A touchscreen is an electronic visual display that can detect the presence and location of a touch within the display area. It is generally used in personal digital assistants (PDAs), satellite navigation devices, and smart phones. There are some kind of touchscreen technology according to methods of sensing touch, which are resistive, infrared, surface acoustic wave (SAW), and capacitive touchscreen. Among them, the capacitive touchscreen has been widely used recently because of increasing smart phone users. Basically, touching the surface of the screen induces capacitance changes of electrodes which can be detected by a capacitive touchscreen.
In this study, a novel label-free DNA detection system was developed based on the capacitive property of DNA which could be detected by the capacitive touchscreen. For this purpose, we first fabricated the touchscreen panel by patterning the ITO electrodes on the glass panel, and the ITO electrodes were connected to the capacitive touchscreen controller. On the touchscreen panel, the PDMS chamber was covered and ITO electrodes were chemically modified by 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTES). For covalent binding of capture probes after spotting, the electrodes were exposed to UV light for 10 min. The capture probe was specifically designed to be complementary to the target pathogen, Chlamydia trachomatis DNA. The capture probe-modified electrodes were rinsed with water and Tris buffer before target addition. To detect target DNA, we applied DNA samples to the capture probe immobilized ITO electrodes and washed with SSPE buffer after 30 min hybridization. In the case of the target DNA in the samples, the capacitance signal of ITO layer increased. On the other hand, when there is no target DNA in the sample, no capacitance change was recorded. With this system, we have successfully detected target DNA in a label-free manner.
This new label-free DNA detection strategy has some advantages owing to properties of touchscreen which is used as a detection platform. The development of this system could complement or replace classical analytical methods by making identification of target biomolecules easier and faster with significant decreases in analysis time and cost. As touchscreen is cheap and miniaturized device, our system has great potential for achieving point-of-care testing (POCT) application in the diagnostics field.
터치스크린은 화면을 접촉하면 그 위치를 파악하여 명령을 수행하는 입력 장치 중 하나이다. 터치스크린 기술은 PDA, 네비게이션, 스마트폰 등의 개인용 모바일에 장착되면서 대중에게 친숙한 입력장치로 인식되고 있다. 터치스크린은 터치패널의 구현방식에 따라 저항막 방식, 정전용량 방식, 초음파 방식, 적외선 방식 등으로 구분되는데, 이 중 정전용량 방식의 터치스크린은 최근 스마트폰 또는 태블릿 PC 등 다양한 소형 단말기기에 널리 사용되고 있다. 정전용량 방식은 터치스크린은 표면에 접촉하여 정전용량이 변하면 그 변화를 감지하고 접촉 위치를 계산한다.
본 연구에서는 정전용량 방식의 터치스크린을 이용하여 비표지 핵산 검출 방법을 개발하였다. 우선 유리 기판에 ITO 전극을 패터닝하여 터치스크린 패널을 만들고 이것을 터치스크린 컨트롤러에 연결하였다. 만들어진 패널에 전극의 모양과 맞추어 제작된 PDMS 챔버를 붙이고 ITO 전극을 NaOH와 APTES로 처리한다. 여기에 캡쳐 프로브를 올리고 자외선을 가해주면 ITO 전극 표면에서 공유결합을 형성하여 고정화된다. 목적 핵산을 검출하기 위해서 캡쳐 프로브가 고정화된 ITO 전극에 핵산 시료들을 가한다. 정전용량 방식 터치스크린은 ITO 전극에서 충전과 방전을 반복하면서 임의의 횟수를 충전/방전 하는데 걸리는 시간을 측정하여 정전용량을 계산하는 방식이다. 따라서 목적 핵산이 있는 경우에는 전극에 고정화된 캡쳐 프로브와 혼성화하여 이중가닥DNA가 되기 때문에 표면의 정전용량이 증가하고, 신호가 증가한다. 반면에, 목적 핵산이 없는 경우에는 캡쳐 프로브가 그대로 단일가닥 DNA형태를 유지하기 때문에 정전용량의 변화가 없다. 이 방법을 이용하여 비표지 방법으로 목적 핵산을 검출하는데 성공하였다.
터치스크린을 이용하여 생체분자를 검출하는 방법은 매우 혁신적이다. 터치스크린은 지금까지 전자기기의 입력장치로만 사용되어왔다. 본 연구에서는 터치스크린 시스템이 아미노산, 단백질, 핵산 등의 생체분자를 검출할 수 있는 플랫폼이 될 수 있다는 것을 확인하였다. 터치스크린이 탑재된 스마트폰이나 태블릿 PC 등이 이미 매우 널리 사용되고 있으므로, 이러한 터치스크린 기반의 검출 방법이 더 발전하면 개인이 가지고 다닐 수 있는 의료용 진단 기기의 실현도 가능해지고, 급속도로 보편화 될 수 있을 것이라 예상된다. 또한 개별화된 진단기기가 개발되면 질병의 초기 진단, 지속적인 모니터링이 가능해져서 현장진단 (POCT) 또는 유-헬스케어를 달성할 수 있을 것이다.
