Fluorescent immunochemical assay with specific antigen-antibody binding is frequently used to detect various biomolecules, and can be applied to determine, for example, the existence of toxic materials and the contagion of diseases. To implement portable biochemical monitoring systems for on-site diagnosis, fluorescence detection systems should be simple yet sensitive. In this work, A novel fluorescence detection system based on non-imaging optics with a cost/energy-efficient LED (Light Emitting Diode) light source was developed for point-of-care test (POCT). Instead of using refractive lenses with limited numerical apertures, our reflector-based fluorescence detection system consists of spherical dome mirrors surrounding the target sample to efficiently redirect the isotropic fluorescent light toward the photodetector. The combination of the dome reflectors coated with a metallic (silver) thin film can potentially provide more than 90% of fluorescent light collection efficiency by extending the solid angle for fluorescence collection to nearly 4π steradian. Coumarin-derived dendrimer, whose peak absorption and emission wavelength are 455 nm, and 590 nm, respectively, is used as an example of target biomolecules, and its detection limit is measured to be ~5 nM (~10 ng/mL).
형광 화학 면역 검사는 전염성 바이러스를 검사하기 위해 가장 많이 쓰이는 방법 중 하나로 항원 항체 반응을 이용한다. 현장 진단을 통한 실시간 바이오 모니터링을 하기 위해서 형광 화학 면역 검사용 진단기기는 간단하고 민감해야 하며 휴대성을 갖추어야 한다. 이를 위해서 관련 연구 분야에서 진단기기의 효율을 높이기 위해서 새로운 형광을 개발하거나, 집적도를 높이고 광원을 교체 하는 등의 많은 노력을 진행하고 있다. 우리는 비싸고 구동이 까다로운 레이저 다이오드를 대신해 LED 광원을 사용하여 새로운 집광 방식의 형광 측정 기기를 개발하였다. 수명이 길고 전력 소모가 적은 저비용의 LED 광원을 사용함으로써 광 출력 파워가 상대적으로 줄어들지만, 돔형 반사체로 구성되는 non-imaging 광학 구조를 활용하여 형광 신호를 눈에 띄게 높일 수 있었다. 고해상도 이미지 정보를 얻기 위해 높은 NA(numerical aperture)를 가지는 대물 렌즈를 포함하는 현미경과 같은 광학 분석 장비는 집광 효율이 낮고 구성이 복잡하여 큰 부피를 차지해 현장 진단용으로 부적합하며 비전문가들에겐 분석하기 어려운 이미지 정보 보다는 감염의 유무만 신속하게 판별할 수 있는 현장용 진단기기가 필요하다. 형광 진단기기의 소형화를 위해 렌즈를 제거하고 금속 박막 코팅된 돔형 거울 구조를 이용하면 형광에서 나온 빛의 대부분을 광검출기로 모아 적은 광 손실과 높은 효율로 집광할 수 있으므로 진단기기의 민감도를 크게 높일 수 있다. 개발된 진단기기는 아크릴 재질의 돔형 거울과 LED를 일체화하여 싼 가격에 대량 생산 가능하고 나아가 작고 휴대 가능한 현장 진단용 형광 면역 측정기로 활용 가능성을 높였다. 본 연구에서 새롭게 개발된 형광 물질인 coumarin-derived dendrimer 의 검출 한계 (LOD)가 5 nM까지 측정되었다. 본 연구에서 제안하는 non-imaging optics 기술은 현장 진단 분야에 있어서 실시간 바이오 모니터링을 가능하게 하는 하나의 대안으로 기대된다.
