KR101674412B1

KR101674412B1 - 양자점 비드센서 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR101674412B1
Application number: KR1020150016597A
Authority: KR
Inventors: 구은회; 정흥수; 양난희; 고정우
Original assignee: 한국세라믹기술원; 주식회사 제우스
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-11-22
Also published as: KR20160095387A

Abstract

본 발명에서는 무기 또는 유기입자 지지체; 상기 지지체의 표면에 결합된 적어도 하나 이상의 양자점 나노입자; 및 상기 양자점 나노입자의 표면에 결합된 받게 형광체;를 포함하는 분자진단을 위한 광증폭 양자점 비드 센서를 제공한다. 본 발명에 따르는 양자점 비드 센서는 FRET를 위한 거리조절이 가능하고, 종래의 단일 양자점에 의한 경우보다 발광효율이 10-100이상 높으며, 진단키트에 적합하도록 사이즈 조절이 가능하고, 나아가 광탈색을 최소화하여 안정하다.

Description

양자점 비드센서 및 그의 제조방법{QUANTUM DOT BEAD SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THREOF}

본 발명은 양자점 비드센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 이상의 양자점이 동시에 에너지 전이과정에 관여할 수 있게 함으로써, 다양한 특성의 형광표지를 얻을 수 있고, 또한, 하나의 지지체에 복수의 양자점 나노입자가 결합되는 구성으로 인하여 주게와 받게 사이의 거리가 짧아져 단일 양자점을 사용하는 경우보다 발광효율이 우수한, 분자진단을 위한 광증폭 양자점 비드센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

에너지 전이과정을 이용한 FRET(F

rster Resonance Energy Transfer) 센서는 생체 및 환경 분야에 이미 널리 활용되고 있고, 무한한 잠재적 가능성으로 인해 활발히 개발되고 있는 추세이다.

그 한 예로, MIT 발간 신기술 리뷰 잡지인 <Technology Review>의 2003년 2월호에‘인류 삶의 양식을 크게 변혁시켜 놓을 새 기술 10선’에 따르면 분자 이미징(molecular imaging)은 세계를 변화시킬 수 있는 떠오르는 10대 기술 중에 하나로서 자리매김할 만큼 그 중요성이 더해가고 있는 실정이다

반도체 양자점은 매우 높은 강도의 형광을 방출하는 물질로서 유기 형광 물질에 비해 높은 양자 효율, 높은 흡광도, 높은 광안정성, 그리고 크기에 따른 형광 방출 파장 조절의 용이함 등 여러 가지 장점들을 가지고 있다고 알려져 있다.

Zn-S 캐핑된(capped) CdSe 등의 발광 반도체 양자점(luminescent semi-conductor quantum dot)은, 대표적인 형광체인 로다민(fluorescent rhodamine) 등의 형광체에 색소에 비하여 20배가량 밝고, 포토블리칭(photo-bleaching)에 대하여 100배가량 안정하며, 3배가량 좁은 스팩트럼선 폭(spectral line width)을 가지며 표지물질의 수가 많아, 최근에 가장 넓게 활용되고 있다, 따라서 이러한 장점들로 인해 양자점 기반의 센서를 개발하여 진단 및 이미징에 이용하고자 하는 노력이 활발히 이루어지고 있는 추세이다.

예를 들어, 마우로 등은(I. L. Medintz, B.Fisher, and J. M. Mauro, Nat. Mater., 2, 630 (2003)) 양자점을 FRET 센서의 주게(donor)로 사용하여 자기 조립 현상을 보이는 생체 센서를 개발하고자 하였다. 또한, 장 등에 (C.-Y. Zhang, M. T. Kuroki, and T.-H. Wang, Nat.Mater., 4, 826 (2005)) 의하여, FRET 현상을 이용하여 DNA의 검측을 위한 양자점 기반의 DNA 나노센서 개발에 관한 연구가 진행되고 있으며, 효과적이면서도 빠르고 감도가 우수한 DNA 검측법으로 활용할 수 있음이 보고되었다.

일반적으로 형광을 이용한 센서는 형광 자체의 높은 감응도로 인해 많은 장점을 지니고 있다. 그러나 형광 물질은 형광 물질의 농도, 형광 물질 주위의 pH, 극성, 온도, 그리고 형광 물질 자체의 광불안정성 등과 같은 요인에 크게 영향을 받는다고 알려져 있다. 따라서 이러한 요인들을 최소화하기 위한 노력 중 하나로서, 여기(excitation) 또는 발광(emission)의 형광 강도의 비의 변화를 관측하는 방법을 들 수 있다. 이러한 방법을 이용할 경우, 더욱 정밀한 측정을 할 수 있을 뿐 아니라 정량적인 분석도 가능하다는 장점이 있다. 이때, 센서 분자는 어떤 자극이 주어졌을 때 여기 혹은 발광 파장의 큰 이동을 보여야만 하는데, 이러한 큰 이동을 유발시킬 수 있는 방법 중 하나가 바로 FRET(F

rster Resonance Energy Transfer)이다 (D. Rendell, Fluorescence and Phosphorescence Spectroscopy, John Wiley & Sons, London, 1987).

한편, F

rster 거리는 단백질의 지름, 생체막의 두께, 그리고 몇 개의 작은 단위로 이루어져있는 단백질 사이의 거리와 비슷하기 때문에, 생체고분자를 연구하는데 있어서 매우 유용하다. 또한 주게(donor)와 받게(acceptor) 사이의 거리에 영향을 줄 수 있는 어떤 현상이 있을 때, 그러한 현상을 정량화할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 에너지 전달의 측정은 예로부터 고분자의 특정 부분의 거리를 계산하거나 형태(conformation)의 변화가 이러한 거리에 미치는 효과를 분석하고자 할 때 널리 사용되어 온 방법이라고 할 수 있다.

그러나 FRET을 단지 생체물질의 형태(conformation) 혹은 다이나믹(dynamics)에 활용하려는 목적 이외에도, 새로운 개념의 센서 개발에 이용하고자 하는 시도가 이루어져 왔었다. 만약 어떤 특정 조건에서 주게와 받게 사이의 거리에 큰 변화를 줄 수 있다면, 그로 인한 형광 특성의 차이를 관측할 수 있고, 이러한 현상을 이용하여 새로운 개념의 자극 응답성 센서를 개발할 수 있기 때문이다.

FRET이란 최초에 여기된 주게(donor)의 여기된 상태의 에너지가 받게(acceptor)로 전달되는 현상을 의미한다. 주게 물질은 일반적으로 받게 물질에 비해 더 짧은 파장의 빛을 방출하게 되는데, 이 때의 방출 파장은 받게의 흡수 파장과 중첩된다. 에너지 전달 속도와 효율은 주게의 방출 파장과 받게의 흡수 파장의 중첩의 정도, 주게의 양자 효율, 주게와 받게의 전이 쌍극자의 상대적인 배열 정도, 그리고 주게와 받게의 거리에 의존하게 된다. 특히, FRET의 거리 의존성을 이용하여 FRET은 주게와 받게 사이의 거리를 측정하는데 널리 사용되어 왔다.

FRET의 효율이 50%일 때의 거리를 F

rster 거리라고 부르게 되는데, 일반적으로 20 - 60Å 정도인 것으로 알려져 있다. FRET 효율은 이론적으로 E=nR_o ⁶/(r⁶+nR_o ⁶)와 같은 식으로 나타낼 수 있는데, 여기서 R₀ 는 F

rster 거리이고, n은 받게의 수이며, r은 주게와 받게 사이의 거리를 나타낸다. 식으로 확인되듯이, 전달 효율은 r 이 R₀ 보다 작을 경우 빠르게 1.0으로 증가하게 되며, 반대로 r이 R₀ 보다 클 경우 전달 효율은 빠르게 0으로 감소하게 된다.

이렇듯 주게와 받게 사이의 거리는 효율과 밀접한 관계를 갖게 되는데 이는 중간 링커의 종류나 방법을 제한하는 문제를 갖게 만든다. 본 발명에서는 양자점 비드의 3D구조를 통하여, 동시에 한 개 이상의 다중의 양자점이 주게 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 비드의 모양이나, 재질 및 사이즈의 제한에서도 자유로우며, 링커에 관계없이 주게와 받게의 거리를 줄이는 경우 상술한 문제점을 해결할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 기존의 양자점 FRET 시스템보다 높은 감도와, 안정적이며, 거리 조절에서 향상된 새로운 시스템으로 이 모두를 해결할 수 있는 양자점 비드 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 양자점 비드 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 무기 또는 유기 지지체; 상기 지지체의 표면에 결합된 적어도 하나 이상의 양자점 나노입자; 및 상기 양자점 나노입자의 표면에 결합된 받게 형광체; 를 포함하는 분자진단을 위한 광증폭 양자점 비드 센서를 제공한다.

상기 지지체의 입자 평균직경은 100nm 내지 10㎛인 것이 바람직하다.

상기 양자점 나노입자는 12-16족 계열의 반도체, 13-15족 계열의 반도체, 14-16족 계열의 반도체 및 14족 계열의 반도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단일 코어 구조이거나; 상기 단일 코어 구조에 12-6족 계열의 반도체가 캡핑된 코어/쉘 구조인 것일 수 있다.

상기 양자점 나노입자의 평균직경은 1 내지 20nm인 것이 바람직하다.

상기 지지체 입자와 양자점 입자는 반응성 작용기를 이용하여 결합된 것일 수 있다.

상기 반응성 작용기는 한쪽에 포스핀 계열, 아민 계열 및 티올 계열의 작용기로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 작용기를 포함하고, 다른 한쪽에는 실란기, 아미노기, 술폰기, 카르복실기 및 히드록시기로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 친수성 치환기를 포함하는 화합물인 것임이 바람직하다.

상기 양자점 입자의 표면은 티올 또는 아민 치환체를 갖는 C1~C15의 카르복시산인 수용성 리간드로 개질된 것일 수 있다.

상기 수용성 리간드는 3-머캅토프로판산(3-mercaptopropionic acid), 6-머캅토헥산산(6-mercaptohexanoic acid), 11-머캅토운데칸산(11-mercaptoundecanoic acid), L-시스테인(L-cysteine), 리포산(liopic acid)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 받게 형광체는 플루오레세인(fluorescein), 로다민(rhodamine), 시아닌(cyanine) 계열의 염료 및 텍사스 레드(texas red)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

또한, 본 발명에서는 실리카 입자 지지체 합성 단계(S-10); 상기 합성된 지지체와, 한쪽에 포스핀 계열, 아민 계열, 또는 티올 계열의 작용기를 포함하고, 다른 한쪽에 친수성 치환기를 포함하는 반응성 작용기를 반응시키는 표면개질 단계(S-20); 상기 표면개질된 실리카 입자와 양자점을 반응시켜 양자점 비드를 형성하는 양자점 결합 단계(S-30); 상기 양자점 비드의 양자점 표면을 카르복실기, 아민기 또는 티올기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 관능기를 가지도록 하는 양자점 표면개질 단계(S-40); 및 상기 양자점 표면이 개질된 양자점 비드와 받게 형광체를 반응시키는 받게 형광체 결합 단계(S-50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 비드 센서의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서, 지지체(100)에 양자점 나노입자(200)을 고정함에 따라, 전체 양자점 비드 센서의 크기를 안정적으로, 다양하게 조절하는 것이 가능하게 되고, 하나 이상의 양자점이 동시에 FRET에 관여함으로써, 이로 인해 다양한 특성의 형광 표지를 얻을 수 있다. 더욱이, 지지체(100)의 표면에, 복수의 양자점 나노입자(200)가 결합되는 구성으로 인하여, 주게와 받게 사이의 거리가 짧아지게 되므로, 단일 양자점을 사용하는 경우보다 발광효율(quantum yield)이 훨씬 크게 발휘되는 장점을 갖게 된다. 즉, 지지체(100)의 크기 및 모양의 조절에 의하여, 이에 결합하는 리간드로서의 양자점 나노입자(200)의 크기 조절이 가능하고, 받게에 해당하는 분자가 주위의 양자점에 가까이 접근함으로써 기존의 단일 양자점에 비해 수십에서 수백 배에 이르는 발광효율을 볼 수 있다. 한편, 지지체(100)에 결합하는 양자점 나노입자(200)의 개수를 최대화하여, 발광 효율을 극대화할 수 있는 장점을 가진다. 즉, 만약에 개별적인 양자점 나노입자(200)의 발광 효율이 낮은 경우에도, 이들이 지지체(100)를 코어로 하여 다량이 부착되어 있기 때문에, 전체적으로는 종래의 양자점에 비하여 현저하게 향상된 발광 효율을 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 양자점 비드 센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 광증폭 양자점 비드 센서의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 3 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 양자점 결합 전후의 각각의 파우더 샘플을 암실에서 자외선 램프로 관찰한 사진들이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 양자점 결합 전후의 각각의 솔루션 샘플들을 암실에서 자외선 램프로 관찰한 사진들이다.
도 5는 양자점 비드센서를 SEM으로 촬영한 이미지이다.
도 6은 양자점 비드센서에 타겟 DNA가 결합하였을 때의 형광 세기를 측정한 형광 스펙트라이다.

도 1은 본 발명에 따르는 양자점 비드 센서의 모식도로서, 도 1a는 모식적 측면도, 도 1b는 모식적 평면도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따르는 분자진단을 위한 광증폭 양자점 비드 센서는, 지지체(100); 상기 지지체의 표면에 광증폭이 일어날 수 있도록 결합된 복수의 양자점 나노입자(200); 및 상기 양자점 나노입자의 표면에 결합된 받게 형광체(300);를 포함한다.

본 발명에서 `분자진단`이라 함은 극미량의 DNA, 유전자 또는 단백질을 분자수준에서 검출하거나 그 변화를 검출, 평가하는 것을 의미한다. 도 1에 모식적으로 도시된 양자점 비드 센서는, 양자점 나노입자를 중심(core)으로 하고, 여기에 표면을 개질하고 리간드를 붙힌 형태인 종래의 나노입자와는 달리, 지지체(100) 입자를 양자점 나노입자(200)가 둘러싸는 형태를 기본구성으로 하며, 여기에 받게 형광체(300)가 상기 양자점 나노입자(200)에 결합된 형태이다. 이때, 지지체(100)와 양자점 나노입자(200)의 결합은 지지체(100)의 표면에 처리되는 반응성 작용기를 통하여 이루어질 수 있다. 한편, 양자점 입자(200) 역시 받게 형광체(300)와 결합을 위하여 그 표면이 적절하게 개질될 수 있다.

지지체(100)

본 발명에서, 상기 지지체(100)는 양자점 나노입자(200)와 결합되어 이를 지지할 수 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있다. 이때, 상기 결합은 흡착과 같은 물리적인 결합이거나 또는 반데르발스결합, 공유결합, 배위결합 또는 이온결합 등 화학적인 결합일 수 있다. 바람직하게는 공유결합 또는 배위결합이다.

상기 지지체(100)은, 필요에 따라서는 양자점 입자(200)와의 원할한 결합을 위하여 표면처리된 것이 사용될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 지지체는 무기입자 또는 유기입자일 수 있다. 이 목적으로 사용되는 무기입자는 예를 들어, 실리카(SiO₂, SiOx) 입자, 티타니아(TiO₂) 입자, 산화아연(ZnO₂) 입자 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 한편, 유기입자는 폴리스티렌 입자 또는 폴리메틸메타크릴레이트 입자 등이 사용될 수 있다.

상기 지지체(100)로 사용되는 입자들의 평균직경은 10nm-2㎛인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 50-500nm인 것을 사용한다. 지지체 입자들의 직경이 10nm에 이르지 못하면 지지체로 사용할 수 없고, 2㎛를 초과하는 경우에는 결합된 양자점 입자(200)의 효율이 낮아진다.

상기 지지체 입자로서, 가장 바람직하게는 실리카 입자를 사용한다. 상기 실리카 입자는 습식, 건조 또는 진공방법 등 공지된 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 에멀젼(micro emulsion), 스퇴버 방법(St

ber), 분쇄, 침전, 공침, 폴리올, 유기 전구체의 고온 분해, 용액기술, 에어로졸/기포 기술, 스프레이 열분해, 플라즈마 원자화, 레이저 열분해 방법 등 수용성 자성체 나노입자를 제조할 수 있는 방법이라면 특별히 한정되지 않는다.

양자점 나노입자(200)

양자점 나노 입자(200)는, 12-16족 계열의 반도체, 13-15족 계열의 반도체, 14-16족 계열의 반도체 또는 14족 계열의 반도체 중에서 선택되는 반도체 양자점 나노입자를 사용할 수 있으며, 이러한 반도체 양자점 나노입자가 단일 코어(core) 구조로 이루어지거나, 상기 단일 코어 구조에 12-6족 계열의 반도체가 캡핑된 코어/캡(core/cap) (또는, 코어/쉘) 구조를 이룰 수도 있다. 여기서, 단일 코어 또는 코어/캡 구조 중 코어에 해당하는 양자점은, 상기 모든 종류의 반도체를 사용할 수 있으며,

예를 들어 12-16족 계열의 반도체는 주기율표상의 12족 원소 중 적어도 하나와, 16족 원소 중 적어도 하나가 결합된 것으로서, 이러한 12-6족 계열의 반도체의 예로서는 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 등이 있다.

또한, 13-15족 계열의 반도체로서는 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb, GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 등이 있다.

한편, 14-16족 계열의 반도체는 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe, SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe, SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 등이 있다.

또한, 14족 계열의 반도체는 Si, Ge, SiC, 등이 있다.

상기 열거된 반도체들은 단독으로 또는 2 이상의 조합으로 사용될 수 있다.

상기 반도체 물질 중 12-6족 계열의 반도체가 코어로서 가장 바람직하게 사용되며, 그 직경은 1 내지 20nm, 더욱 바람직하게는 2 내지 10nm인 것을 사용한다.

한편, 코어/캡 구조에 있어서, 캡이란 상기 코어 반도체 양자점과 결합하여 코어 반도체의 표면에 코팅층을 형성하는 반도체 양자점을 말하며, 상기 코어/캡 구조에 의하여 단일 코어 구조보다 더 발광효율이 뛰어난 나노입자를 얻을 수 있다. 상기 캡은 코어 반도체보다 더 큰 밴드 갭(band gap)을 가지며, 코어 반도체를 외부로부터 보호하는 보호층(passivation layer) 역할을 한다. 이러한 캡으로는 높은 밴드 갭을 지닌 12-6족 계열의 반도체를 사용하며, 예를 들어 ZnS 또는 CdS, ZnSe를 바람직하게 사용할 수 있다. 이를 이용한 코어/캡 구조의 조합에 있어서, 코어를 CdSe 또는 CdS로 구성할 경우, 캡은 ZnS를 사용할 수 있고, 코어가 CdSe인 경우, 캡으로서 CdS 또는 ZnSe를 사용하는 등, 여러 가지 조합을 제한 없이 사용할 수 있다.

본 발명에 따르는 양자점 비드 센서에서, 상술한 지지체(100)와 양자점 나노입자(200)은 반응성 작용기에 의하여 결합될 수 있다. 지지체 입자가 친수성 입자가 무기입자, 특히 실리카인 경우에 유용하다. 상기 반응성 작용기는 소수성 표면을 가진 양자점에 친수성을 부여하여, 친수성 물질, 특히 실리카와 결합할 수 있도록 함과 아울러, 양자점이 장기간 발광특성을 잃지 않도록 한다.

따라서, 이러한 반응성 작용기에는 친수성 부분(hydrophilic moiety)을 구비하여야 한다. 바람직하게는 이러한 친수성 부분이 양자점 나노입자(200)를 기준으로 볼 때, 밖으로 노출되어 있어야 한다. 구체적으로, 한쪽에는 양자점 나노입자(200)와 직접 결합하는 황(sulfur), 질소 또는 인(Phosphor) 중 어느 하나의 원자를 포함하고, 다른 한쪽에 실리카 나노입자 지지체(100) 또는 받게 형광체(300)과 결합하는 친수성 치환기를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 친수성 치환기는, 예를 들어 실란기(silane group), 아미노기(amino group), 술폰기(sulfonic group), 카복실기(carboxylic group), 또는 히드록시기(hydroxyl group) 중 어느 하나이며, 가장 바람직하게는 실리카와 접합하기 위하여 실란기를 갖는 것이 좋다. 즉, 상기 반응성 작용기는, 친수성 치환기로서 실란기를 갖는 실란계 작용기인 것이 바람직하다.

이러한 실란 작용기를 얻기 위한 실란 화합물로서는,

머캅토메틸메틸디에톡시실란(mercaptomethylmethylethoxysilane),

3-머캅토프로필메틸디메톡시실란(3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane),

3-머캅토프로필트리에톡시실란(3-mercaptopropyltriethoxysilane),

3-머캅토프로필트리메톡시실란(3-mercaptopropyltrimethoxysilane),

2-디페닐포스피노에틸트리에톡시실란(2-diphenylphosphinoethyltriethoxysilane),

디페닐포스피노에틸디메틸에톡시실란(diphenylphosphinoethyldimethylethoxysilane),

3-아미노프로필메틸디에톡시실란 (3-aminopropylmethyldiethoxysilane),

3-아미노프로필디메틸에톡시실란(3-aminopropyldimethylethoxysilane),

3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane),

3-아미노프로필트리메톡시실란(3-aminopropyltrimethoxysilane),

4-아미노부틸트리메톡시실란(3-aminobutyltrimethoxysilane),

3-(메타-아미노페녹시)프로필트리메톡시실란(3-(m-aminophenoxy)propyltrimethoxysilane), 및

n-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란(n-(2-aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane) 등을 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

그 밖에도, 카복실산(carboxylic acid) 또는 그 염(salt), 술폰산(sulfonic acid) 또는 그 염, 술팜산(sulfamic acid) 또는 그 염, 아미노 치환기(amino substituent), 4차 암모늄 염(quaternary ammonium salt), 히드록시기가 적용될 수 있으며, 이 중에서도 티올계 카복실산(thiol carboxylic acid) 또는 티올계 알콜(thiol alcohol)이 적용되는 것이 바람직하다. 이 중에서도 머캅토아세트산(mercaptoacetic acid)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

이때 지지체를 먼저 양자점과 결합시키기 위해서 상기 반응체들 중에서 선택해 먼저 치환하여 양자점을 결합시키는데, 이때 양자점은 표면치환 없이 결합을 하거나, 표면치환 없이 지지체와 결합시킬 수 있는데, 표면치환 없이 지지체와 결합시킨는 것이 바람직하며, 지지체와 결합된 양자점 표면의 바깥부분 역시 위에 상기된 반응기로 다시 친수성을 부여하여 하기의 받게 형광체와 반응을 할 수 있도록 한다.

[받게 형광체(300)]

본 발명에 따르는 양자점 비드 센서는 상술한 양자점 나노입자(200)의 표면에 받게 형광체(300)을 결합시켜 완성된다.

이 목적으로 사용되는 받게 형광체는 예를 들어, 플루오레세인(fluorescein), 로다민(rhodamine), Cy3, Cy3.5, Cy5와 같은 시아닌(cyanine) 계열의 염료, 텍사스 레드(texas red) 등의 형광체가 적용될 수 있다.

본 발명에서, 지지체(100)에 양자점 나노입자(200)을 고정함에 따라, 전체 양자점 비드 센서의 크기를 안정적으로, 다양하게 조절하는 것이 가능하게 되고, 지지체 입자-양자점 나노입자- 받게 형광체의 구조로, 하나 이상의 양자점이 동시에 FRET에 관여함으로써, 이로 인해 다양한 특성의 형광 표지를 얻을 수 있다. 더욱이, 지지체(100)의 표면에, 복수의 양자점 나노입자(200)가 결합되는 구성으로 인하여, 주게와 받게 사이의 거리가 짧아지게 되므로, 단일 양자점을 사용하는 경우보다 발광효율(quantum yield)이 훨씬 크게 발휘되는 장점을 갖게 된다. 즉, 지지체(100)의 크기 및 모양의 조절에 의하여, 이에 결합하는 리간드로서의 양자점 나노입자(200)의 크기 조절이 가능하고, 받게에 해당하는 분자가 주위의 양자점에 가까이 접근함으로써 기존의 단일 양자점에 비해 수십에서 수백 배에 이르는 발광효율을 볼 수 있다.

또한, 지지체(100)에 결합하는 양자점 나노입자(200)의 개수를 최대화하여, 발광 효율을 극대화할 수 있는 장점을 가진다. 즉, 만약에 개별적인 양자점 나노입자(200)의 발광 효율이 낮은 경우에도, 이들이 지지체(100)를 코어로 하여 다량이 부착되어 있기 때문에, 전체적으로는 종래의 양자점에 비하여 현저하게 향상된 발광 효율을 발휘할 수 있다.

상술한 구성을 가진 본 발명에 따르는 지지체(100)-양자점 나노입자(200) 구조를 갖는 양자점을 함유한 양자점 비드 센서는, 다수의 양자점의 집합으로 우수하여진 발광효율과 안정성을 갖는다. 따라서, 이를 생체물질 검출, 바이오 이미징등 바이오 영역과, 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED) 등의 발광소자, 단전자 트랜지스터, 태양전지용 광흡수제 및 광원 등에 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점 함유 나노입자를 포함하는 조성물은 받게 형광체의 형광을 신호로 받는 FRET시스템을 이용하여 검출한계를 높이는 바이오 센서로 활용이 가능하다.

도 2는 본 발명에 따르는 광증폭 양자점 비드 센서의 제조방법을 나타낸 블록도이다. 이하, 도2를 참조하여 본 발명에 의한 분자진단을 위한 광증폭 양자점 비드 센서를 제조하는 방법을 설명한다.

지지체 합성 단계(S-10)

지지체를 형성하는 비드를 합성하는 방법은 재료에 따라 여러가지 방법이 있지만 여기서는 실리카 비드합성에 대해 상술한다.

실리카 기반 나노파티클은 스퇴버방법에 의거해 합성하며 삼각 플라스크에 먼저 NH₄OH : EtOH : H₂O를 적당한 몰비율로 반응 시킨 후 상기 반응물에 TEOS(tetraethylorthosilicate)를 상기 단계에서의 NH₄OH을 기준으로 원하는 몰비율이 되도록 TEOS의 몰수를 계산하여 첨가하여 섞은 후 마그네틱 스터러 혹은 볼텍스(VOLTEX)를 이용하여 강하게 교반하면서 18시간 이상 반응한다. 이때 원하는 사이즈에 따라서 반응시간과 혼합 비율을 조절할 수 있다. 반응 후 에탄올을 이용하여, 원심분리기를 통해 최종 시료를 얻는다,

표면개질단계(S-20)

지지체 표면개질단계(S-20)는, 상술한 '반응성 작용기'를 생성하기 위한 반응성 화합물로서, 한쪽에 포스핀(phosphine) 계열, 아민(amine) 계열, 또는 티올(thiol) 계열의 작용기를 포함하고, 다른 한쪽에 친수성 치환기를 포함하는 화합물을 실리카 나노입자 코어와 함께 친수성 유기용매 내에서 반응시켜, 상기 실리카 나노입자 지지체의 표면을 개질하는 단계이다. 여기서, 친수성 유기용매로는 암모니아수용액(NH₄OH(aq)), 에탄올 또는 메탄올 등 상대적으로 친수성을 갖는 용매를 사용한다.

이때 에탄올을 친수성 유기용매로 사용하고, 반응성 작용기를 사용하여, 실리카 나노입자에 친수성인 티올기를 부여하게 되는데 이때는 사용 목적에 따라 반응성 작용기와 실리카 비드의 몰비를 계산해 에탄올에 분산 시킨 후 18시간 이상 반응 시킴으로써 표면 개질이 완성되며, 필요에 따라 같은 방식으로 아민기나 카르복실기를 도입하면 된다.

양자점 결합단계(S-30)

양자점 결합단계(S-30)는, 상기 친수성 유기용매 내에 액상의 양자점 나노입자(200)를 첨가하여, 상기 실리카 나노입자 코어의 표면에 복수의 양자점 나노입자를 결합시키는 단계이다. 양자점 나노입자의 표면에 소수성 용매를 그대로 이용하여 양자점 나노입자를 실리카 나노입자 지지체(100)가 분산되어 있는 친수성 용매에 그대로 첨가하는 방법을 사용하였다. 그 결과, 양자점 나노입자의 표면에 존재하던 미량의 소수성 용매는 다량의 친수성 유기용매에 녹아 들어가게 되고, 양자점 나노입자(200)는 용매에 분산되어 있지 않은 형태로, 실리카 입자 지지체(100)는 분산된 형태로 반응을 하게 된다. 실리카 입자 지지체(100)에 이미 양자점 나노입자(200)를 잘 도입할 수 있도록 표면개질을 해 두었고 양자점 역시 표면 반응기와 잘 반응할수 있도록 합성되어 있기 때문에, 투입된 양자점 나노입자(200)와 유기용매에 분산된 형태의 실리카 나노입자(100)가 만나 결합을 하게 된다.

일반적인 양자점 나노입자의 경우, TOPO(trioctylphosphine) 등의 소수성 물질이 표면에 코팅되어 있어, 소수성 용매에 분산되는데, 이처럼 소수성 용매에 분산된 양자점 나노입자와 친수성(또는 에탄올, 메탄올 등) 용매에 분산된 실리카 나노입자를 바로 도입하기는 어렵기 때문에, 종래에는 일반적으로 MPA(3-mercaptopropionic acid) 등의 물질로 미리 수용성 치환하여 양자점 나노입자의 표면을 개질하는 방식을 사용하였다. 그러나, 이렇게 추가적으로 표면을 치환하는 경우 발광효율 저하와 단계 첨가로 인한 시료 손실 및 공정시간 증가 등의 문제점이 있었다. 이에, 본 발명에서는 추가적인 표면 개질 단계없이, 양자점의 표면을 친수성으로 개질하기 위하여 MPTS의 티올기에 잘 반응할 수 있게 양자점의 쉘을 구성하고, 리간드를 MPTS에 반응이 높은 리간드를 최종 코팅하여 제작한다.

양자점 표면개질단계(S-40)

양자점 표면개질단계(S-40)는 양자점 결합단계(S-30) 이후에, 상기 양자점 나노입자의 바깥 표면을 개질 하는 것으로써, 최종 양자점의 바깥표면에 수용성 리간드로 개질하고 정제하면 된다. 이때 사용되는 수용성 리간드는, 예를 들어, 티올 또는 아민 치환체를 갖는 C1~C15의 카르복시산이다. 가장 바람직하게는 3-머캅토프로판산(3-mercaptopropionic acid), 6-머캅토헥산산(6-mercaptohexanoic acid), 11-머캅토운데칸산(11-mercaptoundecanoic acid), L-시스테인(L-cysteine), 리포산(liopic acid)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용한다.

이때 필요에 따라서는 (S-20)의 표면개질 방법과 동일하게 한번 더 코팅을 한 후 최종 수용성 치환기를 붙이는 것도 가능하다.

받게 형광체 결합 단계(S-50)

S-40단계에서 최종표면이 카르복실기나 아민기 등으로 최종 개질된 반응기에 받게 역할의 형광체인 Cy3, Cy5등 형광체가 붙은 핵산이나 단백질의 아민기나 카르복실기를 EDC-NHS 반응을 이용하여 결합시켜주면 최종 분자진단을 위한 광증폭 양자점 비드센서가 완성된다.

본 발명에 의한 광증폭 양자점 비드센서의 제조방법에 따라 상기 복합 나노입자를 제조할 경우, 양자점의 사전 표면개질없이, 양자점이 그대로 첨가됨에 따라, 영자효율의 저하가 최소화됨과 더불어, 실리카-양자점 간의 결합이 정전기적 인력보다 현저히 강한 공유결합에 의하기 때문에, 포토블리칭에 의한 안정성 저하 역시 방지할 수 있다.

이렇게 제조된 본 발명에 의한 광증폭 양자점 비드센서는 동시에 두개 이상의 양자점이 FRET 반응에서 반응 함과 동시에 주위에 양자점이 높은 밀도로 코팅되어 있어 주게와 받게 사이가 가까워지는 효과가 발생해 지금껏 개발된 어떤 방식보다 효과가 뛰어나 핵산, 항체, 암세포 등 다양한 물질과 결합하여 지금껏 진단하기 힘들었던 극소량의 수준의 진단을 가능케 하여 다양한 바이오 시스템 용도로 사용될 수 있으며, FRET 이외에도 고집적 분산이 가능하므로 다양한 바이오, 전기전자, 조명등에 응용이 가능하며 최종 실리카쉘을 한번 더 코팅하여 응용도 가능하여 더욱 광범위하게 사용 가능 할 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

(1) 실리카 입자 지지체의 합성 및 표면 개질

실리카 기반 나노파티클은 스퇴버방법에 의거해 합성하며 삼각 플라스크에 먼저 NH₄OH:EtOH:H₂O (3:60:1ml)로 교반 후, 상기 반응물에 TEOS(tetraethylorthosilicate)를 2ml을 첨가하고, 50℃에서 교반하면서 18시간 이상 반응시켰다. 이때 원하는 사이즈에 따라서 반응시간과 혼합 비율을 조절할 수 있다, 이후 에탄올을 이용하여, 원심분리기를 통해 최종 시료를 얻었다. 이때 대략 200nm의 실리카 비드를 얻을 수 있다.

이후 표면과 양자점의 반응을 위해 반응성 작용기인 3-머캅토프로필트리메톡시실란(3-mercaptopropyltrimethoxysilane, MPTS), NH₄OH를 180ul 투입하고 12시간에서 24시간 이내 반응시킨 후, 상기 지지체를 얻을 때와 같은 방법으로 정제하여 표면이 개질된 실리카 입자 지지체를 수득하였다.

(2) 양자점의 합성

CdSe/ZnS 양자점은 얼로이(alloy) 방식으로 CdO:Zn(acetate)₂:올레익산:옥타데칸을 1:2:15:80의 몰비율로 반응시키며 200℃ 이상의 온도로 가열하였다. 그리고 1 : 20 몰비의 Se와 S를 TOP(Trioctylphosphine) 용액(97%)에 반응시킨 후, 상기 양자점을 포함하는 반응물에 주입하였다. 양자점의 표면 개질을 위해 티올기를 주입해주고 반응시켜 주었다. 상온으로 냉각을 시킨 후 메탄올과 아세톤을 사용하여, 원심분리기를 통해 약 10nm 크기의 양자점 최종시료를 얻었다.

(3) 지지체에 양자점을 결합

양자점과 비드 지지체의 결합을 위해서는 양자점과 지지체 비율을 50:100mg 비율로 정하고 클로로포름은 볼륨을 2배 첨가한 다음, 교반 후 30분을 반응시켰다.

(4) 양자점의 표면 개질

CdSe/ZnS 양자점 비드와 MPA를 (50mg : 20ul), 클로로포름과 에탄올을 섞어(2ml:2ml) 믹싱을 통해 10시간 동안 반응시켜 최종 양자점의 바깥표면에 수용성 리간드인 카르복실 관능기를 부착, 개질한 다음 정제하였다.

(5) 받게 형광체 결합

상기 표면이 개질된 양자점에 받게 형광체로서, 플루오로세인, 로다민, 시아닌 계열의 염료 및 텍사스 레드로 구성된 군으로부터 선택된 형광체가 붙은 핵산이나 단백질에 아민기나 카르복실기를 붙이고 2 : 3 비율의 EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide) / NHS (N-hydroxysuccinimide)를 이용하여 공유결합을 시켰다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 양자점 결합 전후의 각각의 파우더 샘플을 암실에서 자외선 램프로 보기 전 (왼쪽)과 후 (오른쪽)를 관찰한 사진들이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 양자점 결합 전후의 각각의 파우더 샘플을 증류수에 넣어 만든 수용성 솔루션 샘플들을 암실에서 자외선 램프로 보기 전 (왼쪽)과 후 (오른쪽)를 관찰한 사진들이다.

도 5는 양자점 비드센서를 SEM으로 촬영한 이미지이며, 도 6는 양자점 비드센서에 타겟 DNA가 결합하였을 때의 형광 세기를 측정한 형광 스펙트라이다. 대조군의 경우 주게 형광체인 양자점의 형광만 있는 반면, 타겟 DNA와 결합한 경우 FRET이 일어나서 받게 형광체의 형광도 측정되었으며 이때의 형광은 2R0를 벗어나는 거리임에도 불구하고 지지체에 집합되어 있는 복수의 양자점으로 인해 광증폭된 것에 의한 효과이다.

100.. 지지체 200.. 양자점 나노입자
300.. 받게 형광체

Claims

무기 또는 유기 지지체 입자,
상기 지지체 입자의 표면이 반응성 작용기로 개질되어 상기 표면 개질된 지지체 입자의 반응성 작용기와 양자점 나노입자가 결합되어, 지지체 입자를 코어로 하여 복수의 양자점 나노입자가 둘러싸는 형태로 고정되고,
상기 양자점 나노입자의 표면에 결합된 받게 형광체를 포함하는 분자진단을 위한 광증폭 양자점 비드 센서.
제1항에 있어서, 지지체의 입자 평균직경은 100nm 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 양자점 비드 센서.
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제1항에 있어서, 상기 반응성 작용기는 한쪽에 포스핀 계열, 아민 계열 및 티올 계열의 작용기로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 작용기를 포함하고, 다른 한쪽에는 실란기, 아미노기, 술폰기, 카르복실기 및 히드록시기로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 친수성 치환기를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 양자점 비드 센서.
제1항에 있어서, 상기 반응성 작용기는 머캅토메틸메틸디에톡시실란(mercaptomethylmethylethoxysilane), 3-머캅토프로필메틸디메톡시실란(3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane), 3-머캅토프로필트리에톡시실란(3-mercaptopropyltriethoxysilane), 3-머캅토프로필트리메톡시실란(3-mercaptopropyltrimethoxysilane), 2-디페닐포스피노에틸트리에톡시실란(2-diphenylphosphinoethyltriethoxysilane), 디페닐포스피노에틸디메틸에톡시실란(diphenylphosphinoethyldimethylethoxysilane), 3-아미노프로필메틸디에톡시실란(3-aminopropylmethyldiethoxysilane), 3-아미노프로필디메틸에톡시실란(3-aminopropyldimethylethoxysilane), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane), 3-아미노프로필트리메톡시실란(3-aminopropyltrimethoxysilane), 4-아미노부틸트리메톡시실란(3-aminobutyltrimethoxysilane), 3-(메타-아미노페녹시)프로필트리메톡시실란(3-(m-aminophenoxy)propyltrimethoxysilane) 및 n-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란(n-(2-aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 양자점 비드 센서.
제1항에 있어서, 상기 양자점 나노입자의 표면은 티올 또는 아민 치환체를 갖는 C1~C15의 카르복시산인 수용성 리간드로 개질된 것임을 특징으로 하는 양자점 비드 센서.
제9항에 있어서, 상기 양자점 나노입자 개질용 화합물은 3-머캅토프로판산(3-mercaptopropionic acid), 6-머캅토헥산산(6-mercaptohexanoic acid), 11-머캅토운데칸산(11-mercaptoundecanoic acid), L-시스테인(L-cysteine), 리포산(liopic acid)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 양자점 비드 센서.
제1항에 있어서, 상기 받게 형광체는 플루오레세인(fluorescein), 로다민(rhodamine), 시아닌(cyanine) 계열의 염료 및 텍사스 레드(texas red)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 양자점 비드 센서.
실리카 입자 지지체 합성 단계(S-10);
상기 합성된 지지체와, 한쪽에 포스핀 계열, 아민 계열, 또는 티올 계열의 작용기를 포함하고, 다른 한쪽에 친수성 치환기를 포함하는 반응성 작용기를 반응시키는 표면개질 단계(S-20);
상기 표면개질된 실리카 입자의 반응성 작용기와 양자점 나노입자를 반응시켜 양자점 비드를 형성하는 양자점 결합 단계(S-30);
상기 양자점 비드의 양자점 표면을 티올 또는 아민 치환체를 갖는 C₁~C₁₅의 카르복시산인 수용성 리간드로 표면개질하는 단계(S-40); 및
상기 표면개질된 양자점 비드와 받게 형광체를 반응시키는 받게 형광체 결합 단계(S-50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 비드 센서의 제조방법.