상용전자부품을 이용한 직관적이고 경제적인 바이오센싱 플랫폼의 개발

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor윤현철-
dc.contributor.authorHan Yong Duk-
dc.date.accessioned2018-11-08T08:22:10Z-
dc.date.available2018-11-08T08:22:10Z-
dc.date.issued2015-02-
dc.identifier.other19307-
dc.identifier.urihttps://dspace.ajou.ac.kr/handle/2018.oak/13208-
dc.description학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :분자과학기술학과,2015. 2-
dc.description.abstractThe commercialized common electronics components were reassembled and utilized for the materialization of cost-effective and user-friendly biosensing platform. 1. For the accurate boronate-based biosensing of glycated hemoglobin (HbA1c) in whole blood, commercial hard-disk drive (HDD)-mediated hemoglobin separation system was developed. By using the developed hemoglobin separator, hemoglobin was isolated with high purity from the whole blood sample containing glycosylated biomolecules which can be a signal interference in the boronic acid-based HbA1c detection. Based on the developed sample preparation technique and boronic acid-mediated electrochemical affinity biosensing method, HbA1c in whole blood was quantified linearly within a range of 4.5% to 15% from the separated hemoglobin samples (HbA1c/total hemoglobin). 2. By reassembling common office supplies, an intuitive optical biosensing system was developed. A laser pointer and the solar cell from a calculator were utilized in the developed optical biosensing system as the light source and signal transducer, respectively. For intuitive signal evaluation, a multimeter was used. The two types of conventional enzymatic colorimetric assays using peroxidase were employed with the optical biosensing system. In this system, the optical biosensing signals from the colorimetric assays are appeared as changes in DC voltages on the multimeter. By using the developed optical biosensor, the glucose and protein biomarker (urinary cross-linked C-telopeptide of type II collagen; uCTX-II) were quantitatively analyzed. With glucose, the voltages registered were linearly correlated with the glucose concentration, from 0 to 10 mM. Using a competitive immunoassay for uCTX-II, the system exhibited a calibration curve with a dynamic detection range between 1.3 and 10 ng/mL uCTX-II. 3. The applicability of previously developed optical transducing system employing common electronics components to the nanoparticle-based optical analysis was demonstrated. For the diverse application, a light source module containing two different laser diodes (532 nm laser and 635 nm) were newly fabricated and adapted to the optical transducer comprising multimeter and solar cell. As a model nanoparticle, two types gold nanoparticle including spherical gold nanoparticle (GNP) exhibiting maximum absorbance at 526 nm and gold nanorod (GNR) exhibiting maximum absorbance at 624 nm were prepared and utilized as an optical signaling probe. By matching the emission spectra of lasers and absorption spectra of nanoparticles, DC voltage-based signals could be registered. For the assessment of our system to immunosensing, as model immunoreaction pairs, anti-mouse IgG/mouse IgG pair and anti-human IgG/human IgG pair were employed. To the superparamagnetic microparticles (MPs), anti-mouse IgG and anti-human IgG were modified as a capturing antibody. To the GNPs and GNRs, mouse IgG and human IgG were conjugated as an antigen, respectively. As a result, the concentration of GNPs and GNRs were changes in accordance with the amount of their corresponding MPs via immunoaffinity reaction on the developed optical transducing system. Based on these findings, we propose new biosensing platform technology based on the reassembling of common electronics components which can be adapted to various applications.-
dc.description.tableofcontentsABSTRACT•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••i CONTENTS••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••iii LIST OF FIGURES••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••viii Chapter I. General Introduction•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.1 Biosensor•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 1.1.1 Electrochemical transducers••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4 1.1.2 Optical transducers•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4 1.2 Limitations of the conventional biosensor•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5 1.2.1 Spectrophotometric biosensor•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6 1.2.2 Fluorescence-based biosensor•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6 1.2.3 Plasmonic biosensor••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7 1.3 Solution and Approaches•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8 1.4 Objectives of the dissertation•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10 1.5 References•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13 Chapter II. Utilization of Hard Disk Drive (HDD) as Hemoglobin Separator for Accurate Bioelectrocatalytic Detection of Glycated Hemoglobin (HbA1c) using Boronate-modified Surface••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15 Abstract•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16 2.1 Introduction•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17 2.2 Experimental section 2.2.1 Chemicals and apparatus••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22 2.2.2 Preparation of HDD-based blood component separator••••••••••••••••••••••••••••22 2.2.3 Pretreatment of whole blood for separation of hemoglobin•••••••••••••••••••••••23 2.2.4 Confirmation of separation capacity for hemoglobin•••••••••••••••••••••••••••••••26 2.2.5 Synthesis of Cys-FPBA2 and electrode fabrication •••••••••••••••••••••••••••••••••26 2.2.6 Confirmation of boronate SAM formation on Au electrode•••••••••••••••••••••••27 2.2.7 Optimization of the HbA1c detection condition••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28 2.2.8 HbA1c detection using HbA1c-GOx competition assay•••••••••••••••••••••••••••••28 2.3 Results and Discussion 2.3.1 Evaluation of separated hemoglobin••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29 2.3.1.1 Removal of protein fraction••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••30 2.3.1.2 Removal of glucose fraction••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32 2.3.1.3 Rotation speed and flow rate•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32 2.3.2 Confirmation of boronate SAM formation on Au by cyclic voltammetry •••••••35 2.3.3 Optimization of signal intensity by the control of GOx concentration•••••••••••39 2.3.4 Electrochemical detection of the %HbA1c••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42 2.3.4.1 Electrochemical detection of reagent HbA1c sample••••••••••••••••••••••••••42 2.3.4.2 Electrochemical detection of the %HbA1c in human blood sample•••••••••44 2.4 References•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••47 Chapter III. A Low-cost Colorimetric Biosensing Platform for Variable Purpose Employing Reassembled Common Office Supplies as an Intuitive Optical Transducer •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••51 Abstract•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••52 3.1 Introduction•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••53 3.2 Experimental section 3.2.1 Chemicals and apparatus••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••58 3.2.2 Construction of the optical transducer using common office supplies••••••••••••58 3.2.3 Fabrication and surface modification of the reaction channel•••••••••••••••••••••59 3.2.4 Fabrication of the biorecognition layer for glucose biosensing••••••••••••••••••••62 3.2.5 Fabrication of the biorecognition layer for uCTX-II immunosensing••••••••••••64 3.2.6 Validation of the optical biosensing principle••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••66 3.2.7 Detection of glucose and control of biosensor sensitivity••••••••••••••••••••••••••66 3.2.8 Competitive immunoassay of uCTX-II•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••67 3.3 Results and Discussion 3.3.1 Signaling principle of the optical biosensing system••••••••••••••••••••••••••••••••70 3.3.2 Characterization of the surface functionality on the reaction channel••••••••••••71 3.3.3 Verification of the developed optical transducing principle••••••••••••••••••••••••74 3.3.3.1 Enzymatic colorimetric using GOx-HRP multienzyme reaction••••••••••••74 3.3.3.2 Enzymatic colorimetric using HRP-TMB reaction•••••••••••••••••••••••••••76 3.3.4 Glucose detection and sensitivity control•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••78 3.3.5 Competitive immunosensing of uCTX-II•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••83 3.4 References•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••88 Chapter IV. Development of an Intuitive Optical Transducing Platform For the Analysis of Metal Nanoparticle-based Colorimetry and Its Application to the Immunosensor Utilizing Superparamagnetic Microparticle as an Immunosensing Substrate••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••91 Abstract•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••92 4.1 Introduction••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••93 4.2 Experimental 4.2.1 Materials and apparatus•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••98 4.2.2 Construction of the optical transducer with dual laser sources••••••••••••••••••••98 4.2.3 Preparation of the optical probes ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••99 4.2.3.1 Preparation of the GNPs and GNP-antibody conjugates••••••••••••••••••••101 4.2.3.2 Preparation of the GNRs and GNR-antibody conjugates••••••••••••••••••••102 4.2.4 Conjugation of antibody with superparamagnetic micro-particle••••••••••••••••103 4.2.5 Verification of the optical transducing principle•••••••••••••••••••••••••••••••••••105 4.2.6 Validation of the developed optical immunosensing strategy ••••••••••••••••••••107 4.3 Results and discussions 4.3.1 Signaling principle of the developed optical biosensing system ••••••••••••••••108 4.3.2 Characterization of the prepared optical probes •••••••••••••••••••••••••••••110 4.3.3 Verification of the developed optical signaling principle •••••••••••••••••••••••••113 4.3.3.1 GNP-based optical transducing•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••113 4.3.3.2 GNR-based optical transducing•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••114 4.3.4 Applicability verification of the developed optical transducing system toward immunosensing ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••117 4.3.4.1 GNP-based optical immunosensing••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••117 4.3.4.2 GNR-based optical immunosensing••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••120 4.4 References••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••122 Chapter V. Conclusions and Perspectives•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••125 Appendix•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••130 Summary in Korean•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••134 Acknowledgement••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••140-
dc.language.isoeng-
dc.publisherThe Graduate School, Ajou University-
dc.rights아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.-
dc.title상용전자부품을 이용한 직관적이고 경제적인 바이오센싱 플랫폼의 개발-
dc.title.alternativeYong Duk Han-
dc.typeThesis-
dc.contributor.affiliation아주대학교 일반대학원-
dc.contributor.alternativeNameYong Duk Han-
dc.contributor.department일반대학원 분자과학기술학과-
dc.date.awarded2015. 2-
dc.description.degreeDoctoral-
dc.identifier.localId695787-
dc.identifier.urlhttp://dcoll.ajou.ac.kr:9080/dcollection/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000019307-
dc.subject.keyword바이오센싱-
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Graduate School of Ajou University > Department of Molecular Science and Technology > 4. Theses(Ph.D)
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