광학 마이크로플루이딕 센서를 이용한 유전자 탐색 및 유해물질 검출 기술개발

Abstract

1. Quantitative Determination of Nicotine in a PDMS Microfluidic Channel Using Surface Enhanced Raman Spectroscopy Rapid and highly sensitive determination of nicotine in a PDMS microfluidic channel was investigated using surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). A three-dimensional PDMS microfluidic channel was fabricated for this purpose. This channel shows a high mixing efficiency because the transverse and vertical dispersions of the fluid occur simultaneously through the upper and lower zig zag-type blocks. A higher efficiency of mixing could also be obtained by splitting each of the confluent streams into two sub-streams that then joined and recombined. The SERS signal was measured after nicotine molecules were effectively adsorbed onto silver nanoparticles by passing through the three-dimensional channel. A quantitative analysis of nicotine was performed based on the measured peak area at 1030 cm-1. The detection limit was estimated to be below 0.1 ppm. In this work, the SERS detection, in combination with a PDMS microfluidic channel, has been applied to the quantitative analysis of nicotine in aqueous solution. Compared to the other conventional analytical methods, the detection sensitivity was enhanced up to several orders of magnitude. 2. Fast and Sensitive DNA Analysis Using Changes in the FRET Signals of Molecular Beacons in a PDMS Microfluidic Channel A new DNA hybridization analytical method using a microfluidic channel and a molecular beacon-based probe (MB-probe) is described. A stem-loop DNA oligonucleotide labeled with two fluorophores at the 5´- and 3´ termini (a donor dye, TET, and an acceptor dye, TAMRA, respectively) was used to carry out a fast and sensitive DNA analysis. The MB-probe utilized the specificity and selectivity of the DNA hairpin-type probe DNA to detect a specific target DNA of interest. The quenching of the fluorescence resonance energy transfer (FRET) signal between the two fluorophores, caused by the sequence-specific hybridization of the MB-probe and the target DNA, was used todetect a DNA hybridization reaction in a poly(dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic channel. The azoospermia gene, DYS 209, was used as the target DNA to demonstrate our method’s applicability. A simple syringe pumping system was used for a quick and accurate analysis. The laminar flow along the channel could be easily controlled by the 3D channel structure and flow speed. By injecting the MB-probe and target DNA solutions into a zigzag-shaped PDMS microfluidic channel, it was possible to detect their sequence-specific hybridization. Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) was also used to provide complementary evidence of the DNA hybridization. Our data show that this technique is a promising real-time detection method for labeled-free DNA targets in the solution phase.; 1. 표면증강 라만 분광법과 lab on a chip 기술을 이용한 nicotine의 고감도 정량분석 기술개발 PDMS 미세유로 칩 내에서 은 나노 입자에 흡착시킨 유해물질 nicotine을 공초점 표면증강 라만 분광법(Confocal Surface Enhanced Raman Spectroscopy)을 이용하여 고감도로 정량검출하는 기술을 개발하였다. 이 방법을 이용하면 크로마토그래피분석법을 사용할 때 발생하는 시료 전처리 과정의 번거로움, 컬럼의 결정, 장시간 검출 시간과 같은 단점을 극복할 수 있다. 또한 라만 peak는 좁은 선폭을 가지므로 peak 간의 overlap을 방지하여 다종의 시료에 대한 동시분석이 가능하고 분자의 구조 해석도 가능하다. 본 연구에서는 lab on a chip 기술과 공초점 표면증강 라만 기술을 상호보완적으로 이용하여 담배에 들어있는 유해물질인 nicotine을 고감도로 검출할 수 있는 정량 측정 기술을 개발하였다. 이러한 고감도 분석을 위하여 은나노 입자용액과 분석물을 효율적으로 혼합할 수 있는 3차원 PDMS microfluidic sensor를 개발하였다. 또한 CLSM(Confocal Laser Scanning Microscopy)을 이용하여 이 PDMS microfluidic sensor의 혼합 효율성을 검증하였다. 본 연구에서는 microfluidic sensor와 고감도 광 측정 기술을 통하여 시료의 전처리 과정없이 고속으로 환경물질을 정량검출할 수 있는 새로운 광 센서를 개발하였으며 이러한 기술은 nicotine뿐만 아니라 다른 여러가지 유해물질의 미량분석에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 2. 광학 마이크로 플루이딕 센서를 이용한 유전자 탐색 기술개발 PDMS microfluidic sensor 내에서 TAMRA, TET 두 가지의 형광물질이 표지된 MB-probe DNA와 target DNA간의 hybridization 결합과정을 공초점 레이저 주사 현미경을 이용하여 고감도로 검출하는 기술을 개발하였다. 이 방법은 DNA microarray chip을 이용할 경우에 필수적인 고정화 과정이 필요치 않다는 장점을 가지며 보통 적게는 수 십분에서 길게는 몇 시간씩 소요되는 DNA hybridization 과정을 몇 초만에 수용액상에서 실시간으로 측정할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 공초점 현미경을 이용한 FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer) 측정방법을 이용하여 DNA hybridization의 진행에 따른 형광 시그널 변화를 쉽게 확인할 수 있다. Raman 현미경의 경우에는 CLSM과 같이 hybridization에 대한 측정결과가 얻어지지는 못했지만, 진행에 따른 형광 background의 감소 현상으로부터 probe-target DNA 간의 hybridization 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 FRET 현상을 이용한 microfluidic optical sensor 기술은 DNA hybridization 과정을 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 매우 효율적인 생화학 분석 기술이란 사실을 확인할 수 있었다.