KR101829677B1 - 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는 형광 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는, 형광 복합체, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 표적물질의 검출방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 형광 복합체는 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체와 표적물질의 특이적 반응을 이용함으로써, 표적물질에 대한 민감도 및 선택도가 우수하여 표적물질의 분석이 용이하고, 상기 형광 복합체를 이용하여 표적물질을 검출하는 경우, 단순하고 경제적인 방법으로 우수한 표적물질 검출 효과를 나타낸다.

Description

핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는 형광 복합체 및 이의 제조 방법{Fluorescent complex comprising nucleic acid fixed organic semiconductor and method for preparing the same}
본 발명은 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는, 형광 복합체, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 표적물질의 검출방법에 관한 것이다.
일반적으로 생체 내 존재하는 표적물질로는 금속 이온, DNA, RNA, ATP 및 단백질 등이 있다. 이 중 DNA 검출은, 간염 바이러스, 인간 면역결핍 바이러스(human immunodeficiency virus; HIV), 에볼라 바이러스(ebola virus, EV) 및 중증 급성 호흡기 증후군(severe acute respiratory syndrome, SARS)을 유발하는 코로나 바이러스와 같은 바이러스에 의해 발생되는 치명적인 감염뿐만 아니라, 유전적 변화들에 관련된 질환을 진단하고 관찰하는데 중요한 역할을 한다. 따라서, DNA 검출을 위한 직접적이고 간단하며 효과적인 감지 플랫폼을 만드는 것은 중요하다.
유기반도체 물질은 주로, 최근 이의 급속한 개발 및 유기 전자장치의 수익성 있는 상업적 가능성으로 인해 증가하는 관심을 받고 있다. 정공이나 전자에 의한 전자적인 전하의 수송이 가능한 유기물질은 유기반도체로서 이용할 수 있고, 복사기 감광체나 광센서, 유기 EL소자, 유기 트랜지스터, 유기 태양전지, 유기 메모리 소자 등의 유기 전자소자의 재료로서 이용할 수 있다. 특히, 유기 발광다이오드(OLED) 기술은 1963년 안트라센 물질을 시작으로 저분자 및 전도성 고분자 소재를 사용해 왔으며, 현재는 고효율 발광효과를 보유한 소형 및 중대형 디스플레이 산업에 사용되고 있다. 또한, 연어알에서 추출한 이중나선-DNA 및 계면활성제를 혼합하여 만든 OLED 박막 필름이 기존 OLED 소자보다 광전효율이 약 30배 증가하는 현상이 보고된 바 있으며, 형광물질이 치환된 단일나선 DNA를 이용하여 만든 마이크로 크기의 OLED 소재가 개발된 바 있다.
따라서, 이러한 유기반도체 물질을 이용하여 생체 내 존재하는 표적물질, 특히 DNA를 검출하는 방법에 대한 연구의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
KR 공개번호 10-2011-0058796
본 발명자들은 표적물질 검출용 형광 복합체에 대해 탐색하던 중, 형광 표지자로서 핵산이 고정된 유기반도체를 이용하는 경우, 핵산과 표적물질의 직접적인 결합에 의해 표적물질 검출에 있어서 우수한 민감도 및 선택도를 나타냄을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는, 형광 복합체, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 표적물질의 검출방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는, 형광 복합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 표적물질-특이적 핵산 및 유기반도체를 용매에서 혼합한 후, 이를 교반하는 단계;를 포함하는, 형광 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 시료를 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는 형광 복합체에 가하는 단계;를 포함하는, 표적물질의 검출방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 유기 전자소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 반도체 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 유기발광 다이오드(OLED) 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 생체물질 검출용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 생체물질 검출용 바이오센서를 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는, 형광 복합체를 제공한다.
본 발명에 따른 형광 복합체는 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체와 표적물질이 특이적 반응을 할 경우, 유기반도체의 형광이 증폭되어 표적물질을 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 표적물질은 생체 내 존재하는 물질로, 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체와 물리적, 화학적 또는 생물학적 상호작용에 의해 특이적 반응을 할 수 있는 물질이라면 제한 없이 포함할 수 있다. 바람직하게는 표적물질은 생체 내 존재하는 DNA, RNA, PNA, ATP, 아미노산, 단백질, 항체, 항원, 및 바이러스 등과 같은 화학 또는 바이오 물질을 일컫는다. 구체적으로는, 상기 표적물질은 상기 유기반도체에 고정된 핵산과 혼성화되어 이중가닥을 형성하는 물질일 수 있다.
상기 단백질로는 트롬빈(thrombin), 피브리노겐(fibrinogen), 면역글로불린 G(immunoglobulin G, IgG), 면역글로불린 M(IgM), 면역글로불린 A(IgA), 면역글로불린 D(IgD), 헤모글로빈(hemoglobin), 미오글로빈(myoglobin), 알부민(albumin), 카제인(casein), 프롤라민(prolamin), 액틴(actin), 미오신(myosin), 콜라겐(collagen), 및 케라틴(keratin) 등 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 핵산은 표적물질과 혼성화되어 이중가닥을 형성할 수 있는 물질을 의미하며, 단일 가닥 또는 이중 가닥 핵산일 수 있으며 바람직하게는 단일 가닥의 DNA, RNA 또는 PNA일 수 있다. 상기 PNA(peptide nucleic acid)는 포스페이트 골격 대신 폴리아미드를 갖는 DNA 유사체를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 단일 가닥의 DNA는 염기서열:NH2-5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC-3'을 가질 수 있고, 상기 단일 가닥의 RNA는 염기서열:NH2-5'-AUC CUU AUC AAU AUU UAA CAA UAA UCC-3'을 가질 수 있고, 상기 단일 가닥의 PNA는 염기서열:[N-term] ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC[C-term] 또는 [N-term] GTT ACC CGT AGG TAG [C-term]을 가질 수 있다. 상기 PNA는 상기 표적물질과 혼성화되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 PNA는 핵산, 특히 단일 가닥 DNA에 대한 우수한 결합 친화력을 가지고 있어, 상보적인 DNA 가닥의 말단에 결합하기 시작하여 DNA/PNA 듀플렉스를 형성할 수 있다.
상기 유기반도체는 정공이나 전자에 의한 전하의 수송이 가능한 유기물질을 의미하며, 표적물질이 핵산과 결합할 때 형광을 증폭하는 물질이라면 어느 것이든 제한없이 사용될 수 있으며, 벤젠계, 피롤계, 피리딘계, 나프탈렌계, 퀴놀린계, 티오펜계, 에틸렌계, 아세틸렌계, 프탈로시아닌, 탄소나노튜브, 풀러렌 등을 포함하는 물질일 수 있다.
구체적으로는, 상기 유기반도체는 테트라센 또는 펜타센의 치환기를 포함하는 유도체; 올리고티오펜; 나프탈렌테트라 카보실릭 디안하이드라이드 또는 그의 이미드 유도체; 금속화 프탈로시아닌 또는 그의 할로겐화 유도체; 페릴렌 또는 코로엔과 그의 치환기를 포함하는 유도체; 퀴놀린 또는 그의 유도체; 티에닐렌 및 비닐렌의 공중합체;등일 수 있다. 바람직하게는 트리스-(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum)일 수 있다.
상기 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체는 크기 0.01~10 ㎛의 입자일 수 있다.
또한, 본 발명은 표적물질-특이적 핵산 및 유기반도체를 용매에서 혼합한 후, 이를 교반하는 단계;를 포함하는, 형광 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 용매는 테트라하이드로퓨란, 증류수, 디클로로메탄, 테트라클로로에탄, 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, 클로로포름, 메틸렌 클로라이드, 에틸 아세테이트, 메탄올, 헥산, 아세토니트릴, 톨루엔, 벤젠, 사염화탄소, 펜탄, 아세톤, 디메틸 설폭시드, 디메틸포름알데히드 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 시료를 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하는 형광 복합체에 가하는 단계;를 포함하는, 표적물질의 검출방법을 제공한다.
상기 시료를 상기 형광 복합체에 가할 경우, 표적물질이 존재한다면, 표적물질이 형광 복합체의 핵산과 상보적 결합을 통해 이중가닥을 형성하여 유기반도체의 형광을 증폭시킬 수 있다. 반면에 표적물질-특이적 핵산과 미스매치가 있는 핵산, 불일치된 핵산 등은 상보적 결합을 형성할 수 없어 형광을 증폭시킬 수가 없게 된다. 따라서, 이를 통해 표적물질을 효과적으로 정확하게 검출할 수 있다.
상기 형광 복합체의 발광은 실시간으로 측정되어 상기 표적물질이 실시간으로 검출되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 시료는 인간 또는 포유동물로부터 입수가능한 생체 시료라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 혈액, 혈청, 소변, 타액, 혈장, 또는 체액을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 형광 복합체를 이용한 표적물질의 농도 측정은, 상기 형광 복합체에 결합된 표적물질의 양을 측정하는 것을 의미하며, 상기 형광복합체에 결합된 표적물질의 양은 형광복합체의 형광 증폭의 정도를 측정함으로써 수행될 수 있다.
상기 형광 복합체는 서로 상이한 형광색을 발색하는 한 종류 이상의 유기반도체를 포함하고, 상기 유기 반도체 각각에 서로 상이한 표적물질-특이적 핵산이 고정됨으로써, 서로 상이한 표적물질을 다중 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 유기 전자소자를 제공한다.
상기 유기 전자소자는 기존 실리콘과 같은 무기재료가 아닌 탄소를 중심으로 하는 유기분자의 소자로서, 유기분자를 전자소자의 핵심 소재로 한 것이라면 어떤 것이든 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 반도체 장치를 제공한다.
상기 반도체 장치는 전자기나 열, 빛 등이 가해졌을 때 나타나는 특성을 이용한 장치로서 즉, 순수한 상태에서는 전도체도 아니고 절연체도 아니며, 실리콘 또는 게르마늄과 같은 수정체 물질로 이루어져 있는 전자 소자를 의미한다. 예를 들면 다이오드, 트랜지스터 등이 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 유기발광 다이오드(OLED) 장치를 제공한다.
상기 유기발광 다이오드(OLED)는 형광성 유기 화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 자체발광현상을 이용하여 만든 디스플레이를 의미하며, 화질 반응속도가 초박막액정표시장치(TFT-LCD)에 비해 1,000배 이상 빠른 특징이 있다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 생체물질 검출용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 형광 복합체를 포함하는, 생체물질 검출용 바이오센서를 제공한다.
상기 바이오센서는 생체촉매가 특정물질과 선택적으로 잘 반응하는 것을 이용한 센서로서, 본 발명에 따른 형광 복합체를 이용한 생체물질 검출용 바이오센서는 생체물질의 농도가 증가할수록 형광의 세기가 더욱 증가하므로 정확한 생체물질의 농도를 측정할 수 있다.
상기 생체물질은 생체 내 존재하는 물질로, 구체적으로는 DNA, RNA, PNA, ATP, 아미노산, 단백질, 항체, 항원, 및 바이러스 등과 같은 화학 또는 바이오 물질일 수 있다.
본 발명에 따른 형광 복합체는 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체와 표적물질의 특이적 반응을 이용함으로써, 표적물질에 대한 민감도 및 선택도가 우수하여 표적물질의 분석이 용이하고, 상기 형광 복합체를 이용하여 표적물질을 검출하는 경우, 단순하고 경제적인 방법으로 우수한 표적물질 검출 효과를 나타낸다.
도 1은 (a) 표적-tDNA(염기서열:3-TAG GAA TAG TTA TAA ATT GTT ATT AGG-5)와 결합하기 전 및 후의 ssDNA(염기서열:NH2-5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC-3')가 고정된 Alq3 입자의 CCD 형광이미지 및 (b) 표적-tDNA를 처리한 후 및 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 후의 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 광 발광(PL) 스펙트럼을 나타내는 도이다.
도 2는 ssDNA가 고정된 Alq3 구형입자의 (a) 주사전자현미경(SEM) 이미지, 및 (b) 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타내는 도이다.
도 3은 ssRNA(염기서열:NH2-5'-AUC CUU AUC AAU AUU UAA CAA UAA UCC-3')가 고정된 Alq3 입자의 (a)주사전자현미경(SEM) 이미지, (b) CCD 형광이미지 및 (c) 광 발광(PL) 스펙트럼을 나타내는 도이다.
도 4는 ssPNA(염기서열:[N-term] ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC[C-term])가 고정된 Alq3 입자의 (a)주사전자현미경(SEM) 이미지, (b) CCD 형광이미지 및 (c) 광 발광(PL) 스펙트럼, 및 ssPNA(염기서열:[N-term] GTT ACC CGT AGG TAG [C-term])가 고정된 Alq3 입자의 (d)주사전자현미경(SEM) 이미지, (e) CCD 형광이미지 및 (f) 광 발광(PL) 스펙트럼을 나타내는 도이다.
도 5는 ssDNA-Alq3 입자와 dsDNA-Alq3 입자, 및 각각 표적-tDNA를 처리한 후와 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 후의 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 X-선 회절(XRD) 패턴을 나타내는 도이다.
도 6은 (a) ssDNA-Alq3 입자, 각각 (b) 표적-tDNA를 처리한 후와 (c) 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 후의 ssDNA가 고정된 Alq3 입자, 및 (d) dsDNA-Alq3 입자의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도이다. 여기서 스케일 바는 10㎛를 나타낸다.
도 7은 (a) Alq3, ssDNA-Cy3, 및 tDNA-Cy5 입자의 공초점레이저현미경(CLSM) 이미지, 및 (b) 표적-tDNA와 결합한 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 외부면 및 내부면의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타내는 도이다. 여기서 Cy3 및 Cy5는 각각 염료를 나타낸다.
도 8은 (a) 표적-tDNA와 결합한 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 외부면(왼쪽) 및 내부면(오른쪽)의 CLSM 이미지 및 (b) 이들의 광 발광(PL) 스펙트럼, (c) ssDNA-Alq3 입자의 외부면(왼쪽) 및 내부면(오른쪽)의 CLSM 이미지 및 (d) 이들의 광 발광(PL) 스펙트럼을 나타내는 도이다,
도 9는 표적-tDNA와 결합하는 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 (a) 단면적, (b) 이의 확대도 및 (c) 이의 발광 메카니즘을 나타내는 도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 제조
1-1. DNA 가 고정된 유기반도체의 제조
먼저, 트리스-(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum, Alq3)분말을 준비한 후, 이를 1 ㎎/㎖의 농도로 테트라히드로퓨란(THF)에 용해시켰다. 그 후, 피펫을 이용하여 상기 용액 2㎖를 0.5 μM 탄저균 ssDNA(염기서열:NH2-5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC-3')를 포함하는 20㎖ 증류수에 주입하였고, ~ 800 RPM에서 10분 동안 교반하였다. 상기 교반된 용액을 상온에서 하룻밤 동안 보관하고 부유물을 제거함으로써 탄저균 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 침전물을 얻었다.
또한 다른 공정법으로 트리스-(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum, Alq3)분말을 0.1 M의 농도로 클로로포름에 용해시켰다. 그 후, 피펫을 이용하여 상기 용액 2㎖를 0.5 μM 탄저균 ssDNA(염기서열:NH2-5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC-3')를 포함하는 16㎖ 증류수에 주입하였고, 팁-초음파공정을 5분간 실시한 후, 1시간 동안 초음파공정을 이용하여 클로로포름을 증발시켰다. 그 후, 원심분리기를 이용하여 침전물을 제거함으로써 부유물에 탄저균 ssDNA가 고정된 Alq3 입자를 얻었다.
1-2. RNA 가 고정된 유기반도체의 제조
상기 실시예 1-1에서 탄저균 ssDNA 대신 ssRNA(염기서열:NH2-5'-AUC CUU AUC AAU AUU UAA CAA UAA UCC-3')를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1에 기재된 방법과 동일하게 하여 ssRNA가 고정된 Alq3 입자의 침전물을 얻었다.
1-3. PNA 가 고정된 유기반도체의 제조
상기 실시예 1-1에서 탄저균 ssDNA 대신 ssPNA(염기서열:[N-term] ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC[C-term] 또는 [N-term] GTT ACC CGT AGG TAG [C-term])를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1에 기재된 방법과 동일하게 하여 ssPNA가 고정된 Alq3 입자의 침전물을 얻었다.
실시예 2. 표적물질의 검출
상기 실시예 1-1에서 제조한 탄저균 ssDNA가 고정된 Alq3 입자를 증류수에 분산시킨 후, 이에 0.5 μM의 표적 단일가닥 탄저균 tDNA를 주입하였다. 상기 혼합용액을 52℃에서 30분 동안 반응시킨 후, 상온에서 보관하였다.
실험예 1. 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 광학적 특성 분석
표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 광학적 특성을 광 발광(PL) 스펙트럼을 이용하여 분석하였다. 광 발광(PL) 스펙트럼 장치로는 히타치사의 F-7000 형광 분광광도계를 이용하였고, Xe 램프를 이용하여 365 nm로 여기하였다.
실시예 1-1에 따른 (a) 표적-tDNA(탄저균 tDNA)와 결합하기 전 및 후의 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 CCD 형광이미지 및 (b) 표적-tDNA를 처리한 후 및 1-mer 미스매칭된 tDNA(염기서열:3-TAG GAA TAG TTA CAA ATT GTT ATT AGG-5)를 처리한 후의 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 광 발광(PL) 스펙트럼을 도 1에 나타내었다.
도 1(a)에 나타난 바와 같이, 표적-tDNA가 ssDNA가 고정된 Alq3 입자와 특이적 반응을 하는 경우 녹색의 발광이 증폭하는 것을 알 수 있다. 그러나, 대조군으로 1-mer 미스매칭된 tDNA를 ssDNA가 고정된 Alq3 입자와 반응시킨 경우 발광 증폭이 거의 나타나지 않았다.
도 1(b)에 나타난 바와 같이, 각각 시료를 레이저로 365nm 여기시킨 후, 발광피크를 확인한 결과, Alq3의 주요 흡수 밴드에 상응하는 ~512nm에서 넓은 발광 피크가 나타났다. ssDNA가 고정된 Alq3 입자에 표적-tDNA를 처리한 경우는 초기 피크에 비해 ~1.6 배 더 큰 광 발광(PL) 피크 강도를 나타낸 반면에, 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 경우는 초기 피크와 거의 유의차가 없었다.
또한, ssDNA가 고정된 Alq3 구형입자의 (a)주사전자현미경(SEM) 이미지, 및 (b)투과전자현미경(TEM) 이미지를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 초음파공정을 이용하여 제조한 ssDNA가 고정된 Alq3 구형입자의 경우, 0.01~0.05 ㎛ 크기의 구형 유기반도체가 형성됨을 확인하였다.
실시예 1-2에 따른 ssRNA(염기서열:NH2-5'-AUC CUU AUC AAU AUU UAA CAA UAA UCC-3')가 고정된 Alq3 입자의 (a)주사전자현미경(SEM) 이미지, (b) CCD 형광이미지 및 (c) 광 발광(PL) 스펙트럼을 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, ssRNA가 고정된 Alq3 입자는 직경 2~3 ㎛ 및 길이 9~11 ㎛의 육각형 로드(rod)인 것으로 나타났고, 시료를 레이저로 365nm 여기시킨 후, 발광피크를 확인한 결과, Alq3의 주요 흡수 밴드에 상응하는 ~525nm에서의 넓은 발광 피크가 나타났다.
실시예 1-3에 따른 ssPNA(염기서열:[N-term] ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC[C-term])가 고정된 Alq3 입자의 (a)주사전자현미경(SEM) 이미지, (b) CCD 형광이미지 및 (c) 광 발광(PL) 스펙트럼, 및 ssPNA(염기서열:[N-term] GTT ACC CGT AGG TAG [C-term])가 고정된 Alq3 입자의 (d)주사전자현미경(SEM) 이미지, (e) CCD 형광이미지 및 (f) 광 발광(PL) 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 바와 같이, 상기 27mer ssPNA가 고정된 Alq3 입자는 직경 2~5 ㎛ 및 길이 15~30 ㎛의 육각형 로드를 나타내었고, 상기 15mer ssPNA가 고정된 Alq3 입자는 직경 2~5 ㎛ 및 길이 5~10 ㎛의 육각형 로드를 나타내었다. 또한, 각각 27mer ssPNA가 고정된 Alq3 입자 및 15mer ssPNA가 고정된 Alq3 입자 모두, 시료를 레이저로 365nm 여기시킨 후, 발광피크를 확인한 결과, Alq3의 주요 흡수 밴드에 상응하는 ~520nm에서의 넓은 발광 피크가 나타났다.
상기와 같은 결과를 통해 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체는 표적물질이 존재시 효과적으로 신호의 증폭이 가능하며, 1-mer 차이의 미스매치에서는 증폭이 발생하지 않음을 확인하였고, 형광 복합체가 높은 민감도 및 선택도를 나타냄을 알 수 있다.
실험예 2. 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 결정학 및 형태학적 특성 분석
표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 결정학 및 형태학적 특성을 X-선 회절(XRD) 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 분석하였다. XRD로는 Bruker사의 D8 Advance을 이용하였고, 40 kV 전압, 40 mA 전류, 및 Cu-Kα 방사 조건하에 측정하였다. SEM은 히타치사의 S-4300 전계 방출 SEM을 이용하였고, 15 kV의 가속전압조건하에 측정하였다.
실시예 1-1에 따른 ssDNA-Alq3 입자와 dsDNA-Alq3 입자, 및 각각 표적-tDNA를 처리한 후와 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 후의 ssDNA가 고정된 Alq3 입자에 대한 X-선 회절(XRD) 패턴을 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, ssDNA-Alq3 입자는 Alq3에 대한 17.79°에서의 델타(δ)-상 피크와 함께 전형적인 11.40° 및 12.81°에서 알파(α)-상 피크를 나타내었다. 그러나, 표적-tDNA를 처리한 후의 ssDNA-Alq3 입자는 10.59° 및 13.31°에서 추가적인 피크를 나타내었다. 상기 2개의 추가적인 피크는 이중나선(double helix) 구조를 형성하는 dsDNA-Alq3 입자의 피크와 일치하였다. 반면에, 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 후의 ssDNA-Alq3 입자는 상기 2개의 추가적인 피크를 나타내지 않았다.
상기 결과로부터 ssDNA가 고정된 Alq3 입자에 표적-tDNA를 처리할 경우, 특이적 반응을 통해 이중 나선 DNA 구조가 형성되는 것을 알 수 있다.
실시예 1-1에 따른 (a) ssDNA-Alq3 입자, (b) 표적-tDNA를 처리한 후와 (c) 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 후의 ssDNA가 고정된 Alq3 입자, 및 (d) dsDNA-Alq3 입자의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도 6에 나타내었다. 여기서 스케일 바는 10㎛를 나타낸다.
도 6에 나타난 바와 같이, ssDNA-Alq3 입자는 깨끗한 표면을 갖는 육각 프리즘 모양의 로드 형태를 나타내었다. 그러나, 표적-tDNA를 처리한 후의 ssDNA-Alq3 입자는 엠보싱(embossing) 형태의 거친(rough) 표면을 나타내었다. 반면에, 이러한 거친 표면은 1-mer 미스매칭된 tDNA를 처리한 후의 ssDNA-Alq3 입자에서는 관찰되지 않았다.
상기 결과로부터 ssDNA가 고정된 Alq3 입자에 표적-tDNA를 처리할 경우 및 dsDNA-Alq3 입자가 엠보싱(embossing) 형태의 거친(rough) 표면을 나타내는 것을 알 수 있다.
실험예 3. 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 표면 특성 분석
표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 표면 특성을 공초점레이저현미경(CLSM) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 분석하였다. 또한, DNA 분자의 위치를 확인하기 위하여 ssDNA 및 tDNA를 각각 염료 Cy3 및 Cy5로 표지하였다. 사용된 공초점현미경은 Carl Zeiss 사의 LSM 700을 이용하였다. TEM은 FEI 사의 Tecnai G2 TEM을 사용하였고, 200 kV의 가속전압 조건하에 측정하였다.
(a) Alq3, ssDNA-Cy3, 및 tDNA-Cy5 입자의 공초점레이저현미경(CLSM) 이미지, 및 (b) 표적-tDNA와 결합한 ssDNA-Alq3 입자의 외부면 및 내부면의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 도 7에 나타내었다. 여기서 Cy3 및 Cy5는 각각 염료를 나타낸다.
도 7에 나타난 바와 같이, 표적-tDNA와 결합한 ssDNA-Alq3 입자는 전체 길이 800nm 로드(rod)의 내부 코어 주위에 약 120 nm 두께의 껍질(crust) 층을 포함하는 것으로 나타났다. 이러한 껍질 층은 ssDNA-Alq3에서는 미미한 수준이나 표적-tDNA와 결합할 경우 크게 증가하여 전체 로드의 50% 부피를 차지하였다.
또한, 공초점레이저현미경 결과는 Alq3 입자의 내부에 Alq3 물질은 전체적으로 존재를 하며, Alq3 입자 겉표면에만 역-모래시계(inverted-hourglass) 형태로 탄저균 DNA가 분포하는 것을 나타낸다.
상기 결과로부터 껍질 층은 표적-tDNA 및 ssDNA-Alq3가 Alq3 입자의 겉 표면에서 특이적 반응을 통해 생성되었음을 알 수 있다.
실험예 4. 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 발광 특성 분석
표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체의 발광 특성을 광 발광(PL) 스펙트럼을 이용하여 분석하였다. 광 발광(PL)스펙트럼 장치는 히타치사의 F-7000 형광 분광광도계를 이용하였고, Xe 램프를 이용하여 365 nm의 파장으로 여기하였다.
실시예 2에 따른 (a) 표적-tDNA와 결합한 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 외부면(왼쪽) 및 내부면(오른쪽)의 CLSM 이미지 및 (b) 이들의 광 발광(PL) 스펙트럼, (c) ssDNA-Alq3 입자의 외부면(왼쪽) 및 내부면(오른쪽)의 CLSM 이미지 및 (d) 이들의 광 발광(PL) 스펙트럼을 도 8에 나타내었다,
도 8에 나타난 바와 같이, 표적-tDNA와 ssDNA가 고정된 Alq3 입자가 결합한 경우, 외부면의 발광정도는 내부면의 발광정도에 비해 ~2배 정도 높았다. 그러나, ssDNA-Alq3 입자의 내부면과 외부면은 발광정도에서 유의차를 나타내지 않았다.
상기 실시예 2에 따른 표적-tDNA와 결합하는 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 (a) 단면적, (b) 이의 확대도 및 (c) 이의 발광 증폭 메카니즘을 도 9에 나타내었다.
도 9에 나타난 바와 같이, Alq3 입자의 외부면과 내부의 HOMO, LUMO 및 밴드갭은 동일한 것으로 나타났다. 따라서, 표적-tDNA 및 ssDNA가 고정된 Alq3 입자의 특이적 반응을 통해 형성된 껍질 층이 빛의 비발광성 소산(Non-radiative dissipation)을 감소시켜 발광 증폭 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
상기 결과는 발광효과가 나타날 때 입자 나노 두께 겉껍질에서 형성되는 DNA 특이 인식이 에너지 손실을 줄여주면서 발광 효과를 증폭하는 것을 나타낸다.

Claims (16)

  1. 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체를 포함하고,
    상기 유기반도체는 테트라센 또는 펜타센의 치환기를 포함하는 유도체; 올리고티오펜; 나프탈렌테트라 카보실릭 디안하이드라이드 또는 그의 이미드 유도체; 금속화 프탈로시아닌 또는 그의 할로겐화 유도체; 페릴렌 또는 코로엔과 그의 치환기를 포함하는 유도체; 퀴놀린 또는 그의 유도체; 및 티에닐렌 및 비닐렌의 공중합체;로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 형광 복합체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 표적물질은 표적물질-특이적 핵산과 반응을 하는 생체 내 물질인 것을 특징으로 하는, 형광 복합체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 표적물질은 DNA, RNA, PNA, ATP, 아미노산, 단백질, 항체, 항원, 및 바이러스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 형광 복합체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 표적물질은 핵산과 혼성화되어 이중가닥을 형성하는 물질인 것을 특징으로 하는, 형광 복합체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 핵산은 단일 가닥의 DNA, RNA 또는 PNA인 것을 특징으로 하는, 형광 복합체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유기반도체는 표적물질이 핵산과 결합할 때 형광을 증폭하는 물질인 것을 특징으로 하는, 형광 복합체.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 표적물질-특이적 핵산이 고정된 유기반도체는 크기 0.01~10 ㎛의 입자인 것을 특징으로 하는, 형광 복합체.
  10. 표적물질-특이적 핵산 및 트라센 또는 펜타센의 치환기를 포함하는 유도체; 올리고티오펜; 나프탈렌테트라 카보실릭 디안하이드라이드 또는 그의 이미드 유도체; 금속화 프탈로시아닌 또는 그의 할로겐화 유도체; 페릴렌 또는 코로엔과 그의 치환기를 포함하는 유도체; 퀴놀린 또는 그의 유도체; 및 티에닐렌 및 비닐렌의 공중합체;로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기반도체를 용매에서 혼합한 후, 이를 교반하는 단계;를 포함하는, 형광 복합체의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 용매는 테트라하이드로퓨란, 증류수, 디클로로메탄, 테트라클로로에탄, 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, 클로로포름, 메틸렌 클로라이드, 에틸 아세테이트, 메탄올, 헥산, 아세토니트릴, 톨루엔, 벤젠, 사염화탄소, 펜탄, 아세톤, 디메틸 설폭시드, 및 디메틸포름알데히드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 형광 복합체의 제조방법.
  12. 시료를 제1항 내지 제6항, 제9항 중 어느 한 항에 따른 형광 복합체에 가하는 단계;를 포함하는, 표적물질의 검출방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 시료는 혈액, 혈청, 소변, 타액, 혈장 또는 체액을 포함하는 것인, 표적물질의 검출방법.
  14. 제 1항의 형광 복합체를 포함하는, 유기 전자소자.
  15. 제 1항의 형광 복합체를 포함하는, 반도체 장치.
  16. 제 1항의 형광 복합체를 포함하는, 유기발광 다이오드(OLED) 장치.
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