KR101773296B1 - 다중 검지가 가능한 색변환 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 검지가 가능한 색변환 센서에 관한 것이다. 복수의 나노 입자를 감산 혼합 방식으로 혼합하여 무채색을 나타내는 색변환 감지부에 의해 색변환에 의한 다중 검출 물질의 검지가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 검지가 가능한 색변환 센서는, 감산 혼합 방식으로 무채색을 나타내도록 둘 이상의 나노 입자를 혼합하여 포함하는 색변환 감지부를 포함하고, 상기 둘 이상의 나노 입자에는 각각 화학적 또는 생물학적 분자가 부착되어 있으며, 상기 화학적 또는 생물학적 분자가 검출 물질과 반응하는 경우 상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출한다.

Description

다중 검지가 가능한 색변환 센서 {COLORIMETRIC SENSOR CAPABLE OF ANALYZING MULTIPLEX ANALYTES}
본 발명은 다중 검지가 가능한 색변환 센서에 관한 것이다. 복수의 나노 입자를 감산 혼합 방식으로 혼합하여 무채색을 나타내는 색변환 감지부에 의해 색변환에 의한 다중 검출 물질의 검지가 가능하다.
현재 다양한 금속 나노입자 기반의 색 변환 센서 시스템은 유채색에서 유채색으로 변하는 색 변환 시스템에 관한 것이다. 예를 들어 금 나노입자의 경우 520 nm 근처에서 강한 흡수를 하기 때문에 육안으로 빨간색을 띄게 되나 검출물질(analyte)의 존재 하에 나노입자가 뭉치는 경우(aggregation) 흡수 파장이 장파장대로 시프트(shift)하여 육안으로 남색 또는 보라색을 띄어 검출물질의 존재여부를 판단할 수 있다.
하지만, 이러한 기존의 나노입자 센서 시스템의 경우 색 대비 및 명도 차가 크지 않기 때문에 즉각적인 색 변화 여부를 판단하는데 한계점이 있다. 무엇보다 나노입자의 응집 후 이를 다시 센서로서 재사용하기 매우 어려우며, 색 변화가 각각의 나노입자의 종류에 따라 한가지 경우의 수밖에 일어날 수 없기 때문에 다양한 검출물질을 동시에 분석하는 다중검지 색 변환 시스템에 이용하기 매우 어려움을 갖고 있다.
도 1a 및 1b는 종래 기술에 따른 금속 나노 입자를 이용한 색변환 감지 센서의 예시적인 모습으로서, 금 나노입자를 이용해 분산된 상태에서 빨간색을 띠다가 검출 물질의 검지에 따른 나노 입자의 응집에 의해 남청색을 띠게 되면서 뭉침이 발생되는 경우를 확인할 수 있다. 이에 의해 색변환을 감지하게 되지만, 응집 이후 다시 재사용이 어렵고, 또한 색변환이 다양하게 이루어지지 않기 때문에 다중 검지가 어렵다는 문제점을 갖는다.
본 발명은 나노입자를 이용하여 다양한 생체 및 환경 조건에서 2가지의 이상의 검출물질(analytes)의 존재 여부를 각각 다른 유채색으로의 변화를 통하여 다중검지(multiplex)가 가능한 나노입자 기반의 색 변환 센서 시스템을 만드는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 검지가 가능한 색변환 센서는, 감산 혼합 방식으로 무채색을 나타내도록 둘 이상의 나노 입자를 혼합하여 포함하는 색변환 감지부를 포함하고, 상기 둘 이상의 나노 입자에는 각각 화학적 또는 생물학적 분자가 부착되어 있으며, 상기 화학적 또는 생물학적 분자가 검출 물질과 반응하는 경우 상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출한다.
상기 둘 이상의 나노 입자의 화학적 또는 생물학적 분자가 각각 검출 물질과 반응함에 따라 상기 색변환 감지부의 색상이 세가지 이상으로 변화되고, 이때 상기 색변환 감지부의 색상 변화는 무채색에서 유채색으로 변경된다.
상기 색변환 센서는 화학 물질 센서, 바이오 센서, 생물 분자 센서로 이용 가능하다.
상기 화학적 또는 생물학적 분자는 활성(activity)을 유지하고 있으며, 상기 화학적 또는 생물학적 분자는 DNA, RNA, 압타머, 펩타이드, 단백질, 항원, 항체, 킬레이터(chelator) 중 어느 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 다중 검지가 가능한 색변환 센서는, 금 나노 파티클, 은 나노 파티클, 및 금 나노 막대를 혼합하여 검정색을 나타내는 색변환 감지부를 포함하고, 상기 금속 나노 입자들 각각에는 화학적 또는 생물학적 분자가 부착되어 있으며, 상기 화학적 또는 생물학적 분자가 검출 물질과 반응하는 경우 상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출한다.
상기 금속 나노 입자들의 화학적 또는 생물학적 분자가 각각 검출 물질과 반응함에 따라 상기 색변환 감지부의 색상이 6가지로 변화되고, 상기 색변환 감지부의 색상 변화는 무채색에서 유채색으로 변경된다.
상기 색변환 센서는 화학 물질 센서, 바이오 센서, 생물 분자 센서로 이용 가능하다.
상기 화학적 또는 생물학적 분자는 활성(activity)을 유지하고 있고, 상기 화학적 또는 생물학적 분자는 DNA, RNA, 압타머, 펩타이드, 단백질, 항원, 항체, 킬레이터(chelator) 중 어느 하나 이상을 포함한다.
본 발명은 단순히 하나의 검출물질만 구분할 수밖에 없는 금속 나노입자 기반의 색 변환 센서 시스템과는 달리 무채색 나노입자를 이용하여 검출물질의 종류에 따라 각각 다른 유채색을 구현하여 하나의 색 변환 센서 시스템 내에서도 다중분석(multiplex analysis)이 가능하게 한 것이다.
이를 통하여 금속 나노입자 기반의 색 변환 시스템 내에서도 다양한 검출물질들을 동시에 분석할 수 있는 다중분석이 가능하게 할 뿐만 아니라 무채색 그리고 유채색의 큰 색 대비 및 명도차로 인하여 육안으로 쉽게 판단할 수 있는 새로운 다중검지 센싱 플랫폼을 구축할 수 있으리라 기대된다.
도 1a 및 1b는 종래 기술에 따른 금속 나노 입자를 이용한 색변환 감지 센서의 예시적인 모습을 도시한다.
도 2a는 감산혼합 방식의 색의 혼합에 대한 예시이다.
도 2b는 감산혼합 방식에 의해 금속 나노 입자들이 혼합된 색변환 감지부의 색 변환 예시를 도시한다.
도 3a-3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 검지 색변환 센서의 색 변환에 대한 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 검지 색변환 센서의 색 변환에 대한 일 실시예를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 명세서에서 "나노 입자"는 나노 스타, 나노 파티클, 나노 로드 등과 같은 나노 형태의 1차원, 2차원, 3차원 입자 등을 모두 포함하는 의미이다. 본 명세서에서 나노 입자는 금속 나노 입자나, 염료 입자 등을 모두 포함하는 개념이다.
본 명세서에서 "감산 혼합"이라 함은 혼합색이 원래의 색보다 명도가 낮아지도록 색을 혼합하는 방법을 의미하며, 특히 감산 혼합에 의해 무채색을 만드는 것을 의미한다.
금속 나노입자의 경우 강한 표면 플라즈몬 흡수로 인하여 육안으로 판별 시 특정 색깔을 띄게 되며, 검출물질 존재 시 반응과 동시에 표면 플라즈몬 특성 변화로 인하여 육안으로 구분이 가능한 다른 색깔로 변하게 된다. 이러한 특성으로 인하여 금속 나노입자는 현재 바이오센서 및 화학물질 센서에 이용되고 있다. 하지만 이미 종래 기술에서 언급한 것처럼, 이러한 금속 나노입자의 색 변환 시스템 내에서는 단순히 하나의 검출물질의 존재 여부에 따른 색 변화의 경우가 한 가지 밖에 없기 때문에 다중검지 시스템을 구축하기에는 큰 어려움이 있다.
본 발명은 RYB(Red-Yellow-Blue) 컬러 모델과 같은 감산 혼합법에 근거하여 검정색을 띄는 무채색 나노입자를 만든 후, 특정 환경 및 생체조건 하에서 3가지의 이상의 검출물질들을 동시에 검지하는 다중검지 색 변환 센서 시스템을 구축하여 검정색에서 각각 다른 색깔을 띄는 유채색으로 변할 수 있다는 것을 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 검지가 가능한 색변환 센서는, 감산 혼합 방식으로 무채색을 나타내도록 둘 이상의 나노 입자를 혼합하여 포함하는 색변환 감지부를 포함하고, 상기 둘 이상의 나노 입자에는 각각 화학적 또는 생물학적 분자가 부착되어 있으며, 상기 화학적 또는 생물학적 분자가 검출 물질과 반응하는 경우 상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출한다.
감산 혼합 방식은 이미 위에서 설명한 것처럼, 혼합색이 원래의 색보다 명도가 낮아지도록 색을 혼합하는 방법을 의미하며, 특히 감산 혼합에 의해 무채색을 만드는 것을 의미한다.
색변환 센서는 혼합된 둘 이상의 나노 입자를 포함한다. 둘 이상의 나노 입자에는 각각 화학적 또는 생물학적 분자가 부착되어 있다. 화학적 또는 생물학적 분자는 활성(activity)을 유지하고 있으며, 이를 통해 다양한 화학적 또는 생물학적 분자 부착을 통해 폭넓은 응용 분야에 이용 가능할 수 있다. 화학적 또는 생물학적 분자는 DNA, RNA, 압타머, 펩타이드, 단백질, 항원, 항체, 킬레이터(chelator) 중 어느 하나 이상을 포함한다. 이러한 화학적 또는 생물학적 분자들이 활성을 유지하고 있음으로 인하여, 타겟 물질과 반응을 일으키게 되고 이에 의해 응집되는 금속 나노 입자의 종류가 다르게 되어 색의 변환이 다양하게 일어날 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 색변환 센서는 복수개의 나노 입자를 포함하고 있고 각각의 나노 입자에는 화학적 또는 생물학적 분자가 활성을 유지한 채로 부착되어 있어, 각각의 나노 입자의 화학적 또는 생물학적 분자의 타겟 물질인 검출물질의 검지에 의해 색변환 센서부의 색깔이 다양한 유채색으로 변할 수 있게 된다. 이에 의해 다양한 검출물질의 검지가 가능하게 된다.
예를 들어 두 개의 나노 입자의 화학적 또는 생물학적 분자가 각각 검출 물질과 반응함에 따라 색변환 감지부의 색상이 세가지로 변할 수 있게 되므로 3가지 조건의 검출 물질의 존재 여부를 확인할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 색변환 센서의 경우 감산 혼합 방식에 의해 나노 입자들이 혼합되어 무채색을 띠고 있다가 유채색으로 변경되므로 색의 변환 여부에 대해 매우 쉽게 육안으로 확인할 수 있다는 장점도 갖는다.
본 발명의 색변환 센서는 화학 물질 센서, 바이오 센서, 생물 분자 센서로 이용 가능하다.
이하에서는 구체적인 금속 나노 입자의 조합에 다른 색의 변환에 대해 살펴보도록 하겠다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 다중 검지가 가능한 색변환 센서는, 금 나노 파티클, 은 나노 파티클, 및 금 나노 막대를 혼합하여 검정색을 나타내는 색변환 감지부를 포함하고, 상기 금속 나노 입자들 각각에는 각각 화학적 또는 생물학적 분자가 부착되어 있으며, 상기 화학적 또는 생물학적 분자가 검출 물질과 반응하는 경우 상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출한다.
검정색을 띠는 무채색 나노입자는 RYB (Red-Yellow-Blue) 컬러 모델에 근거하여 감산 혼합 방식으로 빨간색을 띄는 금 나노입자(AuNP), 노란색을 띄는 은 나노입자(AgNP) 그리고 청록색을 띄는 금 나노막대(AuNR)를 적절한 비율로 혼합하여 제작할 수 있다. 이 때 나노입자의 안정성 및 공학적인 활용을 위하여 금속 나노 입자들 각각에 화학적 또는 생물학적 분자를 부착하였다.
이 경우에는 상기 금속 나노 입자들의 화학적 또는 생물학적 분자가 각각 검출 물질과 반응함에 따라 상기 색변환 감지부의 색상이 6가지로 변화될 수 있으며, 총 6가지 경우의 검지 조건을 육안으로 쉽게 검지 가능하다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용에 대해 추가적으로 설명하도록 하겠다.
본 발명의 실시예에서는 검정색 나노입자를 제작하기 위하여 금 나노입자 (AuNP), 은 나노입자 (AgNP) 그리고 금 나노막대 (AuNR)를 준비하고 이들을 혼합하여 검정색의 감산 혼합을 만들었다. 이는 도 2a에서 확인할수 있다.
또한, 각각의 나노입자에 부착한 DNA와 특이적인 반응을 하는 target DNA (DNA1, DNA2, DNA3)를 디자인 하였다.
도 2b는 감산혼합 방식에 의해 금속 나노 입자들이 혼합된 색변환 감지부의 색 변환 예시를 도시한다. 검출물질로서 DNA1이 존재 시 무채색 (검정) 나노입자 내에서 금 나노입자만의 응집이 일어나게 되며, DNA1의 적정 농도에서 입자의 색깔이 빨간색이 무색으로 변하게 된다. 결과적으로 무채색 나노입자의 색깔이 검정 (무채색)에서 연두색 (유채색)으로 변하게 된다. 반면에 DNA2가 존재 시 무채색 (검정) 나노입자 내에서 은 나노입자만의 응집이 일어나게 되며, DNA2의 적정 농도에서 입자의 색깔이 노란색에서 무색으로 변하게 된다. 이 경우에는 무채색 나노입자의 색깔이 검정색 (무채색)에 보라색 (유채색)으로 변하게 된다. 마지막으로 DNA3가 존재 시 무채색 (검정) 나노입자 내에서 금 나노막대만의 응집이 일어나게 되고, DNA3의 적정 농도에서 입자의 색깔이 청록색에서 무색으로 변하게 된다. 결과적으로 무채색 나노입자의 색깔이 검정색 (무채색)에서 주황색 (유채색)으로 변하게 된다. 또한, 검출물질이 동시에 존재시, 예를 들면 DNA1 그리고 DNA2가 동시에 존재할 경우에는 금 나노입자 그리고 은 나노입자의 응집이 동시에 일어나게 되므로 결과적으로 무채색 나노입자의 색깔이 검정에서 또 다른 유채색인 청록색으로 변하게 된다. 이러한 색의 변화에 대한 그림은 도 3a-3b에서 도시되어 있다.
이러한 무채색 기반의 다중검지 센서 시스템은 나노입자에 부착한 생체 및 화학분자의 종류에 따라 다른 검출물질을 인식할 수 있다.
본 발명에서는 이러한 사실을 입증하기 위하여 금 나노입자와 금 나노막대에 각각 단백질인 thrombin과 PDGF-AA를 인식할 수 있는 압타머를 부착하였다. 이 경우의 실시예는 도 4에서 도시되어 있다. 이 경우에는 특정 생체 환경 내에서 (예: 혈장, 혈액) 단백질의 존재 여부를 하나의 센서 시스템 내에서 동시검지가 가능하다. 혈장 내에 thrombin이 존재 시 금 나노입자의 응집이 일어나기 때문에 결과적으로 무채색 나노입자의 색깔이 검정 (무채색)에서 연두색 (유채색)으로 변하게 되며, PDGF-AA가 존재할 때는 금 나노막대의 응집이 일어나기 때문에 무채색 나노입자의 색깔이 검정 (무채색)에서 주황색 (유채색)으로 변하게 되는 것을 증명하였다.
이상에서 설명한 것처럼, 본 발명은 하나의 검출물질만 검지할 수 있는 기존의 나노입자 기반의 색 변환 센서 시스템과 달리 무채색에서 3가지 이상의 검출물질의 종류에 따라 각기 다른 유채색을 나타내는 다중검지 무채색 색 변환 시스템이 가능하다는 점을 제시하였다. 이러한 무채색 기반의 나노입자 색 변환 센서 시스템은 단일세포 및 단분자 분석이 아닌 다양한 세포 및 다분자 분석이 동시 다발적으로 가능한 바이오센서 및 화학물질 센서 플랫폼을 구축하는데 큰 기여를 하리라 기대된다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 금 나노 파티클, 은 나노 파티클, 및 금 나노 막대를 혼합하여 컬러 모델에 근거한 감산 혼합 방식으로 검정색을 나타내는 색변환 감지부를 포함하고,
    상기 금 나노 파티클, 은 나노 파티클, 및 금 나노 막대 각각에는 화학적 또는 생물학적 분자가 부착되어 있으며,
    상기 화학적 또는 생물학적 분자가 검출 물질과 반응하는 경우 상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출하고,
    상기 색변환 감지부의 색상 변화는 무채색에서 유채색으로 변경되어 분석 물질의 존재 여부를 판단할 수 있는,
    다중 검지가 가능한 색변환 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금 나노 파티클, 은 나노 파티클, 및 금 나노 막대의 화학적 또는 생물학적 분자가 각각 검출 물질과 반응함에 따라 상기 색변환 감지부의 색상이 6가지로 변화되는,
    다중 검지가 가능한 색변환 센서.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 색변환 센서는 화학 물질 센서, 바이오 센서, 생물 분자 센서로 이용 가능한,
    다중 검지가 가능한 색변환 센서.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 화학적 또는 생물학적 분자는 활성(activity)을 유지하는,
    다중 검지가 가능한 색변환 센서.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 화학적 또는 생물학적 분자는 DNA, RNA, 압타머, 펩타이드, 단백질, 항원, 항체, 킬레이터(chelator) 중 어느 하나 이상을 포함하는,
    다중 검지가 가능한 색변환 센서.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101502277B1 (ko) * 2014-05-15 2015-03-12 성균관대학교산학협력단 육안으로 분석 물질의 존재 여부를 용이하게 판단 가능한 색변환 센서
JP5855827B2 (ja) 2007-06-06 2016-02-09 ベクトン・ディキンソン・アンド・カンパニーＢｅｃｔｏｎ， Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ Ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ 表面増強ラマン散乱レポーターとしての近赤外色素

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP5855827B2 (ja) 2007-06-06 2016-02-09 ベクトン・ディキンソン・アンド・カンパニーＢｅｃｔｏｎ， Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ Ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ 表面増強ラマン散乱レポーターとしての近赤外色素
KR101502277B1 (ko) * 2014-05-15 2015-03-12 성균관대학교산학협력단 육안으로 분석 물질의 존재 여부를 용이하게 판단 가능한 색변환 센서

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Multiplexed DNA Detection with DNA-Functinalized Silver and Silver/Gold Nanoparticle Superstructure Probes, Bull. Korean Chem. Soc. V.33, No.1(2012.01.31.)*

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