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PCB-based electrode design for DNA concentration measurement (Abstract (주요…
PCB-based electrode design for DNA concentration measurement
목적
DNA의 농도와 저항 사이의 관계를 보이고, 라벨링 없는 구별법 개발
기존의 문제점 : 형광 라벨링은 분석 절차가 복잡하고 샘플의 재사용이 불가함.
해결 방안 : 임피던스 분광 시스템은 분석 절차의 간소화 및 샘플의 재사용성 등과 같은 기존의 형광 라벨링 기술에 비해 경쟁력 가짐.
핵산, 단백질 및 세포와 같은 생체 분자를 검출 할 수있는 대부분의 바이오 센서는 생체 분자의 민감하고 특이적인 검출을위한 형광 라벨링 기술을 채택한다. 라벨없는 기술은 분석 절차의 간소화 및 샘플의 재사용 성 등과 같은 기존의 형광 라벨링 기술보다는 강력한 장점을 가지고 있습니다.
CMOS나 유리전극에 대신, 구리 테이프, PCB 전극 사용
기존에 안정화된 양산시설이 있다.
기존의 양산시설을 이용하여 안정하게 DNA 농도를 측정할 수 있는 전극을 조사하는 게 목적
usb oscilloscope + open IoT platform
open platform(raspberry pi, banana pi, arduino 등)을 이용하여 실험
기존의 문제점 : 일반적인 다용도 임피던스 계측기는 많은 공간을 필요로 하며 제어가 쉽지 않음.
해결 방안
usb 오실로스코프에 ECIS에 적합한 함수 생성기 내장.
usb 오실로스코프에서 컴퓨팅 플랫폼용 소프트웨어를 제공하기 때문에 단일 보드 컴퓨터(single board computer)를 사용하여 많은 공간 절약.
SBC에 네트워킹 기능 포함되어 있어 IoT 형식으로 ICIS를 쉽게 구현 가능.
서로 다른 농도의 DNA 샘플, 소금물을 분석하여 임피던스가 농도와 높은 상관관계가 있음을 보여줌.
ECIS란 세포 이동성이 증가함에 따라 전극 사이의 증가 된 임피던스 현상을 사용하는 일종의 전기 임피던스 분광법으로 간주 될 수 있음. 세포의 행동, 약물에 대한 반응 및 암 세포 또는 줄기 세포의 장벽 기능을 평가하는 데 사용됩니다. 세포 상태, 세포 수 및 세포 생존력과 같은 매개 변수를 추출 할 수 있습니다
실험방법
준비물
5개의 전극을 가진 pcb
각각 다른 5개 농도의 소금물
DNA 샘플
테이프
선형의 그래프를 계산한 뒤 농도값에 따라 알맞는 임피던스값 계산.
4가지 방법 제안
pcb 전극 - no chamber
5 채널의 전극에 한 농도에 NaCl을 떨어뜨림.
현미경으로 확인 후, 제대로 떨어졌는지 확인 후 임피던스 측정.
총 10회 측정. - 정확도 위해
1~3의 과정을 5개 농도의 NaCl로 측정.
cv값 계산 후 비교.
pcb 전극 - 500um두께의 polycabonatechamber
chamber 제작
polycabonate 500um와 양면테이프 부착.
pcb 전극 위치에 맞게 구멍 뚫음.
pcb 위에 부착 후 라미네이션 - 온도 60도, 속도 1 - 2회
이후 1번 방법과 동일하게 실험.
라미네이션 4회 - 임피던스가 매우 높고 측정이 거의 안됨.
pcb 전극 - tape chamber
chamber 제작
테이프에 지름 1mm 구멍 뚫음.
pcb 칩에 부착
구리테이프 전극
구리테이프 1개에 양면테이프 부착
지름 1mm 구멍 뚫음.
구멍 뚫지 않은 구리테이프에 부착.
구리테이프 사이의 양면테이프가 비전도체로 전류의 흐름을 막음.
시약이 들어가면서 시약을 통해 두 구리테이프가 전류가 흐르도록 연결.
예상결과
5개의 다른 농도의 소금물로 임피던스를 측정하였을 때, 선형의 그래프로 나타낼 수 있음.
이는 소금물이나 DNA의 농도와 임피던스가 상관이 있음을 보임.
pcb 전극 - no chamber
문제점 : 시약이 매번 같은 모양으로 떨어지지 않기 때문에 같은 환경?에서 측정한다 보기 어렵고 임피던스를 정확히 측정할 수 없음.
농도와 임피던스의 관계를 선형으로 나타낼 수 있음.
pcb 전극 - polycabonate chamber
공통 문제점
chamber와 pcb 전극 사이로 소금물이 새서 실험을 거듭할수록 임피던스가 커짐.
시약에 공기방울이 생겨서 정확한 임피던스 측정이 어려움.
1ul
문제점 : chamber 높이에 비해 시약의 양이 부족해서 높이가 매번 다름.
2ul
1번 방법의 문제 해결. - chamber 내에 원으로 정확히 떨어짐.
pcb 전극 - tape chamber
문제점 : chamber와 pcb 전극 사이로 소금물이 새는 문제 해결 못함.
chamber cell 내에 공기방울 생기는 문제 해결.
구리테이프
pcb 전극의 문제 해결 - 임피던스 측정값이 정확하게 측정됨.
문제점 : 내구성이 약함 - 실험을 거듭할수록 값이 부정확하게 측정됨.
Abstract
In this paper, we propose a method to characterize DNA without labeling using impedance spectroscopy. The fluorescence labeling method is complicated in the analysis procedure and the sample cannot be reused. Impedance spectroscopy systems can overcome the disadvantages of such fluorescent labeling techniques. We propose an electrode made by printed circuit board process instead of conventional glass or silicon substrate to measure DNA concentration. We analyzed DNA samples at different concentrations and showed a high correlation between impedance and DNA concentration. Linear parameters between the concentration and the impedance were calculated from the measured impedance, and the error between the estimated value obtained from the impedance and the original concentration was calculated using the parameters. This system can be the basis for a fast and inexpensive platform for DNA characterization that is extensively used in genetic disease studies.
주요 목표
pcb 칩을 이용하여 임피던스 측정.
조사 범위
방법
결과 요약
주요 결론
기존 연구의 단점
시약의 양이 작아야 함(<1ul).
계속해서 사용하기 위하여 닦아내기 쉬워야함.
전극을 붙이는 양면테이프가 들떠서 특성이 바뀜.
우물을 만들어 시약의 높이 일정히 만들어야함.
기존 연구 단점 해결.
전극을 finger 형태로 제작할 경우 정밀도가 낮아짐.
전극이 최대한 노출되어야 함.
시약이 전극에 떨어진 모양이 최대한 같은 모양이 되게 해야 함.
전극 주변의 벽을 친수성을 가진 재질로 만들어 전극의 가장자리로 시약을 끌어야함.
gold, tin, solder mask, FR4 로 친수성 테스트를 해봤을 때, solder mask가 친수성이 좋음.
시약의 높이가 높아야 noise를 줄일 수 있음.
소수성을 가진 FR4로 전극 주변 두름.
전극의 높이가 너무 낮으므로 절연테이프를 사용하여 전극의 높이를 높임.
cv 값 측정하니 2.5미만으로 충분히 안정적인 결과 나옴.