광운대학교 대학원 겸임교수 김창일 ( 주 ) 아스트비 대표이사 2013 년 12 월 24 일 한국 LED 응용기술연구조합 발표

고감도 암 진단 / 예후 진단 시스템

Nano + Optic + Microfluidics 융합

조직세포 기반 3 종류 이상 표면단백질 확인조직세포 기반 3 종류 이상 표면단백질 확인 ( 형광파장의 분해 능 )( 형광파장의 분해 능 )

생체기능성 나노 물질 종류와 광학 분석법생체기능성 나노 물질 종류와 광학 분석법 나노복합체 종류정의후보물질 특성 ( 물화생 ) 차별성 ( 원천 / 혁신 ) 장단점 성능 지표 검지응용 분야 코어쉘 - 코어와 껍질 부분 이 각각 다르게 2 종 이상의 무기물 소 재로 이루어진 생 체기능성 나노복합 체 -Au/Ag, Ag/Au, Fe 3 O 4 /CdSe,Fe 3 O 4 /ZnO 등에 amine, thiol 기 등으로 생체물 질 부착 - 각각의 소재가 가진 화 학 / 물리적 성질을 하나 의 구조에서 모두 이용 하여 각각의 소재가 가 진 장점 부각, 단점 해결 - 두 가지 ( 광학 + 자기 ) 성질을 하나의 구조에 서 모두 이용 - 기존의 단일조성으 로 구성된 소재에 비 해 만들 수 있는 물질 의 다양성, 안정성이 뛰어남 - 하나의 물질에 여 러 개의 기능성을 부 과할 수 있음 - 다양하게 구조 와 성질을 제어 가능 - 단일조성 구조 체에 비해 만드 는 과정이 약간 더 복잡 - 크기, 조 성 및 물리 적 특성 균 일 - 물리적 특 성 제어 및 강도 - 안정성 - 초고감도 광 학 검지법 - 선택성이 뛰 어난 동시다 중 검지법 - 검지와 분리 가 한번에 되 는 assay 고분자 - 나노입자 - 광기능 고분자 ( 초 분자 ) 와 광 / 자기 나 노입자로 구성된 나노복합체 - 공액고분자 및 초분자 (PDA, thiophene 등 ) 과 Au, Ag, FeOx 의 복합체에 리간 드 부착 - 고분자 및 초분자와 나 노입자 인터페이싱 - 고분자 - 생체물질 인터 페이싱 - 2 종 이상의 파장별로 생체분자 검지 - 기존의 나노입자에 비해 생체물질 인터 페이싱이 안정함 - 광 / 자기 복합 특성 을 다각적으로 활용 가능 - 뛰어난 생체물 질 안정성 - 단일조성 구조 체 대비 제조과 정 약간 추가 - 크기, 조 성 및 물리 적 특성의 균일도 - 검출 파장 -2 종이상의 광파장 활용 검지 분야 - 자기특성 활 용 동시분리 검지 공동형나노구조체 - 빈 내부 공간을 가 진 공동형나노구조 로, 핵산 / 단백질로 표지된 외벽과 이 온센서를 캡슐화한 내부에서 핵산 / 단 백질 및 pH/ 이온을 동시에 다중 검출 할 수 있는, 다양한 총길이비율을 갖는 나노구조체 Silica, metal oxide - 독립적인 내부 / 외부 표 면처리와 원활한 표면 개질성 - 자유로운 aspect ratio 조절 - 광학적 간섭이 없는 지 지체 - 바이오표지에 적합한 생친화성 - 캡슐화된 센싱분자의 유출을 방지하고 표적 물질의 유입이 가능한 나노기공을 가진 기벽 나노구조체의 내부 와 외부를 이용하여 핵산 / 단백질 / 이온 (pH 등 ) 을 동시에 검 출할 수 있음. - 이온의 경우는 제한 된 공간의 공동형 나 노구조체 내부에서 표적물질 검출이 일 어나, 기존방법에서 는 구현하기 어려운 농축된 신호를 발생 시켜 높은 감도의 센 서제작가능 - 다중검출을 위 한 센서 library 구축이 용이 - 총길이비율을 조절하여 세포 내 / 외부 원하는 곳에서 검출가 능 - 신호농축에 의 한 감도증대 - 범용 캡슐화 기술 개발이 필 요함 - 나노구조 체의 균일 성 - 도입된 바 이오표지 의 표면밀 도 - 센싱속도 - 센싱분자 의 유출율 - 표적검출 감도 - 표적특이 성 세포내부 / 외 부에 존재하 는 핵산, 단백 질, 이온 (pH) 다중검출 나노바코드 - 2 종 이상의 소재 가 교대로 층을 구 성하여 2 종이상의 생체기능성을 갖는 나노복합체 -Ni/Au, Fe/Au, FeOx/Au 등에 thiol. histidine 수식 - 각층별로 적합한 기능 기를 수식 - 2 종의 파장별로 생체 분자 검지 - 기존의 Au/Ag 바코 드에 비해 자성특성 을 활용하여 분리정 제 후 검지분석이 가 능 - 대량합성이 가능 - 분산제어 기 술확보가 필요 - 직경, 길 이, 층길이 비율, 파장, 자화 - 다중검지가 필요한 분야

광 영역 광현상 특징 장점 1. 자외선 (UV) a. 흡수 (absorption) a. 고감도 가. 접근성 (availability) 2. 가시광선 (Visible) b. 발광 b. 화학적 정보 나. 편리성 (versatility, visibility) (fluorescence, photoluminescence) 3. 근적외선 (NIR) g. 라만 (Raman scattering) c. 정량성 다. 생체 응용성 4. 적외선 (IR) d. 생체 투과성 연관성 명칭 용도 / 응용 1  a  c  가 UV Spectrophotometry 자외선 흡수스펙트럼 측정, DNA 및 protein 농도 측정 1  b  c  가 UV Fluorometry 자외선여기 발광 ( 형광 ) 스펙트럼 측정 1  g  c  다 UV Raman Spectroscopy 자외선 ( 공명 ) 라만 스펙트럼 측정, 생물시료 Back-bone 측정 2  a  c  가, 나 VIS Absorption Spectrophotometry 가시광선 흡수스펙트럼 측정, 형광체 및 나노입자 농도 측정 2  b  a, c  가, 나, 다 VIS Absorption Fluorometry 발광 ( 형광 ) 스펙트럼 측정, 발광 ( 형광 ) 이미징, Biochemical assays 2  g  b  다 Raman Spectroscopy 라만 스펙트럼 측정, 화학결합 진동모드 검지, 라만이미징 3  a  c  가, 다 NIR Absorption Spectrophotometry 근적외선 흡수스펙트럼 측정, NIR 형광체 및 나노입자 농도 측정 3  b  a, c, d  가, 다 NIR Fluorometry 근적외선 발광 ( 형광 ) 스펙트럼 측정, in vivo 발광 ( 형광 ) 이미징 3  g  b  다 NIR Raman Spectroscopy 근적외선 라만 스펙트럼 측정, in vivo 라만 이미징 4  a  c  가, 나 IR Absorption Spectrophotometry 적외선 흡수스펙트럼 측정, 화학결합 진동모드 검지 광검지법 2. 광 검지 방법 및 용도 광 파장 대역 별 검지 방법 및 용도광 파장 대역 별 검지 방법 및 용도 1. 광 영역 / 현상

목 차 나노 진단 Workstation 용 나노 복합체 측정 / 제어 모듈개발 측정 / 제어 모듈개발

1. 나노 진단 Assay 용 나노복 합체 카트리지 설계 및 시제품 제조 - 나노진단 Assay 용 나노복합체 카트리지 재료개발 및 친수성 / 소수성 표면처리 기술 개발 - 분석데이터 신뢰성을 높이기 위한 카트리지 구조 설계 - 멸균과 재사용이 가능하고 멀티채널 복합 재질 기반의 Biosafety 다층 미세유로 3D 구조 개발 - 상호 연결 가능한 블록구조로 확장성 증대 2. 초고감도 광학 검지법 개발 - 초고감도 광학검지 장치에 적용될 측정부가 결합된 시료 초기 모듈 제작 - 라만분광학에 광파이버를 이용한 신호 전달 모듈 제작 - 초고감도 광학 검지 장치에 적용될 측정 알고리즘 및 소프트웨어 제작 - 기존 소프트웨어가 아닌 계량 분석화학을 도입된 알고리즘이 도입 3. 나노 복합체용 마이크로 채널 카트리지 양산화 - 카트리지 내부에 액체 / 기체의 미세유로 다채널 구조 설계 - 대량생산공법 : Co-casting 및 Multistacking 공법과 RCS(Rate Controlled Sintering) 열처리 기술 개발 - 액체 / 기체 유로 채널 내부 온도 및 process 정밀 제어 기술 개발 - 적층 형 복합구조 카트리지 양산 공정 구축 - 동시다중검지용 광학신호 검지법 및 모듈 개발 - 단백질 및 핵산 측정을 위한 분석 및 계측 가능한 디지털 제어 모듈 개발 - 다양한 온도를 포함한 반응조건을 위한 고내구성 구조 개발 - 샘플 및 나노복합체가 포함된 시약의 자동 주입이 가능한 카트리지 및 시스템 동기화 - 초고감도 및 다중 검지용 검측신호처리용 리더기 제작 나노 진단 Assay 용 나노 복합체 카트리지 설계 및 시제품 제조

초고감도 광학검지 장치에 적용될 측정부가 결합된 초기모듈 제작 시료 자동 분배기 다채널 조절용 모듈 spectrometer

라만 분광기에 광 파이버를 이용한 신호 전달 모듈 제작 Wave- guide Raman

분석 통계 소프트웨어 확보 ( 기초 연구 초기 소프트웨어 확보 및 응용 소프트웨어 제작 위한 기본 자료 확보 )

기존 소프트웨어가 아닌 계량분석화학을 도입된 알고리즘 도입  Software (Algorithm development for raman spectrometer) ● 예측 모델을 개발 하기 위하여 전체 스펙트럼의 65% 는 교정부로, 35% 를 검증부로 분류 하여 각 모델의 예 측 성능은 교정부 오차 (SEC, Standard error of calibration) 와 검증부 오차 (SEP,Standard error of prediction), R 을 이용하여 분석 한다. ● 이 표준값과 스펙트럼관계는 PLSR(Regression of Partial Least sqaure) 을 사용하여 표준값과 스펙트럼의 관계의 상관성을 통해 최종 결과 값으로 일상 분석을 하게 된다. ● 가장 최적의 검량선을 찾는다. 분광 분석 시스템 구동 검량선 측정 모듈 도입 일 상 분 석 모델링 완료 최대 검지 통개값 표시 측정치 표준치 최적의 R 값, SEC, SEP (=SECV) 확인 SEP 확인 스펙트럼

동시다중검지용 광학신호 검지법 및 모듈 개발 광학 부분 설계 및 개념 구성 ( 정밀 광학 부분 개념 구성 조립가능 )

단백질 및 핵산 측정을 위한 분석 및 계측 가능한 디지털 제어 모듈 개발  Measurement module (Diffuse reflectance type)  Laser (Argon laser) Laser specification - Laser output wavelength : 450 에서부터 514 nm 변조 파장대역을 가진 레이저 사용 - Output power : 25mW - Transverse mode : TEMoo(>95%)  Spectrometer - Spectral range : 200~ 1000nm - Input fiber : 400 micron core LOH fiber with 25 micron slit - Optics : F/3.0, F/2.0 - Wavelength accuracy : <0.5nm - Array : 512X64 - A/D converter : 16bit - Interface : USB interface - 400micron diameter fiber optic - Fiber optic material : Fused silica - SMA connection Filter Collimating lens Fiber optic Light source - Filter

PNO TM Pathogenic Bacterium Detection System Overview ASTBEE PNO-PBDS(PNO TM Pathogenic Bacterium Detection Systems) are special designed for rapid, check SARS (Severe acute respiratory syndrome) corona virus, AI(Avian Influenza) virus and Novel swine- origin influenza A(H1N1) virus using advanced plasmonic nano optic technology and MEMS micro pump. The PNO TM features the world smallest optic mechanism - micro lens, micro mirror and nano LED-PD array integrated module. Visitors, patients, medical doctors, nurses, officers can recognize pathogenic bacterium in their environments and they can protect secondary infection at hospital by means of ASTBEE PNO - PBDS system by themselves. Key PNO Features Rapid detect ! (within 15 min.) Rapid detect ! (within 15 min.) Low cost integrated chip module Low cost integrated chip module Selectable target pathogenic bacterium Selectable target pathogenic bacterium Hybrid integration of optical detectors Hybrid integration of optical detectors Three pathogenic bacterium detectable Three pathogenic bacterium detectable Single use optical grade cartridge Single use optical grade cartridge Pre sterilized disposable parts Pre sterilized disposable parts Sample Volume : 10μL(S), 30 μL(M) Sample Volume : 10μL(S), 30 μL(M) User friendly GUI User friendly GUI Rm. 305 Venture Bldg. BI Center KICET Gasan Geumcheon Seoul KOREA T F

Rm. 305 Venture Bldg. BI Center KICET Gasan Geumcheon Seoul KOREA T F PNO-PBDS DETAILS Product Descriptions PNO-PBDS Series include disposable bio grade cartridges. Cartridge Specifications: Product Description Working Volume Detection Time Pathogenic Type PNO-PBDS-SARS 10μL < 15 min. SARS Corona Virus PNO-PBDS-AI 10μL < 15 min. Avian Influenza Virus PNO-PBDS-Influenza A 10μL < 15 min. Influenza A(H1N1) Virus PNO-PBDS-Total 30μL < 15 min. SARS+AI+H1N1 Virus Cartridge Configurations Ultra fast virus detection for pathogenic bacterium virus PNO-PBDS Performance Data PNO-PBDS Disposable Cartridge for Multi-Detectable Pathogenic Bacterium (SARS / AI / H1N1)