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위치 특이적 표면 수식된 야누스 입자의 LSPR 현상을 이용한 광학 바이오센서의 신호 신뢰성 개선

Enhanced signal reliability of optical biosensor using LSPR phenomenon of site-specific surface functionalized Janus particles

  • 박근영 (Keunyoung Park, 일반대학원)

초록/요약

본 연구는 POCT (point-of-care-testing) 컨셉 면역 센서의 상업화를 위해, 야누스 입자 (Janus Particles, JPs)의 항체 고정화 반응 안정성과 센서의 신뢰성을 높이는 방법에 관한 것이다. 현재 체외 진단 (In Vitro Diagnostic, IVD) 시장의 기술 경향은 장비의 소형화와 함께 언제, 어디서나 사용할 수 있도록 장비가 간소화되는 추세이며, 관련 시장이 점차 성장하고 있다. 그 중 신호 감지 물질 (sensing probe)로 사용되는 야누스 입자는 재귀 반사라는 독특한 특성을 가진다. 재귀 반사는 조사된 빛의 방향과 평행한 방향으로 다시 반사가 일어나는 현상으로, 백색광 같은 다양한 빛과 상호작용이 가능하므로 센서의 소형화가 가능하다. 또 단순히 입자의 개수를 세어 신호로 나타내므로 직관적인 해석이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 여전히 POCT 센서를 상업화하는데 문제점으로 제기되는 안정성과 신뢰성에 한계를 가진다. 본 연구에서는 신호 감지 물질로 사용되는 야누스 입자에 친수성 기능기를 도입하여 수용액 상에서 분산성을 높여준 후 보관 혹은 반응 안정성이 높은 물질로 용액 상에서 항체 고정화를 하였다. 분산성이 향상되면서 항체 고정화 반응 시 입자의 손실(loss)이 감소하였고 위치 특이적인 반응으로 야누스 입자의 골드 표면에만 안정적인 항체 고정화가 이루어짐을 확인하였다. 신호 신뢰성을 향상시키기 위해서는 LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) 현상을 이용하였다. LSPR 현상에 의해 야누스 입자는 검출 영역 위에 배열된 형태에 따라 서로 다른 색상을 나타낸다. 실제 분석 신호와의 오차를 유발하는 비특이적 물리 흡착 배열은 Red 내지는 Yellow 색상, 항원-항체 반응에 의한 배열은 Green 색상으로 나타난다. Red 혹은 Yellow로 나타난 프로브의 신호를 프로그래밍을 통해 제거하여 항원-항체 반응이 진행된 프로브의 신호만 확인할 경우, 신호의 오차 범위나 노이즈 신호가 줄어들어 센서의 신뢰도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 위 두가지 방식을 통하여, 친수성 야누스 입자에 안정적인 항체 고정화와 센서 신호의 신뢰성 향상을 이룸으로써 POCT 센서의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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목차

제 1장. 서론 (Introduction)……………………………………………………… 1
1.1. POCT 광학 센서의 연구 배경…………………………………………………… 1
1.2. 재귀반사의 응용 및 기본 특성………………………………………… 3
1.3. 재귀반사 효율이 증대된 야누스 입자………………………………………… 5
1.4. 상업화 수준의 야누스 타입 광학 프로브……………………………………………… 7

제 2장. 재료 및 방법 (Materials and methods)…………………………………………………………… 10
2.1. 시약 및 재료……………………………………………………….………………………………………… 10
2.2. 수용액 상 높은 분산성을 갖는 야누스 입자의 제조…………………………………… 11
2.2.1. 1200 nm 직경의 실리카 입자 제조………………………………………………………… 11
2.2.2. 실리카 입자 표면의 친수성 물질 개질………………………………………………… 13
2.2.3. 친수성 실리카 입자를 이용한 야누스 입자 제조………………………………… 15
2.3. 야누스 입자의 골드 표면 선택적인 항체 고정화……………………………………… 15
2.4. 야누스 타입 프로브의 색상 – 배열 간의 관계 확인……………………………………… 20

제 3 장. 결과 및 고찰 (Results and discussion)……………………………………………………… 21
3.1. 실리카 입자의 크기 분석……………………………………………………………………… 21
3.2. 야누스 입자의 친수성 특성 분석………………………………………………………………… 22
3.2.1. 친수성 실리카 입자와 야누스 입자의 표면 분석……………………………………… 22
3.2.2. 개질 물질의 친수성 확인을 위한 접촉각 테스트……………………………………… 24
3.2.3. 야누스 타입 프로브의 제타 전위 측정……………………………………………………… 27
3.2.4. 친수성 야누스 타입 프로브의 노이즈 신호 확인……………………………………… 30
3.2.5. GPTS-EA 실리카의 성분 분석………………………………………………………………… 31
3.3. 위치 특이적 항체 고정화 프로토콜 설계……………………………………………… 33
3.3.1. Tw-20의 항체 흡착 방지 효과 확인…………………………………………………… 33
3.3.2. Tw-20의 최적 농도 결정………………………………………………………………………… 36
3.3.3. 위치 특이적 항체 고정화 여부 확인……………………………………………………… 39
3.3.4. 항체 수식 농도 정량화……………………………………………………………………… 40
3.3.5. 항원 농도에 따른 프로브의 신호 변화 확인…………………………………………… 42
3.4. 면역 센서의 신뢰성 향상………………………………………………………………………… 42
3.4.1. 프로브의 배열 – 색상 간의 관계 확인…………………………………………………… 42
3.4.2. 프로브의 LSPR 현상과 광학 바이오 센서로의 응용………………………………… 46

제 4 장. 결론 (Conclusion)………………………………………………………………………………… 49

참 고 문 헌 (References)……………………………………………………………………… 51
Abstract……………………………………………………………………………………………… 54

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