KR101015434B1 - Dna-based biosensor for the detection of mercury ions using surface plasmon resonance measurements - Google Patents

Dna-based biosensor for the detection of mercury ions using surface plasmon resonance measurements Download PDF

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Abstract

본 발명은, 투명한 지지체 층, 상기 투명한 지지체 층 위에 코팅된 금(Au) 박막 층, 상기 금 박막 층과 티올기(-SH)를 통해 결합되어 있는 자기조립 단분자층 및 상기 자기조립 단분자층 위에 위치하며, 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 단일가닥 DNA(ssDNA)가 접합된 금 나노입자층을 포함함으로써, 대상 검출 물질인 수은 이온에 대하여 선택도가 높으며, 매우 낮은 농도에서도 실시간으로 고감도 검출이 가능하여 나노 수준의 분자 인식 수은 이온 검출용 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 수은 이온 검출용 바이오센서는, 대상 검출 물질인 수은 이온에 대하여 선택도가 높으며 매우 낮은 농도에서도 실시간으로 고감도 검출이 가능하기 때문에, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 장치에 활용할 수 있는, 나노 수준의 분자 인식 바이오센서를 제공하는 효과가 있다.The present invention provides a transparent support layer, a thin layer of gold (Au) coated on the transparent support layer, the self-assembled monolayer and the self-assembled monolayer bonded to the gold thin film layer through the thiol group (-SH) and the self-assembled monolayer By including a gold nanoparticle layer bonded to single-stranded DNA (ssDNA) that can selectively bind to mercury ions, it has high selectivity for mercury ions, which is a target detection material, and enables high sensitivity detection in real time even at very low concentrations. It is an object of the present invention to provide a biosensor for detecting molecular levels of mercury ions. The biosensor for detecting mercury ions of the present invention has high selectivity with respect to mercury ions, which are target detection substances, and enables high sensitivity detection in real time even at very low concentrations, and thus can be used in surface plasmon resonance (SPR) devices. It is effective to provide a biometric sensor of molecular recognition.

금 나노입자, 금 박막 층, 바이오센서, 수은 이온, 자기조립 단분자층, 표면 플라즈몬 공명 Gold nanoparticles, gold thin film layer, biosensor, mercury ion, self-assembled monolayer, surface plasmon resonance

Description

표면 플라즈몬 공명 장치를 이용한 수은 이온 검출용 DNA 기반 바이오센서 {DNA-BASED BIOSENSOR FOR THE DETECTION OF MERCURY IONS USING SURFACE PLASMON RESONANCE MEASUREMENTS}DNA-based biosensor for mercury ion detection using surface plasmon resonance device {DNA-BASED BIOSENSOR FOR THE DETECTION OF MERCURY IONS USING SURFACE PLASMON RESONANCE MEASUREMENTS}

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 장치(Surface Plasmon Resonance measurements, SPR measurements)를 이용한 수용액 상의 수은 이온 검출용 바이오센서에 관한 것으로서, 특히 금 박막이 입혀진 필름에 합성 DNA를 접합시킨 금 나노입자를 이용하여 감지층(sensing layer)을 형성시킴으로써, 수은 이온의 검출도가 매우 우수한 수은 이온 검출용 바이오센서에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor for detecting mercury ions in an aqueous solution using surface plasmon resonance (SPR) measurements, and in particular, a sensing layer using gold nanoparticles in which synthetic DNA is bonded to a film coated with a gold thin film. By forming a sensing layer, the present invention relates to a biosensor for detecting mercury ions having an excellent detection degree of mercury ions.

표면 플라즈몬 공명(SPR) 현상이란 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파(wave)는 금속과 이에 인접한 유전물질의 경계 면을 따라 진행하는 표면전자기파로서, 본 발명은 나노 수준의 계면 현상을 분석하는 신호변환기법의 하나인 표면 플라즈몬 공명(SPR) 장치에 특정 오염물질을 검출하고자 하는 것이다. The surface plasmon resonance (SPR) phenomenon is a collective vibration of electrons occurring on the surface of the metal thin film, and the surface plasmon wave generated by this is a surface electromagnetic wave propagating along the interface between the metal and the adjacent dielectric material. To detect specific contaminants in surface plasmon resonance (SPR) devices, one of the signal conversion techniques to analyze the level of interfacial phenomena.

최근 환경 오염물질로서 수은에 의한 피해 사례가 빈번히 보도되고 있다. 수은은 특히 무기 화합물, 용액 상의 이온, 고체 등 여러 형태로 존재할 수 있으 며, 이 중에서도 수용액 상의 이온 형태가 가장 안정적인 구조를 갖고 치명적인 환경오염과 인체 피해를 유발하는 물질로 알려져 있다. 따라서 다양한 조건 하에서 선택성이 높은 고감도 검출센서의 개발이 요구되고 있다. Recently, cases of mercury damage have been reported as environmental pollutants. Mercury can exist in various forms, especially inorganic compounds, ions in solution, and solids. Among these, mercury is known to have the most stable structure and cause fatal environmental pollution and human damage. Therefore, there is a need for the development of a highly sensitive detection sensor with high selectivity under various conditions.

수은 검출용 고감도 센서의 일례로 최근에는 광학센서, 특히 형광센서 개발(Anal. Chem. 2008, 80, 3716-3721)에 대한 연구가 보고되고 있다. 특히 대한민국 특허 제 10-0862606호에서 개제된 바에 의하면, 수은이온과 선택적으로 결합할 수 있는 화합물에 형광 감응부위를 도입하여 선택적이고 민감성이 높은 고감도 형광감응 화학센서를 개시하고 있다. 그러나 검출 하한을 낮추는 데 한계가 있으며, 신호 변환 단계에서 표시물질(labeling)인 형광물질을 도입해야만 하므로 label-free의 직접적인 검출과 photo-bleaching 현상을 극복하지 못한 문제점이 있다.As an example of a high-sensitivity sensor for mercury detection, research on the development of optical sensors, especially fluorescent sensors ( Anal. Chem. 2008, 80, 3716-3721) has recently been reported. In particular, as disclosed in Korean Patent No. 10-0862606, a fluorescent sensitive portion is introduced to a compound capable of selectively binding with mercury ions to disclose a selective and highly sensitive fluorescent sensitive chemical sensor. However, there is a limit in lowering the detection limit, and there is a problem in that it is not possible to overcome the direct detection of label-free and photo-bleaching due to the introduction of a fluorescent substance that is a labeling in the signal conversion step.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 금 나노입자를 이용하여 국소표면 플라즈몬 현상을 이용한 바이오 센서 개발(Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 4093-4096; Gold Blutein 2008, 41/1, 37-41)이 학계에서 보고되고 있다. 이러한 연구에서는 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 바이오물질과 금 나노입자의 응집현상을 이용한 색변화를 통하여 선택성 있는 센서 개발에는 성공하였으나, 금 나노입자 용액의 색변화에 의존하다보니 민감도가 떨어지며 산업체에서의 사용 면에서 센서의 안정도가 떨어지는 문제점이 있었다.Development of biosensor using local surface plasmon phenomenon using gold nanoparticles ( Angew. Chem. Int. Ed . 2007, 46, 4093-4096; Gold Blutein 2008, 41/1, 37-41) It is reported by the academic community. These studies succeeded in developing a selective sensor through color change using agglomeration of biomaterials and gold nanoparticles that can selectively bind with mercury ions, but it is less sensitive because it depends on the color change of gold nanoparticle solution. There was a problem that the stability of the sensor in terms of use in the fall.

따라서 수용액 상태에서 수은이온을 선택적으로 고감도로 검출할 수 있는 센서 개발이 요구되며, 나노 기술의 발전 동향에 맞추어 산업체에서 다양하게 활용 될 수 있는 안정성이 높고 소규모로 제작이 가능한 센서 칩에 대한 연구가 요구되 고 있다.  Therefore, it is required to develop a sensor that can selectively detect mercury ions in an aqueous solution state, and research on sensor chips with high stability and small scale that can be utilized in various industries in accordance with the development trend of nanotechnology It is required.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 투명한 지지체 층, 상기 투명한 지지체 층 위에 코팅된 금(Au) 박막 층, 상기 금 박막 층과 티올기(-SH)를 통해 결합되어 있는 자기조립 단분자층 및 상기 자기조립 단분자층 위에 위치하며, 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 단일가닥 DNA(ssDNA)가 접합된 금 나노입자층을 포함함으로써, 대상 검출 물질인 수은 이온에 대하여 선택도가 높으며, 매우 낮은 농도에서도 실시간으로 고감도 검출이 가능하여 나노 수준의 분자 인식 수은 이온 검출용 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, the present invention for solving this problem, a transparent support layer, a gold (Au) thin film layer coated on the transparent support layer, the self-assembled monomolecular layer is bonded through the gold thin film layer and the thiol group (-SH) and the Located on the self-assembled monolayer, it comprises a gold nanoparticle layer bonded to single-stranded DNA (ssDNA) that can selectively bind to mercury ions, providing high selectivity to target mercury ions and real-time at very low concentrations. The present invention aims to provide a biosensor for detecting mercury ions at a nano level by detecting high sensitivity.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수은 이온 검출용 바이오센서는, 투명한 지지체 층, 상기 투명한 지지체 층 위에 코팅된 금(Au) 박막 층, 상기 금 박막 층과 티올기(-SH)를 통해 결합되어 있는 자기조립 단분자층 및 상기 자기조립 단분자층 위에 위치하며, 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 단일가닥 DNA(ssDNA)가 접합된 금 나노입자층을 포함하는 것을 특징으로 한다.The mercury ion detection biosensor according to the present invention for achieving the above object is a transparent support layer, a gold (Au) thin film layer coated on the transparent support layer, the gold thin film layer is bonded through a thiol group (-SH) Located on the self-assembled monolayer and the self-assembled monolayer, characterized in that it comprises a gold nanoparticle layer bonded to a single strand DNA (ssDNA) capable of selectively binding to mercury ions.

본 발명에 따른 수은 이온 검출을 위한 바이오센서는 표면 플라즈몬 공명현상을 이용하여 분석이 가능하며, 수은 이온과 선택적으로 상호작용을 하는 단일가닥 DNA를 이용하여 센서 표면의 공명 현상의 변화를 처음으로 시도하여 측정하였으며, 분자 인식 바이오센서를 제공하는 것이다. The biosensor for detecting mercury ions according to the present invention can be analyzed using surface plasmon resonance, and the first attempt to change the resonance phenomenon of the sensor surface using single-stranded DNA that selectively interacts with mercury ions. It was measured by, to provide a molecular recognition biosensor.

여기서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 현상이란 앞서 설명하였듯이, 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파(wave)는 금속과 이에 인접한 유전물질의 경계 면을 따라 진행하는 표면전자기파로서, 본 발명은 나노 수준의 계면 현상을 분석하는 신호변환기법의 하나인 표면 플라즈몬 공명 장치에 특정 오염물질을 검출하고자 하는 것이다.Here, the surface plasmon resonance (SPR) phenomenon is a collective vibration of electrons occurring on the surface of the metal thin film as described above, and the surface plasmon wave generated by the surface plasmon resonance is a surface electromagnetic wave propagating along the interface between the metal and the adjacent dielectric material. The present invention aims to detect specific contaminants in a surface plasmon resonance device, which is one of signal conversion techniques for analyzing nanoscale interface phenomena.

자세하게는 표면 플라즈몬 파(Surface Plasmon wave)를 발생시키는 금속으로 잘 알려진 금(Au) 박막 위에 수은 이온을 분자 수준으로 인식이 가능한 아미노산 종류의 일종인 티민(thymine)기를 다수 포함하고 있는 단일가닥 DNA를 이용함으로써, 분자 상호간에 결합(수은 이온과 티민기 사이의 상호작용)이 일어나는 나노(nano) 수준의 신호를 표면 플라즈몬 공명(SPR) 장치를 이용하여 수용액 상에서 극미량으로 용해되어 있는 수은 이온을 검출하고자 하는 것이다.Specifically, a single-stranded DNA containing a large number of thymine groups, which is a type of amino acid capable of molecularly recognizing mercury ions, is formed on a thin film of gold known as a metal that generates surface plasmon waves. By using a surface plasmon resonance (SPR) device to detect trace levels of mercury ions dissolved in aqueous solution using surface plasmon resonance (SPR) devices, It is.

더욱 상세하게는 상기 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 단일가닥 DNA는 복수의 티민기(이하 T라고 표현한다.)를 좌우 대칭으로 포함하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 티민기가 수은 이온(이하 Hg(II)라고 표현한다.)과의 상호작용을 통하여 T-Hg(II)-T 구조를 유도하여 단일가닥 DNA가 휘어져 헤어핀 구조(hair-pin)의 루프(loop)형태로 바뀌는 것을 유도하기 위함이다, 이때 발생되는 DNA의 구조변화와 수은이온과의 결합으로 인한 유전율 변화로 센서 표면의 플라즈몬 공명 현상이 바뀌게 되고, 이러한 신호 변화를 통하여 수은 이온을 검출할 수 있게 된다. More specifically, the single-stranded DNA that can selectively bind to the mercury ions preferably includes a plurality of thymine groups (hereinafter referred to as T) symmetrically. The reason for this is that the thymine group induces T-Hg (II) -T structure through interaction with mercury ions (hereinafter referred to as Hg (II)). This is to induce the change in loop form. Plasmon resonance phenomenon on the surface of the sensor is changed due to the change of permittivity due to the structural change of DNA and the binding of mercuric ions, and the mercury ion is detected through the signal change. You can do it.

여기에서 티민기를 다수 포함하고 있는 단일가닥 DNA는 금 나노입자에 접합 시켜서 센서 표면에 고정시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 센서의 민감도를 획기적으로 높이기 위함으로써, 금 박막 위에 표면 플라즈몬 파의 여기가 일어나는 범위에서 금 나노입자가 존재할 경우, 금 박막과 금 나노입자 사이에 다이폴 효과(dipole effect)로 인한 플라즈몬 커플링 현상이 발생하여 SPR 신호의 증폭이 예상되기 때문이다.Here, single-stranded DNA containing a large number of thymine groups is preferably bonded to gold nanoparticles and fixed to the surface of the sensor. The reason for this is to dramatically increase the sensitivity of the sensor. If gold nanoparticles are present in the range where the surface plasmon waves are excited on the gold thin film, the plasmon couple is caused by the dipole effect between the gold thin film and the gold nanoparticles. This is because ringing occurs and amplification of the SPR signal is expected.

이러한 금 나노입자는 본 발명의 바이오센서로 활용하기 위하여 용액 상에 고르게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로 그 형태는 제조 방법에 따라 구형, 아령형, 삼각형, 마름모 형, 막대기 형의 라드(rod)형태가 될 수 있으며, 용액의 상태도 수용액 또는 유기 용매일 수 있다.Such gold nanoparticles are preferably evenly dispersed in a solution for use as the biosensor of the present invention. Specifically, the shape may be in the form of a rod of a spherical shape, a dumbbell shape, a triangle shape, a rhombus shape, a rod shape, and the state of the solution may be an aqueous solution or an organic solvent.

그러나 나노 입자를 생체 분자와 단분자층으로 자기 조립시키기 위해서는 생체분자의 활동력(activity)과 안정성(stability)을 유지시켜야 하기 때문에 나노 입자가 분산되어 있는 용액은 수용액이 바람직하며, 그 형태도 구형이 가장 적합하다. However, in order to self-assemble the nanoparticles into biomolecules and monomolecular layers, the activity and stability of the biomolecules must be maintained, so that a solution in which the nanoparticles are dispersed is preferably an aqueous solution. Do.

액상에서 금 나노 입자를 제조하는 방법에는 템플릿(templet)을 이용하지 않고 고온의 조건에서 금속염을 환원시키는 방법과, 템플릿을 이용하여 상온에서 합성하는 방법이 있다. 템플릿을 이용하지 않는 방법은 용매에 금속염을 녹인 후 끓는점 이상에서 강한 교반(stirring) 조건에서 citrate 등의 강한 환원제를 첨가하여 금속 나노 입자를 얻는다. Methods of preparing gold nanoparticles in a liquid phase include a method of reducing metal salts at high temperature without using a template, and a method of synthesizing at room temperature using a template. In the method without using a template, metal salts are obtained by dissolving a metal salt in a solvent and adding a strong reducing agent such as citrate under a strong stirring condition at a boiling point or higher.

또 다른 방법으로 금 나노 입자 형성 시 열역학적으로 불안정한 상태를 극복하기 위해 표면 안정제나 템플릿을 사용하기도 한다. 경우에 따라 중형기공 알루미 나와 실리카, 탄소 나노 튜브(CNT) 등의 하드 템플릿(hard templet)과 계면활성제(surfactant)와 같은 소프트 템플릿(soft templet)을 사용한다. 템플릿을 이용하여 나노 입자를 제조하는 방법에는 seed와 growth solution을 이용하는 seed-mediated 방법과 polyol process 등이 있다.Alternatively, surface stabilizers or templates may be used to overcome the thermodynamic instability of gold nanoparticle formation. In some cases, hard templates such as medium pore alumina, silica, and carbon nanotubes (CNT) and soft templates such as surfactants are used. Methods for preparing nanoparticles using a template include seed-mediated methods using a seed and growth solution, and polyol processes.

이러한 금 나노 입자 제조방법 중에서 본 발명의 바이오센서를 이용하기 위하여 템플릿을 이용하지 않는 citrate 환원방법을 이용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 제조방법이 비교적 간단하며, 본 발명에서 활용하는 구형 나노 입자의 크기 조절이 용이하기 때문이다. 또한 제조 방법과 환경이 조악(harsh)하지 않아 변성에 민감한 생체분자와의 접합(conjugation)이 용이하기 때문이다.It is preferable to use a citrate reduction method that does not use a template in order to use the biosensor of the present invention among these gold nanoparticle manufacturing method. The reason is that the manufacturing method is relatively simple, and the size of the spherical nanoparticles utilized in the present invention can be easily controlled. In addition, the manufacturing method and the environment is not harshed (harsh) is easy to conjugation (conjugation) with biomolecules sensitive to denaturation.

이하에서는 본 발명의 구성을 도면과 함께 더욱 구체적으로 상술하면 하기와 같다. Hereinafter, the configuration of the present invention in more detail with reference to the drawings as follows.

본 발명에서 포함되는 상기 투명한 지지체 층은 실리카 재질이 바람직하며, 상세하게는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 장치에 사용될 시 SF10 또는 BK7 재질의 유리가 바람직하다. 그 이유는 본 발명이 이용될 표면 플라즈몬 장치의 프리즘과 같은 재질로서, 상기 재질을 사용하면 표면 플라즈몬(SPR) 공명 장치를 이용할 경우, 다양한 매질(공기, 수용액, 유기 용매 등을 의미한다.)에서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 각도가 측정될 수 있기 때문이다.The transparent support layer included in the present invention is preferably a silica material, in particular, when used in the surface plasmon resonance (SPR) device is preferably a glass of SF10 or BK7 material. The reason is that the material is the same as the prism of the surface plasmon device to be used in the present invention. When the material is used, the surface plasmon (SPR) resonator is used in various media (air, aqueous solution, organic solvent, etc.). This is because the surface plasmon resonance (SPR) angle can be measured.

구체적으로 본 발명에서 표면 플라즈몬 파를 일으켜 표면 플라즈몬 공명 각도의 측정이 가능한 금속으로서 금(Au, 순도 99.9% 이상)을 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 금 박막은 오염물질의 검출을 위하여 선택성을 지니는 유기 기능기 에 대하여 자기조립 단분자층을 형성시키는데 용이하며, 표면 플라즈몬 파를 일으키는데 유리한 금속이기 때문이다. Specifically, in the present invention, it is preferable to use gold (Au, purity of 99.9% or more) as a metal capable of generating surface plasmon waves and measuring surface plasmon resonance angles. This is because gold thin films are easy to form self-assembled monolayers for organic functional groups that are selective for the detection of contaminants and are advantageous metals for generating surface plasmon waves.

여기에서 금 박막 층은 상기 투명한 지지체 위에 직접 적층시키거나 바람직한 경우에 상기 크롬 층 위에 금을 적층시킬 수 있는데, 그 두께는 10 내지 100 나노미터인 것이 바람직하다. 10 나노미터보다 작을 경우에는 그 두께가 너무 얇기 때문에 박막 층의 형성이 어려워지고, 100 나노미터보다 클 경우에는 향상된 효과가 없는 상태에서 경제적이지 못한 문제점이 있기 때문이다. 이러한 이유로 금 박막 층의 두께는 40 내지 60 나노미터인 것이 바람직하다.Herein, the gold thin film layer may be directly deposited on the transparent support or, if desired, on the chromium layer, and the thickness thereof is preferably 10 to 100 nanometers. If the thickness is smaller than 10 nanometers, the thickness of the thin film is difficult to form, and if larger than 100 nanometers, there is a problem that is not economical in the absence of an improved effect. For this reason, the thickness of the gold thin film layer is preferably 40 to 60 nanometers.

이러한 금 박막 층은 상기 투명한 지지체 층의 한쪽 면에 적층되는 것으로서, 열 증착(Thermal evaporation) 방식이 바람직하다. 이는 금과 같은 금속을 상기의 나노 수준으로 코팅하기에 적합한 방식으로서, 표면 플라즈몬 공명(SPR) 장치를 이용할 때 표면 플라즈몬 공명 각도를 측정할 수 있는 적합한 방법이기 때문이다.The gold thin film layer is stacked on one side of the transparent support layer, and thermal evaporation is preferable. This is a suitable method for coating a metal such as gold at the nano level, because it is a suitable method for measuring the surface plasmon resonance angle when using a surface plasmon resonance (SPR) device.

한편 이렇게 형성된 금 박막 층 위에 도입되는 자기조립 단분자층은, 도 1에서 보는 바와 같이, 한쪽 끝에는 티올 기(SH), 다른 한 끝에는 아민 기(NH2)를 포함하는 알칸 화합물로 형성된 자기조립 단분자층을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 자기조립 단분자층(self assembled monolayer, SAM)이란, 알칸 화합물을 구성하는 유기 분자들이 기질의 표면에 자발적으로 화학결합에 의해 규칙적으로 잘 정렬된 단분자막을 의미한다. Meanwhile, the self-assembled monomolecular layer introduced on the thus formed gold thin film layer includes a self-assembled monomolecular layer formed of an alkane compound including a thiol group (SH) at one end and an amine group (NH 2 ) at the other end, as shown in FIG. 1. It is desirable to. The self assembled monolayer (SAM) refers to a monomolecular layer in which the organic molecules constituting the alkane compound are regularly well aligned by spontaneous chemical bonding on the surface of the substrate.

한쪽 끝에 티올 기(SH)를 포함하는 알칸 화합물을 사용하는 것이 바람직한 이유는, 한쪽 티올 기(SH)는 금(Au)과 같은 결정성의 금속과 잘 정돈된 표면구조를 보이기 때문에 금 박막 층 위에 자기조립 단분자층을 형성하기에 적합하기 때문이다. 또한 다른 쪽 아민 기(NH2)는 본 발명에서 고감도 신호 증폭을 위하여 도입한 금 나노입자의 전기적 결합을 유도하기 위함이다. 여기서 아민 기(NH2)를 포함한 알칼 화합물을 금박막 위에 자기조립 시킬 경우 자연 상태로는 (+) 성질을 띄게 되며, 이는 상기 citrate 환원방법으로 제조된 (-) 성질을 갖는 금 나노입자 표면과 강한 전기적 인력으로 결합할 수 있게 된다. It is preferable to use an alkane compound containing a thiol group (SH) at one end, because one of the thiol groups (SH) has a magnetic structure on the gold thin film layer because it shows a well-ordered surface structure with a crystalline metal such as gold (Au). It is because it is suitable to form an assembled monolayer. In addition, the other amine group (NH 2 ) is to induce electrical bonding of gold nanoparticles introduced for high sensitivity signal amplification in the present invention. Here, when the alkaline compound including the amine group (NH 2 ) is self-assembled on the gold thin film, it has a (+) property in its natural state, which is the surface of the gold nanoparticle having the (-) property prepared by the citrate reduction method. It can be combined with strong electrical attraction.

상세하게는 이러한 한쪽 끝에는 티올 기(SH), 다른 한 끝에는 아민 기(NH2)를 포함하는 알칸 화합물로서, 2-aminoethane thiolhydrochloride, 6-amino-1-hexanethiolhydrochloride 및 4-aminothiolphenol로 이루어진 군에서 선택되어진 하나 이상의 물질을 본 발명의 자기조립 단분자층(SAM)으로 이용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 알칸 화합물이 금 박막 층 위에 자기조립 단분자층을 형성시킬 경우 자기 조립이 안정적으로 이루어지는 적절한 탄소 체인 길이이기 때문이다. Specifically, an alkane compound containing a thiol group (SH) at one end and an amine group (NH 2 ) at the other end is selected from the group consisting of 2-aminoethane thiolhydrochloride, 6-amino-1-hexanethiolhydrochloride and 4-aminothiolphenol. It is preferable to use at least one material as the self-assembled monolayer (SAM) of the present invention. This is because the alkane compound is an appropriate carbon chain length in which self-assembly is stable when the self-assembled monomolecular layer is formed on the gold thin film layer.

이러한 자기조립 단분자층은 상기 적절한 알칸 화합물을 수용액이나 에탄올 용액으로 제조하여, 금 박막 층이 입혀진 유리를 수 시간 담가 놓음으로써 형성된다. 구체적으로는, 수용액이나 에탄올 용액의 농도는 1 내지 10 mM 이 바람직하며, 제조 시간은 5시간 내지 20시간이 바람직하다. This self-assembled monolayer is formed by preparing the appropriate alkane compound in an aqueous solution or an ethanol solution and soaking the glass coated with the gold thin film layer for several hours. Specifically, the concentration of the aqueous solution and the ethanol solution is preferably 1 to 10 mM, and the production time is preferably 5 hours to 20 hours.

그 이유는 상기 시간 범위에서 자기조립 단분자층의 안정도가 최상이 되기 때문이다. 이러한 제조 방법은 알칸 화합물의 자기조립에 의하여 화학 결합이 형성되는 것으로서, 부가적인 화학적 공정이 필요 없고, 상온 상압에서 형성된다는 점에서, 종래의 기술에 비하여 매우 간단한 과정을 거치게 된다.This is because the stability of the self-assembled monolayer in the above time range is the best. This manufacturing method is a chemical bond is formed by the self-assembly of the alkane compound, and does not require an additional chemical process, and is formed at room temperature and normal pressure, and thus undergoes a very simple process compared to the conventional technology.

이러한 알칸화합물의 자기조립층이 적층된 센서 표면 위에 단일가닥 DNA가 접합된 금 나노입자 수용액을 도입하여 고정시키면 수은 이온 검출용 바이오센서가 제작된다. 잘 분산된 금 나노입자 표면에 단일가닥 DNA를 접합시키기 위해서는 역시 DNA의 한쪽 끝(5' 또는 3')이 티올기(SH)를 포함하는 것이 바람직하며 그 이유는 금 표면에 화학결합을 유도하기 위한 상기 이유와 같다. A biosensor for detecting mercury ions is produced by introducing and fixing an aqueous gold nanoparticle solution in which single-stranded DNA is bonded onto a sensor surface on which a self-assembled layer of the alkane compound is stacked. In order to bond single-stranded DNA to the surface of well-dispersed gold nanoparticles, it is also preferable that one end (5 'or 3') of the DNA contains a thiol group (SH) because it induces a chemical bond on the gold surface. For the same reason as above.

이와 같이 제조된 본 발명의 수은 이온 검출용 바이오센서는 도 1과 같이, 수은 이온에 노출되었을 때, 금 나노입자에 접합되어 있는 랜덤 코일(random coil)형상의 단일가닥 DNA가 도 1의 우측처럼 대칭적으로 존재하는 티민기(T) 사이에 수은 이온이 결합되면서 루프 형태로 바뀌게 된다. 루프 형태를 더욱 안정화시키기 위해서는 티민기 이외에 단일가닥 DNA의 나머지 베이스들은 이중 구조(duplex)가 유도되도록 대칭적으로 디자인하는 것이 바람직하다. The mercury ion detection biosensor of the present invention manufactured as described above has a random coil-like single-stranded DNA bonded to gold nanoparticles when exposed to mercury ions, as shown in FIG. As mercury ions are bonded between the symmetrically present thymine groups (T), they change to a loop shape. In order to further stabilize the loop shape, it is preferable to design the remaining bases of the single-stranded DNA in addition to the thymine group symmetrically to induce a duplex.

이렇게 제작된 본 발명의 수은 이온 검출용 바이오센서를 표면 플라즈몬 공명 장치를 이용하여 분석하면, 표면에서 일어나는 수 나노 크기 수준의 분자 간 상호 작용을 표면 플라즈몬 공명의 신호 변화를 통하여 매우 민감하고 선택적으로 검출할 수 있으며, 특히 금 나노입자를 도입하였기 때문에 기존의 SPR 센서에 비하여 민감도(sensitivity)를 획기적으로 높일 수 있었다. When the biosensor for detecting mercury ion prepared as described above is analyzed using the surface plasmon resonance device, the interaction between the molecules of the nanoscale level occurring on the surface is very sensitive and selectively detected through the signal change of the surface plasmon resonance. In particular, the introduction of gold nanoparticles has significantly improved the sensitivity (sensitivity) compared to the existing SPR sensor.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 수은 이온 검출용 바이오센서는, 투명한 지지체 층, 상기 투명한 지지체 층 위에 코팅된 금(Au) 박막 층, 상기 금 박막 층과 티올기(-SH)를 통해 결합되어 있는 자기조립 단분자층 및 상기 자기조립 단분자층 위에 위치하며, 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 단일가닥 DNA(ssDNA)가 접합된 금 나노입자층을 포함함으로써, 대상 검출 물질인 수은 이온에 대하여 선택도가 높으며, 매우 낮은 농도에서도 실시간으로 고감도 검출이 가능하여 표면 플라즈몬 공명(SPR) 장치에 활용할 수 있는, 나노 수준의 분자 인식 수은 이온 검출용 바이오센서를 제공하는 효과가 있다.As described above, the biosensor for detecting mercury ion of the present invention is a transparent support layer, a gold (Au) thin film layer coated on the transparent support layer, and the gold thin film layer and the thiol group (-SH) are bonded through The self-assembled monolayer and the gold nanoparticle layer on the self-assembled monolayer and bonded to the single-stranded DNA (ssDNA) that can selectively bind to the mercury ions, including a high selectivity for the target detection material mercury ions, It is possible to provide a biosensor for detecting nanoscale molecular recognition mercury ions, which can be used for surface plasmon resonance (SPR) devices at high sensitivity even in very low concentrations in real time.

이하 바람직한 제조예 및 실시예를 들어 도면과 함께 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지, 이들만으로 한정하는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying preferred examples and examples. The following examples are intended to illustrate the invention, but are not limited to these.

[제조예 1][Production Example 1]

20 nm 크기의 구형 금 나노입자 용액 150 ml를 제조하기 위하여, 전구체 hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrate (HAuCl4,3H2O, Aldrich) 와 환원제 sodium citrate (Na3C6H5O7,2H2O, Mallinckrodt) 의 stock solution 을 초순수를 용매로 하여 각각 0.05 g/㎖ 와 0.01 g/㎖ 의 농도로 준비하였다. To prepare 150 ml of 20 nm spherical gold nanoparticle solution, precursor hydrogen tetrachloroaurate (III) trihydrate (HAuCl 4 , 3H 2 O, Aldrich) and reducing agent sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 , 2H 2 O , Mallinckrodt) stock solutions were prepared using ultrapure water as a solvent at concentrations of 0.05 g / ml and 0.01 g / ml, respectively.

준비된 HAuCl4 의 stock solution 0.2 ㎖ 를 200 ㎖ 초순수에 희석시켜 질량비율 0.005% 의 HAuCl4 수용액을 준비한 후, 환류냉각기에 연결된 플라스크에서 150 ℃로 가열하면서 강하게 교반(stirring)시켰다. 수용액이 끓기 시작하면 준비된 sodium citrate 의 stock solution 1.53 ㎖를 첨가하여 가열 및 교반(stirring)을 계속 해주고, 수분 뒤 용액의 색이 옅은 노란색에서 회색으로 변하기 시작하면 가열을 중지하고 상온에서 하루 동안 냉각시켰다.0.2 ml of the prepared stock solution of HAuCl 4 was diluted in 200 ml of ultrapure water to prepare an aqueous solution of HAuCl 4 having a mass ratio of 0.005%, followed by vigorous stirring while heating to 150 ° C. in a flask connected to a reflux condenser. When the aqueous solution starts to boil, add 1.53 ml of stock solution of sodium citrate to continue heating and stirring.When the color of the solution begins to change from pale yellow to gray after a few minutes, the heating is stopped and cooled at room temperature for one day. .

이렇게 제조된 금 나노입자의 TEM 이미지와 UV-visible 스펙트럼은 도 2와 같다. 여기서 보는 바와 같이 20nm 크기의 구형 나노입자가 잘 만들어진 것을 확인할 수 있었으며, UV-visible 스펙트럼의 흡수 픽도 533nm 근처의 파장대에서 나타남을 확인하였다.The TEM image and UV-visible spectrum of the gold nanoparticles thus prepared are shown in FIG. 2. As shown here, it was confirmed that the spherical nanoparticles having a size of 20 nm were well formed, and the absorption pick of the UV-visible spectrum also appeared in the wavelength band near 533 nm.

[제조예 2][Production Example 2]

수은 이온과 선택적인 상호작용을 할 수 있는, 복수의 티민기가 좌우 대칭으로 구성되는 단일가닥 DNA를 Single-stranded DNA consisting of symmetrical plural thymine groups capable of selective interaction with mercury ions

5'-GGCTTCAACTGTGAGGCTTCGAGCTTTTGCTCGTTGCCTCTCTGTTGTTGCC-SH-3' 와 같이 합성, 제조한 후 0.1mg/ml 농도의 수용액을 제조한 후 상기 제조예 1에서 제조한 금 나노입자 용액 3ml에 300μl의 단일가닥 DNA 수용액을 첨가하여 하루 동안 접합 시켰다(하기 제조예 3을 위하여 이러한 용액 샘플을 여러 개 제조하였다). 이렇게 제조된 금 나노입자 용액의 전후 비교를 UV-visible 스펙트럼을 통하여 확인하였으며, 그 결과는 도 2에서 보는 바와 같이 흡수 픽의 변화를 통하여 증명되었다.After preparing and synthesizing with 5'-GGCTTCAACTGTGAGGCTTCGAGCTTTTGCTCGTTGCCTCTCTGTTGTTGCC-SH-3 'and preparing an aqueous solution of 0.1 mg / ml concentration, 300 μl of single stranded DNA solution was added to 3 ml of the gold nanoparticle solution prepared in Preparation Example 1 (Several solution samples were prepared for Preparation Example 3 below). The before and after comparison of the gold nanoparticle solution thus prepared was confirmed through a UV-visible spectrum, the results were proved through the change in absorption pick as shown in FIG.

[제조예 3] [Manufacture example 3]

가로 1.5cm, 세로 1.5cm 크기의 SF10(Fisher Scientific) 고 투명 유리 지지체 위에 금 50nm의 두께를 열 증착(thermal evaporation, AUTO306 Edwards 사용) 방식으로 적층시켰다. 이렇게 제조된 금 박막 필름에 1mM 2-aminoethane thiolhydrochloride 에탄올 용액 10ml를 이용하여 상온에서 18시간동안 자기조립단분자층을 형성시켰다. 그 후 에탄올로 세척한 후 질소 건으로 건조시켰으며, 상기 제조예 2에서 제조된 단일가닥 DNA가 접합된 금 나노입자 용액 10ml에 8시간동안 담가 놓은 후 꺼내어 금 나노입자 층을 형성시켰다. 그 후 초순수로 세척한 후 질소 건으로 건조시켜 수은 이온 검출용 바이오센서를 제조하였다. A 50 nm thick gold was deposited by thermal evaporation (using AUTO306 Edwards) on a SF10 (Fisher Scientific) high clear glass support measuring 1.5 cm wide by 1.5 cm long. The self-assembled monolayer was formed on the gold thin film thus prepared using 18 ml of 1 mM 2-aminoethane thiolhydrochloride ethanol solution for 18 hours at room temperature. Thereafter, the resultant was washed with ethanol and dried with a nitrogen gun, and soaked for 10 hours in 10 ml of the single-stranded DNA conjugated gold nanoparticle solution prepared in Preparation Example 2, and taken out to form a gold nanoparticle layer. After washing with ultrapure water and dried with a nitrogen gun to prepare a biosensor for detecting mercury ions.

[실시예 1]Example 1

이렇게 제조한 칩을 인덱스 매칭 플루이드(index matching fluid)를 이용하여 표면 플라즈몬 공명 장치에 칩을 고정시킨 후 시료 셀 부분에 황산화 수은 수용액 100μM을 주입한 후 플라즈몬 공명 각도를 고정시키고 실시간으로 칩 표면에서 수은 이온과 상호작용에 따른 반사된 광량의 변화(Delta Reflectance)를 측정하였다. After the chip was fixed to the surface plasmon resonance apparatus using index matching fluid, 100 μM of aqueous solution of mercuric sulphate was injected into the sample cell portion, and then the plasmon resonance angle was fixed and the surface of the chip was fixed in real time. The change of the reflected light amount (Delta Reflectance) according to the interaction with mercury ions was measured.

이러한 결과는 도 3과 같다. 도 3에서 보는 바와 같이 신호 변화가 10분 정도에서 평형에 도달하였음을 알 수 있으며, 이는 상기 제조한 바이오센서의 표면과 수은 이온 사이의 상호작용에 따른 평형시간을 의미한다. This result is shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, it can be seen that the signal change reaches equilibrium at about 10 minutes, which means an equilibrium time according to the interaction between the surface of the manufactured biosensor and mercury ions.

[실시예 2][Example 2]

10μM 농도의 수은 이온 수용액을 대상 검출 용액으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 본 발명의 바이오센서를 제조한 후, 동일한 과정을 수행하였으며, 그 결과는 하기 도 3과 같다.Except that 10 μM aqueous solution of mercury ion was used as the target detection solution, the biosensor of the present invention was prepared in the same manner as in Example 1, and then the same process was performed, and the results are shown in FIG. 3.

[실시예 3]Example 3

5μM 농도의 수은 이온 수용액을 대상 검출 용액으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 본 발명의 바이오센서를 제조한 후, 동일한 과정을 수행하였으며, 그 결과는 하기 도 3과 같다.A biosensor of the present invention was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 5 μM of aqueous mercury ion solution was used as a target detection solution, and the same process was performed as follows.

[실시예 4] Example 4

1μM 농도의 수은 이온 수용액을 대상 검출 용액으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 본 발명의 바이오센서를 제조한 후, 동일한 과정을 수행하였으며, 그 결과는 하기 도 3과 같다. A biosensor of the present invention was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 1 μM of aqueous mercury ion solution was used as a target detection solution, and the same process was performed as follows.

[실시예 5]Example 5

0.1μM 농도의 수은 이온 수용액을 대상 검출 용액으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 본 발명의 바이오센서를 제조한 후, 동일한 과정을 수행하였으며, 그 결과는 하기 도 3과 같다.A biosensor of the present invention was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 0.1 μM of aqueous mercury ion solution was used as a target detection solution, and the same process was performed as follows.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바이오센서를 이용하면 0.1μM의 극량의 수은 이온 농도까지 짧은 시간 내에 실시간으로 검출이 됨을 알 수 있다. 이 결과를 바탕으로 수은 이온 농도 별 SPR 신호 변화를 도시한 결과는 도 4와 같다. 여기서 보이는 바와 같이, 선택한 수은 이온의 농도 범위에서 랭뮤어 흡착 등온식에 잘 맞는 형태가 나옴을 확인하였다. 이로써 농도를 모르는 대상 물질의 수은 이온의 농도를 본 발명의 바이오센서를 활용하여 추적할 수 있게 된다. As shown in FIG. 3, it can be seen that the biosensor of the present invention can be detected in real time within a short time up to a concentration of mercury ion of 0.1 μM. Based on this result, the SPR signal change according to mercury ion concentration is shown in FIG. 4. As shown here, it was confirmed that a form well suited to the Langmuir adsorption isotherm in the concentration range of the selected mercury ion. This makes it possible to track the concentration of mercury ions of the target substance whose concentration is unknown by using the biosensor of the present invention.

이처럼 본 발명의 수은 이온 검출용 바이오센서를 이용한다면 매우 낮은 농도까지 고감도로 짧은 시간 동안 실시간으로 검출이 가능하다. 또한 수은 이온과 선택적으로 결합하여 유도되는 T-Hg(II)-T의 구조를 이용하였기 때문에 다른 환경 오염물질에 대해서도 선택도가 매우 높은 것을 확인하였다. 따라서 나노 기술을 기반으로 한 산업상 소규모 센서로서 이용 가능성이 매우 높은 효과가 있을 것으로 판단된다.As described above, if the biosensor for detecting mercury ions is used, it is possible to detect in real time for a short time with high sensitivity to very low concentration. In addition, since the structure of T-Hg (II) -T induced by selective binding with mercury ions was used, it was confirmed that the selectivity was very high for other environmental pollutants. Therefore, it is expected to be very effective as a small industrial sensor based on nanotechnology.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아님은 물론이며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라 청구 범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다. The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, it is not limited to, but should be determined to include the claims and equivalents as well as the claims to be described later.

도 1은 본 발명에 따른 바이오센서의 형상과 수은 이온 검출 원리를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the shape of the biosensor according to the present invention and the principle of mercury ion detection.

도 2는 본 발명에 따른 금 나노입자의 제조와 단일 DNA가 접합된 금 나노입자 수용액의 UV-visible 스펙트럼 변화를 나타내는 그래프이다. Figure 2 is a graph showing the UV-visible spectral change of the gold nanoparticles prepared according to the present invention and the gold nanoparticles aqueous solution conjugated with a single DNA.

도 3은 본 발명에 따른 바이오센서를 사용하여 농도를 달리하여 수은 이온을 검출한 결과를 실시간으로 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the results of detecting mercury ions in different concentrations in real time using the biosensor according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 바이오센서를 사용하여 도 3에서 얻은 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호 변화를 수은 이온 농도에 따라 도시한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the results of the surface plasmon resonance (SPR) signal obtained in Figure 3 according to the mercury ion concentration using the biosensor according to the present invention.

Claims (4)

투명한 지지체 층;Transparent support layer; 상기 투명한 지지체 층 위에 코팅된 금(Au) 박막 층;A gold (Au) thin film layer coated on the transparent support layer; 상기 금 박막 층과 티올기(-SH)를 통해 결합되어 있는 자기조립 단분자층; 및A self-assembled monolayer bonded to the gold thin film layer through a thiol group (-SH); And 상기 자기조립 단분자층 위에 위치하며, 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 단일가닥 DNA(ssDNA)가 접합된 금 나노입자층;A gold nanoparticle layer positioned on the self-assembled monolayer and having a single stranded DNA (ssDNA) bonded thereto to selectively bind with mercury ions; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 이온 검출용 바이오센서. Mercury ion detection biosensor comprising a. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 자기조립 단분자층은 한쪽 끝에는 티올기를 포함하며, 다른 한쪽 끝에는 아민기(-NH2)를 포함하는 알칸화합물로 이루어지며, 상기 알칸화합물은 2-aminoethane thiolhydrochloride, 6-amino-1-hexanethiolhydrochloride 및 4-aminothiolphenol로 이루어진 군에서 선택되어진 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 수은 이온 검출용 바이오센서.The self-assembled monolayer consists of an alkane compound containing a thiol group at one end and an amine group (-NH 2 ) at the other end, and the alkane compound is 2-aminoethane thiolhydrochloride, 6-amino-1-hexanethiolhydrochloride and 4- A biosensor for detecting mercury ions, characterized by being formed from one or more substances selected from the group consisting of aminothiolphenol. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수은 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 단일 가닥 DNA(ssDNA)는, 복수 의 티민(thymine, T로 표현된다.)기를 좌우 대칭으로 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 이온 검출용 바이오센서. Single-stranded DNA (ssDNA) capable of selectively binding with the mercury ion, mercury ion detection biosensor comprising a plurality of thymine (represented by T.) groups symmetrically. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금 나노입자는 3 내지 100 나노미터(nm)의 평균입경을 갖는 구형 입자인 것을 특징으로 하는 수은 이온 검출용 바이오센서. The gold nanoparticles are biosensors for mercury ion detection, characterized in that the spherical particles having an average particle diameter of 3 to 100 nanometers (nm).
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