Aptamer 기반 금속-증강 형광을 이용한 간암 바이오마커 검출용 광학 센서 개발 = Aptamer-Based Optical Biosensor Utilizing Metal-Enhanced Fluorescence for Liver Cancer Biomarker Detection

국문 초록 (Abstract)

간암은 전 세계적으로 사망률이 높은 심각한 질병이며, 특히 조기에 발견하기가 어렵습니다. 따라서 간암 바이오마커를 빠르고 정확하게 검출할 수 있는 민감한 진단 기술은 환자 예후를 개선하는 데 필수적입니다.
이 연구에서는 간암 바이오마커를 검출하기 위해 플라스몬 금(Au) 나노구조를 활용한 금속 강화 형광(MEF) 기반의 고감도 바이오센서 플랫폼을 개발했습니다. 레이저 간섭 리소그래피(LIL)와 금 증착을 결합하여 균일하고 최적화된 Au 나노구조를 제작할 수 있었습니다. 특정 DNA aptamer는 정밀하게 제작된 Au 나노 패턴 배열에 고정되었으며, 각각 표적 바이오마커를 선택적으로 인식하도록 설계되었습니다. 형광체는 Au 나노구조의 국소 표면 플라스몬 공명(LSPR)과 강한 스펙트럼 중첩과 공명을 나타내도록 신중하게 선택되어 형광 증강을 극대화했습니다.
검출 메커니즘은 표적 결합 시 aptamer의 형태 변화에 의존하며, 이는 형광체와 Au 나노구조 표면 사이의 거리에 따라 형광 강도를 조절합니다. 나노구조의 기하학적 구조와 aptamer 구성을 체계적으로 최적화함으로써 MEF 효과가 크게 향상되어 낮은 바이오마커 농도에서도 매우 민감한 검출이 가능해졌습니다.
이 MEF 기반 aptasensor 플랫폼은 간암 조기 진단을 위해 다재다능하고 민감한 도구로서 강력한 잠재력을 보여주며, 정밀하고 개인화된 진단 전략의 발전에 이바지할 수 있습니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Liver cancer is a serious disease with a high mortality rate worldwide, and it is particularly challenging to identify at an early stage. Therefore, sensitive diagnostic technologies capable of rapidly and accurately detecting liver cancer biomarkers are essential for improving patient prognosis.
In this study, we developed a highly sensitive biosensing platform based on metal-enhanced fluorescence (MEF) utilizing plasmonic gold (Au) nanostructures to detect liver cancer biomarkers. Laser Interference Lithography (LIL) combined with gold deposition enabled the fabrication of uniform and optimized Au nanostructures. Specific DNA aptamers were immobilized on the precisely fabricated Au nanopatterned array, each designed to selectively recognize target biomarkers. The fluorophores were carefully selected to exhibit strong spectral overlap and resonance with the localized surface plasmon resonance (LSPR) of the Au nanostructures, thereby maximizing fluorescence enhancement.
The detection mechanism relies on conformational changes of the aptamer upon target binding, which modulate the fluorescence intensity depending on the distance between the fluorophore and the surface of the Au nanostructure. By systematically optimizing the nanostructure geometry and aptamer configuration, the MEF effect was significantly enhanced, allowing for highly sensitive detection even at low biomarker concentrations.
This MEF-based aptasensor platform demonstrates strong potential as a versatile and sensitive tool for early diagnosis of liver cancer and could contribute to the advancement of precise and personalized diagnostic strategies.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 배경과 목적 1
• 2. 간암 바이오마커 검출을 위한 광학 바이오센서 개발 전략 4
• Ⅱ. 본론 9
• 1. 금속 나노 구조체 제작 및 Aptamer 조건 확립 9
• 1-1. 나노 어레이 금 기판 제작 9
• 1-2. 제작한 금 기판 흡광 측정에 따른 형광단 선정 14
• 1-3. FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 기반 전자기 시뮬레이션 15
• 1-4. Aptamer 최적화 17
• 1-5. 기판 및 Aptamer 최적화 조건 확립 21
• 2. 나노 어레이 금 기판 기반 알파태아단백 검출 결과 23
• 2-1. 나노 어레이 금 기판 구조 최적화 23
• 2-1-1. 기판 주기 및 패턴 최적화 23
• 2-1-2. 기판의 금 증착 두께 최적화 24
• 2-2. Aptamer 길이에 따른 구조 최적화 25
• 2-3. 나노 어레이 금 기판을 이용한 AFP 민감도 측정 26
• 2-4. 나노 어레이 금 기판을 이용한 AFP 선택성 검증 28
• Ⅲ. 결론 및 후속 연구 30
• 참고문헌 33
• Abstract