KR101745897B1 - Method for Quantitative Screening of Viruses Using Total Internal Reflection Scattering - Google Patents
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Abstract
본 개시 내용에서는 인플루엔자 바이러스와 같은 바이러스 유전자에 대하여 특이적인 프로브를 함유하고 플라즈몬 나노금속 산란 특성을 갖고 서로 중첩되지 않는 흡수스펙트럼을 갖는 적어도 2가지 금속을 구비한 검출 플랫폼 상에서 바이러스 유전자에 대한 증폭 과정 없이 단일 분자 수준에서 직접 검출함과 동시에 이를 효과적이고 정확하게 정량화할 수 있는 질병진단 스크리닝 방법 및 검출 시스템이 제공된다.The present disclosure describes a method for detecting viral genes on a detection platform with at least two metals containing probes specific for viral genes such as influenza virus and having an absorption spectrum that does not overlap with each other with plasmonic nano- There is provided a disease diagnosis screening method and detection system capable of directly detecting and quantitatively detecting a single molecule at a single molecule level.
Description
본 개시 내용은 전반사산란을 이용한 바이러스(바이러스성 유전자)의 정량 스크리닝 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 인플루엔자 바이러스와 같은 바이러스 유전자에 대하여 특이적인 프로브를 함유하고 플라즈몬 나노금속 산란 특성을 갖고 서로 중첩되지 않는 흡수스펙트럼을 갖는 적어도 2가지 금속을 구비한 검출 플랫폼을 이용하여 바이러스 유전자에 대한 증폭 과정 없이 단일 분자 수준에서 직접 검출함과 동시에 이를 효과적이고 정확하게 정량화할 수 있는 질병진단 스크리닝 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a quantitative screening method of a virus (viral gene) using total-reflection scattering. More particularly, the present disclosure relates to a detection platform comprising at least two metals having an absorption spectrum that contains a probe specific for a viral gene such as an influenza virus and has plasmon nanometallic scattering properties and does not overlap with each other, And more particularly, to a disease diagnosis screening method capable of directly detecting and quantifying the gene at a single molecule level without amplification of the gene.
최근 나노기술을 이용하여 바이오칩과 같은 진단 분야에 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같이, 나노기술을 접목함에 따라 바이오칩의 소형화, 감도 증진, 간단한 시료 전처리 및 종래 기술에서는 구현하기 곤란한 스마트 기능 등을 수행할 수 있게 됨으로써 기존의 마이크로 수준에서의 바이오 진단 기술에서 시료량, 반응시간, 노동력, 현장 진단, 검출 한계 등과 관련하여 제기된 다양한 문제점들을 극복할 수 있는 돌파구를 마련할 수 있게 되었다.Recently, researches are being actively applied to diagnosis fields such as biochips using nanotechnology. As such, by integrating the nanotechnology, miniaturization of the biochip, enhancement of sensitivity, simple sample preprocessing, and smart functions that are difficult to implement in the prior art can be performed. Therefore, in the existing microbiological bio-diagnosis technology, It has become possible to overcome a variety of problems related to labor, field diagnosis, and detection limitations.
이러한 나노기반의 기술을 바이러스, 특히 신종 플루와 같은 인플루엔자 바이러스의 진단 분야에 적용하고자 시도 중에 있다. We are trying to apply these nano-based technologies to the field of diagnosis of influenza viruses, especially influenza viruses such as swine flu.
인플루엔자 바이러스는 세계적으로 공중위생에 대한 심각한 위협을 야기하고 있으며, 최근 고병원성 조류 H5N1 변종의 인간에 대한 전염 가능성에 따른 문제점이 제기되고 있고, 전 세계에 걸쳐 급속도로 확산된 유행성 신종 A/H1N1의 출현으로 인하여 이에 대한 우려는 증가하고 있는 실정이다. 특히, 신종 인플루엔자 바이러스가 발견되고 인간 간 전염 가능성이 높아짐에 따라 보다 신속하고 정밀한 인플루엔자 바이러스의 검출 또는 진단 방법이 요구되고 있다.Influenza viruses are causing serious threats to public health worldwide, and the recent epidemic of the highly virulent algae H5N1 strain has raised concerns about the possibility of transmission to humans, and the emergence of the pandemic new A / H1N1 rapidly spreading worldwide This is an increasing concern. In particular, as a new type of influenza virus is found and the possibility of transmission among humans increases, a method for detecting and diagnosing influenza viruses is required more rapidly and precisely.
또한, 인플루엔자 바이러스의 높은 전염성 등을 고려할 때, 극미량의 샘플에 대하여도 정확한 진단을 할 수 있는 방안이 요구된다. In addition, considering the high infectivity of influenza virus, a method of accurately diagnosing even a trace amount of sample is required.
종래에 인플루엔자 바이러스의 의심환자의 진단(또는 확진)을 위한 보편적인 검사 방식으로 인플루엔자 바이러스 신속항원(influenza virus rapid antigen)법이 알려져 있다. 현재 시판되고 있는 Quidel사의 Sofia POCT 제품이 자동화검사 시스템으로서 높은 민감도를 달성할 수 있는 것으로 평가되고 있다. 다른 제품으로서 ClearView사 및 Veritor사 제품이 알려져 있으나, 면봉(Swab) 검체만을 사용하는 단점이 있다. 특히, Clearview사 및 SD사의 Bioline 제품은 민감도가 높지 않아 실제 환자에게 큰 도움이 되지 못하는 문제점이 존재한다(Eurosurveillance, Volume 18, Issue 21, 23 May 2013). 이 때문에, 신종 플루의 확진과 같은 인플루엔자 바이러스의 진단을 위한 특이적 검사법으로 실시간 역전사 중합효소연쇄반응(real time polymerase chain reaction; RT-PCR) 기법이 주로 이용되고 있다. The influenza virus rapid antigen method is known as a universal test method for diagnosing (or confirming) a suspected patient of influenza virus. Quadidel's Sofia POCT products, which are currently on the market, are expected to achieve high sensitivity as an automated inspection system. ClearView and Veritor products are known as other products, but there is a disadvantage that only a swab specimen is used. In particular, there is a problem that Clearview and Bioline products of SD do not have a high sensitivity and thus do not contribute to actual patients (Eurosurveillance,
이와 관련하여, 임상의들은 일반적으로 효소중합연쇄반응(PCR)과 같은 유전자(DNA) 증폭기를 이용하여 질병을 진단하고 있다. 이 기술은 현재 보편적으로 널리 사용되고 있을 뿐만 아니라 비교적 높은 효율을 갖고 있는 것으로 평가된다. 그러나, 위양성, 위음성 검출, 그리고 시간 및 시료의 소모가 많다는 단점을 가지고 있다. 또한, 특이성, 낮은 임상적 감도, 그리고 낮은 정확성에 따른 기술적 한계가 존재한다. In this regard, clinicians generally diagnose disease using DNA amplifiers such as enzymatic polymerase chain reaction (PCR). This technology is not only widely used today, but also has a relatively high efficiency. However, it has disadvantages such as false positives, false negatives, and time and sample consumption. There are also technical limitations due to specificity, low clinical sensitivity, and low accuracy.
이외에도, 리가아제 중합연쇄반응(Ligase chain reaction; LCR), 리가아제 검출반응(Ligase detection reaction; LDR) 등도 알려져 있으나, 이들 모두 증폭 반응을 수반함에 따라 PCR과 유사하게 표적 핵산이 기하급수적 방식으로 증폭되므로 상술한 문제점을 내포하고 있다.In addition, ligase chain reaction (LCR) and ligase detection reaction (LDR) are known, but all of them involve amplification reaction, so that the target nucleic acid is amplified in an exponential manner The above-described problem is implied.
따라서, 증폭과정을 배제한 단일분자 분광법 (single-molecule spectroscopy)의 검출 프로토콜을 개발할 필요성이 꾸준히 제기되었다. Therefore, there is a continuing need to develop a detection protocol for single-molecule spectroscopy that excludes the amplification process.
유전자 검출을 위한 비증폭(amplification-free) 검출법으로는 형광, 광자결장 배열, 전기화학법, 플라즈몬 나노입자를 이용한 암시야(dark-field) 센서, 압전식 센서(piezoelectric plate sensor)가 보고되었다. 최근 Mayr 그룹은 마이크로 유체형 칩을 제작하여 펩토몰(fM = 10-15 M) 수준으로 비증폭 유전자 검출에 성공한 바 있다. 그러나 여전히 개선된 단일분자 수준의 유전자 정량화 기술이 요구되는 실정이다. Amplification-free detection methods for gene detection include fluorescence, photonic colonic arrays, electrochemical methods, dark-field sensors using plasmon nanoparticles, and piezoelectric plate sensors. Recently, Mayr group has developed a microfluidic chip and succeeded in detecting non-amplified genes at the level of peptomol (fM = 10-15 M). However, there is still a need for improved single molecule level gene quantification techniques.
전술한 바와 같이 유전자의 증폭 과정 없이 단일 분자 수준에서 직접 검출하기 위하여 형광표지를 결합한 후에 형광분광법을 이용하여 분석하는 방법이 알려져 있으나, 시간에 따른 형광신호의 변동(time-dependent fluctuations), 광안정성(photostability), 깜빡임(photoblinking) 및 광표백(photobleaching)과 같은 현상으로 인하여 장시간 검출이 곤란한 문제점을 가지고 있어, 이의 대안으로서 비형광(fluorescence-free) 검출 방법에 대한 관심이 증가하고 있다(V. Espina et al., J. Immunol. Methods, 2004, 290: 121-133).As described above, there is known a method of detecting fluorescence by fluorescence spectroscopy after directly binding the fluorescent label to detect the fluorescence signal at a single molecule level without amplification of the gene, but time-dependent fluctuations of fluorescence signal with time, there is a problem that it is difficult to detect for a long time due to a phenomenon such as photostability, photoblinking, and photobleaching, and an interest in a fluorescence-free detection method is increasing as an alternative thereto (V. Espina et al. , J. Immunol. Methods , 2004, 290: 121-133).
이에 대하여, 본 발명자들은 파장-의존성 미분간섭대비 현미경법을 이용한 표적 생체분자의 비형광 검출방법(국내특허번호 제1514894호), 파장-의존성 플라즈몬 공명산란을 이용한 나노바이오칩 키트 및 이를 이용한 생체분자의 검출방법(국내특허번호 제1470730호) 등과 같이 비증폭 및 비형광 검출 방법을 개발한 바 있다. 구체적으로, 파장-의존성 미분간섭효과 검출법은 빛의 편광성과 간섭성을 이용하여 무색투명한 세포나 금속표면의 단차 등을 관찰할 수 있는 현미경법으로, 편광소자와 웰스턴 프리즘 (Wollaston prism)에 의하여 빛을 분산시켜 샘플 면에 투과시켜 샘플에 생긴 광로차의 미분수치를 시료 상면에 대비(contrast)로 변화시켜 시료의 이미지를 얻는 방법이다.On the other hand, the inventors of the present invention have developed a non-fluorescent detection method of target biomolecules using wavelength-dependent differential interference versus microscopy (Japanese Patent No. 1514894), a nano-biochip kit using wavelength-dependent plasmon resonance scattering, Detection method (Korean Patent No. 1470730), and the like. Specifically, the wavelength-dependent differential interference effect detection method is a microscopic method which can observe the step of colorless transparent cells or metal surfaces using the polarization and coherence of light, by a polarizing element and a Wollaston prism The light is dispersed and transmitted to the sample surface to change the optical path difference value generated in the sample to the contrast on the sample surface to obtain the image of the sample.
더 나아가, 본 발명자들은 적어도 2개의 금속을 이용한 나노태그/나노프로브 (nanotag/nanoprobe) 플랫폼을 기반으로 하되, 전반사(total internal reflection; TIR) 현상을 이용하여 바이오칩 표면에서 형성된 소산장(evanescent field)에 의한 산란 신호를 선택적 대역통과필터를 통하여 검출하는 방법을 제시한 바 있다. Further, the present inventors have developed a nanotag / nanoprobe platform using at least two metals, and have developed an evanescent field formed on a biochip surface using total internal reflection (TIR) A scattering signal by a selective band-pass filter.
그러나, 전반사 산란에 의하여 수집된 신호 또는 영상으로부터 나노 프로브(제1 금속) 및 나노 태그(제2 금속) 각각으로부터 유래되는 신호 또는 영상을 정확하게 구별하는 것은 용이한 작업이 아니다. 전술한 종래기술에서 사용된 대역통과필터는 특정 범위 내의 주파수(또는 파장)만을 통과시키고 상기 범위 이외의 주파수(또는 파장)는 차단 또는 약화시키는 기능을 하기는 하나, 제1 금속 및 제2 금속 각각으로부터 유래하는 신호를 스크린 상에 단일 샷으로 수집하기 곤란하다. 특히, 상술한 2가지 금속의 산란 신호로부터 정확하게 바이러스를 검출하는 것이외에도, 이를 정량화할 목적으로 데이터 처리 과정에서 픽셀 간의 거리를 정확하게 계산하기 위하여는 산란 신호의 중심 위치 정보를 정확하게 확인할 필요가 있으나, 앞서 언급된 종래기술에 의하여는 효과적인 구현이 곤란하다.However, it is not an easy task to accurately distinguish a signal or an image derived from each of the nano probe (first metal) and the nano tag (second metal) from the signal or image collected by the total reflection scattering. The band-pass filter used in the above-described conventional techniques has a function of passing only frequencies (or wavelengths) within a specific range and blocking or attenuating frequencies (or wavelengths) outside the range, but the first and second metals It is difficult to collect a signal originating from a single shot on the screen. Especially, in order to accurately calculate the distance between pixels in the data processing process in order to quantify the virus, in addition to accurately detecting the virus from the scattering signals of the two metals described above, it is necessary to accurately check the center position information of the scattering signal, The above-mentioned prior arts are difficult to implement effectively.
따라서, 바이러스 유전자의 증폭 과정 없이 보다 정밀한 분광학적 영상을 통하여 바이러스를 효과적으로 검출함과 동시에 이를 정량화하기 위한 스크리닝 방안에 대한 요구가 증대되고 있다. Therefore, there is an increasing demand for a screening method for effectively detecting viruses and quantifying them through more precise spectroscopic images without amplification of viral genes.
따라서, 본 개시 내용에서는 바이러스성 유전자에 대하여 특이적으로 반응하는 올리고머를 함유하고 플라즈몬 나노금속 산란의 특성을 갖는 적어도 2가지 금속을 구비한 플랫폼을 이용하여 바이러스 유전자의 증폭 과정 없이 전반사에 의한 소산장으로부터 생성되는 산란 신호를 정확하게 직접 검출하고, 또한 이를 동시 정량화함으로써 극미량의 질병관련 바이러스 유전자에 대하여도 고감도 검출 및 동시 정량화를 달성할 수 있는 스크리닝법을 제공하고자 한다.Thus, in this disclosure, a platform comprising at least two metals having the property of plasmon nanometallic scattering containing an oligomer that specifically reacts with a viral gene can be used to amplify viral genes And a simultaneous quantification of the scattered signal generated from the virus-related virus gene, thereby providing a screening method capable of achieving high sensitivity detection and simultaneous quantification even for a trace amount of disease-associated virus gene.
본 개시 내용의 일 면에 따르면, According to one aspect of the present disclosure,
질병 관련 표적 바이러스의 비증폭 및 비형광 검출방식을 통하여 정량 스크리닝하는 방법으로서,As a method for quantitative screening through non-amplification of a disease-associated target virus and non-fluorescence detection method,
a) 상기 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 프로브 올리고머가 제1 금속-나노패턴화된 기재에 고정된 포획 나노패드, 및 제2 금속 함유 나노입자가 상기 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 검출 올리고머와 결합된 검출 태그를 포함하는 플랫폼을 제공하는 단계, 여기서 제1 금속 및 제2 금속은 서로 흡수스펙트럼이 중첩되지 않도록 선택됨;a) a capture nano pad having a probe oligomer specifically binding to the target virus immobilized on the first metal-nanopatterned substrate, and a detection oligomer capable of specifically binding to the target virus, Providing a platform comprising a combined detection tag, wherein the first metal and the second metal are selected such that the absorption spectra do not overlap with each other;
b) 분석 샘플 내 표적 바이러스를 검출 태그의 검출 올리고머 및 포획 나노패드의 프로브 올리고머와 혼성화 반응시키는 단계;b) hybridizing the target virus in the assay sample with the detection oligomer of the detection tag and the probe oligomer of the capture nano pad;
c) 광원으로부터 조사된 광을 전반사시켜 소산장을 형성하고, 상기 소산장에 의하여 검출 태그 및 상기 포획 나노패드로부터 발생되는 전반사산란 신호를 생성하는 단계; 및c) forming a desiccation field by totally reflecting the light emitted from the light source, and generating a total reflection scattering signal generated from the detection tag and the capturing nano pad by the desorption field; And
d) 상기 생성된 전반사산란 신호를 투과격자미러(TR)로 통과시켜 제1 금속으로부터 기인하는 산란 신호 및 제2 금속으로부터 기인하는 산란 신호로 분할함으로써 비분산(non-dispersed) 또는 0차의 분광학적 영상(spectral image), 그리고 분산된(dispersed) 또는 1차 이상의 분광학적 영상을 생성하여 수집하는 단계;d) dividing the generated total reflection scattering signal into a scattering signal originating from the first metal and a scattering signal originating from the second metal by passing the signal through a transmission grating mirror (TR), whereby a non-dispersed or zero- Generating and collecting a spectral image and a dispersed or first order spectroscopic image;
를 포함하며,/ RTI >
여기서, 가우시안 맞춤에 의한 데이터 처리를 통하여 상기 분할된 산란 신호 각각에 대한 중심 위치 정보 또는 차수 간의 간격을 측정하는 방법이 제공된다. Here, a method of measuring the center position information or the interval between the orders of each of the divided scattered signals through data processing by Gaussian fitting is provided.
예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 d)는 분석 샘플 내 표적 바이러스를 검출 태그의 검출 올리고머와 1차 반응시키고, 포획 나노패드의 프로브 올리고머와 상기 1차 반응 생성물을 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the step d) may comprise the step of firstly reacting the target virus in the assay sample with the detection oligomer of the detection tag, and reacting the probe oligomer of the capture nano-pad with the first reaction product .
예시적 구체예에 따르면, 상기 플랫폼의 제1 금속-나노패턴은 투과격자미러를 통과한 제1 및 제2 금속으로부터 발생된 전반사 산란 신호의 비분산된 또는 0차 분광학적 영상과 분산된 또는 1차 이상의 분광학적 영상이 중첩되지 않도록 배열될 수 있다.According to an illustrative embodiment, the first metal-nanopattern of the platform has a non-dispersed or zero order spectroscopic image of the total reflection scattering signal generated from the first and second metals passing through the transmission grating mirror, So that the spectroscopic images of the difference are not overlapped with each other.
예시적 구체예에 있어서, 상기 비분산된 또는 0차 분광학적 영상 및 상기 분산된 또는 1차 이상의 분광학적 영상이 단일 샷으로 수집될 수 있다. In an exemplary embodiment, the non-dispersed or zero order spectroscopic images and the dispersed or primary or more spectroscopic images may be collected into a single shot.
예시적 구체예에 따르면, 데이터 처리 시 분할된 산란 신호 각각에 대한 중심 위치 정보 또는 차수 간의 간격을 측정함으로써 분광학적 영상의 픽셀 간의 거리를 산출할 수 있다.According to the exemplary embodiment, the distance between the pixels of the spectroscopic image can be calculated by measuring the center position information or the interval between the orders for each of the divided scattering signals during data processing.
예시적 구체예에 따르면, 상기 광원은 단일 파장의 광원일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the light source may be a single wavelength light source.
예시적 구체예에 있어서, 표적 바이러스는 인플루엔자 바이러스, 예를 들면 특정 타입의 인플루엔자 바이러스일 수 있다.In an exemplary embodiment, the target virus may be an influenza virus, for example, a particular type of influenza virus.
본 개시 내용의 다른 면에 따르면,According to another aspect of the present disclosure,
질병 관련 표적 바이러스의 비증폭 및 비형광 방식을 통하여 단일 샷으로 정량 스크리닝하기 위한 검출 시스템으로서,A detection system for quantitatively screening disease-associated target viruses in a single shot through non-amplification and non-
단일 파장의 레이저 광원;A single wavelength laser light source;
상기 광원으로부터 조사된 입사광을 전반사시켜 소산장을 형성하도록 구성된 도브 프리즘;A Dove prism configured to totally reflect the incident light irradiated from the light source to form a desiccation field;
제1 금속-나노패턴화된 기재 상에 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 프로브 올리고머가 고정된 포획 나노패드, 및 제2 금속 함유 나노입자가 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 검출 올리고머와 결합된 검출 태그를 포함하는 플랫폼, 여기서 제1 금속 및 제2 금속은 서로 흡수스펙트럼이 중첩되지 않도록 선택되며, 상기 포획 나노패드는 상기 도브 프리즘 상의 소산장 영역에 위치하며, 상기 포획 나노패드의 프로브 올리고머 및 상기 검출 태그의 검출 올리고머가 표적 바이러스와 혼성화 반응되어 결합할 경우, 제1 금속 및 제2 금속으로부터 유래되는 전반사산란 신호를 생성함;A capture nano pad onto which a probe oligomer that specifically binds to a target virus is immobilized on a first metal-nanopatterned substrate, and a detection oligonucleotide coupled with a detection oligomer to which the second metal-containing nanoparticle specifically binds to the target virus Wherein the first metal and the second metal are selected so that their absorption spectra do not overlap with each other, the trapping nano-pads are located in a collapsing region on the dope prism, and the probe oligomer of the trapping nano- Generating a total internal scattering signal derived from the first metal and the second metal when the detection oligomer of the detection tag hybridizes and hybridizes with the target virus;
상기 포획 나노패드 상측에 이격되어 상기 전반사 산란 신호를 수집하도록 배열된 대물렌즈; 및An objective lens spaced above the trapped nano-pads and arranged to collect the total reflection scattering signal; And
상기 대물렌즈 상측에 배치되어 상기 수집된 전반사산란 신호를 제1 금속으로부터 기인하는 산란 신호 및 제2 금속으로부터 기인하는 산란 신호로 분할(분산)하는 투과격자미러; 및A transmission grating mirror disposed above the objective lens to divide (disperse) the collected total reflection scattering signal into a scattering signal originating from a first metal and a scattering signal originating from a second metal; And
가우스 맞춤에 의한 데이터 처리를 통하여 상기 분할된 산란 신호 각각에 대한 중심 위치 정보 또는 차수 간의 간격을 측정하여 이를 이미지화하는 영상화 처리부를 포함하는 검출부;A detector for measuring the center position information or the interval between the orders of the divided scattered signals through data processing by gauss fitting and imaging the measured scattered signals;
를 포함하는 검출 시스템이 제공된다.Is provided.
본 개시 내용에 따르면, 투과격자미러(TG)를 이용하여 플라즈몬 공명산란 흡수스펙트럼이 상이한 적어도 2종의 금속 간의 분광학적 영상(0차 및 1차 이상의 영상)을 스크린 상에 단일 샷으로 수집할 수 있다. 그 결과, 비분산(0차) 영상에서 구별하기 곤란한 2가지 산란 신호를 방해 효과 없이 효과적으로 구별할 수 있어 최적의 바탕선-대-신호비(S/N)를 얻을 수 있기 때문에 획기적으로 검출감도를 증가시킬 수 있다. According to the present disclosure, spectroscopic images (zero-order and first-order images) between at least two types of metals having different plasmon resonance scattering absorption spectra using a transmission grating mirror (TG) can be collected in a single shot on a screen have. As a result, it is possible to effectively distinguish the two scattering signals, which are difficult to distinguish from the nondispersive (0th order) image, without disturbing effect, and to obtain an optimum background line-to-signal ratio (S / N) Can be increased.
더욱이, 투과격자미러(TG)로부터 분할된 산란 신호(또는 영상)을 가우시안 맞춤에 의한 데이터 처리에 의하여 분할된 산란 신호 각각에 대한 중심 위치 정보 또는 차수 간의 간격을 측정함으로써 보다 정확한 정량 스크리닝을 달성할 수 있다. 상술한 검출 또는 분석 특성을 통하여 단일분자 카운팅, 신속한 스크리닝, 및 넓은 직선의 정량곡선(검정곡선) 범위에서 샘플의 전처리를 최소화할 수 있어, 정량 분석이 요구되는 극미량의 질병관련 바이러스형 유전자를 신속하고 높은 재현성의 비증폭 방식으로 진단할 수 있는 장점을 갖는다.Further, more accurate quantitative screening can be achieved by measuring the center position information or the interval between the orders of the scattered signals divided by the data processing by Gaussian fitting of the scattered signal (or image) divided from the transmission grating mirror TG . The above detection or analysis characteristics can minimize single-molecule counting, rapid screening, and preprocessing of samples in a wide linear range of quantification curves (calibration curves), thereby enabling rapid quantification of disease-related viral genes requiring quantitative analysis. And can be diagnosed by a non-amplification method with high reproducibility.
도 1a는 본 개시 내용의 일 구체예에 따라, 투과격자미러가 장착된 전반사 산란 검출시스템 및 비증폭 및 비형광 질병관련 바이러스 유전자의 진단을 위한 플랫폼을 이용하여 포획 나노패드 상에서 바이러스성 유전자의 이중 혼성화(dual hybridization) 과정을 개략적으로 도시하는 모식도이고;
도 1b 및 도 1c는 각각 본 개시 내용의 일 구체예에 따라, 플라즈몬 공명 산란광을 검출할 수 있는 고감도 CCD 카메라가 장착된 정립형(upright type) 현미경 검출 장치에 파장이 다른 2개의 광원, 투과격자미러(TG) 및 대물렌즈가 구비된 비형광 검출용 프리즘형 전반사산란 정립형 현미경 사진 및 구성도이고;
도 1d는 기재(유리 기재) 상에 배열된 100 nm 사이즈의 금(Au) 나노패턴의 미분간섭효과(differential interference contrast, DIC) 영상 및 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 영상이고;
도 2a 및 도 2b는 각각 실시예 2에 따라 전반사 산란용 나노태그로 사용된 은(Ag) 나노입자 및 검출 올리고머가 결합된 은(Ag) 나노 입자에 대한 투과형 전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지 및 이의 UV-VIS 흡수 스펙트럼이고;
도 3은 실시예 2에 있어서 (a) 20 nm 은(Ag) 나노 입자, (b) 최종 단계에서 원심분리된 샘플, (c) 원심분리 단계를 배제한 샘플, 및 (d) 올리고머 결합 단계마다 원심분리를 수행한 샘플 각각에 대한 제타 전위와 샘플의 색상을 나타내는 도면이고;
도 4는 실시예 2에 있어서 (a) 금(Au)-나노패드, (b) 프로브 올리고머가 결합된 금(Au)-나노패드, (c) 프로브 올리고머 및 MCH가 결합된 금(Au)-나노패드, 및 (d) MCH만 존재하는 금(Au)-나노패드 각각에 대한 수접촉각을 나타내는 도면이고;
도 5는 실시예 2에 있어서 (a) 이중가닥 DNA가 결합된 20 nm 전반사산란 은(Ag) 나노 태그 및 (b) 단일가닥 DNA가 결합된 20 nm 전반사산란 은(Ag) 나노태그의 FT-IR 스펙트럼이고;
도 6은 실시예 2에 있어서 금(Au)-나노패드 상에 H7N9 바이러스성 유전자의 혼성화 반응 후, (a) 투과격자미러(TG)가 장착되지 않은 전반산산란 검출 시스템으로부터 얻은 산란 영상, (b) 투과격자미러(TG)가 장착된 전반산산란 검출 시스템으로부터 얻은 산란 영상. (c) 금(Au)-나노패드와 이중가닥 DNA가 결합된 나노태그의 0차 및 1차 사이의 거리를 상대적 감도를 통하여 나타낸 그래프, 그리고 (d) 정확한 거리 측정을 위하여 가우시안 맞춤을 적용하여 나타낸 그래프이고;
도 7은 실시예 2에 있어서 671 nm 광원 및 405 nm 광원의 조사 하에 금(Au)-나노패드 상에서 (a) 표적 유전자의 혼성화 전, 그리고 (b) 표적 유전자의 혼성화 후의 분광학적 영상이고; 그리고
도 8은 실시예 2에 있어서 (a) 405 nm 광원 조사 시 표적 유전자의 다양한 농도에 따른 산란 신호의 정량곡선 그래프, 그리고 (b) 특이성 조사를 위하여 표적 샘플이 존재하지 않은 과정(blank control), 비상보적 염기서열을 갖는 표적 샘플(H5N1) 및 상보적 염기서열을 갖는 표적 샘플(H7N9) 각각의 산란신호를 도표화한 그래프이다. FIG. 1A is a schematic diagram of an embodiment of the present invention, in accordance with one embodiment of the present disclosure, using a total reflection scattering detection system equipped with a transmissive grating mirror and a platform for the diagnosis of unamplified and non- FIG. 2 is a schematic diagram schematically illustrating a process of hybridization; FIG.
FIG. 1B and FIG. 1C are schematic diagrams of an upright type microscope detection apparatus equipped with a high-sensitivity CCD camera capable of detecting plasmon resonance scattered light, two light sources having different wavelengths, A prism-type full-scattering-scattering-type microscope photograph and a configuration diagram for a non-fluorescence detection equipped with a mirror (TG) and an objective lens;
1D is a differential interference contrast (DIC) image and a scanning electron microscopy (SEM) image of a gold (Au) nano pattern of 100 nm size arranged on a substrate (glass substrate);
FIGS. 2A and 2B are transmission electron microscope (TEM) images of silver (Ag) nanoparticles and silver (Ag) nanoparticles combined with nanoparticles for total reflection scattering according to Example 2, Image and its UV-VIS absorption spectrum;
Figure 3 is a graphical representation of the results obtained in Example 2 of Example 2, wherein (a) 20 nm silver (Ag) nanoparticles, (b) samples centrifuged in the final stage, (c) samples excluded from the centrifugation step, and ≪ RTI ID = 0.0 > zeta < / RTI > potential for each of the separated samples and the color of the sample;
FIG. 4 is a graph showing the results of measurement of the transmittance of gold (Au) -nano-pads, (b) probe-oligomer bonded gold (Au) (D) a gold (Au) -nano pad in which only MCH is present;
FIG. 5 is a graph showing the relationship between (a) 20 nm total scattering scattering of (Ag) nanotag and (b) single stranded DNA combined with double stranded DNA in Example 2, IR spectrum;
FIG. 6 is a schematic diagram of a scattering image obtained from a hybridization system of H7N9 viral genes on gold (Au) -nano-pads in Example 2, (a) a scattered image obtained from a transmission scattering detection system without a transmission grating mirror (TG) b) Scattering image from a full-acid scattering detection system equipped with a transmission grating mirror (TG). (c) graph showing the relative distance between the 0th and the 1st order of the nanotag that is bound to gold (Au) -nano-pad and double-stranded DNA through relative sensitivity, and (d) Gaussian alignment for accurate distance measurement ≪ / RTI >
FIG. 7 is a spectroscopic image of a target gene before hybridization of (a) a target gene and (b) after hybridization of a target gene on a gold (Au) -nano pad under irradiation of a 671 nm light source and a 405 nm light source in Example 2; And
8 is a graph showing a quantitative curve graph of a scattering signal according to various concentrations of a target gene upon irradiation with a 405 nm light source in Example 2, and (b) a blank control method in which a target sample is not present for investigation of specificity, (H5N1) having a non-complementary base sequence and a target sample (H7N9) having a complementary base sequence.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention can be all accomplished by the following description. The following description should be understood to describe preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto.
본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.The terms used in this specification can be defined as follows.
"바이오칩"은 나노기술을 접목하여 제조한 나노 바이오칩을 의미할 수 있는 바, 이때 "나노기술"은 종래의 바이오칩에 비하여 칩 자체의 크기 또는 구성요소를 소형화하거나 감도를 향상시키거나, 또는 종래기술에 의하여는 불가능한 스마트 기능을 가능케 할 수 있다. 본 명세서의 전체적인 기재 취지 상, 바이오칩은, 예를 들면 금속이 나노패턴화된 바이오칩으로서 표적 바이러스 또는 유전 물질의 개재(매개) 하에 서로 상이한 파장에서 산란 특성을 갖는 적어도 2종의 금속 나노 구조가 결합된 형태로 이해될 수도 있다.The term "bio-chip" refers to a nano-biochip produced by combining nanotechnology. At this time, "nanotechnology" It is possible to enable smart functions that are not possible. As a whole, the biochip of the present invention is a biochip in which a metal is nanopatterned, and at least two kinds of metal nanostructures having scattering characteristics at different wavelengths are bound (mediated) with a target virus or a genetic material It can be understood in the form of.
"비형광 검출(fluorescence-free detection)"은 일반적으로 형광 이외의 수단을 이용한 검출 방법을 의미할 수 있는 바, 대표적으로 흡수, 산란 등을 이용한 검출방법을 포함할 수 있다. The term " fluorescence-free detection "may generally mean a detection method using means other than fluorescence, and typically includes a detection method using absorption, scattering, and the like.
"전반사 산란(total internal reflection scattering; TIRS)"은 서로 상이한 굴절률을 갖는 2개의 매질(제1 매질 및 제2 매질)이 접한 시스템에서 제1 매질을 통하여 특정 각으로 빛이 입사하는 경우, 계면에서 매질 간의 굴절률 차이에 의하여 입사 광이 제2 매질로 투과되지 못하고 모두 제1 매질로 다시 반사되는 현상을 의미할 수 있다. 즉, 계면에서 다른 면의 굴절률이 더 낮고, 입사각이 임계각보다 크다면, 광은 통과하지 못하고 전체 반사가 형성된다. 이때, 계면에서 소정의 폭으로 소산장(evanescent field)이 형성되는 바, 해당 범위에 존재하는 광학활성 물질 즉, 산란을 유발하는 물질에 의하여 산란되는 광을 검출할 수 있다. 이처럼, 소산장 층(EFL) 가까이에 위치할 때, 산란 강도(scattering intensity)는 계면으로부터 입자까지의 거리에 의존하게 된다. 산란 강도는 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.The "total internal reflection scattering (TIRS)" is a phenomenon in which, when light enters a specific angle through a first medium in a system in which two media having a different refractive index (a first medium and a second medium) are in contact with each other, The incident light can not be transmitted to the second medium due to the refractive index difference between the mediums, and may be reflected back to the first medium. That is, when the refractive index of the other surface at the interface is lower and the incident angle is larger than the critical angle, the light can not pass through and the whole reflection is formed. At this time, since an evanescent field is formed at a predetermined width at the interface, it is possible to detect light scattered by an optically active substance in a corresponding range, that is, a substance causing scattering. Thus, when located near the small field layer (EFL), the scattering intensity depends on the distance from the interface to the particle. The scattering intensity can be expressed by the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
I(h) = II (h) = I 00 exp(-βh) exp (-βh)
여기서, h는 입자-표면 간의 거리, I0은 h가 0일 때 측정된 산란 강도, 그리고 β는 감쇠지수(decay index)이다.Where h is the distance between particle and surface, I 0 is the scattering intensity measured when h is 0, and β is the decay index.
상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 소산장의 강도는 입사광의 강도에 의존하며, 거리에 따라 지수적으로 감쇠된다.As shown in Equation (1), the intensity of the dissipative field depends on the intensity of the incident light and is exponentially attenuated according to the distance.
"분석 샘플"은 본 개시 내용에서 제시된 나노바이오칩 또는 검출 플랫폼에 적용 가능한 한, 특별히 한정되는 것은 아니나, 다만 나노바이오칩에 균등하게 처리할 수 있는 액상 샘플일 수 있다. 특히, 표적 바이러스형 유전자를 함유할 수 있는 임의의 물질 또는 성분일 수 있으며, 더 나아가 생체가 노출되거나 생체에 의하여 처리되는 각종 물질과 생체에서 분리된 물질일 수도 있다. 생체에서 분리된 물질 또는 성분의 예로서, 혈액, 소변, 콧물, 세포, 추출된 DNA, RNA, 단백질 등일 수 있다.The "analytical sample" is not particularly limited as long as it is applicable to the nano-biochip or detection platform set forth in the present disclosure, but may be a liquid sample that can be uniformly treated on the nano-biochip. In particular, it may be any substance or component capable of containing a target virus type gene, and further may be a substance separated from a living body and various substances exposed to or treated by the living body. Examples of substances or components separated from the living body can be blood, urine, runny nose, cells, extracted DNA, RNA, protein, and the like.
"바이러스"는 박테리아보다 덜 진화되고 생물과 무생물의 중간단계에 위치하는 미세 감염체를 의미할 수 있다. 바이러스는 단독으로는 생존능력이 없으므로 다른 살아있는 세포 내에서만 복제 가능하다. 구체적으로, "바이러스"는 아데노바이러스 7, PRRSV, 사람, 조류, 돼지, 말, 소와 개 인플루엔자를 비롯한 인플루엔자, 연어 빈혈(salmon anaemia) 바이러스, 돼지 콜레라 바이러스(classical swine fever), C형 간염 바이러스, E형 간염 바이러스, 아프리카 돼지 콜레라(African swine fever) 바이러스, 푸말라(Puumala) 바이러스, 전염성 기관지염 바이러스, 전달성 위창자염(transmissible gastroentertis), 사스 코로나바이러스(SARS CoV), 므라버그(Mraburg) 바이러스, 에볼라 바이러스, 웨스트나일 바이러스, 황열병 바이러스, 진드기 매개 뇌염 바이러스, 소 하리증(bovine diarrhea) 바이러스, 개 파보바이러스(parvovirus), 콕사키(Coxsackie) B3, 콕사키 B5, 조류 레오바이러스(reovirus), 로타바이러스(rotavirus), 셈리키 삼림열(Semliki forest) 바이러스, 돼지 제2형 써코(circo type 2) 바이러스 등을 의미할 수 있다.A "virus" may refer to a microinfectant that is less invasive than bacteria and is located at an intermediate stage between the organism and the inanimate object. Since the virus alone is not viable, it is replicable only in other living cells. Specifically, the term "virus" refers to
"인플루엔자 바이러스"는 일반적으로 상기도 점막에 침입하여 호흡기 질환을 일으키는 인플루엔자의 병원체를 의미할 수 있다. 인플루엔자 바이러스는 보체 결합 항원의 차이에 따라 A-B-C 3가지 형태로 구분되며, 유행할 때마다 혈구 응집 항원이 변이하여 광범위한 유행을 나타낸다. A형의 NA에는 N1-N2의 2종, 그리고 HA에는 HAO-HA1-HA2-HA3의 4종이 존재한다. A형은 말-돼지-새에 감염하며 새로운 아형은 동물 바이러스와의 조환형이며, 그 밖에 동일 아형내 점변이가 있다. B형 및 C형은 일반적으로 인체 이외에는 감염되지 않으며 닭의 적혈구를 응집하는 성질을 갖고 있다. 또한, 인플루엔자 바이러스는 인플루엔자 A-B-C 뿐만 아니라, 이사바이러스 및 토고토바이러스를 포함할 수 있고, 특히 조류 인플루엔자 및 돼지 인플루엔자도 포함하는 것으로 이해될 수 있다. "Influenza virus" may generally refer to a pathogenic agent of influenza which causes respiratory diseases by invading the mucous membrane. Influenza viruses are classified into three types of A-B-C according to the difference of complement-binding antigens. There are four species of NA-N2 in NA of A type and HAO-HA1-HA2-HA3 in HA. Type A infects horse - swine - birds. The new subtype is a recombinant form of the animal virus, and there are other subtypes within the same subtype. Types B and C are generally not infected except the human body and have the property of aggregating red blood cells of chicken. In addition, influenza viruses may include influenza A-B-C, as well as live virus and tgootovirus, and may be understood to include especially avian influenza and swine influenza.
"나노패턴"은 나노미터 단위의 반복된 패턴을 의미할 수 있다. 일 구체예에 따르면, 나노패턴은, 예를 들면 약 0.1 내지 1000 nm, 보다 구체적으로는 약 1 내지 500 nm의 직경을 가질 수 있다. 또한, 나노패턴의 간격(pitch)은, 예를 들면 약 1 nm 내지 100 μm, 보다 구체적으로 약 10 nm 내지 약 10 μm 범위일 수 있다. "Nanopattern" can refer to a repeating pattern of nanometer units. According to one embodiment, the nanopattern may have a diameter of, for example, about 0.1 to 1000 nm, more specifically about 1 to 500 nm. In addition, the pitch of the nanopattern may be in the range of, for example, about 1 nm to 100 占 퐉, more specifically about 10 nm to about 10 占 퐉.
예시적 구체예에 있어서, 나노패턴은 금속으로 나노패턴화된 것으로, 예를 들면 가로 배열된 형태로 형성될 수 있다. 이를 위하여, 잉크젯 나노프린팅, 전자빔 식각(e-beam lithography), 원자힘현미경-디펜나노식각(atomic force microscope-dip pen nanolithography, AFM-DPN) 등의 나노식각(nanolithography) 기술 중 하나를 선택하여 제조할 수 있다.In an exemplary embodiment, the nanopattern is nanopatterned with a metal and may be formed, for example, in a laterally arranged form. For this purpose, one of nanolithography techniques such as inkjet nano-printing, e-beam lithography, atomic force microscope-dip pen nanolithography (AFM-DPN) can do.
"나노입자"는 협의로는 예를 들면 약 1 내지 200 nm, 구체적으로 약 10 내지 100 nm 범위의 사이즈 또는 평균 직경을 갖는 입자를 의미할 수 있으나, 경우에 따라서는 마이크로 사이즈의 입자 등을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 특히, 본 개시 내용의 취지 하에서 플라즈몬 공명산란을 일으킬 수 있는 임의의 사이즈를 갖는 입자 역시 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 예시적 구체예에 있어서, 나노입자는 금속 재질일 수 있는데, 특히 나노 영역에서는 입자 사이즈에 따라 색상이 변화할 수 있다. 또한, 나노입자는 표적 바이러스 또는 유전물질과 특이적으로 반응하는 검출 올리고머와 결합할 수 있다.By "nanoparticles" is meant, by way of example, particles having a size or average diameter in the range of about 1 to 200 nm, specifically about 10 to 100 nm, . ≪ / RTI > In particular, it can be understood as including the particles having any size that can cause plasmon resonance scattering under the purport of this disclosure. In an exemplary embodiment, the nanoparticles may be of a metallic material, and in particular in the nanoscale region, the color may vary depending on the particle size. In addition, the nanoparticles can bind detectable oligomers that specifically react with the target virus or genetic material.
"올리고머"는 비교적 적은 개수의 동일 서브유닛(즉, 프로토머)을 함유하는 다량체(multimer) 단백질을 의미할 수 있다."Oligomer" can refer to a multimer protein that contains a relatively small number of identical subunits (i.e., protomers).
"표적 유전물질"은 수개, 수백 개, 수천 개 또는 수백만 개의 뉴클레오티드로 이루어질 수 있으며, 또한 DNA, RNA 등의 절편(fragment)도 해당될 수 있다. 이러한 표적 유전물질(또는 이의 절편)의 염기 서열은 검출 올리고머 및 프로브 올리고머의 염기 서열과 상보적 관계를 갖고 있어 혼성화될 수 있다. A "target genetic material" can consist of several, hundreds, thousands or millions of nucleotides, and fragments of DNA, RNA, and the like. The base sequence of such a target genetic material (or a fragment thereof) has a complementary relationship with the base sequence of the detection oligomer and the probe oligomer and can be hybridized.
"상보적"이라는 용어는 뉴클레오티드 또는 핵산 사이의 염기쌍을 혼성화할 수 있는 것을 의미하며, 통상 A와 T(또는 U), 또는 C와 G이다. The term "complementary" means capable of hybridizing a nucleotide or base pair between nucleic acids, usually A and T (or U), or C and G.
"프로브"라는 용어는 표적 핵산의 존재, 부재 및/또는 양을 평가하기 위하여, 표적 핵산 내에 함유된 특정 염기 서열과 상보적인 염기 서열을 포함하고 있으며, 적절한 조건 하에서 혼성화될 수 있는 것을 의미한다. The term "probe" means that it contains a base sequence complementary to a specific base sequence contained in the target nucleic acid, and can be hybridized under appropriate conditions, in order to evaluate the presence, absence and / or amount of the target nucleic acid.
"포획"은, 예를 들면 금속 나노패턴 상에 고정되는 것을 의미할 수 있는 바, 구체적으로 분석하고자 하는 표적 바이러스 또는 바이러스성 유전물질과 특이적으로 상호작용하여 분석 샘플 중 표적 바이러스 또는 바이러스성 유전물질을 프로브 올리고머가 고정된 금속 나노패턴 기재(기질) 상에 고정하여 검출할 수 있도록 한다. "Capture" can mean, for example, being immobilized on a metal nanopattern, specifically interacting with the target virus or viral genetic material to be analyzed specifically, The substance is immobilized on the metal nanopattern substrate (substrate) on which the probe oligomer is immobilized so that it can be detected.
"프로브 올리고머" 및 "검출 올리고머"는 표적 바이러스 또는 유전물질과 특이적으로 결합할 수 있는 올리고머를 의미할 수 있다. 이때, 프로브 올리고머 및 검출 올리고머는 서로 같거나 상이할 수 있다. "Probe oligomers" and "detecting oligomers" may refer to oligomers that are capable of specifically binding to a target virus or genetic material. At this time, the probe oligomer and the detection oligomer may be the same or different from each other.
"혼성화"는 이중사슬 핵산의 변성으로 만들어진 단일사슬의 핵산이, 상보적인 염기서열을 가진 또 다른 종류의 핵산과의 상호작용에 의하여 이중가닥 핵산을 생성하는 것을 의미할 수 있다. 혼성화에 관한 일반적인 사항은 당업자에게 알려져 있는 바, 예를 들면 미국특허번호 제4,647,529호 등의 다수 문헌에 기술되어 있으며, 상기 문헌은 본 발명의 참고자료로서 포함된다. "Hybridization" may mean that a single-stranded nucleic acid made from denaturation of a double-stranded nucleic acid produces a double-stranded nucleic acid by interaction with another type of nucleic acid having a complementary base sequence. General aspects of hybridization are known to those skilled in the art and are described, for example, in a number of documents, such as U.S. Patent No. 4,647,529, which is incorporated herein by reference.
"광원(light source)"은 광학적 분석을 위한 광을 공급하는 소스로서, 광의로는 원하는 분석 특성에 따라 X-선, 자외선(UV) 또는 가시광선과 같이 특정 파장 영역의 광을 일정한 강도로 제공할 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 광원으로서 단일파장 또는 다중파장 광원을 사용할 수 있다. 다만, 광원의 구체적인 예로서 프리즘으로 입사되는 광의 각도를 용이하게 조절하기 위하여 특정 파장(단일 파장)의 레이저를 광원으로 사용하는 것이 유리할 수 있다. A "light source" is a source for supplying light for optical analysis, and it can be used to provide light of a specific wavelength range, such as X-ray, ultraviolet (UV) And the like. A single wavelength or a multi-wavelength light source may be used as the light source. However, as a specific example of the light source, it may be advantageous to use a laser of a specific wavelength (single wavelength) as a light source in order to easily adjust the angle of light incident on the prism.
"투과격자미러(transmission grating mirror, TG)"는 샘플을 통과하는 광이 격자에 의하여 0차(zero-order), 1차(first-order), 2차(secondary-order) 등으로 산란광을 분해(분산)시켜 영상화할 수 있도록 하는 광학 장치를 의미할 수 있다. "Transmission grating mirror (TG)" means that light passing through a sample is decomposed by a grating into zero-order, first-order, and secondary- (Dispersed) and can be imaged.
"검출부"는 샘플로부터 유래하는 전반사산란 신호를 감지하여 데이터화 및/또는 영상화할 수 있는 장치를 의미할 수 있다. 현미경으로부터 제공되는 영상을 처리할 수 있도록 현미경에 연결되어 구비되고, 또한 영상처리를 위한 프로그램을 구비한 컴퓨터 또는 마이크로프로세서를 구비한 영상처리부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전반사산란 시스템에 연결 설치되어 현미경으로부터 제공되는 영상을 처리하여 원하는 영상으로 출력할 수 있고, 당업계의 통상적으로 사용되는 영상처리부라면 특정 종류로 한정되는 것은 아니다. The "detection unit" may mean a device capable of sensing and digitizing and / or imaging a total reflection scattering signal derived from a sample. And an image processing unit connected to the microscope for processing an image provided from a microscope and having a computer or a microprocessor having a program for image processing. For example, an image provided from a microscope can be connected to a total reflection scattering system and output to a desired image. However, the image processing unit is not limited to any particular image processing unit commonly used in the art.
전술한 바와 같이, 본 명세서에서는 분광학적 분해능(spectral resolution)을 기반으로 하여, 극미량의 질병 바이러스 또는 유전자에 대하여도 PCR과 같은 증폭과정 없이 단일 샷 방식으로 정량 스크리닝하는 방법, 및 투과격자미러를 구비한 비형광 전반사산란 검출시스템을 이용하여 인플루엔자 바이러스와 같은 바이러스성 유전자를 비증폭 및 비형광 방식으로 진단할 수 있는 방법을 제공한다. 이를 위하여, 서로 흡수 스펙트럼이 중첩되지 않고, 바람직하게는 플라즈몬 산란 특성을 갖는 적어도 2종의 금속 나노 구조를 선택한다.As described above, in the present specification, based on spectral resolution, a method of quantitatively screening a trace amount of diseased virus or gene by a single shot method without amplification such as PCR, and a method of performing quantitative screening using a transmission grating mirror A non-fluorescent total reflection scattering detection system is provided to provide a method for non-amplified and non-fluorescent detection of a viral gene such as influenza virus. For this purpose, at least two kinds of metal nanostructures which do not overlap with each other in absorption spectrum and preferably have plasmon scattering properties are selected.
구체적으로, 상이한 흡수파장을 갖는 적어도 2종의 금속 나노구조(또는 입자)를 포함하는 플랫폼을 이용하여 비분산(0차) 영상에서 구별이 곤란한 적어도 2종의 금속의 전반사산란 신호를 분산(예를 들면, 1차) 영상을 통하여 구별함으로써 기재(기질)로 사용한 금속 나노입자의 산란신호의 방해 효과를 제거하고, 또한 검출 태그로 이용한 금속 나노입자의 산란신호만을 선택적으로 수집하여 검출 감도를 증가시킴으로써 단일분자 수준의 스크리닝이 가능하다. Specifically, a total reflection scattering signal of at least two kinds of metals which are difficult to distinguish in a nondispersive (0-th order) image is dispersed using a platform including at least two kinds of metal nanostructures (or particles) having different absorption wavelengths For example, the distinction effect of the scattering signal of the metal nanoparticles used as the base material (substrate) is removed by distinguishing the scattered signals of the metal nanoparticles used as the detection tag, and the detection sensitivity is increased Single molecule level screening is possible.
도 1a는 본 개시 내용의 일 구체예에 따라, 투과격자미러가 장착된 전반사 산란 검출시스템 및 비증폭 및 비형광 질병관련 바이러스 유전자의 진단을 위한 플랫폼을 이용하여 포획 나노패드 상에서 바이러스성 유전자의 이중 혼성화(dual hybridization) 과정을 예시한다. 이하에서는 주로 제1 금속을 금(Au)으로 특정하는 한편, 제2 금속을 은(Ag)으로 특정하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 예시적의 의미로 이해되어야 한다.FIG. 1A is a schematic diagram of an embodiment of the present invention, in accordance with one embodiment of the present disclosure, using a total reflection scattering detection system equipped with a transmissive grating mirror and a platform for the diagnosis of unamplified and non- The process of hybridization is illustrated. In the following description, the first metal is specified as gold (Au) while the second metal is specified as silver (Ag), but this should be understood as an example for convenience of explanation.
상기 도시된 과정에서, 먼저 검출 올리고머로서 표적 바이러스(예를 들면, H7N9 바이러스)에 대하여 특이적으로 결합할 수 있는 단일 사슬 DNA(ssDNA)를 사용하고, 이는 은(Ag)-나노입자(제2 금속 나노입자)와 결합하여 검출 태그를 형성한다. 상기와 같이 형성된 검출 태그는 분석 샘플 내에 함유된 표적 바이러스(PC; 예를 들면 H5N1 바이러스)와 접촉하게 되고, 이중 PC와 혼성화 반응을 통하여 특이적으로 결합된다.In the above-described process, first, single-stranded DNA (ssDNA) capable of specifically binding to a target virus (for example, H7N9 virus) is used as a detection oligomer, and silver (Ag) Metal nanoparticles) to form a detection tag. The detection tag thus formed is brought into contact with the target virus (PC; for example, H5N1 virus) contained in the assay sample, and specifically bound through hybridization reaction with the double PC.
이와 별도로, 제1 금속으로서 금(Au)이 나노패턴화된 기재 상에 상기 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 프로브 올리고머가 고정된 포획 나노패드 또는 바이오칩이 제공된다. Separately, a capturing nanopad or a biochip on which a probe oligomer that specifically binds to the target virus is immobilized is provided on a substrate on which gold (Au) is nanopatterned as a first metal.
예시적 구체예에 따르면, 포획 나노패드 또는 바이오칩에서 사용 가능한 기재의 경우, 예를 들면 실리콘, 글라스(glass), 용융 실리카(fused silica), 석영(quartz), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate); PMMA)와 같은 광 투과성 고상 구조물 재질일 수 있다. 이때, 기재의 두께는, 예를 들면 약 10 nm 내지 1 mm, 구체적으로 약 100 nm 내지 500 ㎛, 보다 구체적으로 약 1 내지 100 ㎛의 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 의미로 이해되어야 한다. According to exemplary embodiments, in the case of a substrate usable in the capture nano-pads or bio-chips, a substrate, such as silicon, glass, fused silica, quartz, polydimethylsiloxane (PDMS) And may be a light transmitting solid structure material such as polymethyl methacrylate (PMMA). Here, the thickness of the substrate may be in the range of, for example, about 10 nm to 1 mm, specifically about 100 nm to 500 μm, more specifically about 1 to 100 μm, but this should be understood in an exemplary sense.
일 구체예에 따르면, 제1 금속 및 제2 금속으로서 서로 흡수 스펙트럼이 중첩되지 않고, 더 나아가 플라즈몬 산란 특성을 나타낼 수 있는 적어도 2종의 금속을 조합하여 사용할 수 있고, 이때 다양한 종류의 금속을 사용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, at least two kinds of metals which do not overlap with each other as the first metal and the second metal and can exhibit the plasmon scattering property can be used in combination. .
이와 관련하여, 제1 금속 및 제2 금속은, 구체적으로 각각 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 다만, 도시된 구체예의 경우, 예시적으로 제1 금속 및 제2 금속으로서 각각 금(Au) 및 은(Ag)를 선택한 것이다. 또한, 제1 금속을 포함하는 나노 패턴, 및/또는 제2 금속을 포함하는 나노입자의 형태는 각각 구형, 별형(star-shaped), 네모형, 세모형 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 구형일 수 있다.In this regard, the first metal and the second metal may be specifically selected from gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), and combinations thereof. However, in the case of the illustrated embodiment, gold (Au) and silver (Ag) are selected as the first metal and the second metal, respectively. In addition, the nanoparticles containing the first metal and / or the nanoparticles containing the second metal may be spherical, star-shaped, quadrature, triple or the like, and more specifically, .
이와 관련하여, 금속 나노구조의 산란광 흡수 스펙트럼은 통상적으로 금속의 종류뿐만 아니라 구조의 크기 또는 형태에 따라서도 변화하므로 이를 모두 조합하여 나노 프로브 형성을 위한 기재(기질), 그리고 검출 올리고머에 결합하여 나노 태그로 각각 이용할 금속을 크기, 형태 및/또는 재질을 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 금속 나노패턴의 모양에 따라서도 플라즈몬 공명이 달라질 수 있으므로 다양한 모양에 따른 패턴을 이용할 수 있는 바, 구체적으로 원형 또는 사각형의 금속 나노패턴일 수 있다. In this regard, the scattered light absorption spectrum of the metal nanostructure usually changes not only depending on the type of metal but also on the size or shape of the structure. Therefore, it is possible to combine all of them to form a substrate for nanoprobe formation, The size, shape, and / or material of each metal to be used can be appropriately selected by the tag. For example, the plasmon resonance may be varied depending on the shape of the metal nanopattern, so that a pattern according to various shapes can be used. Specifically, the metal nanopattern may be a circular or rectangular metal nanopattern.
예시적 구체예에 따르면, 포획 나노패드에 있어서 금속으로 나노패턴화할 경우에는 금속 특성에 따라 특정 화학 반응이나 결합이 용이할 수 있는데, 특히 항체, 앱타머 등의 포획 분자를 연결(고정)하기 용이하다. 예시적으로, 포획 나노패드의 나노패턴은 티올기(-SH)를 이용하여 공유결합이 용이하도록 처리된 금(Au)-나노패턴일 수 있다. According to the exemplary embodiment, when the captured nanopads are nanopatterned with metal, specific chemical reactions or bonds can be easily performed depending on the metal characteristics. In particular, it is easy to connect (fix) capturing molecules such as antibodies and aptamers Do. Illustratively, the nanopattern of the capture nanopads may be a gold (Au) -nano pattern treated to facilitate covalent bonding using a thiol group (-SH).
예시적 구체예에 있어서, 제1 금속-나노패턴화된 기재에 프로브 올리고머를 고정화하기 위하여 제1 금속 나노패턴의 표면을 프로브 올리고머를 함유하는 완충 용액(예를 들면, 인산칼륨염 완충용액)과 화학적 흡착 반응시키고, 후술하는 표적 바이러스와의 혼성화 반응에 앞서 비특이적 결합을 억제하기 위하여, 블로킹하는 과정을 수반할 수 있다. 이때, 블로킹을 위하여 예를 들면 머캅토헥산올(구체적으로, 6-mercapto-1-hexanol)을 이용할 수 있다.In an exemplary embodiment, to immobilize the probe oligomer on the first metal-nanopatterned substrate, the surface of the first metal nanopattern is immersed in a buffer solution (e. G., Potassium phosphate salt buffer) containing a probe oligomer Chemical adsorption reaction, and blocking may be carried out in order to suppress nonspecific binding prior to the hybridization reaction with the target virus described later. At this time, for blocking, for example, mercaptohexanol (specifically, 6-mercapto-1-hexanol) may be used.
또한, 혼성화 반응 전에 검츨 태그의 제2 금속 나노입자의 표면을 개질할 수도 있다. 이러한 표면 처리 방법의 대표적인 예로서 알칸티올(HS(CH2)nX) 단일층을 형성하는 것으로(여기서, n은 1 내지 15), 알칸티올의 말단 위치에 존재하는 관능기 X에 의하여 분자 수준에서 금속 표면 구조를 변경하여 계면 특성을 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 카르복시기-말단 알칸티올 단일층을 형성하는 방식으로 개질할 수 있다. 이를 위하여, 카르복시기-함유 화합물로서 화학식 [HS-(CH2)n-COOH](n은 1 내지 15)으로 표시되는 머캅토카르본산(mercapto carbonic acid) 등을 사용할 수 있고(즉, X가 -COOH임), 또한 알칸티올-함유 화합물로서, 예를 들면 머캅토알코올, 구체적으로 머캅토헥산올(보다 구체적으로, 6-mercapto-1-hexanol)을 사용할 수 있다(즉, X가 -OH임). 이와 같이 개질된 금속 나노입자는, 예를 들면 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) 및 NHSS(N-hydroxysulfosuccinimide)를 이용하여 활성화할 수 있으며, 이후 검출 올리고머와 반응시켜 검출 태그를 형성할 수 있다.Further, the surface of the second metal nanoparticles of the detection tag may be modified before the hybridization reaction. A representative example of such a surface treatment method is to form a single layer of alkanethiol (HS (CH 2 ) n X) (where n is 1 to 15), by a functional group X present at the terminal position of the alkanethiol, The interface properties can be controlled by changing the metal surface structure. More specifically, it can be modified in such a manner as to form a monolayer of carboxy group-terminal alkanethiol. For this purpose, mercapto carbonic acid represented by the formula [HS- (CH 2 ) n -COOH] (wherein n is 1 to 15) and the like can be used as the carboxyl group-containing compound (that is, Mercapto alcohol, specifically, mercaptohexanol (more specifically, 6-mercapto-1-hexanol) can be used as the alkane thiol-containing compound (that is, X is -OH ). The modified metal nanoparticles can be activated using, for example, EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) -carbodiimide) and NHSS (N-hydroxysulfosuccinimide) Tag can be formed.
전술한 바와 같이, 검출 태그와 표적 바이러스(PC) 간의 1차 혼성화 반응 생성물은 포획 나노패드와 접촉하여 2차 혼성화 반응하게 되는 바, 그 결과 표적 바이러스는 이중 혼성화 반응을 통하여 제1 금속(Au)의 나노패턴 및 제2 금속(Ag)의 나노입자와 결합된 상태에 있게 된다. 반면, NC의 경우에는 포획 나노패드 및 검출 태그 모두와 결합되지 않은 상태로 존재한다. As described above, the first hybridization reaction product between the detection tag and the target virus (PC) is brought into contact with the trapped nanopads to perform a second hybridization reaction. As a result, the target virus is reacted with the first metal (Au) And the nanoparticles of the second metal (Ag). On the other hand, in the case of NC, it is not combined with both the capture nano pad and the detection tag.
예시적 구체예에 있어서, 1차 및 2차 혼성화 반응은 분석 샘플 내 표적 바이러스와 검출 올리고머, 그리고 1차 혼성화 반응 생성물과 프로브 올리고머 간의 혼성화 반응에 적합한 조건에서 수행되는 한, 특정 조건으로 한정되는 것은 아니다. 다만, 예를 들면 약 50 내지 80℃(구체적으로 약 60 내지 70℃)의 조절된 온도 범위, 그리고 예를 들면 약 20 내지 120분(구체적으로 약 30 내지 90분)의 반응 시간 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. In an exemplary embodiment, the primary and secondary hybridization reactions are limited to specific conditions as long as they are carried out under conditions suitable for the hybridization reaction between the target virus and the detection oligomer in the assay sample, and the primary hybridization reaction product and the probe oligomer no. However, it is also possible to appropriately adjust the reaction temperature within a controlled temperature range of, for example, about 50 to 80 ° C (specifically about 60 to 70 ° C) and within a reaction time range of, for example, about 20 to 120 minutes Can be selected.
이처럼, 분석 샘플 내에 표적 바이러스(또는 바이러스성 유전물질)이 존재할 경우, 제2 금속 함유 나노입자(비형광 나노입자)와 결합된(표지된) 검출 올리고머와 특이적으로 결합하게 되는데, 이때 제2 금속 함유 나노입자는 전반사산란에 의하여 포획 나노패드의 제1 금속 함유 나노패턴과는 상이한 파장에서 전반사산란 신호를 발생하게 된다.As such, when the target virus (or viral genetic material) is present in the assay sample, it specifically binds to the detection oligomer bound (labeled) with the second metal-containing nanoparticle (non-fluorescent nanoparticle) The metal-containing nanoparticles generate a total reflection scattering signal at a wavelength different from that of the first metal-containing nano-pattern of the trapped nanopads by total reflection scattering.
상기와 같이 포획 나노패드 및 검출 태그와 결합된 표적 바이러스는 전반사산란 검출 시스템을 통하여 비증폭 및 비형광 방식의 검출 및 정량화 스크리닝 과정(표적 바이러스의 유무, 함량 등)을 거치게 된다.As described above, the target virus combined with the captured nano-pads and the detection tag is subjected to a non-amplified and non-fluorescent detection and quantification screening process (presence or absence of target virus, etc.) through a total internal reflection scattering detection system.
도 1b 및 도 1c는 각각 본 개시 내용의 일 구체예에 따라, 플라즈몬 공명 산란광을 검출할 수 있는 고감도 CCD 카메라가 장착된 정립형(upright type) 현미경 검출 장치에 파장이 상이한 2개의 광원(레이저), 투과격자미러 및 대물렌즈가 구비된 비형광 검출용 프리즘형 전반사산란 정립형 현미경 사진 및 구성도이다.FIGS. 1B and 1C are diagrams for explaining an example of a method in which two light sources (lasers) having different wavelengths are used in an upright type microscope detection apparatus equipped with a high-sensitivity CCD camera capable of detecting plasmon resonance scattered light, , A transmission grating mirror, and a non-fluorescence detection prism type full-scattering type scattering type microscope having an objective lens.
상기 검출 시스템의 경우, 광 경로를 따라 구성 요소들을 순차적으로 배열하는 방식의 정립형 현미경을 기본으로 하고 있으나, 도립형 현미경을 사용할 수도 있다. 예시적 구체예에 있어서, 검출 시스템은 당업계에서 통상적으로 사용되는 현미경을 기반으로, 광원, 전반사산란을 유도하는 프리즘, 개구수 조절 가능한 대물렌즈, 투과격자미러(TG) 등의 광학 부재 및 가우시안 맞춤 기능이 제공된 검출부를 적절한 위치에 배열하여 구성할 수 있다. In the case of the above-described detection system, an erecting type microscope in which components are sequentially arranged along an optical path is used as a basis, but an inverted microscope can also be used. In an exemplary embodiment, the detection system is based on a microscope commonly used in the art, and includes a light source, a prism that induces total reflection scattering, an optical member such as a numerical aperture controllable objective lens, a transmission grating mirror (TG) It is possible to arrange the detecting section provided with the fitting function at an appropriate position.
검출 시스템을 구성하는 부재들(구체적으로, 프리즘으로부터 검출부까지의 부재들)은 순착적으로 접촉되어 있거나 이격된 형태로 배열될 수 있으며, 이때 각각의 부재 간의 간격은 렌즈 및/또는 집광기의 초점거리, 프리즘의 확산각(divergence angle), 빔 편차각(beam deviation angle) 등의 광학적 인자(factor)를 고려하여 최적의 신호를 제공할 수 있는 위치에 배치되는 것이 유리하다. 따라서, 각각의 부재가 이격되어 있는 경우, 반드시 동일한 간격으로 배치되는 것을 의미하지는 않는다.The members constituting the detection system (specifically, the members from the prism to the detection portion) may be arranged in a sequential contact or spaced apart arrangement, wherein the spacing between the respective members is such that the focal length of the lens and / The divergence angle of the prism, the beam deviation angle, and the like are taken into consideration in consideration of the optical characteristics of the prism. Therefore, when the respective members are spaced apart, it does not necessarily mean that they are arranged at the same interval.
도시된 구체예에 따르면, 2개의 레이저 광원 각각으로부터 방출된 광이 프리즘으로 소정 각도로 입사된다. 이와 관련하여, 전반사 산란을 유발하여 소산장을 형성하기 위하여 포획 나노패드 또는 바이오칩에서 사용 가능한 기재의 하부에 프리즘을 장착할 수 있다.According to the illustrated embodiment, the light emitted from each of the two laser light sources is incident on the prism at a predetermined angle. In this regard, a prism may be mounted on the bottom of a substrate that can be used in the trapped nanopads or biochips to cause total scattering and to form a desiccation field.
이때, 광원은 금속 나노입자에 조사될 경우, 플라즈몬 공명산란을 일으키는 바, 금속 나노입자의 특성에 따라 특정한 파장 영역의 광을 일정한 강도로 제공할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 단파장의 광을 조사하는 레이저를 사용할 수 있다. 선택적으로, 광원 앞에 적어도 하나의 미러 또는 미러조절기(mirror manipulator)를 구비하여 광의 입사각을 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.At this time, when the light source is irradiated with the metal nanoparticles, the plasmon resonance scattering is caused, and the light of a specific wavelength range can be provided with a constant intensity according to the characteristics of the metal nanoparticles. According to an exemplary embodiment, a laser for emitting light having a short wavelength can be used. Optionally, at least one mirror or mirror manipulator may be provided in front of the light source to adjust the angle of incidence of light.
이때, 프리즘은 광이 입사되는 제1 면(도시된 예에서는 2개의 광원에 대응하여 2개의 제1 면이 형성됨) 및 입사광이 전반사되어 소산장을 형성하도록 형성된 제2 면을 포함한다. 이러한 타입의 프리즘의 대표적인 예로서 도브 프리즘(dove prism; DP)을 들 수 있다. 도브 프리즘은 평행 광의 방향을 변경하는 않으나, 상하로 뒤집힌 상을 형성하는 프리즘으로 알려져 있다. At this time, the prism includes a first surface (in the illustrated example, two first surfaces are formed corresponding to two light sources) on which light is incident, and a second surface formed so that incident light is totally reflected to form a depressed surface. A typical example of this type of prism is a dove prism (DP). The Dove prism does not change the direction of parallel light but is known as a prism that forms an upside down image.
택일적 구체예에 따르면, 프리즘 대신에 전반사형 대물렌즈를 사용할 수 있으며, 이 경우 후술하는 별도의 대물렌즈를 생략할 수도 있을 것이다.According to the alternative embodiment, a total reflection type objective lens can be used in place of the prism, and in this case, a separate objective lens described later may be omitted.
일 구체예에 있어서, 표적 바이러스 또는 표적 유전자는 구체적으로 인플루엔자 바이러스일 수 있는 바, 표적 바이러스의 개재 하에서 검출 태그와 샌드위치 방식으로 결합된 포획 나노패드(바이오칩)는 전반사에 의하여 형성된 소산장 영역(또는 이의 부근)에 위치함에 따라 전반사산란 신호를 생성한다. In one embodiment, the target virus or target gene may specifically be an influenza virus, and the capture nano-pads (biochip) sandwiched with the detection tag in the presence of the target virus may be generated in the cow- And generates a total reflection scattering signal.
구체적으로, 제2 금속 함유 나노입자(비형광 나노입자)가 포획 나노패드의 제1 금속의 전반사 산란신호와 상이한 파장에서 제2 금속의 전반사산란 신호를 발생시키게 된다. 도시된 구체예에 따르면, 선택적으로 광 굴절 현상을 최소화하기 위하여 글라스 슬라이드와 유사한 굴절률을 갖는 오일 층을 포획 나노패드(예를 들면, 금 나노 바이오칩(GNC))의 상면 및 하면 각각에 도포(형성)할 수 있다. Specifically, the second metal-containing nanoparticles (non-fluorescent nanoparticles) generate a total reflection scattering signal of the second metal at a wavelength different from the total reflection scattering signal of the first metal of the trapped nanopads. According to the illustrated embodiment, an oil layer having a refractive index similar to that of a glass slide is applied to the upper and lower surfaces of a capturing nano pad (e.g., a gold nano-biochip (GNC)) in order to selectively minimize light refraction phenomenon )can do.
이와 같이 생성된 2종의 금속으로부터 생성된 전반사산란 신호는 포획 나노패드(바이오칩)의 상측에 소정 간격으로 이격된 대물렌즈(objective lens; OL)를 통하여 수집된다. 예시적 구체예에 따르면, 대물렌즈는 개구수(numerical aperture, NA)를 조절할 수 있도록 구성되어 샘플에 조사되는 광의 량을 조절할 수 있다. 이때, 대물렌즈의 개구 수는, 예를 들면 0.6 내지 1.3 범위일 수 있다. The total reflection scattering signals generated from the two kinds of metals thus generated are collected through an objective lens (OL) spaced apart at a predetermined interval from the top of the captured nanopads (biochips). According to the exemplary embodiment, the objective lens can be configured to adjust the numerical aperture (NA) to adjust the amount of light irradiated on the sample. At this time, the numerical aperture of the objective lens may be in the range of, for example, 0.6 to 1.3.
예시적 구체예에 따르면, 검출 시스템은 프리즘과 포획 나노패드(또는 바이오칩) 사이에 선택적으로 회전 스테이지를 포함할 수 있다. 회전 스테이지는 분석 샘플이 위치한 재물대를 360ㅀ 회전시킬 수 있는 구성요소이며, 1ㅀ 간격으로 원하는 방향으로 회전할 수 있고, 비대칭금속에 대하여 다양한 각도(0 내지 360ㅀ)에서 다른 방향의 편광을 검출할 수 있기 때문에 비대칭금속의 성질 또는 특성을 용이하게 분석할 수 있게 하는 부재에 해당된다.According to an exemplary embodiment, the detection system may optionally include a rotating stage between the prism and the capture nano pad (or bio-chip). The rotating stage is a component that can rotate 360 revolutions of the platform where the analytical sample is located. It can rotate in the desired direction at intervals of 1 검출 and detects polarizations in different directions at various angles (0 to 360 ㅀ) , Which makes it possible to easily analyze the properties or properties of asymmetric metals.
본 구체예에 따르면, 전반사산란 검출 시스템은 대물렌즈를 통과한 전반사산란(플라즈몬 공명 산란) 신호는 광학조절장치인 투과격자미러(TG)를 통과하도록 구성된다. 투과격자는 특정 파장을 갖는 단색 광(monochromatic light)의 빔이 격자 수직면에 대하여 소정 각도로 격자 상에 입사되고 회절 차수(m)에 대응하는 복수개의 상호 구별되는 경로를 따라 회절된다. 이때, 도면에서 d는 격자의 그루브 간의 간격(spacing)을 의미한다.According to this embodiment, the total reflection scattering detection system is configured so that the total reflection scattering (plasmon resonance scattering) signal that has passed through the objective lens passes through the transmission grating mirror (TG) as the optical adjustment device. The transmission grating is a beam of monochromatic light having a specific wavelength that is incident on the grating at an angle to the grating vertical plane and is diffracted along a plurality of mutually distinct paths corresponding to the diffraction order m. In this case, d in the figure means the spacing between the grooves of the lattice.
이와 같이, 대물렌즈와 검출부 사이에 투과격자미러를 개재하는 방식으로 전반사산란 및 투과격자미러를 조합함으로써 2종의 금속으로부터 유래하는 전반사산란 신호를 하나의 스크린으로 동시에 수집할 수 있을 뿐만 아니라, 분산된 영상(1차 이상)을 통해 2종의 금속으로부터 발생하는 전반사산란신호를 간편하게 구별할 수 있다. 즉, 투과격자미러를 투과한 전반사산란 신호는 단일 스크린 상에 분광학적 영상(spectral imaging) 또는 분산된 영상인 1차 영상(n = +1), 그리고 본래 영상 또는 비분산된 영상(투과격자미러의 부존재 하에서의 영상과 동일한 영상)인 0차 영상(n = 0)으로 분할(분산)된다. Thus, by combining the total reflection scattering and the transmission grating mirror in a manner of interposing a transmission grating mirror between the objective lens and the detection portion, it is possible not only to collect the total reflection scattering signals derived from the two kinds of metals simultaneously on one screen, It is possible to easily distinguish the total reflection scattering signal generated from the two kinds of metals through the image (primary or more). That is, the total reflection scattering signal transmitted through the transmission grating mirror can be divided into spectral imaging or dispersed image, primary image (n = +1), and original image or nondispersed image (transmission grating mirror (N = 0), which is the same image as the image in the absence of the image (n = 0).
일 구체예에 따르면, 투과격자미러에 의하여 분할된 전반사산란신호는 검출부에 의하여 영상화된다. 검출부는, 예를 들면 광다이오드 배열(photodiode arrays, PDA), 전하주입장치(charge-injection device, CID), 전하결합장치(charge-couple device, CCD) 및 디지털 단렌즈 반사식 사진기(digital single lens reflex)를 포함할 수 있다. 도면에서 L1은 투과격자미러와 검출부(예를 들면, CCD) 간의 거리, 그리고 L2는 0차 영상과 1차 영상 간의 변위 거리를 의미한다.According to one embodiment, the total reflection scattering signal divided by the transmission grating mirror is imaged by the detector. The detector may be a photodiode array (PDA), a charge-injection device (CID), a charge-couple device (CCD), or a digital single lens reflex < / RTI > In the figure, L 1 is the distance between the transmission grating mirror and the detector (for example, CCD), and L 2 is the displacement distance between the zero-order image and the primary image.
한편, 전술한 분할된 산란 신호의 중심 위치 정보를 수집하여 데이터 처리 시 픽셀 간의 거리를 정확하게 계산함으로써 고해상도 영상을 얻는 것이 바람직한 바, 이를 위하여 본 구체예에서는 가우시안 맞춤법(Gaussian fitting)을 적용한다. 즉, 이중가닥 DNA의 개재(매개) 하에 제1 금속-나노패드와 결합된 나노태그의 0차 및 1차 이상의 영상 간의 거리를 상대적 감도로 도시한 그래프에 대하여 정확한 차수 거리 측정을 위하여 가우시안 맞춤법을 적용한다.On the other hand, it is desirable to obtain the high-resolution image by accurately calculating the distance between the pixels in the data processing by collecting the center position information of the divided scattered signals described above. For this, Gaussian fitting is applied in this specific example. That is, for the graph showing the relative distances between the 0th-order and first-order images of the nano-tag coupled with the first metal-nanopad under the intervention of the double-stranded DNA (mediated), a Gaussian spelling method To be applied.
이와 같이 분할된 전반사산란 신호에 대한 데이터 영상 처리법으로 가우시안 맞춤법을 적용시킬 경우, 2종의 금속 각각으로부터 유래하는 전반사산란 신호의 중심 위치를 찾을 수 있고, 차수 간의 간격 계산의 오차를 유의미한 수준으로 저감할 수 있다. 그 결과, 단일파장 광원을 이용하는 전반사산란 측정법뿐만 아니라, 다중파장 광원을 사용하는 다양한 검출 장치를 사용하는 경우에도 분산된(1차 이상) 분광학적 영상의 중심 위치를 용이하게 찾을 수 있는 장점을 제공한다. When the Gaussian spelling method is applied to the divided total reflection scattering signal, the center position of the total reflection scattering signal derived from each of the two kinds of metals can be found, and the error of the interval calculation between the orders can be reduced to a meaningful level can do. As a result, it is possible to easily find the center position of the dispersed (primary or higher) spectroscopic image even when using various detection apparatuses using a multi-wavelength light source as well as a total reflection scattering measurement method using a single wavelength light source do.
이처럼, 본 구체예에 따른 샘플 내 바이러스의 정량 스크리닝 방법의 주된 특징은 하기와 같다.As described above, the main features of the quantitative screening method of viruses in the sample according to this embodiment are as follows.
1) 전반사산란 검출 시스템을 통하여 비형광 방식으로 검출할 수 있기 때문에 종래기술에 따른 형광 검출의 기술적 한계를 극복할 수 있는 바, 특히 광학장치인 투과격자미러(TG)를 도입함으로써 파장이 다른 기재(기질) 및 검출 태그로부터 생성된 2종의 금속 산란 신호를 단일 샷 방식으로 스크리닝할 수 있기 때문에 상이한 2종의 금속 산란 신호의 중첩 또는 방해 효과를 제거할 수 있다. 1) Total light scattering can be detected by the non-fluorescence detection system through the scattering detection system. Therefore, it is possible to overcome the technical limitations of the conventional fluorescence detection technique. In particular, by introducing the transmission grating mirror (TG) The two kinds of metal scattering signals generated from the substrate (substrate) and the detection tag can be screened by the single shot method, so that the overlapping or interference effect of the two different metal scattering signals can be eliminated.
2) 제1 금속(포획) 나노패드가 배열된 기재(기질)에서 질병 유전자, 특히 바이러스성 유전자에 대한 혼성화 스크리닝을 통하여 정확한 정량분석을 수행할 수 있다.2) Precise quantitative analysis can be performed through hybridization screening for disease genes, particularly viral genes, in a substrate on which first metal (trapped) nanopads are arranged.
3) 기재(기질)로 이용한 금속 산란신호의 영향 없이 검출 태그 내 금속의 산란 신호만을 수집하고, 단일 파장의 광원을 사용하여 검출 감도를 높일 수 있기 때문에 정량 분석 효율을 증가시킬 수 있다. 3) Since only the scattering signal of the metal in the detection tag is collected without the influence of the metal scattering signal used as the substrate (substrate), and the detection sensitivity can be increased by using a single wavelength light source, the quantitative analysis efficiency can be increased.
4) 데이터 처리에 있어서 픽셀간의 거리를 정확하게 계산하기 위하여 산란신호의 중심 위치 정보를 수집 방법으로서 가우시안 맞춤법을 적용한다. 4) Gaussian spelling is applied as a method of collecting the center position information of the scattering signal in order to accurately calculate the distance between pixels in data processing.
전술한 복수의 기술적 특징을 조합함으로써 극미량의 샘플을 이용한 질병 진단 시 증폭 과정을 요하는 종래기술과 달리 비증폭 및 비형광 방식을 통하여 수요가 증가하고 있는 바이러스성 유전 물질(특히, 인플루엔자 바이러스)에 대한 진단 분석을 단일분자 수준에서 효과적으로 수행할 수 있다.By combining the above-mentioned plurality of technical features, the viral genetic material (especially, influenza virus), which is increasing in demand through non-amplification and non-fluorescence methods, differs from the prior art which requires an amplification process in diagnosing disease using a trace amount of sample Can be efficiently performed at a single molecule level.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다. The present invention can be more clearly understood by the following examples, and the following examples are merely illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the invention.
실시예Example
본 실시예에서 사용된 물질은 하기와 같다.The materials used in this example are as follows.
- 11-머캅토운데칸 산(11-mercaptoundecanoic acid(MUA), 95%), 6-머캡토-1-헥산올(6-mercapto-1-hexanol(MCH), 97%), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노-프로필)카보디이미드 하이드로클로라이드(1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)carbodiimide hydrochloride(EDC)), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide(DMSO), 99.5%), 2-(몰포즈리노)에탄설폰산(2-(morphozlino)ethanesulfonic acid(MES)), 글리신(glycine), 에틸렌디아민 테트라아세트산(ethylene diamine tetra acetic acid(EDTA)), 시트르산 나트륨(sodium citrate tribasic dehydrate), 및 20-nm 은 나노입자(silver nanoparticles(SNPs; TIRS nanotag, 4.5 ㅧ 1011 particles/mL)는 시그마-알드리치 (St. Louis, MO, USA)사로부터 구입하였다. Mercapto-decanoic acid (MUA), 95%), 6-mercapto-1-hexanol (MCH), 97% 3-dimethylamino-propyl carbodiimide hydrochloride (EDC), dimethyl sulfoxide (DMSO) (99.5%), 2 (3-dimethylamino-propyl) carbodiimide hydrochloride - (morphoslino) ethanesulfonic acid (MES), glycine, ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA), sodium citrate tribasic dehydrate, , And 20-nm silver nanoparticles (SNPs) were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, Mo., USA).
- 설포-NHS(N-hydroxysulfosuccinimide, NHSS), tris-HCl는 J.T. Baker사에서 구입하였다. - N-hydroxysulfosuccinimide (NHSS), tris-HCl is known as J.T. Baker.
- 제1 인산칼륨(Potassium phosphate monobasic(KH2PO4)) 및 염화나트륨(sodiumchloride(NaCl))은 Junsei에서 구입하였다. - Potassium phosphate monobasic (KH2PO4) and sodiumchloride (NaCl) were purchased from Junsei.
- 제2 인산칼륨(Potassium phosphate dibasic(K2HPO4))은 Samchun Pure Chemical사에서 구입하였다. - Potassium phosphate dibasic (K2HPO4) was purchased from Samchun Pure Chemical.
- 디티오트레이톨(Dithiothreitol(DTT)) 용액은 Biosolution사에서 구입하였다.- Dithiothreitol (DTT) solution was purchased from Biosolution.
염기 서열은 Bioneer사를 통하여 하기와 같이 설계하였다. The nucleotide sequence was designed by Bioneer as follows.
- 프로브 올리고머(H7N9): 5'-GCT ATT CCA ATG-T10-SH-3' - Probe oligomer (H7N9): 5'-GCT ATT CCA ATG-T10-SH-3 '
- 검출 올리고머(H7N9): 5'-NH2-T10-AAT CCT AGG TTT-3' Detecting oligomer (H7N9): 5'-NH2-T10-AAT CCT AGG TTT-3 '
- 표적 올리고머(H7N9): 5'-CAT TGG AAT AGC AAA CCT AGG ATT-3' - Target Oligomer (H7N9): 5'-CAT TGG AAT AGC AAA CCT AGG ATT-3 '
- 표적 올리고머(H5N1; H7N9에 대한 비상보적 올리고머): 5'-AGA CCC AAA GTA AAC GGG CAA-3'. - Target oligomer (H5N1; non-complementary oligomer for H7N9): 5'-AGA CCC AAA GTA AAC GGG CAA-3 '.
실시예 1Example 1
검출 플랫폼의 제작Fabrication of detection platform
가. 금(Au) 나노패드 제작 end. Fabrication of gold (Au) nanopads
금(Au) 나노패드가 배열된 기재는 10 ㎟ 유리 기재 상에 전자빔 식각기술 (electron beam nanolithography)을 적용하여 한국 나노기술원(수원, 한국)에서 프로세싱하였다. 이때, 전자빔 증착을 통하여 100 nm 직경을 갖는 금(Au) 나노패드를 5 μm 간격으로 4 × 4 나노배열하였다 (Analyst, 2013, 138, 3478-3482).The substrate on which gold (Au) nanopads were arranged was processed on a 10
나. 은(Ag) 나노입자와 검출 올리고머의 결합I. The combination of silver (Ag) nanoparticles and detection oligomers
20 nm 은(Ag) 나노입자의 검출 올리고머의 결합 반응은 하기와 같다. The binding reaction of the detection oligomer of 20 nm silver (Ag) nanoparticles is as follows.
10 mM MUA 및 30 mM MCH가 용해되어 있는 에탄올을 20 nm 나노입자 용액에 첨가하고, 10분 정도 초음파 분해한 후에 상온에서 2시간 30분 정도 반응시켰다. 나노입자 표면에 MUA-MCH를 결합시킨 후 0.31 mmol EDC를 추가하여 15분 동안 반응시킨 후, 77.2 nmol NHSS를 첨가하여 30분 동안 추가적으로 반응시켰다. 74 pM 아민기를 갖는 검출 올리고머를 첨가하여 15시간 동안 상온 방치하여 반응시켰다. 12000 rpm 조건에서 90분 동안 원심분리한 후, 상층액을 제거하였으며, 10 mM Tri-HCl 및 0.1 mM EDTA(pH 8.0, TE) 용액에 희석하여 사용하였다. Ethanol in which 10 mM MUA and 30 mM MCH were dissolved was added to the 20 nm nanoparticle solution and sonicated for 10 minutes and reacted at room temperature for 2 hours and 30 minutes. MUA-MCH was bound to the surface of the nanoparticles, and then 0.31 mmol EDC was added thereto, followed by reaction for 15 minutes, followed by addition of 77.2 nmol NHSS for 30 minutes. A detection oligomer having 74 pM amine groups was added and allowed to react at room temperature for 15 hours. After centrifugation at 12000 rpm for 90 minutes, the supernatant was removed and diluted in 10 mM Tri-HCl and 0.1 mM EDTA (pH 8.0, TE).
다. 금(Au) 나노패드에 프로브 올리고머의 고정화All. Immobilization of probe oligomers on gold (Au) nanopads
티올기를 갖는 프로브 올리고머 및 MCH를 함유하는 1M 인산칼륨 완충용액(potassium phosphate buffer; pH 7.0) 용액을 깨끗하게 세척된 금(Au) 나노패드 상에 담가 15시간 동안 상온에서 화학적 흡착반응시켰다. 반응을 거친 금(Au) 나노패드는 10 mM NaCl 및 5 mM Tris(pH 7.4)로 5초 정도 세척하였다. 혼성화 반응 전, 1 mM MCH 용액으로 1시간 동안 반응시켜 블로킹시켜 금(Au) 나노패드 상에 고정될 표적 올리고머 이외외 비특이적 결합을 억제하도록 하였다.A 1M potassium phosphate buffer (pH 7.0) solution containing a probe oligomer having a thiol group and MCH was immersed in a cleaned gold (Au) nano pad and subjected to chemical adsorption reaction at room temperature for 15 hours. The reacted gold (Au) nanopads were washed with 10 mM NaCl and 5 mM Tris (pH 7.4) for about 5 seconds. Prior to the hybridization reaction, 1 mM MCH solution was reacted for 1 hour to block the non-specific binding other than the target oligomer to be immobilized on the gold (Au) nano pad.
라. 샌드위치 혼성화 반응la. Sandwich hybridization reaction
- 1차 혼성화 반응- Primary hybridization reaction
혼성화 반응을 위한 완충용액(1ㅧSSC: 0.15 M NaCl, 0.015 M sodium citrate, pH 7.0)에 존재하는 20 nm 은(Ag) 나노입자와 결합된 검출 올리고머와 표적 유전자를 65℃에서 30분 동안 반응시켜 1차 혼성화 반응을 수행하였다. The detection oligomer coupled with 20 nm silver (Ag) nanoparticles present in the buffer for hybridization (1 μ SSC: 0.15 M NaCl, 0.015 M sodium citrate, pH 7.0) and the target gene were reacted at 65 ° C for 30 minutes To carry out a primary hybridization reaction.
- 2차 혼성화 반응- Secondary hybridization reaction
프로브 올리고머가 고정된 금(Au) 나노패드 상에 1차 혼성화 반응 생성물을 접촉시켜 65 ㅀC 및 1 시간의 반응 조건 하에서 2차 혼성화 반응을 수행하였다. 반응 후, 금 나노패드를 고순도 물로 세척하여 결합되지 않은 올리고머를 제거한 다음, 검출 및 정량 스크리닝 실험에 사용하였다. The first hybridization reaction product was contacted with the gold (Au) nano pad on which the probe oligomer was immobilized, and the second hybridization reaction was performed under the reaction conditions of 65 ° C and 1 hour. After the reaction, the gold nanopads were washed with high purity water to remove unbound oligomers and then used in detection and quantitative screening experiments.
실시예 2 Example 2
투과격자미러(TG)가 구비된 검출시스템을 이용한 검출 및 정량 스크리닝Detection and quantitative screening using a detection system equipped with a transmission grating mirror (TG)
도 1b에 도시된 투과격자미러(TG)가 구비된 전반사산란 검출 시스템(detection system)을 이용하여 실시예 1에서 수득한 샌드위치 혼성화 반응 생성물에 대한 검출 및 정량 스크리닝 실험을 수행하였다. 특히, 정립형 올림푸스 BX51 현미경(Olympus Optical Co., Ltd., Tokyo, Japan)을 기반으로 하는 비형광 전반사산란 방식을 금(Au) 나노패드 상에서 혼성화된 극미량의 비증폭 유전자에 대한 질병진단 스크리닝에 적용하였다.The detection and quantitative screening experiments of the sandwich hybridization reaction products obtained in Example 1 were performed using a total reflection scattering detection system equipped with a transmission grating mirror (TG) shown in FIG. 1B. In particular, the non-fluorescent total scattering method based on a standard type Olympus BX51 microscope (Olympus Optical Co., Ltd., Tokyo, Japan) was used for disease diagnosis screening of trace amounts of unamplified genes hybridized on gold (Au) Respectively.
광원으로서 은(Ag) 나노입자에 대하여는 p-편광을 갖는 30 mW 출력의 405nm 레이저(SOL-405-LM-020T, Shanghai laser century Co., Ltd., China), 그리고 금(Au) 나노패드에 대하여는 30 mW 출력의 고상(solid-state) 671nm 레이저 (SDL-671-040T, Shanghai laser century Co., Ltd.) 2대를 사용하였다. As the light source, silver (Ag) nanoparticles were irradiated with 40-nm laser (SOL-405-LM-020T, Shanghai laser century Co., Ltd., China) Two solid-state 671-nm laser (SDL-671-040T, Shanghai laser century Co., Ltd.) with a power of 30 mW were used.
투과격자미러(TG)로서 70 그루브/mm의 제품(Edmund Optics Inc., Barrington, NJ, USA)을 사용하였으며, EMCCD 카메라 앞에 장착하여 2차 혼성화 반응 생성물의 은(Ag) 나노태그 및 금(Au) 나노패드로부터 유래된 분산된 전반사산란 신호를 수집하였다. 이때, 카메라와 투과격자미러 간의 거리는 23 mm에서 85 mm까지 조절 가능하도록 홀더를 제작하여 장착하였으며, 모든 영상은 본래 영상 (zero-order, 0차)과 분산 영상(first-order, 1차)이 중첩되지 않도록 카메라로부터 85 mm 이격된 위치에 투과격자미러를 고정하여 테스트를 수행하였다. (Ag) nanotags and gold (Au) nanoparticles of the second hybridization reaction product were attached to the front of the EMCCD camera using a 70 g / mm product (Edmund Optics Inc., Barrington, NJ, USA) as a transmission grating mirror ) Scattered total reflection scattering signals derived from the nanopads were collected. At this time, a holder was manufactured to adjust the distance between the camera and the transmission grating mirror from 23 mm to 85 mm, and all the images were originally divided into a zero-order and a first-order A test was performed by fixing the transmission grating mirror at a position spaced 85 mm from the camera so as not to overlap.
전반사산란 신호는 개구수를 0.6에서 1.3까지 조절 가능한 대물렌즈(UPLANFLN, ×100)를 이용하여 얻었다. The total reflection scattering signal was obtained using an objective lens (UPLANFLN, × 100) whose numerical aperture was adjustable from 0.6 to 1.3.
혼성화 반응 생성물에 대한 전반사산란 영상은 전자결합소자(512 ㅧ 512 pixel imaging array, QuantEM 512SC, Photometrics, AZ, USA) 카메라를 통하여 수집하였다. 이때, 셔터 조절을 통하여 노출 시간은 50 ms로 맞추었다. 또한, 영상은 MetaMorph 7.5 소프트웨어를 이용하여 수집 및 분석하였다. Total scattering images of the hybridization reaction products were collected through an electronic coupling device (512 ㅧ 512 pixel imaging array, QuantEM 512SC, Photometrics, AZ, USA). At this time, the exposure time was adjusted to 50 ms through the shutter control. Images were also collected and analyzed using MetaMorph 7.5 software.
투과격자미러(TG)를 거쳐 획득한 분광학적 영상(0차 및 1차)은 Image J (National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA)의 ThunderSTORM plug-in을 통하여 가우시안 맞춤(Gaussian fitting)함으로써 중심 위치(center localization)에 관한 정보를 얻었다.The spectroscopic images (0th and 1st order) obtained through the transmission grating mirror (TG) were obtained by Gaussian fitting through the ThunderSTORM plug-in of Image J (National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA) I got information about the location (center localization).
DNA 혼성화는 전술한 바와 같이 20 nm 은(Ag) 나노입자 (SNP, 나노태그), 검출 올리고머(SS), 표적 바이러스(PC, H7N9) 및 프로브 올리고머(PS)를 금(Au) 나노패드 배열 상에 반응시켜 수행한 것이다. 이때, 표적 바이러스(H7N9)의 염기서열 중 절반은 검출 올리고머와 혼성화 반응이 이루어지고, 나머지 절반은 프로브 올리고머와 혼성화 반응이 이루어지도록 설계하였다. 대조군 실험을 위하여 비상보적 표적 샘플(NC, H5N1)는 혼성화가 이루어지지 않도록 설계하였다. 샌드위치 혼성화된 금(Au) 나노패드(나노바이오칩)는 도 1b 및 도 1c에 도시된 투과격자미러-전반사산란(TG-TIRS) 영상 시스템을 이용하여 스크리닝하였다. 스크리닝 결과를 도 2 내지 8에 나타내었다.DNA hybridization was carried out by using 20 nm silver (Ag) nanoparticles (SNP, nanotag), detection oligomer (SS), target virus (PC, H7N9) and probe oligomer (PS) . ≪ / RTI > At this time, half of the base sequence of the target virus (H7N9) was hybridized with the detection oligomer, and the other half was designed to hybridize with the probe oligomer. For the control experiment, the non-complementary target sample (NC, H5N1) was designed not to hybridize. The sandwiched hybrid gold (Au) nanopads (nano-biochips) were screened using the transmission grid mirror-total reflection scattering (TG-TIRS) imaging system shown in FIGS. 1B and 1C. The screening results are shown in Figs. 2 to 8. Fig.
도 2a는 검출 올리고머를 결합시킨 20 nm 직경의 은(Ag) 나노입자 및 순수 은(Ag) 나노입자의 TEM 이미지이다. 상기 도면에 나타난 바와 같이, 검출 올리고머가 결합된 은(Ag) 나노입자의 표면은 흐릿한 얇은 층의 껍질(shell)이 생성되어 있음을 알 수 있다. 2A is a TEM image of 20 nm diameter silver (Ag) nanoparticles and pure silver (Ag) nanoparticles coupled with a detection oligomer. As shown in the figure, the surface of the silver (Ag) nanoparticles to which the detection oligomer is bonded shows a cloudy thin layer shell.
도 2b는 수용액 상에 존재하는 검출 올리고머 및 20 nm 나노입자의 UV-Vis 스펙트럼이다. 상기 도면에 따르면, 검출 올리고머가 결합된 은(Ag) 나노입자는 395 nm의 흡수파장을 갖고 있는 초기 순수한 은(Ag) 나노입자와 달리 10 nm 적색이동 (red-shift)되어 405 nm에서 최대 흡수파장을 나타내었다. 또한, 은(Ag) 나노입자는 검출 올리고머와의 혼성화 반응 후, 260 nm 근처에서 검출 올리고머의 스펙트럼을 확인함으로써 나노입자에 올리고머가 결합(검출 태그)되었음을 확인할 수 있다. Figure 2b is the UV-Vis spectra of the detection oligomers and 20 nm nanoparticles present in the aqueous solution. According to the figure, the silver (Ag) nanoparticles bound to the detection oligomer are red-shifted by 10 nm, unlike the initial pure silver (Ag) nanoparticles having an absorption wavelength of 395 nm, Respectively. In addition, silver (Ag) nanoparticles can be confirmed to bind oligomers (detection tags) to the nanoparticles by confirming the spectrum of the detected oligomer at around 260 nm after hybridization with the detection oligomer.
도 3은 (a) 20 nm 은(Ag) 나노 입자, (b) 최종 단계에서 원심분리된 샘플, (c) 원심분리 단계를 배제한 샘플, 및 (d) 올리고머 결합 단계마다 원심분리를 수행한 샘플 각각에 대한 제타 전위와 샘플의 색상을 나타낸다.Figure 3 is a graphical representation of the results of (a) 20 nm silver (Ag) nanoparticles, (b) samples centrifuged at the final stage, (c) samples excluded from the centrifugation step, and (d) And the zeta potential for each and the color of the sample.
일반적으로, 나노입자 및 검출 올리고머의 제타 전위(zeta potential)는 음 전하를 갖는다. 이는 구연산 완충용액(citrate buffer)에 존재하는 나노입자의 표면에 카르복시 이온이 존재하기 때문이다. Generally, the zeta potential of a nanoparticle and a detection oligomer has a negative charge. This is due to the presence of carboxy ions on the surface of the nanoparticles present in the citrate buffer.
이와 관련하여, 도 3에 따르면, 원심분리 및 세척 단계 후 제타 전위값의 변화가 -38.4±1.7 mV에서 -50.6±8.3 mV로 강한 음 전하를 띄는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 검출 올리고머가 결합된 은(Ag) 나노입자가 보다 안정하다는 점을 확인하였다. In this connection, according to FIG. 3, it can be seen that the zeta potential value change after centrifugation and washing step has a strong negative charge of -50.6 ± 8.3 mV at -38.4 ± 1.7 mV. From this, it was confirmed that the silver (Ag) nanoparticles to which the detection oligomer was bonded were more stable.
한편, 금(Au) 나노패드 상에 티올기를 갖는 프로브 올리고머를 반응시킨 후, 접촉각을 측정하여 고정화 여부를 확인하여 도 4에 나타내었다. On the other hand, after the probe oligomer having a thiol group was reacted with gold (Au) nano-pads, the contact angle was measured to confirm immobilization.
도면에 나타난 바와 같이, 프로브 올리고머와의 반응 전 금(Au) 나노패드의 접촉각(a)은 57.8°이었다. 상기 측정된 각이 상대적으로 친수성을 나타낸다고 할 때, 프로브 올리고머와 반응한 금(Au) 나노패드의 접촉각(b)은 42.6°으로서 보다 높은 친수성을 갖고 있음을 알 수 있다. 이와 함께, 블로킹 용액으로서 MCH와 접촉된 금(Au) 나노패드의 접촉각(c)은 47.9°이었다. 반면, 프로브 올리고머와 반응하지 않고 MCH만 접촉한 금(Au)-나노패드의 접촉각(d)은 68.6°로서 프로브 올리고머가 고정금(Au)-나노패드의 접촉각과는 구별됨을 알 수 있다. 따라서, 금(Au)-나노패드 상에 프로브 올리고머가 성공적으로 고정화되었음을 확인할 수 있다. As shown in the figure, the contact angle (a) of gold (Au) nano-pads before the reaction with the probe oligomer was 57.8 °. The contact angles (b) of the gold (Au) nano-pads reacted with the probe oligomer are 42.6 °, which indicates that the measured angle is relatively hydrophilic. In addition, the contact angle c of the gold (Au) nano pad contacted with MCH as the blocking solution was 47.9 °. On the other hand, it can be seen that the contact angle (d) of gold (Au) -nano pad which is in contact with only the MCH without reacting with the probe oligomer is 68.6 °, which is different from the contact angle of the gold (Au) -nano pad. Thus, it can be confirmed that the probe oligomer was successfully immobilized on the gold (Au) -nano pad.
표적 올리고머와 검출 올리고머 간의 혼성화 반응 여부는 FT-IR 스펙트럼을 통하여 확인하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. The hybridization reaction between the target oligomer and the detection oligomer was confirmed by FT-IR spectroscopy, and the results are shown in FIG.
상기 도면에 따르면, 이중가닥 DNA가 결합된 20 nm 전반사산란 은(Ag) 나노 태그(a)의 경우, 혼성화 반응에 의하여 1655 cm-1 파장에서 피크가 나타났으나, 혼성화 반응이 일어나지 않은 은(Ag) 나노 태그(b)는 혼성화 반응에 따른 특징적인 피크가 나타나지 않음을 알 수 있다. 이처럼, 이중 나선 구조의 DNA 분자로부터 기인하는 스펙트럼으로서 표적 올리고머와 검출 올리고머 간의 혼성화 반응이 일어났음을 확인할 수 있었다.According to the figure, in the case of the Ag nanotag (a) with a double-stranded
도 6은 본 실시예에서 금(Au)-나노패드 상에서 H7N9 바이러스성 유전자의 혼성화 반응을 수행한 후에 (a) 투과격자미러(TG)가 장착되지 않은 전반산산란 시스템으로부터 얻은 산란 영상, (b) 투과격자미러(TG)가 장착된 전반산산란 시스템으로부터 얻은 산란 영상. (c) 금(Au)-나노패드와 이중가닥 DNA가 결합된 나노태그의 0차 및 1차 사이의 거리를 상대적 감도를 통하여 나타낸 그래프, 그리고 (d) 정확한 거리 측정을 위하여 가우시안 맞춤을 적용한 그래프를 나타낸다.FIG. 6 is a graph showing scattering images obtained from a first-order scattering system in which a transmission grating mirror (TG) is not mounted, (b) a scattering image obtained by performing a hybridization of H7N9 viral genes on a gold Scattering images from a full - scale scattering system with a transmission grating mirror (TG). (c) a graph showing relative distances between the zero-order and the first-order distances of the gold nanopads and the nanoparticles to which the double-stranded DNA is bound, and (d) graphs showing Gaussian fit for accurate distance measurement. .
도 6a에 따르면, 투과격자미러(TG)가 장착 없이 전반사산란(TIRS)에 의하여 수집된 영상은 금(Au)-나노패드와 은(Ag)-함유 검출 태그로부터 유래하는 신호를 구별하기 곤란하다. 반면, 도 6b에 나타난 바와 같이, 투과격자미러-전반사산란의 조합(TG-TIRS)을 통하여 2가지 금속으로부터 유래된 산란 신호를 동시에 단일 스크린에서 수집할 수 있고, 더 나아가 분산 영상(1차)을 통하여 2가지 금속의 산란신호를 간단히 구별할 수 있다. 6A, it is difficult to distinguish signals derived from gold (Au) -nano-pad and silver (Ag) -containing detection tags from images collected by total reflection scattering (TIRS) without a transmission grating mirror TG . On the other hand, as shown in FIG. 6B, scattering signals derived from the two metals can be simultaneously collected on a single screen through the combination of transmission grating mirror-total reflection scattering (TG-TIRS) The scattering signals of the two metals can be easily distinguished.
한편, 투과격자미러(TG)를 투과한 산란 신호는 단일 스크린에 분광학적 영상 (spectral imaging)인 1차 영상(n = +1) 및 본래 영상(투과격자미러를 거치지 않은 영상과 동일한 영상)인 0차 영상(n = 0)으로 분할(분리 또는 분산)된다. On the other hand, the scattered signal transmitted through the transmission grating mirror (TG) is a spectral imaging primary image (n = +1) and an original image (the same image as the image not passed through the transmission grating mirror) (Separated or dispersed) into the 0th order image (n = 0).
도 3c에서 영역(ii) 및 영역(iii)에서 나타난 나노패드(yellow circle)와 검출 태그(green circle)의 1차 영상 간의 중첩 현상을 피하기 위하여 투과격자미러(TG)를 비스듬히 장착하였다. 이후, 가우시안 맞춤 (Gaussian fitting)을 적용하여 각각의 금속으로부터 유래하는 산란 신호의 중심 위치를 확인하였으며, x-방향의 중첩없이 0차 영상 및 1차 영상의 거리를 계산하였다(도 6d). 나노패드(yellow circle)와 검출 태그 간 0차 영상 및 1차 영상의 거리는 각각 248.4±0.1 및 149.0±0.4 픽셀이었다. 따라서, 상기 검출 시스템의 분광학적 분해능 (spectral resolution)은 2.7 nm/pixel이었다. The transmission grating mirror TG is obliquely mounted in order to avoid superposition between the primary image of the yellow circle and the green circle shown in the region (ii) and the region (iii) in FIG. 3c. Then, a Gaussian fitting was applied to determine the center position of the scattering signal originating from each metal, and the distance between the 0th and first images was calculated without overlapping in the x-direction (Fig. 6d). The distances between the zero-order and primary images between the yellow circle and the detection tag were 248.4 ± 0.1 and 149.0 ± 0.4, respectively. Thus, the spectral resolution of the detection system was 2.7 nm / pixel.
도 7은 본 실시예에서 671 nm 및 405 nm 광원의 조사 하에 금(Au)-나노패드 상에서 (a) 표적 유전자의 혼성화 전, 그리고 (b) 표적 유전자의 혼성화 후의 분광학적 영상이다.FIG. 7 is a spectroscopic image of a target gene before hybridization with (a) a target gene and (b) after hybridization of a target gene on a gold (Au) -nano pad under irradiation of light sources of 671 nm and 405 nm in this embodiment.
도 7a의 경우, 투과격자미러(TG)를 카메라로부터 85 mm 이격된 위치에 장착한 검출 시스템을 이용하여 표적 유전자와의 혼성화 반응 전 405 nm 및 671 nm 광원에 의하여 조사된 금(Au)-나노패드의 영상이다. 671 nm 레이저가 조사되는 경우, 금(Au)-나노패드의 0차 영상 및 1차 영상은 영역 (i) 및 영역 (ii)에서 나타났다. 그러나, 405 nm 광원을 조사할 경우, 금(Au)-나노패드의 0차 영상 및 1차 영상은 관찰되지 않았다(영역 (iii) 및 영역 iv). In the case of FIG. 7 (a), a detection system equipped with a transmission grating mirror (TG) at a position spaced 85 mm from the camera was used to detect the gold (Au) -nano This is the image of the pad. When a 671 nm laser is irradiated, the zero-order and primary images of the gold (Au) -nano-pads appeared in regions (i) and (ii). However, when irradiating a 405 nm light source, zero-order and primary images of gold (Au) -nano-pads were not observed (region (iii) and region iv).
상기 관찰 결과에서 주목할 점은 혼성화 반응 후 금(Au)-나노패드 영상으로 도 7b의 영역 (iv)에서 나타난 바와 같이, 기재(기질)로 사용된 금(Au)-나노패드로부터 발생된 산란 신호의 간섭없이 검출 태그-DNA의 산란 신호를 얻을 수 있다는 것이다. It should be noted in the above observation result that as shown in the region (iv) of FIG. 7 (b) as a gold (Au) -nano pad image after the hybridization reaction, the scattering signal generated from the gold (Au) It is possible to obtain the scattering signal of the detection tag-DNA without interference.
더욱이, 혼성화 반응 후 금(Au)-나노패드에 405 nm 빛이 조사된 경우, 감도 측면에서도 0차 영상(도 7b의 영역 (iii))에서 얻은 산란 신호에 비하여 1차 영상(도 7b의 영역 (iv))에서 수집된 산란 신호가 10배 가량 높게 나타났다. 이는 투과격자미러(TG)의 사용으로 인하여 기재(기질)의 간섭 현상 없이 개별적인 단분자 또는 단입자를 극미량 수준에서 검출할 수 있음을 뒷받침한다. Furthermore, when 405 nm light is irradiated to the gold (Au) -nano pad after the hybridization reaction, the scattered signal obtained in the 0th order image (region (iii) in FIG. 7B) (iv)) was about 10 times higher than the scattered signal. This supports the ability to detect individual monomolecules or monolayers at trace levels without the interference of the substrate due to the use of a transmission grating mirror (TG).
본 실시예에서 사용된 검출 시스템을 이용하여 405 nm 광원 조사 시 다양한 농도의 표적 유전자(H7N9 바이러스성 유전자)에 대한 혼성화 반응을 통하여 정량 임상 스크리닝 테스트를 수행하였으며, 그 결과로서 표적 유전자(DNA)의 다양한 농도 대 감도의 선형곡선(74 zM to 7.4 fM, R = 0.9928)을 도 8a에 나타내었다.A quantitative clinical screening test was carried out by hybridization to target genes (H7N9 viral gene) at various concentrations when irradiating a 405 nm light source using the detection system used in the present example. As a result, a target gene (DNA) A linear curve (74 zM to 7.4 fM, R = 0.9928) with various concentrations versus sensitivity is shown in Fig. 8a.
H7N9 바이러스성 유전자의 경우, 증폭 과정을 거친 후 검출 또는 분석하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 실시예에서와 같이 투과격자미러-전반사산란(TG-TIRS)의 조합을 이용한 검출 시스템은 혼성화된 금(Au)-나노패드의 스크리닝 테스트 결과, 비증폭 혼성화 검출 및 정량 분석에 효과적인 시스템이라는 점을 확인할 수 있다. In the case of the H7N9 viral gene, it is common to detect or analyze after amplification. However, as in the present embodiment, a detection system using a combination of transmission grating mirror-total reflection scattering (TG-TIRS) is a system that is effective for detection and quantitative analysis of non-amplified hybridization as a result of screening test of hybridized gold (Au) .
또한, 표적 유전자의 부존재 하에서 반응된 금(Au)-나노패드(blank control), 그리고 H7N9 표적 유전자 대신에 프로브 올리고머 및 검출 올리고머에 비상보적인 바이러스성 유전자로서 다른 형태의 인플루엔자 바이러스 DNA(H5N1)를 동일 과정으로 수행하여 특이성 여부를 확인하였다. 이와 함께, 상보적 염기서열을 갖는 표적 샘플(H7N9)의 산란 신호를 나타내었다. In addition, gold (Au) -nano pad reacted in the absence of the target gene, and probe oligonucleotide in place of the H7N9 target gene and other influenza virus DNA (H5N1) as an unrecognized viral gene in the detection oligomer The same procedure was performed to confirm the specificity. In addition, a scattering signal of a target sample (H7N9) having a complementary base sequence was shown.
도 8b에 따르면, 대조군의 경우, 표적 샘플인 H7N9 표적 유전자를 적용한 경우에 비하여 약 6배 정도 낮은 산란 감도를 나타내었다. 따라서, 본 개시 내용에서 제공된 검출 플랫폼은 바이러스성 유전자에 효과적으로 적용 가능함을 확인할 수 있다.According to FIG. 8B, in the case of the control group, the scattering sensitivity was about 6 times lower than that in the case of applying the target sample H7N9 target gene. Thus, it can be seen that the detection platform provided in this disclosure is effectively applicable to viral genes.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (19)
a) 상기 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 프로브 올리고머가 제1 금속-나노패턴화된 기재에 고정된 포획 나노패드, 및 제2 금속 함유 나노입자가 상기 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 검출 올리고머와 결합된 검출 태그를 포함하는 플랫폼을 제공하는 단계, 여기서 제1 금속 및 제2 금속은 서로 흡수스펙트럼이 중첩되지 않도록 선택됨;
b) 분석 샘플 내 표적 바이러스를 검출 태그의 검출 올리고머 및 포획 나노패드의 프로브 올리고머와 혼성화 반응시키는 단계;
c) 광원으로부터 조사된 광을 전반사시켜 소산장을 형성하고, 상기 소산장에 의하여 검출 태그 및 상기 포획 나노패드로부터 발생되는 전반사산란 신호를 생성하는 단계; 및
d) 상기 생성된 전반사산란 신호를 투과격자미러(TG)로 통과시켜 제1 금속으로부터 기인하는 산란 신호 및 제2 금속으로부터 기인하는 산란 신호로 분할함으로써 비분산(non-dispersed) 또는 0차의 분광학적 영상(spectral image), 그리고 분산된(dispersed) 또는 1차 이상의 분광학적 영상을 생성하여 수집하는 단계;
를 포함하며,
여기서, 가우시안 맞춤에 의한 데이터 처리를 통하여 상기 분할된 산란 신호 각각에 대한 중심 위치 정보 또는 차수 간의 간격을 측정하는 방법.As a method for quantitative screening through non-amplification of a disease-associated target virus and non-fluorescence detection method,
a) a capture nano pad having a probe oligomer specifically binding to the target virus immobilized on the first metal-nanopatterned substrate, and a detection oligomer capable of specifically binding to the target virus, Providing a platform comprising a combined detection tag, wherein the first metal and the second metal are selected such that the absorption spectra do not overlap with each other;
b) hybridizing the target virus in the assay sample with the detection oligomer of the detection tag and the probe oligomer of the capture nano pad;
c) forming a desiccation field by totally reflecting the light emitted from the light source, and generating a total reflection scattering signal generated from the detection tag and the capturing nano pad by the desorption field; And
d) dividing the generated total reflection scattering signal into a scattering signal originating from the first metal and a scattering signal originating from the second metal by passing the signal through a transmission grating mirror (TG), whereby a non-dispersed or zero- Generating and collecting a spectral image and a dispersed or first order spectroscopic image;
/ RTI >
Here, the center position information or the interval between the orders of the divided scattered signals is measured through data processing by Gaussian fitting.
여기서, X는 -COOH 또는 -OH이고, n은 1 내지 15임.12. The method of claim 11, further comprising modifying the surface of the second metal nanoparticles of the detection tag prior to the hybridization reaction between the detection oligomer of the detection tag and the target virus, CH 2 ) n X) single layer.
Wherein X is -COOH or -OH, and n is from 1 to 15.
단일 파장의 레이저 광원;
상기 광원으로부터 조사된 입사광을 전반사시켜 소산장을 형성하도록 구성된 도브 프리즘;
제1 금속-나노패턴화된 기재 상에 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 프로브 올리고머가 고정된 포획 나노패드, 및 제2 금속 함유 나노입자가 표적 바이러스에 특이적으로 결합하는 검출 올리고머와 결합된 검출 태그를 포함하는 플랫폼, 여기서 제1 금속 및 제2 금속은 서로 흡수스펙트럼이 중첩되지 않도록 선택되며, 상기 포획 나노패드는 상기 도브 프리즘 상의 소산장 영역에 위치하도록 배열되며, 상기 포획 나노패드의 프로브 올리고머 및 상기 검출 태그의 검출 올리고머가 표적 바이러스와 혼성화 반응되어 결합할 경우, 제1 금속 및 제2 금속으로부터 유래되는 전반사산란 신호를 생성함;
상기 포획 나노패드 상측에 이격되어 상기 전반사 산란 신호를 수집하도록 배열된 대물렌즈; 및
상기 대물렌즈 상측에 배치되어 상기 수집된 전반사산란 신호를 제1 금속으로부터 유래하는 산란 신호 및 제2 금속으로부터 유래하는 산란 신호로 분할하는 투과격자미러; 및
가우스 맞춤에 의한 데이터 처리를 통하여 상기 분할된 산란 신호 각각에 대한 중심 위치 정보 또는 차수 간의 간격을 측정하여 이를 이미지화하는 영상화 처리부를 포함하는 검출부;
를 포함하는 검출 시스템.A detection system for quantitatively screening disease-associated target viruses in a single shot through non-amplification and non-
A single wavelength laser light source;
A Dove prism configured to totally reflect the incident light irradiated from the light source to form a desiccation field;
A capture nano pad onto which a probe oligomer that specifically binds to a target virus is immobilized on a first metal-nanopatterned substrate, and a detection oligonucleotide coupled with a detection oligomer to which the second metal-containing nanoparticle specifically binds to the target virus Wherein the first metal and the second metal are selected such that the absorption spectra do not overlap with each other, the trapping nano-pads are arranged to be located in a collapsing region on the dope prism, and the probe oligomer And generating a total internal scattering signal derived from the first metal and the second metal when the detection oligomer of the detection tag hybridizes and hybridizes with the target virus;
An objective lens spaced above the trapped nano-pads and arranged to collect the total reflection scattering signal; And
A transmission grating mirror disposed above the objective lens and dividing the collected total reflection scattering signal into a scattering signal derived from a first metal and a scattering signal derived from a second metal; And
A detector for measuring the center position information or the interval between the orders of the divided scattered signals through data processing by gauss fitting and imaging the measured scattered signals;
≪ / RTI >
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