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비표지자 방식의 남세균 선별을 위한 THz 메타 열곡선 센서 제작

THz metamaterial sensing with thermal curve analysis for label-free detection of cyanobacteria

  • 정태희 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

이 연구에서는 테라헤르츠(Terahertz, THz) 메타물질(Metamaterial)을 기반으로 남세균(Cyanobacteria)의 비표지자 방식(Label-free) 선별을 위한 열곡선 센서를 개발하였다. 메타센서에 박테리아(Bacteria) 필름이 도포되어 있는 경우 메타물질의 상당한 공명주파수 이동이 발생하지만, 메타물질의 감지 부피가 제한되어 있어 박막 두께가 특정 값에 도달하면 공명주파수의 이동이 포화 상태에 이른다. 이 포화 값을 이용해 다양한 남세균의 유전 상수를 결정하였으며, 이는 유전체 감지에 있어 중요한 정보를 제공한다. 남세균 선별 센서는 메타물질의 유전체 감지 특성을 기반으로 제작되었다. 메타물질의 공명주파수는 유전체의 변화를 감지해 이동하며, 이는 남세균 박막의 물리적 특성을 반영한다. 일반적으로 세포는 온도 상승과 함께 성장(Growth), 열불활성(Thermal inactivation), DNA 변성(DNA denaturation), 세포벽 파괴(Wall destruction)와 같은 여러 단계를 거치며, 이러한 전이 단계에서 테라헤르츠 유전상수의 변화가 발생한다. 이를 기반으로 미분 열곡선(Differential Thermal Curve, DTC)를 얻어 각 남세균 개체를 식별할 수 있었다. 연구에 사용한 남세균은 국내에서 흔히 발견되는 아나베나 종(Anabaena sp.), 아파노테스 종(Aphanothece sp.), 아파노캅스 종(Aphanocapsa sp.), 마이크로시스틴 종(Microcystis sp.) 총 4 종으로, 이를 대상으로 비표지자 방식의 열곡선 센서를 제작하고 그 성능을 검증하였다. 유해 남세균이 도포된 테라헤르츠 메타물질의 온도 변화에 따른 공명주파수의 변화를 모니터링한 결과, 미분 열곡선 분석을 통해 남세균 개체별로 고유한 단계별 전이 온도를 확인할 수 있었다. 이를 통해 개체별 남세균을 효과적으로 식별할 수 있음을 입증하였다. 특히, 남세균은 그람 음성(Gram-negative) 박테리아로 분류되지만, 세포벽 파괴와 관련된 미분 열곡선 피크(Peak)는 그람 양성(Gram-positive) 박테리아와 유사한 양상을 보였다. 이는 남세균의 독특한 세포외 구조로 인한 것으로 추측되었다. 이 미분 열곡선 분석을 통해 기존의 현미경 관찰이나 중합효소 연쇄 반응 (Polymerase chain reaction, PCR)기반의 접근 방식과 달리, 비표지자 방식으로 다양한 남세균 종의 개체별 및 온도별 고유한 특성을 효과적인 선별이 가능하였다.

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목차

제 1 장 서론 1
제 2 장 이론 3
2.1 테라헤르츠파 소개 3
2.2 테라헤르츠파 시분해 분광법 6
2.3 메타물질 소개 7
2.4 남세균의 구조 및 특성 10
제 3 장 실험 방법 13
3.1 메타물질 제작 13
3.2 남세균 배양 15
3.3 유전상수 측정을 위한 남세균 박막(Thin Film) 제작 17
3.4 남세균 선별을 위한 센서 제작 19
제 4 장 실험 결과 21
4.1. 남세균 개체별 공명주파수 변화 추이 측정 21
4.2. 남세균 개체별 유전상수 측정 25
4.3. 남세균 개체별 온도기반의 테라헤르츠 흡수 측정. 28
4.4. 남세균 개체별 미분 열곡선 분석 30
제 5 장 결론 37
출판 목록 39
참고 문헌 40

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