항원과 항체간의 강한 결합 특성을 이용하여 혈액 중에 있는 미량의 단백질을 정량적으로 측정하는 방법을 ‘면역분석법’이라 한다. 이러한 면역분석법은 진단 뿐 아니라 생화학 분석, 식품 안정성 분석, 환경오염물질 검출 등 여러 분야에 광범위하게 이용되고 있다. 최근에는 마이크로어레이 기판이나 마이크로 크기의 입자를 이용한 형광측정법, 화학발광측정법, 전기화학측정법, 표면플라즈몬공명법 (SPR), 표면증강라만산란법 (...
항원과 항체간의 강한 결합 특성을 이용하여 혈액 중에 있는 미량의 단백질을 정량적으로 측정하는 방법을 ‘면역분석법’이라 한다. 이러한 면역분석법은 진단 뿐 아니라 생화학 분석, 식품 안정성 분석, 환경오염물질 검출 등 여러 분야에 광범위하게 이용되고 있다. 최근에는 마이크로어레이 기판이나 마이크로 크기의 입자를 이용한 형광측정법, 화학발광측정법, 전기화학측정법, 표면플라즈몬공명법 (SPR), 표면증강라만산란법 (SERS)을 이용한 면역분석법이 연구되고 있는데, 소량의 혈액 내에 존재하는 미량의 바이오마커를 분석하기 위해서는 효소면역측정법 (ELISA) 보다 빠르고 정확한 고감도 분석 기술이 절대적으로 필요하기 때문이다. 특히, 최근에 개발된 표면증강라만산란 (SERS)를 이용한 면역분석법은 일반적으로 바이오 분석에 널리 활용되는 형광분석법 보다 검출감도가 좋고 여러 개의 샘플을 동시에 검출 할 수 있기 때문에 차세대 분석법으로 각광을 받고 있다. SERS 현상은 금속 표면의 전기장 공명과 전하의 이동 효과에 의해 나타나며, 1014-1015 배 가량 신호증강효과가 있다고 보고되어 왔으며, 이는 단분자 수준의 물질을 검출 할 수 있는 고감도 측정 기술이다. 이러한 SERS 분석 기술은 기초연구 뿐 아니라 고감도의 분석 특성을 이용한 응용 연구도 활발히 진행되었지만, 신호증폭에 흔히 사용되는 은 나노입자의 과도한 응집현상으로 인한 신호 재현성이 문제가 되어 응용에 어려움이 있었다. 본 연구에서는 이러한 라만 신호 재현성 문제를 해결하기 위해 속이 빈 금 할로우 나노입자를 합성하고 이를 SERS 프로브로 활용하였다. 이 금 할로우 나노입자의 경우, 합성 과정에서 형성되는 미세 핀홀에 전자기장이 극대화되는 핫스팟 현상을 이용하여 단일 입자에서 재현성 있는 표면증강효과를 얻을 수 있으며, 이러한 현상을 이용하면 좋은 신뢰성을 가지는 고감도 정량 면역분석이 가능하다. 1 장에서는 금 할로우 나노입자를 이용하여 바이오마커의 신뢰성있는 정량분석 가능성을 검증하기 위하여 폐암 표지자로 잘 알려진 carcino-embryonic antigen (CEA)에 대하여 SERS 기반 면역분석을 수행하였다. 그 결과, 1-10 pg/mL의 저농도까지 신뢰도 있는 정량검출이 가능하였으며, 이는 ELISA법에 의한 분석 결과보다 100-1000배 정도 향상된 결과이다. 이러한 SERS 기반의 면역분석법은 검출한계와 재현성 등의 측면에서는 기존 ELISA 분석법의 한계를 극복하였지만, 이 방법이 임상에서 새로운 면역분석기술로 활용되기 위해서는 혈당측정기와 같이 혈액을 제어할 수 있는 자동분석용 소자가 개발되어야 한다. 2 장에서는 1 장에서 개발된 SERS 기반의 바이오마커 분석 방법을 자동으로 구현할 수 있는 자동 농도구배 칩의 제작과 응용에 관한 실험을 수행하였다. 집적화된 자동농도구배 칩과 나노기술을 접목하면 기존의 ELISA 면역분석법보다 시료의 소모량을 10% 이하로 줄일 수 있고, 분석에 소요되는 시간을 30 분 이내로 단축시킬 수 있으며, 모든 분석과정이 자동으로 구현될 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서 개발된 자동 농도구배 칩은 검체를 자동으로 여러 농도로 희석할 수 있는 농도구배 채널과 금 할로우 입자와 자성입자를 주입하는 부분, 생성된 금할로우입자-자성입자 복합체를 고정화할 수 잇는 전자석 장치 등 세가지 구조들로 구성되어있다. 여기서 측정 하고자 하는 바이오마커의 정량은 자석으로 고정된 복합체의 표면 증강 라만 신호 세기를 분석하여 결정한다. 본 연구에서 개발된 자동 농도구배 칩은 면역분석에서 널리 사용되어 왔던 마이크로 웰이나 마이크로 튜브를 대체 할 수 있는 충분한 가능성을 보여주며, 여러 농도의 바이오마커를 동시에 검출할 수 있다는 장점을 가진다. 혈액 면역 분석진단에서 진단 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 두 개 이상의 마커에 대한 신뢰도 있는 정량 검출이 필요하다. 3 장과 4 장에서는 표면증강라만산란을 이용한 다중 마커 동시 검출 기술을 개발하였으며, 이를 실제 임상 시료에 적용하는 연구를 수행하였다. 단일 바이오마커에 대한 정량 분석을 연속적으로 수행하여 여러 개의 바이오마커에 대한 정량 정보를 얻는 방법에 비하여 다중 바이오마커의 동시 검출 기술은 단 한번 분석으로 여러 바이오마커의 정보를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다. 표면증강라만산란법을 이용한 면역 분석은 다중 바이오마커의 동시 검출에 매우 적절한 방법으로 평가되고 있는데, 이는 종래에 널리 이용되는 형광분석법에 비해 신호의 폭이 좁고 단일 파장의 여기 광을 이용하여 여러 화학종에 대한 라만 시그널을 동시에 획득할 수 있는 특성 때문이다. 본 연구에서는 이러한 라만분광법의 특성을 이용하여 두 종류의 라만 리포터 분자를 금 할로우 나노입자 표면에 고정한 다음 한 번의 레이저 주사로 두 가지 바이오마커의 농도를 동시에 정량할 수 있는 동시 면역 분석 기술을 개발하였다. 3 장에서는 두 종류의 폐암 마커 (CEA, AFP), 4 장에서는 두 종류의 조기 심근경색 마커 (CK-MB, cTnI)에 대하여 표면증강라만 분석법 기반의 다중 마커 분석 기술을 적용한 진단 기술에 대하여 기술하였다. 표면증강라만산란법을 이용한 다중 면역 분석방법의 정확성과 감도, 실제 의료 진단법으로서의 응용 가능성은 임상 환자들의 혈액시료를 이용한 기존 분석법과의 비교 분석을 통해 검증 되었다.
항원과 항체간의 강한 결합 특성을 이용하여 혈액 중에 있는 미량의 단백질을 정량적으로 측정하는 방법을 ‘면역분석법’이라 한다. 이러한 면역분석법은 진단 뿐 아니라 생화학 분석, 식품 안정성 분석, 환경오염물질 검출 등 여러 분야에 광범위하게 이용되고 있다. 최근에는 마이크로어레이 기판이나 마이크로 크기의 입자를 이용한 형광측정법, 화학발광측정법, 전기화학측정법, 표면플라즈몬공명법 (SPR), 표면증강라만산란법 (SERS)을 이용한 면역분석법이 연구되고 있는데, 소량의 혈액 내에 존재하는 미량의 바이오마커를 분석하기 위해서는 효소면역측정법 (ELISA) 보다 빠르고 정확한 고감도 분석 기술이 절대적으로 필요하기 때문이다. 특히, 최근에 개발된 표면증강라만산란 (SERS)를 이용한 면역분석법은 일반적으로 바이오 분석에 널리 활용되는 형광분석법 보다 검출감도가 좋고 여러 개의 샘플을 동시에 검출 할 수 있기 때문에 차세대 분석법으로 각광을 받고 있다. SERS 현상은 금속 표면의 전기장 공명과 전하의 이동 효과에 의해 나타나며, 1014-1015 배 가량 신호증강효과가 있다고 보고되어 왔으며, 이는 단분자 수준의 물질을 검출 할 수 있는 고감도 측정 기술이다. 이러한 SERS 분석 기술은 기초연구 뿐 아니라 고감도의 분석 특성을 이용한 응용 연구도 활발히 진행되었지만, 신호증폭에 흔히 사용되는 은 나노입자의 과도한 응집현상으로 인한 신호 재현성이 문제가 되어 응용에 어려움이 있었다. 본 연구에서는 이러한 라만 신호 재현성 문제를 해결하기 위해 속이 빈 금 할로우 나노입자를 합성하고 이를 SERS 프로브로 활용하였다. 이 금 할로우 나노입자의 경우, 합성 과정에서 형성되는 미세 핀홀에 전자기장이 극대화되는 핫스팟 현상을 이용하여 단일 입자에서 재현성 있는 표면증강효과를 얻을 수 있으며, 이러한 현상을 이용하면 좋은 신뢰성을 가지는 고감도 정량 면역분석이 가능하다. 1 장에서는 금 할로우 나노입자를 이용하여 바이오마커의 신뢰성있는 정량분석 가능성을 검증하기 위하여 폐암 표지자로 잘 알려진 carcino-embryonic antigen (CEA)에 대하여 SERS 기반 면역분석을 수행하였다. 그 결과, 1-10 pg/mL의 저농도까지 신뢰도 있는 정량검출이 가능하였으며, 이는 ELISA법에 의한 분석 결과보다 100-1000배 정도 향상된 결과이다. 이러한 SERS 기반의 면역분석법은 검출한계와 재현성 등의 측면에서는 기존 ELISA 분석법의 한계를 극복하였지만, 이 방법이 임상에서 새로운 면역분석기술로 활용되기 위해서는 혈당측정기와 같이 혈액을 제어할 수 있는 자동분석용 소자가 개발되어야 한다. 2 장에서는 1 장에서 개발된 SERS 기반의 바이오마커 분석 방법을 자동으로 구현할 수 있는 자동 농도구배 칩의 제작과 응용에 관한 실험을 수행하였다. 집적화된 자동농도구배 칩과 나노기술을 접목하면 기존의 ELISA 면역분석법보다 시료의 소모량을 10% 이하로 줄일 수 있고, 분석에 소요되는 시간을 30 분 이내로 단축시킬 수 있으며, 모든 분석과정이 자동으로 구현될 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서 개발된 자동 농도구배 칩은 검체를 자동으로 여러 농도로 희석할 수 있는 농도구배 채널과 금 할로우 입자와 자성입자를 주입하는 부분, 생성된 금할로우입자-자성입자 복합체를 고정화할 수 잇는 전자석 장치 등 세가지 구조들로 구성되어있다. 여기서 측정 하고자 하는 바이오마커의 정량은 자석으로 고정된 복합체의 표면 증강 라만 신호 세기를 분석하여 결정한다. 본 연구에서 개발된 자동 농도구배 칩은 면역분석에서 널리 사용되어 왔던 마이크로 웰이나 마이크로 튜브를 대체 할 수 있는 충분한 가능성을 보여주며, 여러 농도의 바이오마커를 동시에 검출할 수 있다는 장점을 가진다. 혈액 면역 분석진단에서 진단 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 두 개 이상의 마커에 대한 신뢰도 있는 정량 검출이 필요하다. 3 장과 4 장에서는 표면증강라만산란을 이용한 다중 마커 동시 검출 기술을 개발하였으며, 이를 실제 임상 시료에 적용하는 연구를 수행하였다. 단일 바이오마커에 대한 정량 분석을 연속적으로 수행하여 여러 개의 바이오마커에 대한 정량 정보를 얻는 방법에 비하여 다중 바이오마커의 동시 검출 기술은 단 한번 분석으로 여러 바이오마커의 정보를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다. 표면증강라만산란법을 이용한 면역 분석은 다중 바이오마커의 동시 검출에 매우 적절한 방법으로 평가되고 있는데, 이는 종래에 널리 이용되는 형광분석법에 비해 신호의 폭이 좁고 단일 파장의 여기 광을 이용하여 여러 화학종에 대한 라만 시그널을 동시에 획득할 수 있는 특성 때문이다. 본 연구에서는 이러한 라만분광법의 특성을 이용하여 두 종류의 라만 리포터 분자를 금 할로우 나노입자 표면에 고정한 다음 한 번의 레이저 주사로 두 가지 바이오마커의 농도를 동시에 정량할 수 있는 동시 면역 분석 기술을 개발하였다. 3 장에서는 두 종류의 폐암 마커 (CEA, AFP), 4 장에서는 두 종류의 조기 심근경색 마커 (CK-MB, cTnI)에 대하여 표면증강라만 분석법 기반의 다중 마커 분석 기술을 적용한 진단 기술에 대하여 기술하였다. 표면증강라만산란법을 이용한 다중 면역 분석방법의 정확성과 감도, 실제 의료 진단법으로서의 응용 가능성은 임상 환자들의 혈액시료를 이용한 기존 분석법과의 비교 분석을 통해 검증 되었다.
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