KR-102961514-B1 - 액체 샘플의 피분석물의 다중화된 표면 플라스몬 공명 감지

KR102961514B1KR 102961514 B1KR102961514 B1KR 102961514B1KR-102961514-B1

Abstract

핸드헬드식 또는 휴대용 SPR 디바이스는, 상이한 SPR 곡선 및 그들 각각의 최소치의 검출을 가능하게 하도록 기능화되는, 귀금속 센서 표면 상의 두 개 이상의 포지션에서 광을 집속시킨다. 동일한 센서 상의 센서 표면 상의 상이한 위치로부터 SPR 신호를 동시적으로 획득하는 것에 의해, 검출은 실질적으로 동시에 달성된다. SPR 디바이스는, 기능화된 센서 표면을 따르는 상이한 포지션에 포커싱하도록 순차적으로 편향기에 의해 시프트되는 빔을 갖는 다수의 광원 또는 단일의 광원을 통합할 수도 있다. (다중화를 증가시키기 위해) 센서 표면의 습윤성을 제어하기 위해, 센서 표면은, i) 표면 조립 단분자층(SAM)의 추가 및 ii) 기체 플라즈마, 특히 O 2 에 의한 표면 충격을 포함할 수도 있다.

Inventors

가바리스 폴 티.
게디스 크리스 디.
고반루 알리

Assignees

래크리사이언시즈, 엘엘씨.

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20201014
Priority Date: 20191015

Claims (20)

표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance)을 사용하는 다중화된 피분석물 감지 장치(multiplexed analyte sensing apparatus)로서, 손으로 잡을 수 있는 하우징; 상기 손으로 잡을 수 있는 하우징에 부착되고, 사용자의 눈 위의 액체 샘플과 직접 접촉하며 상기 액체 샘플 내의 복수의 상이한 용질과 상호 작용하도록 구성되는 감지 표면을 갖는 센서; 상기 손으로 잡을 수 있는 하우징 내부에 배치되는 광 감지 디바이스; 상기 손으로 잡을 수 있는 하우징 내부에 배치되며, 상기 감지 표면에 의한 광 흡수의 패턴을 인코딩하는 복수의 전기 신호를 상기 광 감지 디바이스로부터 수신하기 위한 상기 광 감지 디바이스에 동작 가능하게 링크되는 컴퓨터 또는 마이크로프로세서로서, 상기 컴퓨터 또는 마이크로프로세서는 상기 패턴을 분석하는 것에 의해 상기 감지 표면과 접촉하는 단일의 연속적인 또는 단일의 샘플에서 상기 복수의 상이한 용질의 농도를 결정하기 위해, 상기 광 감지 디바이스로부터의 데이터를 분석하도록 프로그래밍되고, 상기 감지 표면은 상기 복수의 상이한 용질의 각각의 용질과 결합하도록 구성되는 복수의 상이한 분자 요소 또는 리간드를 구비하되, 상기 상이한 분자 요소 또는 리간드는 서로로부터 이격되는 각각의 사전 결정된 영역에서 상기 감지 표면 상에서 배치되는, 상기 컴퓨터 또는 마이크로프로세서; 상기 손으로 잡을 수 있는 하우징 내부에 배치되고 서로 상이한 파장을 갖는 전자기 방사선의 각각의 빔을 방출하는 복수의 광원; 상기 손으로 잡을 수 있는 하우징 내부에서 상기 복수의 광원과 상기 감지 표면 사이에서 적어도 부분적으로 배치되며 전자기 방사선의 각각의 빔을 상기 사전 결정된 영역의 각각의 영역을 향해 그리고 상기 액체 샘플의 반대쪽인 상기 감지 표면의 하부면에 지향시키도록 구성되는 전달 요소(transmission element)로서, 상기 감지 표면의 상기 하부면으로부터의 반사된 빔은 상기 광 감지 디바이스에 충돌하는, 상기 전달 요소 를 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제1항에 있어서, 상기 감지 표면은 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅을 구비하되, 상기 사전 결정된 영역은 상기 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅 상에 있는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제2항에 있어서, 상기 감지 표면 상에 제공되는 적어도 하나의 표면 조립 단분자층(surface-assembled monolayer)을 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 표면 조립 단분자층은, 상기 액체 샘플이 상기 사전 결정된 영역 각각에서 상기 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅과 접촉하게 이동하도록, 상기 감지 표면에 걸친 상기 액체 샘플의 확산을 적어도 부분적으로 향상시키도록 역할을 하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제3항에 있어서, 상기 표면 조립 단분자층은 상기 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅에 부착되는 알칸 티올기를 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제4항에 있어서, 상기 알칸 티올기 각각은 산성의 소수성 헤드(acidic hydrophobic head), 하이드록실 소수성 헤드, 또는 아미노기로 이루어지는 그룹으로부터 취해지는 말단 소수성 헤드(terminal hydrophobic head)를 구비하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제5항에 있어서, 상기 말단 소수성 헤드는 SH-(CH 2 ) n -COOH 및 SH-(CH 2 ) n 으로 이루어지는 그룹으로부터 취해지는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제4항에 있어서, 상기 분자 요소 또는 리간드는 상기 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅 반대쪽에 있는 상기 알칸 티올기의 활성 단부(active end)에 부착되는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제3항에 있어서, 상기 표면 조립 단분자층은, 상기 사전 결정된 영역에 걸쳐 상기 표면 조립 단분자층의 친수성 또는 소수성을 변화시키기 위해, 친수성 및 소수성 요소 둘 모두를 사전 선택된 양으로 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제3항에 있어서, 상기 표면 조립 단분자층은, a. 상기 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅에 부착되는 알칸 티올기로서, 상기 알칸 티올기는 말단 소수성 헤드 SH-(CH 2 ) n -COOH를 구비하는, 상기 알칸 티올기; b. 상기 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅에 부착되는 알칸 티올기로서, 상기 알칸 티올기는 말단 소수성 헤드 SH-(CH 2 ) n 을 구비하는, 상기 알칸 티올기; 및 c. 상기 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅의 친수성/소수성을 튜닝하기 위한 친수성 및 소수성 표면 조립 단분자층 요소 둘 모두의 혼합물 로 이루어진 군으로부터 취해지는 요소를 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제1항에 있어서, 상기 액체 샘플은, 생물학적 유체, 인간 유체, 동물 유체, 식품 및 음료로 이루어진 군으로부터 취해지고, 상기 용질은, 세포, 박테리아, 살충 성분(insect constituent), 식물성 성분, 직접적인 바이러스 또는 이들 각각의 용해물, 단백질, DNA 및 RNA, 용해된 양이온 또는 음이온, 엔도솜, 효소, 지질, 제약 화합물, 천연 및 인공 약물, 소분자, 용해된 기체로 이루어진 군으로부터 취해지는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제10항에 있어서, 상기 효소는 mmp-9를 포함하고; 상기 바이러스는 단순 포진(herpes Simplex), 대상 포진(herpes Zoster), 및 아데노바이러스를 포함하고; 상기 단백질은 락토페린, 트립타제(Tryptase) 및 인터루킨을 포함하고; 그리고 상기 소분자는 히스타민, 글루코스 및 프럭토스를 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제1항에 있어서, 손으로 잡을 수 있는 하우징 또는 케이싱을 더 포함하되, 상기 감지 표면은 상기 하우징 또는 케이싱 상에 배치되고, 상기 복수의 광원, 상기 광 감지 디바이스, 상기 컴퓨터 또는 마이크로프로세서 및 광학적 요소인 상기 전달 요소는 상기 하우징 또는 케이싱 내부에 배치되는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제1항에 있어서, 상기 컴퓨터 또는 마이크로프로세서는 상기 액체 샘플에서 다수의 용질 또는 피분석물을 실질적으로 동시에 검출하도록 구성되는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제1항에 있어서, 상기 센서는 표면 플라스몬 공명을 통한 피분석물 검출을 위한 일회용 센서(disposable sensor)이고, 상기 센서는, 피분석물 검출 디바이스로서, 상기 피분석물 검출 디바이스는 광 빔 생성 컴포넌트류(componentry), 광 빔 전달 또는 안내 컴포넌트, 광검출기 및 컴퓨팅 유닛을 포함하는, 상기 피분석물 검출 디바이스에 대한 부착을 위한 사전 결정된 기하학적 구성을 갖는 본체; 및 상기 본체의 감지 표면 상에 제공되는 귀금속의 기재(substrate); 를 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제14항에 있어서, 상기 기재는 습윤성을 제어하도록 처리되는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제15항에 있어서, 상기 기재의 습윤성을 제어하기 위한 상기 기재의 상기 처리는, 상기 감지 표면에 적어도 간접적으로 부착되는 다수의 분자 제제를 포함하되, 상기 다수의 분자 제제는 표면 조립 단분자층을 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제16항에 있어서, 상기 표면 조립 단분자층은 상기 감지 표면 상의 친수성 및/또는 소수성을 변경하도록 구성되는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제16항에 있어서, 상기 표면 조립 단분자층은 상기 감지 표면에 가변 비율의 친수성 및 소수성을 부여하도록 구성되는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제14항에 있어서, 상기 귀금속의 상기 기재는 15 내지 100㎎ 사이의 두께를 갖는 막이고; 상기 귀금속은 Au, Ag, Al, Pt, Rh, Cu 및 Ni로 이루어진 군으로부터 취해지고; 그리고 상기 감지 표면은 0.01 내지 50㎚ 사이의 두께의 접착제 층을 포함하는, 다중화된 피분석물 감지 장치.
제14항에 있어서, 상기 귀금속의 상기 기재는 플라즈마 프로세스를 통해 친수성 또는 소수성이 변경되는 금속막인, 다중화된 피분석물 감지 장치.

Description

액체 샘플의 피분석물의 다중화된 표면 플라스몬 공명 감지 본 발명은, 액체에 용해되는 또는 현탁되는 컴포넌트를 검출 또는 식별하기 위해 그리고 그러한 컴포넌트의 농도를 측정하기 위해, 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance)을 사용하는 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 타깃 성분(target constituent)은 바이러스, 박테리아, 엔도솜(endosom), 효소, 양이온, 음이온, 지질, 의약품, 약물 및 소분자를 포함한다. 본 발명은 인간 또는 동물의 눈물을 분석하고 측정함에 있어서 사용될 수 있다. 추가적으로, 본 발명은 다른 체액(body fluid)에서 용질의 농도를 식별 및 측정할 수 있거나, 또는 식품 또는 환경에서 병원균을 검출하기 위해 유사하게 활용될 수 있다. 미국 특허 번호 제8,249,682호는, 인간 또는 동물의 눈물과 같은 액체 샘플에서, 특히 항원을 포함하는, 피분석물 또는 화학적 마커를 검출하기 위한 감지 플랫폼으로서 표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR) 기술을 사용하는 장치를 개시한다. 특정한 항체는 SPR 센서 표면 상에 고정되거나 또는 그에 부착되는데, 이것은 항원과 같은 각각의 화학적 마커에 고유한 신호 생성으로 이어진다. 미국 특허 번호 제8,249,682호에 따른 휴대용 SPR 디바이스는 일차원 SPR 디바이스이다. 다시 말하면, 일회용 센서 프리즘(disposable sensor prism)의 전체 금 도금된 표면적은 눈물 샘플에서 하나의 피분석물의 검출을 위해서만 기능화되거나, 또는 디바이스가 눈물의 오스몰농도(osmolarity)를 측정하기 위해 귀금속 막만을 사용하는 경우, 전혀 기능화되지 않는다. SPR 감지 표면 상에서의 항체의 고정은, 눈물 샘플에서 미지의 농도의 항원 피분석물의 검출을 가능하게 하고, 그에 의해, 안구 질병 및 질환의 진단을 용이하게 한다. 의료 또는 다른 목적을 위해, 임의의 액체의 용질 또는 피분석물을 검출하기 위해, 동일한 프로시져가 사용될 수 있다. 광 흡수의 패턴의 컴퓨터 분석은, 예를 들면, 감지 표면에 의한 최대 흡수의 흡수선 포지션 또는 각도를 결정한다. 따라서, 표면 플라스몬 공명 장치의 동작은, 더 구체적으로는, 전기 신호 각각으로부터 표면 공명 각도 또는 흡수선 포지션을 결정하도록 컴퓨터 또는 마이크로프로세서를 동작시키는 것을 포함할 수도 있다. 미국 특허 번호 제8,249,682호의 장치는 액체 샘플의 상이한 피분석물 또는 용질이 감지 표면으로 상이한 레이트로 이동하는 것을 고려한다. 그 다음, 액체 샘플의 다수의 성분에 대한 정보를 제공하기 위해, 상이한 SPR 최소치가 순서대로 검출된다. 이동 레이트가 각각의 SPR 최소치의 검출을 용이하게 할 만큼 충분히 상이하지 않은 경우, 문제가 발생한다. 또한 테스팅 시간 및 재료를 감소시킬 필요가 있다. 본 발명은 액체 샘플에서 다수의 용질 또는 피분석물의 존재의 실질적으로 동시적 검출을 용이하게 하기 위한 SPR을 활용하는 개선된 디바이스 및/또는 신규의 개선된 방법론을 제공하는 것을 목표로 한다. 더 구체적으로, 본 발명은 단일의 센서를 통해 액체 샘플의 적어도 두 개의 컴포넌트의 농도를 동시에 측정하기 위해 개선된 방법론을 활용하는 개선된 2세대 SPR 디바이스를 고려한다. 디바이스는, 가정을 비롯한, 거래 채널(trade channel)을 따르는 임의의 지점에서 또는 생산 체인을 따르는 임의의 지점에서 음식 샘플을 테스트함에 있어서, 또는 임상적 용도를 위해 의도된다. 본 발명은, 사용이 간편하고, 비용 효율적이며, 안전하고 위생적인 그러한 디바이스 및/또는 방법을 제공하려고 시도한다. 본 발명은, 그 개시내용이 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 미국 특허 번호 제8,249,682호에서 설명되는 것과 같은 새로운 핸드헬드식 또는 휴대용 SPR 디바이스를 생산하기 위해 신규의 기술을 사용한다. 본 발명에 따르면, 다차원 또는 다중화된 검출 및 측정 디바이스는, 액체 샘플에서, 예컨대, 인간 눈물에서 용해된 또는 현탁된 컴포넌트의 동시적 검출을 위한 다수의 검출 채널을 생성하는 금 도금된 센서 표면 상의 차등적으로(differentially) 기능화된 위치 또는 영역을 나타낸다. 본 발명은 체액 및 식품 샘플을 예시적으로 포함하는 액체 샘플의 용해된 성분 및 그 액체 샘플에서의 피분석물을 검출 및 정량화하기 위해 SPR을 사용하는 것의 최신 기술에서의 큰 변화를 나타낸다. 의학의 분야에서, 본 발명은 업계의 오랫동안 기다려온 목표인 실시간 현장 진료 진단(real-time point-of-care diagnostic)을 제공한다. 따라서, 본 발명은 귀금속 센서 막 또는 특히 그 하부면 상의 코팅 상의 두 개 이상의 포지션에서 광을 집중시키는 것을 고려하는데, 이것으로부터 상이한 SPR 곡선(그들 각각의 피분석물 식별 최소치를 가짐)이 각각의 포지션에 대해 관찰될 수 있다. 센서 표면 상의 상이한 포지션으로부터 하나 이상의 SPR 곡선을 생성하는 것에 의해, 센서 표면 상에 배치되는 단일의 액체 샘플에서 하나 이상의 피분석물의 농도를 분석적으로 결정할 수 있다. 본 발명에 따르면, 핸드헬드식 또는 휴대용 SPR 측정 디바이스는, 센서 표면을 따라 또는 센서 표면 상의 각각의 위치에서 그 표면에 선택적으로 부착되는 액체 샘플의 하나 이상의 성분 피분석물의 존재를 검출할 수 있고, 그 농도를 측정할 수 있는데, 여기서 센서 표면은 SPR 측정 디바이스에 제거 가능하게 부착 가능한 단일의 일회용 센서 프리즘 상에서 제공된다. 상이한 포지션에서 센서 막 또는 코팅에 부딪히도록 각각의 광원을 지향시킬 때 유도되는, 상이한 센서 위치로부터의 신호는, 센서 표면 상의 상이한 위치로부터 SPR 신호를 다중화(생성)하는 것 및 그들을 광검출기 디바이스, 예시적으로, 전하 결합 소자와 같은 광전 트랜스듀서(opto-electrical transducer)의 어레이 상으로 지향시키는 것에 의해 실시간으로 실질적으로 동시에 수집될 수도 있다. SPR 표면의 기능화에 필요한 접착 링크 층(adhesion linking layer), 고정화 매트릭스, 및 리간드의 정밀한 퇴적(위치뿐만 아니라 미시적 층 두께 둘 모두)을 위한 필수 실현 기술은 젯팅(Jetting) 기반의 바이오프린팅 기술이다. 젯팅 기반의 바이오프린팅은, 기재(substrate) 상으로 적층되는 피코리터(picolitre) 바이오 잉크 액적을 사용하여 2D 구조물이 생성되는 비접촉 기술이다. 젯팅 기반의 바이오프린팅 방법은 높은 공간 해상도로 피코리터 볼륨의 액적을 분출할 수 있다. 본 발명에 따르면, 미국 특허 번호 제8,249,682호에서 설명되는 바와 같은 SPR 디바이스는, 광학적, 기계적 및/또는 전자적 수단에 의해 센서 상의 또는 센서를 따르는 상이한 포지션 상에 포커싱하도록 지향되는 빔을 갖는 다수의 광원 또는 단일의 광원을 통합할 수도 있다. (예를 들면, 마이크로프로세서로부터의 전기 신호는 광학 집속 요소를 기계적으로 조정하기 위해 전기 기계식 서보 메커니즘 또는 압전 액추에이터를 동작시킬 수도 있다.) 센서 표면의 차등 기능화(differential functionalization)를 가능하게 하고(이것은 다중화를 가능하게 함), 옵션 사항으로, 몇몇 경우에, 센서 표면의 습윤성(wettability)을 제어 또는 수정하기 위해, 본 발명은 표면 조립 단분자층(surface assembled monolayer: SAM)의 추가를 고려한다. 각각의 용질 결합제(binding agent) 또는 피분석물 결합제를 귀금속 센서 표면에 커플링하기 위해 상이한 SAM이 사용될 수도 있는데, 여기서 결합제는 액체 샘플에서 각각의 용질 또는 피분석물, 즉 항원을 유인하고 유지하기 위해 사전 선택되는 항체를 포함할 수도 있다. 표면 플라스몬 공명(SPR)을 사용하는 다중화된 피분석물 감지 장치는, 본 발명에 따르면, 액체 샘플과 접촉하기 위한 그리고 액체 샘플의 복수의 상이한 용질 또는 피분석물과 상호 작용하도록 구성되는 감지 표면, 광 감지 디바이스, 및 감지 표면에 의한 광 흡수의 패턴을 인코딩하는 복수의 전기 신호를 광 감지 디바이스로부터 수신하기 위한 광 감지 디바이스에 동작 가능하게 링크되는 컴퓨터 또는 마이크로프로세서를 포함한다. 컴퓨터 또는 마이크로프로세서는, 패턴을 분석하는 것에 의해 감지 표면과 접촉하는 단일의 연속적인 또는 단일의 샘플에서 복수의 상이한 용질의 농도를 결정하기 위해, 광 감지 디바이스로부터의 데이터를 분석하도록 프로그래밍된다. 감지 표면은 복수의 상이한 용질의 각각의 용질과 결합하도록 구성되는 복수의 상이한 분자 요소 또는 리간드를 구비하는데, 상이한 분자 요소 또는 리간드는 서로로부터 이격되는 각각의 사전 결정된 영역에서 감지 표면 상에서 배치된다. 따라서, 감지 표면은 각각의 용질 또는 피분석물의 존재 및 그들의 농도를 검출하기 위해 공간적으로 코딩되거나 또는 기능적으로 분할(패턴화)된다. SPR 장치는, 적어도 하나의 광원 및 광원과 감지 표면 사이에서 적어도 부분적으로 배치되며 전자기 방사선의 각각의 빔을 사전 결정된 영역의 각각의 영역을 향해 그리고 액체 샘플의 반대쪽인 감지 표면의 하부면에 지향시키도록 구성되는 광학적 전달 요소(optical transmission element)를 더 포함하고, 그 결과, 감지 표면의 하부면으로부터의 반사된 빔은 광 감지 디바이스에 충돌한다. (통상적으로 귀금속 기재 또는 막의 하부면은 크롬 층을 통해 센서 본체의 프리즘에 부착된다.) 광학적 전달 요소는 용질 감지 표면과 광 감지 디바이스 사이에서도 또한 부분적으로 배치될 수도 있다. 본 발명의 추가적인 피쳐에 따르면, (a) 용질 감지 표면은 적어도 하나의 귀금속 막, 층 또는 코팅을 구비하되, 사전 결정된 영역은 적어도 하나의 금속 막, 층 또는 코팅 상에 있고, (b) 감지 표면의 습윤성을 제어 또는 조정하기 위해, 즉, 감지 표면에 걸친 액체 샘플의 확산의 정도를 제어하기 위해, 감지 표면 상에 적어도 하나의 표면 조립 단분자층이 제공된다. 습윤성은, 예를 들면, 액체 샘플이 사전 결정된