Study on label-free biosensors based on bio-functionalized long-period fiber gratings
- Alternative Title
- 바이오 기능화된 장주기 광섬유 격자 기반 비표지 바이오 센서에 관한 연구
- Abstract
- 광학 바이오 센서는 생물학적 상호 작용 및 반응에서 유도되는 광학 신호의 변화를 통해 특정 생체 물질을 감지하는 기술이며, 그 중에서도 광섬유 격자를 기반으로 하는 광학 바이오 센서는 소형, 경량, 전자기 간섭에 대한 내성, 광섬유 호환성, 제조 용이성 등의 장점으로 인해 다양한 생체 매개 변수를 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 고감도 검출 기술로 사용되고 있다. 특히, 장주기 광섬유 격자(long-period fiber grating: 이하 LPFG)를 기반으로 하는 광섬유 바이오 센서는 격자 영역의 클래딩(cladding)을 둘러싼 매체의 굴절률을 측정함으로써 생체 매개 변수를 감지하는 데 활용되어 왔다. 본 논문에서는 CO2 레이저를 이용하여 2 개의 동일한 LPFG 사이에 위상 천이 구간이 인가된 위상 천이 LPFG(phase-shifted LPFG: 이하 PS-LPFG)를 제작하고, 다양한 생체 물질을 선택적으로 검출 및 진단하기 위한 비표지 바이오 센서를 제안하였다. 제작된 PS-LPFG는 하나의 투과 스펙트럼(transmission spectrum)으로 부터 서로 다른 파장을 갖는 2 개의 분할된 감쇠(attenuation) 대역을 제공함으로써 스펙트럼의 효율성을 높이며 이러한 분할된 감쇠 대역의 파장 변화는 외부 매개 변수의 변화를 정량적으로 측정하는 센서 지시자로 사용되었다. 또한, 제작된 PS-LPFG는 특정 생체 물질과의 선별성 및 결합력을 높이는 바이오 기능화 처리를 통해 SARS-CoV-2 스파이크 단백질 (spike protein) 및 글루코스(glucose)에 대한 고감도 선택적 바이오 검출을 각각 수행하였다. 그 결과, SARS-CoV-2 스파이크 단백질에 대한 항체 고정화를 통해 바이오 기능화된 PS-LPFG는 SARS-CoV-2 단백질 항원에 대한 검출 한계를 일반 배지(standard buffer)에서 1 pg/mL, 바이러스 수송 배지(virus transport medium)에서100 pg/mL 로 달성하였으며, MERS-CoV 항원과의 교차 반응(cross-reactivity) 실험을 통해 SARS-CoV-2에 대한 선택적 검출이 가능함을 보였다. 또한, 글루코스에 대한 선택적 검출이 가능한 바이오 기능화된 PS-LPFG는 글루코스 산화효소(glucose oxidase)의 고정화를 통해 구현되었으며 5mM에서 25mM의 농도별 글루코스에 대한 선형적 검출 특성을 제공하였다. 따라서 제작된 바이오 기능화된 PS-LPFG는 특정 생체 물질의 정량적 검출이 가능함을 보여주며, 다양한 생체 분석물에 대한 실시간 비표지 검출 플랫폼으로 제공될 수 있음을 증명하였다.
- Issued Date
- 2021
- Awarded Date
- 2021. 2
- Type
- Dissertation
- Publisher
- 부경대학교
- Affiliation
- 부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 의생명융합공학협동과정
- Advisor
- 이용욱
- Table Of Contents
- Chapter 1 Introduction 1
1.1. Research background and purpose 1
Chapter 2 Operation Principle of Long Period Fiber Grating 3
2.1. Long period fiber grating (LPFG) 3
2.2. Fundamental principle of LPFG 5
2.2.1. Mode coupling in LPFG 5
2.3. Sensing characteristics of LPFG 6
2.3.1. Sensing characteristics of LPFG to the ambient temperature 6
2.3.2. Sensing characteristics of LPFG to the refractive index of the surrounding medium 6
2.3.3. Refractive index sensitivity enhancement of LPFG 7
Chapter 3 Fabrication and Characteristics of Phase-Shifted Long Period Fiber Grating 9
3.1. Phase-shifted long period fiber grating (PS-LPFG) 9
3.2. Principle design of PS-LPFG 10
3.3. Fabrication of PS-LPFG by CO2 laser irradiation 13
3.3.1. Experimental setup 13
3.3.2. Simulation and experimental results 15
Chapter 4 Biosensor Application of Phase-Shifted Long Period Grating 17
4.1. SARS-CoV-2 spike protein detection 17
4.1.1. Introduction 17
4.1.2. Fabrication of the antibody-immobilized PS-LPFG 20
4.1.3. Experimental setup for the detection of SARS-CoV-2 spike protein 24
4.1.4. Experimental results 26
4.1.5. Summary 38
4.2. Glucose detection 40
4.2.1. Introduction 40
4.2.2. Fabrication of the enzymatic GO-coated PS-LPFG 43
4.2.3. Experimental setup for the glucose detection 48
4.2.4. Experimental results 50
4.2.5. Summary 59
Chapter 5 Conclusions and Future Research 62
References 65
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- Doctor
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- 대학원 > 의생명융합공학협동과정
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