KR102644803B1 - 나노 전사 프린팅 기반 sers 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치가 제시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법은, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성하는 단계; 및 상기 전극에 용액 상태의 측정 대상을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
Description
아래의 본 발명의 실시예들은 나노 전사 프린팅 기반 SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대사체를 분리하여 여러 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정할 수 있는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치에 관한 것이다.
한국인의 사망원인 1위는 암이며, 이 중 폐암이 35%, 췌장암이 11%를 차지하고 있다. 폐암과 췌장암의 5년 생존율은 각각 25%와 10%에 머무르고 있으며, 공통적으로 조기 진단이 어렵고 전이가 쉽다는 특징이 있다. 췌장암의 경우 1기에 발견하여 수술을 받을 경우 생존율이 50%를 상회하며, 폐암도 1기의 경우 80% 이상의 생존율을 기록한다. 그러나 초기 암의 경우 대부분 무증상이어서 조기 발견이 극히 어렵다.
췌장은 다른 장기에 가려져 있으므로 복부초음파로 초기 췌장암 발견 어렵다 또한, 일반 흉부 X선 촬영으로 조기 폐암을 발견하기 어렵다. 복부 CT가 비교적 정밀한 진단 기술이긴 하나 방사선 피폭에 의한 암 발생률 증가로 인하여 무증상의 일반인들에게 광범위하게 시행하기 어렵다.
한편, 종양표지자 혈액 검사의 경우 혈액 채취가 필요하고 1-2개의 표지자에 의한 예측도가 불충분하다. 이에 따라 비침습적이면서도 민감도와 특이도가 탁월한 새로운 진단 기술의 개발이 필요하다.
한국등록특허 10-1761010호는 이러한 나노 전사 프린팅 방법 및 이를 이용하여 제작되는 SERS 기판, SERS 바이얼 및 SERS 패치에 관한 기술을 기재하고 있다.
본 발명의 실시예들은 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 대사체를 분리하여 여러 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 용액에 여러 대사체가 섞여 있을 때 임의의 표면에 용액을 떨어뜨려 신호를 측정할 경우 여러 대사체의 SERS 신호가 겹쳐 구분이 어려운 문제점을 해결하기 위해, 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하여 여러 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정할 수 있도록 하는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법은, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성하는 단계; 및 상기 전극에 용액 상태의 측정 대상을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 대사체를 분리한 후, 각각의 상기 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전극을 구성하는 단계는, 상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 기준 전극(reference electrode), 적어도 둘 이상의 워킹 전극(working electrode) 및 카운터 전극(counter electrode)을 구성할 수 있다.
상기 대사체를 분리하는 단계는, 전기화학적인 방법으로 워킹 전극에 대사체 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착(electrodeposition)시킬 수 있다.
상기 대사체를 분리하는 단계는, 환원전위가 낮은 순서대로 전기화학적인 방법으로 상기 워킹 전극에 환원전위를 주어 전착을 진행할 수 있다.
상기 대사체를 분리하는 단계는, 제1 대사체를 모두 환원시키는 단계; 및 제2 대사체를 환원시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 대사체를 분리하는 단계는, 상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자의 두 전극 사이에 나노와이어 전사(nTP)를 진행하여, 나노와이어 상에 전착된 상기 대사체에서 SERS 신호를 분석할 수 있다.
상기 대사체를 분리하는 단계는, 워킹 전극별로 다른 종류의 대사체가 쌓이도록 유도할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치는, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성하는 전극 구성부; 및 상기 전극에 용액 상태의 측정 대상을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하는 대사체 분리부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 대사체를 분리한 후, 각각의 상기 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정하는 SERS 신호 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 전극 구성부는, 상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 기준 전극(reference electrode), 적어도 둘 이상의 워킹 전극(working electrode) 및 카운터 전극(counter electrode)을 구성할 수 있다.
상기 대사체 분리부는, 전기화학적인 방법으로 워킹 전극에 대사체 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착(electrodeposition)시킬 수 있다.
상기 대사체 분리부는, 환원전위가 낮은 순서대로 전기화학적인 장치로 상기 워킹 전극에 환원전위를 주어 전착을 진행할 수 있다.
상기 대사체 분리부는, 제1 대사체를 모두 환원시킨 후, 제2 대사체를 환원시킬 수 있다.
상기 대사체 분리부는, 상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자의 두 전극 사이에 나노와이어 전사(nTP)를 진행하여, 나노와이어 상에 전착된 상기 대사체에서 SERS 신호를 분석할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하여 여러 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정함으로써, 임의의 표면에 용액을 떨어뜨려 신호를 측정할 경우 여러 대사체의 SERS 신호가 겹쳐 구분이 어려운 문제점을 해결할 수 있는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치의 측정 예시를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 대사체의 분리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 대사체의 분리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치의 측정 예시를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 대사체의 분리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 대사체의 분리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
혼합물 상에서 특정 성분을 선택하여 신속하게 정량화하는 기술은 환경/식품 유해성 판정, 의료진단 등의 분야에서 가장 필요로 하는 기술이지만 신속성과 선택성, 저비용성 등을 두루 만족하는 기술은 아직도 개발 진행 중이다. 본 발명의 실시예들은 이러한 근본적 문제를 해결하여 현장에서 바로 활용 가능한 다이나믹(dynamic) SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 나노소자를 제공하고, 이에 기반한 비침습적이고 신속한 질병 진단 기술을 적용할 수 있다.
대사체(metabolite)는 신체가 음식, 약물, 화학물질 또는 자체 조직(지방이나 근육 등)을 대사(metabolism) 과정을 통해 분해할 때 만들어지는 물질이다. 대사체는 통상적으로 단분자 물질이며, 혈액, 날숨, 소변 등에 다수 포함되어 있다.
암세포는 빠른 증식을 목표로 하고 있어 대사 과정과 대사산물이 정상세포와 부분적으로 차이를 보인다. 이에 따라 대사체의 차이를 활용하여 조기 암 진단 기술을 제공할 수 있다.
기존 대사체 연구는 주로 성분 분리와 정량화를 위해 NMR(Nuclear Magnetic Resonance), 크로마토그래피(chromatography)(GC/LC), 질량분석기(Mass Spectrometer, MS) 등의 장비를 활용하고 있으나, 이는 고가의 장비이며 다소 긴 측정 시간이 요구된다.
표면증강 라만 분광법(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS)은 낮은 라만 신호를 증폭시켜 저농도 물질의 분석까지 가능하게 하는 기술이다. 표면증강 라만 분광법(SERS)은 분자 고유의 라만(Raman) 신호를 측정하며, 플라즈모닉 나노구조체를 활용한 광학적 증폭에 의하여 우수한 민감도와 신속성을 가지며, 포터블 측정 기기를 이용한 휴대성 및 비파괴성 등의 장점을 제공한다.
소변 내에는 수많은 성분들이 포함되어 있어 중첩된 형태의 복잡한 스펙트럼이 측정된다. 농도가 낮지만 중요한 대사체의 신호(signal)들을 놓칠 가능성이 있어 성분 분리 기능이 있는 SERS 소자의 개발이 필요하다.
본 발명의 실시예들은 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치에 관한 것으로, 용액에 여러 대사체가 섞여 있을 때, 임의의 표면에 용액을 떨어뜨려 신호를 측정할 경우 여러 대사체의 SERS 신호가 겹쳐 구분이 어렵다. 이에 따라 본 발명의 실시예들은 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하여 여러 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 전기적 포텐셜 제어가 가능하며, 광학적 라만(Raman) 신호의 증폭 및 측정이 가능한 어레이(array) 형태의 다이나믹 SERS 나노소자 칩을 나노 단위 미세 공정 기술을 이용하여 제작하고, 포텐셜 인가조건에 따라 환자와 정상인의 소변 샘플 내 대사체들을 개별 성분으로 분리하여 SERS 신호를 측정 및 분석할 수 있다. 이에 따라 췌장암과 폐암을 실용적으로 조기 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따라 구현된 SERS 나노소자는 -10 ~ +10 V 범위의 전압으로 대사체를 분리할 수 있다. 이 때, SERS 나노소자의 증폭비(Au 기반 소자)는 105 이상이고, 소변 샘플 기반 췌장암 및 폐암 진단 특이도 및 민감도는 90% 이상이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자(101) 상에 기준 전극(reference electrode, 110), 워킹 전극(working electrode, 130) 및 카운터 전극(counter electrode, 120)을 구성하고, 전극에 용액 상태의 측정 대상(103)을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리한 후, 각각의 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정할 수 있다.
여기서, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자(101) 상에 은나노와이어(nTP-AgNW, 102) 등을 구성한 후 전극을 배치하고, 측정 대상(103) 용액을 떨어뜨릴 수 있다.
기준 전극(reference electrode, 110)은 전위가 일정하며, 지시 전극의 발생전위를 얻기 위한 전위의 기준이 되는 전극이다. 기준 전극(110)과 다른 전극으로 전지를 만들어 그 기전력을 측정하면, 기준 전극(110)의 전위(electric potential)는 이미 알고 있으므로 측정하는 다른 전극의 전위를 알 수 있다.
워킹 전극(working electrode, 130)은 전기화학 실험에서 관심 있는 반응이 일어나는 전극으로, 측정 용액의 성분농도에 따라 전위 값이 변한다. 즉, 워킹 전극(130)은 전극 반응 시 전류를 흐르게 하는 목적을 지니며, 분자들과의 전자 교환을 위한 공급원이다.
카운터 전극(counter electrode, 120)은 상대 전극 또는 대향 전극이라고도 하며, 주 역할은 워킹 전극(130)의 표면에서 반응이 일어나도록 전류를 보내거나 받거나 하는 것이다. 이 때, 카운터 전극(120)의 표면적은 기준 전극(110)의 표면적과 같거나 또는 큰 것이 바람직하다.
전류의 흐름은 주로 카운터 전극(120)과 워킹 전극(130)에서 교환이 일어나면서 산화, 환원 반응이 발생하고, 기준 전극(110)은 워킹 전극(130)에 대비되는 카운터 전극(120)의 포텐셜(potential)을 측정, 감시하여 일정 전압, 일정 전류를 유지하기 하기 위한 피드백(feedback) 센서로서 작동한다.
즉, 전류는 워킹 전극(130)과 카운터 전극(120)을 통하여 흐르게 함으로써 기준 전극(110)에는 적절한 전압이 제공된다.
이러한 전극으로 가장 많이 사용되는 물질로는 백금선이 사용되며, 그래핀(graphene) 등이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치의 측정 예시를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 전기화학적인 방법으로 워킹 전극(working electrode, 130)에 대사체(210, 220, 230) 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착(electrodeposition)시킬 수 있다. 이 때, 환원전위가 낮은 순서대로 진행하며, 제1 대사체(metabolite 1, 210)를 모두 환원시킨 후 제2 대사체(metabolite 2, 220)를 환원하는 방식으로 진행할 수 있다.
현재 DEP(dielectrophoretic)용 소자와 유사하게, 두 전극 사이에 나노와이어 전사(nTP)를 진행하여, 나노와이어 위에 전착(electrodeposition)된 대사체(210, 220, 230)에서 SERS 분석을 진행할 수 있다.
최종적으로 워킹 전극(working electrode, 130)별로 다른 대사체(210, 220, 230)가 쌓이도록 유도하고, SERS 신호의 측정을 통해 분석 신호가 다름을 보인다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 대사체의 분리 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 대사체의 분리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자(101) 상의 제1 워킹 전극(130)에 전기화학적인 방법으로 제1 대사체(210)를 분리할 수 있다. 이 때, 제1 워킹 전극(130)에 대사체 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착시킬 수 있다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자(101) 상의 제2 워킹 전극(130)에 전기화학적인 방법으로 제2 대사체(220)를 분리할 수 있다. 이 때, 제2 워킹 전극(130)에 대사체 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착시킬 수 있다.
이와 같이 환원전위가 낮은 순서대로 전착을 진행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법은, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성하는 단계(S110), 및 전극에 용액 상태의 측정 대상을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
대사체를 분리한 후, 각각의 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정하는 단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
아래에서 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법은 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치를 예를 들어 설명할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치(600)는 전극 구성부(610) 및 대사체 분리부(620)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치(600)는 SERS 신호 측정부(630)를 더 포함할 수 있다.
전극 구성부(610)는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성할 수 있다.
여기서, 전극 구성부(610)는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 기준 전극(reference electrode), 워킹 전극(working electrode) 및 카운터 전극(counter electrode)을 구성할 수 있으며, 각 전극은 서로 소정 간격 이격되도록 배치할 수 있다. 이 때, 워킹 전극은 적어도 둘 이상 구성될 수 있다. 전극 구성부(610)는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 기준 전극을 배치하고, 복수개의 워킹 전극 사이 공간에 카운터 전극을 배치할 수 있다.
일례로, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자의 일측에 기준 전극을 배치하고, 각 전극이 서로 소정간격 이격되도록 제1 워킹 전극, 제1 카운터 전극 및 제2 워킹 전극 순으로 배치할 수 있다.
다른 예로, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자의 일측에 기준 전극을 배치하고, 각 전극이 서로 소정간격 이격되도록 제1 워킹 전극, 제1 카운터 전극, 제2 워킹 전극, 제2 카운터 전극 및 제3 워킹 전극 순으로 배치할 수 있다.
이와 같이 전극 구성부(610)는 복수개의 전극 사이에 카운터 전극을 배치하는 방식으로 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성할 수 있다. 한편, 전극 구성부(610)는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 와이어를 구성한 후 전극을 설치할 수 있다. 예컨대, 와이어는 은나노와이어(nTP-AgNW)일 수 있다.
대사체 분리부(620)는 전극에 용액 상태의 측정 대상을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리할 수 있다.
대사체 분리부(620)는 전기화학적인 방법으로 워킹 전극에 대사체 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착(electrodeposition)시킬 수 있다. 이 때, 대사체 분리부(620)는 환원전위가 낮은 순서대로 전기화학적인 장치로 워킹 전극에 환원전위를 주어 전착을 진행할 수 있으며, 예컨대 대사체 분리부(620)는 제1 대사체를 모두 환원시킨 후, 제2 대사체를 환원시킬 수 있다.
대사체 분리부(620)는 최종적으로 워킹 전극별로 다른 종류의 대사체가 쌓이도록 유도할 수 있다.
또한, 대사체 분리부(620)는 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자의 두 전극 사이에 나노와이어 전사(nTP)를 진행하여, 나노와이어 상에 전착된 대사체에서 SERS 신호를 분석할 수 있다.
SERS 신호 측정부(630)는 대사체를 분리한 후, 각각의 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하여 여러 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정함으로써, 임의의 표면에 용액을 떨어뜨려 신호를 측정할 경우 여러 대사체의 SERS 신호가 겹쳐 구분이 어려운 문제점을 해결할 수 있다.
한편, 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자는 표면 영역이 어레이 형태로 이루어져 개별 포텐셜 제어가 가능한 나노소자 칩으로 이루어질 수 있다. 나노 전사 프린팅을 이용하여 층수 조절이 가능하고 신호 증폭도가 일정하게 높은 다이나믹 SERS 나노소자를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 다이나믹 SERS 나노소자의 제작 방법은 순차적인 나노 전사 프린팅 공정(Solvent-vapor-injection nanotransfer printing, S-nTP)을 통해 제작될 수 있다.
금속(예컨대, Au) 나노와이어 어레이의 첫 번째 레이어는 Si 기판에 전사되고, 두 번째 레이어는 첫 번째 레이어 위에 90°의 정렬 각도로 프린팅된다. 나노와이어 어레이의 연속적인 프린팅을 통해 다양한 층의 다중 적층 3차원 교차 와이어 나노구조체를 제조할 수 있다.
분석 대상의 라만 스펙트럼 강도를 테스트한 결과, 소정의 적층까지 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 다층 금속 나노구조체에 동일한 분석 대상을 떨어뜨린 결과, SERS 신호는 층이 증가함에 따라 증가하여 2D 어레이보다 다층 구조에 대해 훨씬 더 높은 향상된 신호를 제공할 수 있다.
어레이 형태의 다이나믹 SERS 소자의 개발은 대면적으로 높은 신호 증폭 민감도를 유지하고 일정하게 조밀한 구조를 만드는 1) 반도체 나노 공정 기술과 이를 활용한 용도에 따른 2) SERS 나노소자 개발 기술이 요구된다.
1) 반도체 나노 공정 기술을 활용한 고민감도 SERS 나노소자를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면 KrF 리소그래피, Directed self-assembly, 나노 전사 프린팅의 융합을 통한 금속 나노와이어 어레이 층수 조절이 자유롭게 가능한 초고밀도, 고민감도 SERS 공정 기술과 소자를 제공할 수 있다. 이와 같은 나노구조체는 와이어간 거리와 두께 조절을 통해 대사체의 라만 신호 증폭 및 임의의 표면에 정해진 크기로 전사가 가능하여 어레이 형태의 소자 개발에 유용하다.
2) 분석물에 따른 SERS 나노소자의 변형 및 응용이 가능하다.
나노 전사 프린팅 기술을 이용하여 만든 기판에 압타머를 부착하여 수중의 오염물인 비스페놀 에이(Bisphenol A), 테트라사이클린(Tetracycline), 디클로페낙(Diclofenac)을 라벨링 없이 동시에 선택적으로 흡착 및 측정하여 수량화를 할 수 있다. 또한, 기판에 Carboxylic acid 기능화와 Graphitic layer 코팅을 이용해 알츠하이머 병의 대표적인 바이오마커인 타우 단백질(Tau protein)과 아밀로이드 베타 단백질(Amyloid )의 구조 변화와 수량화에 성공할 수 있다.
이와 같이 일 실시예에 따른 플라즈모닉 표면은 대면적으로 높은 산란 증강 민감도가 일정하게 유지되어 소변 속 분석물을 분류하여 흡착하고 정상인과 암환자의 샘플의 차이를 비교하는데 유리하다.
임상학적 암 진단법 측면에서, 기존 기술은 침습적인 조직검사를 통해서만 확진 가능하고, 조직검사를 제외한 바이오마커 검사는 정확성, 민감도 및 특이도가 현저히 낮고, 조기 진단이 어렵다. 또한 분석 비용이 높고, 분석 전문가가 요구된다. 반면, 본 발명의 실시예들은 비침습적인 검사이며, 민감도 및 특이도를 크게 높일 수 있고, 초기 암 발생 과정에서의 조기 진단이 가능할 것으로 기대되다. 더욱이 저비용의 사용자 친화적 인터페이스가 가능하다.
또한, 대사체 검출법 측면에서, 기존 기술의 질량 분석법은 분석조건이 까다롭고, 긴 소요시간이 필요하며 민감도가 낮으며, 전자 센서는 특정 분자를 정의하기 어렵다. 반면, 본 발명의 실시예들은 빠른 분리로 비표지 다중 검출이 가능하고 분석 시간이 짧고, ppt~ppq 수준의 민감도를 가질 수 있으며, 특정 신호를 분석하여 분자를 유추할 수 있다.
대사체의 신속 고민감도 검출로 대사체 기반 임상 중개 연구를 단기간에 적용 가능하게 할 수 있다. 기존의 질량 분석법과는 달리, 실시예들은 사용자 친화적 인터페이스로의 진단 플랫폼 구축이 가능하여 사용자 범위를 극대화 할 수 있으므로 조기 진단율을 높일 수 있다.
SERS 어레이 소자 기반 저비용/비침습 신규 조기진단법은 췌장암 및 폐암 등의 조기발견을 통한 조기 치료로 생존율을 높이는데 크게 기여할 수 있고, 전립선 암의 경우 높은 위양성율을 보이는 PSA 검사의 대체 검사법으로 불필요한 조직 검사 등의 환자 부담을 감소시킬 수 있다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (15)
- 나노 전사 프린팅 기반 SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법에 있어서,
나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성하는 단계; 및
상기 전극에 용액 상태의 측정 대상을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하는 단계를 포함하되,
상기 대사체를 분리하는 단계는
전기화학적인 방법으로 워킹 전극에 대사체 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착(electrodeposition)하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 대사체를 분리한 후, 각각의 상기 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정하는 단계
를 더 포함하는, 전기화학적 대사체 추출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전극을 구성하는 단계는,
상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 기준 전극(reference electrode), 적어도 둘 이상의 워킹 전극(working electrode) 및 카운터 전극(counter electrode)을 구성하는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 대사체를 분리하는 단계는,
환원전위가 낮은 순서대로 전기화학적인 방법으로 상기 워킹 전극에 환원전위를 주어 전착을 진행하는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 대사체를 분리하는 단계는,
제1 대사체를 모두 환원시키는 단계; 및
제2 대사체를 환원시키는 단계
를 포함하는, 전기화학적 대사체 추출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 대사체를 분리하는 단계는,
상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자의 두 전극 사이에 나노와이어 전사(nTP)를 진행하여, 나노와이어 상에 전착된 상기 대사체에서 SERS 신호를 분석하는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 대사체를 분리하는 단계는,
워킹 전극별로 다른 종류의 대사체가 쌓이도록 유도하는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 방법. - 나노 전사 프린팅 기반 SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 장치에 있어서,
나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 전극을 구성하는 전극 구성부; 및
상기 전극에 용액 상태의 측정 대상을 떨어뜨려 전기화학적인 방법으로 대사체를 분리하는 대사체 분리부를 포함하되,
상기 대사체 분리부는
전기화학적인 방법으로 워킹 전극에 대사체 분자의 특정 환원전위를 주어 전극 주변부에 전착(electrodeposition)하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 장치. - 제9항에 있어서,
상기 대사체를 분리한 후, 각각의 상기 대사체의 SERS 신호를 구분하여 측정하는 SERS 신호 측정부
를 더 포함하는, 전기화학적 대사체 추출 장치. - 제9항에 있어서,
상기 전극 구성부는,
상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자 상에 기준 전극(reference electrode), 적어도 둘 이상의 워킹 전극(working electrode) 및 카운터 전극(counter electrode)을 구성하는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 장치. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 대사체 분리부는,
환원전위가 낮은 순서대로 전기화학적인 장치로 상기 워킹 전극에 환원전위를 주어 전착을 진행하는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 장치. - 제9항에 있어서,
상기 대사체 분리부는,
제1 대사체를 모두 환원시킨 후, 제2 대사체를 환원시키는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 장치. - 제9항에 있어서,
상기 대사체 분리부는,
상기 나노 전사 프린팅 기반 SERS 소자의 두 전극 사이에 나노와이어 전사(nTP)를 진행하여, 나노와이어 상에 전착된 상기 대사체에서 SERS 신호를 분석하는 것
을 특징으로 하는, 전기화학적 대사체 추출 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210158872A KR102644803B1 (ko) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 나노 전사 프린팅 기반 sers 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210158872A KR102644803B1 (ko) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 나노 전사 프린팅 기반 sers 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치 |
Publications (2)
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