신변종 바이러스로 인한 호흡기 감염병이 글로벌로 빠르게 확산되고 있으며, 이러한 감염 질환을 정확하게 진단하는 것은 매우 중요하다(Heo, 2020). 현재, 주로 분자 진단과 신속항원 검사가 사용되는데, 이러한 방법은 전문 지식과 시간이 필요하며 정확성이 핵심이다. 현장에서 신속한 결과를 얻을 수 있는 현장 중심 진단 방법은 감염병 확산을 방지하는데 중요한 역할을 하고 있다. 현장 진단 검사 대기 시간을 단축하고 신속한 대응이 가능해졌으나(Kim et al., 2021), 민감도와 정확성이 낮은 문제점으로 현장 중심 신속 면역 진단 방법의 정확성과 민감도를 향상시키기 위한 연구와 기술적인 발전은 계속 진행되고 있다(Kim et al., 2017).

형광염료, 등온 PCR, 양자점을 활용한 신속 진단 시스템은 각각 장단점을 가지고 있다. 형광염료는 정확성을 향상시키는 장점이 있지만, 비용과 복잡성이 문제이며, 오검출 가능성이 있다. 등온 PCR은 빠르고 현장에서 사용 가능하지만, 특정 바이러스나 표적물에 대한 검출 능력이 제한되며, 다중 표적물 진단이 어려울 수 있다. 양자점은 작고 안정적으로 제조될 수 있어 높은 민감도와 발광 효율성을 가지고 있어 검출 신호를 증폭시켜 정확성과 민감도를 향상시킬 수 있다. 양자점은 발광 색상을 조절할 수 있어 다중 표적물을 동시에 검출할 수 있는 다중색 발광 기능을 구현할 수 있어 검사 시간과 비용을 절감하며 대량 검사 및 병원체 탐지에 유용하다(Zhu et al., 2011). 그러나 양자점은 환경 요인에 따라 안정성이 감소하고 발광 특성의 변동성이 있다. 따라서 양자점과 항체 중합체 기술의 안정성을 확보한다면 신속 면역 진단 시스템을 향상시킬 수 있을 것이다(Mousavi et al., 2022).

양자점은 감염병 진단에 우수한 신호체로 알려져 있지만, 항체-양자점 제조 과정에서 안정성 문제가 발생할 수 있다. 이를 극복하기 위해 양자점의 특성을 파악하기 위한 실험이 필요하며, 해당 실험은 양자점의 발광 특성과 안정성을 확인하고, 면역 분석 시스템에서의 신뢰성을 보장하기 위한 중요한 단계이다(Mei et al., 2009). 실험을 통해 양자점이 제조 후에도 특정 파장에서 일관된 발광을 유지하는지 그리고 양자점의 안정성을 평가하기 위해 크기 분포 및 표면 전하를 측정하는 방법을 사용하여 소실 현상을 예방하고 안정성 확인이 필요하다(Mousavi et al., 2022).

본 연구는 항체-양자점 중합체 개선 및 이미지 기반 정량 분석 가능한 양자점 탐지기를 활용한 연구로, 양자점의 안정성 문제를 극복하기 위한 연구와 기술 개발을 주요 목포로 삼았다. 이를 통해 항체-양자점 중합체를 개발하고, 이를 이미지 기반 정량 분석에 적용하여 양자점의 성능을 향상시켰다. 항체-양자점 중합체의 안정한 결합 방법을 개발하는 과정에서 양자점과 항체 간의 강력하고 안정한 상호작용을 구현하기 위해 신뢰성 있는 결합 방법을 개발하고 결합 강도와 안정성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 이 연구를 통해 우리는 carbodiimide 반응을 최적화하여 항체와 양자점 간의 중합체 형성을 방지하고 안정성을 향상시켰다. Carbodiimide 반응 최적화는 항체와 양자점 간의 결합을 강화하는 동시에 aggregation을 방지하여 장기간에 걸쳐 안정된 상태를 유지할 수 있도록 제조하였다(Parolo et al., 2015). 이 최적화된 반응은 항체의 활성화와 양자점의 표면에 발생할 수 있는 부분적인 결합의 억제를 통해 견고한 중합체 형성을 도와 항체-양자점 중합체는 변성 없이 안정적으로 유지되어, 환경적인 변화나 외부 요인에 대한 강한 내성을 갖추게 되었다. 뿐만 아니라, 이 연구에서 양자점의 표면 코팅을 통해 양자점의 안정성과 발광 효율을 극대화 하였다. 이와 같은 종합적인 기술적 개선은 안정성과 발광 효율의 양면에서 항체-양자점 중합체의 성능을 높이는데 기여하였다.

재료

COVID-19 항원 빠른 키트에서 사용된 항체는 핀란드의 Hytest에서 제조된 3CV4-C715 SARS-CoV-2 Nucleoprotein 항체(Hytest #3C4-C715) 및 3CV4-C706 SARS-CoV-2 Nucleoprotein 항체(Hytest #3C4-C706)를 구매하였다. 또한, 재조합 항원에는 중국의 FAPON에서 생산한 Recombinant Covid-19 antigen (FAPON #516)이 사용되었다.

본 연구에서 표준물질은 바이오안전물질로 ZeptoMetrix에서 미국의 SARS-Related Coronavirus 2를 구매하여 활용했다.

양자점은 대한민국 ZEUS 사에서 파장이 620 nm인 carboxyl quantum dot beads (ZEUS #2QD620C221114)를 사용했다. 또한, 항체 양자점 중합체 제조를 위해 미국의 Thermo에서 EDC (Thermo #22980) 및 sulfo-NHS (Thermo #24510)를 구매하였다.

Dynamic Light Scattering (DLS) 및 Zeta potential 측정은 Anton paar에서 생산한 Omega cuvettes (Anton paar #225288) 및 Kuvetten • Cuvettes (Anton paar #164435)을 활용했다.

항체-양자점 중합체 제조

양자점 기반 COVID-19 신속항원진단 키트에서 항체-양자점 중합체는 항체의 amine (NH₂) 그룹과 양자점 비드의 작용기인 carboxyl (COOH) 결합을 유도하였다. EDC/sulfo-NHS 경우 각 5 mg/mL 5 μL를 양자점 1/10 희석한(10 mM PB) micro tube에 혼합하여 실온에서 1시간 반응시켰다. 반응이 완료된 혼합물은 20,000 rpm 15분 4℃ 반응 조건으로 free EDC/sulfo-NHS를 제거 후 항체 10 μg를 혼합하여 실온에서 2시간 반응시켰다. 항체-양자점 중합체 표면 코팅은 Bovine serum albumin (BSA)를 이용하여 실온에서 30분간 진행하였다. 최종 미반응된 항체와 BSA는 20,000 rpm 15분 4℃ 조건으로 제거 후 사용시까지 4℃에서 보관하였다.

Dynamic Light Scattering (DLS) 측정

양자점 및 항체-양자점 중합체 DLS 측정은 Anton paar Litesizer 500 장비를 통해서 진행하였다. DIW에 희석된 양자점을 1,000 μL 제조하여 kuveteen cuvettes에 분주하여 전방 산란광 측정 타입을 통해 3회 반복 측정하여 결과를 분석하였다.

Zeta potential 측정

Zetapotential 측정은 전기 영동 광 산란 방법으로 Anton paar Litesizer 500 장비를 통해 측정하였다. 최소 시료 농도를 0.1 mg/mL로 맞춰 총 700 μL를 준비하여 omega cuvettes를 사용하여 측정기 내부 온도 25℃ 상태로 3회 반복 측정하여 분석을 진행하였다.

양자점을 이용한 면역크로마토그래피 방법

본 연구에서는 양자점을 이용한 면역크로마토그래피를 개발하여(Fig. 1) 흡수패드, 멤브레인, 중합체패드, 샘플패드 순으로 구성하였으며, 양자점을 이용한 방법은 다른 검출 방법들에 비해 높은 감도와 선택성을 제공하며, 결과를 신속하고 정량적으로 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. Lateral flow assay (LFA) 방식을 사용하였으며, LFA는 시료의 적용, 샘플의 이동, 포획항체와 탐지항체 중합체의 결합, 그리고 결과 해석으로 구성되는 작동 원리를 가지고 있다.

Fig. 1. This is explaining the immune chromatography method using quantum dots. As you can see in the figure, wéve constructed a lateral flow assay system (LFA) using target molecules (molecules that antibodies bind to) and label molecules (molecules marked with quantum dots). This LFA system is applied to the sample and detects the presence of the target molecule by leveraging specific interactions between the target molecule and the labeled molecule. The completed system has a fixed light source at a specific wavelength, and analysis is conducted through a measurement device that filters optical information through an optical filter on the image sensor lens.

양자점 기반 측정기 기구 설계 개발

양자점 기반 측정기의 기구 설계는 광학 모듈의 소형화와 탈부착이 용이하도록 철저히 고려하였다(Fig. 2). 이에 더불어, 우리는 최적의 광출력 및 쿨링 팬 시스템을 적용하여 시스템의 효율성과 성능을 극대화하였다.

Fig. 2. In the process of equipment design, we focused on maximizing assembly efficiency by considering the lower assembly structure on the left, the upper assembly structure in the middle, and the upper and lower assembly structures on the right. Through this systematic design, we have established a production-oriented design to increase efficiency and enhance production efficiency.

양자점 기반 측정기 하드웨어 개발

양자점 측정기의 하드웨어 개발은 뛰어난 성능을 자랑하는 CPU 모듈을 적재한 고성능 하드웨어를 기반으로 하였으며, 이를 Full-HD 기반의 dual-camera 인터페이스 로직과 함께 연동하여 개발하였다(Fig. 3).

Fig. 3. The quantum dot measurement device hardware is designed to interface with high-performance CPU modules and external standalone hardware components (such as light source circuitry, a dual-camera system based on Full-HD, and a 7-inch touchscreen display). The separate hardware components are configured through harness cables.

더불어, 양자점 측정 시 외부 요인(외부 온도, 습도, 전기적 노이즈 등)에 의해 발생될 수 있는 성능 저하 문제점들을 사전에 설계 단계부터 철저히 검증하여 최적의 성능을 달성하는데 초점을 맞춰 개발하였다.

양자점 측정기에서 형광 반응을 위한 광원 소자 회로를 직접 설계 검증하여 최적의 성능을 달성하는데 주력하였으며, 측정기의 사용자 제어 편의를 위한 7" Touchscreen Display를 적용하여 편의성도 확보하였다.

또한, 추후 측정기의 이더넷 기능을 통하여 병원, 의료기관의 의료정보시스템에 양자점 측정기 데이터를 전송하여 데이터 관리를 하는데도 용의 하도록 설계하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Hardware design.

양자점 기반 측정기 소프트웨어 개발

양자점 측정기의 소프트웨어 개발은 리눅스 운영체제 환경에서 개발하였으며, 양자점 기반 형광 측정기의 소프트웨어는 형광 반응을 위한 광원 회로 제어, 형광 신호 수집을 위한 dual-camera 인터페이스 등 하드웨어 제어를 기반으로 효율적으로 형광 반응 시간에 따른 측정이 가능하도록 개발하였다. 또한, 형광 신호가 발현되는 위치의 오차를 줄이기 위하여 형광 신호 위치를 보정하는 알고리즘을 적용하였으며 이를 통하여 측정 시 발생할 수 있는 오차를 최소화시켰다.

형광 신호를 정량적으로 평가하기 위해 dual-camera 인터페이스를 통하여 형광 신호의 각 픽셀 단위의 신호 값들을 수집하고 데이터 필터링 처리한 후에 얻어진 데이터를 평균값 처리를 하여 측정의 반복성과 재현성을 향상시켰다. 뿐만 아니라, 외부 환경적 요인을 최대한 배제하여 측정기의 측정 조건을 최대한 동일한 조건으로 유지하기 위해 하드웨어의 센서들을 활용한 쿨링 팬 시스템을 적용하였다. 최종적으로 결과 값은 정량적으로 표시 가능한 소프트웨어로 개발되었다(Fig. 5).

Fig. 5. The quantum dot-based measurement software is designed using Linux software to enhance stability, prevent unexpected errors or system downtime, and allow multiple developers to log in and perform tasks simultaneously, facilitating rapid bug fixes and updates to new features.

양자점 기반 시작품 제작

위에서 설명한 내용을 기반으로 시작품을 제작하였다. 양자점 측정기의 하드웨어와 소프트웨어는 고성능 CPU 모듈과 Full-HD 기반의 dual-camera 인터페이스 로직을 결합하여 구성되었으며, 최적화된 설계 구조로 효율성과 안정성을 극대화하였다. 더불어 형광 신호 위치의 정확한 판독을 위한 알고리즘을 적용하여 측정 결과의 재현성을 향상시키고, 정량적인 결과를 제공하는 소프트웨어 역시 개발하였다(Fig. 6). 이렇게 구축된 양자점 측정기의 시작품은 고성능과 안정성을 결합하여 정밀한 형광 신호 측정과 판독을 수행할 수 있는 신뢰성 있는 장비로써 활용이 가능하다.

Fig. 6. The initial product is a portable, foldable LCD-based system designed for on-site diagnostic testing, and it has been light-weighted to a weight of 2 kg, including the adapter.

양자점 기반 rapid kit 전용 하우징 설계

양자점 광원의 측정을 위해 하우징 상 • 하판의 도색은 블랙 계열로 선정하였다. 하우징 체결 시 미세 구조물이 샘플패드의 일부분과 접촉하면서 미세 구조물 내에 밀폐된 공간이 형성되어 모세관 현상이 원활하게 일어나지 않을 수 있어 두 개 공급관을 사용하여 유속을 조절 및 순차적 반응이 가능하게 설계하였다(Fig. 7).

Fig. 7. For the housing of the quantum dot light source measurement, black coloration was chosen for the top and bottom plates. This is done to minimize light reflection and the influence of environmental light when measuring the quantum dot light source by painting the exterior of the housing in black tones. Additionally, when closing the housing, the fine structures come into contact with a portion of the sample pad, creating a sealed space within the fine structures, which may prevent the capillary effect from occurring smoothly. To address this, two supply channels are used to control the flow rate and facilitate sequential reactions.

항체-양자점 중합체 제조 특성 파악

DLS를 통해 양자점의 크기 분포와 평균 크기를 측정하여 중합 과정에서 필요한 양자점의 양을 결정하였다. 이를 통해 중합체의 목표 크기와 일관된 양자점의 크기를 유지할 수 있다. 또한, Zeta potential 측정을 통해 양자점의 표면 전하 상태를 확인하여 중합체의 안정성을 평가하였다(Fig. 8). 양자점의 표면 전하 상태가 안정한 경우, 중합체의 불안정성과 응집 현상을 최소화할 수 있다.

Fig. 8. This figure demonstrates the role of antibody conjugate production in enhancing the stability of quantum dots. The figure visually conveys how the process of antibody conjugate production leads to increased stability of quantum dots. The formation of antibody conjugates increases the interactions between quantum dots, resulting in reduced instability and prevention of aggregation phenomena.

항체-양자점 중합체 제조 응집 현상 방지

양자점의 응집 현상으로 인한 손실을 방지하기 위해 conjugation tube를 사용하였다. 응집 현상은 양자점 간의 상호작용으로 인해 양자점이 함께 집적되는 현상을 의미한다. 이를 방지하기 위해 protein coating tube를 사용하여 양자점이 응집하는 것을 방지하고 중합체의 안정성을 유지하였다. 따라서, DLS 및 Zeta potential 측정 결과를 통해 중합에 필요한 양자점의 양과 안정성을 파악하고(Jendroszek and Kjaergaard, 2021), 응집 현상으로 인한 양자점의 손실을 방지하는데 conjugation tube를 사용하여 중합체 제조 과정을 개선하였다(Fig. 9). 이를 통해 항체-양자점 중합체의 효율적인 제조와 안정성 확보에 기여하였다.

Fig. 9. This figure illustrates the process of enhancing the stability of quantum dot conjugates and preventing losses due to aggregation during the quantum dot conjugate manufacturing process using a conjugation tube. The figure shows that aggregation is the phenomenon where quantum dots come together due to their interactions. Such aggregation can lead to the loss of quantum dots and a decrease in the stability of conjugates. Therefore, the use of a protein coating tube is depicted in the research to prevent aggregation, thus maintaining the stability of the conjugates (Use of UV lamp).

항체-양자점 중합체 제조 조건 선정 시험

본 시험에서는 항체-양자점 중합체의 제조를 위해 carbodiimide 반응과 sulfo-NHS 반응을 사용하여 amine (NH₂) 그룹과 양자점 비드의 작용기인 carboxyl (COOH) 결합을 유도하였다(Gao et al., 2022). 이를 통해 중합체를 제조하였으며, 중합체 제조 과정에서는 양자점 양과 antibody 양을 변수로 적용하여 선행 시험을 진행하였다(Fig. 10).

Fig. 10. This figure illustrates the key steps and variable selection in the antibody-quantum dot conjugate manufacturing process. The figure visually represents the process of manufacturing conjugates by inducing the binding of amine (NH₂) groups and carboxyl (COOH) groups, which serve as functional groups on the quantum dot beads, using the carbodiimide and sulfo-NHS reactions. The figure also indicates that during the conjugate manufacturing process, the quantity of Q.dots and antibodies are considered as variables and preliminary tests are conducted. The quantity of Q.dots is chosen based on DLS results, background signals, and aggregation considerations. DLS results are used to assess the size distribution and average size of quantum dots, which are adjusted to match the target size of conjugates and the size of quantum dots (Use of UV lamp).

중합체 제조 과정에서 양자점 양은 DLS 결과, 배경 신호 및 응집 현상을 고려하여 선정되었다. DLS 결과를 통해 양자점의 크기 분포와 평균 크기를 파악하여 중합체의 목표 크기와 양자점 크기를 일치시키기 위해 양자점 양을 조절하였으며, 또한, 배경 신호와 응집 현상을 고려하여 최적의 양자점 양을 50 μg으로 선정하였다.

항체 양에 대해서는 민감도를 고려하여 추후 선정하기로 결정되었다. 항체 양은 중합체의 성능과 특이성에 영향을 미치는 중요한 요소로 추후 실험을 통해 항체 양의 최적값을 결정하여 중합체 제조 과정 조건을 성립하는 것이 중요하다.

이러한 절차를 통해 carbodiimide 반응과 sulfo-NHS 반응을 사용하여 항체-양자점 중합체를 제조하는 과정에서 양자점 양과 antibody 양을 고려하여 선행 시험을 진행하고, 최적의 조건을 선택하였으며, 이를 통해 향후 항체-양자점 중합체의 제조 및 응용에 대한 기반을 마련하였다.

항체-양자점 중합체 제조 개선 시험

항체-양자점 중합체 제조 공정을 개선하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.

• 양자점 표면에 carboxyl을 이용하여 amine (NH₂) 결합을 유도하기 위해 EDC/sulfo-NHS 반응을 사용하였으며, 이 반응에서 EDC와 sulfo-NHS의 몰 비율을 1:1로 설정하여 양자점 표면에 NH₂ 결합을 수행하였다.

• 양자점 비드의 양은 선행 연구에 결과로 10 μL 사용 시 높은 감도를 보여, 양자점 비드의 양을 10 μL으로 설정하여 중합체 제조에 활용하였다.

• EDC/sulfo-NHS 반응 후, 원심 분리를 이용하여 free EDC/sulfo-NHS를 제거하는 조건이 제거하지 않은 conjugate 조건 ①번 보다 좋은 것으로 확인되었다. 이에 따라, 원심 분리를 3회 반복하여 free EDC/NHS를 효과적으로 제거하였다.

• Antibody와의 반응을 위해 antibody 50 μg을 사용하였으며, antibody와 양자점 비드의 중합을 위해 2시간 동안 orbital shaker에서 반응시켰다.

• 중합체의 aggregation 현상을 방지하기 위해 표면 코팅을 위해 BSA 단백질을 사용하였다. 최종적으로 BSA의 양은 최종 농도가 1%가 되도록 반응시켰다.

• 마지막으로, free Antibody를 제거하기 위해 원심 분리를 3회 반복하여 free Antibody를 효과적으로 제거하였다.

이와 같은 제조 공정을 통해 항체-양자점 중합체를 제조하였으며, 이를 통해 aggregation 현상을 방지하고 안정성을 높인 중합체를 얻을 수 있었다(Fig. 11).

Fig. 11. This figure illustrates the key steps and optimal conditions in the manufacturing process of quantum dot antibody conjugates. The figure explains that the dilution ratio for adjusting the quantity of quantum dots is set at 1/10. When the dilution ratio is appropriately set, it minimizes the loss of quantum dots while maintaining the stability of the conjugates. The EDC/NHS reaction is one of the crucial steps in the conjugate manufacturing process. The figure emphasizes that carrying out this reaction in MES buffer under optimal conditions is highly efficient. It visually demonstrates that the EDC/NHS reaction in MES buffer is the most effective condition for inducing the binding between quantum dots and antibodies.

항체-양자점 중합체 제조 조건의 최종 선정은 다음과 같은 실험을 통해 이루어졌다(Fig. 12).

Fig. 12. This figure visualizes the key findings regarding the final selection of conditions for the antibody-quantum dot conjugate manufacturing. It visually demonstrates that an effective binding between antibodies and quantum dots can be achieved when the EDC/sulfo-NHS molar ratio is set at 1:2. The figure also presents sensitivity comparison experiments between conditions using pH 6.0 MES buffer for the EDC/NHS reaction and conditions using pH 7.4 PB buffer. The experimental results indicate that the conditions with the reaction carried out in pH 6.0 MES buffer exhibited over two times higher sensitivity than the conventional pH 7.4 PB buffer. It signifies that the final conditions involved setting the EDC/sulfo-NHS molar ratio to 1:2 and using pH 6.0 MES buffer for conjugate manufacturing. These conditions allowed for effective binding between antibodies and quantum dots while achieving a high level of sensitivity simultaneously.

• EDC/sulfo-NHS 몰 비율 비교 선정: EDC와 sulfo-NHS의 몰 비율을 변화시키면서 항체-양자점 중합체 제조 조건을 선정하기 위한 시험을 수행하였다. 이 실험을 통해 최적의 조건으로서 EDC/sulfo-NHS의 몰 비율을 1:2로 선정하였으며, 이 조건에서 항체와 양자점의 효과적인 결합을 얻을 수 있는 것으로 확인했다(Fig. 12 ②).

• 감도 비교를 통한 pH 조건 선정: 이 실험에서는 기존의 pH 7.4 PB buffer 대신 pH 6.0 MES buffer를 사용하여 EDC/NHS 반응을 진행하여 감도 비교를 수행하였다. 결과적으로, pH 6.0 MES buffer에서 반응을 진행한 조건에서는 기존의 pH 7.4 PB buffer보다 약 2배 이상 높은 감도를 보였다. 따라서, 중합체 제조 조건으로서 pH 6.0 MES buffer를 선택하여 이로써 양자점과 항체 사이의 반응 속도와 효율을 향상시킬 수 있었다(Fig. 12 ③).

위의 실험을 통해 항체-양자점 중합체 제조 조건을 최종적으로 선정하였으며, EDC/sulfo-NHS 몰 비율을 1:2로 설정하고, pH 6.0 MES buffer를 사용하여 중합체 제조를 진행하였다. 이러한 조건은 항체와 양자점의 결합을 효과적으로 유도하고, 중합체 제조 과정에서 높은 감도를 얻을 수 있게 해주었다.

항체-양자점 중합체 성능 분석

측정기 타입 변경에 따른 신호 변화: 최신 양자점 기반 측정 장치는 기존의 모델의 장점을 유지하면서 새로운 기능과 개선된 성능을 도입하여 다양한 분야에서의 응용 가능성을 높였다. 이전 모델은 고정 파장 광원과 광학 필터가 장착된 이미지 센서 렌즈를 이용한 측정을 기반으로 하였으나 이번 업데이트로는 열로 인한 맴브레인 건조 문제를 해결하기 위해 쿨링 필터가 도입되었다.

새로운 쿨링 필터는 광원으로부터 발생하는 열로 인한 맴브레인 건조 현상을 방지하여 정확한 측정을 가능하게 하였다. 이는 측정의 정확성과 신뢰성을 대폭 향상시켰다. 기존 모델의 농도에 따른 형광 신호는 배경 신호가 높고 농도에 따른 신호 변화가 적었으나, 새로운 장비는 배경 신호와 저농도 구간에 차이는 10배 이상이 측정되었으며, 농도에 따른 형광 신호 또한 비율적으로 높아진 것으로 확인하였다. 결과적으로, 쿨링 필터의 도입으로 인해 빠른 데이터 수집 속도와 더 정확한 결과 분석이 가능해져 복잡한 실험 환경에서도 우수한 성능을 발휘할 수가 있다(Fig. 13).

Fig. 13. The figure presents a side-by-side comparison of two quantum dot measurement devices. On the left, the results obtained using the previous device are shown, while on the right, the results obtained with the newly updated quantum dot measurement device are displayed. As a result, the figure visually indicates that when using the new quantum dot measurement device, the differences between concentrations are shown at a higher ratio. This emphasizes that the newly updated quantum dot measurement device exhibits superior performance. The new device is now capable of more accurately measuring differences in concentration, visualizing the enhancement of accuracy and reliability in quantum dot analysis. Through this figure, the performance improvement of the newly updated quantum dot measurement device is briefly conveyed. It visually highlights the superiority of the new device by comparing its performance with the previous one.

항체-양자점 중합체 분석적 성능 평가

양자점 특성 파악(DLS 및 Zeta 분석을 본 연구에서는 개선된 양자점 중합체를 활용하여 COVID-19 항원 신속 진단 키트의 성능을 분석하였다. 우리는 이 개선된 양자점 중합체를 적용하여 키트의 성능을 FAPON사의 재조합 COVID-19 항원이 아닌 실제 바이러스에 대한 반응성을 확인하기 위해 ZeptoMertix 제조사에서 구입한 불황성화 바이러스로 평가하였으며, 이로써 본 연구에서의 주요 장점을 부각하고자 하였다. 성능 분석 결과, 개선된 양자점 중합체 기술을 활용한 COVID-19 신속항원진단 키트는 standard curve을 작성한 결과 직선성(R²) 값은 0.97 이상으로 재현성 시험에 경우 저, 중, 고농도로 희석한 표준물질(불활성화 바이러스)을 5회 반복 시험한 결과 변동계수(CV) 값은 8% 미만으로 민감도의 경우 7.8 TCID₅₀/mL로 뛰어난 재현성과 민감도 성과를 나타내었다(Fig. 14, 15). 최종 상용화 키트(ANYLAB사의 COVID-19 Ag Test Kit)와 감도 비교 결과 양자점 기반 COVID-19 신속항원진단 키트의 감도가 약 50배 정도 높은 것으로 확인하였다(Fig. 16).

Fig. 14. This figure presents the key results of the analytical performance evaluation conducted using the inactivated COVID-19 virus. In the experiments, a Standard Curve was generated using the ratio of Test Line Intensity and Control Line Intensity. This Standard Curve demonstrates a coefficient of determination (R²) value of 0.97 or higher, indicating the linearity of the data. Furthermore, the coefficient of variation (CV) value is less than 11%, signifying a high degree of reliability in the experimental results. This confirms that our experiments yielded accurate and trustworthy results.

Fig. 15. This figure illustrates the reproducibility results of testing inactivated COVID-19 viruses at low, medium, and high concentrations using reference materials. Each lot was tested five times. In the experiments, the coefficient of variation (CV) was determined using the ratio of Test Line Intensity and Control Line Intensity values. The results showed that the CV (%) was less than 10%, indicating excellent reproducibility in the experiments. These results demonstrate that our experiments can yield consistent results across various concentrations and different test lots.

Fig. 16. A performance comparison was conducted with the commercially available COVID-19 antigen kit. The quantum dot-based COVID-19 antigen kit was able to accurately measure concentrations as low as 0.8875 × 10 TCID₅₀/mL, whereas the commercial gold nanoparticle-based kit could measure concentrations up to 3.55 × 10² TCID₅₀/mL. Based on these results, it can be inferred that the quantum dot-based antigen kit is effective in measuring lower concentrations compared to the commercially available kit.

이러한 결과는 최적 조건으로 선정된 항체-양자점 중합체가 COVID-19 재조합 항원 및 불활성화 바이러스의 민감하고 정량적인 분석에 우수한 성능을 발휘한다는 것을 나타낸다. 이는 중합체를 효과적으로 활용하여 COVID-19 진단에 대한 감도와 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 의미를 가지며, 더 나아가 진단키트 개발 등의 응용 가능성을 제시하고 있다.

본 연구에서 개선된 양자점 중합체를 활용한 COVID-19 신속항원진단 키트 성능을 분석하였다. 양자점 중합체 기술을 활용하는 키트는 재현성 및 민감도 측면에서 우수한 성과를 보여주고 있으며 이는 개선된 양자점 중합체의 높은 안정성과 신호 증폭 특성을 통해 가능한 결과로 해석된다. 또한 쿨링 필터의 도입으로 기존 모델과 비교하여 향상된 결과를 도출하였으며, 열로 인한 맴브레인 건조 현상을 방지하여 정확한 측정을 가능하게 하였다. 이러한 기술은 새로운 장점과 가능성을 제시하며, 현재의 COVID-19 대응 및 다른 감염병 진단 분야에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

이로써 초기 감염 단계에서도 정확하게 바이러스 항원을 감지할 수 있으며, 빠른 대응 및 격리 조치를 가능하게 하는 중요한 특징이 부각되었다. 더 나아가 빠른 데이터 수집 속도와 정확한 결과 분석을 가능케 하여 실험의 효율성을 향상시켰다.

이러한 결과는 양자점 중합체 기술의 실용성과 응용 가능성을 입증하며, 전염병 진단 분야에서의 혁신적인 접근법을 제시하였다. 개선된 양자점 중합체를 활용한 COVID-19 신속항원진단 키트는 정확한 진단 및 기 대응을 도와주며, 미래의 감염병 대응과 공중보건 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

This work was supported by Korea institute for Advancement of Technology (KIAT) grant funded by the Korea Government (MOTIE) (P0018665).

LFA: Lateral flow assay

DLS: Dynamic Light Scattering

COOH: Carboxyl

NH₂: Amine

BSA: Bovine serum albumin

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.