This paper presents a new method and an associated device capable of detecting protein presence and concentration based on a protein-induced stiffness change. Compared to the conventional mechanical resonant method based on the protein mass, the present nanomechanical method based on the protein stiffness shows higher precision for protein detection. Compared to conventional electrochemical, optical, and optomechanical methods, the present method also offers simple and inexpensive protein detection by removing the labeling process and optical components.
We design and fabricate nanomechanical protein presence and concentration detectors using electrothermal actuators and nano-gaps. The protein presence detector is composed of an electrothermal actuator with a pair of nano-gap electrodes. The protein concentration detector is composed of an electrothermal actuator with two pairs of differential nano-gap electrodes.
From the protein presence detector with and without target proteins, we measure the difference of the stiffness changing points. This difference indicates the protein presence and the protein size of 12.4±3.5nm.
From the protein concentration detector, we verify the concentration sensing capability as well as the presence sensing capability. We perform the non-specific and reversible binding tests using streptavidin and monoclonal antibiotin, respectively showing selectivity and repeatability of protein presence detection. The protein concentration detector is capable to measure the stiffness changes due to monoclonal antibiotin in the concentration range of 5nM~500nM. The sensitivity and the precision are measured as 2.45N/mㆍnM and 5nM, respectively.
Consequently, we have proposed and experimentally demonstrated the nanomechanical protein detectors, applicable to high-precision biomolecule detection.
본 논문에서는 단백질의 강성을 이용한 새로운 단백질 검출법 및 검출소자를 제안하였다. 단백질의 질량을 이용하는 종래의 기계적 공진 방식과 달리, 제안한 나노기계적 방식은 단백질의 비교적 큰 강성을 이용하므로 높은 정밀도를 가진다. 또한, 종래의 전기화학적 및 광학적 방식에 비하여, 제안한 방식은 효소 및 형광염료를 부착하는 공정과 광학적 측정장치가 필요하지 않으므로 간단하고 값싸다는 장점을 지닌다.
이러한 나노기계적 단백질 유무 및 농도 검출기를 전기열 방식의 구동기 및 나노 간격을 이용하여 설계 제작하였다. 단백질 유무 검출기는 하나의 구동기와 한쌍의 나노 간격 전극으로 구성하였으며, 단백질 농도 검출기는 하나의 구동기와 차등방식을 이용한 두쌍의 나노 간격 전극으로 구성했다.
단백질 유무 검출기의 실험 연구에서, 검출대상 단백질이 없을 때와 있을 때 각각의 경우에 강성변화점이 관찰되었으며, 관찰된 두 강성변화점 사이에 좌표변화가 존재하였다. 이로써 강성변화점의 좌표변화 유무로 검출대상 단백질의 유무를 확인하였고, 강성변화점의 좌표변화로부터 검출대상 단백질의 크기가 14.0±7.4nm임을 측정하였다.
단백질 농도 검출기의 실험 연구에서는, 단백질 농도 뿐 아니라 단백질유무 측정 성능을 검증하였다. 스트랩트아비딘과 항바이오틴을 이용한 비특이적 반응 및 반복 반응 실험을 통하여 단백질 유무 측정의 선택성과 반복능을 각각 보였다. 단백질 농도 측정 실험에서는 5nM에서 500nM 까지의 농도에서 항바이오틴에 의한 강성 변화가 측정 가능했다. 단백질 농도 측정의 민감도와 정밀도는 각각 2.45N/mㆍnM 과 5nM 로 측정되었다.
본 연구에서는 나노기계적 단백질 검출기가 검출대상 단백질의 유무와 농도를 측정할 수 있다는 사실을 실험적으로 검증함으로써, 제안된 소자가 단백질 등 극미세 물질의 고정도 측정에 응용될 수 있음을 확인하였다.
