A Carbon-black-poly(dimethylsiloxane) Patterned Paper Device using Photothermal-based Nucleic Acid Amplification for Energy-efficient Point-of-care Testing

Abstract

핵산 증폭법은 분자 진단에서의 중요한 기술 중 하나로 병원체, 바이러스성 질병, 유전병 진단, 포렌식 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이 중 가장 보편화된 기술은 중합효소연쇄반응 (PCR)으로, 각기 온도가 다른 세 가지의 단계를 한 사이클로 하여 30–40회의 반복을 통해 핵산을 수백만개로 증폭시킨다. 단계마다의 다른 온도로 인하여 정밀하고 빠른 온도 변화가 중요하며 이에 따라 온도 전환 기기를 필수적으로 필요로 한다. 하지만 이는 별도의 검사실이 아닌 환자가 있는 장소에서 진단을 수행할 수 있는 현장 진단에 적합하지 않다. 이에 따라 일정한 온도 아래에서 핵산 증폭을 수행할 수 있어 PCR에 비해 훨씬 간단한 등온 증폭법이 개발되었다. 많은 종류의 등온 증폭법 중 민감도와 특이도가 높은 loop-mediated isothermal amplification (LAMP)가 많이 사용되고 있다. LAMP의 경우, 65 ℃에서 핵산 증폭이 수행된다. 하지만 이 경우에도 상온보다 높은 온도에서 반응이 일어나기 때문에 오븐, 핫 플레이트와 같이 많은 전력을 사용하는 외부 장치가 필수적이다. 따라서, 핵산 증폭법을 현장 진단에 적용하기 위해서는 작고 가벼우며, 휴대성이 높고, 전력 사용과 외부 장치로의 의존성을 최소화하는 것이 중요하다. 이에, 본 연구에서는 카본-블랙-폴리디메틸실록산 (PDMS)이 패터닝된 종이 기반 소자를 핵산 증폭을 위한 가열 플랫폼으로써 제작하였다. 카본 블랙은 특정 빛을 흡수하여 열로 전환시킬 수 있는 광열 물질로, 808 nm의 레이저 빛 아래에서 열을 발생시키기 위하여 사용되었다. 이 광열효과를 이용하여, 단 시간 내에 타겟 유전자 서열을 증폭할 수 있는 loop-mediated isothermal amplification (LAMP)를 수행하여 식인성 병원체인 Escherichia coli (E. coli) O157:H7 DNA의 rfbE 유전자를 증폭하였다. 종이 기반 소자에 패터닝되는 카본 블랙의 농도와 PDMS의 혼합 비율을 변경하여 타겟 온도를 최적화하였으며, LAMP를 수행하는 데 필요한 최소한의 레이저 출력 세기 또한 최적화하였다. 본 연구에서 제안하는 종이 기반 소자를 이용하여 LAMP 수행 시 15분 이내에 결과 확인이 가능하며 종이 기반 소자의 색 변화를 통하여 타겟 DNA의 존재 유무를 육안으로 확인할 수 있다. 종이 기반 소자를 활용하여 타겟인 E. coli O157:H7 DNA의 rfbE 유전자를 102 CFU mL-1의 검출 한계를 가지고 특이적으로 검출하였다. 종이 기반 소자를 현장 진단에 적용할 수 있는 가능성을 높이기 위해, 808 nm 레이저 다이오드를 이용한 장치 또한 개발하였다. 레이저 다이오드 장치는 전력 소비량을 최소화할 수 있도록 휴대용 배터리를 통하여 구동되었으며, 2 W h의 매우 적은 전력 소비량을 가지고 있다. 본 연구에서 제안하는 종이 기반 소자는 저렴하고 일회성이며, 손쉽게 제작이 가능하다. 뿐만 아니라, 레이저 다이오드 장치는 작고 가벼워 휴대성이 높으며, 적은 전력 소비량을 보인다. 이를 통해, 종이 기반 소자와 레이저 다이오드 장치는 용이한 현장 진단을 위한 도구로써 활용할 수 있을 것이라 사료된다.