 현장으로 가져가고, 시료 채취 현장에서 바로 시료(20)를 검사함으로써 상술한 문제가 없고 보다 정확한 시료 검사가 가능하다.
유전물질 검출 장치(10)는 시료(20)로부터 타겟 유전물질(21)을 검출하기 위하여, 탐지체(100), 방전부(200), 및 판단부(300)를 포함한다.
유전물질 검출 장치(10)를 이용한 유전물질 검출은 용기(30) 내부에 탐지체(100) 및 방전부(200)를 삽입함으로써 수행될 수 있다.
용기(30)는 시료(20)를 담는 기구로, 상술한 것과 같이 액체 상의 시료(20)를 담을 수 있다. 용기(30)는 플라스크, 비커, 바이알, 실린더 등 다양한 종류일 수 있다. 유전물질 검출 장치(10)는 상대적으로 간소한 구성을 갖기 때문에 유전물질 검출 장치(10)를 사용할 수 있는 용기(30)에는 제한이 없다. 용기(30)는 일면이 오픈된 형태를 가질 수 있으며, 오픈된 면을 통해 유전물질 검출 장치(10)의 적어도 일부가 용기(30) 내부로 삽입될 수 있다.
탐지체(100)는 용기(30) 내부에 제공되어 시료(20)에 혼합된다. 탐지체(100)는 고체 또는 액상 시약 형태로 준비될 수 있으며, 용기(30) 내에 제공된 시료(20)와 혼합되도록 제공될 수 있다. 이때 탐지체(100)를 시료(20)와 혼합하기 위하여 교반 등의 부가 공정이 수행될 수 있다.
탐지체(100)의 종류는 시료(20)의 종류 또는 타겟 유전물질(21)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 타겟 유전물질(21)은 상술한 것과 같이 단일가닥 DNA(ssDNA), 이중가닥 DNA(dsDNA), RNA 등 다양한 유전물질일 수 있는데, 탐지체(100)의 종류는 타겟 유전물질(21)의 종류에 대응하여 달라질 수 있다.
탐지체(100)는 기재(110), 탐지 유전물질(120), 및 신호 유전물질(130)을 포함한다.
기재(110)는 탐지 유전물질(120)을 지지한다. 기재(110)는 시료(20) 내에 균일하게 혼합될 수 있는 형태와 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 기재(110)는 구, 타원구, 반구, 반타원구, 원기둥, 원뿔, 직육면체, 정육면체, 사각뿔, 삼각뿔, 사각대 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 기재(110)가 구 형태인 경우, 기재(110)는 약 1μm 내지 약 3μm의 직경을 가질 수 있다. 기재(110)가 상술한 범위의 크기를 가짐으로써 시료(20) 내에 안정적으로 분산될 수 있다.
기재(110)는 자성을 갖는 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재(110)는 강자성(ferromagnetism)을 갖는 입자, 상자성(paramagnetism)을 갖는 입자 등으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기재(110)는 페라이트(ferrite)와 같은 자성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
기재(110)가 자성을 갖는 입자를 포함함으로써, 이후 기재(110)를 포함하는 탐지체(100)를 시료(20)로부터 쉽게 분리할 수 있다. 구체적으로, 시료(20)와 탐지체(100)의 혼합물에 자기장을 인가하여, 자성을 띠는 탐지체(100)를 분리할 수 있다.
기재(110) 외부에는 카르복시산 등의 작용기를 갖는 고분자층이 제공될 수 있다. 이에 따라, 기재(110)는 자성을 가지면서도 탐지 유전물질(120) 등과 안정적으로 결합할 수 있다.
기재(110)의 일측 상에는 탐지 유전물질(120)이 제공된다.
탐지 유전물질(120)은 단일가닥 DNA(ssDNA), 이중가닥 DNA(dsDNA), RNA 등 다양한 유전물질일 수 있다. 탐지 유전물질(120)의 종류는 상술한 것과 같이 타겟 유전물질(21)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 타겟 유전물질(21)이 단일가닥 DNA인 경우, 탐지 유전물질(120) 또한 단일가닥 DNA일 수 있다.
탐지 유전물질(120)은 선형 형태로 제공되며, 일측에서 기재(110)와 결합하고 타측에서 타겟 유전물질(21)과 상보적으로 결합할 수 있다. 이때 탐지 유전물질(120)이 타겟 유전물질(21)과 상보적으로 결합한다는 것은 탐지 유전물질(120)의 적어도 일부가 타겟 유전물질(21)의 염기 서열 중 적어도 일부에 대응되는 서열을 갖는다는 것을 의미한다. 탐지 유전물질(120)과 타겟 유전물질(21)은 아데닌(A)-티민(T)간 결합 및/또는 구아닌(G)-사이토신(C)간 결합에 의해 결합될 수 있다. 예를 들어, 타겟 유전물질이 5'-TTA GAG CAT CCA TGA AAG CAT TAG CTG CGG CAT AAT TAC TTT GAC CAG GC-3'의 염기서열을 갖는 때, 탐지 유전물질(120)은 상보적으로 결합할 수 있는 염기서열인 AAT-CTC GTA GGT ACT TTC GTA ATC GAC GCC TTA ATG AAA CTG GTC CG 중 적어도 일부 서열을 가질 수 있다.
탐지 유전물질(120)이 타겟 유전물질(21)과 상보적으로 결합하기 때문에, 시료(20) 내에 복수 개의 서로 다른 유전물질이 있는 경우에도 탐지 유전물질(120)은 타겟 유전물질(21)과만 결합할 수 있다.
신호 유전물질(130)은 탐지체(100)의 일부로 기재(110) 및 타겟 유전물질(120)의 복합체와 한 쌍으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 탐지체(100) 내에는 기재(110)-타겟 유전물질(120) 복합체와 신호 유전물질(130)이 동일한 수로 제공될 수 있다.
신호 유전물질(130)은 기재(110)-타겟 유전물질(120)의 복합체와 이격되어 제공된다. 따라서 신호 유전물질(130)과 기재(110)-타겟 유전물질(120)의 복합체는 시료(20) 내에 혼합된 후에는 서로 분리되어 분산될 수 있다.
신호 유전물질(130)은 단일가닥 DNA(ssDNA), 이중가닥 DNA(dsDNA), RNA 등 다양한 유전물질일 수 있다. 탐지 유전물질(120)의 종류는 상술한 것과 같이 타겟 유전물질(21)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 타겟 유전물질(21)이 단일가닥 DNA인 경우, 신호 유전물질(130) 또한 단일가닥 DNA일 수 있다.
신호 유전물질(130)은 타겟 유전물질(21)과 상보적으로 결합할 수 있다. 신호 유전물질(130)과 타겟 유전물질(21)은 아데닌(A)-티민(T)간 결합 및/또는 구아닌(G)-사이토신(C)간 결합에 의해 결합될 수 있다. 따라서, 타겟 유전물질(21)은 일측에서 탐지 유전물질(120)과 결합하고, 타측에서 신호 유전물질(130)과 결합하는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 타겟 유전물질(21)이 5'-TTA GAG CAT CCA TGA AAG CAT TAG CTG CGG CAT AAT TAC TTT GAC CAG GC-3'의 염기서열을 갖는 때, 신호 유전물질(130)과 탐지 유전물질(120)은 상보적으로 결합할 수 있는 염기서열인 AAT-CTC GTA GGT ACT TTC GTA ATC GAC GCC TTA ATG AAA CTG GTC CG 중 적어도 일부 서열을 나누어 가질 수 있다.
탐지체(100)에 제공된 탐지 유전물질(120) 및 신호 유전물질(130)이 각각 상보적으로 타겟 유전물질(21)과 결합함으로써, 시료(20)가 여러 종류의 유전물질을 포함하고 있는 경우에도 타겟 유전물질(21)을 민감하게 검출할 수 있다. 구체적으로, 타겟 유전물질(21)은 양 단에서 탐지 유전물질(120) 및 신호 유전물질(130)과 결합함으로써 탐지체(100)-타겟 유전물질(21)의 복합체를 형성할 수 있다. 탐지체(100)-타겟 유전물질(21)의 복합체는 시료(20)로부터 분리될 수 있고, 이를 통해 시료(20) 내에 얼마나 많은 타겟 유전물질(21)이 존재하는지 확인할 수 있다. 타겟 유전물질(21)의 양을 확인하는 방법에 대한 구체적인 내용은 후술하고자 한다.
탐지체(100) 및 시료(20)가 제공된 용기(30) 내에는 방전부(200)가 제공된다.
방전부(200)는 시료(20) 및 탐지체(100)에 전기장을 인가한다. 방전부(200)가 인가한 전기장은 탐지 유전물질(120) 및/또는 신호 유전물질(130)이 시료(20) 내에 존재하는 불순물과 결합하지 않도록 한다. 예를 들어, 시료(20) 내에 존재하는 마그네슘 이온(Mg2+)과 같은 불순물이 탐지 유전물질(120) 및/또는 신호 유전물질(130)과 결합하는 경우, 탐지 유전물질(120) 및/또는 신호 유전물질(130)과 타겟 유전물질(21)간 상보적 결합 형성이 어렵다. 이 경우 탐지체(100)에 의한 타겟 유전물질(21) 검출능이 크게 저하될 수 있다. 방전부(200)가 인가하는 전기장은 시료(20) 내에 존재하는 마그네슘 이온(Mg2+)과 같은 불순물이 탐지 유전물질(120) 및/또는 신호 유전물질(130)과 결합하지 않도록 하고 이에 따라 유전물질 검출 장치(10)의 검출 민감도가 향상될 수 있다.
방전부(200)는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)을 포함할 수 있다. 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 존재하는 전압 차이에 의하여 전기장이 인가될 수 있다.
제1 전극(210)은 애노드(anode)로 기능할 수 있다. 제1 전극(210)은 전원과 연결될 수 있다. 이때 전원은 유전물질 검출 장치(10) 내부에 제공된 전원이거나 휴대용 보조 배터리, 콘센트와 같은 외부 전원일 수 있다.
제1 전극(210)은 시료(20)와 맞닿는 형태로 제공될 수 있다. 시료(20)가 액체 상의 시료인 때, 제1 전극(210)은 액체 상의 시료에 잠긴 형태로 제공될 수 있다. 이에 따라, 제2 전극(220)에서 제1 전극(210) 방향으로 전기장이 형성되는 때 시료(20)의 표면이 제1 전극(210)과 같이 대전되고 전하 이동 영역이 시료(20) 표면 전체에 걸쳐 형성될 수 있다.
제1 전극(210)은 평판 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 전극(220)에서 제1 전극(210) 방향으로 전기장이 형성되는 때, 전기장은 제2 전극(220)으로부터 방사상으로 뻗어 나와 시료(20)의 넓은 영역에 인가될 수 있다. 경우에 따라, 제1 전극(210)은 평판 형상의 다공성 디스크와 다공성 디스크에 삽입된 복수 개의 탐침 형태로 제공될 수 있다.
제1 전극(210)은 전기 전도성을 가지며 시료(20)와 반응성이 낮은 물질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(210)은 알루미늄, 스테인리스 스틸과 같은 금속으로 제작될 수 있다.
제1 전극(210)과 이격된 형태로 제2 전극(220)이 제공될 수 있다.
제2 전극(220)은 캐소드(cathode)로 기능할 수 있다. 제2 전극(220) 역시 전원과 연결될 수 있다.
제2 전극(220)은 제1 전극(210)으로부터 이격되어 제공되며, 제1 전극(210)이 시료(20)에 잠긴 형태로 제공될 때, 제2 전극(220)은 시료(20)와 접촉하지 않고 이격되어 제공될 수 있다.
제2 전극(220)은 제1 전극(210)을 향하는 탐침 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(220)은 기둥 형태를 가지며 제1 전극(210)을 향할수록 기둥의 폭이 작아지는 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 전극(220)의 말단은 바늘과 같이 뾰족한 형태를 가지고 제1 전극(210)을 향할 수 있다. 제2 전극(220)이 상술한 형태를 가짐으로써, 제2 전극(220)으로부터 제1 전극(210)으로 방사상으로 넓게 전기장이 형성될 수 있다.
전기장은 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 형성된다. 구체적으로, 제2 전극(220)으로부터 전자 구름이 제1 전극(210)을 향해 이동하는 형태로 전기장이 형성될 수 있다. 제2 전극(220)으로부터 제1 전극(210)을 향해 이동하는 전자 구름은 제2 전극(220)과 제1 전극(210) 사이에 존재하는 시료(20)에 영향을 미친다. 예를 들어, 시료(20)에 제공된 마그네슘 이온(Mg2+)은 전자 구름과 결합할 수 있다. 전자와 결합한 마그네슘 이온(Mg2+)은 타겟 유전물질(21), 탐지 유전물질(120), 또는 신호 유전물질(130)과 결합하지 않는다. 마그네슘 이온(Mg2+)과 같은 불순물이 타겟 유전물질(21), 탐지 유전물질(120), 또는 신호 유전물질(130)과 결합하는 경우, 상술한 탐지체(100)-타겟 유전물질(21) 복합체가 형성되기 어렵다. 이에 따라 유전물질 검출 장치(10)의 검출 민감도가 저하될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인가된 전기장에 의해 마그네슘 이온(Mg2+)은 타겟 유전물질(21), 탐지 유전물질(120), 또는 신호 유전물질(130)과 결합하지 않고, 이에 따라 유전물질 검출 장치(10)의 검출 민감도가 크게 향상된다.
종래에는 마그네슘 이온(Mg2+)과 같은 불순물이 타겟 유전물질(21), 탐지 유전물질(120), 또는 신호 유전물질(130)에 결합하는 것을 막기 위해 별도의 첨가물을 사용하였다. 예를 들어, 에틸렌디아민테트라아세틱에시드(Ethylene Diamine Tetra-acetic Acid; EDTA)와 같은 시약이 사용되었다. 그러나, 이러한 시약을 사용할 경우 시약을 담고 방출하기 위한 별도의 저장소 및 방출 부재가 필요하다. 이 경우 유전물질 검출 장치(10)의 구성이 복잡해지며 휴대성이 매우 저하될 수 있다. 본원 발명에 따른 유전물질 검출 장치(10)는 전기장을 이용하여 불순물을 제거하기 때문에, 액체 시약을 이용하는 종래 기술에 비하여 휴대성이 매우 우수하다.
전기장은 직접 마이크로 코로나 방전(Direct Corona Discharge) 형태로 제공될 수 있다.
전기장을 형성하기 위하여 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에는 약 1 kV 내지 약 4 kV의 전압이 인가될 수 있다. 전기장이 직접 마이크로 코로나 방전 형태인 경우, 상술한 마이크로 코로나 방전에 따른 코로나 전류(corona current)는 약 13 μA 내지 약 27 μA의 크기를 가질 수 있다. 상술한 전압과 전류를 갖는 마이크로 코로나 방전은 약 50 mW 이하의 전력을 소모할 수 있다. 이에 따라, 전기장을 형성하기 위한 전원은 상업적으로 이용되는 휴대용 배터리로 충분하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치(10)는 휴대성이 우수하다.
전기장을 형성하기 위해 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 상술한 것과 같이 이격되어 제공될 수 있다. 이때 전기장 형성에 필요한 전력 소모를 줄이기 위하여 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 최적이격거리(d)를 갖는 형태로 이격되어 제공될 수 있다. 최적이격거리(d)는 약 1 mm 내지 약 5 mm일 수 있다. 제1 전극(210)과 제2 전극(220)이 약 1 mm보다 가깝게 위치하는 경우 전기장이 충분히 넓게 형성되지 않을 수 있다. 반면 제1 전극(210)과 제2 전극(220)이 약 5 mm보다 멀리 떨어져서 위치하는 경우 시료를 지나는 단위 영역 당 전기장의 세기가 약하고, 충분한 전기장의 세기를 확보하기 위하여 필요한 전력량이 커질 수 있다.
전기장이 인가된 상태에서 탐지체(100)-타겟 유전물질(21) 복합체가 안정적으로 형성될 수 있다. 판단부(300)는 탐지체(100)로부터 발생되는 탐지 신호를 감지하여, 형성된 탐지체(100)-타겟 유전물질(21) 복합체의 양을 확인할 수 있다.
판단부(300)는 탐지체(100)-타겟 유전물질(21) 복합체를 시료(20)로부터 분리할 수 있고, 탐지체(100)로부터 발생되는 탐지 신호를 감지할 수 있다. 탐지체(100)로부터 발생되는 탐지 신호는 특정 대역의 파장 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 탐지 신호는 양자점과 같은 형광체로부터 방출되는 특정 대역의 파장일 수 있다. 판단부(300)에 의한 유전물질 검출 방법에 대한 자세한 내용은 후술하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치(10)는 타겟 유전물질(21)과 특이적으로 결합할 수 있는 탐지체(100)를 이용하여 타겟 유전물질(21)을 높은 민감도로 검출할 수 있다. 이때 유전물질 검출 장치(10)에 포함된 방전부(200)에 의해 인가되는 전기장이 시료(20)에 포함된 불순물에 의해 타겟 유전물질(21) 검출 민감도가 떨어지는 것을 막을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치(10)는 검출 민감도가 매우 우수하다. 또한, 본원 발명에 따른 유전물질 검출 장치(10)는 전기장을 이용하여 불순물을 제거하기 때문에, 액체 시약을 이용하는 종래 기술에 비하여 휴대성이 매우 우수하다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐지체의 단면도이다.
도 2a를 참고하면, 탐지체(100)가 제공된다. 탐지체(100)는 앞서 서술한 바와 같이 기재(110), 탐지 유전물질(120), 및 신호 유전물질(130)을 포함한다. 기재(110), 탐지 유전물질(120), 및 신호 유전물질(130)에 관한 사항은 설명의 중복을 피하기 위해 여기서 생략하고자 한다.
탐지 유전물질(120)과 신호 유전물질(130) 중 적어도 하나는 타겟 유전물질(21)과 상보적으로 결합하는 영역과 이격된 영역에 제공된 형광체를 포함할 수 있다.
탐지 유전물질(120)의 경우 기재(110)와 결합하는 영역에 제공되는 제1 형광체(125)를 포함할 수 있다. 제1 형광체(125)는 탐지 유전물질(120)과 기재(110)를 가교할 수 있다. 예를 들어, 기재(110)-제1 형광체(125)-탐지 유전물질(120)로 연결된 복합체가 제공될 수 있다.
제1 형광체(125)는 양자점일 수 있다. 이때 특정 조건에서 들뜬 상태(excited state)가 되어 제1 형광체(125)는 제1 파장 대역의 신호를 발산한다. 제1 형광체(125)가 양자점인 경우 방출하는 제1 파장 대역의 폭이 상대적으로 좁기 때문에 신호를 감지하기 유리하다.
신호 유전물질(130)의 경우 타겟 유전물질(21)과 상보적으로 결합하는 영역 반대편에 제2 형광체(135)가 제공될 수 있다. 제2 형광체(135) 역시 양자점일 수 있다. 제2 형광체(135)는 다만 제1 형광체(125)가 발산하는 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 신호를 발산할 수 있다. 이에 따라, 수신한 신호의 파장을 확인하여, 신호가 제1 형광체(125)로부터 발생된 것인지 제2 형광체(135)로부터 발생된 것인지 알 수 있다.
제1 형광체(125)와 제2 형광체(135)는 각각 복수 개 제공될 수 있다. 도면에 도시된 모습은 예시적인 것에 불과하다.
도 2b를 참고하면, 탐지체(100)와 타겟 유전물질(21)이 특이적으로 결합한 모습을 확인할 수 있다.
타겟 유전물질(21)은 일측에서 탐지 유전물질(120)과 상보적으로 결합하고, 타측에서 신호 유전물질(130)이 상보적으로 결합한다. 이에 따라 탐지체(100)-타겟 유전물질(21)의 복합체는 공유결합에 의해 연결될 수 있다.
타겟 유전물질(21)의 서열이 예를 들어 “TTA GAG CAT CCA TGA AAG CAT TAG CTG CGG CAT AAT TAC TTT GAC CAG GC”인 때, 타겟 유전물질(21)의 일측과 상보적으로 결합하는 탐지 유전물질(120)의 서열은 “NH2 - C6 스페이서 - TTC GCC TGG TCA AAG TAA TT”일 수 있다. 또한, 타겟 유전물질(21)의 타측과 상보적으로 결합하는 신호 유전물질(130)은 “TGC TTT CAT GGA TGC TCT AA - C6 스페이서 - NH2”의 서열을 가질 수 있다.
탐지체(100)-타겟 유전물질(21)의 복합체는 제1 형광체(125) 및 제2 형광체(135)를 모두 포함한다. 이에 따라, 탐지체(100)-타겟 유전물질(21)의 복합체로부터는 제1 형광체(125)로부터 발생된 제1 파장 대역의 신호와 제2 형광체(135)로부터 발생된 제2 파장 대역의 신호가 모두 검출될 수 있다.
판단부는 제1 파장 대역의 신호의 세기와 제2 파장 대역의 신호의 세기를 비교함으로써, 타겟 유전물질(21)이 시료에 얼마나 포함되어있는지 정량적으로 분석할 수 있다.
판단부의 판단 방법에 대해서는 이하 도 3에서 보다 자세히 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 판단부의 단면도이다.
판단부(300)는 제1 파장 대역의 신호의 세기와 제2 파장 대역의 신호의 세기를 비교함으로써, 타겟 유전물질(21)이 시료에 얼마나 포함되어있는지 정량적으로 분석한다.
이를 위하여 판단부(300)는 자성 유닛(310), 광원 유닛(320), 및 감광 유닛(330)을 포함할 수 있다.
자성 유닛(310)은 용기에 자기장을 인가함으로써 자성을 갖는 기재(110)를 끌어당긴다. 기재(110)는 자성 유닛(310)으로부터 인가된 자기장을 따라 자성 유닛(310) 상에 부착될 수 있다. 이를 통해 기재(110)를 시료로부터 분리할 수 있다. 자성 유닛(310)은 전자석 등 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 용기 내에 일시적으로 삽입되었다가 용기로부터 분리되어 광원 유닛(320) 및 감광 유닛(330)이 제공된 챔버 내에 제공될 수 있다.
자성 유닛(310)에 의해 시료로부터 분리된 기재(110)는 두 가지 형태를 가질 수 있다. 첫째로 기재(110)는 탐지 유전물질(120)과 결합된 형태로 제공될 수 있다. 이 경우 기재(110)-탐지 유전물질(120)의 복합체는 제1 형광체(125)만을 포함한다. 둘째로 기재(110)는 탐지 유전물질(120), 타겟 유전물질(21), 및 신호 유전물질(130)과 결합된 형태로 제공될 수 있다. 이 경우 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체는 제1 형광체(125) 및 제2 형광체(135)을 포함한다.
자성 유닛(310)상에는 따라서, 기재(110)-탐지 유전물질(120)의 복합체 및/또는 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체가 제공된다. 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체의 양은 시료 내에 제공된 타겟 유전물질(21)의 양에 따라 달라질 수 있다.
자성 유닛(310) 상에 제공된 기재(110)-탐지 유전물질(120)의 복합체 및/또는 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)에는 특정 파장 대역의 빛이 조사될 수 있다.
광원 유닛(320)은 자성 유닛(310)을 향해 특정 파장 대역의 빛을 조사한다. 광원 유닛(320)으로부터 조사된 빛에 의해 제1 형광체(125) 및 제2 형광체(135)이 흥분할 수 있다. 흥분된 제1 형광체(125) 및 제2 형광체(135)으로부터는 각각 제1 파장 대역의 신호(빛)와 제2 파장 대역의 신호(빛)가 방출된다.
광원 유닛(320)이 방출하는 빛은 제1 형광체(125) 및 제2 형광체(135)을 동시에 흥분시킬 수 있는 파장 대역의 빛일 수 있다. 예를 들어, 광원 유닛(320)은 약 360 nm 파장 대역의 빛을 방출할 수 있다. 파장 대역 폭이 좁은 빛을 방출하기 위하여 광원 유닛(320)은 발광다이오드(LED)를 포함할 수 있다.
제1 형광체(125) 및 제2 형광체(135)으로부터 발생되는 제1 파장 대역의 신호와 제2 파장 대역의 신호는 감광 유닛(330)에서 검출될 수 있다. 감광 유닛(330)은 제1 파장 대역 신호의 세기와 제2 파장 대역 신호의 세기를 판단할 수 있다.
앞서 서술한 바와 같이 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체의 양은 시료 내에 제공된 타겟 유전물질(21)의 양에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 시료 내에 타겟 유전물질(21)이 상대적으로 많이 포함된 경우, 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체의 양이 많아질 수 있다. 이 경우, 제1 파장 대역의 신호와 제2 파장 대역의 신호의 크기가 동시에 증가할 수 있다. 반면, 시료 내에 타겟 유전물질(21)이 상대적으로 적게 포함된 경우, 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체의 양이 줄어들 수 있다. 이 경우, 제2 파장 대역의 신호의 크기는 상대적으로 작을 수 있다.
타겟 유전물질(21)의 양과 관계 없이, 제1 파장 대역의 신호의 크기는 유지될 수 있다. 제1 파장 대역의 신호를 발산하는 제1 형광체(125)는 기재(110)-탐지 유전물질(120) 복합체와 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체 모두에 포함되어 있기 때문이다. 그러나, 제2 파장 대역의 신호를 발산하는 제2 형광체(135)는 기재(110)-탐지 유전물질(120)-타겟 유전물질(21)-신호 유전물질(130)의 복합체에만 포함되어 있으므로 타겟 유전물질(21)의 양이 줄어들면 제2 파장 대역의 신호의 크기도 줄어들게 된다.
판단부(300)는 따라서 제1 파장 대역의 신호의 크기와 제2 파장 대역의 신호의 크기를 비교함으로써, 시료 내에 얼마나 많은 타겟 유전물질(21)이 포함되어 있는지 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 다른 파장 대역의 신호의 크기를 비교함으로써 시료 내 타겟 유전물질의 존재 여부와 양을 확인할 수 있다. 이에 따라 타겟 유전물질을 신속하고 정확하게 검출할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치를 구성을 중심으로 살펴보았다. 이하에서는 유전물질 검출 장치를 이용한 유전물질 검출 방법에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4에 따르면, 먼저 타겟 유전물질을 포함하는 시료를 준비하는 제1 단계(S100)가 수행된다.
시료의 종류는 앞서 서술한 바와 같이 다양할 수 있다. 시료를 준비하는 단계는 시료를 채취하는 단계, 채취한 시료를 용매에 용해하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용매로는 초순수(ultrapure water)가 사용될 수 있다.
다음으로, 시료와 탐지체를 혼합하면서 시료와 탐지체 상에 전기장을 인가하는 제2 단계(S200)가 수행된다.
제2 단계(S200)에서 시료와 탐지체는 혼합되면서 반응될 수 있다. 예를 들어, 시료 내에 존재하는 타겟 유전물질과 탐지체는 DNA 혼성화 반응에 의해 반응될 수 있다. 타겟 유전물질과 탐지체를 반응시키기 위하여 용기 내에서는 교반이 수행될 수 있다.
제2 단계(S200)에서는 시료와 탐지체를 교반을 통해 혼합시키는 것과 동시에 시료 및 탐지체의 혼합물 상에 전기장이 인가될 수 있다. 전기장은 앞서 서술한 것과 같이 마이크로 코로나 방전 형태로 인가될 수 있다.
제2 단계(S200)에서 전기장은 약 2분 내지 약 4분간 인가될 수 있다. 전기장이 약 2분 미만으로 인가되는 경우 마그네슘 이온 등의 불순물과 탐지 유전물질, 타겟 유전물질, 또는 신호 유전물질간 결합을 충분히 방지하지 못할 수 있다. 반면 전기장을 약 4분간 인가할 경우 전력 소모가 불필요하게 커질 수 있다.
다음으로, 탐지체 및 타겟 유전물질을 시료로부터 분리하고 탐지체 및 타겟 유전물질로부터 제공되는 탐지 신호를 확인하는 제3 단계(S300)가 수행된다.
제3 단계(S300)에서는 먼저 자기장을 인가하여 자성을 띤 기재를 포함하는 복합체들을 분리한다. 즉, 기재-탐지 유전물질의 복합체와 기재-탐지 유전물질-타겟 유전물질-신호 유전물질의 복합체가 시료로부터 분리된다.
제3 단계(S300)에서 다음으로 제1 발광체로부터 발산되는 제1 파장 대역의 신호의 크기와 제2 발광체로부터 발산되는 제2 파장 대역의 신호의 크기를 비교한다. 이때 제2 파장 대역의 신호는 기재-탐지 유전물질-타겟 유전물질-신호 유전물질의 복합체로부터만 발생하기 때문에 타겟 유전물질의 양이 많을수록 제2 파장 대역의 신호의 크기가 커진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상술한 방법을 이용하여 시약을 첨가하는 등의 복잡한 방법 없이도 높은 민감도로 타겟 유전물질을 검출할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치와 유전물질 검출 방법에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 실시예와 비교예의 비교 실험을 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치와 유전물질 검출 방법의 유리한 효과에 대하여 살펴보고자 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치의 검출 민감도를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참고하면 타겟 유전물질인 mycD의 몰 농도(M)에 따른 정규화된 형광 값의 크기(QD655 / QD565)가 나타나있다. 이때 정규화된 형광 값의 크기(QD655 / QD565)는 탐지 유전물질에 제공된 제1 양자점(QD565)이 방출하는 제1 파장 대역(약 570 nm)의 빛의 세기와 신호 유전물질에 제공된 제2 양자점(QD655)이 방출하는 제2 파장 대역(약 660 nm)의 빛의 세기를 비교하여 산출하였다.
도 5에서 확인할 수 있듯이 그래프의 선형 회귀 방정식은 y = 0.18 log x +3.2(r2=0.86)으로 나타났으며, 이를 통해 타겟 유전물질 탐지 한계(Limit of Detection; LOD)가 약 1.7x10-17 M임을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치를 이용하면 매우 저농도의 타겟 유전물질도 검출할 수 있음을 알 수 있다.
도 6a는 마그네슘 이온이 유전물질 검출에 미치는 영향을 나타낸 그래프이며, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치의 유전물질 검출 성능을 나타낸 그래프이다. 도 6d는 비교예에 따른 유전물질 검출 장치의 유전물질 검출 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6a를 참고하면, 약 10-7 M, 약 10-6 M, 약 10-5 M, 약 10-4 M, 및 약 10-3 M의 마그네슘 이온(Mg2+)을 함유하는 시료에 대한 정규화된 형광 값의 크기(QD655 / QD565)는 각각 약 0.22 ± 0.03, 약 0.30 ± 0.03, 약 0.41 ± 0.05, 약 0.33 ± 0.03, 및 약 0.43 ± 0.03였다. 이들은 각각 대조군인 마그네슘 이온을 첨가하지 않은 시료에 대해 약 39 ± 9 %, 약 53 ± 12 %, 약 72 ± 13 %, 약 58 ± 12 %, 및 약 77 ± 14 %의 정규화된 형광 값 크기를 가졌다. 따라서, 마그네슘 이온을 함유하는 5개의 시료는 모두 마그네슘 이온을 함유하지 않는 대조군보다 낮은 정규화된 형광 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 6a를 통해 마그네슘 이온이 유전물질 검출 민감도를 크게 저하시킴을 알 수 있다.
도 6b 및 도 6c를 참고하면, 마이크로 코로나 방전 형태의 전기장을 각각 약 2분, 약 4분 인가하기 전후의 형광비(Fluorescence Ratio)를 확인할 수 있다. 이때 형광비는 아래 식 1을 통해 산출할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
도 6a에서 확인할 수 있듯이, 약 10-5 M, 약 10-4 M 및 약 10-3 M 농도의 시료의 형광비는 각각 약 72 ± 13 %, 약 58 ± 12 % 및 약 77 ± 14 %였다. 이에 따라 정규화된 형광 값이 마그네슘 이온의 존재로 인해 현저하게 감소되는 것을 알 수 있었다.
이와 비교하여 도 6b를 참고하면 약 2분의 마이크로 코로나 방전으로, 마그네슘 이온에 의한 저해 효과가 상당히 감소됨을 알 수 있다. 약 10-5 M, 약 10-4 M 및 약 10-3 M 농도의 마그네슘 이온을 함유하는 시료에 약 2분간 마이크로 코로나 방전을 수행한 후, 각각의 형광 비는 각각 약 108 ± 2 %, 약 105 ± 7 % 및 약 90 ± 6 %였다.
유사하게 도 6c를 참고하면 약 4분의 마이크로 코로나 방전 후, 약 10-5 M, 약 10-4 M 및 약 10-3 M 농도의 마그네슘 이온을 함유하는 시료의 형광 비는 각각 약 100 ± 3 %, 약 85 ± 2 % 및 약 92 ± 2 %였다.
따라서, 마이크로 코로나 방전을 통해 마그네슘 이온에 의한 타겟 유전물질 검출 민감도 저해 효과가 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
마이크로 코로나 방전이 유전물질 검출 장치에서 마그네슘 이온에 의한 저해를 완화시키는 메커니즘은 벌크 효과 및 표면 효과로 볼 수 있다.
벌크 효과의 경우, 시료에 침지된 제1 전극은 전자 구름을 시료 표면 쪽으로 끌어 당긴다. 시료 벌크 내에서 이러한 전자는 마그네슘 이온과 결합하고, 이에 따라 마그네슘 이온과 유전물질(DNA) 간의 정전기적 결합을 방지할 수 있다.
표면 효과의 경우, 이온화 영역은 활성 산소종(예를 들어, O3 또는 O2 -)을 생성하고 전기장 라인을 따라 시료 표면으로 확산되거나 이동합니다. 활성 산소 종은 유전물질 내 구아닌 염기가 마그네슘 이온으로부터 형성된 마그네슘 수화물 착물(Mg(H2O)6 2+)과 결합하는 것을 막을 수 있다. 구체적으로 활성 산소종은 전자 이동 반응에 의해 마그네슘 이온과 반응하여 마그네슘-산소 생성물을 형성하고, 이에 따라 마그네슘 수화물 착물의 생성 및 마그네슘 수화물 착물과 유전물질의 결합을 막을 수 있다.
따라서, 전기장을 인가하면 마그네슘 이온이 유전물질 검출 장치의 검출 민감도를 떨어트리는 것을 방지할 수 있다.
도 6d는 비교예에 따라 마이크로 코로나 방전 대신 에틸렌디아민테트라아세틱에시드(Ethylene Diamine Tetra-acetic Acid; EDTA) 시약을 첨가한 경우 마그네슘 이온이 유전물질 검출 장치의 민감도에 미치는 영향을 나타낸 것이다.
도 6d에 따르면, 약 10-5 M, 약 10-4 M 및 약 10-3 M 농도의 마그네슘 이온을 함유하는 시료의 형광 비는 각각 약 49 ± 3 %, 약 61 ± 4 % 및 약 119 ± 9 %인 것으로 나타났다. 이는 마이크로 코로나 방전을 이용하면 마그네슘 이온에 의한 유전물질 검출 민감도 저하가 방지되면서 일관되게 형광비가 상승하는 것과 대조적이다. 구체적으로, 마그네슘 이온 농도가 약 10-5 M인 경우, 에틸렌디아민테트라아세틱에시드 시약을 첨가하였을 때 형광비가 오히려 더 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 마그네슘 이온 농도가 약 10-4 M인 경우와 약 10-3 M인 경우에는 형광비가 시약 첨가 후 형광비가 증가하긴 하였으나 그 증가 폭의 괴리가 매우 컸다.
따라서, 에틸렌디아민테트라아세틱에시드 시약의 첨가에 의해서는 마그네슘 이온에 의한 유전물질 검출 민감도 저하를 방지하기 담보하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마그네슘 이온 농도가 10-3 M 이하인 일반적인 토양 또는 퇴적물과 같은 환경 샘플에 대하여 높은 민감도로 유전물질 검출을 수행할 수 있다. 구체적으로, 마이크로 코로나 방전과 같은 전기장 인가를 통하여 마그네슘 이온에 의한 검출 민감도 저하를 방지함으로써 유전물질 검출 민감도를 대폭 향상시킬 수 있다.
도 7a는 마그네슘 이온이 유전물질 검출에 미치는 영향을 나타낸 그래프이며, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전물질 검출 장치의 유전물질 검출 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 마그네슘 이온에 의해 DNA의 구조 변화를 CD 스펙트럼 분석을 통해 확인한 것이다.
도 7a에 따르면, CD 스펙트럼은 표적 DNA가 각각 약 280 nm 및 약 245 nm에서 양성 밴드 및 음성 밴드를 갖는 B-형태를 가짐을 나타냈다. 서로 다른 농도의 마그네슘 이온을 첨가하였을 때, 마그네슘 이온과 DNA의 상호 작용으로 약 280 nm에서 CD 스펙트럼 변화가 발생했다. 구체적으로, 약 280 nm에서의 양성 밴드는 DNA만 있는 시료에서 약 1.41이었으나, 약 10-8 M 농도의 마그네슘 이온을 첨가하였을 때 약 0.82로 감소하였으며, 약 10-3 M 농도의 마그네슘 이온을 첨가하였을 때 약 0.86으로 감소하였다. 이는 마그네슘 이온의 첨가로 인하여 DNA가 B-형태에서 Z-형태로 구조적으로 변화하였기 때문이다. 여기서 B-형태 DNA는 정상적인 세포 조건 하에서 나선형 구조를 갖는 전형적인 DNA 형태를 의미하며, Z-형태 DNA는 높은 염분 농도 또는 음성 슈퍼코일링과 같은 환경에서 형성되는 이상 형태를 의미한다.
따라서, 도 7a를 참고하면, 마그네슘 이온의 첨가로 인하여 DNA가 정상 구조에서 이상 구조로 변할 수 있음을 확인 가능하다.
다음으로, 도 7b와 도 7c는 각각 마그네슘 이온을 약 10-8 M, 약 10-3 M 첨가한 DNA 시료에 마이크로 코로나 방전을 약 2분 수행하였을 때, DNA의 구조를 확인한 것이다.
도 7b 및 도 7c를 참고하면, 약 10-8 M 및 약 10-3 M 농도의 마그네슘 이온으로 인해 약 280 nm에서 CD 밴드 이동이 상당한 것을 확인할 수 있다. 상술한 것과 같이 같이, 이러한 CD 밴드 이동은 DNA가 마그네슘 이온과 결합하면서 형태적으로 변화하였기 때문으로 판단된다.
이에 비해, 약 2분동안 마이크로 코로나 방전을 수행한 후에는 CD 밴드 이동이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 마이크로 코로나 방전이 DNA와 마그네슘 이온이 결합하는 것을 감소시키고, 이에 따라 DNA 형태 변화가 감소되기 때문으로 판단된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 코로나 방전과 같은 전기장 인가를 통하여 마그네슘 이온과 DNA의 결합을 방지할 수 있다. 이에 따라, DNA의 상보적 결합을 이용하는 유전물질 검출 장치/방법의 검출 민감도가 크게 향상될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10: 유전물질 검출 장치 20: 시료
21: 타겟 유전물질 30: 용기
100: 탐지체 110: 기재
120: 탐지 유전물질 130: 신호 유전물질
125: 제1 양자체 135: 제2 양자체
200: 방전부 210: 제1 전극
220: 제2 전극 300: 탐지부
310: 자성 유닛 320: 광원 유닛
330: 감광 유닛

Claims (16)

  1. 시료로부터 타겟 유전물질을 검출하기 위한 탐지체;
    상기 탐지체로부터 탐지 신호를 감지하고 타겟 유전물질 존부를 판단하는 판단부; 및
    탐지체에 전기장을 인가하는 방전부를 포함하고,
    상기 탐지체는
    기재;
    상기 기재의 일측 상에 제공되어 상기 타겟 유전물질의 일 측과 상보적으로 결합하는 탐지 유전물질;
    상기 탐지 유전물질과 이격되어 제공되어 상기 타겟 유전물질의 타 측과 상보적으로 결합하는 신호 유전물질을 포함하고,
    상기 방전부로부터 인가된 상기 전기장은 상기 탐지 유전물질 또는 상기 신호 유전물질과 상기 시료 내 불순물간 결합을 방지하는, 유전물질 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전부는
    상기 시료와 맞닿는 형태로 제공되는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 시료와 이격되어 제공되는 제2 전극을 포함하고,
    상기 전기장은 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극을 향해 인가되는, 유전물질 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은 평판 형상을 갖고,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 향하는 탐침 형태로 제공되는, 유전물질 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탐지 유전물질 및 상기 신호 유전물질 중 적어도 하나는 상기 타겟 유전물질과 상보적으로 결합하는 영역과 이격된 영역에 제공된 형광체를 포함하는, 유전물질 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 형광체는 양자점을 포함하는, 유전물질 검출 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탐지 유전물질 상에는 제1 형광체가 제공되고,
    상기 신호 유전물질 상에는 상기 제1 형광체와 상이한 제2 형광체가 제공되는, 유전물질 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탐지 유전물질, 상기 신호 유전물질, 및 상기 타겟 유전물질은 DNA인, 유전물질 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 자성을 갖는 입자를 포함하는, 유전물질 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기장은 상기 탐지 유전물질 또는 상기 신호 유전물질과 마그네슘 이온(Mg2+)간 결합을 방지하는, 유전물질 검출 장치.
  10. 타겟 유전물질을 포함하는 시료를 준비하는 제1 단계;
    상기 시료와 탐지체를 혼합하면서 상기 시료와 상기 탐지체 상에 전기장을 인가하는 제2 단계;
    상기 탐지체 및 상기 타겟 유전물질을 상기 시료로부터 분리하고 상기 탐지체 및 상기 타겟 유전물질로부터 제공되는 탐지 신호를 확인하는 제3 단계를 포함하고,
    상기 전기장은 상기 탐지체와 상기 시료 내 불순물이 결합하는 것을 방지하는, 유전물질 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탐지체는
    기재;
    상기 기재의 일측 상에 제공되어 상기 타겟 유전물질의 일 측과 상보적으로 결합하는 탐지 유전물질;
    상기 탐지 유전물질과 이격되어 제공되어 상기 타겟 유전물질의 타 측과 상보적으로 결합하는 신호 유전물질을 포함하고,
    상기 제2 단계에서 상기 타겟 유전물질은 상기 탐지 유전물질 및 상기 신호 유전물질과 결합하는, 유전물질 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탐지 유전물질에는 제1 형광체가 제공되고,
    상기 신호 유전물질에는 상기 제1 형광체와 상이한 제2 형광체가 제공되고,
    상기 제3 단계에서 상기 제1 형광체에 의해 발생된 제1 파장 대역의 신호의 크기와 상기 제2 형광체에 의해 발생된 제2 파장 대역의 신호의 크기를 비교하는, 유전물질 검출 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기재는 자성을 갖는 입자를 포함하고,
    상기 제3 단계에서 상기 시료에 자기장을 인가하여 상기 탐지체 및 상기 타겟 유전물질을 상기 시료로부터 분리하는, 유전물질 검출 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 탐지 유전물질, 상기 신호 유전물질, 및 상기 타겟 유전물질은 DNA인, 유전물질 검출 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제2 단계에서 1kV 내지 4kV의 전압을 인가함으로써 상기 전기장을 형성하는, 유전물질 검출 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 전기장은 상기 탐지체와 마그네슘 이온(Mg2+)간 결합을 방지하는, 유전물질 검출 방법.
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