KR101622239B1 - 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자 및 그 제조방법 - Google Patents

광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광변색성 물질과 형광물질이 실리카 입자 표면에 결합되어 있는 실리카 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 이온성 기능기가 노출된 실리카 나노입자 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 높은 흡광도, 고감도의 형광 및 형광전환성을 갖는 실리카 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자는 검출감도가 높고 광전환성이 뛰어나 생체 영상화 조영제로서 유용하게 사용될 수 있다.
광전환성, 포토크로미즘, 실리카, 형광물질, 나노입자, 광학, 고감도

Description

광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자 및 그 제조방법 {Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles and Method for Preparing the Same}
본 발명은 그 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 실리카 입자 표면에 결합되어 있는 실리카 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광변색 현상은 자외선, 혹은 가시광선에 노출될 경우, 색이 변하는 화합물 또는 이러한 화합물을 함유한 제품의 색상이 빛에 의해 가역적으로 변하는 현상을 지칭한다.
그 한 예로 디아릴에텐계 화합물은 자외선에 노출될 때 색이 변하고, 이어서 다른 파장의 광을 조사하면 화합물의 본래의 색으로 되돌아오는 광변색 화합물로서, 1985년에 처음으로 합성된 이래 광조사후 열에 의한 변색이 일어나지 않는 안정한 광변색성 물질로 알려져 왔으며 (일본특허공개공보 제86-263935호), 다양한 유도체들의 합성 방법과 이들의 광ㆍ전자소재로의 응용 연구가 발표되었다 (일본특허공개공보 제91-261782호, 제92-178383호, 제94-199846호, 제93-169820호, 제93- 301873호, 제94-267071호, 제95-72567호, 제96-69083호, 제96-245579호, 제97-61647호, Masahiro Irie, Chem. Rev., 100:1685, 2000, He Tian and Songjie Y., Chem. Soc. Rev., 33:85, 2004).
그 중 불소 치환된 디아릴에텐 화합물은 안정성이 더욱 높을 뿐만 아니라 광변색성이 매우 빠른 것으로 알려져 있다(Scott B. et al., Org. Chem., 56:373, 1991). 상기 디아릴에텐계 화합물은 대부분 유기용매에 용해되기 때문에 이를 물에 용해시키기는 어려워 수용액상에서 일어나는 바이오 분야로의 적용은 극히 제한적이었으나, 최근 이 화합물에 올리고 에틸렌글리콜을 도입함으로써 수용성 물질로 전환이 가능하다는 보고가 있었고(Takashi Hirose, et al., J. Org. Chem., 71: 7499, 2006), 이러한 광변색성 물질을 이용하여 생체 분자를 표지가 가능한 기능단을 합성하기도 하였다(대한민국 특허출원 제10-2007-0107245호).
광변색성 물질을 이용한 생체 표지물질에 관한 연구와 더불어, 특정 파장을 갖는 광을 조사하였을 때 광학적 특성이 스위치되는 광전환성 물질에 대한 연구와 광변색성 물질과 형광물질을 이용하는 광전환성 물질을 생체표지물질로 이용하기 위한 연구도 진행되고 있다(Andresen M. et al., PNAS, 102:13070, 2005, Soh N. et al., Chem. Commun., 5206, 2007).
그러나, 상기 광변색성 물질 및 광전환성 물질을 단일 분자로 표지물질로서 이용하는 경우, 발생되는 신호가 약해 검출하는데 어려움이 있고, 기존의 형광물질만을 이용한 생체표지 방법은 생체분자에서 유래한 자가형광(auto-fluorescence)물질로 인해 검출의 정확성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 광변색성 물질과 형광물질을 이용하여, 생체분자 표지물질을 개발하고자 예의 노력한 결과, 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 높은 흡광도 및 고감도의 실리카 나노입자를 제조하여, 생체분자의 검출 및 생체분자의 영상화에 활용할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 그 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 이용한 생체분자의 검출방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 일반식 1로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제공한다.
[일반식 1]
Figure 112009029405968-pat00001
여기서, P는 광변색성 분자, K는 원자 또는 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n이고, L은 수소원자(H)를 제외한 원자 혹은 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n(여기서, n은 1~100의 정수임)이며, X는 O, S, NH 및 CH2로 구성된 군에서 선택되고, M은 실리카 나노입자의 표면에 노출된 이온성 기능기와 결합하는 작용기를 의미한다.
본 발명은 또한, 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 화학식 10으로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제공한다.
[화학식 10]
Figure 112009029405968-pat00002
상기 화학식 10에서 R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나, 또는 카르보닐기이고, M 또는 M'는 수소 또는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기고, M과 M' 중 어느 하나는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기이며, n은 1~100의 정수를 의미한다.
본 발명은 또한, (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응 시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 제조된 실리카 나노입자의 표면에 노출된 양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 고감도 실리카 나노입자를 제조하는 단계를 포함하는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 이용한 생체분자의 검출방법을 제공한다.
본 발명에 따른 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자는 검출감도가 높고 광전환성이 뛰어나 생체 영상화 조영제로서 유용하게 사용될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "광변색성 물질"은 광흡수 특성 및 굴절성 등과 같은 광학적 성질이 서로 다른 적어도 두개의 이성질체형(isometric forms)을 가지며, 분자 고유의 파장에서 광여기(light excitations)에 의해 한 형태에서 다른 형태로 변화될 수 있는 분자로, 자외선, 혹은 가시광선에 노출시 색이 가역적으로 변하는 것을 특징으로 하는 분자를 지칭한다.
본원에 사용된 용어 "형광물질"은 분자 고유의 파장에서 광여기에 의해 여기(excitation) 상태가 되면, 흡수한 에너지를 특정 파장의 빛으로 방출(emission)하며 기저 상태(ground level)로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 물질을 지칭한다.
본원에 사용된 용어 "광전환성"은 광변색성 물질과 형광물질이 근접하여 위치함으로서, 자외선 조사시, 구조변화를 일으킨 광변색성 물질이 근접한 형광물질로부터 방출되는 형광을 흡수하여, 형광물질로부터 방출되는 형광을 검출할 수 없거나 검출되는 형광의 세기가 감소하고, 가시광선을 조사시에는 광변색성 물질이 형광을 흡수하지 못하는 구조로 변화되어, 형광물질로부터 방출되는 형광의 세기가 원래대로 회복되는 특성을 지칭한다.
본원에 사용된 용어 "조영제"는 세포 또는 조직의 구조 및 목적하는 각종 생체분자의 발현 위치, 정도 및 기간 등을 시각화할 수 있도록 주변과 대비되는 특이적인 광학적 성상의 영상신호를 발생시키는 화합물을 지칭한다.
본 발명은 일 관점에서, 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 일반식 1로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 관한 것이다.
[일반식 1]
Figure 112009029405968-pat00003
여기서,P는 광변색성 분자, K는 원자 또는 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n이고, L은 수소원자(H)를 제외한 원자 혹은 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n(여기서, n은 1~100의 정수임)이며, X는 O, S, NH 및 CH2로 구성된 군에서 선택되고, M은 실리카 나노입자의 표면에 노출된 이온성 기능기와 결합하는 작용기를 의미한다.
일반식 1에서, 상기 광변색성 분자(
Figure 112009029405968-pat00004
)는 표 1에 나타낸 화합물 중에서 선택할 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니다.
isomer A isomer B
화학식 2
Figure 112009029405968-pat00005
Figure 112009029405968-pat00006
화학식 3
Figure 112009029405968-pat00007
Figure 112009029405968-pat00008
화학식 4
Figure 112009029405968-pat00009
Figure 112009029405968-pat00010
화학식 5
Figure 112009029405968-pat00011
Figure 112009029405968-pat00012
화학식 6
Figure 112009029405968-pat00013
Figure 112009029405968-pat00014
화학식 7
Figure 112009029405968-pat00015
Figure 112009029405968-pat00016
화학식 8
Figure 112009029405968-pat00017
Figure 112009029405968-pat00018
화학식 9
Figure 112009029405968-pat00019
Figure 112009029405968-pat00020
상기 화학식 2 및 화학식 3에서, R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나 또는 카르보닐기를 의미한다.
본 발명에 따른 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아미노기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명은 다른 관점에서, 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 화학식 10으로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자에 관한 것이다.
[화학식 10]
Figure 112009029405968-pat00021
상기 화학식 10에서 R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나, 또는 카르보닐기이고, M 또는 M'는 수소 또는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기고, M과 M' 중 어느 하나는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기이며, n은 1~100의 정수를 의미한다.
실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 알데히드기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아민기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR(bodipy TMR), Cy3, DY500, 로다민 레드-X(rhodamine Red-X), 스펙트럼 오렌지(spectrum orange), 플루오레세인 이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate, FITC), 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트(tetramethylrhodamine isothiocyanate, TRITC), 알렉사플루오르(alexa fluor), 텍사스 레드(texas red), 테트라메틸로다민(tetramethylrhodamine), 캐스캐이드 블루(cascade blue), DAPI(4',6-diamidino-2-phenylindole), 쿠마린(coumarine), 루시퍼 옐로우(lucifer yellow) 및 단실아마이드(dansylamide)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 형광물질은 여기(excitation) 및 발광(emission) 파장이 Alexa545인 경우에는 546nm 및 576nm이고, Alexa555는 555nm 및 580nm이며, Bodipy TMR은 540nm 및 580nm이고, Cy3은 550nm 및 570nm이며, DY500은 500nm 및 575nm이고, 로다민 레드-X(rhodamin Red-X)는 580nm 및 590nm이며, 스펙트럼 오렌지(spectrum orange)는 550nm 및 590nm 등과 같다.
전술한 바와 같이 본 발명에 있어서, 상기 광변색성 물질은 상기 형광물질의 여기 파장과 다른 흡광 파장대를 가지므로 상기 형광물질을 여기시키는 파장대의 광은 광변색성 물질에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자의 광변색성 물질은 자외선이 조사되면(예를 들어, 320nm 파장의 자외선), 상기 나노입자의 광변색성 물질이 닫힌 형태(closed form)로 되어 착색되어 형광을 흡수하고, 가시광선 영역의 빛이 조사되면 열린 형태(open form)로 되어 색이 없어져 형광을 흡수하지 못하므로, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 나노입자는 광전환성을 갖는다.
본 발명의 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자는 가시광선과 자외선 조사를 반복적으로 수행하여도 광전환성을 유지할 수 있다.
상기 실리카 나노입자의 표면에는 이온성 기능기가 노출되어 있으며, 상기 이온성 기능기는 양이온성 기능기 또는 음이온성 기능기일 수 있다.
상기 양이온성 기능기는 아민기, 알데히드기, 수산기 및 티올기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있고, 바람직하게는 아민기일 수 있다.
광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하지 않고 실리카 나노입자 표면에 남아있는 이온성 기능기가 음이온성 기능기인 경우, 수용액에서 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합하고 있는 실리카 나노입자의 분산성이 향상된다.
따라서, 본 발명에 따른 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 있어서, 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합되어 있지 않은 표면은 음이온성 기능기가 노출되어 있는 것이 바람직하다. 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 있어서, 그 표면에 음이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자는 다음과 같이 제조할 수 있다. ① 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합되어 있지 않은 양이온성 기능기가 그 표면에 노출되어 있는 실리카 나노입자의 표면을 음이온성 기능기로 개질한 다음, 광변색성 물질과 형광물질을 결합시키거나 ② 양이온성 기능기가 그 표면에 노출되어 있는 실리카 나노입자에 광변색성 물질과 형광물질을 결합시킨 다음, 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합하지 않고 실리카 나노입자 표면에 남아있는 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하여 제조할 수 있다.
상기 음이온성 기능기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게는 카르복실기이다.
상기 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하기 위해, 석시닐 언하이드라드를 이용할 수 있다.
상기 광변색성 물질과 형광물질은 실리카 나노입자 표면에 노출되어 있는 양이온성 기능기 또는 개질된 음이온성 기능기에 이온결합 또는 공유결합하여 실리카 나노입자 표면에 결합될 수 있다.
한편, 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 그 표면에 양이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자의 양이온성 기능기에 광변색성 물질과 형광물질을 결합시켜 제조하거나, 상기 실리카 나노입자 표면에 양이온성 기능기를 음이온성으로 개질한 다음, 상기 음이온성 기능기에 광변색성 물질과 형광물질을 결합시켜 제조할 수 있다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가진 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 제조된 실리카 나노입자의 표면에 노출된 양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 제조된 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 실리카 나노입자표면에 노출된 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 개질된 음이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에서 제조된 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계를 포함하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.
표면에 음이온을 가지는 입자는 수용액에서 분산성이 높기 때문에, 상기 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 치환하여 분산성을 향상시키는 것이 바람직하다.
양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 제조한 경우에 있어서, 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 수용액에서의 분산성을 향상시키기 위해 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하고 있지 않은 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하는 단계를 추가로 포함할 수 있고, 바람직하게는 석시닉 언하이드라드를 첨가하여 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 카르복실기로 치환시키는 것일 수 있다. 음이온성 기능기로의 치환이 적어서 수용액상에서 분산이 잘 이루어지지 않을 경우는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 수용성 고분자를 잔존 아민기에 공유결합 시킴으로서 분산성을 증가시킬 수 있다.
상기 음이온성 기능기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게는 카르복실기이다.
상기 (a) 단계의 용매는 에탄올, 메탄올, 부탄올, 헵탄올, 헥산올, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 촉매제는 암모니아 수용액으로, 암모니아 수용액의 암모니아 농도가 10중량%보다 묽으면 촉매로서 효율이 떨어지고, 40중량%보다 높으면 pH 등 수용액의 화학적 특성이 바뀌어 원치않는 부산물이 발생할 수 있으므로, 상기 암모니아 수용액의 암모니아 농도는 10~40중량%인 것이 바람직하고 가장 바람직하게는 25~30중량%이다.
상기 (a) 단계의 실리카 전구체는 테트라에틸오소실리케이트, 테트라메틸오소실리케이트, 테트라프로필오소실리케이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 실리카 나노입자가 형성됨과 동시에 입자 표면에 양이온성 기능기가 노출되도록 하기 위해 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 실리카 나노입자 형성 전에 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 양이온성 기능기는 아민기, 알데히드기, 수산기 및 티올기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있고, 양이온성 기능기 가진 화합물은 바람직하게는 아미노프로필트로메톡시실란, 아미노프로필트로에톡시실란, 아미노프로필다이에톡시메틸실란 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.
실리카 나노입자 표면적당 상기 양이온성 기능기의 비율은 상기 (a) 단계의 실리카 전구체와 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율에 따라 조절되며, 표면적당 상기 이온성 기능기의 비율에 따라 서로 다른 표면전위를 갖는 실리카 나노입자를 제조할 수 있다
상기 실리카 전구체와 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율을 1:0.1~4로 하여 용매에 각각 첨가하여 제조하였을 때, 양이온성 기능기를 가진 실리카 전구체의 함량이 증가함에 따라 제조된 실리카 나노입자의 표면전하가 증가하는 특징이 있고, 실리카 전구체에 대한 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율은 1:0.5~2인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 있어서, 실리카 나노입자에 광변색성 물질을 첨가하여 결합시키고, 여러가지 농도로(예를 들어, 0 ~ 20μM) 형광분자를 첨가하여 결합시켜, 형광세기가 다양한 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 얻을 수 있다.
광변색성 물질과 형광 물질의 농도는 실리카 나노입자에 광변색성 물질과 형광분자의 결합 이후에 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하지 않은 실리카 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 석시닉 언하이드라드로 음이온으로 치환하였을 때 수용액상에서 분산되는 경향에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 상기 광변색성 물질, 바람직하게는, 카르복실기를 갖는 광변색성 물질은 공유결합 또는 이온결합을 통해서 실리카 나노입자 표면에 결합할 수 있어, 실리카 입자 형성 시 입자 내부에 내포되는 광변색성 실리카 입자(Jonas Folling et al., Small, 4:134, 2008) 경우보다 40배 정도의 높은 흡광도 및 향상된 광변색성 성질을 갖는다. 특히 광변색성 물질의 카르복실기와 나노입자 표면의 아민기가 공유결합으로 연결된 경우에는 결합력이 강하여 화학적인 처리를 추가적으로 수행해도 광변색성 물질이 실리카 나노입자로부터 분리되지 않고 안정하게 존재할 수 있다.
상기 광변색성 물질은 자외선 영역의 빛을 흡수하면 무색에서 유색으로 변하여 가시광선 영역의 빛을 흡수하고, 가시광선 영역의 빛을 흡수하면 무색으로 변하는 것을 특징으로 할 수 있다. 광변색성 물질(최대 25μM 기준)이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 도 5에 나타난 바와 같이, 약 320nm의 자외선 영역의 빛을 흡수하면 유색으로 변하여 500 ~ 700nm의 흡광 영역을 가지며, 약 600nm에서 최대 흡광도를 보이다가, 가시광선에 노출이 되면 다시 무색이 되는 자외선과 가시광선에 의해 가역적인 광학성질을 갖는다.
실리카 나노입자는 증류수에서 축합반응을 함으로서 분산이 이루어지는데, 이 때 형성되는 실리카 나노입자의 크기는 일반적으로 20nm정도로, 5nm~40nm일 수 있다.
광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 실리카 나노입자 표면에 존재하는 이온성 기능기에 프로브를 결합시킬 수 있고, 상기 프로브와 결합된 나노입자를 생체분자시료에 반응시키면, 광변색 또는 형광의 측정을 통하여 시료중의 목적하는 생체분자를 검출할 수 있다.
따라서, 본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브를 결합시키는 단계, 여기서, 상기 프로브는 상기 실리카 나노입자에서 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합되어 있지 않은 이온성 기능기에 결합됨; (b) 상기 나노입자로 표지된 프로브를 검출대상 생체분자가 함유된 시료와 반응시킨 다음, 가시광선 및 자외선을 각각 조사하는 단계; 및 (c) 상기 시료의 형광 및 광전환성을 측정하여 검출대상 생체분자를 검출하는 단계를 포함하는 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 이용한 생체분자의 검출방법에 관한 것이다.
상기 (a) 단계의 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 그 표면에 양이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합하지 않고 남아있는 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질한 실리카 나노입자 또는 표면을 음이온성 기능기로 개질한 다음, 광변색성 물질과 형광물질을 결합시킨 실리카 나노입자를 모두 포함한다.
광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 표면에는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있지 않은 이온성 기능기가 존재하는데, 상기 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브는 상기 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하고 있지 않은 이온성 기능기와 결합하는 것일 수 있다.
상기 (b)단계의 자외선은 약 365nm 파장을 갖는 자외선이고, 상기 가시광선은 형광물질의 여기 파장대의 광을 포함한다. 상기 (c)단계의 형광을 측정하는 가시광선의 파장대 영역은 상기 형광물질의 형광 파장대 영역이다.
상기 실리카 나노입자에는 실리카 나노입자마다 다수의 광변색성 물질과 다수의 형광물질이 결합되어 있어, 생체분자에 단일 광변색성 물질 또는 형광분자를 표지하는 것보다 수천배이상 강한 검출신호를 발생시키므로 민감도가 높고, 상기 실리카 나노입자 표면에 있는 이온성 기능기는 다양한 생체분자 또는 프로브와 결합할 수 있으므로, 검출대상 생체분자에 직접 표지하거나 단백질, 펩타이드, 핵산, 당류 및 상기 이온성 기능기와 결합 가능한 반응기를 가진 화합물을 생체분자 검출을 위한 검출대상 생체분자에 결합하는 프로브로 이용할 수 있다.
상기 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브와 검출대상 생체분자의 조합이 항원-항체, 리간드-리셉터, 효소-기질, 비오틴-아비딘, 합텐-항합텐, 호르몬-수용체 및 렉틴-당단백질로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 함유하는 생체 영상화 조영제 조성물에 관한 것이다.
상기 조영제 조성물은 상기 실리카 나노입자의 형광물질에서 발생하는 형광 및 형광전환성을 이용하여 생체내 자연발생적으로 존재하는 형광물질들에 의한 배경 노이즈와 구별되는 특징이 있어 신뢰도 높은 생체 영상화를 가능하게 한다.
상기 조영제 조성물은 추가적으로, 약제학적으로 허용되는 담체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 조영제 조성물에 사용되는 담체는 의약 분야에서 통상 사용되는 담체 및 비히클을 포함하며, 구체적으로 이온 교환, 알루미나, 알루미늄 스테아레이트, 레시틴, 혈청 단백질(예, 사람 혈청 알부민), 완충 물질(예, 여러 인산염, 글리신, 소르브산, 칼륨 소르베이트, 포화 식물성 지방산의 부분적인 글리세라이드 혼합물), 물, 염 또는 전해질(예, 프로타민 설페이트, 인산수소이나트륨, 인산수소캄륨, 염화나트륨 및 아연염), 교질성 실리카, 마그네슘 트리실리케이트, 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로즈계 기질, 폴리에틸렌 글리콜, 나트륨 카르복시메틸셀룰로즈, 폴리아릴레이트, 왁스, 폴리에틸렌 글리콜 또는 양모지 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 조영제 조성물은 또한 상기 성분들 이외에 윤활제, 습윤제, 유화제, 현탁제 또는 보존제 등을 추가로 포함할 수 있다.
일 구체예로서, 본 발명에 따른 조영제 조성물은 비경구 투여를 위한 수용성 용액으로 제조할 수 있다. 바람직하게는 한스 용액(Hank’s solution), 링거 용액(Ringer’s solution) 또는 물리적으로 완충된 염수와 같은 완충용액을 사용할 수 있다. 수용성 주입(injection) 현탁액은 소디움 카르복시메틸셀룰로즈, 솔비톨 또는 덱스트란과 같이 현탁액의 점도를 증가시킬 수 있는 기질을 첨가할 수 있다.
본 발명의 조영제 조성물의 다른 바람직한 양태는 수성 또는 유성 현탁액의 멸균 주사용 제제의 형태일 수 있다. 이러한 현탁액은 적합한 분산제 또는 습윤제(예를 들면, 트윈 80) 및 현탁화제를 사용하여 본 분야에 공지된 기술에 따라 제형화할 수 있다. 멸균 주사용 제제는 또한 무독성의 비경구적으로 허용되는 희석제 또는 용매 중의 멸균 주사 용액 또는 현탁액(예를 들면, 1,3-부탄디올 중의 용액)일 수 있다. 사용될 수 있는 비히클 및 용매로는 만니톨, 물, 링거 용액 및 등장성 염화나트륨 용액이 있다. 또한, 멸균 비휘발성 오일이 통상적으로 용매 또는 현탁화 매질로서 사용된다. 이러한 목적을 위해 합성 모노 또는 디글리세라이드를 포함하여 자극성이 적은 비휘발성 오일은 그 어느 것도 사용할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 조영제 조성물을 생체 또는 시료에 투여하고, 상기 생체 또는 시료로부터 실리카 나노입자의 형광물질에 의해 발산되는 신호를 감지하여 영상을 수득할 수 있고 자외선 조사로 광전환성을 유도하여 배경 노이즈를 제거할 수 있다. 이를 통해 원하는 특정 타겟 부위의 형광 여부를 통해 암 및 특정 질병의 진단, 생체 신호의 메카니즘 연구 및 줄기세포의 분화 연구 등에 적용 가능한 생체 이미징 용도로 이용 가능할 것이다.
상기에서 사용된 용어 "시료"는 진단하고자 하는 대상으로부터 분리한 조직 또는 세포를 의미한다.
상기 조영제 조성물을 생체 또는 시료에 주입하는 단계는 의약 분야에서 통상적으로 이용되는 경로를 통해 투여될 수 있으며, 비경구 투여가 바람직하고 예를 들어 정맥내, 복강내, 근육내, 피하 또는 국부 경로를 통하여 투여할 수 있다. 또한, 실험용 세포를 배양시 배양액에 실리카 나노입자를 첨가하여 세포내로 유입시킬 수 있으며, 세포내로 유입되어 특정 부분에 결함한 입자를 광전환성을 이용하여 관찰함으로서 특정 연구에 대한 중요한 정보를 얻는 용도로 이용 가능할 것이다.
상기 이용방법에 있어서, 본 발명의 실리카 나노입자에 의해 발산되는 신호는 형광신호를 감지할 수 있는 형광 현미경, 공초점 형광 현미경, 분광광도계, 형광측정기, CCD 카메라, 실시간 생체 세포 관찰용 현미경(Delta Vision) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 장비에 의해서 감지될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 아민기가 노출된 실리카 나노입자의 제조
에탄올 10mL, 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate) 100μL 및 암모니아 수용액을 200μl을 혼합한 후, 30분 반응시키고 100μl 아미노프로필트리메톡시 실란(3-aminopropyltriethoxysilane)을 첨가하여 12시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반된 용액에 증류수 20mL을 첨가하고 2시간 더 교반시켜 입자가 형성됨과 동시에 입자 표면에 아민기가 노출된 실리카 나노입자를 제조하였고, 에탄올로 3회 이상의 세척하여 미반응된 화학물질을 제거한 후 나노입자를 회수하였다. 회수된 나노입자를 에탄올에 분산시키고, 표면전하를 측정하여 아민기가 나노입자 표면에 노출된 상태를 확인하였다.
실시예 2: 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자의 제조
다음 화학식 11으로 표현되는 카르복실기를 가지는 광변색성 물질을 0.5mM 에탄올에 녹이고 과량의 2.5 mM EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodimide)와 2.5mM NHS(N-hydroxy succinimide)를 첨가하여 2시간 동안 실온에서 반응시킨 다음, 상기 실시예 1에서 제조된 실리카 나노입자를 50:50 비율로 혼합하여 2시간 더 교반하였다.
[화학식 11]
Figure 112009029405968-pat00022
에탄올로 3회 이상 세척하여 미반응 물질을 제거한 후, 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 회수하고, 상기 나노입자를 에탄올에 분산시켰다. 상기와 같이 일차적으로 25μM 광변색성 물질을 실리카 나노입자에 결합시킨 후, 고농도인 20mM Rhodamin B isothiocianate를 0℃에서 아르곤 기체를 주입하면서 3시간동안 에탄올과 THF 혼합 용액(3:2)으로 결합반응을 시키거나 또는 NHS-Cy3를 농도(0, 0.5, 1, 2, 5, 10 그리고 20μM)에 따라 상온에서 1시간 반응을 진행하여 실리카 나노입자 표면의 아민기와 형광물질간 아마이드 결합을 형성시켰다. 반응이 끝난 후에는 에탄올로 3회 이상 세척하고 남은 Rhodamin B isothiocianate 또는 NHS-Cy3를 원심분리를 통해 제거하여 고농도의 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 제조하였다(도 4 및 도 5).
실시예 3 : 광변색성 물질과 형광물질이 결합한 실리카 나노입자의 흡광영역 확인
실시예 2에서 제조된 상기 나노입자에 상온에서 365nm의 파장을 갖는 자외선을 10분간 또는 상온에서 가시광선을 1시간동안 각각 조사한 후 분광광도계를 이용하여 400~800nm의 영역내에서 흡광도를 측정하였다. 형광분자 Rhodamin B isothiocianate (최대 흡광 540nm) 또는 Cy3 (최대 흡광 560nm, 도 6)가 갖는 흡광영역과 광색성 분자가 갖는 흡광영역(최대 흡광 600nm, 도 7)을 확인하였다.
또한, 상기 광변색성 물질과 형광분자가 결합되어 있는 실리카 나노입자는 기존의 광변색성 물질을 실리카 입자 내부에 내포시킨 경우(Jonas Folling et al., Small, 4:134, 2008)에 비해 광변색성 물질을 적게 이용하면서도 40배 정도 향상된 흡광도를 나타냄을 확인하였다(표 2).
광변색성 물질을 실리카 입자 내부에 내포시킨 경우(참고문헌)와 입자 표면에 결합 시킨 경우(본 발명)의 흡광도 분석
구분 광변색성 물질
최종 몰농도		 광변색성 물질의 최대 흡광도 UV ON vs OFF 흡광도 차이
A* 입자 내부에 내포된 경우
670μM		 0.02
(λmax=640nm)
0.02
B 입자 표면에 결합한 경우
25μM		 0.7
(λmax=600nm)
0.45
[A* 참고 문헌: Jonas Folling et al., Small, 4:134, 2008]
실시예 4: 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자의 형광 특성 확인
실시예 2에서 제조된 입자에 365nm 파장을 갖는 자외선 또는 가시광선을 각각 조사한 후 형광광도계를 이용하여 형광 특성을 확인하였다. 광변색성 물질과 형광물질 Rhodaimnin B isothiocianate와 결합된 실리카 나노입자는 540nm에서 여기시켰을 때 600nm에서 최대 형광을 보임을 확인하였다(도 8).
자외선을 10분 동안 조사하여 광변색성 물질이 600nm의 파장을 흡광하도록 유도하였을 때에는 형광의 세기가 85% 감소함을 확인하였다. 또한 도 9에 나타낸 바와 같이, NHS-Cy3를 적용한 입자에서는 형광분자의 농도에 따라 형광이 85~100%까지 사라짐을 확인하였다. 특히 100%까지 형광이 사라지도록 제조된 광변색성 물질과 형광분자가 결합된 실리카 나노입자에서는 반복적으로 자외선과 가시광선을 조사하였을 때 형광이 나타났다가 사라지는 반복성을 보였다(도 10).
실시예 5: 광변색성 물질과 형광분자가 결합한 실리카 나노입자의 Live Cell 이미지 검출
제조된 광변색성 물질과 형광분자가 결합된 실리카 나노입자를 Dendritic cell 배양액에 0.5%(v/v)로 첨가하여 4시간 동안 배양한 후 생체 세포 이미징 장비(DeltaVision RT, Applied Precision 사)를 이용하여 관찰하였다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 555nm의 여기파장을 이용하여 617nm 영역대에서 형광을 검출함으로서 세포내에 유입된 나노입자를 확인할 수 있었으며, 자외선을 10분 동안 조사한 후에 다시 세포를 관찰하였을 때 형광이 사라지는 광전환성 특성을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 로다민 형광물질을 결합시킨 후 자외선 조사 전(Before)과 후(After)의 흡광도 및 광변색성 물질에 대한 흡광도(PC)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 및 로다민이 결합된 실리카 나노입자에 자외선을 조사하였을 때, 자외선 조사 전(Before)과 후(After)의 형광감도 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 결합된 실리카 나노입자에 Cy3 형광물질을 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합한 후 보여지는 이미지를 나타낸 것이다(1: Cy3 형광 분자를 결합시키지 않은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어있는 실리카 나노입자에 자외선을 조사하였을 때 보여지는 이미지를 나타낸 것이다(1: Cy3 형광물질을 결합시키지 않 은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합된 실리카 나노입자의 자외선 조사 전 흡광도를 보여주는 그래프를 나타낸 것이다(1: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 0μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 2: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 0.5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 1μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 2μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 10μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 20μM로 결합시킨 실리카 나노입자).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어있는 실리카 나노입자의 자외선 조사 후 흡광도를 보여주는 그래프를 나타낸 것이다(1: Cy3 형광물질 0μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 2: Cy3 형광물질 0.5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 3: Cy3 형광물질 1μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 4: Cy3 형광물질 2μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 5: Cy3 형광물질 5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 6: Cy3 형광물질 10μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: Cy3 형광물질 20μM로 결합시킨 실리카 나노입자).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어있는 실리카 나노입자에 540nm의 여기파장을 조사하면서 측정된 형광을 그래프로 나타낸 것이다(1: Cy3 형광 분자를 결합시키지 않은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어 있는 실리카 나노입자에 자외선을 조사 후 540nm의 여기파장을 조사하면서 측정된 형광을 그래프로 나타낸 것이다(1: Cy3 형광 분자를 결합시키지 않은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질과 Cy3가 결합된 실리카 나노입자에 가시광선과 자외선 조사를 반복적으로 수행 후 보여준 흡광도 그래프를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 및 Cy3가 결합된 실리카 나노입자를 덴드리틱 셀(Dendritic cell)에 흡착시킨 후 자외선 조사(10min) 전 후의 형광변화를 그래프로 나타낸 것이다.

Claims (35)

  1. 삭제
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  4. 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 하기 화학식 10로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자:
    [화학식 10]
    Figure 112015101819112-pat00056
    상기 화학식 10에서 R은 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이고, M과 M'는 각각 독립적으로 카르복실기 또는 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide)이며, n은 1~100의 정수를 의미함.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서, 상기 실리카 나노입자 표면의 이온성 기능기는 양이온성 기능기이고, 상기 실리카 나노입자 표면에서 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합되어 있지 않은 양이온성 기능기가 음이온성 기능기로 개질되어 있는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.
  9. 제4항에 있어서, 상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR, Cy3, DY500, 로다민 레드-X, 스펙트럼 오렌지, 플루오레세인 이소티오시아네이트, 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트, 알렉사플루오르, 텍사스 레드, 테트라메틸로다민, 캐스캐이드 블루, DAPI, 쿠마린, 루시퍼 옐로우 및 단실아마이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.
  10. 제4항에 있어서, 상기 광변색성 물질은 상기 형광물질의 여기 파장과 다른 흡광 파장대를 가지는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.
  11. 제4항에 있어서, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 광전환성인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.
  12. 제4항에 있어서, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 가시광선과 자외선 조사를 반복적으로 수행하여도 원래의 광전환성을 유지하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.
  13. 다음 단계를 포함하는 실리카 나노입자 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법:
    (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 (b)단계에서 제조된 실리카 나노입자의 표면에 노출된 양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및
    (d) 상기 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 고감도 실리카 나노입자를 제조하는 단계,
    상기 (a) 단계의 양이온성 기능기를 가진 화합물은 아미노프로필트로메톡시실란, 아미노프로필트로에톡시실란, 아미노프로필다이에톡시메틸실란 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되고,
    상기 광변색성 물질은 하기 화학식 10로 표시되고,
    [화학식 10]
    Figure 112015101819112-pat00057
    (상기 화학식 10에서 R은 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이고, M 또는 M'는 각각 독립적으로 카르복실기 또는 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide)이며, n은 1~100의 정수를 의미함)
    상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR(bodipy TMR), Cy3, DY500, 로다민 레드-X, 스펙트럼 오렌지, 플루오레세인 이소티오시아네이트, 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트, 알렉사플루오르, 텍사스 레드, 테트라메틸로다민, 캐스캐이드 블루, DAPI, 쿠마린, 루시퍼 옐로우 및 단실아마이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 함.
  14. 다음 단계를 포함하는 나노입자 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법:
    (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계에서 실리카 나노입자 표면에 노출된 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계에서 개질된 음이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및
    (e) 상기 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 고감도 실리카 나노입자를 제조하는 단계,
    상기 (a) 단계의 양이온성 기능기를 가진 화합물은 아미노프로필트로메톡시실란, 아미노프로필트로에톡시실란, 아미노프로필다이에톡시메틸실란 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되고,
    상기 광변색성 물질은 하기 화학식 10로 표시되고,
    [화학식 10]
    Figure 112015101819112-pat00058
    (상기 화학식 10에서 R은 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이고, M 또는 M'는 각각 독립적으로 카르복실기 또는 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide)이며, n은 1~100의 정수를 의미함)
    상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR(bodipy TMR), Cy3, DY500, 로다민 레드-X, 스펙트럼 오렌지, 플루오레세인 이소티오시아네이트, 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트, 알렉사플루오르, 텍사스 레드, 테트라메틸로다민, 캐스캐이드 블루, DAPI, 쿠마린, 루시퍼 옐로우 및 단실아마이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 함.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 용매는 알코올인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  16. 제15항 있어서, 상기 알코올은 에탄올, 메탄올, 부탄올, 헵탄올, 헥산올 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 촉매제는 암모니아 수용액인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나 노입자의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 암모니아 수용액의 암모니아 농도는 10~40중량%인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  19. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 실리카 전구체는 테트라에틸오소실리케이트, 테트라메틸오소실리케이트, 테트라프로필오소실리케이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  20. 삭제
  21. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 실리카 전구체와 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율은 1:0.1~4인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  22. 제13항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 제조된 실리카 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 개질은 석시닉 언하이드라드를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  24. 제14항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 개질은 석시닉 언하이드라드를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR(bodipy TMR), Cy3, DY500, 로다민 레드-X, 스펙트럼 오렌지, 플루오레세인 이소티오시아네이트, 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트, 알렉사플루오르, 텍사스 레드, 테트라메틸로다민, 캐스캐이드 블루, DAPI, 쿠마린, 루시퍼 옐로우 및 단실아마이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.
  31. 다음의 단계를 포함하는 생체분자의 검출방법:
    (a) 제4항 또는 제8항의 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브를 결합시키는 단계, 여기서, 상기 프로브는 상기 실리카 나노입자에서 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합되어 있지 않은 이온성 기능기에 결합됨;
    (b) 상기 나노입자로 표지된 프로브를 검출대상 생체분자가 함유된 시료와 반응시킨 다음, 가시광선 및 자외선을 각각 조사하는 단계; 및
    (c) 상기 시료의 형광 및 광전환성을 측정하여 검출대상 생체분자를 검출하는 단계.
  32. 제31항에 있어서, 상기 (b)단계의 자외선은 365nm 파장의 자외선인 것을 특징으로 하는 검출방법.
  33. 제31항에 있어서, 상기 (b)단계의 가시광선은 상기 형광물질의 여기 파장대의 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 검출방법.
  34. 제31항에 있어서, 상기 검출대상 생체분자에 결합할 수 있는 프로브와 검출대상 생체분자의 조합은 항원-항체, 리간드-리셉터, 효소-기질, 비오틴-아비딘, 합텐-항합텐, 호르몬-수용체 및 렉틴-당단백질로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 검출방법.
  35. 제4항 또는 제8항의 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 함유하는 생체 영상화 조영제.
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