Rapid and accurate identification of virus at point-of-care level play a vital role in preventing fast spread of contagious viral disease. Real-time reverse transcription polymerase chain reaction (PCR) are utilized as gold standard for highly sensitive and selective assay in amplifying and quantifying target genomic sequence. However, real-time PCR has limitations for point-ofcare diagnostics such as expensive and bulky equipment with slow and difficult process. Although rapid gene amplification methods using fast thermal cycler have been sufficiently studied, it is still not suitable for point-of-care diagnostics. In this study, we report handheld plasmonic real-time PCR system for ultrafast point-of-care molecular diagnostics. Nanoplasmonic substrate with high light-to-heat conversion efficiency was microfabricated to combine glass nanopillar arrays with gold nanoislands and platinum thin film resistance temperature detector, and ultrafast photothermal cycling was performed from a white light-emitting diode. PCR cartridge was manufactured by integrating aluminum thin film with plastic chip for high thermal conductivity and light reflectivity. Ultrathin microlens array fluorescence microscope was used for real-time fluorescence imaging in handheld device. The amplification and quantification of coronavirus was clinically demonstrated using the plasmonic real-time PCR system within 10 min. This diagnostic platform enables point-of-care real-time PCR testing in quarantine sites such as multi-use facilities and local hospitals.
전염성 높은 바이러스의 빠른 확산을 방지하기 위해서는 현장에서의 빠르고 정확한 바이러스 검출을 통해 신속하게 진단하는 것이 매우 중요하다. 실시간 역전사 중합효소연쇄반응은 바이러스 유전체를 역전사 및 증폭시켜 정량화하는 표준 진단법으로 민감도와 특이도가 매우 높다. 하지만 이를 현장에서 즉시 사용하기에는 부피, 가격, 진단 속도 등의 한계가 있다. 현재까지는 빠른 열순환기를 통한 빠른 유전자 증폭에 대한 연구가 충분히 진행되어 왔으나, 여전히 현장진단에는 적합하지 않다. 본 연구에서는 현장진단형 플라즈모닉 실시간 중합효소연쇄반응 시스템을 이용한 초고속 분자진단을 수행하였다. 빠른 열순환을 위해 높은 광열변환효율을 갖도록 유리나노기둥 위 금나노섬 구조와 백금 저항온도센서가 결합된 나노플라즈모닉 기판을 제작하였으며, 백색광 다이오드로부터 초고속 광열 싸이클을 수행하였다. 카트리지는 높은 열전도도 및 빛반사도를 갖는 알루미늄 박막과 플라스틱 미세유체 칩을 결합하여 비용 효율이 높게 제작되었다. 실시간 형광 측정을 위해 초박형 배열 형광 현미경을 사용하였고, 이를 통해 초소형 시제품을 개발하였다. 현장진단형 플라즈모닉 분자진단 시스템을 이용하여 코로나바이러스를 10분 이내에 증폭 및 정량화하여 검출할 수 있으며, 코로나 관련 임상 평가를 완료하였다. 제안된 진단 플랫폼은 신속하고 비용 효율적이므로 다중이용시설이나 지역 병원 등 방역 현장에서 바이러스 검출 목적으로 활용할 것으로 기대된다.
