복부 대동맥류(AAA)는 복부 대동맥 하부 동맥 확장을 말하며, 진단을 위한 조기 검출 도구 개발이 시급합니다. 본 연구에서는 복합 전극(IDE) 센싱 표면으로 AAA 형성을 반영하는 miRNA-335-5p를 검출했습니다. 3D 프로필로메트리로 실리카 소재 균일성 관찰, 화학 개질 고전도 표면으로 I-V 모드 검출 향상. 표적 miRNA-335-5p는 비오틴화 프로브로 선량 의존적 검출, 선형 회귀와 3σ 분석으로 감도 1 fM 결정. 비상보서열, 단일/삼중 불일치 서열 구별로 높은 특이성 입증. 이 결과들로 miRNA-335-5p 고성능 검출, 좋은 재현성으로 AAA 중증도 판단 가능함 입증.
복부 대동맥류(AAA)는 복부 대동맥 직경 >3cm 또는 정상보다 큰 상태로 정의되는 생명을 위협하는 질환입니다[1, 2]. 동맥경화나 플라크 축적으로 복부 대동맥 벽 약화돼 풍선처럼 바깥쪽으로 돌출. 시간이 지나며 동맥 벽 확장, 노후된 정원 호스와 유사. 대동맥 혈액 펌핑 압력으로 약화 부위 바깥쪽 팽창, 동맥류 형성. 약화된 대동맥 부분 합병증으로 AAA 발생[3,4,5,6]. 작은 동맥류 파열로 사망 가능. 현재 신체검사, 컴퓨터 단층촬영 혈관조영술, 자기공명영상, 초음파 검사로 진단[7,8,9,10]. 그러나 AAA 검출 방법 없어 다른 건강 문제 분석 중 우연히 발견 흔함. 이로 AAA 식별 지연, 불필요한 건강 문제 초래. 이 문제 극복 위해 조기 검출법 개발 필요, 잠재적 전략 중 센싱 시스템 개발.
조기, 신속, 민감한 질병 정량적 검출은 임상 진단 핵심 목표. 현재 바이오센싱 플랫폼 여러 요구 충족하나 적절한 실험실 환경과 훈련 필요. 대부분 휴대성 부족해 이상적 현장 진단(point-of-care) 부적합[11, 12]. 또한 의사가 정확 신속 의사결정 돕기 위해 바이오마커 수준 변화 분석 매우 바람직. 특정 영역 발현 순환 바이오마커 추가 조사로 AAA 진단 및 치료 경과 추적 가능. 이런 순환 바이오마커 식별로 질병 진단과 치료 후 환자 추적 도움. 이 필요 충족 위해 본 연구 AAA용 적정 바이오마커 센서 제안. 본 연구 제안 센서(복합 전극)는 다양한 바이오마커 고성능 분석 잠재력. 유전체 측정 하 교대 간격과 핑거로 작동하는 이중전극 시스템[13,14,15].
바이오마커는 DNA, RNA, 단백질, 탄수화물, 지질 및 변형체 등 생체분자 가능[16, 17]. 또한 비번역 RNA가 세포 시스템 발현되나 단백질로 번역 안 됨 보고[18]. 비번역 RNA는 보통 단백질로 번역 안 되고 짧은 서열 가짐[18,19,20,21]. 마이크로RNA(miRNA), 리보솜 RNA, 트랜스퍼 RNA, 소핵소체 RNA, 소핵 RNA, 텔로머라제 RNA, snRNA, Xist RNA, 볼트 RNA, 7SL RNA 등 다양한 비번역 RNA 클래스 보고. miRNA는 주로 유전자 발현 전사/전사후 조절 기능, 유전자 침묵 유도[22]. 최근 miRNA가 AAA 예측 중요성 기술, AAA 환자에서 miRNA-335-5p 발현 감소 보고[23]. 임상 인자와 마이크로RNA 발현 조합이 질병 예측 획기적 개선, 정확도 증가 입증[24]. 연구자들은 특히 miRNA-335-5p 주목, 급속 성장 AAA 환자에서 현저히 최소 범위 표시[2, 23]. 또한 miRNA-335-5p 수준 감소로 성장 AAA 검출 신뢰도 향상. 즉 miR-335-5p 음성 출력(높은 수준)이 AAA 중증도 지시, 번거로운 선별 최소화. 이 발견 Wanhainen 등[23] 입증, miRNA가 AAA 선별 및 급속 성장 AAA 위험 제거 유용 바이오마커임 확인. 본 연구 복합 전극(IDE) 센서 이용 miRNA-335-5p 검출로 환자 AAA 중증도 판단 응용 시연.
스트렙타비딘, 1,1'-카르보닐디이미다졸(CDI), 인산염 완충 용액(PBS) Sigma-Aldrich, USA 구입. 에탄올아민 Fisher Scientific, UK 구입. 모든 올리고뉴클레오티드 Apical Scientific Sdn. Bhd., 말레이시아에서 상업적 합성.
초기 유전체 센서 패턴 AutoCAD 소프트웨어로 설계. 희망 치수: 길이 7500 μm, 폭 4100 μm, 20 핑거-갭 쌍, 갭 크기 85 μm, 전극 크기 100 μm, 전극 두께 40 nm, 핑거 길이 4000 μm. 패턴 블랭크 포토마스크 인쇄 후 크롬 유리 표면 부착. 크롬 유리 UV 노출 시스템 고정 패턴 전사 절차 진행. 알루미늄 박막 증착 이산화규소 기판 크롬 유리 반대 방향 배치 UV 라이트 10초 노출. 패턴 전사 후 레지스트 현상액으로 현상 공정.
표면 전극 기존 마이크로전자 제조 공정으로 제작: (i) 기존 네이티브 산화막 4인치 웨이퍼 준비. (ii) 완충 산화물 식각(BOE)과 피라냐 용액으로 웨이퍼 세정, 네이티브 산화막과 무기 오염물 제거. (iii) 1000°C에서 1시간 습식 열산화로 2800Å 두께 산화막 성장. (iv) 산화막 웨이퍼 4등분 취급 용이. (v) 금속층 증착, 전도층 접착층으로 l 사용. 열증착 기반 물리 증착법으로 알루미늄층(40 nm) 3 cm 길이, 0.5 mm 직경 생성. (vi) 양성 포토레지스트 기판 스핀코팅. (vii) 90°C 60초 소프트 베이크. (viii) 크롬 마스크 정렬 UV 라이트 10초 노출. (ix) 15초 내 RD6 현상액 세척 미노출 영역 제거, 산화막 포함 IDE 패턴 생성. (x) 90°C 120초 하드 베이크. (xi) 왕수 식각으로 두 층 노출 영역 제거. (xii) 표면 패턴 생성, 남은 포토레지스트 아세톤 세척. 3D 나노프로필로메트리(Hawk 3D-프로필로메트리, USA) 분석으로 전극 간 간격 선명 이미지 관찰. 전류 측정(A) Keithley 6487로 0-2V 선형 스위프, 0.1V 스텝(20초) 수행.
표면 화학적 기능화 위해 실리카 표면 1M 수산화칼륨(pH 9.0) 철저 세척 표면 활성화. CDI(0.5M) 1시간 인큐베이션 추가 개질, 10mM 인산염 완충 식염수(PBS; pH 7.4)로 희석한 100 nM 스트렙타비딘 반응(1시간). 이후 1M 에탄올아민(1시간) 미반응 공간 차단. 사가닥 스트렙타비딘 실온에서 비오틴화 프로브 miRNA-335-5p 1 μM 반응(10분). 각 개질 완료 후 PBS 철저 세척(별도 명시 없음).
전장 miRNA-335-5p(5'-UGUUUUGAGCGGGGGUCAAGAGCAAUAACGAAAAAUGUUUGUCAUAAACCGUUUUUCAUUAUUGCUCCUGACCUCCUCUCAUUUGCUAUAUUCA-3'), 접속 코드 MIMAT0000765, 데이터뱅크 수집. 본 연구 표적 희망 영역 5'-UCAAGAGCAAUAACGAAAAAUGU-3'. 표적 miRNA-335-5p 영역 포집 위해 프로브 5'-ACAUUUUUCGUUAUUGCUCUUG-3' 설계. 3'-말단 비오틴 태그로 센싱 표면 고정 스트렙타비딘과 상호작용. 전장 miRNA-335-5p 이차 구조 온라인 mfold 소프트웨어(https://unafold.rna.albany.edu/?q=mfold)로 예측.
상세 위 비오틴화 프로브 스트렙타비딘 표면 결합 후, 표적 miRNA-335-5p 서열 상온에서 저펨토몰라~저나노몰라 농도 범위 상호작용(10분). 농도 1 fM~1 nM, PBS 10배 연속 희석. 부착 저농도→고농도 독립 테스트, 이중가닥 형성 후 5배 부피 PBS 세척, 측정.
전기적 특성화 Keithley 6487 피코암미터 전압/전류 공급으로 I-V 측정 수행. 측정 상기 볼트에서 베어 표면 후 각 표면 화학적 개질 후 기록. 마찬가지로 프로브와 표적 miRNA-335-5p 각 농도 상호작용 분석, 10 반응 부피 세척 단계 후 측정 수행. 모든 개질, 상호작용, 측정 습윤 조건 유지(별도 명시 없음).
본 연구 miRNA-335-5p를 도구로 AAA 중증도 규명 위해 복합 전극(IDE) 센서 상호작용 분석 사용(그림 1). 전장 miRNA-335-5p 설계 프로브와 표적 상호작용 분석 위해 기존 포토리소그래피 기술로 IDE 표면 설계 제조. 단계별 표면 개질 수행, 전류계 측정(그림 2b, c). IDE 제조용 마스크 정렬 설계와 균일성 고해상도 3D 나노프로필로메트리 분석 확인. 제조와 각 핑거 간 거리 잘 정렬됨 확인(그림 2d). IDE 전극 크기 ~100 μm, 간격 ~85 μm, 수백만 바이오마커 직렬/병렬 대형 intercalated 네트워크 형성. 제조 IDE 성공 확인 위해 다른 베어 장치로 유전체 시스템 재현성 확인. 이 시스템은 쌍극자 모멘트로 인한 다이일렉트로드 사이 분자 진동 측정(그림 2c). 이 유전체 IDE는 다양한 생체분자 화학 분석 널리 사용된 잘 받아들여진 시스템[15, 25,26,27,28]. 본 연구 모든 표면 화학적 개질과 상호작용 분석 I-V 전류 모드로 측정.
센싱 표면이나 바이오칩 고밀도 분자 부착 중요, 표면 기능화 의존적[29, 30]. 본 연구 많은 분자 수용 적정 표면 결정 목표, 유전자 발현, 발견, 분자 분석 필수. 잠재적 응용 위해 분석 시스템 표면 생성 분자 적절 결합 고정 필요. 이 물질 표면 표면 상호작용 메커니즘 조사 위해 연구, 저렴하고 다양한 패킹 밀도, 형태, 두께 제공. 이 발견 분자 적절 부착 촉진, 생체분자 활성 손실 방지. 또한 적절한 이차 구조 확인으로 생체분자 고정 올바른 방향 유지.
표면 고밀도 분자 위해 초기 실리카 표면 알칼리 용액 철저 세척, CDI 개질. CDI 표면 고수준 비오틴화 프로브 포집 위해 프로브 스트렙타비딘 고정. 스트렙타비딘 비오틴 결합 4개 사이트 가진 사가닥 단백질, 생물과학 고친화도 분자[31, 32]. IDE 표면 전류 레벨 2.08E-10 A, CDI 부착 후 9.2E-06 A 증가. CDI 개질 IDE 표면 우리 분석 적합 명확 지시. 스트렙타비딘 추가 시 전류 레벨 2.36E-05 A 추가 증가. 이 전략으로 전장 miRNA-335-5p 설계 고수준 비오틴화 프로브 IDE 표면 고정(그림 3a). 비오틴 상호작용 IDE 표면 차단 단계 후 미반응 영역 마스킹 수행. 각 표면 개질마다 전류 변화 결정(그림 3b). 그림 3c 에탄올아민 추가 후 전류 변화 2.53E-05 A, 1 nM 비오틴화 포집 서열 추가 시 전류 레벨 1.29E-08 A 감소. 이 전류 변화 포집 프로브 IDE 센싱 표면 고정 확인. 일반적으로 단일가닥 올리고뉴클레오티드 노출 5-탄산 인산 골격으로 더 음전하(프로브), 에탄올아민 순전하 중성(공급자 명시). 이 큰 전하 차이 측정된 전류 명백한 변동 초래(그림 3c). 또한 이 파라미터 표적 가닥과 이중가닥 형성 시 다시 복귀. 인산 골격 노출 감소, miRNA 가닥 뉴클레오베이스 추가 양전하 기인(그림 4a).
센싱 표면 비오틴화 프로브 부착 후 표적 상호작용 분석 다양한 선량 수행. 검증 저펨토몰라~저나노몰라 범위 수행. 1 nM 표적 miRNA-335-5p 서열 예비 분석 수행. 포집 프로브 개질 표면 1 nM 표적 miRNA-335-5p 서열 추가 후 전류 레벨 1.29E-08 A에서 1.29E-07 A 변화(그림 4a), 포집 프로브와 표적 서열 간 하이브리디제이션 발생 지시. 이 확인 후 검출 한계 결정 위해 표적 서열 1 fM~1 nM 적정, 포집 프로브 개질 표면 독립 적하. 고정화 전후 전류 변화 검출. 1 fM, 10 fM, 100 fM, 1 pM, 10 pM, 100 pM, 1 nM 하이브리디제이션 전류 차이 각각 2.87, 3.87, 5.04, 6.88, 8.59, 11.21, 11.61E-08 A. 획득 결과 기반 모든 테스트 표적 서열 농도에서 명확 선량 의존적 전류 변화 검출(그림 4b).
위 농도 의존적 증가 결과 기반 선형 회귀 분석 수행. 검출 감도 3σ 계산 추정, 1 fM 도달(그림 5a, b). 1 fM 미만 농도 배경 신호와 낮은 값 표시. 추가 특이성 분석으로 표적 서열 비상보서열, 단일/삼중 불일치 서열 구별 수행. 설계 프로브가 완벽 miRNA-335-5p 상보 서열과 다른 서열보다 강한 반응 나타남 명백(그림 6a). 단일 불일치 서열 비상보서열과 삼중 불일치 서열보다 높은 전류 응답, 단일 불일치 서열이 프로브 서열 부분 이중가닥 형성 때문. 재현성 분석 IDE 표면 모든 화학 생물학적 개질 삼중 반복 수행, 데이터 평균화. 평균 데이터 다른 실험 수행 시 유의미 변화 없음 나타남(그림 6b). 추가 IDE 성능 뒷받침 위해 현재 사용 가능 방법 특성 비교(표 1).
생물학적 바이오마커 이용 분석법 개발로 신체검사 중 AAA 진단 도움. 본 연구 miRNA-335-5p 매개 검출로 AAA 중증도 예측 개발, miRNA-335-5p가 AAA 발현 발견. 생성된 IDE 검출 출력 낮은~높은 검출 레벨 표시로 AAA 중증도 예측 촉진. 낮은 검출 레벨 1 fM, 고성능 분석 위해 높은 특이성, 재현성. 본 연구 사용 사가닥 스트렙타비딘-비오틴 방법 좋은 출력, 다른 바이오마커 분석 활용 가능.
모든 데이터 제한 없이 완전히 이용 가능.
나노물질
초록 산화물/금속/산화물(OMO) 다층 구조는 박막 태양전지 전면 전극으로 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체합니다. 이 다층 구조는 전체 전극 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 이용해 셀 색상 구현도 가능합니다. 그러나 시트 저항과 기생 흡수는 금속 층에 크게 의존하므로 태양전지 고효율 달성을 위해 추가 감소가 필요합니다. 본 논문에서는 Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) 박막 태양전지 성능 향상을 위해 OMO 전극에 AgOₓ 웨팅 층을 적용했습니다. AgOₓ 웨팅 층이 다층 전극 투과율과 전도성을 높이는 효과적 수단임을 보였습
요약 본 논문에서는 전금속 메타물질 기반 테라헤르츠(THz) 바이오센서를 이론적으로 연구하고 실험적으로 검증했습니다. 이 THz 메타물질 바이오센서는 레이저 드릴링 기술로 제조된 스테인리스강 소재를 사용합니다. 시뮬레이션 결과, 이 메타물질 센서의 최대 굴절률 감도와 성능 지수(FOM)는 각각 294.95 GHz/RIU와 4.03으로 나타났습니다. 이어서 소혈청알부민(BSA)을 검출 물질로 선정해 바이오센서의 유효성을 평가했습니다. 실험 결과 검출 감도는 72.81 GHz/(ng/mm2), 검출 한계(LOD)는 0.035 mg/mL
