최근 나노입자(nanoparticles)들은 그 특별한 물리, 화학, 전자기, 광학적 특성 때문에 많은 흥미를 불러 일으키고 있으며, 이러한 연구의 흐름은 더 효과적인 특성을 가지는 나노물질의 개발이라는 방향으로 복합적이고 심도 깊게 진행되고 있다. 이와 같은 기조에서 다양한 성분으로 구성된 나노입자들은 단편적인 각각의 특성들을 상호 보완적으로 제공해주며, 이러한 다기능성 나노입자(multifunctional nanoparticles)의 안정적인 합성 및 응용은 ...
최근 나노입자(nanoparticles)들은 그 특별한 물리, 화학, 전자기, 광학적 특성 때문에 많은 흥미를 불러 일으키고 있으며, 이러한 연구의 흐름은 더 효과적인 특성을 가지는 나노물질의 개발이라는 방향으로 복합적이고 심도 깊게 진행되고 있다. 이와 같은 기조에서 다양한 성분으로 구성된 나노입자들은 단편적인 각각의 특성들을 상호 보완적으로 제공해주며, 이러한 다기능성 나노입자(multifunctional nanoparticles)의 안정적인 합성 및 응용은 재료과학, 전자기학, 생화학, 의학을 아우르는 다학제간 결속에 기반하여, 기존의 응용범위에 비해 더욱 더 폭넓은 방향으로 도전적인 연구들이 진행되고 있다. 다양한 나노입자들 중 플라즈모닉 나노입자(plasmonic nanoparticles)는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 특성을 가지고, 뛰어난 화학적 안정성, 생물학적 친화성 및 표면의 화학적 특성 조절의 유용성을 가지기 때문에 고효율의 전자소자, 바이오 센서 및 이미징 등에서 폭넓게 응용이 시도되어져 왔고, 자성나노입자(magnetic nanoparticles), 특히 산화철 나노입자 역시 초상자성 (superparamagnetism) 특성을 가지고, 더욱이 생물학적 친화성 및 생체적합성을 띄기 때문에 자기공명영상 조영제(MRI contrast agent), 약물 전달시스템(drug delivery system), 고열 요법(hyperthermia) 등의 생의학 분야에 적용이 시도 되어져 왔다. 이러한 연유에서 다기능성 나노입자의 중요한 한 가지 형태로 자성-플라즈모닉 나노입자(magnetoplasmonic nanoparticles, MPNPs)는 특유의 표면화학적, 자기광학적, 초상자성 특성을 포함하고 있기 때문에 자기공명 이미징(magnetic resonance imaging), 자성분리(magnetic separation), 표면 증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 현상 등과 같은 구체적인 응용에서 그 가능성들이 검증되어 왔다. 본 학위논문은 크게 두 가지의 방향으로 주안점을 맞추었다. 첫째, 자성-플라즈모닉 나노입자 (MPNPs)의 합성 및 그 특성평가를 하고, 이를 바탕으로 둘째, 이를 이용하여 생체표지분자(biomarker)를 신속하게 검출할 수 있는 고민감도, 고선택성의 나노-바이오센서(nano-biosensor)를 구현하는 것 이다. 이 방법에서 우리는 항원-항체(antigen-antibody) 반응 또는 DNA 혼성화(hybridization) 반응을 기반으로 이형 이량체의 자성-플라즈모닉 나노입자(heterodimeric MPNPs)를 형성시켰고, 자성 입자는 자기 분리를 위한 센싱 플랫폼(sensing platform)으로, 플라즈모닉 나노입자는 센서의 신호 변환체(signal transducer)로 각각 사용하여, 비색계 바이오센서(colorimetric biosensor)의 형태인 자기영동 분석법(Magnetophoretic Assay, MPA)을 제안하였다. 제 2장에서는 제안하는MPA 방법을 이용하여 결핵균 특이 항원 CFP-10의 검출에 대한 연구이다. 결핵의 원인균인 Mycobacterium tuberculosis (Mtb)가 환자의 체내에서 분비하는 특정 단백질 중 culture filtrate protein (CFP-10) 항원은 결핵 초기부터 방출 되며, 그 크기가 약 10kDa으로 신장막을 투과하여 소변으로 배출되기 때문에, 결핵의 조기 진단을 위한 좋은 후보 표지 물질이라 할 수 있다. 본 연구에서는 표적 항원에 샌드위치 형으로 결합이 가능한 두 종의 단일클론 항체(monoclonal antibody, mAb)를 자성-플라즈모닉 입자에 각각 고정화시키고, 표적 항원의 존재 하에서 이종의 프루브(probe) 결합을 항원-항체 반응에 의해 유도하여, 결합된 자성-플라즈모닉 헤테로다이머릭 나노입자는 외부자장에 의해 10분내로 신속한 분리를 시켰다. 이로부터 분리되거나 반응계에 남아있는 플라즈모닉 나노입자의 정량을 통해 표적 항원의 정량이 가능함을 보였다. 이 개념을 바탕으로 정제된 항원의 농도에 대한 센서의 검량곡선(calibration curve)을 확인하였으며, 10 pg/mL에서 104 pg/mL 범위내에서 선형적인 센서 신호값 변화를 확인하였고, 10 pg/mL 수준의 검출 한계(detection limit)를 확인하였다. 또한, 다른 종류의 결핵균 분비항원 Ag 85종과 BSA (Bovine serum albumin)를 103 pg/mL 수준의 농도에서 넣어주고 센서 신호를 확인 해본 결과 오직 표적 항원을 넣어주었을 때만 신호값이 나오는 것을 확인하여, 센서의 특이성(selectivity)을 확인하였다. 이를 바탕으로 결핵균을 배양하는 배양액 내에 분비되어져 있는 항원의 검출이 가능한 지를 확인하였는데, 72시간에서 408시간까지 균 배양 시간이 증가함에 따라 결핵균 배양액 분석에서 나오는 센서의 신호값이 선형적으로 증가하다가 360시간 이후 완만해 지는 데이터 베이스를 구축하였고, 이를 통해 균 배양액 내에 존재하는 항원의 양이 103 pg/mL에서 106 pg/mL 수준이 됨을 계산할 수 있었다. 개발된 결핵 항원의 검출법은 항원-항체 반응시간 30분과 자기영동에 소요되는 10분의 시간을 합쳐도 1시간 내에 분석이 가능하고, 3-5일 (72-120시간) 배양한 결핵균 배양액 분석에서 양성 신호가 확인되므로 기존의 액체배양진단법이 배양기간이 4-8주가 걸리는 단점을 현저히 줄일 수 있다는 가능성을 제시한다고 할 수 있다. 또한 플라즈모닉 나노입자의 가시광대 흡광을 정량하는 방법은 기존의 면역검정법에 사용되는 형광 분광기에 비해 기기비용이 상대적으로 아주 저렴하기 때문에 진단 비용을 줄이고, 신속 결핵 진단 키트 개발에 큰 이점을 가진다. 제 3장에서는 표적 DNA를 검출하기 위한 MPA를 디자인 하였다. 어류의 원산지 판별이 제대로 되지 않는 문제는 시장 경제 및 생태 교란을 야기시키기 때문에, 간편한 방법으로 정확하게 종 판별을 할 수 있는 DNA 바이오센서의 제작은 의미를 가진다. 본 연구에서는 말쥐치(Thamnaconus modestus)의 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 서열 중 일부를 표적으로 하고, 그에 대해 상보적(complementary)으로 결합할 수 있는 두 종류의 올리고뉴클레오티드들을 각각 자성-플라즈모닉 나노입자의 표면에 고정화 하여 MPA를 기반으로 표적 DNA 서열의 검출을 시도하였다. 그 결과 광학신호와 표적 DNA의 농도에 대한 검량곡선을 통해 0.1 fM에서 0.1 μM까지 정량 할 수 있었고, 검출 한계는 0.1 fM수준으로 확인되었다. 또한 플라즈모닉 나노입자의 농도차이에 의해 눈으로 구분 가능한 (naked eye detection) 온-오프식(on-off)의 비색계 센서를 구현하였다. 이 결과로, 표적DNA를 수용액 상에서 매우 간단하고 고 민감도를 검출하는 방법을 제시하였다. 제 4장에서는 간섭계 광섬유 어레이 시스템 (interferometric optical fiber array system)을 사용하여, 화학 및 광학적 응용이 가능한 면역측정법 기반의 센서를 제작하였다. 결핵환자의 임상검체(소변) 내에 존재하는 표지항원의 민감한 검출을 위해 간섭계 광 섬유 어레이의 표면 디자인에 다각적으로 접근하였고, 항체와 나노입자의 자기조립(self-assaembly)을 통해 직접적, 간접적 항체 고정화 방법을 나누어 최적의 디자인을 찾고자 하였으며, 이는 항체의 방향성(orientation), 자가조립시의 분자 접근성(accessibility) 등이 센싱 어레이의 민감도(sensitivity)에 연관이 있을 것임을 시사하였다. 임상검체 실험에 앞서 정제된 항원을 사용하여 농도별로 발생하는 신호값의 변화를 확인하여 최적의 디자인을 결정하였고, 이를 기반으로 실제 환자의 임상검체를 사용하여 환자 소변 내에 실제로 존재하는 항원의 양을 관찰하였다. 정제된 CFP-10 항원만을 반응시켜주었을 때 10 ng/mL에서 103 ng/mL까지 선형적인 결과를 관찰할 수 있었고, 이를 바탕으로 임상 검체를 통하여 acid-fast bacilli stain (AFB) 단계별로 0–3까지 항원 검출 시험을 한 결과, 검체의 AFB 단계에 따라 신호값이 증가함을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서 시도한 간섭계 기반 광섬유 어레이 디자인의 최적화 과정은 정밀한 후속 실험들에 좋은 방향을 제시해 줄 수 있고, 질병의 임상 진단을 위한 간섭계 기반 면역측정법의 방식은 시도 되어진 적이 매우 드물다고 판단되기 때문에, 추후의 후속 연구들이 더 기대 된다고 할 수 있겠다. 본 학위논문을 정리해서 결언 하자면, 본 연구를 통해 자성-플라즈모닉 나노입자의 합성 및 바이오 물질을 이용한 어셈블리(assembly) 방법을 제시하였고, 다양한 특성분석 방법을 통해 구조 및 특성을 확인하였다. 그리고 센서로의 구체적인 응용방안을 제시하였고, 이를 통해, 다기능성 자성-플라즈모닉 나노입자의 바이오-메디컬 분야에서의 응용가능성을 확인하였다.
최근 나노입자(nanoparticles)들은 그 특별한 물리, 화학, 전자기, 광학적 특성 때문에 많은 흥미를 불러 일으키고 있으며, 이러한 연구의 흐름은 더 효과적인 특성을 가지는 나노물질의 개발이라는 방향으로 복합적이고 심도 깊게 진행되고 있다. 이와 같은 기조에서 다양한 성분으로 구성된 나노입자들은 단편적인 각각의 특성들을 상호 보완적으로 제공해주며, 이러한 다기능성 나노입자(multifunctional nanoparticles)의 안정적인 합성 및 응용은 재료과학, 전자기학, 생화학, 의학을 아우르는 다학제간 결속에 기반하여, 기존의 응용범위에 비해 더욱 더 폭넓은 방향으로 도전적인 연구들이 진행되고 있다. 다양한 나노입자들 중 플라즈모닉 나노입자(plasmonic nanoparticles)는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 특성을 가지고, 뛰어난 화학적 안정성, 생물학적 친화성 및 표면의 화학적 특성 조절의 유용성을 가지기 때문에 고효율의 전자소자, 바이오 센서 및 이미징 등에서 폭넓게 응용이 시도되어져 왔고, 자성나노입자(magnetic nanoparticles), 특히 산화철 나노입자 역시 초상자성 (superparamagnetism) 특성을 가지고, 더욱이 생물학적 친화성 및 생체적합성을 띄기 때문에 자기공명영상 조영제(MRI contrast agent), 약물 전달시스템(drug delivery system), 고열 요법(hyperthermia) 등의 생의학 분야에 적용이 시도 되어져 왔다. 이러한 연유에서 다기능성 나노입자의 중요한 한 가지 형태로 자성-플라즈모닉 나노입자(magnetoplasmonic nanoparticles, MPNPs)는 특유의 표면화학적, 자기광학적, 초상자성 특성을 포함하고 있기 때문에 자기공명 이미징(magnetic resonance imaging), 자성분리(magnetic separation), 표면 증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 현상 등과 같은 구체적인 응용에서 그 가능성들이 검증되어 왔다. 본 학위논문은 크게 두 가지의 방향으로 주안점을 맞추었다. 첫째, 자성-플라즈모닉 나노입자 (MPNPs)의 합성 및 그 특성평가를 하고, 이를 바탕으로 둘째, 이를 이용하여 생체표지분자(biomarker)를 신속하게 검출할 수 있는 고민감도, 고선택성의 나노-바이오센서(nano-biosensor)를 구현하는 것 이다. 이 방법에서 우리는 항원-항체(antigen-antibody) 반응 또는 DNA 혼성화(hybridization) 반응을 기반으로 이형 이량체의 자성-플라즈모닉 나노입자(heterodimeric MPNPs)를 형성시켰고, 자성 입자는 자기 분리를 위한 센싱 플랫폼(sensing platform)으로, 플라즈모닉 나노입자는 센서의 신호 변환체(signal transducer)로 각각 사용하여, 비색계 바이오센서(colorimetric biosensor)의 형태인 자기영동 분석법(Magnetophoretic Assay, MPA)을 제안하였다. 제 2장에서는 제안하는MPA 방법을 이용하여 결핵균 특이 항원 CFP-10의 검출에 대한 연구이다. 결핵의 원인균인 Mycobacterium tuberculosis (Mtb)가 환자의 체내에서 분비하는 특정 단백질 중 culture filtrate protein (CFP-10) 항원은 결핵 초기부터 방출 되며, 그 크기가 약 10kDa으로 신장막을 투과하여 소변으로 배출되기 때문에, 결핵의 조기 진단을 위한 좋은 후보 표지 물질이라 할 수 있다. 본 연구에서는 표적 항원에 샌드위치 형으로 결합이 가능한 두 종의 단일클론 항체(monoclonal antibody, mAb)를 자성-플라즈모닉 입자에 각각 고정화시키고, 표적 항원의 존재 하에서 이종의 프루브(probe) 결합을 항원-항체 반응에 의해 유도하여, 결합된 자성-플라즈모닉 헤테로다이머릭 나노입자는 외부자장에 의해 10분내로 신속한 분리를 시켰다. 이로부터 분리되거나 반응계에 남아있는 플라즈모닉 나노입자의 정량을 통해 표적 항원의 정량이 가능함을 보였다. 이 개념을 바탕으로 정제된 항원의 농도에 대한 센서의 검량곡선(calibration curve)을 확인하였으며, 10 pg/mL에서 104 pg/mL 범위내에서 선형적인 센서 신호값 변화를 확인하였고, 10 pg/mL 수준의 검출 한계(detection limit)를 확인하였다. 또한, 다른 종류의 결핵균 분비항원 Ag 85종과 BSA (Bovine serum albumin)를 103 pg/mL 수준의 농도에서 넣어주고 센서 신호를 확인 해본 결과 오직 표적 항원을 넣어주었을 때만 신호값이 나오는 것을 확인하여, 센서의 특이성(selectivity)을 확인하였다. 이를 바탕으로 결핵균을 배양하는 배양액 내에 분비되어져 있는 항원의 검출이 가능한 지를 확인하였는데, 72시간에서 408시간까지 균 배양 시간이 증가함에 따라 결핵균 배양액 분석에서 나오는 센서의 신호값이 선형적으로 증가하다가 360시간 이후 완만해 지는 데이터 베이스를 구축하였고, 이를 통해 균 배양액 내에 존재하는 항원의 양이 103 pg/mL에서 106 pg/mL 수준이 됨을 계산할 수 있었다. 개발된 결핵 항원의 검출법은 항원-항체 반응시간 30분과 자기영동에 소요되는 10분의 시간을 합쳐도 1시간 내에 분석이 가능하고, 3-5일 (72-120시간) 배양한 결핵균 배양액 분석에서 양성 신호가 확인되므로 기존의 액체배양진단법이 배양기간이 4-8주가 걸리는 단점을 현저히 줄일 수 있다는 가능성을 제시한다고 할 수 있다. 또한 플라즈모닉 나노입자의 가시광대 흡광을 정량하는 방법은 기존의 면역검정법에 사용되는 형광 분광기에 비해 기기비용이 상대적으로 아주 저렴하기 때문에 진단 비용을 줄이고, 신속 결핵 진단 키트 개발에 큰 이점을 가진다. 제 3장에서는 표적 DNA를 검출하기 위한 MPA를 디자인 하였다. 어류의 원산지 판별이 제대로 되지 않는 문제는 시장 경제 및 생태 교란을 야기시키기 때문에, 간편한 방법으로 정확하게 종 판별을 할 수 있는 DNA 바이오센서의 제작은 의미를 가진다. 본 연구에서는 말쥐치(Thamnaconus modestus)의 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 서열 중 일부를 표적으로 하고, 그에 대해 상보적(complementary)으로 결합할 수 있는 두 종류의 올리고뉴클레오티드들을 각각 자성-플라즈모닉 나노입자의 표면에 고정화 하여 MPA를 기반으로 표적 DNA 서열의 검출을 시도하였다. 그 결과 광학신호와 표적 DNA의 농도에 대한 검량곡선을 통해 0.1 fM에서 0.1 μM까지 정량 할 수 있었고, 검출 한계는 0.1 fM수준으로 확인되었다. 또한 플라즈모닉 나노입자의 농도차이에 의해 눈으로 구분 가능한 (naked eye detection) 온-오프식(on-off)의 비색계 센서를 구현하였다. 이 결과로, 표적DNA를 수용액 상에서 매우 간단하고 고 민감도를 검출하는 방법을 제시하였다. 제 4장에서는 간섭계 광섬유 어레이 시스템 (interferometric optical fiber array system)을 사용하여, 화학 및 광학적 응용이 가능한 면역측정법 기반의 센서를 제작하였다. 결핵환자의 임상검체(소변) 내에 존재하는 표지항원의 민감한 검출을 위해 간섭계 광 섬유 어레이의 표면 디자인에 다각적으로 접근하였고, 항체와 나노입자의 자기조립(self-assaembly)을 통해 직접적, 간접적 항체 고정화 방법을 나누어 최적의 디자인을 찾고자 하였으며, 이는 항체의 방향성(orientation), 자가조립시의 분자 접근성(accessibility) 등이 센싱 어레이의 민감도(sensitivity)에 연관이 있을 것임을 시사하였다. 임상검체 실험에 앞서 정제된 항원을 사용하여 농도별로 발생하는 신호값의 변화를 확인하여 최적의 디자인을 결정하였고, 이를 기반으로 실제 환자의 임상검체를 사용하여 환자 소변 내에 실제로 존재하는 항원의 양을 관찰하였다. 정제된 CFP-10 항원만을 반응시켜주었을 때 10 ng/mL에서 103 ng/mL까지 선형적인 결과를 관찰할 수 있었고, 이를 바탕으로 임상 검체를 통하여 acid-fast bacilli stain (AFB) 단계별로 0–3까지 항원 검출 시험을 한 결과, 검체의 AFB 단계에 따라 신호값이 증가함을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서 시도한 간섭계 기반 광섬유 어레이 디자인의 최적화 과정은 정밀한 후속 실험들에 좋은 방향을 제시해 줄 수 있고, 질병의 임상 진단을 위한 간섭계 기반 면역측정법의 방식은 시도 되어진 적이 매우 드물다고 판단되기 때문에, 추후의 후속 연구들이 더 기대 된다고 할 수 있겠다. 본 학위논문을 정리해서 결언 하자면, 본 연구를 통해 자성-플라즈모닉 나노입자의 합성 및 바이오 물질을 이용한 어셈블리(assembly) 방법을 제시하였고, 다양한 특성분석 방법을 통해 구조 및 특성을 확인하였다. 그리고 센서로의 구체적인 응용방안을 제시하였고, 이를 통해, 다기능성 자성-플라즈모닉 나노입자의 바이오-메디컬 분야에서의 응용가능성을 확인하였다.
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