KR101509398B1 - 안정한 나노구조체 및 상기 나노구조체를 이용한 센서 - Google Patents

안정한 나노구조체 및 상기 나노구조체를 이용한 센서 Download PDF

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이정헌
허준혁
조희훈
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성균관대학교산학협력단
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    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors

Abstract

안정한 나노구조체가 개시된다. 안정한 나노구조체는 나노입자; 및 상기 나노입자의 표면에서 서로 이격된 상태로 배치되며, 디옥시리보핵산(DNA) 염기들 중 피리미딘(Pyrimidine)계 염기들로 이루어진 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체들을 포함한다. 이러한 나노구조체는 다양한 이온들이 존재하는 환경에서도 안정성을 유지할 수 있다.

Description

안정한 나노구조체 및 상기 나노구조체를 이용한 센서{STABLE NANO STURUCTURE AND SENSOR USING THE NANO STURUCTURE}
본 발명은 나노구조체 및 상기 나노구조체를 이용한 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안정한 상태가 오랜 시간 동안 유지될 수 있는 나노구조체 및 상기 나노구조체를 이용하여 특정 물질을 센싱할 수 있는 센서에 관한 것이다.
바다는 지구의 표면을 약 70% 덮고 있는 가장 큰 생태계이고, 2백만 이상의 생명체의 안식처이다. 또한, 바다는 인간과 동물의 먹이사슬을 연결시켜주는 중요한 역할을 수행함과 동시에 아직 발견되지 않은 천연자원의 저장소이다. 따라서, 오염물질로부터 바다를 보호하거나 미래에 사용될 자원을 획득하기 위하여 바다를 연구하는 것이 무엇보다 중요하고, 이를 위하여 바닷물 속에 존재하는 다양한 물질들을 센싱하는 기술 개발이 필요하다.
전 세계적으로 나노테크놀로지 기술에 대한 관심이 증가하고 있고, 바이오센서, 차세대 디스플레이의 형광체, 테라비트급 하드 드라이브, 태양전지, 나노 전자소자 등 다양한 분야에서 나노입자를 이용한 기술의 개발이 이루어지고 있으나, 나노입자를 이용하여 바닷물 속에 존재하는 다양한 물질들을 센싱하기 위한 연구 사례는 전무한 실정이다.
왜냐하면, 바닷물 속에서는 다양한 양이온들이 존재하기 때문에, 나노입자를 바닷물 속에 넣을 경우 양이온들이 나노입자 표면에 달라붙어 나노입자를 전기적으로 중성화(neutralization)시키고, 결국에는 반데르발스(van der Waals) 힘에 의하여 나노입자끼리 서로 응집(aggregation)하여 나노입자의 원래의 특성을 잃어버리기 때문이다.
이에 본 발명자는 바닷물과 같이 다양한 이온들이 존재하는 환경에서도 안정성을 유지할 수 있는 나노구조체 및 이러한 나노구조체를 이용한 센서를 개발하기에 이르렀다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 바닷물과 같이 다양한 이온들이 존재하는 환경에서도 안정하게 유지될 수 있는 나노구조체를 제공하는 것이다.
또한, 바닷물과 같이 다양한 이온들이 존재하는 환경에서도 안정하게 특정 물질을 센싱할 수 있는 나노구조체를 이용한 센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체는 나노입자; 및 상기 나노입자의 표면에서 서로 이격된 상태로 배치되며, 디옥시리보핵산(DNA) 염기들 중 피리미딘(Pyrimidine)계 염기들로 이루어진 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체들을 포함할 수 있다.
디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid, DNA) 염기에는 퓨린(Purine)계 염기 아데닌(Adenine)과 구아닌(Guanine)이 있고, 피리미딘(Pyrimidine)계 염기에는 사이토신(cytosine)과 티민(thymine)이 있다.
하나의 실시예로 상기 나노입자는 금나노입자(AuNP), 자성나노입자 및 양자점으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 피리미딘계 염기배열체는, 하나 이상의 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine) 중 어느 한 종류의 염기들을 포함할 수 있고, 바닷물과 같이 다양한 이온들이 존재하는 환경에서도 안정성을 유지하기 위하여는 티민(thymine)이 사용되는 것이 바람직하다.
하나의 실시예로 상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체는, 상기 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine)이 상기 나노입자의 표면으로부터 수직한 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체의 말단에는, 염기서열이 랜덤하게 배열된 제1 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 부착될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine)은 5개 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서는 나노입자; 상기 나노입자의 표면에서 서로 이격된 상태로 배치되며, 디옥시리보핵산(DNA) 염기들 중 피리미딘(Pyrimidine)계 염기들로 이루어진 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체들; 및 상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체의 말단에 각각 부착되고, 특정 물질과 반응할 수 있도록 염기서열이 배열된 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 나노입자는 금나노입자(AuNP), 자성나노입자 및 양자점으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체는, 하나 이상의 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine) 중 어느 한 종류의 염기들을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체는, 상기 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine)이 상기 나노입자의 표면으로부터 수직한 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine)은 5개 이상일 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 나노입자가 바닷물과 같이 다양한 이온들이 존재하는 환경에서도 안정하게 유지될 수 있는 효과가 있다.
또한, 다양한 이온들이 존재하는 환경에서도 안정하게 유지될 수 있는 나노입자를 이용함으로써 특정 물질을 센싱할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이러한 나노입자를 이용하여 바닷물 속에 존재하는 다양한 물질들을 센싱할 수 있기 때문에 바닷물 속에 환경오염 물질이 존재하는지 확인할 수 있고, 바다의 환경오염에 효과적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는지 실험한 결과 사진이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는지 검증하기 위한 파장(wavelength)에 따른 흡광도(absorbance)를 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는 시간을 티민(thymine)의 숫자에 따라 실험한 결과 사진과 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는지 실험한 결과 사진과 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 칼륨 이온(K+)과 나트륨 이온(Na+)에 대하여 어느 정도의 농도까지 안정성을 유지할 수 있는지 실험한 결과 사진과 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 다양한 양이온들에 대하여 어느 정도의 농도까지 안정성을 유지할 수 있는지 실험한 결과 사진이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 특정 반응을 일으키는지 여부를 확인한 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 7b는 도 7a의 실험 결과에 대한 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서와 상기 센서를 이용하여 아데노신을 검출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서가 바닷물 내에 존재하는 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는지 실험한 결과 사진이다.
도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서가 바닷물 내에 존재하는 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는지 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서가 바닷물 내에 존재하는 수은 이온(Hg2+)과 특정 반응을 일으키는지 실험한 결과 사진이다.
도 9b는 도 9a의 실험 결과에 대한 파장(wavelength)에 따른 흡광도(absorbance)를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안정한(stable) 나노구조체(100)는 나노입자(nanoparticle, 10) 및 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)들을 포함할 수 있다.
나노입자(10)는 적어도 한 차원이 100㎚, 다시 말해 천만분의 1미터(100㎚=100.0×10-9m) 이하인 입자로서, 분자나 원자를 조작하여 새로운 소재, 구조, 기계, 기구, 소자를 제작하고 그 구조를 연구하는 나노기술의 영역에 속하는 입자이다. 일 예로 나노입자(100)로는 다양한 금속 나노입자가 사용될 수 있고, 환경친화적이고 인체에 무해한 금나노입자(AuNP)가 사용될 수 있다. 또한, 양자점(Quantum Dot) 또는 자성나노입자(magnetic nanoparticle)도 나노입자로 사용될 수 있다.
피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)들은 나노입자(10)의 표면에서 서로 이격된 상태로 배치될 수 있다. 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)는 하나 이상의 피리미딘(Pyrimidine)계 염기들이 배열되어 있는 배열체로서 피리미딘(Pyrimidine)계 염기는 사이토신(cytosine)과 티민(thymine)이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 피리미딘계 염기배열체(20)는 하나 이상의 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine) 중 어느 한 종류의 염기들을 포함할 수 있고, 하나 이상의 사이토신(cytosine)만으로 배열될 수 있거나 하나 이상의 티민(thymine)만으로 배열될 수 있다. 도 1에는 피리미딘계 염기배열체(20)가 티민(thymine)인 경우를 도시하고 있으나 티민(thymine)이 사이토신(cytosine)으로 대체될 수 있다.
또한, 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)는 하나 이상의 사이토신(cytosine)이 나노입자(10)의 표면으로부터 수직한 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있거나, 하나 이상의 티민(thymine)이 나노입자(10)의 표면으로부터 수직한 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
일 예로 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine)은 적어도 5개 이상일 수 있고, 복수 개의 사이토신(cytosine)들이 일렬로 배열되거나 복수 개의 티민(thymine)들이 일렬로 배열될 수 있다.
피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)들이 나노입자(10)의 표면에 배치되는 경우에는 배치된 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)들은 나노입자(10)가 안정하게 유지되도록 한다. 예를 들면, 나노입자(10)가 금 나노입자인 경우, 바닷물과 같이 다양한 이온들이 존재하는 환경에 금 나노입자가 노출되게 되면 다양한 양이온들(Na+, Mg2+, K+ 및 Ca2+ 등)이 금나노입자의 표면에 부착되게 된다. 금나노입자 표면에 양이온들이 부착되는 경우, 음전하(Negative charge)를 띠고 있는 금나노입자의 표면이 중성화(Neutralization)되고, 그 결과, 중성화된 금나노입자들은 반데르발스(van der Waals)힘에 의하여 서로 응집될 수 있다.
이 경우, 금 나노입자의 표면에 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)들이 배치되는 경우에는 금 나노입자가 중성화되는 것을 방지할 수 있어 금 나노입자가 안정한 상태를 유지하게 된다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는지 실험한 결과 사진이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는지 검증하기 위한 파장(wavelength)에 따른 흡광도(absorbance)를 나타낸 그래프이다.
도 2a 및 도 2b에서 Random DNA는 염기서열이 5'-CATGACTGAC-3'인 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 1)를 나타내고, Poly 10A는 10개의 아데닌(Adenine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 2)를 나타내며, Poly 10G는 10개의 구아닌(Guanine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 3)를 나타내고, Poly 10C는 10개의 사이토신(cytosine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 4)를 나타내며, Poly 10T는 10개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 5)를 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 샘플 1, 샘플 2 및 샘플 3의 경우에는 색이 보라색 또는 파란색을 띠게 되므로 바닷물에서 금 나노입자에 응집이 발생하였음을 알 수 있다. 그러나 샘플 4 및 샘플 5의 경우에는 색이 붉은색을 유지하므로 금 나노입자가 안정한 상태로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통하여 금 나노입자의 표면에 Poly 10C 또는 Poly 10T가 배치되는 경우에는 바닷물 내에서도 금 나노입자가 안정하게 유지될 수 있음을 알 수 있다.
퓨린(purine)계 염기인 아데닌(Adenine)과 구아닌(Guanine)은 금 나노입자 표면에 평행한 방향(금 나노입자의 표면 접선과 평행한 방향)으로 배치되지만, 피리미딘(Pyrimidine)계 염기인 사이토신(cytosine)과 티민(thymine)은 금 나노입자의 표면에 수직한 방향(금 나노입자의 표면 접선과 수직한 방향)으로 배치된다. 따라서, 사이토신(cytosine)과 티민(thymine)의 경우 아데닌(Adenine)과 구아닌(Guanine)에 비하여 훨씬 많은 수의 디옥시리보핵산(DNA) 염기들이 금 나노입자의 표면에 배치될 수 있고 그 결과 금 나노입자가 응집되는 것을 방지할 수 있는 것으로 보인다.
도 2b에서 Poly 10 T in Tris-acetate Buffer는 10개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 Tris-acetate 버퍼 용액에 노출시킨 상태(샘플 6)를 나타내며 이 경우 금 나노입자는 응집되지 않고 안정한 상태를 계속 유지할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 샘플 4와 샘플 5의 경우 샘플 6과 파장에 따른 흡광도 그래프가 유사하게 나타남으로 확인할 수 있다. 이를 통하여 샘플 4 및 샘플 5의 경우 금 나노입자가 안정한 상태로 유지되는 것을 그래프 상으로 확인할 수 있다.
샘플 5의 경우 샘플 6과 파장에 따른 흡광도가 거의 일치하는 그래프로 나타나는 것을 확인할 수 있고 샘플 5가 샘플 4보다 금 나노입자가 더욱 안정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 종합하면, 금 나노입자의 표면에 Poly 10C 또는 Poly 10T가 배치되는 경우에는 바닷물 내에서도 금 나노입자가 안정하게 유지될 수 있으며, Poly 10T인 경우에 금 나노입자가 더욱 안정하게 유지될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는 시간을 티민(thymine)의 숫자에 따라 실험한 결과 사진과 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c에서 AuNP in Tris-acetate Buffer는 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 Tris-acetate 버퍼 용액에 노출시킨 상태(샘플 7)를 나타내고 이 경우 금 나노입자는 응집되지 않고 안정한 상태를 계속 유지할 수 있다.
Poly 5T는 5개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 8)를 나타내고, Poly 10T는 10개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 9)를 나타내며, Poly 25T는 25개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 10)를 나타내고, Poly 50T는 50개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 11)를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 7일 까지는 샘플 8 내지 11이 모두 붉은색을 유지하고 있지만, 10일 까지는 샘플 10과 샘플 11의 경우에만 붉은색을 유지하며, 12일 까지는 샘플 11만이 붉은 색을 유지함을 확인할 수 있다. 또한, 이러한 결과는 샘플 7의 파장에 따른 흡광도의 그래프를 통하여도 확인할 수 있다.
이러한 결과를 종합하면, 티민(thymine)의 숫자가 증가할수록 금 나노입자는 바닷물 내에서 더욱 오랜시간 동안 안정한 상태로 유지될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)의 티민(thymine)의 숫자가 5개 이상인 경우에는 7일 동안은 금 나노입자가 바닷물 내에서도 안정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안정한(stable) 나노구조체(100)는 나노입자(nanoparticle, 10), 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20) 및 제1 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(30)를 포함할 수 있다.
나노입자(nanoparticle, 10) 및 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)는 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제1 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(30)는 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)의 말단에 부착될 수 있고, 제1 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(30)는 염기서열이 랜덤하게 배열될 수 있다. 일 예로 제1 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(30)는 하나 이상의 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 사이토신(cytosine) 및 티민(thymine)으로 이루어진 군에서 선택된 염기들이 일렬로 배열되는 염기서열을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 안정성을 유지하는지 실험한 결과 사진과 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 5에서 0T는 염기서열이 ACC TGG GGG AGT AT인 디옥시리보핵산(DNA)인 Random DNA들이 서로 이격된 상태로 표면에 배치된 금 나노입자를 바닷물에 노출시킨 상태(샘플 12)를 나타내고, 1T, 2T, 3T, 4T, 5T, 7T, 10T는 각각 1 내지 10개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 금 나노입자의 표면에 배치되어 있고, 상기 디옥시리보핵산(DNA)의 말단에 상기 Random DNA가 부착된 것을 바닷물에 각각 노출시킨 상태(샘플 13, 14, 15, 16, 17, 18 및 19)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 샘플 12 내지 샘플 16은 보라색 또는 파란색을 띠게 되므로 바닷물에서 금 나노입자에 응집이 발생하였음을 알 수 있다. 그러나 샘플 17 내지 샘플 19의 경우에는 색이 붉은색을 유지하므로 금 나노입자가 안정한 상태로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 파장에 따른 흡광도를 통하여도 확인할 수 있다.
상기 결과를 통하여 상기 디옥시리보핵산(DNA)의 말단에 상기 Random DNA가 부착되는 경우에는 티민(thymine)의 갯수는 최소 5개 이상이어야만 금 나노입자가 바닷물 내에서도 안정하게 유지될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 칼륨 이온(K+)과 나트륨 이온(Na+)에 대하여 어느 정도의 농도까지 안정성을 유지할 수 있는지 실험한 결과 사진과 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이고, 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 다양한 양이온들에 대하여 어느 정도의 농도까지 안정성을 유지할 수 있는지 실험한 결과 사진이다.
도 6a 및 도 6b에서 None은 5개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 금 나노입자의 표면에 배치되어 있고, 상기 디옥시리보핵산(DNA)의 말단에 상기 Random DNA가 부착된 것을 Tris-acetate 버퍼 용액에 노출시킨 상태(샘플 20)을 나타낸다. 각각의 사진은 샘플 20에 다양한 양이온들의 농도를 증가시키면서 첨가하는 경우 샘플 20이 붉은 색을 유지하는 농도를 함께 표시한 사진이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 칼륨 이온(K+)과 나트륨 이온(Na+)에 대하여는 각각 4.8M 및 6.8M 까지 붉은색을 유지함을 확인할 수 있고, 마그네슘 이온(Mg2+), 칼슘 이온(Ca2+), 수은 이온(Hg2+), 구리 이온(Cu2+), 카드뮴 이온(Cd2+), 니켈 이온(Ni2+), 스트론튬 이온(Sr2+) 및 바륨 이온(Ba2+)에 대하여는 각각 10mM, 10mM, 0.9mM, 1mM, 0.9mM, 0.9mM, 10mM 및 7mM 까지 붉은색을 유지함을 확인할 수 있다.
이를 통하여, 칼륨 이온(K+)과 나트륨 이온(Na+)과 같은 특정 이온에 대하여는 높은 농도까지 금 나노입자가 안정하게 유지됨을 확인할 수 있고, 중금속 이온에 대하여도 금 나노입자가 안정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안정한 나노구조체가 바닷물 내에서도 특정 반응을 일으키는지 여부를 확인한 실험 결과를 나타낸 사진이고, 도 7b는 도 7a의 실험 결과에 대한 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
DNA1은 5개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 금 나노입자의 표면에 배치되어 있고, 상기 디옥시리보핵산(DNA)의 말단에 염기서열이 TACGAGGCCTGCTA인 디옥시리보핵산(DNA)이 부착된 것을 바닷물에 노출시킨 상태를 나타낸다.
DNA2는 5개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 금 나노입자의 표면에 배치되어 있고, 상기 디옥시리보핵산(DNA)의 말단에 염기서열이 TAGCAGGCCTCGTA인 디옥시리보핵산(DNA)이 부착된 것을 바닷물에 노출시킨 상태를 나타낸다.
DNA3은 5개의 티민(thymine)이 일렬로 배열된 디옥시리보핵산(DNA)들이 서로 이격된 상태로 금 나노입자의 표면에 배치되어 있고, 상기 디옥시리보핵산(DNA)의 말단에 염기서열이 ACCTGGGGGAGTAT인 디옥시리보핵산(DNA)이 부착된 것을 바닷물에 노출시킨 상태를 나타낸다.
DNA1과 DNA2를 혼합한 결과(DNA1+DNA2) 혼합된 용액의 색이 붉은색에서 보라색 또는 푸른색으로 변색되는 것을 확인할 수 있다. 이는 DNA1의 TAGCAGGCCTCGTA과 DNA2의 ACCTGGGGGAGTAT는 서로 상보적 염기서열에 해당하고, 상보적 결합이 일어남으로써 금 나노입자가 응집되기 때문이다.
그러나 DNA1의 TAGCAGGCCTCGTA과 상보적 염기서열에 해당하지 않는 ACCTGGGGGAGTAT이 부착된 DNA3은 서로 혼합(DNA1+DNA3)하여도 혼합된 용액의 색은 붉은색을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조체(100)는 바닷물 내에서도 상보적 결합이 일어남을 확인할 수 있고, DNA가 가지는 특성은 바닷물 내에서도 동일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서와 상기 센서를 이용하여 아데노신을 검출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서(200)는 나노구조체(100) 및 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기(40)를 포함할 수 있다. 나노구조체(100)는 나노입자(nanoparticle, 10) 및 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)들을 포함할 수 있다.
나노입자(nanoparticle, 10) 및 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)는 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(40)는 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체(20)의 말단에 부착되고, 특정 물질과 반응할 수 있도록 염기서열이 배열된 디옥시리보핵산(DNA) 염기들을 포함할 수 있다.
일 예로 특정 물질은 아데노신 또는 수은 이온일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 검출하기 위한 특정 물질의 종류는 다양하게 변경될 수 있다. 즉, 검출하기 위한 특정 물질에 따라 특정 물질과 특정 반응할 수 있도록 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(40)의 염기서열은 변경될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서(200)의 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(40)와 특정 물질과 반응하는 경우 특정 물질이 바닷물 내에 존재함을 확인할 수 있다.
예를 들면, 특정 물질이 아데노신(adenosine)이고 하나의 금 나노입자와 연결된 하나의 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(40)가 아데노신(adenosine)과 반응할 수 있는 염기서열을 가지고 있는 경우에는 바닷물 내에서 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(40)가 아데노신(adenosine)과 반응하게 된다.
이 상태에서 또 다른 하나의 금 나노입자와 연결된 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체(40)가 상기 아데노신(adenosine)과 반응하게 되면, 금 나노입자들 사이의 거리가 가까워지게 되고, 금 나노입자들이 서로 응집하게 된다.
금 나노입자들이 응집하는 경우에는 금 나노입자들이 분산되어 있는 바닷물의 색이 붉은색에서 푸른색 또는 보라색으로 변색되게 되므로 아데노신(adenosine)이 바닷물 내에 존재함을 확인할 수 있다. 이러한 방식에 따라 바닷물 내에 존재하는 아데노신(adenosine)을 검출할 수 있다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서가 바닷물 내에 존재하는 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는지 실험한 결과 사진이다.
도 8b에서 0mM A 내지 5mM A는 각각 농도 0, 1, 2 및 5 mM의 아데노신(adenosine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 21, 샘플 22, 샘플 23 및 샘플 24)를 나타내고, 5mM G는 농도 5 mM의 구아노신(guanosine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 25)를 나타내며, 5mM C는 농도 5 mM의 시티딘(cytidine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 26)를 나타내고, 5mM U는 농도 5 mM의 우리딘(uridine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 27)를 나타낸다.
도 8b를 참조하면, 샘플 21, 샘플 25 내지 샘플 27의 색은 붉은색을 유지하지만, 샘플 22 내지 샘플 24의 색은 보라색 또는 푸른색을 띠는 것을 확인할 수 있다. 이는 바닷물 내에서 금 나노입자가 응집된 것을 의미하고, 이를 통하여 바닷물 내에 아데노신(adenosine)이 존재함을 검출할 수 있다.
또한, 다른 뉴클레오시드(nucleoside)인 구아노신(guanosine), 시티딘(cytidine) 및 우리딘(uridine)와는 반응이 일어나지 않았기 때문에 특정 물질만을 선택적으로 검출할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서가 바닷물 내에 존재하는 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는지 파장(wavelength)에 따른 흡광도(extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 8c에서 No adenosine은 아데노신(adenosine)이 첨가되지 않은 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 28)를 나타내고, 0.1mM adenosine 내지 5mM adenosine은 각각 농도 0.1, 0.5, 1, 2 및 5 mM의 아데노신(adenosine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 29, 샘플 30, 샘플 31, 샘플 32 및 샘플 33)을 나타내며, 5mM guanosine은 농도 5 mM의 구아노신(guanosine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 34)를 나타내고, 5mM cytidine은 농도 5 mM의 시티딘(cytidine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 35)를 나타내며, 5mM uridine은 농도 5 mM의 우리딘(uridine)이 첨가된 바닷물에 아데노신(adenosine)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태(샘플 36)를 나타낸다.
도 8c를 참조하면, 샘플 29 내지 샘플 33은 각각 그래프의 피크(peak)가 파장 약 530㎚에서 적색편이 되고 있는 것을 확인할 수 있고, 이를 통하여 아데노신과 디옥시리보핵산(DNA)이 특정 반응하여 금 나노입자가 응집된 것을 확인할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서가 바닷물 내에 존재하는 수은 이온(Hg2+)과 특정 반응을 일으키는지 실험한 결과 사진이다.
도 9a에서 각각의 샘플들은 바닷물 내에 수은 이온(Hg2+)과 특정 반응을 일으키는 디옥시리보핵산(DNA) 염기가 연결된 금 나노입자를 노출시킨 상태에서 각각 50㎛인 구리 이온(Cu2+), 니켈 이온(Ni2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 아연 이온(Zn2+), 칼슘 이온(Ca2+), 바륨 이온(Ba2+), 납 이온(Pb2+), 수은 이온(Hg2+)을 각각 바닷물에 첨가한 상태를 나타내고, None은 이온이 첨가되지 않은 상태를 나타낸다.
도 9a를 참조하면, 수은 이온(Hg2+)이 첨가된 샘플의 경우에는 색이 보라색 또는 푸른색을 띠지만, 나머지 샘플들은 붉은색을 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 수은 이온(Hg2+)과 디옥시리보핵산(DNA)이 특정 반응하여 금 나노입자가 응집된 것을 확인할 수 있다.
도 9b는 도 9a의 실험 결과에 대한 파장(wavelength)에 따른 흡광도(absorbance)를 나타낸 그래프이다.
도 9b를 참조하면, 이온이 첨가되지 않은 샘플(None)의 경우와 수은 이온(Hg2+)을 제외한 양이온들이 첨가된 샘플들의 파장에 따른 흡광도에 대한 그래프는 서로 유사한 것을 확인할 수 있다. 그러나, 수은 이온(Hg2+)이 첨가된 샘플의 경우에는 파장에 따른 흡광도의 그래프가 다른 그래프들과 확연히 다른 것을 확인할 수 있다.
따라서, 이러한 파장에 따른 흡광도 그래프의 차이를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 안정한 나노구조체를 이용한 센서(200)는 바닷물 내에 존재하는 수은 이온(Hg2+)만을 선택적으로 검출할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 나노구조체 200: 나노구조체를 이용한 센서
10: 나노입자 20: 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체
30: 제1 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체
40: 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체

Claims (11)

  1. 나노입자; 및
    상기 나노입자의 표면에서 서로 이격된 상태로 배치되며, 디옥시리보핵산(DNA) 염기들 중 피리미딘(Pyrimidine)계 염기들로 이루어진 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체들을 포함하고,
    상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체는 상기 나노입자의 표면으로부터 수직한 방향을 따라 일렬로 배열되어 있는 5개 이상의 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine)을 포함하는, 안정한 나노구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자는 금나노입자(AuNP), 자성나노입자 및 양자점으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인, 안정한 나노구조체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체의 말단에는,
    염기서열이 랜덤하게 배열된 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체가 부착된, 안정한 나노구조체.
  6. 삭제
  7. 나노입자;
    상기 나노입자의 표면에서 서로 이격된 상태로 배치되며, 디옥시리보핵산(DNA) 염기들 중 피리미딘(Pyrimidine)계 염기들로 이루어진 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체들; 및
    상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체의 말단에 각각 부착되고, 특정 물질과 반응할 수 있도록 염기서열이 배열된 제2 디옥시리보핵산(DNA) 염기배열체를 포함하고,
    상기 피리미딘(Pyrimidine)계 염기배열체는 상기 나노입자의 표면으로부터 수직한 방향을 따라 일렬로 배열되어 있는 5개 이상의 사이토신(cytosine) 또는 티민(thymine)을 포함하는, 안정한 나노구조체를 이용한 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 나노입자는 금나노입자(AuNP), 자성나노입자 및 양자점으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인, 안정한 나노구조체를 이용한 센서.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090116653A (ko) * 2008-05-07 2009-11-11 재단법인서울대학교산학협력재단 바이오센서로 유용한 새로운 형태의 금／은 코어쉘 복합체

Patent Citations (2)

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