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A study to develop label-free biosensors for electrochemical detection of disease-specific biomarkers for early diagnosis
- Author(s)
- 황철진
- Alternative Author(s)
- Chuljin Hwang
- Advisor
- 김주희, 김수동, 박성준
- Department
- 일반대학원 약학과
- Publisher
- The Graduate School, Ajou University
- Publication Year
- 2022-08
- Language
- eng
- Abstract
- Chapter 1. SARS-CoV-2 (COVID-19) 현장진단검사를 위한 초고속 및 재활용 가능한 DNA 바이오센서 신속한 진단과 격리는 중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)의 현재 팬데믹을 제어하는 데 효과적이다. 본 연구에서는 실시간, 저비용, 높은 처리량 스크리닝을 보여주는 SARS-CoV-2 검출을 위한 비표지 방식의 DNA 정전 용량 바이오센서를 개발하였다. 유리 기판위에 백금/티타늄 전극으로 구성된 바이오센서는 타겟 DNA와 프로브 DNA의 혼성화에 의한 정전 용량 변화를 감지할 수 있다. 특정 DNA 시퀀스와 결합 신호는 푸리에 변환 적외선 (FT-IR) 분광법, 접촉각 분석, 용량-주파수 측정과 같은 철저한 물리화학적 분석 기법을 통해 검증되었다. 단일 단계 혼합 반응의 경우, 바이오센서는 0.843 nF/nM의 높은 감도로 SARS-CoV-2 RNA 의존 RNA 중합효소(RdRp) 유전자의 영역을 검출하는 데 상당한 민감도 (정전율 변화, ∆C = ~2nF)를 보였다. 정전 용량 변화와 더불어 형광 염료가 부착된 SARS-CoV-2 유전자의 형광 이미지와 강도에 의해서도 검출이 확인되었다. 또한 바이오센서는 자외선 조사를 사용한 표면 오존 처리를 통해 재활용이 가능하다는 것이 입증되다. 따라서 본 연구의 바이오센서는 잠재적으로 비표지 방식으로 다양한 유형의 DNA에 사용될 수 있으며, 여러 질병에 대한 빠르고 비용 효율적인 역할을 할 수 있다. Chapter 2. 인듐-갈륨-징크 산화물 기반 전해질 게이트 박막 트랜지스터를 사용한 요오드 이온의 빠른 정량 검출 본 연구에서는 졸-겔 인듐-갈륨-징크 산화물 기반 전해질 게이트 박막 트랜지스터 (IGZO-EGTFTs)를 기반으로 한 신속 검출 요오드 이온 바이오센서를 개발하였다. EGTFTs는 IGZO 채널과 생리적 유체 (즉, 인산염 완충 식염수 및 인공 소변 용액) 사이의 계면에서 높은 전기 이중 층 캐패시턴스 (6.2μF/cm2)로, 높은 ON/OFF 상태 전류비로 0.5V 이하에서 동작 가능하며, 전도도 값은 1.14Ms이다. IGZO-EGTFTs의 새로운 전기화학적 반응은 우수한 전기적 특성뿐만 아니라 광범위한 요오드 이온 농도, 1μM의 낮은 검출 한계, 0.1초 미만의 응답 시간, 높은 선택성과 선형 반응을 가능하게 한다. 전기화학적 임피던스 분광분석에 기초하여 IGZO-EGTFTs의 요오드화 이온 검출 메커니즘을 검증하였다. 향후 IGZO-EGTFTs는 사람의 소변과 혈청을 위한 빠르고 재사용 가능한 이온 바이오센서의 개발에 기여할 것으로 기대된다. Chapter 3. 소변검사를 위한 현장 진단형 최신 바이오센싱 플랫폼 기술에 대한 체계적 검토 소변은 비침습적으로 채취할 수 있고 쉽게 사용할 수 있으며 환자의 건강 상태에 대한 유용한 지표를 제공할 수 있는 많은 구성 요소를 포함하고 있다. 따라서 소변은 일반적인 임상 상태를 진단하는 데 도움이 되는 중요한 검체이다. 소변 분석에는 요시험지봉 검사, 소변 배양, 소변 현미경 검사와 같은 방법이 일반적으로 사용된다. 그 중에서도 요시험지봉 검사는 사용 편의성, 저렴한 비용, 빠른 응답 때문에 가장 선호되는 검사 방법이지만, 이러한 장점에도 불구하고, 민감도, 선택성 및 재사용성 측면에서 현장진단형 테스트 장치로써 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 바이오센서 기술이 개발되어 현장진단형 테스트 장치로써 잠재력을 보여주고 있다. 본 연구에서는 요시험지봉 검사에 의해 검출되는 소변 기반 바이오마커를 검출할 수 있는 바이오센서 기술에 대한 체계적인 검토를 제시하고 소변 분석을 위한 현장진단형 테스트 장치로써 현재의 한계와 과제에 대해 논의한다. Chapter 4. 피부와 호환되는 웨어러블 PPG 센서에 대한 체계적 검토 인간 친화적이고 웨어러블 PPG (Photopolysmography) 센서의 급속한 발전으로 생리적 상태에 대한 지속적이고 실시간 모니터링이 위치에 제약 받지 않고 자가 건강관리가 가능해졌다. 본 연구에서는 실리콘, 무기, 유기흡수체로 분류되는 광흡수성 반도체 재료와 함께 사람 피부에 부착된 생물학적 신호를 정확하고 안정적으로 감지하기 위한 최첨단 피부 호환 PPG 센서와 개발 전략에 중점을 둔다. 피부 호환 PPG 기반 모니터링 기술의 과제와 추가적인 개선 사항도 논의된다. 우리는 이러한 기술 발전이 생물의학 전자장치의 도움을 통해 정확한 진단 평가를 가속화할 것으로 기대한다.
- Alternative Abstract
- Chapter 1. Ultra-fast and recyclable DNA biosensor for point-of-care detection of SARS-CoV-2 (COVID-19). Rapid diagnosis and case isolation are pivotal to controlling the current pandemic of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). In this study, a label-free DNA capacitive biosensor for the detection of SARS-CoV-2 that demonstrates real-time, low-cost, and high-throughput screening of nucleic acid samples is presented. Novel biosensor composed of the interdigitated platinum/titanium electrodes on the glass substrate can detect the hybridization of analyte DNA with probe DNA. The hybridization signals of specific DNA sequences were verified through exhaustive physicochemical analytical techniques such as Fourier transform infrared (FT-IR) spectrometry, contact-angle analysis, and capacitance-frequency measurements. For a single-step hybridized reaction, the fabricated kit exhibited significant sensitivity (capacitance change, ∆C = ~2 nF) in detecting the conserved region of the SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) gene with high sensitivity of 0.843 nF/nM. In addition to capacitive measurements, this selective detection was confirmed by the fluorescence image and intensity from a SARS-CoV-2 gene labeled with a fluorescent dye. It has been also demonstrated that the kits are recyclable by surface ozone treatment using UV irradiation. Thus, these kits could potentially be applied to various types of label-free DNA, thereby acting as rapid, cost-effective biosensors for several diseases. Chapter 2. Quantitative and Rapid Detection of Iodide ion via Electrolyte-Gated IGZO Thin-film Transistors. In this study, rapid-detection iodide ion sensors based on sol-gel indium-gallium-zinc-oxide electrolyte gated thin-film transistors (IGZO-EGTFTs) have been examined. With a high electrical-double-layer capacitance (6.2 μF/cm2) at the interface between IGZO channel and physiological fluid (i.e., phosphate-buffered saline and artificial urine solution), the EGTFTs can be operated under 0.5 V with a high ON and OFF state current ratio above 108, and transconductance value of 1.14 mS. In addition to excellent electrical characteristics, the novel electrochemical reaction of IGZO-EGTFTs enables high selectivity and linear response over a wide detection range of iodide ions concentration (from 1 to 104 μM), the limit of detection as low as 1 μM, and response time below 0.1 s. The mechanism of iodide ions detection of IGZO-EGTFT was investigated based on electrochemical impedance spectroscopy analysis. It is expected that IGZO-EGTFTs will contribute to the development of point-of-care rapid and reusable ion-sensors for human urine and serum. Chapter 3. Systematic review on recent advances in biosensor technologies for point-of-care urinalysis. Urine samples are a non-invasive, readily available biological liquid and contain many components that indicate the health of patients, making them a very desirable and important source aiding in the diagnosis of common clinical. Conventional methods such as dipstick tests, urine culture, and urine microscopy are used for urinalysis. Among them, the dipstick test is undoubtedly the most popular due to its ease to use, low cost, and quick response. Despite these advantages of the dipstick test, it has still limitations in terms of sensitivity, selectivity, and reusability. To overcome the limitations of the dipstick test, so far, various biosensor technologies are being developed showcasing potential in Point-of-care (POC) applications. Here, a systematic review presents the biosensor technologies available to identify urine-based biomarkers which are detected by dipstick tests and discuss present limitations and challenges for translating into POC application for urinalysis. Chapter 4. Systematic review on human skin-compatible wearable photoplethysmography sensors. The rapid advances in human-friendly and wearable photoplethysmography (PPG) sensors have facilitated the continuous and real-time monitoring of physiological conditions, enabling self-healthcare without being restricted by location. This paper focuses on state-of-the-art skin-compatible PPG sensors and strategies to obtain accurate and stable sensing of biological signals adhered to human skin along with light-absorbing semiconducting materials that are classified as silicone, inorganic, and organic absorbers. The challenges of skin-compatible PPG-based monitoring technologies and their further improvements are also discussed. It is expected that such technological developments will accelerate accurate diagnostic evaluation with the aid of biomedical electronic devices.
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- Graduate School of Ajou University > Department of Pharmacy > 4. Theses(Ph.D)
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