KR20210105025A - Electrochemical biosensor with microfluidic channel - Google Patents

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KR20210105025A
KR20210105025A KR1020200019465A KR20200019465A KR20210105025A KR 20210105025 A KR20210105025 A KR 20210105025A KR 1020200019465 A KR1020200019465 A KR 1020200019465A KR 20200019465 A KR20200019465 A KR 20200019465A KR 20210105025 A KR20210105025 A KR 20210105025A
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an electrochemical biosensor coupled with microfluidic channels, and more particularly, by using a surface-modified electrode, sensitivity of a sensor is increased, and with a non-permanent coupling method of a microfluidic channel part and an electrode part, it is possible to detect and then recover a target material that specifically binds to an aptamer or a detection antibody, thereby being used for latter analysis.

Description

미세유체 채널이 결합된 전기화학적 바이오센서{ELECTROCHEMICAL BIOSENSOR WITH MICROFLUIDIC CHANNEL}Electrochemical biosensor with microfluidic channel

본 발명은 미세유체 채널이 결합된 전기화학적 바이오센서에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical biosensor coupled with a microfluidic channel.

엑소좀은 세포에서 분비되는 30~100 nm 크기의 작은 소포체로서 세포에서 유래된 다양한 종류의 단백질, 유전물질을 포함하고 있고, 이로부터 조직의 상태를 파악할 수 있다. 특히 정상 상태에서는 분비가 잘 되지 않고, 암 등의 질병 상황에서 분비가 증가하게 되는데 암환자의 혈액에서 검출되는 엑소좀은 암의 진행, 전이, 약제 반응의 지표가 되는 약 4500여 종의 단백질, 지방질, 유전 정보를 담고 있어 이러한 질병 진단의 바이오마커로 주목받고 있다. 최근에는 엑소좀에 치료용 단백질을 삽입하여 세포 내로 약물을 전달하는 약물 전달체로서의 기능도 관심을 받고 있어 엑소좀의 검출 및 분석에 대한 요구가 증가하고 있다.Exosomes are small endoplasmic reticulum with a size of 30-100 nm secreted from cells and contain various types of proteins and genetic materials derived from cells, from which the state of the tissue can be determined. In particular, secretion is not well under normal conditions, and secretion is increased in disease conditions such as cancer. Exosomes detected in the blood of cancer patients contain about 4500 proteins, Because it contains lipid and genetic information, it is attracting attention as a biomarker for diagnosing these diseases. Recently, the function as a drug delivery system for delivering a drug into cells by inserting a therapeutic protein into the exosome has also been attracting attention, thereby increasing the demand for detection and analysis of the exosome.

엑소좀의 검출을 위해 형광물질 등의 형광측정을 통한 광학적(optical) 방식이나, 표적 물질과의 결합 전후에 나타나는 질량의 차이를 분석하여 측정하는 질량 분석(mass-sensitive) 방식의 센서 및 마이크로 바이오칩을 이용한 방식의 센서가 이용되고 있다. 광학적 방식의 센서는 형광염료를 압타머 분자에 연결하여 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 형광염료의 소광(Quenching) 및 FRET 효과를 이용하는 것으로서, 이를 이용하기 위해서는 특정 장비가 필요하므로, 랩온어칩(Lap on a chip)을 구현하기 위한 센서의 소형화와는 거리가 멀다. For the detection of exosomes, an optical method through fluorescence measurement of a fluorescent material, etc., or a mass-sensitive sensor and micro biochip that analyzes and measures the difference in mass appearing before and after binding to a target material A sensor using the method is used. The optical sensor uses the quenching and FRET effect of two fluorescent dyes having different wavelengths by connecting a fluorescent dye to an aptamer molecule. On a chip), it is far from miniaturization of the sensor.

또한, 기존의 마이크로 바이오칩은 반응 여부를 전기적 신호로 검출하기 위한 유리칩과 시료가 주입되도록 하는 PDMS(Polydimethylsiloxane)칩의 일체화를 위하여 산소 플라즈마로 일정 시간 및 일정 전력으로 처리한 후 접합시키는 공정을 거치고 있는데, 산소 플라즈마에 의한 접합 공정을 통해 센서와 채널은 영구적 결합을 하게 된다. 이는 엑소좀 검출 후 수확이 어려워, 엑소좀을 분리하고 lysis 후 단백질, 유전물질 등을 분리하여 PCR로 검증하는 등 후속 분석이 어려운 문제가 있다.In addition, in order to integrate the glass chip for detecting the reaction with an electrical signal and the PDMS (Polydimethylsiloxane) chip for injecting the sample, the existing micro biochip is treated with oxygen plasma for a certain time and with a certain power and then bonded through a process. However, the sensor and the channel are permanently bonded through the bonding process by oxygen plasma. This is difficult to harvest after detecting exosomes, so there is a problem in subsequent analysis such as separating exosomes, lysis, separating proteins, genetic materials, etc. and verifying them by PCR.

대한민국 공개특허공보 제2018-0135183호(2018.12.20.)Republic of Korea Patent Publication No. 2018-0135183 (2018.12.20.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 고안된 것으로서, 광학적 장비가 필요 없으며, 표적 물질의 감도 높은 검출을 위하여 표면 개질된 전극을 포함하여 센서의 감도를 높여 넓은 농도범위에서 표적 물질을 검출하여 정량 측정하는 전기화학적 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is designed to solve the above-mentioned problems, does not require optical equipment, and includes a surface-modified electrode for high-sensitivity detection of a target material and increases the sensitivity of the sensor to detect and quantitatively measure the target material in a wide concentration range An object of the present invention is to provide an electrochemical biosensor.

또한 본 발명은 전극과 미세유체 채널의 비영구적 결합 방식을 통한 표적 물질의 후단 분석이 용이한 전기화학적 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide an electrochemical biosensor that facilitates the downstream analysis of a target material through a non-permanent bonding method between an electrode and a microfluidic channel.

또한 본 발명은 전극과 미세유체 채널의 비영구적 결합 방식을 통하여 상기 결합의 세기를 조절함으로써 과도한 압력으로부터 유체가 누출되는 종래 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to solve the conventional problem of fluid leakage from excessive pressure by adjusting the strength of the bonding through a non-permanent bonding method between an electrode and a microfluidic channel.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 표적 물질과 결합할 수 있는 압타머 또는 감지항체가 고정화되고, 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 작업 전극을 포함하는 전극부; 미세유체 채널부; 및 상기 전극부 및 미세유체 채널부를 결합시키는 접합부;를 포함하고, 상기 결합은 비영구적 결합 방식인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an electrode unit comprising a working electrode on which an aptamer or a sensing antibody capable of binding to a target material is immobilized and surface-modified with a graphene nanoplatelet complex; microfluidic channel unit; and a junction for coupling the electrode part and the microfluidic channel part, wherein the coupling is a non-permanent coupling method.

본 발명의 일 구현예에 따른 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 그래핀 나노플레이트렛 복합체는 그래핀 나노플레이트렛; 전이금속 칼코겐 화합물; 및 티올계 고분자 및 아민계 고분자 중에서 어느 하나 또는 둘 이상;을 포함하는 것일 수 있다.In the electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention, the graphene nanoplatelet composite comprises: a graphene nanoplatelet; transition metal chalcogen compounds; and any one or two or more of a thiol-based polymer and an amine-based polymer.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전극부의 작업 전극의 상단에 금 나노입자가 도포된 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, gold nanoparticles may be applied to the top of the working electrode of the electrode unit.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 미세유체 채널부는 입자 주입부, 입자 이동부, 반응부 및 입자 배출부를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the microfluidic channel unit may include a particle injection unit, a particle moving unit, a reaction unit, and a particle discharge unit.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 반응부는 입자 주입부를 통해 들어온 유체가 와류를 형성할 수 있도록 소정 간격으로 이격된 천장부 및 상기 천장부와 연결된 측벽이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reaction unit may be characterized in that a ceiling spaced at a predetermined interval and a side wall connected to the ceiling are formed so that the fluid entering through the particle injection unit can form a vortex.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 접합부의 비영구적 결합 방식은 자력을 이용하여 미세유체 채널부 및 전극부를 결합하는 것일 수 있다. 또한, 상기 접합부는 상부 커버 및 하부 커버를 포함하되, 상기 상부 커버 및 하부 커버에서 선택되는 어느 하나 이상은 미세유체 채널부 및 전극부를 내부에 수용하는 수용부를 더 포함하고, 상기 상부 커버 및 하부 커버에서 선택되는 어느 하나 이상은 자석을 포함하여 상부 커버 및 하부 커버가 자력을 이용하여 결합되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the non-permanent coupling method of the junction part may be to couple the microfluidic channel part and the electrode part using magnetic force. In addition, the junction part includes an upper cover and a lower cover, and at least one selected from the upper cover and the lower cover further includes a receiving part for accommodating the microfluidic channel part and the electrode part therein, the upper cover and the lower cover Any one or more selected from the upper cover and the lower cover including a magnet may be coupled using a magnetic force.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 표적 물질은 엑소좀일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the target material may be an exosome.

또한, 본 발명은 상기 기술된 특징을 가지는 전기화학적 바이오센서를 포함하는 엑소좀 검출용 키트를 제공한다.In addition, the present invention provides a kit for detecting exosomes comprising an electrochemical biosensor having the above-described characteristics.

또한, 본 발명은 액상의 분석용 샘플을 제공하는 단계; 상기 분석용 샘플을 표적 물질 검출용 센서의 미세유체 채널의 입자 주입부에 주입하는 단계; 상기 미세유체 채널의 반응부에 형성된 와류를 통해 분석용 샘플의 표적 물질이 농축되는 단계; 상기 표적 물질이 상기 반응부에 대향하는 작업 전극에 고정된 압타머 또는 검지항체와 특이적으로 결합하여 복합체를 형성하는 단계; 상기 복합체에 의하여 생성된 전기화학적 신호를 측정하여 상기 분석용 샘플 내 표적 물질을 분석하는 단계;를 포함하고, 상기 작업 전극은 그래핀 나노플레이트렛, 및 전이금속 칼코겐 화합물, 티올계 고분자 및 아민계 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 표적 물질 분석 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a liquid sample for analysis; injecting the sample for analysis into a particle injection unit of a microfluidic channel of a sensor for detecting a target material; concentrating the target material of the sample for analysis through the vortex formed in the reaction part of the microfluidic channel; forming a complex by specifically binding the target material with an aptamer or a detection antibody immobilized on a working electrode facing the reaction unit; Including; analyzing the target material in the sample for analysis by measuring the electrochemical signal generated by the complex, wherein the working electrode is a graphene nanoplatelet, and a transition metal chalcogen compound, a thiol-based polymer, and an amine It provides a method for analyzing a target material, characterized in that it contains any one or two or more selected from the group consisting of polymers.

본 발명의 일 구현예에 따른 표적 물질 분석 방법에 있어서, 상기 분석하는 단계 이후, 상기 표적 물질을 회수하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In the target material analysis method according to an embodiment of the present invention, after the analyzing step, the step of recovering the target material; may further include.

본 발명의 일 구현예에 따른 표적 물질 분석 방법에 있어서, 상기 회수된 표적 물질을 PCR, 시퀀싱, 질량분석(MS), 유전자 분석 및 단백질 분석으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 후단 분석에 이용하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In the target material analysis method according to an embodiment of the present invention, the recovered target material is used for any one or more downstream analysis selected from the group consisting of PCR, sequencing, mass spectrometry (MS), gene analysis, and protein analysis. ; may be further included.

본 발명의 일 구현예에 따른 표적 물질 분석 방법에 있어서, 상기 표적 물질은 엑소좀인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 엑소좀의 농도는 1×102 내지 1×109 exosome/mL일 수 있다.In the target substance analysis method according to an embodiment of the present invention, the target substance may be characterized in that it is an exosome. In addition, the concentration of the exosome may be 1×10 2 to 1×10 9 exosome/mL.

본 발명에 따른 표적 물질을 검출 및 분석하기 위한 전기화학적 바이오센서는 표면 개질되고 금 나노입자가 도포된 전극을 이용하여 센서의 감도를 높이고, 넓은 농도범위에서 표적 물질을 검출하여 정량 측정할 수 있다.The electrochemical biosensor for detecting and analyzing a target material according to the present invention increases the sensitivity of the sensor by using a surface-modified electrode coated with gold nanoparticles, and detects and quantitatively measures the target material in a wide concentration range. .

본 발명은 미세유체 채널 및 감도 높은 전극을 결합함으로써, 표적 물질이 시료 내 미량으로 포함된 경우라도, 표적 물질을 농축하여 정확도 높은 정량적 및 정성적 검출이 가능한 전기화학적 바이오센서를 제공한다.The present invention provides an electrochemical biosensor capable of high-accuracy quantitative and qualitative detection by concentrating a target material even when a target material is included in a trace amount in a sample by combining a microfluidic channel and an electrode with high sensitivity.

또한, 미세유체채널 및 전극을 비영구적으로 결합함으로써, 표적 물질을 검출한 후에도 표적 물질을 회수하는 것이 가능하여, 이후 표적 물질에 대한 후단 분석에 활용될 수 있다. In addition, by non-permanently combining the microfluidic channel and the electrode, it is possible to recover the target material even after detecting the target material, which can be utilized for subsequent analysis of the target material.

뿐만 아니라, 비영구적 결합 방식에 따라 미세유체 채널 및 전극부의 결합 의 세기를 조절함으로써, 과도한 압력으로부터 유체의 누출 방지 효과를 제공할 수 있다.In addition, by controlling the strength of the bonding between the microfluidic channel and the electrode according to the non-permanent coupling method, it is possible to provide an effect of preventing leakage of fluid from excessive pressure.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 대한 분해 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 전극부 및 미세유체 채널부가 결합된 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 전극부 및 미세유체 채널부가 분해된 상태를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 액상의 분석용 샘플이 주입되어 미세유체 채널부의 반응부 및 전극부의 작업 전극에서 일어나는 반응을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 표면 개질된 전극이 제조되는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서를 통하여 엑소좀의 농도별 전기화학적 신호를 확인한 그래프로서, 엑소좀의 농도가 증가함에 따라 전류값이 선형적으로 증가하는 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 표면 개질된 전극을 제조하는 과정에서, 표면 처리에 따른 각각의 전기화학적 신호를 나타낸 그래프로서, 표면 처리되지 않은 전극(SPCE; light blue), 그래핀 나노플레이트렛으로 표면 처리된 전극(GNP/SPCE; green), MoS2로 표면 처리된 전극(MoS2/SPCE; grey), 그래핀 나노플레이트렛 복합체(GNP/MoS2/CHT)로 표면 처리된 전극(NC/SPCE; red) 및 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 처리 후 금 나노입자로 도포된 전극(GNS/NC/SPCE; blue)의 전류 및 저항의 차이를 CV(cyclic voltammetry) 및 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 통해 확인한 것이다. 전류는 전극과 전해질 간 전자의 전달 정도를 표현하고, 저항은 반대의 개념으로 전자의 전달을 얼마나 방해하는지를 나타낸다.
도 8은 그래핀 나노플레이트렛, MoS2 및 그래핀 나노플레이트렛 복합체의 TEM(투과전자현미경) / HRTEM(high-resolution 투과전자현미경) 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 표면 개질이 진행됨에 따라 AFM(원자현미경)을 이용하여 표면 분석을 진행한 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서(MiNEA) 및 ELISA를 이용한 엑소좀 검출능 평가 결과를 나타낸 검정곡선(Calibration Curve) 그래프이다.
도 11은 실제 환자의 혈액을 이용하여 본 발명에 따른 시스템 및 ELISA 방법에 의한 엑소좀 정량을 진행하여 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is an exploded perspective view of an electrochemical biosensor according to the present invention.
2 shows a state in which the electrode part and the microfluidic channel part of the electrochemical biosensor according to the present invention are combined.
3 shows the disassembled state of the electrode part and the microfluidic channel part of the electrochemical biosensor according to the present invention.
4 is a schematic diagram showing the reaction that occurs in the reaction part of the microfluidic channel part and the working electrode of the electrode part when a liquid sample for analysis is injected according to the present invention.
5 is a schematic diagram showing a process of manufacturing a surface-modified electrode according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph confirming the electrochemical signal for each concentration of the exosome through the electrochemical biosensor according to the present invention, showing the result that the current value increases linearly as the concentration of the exosome increases.
7 is a graph showing each electrochemical signal according to the surface treatment in the process of manufacturing the surface-modified electrode according to the present invention, the surface of which is not surface-treated (SPCE; light blue) and graphene nanoplatelets; the treatment electrode (GNP / SPCE; green), a surface treatment with MoS 2 electrode (MoS 2 / SPCE; grey) , graphene nano plate let-complex (GNP / MoS 2 / CHT) the electrode surface-treated with (NC / SPCE ; red) and the difference in current and resistance of electrodes (GNS/NC/SPCE; blue) coated with gold nanoparticles after surface treatment with graphene nanoplatelet composites were analyzed by CV (cyclic voltammetry) and EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) confirmed through Current expresses the degree of transfer of electrons between the electrode and the electrolyte, and resistance is the opposite concept, indicating how much electron transfer is hindered.
8 shows a TEM (transmission electron microscope) / HRTEM (high-resolution transmission electron microscope) image of graphene nanoplatelets, MoS 2 and graphene nanoplatelet composites.
9 is a result of surface analysis using an atomic force microscope (AFM) as the surface modification proceeds.
Figure 10 is a calibration curve (Calibration Curve) graph showing the exosome detection ability evaluation results using the electrochemical biosensor (MiNEA) and ELISA according to the present invention.
11 is a graph showing the comparison results of exosome quantification by the system and ELISA method according to the present invention using actual patient blood.

이하 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 따로 정의하지 않는 경우 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 내용으로 해석되어야 할 것이다. 본 명세서의 도면 및 실시예는 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 이해하고 실시하기 위한 것으로 도면 및 실시예에서 발명의 요지를 흐릴 수 있는 내용은 생략될 수 있으며, 본 발명이 도면 및 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the electrochemical biosensor according to the present invention will be described in detail. Unless otherwise defined, terms used in this specification should be interpreted as content commonly understood by those of ordinary skill in the art. The drawings and embodiments of the present specification are for those of ordinary skill in the art to easily understand and practice the present invention, and content that may obscure the gist of the present invention may be omitted from the drawings and embodiments, and the present invention is not limited to the drawings and embodiments is not limited to

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 가진다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used herein is for the purpose of effectively describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention.

이하에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 “포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, when it is said that any one component "includes" another component, it is not construed as being limited to only the component, unless otherwise stated, and it is understood that other components may be further included. should be

본 발명은 표적 물질과 결합할 수 있는 압타머 또는 감지항체가 고정화되고, 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 작업 전극을 포함하는 전극부; 미세유체 채널부; 및 상기 전극부 및 미세유체 채널부를 결합시키는 접합부;를 포함하고, 상기 결합은 비영구적 결합 방식인 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서를 제공한다.The present invention relates to an electrode unit comprising a working electrode on which an aptamer or a sensing antibody capable of binding to a target material is immobilized and surface-modified with a graphene nanoplatelet complex; microfluidic channel unit; and a bonding unit for bonding the electrode unit and the microfluidic channel unit, wherein the bonding is a non-permanent bonding method.

표적 물질을 포함하는 액상의 시료 내에서 전극 전위를 측정하려면 기본적으로 두 개의 전극을 사용하여 두 점 사이의 전위차를 측정하여야 한다. 전위차를 측정함에 있어서 측정하고자 하는 전극은 작업 전극(working electrode)이다. 여기에 다른 전극을 연결하여 전위차를 측정할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 전극부는 작업 전극 외에 기준 전극(reference electrode) 및 상대 전극(counter electrode)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하여 2 전극 시스템 또는 3 전극 시스템으로 구성되는 것일 수 있다. 다만, 본 발명에 있어서, 전류를 측정하는 전극과 전압을 측정하는 전극이 분리된, 작업 전극, 기준 전극 및 상대 전극으로 구성되는 3 전극 시스템을 도입하는 것이 전해질의 저항이 높거나 전류가 센 경우 저항에 의한 오차를 최소화할 수 있어 바람직하다.In order to measure an electrode potential in a liquid sample containing a target material, basically, the potential difference between two points should be measured using two electrodes. In measuring the potential difference, the electrode to be measured is a working electrode. You can measure the potential difference by connecting another electrode here. For example, the electrode part of the present invention may be composed of a two-electrode system or a three-electrode system by further including any one or more selected from the group consisting of a reference electrode and a counter electrode in addition to the working electrode. have. However, in the present invention, when the electrode for measuring the current and the electrode for measuring the voltage are separated, introducing a three-electrode system consisting of a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode is when the resistance of the electrolyte is high or the current is high It is preferable because the error due to resistance can be minimized.

본 발명에 있어서, 상기 작업 전극은 전기화학적으로 관심 있는 반응이 일어나는 전극으로서, 산화반응 또는 환원반응에 따라 음극 또는 양극일 수 있다. 또한, 상기 기준 전극은 기준 전위를 제공하는 전극을 가리키며, 전위차는 기준 전극과 작업 전극 사이에서 나타나는 것을 의미할 수 있다. 상대 전극은 반응에 직접 참여하지 않고, 전위값에 영향을 미치지 않지만 전류가 흐르는 전극을 가리킨다.In the present invention, the working electrode is an electrode in which a reaction of interest electrochemically occurs, and may be a cathode or an anode according to an oxidation reaction or a reduction reaction. In addition, the reference electrode refers to an electrode that provides a reference potential, and the potential difference may mean appearing between the reference electrode and the working electrode. The counter electrode does not directly participate in the reaction and does not affect the potential value, but refers to an electrode through which current flows.

전극은 금(Au), 팔라디움, 실리콘(Si), 탄소(C) 전극 등 센서에 사용할 수 있는 것이라면 제한없이 사용 가능하다. 전극을 형성하는 방법으로는 스퍼터링, 스크린프린팅, 잉크젯 인쇄 등 전기화학적 센서에 사용할 수 있는 것은 제한없이 사용 가능하다. The electrode can be used without limitation as long as it can be used for a sensor, such as a gold (Au), palladium, silicon (Si), or carbon (C) electrode. As a method of forming the electrode, those that can be used for electrochemical sensors such as sputtering, screen printing, and inkjet printing can be used without limitation.

본 발명에 따른 작업 전극은 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 것으로서, 상기 그래핀 나노플레이트렛 복합체는 그래핀 나노플레이트렛, 및 전이금속 칼코겐 화합물, 티올계 고분자 및 아민계 고분자 중에서 어느 하나 또는 둘을 더 포함하는 것일 수 있다. 본 발명에 따라, 그래핀 나노플레이트렛에 전이금속 칼코겐화합물, 티올계 고분자 및 아민계 고분자 중에서 어느 하나 또는 둘을 더 포함하여 복합체를 형성하는 경우 반데르발스 힘에 의한 그래핀 자체 응집현상을 줄임으로써 전극과의 접착도를 높여 재료의 기계적 성질 및 전기적 성질이 향상될 수 있다. The working electrode according to the present invention is surface-modified with a graphene nanoplatelet composite, wherein the graphene nanoplatelet composite includes any one of a graphene nanoplatelet, a transition metal chalcogen compound, a thiol-based polymer, and an amine-based polymer Or it may further include two. According to the present invention, when the graphene nanoplatelet further includes any one or two of a transition metal chalcogen compound, a thiol-based polymer, and an amine-based polymer to form a complex, the graphene self-aggregation phenomenon by van der Waals force is prevented. By reducing the degree of adhesion to the electrode, the mechanical properties and electrical properties of the material can be improved.

전이금속 칼코겐화합물(TMDC: Transition Metal Dichalcogenides)은 전이금속 원소(M) 하나당 칼코겐 원소(X, 주기율표 16족) 두 개가 공유 결합으로 연결되어 MX2의 화학식을 가지는 것을 의미한다. 본 발명은 밴드갭이 없는 그래핀 나노플레이트렛에 밴드갭을 가지는 전이금속 칼코겐화합물을 결합한 복합체를 형성하여, 도핑 등을 통한 밴드갭 변화에도 전극의 전기적 특성이 우수하게 유지될 수 있다.Transition metal chalcogenides (TMDC) means that two chalcogen elements (X, group 16 of the periodic table) are covalently linked per one transition metal element (M) to have a chemical formula of MX 2 . The present invention forms a composite in which a transition metal chalcogen compound having a bandgap is combined with a graphene nanoplatelet having no bandgap, so that the electrical properties of the electrode can be excellently maintained even when the bandgap is changed through doping or the like.

본 발명에 따른 전이금속 칼코겐화합물(MX2)에서 M은 Mo, W, Ti, Tc, Hf, Zr, Re, Pd 및 Pt로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상, X는 S, Se 및 Te 중에서 어느 하나 이상일 수 있다. 즉, 예를 들면, MoSe2, WS2, WSe2, TiS2, TiSe2, TiTe2, HfS2, HfSe2, HfTe2, ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, TcS2, TcSe2, TcTe2, ReS2, ReSe2, ReTe2, PdS2, PdSe2, PtS2, PtSe2 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 MoS2를 사용하는 것은 높은 전자 전달율, 유연성, 기계적 강도 향상 및 상대적으로 낮은 독성과 넓은 표면적을 확보할 수 있다는 장점이 있어서 좋다.In the transition metal chalcogen compound (MX 2 ) according to the present invention, M is any one or more selected from the group consisting of Mo, W, Ti, Tc, Hf, Zr, Re, Pd and Pt, X is S, Se and Te It may be any one or more of them. That is, for example, MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , TiTe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , HfTe 2 , ZrS 2 , ZrSe 2 , ZrTe 2 , TcS 2 , TcSe 2 , TcTe 2 , ReS 2 , ReSe 2 , ReTe 2 , PdS 2 , PdSe 2 , PtS 2 , and PtSe 2 may be at least one selected from the group consisting of. Preferably , using MoS 2 is good because of the advantages of high electron transport rate, flexibility, improved mechanical strength, and relatively low toxicity and a large surface area.

본 발명에 있어서, 그래핀 나노플레이트렛 복합체에 포함될 수 있는 아민계 고분자는 구체적으로 예를 들면, 키토산, 키틴, 폴리아닐린, 폴리라이신, 폴리알릴아민, 폴리에틸렌이민 및 폴리(2-디메틸아미노에틸 메타크릴레이트) (poly(2-dimethylaminoethyl methacrylate))로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the amine-based polymer that may be included in the graphene nanoplatelet composite is specifically, for example, chitosan, chitin, polyaniline, polylysine, polyallylamine, polyethyleneimine, and poly(2-dimethylaminoethyl methacryl). rate) (poly(2-dimethylaminoethyl methacrylate)) may be at least one selected from the group consisting of, but is not particularly limited thereto.

본 발명에 있어서, 바람직하게는 물에 대해 용해도가 낮은 아민계 고분자가 좋고, 구체적으로 키토산을 사용하는 것이 물에 대해 용해도가 낮고 생체 적합한 특성을 갖고 있으며 그래핀 나노플레이트렛과 MoS2 구조물이 결합하는데 접착제 역할을 할 수 있다.In the present invention, preferably, an amine-based polymer having low solubility in water is good, and specifically, using chitosan has low solubility in water and biocompatible properties, and graphene nanoplatelets and MoS 2 structures are combined It can act as an adhesive.

본 발명에 있어서, 그래핀 나노플레이트렛 복합체에 포함될 수 있는 티올계 고분자는 티올기를 곁가지에 포함하는 고분자일 수 있으며, 구체적으로 시스테인을 포함하는 폴리아미드계 고분자일 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the thiol-based polymer that may be included in the graphene nanoplatelet composite may be a polymer including a thiol group in a side branch, and specifically may be a polyamide-based polymer including cysteine, but is not particularly limited thereto. .

티올계 고분자 또는 아민계 고분자를 상기 그래핀 나노플레이트렛 복합체에 포함하는 경우 그래핀 나노플레이트렛 및 전이금속 칼코겐 화합물과의 복합체 형성시 바인더로 작용할 수 있으며, 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 작업 전극의 상단에 금 나노입자가 도포되는 경우 금 나노입자와 공유결합을 형성하여 복합체에 안정적으로 금 나노입자가 도포될 수 있다.When a thiol-based polymer or an amine-based polymer is included in the graphene nanoplatelet composite, it can act as a binder when forming a complex with the graphene nanoplatelet and the transition metal chalcogen compound, and the surface is modified with the graphene nanoplatelet composite. When the gold nanoparticles are applied to the top of the working electrode, the gold nanoparticles can be stably applied to the composite by forming a covalent bond with the gold nanoparticles.

본 발명의 그래핀 나노플레이트렛 복합체는 그래핀 나노플레이트렛 및 전이금속 칼코겐 화합물은 중량 기준으로 1 : 0.1~5의 함량비로 포함될 수 있다. 바람직하게는 1 : 0.5~3의 함량비로 포함되고, 보다 바람직하게는 1 : 1~2.5의 함량비로 포함되는 것이 센서 표면의 전하이동저항을 낮출 수 있어 좋다. In the graphene nanoplatelet composite of the present invention, the graphene nanoplatelet and the transition metal chalcogen compound may be included in a content ratio of 1:0.1-5 by weight. Preferably it is included in a content ratio of 1: 0.5 to 3, more preferably in a content ratio of 1: 1 to 2.5, since it is good to lower the charge transfer resistance of the sensor surface.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 작업 전극은 아민계 고분자 용액을 제조하고, 그래핀 및 전이금속 칼코겐 화합물을 상기 용액에 혼합하여 균일 분산액을 제조한 후, 상기 분산액을 스핀 코팅 또는 액적 코팅(drop coating)을 통하여 제조되는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the working electrode surface-modified with the graphene nanoplatelet composite is prepared by preparing an amine-based polymer solution, and mixing graphene and a transition metal chalcogen compound in the solution to prepare a uniform dispersion. Then, the dispersion may be prepared through spin coating or drop coating.

또한, 상기 작업 전극의 상단에는 금 나노입자가 도포될 수 있다. 작업 전극은 금 나노입자가 도포됨으로써, 표적 물질 검출을 위한 압타머 또는 감지항체를 보다 안정적으로 고정하며, 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질됨에 따라, 산화 환원 반응 결과로 생성된 전자의 전달 속도를 증가시켜 표적 물질의 감도 향상에 시너지 효과가 발휘된다. In addition, gold nanoparticles may be applied to the upper end of the working electrode. As the working electrode is coated with gold nanoparticles, an aptamer or a sensing antibody for detecting a target material is more stably fixed, and as the surface is modified with a graphene nanoplatelet complex, the transfer rate of electrons generated as a result of the redox reaction A synergistic effect is exerted in improving the sensitivity of the target material by increasing the

본 발명에 따르면, 금 나노입자의 도포는 일반적으로 화학기상증착법(CVD), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 스퍼터링법(sputterring), 레이저어블레이션법(laser ablation), 전기화학적 용착, 전기방전법(arc-discharge), 플라즈마증착법, 열화학 기상증착법 및 전자빔 기상증착법으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 황산 용액 및 염화금 용액에서 일정 시간 일정 정전위 처리하여 전기화학적 용착을 통한 도포일 수 있다.According to the present invention, the application of gold nanoparticles is generally chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition, sputtering, laser ablation, electrochemical deposition, and electric discharge. It may be performed by any one or more methods selected from the group consisting of arc-discharge, plasma deposition, thermochemical vapor deposition, and electron beam vapor deposition, but is not particularly limited thereto. Preferably, it may be applied through electrochemical welding by performing a constant potential treatment in a sulfuric acid solution and a gold chloride solution for a certain time.

본 발명의 바람직한 구현 예로서, 상기 전극부의 작업 전극은 그래핀 나노플레이트렛, MoS2 및 키토산으로 표면 개질되는 것일 수 있다. 이때, 각각의 함량은 중량 기준으로 1 : 0.1 내지 5 : 0.01 내지 1로 포함될 수 있고, 바람직하게는 1 : 0.5 내지 3 : 0.05 내지 0.5로 포함되는 것이 좋다. 보다 바람직하게는 1 : 1 내지 2.5 : 0.08 내지 0.2로 포함되는 것이 높은 환원전류 피크를 나타냄으로써 전극의 민감도가 향상되어 전기화학적 신호로 표적물질을 정량적으로 분석함에 있어 우수한 정확도를 나타낼 수 있어 좋다. In a preferred embodiment of the present invention, the working electrode of the electrode part may be surface-modified with graphene nanoplatelets, MoS 2 and chitosan. At this time, each content may be included in 1: 0.1 to 5: 0.01 to 1 by weight, preferably 1: 0.5 to 3: 0.05 to 0.5. More preferably, 1:1 to 2.5: 0.08 to 0.2 indicates a high reduction current peak, so the sensitivity of the electrode is improved, so it is good to exhibit excellent accuracy in quantitatively analyzing a target material with an electrochemical signal.

또한, 상기 작업 전극의 상단에는 금 나노입자가 도포된 것일 수 있다. 금 나노입자가 도포됨으로써, 표면 개질된 작업 전극의 검출 한계가 더욱 더 낮아져 고감도의 전극 센서를 구현할 수 있어 좋다. 이때, 금 나노용액은 1×10-2 내지 5×10-2 M인 것이 표면 커버리지를 높이는데 유리하다. 보다 좋게는 2×10-2 내지 4×10-2 M인 것이 그래핀 나노플레이트렛 복합체와 상호작용이 저해됨이 없이 압타머 또는 감지항체의 고정화에 유리하게 작용할 수 있다. 또한, 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 전극의 경우 금 도포의 표면 커버리지를 현저히 상승시키는 효과를 나타낸다. In addition, gold nanoparticles may be coated on the upper end of the working electrode. By coating the gold nanoparticles, the detection limit of the surface-modified working electrode is further lowered, so that a highly sensitive electrode sensor can be realized. In this case, it is advantageous to increase the surface coverage of the gold nano solution in the range of 1×10 -2 to 5×10 -2 M. More preferably, 2×10 −2 to 4×10 −2 M may advantageously act on immobilization of the aptamer or the sensing antibody without inhibiting the interaction with the graphene nanoplatelet complex. In addition, the electrode surface-modified with the graphene nanoplatelet composite exhibits an effect of significantly increasing the surface coverage of gold coating.

본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서를 구성하는 미세유체 채널부는 입자 주입부, 입자 이동부, 반응부 및 입자 배출부를 포함할 수 있다. 구체적으로, 표적 물질을 포함하는 액상의 분석용 샘플이 입자 주입부를 통해 주입되어, 입자 이동부를 거쳐 반응부로 들어와 작업 전극 내에서 반응이 일어난 후, 입자 배출부를 통하여 빠져나가도록 구성되어 있다. The microfluidic channel unit constituting the electrochemical biosensor according to the present invention may include a particle injection unit, a particle moving unit, a reaction unit, and a particle discharge unit. Specifically, the liquid sample for analysis containing the target material is injected through the particle injection unit, enters the reaction unit through the particle moving unit, and after reaction occurs in the working electrode, it is configured to exit through the particle discharge unit.

상기 반응부는 입자 주입부를 통해 들어온 유체가 와류를 형성할 수 있도록 소정 간격으로 이격된 천장부 및 상기 천장부와 연결된 측벽이 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 천장부 및 천장부와 연결된 측벽은 복수 개로서 열을 이룰 수 있고, 유체가 방향을 바꾸어 흐르면서 와류가 형성될 수 있도록 상기 열은 빗살 무늬를 이루는 것일 수 있으나, 와류가 형성될 수 있는 유로 형태이면 족하고, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. The reaction unit may be characterized in that a ceiling portion spaced at a predetermined interval and a sidewall connected to the ceiling portion are formed so that the fluid introduced through the particle injection unit can form a vortex. Specifically, the ceiling portion and the sidewall connected to the ceiling portion may form a column as a plurality, and the column may form a comb pattern so that a vortex may be formed while the fluid flows in a changed direction, but a flow path in which a vortex may be formed This is sufficient, and it is not particularly limited thereto.

본 발명에 따라 천장부 및 천장부와 연결된 측벽을 가지는 구조 특히, 빗살 무늬에서 꼭지점에 해당하는 부분이 대향하는 유체의 흐름을 양 옆으로 가르는 역할(deflection point)을 하고, 갈라진 유체의 흐름은 이동 중에 반응부 내에서 유체에 수직방향의 속도성분을 만들어 국부적인 미세 와류(micro vortex)를 발생시키고, 분석액 내 존재하는 표적 물질을 혼합함으로써 작업 전극 상에 고정화된 압타머 또는 감지항체와의 유효충돌수를 증가시킨다. 일종의 교반 작용에 의하여 표적 물질과 압타머 또는 검지항체와의 충돌 빈도가 증가하는 것은 유체 내 표적 물질 중 반응에 참여하는 비율이 높아짐에 따라 센서의 검출 민감도를 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다. According to the present invention, a structure having a ceiling portion and a side wall connected to the ceiling portion, in particular, a portion corresponding to a vertex in a comb pattern serves as a deflection point to separate the flow of the opposite fluid, and the flow of the split fluid reacts during movement The number of effective collisions with the aptamer or the sensing antibody immobilized on the working electrode by creating a velocity component in the vertical direction to the fluid in the compartment, generating a local micro vortex, and mixing the target material present in the analyte. to increase Increasing the collision frequency between the target material and the aptamer or the detection antibody by a kind of agitation action may have the effect of improving the detection sensitivity of the sensor as the rate of participation in the reaction among the target material in the fluid increases.

또한, 종래 드롭 캐스트 방식과 같이 유체 내에 부유하는 표적 물질이 전극 표면까지 가라앉아야 반응이 일어나는 것과 비교하여 반응시간이 보다 단축되므로, 측정에 필요한 시간을 단축시키고 센서 표면에 나타나는 파울링 이슈(fouling issue)를 감소시킬 수 있어 센싱 신호의 질을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.In addition, as in the conventional drop-casting method, the reaction time is shorter than that for the reaction to occur only when the target material floating in the fluid sinks to the surface of the electrode, thereby reducing the time required for measurement and a fouling issue appearing on the sensor surface. ) can be reduced, thereby providing the effect of improving the quality of the sensing signal.

본 발명에 따른 미세유체 채널부는 플라스틱, 실리콘 및 유리 중에서 어느 하나 이상으로 제작될 수 있다. 플라스틱의 구체 예로는 PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrylate) 및 폴리스티렌(polystyrene) 등이 예시될 수 있으나, 내구성이 좋고 가벼우면서 가공성이 좋아 성형이 용이한 PDMS로 제조되는 것이 바람직할 수 있다.The microfluidic channel unit according to the present invention may be made of any one or more of plastic, silicon, and glass. Specific examples of the plastic may include PDMS (polydimethylsiloxane), PMMA (polymethylmethacrylate), and polystyrene, etc., but it may be preferably made of PDMS, which has good durability, is light and has good processability, and is easy to mold.

본 발명에 따른 전극부 및 미세유체 채널부는 접합부에 의하여 결합될 수 있는데, 상기 접합부는 비영구적 결합 방식으로서, 일정한 압력을 가하여 전극부 및 미세유체 채널부가 접합되어 고정하는 역할을 한다. 클램프를 이용한 고정방식 이거나 자력을 이용하는 것일 수 있다. The electrode part and the microfluidic channel part according to the present invention may be coupled by a junction part, and the junction part is a non-permanent coupling method and serves to bond and fix the electrode part and the microfluidic channel part by applying a constant pressure. It may be a fixing method using a clamp or a magnetic force.

보다 구체적으로 상기 접합부는 상부 커버 및 하부 커버를 포함하되, 상부 커버 및 하부 커버에서 선택되는 어느 하나 이상은 미세유체 채널부 및 전극부를 내부에 수용하는 수용부를 더 포함할 수 있다. 상기 수용부를 더 포함함으로써, 미세유체 채널부 및 전극부가 결합된 상태로 고정될 수 있어, 전극부의 작업 전극 및 미세유체 채널부의 반응부가 어긋나지 않고, 대향되어 결합되도록 함으로써, 압타머 또는 감지항체가 표적 물질과 반응이 용이하게 일어나도록 할 수 있다.More specifically, the junction portion includes an upper cover and a lower cover, and any one or more selected from the upper cover and the lower cover may further include a receiving portion accommodating the microfluidic channel portion and the electrode portion therein. By further including the receiving part, the microfluidic channel part and the electrode part can be fixed in a coupled state, so that the working electrode of the electrode part and the reaction part of the microfluidic channel part do not shift and are coupled to each other so that the aptamer or the sensing antibody is a target It can make it easier to react with a substance.

또한, 상기 상부 커버 및 하부 커버에서 선택되는 어느 하나 이상은 자석을 포함하여 상부 커버 및 하부 커버가 자력을 이용하여 결합되도록 할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 자석이 하나 이상 구비된 상부 커버는 자석에 대하여 인력이 작용하는 재료를 포함하는 하부 커버와의 결합으로 미세유체 채널 및 전극부가 결합될 수 있다. 반대로 자석이 하나 이상 구비된 하부 커버 및 자석에 대하여 인력이 작용하는 재료를 포함하는 상부 커버와 결합하거나, 상부 커버 및 하부 커버 모두 자석을 하나 이상 구비하여 서로 인력이 작용함으로써 미세유체 채널 및 전극부가 결합될 수 있다. 상기 자력으로 인한 인력은 미세유체 채널 및 전극부에 일정한 결합력을 유지할 수 있고, 미세유체 채널로부터 유체가 유출됨을 방지할 수 있을 정도면 충분하다. In addition, any one or more selected from the upper cover and the lower cover may include a magnet so that the upper cover and the lower cover are coupled using a magnetic force. Specifically, for example, the microfluidic channel and the electrode part may be coupled to the upper cover provided with one or more magnets by coupling with the lower cover including the material acting on the magnet. Conversely, the microfluidic channel and the electrode part are combined with the lower cover provided with one or more magnets and the upper cover containing a material that attracts the magnets, or both the upper cover and the lower cover are provided with one or more magnets so that attractive forces act with each other. can be combined. The attractive force due to the magnetic force is sufficient to maintain a constant bonding force to the microfluidic channel and the electrode part, and to prevent the fluid from flowing out of the microfluidic channel.

상기 자력은 미세유체 채널 및 전극부가 밀봉되면서도 과도한 압력으로 인하여 유체가 누출되는 것을 방지하기 위하여 자석의 갯수로 조절될 수 있다.The magnetic force may be controlled by the number of magnets to prevent fluid leakage due to excessive pressure while sealing the microfluidic channel and the electrode part.

본 발명에 따른 자석을 하나 이상 포함하는 상부 커버 및/또는 하부 커버는 미세유체 채널부 및 전극부를 접합시키기 위하여 미세유체 채널부 및 전극부의 형태에 맞추어 3D 프린팅 방식에 의하여 제조되는 것일 수 있다.The upper cover and/or lower cover including one or more magnets according to the present invention may be manufactured by a 3D printing method according to the shape of the microfluidic channel part and the electrode part in order to bond the microfluidic channel part and the electrode part.

본 발명에 따른 자력을 이용한 접합부의 결합 방식은 종래 산소 플라즈마를 이용한 영구적 결합 방식에 비하여 미세유체 채널에 가해지는 압력을 저하시킴으로써 유체의 샘 방지 효과가 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 자력을 이용한 비영구적 결합 방식은 표적 물질의 검출 이후, 미세유체 채널부 및 전극부의 용이한 분리과정을 거쳐 표적 물질을 수확할 수 있어, 표적 물질을 폐기하지 않고 후단 분석에 이용할 수 있는 이점을 제공할 수 있다.The bonding method of the junction using magnetic force according to the present invention is excellent in preventing leakage of fluid by lowering the pressure applied to the microfluidic channel compared to the conventional permanent bonding method using oxygen plasma. In addition, the non-permanent binding method using magnetic force according to the present invention can harvest the target material through an easy separation process of the microfluidic channel part and the electrode part after the detection of the target material, so that the target material is not discarded and can be used for later analysis. It can provide you with available benefits.

또한, 종래 영구적 결합 방식의 경우 미세유체 채널부의 유체 누출 문제를 고려할 때, 접합이 용이한 유리 기판을 사용해야만 하는 제한이 있었으나, 본 발명에 따른 비영구적 결합 방식은 미세유체 채널부의 재질에 구애받지 않고, 기판의 선택이 자유롭다. In addition, in the case of the conventional permanent bonding method, considering the fluid leakage problem of the microfluidic channel part, there was a limitation that a glass substrate that is easy to bond should be used. and the choice of substrate is free.

본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 표적 물질은 단백질, 탄수화물, 지질, 약학제제, 저분자 물질, 유기성 비약학제제 및 세포를 포함한 거대분자 복합체 등을 예로 들 수 있고, 압타머 또는 감지항체의 표적이 되는 물질이라면 제한 없이 이용할 수 있으나, 바람직하게는 엑소좀일 수 있다.The target material of the electrochemical biosensor according to the present invention may include, for example, proteins, carbohydrates, lipids, pharmaceuticals, small molecular substances, organic non-pharmaceuticals, and macromolecular complexes including cells, and the target of the aptamer or sensing antibody is As long as it is a material that can be used without limitation, it may be preferably an exosome.

본 발명은 상기 기술한 특징을 가지는 바이오센서를 포함하는 엑소좀 검출용 키트를 제공할 수 있다.The present invention may provide a kit for detecting exosomes comprising a biosensor having the above-described characteristics.

또한, 본 발명은 상기 바이오센서를 활용하여 표적 물질을 분석하는 방법을 제공한다. 이하, 표적 물질을 분석하는 방법은 상술한 본 발명에 따른 바이오센서에 따른 것으로, 상술한 구성들의 특징을 포함하고, 중복된 설명은 생략한다. In addition, the present invention provides a method of analyzing a target material using the biosensor. Hereinafter, a method for analyzing a target material is according to the biosensor according to the present invention described above, and includes the characteristics of the above-described components, and a redundant description is omitted.

구체적으로, 액상의 분석용 샘플을 제공하는 단계; 상기 분석용 샘플을 표적 물질 검출용 센서의 미세유체 채널의 입자 주입부에 주입하는 단계; 상기 미세유체 채널의 반응부에 형성된 와류를 통해 분석용 샘플의 표적 물질이 농축되는 단계; 상기 표적 물질이 상기 반응부에 대향하는 작업 전극에 고정된 압타머 또는 검지항체와 특이적으로 결합하여 복합체를 형성하는 단계; 상기 복합체에 의하여 생성된 전기화학적 신호를 측정하여 상기 분석용 샘플 내 표적 물질을 분석하는 단계;를 포함하고, 상기 작업 전극은 그래핀 나노플레이트렛, 및 전이금속 칼코겐 화합물 및 아민계 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.Specifically, providing a liquid sample for analysis; injecting the sample for analysis into a particle injection unit of a microfluidic channel of a sensor for detecting a target material; concentrating the target material of the sample for analysis through the vortex formed in the reaction part of the microfluidic channel; forming a complex by specifically binding the target material with an aptamer or a detection antibody immobilized on a working electrode facing the reaction unit; and analyzing the target material in the sample for analysis by measuring the electrochemical signal generated by the complex, wherein the working electrode is selected from graphene nanoplatelets, transition metal chalcogen compounds, and amine-based polymers It may be characterized in that it further includes any one or two.

상기 전기화학적 신호는 압타머 또는 검지항체에 결합된 표지분자를 활용하여 검출될 수 있다. 구체적으로 예를 들어 압타머에 엑소좀이 결합되고, 그 엑소좀에 2차 신호전달 물질이 결합된 압타머가 결합 되어 신호를 발생한다. 2차 신호전달 물질의 예로서 은 나노입자가 있을 수 있다. 은 나노입자는 전류를 전달할 수 있는 물질 중 하나로 표적 물질이 결합한 후 2차 신호전달 물질로서 주입되어, 전류가 발생할 경우 표적 물질이 성공적으로 결합한 것으로 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 전기화학적 신호량의 변화를 통하여 표적 물질을 정량적으로 평가하는 것 또한 가능하다. The electrochemical signal may be detected using a labeling molecule bound to an aptamer or a detection antibody. Specifically, for example, an exosome is bound to an aptamer, and an aptamer to which a secondary signaling material is bound to the exosome is bound to generate a signal. As an example of the secondary signaling material, there may be silver nanoparticles. Silver nanoparticles are one of the materials capable of transmitting an electric current and are injected as a secondary signal transduction material after the target material binds to it. In addition, it is also possible to quantitatively evaluate a target material through a change in the amount of an electrochemical signal.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 분석하는 단계 이후, 표적 물질을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 종래 검출용 센서는 표적 물질을 정성적 또는 정량적으로 검출하는 것에 제한될 수 밖에 없었으나, 본 발명은 전극부와 미세유체 채널부가 비영구적 결합 방식에 의하여 접합하고 있어, 표적 물질의 검출 이후, 전극부와 미세유체 채널부를 분리함으로써, 표적 물질을 회수하는 것이 가능하다.In one embodiment of the present invention, after the analyzing step, the step of recovering the target material may be further included. Conventional sensors for detection have had to be limited to qualitatively or quantitatively detecting a target material, but in the present invention, since the electrode part and the microfluidic channel part are joined by a non-permanent coupling method, after the detection of the target substance, the electrode By separating the part and the microfluidic channel part, it is possible to recover the target material.

따라서 본 발명은 상기 회수된 표적 물질을 후단 분석에 이용하는 단계를 더 포함한 표적 물질 분석 방법을 제공할 수 있다. 후단 분석이라 함은 증폭, 서열분석 등일 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, PCR, 시퀀싱, 질량분석(MS), 유전자 발현분석, 단백질 분석으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.Therefore, the present invention can provide a target material analysis method further comprising the step of using the recovered target material for a subsequent analysis. The back-end analysis may be amplification, sequencing, etc., and specifically, for example, may be any one or more selected from the group consisting of PCR, sequencing, mass spectrometry (MS), gene expression analysis, and protein analysis.

본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 표적 물질은 단백질, 탄수화물, 지질, 약학제제, 저분자 물질, 유기성 비약학제제 및 세포를 포함한 거대분자 복합체 등을 예로 들 수 있고, 압타머 또는 감지항체의 표적이 되는 물질이라면 제한 없이 이용할 수 있으나, 바람직하게는 엑소좀일 수 있다.The target material of the electrochemical biosensor according to the present invention may include, for example, proteins, carbohydrates, lipids, pharmaceuticals, small molecular substances, organic non-pharmaceuticals, and macromolecular complexes including cells, and the target of the aptamer or sensing antibody is As long as it is a material that can be used without limitation, it may be preferably an exosome.

검출 가능한 엑소좀 농도는 1Х102 내지 1Х109 exosome/mL일 수 있다. 이는 넓은 농도범위에서 검출이 가능함을 의미할 수 있고, 반드시 이러한 수치에 제한되는 것은 아니다.The detectable exosome concentration may be 1Х10 2 to 1Х10 9 exosome/mL. This may mean that detection is possible in a wide concentration range, and is not necessarily limited to these values.

표적 물질과 결합하는 것은 압타머 또는 감지항체이며, 바람직하게는 압타머일 수 있다. 압타머는 화학적 항체라고도 불리는데, 단일 항체와 비교하여 쉽게 구조적 변형이 가능하며, 합성이 용이하고 안정하다. 또한 항체로 검출하기 어려운 small molecule의 측정에 이용될 수 있어 좋다. 압타머는 G-rich group에 의하여 표적 물질을 강하게 고정시키고, 이는 고온 또는 높은 염농도에 의해 구조가 풀리는 성질을 이용하여 표적 물질의 자유로운 결합과 분리가 용이한 이점이 있다. The binding to the target substance is an aptamer or a sensing antibody, preferably an aptamer. Aptamers, also called chemical antibodies, can be easily structurally modified compared to single antibodies, and are easy to synthesize and stable. Also, it can be used to measure small molecules that are difficult to detect with antibodies. The aptamer strongly immobilizes the target material by the G-rich group, which has the advantage of facilitating free binding and separation of the target material by using the property of unwinding the structure by high temperature or high salt concentration.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 압타머는 EpCAM(Epithelial cell adhesion molecules) 압타머일 수 있다. 바람직하게는 엑소좀에 특이적인 친화성을 가지는 압타머일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the aptamer may be an epithelial cell adhesion molecules (EpCAM) aptamer. Preferably, it may be an aptamer having a specific affinity for the exosome.

전극부 특히, 작업 전극에 도포된 금 나노입자에 고정화될 수 있도록 압타머 또는 감지항체에는 소정의 작용기가 부착될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 아민기, 카르복실기, 히드록시기 및 티올기로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 작용기일 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. A predetermined functional group may be attached to the aptamer or the sensing antibody so as to be immobilized on the electrode part, particularly, the gold nanoparticles applied to the working electrode. Specifically, for example, it may be any one or more functional groups selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group, and a thiol group, but is not particularly limited thereto.

액상의 분석용 시료는 혈액, 소변, 장액 및 타액로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. The liquid sample for analysis may be any one or two or more selected from the group consisting of blood, urine, intestinal fluid, and saliva.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 첨부된 도면은 하기의 실시예 및 실험예를 통한 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서 및 이를 이용한 표적 물질 분석 방법에 대한 검증 결과를 나타낸 것이다. 다만, 하기의 실시예 및 실험예를 나타낸 도면은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, detailed contents for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The accompanying drawings show the verification results for the electrochemical biosensor and the target material analysis method using the same according to the present invention through the following examples and experimental examples. However, the drawings showing the following examples and experimental examples are only a reference for explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms. And, in the description of the present invention, if it is determined that the subject matter of the present invention may be unnecessarily obscured as it is obvious to those skilled in the art with respect to related known functions, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명에 따른 미세유체 채널부(200), 전극부(300) 및 접합부(400)를 포함하는 전기화학적 바이오센서(100)의 분해 사시도이다. 접합부(400)는 상부 커버(410) 및 하부 커버(420)로 구성되어 있으며, 상부 커버(410) 및 하부 커버(420)는 하나 이상의 자석(412, 422)을 포함하고 있다. 도면에 표시되지 않았으나, 상부 커버 및 하부 커버 내 자석이 배치되지 않은 공간은 미세유체 채널부(200)의 입자 주입부 및 입자 배출구가 형성되어 있는 공간과 대향하는 위치의 공간으로서 외부와 통하는 튜브 등이 설치될 수 있다.1 is an exploded perspective view of an electrochemical biosensor 100 including a microfluidic channel part 200 , an electrode part 300 , and a junction part 400 according to the present invention. The junction part 400 includes an upper cover 410 and a lower cover 420 , and the upper cover 410 and the lower cover 420 include one or more magnets 412 and 422 . Although not shown in the drawing, the space in which the magnet is not disposed in the upper cover and the lower cover is a space opposite to the space in which the particle injection part and the particle discharge port of the microfluidic channel part 200 are formed, such as a tube communicating with the outside. This can be installed.

또한, 도시되지 않았으나, 상부 커버(410) 및 하부 커버(420)는 3D 프린팅 방식을 이용하여 미세유체 채널부(200) 및 전극부(300)의 결합이 고정되어 움직일 수 없도록 크기에 상응하는 수용부를 포함하는 구성을 가질 수 있다.In addition, although not shown, the upper cover 410 and the lower cover 420 are accommodated according to the size so that the combination of the microfluidic channel part 200 and the electrode part 300 is fixed and cannot move by using the 3D printing method. It may have a configuration that includes parts.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명에 따른 미세유체 채널부(200) 및 전극부(300)를 포함하는 전기화학적 바이오센서(100)에 대한 결합 사시도 및 분해 사시도를 나타낸 것이다. 이를 참조하여, 미세유체 채널부(200) 및 전극부(300)에 대하여 상세히 설명한다.2 and 3 are a combined perspective view and an exploded perspective view of the electrochemical biosensor 100 including the microfluidic channel part 200 and the electrode part 300 according to the present invention, respectively. With reference to this, the microfluidic channel part 200 and the electrode part 300 will be described in detail.

본 발명은 표적 물질이 포함된 유체의 유동을 제어하는 미세유체 채널부(200)와 전극부(300)를 접합하여 전기화학적 바이오센서(100)의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 미세유체 채널부(200)는 전기화학 바이오센서(100)의 작업 전극(320)을 둘러싸는 측벽과 천장부로 이루어진 반응부(210)를 구비하고 있다. 반응부(210)의 천장부는 반응부(210)에서 유동하는 유체에 난류를 일으키는 복수의 빗살 형태의 홈이 열을 이루어 형성되어 있다. 이를 확대하여 도시한 형태는 도 1에 나타나 있다.An object of the present invention is to improve the performance of the electrochemical biosensor 100 by bonding the microfluidic channel part 200 and the electrode part 300 for controlling the flow of a fluid containing a target material. The microfluidic channel part 200 is provided with a reaction part 210 consisting of a side wall and a ceiling part surrounding the working electrode 320 of the electrochemical biosensor 100 . The ceiling portion of the reaction unit 210 is formed with a plurality of comb-tooth-shaped grooves that cause turbulence in the fluid flowing in the reaction unit 210 . An enlarged form of this is shown in FIG. 1 .

또한 미세유체 채널부(200)는 반응부(210)와 연통하는 입자 주입부(230) 및 입자 배출부(240)가 구비되어, 표적 물질을 포함한 유체가 입자 주입부(230)로 주입되어 반응부(210)에서 작업 전극(320)상의 압타머 또는 감지항체와 상호 반응을 일으킨 후 입자 배출부(240)를 통해 빠져나가도록 구성되어 있다.In addition, the microfluidic channel unit 200 is provided with a particle injection unit 230 and a particle discharge unit 240 communicating with the reaction unit 210 , and a fluid including a target material is injected into the particle injection unit 230 for reaction. After causing a mutual reaction with the aptamer or the sensing antibody on the working electrode 320 in the unit 210, it is configured to exit through the particle discharge unit 240 .

도 6은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오 센서를 이용한 엑소좀 검출능을 분석한 결과로서, Pulse height가 증가할수록 엑소좀의 신호피크가 증가하고 도 6(b)는 엑소좀의 농도에 비례하여 엑소좀의 신호가 높은 선형성(R2=0.981)으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 1×102 내지 1×109 exosome/mL 에 이르는 넓은 농도 범위에서 엑소좀의 검출이 가능함을 확인할 수 있다. 또한, 17 exosomes/mL까지 검출이 가능한 결과를 통해, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오 센서는 검출 한계(Limit of Detection: LOD)를 낮추고, 크게 향상된 감도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 6 is a result of analyzing the exosome detection ability using the electrochemical biosensor according to the present invention. As the pulse height increases, the signal peak of the exosome increases, and FIG. 6(b) shows the exosome in proportion to the concentration of the exosome. It can be seen that the signal of SOM increases with high linearity (R 2 =0.981). Through this, it can be confirmed that the detection of exosomes is possible in a wide concentration range ranging from 1×10 2 to 1×10 9 exosome/mL. In addition, from the results that can detect up to 17 exosomes/mL, it can be confirmed that the electrochemical biosensor according to the present invention lowers the limit of detection (LOD) and exhibits significantly improved sensitivity.

도 8은 본 발명에서 표면개질에 사용된 MoS2-그래핀 나노복합체와 그 구성체의 TEM 사진을 나타낸 것이다. TEM 분석을 통해 나노복합체는 2개 이상의 다른 시트로 구성된 것을 확인할 수 있으며, High-resolution 전자현미경을 이용하여 나노복합체의 구성체인 그래핀 나노플레이트렛 및 MoS2의 형태를 확인할 수 있다. 8 is a MoS 2 - graphene nanocomposite used for surface modification in the present invention and shows a TEM photograph of the structure. Through TEM analysis, it can be confirmed that the nanocomposite is composed of two or more different sheets, and the form of graphene nanoplatelets and MoS 2 which are the constituents of the nanocomposite can be confirmed using a high-resolution electron microscope.

도 9는 도 5에서 진행된 표면 처리 과정을 원자 현미경을 이용해 순차적으로 확인한 것이다. 구체적으로 (I)단계는 금 나노입자/그래핀 나노플레이트렛 복합체/전극(GNS/NC/SPEC)의 표면 상태, (II)단계는 (I)단계에서 압타머가 결합된 상태(Aptamer/GNS/NC/SPEC), (III)단계는 (II)단계에 6-머캅토-1-헥산올(6-mercapto-1-hexanol: MCH)을 처리하여 전극을 부동화(passivation)시킨 상태이며, (IV)단계는 (III)단계 이후, 엑소좀이 결합된 상태를 나타낸다. 9 is a sequential confirmation of the surface treatment process in FIG. 5 using an atomic force microscope. Specifically, step (I) is the surface state of the gold nanoparticles/graphene nanoplatelet composite/electrode (GNS/NC/SPEC), and step (II) is the state in which the aptamer is bound in step (I) (Aptamer/GNS/ NC/SPEC), step (III) is a state in which the electrode is passivated by treating 6-mercapto-1-hexanol (MCH) in step (II), (IV) ) indicates a state in which the exosomes are bound after step (III).

도 9는 수직거리(vertical distance: VD)와 평균 표면 거칠기(average surface roughness: RA) 측정함으로써 표면 개질 정도를 물리적으로 검증하였음을 나타낸다. 즉, 표면 처리가 단계별로 진행됨에 따라, 수직거리는 순차적으로 증가하고, 표면 거칠기는 물질이 쌓이면서 점점 완만해지는 것을 확인할 수 있는데, 표면 처리가 진행됨에 따라 표면 거칠기 계수가 낮아지면서 전위장벽이 낮아 전극의 감도가 향상됨을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 표면 개질된 전극이 표적 물질의 검출에 우수한 성능을 보여줄 수 있음을 알 수 있는 결과이다.9 shows that the degree of surface modification was physically verified by measuring a vertical distance (V D ) and average surface roughness ( R A ). That is, as the surface treatment progresses step by step, the vertical distance increases sequentially, and it can be seen that the surface roughness gradually becomes gentle as the material is accumulated. It can be seen that the sensitivity is improved. This is a result confirming that the surface-modified electrode according to the present invention can show excellent performance in detecting a target material.

도 11은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서를 이용하여 실제 유방암 환자의 혈액으로부터 엑소좀을 검출하는 실험을 진행하고, 전기적 신호의 세기를 통하여 엑소좀의 정량분석 결과를 ELISA를 이용한 정량분석과 비교하여 나타내었다. 실험 결과 건강한 혈액샘플에 비하여 1-2기 유방암 환자의 경우 엑소좀의 검출량이 약 2배 증가한 것을 확인할 수 있고 3-4기 유방암 환자의 경우 1-2기 환자에 비해 1.5배 증가한 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 암이 진행됨에 따라 엑소좀의 개수가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 또한, ELISA를 통한 정량분석에 비하여, 더 높은 농도로 엑소좀이 검출되는 결과를 볼 때, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 민감도 및 정확도가 현저히 향상된 것을 확인할 수 있다. 11 is an experiment for detecting exosomes from the blood of an actual breast cancer patient using the electrochemical biosensor according to the present invention, and comparing the results of quantitative analysis of exosomes through the intensity of electrical signals with quantitative analysis using ELISA was indicated. As a result of the experiment, it can be confirmed that the amount of exosomes detected in stage 1-2 breast cancer patients increased by about 2 times compared to healthy blood samples, and in patients with stage 3-4 breast cancer, it was confirmed that it increased 1.5 times compared to stage 1-2 patients. . Through this, it can be confirmed that the number of exosomes increases as cancer progresses. In addition, it can be confirmed that the sensitivity and accuracy of the electrochemical biosensor according to the present invention are remarkably improved when looking at the result of detecting exosomes at higher concentrations compared to quantitative analysis through ELISA.

실시예 1. 그래핀 나노플레이트렛-MoSExample 1. Graphene Nanoplatelet-MoS 22 -키토산 표면개질된 전극(NC/SPCE)의 제조-Production of chitosan surface-modified electrodes (NC/SPCE)

그래핀 나노플레이트렛(Sigma Aldrich사)과 MoS2(Graphene-supermarket www.graphene-supermarket.com, USA)의 혼합액을 초음파분산기(sonicator)로 20분간 초음파 처리하고, MoS2 : 그래핀 나노플레이트렛 : 키토산(CHT)의 비가 2:1:0.1로 되도록 키토산(Sigma Aldrich사)을 첨가하여 다시 20분간 초음파 처리하여, 그래핀 나노플레이트렛 복합체(NC)를 형성하였다. 이후 0.5 M H2SO4 용액으로 SPCE 전극의 표면을 세척하고, 0.1-0.7 V의 전압을 가하였다. 20 ㎕의 그래핀 나노플레이트렛 복합체(NC) 용액을 SPEC 전극 표면에 드롭 캐스팅한 후, 1시간 동안 실온에서 건조시켜 그래핀 나노플레이트렛-MoS2-키토산 표면개질된 전극을 제조하였다.A mixture of graphene nanoplatelets (Sigma Aldrich) and MoS 2 (Graphene-supermarket www.graphene-supermarket.com, USA) was sonicated for 20 minutes with a sonicator, and MoS 2 : graphene nanoplatelets : Chitosan (Sigma Aldrich) was added so that the ratio of chitosan (CHT) was 2:1:0.1 and sonicated for 20 minutes again to form a graphene nanoplatelet composite (NC). Then, the surface of the SPCE electrode was washed with a 0.5 MH 2 SO 4 solution, and a voltage of 0.1-0.7 V was applied. After drop-casting 20 μl of a graphene nanoplatelet composite (NC) solution on the surface of the SPEC electrode, it was dried at room temperature for 1 hour to prepare a graphene nanoplatelet-MoS 2 -chitosan surface-modified electrode.

실시예 2. 금 나노구조-그래핀 나노플레이트렛-MoSExample 2. Gold Nanostructure-Graphene Nanoplatelet-MoS 22 -키토산 표면개질된 전극(GNS/NC/SPCE)의 제조-Production of chitosan surface-modified electrodes (GNS/NC/SPCE)

실시예 1에 따라 제조된 그래핀 나노플레이트렛 복합체(NC)로 표면개질된 전극을 3×10-2 M 염화금(HAuCl4) 용액에서 120초 동안 -0.2V의 정전위 하에서 처리하여 전기화학적 용착을 통한 방법으로 금 나노입자를 도포하여 금 나노구조-그래핀 나노플레이트렛 복합체 전극(GNS/NC/SPCE)을 제조하였다. 이때, 금이 도포된 표면 커버리지는 62.89%를 나타내었다. Electrochemical deposition by treating the electrode surface-modified with the graphene nanoplatelet composite (NC) prepared according to Example 1 under a constant potential of -0.2V in 3×10 -2 M gold chloride (HAuCl 4 ) solution for 120 seconds A gold nanostructure-graphene nanoplatelet composite electrode (GNS/NC/SPCE) was prepared by applying gold nanoparticles through the method. At this time, the gold-coated surface coverage was 62.89%.

실시예 3. 표면 개질된 전극의 표면에 EpCAM 압타머의 고정화Example 3. Immobilization of EpCAM Aptamer on Surface of Surface Modified Electrode

6.25Х106 M의 압타머 20.0 ㎕를 1.5Х10-3 M의 TCEP(Tris(2-carboxyethyl)phospine) 용액 5.0 ㎕과 어두운 곳에서 1시간 동안 인큐베이팅하여 티올화된 압타머의 이황화 결합을 감소시켰다. 실시예 2에 따라 제조된 금 나노구조-그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 전극을 탈이온수로 세척하여 질소 기체를 사용하여 건조시켰다. 이후, 상기 세척된 전극에 이황화 결합이 감소된 압타머 7.0 ㎕를 떨어뜨리고 4℃ 습한 조건으로 밤새 유지하였다. 상기 전극에 압타머를 고정화한 후, 상기 전극에 1Х10-3 M MCH(6-머캅토-1-헥산올) 용액 7.0 ㎕를 떨어뜨려 1시간 동안 두어 전극을 부동화시켰다. 사용 전 전극을 PBS를 사용하여 세척하고, 4℃ 습한 조건으로 유지하였다.The disulfide bond of the thiolated aptamer was reduced by incubating 20.0 μl of 6.25Х10 6 M aptamer with 5.0 μl of 1.5Х10 -3 M TCEP (Tris(2-carboxyethyl)phospine) solution in the dark for 1 hour. The electrode surface-modified with the gold nanostructure-graphene nanoplatelet composite prepared according to Example 2 was washed with deionized water and dried using nitrogen gas. Thereafter, 7.0 μl of an aptamer with reduced disulfide bonds was dropped onto the washed electrode and maintained at 4° C. in a humid condition overnight. After immobilizing the aptamer on the electrode, 7.0 μl of a 1Х10 -3 M MCH (6-mercapto-1-hexanol) solution was dropped on the electrode and left for 1 hour to immobilize the electrode. Before use, the electrode was washed with PBS and maintained in a humid condition at 4°C.

실시예 4. 미세유체채널이 결합된 전기화학적 바이오센서의 제조Example 4. Preparation of electrochemical biosensor coupled with microfluidic channels

미세유체채널은 PDMS 소재를 사용하여 제조하였다. 포토레지스트 재료로서 SU-8 (SU-8 3035, MicroChem Corp., Newton, MA, USA)을 실리콘 웨이퍼에 15초 동안 500 rpm 및 40초 동안 1000 rpm으로 스핀코팅하였다. 이후 65℃ 및 95℃ 핫플레이트에서 소프트베이크 공정 처리를 하였다. 템플레이트를 노광 처리하여 패턴을 형성하였다. 메인 채널 및 빗살무늬 형태의 채널이 상기 포토레지스트를 이용한 방식으로 제조되었다.The microfluidic channel was prepared using a PDMS material. As a photoresist material, SU-8 (SU-8 3035, MicroChem Corp., Newton, MA, USA) was spin-coated onto a silicon wafer at 500 rpm for 15 sec and 1000 rpm for 40 sec. Thereafter, a soft bake process was performed on hot plates at 65°C and 95°C. The template was subjected to exposure treatment to form a pattern. A main channel and a comb-shaped channel were prepared by using the photoresist.

자성을 이용한 결합부는 CAD 프로그램(Solidworks, Dassault Systemes, France)에 따라 디자인되고, 3D 프린터(3DISON MULTI, Rokit, Korea)를 통하여 제작되었다. 실시예 3에 따라 제조된 전극과 상기 제조된 미세유체채널을 자성을 이용한 결합부를 이용하여 결합시켜 본 발명의 일 구현예에 따른 압타머를 고정화한 전기화학적 바이오센서를 제조하였다.The magnetic coupling part was designed according to a CAD program (Solidworks, Dassault Systemes, France) and manufactured through a 3D printer (3DISON MULTI, Rokit, Korea). An electrochemical biosensor immobilized with an aptamer according to an embodiment of the present invention was prepared by combining the electrode prepared according to Example 3 and the prepared microfluidic channel using a magnetic coupling part.

실험예 1. 표면 개질된 전극의 물성 확인Experimental Example 1. Confirmation of the physical properties of the surface-modified electrode

가공되지 않은 탄소전극(bare SPCE), MoS2/SPCE, 그래핀 나노플레이트렛/SPCE, 그래핀 나노플레이트렛 복합체/SPCE 및 금 나노/그래핀 나노플레이트렛 복합체/SPCE 전극에 대한 순환전압전류법(cyclic voltammetry: CV) 및 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy: EIS)의 결과를 도 7에 나타내었다.Cyclic voltammetry for bare carbon electrodes (bare SPCE), MoS 2 /SPCE, graphene nanoplatelets/SPCE, graphene nanoplatelet composites/SPCE and gold nano/graphene nanoplatelet composites/SPCE electrodes The results of (cyclic voltammetry: CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) are shown in FIG. 7 .

도 7(a)는 금 나노/그래핀 나노플레이트렛 복합체/SPCE 전극에서 가장 큰 환원 피크 분리를 나타내고, 도 7(b)는 금 나노/그래핀 나노플레이트렛 복합체/SPCE 전극에서 전하 이동 저항값(charge transfer resistance)이 가장 크게 측정된 결과를 보여준다. 상기 결과로부터 가공되지 않은 탄소전극(bare SPCE), 그래핀 나노플레이트렛 복합체/SPCE 및 금 나노/그래핀 나노플레이트렛 복합체/SPCE 전극으로 갈수록 CV의 환원 피크 분리 및 EIS의 전하 이동 저항값이 점점 증가하는 결과를 통하여 유효 표면적이 증가하여 전극이 제조되는 단계에 따라 센서의 표면이 잘 형성된 사실을 확인할 수 있다. Figure 7(a) shows the greatest reduction peak separation in the gold nano/graphene nanoplatelet composite/SPCE electrode, and FIG. 7(b) is the charge transfer resistance value in the gold nano/graphene nanoplatelet composite/SPCE electrode. (charge transfer resistance) shows the largest measured result. From the above results, as the raw carbon electrode (bare SPCE), graphene nanoplatelet composite/SPCE and gold nano/graphene nanoplatelet composite/SPCE electrodes go, the reduction peak separation of CV and the charge transfer resistance value of EIS gradually increased. Through the increased results, it can be confirmed that the effective surface area is increased, so that the surface of the sensor is well formed according to the stage in which the electrode is manufactured.

실험예 2. 엑소좀 검출 한계 평가Experimental Example 2. Exosome detection limit evaluation

본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서를 이용하여 엑소좀 검출 한계 평가를 실시하였다. 엑소좀 농도를 달리하여 전기화학적 신호를 측정한 결과 도 6에 나타난 바와 같이, 1×102 exosomes/㎖ 내지 1×109 exosomes/㎖ 범위에서 전류 피크를 확인할 수 있었다. Exosome detection limit evaluation was performed using the electrochemical biosensor according to the present invention. As a result of measuring the electrochemical signal by varying the exosome concentration, as shown in FIG. 6 , a current peak was confirmed in the range of 1×10 2 exosomes/ml to 1×10 9 exosomes/ml.

실험예 3. 엑소좀 검출능의 임상 평가Experimental Example 3. Clinical evaluation of exosome detection ability

유방암 환자 10명을 실험군으로 하고, 건강한 정상인 3명을 대조군으로 한 엑소좀 검출능의 임상 평가를 진행하였다. 연세대학교 세브란스 병원 IRB의 승인된 프로토콜에 따라 샘플 모집이 이루어졌다. 유방암 환자의 경우 암진행 단계에 따라 1기 3명, 2기 2명, 3기 2명 및 4기 3명의 실험군 및 정상인 3명의 대조군의 혈장 샘플을 채취하였다.Clinical evaluation of exosome detection ability was conducted using 10 breast cancer patients as an experimental group and 3 healthy normal subjects as a control group. Sample recruitment was done according to the approved protocol of the Yonsei University Severance Hospital IRB. For breast cancer patients, plasma samples were collected from the experimental group of 3 patients in stage 1, 2 patients in stage 2, 2 patients in stage 3 and 3 patients in stage 4, and the control group of 3 normal subjects according to the stage of cancer progression.

실험군 및 대조군으로부터 혈장 샘플 채취 후, 혈전이 생성되도록 실온에서 15 내지 30분 방치하였다. 그리고 1000-2000 rpm으로 10분간 원심분리하여 혈전을 제거하였고, 상등액을 클린튜브로 옮겨, 엑소좀은 엑소좀 분리제제(Total Exosome Isolation Reagent (from plasma), Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하여 분리하였다. 얻어진 엑소좀을 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서 및 엑소좀 ELISA 키트(Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan)를 통해 엑소좀 검출능을 비교 평가하였다.After plasma samples were collected from the experimental group and the control group, they were left at room temperature for 15 to 30 minutes to form a thrombus. Then, the thrombus was removed by centrifugation at 1000-2000 rpm for 10 minutes, the supernatant was transferred to a clean tube, and the exosomes were separated using an exosome separation agent (Total Exosome Isolation Reagent (from plasma), Thermo Fisher Scientific, USA). did. The obtained exosomes were compared and evaluated for their ability to detect exosomes through an electrochemical biosensor and an exosome ELISA kit (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan) according to the present invention.

두 가지 방법 모두 암이 진행됨에 따라 엑소좀의 검출량이 증가하였으나, ELISA 방법에 비하여 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 의한 경우 엑소좀의 검출량이 현저히 많았다. 이는 본 발명의 표면 개질을 통한 전극이 높은 검출 감도를 나타내고, 미세유체 채널을 통한 엑소좀의 정확한 정량이 가능했기 때문인 것으로 보여진다. 또한, 본 발명에 따른 경우 검출 시간이 2시간도 채 걸리지 않았던 것에 비해 ELISA 방법에 의한 경우 5시간이 소요되어 본 발명에 의할 때, 검출 시간이 훨씬 단축될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. In both methods, the detection amount of exosomes increased as cancer progressed, but the detection amount of exosomes was significantly higher in the case of the electrochemical biosensor according to the present invention compared to the ELISA method. This is believed to be because the electrode through the surface modification of the present invention exhibited high detection sensitivity, and accurate quantification of exosomes through microfluidic channels was possible. In addition, it was confirmed that, according to the present invention, the detection time can be significantly shortened according to the present invention, as it takes 5 hours in the case of the ELISA method, compared to less than 2 hours in the case of the present invention.

뿐만 아니라, 엑소좀 검출에 필요한 샘플의 양 역시 ELISA에 의한 경우 100 ㎕가 필요했던 반면, 본 발명에 의한 경우 10 ㎕ 이하로도 검출이 가능하여, 적은 샘플 양으로도 검출 정확도를 높일 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 도 10 및 도 11에서 확인할 수 있다.In addition, while the amount of sample required for exosome detection was also 100 μl by ELISA, it was possible to detect even 10 μl or less according to the present invention, so that detection accuracy can be increased even with a small sample amount. Confirmed. These results can be confirmed in FIGS. 10 and 11 .

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 선에서, 구성 요소의 부가, 변경 또는 삭제 등에 의하여 본 발명을 다양하게 수정할 수 있을 것이다.In the above, an embodiment of the present invention has been described, but those of ordinary skill in the art can add, change, or delete components without departing from the scope of the technical idea of the present invention described in the claims. Accordingly, the present invention can be variously modified.

100: 전기화학적 바이오센서 200: 미세유체 채널부
210: 반응부 220: 빗살무늬 유로
230: 입자 주입부 240: 입자 배출부
250: 입자 이동부 300: 전극부
310: 기판 320: 작업 전극
330: 상대 전극 340: 기준 전극
400: 접합부 410: 상부 커버
412: 상부 커버 자석 420: 하부 커버
422: 하부 커버 자석
100: electrochemical biosensor 200: microfluidic channel part
210: reaction unit 220: comb pattern flow path
230: particle injection unit 240: particle discharge unit
250: particle moving unit 300: electrode unit
310: substrate 320: working electrode
330: counter electrode 340: reference electrode
400: junction 410: top cover
412: upper cover magnet 420: lower cover
422: lower cover magnet

Claims (14)

표적 물질과 결합할 수 있는 압타머 또는 감지항체가 고정화되고, 그래핀 나노플레이트렛 복합체로 표면 개질된 작업 전극을 포함하는 전극부;
미세유체 채널부; 및
상기 전극부 및 미세유체 채널부를 결합시키는 접합부;를 포함하고,
상기 결합은 비영구적 결합 방식인 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
an electrode unit including a working electrode on which an aptamer or a sensing antibody capable of binding to a target material is immobilized and surface-modified with a graphene nanoplatelet complex;
microfluidic channel unit; and
Including; a junction for coupling the electrode part and the microfluidic channel part;
The binding is characterized in that the non-permanent binding method, electrochemical biosensor.
제 1항에 있어서,
상기 그래핀 나노플레이트렛 복합체는 그래핀 나노플레이트렛, 및 전이금속 칼코겐 화합물, 티올계 고분자 및 아민계 고분자 중에서 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것인, 전기화학적 바이오센서.
The method of claim 1,
The graphene nanoplatelet composite is an electrochemical biosensor comprising any one or two or more of a graphene nanoplatelet, and a transition metal chalcogen compound, a thiol-based polymer, and an amine-based polymer.
제 1항에 있어서,
상기 전극부의 작업 전극의 상단에 금 나노입자가 도포된 것인, 전기화학적 바이오센서.
The method of claim 1,
The electrochemical biosensor, wherein gold nanoparticles are applied to the top of the working electrode of the electrode part.
제 1항에 있어서,
상기 미세유체 채널부는 입자 주입부, 입자 이동부, 반응부 및 입자 배출부를 포함하는 전기화학적 바이오센서.
The method of claim 1,
The microfluidic channel part electrochemical biosensor including a particle injection part, a particle moving part, a reaction part, and a particle discharge part.
제 4항에 있어서,
상기 반응부는 입자 주입부를 통해 들어온 유체가 와류를 형성할 수 있도록 소정 간격으로 이격된 천장부 및 상기 천장부와 연결된 측벽이 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서.
5. The method of claim 4,
The reaction part electrochemical biosensor, characterized in that a ceiling spaced at a predetermined interval and a side wall connected to the ceiling are formed so that the fluid introduced through the particle injection part can form a vortex.
제 1항에 있어서,
상기 접합부의 비영구적 결합 방식은 자력을 이용하여 미세유체 채널부 및 전극부를 결합하는 것인 전기화학적 바이오센서.
The method of claim 1,
The non-permanent coupling method of the junction is an electrochemical biosensor that combines the microfluidic channel part and the electrode part using magnetic force.
제 6항에 있어서,
상기 접합부는 상부 커버 및 하부 커버를 포함하되, 상기 상부 커버 및 하부 커버에서 선택되는 어느 하나 이상은 미세유체 채널부 및 전극부를 내부에 수용하는 수용부를 더 포함하고, 상기 상부 커버 및 하부 커버에서 선택되는 어느 하나 이상은 자석을 포함하여 상부 커버 및 하부 커버가 자력을 이용하여 결합되는 것인 전기화학적 바이오센서.
7. The method of claim 6,
The junction part includes an upper cover and a lower cover, and at least one selected from the upper cover and the lower cover further includes a receiving part for accommodating the microfluidic channel part and the electrode part therein, and is selected from the upper cover and the lower cover. Any one or more of which is an electrochemical biosensor that includes a magnet and is coupled to the upper cover and the lower cover using magnetic force.
제 1항에 있어서,
상기 표적 물질은 엑소좀인, 전기화학적 바이오센서.
The method of claim 1,
The target material is an exosome, an electrochemical biosensor.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 바이오센서를 포함하는 엑소좀 검출용 키트.A kit for detecting exosomes comprising the biosensor according to any one of claims 1 to 8. 액상의 분석용 샘플을 제공하는 단계;
상기 분석용 샘플을 표적 물질 검출용 센서의 미세유체 채널의 입자 주입부에 주입하는 단계;
상기 미세유체 채널의 반응부에 형성된 와류를 통해 분석용 샘플의 표적 물질이 농축되는 단계;
상기 표적 물질이 상기 반응부에 대향하는 작업 전극에 고정된 압타머 또는 검지항체와 특이적으로 결합하여 복합체를 형성하는 단계;
상기 복합체에 의하여 생성된 전기화학적 신호를 측정하여 상기 분석용 샘플 내 표적 물질을 분석하는 단계;를 포함하고,
상기 작업 전극은 그래핀 나노플레이트렛, 및 전이금속 칼코겐 화합물, 티올계 고분자 및 아민계 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 표적 물질 분석 방법.
providing a liquid sample for analysis;
injecting the sample for analysis into a particle injection unit of a microfluidic channel of a sensor for detecting a target material;
concentrating the target material of the sample for analysis through the vortex formed in the reaction part of the microfluidic channel;
forming a complex by specifically binding the target material with an aptamer or a detection antibody immobilized on a working electrode facing the reaction unit;
and analyzing the target material in the sample for analysis by measuring the electrochemical signal generated by the complex;
The working electrode is a graphene nanoplatelet, and a transition metal chalcogen compound, a thiol-based polymer, and an amine-based polymer, characterized in that it further comprises any one or two selected from the target material analysis method.
제 10항에 있어서,
상기 분석하는 단계 이후, 상기 표적 물질을 회수하는 단계;를 더 포함하는 표적 물질 분석 방법.
11. The method of claim 10,
After the analyzing step, recovering the target material; Target material analysis method further comprising.
제 11항에 있어서,
상기 회수된 표적 물질을 PCR, 시퀀싱, 질량분석(MS), 유전자 분석 및 단백질 분석으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 후단 분석에 이용하는 단계;를 더 포함하는 표적 물질 분석 방법.
12. The method of claim 11,
Using the recovered target material for any one or more downstream analysis selected from the group consisting of PCR, sequencing, mass spectrometry (MS), gene analysis, and protein analysis; Target material analysis method further comprising.
제 10항에 있어서,
상기 표적 물질은 엑소좀인 것을 특징으로 하는 표적 물질 분석 방법.
11. The method of claim 10,
The target substance is a target substance analysis method, characterized in that the exosome.
제 13항에 있어서,
상기 엑소좀의 농도는 1×102 내지 1×109 exosome/mL인 표적 물질 분석 방법.
14. The method of claim 13,
The concentration of the exosome is 1×10 2 to 1×10 9 exosome/mL of a target substance analysis method.
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