KR20220108312A - Biosensor and method for measuring prostate specific antigen using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a biosensor, a method for manufacturing the same, a method for measuring prostate-specific antigen using the same, a kit for diagnosing prostate cancer, and a method for providing information for diagnosing diseases. According to the present invention, the biosensor comprises: a substrate; a titanium electrode positioned on the substrate; a platinum electrode positioned on the substrate; and a fixing part modified with an aminosilane-based compound on at least a portion of the surface of the substrate. The biosensor of the present invention can be reused three or more times with a simple method.

Description

바이오 센서 및 이를 이용한 전립선 특이 항원의 측정 방법{BIOSENSOR AND METHOD FOR MEASURING PROSTATE SPECIFIC ANTIGEN USING THE SAME}Biosensor and method for measuring prostate-specific antigen using the same

본 발명은 반복 사용이 가능한, 비표지(label free) 기반의 맞물린 형태의 인터디지털 커패시터(Interdigitated Capacitor; IDC) 바이오 센서 및 상기 바이오 센서를 이용하여 전립선 특이 항원(Prostate-Specific Antigen; PSA)을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention measures a prostate-specific antigen (PSA) using a repeatable, label-free, interdigitated capacitor (IDC) biosensor and the biosensor. it's about how to

전립선암(Prostate Cancer; PCa)은 남성 인구들 사이에서 가장 널리 퍼진 암으로, 한국을 포함한 전 세계의 암 사망률 중 두 번째 주요 원인으로 꼽힐 정도로 그 비중이 빠르게 증가하고 있다. 특히 전립선암은 남성의 총 암 사망률의 6 %를 차지할 정도로 그 위험성이 심각하다.Prostate cancer (PCa) is the most prevalent cancer among the male population, and its proportion is increasing so rapidly that it is counted as the second leading cause of cancer mortality worldwide, including Korea. In particular, the risk of prostate cancer is so serious that it accounts for 6% of the total cancer mortality in men.

현재 전립선암 검진을 위해서는 크게 두가지로써 직장 손가락 검사(Digital Rectal Examination) 또는 전립선 특이 항원을 검출하는 방법을 이용하고 있다Currently, for prostate cancer screening, there are two major methods, digital rectal examination or prostate-specific antigen detection.

전립선 특이 항원은 전립선암의 잠재적인 바이오 마커로서 진단 및 치료 후 질병 재발을 모니터링 하는데 사용된다. 전립선특이항원 수준은 전립선의 다른 비암성 질병에서도 증가할 수 있기 때문에 암 특이적 마커는 될 수 없다. 그러나, 전립선암 조기발견을 위한 대체 바이오 마커가 없어 전립선 특이 항원의 측정은 중요하다.Prostate-specific antigens are potential biomarkers of prostate cancer and are used to monitor disease recurrence after diagnosis and treatment. It cannot be a cancer-specific marker because prostate-specific antigen levels can also be increased in other noncancerous diseases of the prostate. However, since there is no alternative biomarker for early detection of prostate cancer, the measurement of prostate-specific antigen is important.

바이오 센서(biosensor)란 생물체의 특정한 기능을 가지는 표적물질인 효소, 항체, DNA 등을 인식하고 결합하는 리셉터가 신호 변환장치와 결합되어 생화학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 전기 화학적 센서를 의미한다.A biosensor is a receptor that recognizes and binds enzymes, antibodies, and DNA, which are target substances with specific functions of an organism, is combined with a signal converter, and converts biochemical interactions and recognition reactions into electrical signals for analysis. It refers to an electrochemical sensor that can selectively detect a substance.

바이오 센서는 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화 할 수 있어 대상 물질의 종류에 따라 바이오, 화학, 환경 등의 활용 용도로 널리 사용될 것으로 기대되는 소자이다.A biosensor is a device that is expected to be widely used for bio, chemical, and environmental applications depending on the type of target material because it can rapidly quantify the concentration of various physiologically active substances.

전기 화학적 센서를 이용한 표적물질의 검출 및 분석을 위해서는 표적물질이 가지는 미세한 특성에도 신호의 변화가 크게 나타날 수 있도록 높은 감도를 가지고 있어야 하며, 체액의 화학성분에 견딜 수 있는 화학적 안정성과 유체의 흐름에도 영향을 받지 않는 물리적 안정성을 지니고 있어야 한다. 또한 용이한 사용을 위하여 기존의 측정 플랫폼을 이용할 수 있어야 하며 경제성과 실용성을 위하여 대량 생산이 용이한 구조로 제작될 것이 요구된다.In order to detect and analyze a target material using an electrochemical sensor, it must have high sensitivity so that the signal can be significantly changed even in the microscopic characteristics of the target material. It must have unaffected physical stability. In addition, it is required to be able to use the existing measurement platform for easy use, and to be manufactured in a structure that is easy to mass-produce for economical efficiency and practicality.

고감도, 실시간, 신뢰도 높은 전립선 특이 항원 측정용 바이오센서에 대한 수요가 높다. 전립성 특이 항원의 측정은 다양한 면역 분석, 형광 기반 검출, 효소 결합 면역 흡착 분석(ELISA), 표면 플라즈몬 공명(SPR) 등 다양한 방법으로 이루어지나, 비싸고 복잡한 항체를 이용하거나, 표지(label)를 수반해야 하거나, 민감도가 떨어진다거나, 높은 전문 지식을 필요로 하는 등의 한계를 갖는다. There is a high demand for a high-sensitivity, real-time, and reliable biosensor for prostate-specific antigen measurement. Measurement of prostate-specific antigens is performed by various methods such as various immunoassays, fluorescence-based detection, enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), and surface plasmon resonance (SPR), but expensive and complex antibodies or labels are required. It has limitations such as low sensitivity, or requiring high professional knowledge.

이에 본 발명자는 표지가 필요 없고(label free), 간단하며, 매우 높은 민감도를 갖고, 초고속 반응시간(30초이내)으로 실시간 감지가 가능하며 재사용이 가능한 완전히 새로운 바이오 센서를 발명하였다.Accordingly, the present inventors have invented a completely new biosensor that does not require a label (label free), is simple, has very high sensitivity, enables real-time detection with an ultra-fast response time (within 30 seconds), and is reusable.

상기 문제를 해결하고자 본 발명은 전립선암 진단용 맞물린 형태의 인터디지털 커패시터(IDC) 바이오 센서를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide an interdigitated interdigital capacitor (IDC) biosensor for diagnosing prostate cancer.

다른 일 측면에서, 표지가 필요 없고, 신속하며, 매우 민감하고 재사용 가능한 전립선 특이 항원을 측정할 수 있는 바이오 센서 및 이를 이용한 정액 내 전립선 특이 항원의 측정 방법을 제공하고자 한다. In another aspect, an object of the present invention is to provide a biosensor capable of measuring a prostate-specific antigen without labeling, rapid, highly sensitive and reusable, and a method for measuring prostate-specific antigen in semen using the same.

또다른 일 측면에서, 간단한 방법으로 3회 이상 재사용 가능한 바이오 센서를 제공하고자 한다.In another aspect, it is an object to provide a biosensor that can be reused three or more times in a simple way.

본 발명의 일 측면은, 기판; 상기 기판 상에 위치한 티타늄 전극; 상기 기판 상에 위치한 백금 전극; 및 상기 기판 표면의 적어도 일부에 아미노실란계 화합물로 개질된 고정부를 포함하는, 바이오 센서를 제공한다.One aspect of the present invention, a substrate; a titanium electrode positioned on the substrate; a platinum electrode positioned on the substrate; and a fixing part modified with an aminosilane-based compound on at least a portion of the substrate surface.

상기 바이오 센서는 간단한 방법으로 세척 후 활성화하여 재사용할 수 있으며, 3회 이상의 재사용 시에도 특성을 유지할 수 있다.The biosensor can be reused after being washed and activated in a simple way, and can retain its properties even when reused three or more times.

본 발명에서 상기 기판은 실리콘(silicon, Si), 실리콘 산화물(silicon oxide, SiO2), 질화규소(silicon nitride, Si3N4), 사파이어(sapphire), 다이아몬드(diamond), 탄화규소(silicon carbide), 질화갈륨(gallium nitride, GaN), 게르마늄(germanium, Ge), 인듐 갈륨 비소화물(indium gallium arsenide, InGaAs), 갈륨 비소화물(gallium arsenide, GaAs), 황화납(lead sulfide) 및/또는 이들의 조합과 같은 어느 적합한 재료를 포함할 수 있으며, 본 실시예에서는 실리콘 산화물(SiO2)을 이용하여 제조하였으나, 이에 제한되지 않는다.The substrate in the present invention is silicon (silicon, Si), silicon oxide (silicon oxide, SiO 2 ), silicon nitride (silicon nitride, Si 3 N 4 ), sapphire (sapphire), diamond (diamond), silicon carbide (silicon carbide) , gallium nitride (GaN), germanium (Ge), indium gallium arsenide (InGaAs), gallium arsenide (GaAs), lead sulfide and/or their It may include any suitable material, such as a combination, and in the present embodiment, silicon oxide (SiO 2 ) was used, but is not limited thereto.

PSA는 조직 특이성이 높고 민감도도 높아서 전립선암의 선별검사, 진단, 암 위험도 예측, 재발 표지자로 사용되고 있다. 한편 PSA의 단점은 암 특이성이 없다는 것인데, 구체적으로 전립선암 뿐 아니라 전립선염, 전립샘 비대증 등 양성 전립선 질환에서도 PSA 수치가 증가할 수 있다.Because of its high tissue specificity and high sensitivity, PSA is used as a screening test, diagnosis, cancer risk prediction, and recurrence marker for prostate cancer. On the other hand, the disadvantage of PSA is that it has no cancer specificity. Specifically, the level of PSA can be increased not only in prostate cancer but also in benign prostate diseases such as prostatitis and prostatic hyperplasia.

일반적으로 PSA의 참고범위는 4.0 ng/mL 미만이고, PSA 수치가 10.0 ng/mL 이상이면 전립선암 위험도가 높으며, PSA 수치가 4.0~10.0 ng/mL 사이는 회색지대(gray zone)로, 전립선암, 전립샘비대증, 전립선염에서 모두 있을 수 있다.In general, the reference range for PSA is less than 4.0 ng/mL, a PSA level of 10.0 ng/mL or higher is associated with a high risk of prostate cancer, and a PSA level between 4.0 and 10.0 ng/mL is a gray zone. , prostatic hyperplasia, and prostatitis.

상기한 바, PSA 수치 하나만으로 전립선암을 조기에 발견하기는 어려우나, PSA density (밀도), velocity (속도), %fPSA (free/total PSA ratio) 등을 조합하여 전립선 암을 조기에 발견할 수 있다.As mentioned above, although it is difficult to detect prostate cancer at an early stage with only the PSA level, it is possible to detect prostate cancer at an early stage by combining PSA density (density), velocity (velocity), and %fPSA (free/total PSA ratio). have.

구체적으로, PSA 밀도는 항문-직장을 통해 초음파을 촬영하여 전립선을 관찰하는 경직장초음파로 측정한 전립선의 부피를 이용하여 단위부피당 PSA를 계산하는 것으로서, 의사가 손가락으로 항문-직장을 촉진하여 직장, 전립선을 진찰하는 직장수지검사 결과가 음성이고 PSA 수치가 4~10 ng/mL인 환자에서 PSA 밀도가 증가되어 있으면 전립선암의 위험이 높은 것으로 판단한다. 또한, PSA 속도는 시간에 따른 PSA 증가 속도를 계산하는 것으로, 증가 속도가 빠를수록 전립선암의 가능성이 높은 것으로 판단한다. %fPSA는 전체 PSA 중 유리형 PSA의 백분율을 계산한 것으로, 전립선암에서는 복합형 PSA가 증가하므로, 유리형 PSA의 비율이 낮으면 전립선암의 위험이 높은 것으로 판단한다.Specifically, the PSA density is calculated by using the volume of the prostate measured by transrectal ultrasound, which observes the prostate by taking ultrasound through the anus-rectum, to calculate the PSA per unit volume. In patients who have a negative digital rectal examination and a PSA level of 4 to 10 ng/mL and an increased PSA density, the risk of prostate cancer is judged to be high. In addition, the rate of PSA is to calculate the rate of increase in PSA over time, and it is determined that the higher the rate of increase, the higher the probability of prostate cancer. %fPSA is a calculation of the percentage of free PSA in total PSA, and since complex PSA increases in prostate cancer, it is determined that the risk of prostate cancer is high when the ratio of free PSA is low.

구체적으로, 본 발명의 바이오 센서는 상기 고정부에 전립선 특이 항원(Prostate-Specific Antigen, PSA)의 항체(antibody)가 고정화(immobilized)되어 있을 수 있으며, 상기 PSA-항체와 대상시료 내 존재하는 PSA의 결합 과정에서 변화하는 정전용량을 측정함으로써, 대상시료 내 전립선 특이 항원(Prostate-Specific Antigen, PSA)의 수준을 검출하여 전립선암 여부를 판별할 수 있다.Specifically, in the biosensor of the present invention, an antibody of a prostate-specific antigen (PSA) may be immobilized in the fixing part, and the PSA-antigen and PSA present in the target sample By measuring the capacitance that changes in the binding process of , it is possible to detect the level of prostate-specific antigen (PSA) in the target sample to determine whether or not prostate cancer.

일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 전극 및 백금 전극은 각각 적어도 하나의 가지가 50~200 μm의 간격으로 서로 교호 배치(alternately arranged)된 맞물린 형태의 인터디지털 구조일 수 있다. 맞물린 형태의 인터디지털 구조란, 상기 가지가 마치 깍지낀 손가락과 같이 일 전극과 타 전극이 번갈아 배치된 것을 의미할 수 있다.In an embodiment, each of the titanium electrode and the platinum electrode may have an interdigital interdigital structure in which at least one branch is alternately arranged with each other at intervals of 50 μm to 200 μm. The interdigital structure of the interdigital structure may mean that one electrode and the other electrode are alternately arranged as if the branches are interdigitated fingers.

일 실시예에 있어서, 상기 가지의 너비는 각각 50~200 μm일 수 있다.In one embodiment, the width of each of the branches may be 50 ~ 200 μm.

일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 전극 및 백금 전극은 각각 8~16개의 가지로 구성될 수 있다.In one embodiment, each of the titanium electrode and the platinum electrode may be composed of 8 to 16 branches.

일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 전극 및 백금 전극의 두께는 각각 50~200 nm일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the titanium electrode and the platinum electrode may be 50 ~ 200 nm, respectively.

일 실시예에 있어서, 상기 고정부는 기판 상에 형성된 하이드록시기(-OH)에 아미노실란계 화합물, 예를 들어, 3-아미노메틸메톡시실란, 3-아미노에틸메톡시실란, 3-아미노프로필메톡시실란, 3-아미노메틸에톡시실란, 3-아미노에틸에톡시실란, 3-아미노프로필에톡시실란 등이 반응하여 개질된 것일 수 있다.In one embodiment, the fixing part is an aminosilane-based compound, for example, 3-aminomethylmethoxysilane, 3-aminoethylmethoxysilane, 3-aminopropyl to the hydroxyl group (-OH) formed on the substrate. Methoxysilane, 3-aminomethylethoxysilane, 3-aminoethylethoxysilane, 3-aminopropylethoxysilane and the like may be reacted and modified.

일 실시예에 있어서, 상기 고정부는 알데히드계 화합물로 더 개질된 것일 수 있다.In an embodiment, the fixing part may be further modified with an aldehyde-based compound.

상기 고정부는 기판 상에 화합물이 결합하여 일종의 화학층을 형성한 것일 수 있다.The fixing part may be one in which a compound is combined on a substrate to form a kind of chemical layer.

일 실시예에 있어서, 상기 고정부에 특이 항원(Prostate-Specific Antigen; PSA)의 항체(antibody)가 고정화(immobilized)된 것일 수 있다.In one embodiment, an antibody (antibody) of a specific antigen (Prostate-Specific Antigen; PSA) may be immobilized in the immobilization portion.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센서는 대상시료 내 전립선 특이 항원(Prostate-Specific Antigen; PSA)의 수준을 검출할 수 있다. 상기 전립선 특이 항원의 수준은 상기 바이오 센서의 정전용량 변화를 통해 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 전립선 특이 항원 농도의 로그 값이 정전용량 값에 선형비례 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In an embodiment, the biosensor may detect the level of a prostate-specific antigen (PSA) in a target sample. The level of the prostate-specific antigen may be measured through a change in capacitance of the biosensor. For example, the log value of the prostate-specific antigen concentration may be linearly proportional to the capacitance value, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 일 측면은, 전술한 바이오 센서를 포함하는, 전립선암 진단용 키트를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a kit for diagnosing prostate cancer, including the above-described biosensor.

일 실시예에 있어서, 상기 전립선암 진단용 키트는 용액, 동결건조 분말, 냉동 용액, 또는 스트립 형태를 가질 수 있으며, 각각의 형태는 당업계에서 통상적인 방법으로 제제화할 수 있다. 예를 들어, 용액 형태의 검출용 키트는 나트륨-인산, 칼륨-인산, 트리스-염산 및 이외의 여러 종류의 완충액 등의 완충액에 단백질 또는 프라이머 등을 별도로 또는 혼합하여 제제화할 수 있으며, 필요에 따라 냉동시키거나 동결 건조할 수도 있다.In one embodiment, the prostate cancer diagnostic kit may have a solution, a lyophilized powder, a frozen solution, or a strip form, and each form may be formulated in a conventional manner in the art. For example, a detection kit in the form of a solution may be formulated by separately or mixing a protein or a primer in a buffer such as sodium-phosphate, potassium-phosphate, tris-hydrochloric acid, and other various types of buffers, and, if necessary, It can also be frozen or freeze-dried.

상기 검출용 키트는 면역측방유동 스트립 방식을 이용한 것일 수 있다. 측방유동분석법(lateral flow assay)은 크로마토그래피 방법을 기본으로 하는 단백질 또는 핵산의 검출 방법이다. 이러한 측방유동분석법은 임신진단, 암진단, 기타 특정 단백질 또는 유전자의 존재 여부 또는 미생물탐지 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다. 측방유동분석법은 항원-항체 반응과 같은 두 물질 간의 특이적인 반응을 기본으로 하는 것으로, 민감도와 특이성이 높고, 빠른 시간 내에 결과를 확인할 수 있다는 장점이 있어 질병의 진단 및 빠른 예방 조치를 가능하게 한다.The detection kit may use an immunolateral flow strip method. A lateral flow assay is a method for detecting a protein or a nucleic acid based on a chromatography method. This lateral flow analysis method is widely used in various fields such as pregnancy diagnosis, cancer diagnosis, the presence of other specific proteins or genes, or detection of microorganisms. The lateral flow analysis method is based on a specific reaction between two substances, such as an antigen-antibody reaction, and has the advantages of high sensitivity and specificity, and the ability to confirm results in a short time, enabling diagnosis and rapid preventive measures. .

본 발명의 검출용 키트에는 본 발명의 바이오 센서를 이용하여 전립선암 관련 바이오마커를 검출하는데 필요한 실험(예: PCR) 및 결과 확인에 필요한 여러 가지 시약들, 예컨대, PCR 조성물, 제한효소, 아가로스, 혼성화 및 전기영동에 필요한 완충용액 등이 추가로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 PCR 조성물은 역전사 반응에 의해서 합성된 상보적 DNA와 본 발명에서 제공되는 PCR 프라이머 쌍 이외에 적당량의 DNA 중합효소(예, Thermusaquaticus(Taq), Thermusthermophilus(Tth), Thermusfiliformis, Thermisflavus, Thermococcusliteralis 또는 Pyrococcus furiosus(Pfu)로부터 얻은 열 안정성 DNA 중합효소), dNTP, PCR 완충용액 및 물(H2O)을 포함할 수 있다. 상기 PCR 완충용액은 트리스-HCl(Tris-HCl), MgCl2, KCl 등을 포함할 수 있다.In the detection kit of the present invention, various reagents required for experiments (eg, PCR) and result confirmation required for detecting prostate cancer-related biomarkers using the biosensor of the present invention, for example, PCR composition, restriction enzyme, agarose , a buffer solution required for hybridization and electrophoresis may be additionally included. Specifically, the PCR composition comprises an appropriate amount of a DNA polymerase (eg, Thermusaquaticus (Taq), Thermusthermophilus (Tth), Thermusfiliformis, Thermisflavus, Thermococcusliteralis or thermostable DNA polymerase obtained from Pyrococcus furiosus (Pfu)), dNTPs, PCR buffer and water (H 2 O). The PCR buffer solution may include Tris-HCl (Tris-HCl), MgCl 2 , KCl, and the like.

본 발명의 또 다른 일 측면은, (a) 피험체로부터 대상시료를 수득하는 단계; (b) 상기 시료를 전술한 바이오 센서에 접촉시키는 단계; (c) 대상시료에 존재하는 표적물질이 상기 바이오 센서 내 리셉터에 결합됨에 따라 정전용량성(capacitive) 변화를 감지하는 단계; 및 (d) 정전용량성(capacitive) 변화 정도를 감지하여 대상시료 내 표적물질의 수준을 판별하는 단계;를 포함하는 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, (a) obtaining a subject sample from the subject; (b) contacting the sample with the biosensor described above; (c) detecting a capacitive change as the target material present in the target sample is bound to a receptor in the biosensor; and (d) detecting the degree of capacitive change to determine the level of the target material in the target sample; provides an information providing method for diagnosing a disease, including.

일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계의 대상시료는 조직, 세포, 전혈, 혈장, 혈청, 혈액, 타액, 객담, 림프액, 뇌척수액, 세포간액, 정액 및 소변으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In one embodiment, the target sample of step (a) may be one or more selected from the group consisting of tissue, cells, whole blood, plasma, serum, blood, saliva, sputum, lymph, cerebrospinal fluid, intercellular fluid, semen and urine. have.

또한, 상기 (c) 단계의 표적물질은 바이오마커(biomarker)일 수 있으며, 구체적으로 스크리닝(screening) 바이오마커, 예후(prognostic) 바이오마커, 계층(stratification) 바이오마커, 효능(efficacy) 바이오마커, 독성(toxicity) 바이오마커, 반응예측(Predictive) 바이오마커 및 약역학(Pharmacodynamic) 바이오마커로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있으며, 가장 구체적으로는 전립선 특이 항원(Prostate-Specific Antigen, PSA)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, the target material of step (c) may be a biomarker, specifically a screening biomarker, a prognostic biomarker, a stratification biomarker, an efficacy biomarker, It may be one or more selected from the group consisting of a toxicity biomarker, a predictive biomarker, and a pharmacodynamic biomarker, and most specifically, a prostate-specific antigen (PSA) may be, but is not limited thereto.

일 실시예에 있어서, 상기 질병은 당뇨병, 류마티스 관절염, 백혈병(leukemia), 림프종(lymphoma) 혈액종양(hematopoietic malignancy), 자궁경부암(cervical cancer), 육종(sarcoma), 고환암(testicular cancer), 악성 흑색종(malignant melanoma), 내분비 종양(endocrine tumor), 골암(bone cancer), 전립선암(prostate cancer), 자궁암(uterus cancer), 유방암(breast cancer), 방광암(bladder cancer), 뇌 종양(brain cancer), 간암(liver cancer), 위암(stomach cancer), 췌장암(pancreas cancer), 피부암(skin cancer), 폐암(lung cancer), 후두암(larynx cancer), 두경부암(head and neck cancer), 식도암(esophageal cancer), 대장암(colorectal cancer) 및 난소암(ovarian cancer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 질병이 특이적으로 발현하는 바이오마커를 검출함으로써 질병을 진단할 수 있으며, 가장 구체적으로는 전립선암을 진단 할 수 있으나, 상기 질병에 국한되지 않고 질병의 발병 또는 진행정도에 따라 특정한 바이오마커가 존재하는 모든 질병에 적용 가능하다. 일 실시예에 있어서, 상기 질병은 전립선암(prostate cancer)일 수 있다.In one embodiment, the disease is diabetes, rheumatoid arthritis, leukemia, lymphoma, hematopoietic malignancy, cervical cancer, sarcoma, testicular cancer, malignant melanoma Malignant melanoma, endocrine tumor, bone cancer, prostate cancer, uterus cancer, breast cancer, bladder cancer, brain cancer , liver cancer, stomach cancer, pancreas cancer, skin cancer, lung cancer, larynx cancer, head and neck cancer, esophageal cancer ), colorectal cancer, and ovarian cancer can be diagnosed by detecting a biomarker specifically expressed in one or more diseases selected from the group consisting of, most specifically, prostate cancer. However, the present invention is not limited to the above diseases and is applicable to any disease in which a specific biomarker exists according to the onset or progression of the disease. In one embodiment, the disease may be prostate cancer.

본 발명의 기술분야에 숙련된 자들은 합당한 실험으로 이러한 방법의 다양한 단계들의 순서를 바꾸더라도 사용되는 특정 공정 및 물질에 따라 동일하거나 유사한 결과들이 나올 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 본 명세서에서 설명되는 다양한 단계들이 수행되는 순서 및 공정은 한정의 의미로 고려되어서는 안되며, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들은 본 개시내용의 사상 및 범위 내에서 이러한 방법을 적절하게 수정하여 적용할 수 있을 것이다. 다양한 실시예에서는, 예시되는 단계들 중 하나 이상의 단계가 생략될 수 있다. 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자는 원하는 결과를 여전히 획득하면서도 어떤 단계들이 생략될 수 있는지를 예를 들어, 사용되는 특정 물질, 물질의 품질, 이용가능한 시약(reagents), 이용가능한 장비 등과 같은 인자들에 근거하여 결정할 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that, with reasonable experimentation, the same or similar results may be obtained depending on the particular process and material used, even if the order of various steps in these methods is changed. That is, the order and process in which the various steps described herein are performed should not be considered in a limiting sense, and those skilled in the art will appropriately modify these methods within the spirit and scope of the present disclosure. so it can be applied. In various embodiments, one or more of the illustrated steps may be omitted. A person skilled in the art will recognize that factors such as, for example, the particular substance used, the quality of the substance, available reagents, available equipment, etc., can be omitted while still obtaining the desired result. can be decided based on

본 발명의 또 다른 일 측면은 전립선암 환자 시료에 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제를 처리하는 단계; 및 상기 시료에서 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제를 처리하기 전과 처리한 후의 PSA 수준을 측정하는 단계를 포함하는, 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제의 모니터링 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention comprises the steps of treating a prostate cancer patient sample with a prostate cancer inhibitor or a prostate cancer therapeutic agent; And it provides a method for monitoring a prostate cancer inhibitor or a prostate cancer therapeutic agent, comprising the step of measuring the PSA level before and after the treatment of the prostate cancer inhibitor or the prostate cancer therapeutic agent in the sample.

본 발명에서 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제는 소분자, 화합물, 항체, 면역항암제, 바이러스 등의 형태일 수 있으며, 암의 증식이나 전이를 억제하거나 암 세포를 사멸하는 등의 효과를 통해 전립선암 질환을 치료 또는 개선시킬 수 있는 제제이면 제한없이 모두 적용될 수 있다. In the present invention, the prostate cancer inhibitor or prostate cancer therapeutic agent may be in the form of a small molecule, compound, antibody, immunotherapy, virus, etc. Any agent that can be treated or improved can be applied without limitation.

본 발명에서는 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제를 처리한 시료에 대하여 PSA 수준 변화를 측정함으로써, 해당 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제의 암 억제능 및 암 치료 효과를 모니터링 할 수 있다. 예를 들어, 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제의 처리에 따라 시료 내 PSA 수준이 유의적으로 정상 시료의 범위 내에 포함되는 경우, 해당 전립선암 억제제 또는 전립선암 치료제의 암 억제능 및 암 치료효과가 우수한 것으로 판단할 수 있다.In the present invention, by measuring a change in the PSA level of a sample treated with a prostate cancer inhibitor or a prostate cancer therapeutic agent, the cancer inhibiting ability and cancer treatment effect of the prostate cancer inhibitor or prostate cancer therapeutic agent can be monitored. For example, when the PSA level in the sample is significantly within the range of a normal sample according to the treatment of the prostate cancer inhibitor or the prostate cancer therapeutic agent, the cancer inhibiting ability and the cancer therapeutic effect of the prostate cancer inhibitor or the prostate cancer therapeutic agent are excellent. can judge

본 발명의 또 다른 일 측면은 전립선암 환자 시료에 전립선암 치료제 후보 물질을 처리하는 단계; 및 상기 시료에서 후보물질을 처리하기 전과 처리한 후의 PSA 수준을 측정하는 단계를 포함하는, 전립선암 치료제의 스크리닝 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention comprises the steps of treating a prostate cancer treatment candidate to a prostate cancer patient sample; and measuring the level of PSA before and after processing the candidate substance in the sample.

본 발명에서는 전립선암 치료제 후보물질을 처리한 시료에 대하여 PSA 수준 변화를 측정함으로써, 해당 후보물질의 전립선암 억제능 및 전립선암 치료 효과를 판단할 수 있다. 예를 들어, 후보물질의 처리에 따라 시료 내 PSA의 수준이 유의적으로 정상 시료의 범위 내에 포함되는 경우, 해당 후보물질을 전립선암 질환 치료제로 선별할 수 있다.In the present invention, by measuring the change in the PSA level of a sample treated with a candidate for treating prostate cancer, it is possible to determine the prostate cancer inhibitory ability and the therapeutic effect of the candidate for prostate cancer. For example, when the level of PSA in the sample is significantly within the range of a normal sample according to the treatment of the candidate material, the candidate material may be selected as a therapeutic agent for prostate cancer disease.

본 발명의 또다른 일 측면은, (i) 300~1,200 μm 두께의 유리 웨이퍼를 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 및 탈이온수(DI)를 사용하여 유기 세척하고, 이후 1~100 초 동안 HCl : H2O가 1:5~15의 비율로 혼합된 산성으로 세척하는 단계; (ii) 스핀 코터로 상기 웨이퍼 상에 2.5 μm 이상의 네거티브 포토레지스터(photo-regist; PR) 층을 코팅하는 단계; (iii) 상기 포토레지스트 층의 두께를 균일화하는 단계; (iv) 전자빔 증착을 통해 티타늄(Ti)과 백금(Pt)을 50~200 nm 두께로 증착하는 단계; 및 (v) 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 및 탈이온수를 사용하여 60~150초 내에 포토레지스트 층을 제거하는 리프트 오프(lift-off) 단계를 포함하는, 바이오 센서의 제조 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, (i) a glass wafer having a thickness of 300 to 1,200 μm is organically cleaned using acetone, isopropyl alcohol (IPA) and deionized water (DI), and then HCl for 1 to 100 seconds: H 2 O is washed with an acid mixture in a ratio of 1:5-15; (ii) coating a negative photo-resist (PR) layer of 2.5 μm or more on the wafer with a spin coater; (iii) homogenizing the thickness of the photoresist layer; (iv) depositing titanium (Ti) and platinum (Pt) to a thickness of 50 to 200 nm through electron beam deposition; and (v) using acetone, isopropyl alcohol (IPA) and deionized water to remove the photoresist layer within 60 to 150 seconds.

일 실시예에 있어서, 상기 (iv) 전자빔 증착 단계는 1.0 x 10-6 ~ 10.0 x 10-6 mTorr의 압력 하에서 수행되고, 전자 에너지는 5~15 kV로 고정되며, 0.5A / s의 최소 증착 속도 조건 하에서 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, the (iv) electron beam deposition step is performed under a pressure of 1.0 x 10 -6 ~ 10.0 x 10 -6 mTorr, the electron energy is fixed at 5 ~ 15 kV, the minimum deposition of 0.5A / s It may be done under speed conditions, but is not limited thereto.

일 실시예에 있어서, 상기 (v) 단계 이후에, (vi) 바이오 센서의 표면을 피라나 용액(Piranha solution)으로 60~100℃에서 15~25분 동안 세척하는 단계; (vii) 1~5중량%의 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES) 용액에 실온에서 2~4시간 동안 침지시키는 단계; 및 (viii) 25~50중량%의 글루타알데히드(Glutaraldehyde, C5H8O2) 용액으로 2~4시간 동안 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, after step (v), (vi) washing the surface of the biosensor with a Piranha solution at 60-100° C. for 15-25 minutes; (vii) immersing in 1-5% by weight 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) solution at room temperature for 2-4 hours; And (viii) 25 to 50% by weight of glutaraldehyde (Glutaraldehyde, C 5 H 8 O 2 ) It may further include the step of fixing for 2 to 4 hours.

일 실시예에 있어서, 사용된 바이오 센서로 상기 (vi) 내지 (viii) 단계를 수행하여 재사용할 수 있다. 상기 바이오 센서는 간단한 방법으로 처리하여 재사용할 수 있으며, 다수 회의 재사용 시에도 센서로서의 성능을 유지할 수 있다.In one embodiment, the used biosensor may be reused by performing steps (vi) to (viii). The biosensor can be processed and reused in a simple way, and its performance as a sensor can be maintained even when reused multiple times.

본 발명에 의한 바이오 센서는 적은 시료를 이용하여, 초고감도로, PSA의 농도를 정량할 수 있는 효과가 있다.The biosensor according to the present invention has the effect of quantifying the concentration of PSA with ultra-high sensitivity using a small amount of sample.

또한, 표지가 필요 없어 표지자의 신호를 분석하는 것이 아닌 정전용량을 이용한 방법으로 빠른 시간 내에 PSA의 농도를 정량할 수 있고, 재사용이 가능하여 경제적으로도 우수한 효과가 있다.In addition, since there is no need for a label, the concentration of PSA can be quantified in a short time by a method using capacitance rather than analyzing a signal of a marker, and it is economically excellent because it can be reused.

도 1은 본 발명에 의한 정전용량 기반의 바이오 센서의 (a) 제작 공정, (b) 구조, (c) 전립선에서 분비되는 PSA 생체분자의 예시적 개요도, (d) 바이오 센서에 의한 PSA 바이오 마커 검출의 기작, (e)바이오 칩의 구성, (f) 항-PSA 존재 하 바이오 칩의 형태학적 거동, (g) PSA 존재 하의 금속 손가락 사이 경계 모습을 나타내는 스캐닝 이미지를 나타낸 도면이다.
도 2는 IDC 바이오 센서의 후속 공정을 나타낸 것으로, 표면 개질, Aβ 항체 고정 및 표면 상의 PSA가 결합하는 양태의 개요를 도시한 것이다.
도 3은 항체-항원 상호작용에 의한 바이오 칩의 작용기작에 대해 제안된 일 예시적 개략도이다.
도 4는 (A) 정전용량-농도 곡선; (B) 전류밀도, 정전 용량 결합 효과에 의한 등가 회로 ADS 시뮬레이션; (C) Ti/Pt 기반 IDC 등가 회로와 PSA 바이오입자의 결합이 금속 전극 간(금속 손가락)의 전기장을 방해하여 정전용량-농도 곡선을 나타내는 작용 기작을 도시한 것이다.
도 5는 Bare IDC칩, Bare IDC칩-APTES, Bare IDC칩-APTES-Ab 및 Bare IDC칩-APTES-Ab-Ag의 AFM 수치를 나타내는 도면이다.
도 6은 (a) bare IDC칩, APTES 기능화된 IDC칩, 항체 결합된 IDC칩 및 PSA 유발된 IDC칩의 FT-IR 스펙트럼, (b) 항-PSA로 표면개질된 IDC칩(삽입도: Bare IDC칩)의 SEM 이미지, (c) PSA 유발된 IDC 유리 기판의 SEM 이미지이다.
도 7은 PSA 농도의 로그 값과 정전용량 간의 그래프를 도시하여 선형성을 확인한 것이다.
도 8은 정전용량 바이오 센서 칩의 글루타알데히드 용액 및 항-PSA 항체 존재 하 자기 수명 안정성을 15일간 확인한 결과이다.
1 is (a) a manufacturing process, (b) structure, (c) an exemplary schematic diagram of a PSA biomolecule secreted from the prostate of the capacitance-based biosensor according to the present invention, (d) PSA biosensor by the biosensor Scanning images showing the mechanism of marker detection, (e) biochip configuration, (f) morphological behavior of the biochip in the presence of anti-PSA, and (g) the boundary between metal fingers in the presence of PSA.
Figure 2 shows the subsequent process of the IDC biosensor, and shows an overview of the aspect of surface modification, Aβ antibody immobilization, and binding of PSA on the surface.
3 is an exemplary schematic diagram proposed for the mechanism of action of the biochip by the antibody-antigen interaction.
4 is (A) capacitance-concentration curve; (B) Current density, equivalent circuit ADS simulation by capacitive coupling effect; (C) Shows the mechanism of action in which the Ti/Pt-based IDC equivalent circuit and the binding of PSA bioparticles interfere with the electric field between the metal electrodes (metal fingers) to show the capacitance-concentration curve.
5 is a view showing AFM values of a bare IDC chip, a bare IDC chip-APTES, a bare IDC chip-APTES-Ab, and a bare IDC chip-APTES-Ab-Ag.
6 is (a) FT-IR spectrum of bare IDC chip, APTES functionalized IDC chip, antibody-coupled IDC chip and PSA-induced IDC chip, (b) IDC chip surface-modified with anti-PSA (inset: Bare SEM image of IDC chip), (c) SEM image of PSA-induced IDC glass substrate.
7 shows a graph between the log value of the PSA concentration and the capacitance to confirm the linearity.
8 is a result of confirming the self-lifespan stability of the capacitive biosensor chip in the presence of a glutaraldehyde solution and an anti-PSA antibody for 15 days.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Accordingly, in some embodiments, well-known process steps, well-known structures, and well-known techniques have not been specifically described in order to avoid obscuring the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural, unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, includes and/or comprising refers to the presence or addition of one or more other components, steps, operations and/or elements other than the recited elements, steps, operations and/or elements. It is used in the sense of not being excluded. And, “and/or” includes each and every combination of one or more of the recited items.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들 과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.Spatially relative terms "below", "beneath", "lower", "above", "upper", etc. It can be used to easily describe the correlation between an element or components and other elements or components. The spatially relative terms should be understood as terms including different orientations of the device during use or operation in addition to the orientation shown in the drawings.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or schematic diagrams that are ideal illustrative views of the present invention. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. In addition, in each of the drawings shown in the present invention, each component may be enlarged or reduced to some extent in consideration of convenience of description. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서는 바이오 시료에 포함되어 있는 바이오 분자(biomolecule)를 분석함으로써, 유전자 발현 분석(gene expression profiling), 유전자형 분석(genotyping), SNP(Single Nucleotide Polymorphism)와 같은 돌연 변이(mutation) 및 다형(polymorphism)의 검출, 단백질 및 펩티드 분석, 잠재적인 약의 스크리닝, 신약 개발과 제조 등을 하는데 이용된다. 바이오 센서는 분석하고자 하는 바이오 시료의 대상에 따라 그에 맞는 프로브(probe) 또는 리셉터들을 채용한다. 바이오 센서에 채용될 수 있는 프로브의 예는 DNA 프로브, 효소나 항체/항원, 박테리오로돕신(bacteriorhodopsin) 등과 같은 단백질 프로브, 미생물 프로브, 신경세포 프로브 등을 포함한다. 칩 형태로 제조된 바이오 센서는 바이오칩으로도 지칭된다. 예를 들어, 각각 채용되는 프로브의 종류에 따라 DNA칩, 단백질칩, 세포칩, 뉴런칩 등으로도 지칭될 수 있다.The biosensor according to the embodiments of the present invention analyzes biomolecules included in a biosample, so that abruptly such as gene expression profiling, genotyping, and SNP (Single Nucleotide Polymorphism). It is used to detect mutations and polymorphisms, analyze proteins and peptides, screen for potential drugs, and develop and manufacture new drugs. The biosensor employs probes or receptors suitable for the target of the biosample to be analyzed. Examples of the probe that can be employed in the biosensor include a DNA probe, an enzyme or an antibody/antigen, a protein probe such as bacteriorhodopsin, a microorganism probe, a neuron probe, and the like. A biosensor manufactured in the form of a chip is also referred to as a biochip. For example, it may also be referred to as a DNA chip, a protein chip, a cell chip, a neuron chip, etc. depending on the type of probe employed.

본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 바이오 센서는 프로브로서 올리고머 프로브를 포함할 수 있다. 상기 올리고머 프로브는 채용되는 프로브의 모노머 수가 올리고머 수준임을 암시한다. 여기서, 올리고머란, 공유 결합된 두개 이상의 모노머(monmer)로 이루어진 폴리머(polymer) 중 분자량이 대략 1000 이하의 것을 지칭하는 의미로 사용될 수 있다. 구체적으로 약 2-500개의 모노머, 바람직하기로는 5-30개의 모노머를 포함하는 것일 수 있다. 그러나, 올리고머 프로브의 의미가 상기 수치에 제한되는 것은 아니다.The biosensor according to some embodiments of the present invention may include an oligomeric probe as a probe. The oligomeric probe implies that the number of monomers of the probe employed is at the level of oligomers. Here, the oligomer may be used to refer to a polymer having a molecular weight of about 1000 or less among polymers composed of two or more covalently bonded monomers. Specifically, it may contain about 2-500 monomers, preferably 5-30 monomers. However, the meaning of the oligomer probe is not limited to the above numerical values.

올리고머 프로브를 구성하는 모노머는 분석 대상이 되는 바이오 시료의 종류에 따라 변형 가능하며, 예를 들면 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 아미노산, 펩티드 등일 수 있다.The monomer constituting the oligomer probe can be modified depending on the type of the biosample to be analyzed, and may be, for example, a nucleoside, a nucleotide, an amino acid, or a peptide.

뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드는 공지의 퓨린 및 피리미딘 염기를 포함할 뿐만 아니라 메틸화된 퓨린 또는 피리미딘, 아실화된 퓨린 또는 피리미딘 등을 포함할 수 있다. 또, 뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드는 종래의 리보스 및 디옥시리보스 당을 포함할 뿐만 아니라 하나 이상의 하이드록실기가 할로겐 원자 또는 지방족으로 치환되거나 에테르, 아민 등의 작용기가 결합한 변형된 당을 포함할 수 있다.Nucleosides and nucleotides include known purine and pyrimidine bases as well as methylated purines or pyrimidines, acylated purines or pyrimidines, and the like. In addition, nucleosides and nucleotides include conventional ribose and deoxyribose sugars, as well as modified sugars in which one or more hydroxyl groups are substituted with halogen atoms or aliphatic groups or to which functional groups such as ethers and amines are attached.

아미노산은 자연에서 발견되는 아미노산의 L-, D-, 및 비키랄성(nonchiral)형 아미노산뿐만 아니라 변형 아미노산(modified amino acid), 또는 아미노산 유사체(analog) 등일 수 있다.Amino acids may be L-, D-, and nonchiral amino acids of amino acids found in nature, as well as modified amino acids, or amino acid analogs.

펩티드란 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이의 아미드 결합에 의해 생성된 화합물을 지칭한다.A peptide refers to a compound produced by an amide bond between the carboxyl group of an amino acid and the amino group of another amino acid.

특별히 다른 언급이 없는 한, 이하의 실시예들에서 예시적으로 상정되는 프로브는 DNA 프로브로서, 약 5-30개의 뉴클레오타이드의 모노머가 공유 결합된 올리고머 프로브이다. 그러나, 본 발명이 그에 제한되는 것은 아니며, 상술한 다양한 프로브들이 적용될 수 있음은 물론이다.Unless otherwise specified, probes exemplarily assumed in the following examples are DNA probes, and oligomeric probes in which monomers of about 5-30 nucleotides are covalently bonded. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the above-described various probes may be applied.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples. However, the following examples only illustrate the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1 : 시료 및 장비 준비Example 1: Sample and Equipment Preparation

모든 저장액(Stock Solution)은 Simplicity, Millipore(USA)의 물 분배기 시스템 Milli-Q로부터 공급된 탈이온수를 사용하여 제조되었다. 토끼에서 생산된 항-전립선 특이 항원 항체(Anti-Prostate-specific Antigen antibody; 항-PSA 항체, 제품 번호 SAB4501531)와 인간 정액(제품 번호 P3338-25UG)에서 조달한 전립선 특이 항원, 과산화수소(H2O2), 황산 (H2SO4), 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES) 99% 및 H2O 내의 70% 글루타르알데히드 용액은 Sigma-Aldrich로부터 구입되었다. 0.1 x PBS 완충 용액 (ph 7.4), 에틸 알코올도 사용되었다. 샌드위치형 바이오 전극을 특성화하고 PSA 농도를 계산하기 위해 임피던스 분석기 또는 LCR 미터가 사용되었다. 용량 측정은 1 kHz 내지 100 kHz의 주파수 범위에서 개방 회로 전위에서 수행되었다.All stock solutions were prepared using deionized water supplied from the water distributor system Milli-Q of Simplicity, Millipore, USA. Anti-Prostate-specific Antigen antibody (anti-PSA antibody, product number SAB4501531) produced in rabbit and prostate-specific antigen obtained from human semen (product number P3338-25UG), hydrogen peroxide (H 2 O) 2 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) 99% and a 70% solution of glutaraldehyde in H 2 O were purchased from Sigma-Aldrich. 0.1 x PBS buffer solution (ph 7.4), ethyl alcohol was also used. An impedance analyzer or LCR meter was used to characterize the sandwich-type bioelectrode and calculate the PSA concentration. Capacitance measurements were performed at open circuit potentials in the frequency range of 1 kHz to 100 kHz.

생체 복합체의 표면 특성을 분석하기 위해 위해 원자력 현미경(AFM)을 태핑 모드(AFM (Model XE-Model XE- 100, Park Systems, 대한민국))에서 사용했다. To analyze the surface properties of the biocomposite, an atomic force microscope (AFM) was used in tapping mode (AFM (Model XE-Model XE-100, Park Systems, Korea)).

고분해능 저진공 주사 전자 현미경(High-Resolution low vaccuum Scanning Electron Microscope; SEM, FEI (Nova Nano SEM 200))으로 두께와 개질된 표면을 확인하였다. 준비된 시료 격자들은 한국과학기술연구원(KIST)의 FT-IR iS 10으로 확인하였으며, 제작된 바이오 전극의 정전용량은 LCR 미터(Gohm, U1730C Series)를 이용하여 측정하였다. 측정은 IDC 바이오 센서에 걸쳐 1 kHz 주파수의 0 V DC 바이어스 전압에 의해 얻어진다.The thickness and the modified surface were checked with a high-resolution low vaccuum scanning electron microscope (SEM, FEI (Nova Nano SEM 200)). The prepared sample grids were checked with FT-IR iS 10 of the Korea Institute of Science and Technology (KIST), and the capacitance of the prepared bioelectrode was measured using an LCR meter (Gohm, U1730C Series). Measurements are obtained by a 0 V DC bias voltage of 1 kHz frequency across the IDC biosensor.

실시예 2 : IDC 칩의 시뮬레이션 및 제작 Example 2: Simulation and Fabrication of IDC Chips

본 발명의 일 실시예에 따른 IDC 바이오 센서는 시뮬레이션 소프트웨어(Advanced Design System; ADS)를 사용하여 24개의 손가락이 100 μm의 너비 및 100 μm의 손가락 깍지 간격을 가지는 커패시터 집합체가 되도록 EagleXG 유리 웨이퍼에 반전 포토리소그래피로 제작된다.The IDC biosensor according to an embodiment of the present invention is inverted on EagleXG glass wafer so that 24 fingers become a capacitor assembly having a width of 100 μm and an interdigital spacing of 100 μm using simulation software (Advanced Design System; ADS). made by photolithography.

첫 번째 단계는 티타늄(Ti)/백금(Pt) 전자빔 증착 공정을 위해 700μm 두께의 EagleXG 유리 기판을 이소프로필알코올(IPA) 세척 및 초음파 아세톤욕을 이용한 유기 세척 단계를 거치고, 60 초 동안 HCl 및 H2O가 1:10의 비율로 혼합된 산성 습식 세척 단계를 수행하는 것이다. 상기 세척 공정은 티타늄(Ti)/백금(Pt) 금속 증착을 위한 효과적인 포토레지스트 코팅을 만들기 위해 중요한 공정으로, 적절한 세척 과정이 없으면 증착된 티타늄(Ti)/백금(Pt) 금속이 포토레지스트 코팅과 함께 쉽게 탈락될 수 있다(도 1(a); 단계 1).In the first step, for the titanium (Ti)/platinum (Pt) electron beam deposition process, 700 μm thick EagleXG glass substrates were subjected to isopropyl alcohol (IPA) cleaning and organic cleaning using an ultrasonic acetone bath, followed by HCl and H for 60 seconds. To perform an acidic wet washing step in which 2 O is mixed in a ratio of 1:10. The cleaning process is an important process to make an effective photoresist coating for titanium (Ti)/platinum (Pt) metal deposition. They can be easily dislodged together (Fig. 1(a); Step 1).

두 번째 단계로 스핀 코터를 사용하여 유리 웨이퍼에 3 μm 두께로 네거티브 포토레지스트를 코팅시킨 후, 코팅된 레지스트의 두께가 균일하도록 에지 비드 제거 공정을 실행하여 금속 층의 경계를 명확히 하였다. 이어서, 표면의 산 세정을 수행한다 (도 1(a); 단계 2).As a second step, a negative photoresist was coated on a glass wafer to a thickness of 3 μm using a spin coater, and then an edge bead removal process was performed so that the thickness of the coated resist was uniform to clarify the boundaries of the metal layer. Then, acid cleaning of the surface is performed (Fig. 1(a); step 2).

세 번째 단계인 전자빔 증착 공정에서, 유리 기판상에 부착하기 위해 먼저 티타늄(Ti)가 사용되고, 백금(Pt)은 유리 표면 상에 직접 부착될 수 없기 때문에 티타늄(Ti) 상에 증착된다. 2 개의 e-빔 공정으로 티타늄(Ti)/백금(Pt)이 증착되고 티타늄(Ti) 및 백금(Pt)의 두께는 각각 0.15 μm 및 0.15 μm이다. 이 증착 공정은 5.0 x 10-6 mTorr의 압력 하에서 수행되고, 전자 에너지는 10 kV로 고정된다. 또한, 정확한 층 두께를 얻기 위해 0.5Å/s의 최소 증착 속도를 설정한다 (도 1(a); 단계 3).In the third step, the electron beam deposition process, titanium (Ti) is first used for adhesion on a glass substrate, and platinum (Pt) is deposited on titanium (Ti) because it cannot be directly deposited on the glass surface. Titanium (Ti)/platinum (Pt) was deposited by two e-beam processes, and the thicknesses of titanium (Ti) and platinum (Pt) were 0.15 μm and 0.15 μm, respectively. This deposition process is carried out under a pressure of 5.0 x 10 -6 mTorr, and the electron energy is fixed at 10 kV. Also, set the minimum deposition rate of 0.5 Å/s to obtain the correct layer thickness (Fig. 1(a); step 3).

그 다음, 포토레지스트는 아세톤 / IPA / DI water을 사용하여 90 초 내에 박리(lift-off) 기계에 의해 제거된다 (도 1(a); 단계 4). 시뮬레이션에서는 일 실시예로 3.75 pF의 주파수를 1 MHz로 설정하고 측정 결과를 3.8 pF로 설정했다. Advance Design System (ADS Keysight ⓒ) 소프트웨어는 4.5 x 9 mm2 크기의 IDC (Inter-digital Capacitor) 바이오칩 구조에 사용된다(도면 1(b)). 제조된 IDC는 We = 100 μm, Wc = 100 μm, Ge = 100 μm, Gc = 100 μm 및 L = 3.8 mm로 도면 1(b)에 도시되었다.Then, the photoresist is removed by a lift-off machine within 90 seconds using acetone/IPA/DI water (Fig. 1(a); step 4). In the simulation, the frequency of 3.75 pF was set to 1 MHz and the measurement result was set to 3.8 pF as an embodiment. Advance Design System (ADS Keysight ⓒ) software is used for IDC (Inter-digital Capacitor) biochip structure with a size of 4.5 x 9 mm 2 (Fig. 1(b)). The prepared IDCs were shown in Figure 1(b) with W e = 100 μm, W c = 100 μm, G e = 100 μm, G c = 100 μm, and L = 3.8 mm.

본 발명에 의한 바이오 센서는 데이터 수집을 위해 PC와 접속되는 LCR 미터 (핸드 헬드, 1kHz, 2kH, 200pF, 0.2Gohm, U1730C 시리즈)로 측정되며, 측정값은 1 kHz 주파수의 0 V DC 바이어스 전압에 의해 얻어진다.The biosensor according to the present invention is measured with an LCR meter (handheld, 1kHz, 2kH, 200pF, 0.2Gohm, U1730C series) connected to a PC for data collection, and the measured value is 0 V DC bias voltage of 1 kHz frequency. obtained by

실시예 3 : Example 3: PSA 바이오 전극의 시료 준비Sample preparation of PSA bioelectrodes

첫 단계로 피라냐 식각 공정을 위해 기판의 IDC 표면을 80℃에서 1:1의 H2O2 및 H2SO4로 구성된 피라냐 용액에 투입하여 15~20분간 유기 오염물을 제거하고, 표면에 하이드록실기를 형성시켰다(도 2(a)).As a first step, for the piranha etching process, the IDC surface of the substrate is put into a piranha solution composed of 1:1 H 2 O 2 and H 2 SO 4 at 80° C. to remove organic contaminants for 15 to 20 minutes, A real machine was formed (Fig. 2(a)).

이후 표면을 탈이온수 및 에탄올로 세척한 후 2중량%의 3-아미노프로필 트리에톡시실란(APTES) 용액을 드롭캐스팅(drop-cast)하며 아민 작용기로 기능화시켰다(도 2(b)).After the surface was washed with deionized water and ethanol, a 2 wt % solution of 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES) was drop-casted and functionalized with an amine functional group (FIG. 2(b)).

이어서 실온에서 3시간 동안 25% 글루타알데히드(C5H8O2) 용액을 적용하여 가교 방식으로 항체를 설계하였다(도 2(c)).Then, the antibody was designed in a cross-linking manner by applying a 25% glutaraldehyde (C 5 H 8 O 2 ) solution for 3 hours at room temperature (FIG. 2(c)).

IDC 표면에 알데히드기가 형성된 후, 토끼에서 생산된 항-PSA 항체(10 μl mL-1 in PBS, pH 7.4)를 실온에서 하룻밤 동안 결합시켰다(도 2 (e)).After the aldehyde group was formed on the IDC surface, the rabbit-produced anti-PSA antibody (10 μl mL -1 in PBS, pH 7.4) was bound overnight at room temperature (Fig. 2 (e)).

화학층의 형성 및 항-PSA의 고정화는 표적 분석 물질의 결합으로 인한 바이오 칩의 정전용량 변화에 반응하였다(도 2(f)).Formation of the chemical layer and immobilization of anti-PSA responded to the change in capacitance of the biochip due to the binding of the target analyte (Fig. 2(f)).

항-PSA의 제조 후, 실온에서 배양된 다양한 농도의 PSA를 생체표면에 고정화시키고 LCR 측정으로 정전용량 값을 확인하였다.After preparation of anti-PSA, various concentrations of PSA cultured at room temperature were immobilized on the biological surface and the capacitance value was confirmed by LCR measurement.

PSA 기반의 바이오 센서는 APTES와 글루타알데히드 용액의 배양 후 양(positive) 정전용량을 나타내었으며, 표면에 결합하는 APTES와 글루타알데히드 용액에 의한 정전용량 증가를 고려하여 기준 정전용량으로 처리하였다. 최종적으로 IDC 바이오 센서 및 LCR 미터로 확인한 결과, 정전용량 변수는 0.1~10 μl mL-1의 다양한 농도를 갖는 목적 단백질(PSA)의 첨가에 따라 변화하였다.The PSA-based biosensor showed positive capacitance after incubation with APTES and glutaraldehyde solution, and was treated with a reference capacitance in consideration of the increase in capacitance due to surface-bound APTES and glutaraldehyde solution. Finally, as a result of checking with the IDC biosensor and LCR meter, the capacitance variable was changed according to the addition of the target protein (PSA) having various concentrations of 0.1 to 10 μl mL -1 .

각 단계에서 정전용량 값을 측정하여 IDC 바이오 센서의 변화를 기록하였다(도 3).The change of the IDC biosensor was recorded by measuring the capacitance value at each step (FIG. 3).

(a) Bare-APTES IDC 바이오 센서 칩;(a) Bare-APTES IDC biosensor chip;

(b) 항체 고정된 IDC 바이오 센서 칩;(b) an antibody-immobilized IDC biosensor chip;

(c) PSA 유발된 바이오 센서 칩;(c) a PSA-induced biosensor chip;

생물표면은 빠르고 비파괴적 제어된 생물학적 시스템으로 인하여 활성화되었으며, 완전한 바이오 센서 절연 시스템의 균형잡히고 표류하지 않는 신호를 제공하였다. 정전용량 바이오 센서의 재사용성을 확인하기 위해 다양한 바이오 전극을 사용하여 수많은 주기의 재생 평형 주입 하에서 PSA를 반복하여 검출하였다. 분석의 재현성은 0.1~10 μl mL-1의 다양한 농도에서, 종래의 1세대 IDC 바이오 센서 기준으로 매우 빠른 응답 시간인 3초의 응답시간 이내에서 정전용량의 변화를 확인하여 평가되었다.The biosurface was activated due to a fast and non-destructive controlled biological system, providing a balanced and non-drift signal of a complete biosensor isolation system. To confirm the reusability of the capacitive biosensor, PSA was repeatedly detected under numerous cycles of regenerative equilibrium injection using various bioelectrodes. The reproducibility of the assay was evaluated by confirming the change in capacitance within a response time of 3 seconds, which is a very fast response time based on the conventional first-generation IDC biosensor, at various concentrations of 0.1 to 10 μl mL -1 .

상기 바이오 센서는 3초 이내에 일반적인 PSA의 농도인 pF~nF 수준의 정전용량 감도를 감지할 수 있었다. 상기 샌드위치기반 층대층(layer-by-layer) 배열은 분석 시간을 감소시켜 실시간으로 감지가 가능하였다.The biosensor was able to detect a capacitive sensitivity of a level of pF to nF, which is a typical PSA concentration, within 3 seconds. The sandwich-based layer-by-layer arrangement reduced the analysis time and enabled real-time sensing.

본 발명의 IDC 바이오 센서는 전립선 특이 항원(PSA) 바이오 물질의 특정 항원 및 항체 특성을 고려하여 설계 및 제작되었다.The IDC biosensor of the present invention was designed and manufactured in consideration of the specific antigen and antibody characteristics of the prostate-specific antigen (PSA) biomaterial.

구체적으로, 상기 바이오 센서의 주요 개념은 전하 분포(charge distribution), 유전 상수(dielectric constant) 및 전도성(conductivity)을 조절하는 것에 기반한다.Specifically, the main concept of the biosensor is based on controlling charge distribution, dielectric constant, and conductivity.

분석 대상 물질이 IDC 바이오 센서에 배치되면 유전체(dielectric)와 반응하여 전하 분포 및 항체와 항원의 전도도가 함께 변경되고, 이러한 감지 매개 변수의 변화는 IDC의 용량성 리액턴스(capacitive reactance)에 해당한다.When the analyte material is placed in the IDC biosensor, it reacts with the dielectric to change the charge distribution and the conductivity of the antibody and antigen together, and the change in these sensing parameters corresponds to the capacitive reactance of the IDC.

따라서, IDC 전압을 통한 용량성 리액턴스를 관찰함으로써 IDC 바이오 센서의 감지 응답을 얻을 수 있다. Therefore, the sensing response of the IDC biosensor can be obtained by observing the capacitive reactance through the IDC voltage.

IDC 표면에 고정된 PSA 항체는 2중량%의 APTES 용액으로 기능화되었고, 기판은 AFM, SEM, FT-IR 및 초고속 정전용량 측정법으로 각각 0.1 μl mL-1, 0.2 μl mL-1, 1.0 μl mL-1, 5.0 μl mL-1, 10 μl mL-1의 다양한 표준 PSA 농도에서 분석되었다. 항원-항체 결합은 다양한 PSA 농도에서 유리 기판 상의 항-PSA에 포획된 항원의 양에 따라 정전용량 변화를 나타내므로 정량화에 도움이 된다.The PSA antibody immobilized on the IDC surface was functionalized with 2 wt% APTES solution, and the substrate was 0.1 μl mL -1 , 0.2 μl mL -1 , 1.0 μl mL -1 by AFM, SEM, FT - IR and ultrafast capacitive measurement, respectively. It was assayed at various standard PSA concentrations of 1 , 5.0 μl mL −1 , and 10 μl mL −1 . Antigen-antibody binding is helpful for quantification as it exhibits a change in capacitance depending on the amount of antigen captured by the anti-PSA on the glass substrate at various PSA concentrations.

정전용량 기반 감지 기술은 다른 방법에 비해 민감도가 높고, 응답시간이 짧다고 알려져 있다. 그러나 상기 바이오 센서는 유리 기판 상에 생물학적 구성이 가미된 Ti/Pt를 구비하여 종래의 기술보다 감도와 선택성을 현저히 개선하였다. 이러한 독특한 설계는 보다 정확한 결과를 도출하며, PSA 입자가 감지 시스템의 정전용량에 영향을 주는 생체 작용기작은 도 4의 등가 회로 표현 모델로 나타낼 수 있다.Capacitive-based sensing technology is known to have high sensitivity and short response time compared to other methods. However, the biosensor has significantly improved sensitivity and selectivity compared to the prior art by providing Ti/Pt having a biological composition on a glass substrate. This unique design leads to more accurate results, and the biological mechanism of action of PSA particles affecting the capacitance of the sensing system can be represented by the equivalent circuit representation model of FIG. 4 .

도 4를 참고하면 이 회로는 Ti/Pt 금속층 정전용량의 전극 자리수(Cdl), 전극의 물리적 정전용량(Cg), 주변 생체입자 용액의 저항(Rs), 및 결합된 나노입자의 임피던스(Z)의 조합으로 구성된다. PSA는 특정한 생물학적 물질에 극히 높은 선택도로 결합할 수 있어 전립선암의 검출에 굉장히 유용한 바이오 마커이다. 이들은 일반적으로 기판과 결합하여 정전용량 대 농도 곡선을 통해 변화하도록 구성된다(도 4).Referring to FIG. 4 , this circuit shows the number of digits of the electrode capacitance (Cdl) of the Ti/Pt metal layer capacitance, the physical capacitance of the electrode (Cg), the resistance of the surrounding bioparticle solution (Rs), and the impedance (Z) of the bound nanoparticles. is composed of a combination of PSA can bind to specific biological substances with extremely high selectivity, making it a very useful biomarker for the detection of prostate cancer. They are generally configured to change through a capacitance versus concentration curve in combination with the substrate (FIG. 4).

실시예 4 : 정전용량 기반 바이오 칩의 표면 특성Example 4: Surface properties of capacitive-based biochips

정전용량 측정, AFM, SEM, FT-IR 분석을 통해 IDC 칩의 표면 개질의 특성을 분석하였다. 정전용량 측정에 따르면 APTES 표면개질은 일반적으로 표면에 빈공간을 형성하여 정전용량 값의 변동을 야기하며, 항-PSA의 흡착에 따라 정전용량 값이 증가하는 것으로 나타났다. PSA 농도에 따라 특성이 변화하여 이들을 검출할 수 있었으며, Ti/Pt IDC는 다른 구조 대비 층대층 표면 개질에서 독특한 경향을 나타내어 보다 우수한 성능을 발휘하였다. Ti/Pt는 보다 사용자 친화적이고, 금속 전극 손가락을 보다 저렴하게 유리 기판 상에 미세가공할 수 있다.The characteristics of the surface modification of the IDC chip were analyzed through capacitance measurement, AFM, SEM, and FT-IR analysis. According to the capacitance measurement, APTES surface modification generally forms voids on the surface, causing a change in the capacitance value, and it was found that the capacitance value increased according to the adsorption of the anti-PSA. Characteristics changed according to the PSA concentration and they could be detected, and Ti/Pt IDC showed a unique tendency in layer-by-layer surface modification compared to other structures, showing better performance. Ti/Pt is more user-friendly, and allows for cheaper microfabrication of metal electrode fingers on glass substrates.

1)One) AFM( Atomic force microscopy studies) 분석Atomic force microscopy studies (AFM) analysis

도 5에 도시된 바와 같이 Bare IDC 칩, Bare IDC 칩-APTES, Bare IDC 칩-APTES-Ab 및 Bare IDC 칩-APTES-Ab-Ag의 표면을 특성화하기 위해 원자력 현미경 (AFM)을 태핑 모드(AFM (Model XE-Model XE- 100, Park Systems, 대한민국))에서 사용했다. 진동 주파수 (320.30Hz), 진동 진폭 (1V)을 실험 파라미터로 사용했다. 이미징 연구는 2 mm/s 스캐닝 속도 및 256 x 256 픽셀 해상도에서 이루어졌다.Atomic force microscopy (AFM) was used in tapping mode (AFM) to characterize the surfaces of the Bare IDC chip, Bare IDC chip-APTES, Bare IDC chip-APTES-Ab and Bare IDC chip-APTES-Ab-Ag as shown in Figure 5. (Model XE-Model XE-100, Park Systems, Korea)). The vibration frequency (320.30 Hz) and vibration amplitude (1 V) were used as experimental parameters. Imaging studies were done at 2 mm/s scanning speed and 256 x 256 pixel resolution.

2)2) FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy) 분석Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis

도 6(a)에 도시된 바와 같이 약한 강도 피크를 갖는 C-H 방향족 고리와, 평면 굽힘을 벗어난 C-H 알켄을 형성하는 것을 확인하였다. 스펙트럼에서 분자간 날카로운 H 결합이 검출되었고, 849.82 cm-1에서 지방족 C-H 스트레칭 밴드가 확인되었다. As shown in Fig. 6(a), it was confirmed that a C-H aromatic ring having a weak intensity peak and a C-H alkene out of plane bending were formed. Sharp intermolecular H bonds were detected in the spectrum, and an aliphatic C-H stretching band was identified at 849.82 cm −1 .

Bare 바이오 칩(Sample 1)은 C-H 방향족 고리의 약한 강도 피크와 평면 굽힘을 벗어난 C-H 알켄을 확인할 수 있다.Bare biochip (Sample 1) can confirm the weak intensity peak of C-H aromatic ring and C-H alkene out of plane bending.

APTES 표면개질된 바이오 칩(Sample 2)은 R-NO2 니트로기 및 C-O의 존재로 인한 에톡시기로부터 APTES가 바이오칩에 고정되었음을 확인할 수 있다.In the APTES surface-modified biochip (Sample 2), it can be confirmed that APTES is fixed to the biochip from the R-NO 2 nitro group and the ethoxy group due to the presence of CO.

생체 기능화된 바이오 칩(Sample 3)은 O-H의 날카로운 피크와 표면 항체로부터 기인한 니트로기를 확인할 수 있다.The biofunctionalized biochip (Sample 3) can confirm the sharp peak of O-H and the nitro group resulting from the surface antibody.

PSA 유발된 바이오 칩(Sample 4)은 R-NO2 니트로기, C-O 카르복실에테르 및 C-H 방향족 피크를 확인할 수 있다.In the PSA-induced biochip (Sample 4), R-NO 2 nitro group, CO carboxyl ether and CH aromatic peaks can be confirmed.

3)3) SEM 이미지SEM image

도 6(b) 및 도 6(c)에 도시된 바와 같이 IDC 칩에 항-PSA 및 PSA가 결합한 기판의 표면 형태를 초고분해능 저진공 주사 전자 현미경 (SEM, FEI (Nova Nano SEM 200))으로 관찰하였다. 바이오 칩을 에탄올 및 물로 각각 10 분 동안 세척하였다. SEM 관찰 전에, 전극은 Au/Pd로 스퍼터(sputter) 코팅하였다. As shown in FIGS. 6(b) and 6(c), the surface morphology of the anti-PSA and PSA-coupled substrate on the IDC chip was examined with an ultra-high-resolution low-vacuum scanning electron microscope (SEM, FEI (Nova Nano SEM 200)). observed. The biochip was washed with ethanol and water for 10 minutes each. Prior to SEM observation, the electrodes were sputter coated with Au/Pd.

실시예 5 : 인간 정액으로부터의 PSA 검출Example 5: PSA detection from human semen

본 발명의 IDC 바이오 센서의 임상적 사용을 위한 신뢰성 평가를 위하여, 인간의 정액으로부터 추출된 PSA의 검출 실험을 실시하였다.In order to evaluate the reliability of the IDC biosensor of the present invention for clinical use, a detection experiment for PSA extracted from human semen was conducted.

정액 시료은 인간 염색체 19에 매핑된 칼리크레인(kallikrein) 유전자에 의해암호화된 237개의 아미노산을 포함하는 26 kDa 단일 사슬의 당단백질을 포함한다.The semen sample contains a 26 kDa single chain glycoprotein containing 237 amino acids encoded by the kallikrein gene mapped to human chromosome 19.

3초 이내에 0.1 μl/mL 내지 10 μl/mL의 검출한계를 나타내는 시료 전부에 대하여 정전용량의 변화를 측정하여 도 7에 도시함으로써, 본 발명의 바이오 센서가 짧은 응답시간을 가지면서 높은 민감도를 나타낸다는 사실을 확인하였다. The change in capacitance of all samples showing the detection limit of 0.1 μl/mL to 10 μl/mL within 3 seconds is measured and shown in FIG. 7 , so the biosensor of the present invention has a short response time and high sensitivity confirmed the fact.

μl / mL(0.1~10.0) 수준에서의 PSA 검출은 성공적으로 나타났으며, PSA 농도의 로그와 정전용량 응답 간에 선형 검량선은 0.1~10.0 μl / mL 범위에서 0.89의 상관계수(R2)로 양호한 선형성을 나타내었다(도 7).The detection of PSA at the μl/mL (0.1-10.0) level was successful, and the linear calibration curve between the log of PSA concentration and the capacitive response was good with a correlation coefficient (R 2 ) of 0.89 in the range of 0.1-10.0 μl/mL. It showed linearity (FIG. 7).

실시예 6 : IDC 바이오 센서의 선택성 확인Example 6: Confirmation of selectivity of IDC biosensors

기능화 생물학적 복합체인 PSA-항PSA-APTES-Pt/Ti-유리 플랫폼을 PSA 측정에 적용하기 위해 글루타알데히드 용액(C5H8O2)과 같이 생물학적 시료에 공존하는 다양한 잠재적인 간섭 화합물에 대한 선택성을 시험하였다. 선택성 시험은 단백질 생체 분자의 부재 및 존재 하에서 0.1 μl/ml 및 10.0 μl/ml의 PSA 표준 용액을 측정하여 수행되었다. 정전용량의 변화는 PSA 결합의 양에 비례하여 매우 구체적이고 민감한 감지가 가능하였다. 상기 바이오 센서 칩의 선택성은 서로 다른 농도의 PSA에 대해 테스트되었으며 그 결과 바이오 센서의 PSA 검출에 대한 높은 선택성이 확인되었다. 또한 항-PSA, 항체 수용액을 시험 전후에 글루타알데히드 용액(C5H8O2) 존재 시, 부존재 시의 센서 칩 자기 수명 안정성을 15 일 동안 평가하였다(도 8).To apply the functionalized biological complex, PSA-anti-PSA-APTES-Pt/Ti-free platform, to PSA measurement, it is a glutaraldehyde solution (C 5 H 8 O 2 ) for various potential interfering compounds coexisting in biological samples. Selectivity was tested. Selectivity tests were performed by measuring 0.1 μl/ml and 10.0 μl/ml PSA standard solutions in the absence and presence of protein biomolecules. The change in capacitance was proportional to the amount of PSA binding, and very specific and sensitive sensing was possible. The selectivity of the biosensor chip was tested for different concentrations of PSA, and as a result, it was confirmed that the biosensor had high selectivity for PSA detection. In addition, the sensor chip self-life stability in the presence and absence of anti-PSA, an aqueous antibody solution before and after the test (C 5 H 8 O 2 ) was evaluated for 15 days ( FIG. 8 ).

실시예 7. IDC 바이오 센서의 재사용성 및 신뢰성 확인Example 7. Confirmation of Reusability and Reliability of IDC Biosensor

본 발명의 IDC 바이오 센서를 표준 PSA의 농도를 달리하면서 정전용량 값을 모니터링함으로써 재사용성에 대하여 평가하였다. 이는 바이오 센서 칩이 80℃에서 피라냐 용액으로 세척 및 건조시킨 후 원래의 특성을 회복한 것을 나타낸다. 상기 IDC 바이오 센서 칩은 3회 이상 재사용이 가능하여 장기적으로 제품 비용을 절감시킬 수 있음을 확인하였다. 본 발명 실시예에서는 동일한 IDC 바이오 센서를 실험에 계속 사용하였으며, 각각의 분석을 3회 반복한 후에도 우수한 안정성을 보여 결과에 차이가 없음을 확인하여 본 발명의 IDC 바이오 센서가 우수한 재사용성 및 안정성을 가지는 것을 확인하였다.The reusability of the IDC biosensor of the present invention was evaluated by monitoring the capacitance value while varying the concentration of the standard PSA. This indicates that the biosensor chip recovered its original properties after washing and drying with a piranha solution at 80°C. It was confirmed that the IDC biosensor chip can be reused three or more times, thereby reducing product cost in the long run. In the example of the present invention, the same IDC biosensor was continuously used in the experiment, and it was confirmed that there was no difference in the results by showing excellent stability even after each analysis was repeated three times, so that the IDC biosensor of the present invention exhibited excellent reusability and stability. confirmed to have.

본 발명의 일 실시예는 3초 이내에 PSA의 선택성 및 감도 검출을 위해 생체 기능화된 IDC 전극(Ti / Pt)을 사용하여 라벨 없는 정전용량 바이오 센서를 제조한 것이다. 상기 바이오 센서는 환자 증상 진행 요구 사항에 따라 POC(Point of Care)를 관리하는 데 필요한 PSA 감지를 실시간으로 수행하도록 구성되었으며, 이러한 PSA 진단에는 매우 적은 양의 샘플이 필요했고 센서는 최대 몇 주 동안 재현성과 안정성을 나타내었다. 더욱이, 이러한 재사용 시 상기 바이오 센서를 PSA뿐만 아니라 다른 유용한 바이오 마커를 감지하고 개인화된 방식으로 초기 단계 진단을 수행 할 수 있다. 상기 바이오 센서는 신속하고 민감하며 선택적인 바이오 마커 검출이 시급히 요구되는 표적 질병 관리 프로그램에 적용될 수 있다.An embodiment of the present invention is to manufacture a label-free capacitive biosensor using a biofunctionalized IDC electrode (Ti / Pt) for the detection of selectivity and sensitivity of PSA within 3 seconds. The biosensor was configured to perform real-time PSA detection required to manage the point of care (POC) based on patient symptom progression requirements, such a PSA diagnosis required very small sample volumes and the sensor lasted for up to several weeks. Reproducibility and stability were shown. Moreover, upon such reuse, the biosensor can detect PSA as well as other useful biomarkers and perform early stage diagnosis in a personalized way. The biosensor can be applied to a target disease management program that urgently requires rapid, sensitive and selective detection of biomarkers.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (20)

기판;
상기 기판 상에 위치한 티타늄 전극;
상기 기판 상에 위치한 백금 전극; 및
상기 기판 표면의 적어도 일부에 아미노실란계 화합물로 개질된 고정부를 포함하는, 바이오 센서.
Board;
a titanium electrode positioned on the substrate;
a platinum electrode positioned on the substrate; and
A biosensor comprising a fixing part modified with an aminosilane-based compound on at least a portion of the substrate surface.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 전극 및 백금 전극은 각각 적어도 하나의 가지가 50~200 μm의 간격으로 서로 교호 배치된 맞물린 형태의 인터디지털 구조인, 바이오 센서.
According to claim 1,
Each of the titanium electrode and the platinum electrode is an interdigital interdigital structure in which at least one branch is alternately disposed with an interval of 50 to 200 μm, the biosensor.
제2항에 있어서,
상기 가지의 너비는 각각 50~200 μm인, 바이오 센서.
3. The method of claim 2,
The width of each branch is 50-200 μm, biosensor.
제2항에 있어서,
상기 티타늄 전극 및 백금 전극은 각각 8~16개의 가지로 구성된, 바이오 센서.
3. The method of claim 2,
The titanium electrode and the platinum electrode are each composed of 8 to 16 branches, a biosensor.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 전극 및 백금 전극의 두께는 각각 50~200 nm인, 바이오 센서.
According to claim 1,
Each of the titanium electrode and the platinum electrode has a thickness of 50 to 200 nm, a biosensor.
제1항에 있어서,
상기 고정부는 알데히드계 화합물로 더 개질된, 바이오 센서.
According to claim 1,
The fixing part is further modified with an aldehyde-based compound, biosensor.
제6항에 있어서,
상기 고정부에 특이 항원(Prostate-Specific Antigen; PSA)의 항체(antibody)가 고정화(immobilized)된, 바이오 센서.
7. The method of claim 6,
A biosensor in which an antibody (antibody) of a specific antigen (PSA) is immobilized on the fixing part.
제7항에 있어서,
상기 바이오 센서는 대상시료 내 전립선 특이 항원(Prostate-Specific Antigen; PSA)의 수준을 검출하는 것인, 바이오 센서.
8. The method of claim 7,
The biosensor is to detect the level of prostate-specific antigen (PSA) in the target sample, the biosensor.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 바이오 센서를 포함하는, 전립선암 진단용 키트.
A kit for diagnosing prostate cancer, comprising the biosensor of any one of claims 1 to 8.
제9항에 있어서,
상기 전립선암 진단용 키트는 용액, 동결건조 분말, 냉동 용액, 또는 스트립 형태 중 어느 하나의 형태인, 전립선암 진단용 키트.
10. The method of claim 9,
The prostate cancer diagnosis kit is in any one of a solution, a lyophilized powder, a frozen solution, or a strip form, the prostate cancer diagnosis kit.
제9항에 있어서,
상기 전립선암 진단용 키트는 PCR 조성물, 제한효소, 아가로스, DNA 중합효소, dNTP, 트리스-HCl(Tris-HCl), MgCl2 및 KCl로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는, 전립선암 진단용 키트.
10. The method of claim 9,
The prostate cancer diagnostic kit further comprises at least one selected from the group consisting of PCR composition, restriction enzyme, agarose, DNA polymerase, dNTP, Tris-HCl (Tris-HCl), MgCl 2 and KCl, prostate cancer diagnostic kit .
(a) 피험체로 부터 대상시료를 수득하는 단계;
(b) 상기 시료를 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 바이오 센서에 접촉시키는 단계;
(c) 대상시료에 존재하는 표적물질이 상기 바이오 센서 내 리셉터에 결합됨에 따라 정전용량성(capacitive) 변화를 감지하는 단계; 및
(d) 정전용량성(capacitive) 변화 정도를 감지하여 대상시료 내 표적물질의 수준을 판별하는 단계;를 포함하는 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법.
(a) obtaining a subject sample from the subject;
(b) contacting the sample with the biosensor of any one of claims 1 to 8;
(c) detecting a capacitive change as the target material present in the target sample is bound to a receptor in the biosensor; and
(d) detecting the degree of capacitive change to determine the level of the target material in the target sample; Information providing method for diagnosing a disease comprising a.
제12항에 있어서,
상기 (a) 단계의 대상시료는 조직, 세포, 전혈, 혈장, 혈청, 혈액, 타액, 객담, 림프액, 뇌척수액, 세포간액, 정액 및 소변으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법.
13. The method of claim 12,
The target sample of step (a) is at least one selected from the group consisting of tissue, cells, whole blood, plasma, serum, blood, saliva, sputum, lymph, cerebrospinal fluid, intercellular fluid, semen and urine, information for diagnosing a disease How to provide.
제12항에 있어서,
상기 (c) 단계의 표적물질은 전립선 특이 항원(Prostate-Specific Antigen; PSA)인, 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법.
13. The method of claim 12,
The target material of step (c) is a prostate-specific antigen (PSA), an information providing method for diagnosing a disease.
제12항에 있어서,
상기 질병은 당뇨병, 류마티스 관절염, 백혈병(leukemia), 림프종(lymphoma) 혈액종양(hematopoietic malignancy), 자궁경부암(cervical cancer), 육종(sarcoma), 고환암(testicular cancer), 악성 흑색종(malignant melanoma), 내분비 종양(endocrine tumor), 골암(bone cancer), 전립선암(prostate cancer), 자궁암(uterus cancer), 유방암(breast cancer), 방광암(bladder cancer), 뇌 종양(brain cancer), 간암(liver cancer), 위암(stomach cancer), 췌장암(pancreas cancer), 피부암(skin cancer), 폐암(lung cancer), 후두암(larynx cancer), 두경부암(head and neck cancer), 식도암(esophageal cancer), 대장암(colorectal cancer) 및 난소암(ovarian cancer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 , 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법.
13. The method of claim 12,
The disease is diabetes, rheumatoid arthritis, leukemia, lymphoma, hematopoietic malignancy, cervical cancer, sarcoma, testicular cancer, malignant melanoma, Endocrine tumor, bone cancer, prostate cancer, uterus cancer, breast cancer, bladder cancer, brain cancer, liver cancer , stomach cancer, pancreas cancer, skin cancer, lung cancer, larynx cancer, head and neck cancer, esophageal cancer, colorectal cancer Cancer) and at least one selected from the group consisting of ovarian cancer, an information providing method for diagnosing a disease.
제15항에 있어서,
상기 질병은 전립선암(prostate cancer)인, 질병의 진단을 위한 정보 제공 방법.
16. The method of claim 15,
The disease is prostate cancer (prostate cancer), information providing method for the diagnosis of the disease.
(i) 300~1,200 μm 두께의 유리 웨이퍼를 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 및 탈이온수(DI)를 사용하여 유기 세척하고, 이후 1~100 초 동안 HCl : H2O가 1:5~15의 비율로 혼합된 산성으로 세척하는 단계;
(ii) 스핀 코터로 상기 웨이퍼 상에 2.5 μm 이상의 네거티브 포토레지스터(photo-regist; PR) 층을 코팅하는 단계;
(iii) 상기 포토레지스트 층의 두께를 균일화하는 단계;
(iv) 전자빔 증착을 통해 티타늄(Ti)과 백금(Pt)을 50~200 nm 두께로 증착하는 단계; 및
(v) 아세톤, 이소프로필알코올(IPA) 및 탈이온수를 사용하여 60~150초 내에 포토레지스트 층을 제거하는 리프트 오프(lift-off) 단계를 포함하는, 바이오 센서의 제조 방법.
(i) A 300-1200 μm-thick glass wafer was organically cleaned using acetone, isopropyl alcohol (IPA) and deionized water (DI), followed by HCl:H 2 O 1:5-15 for 1-100 sec. washing with a mixed acid at a ratio of;
(ii) coating a negative photo-resist (PR) layer of 2.5 μm or more on the wafer with a spin coater;
(iii) homogenizing the thickness of the photoresist layer;
(iv) depositing titanium (Ti) and platinum (Pt) to a thickness of 50 to 200 nm through electron beam deposition; and
(v) using acetone, isopropyl alcohol (IPA), and deionized water to remove the photoresist layer within 60 to 150 seconds, comprising a lift-off (lift-off) step, the manufacturing method of the biosensor.
제17항에 있어서,
상기 (iv) 전자빔 증착 단계는 1.0 x 10-6 ~ 10.0 x 10-6 mTorr의 압력 하에서 수행되고, 전자 에너지는 5~15 kV로 고정되며, 0.5A / s의 최소 증착 속도 조건 하에서 이루어지는, 바이오 센서의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
The (iv) electron beam deposition step is performed under a pressure of 1.0 x 10 -6 ~ 10.0 x 10 -6 mTorr, the electron energy is fixed at 5 ~ 15 kV, and is made under the condition of a minimum deposition rate of 0.5 A / s. Method of manufacturing the sensor.
제17항에 있어서,
상기 (v) 단계 이후에,
(vi) 바이오 센서의 표면을 피라나 용액(Piranha solution)으로 60~100℃에서 15~25분 동안 세척하는 단계;
(vii) 1~5중량%의 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES) 용액에 실온에서 2~4시간 동안 침지시키는 단계; 및
(viii) 25~50중량%의 글루타알데히드(Glutaraldehyde, C5H8O2) 용액으로 2~4시간 동안 고정하는 단계를 더 포함하는, 바이오 센서의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
After step (v),
(vi) washing the surface of the biosensor with a Piranha solution at 60-100° C. for 15-25 minutes;
(vii) immersing in 1-5% by weight 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) solution at room temperature for 2-4 hours; and
(viii) 25 to 50% by weight of glutaraldehyde (Glutaraldehyde, C 5 H 8 O 2 ) The method of manufacturing a biosensor further comprising the step of fixing for 2 to 4 hours.
제19항에 있어서,
사용된 바이오 센서로 상기 (vi) 내지 (viii) 단계를 수행하여 재사용하는, 바이오 센서의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
A method of manufacturing a biosensor, which is reused by performing steps (vi) to (viii) with the used biosensor.
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