[논문]국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 기반 비표지 바이오칩 제작 및 바이오센서로의 응용

김도균; 박태정; 이상엽

국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 기반 비표지 바이오칩 제작 및 바이오센서로의 응용
Fabrication of Label-Free Biochips Based on Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) and Its Application to Biosensors 원문보기

KSBB Journal, v.24 no.1, 2009년, pp.1 - 8

김도균 (한국과학기술원 생물공정연구센터, 시스템 및 합성생명공학연구센터, 바이오융합연구소, 초미세화학공정연구센터) , 박태정 (한국과학기술원 생물공정연구센터, 시스템 및 합성생명공학연구센터, 바이오융합연구소, 초미세화학공정연구센터) , 이상엽 (생명화학공학과 (BK21 프로그램), 바이오 및 뇌공학과, 생명과학과, 생물정보연구센터)

초록
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현재까지 연구 개발된 바이오칩 및 센서의 경우에는 생체분자 상호작용의 분석을 수행하기 위해서 효소나 형광 물질 등과 같은 표지물질을 생체분자에 주입할 필요성이 있었다. 이러한 표지작업은 단백질 등과 같이 고차구조를 형성하는 생체분자에 있어서 그 분자인식능을 저하시키는 문제가 발생하게 된다. 그리고 표지작업은 일련의 조작이 필요하기 때문에 조작의 복잡성을 띄게 되고, 간편성을 저해하는 문제가 발생하게 되며, 분석 결과를 얻기 위해서는 장시간을 필요로 하게 된다. 또한, 생체분자 상호작용의 분석에 적용되는 측정장치도 대형화하게 되어 온사이트 모니터링에 이용하기 어렵다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 비표지로 생체분자의 상호작용 분석이 가능한 SPR 광학특성, QCM 및 전기화학법 등을 이용한 비표지 바이오칩 및 센서가 개발되었다. 하지만 표지 바이오칩 및 센서와 마찬가지로 장치의 대형화 및 복잡화, 간편성 및 감도 등에 문제가 있었다. 따라서 지금까지 개발되어진 표지 및 비표지 바이오칩의 문제들을 해결하기 위해서 나노구조에서만 발현되는 새로운 광학특성인 LSPR을 기반으로 하는 새로운 형태의 코어-쉘 구조 나노입자 바이오칩이 제작되었다. 코어-쉘 나노입자 바이오칩의 표면에 수직방향으로부터 입사광을 조사하고 바이오칩 표면으로부터 반사된 반사광을 검출기로 검출하여 흡수 스펙트럼을 소형의 분광기로 해석함으로서 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서를 완성하였다. 또한 단백질 항원-항체 반응에 대한 비표지 검출 및 정량특성을 평가한 결과, 감도, 간편성, 유연성, 폭넓은 응용성 등에 양호한 특성을 확인할 수 있었다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 생체분자 상호작용의 분석에 많이 이용되고 있는 단백질, DNA, 세포 등의 생체분자에 유연하게 대처할 수 있을 것으로 생각되어지며, 그 밖에 의료, 식품분석, 환경 및 공정 모니터링 등 분야에 폭넓게 이용될 것으로 기대되고 있다. 또한 본 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 소형으로 저렴한 분광기를 이용하여 측정을 실시하고 있기 때문에 온사이트 모니터링에의 적용도 가능할 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the past decade, we have observed rapid advances in the development of biochips in many fields including medical and environmental monitoring. Biochip experiments involve immobilizing a ligand on a solid substrate surface, and monitoring its interaction with an analyte in a sample solution. Metal nanoparticles can display extinction bands on their surfaces. These charge density oscillations are simply known as the localized surface plasmon resonance (LSPR). The high sensitivity of LSPR has been utilized to design biochips for the label-free detection of biomolecular interactions with various ligands. LSPR-based optical biochips and biosensors are easy to fabricate, and the apparatus cost for the evaluation of optical characteristics is lower than that for the conventional surface plasmon resonance apparatus. Furthermore, the operation procedure has become more convenient as it does not require labeling procedure. In this paper, we review the recent advances in LSPR research and also describe the LSPR-based optical biosensor constructed with a core-shell dielectric nanoparticle biochip for its application to label-free biomolecular detections such as antigen-antibody interaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

보고예에 대해서 기술하였다. 또한 지금까지 수행된 코어-쉘 (core-shell) 구조 나노입자 바이오칩의 제작 방법 및 센서로서의 응용에 대한 결과를 서술하고자 한다.
본 총설에서는 나노0자의 LSPR 광학특성의 여기 원리에 대해서 설명하고, LSPR 광학특성을 검출 원리로 하는 바이오칩의 보고예에 대해서 기술하였다. 또한 지금까지 수행된 코어-쉘 (core-shell) 구조 나노입자 바이오칩의 제작 방법 및 센서로서의 응용에 대한 결과를 서술하고자 한다.

제안 방법

제작방법으로는 우선 유리 기판상에 금 박막층을 증착시킨 후 4, 4, -dithiodibutyric acid (DDA)S 금 표면에 주입하여 자기조직화 단분자층(self-assembled monolayer : SAM)을 형성시켰다. SAM이 형성된 기판 표면에 3-aminopropyltriethoxyxsilane (Y-APTES)로 표면 수식을 한 직경 100 nm의 실리카 나노입자를 전개하여, 금 박막이 증착된 기판 표면에 구형 유전체 나노입자층을 형성하였다. 구형 유전체 나노 입자층 형성 방법은 흡착에 의한 구형 유전체 나노입자층의 형성 방법보다도 용이하게 기판 표면에 대한 나노입자 밀도의 제어가 가능할 뿐만 아니라 보다 견고하게 구형 유전체 나노입자를 기판 표면에 배치시키는 것이 가능하다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서 비표지로 생체분자의 상호작용 분석이 가능한 SPR 광학특성, QCM 및 전기화학법 등을 이용한 비표지 바이오칩 및 센서가 개발되었다. 하지만 표지 바이오칩 및 센서와 마찬가지로 장치의 대형화 및 복잡화, 간편성 및 감도 등에 문제가 있었다.
또한, El-Sayed 그룹(36, 37)은 리소그래피에 의해 제작된 금 나노디스크 페어에서 형성된 LSPR 광학특성을 이용한 센서를 개발하였다. 이뿐 아니라 칩 표면위에 나노크기보다 큰 규칙적인 마이크론 사이즈의 금 패턴에서 형성되는 SPR 현상과 특정한 파장에서 금 나노입자의 광학적 성질과 융합시킨 새로운 고감도 나노바이오 분석방법을 개발하여 DNA검출에 응용하였다 간섭 효과 (interferometry)를 이용한 바이오센서의 경우 Nikitin 그룹은 바이오 센싱과 화학적 측정방법으로의 응용을 위하여 SPR 현상에 의해 반사된 빔의 위상 (phase)을 측정할 수 있는 간섭효과 측정방법인 SPR-interferometry 방법을 개발하였다(38). 이 방법은 센서 표면의 입자에 고정된 리셉터증의 두께 변화에 따른 interference pattern의 위상 변화에 의해 분석가능하며, 기존의 상업적인 SPR 장치에 의해 얻어진 결과보다 고감도의 결과를 보여주고 있다.
3층 구조로 구성되어 있다. 제작방법으로는 우선 유리 기판상에 금 박막층을 증착시킨 후 4, 4, -dithiodibutyric acid (DDA)S 금 표면에 주입하여 자기조직화 단분자층(self-assembled monolayer : SAM)을 형성시켰다. SAM이 형성된 기판 표면에 3-aminopropyltriethoxyxsilane (Y-APTES)로 표면 수식을 한 직경 100 nm의 실리카 나노입자를 전개하여, 금 박막이 증착된 기판 표면에 구형 유전체 나노입자층을 형성하였다.
따라서 지금까지 개발되어진 표지 및 비표지 바이오칩의 문제들을 해결하기 위해서 나노구조에서만 발현되는 새로운 광학특성인 LSPR을 기반으로 하는 새로운 형태의 코어-쉘 구조 나노입자 바이오칩이 제작되었다. 코어-쉘 나노입자 바이오칩의 표면에 수직방향으로부터 입사광을 조사하고 바이오칩 표면으로부터 반사된 반사광을 검출기로 검출하여 흡수 스펙트럼을 소형의 분광기로 해석함으로서 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서를 완성하였다. 또한 단백질 항원-항체 반응에 대한 비표지검출 및 정량특성을 평가한 결과, 감도, 간편성, 유연성, 폭넓은 응용성 등에 양호한 특성을 확인할 수 있었다.

성능/효과

코어-쉘 나노입자 바이오칩의 표면에 수직방향으로부터 입사광을 조사하고 바이오칩 표면으로부터 반사된 반사광을 검출기로 검출하여 흡수 스펙트럼을 소형의 분광기로 해석함으로서 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서를 완성하였다. 또한 단백질 항원-항체 반응에 대한 비표지검출 및 정량특성을 평가한 결과, 감도, 간편성, 유연성, 폭넓은 응용성 등에 양호한 특성을 확인할 수 있었다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 생체분자 상호작용의 분석에 많이 이용되고 있는 단백질 DNA, 세포 등의 생체분자에 유연하게 대처할 수 있을 것으로 생각되어지며, 그 밖에 의료, 식품분석, 환경 및 공정 모니터링 등 분야에 폭넓게 이용될 것으로 기대되고 있다.
4a와 4b). 이상의 결과로부터 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서로 CRP 및 fibrinogen 항원-항체 상호작용의 특이적 검출 및 정량특성을 관찰하는 것이 확인되었다. 또한, 동일한 방식의 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서를 이용하여 Hiep 등(46)에 의해 casein을 10 ng/mL의 검출 한계까지 구현한 보고가 있으며(Fig.
있다(47). 항체가 고정화된 코어-쉘 나노입자 바이오칩 표면에 서로 다른 농도 (1 fg/mL — 1 ng/mL) 의 항체 용액을 각각 첨가한 후, LSPR 흡수피크 강도 변화를 관찰한 결과, 농도에 따른 LSPR 흡수피크 강도의 증가가 확인되었으며, 또한 각각의 항원인 CRP와 fibrinogen을 각각 반응시킨 결과, 검출한계가 100 pg/mL 및 1 pg/mL이라는 것을 각각 확인할 수 있었다(Fig. 4a와 4b). 이상의 결과로부터 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서로 CRP 및 fibrinogen 항원-항체 상호작용의 특이적 검출 및 정량특성을 관찰하는 것이 확인되었다.

후속연구

코어-쉘구조 나노입자 바이오칩의 장점은 제작공정이 간단하고, 제작기간을 단축할 수 있으며, 일정 크기의 나노입자를 기판 위에 고정할 수만 있다면 나노입자의 표면에 증착하는 금의 두께를 제어하는 간단한 조작으로 다양한 파장 영역에서 반응하는 LSPR 광학특성을 얻을 수 있다는 것이다. 또한 기판 위에 고정되는 코어-쉘 구조 나노입자의 형태를 제어함으로서 생체분자를 다중검지로 검출할 수 있는 다중 검지 코어-쉘 구조 나노입자 바이오칩에도 응용할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 생체분자 상호작용의 분석에 많이 이용되고 있는 단백질 DNA, 세포 등의 생체분자에 유연하게 대처할 수 있을 것으로 생각되어지며, 그 밖에 의료, 식품분석, 환경 및 공정 모니터링 등 분야에 폭넓게 이용될 것으로 기대되고 있다. 또한 본 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 소형으로 저렴한 분광기를 이용하여 측정을 실시하고 있기 때문에 온 사이트 모니터링에의 적용도 가능할 것으로 생각된다.
또한 단백질 항원-항체 반응에 대한 비표지검출 및 정량특성을 평가한 결과, 감도, 간편성, 유연성, 폭넓은 응용성 등에 양호한 특성을 확인할 수 있었다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 생체분자 상호작용의 분석에 많이 이용되고 있는 단백질 DNA, 세포 등의 생체분자에 유연하게 대처할 수 있을 것으로 생각되어지며, 그 밖에 의료, 식품분석, 환경 및 공정 모니터링 등 분야에 폭넓게 이용될 것으로 기대되고 있다. 또한 본 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 소형으로 저렴한 분광기를 이용하여 측정을 실시하고 있기 때문에 온 사이트 모니터링에의 적용도 가능할 것으로 생각된다.
구형 유전체 나노입자층 형성 후, 다시 한번 구형 유전체 나노입자층의 표면에 금 박막을 증착함으로서 코어-쉘 나노입자 바이오칩이 완성된다. 이와 같은 방법으로 제작된 코어-쉘 나노입자 바이오칩의 표면에 수직 방향으로부터 입사광을 조사하고 바이오 칩 표면으로부터 반사된 반사광을 검출기로 검출하여 흡수 스펙트럼을 소형의 분광기로 해석함으로서 코어-쉘 나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서로 응용할 수 있다. 코어-쉘나노입자 바이오칩 기반 비표지 광학 바이오센서는 SPR 광학특성과는 달리 가시영역에서 LSPR 광학특성에 의한 특이적인 흡수피크를 관찰하는 것이 가능하다 또한 전반사의 광학 장치가 필요하지 않기 때문에 SPR 광학 특성 분석에는 꼭 필요한 프리즘이 필요 없게 된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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