KR102076836B1 - Composition for detecting microcystin-LR comprising magnetic beads, quantum dots and DNA intercalating dyes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자성 비드(magnetic bead); 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점(QD525); 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머(aptamer); 및 PoPo3 염료를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물, 이를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 키트 및 이를 이용한 마이크로시스틴-LR의 검출 방법에 관한 것이다.The present invention is a magnetic bead (magnetic bead); Two or more quantum dots (QD 525 ), having a maximum emission wavelength at 525 nm; DNA aptamers that specifically bind to microcystin-LR; And a composition for detecting microcystine-LR comprising a PoPo3 dye, a microcystine-LR detection kit comprising the same, and a method for detecting microcystine-LR using the same.

Description

자성 비드, 양자점 및 DNA 삽입 염료를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물{Composition for detecting microcystin-LR comprising magnetic beads, quantum dots and DNA intercalating dyes}Composition for detecting microcystin-LR comprising magnetic beads, quantum dots and DNA intercalating dyes}

본 발명은 자성 비드(magnetic bead); 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점(QD525); 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머(aptamer); 및 PoPo3 염료를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물, 이를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 키트 및 이를 이용한 마이크로시스틴-LR의 검출 방법에 관한 것이다.The present invention is a magnetic bead (magnetic bead); Two or more quantum dots (QD 525 ), having a maximum emission wavelength at 525 nm; DNA aptamers that specifically bind to microcystin-LR; And a composition for detecting microcystine-LR comprising a PoPo3 dye, a microcystine-LR detection kit comprising the same, and a method for detecting microcystine-LR using the same.

시아노박테리아 유해 조류 수화현상(cyanobacterial harmful algal blooms; CyanoHABs 또는 CHABs)은 수중 생태계(aquatic ecosystem), 물 지속성(water sustainability), 및 공중위생(public health)을 위협하는 범세계적인 주제이다. 미국 내에서 이에 따른 사회경제적 손실(socioeconomic loss)은 연간 2.2 내지 4.6십억 달러에 이르는 것으로 추산된다. 오하이오 톨레도 및 중국 우시에서의 식수난(drinking water crisis)은 대표적인 예이다. 2014년 여름, 이리호 인근의 40만명 이상의 주민들이 유독한 남조류 수화현상(toxic cyanobacterial bloom)으로 인해 3일 동안 식수 부족으로 고통받았다. 중국의 타이후호에서는, 1980년대 이래로 식수 사고가 반복적인 반복적으로 일어났으며, 그로 인해 적어도 일주일의 수돗물 금지령이 내려졌다. 2개 사건 모두 주민들에 과량의 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR; MC-LR)에 의해 야기되는 "음용 금지(do not drink)" 경고가 내려졌다.Cyanobacterial harmful algal blooms (CyanoHABs or CHABs) are a global theme that threaten the aquatic ecosystem, water sustainability, and public health. The resulting socioeconomic losses in the United States are estimated to range from $ 2.2 to $ 4.6 billion annually. Drinking water crisis in Toledo, Ohio and Wuxi, China is a prime example. In the summer of 2014, more than 400,000 people near Lake Erie suffered from drinking water shortages for three days because of toxic cyanobacterial blooms. In Taihu Lake, China, drinking water accidents have been repeated repeatedly since the 1980s, resulting in at least a week's ban on tap water. In both cases residents were given "do not drink" warnings caused by excessive microcystin-LR (MC-LR).

MC-LR은 사이토박테리아에 의해 주로 생성되는 가장 유독하며 광범위한 간독소들 중 하나이다. 예를 들어, 마우스에 대한 MC-LR의 치사량(lethal dose) 50(또는 LD50)은 50 μg/kg이다. 마이크로시스틴은 세포 내에서 생성되며 세포 사멸 및 용해에 따라 주변 물로 방출된다. 물에 방출된 후, 독소는 생물축적(bioaccumulation)을 통해 수중 생물(aquatic organisms)에서 발견되고 먹이사슬(food web)을 통해 인간에까지 전달될 수 있다. 결과적으로, 인체에서 마이크로시스틴 중독은 유독한 남조류 수화현상 동안 발생할 수 있다. 마이크로시스틴은 주로 인간의 간을 표적으로 하므로, 급성 노출(acute exposure)은 간출혈(liver hemorrhage) 및 간부전(liver failure)과 같은 심각한 간손상을 유발할 수 있다.MC-LR is one of the most toxic and widespread hepatoxins produced primarily by cytobacteria. For example, the lethal dose 50 (or LD 50 ) of MC-LR for mice is 50 μg / kg. Microcystine is produced intracellularly and released into the surrounding water upon cell death and lysis. After release to water, toxins are found in aquatic organisms through bioaccumulation and can be delivered to humans through the food web. As a result, microcystin poisoning in the human body can occur during toxic cyanobacterial hydration. Since microcystine is primarily targeted to the human liver, acute exposure can cause serious liver damage such as liver hemorrhage and liver failure.

현재까지 100여종 이상의 마이크로시스틴 변이체들(variants)이 보고되었으며, 이들 변이체들은 가변 L-아미노산 영역(variable L-amino acid region)의 페어의 차이로 인해 발생하였다. 이들은 다양한 크로마토그래피 기법(예컨대, HPLC, LC/MS, 및 GC/MS)과 효소결합면역흡착측정법(enzyme-linked immuno-sorbent assay; ELISA)에 의해 밝혀졌다. 이러한 분석 방법은 다양한 마이크로시스틴 동질체들(congeners)을 정성적으로 분석하기 위한 정확하고 정밀한(accurate and precise) 결과를 제공할 수 있다. 그러나, 이들 방법은 변이체들의 간섭(interferences) 및 교차 반응성(cross reactivity)에 취약하다. 따라서, 이들 방법은 분리, 정제, 희석 및 농축과 같은 선처리 단계를 필요로하기도 한다. More than 100 microcystine variants have been reported to date, and these variants have occurred due to differences in pairs of variable L-amino acid regions. They have been identified by various chromatographic techniques (eg HPLC, LC / MS, and GC / MS) and enzyme-linked immuno-sorbent assay (ELISA). Such analytical methods can provide accurate and precise results for qualitative analysis of various microcystine congeners. However, these methods are vulnerable to interferences and cross reactivity of variants. Thus, these methods also require pretreatment steps such as separation, purification, dilution and concentration.

이러한 시간 소모적인 선처리 과정은 다양한 간섭물질들과 동질체들이 공존하는 환경 물시료 중의 MC-LR 검출을 방해할 수 있다. 휴대 방식으로 MC-LR 검출을 위한 환경 물 시료를 다루기 위해서는, 분리 및 정제를 필요로 하지 않는, 고도의 특이성을 갖는 방법이 유리하다. 나아가, 비처리 환경 물시료는 0.1 내지 10 μg/L의 관련성 있게 넓은 범위의 용존(dissolved) MC-LR 농도를 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 광범위한 표적의 정성분석은 분석에 앞서 농축과 희석의 반복적인 과정을 필요로 한다. 따라서, 넓은 범위를 검출하는(즉, 높은 민감도를 갖는) 방법은 환경 시료중의 MC-LR 검출에 유리하다.This time consuming pretreatment may interfere with the detection of MC-LR in environmental specimens in which various interferences and isomers coexist. In order to handle environmental water samples for MC-LR detection in a portable manner, a method with a high specificity that does not require separation and purification is advantageous. Furthermore, untreated environmental water samples are known to exhibit a relatively wide range of dissolved MC-LR concentrations of 0.1 to 10 μg / L. Qualitative analysis of these broad targets requires an iterative process of concentration and dilution prior to analysis. Thus, the method of detecting a wide range (ie having high sensitivity) is advantageous for detecting MC-LR in environmental samples.

이와 관련하여, 면역센서(immunosensor), 효소센서(enzymatic sensor) 및 앱타센서(aptasensor)를 포함하는 대안적인 접근법이 다양한 선처리 단계를 회피함으로써 신속성 및 휴대성을 보장하는 MC-LR의 특이적인 인식방법으로 시도되고 있다. 이러한 방법들은 인식을 위한 성분으로 항체, 효소 및 앱타머를 사용하여 이들의 유사 피분석체들(cognate analytes)의 특이적이며 민감한 모니터링을 가능하게 한다.In this regard, alternative approaches, including immunosensors, enzymatic sensors, and aptasensors, are specific to MC-LR that ensure rapidness and portability by avoiding various preprocessing steps. Is being tried. These methods allow specific and sensitive monitoring of their cognate analytes using antibodies, enzymes and aptamers as components for recognition.

앱타머는 표적 분자를 인식할 수 있는 합성 단일 가닥 핵산(예컨대, DNA 또는 RNA)으로서, 항체에 대한 대안으로 개발되고 있다. AN6 앱타머는 Ng 등에 의해 MC-LR 동질체에 대해 친화력(affinity)을 갖는 것으로 최초로 보고되었다(Environ. Sci. Technol., 2012, 46: 10697-10703). 앱타머가 표적 분자와 결합할 때, 앱타머의 구조(configuration) 변화가 발생한다. AN6 앱타머의 결합 친화력을 이용하여, 높은 결합성과 특이성으로 MC-LR을 검출하기 위한 비색법, 전기화학법 및 형광 검출법과 결합시킨 다양한 앱타센서가 제안되었다.Aptamers are synthetic single stranded nucleic acids (eg, DNA or RNA) capable of recognizing target molecules and are being developed as an alternative to antibodies. AN6 aptamers were first reported as having affinity for MC-LR isoforms by Ng et al. (Environ. Sci. Technol., 2012, 46: 10697-10703). When an aptamer binds to a target molecule, a configuration change of the aptamer occurs. Using the binding affinity of AN6 aptamers, various aptamer sensors have been proposed combined with colorimetric, electrochemical and fluorescence detection methods for detecting MC-LR with high binding and specificity.

형광공명에너지전이(fluorescence resonance energy transfer; FRET)는 여기된 공여 형광체로부터 수용 형광체로의 비방사성 에너지 전이를 통한 거리 의존적 물리적 과정이다. 이는 공여체-수용체 분자의 인접성이 10 내지 100 Å 이내일 때에만 발생할 수 있다. 이는 FRET을 리간드-수용체 결합 및 표적 분자에 대한 반응하는 핵산의 구조 변화와 같은 분자간 상호작용의 정확하고 민감한 측정을 위한 중요한 수단이게 한다. 나아가, 신호의 비용리 검출(elution (wash) free detection)은 빠르고 간단한 분석에 장점을 갖는다.Fluorescence resonance energy transfer (FRET) is a distance dependent physical process through non-radioactive energy transfer from excited donor phosphors to acceptor phosphors. This can only occur when the adjacency of the donor-receptor molecule is within 10 to 100 Hz. This makes FRET an important means for accurate and sensitive measurement of intermolecular interactions, such as ligand-receptor binding and structural changes in the nucleic acid reacting to the target molecule. Furthermore, elution (wash) free detection of signals has advantages for fast and simple analysis.

이에, 본 발명자들은 환경으로부터 채취한 부영양화된(eutrophic) 물 시료 중의 MC-LR 독소(toxin) 검출을 위한 감도는 물론 선택성이 높으면서도 현장에서 즉시 수행할 수 있는 간단한 검출 방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 특정 파장대에서 흡수 및 방출 스펙트럼을 갖는 양자점과 표적 물질인 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머 및 상기 DNA 앱타머에 삽입되는 염료를 포함하는 양자점-앱타머 복합체를 이용하되, 특정한 양자점 및 염료의 조합을 선택하여 제조한 양자점-앱타센서(Aptasensor)를 선택함으로써 형광공명에너지전이를 통해 고감도의 마이크로시스틴-LR 검출 및 정량분석이 가능함을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have studied diligently to find a simple detection method that can be performed immediately in the field while having high selectivity as well as sensitivity for detecting MC-LR toxin in an eutrophic water sample collected from the environment. Efforts have been made to use a quantum dot-aptamer complex comprising a quantum dot having an absorption and emission spectrum in a specific wavelength band, a DNA aptamer specifically binding to the target material microcystine-LR, and a dye inserted into the DNA aptamer. By selecting a combination of specific quantum dots and dyes, the quantum dot-Aptasensor was selected to confirm that high sensitivity microcystine-LR detection and quantitative analysis were possible through fluorescence resonance energy transfer, and the present invention was completed.

본 발명의 하나의 목적은 자성 비드(magnetic bead); 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점(QD525); 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머(aptamer); 및 PoPo3 염료(2-((E)-3-[1-(3-[[3-(dimethyl(3-[4-[(E)-3-(3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium-2-yl)-2-propenylidene]-1(4H)-pyridinyl]propyl)ammonio)propyl](dimethyl)ammonio]propyl)-4(1H)-pyridinylidene]-1-propenyl)-3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide)를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물을 제공하는 것이다.One object of the present invention is a magnetic bead (magnetic bead); Two or more quantum dots (QD 525 ), having a maximum emission wavelength at 525 nm; DNA aptamers that specifically bind to microcystin-LR; And PoPo3 dyes (2-((E) -3- [1- (3-[[3- (dimethyl (3- [4-[(E) -3- (3-methyl-1,3-benzoxazol-3) -ium-2-yl) -2-propenylidene] -1 (4H) -pyridinyl] propyl) ammonio) propyl] (dimethyl) ammonio] propyl) -4 (1H) -pyridinylidene] -1-propenyl) -3-methyl It is to provide a composition for detecting microcystine-LR containing -1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide).

본 발명의 다른 하나의 목적은 상기 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물을 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 키트를 제공하는 것이다.Another object of the present invention to provide a microcystine-LR detection kit comprising the composition for detecting microcystine-LR.

본 발명의 또 하나의 목적은 마이크로시스틴-LR로 오염된 것으로 의심되는 물 시료를 자성 비드; 상기 자성 비드의 표면에 결합된, 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점; 상기 양자점 상에 결합된 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머; 및 상기 DNA 앱타머에 삽입된 PoPo3 염료를 포함하는 프로브와 접촉시키는 제1단계; 및 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하고 PoPo3 염료의 발광 스펙트럼을 측정하는 제2단계;를 포함하는 물 시료 중의 마이크로시스틴-LR 검출 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a water sample suspected of being contaminated with microcystine-LR; At least two quantum dots having a maximum emission wavelength at 525 nm, coupled to the surface of the magnetic beads; DNA aptamers that specifically bind to microcystine-LR bound on the quantum dots; And a first step of contacting with a probe comprising a PoPo3 dye inserted into the DNA aptamer; And a second step of irradiating light with a wavelength of 500 to 550 nm and measuring an emission spectrum of the PoPo3 dye.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1양태는 자성 비드(magnetic bead); 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점(QD525); 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머(aptamer); 및 PoPo3 염료(2-((E)-3-[1-(3-[[3-(dimethyl(3-[4-[(E)-3-(3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium-2-yl)-2-propenylidene]-1(4H)-pyridinyl]propyl)ammonio)propyl](dimethyl)ammonio] propyl)-4(1H)-pyridinylidene]-1-propenyl)-3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide)를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a magnetic bead (magnetic bead); Two or more quantum dots (QD 525 ), having a maximum emission wavelength at 525 nm; DNA aptamers that specifically bind to microcystin-LR; And PoPo3 dyes (2-((E) -3- [1- (3-[[3- (dimethyl (3- [4-[(E) -3- (3-methyl-1,3-benzoxazol-3) -ium-2-yl) -2-propenylidene] -1 (4H) -pyridinyl] propyl) ammonio) propyl] (dimethyl) ammonio] propyl) -4 (1H) -pyridinylidene] -1-propenyl) -3-methyl Provided is a composition for detecting microcystine-LR comprising -1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide).

본 발명의 용어, "마이크로시스틴(microcystin)"은 몇몇 민물 시아노박테리아, 주로 마이크로시스티스 애루지노사(Microcystis aeruginosa)에 의해 생산되는 독소의 일종이다. 현재까지 100종 이상의 상이한 마이크로시스틴들이 발견되었으며, 가장 유명한 것은 마이크로시스틴-LR이다. 화학적으로는 비리보솜 펩티드 합성효소(nonribosomal peptide synthase)를 통해 생산되는 고리형 헤파펩티드(cyclic heptapeptide)이다. 이들 마이크로시스틴은 조류 수화현상(algal blooms) 동안 대량으로 생산될 수 있으며, 식수 및 관개용수(irrigation water) 공습은 물론 크게는 환경에 대한 주된 위협을 제기할 수 있다. 구체적으로 마이크로시스틴은 간에 심각한 손상을 야기할 수 있는 간독성(hepatotoxic) 물질이다. 일단 섭취되면, 대부분은 담즙산 운반계(bile acid transport system)을 통해 간으로 이동하여 축적되며, 일부는 혈류에 잔류하여 조직을 오염시킬 수 있다. 발암과의 연관성이 보고되기도 하였으나, 마이크로시스틴에의 노출여부를 정확히 측정하기 어려워 입증이 용이하지 않다.As used herein, the term "microcystin" refers to some freshwater cyanobacteria, mainly Microcystis. aeruginosa ) is a type of toxin produced by. To date over 100 different microcystines have been found, the most famous being microcystine-LR. Chemically, it is a cyclic heptapeptide produced through nonribosomal peptide synthase. These microcystines can be produced in large quantities during algal blooms and pose major threats to the environment as well as drinking and irrigation water raids. Specifically, microcystine is a hepatotoxic substance that can cause serious damage to the liver. Once ingested, most are transported and accumulated in the liver through the bile acid transport system, and some can remain in the bloodstream and contaminate tissue. Although it has been reported to be associated with carcinogenesis, it is not easy to demonstrate that it is difficult to accurately measure exposure to microcystine.

본 발명에서 검출하고자 하는 표적물질인, "마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)"은 시아노박테리아(cyanobacteria)에 의해 생산되는 독소이며, 100여종 이상의 독성 마이크로시스틴 변이체 중 가장 독성이 높은 형태의 변이체로서, 화학, 약리학, 생물학 및 환경학과 같은 다양한 분야에서 널리 연구되고 있다. 화학적으로 마이크로시스틴-LR은 비단백질성 아미노산(Non-proteinogenic amino acid)인 Adda, D-γ-Glu, NMe-ΔAla, D-Ala, L-Leu(L), D-β-Me-isoAsp 및 L-Arg(R)의 7개 단위가 차례로 연결되고 L-Arg가 다시 Adda로 연결되는 환형의 구조를 갖는 화합물로, 상기 L-Leu 및/또는 L-Arg의 위치에 다른 아미노산 잔기가 치환된 다양한 유사체가 존재한다. 현재까지 알려진 마이크로시스틴은 마이크로시스틴-LR을 포함하여, 마이크로시스틴-YR, 마이크로시스틴-LY, 마이크로시스틴-LW, 마이크로시스틴-RR, 마이크로시스틴-LF 및 마이크로시스틴-LA 등이 있으며, 이외에 시아노박테리아로부터 생산되는, 이와 유사한 화학적 구조를 갖는 독소로는 노둘라린(nodularin)이 있다(표 2 참조). 전술한 바와 같이, 마이크로시스틴-LR은 이들 시아노박테리아로부터 생산되는 독소 중 가장 높은 독성을 나타내는 바, 물 시료 중의 마이크로시스틴-LR의 존재를 선택적으로 확인하고 고감도로 정량하는 것은 중요하다.The target substance to be detected in the present invention, "microcystin-LR (microcystin-LR)" is a toxin produced by cyanobacteria, the most toxic form of the more than 100 toxic microcysteine variants It is widely studied in various fields such as chemistry, pharmacology, biology and environmental studies. Chemically, microcystine-LR is a non-proteinogenic amino acid of Adda, D-γ-Glu, NMe-ΔAla, D-Ala, L-Leu (L), D-β-Me-isoAsp and A compound having a cyclic structure in which seven units of L-Arg (R) are connected in sequence and L-Arg is connected to Adda, wherein another amino acid residue is substituted at the position of L-Leu and / or L-Arg. Various analogs exist. Microcystines known to date include microcystine-LR, microcystine-YR, microcystine-LY, microcystine-LW, microcystine-RR, microcystine-LF and microcystine-LA, in addition to cyano Toxins having a similar chemical structure produced from bacteria include nodularin (see Table 2). As mentioned above, microcystine-LR exhibits the highest toxicity among the toxins produced from these cyanobacteria, so it is important to selectively confirm the presence of microcystine-LR in water samples and to quantify it with high sensitivity.

본 발명은 부영양화된 민물에서 발생하는 시아노박테리아 수화현상에 의해 발생하는 독소 중 가장 독성이 높은 물질인 마이크로시스틴-LR을 이들의 유사체와의 혼합물로부터 선택적으로 검출함은 물론, 시료 중 함유된 미량의 마이크로시스틴-LR도 검출할 수 있는 높은 민감성의 검출 수단 및/또는 방법을 발굴하고자 고안된 것이다. 이에, 검출 민감성이 높은 형광공명에너지전이(fluorescence resonance energy transfer; FRET) 현상을 이용하되, 시간의 경과나 환경에 따라 소광될 수 있는 유기 분자가 아닌, 양자점을 공여체로 사용하고, 검출하고자 하는 대상물질인 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머 예컨대, AN6(서열번호 1)를 상기 양자점에 직접 결합시킨 후, 형광 수용체로는 DNA에 삽입되는 염료를 사용하였다. 구체적으로, 보다 효율적인 검출을 위하여, FRET 효율을 극대화할 수 있는 공여체와 수용체의 쌍으로서, 공여체인 양자점으로는 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는 양자점인 QD525와 수용체인 DNA에 삽입되는 염료로는, 533 nm에서 최대 흡수파장을 갖는, PoPo3 염료의 조합을 선택하였다.The present invention selectively detects microcystine-LR, the most toxic substance among toxins caused by cyanobacterial hydration occurring in eutrophicated fresh water, from mixtures with analogues thereof, It is designed to discover a highly sensitive detection means and / or method capable of detecting microcystine-LR of. Therefore, a fluorescence resonance energy transfer (FRET) phenomenon having high detection sensitivity is used, but an object to be detected by using a quantum dot as a donor rather than an organic molecule that can be quenched over time or environment. A DNA aptamer specifically binding to the substance microcystine-LR such as AN6 (SEQ ID NO: 1) was directly bound to the quantum dot, and then a dye inserted into the DNA was used as a fluorescent receptor. Specifically, for more efficient detection, as a pair of donor and receptor which can maximize the FRET efficiency, the QD 525 which is the quantum dot having the maximum emission wavelength at 525 nm and the dye which is inserted into the DNA which is the receptor A combination of PoPo3 dyes, having a maximum absorption wavelength at 533 nm, was chosen.

이때, 마이크로미터 크기의 자성 입자에 복수의 양자점을 결합시킴으로써 단일 자성 입자으로부터 강한 신호를 발생할 수 있을 뿐만 아니라 필요에 따라 분리에 이용할 수 있도록 하였다.At this time, by combining a plurality of quantum dots in the micrometer-size magnetic particles can not only generate a strong signal from a single magnetic particle, but also can be used for separation if necessary.

예컨대, 개별 양자점이 직경 약 4 nm의 크기를 갖는 것을 고려할 때, 직경 2.5 μm 크기의 자성 입자는 단일 입자의 표면에 최대 1.6×106개까지의 양자점 입자를 부착시킬 수 있다. 이는 상기 자성 입자의 도입으로 현저한 신호의 향상을 달성할 수 있음을 나타내는 것이다. 그러나, 이는 단지 하나의 예시일 뿐, 자성 입자의 크기를 조절하여 이에 도입되는 양자점의 갯수를 조절할 수 있다.For example, considering that individual quantum dots have a size of about 4 nm in diameter, magnetic particles having a diameter of 2.5 μm can attach up to 1.6 × 10 6 quantum dot particles to the surface of a single particle. This indicates that a significant signal improvement can be achieved by introducing the magnetic particles. However, this is just one example, and may control the size of the magnetic particles to control the number of quantum dots introduced thereto.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 직경 2.5 μm 크기의 자성 비드와 직경 약 4 nm의 크기의 양자점 입자을 사용함에 있어서, 이들의 혼합 비율을 조절하면서 신호 변화를 관찰하였으며, 107개의 자성 비드를 4×10-11 몰(약 2.4×106개 입자)의 양자점 입자와 반응시켜 제조하였을 때, 가장 높은 신호를 나타내었다(도 2(d)). 보다 구체적으로, 자성 비드의 양은 고정하고 양자점의 사용량만을 변화시키는 것을 고려할 때, 자성 비드의 사용량에 무관하게, 그 정도의 차이는 있으나, 양자점의 양이 증가함에 따라 형광 세기는 증가하였다. 자성 비드의 양은 고정하고 양자점의 사용량만을 변화시킨 경우에는, 양자점 사용량이 낮은 경우 즉, 2×10-11 몰 이하인 경우 자성 비드의 사용량이 증가함에 따라 형광세기가 증가하였으나, 양자점 사용량이 4×10-11 몰로 높은 경우에는 자성 비드의 사용량이 1×107개로부터 4×107개까지 증가하면서 형광세기는 오히려 감소하였다. 이는 자성 비드의 사용량이 소정의 수준 이상으로 높은 경우 자성 비드의 존재에 의해 양자점의 형광이 간섭을 받아 오히려 감소할 수 있음을 나타내는 것이다. 한편, 상기 양자점은 자성 비드의 표면에 결합하므로, 양자점은 자성 비드 상에서 중첩되어 결합하지 못하고, 단일층을 형성하며, 따라서 사용하는 자성 비드 및 양자점의 상대적인 크기를 고려할 때, 단일 자성 비드가 최대로 수용할 수 있는 양자점의 갯수는 결합하는 양자점의 단면의 총 합이 자성 비드의 표면적과 동등한 수준으로 결정될 수 있다.In a particular embodiment of the invention according to size the quantum dots ipjaeul using a diameter of 2.5 μm magnetic beads and the diameter of the size of about 4 nm, by controlling these mixing ratio of was observed a signal change, the 10 7 magnetic beads 4 × 10 When prepared by reacting with -11 moles (about 2.4 × 10 6 particles) of quantum dot particles, the highest signal was seen (FIG. 2 (d)). More specifically, considering that the amount of magnetic beads is fixed and only the amount of quantum dots used is changed, the intensity of fluorescence increases as the amount of quantum dots increases, regardless of the amount of magnetic beads. When the amount of magnetic beads is fixed and only the amount of quantum dots is changed, the fluorescence intensity increases as the amount of magnetic beads increases when the amount of quantum dots is low, that is, 2 × 10 −11 mol or less, but the amount of quantum dots is 4 × 10 At -11 moles, the fluorescence intensity decreased rather than increasing the amount of magnetic beads from 1 × 10 7 to 4 × 10 7 . This indicates that when the amount of the magnetic beads used is higher than a predetermined level, the fluorescence of the quantum dots may be interfered with by the presence of the magnetic beads, and thus may be reduced. On the other hand, since the quantum dots bind to the surface of the magnetic beads, the quantum dots do not overlap and bond on the magnetic beads, thus forming a single layer, and thus, considering the relative sizes of the magnetic beads and the quantum dots used, a single magnetic bead is at the maximum. The number of quantum dots that can be accommodated can be determined such that the sum of the cross sections of the quantum dots to be combined is equal to the surface area of the magnetic beads.

따라서, 전술한 자성 비드에 의한 간섭 및/또는 자성 비드 당 수용 가능한 양자점의 양을 종합적으로 고려하여, 자성 비드 및 양자점의 사용량 및 이들의 혼합 비율을 결정하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to determine the amount of use of magnetic beads and quantum dots and the mixing ratio thereof by considering the interference by the magnetic beads described above and / or the amount of quantum dots acceptable per magnetic bead comprehensively.

상기 조성물에서 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머는 서열번호 1의 염기서열(5'-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC CCA TAC CAC CTC ATT ATG CCC CAT CTC CGC-3')로 구성된 AN6 앱타머일 수 있다.DNA aptamer that specifically binds to microcystin-LR in the composition is a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 (5'-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC CCA TAC CAC CTC ATT ATG CCC CAT CTC CGC-3 ').

상기 조성물에서, 양자점은 자성 비드의 표면에 결합되고, DNA 앱타머는 양자점 상에 결합될 수 있다. 이들이 서로 결합된 복합체 구조물의 예를 도 1에 도식화하여 나타내었다. 상기 도 1은 이들 구성요소 간의 결합 관계를 특징적으로 나타내기 위한 것으로 각각의 상대적인 규모는 실제와 상이할 수 있다.In the composition, the quantum dots may be bound to the surface of the magnetic beads, and the DNA aptamer may be bound on the quantum dots. An example of a composite structure in which they are bonded to each other is shown schematically in FIG. 1. FIG. 1 is a diagram illustrating a coupling relationship between these components. Each of the relative scales may be different from the actual size.

한편, 상기 "PoPo3 염료"는 2-((E)-3-[1-(3-[[3-(디메틸(3-[4-[(E)-3-(3-메틸-1,3-벤즈옥사졸-3-이움-2-일)-2-프로페닐리덴]-1(4H)-피리디닐]프로필)암모니오)프로필](디메틸)암모니오]프로필)-4(1H)-피리디닐리덴]-1-프로페닐)-3-메틸-1,3-벤즈옥사졸-3-이움 테트라아이오다이드(2-((E)-3-[1-(3-[[3-(dimethyl(3-[4-[(E)-3-(3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium-2-yl)-2-propenylidene]-1(4H)-pyridinyl]propyl)ammonio)propyl](dimethyl)ammonio]propyl)-4(1H)-pyridinylidene]-1-propenyl)-3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide)의 화학식명의 화합물로, 하기 화학식 1로 표시되는 화학 구조식을 갖는다. 상기 PoPo3 염료는 마이크로시스틴-LR 부재시 DNA 앱타머에 삽입(intercalation)되고, 마이크로시스틴-LR과 접촉시 탈착되는 것이 특징이다. 구체적으로, PoPo3이 DNA 앱타머 내에 삽입된 경우, 상기 앱타머가 부착된 양자점과의 거리가 형광공명에너지전이를 나타낼 수 있는 10 nm 이내로 유지될 수 있는 반면, 상기 복합체가 마이크로시스틴-LR와 접촉하는 경우, DNA 앱타머는 마이크로시스틴-LR과 특이적으로 결합하면서 이에 삽입된 PoPo3 염료를 방출하게되며, 이에 따라 양자점으로부터 PoPo3으로의 형광공명에너지전이는 더 이상 발생하지 않는다.Meanwhile, the "PoPo3 dye" is 2-((E) -3- [1- (3-[[3- (dimethyl (3- [4-[(E) -3- (3-methyl-1,3) -Benzoxazol-3-ium-2-yl) -2-propenylidene] -1 (4H) -pyridinyl] propyl) ammonio) propyl] (dimethyl) ammonio] propyl) -4 (1H)- Pyridinylidene] -1-propenyl) -3-methyl-1,3-benzoxazole-3-ium tetraiodide (2-((E) -3- [1- (3-[[3 -(dimethyl (3- [4-[(E) -3- (3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium-2-yl) -2-propenylidene] -1 (4H) -pyridinyl] propyl) ammonio) propyl] (dimethyl) ammonio] propyl) -4 (1H) -pyridinylidene] -1-propenyl) -3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide) Has the chemical formula shown. The PoPo3 dye is intercalated in the DNA aptamer in the absence of microcystine-LR and desorbed upon contact with microcystine-LR. Specifically, when PoPo3 is inserted into the DNA aptamer, the distance from the quantum dot to which the aptamer is attached may be maintained within 10 nm, which may indicate fluorescence resonance energy transfer, while the complex is in contact with the microcystine-LR. In this case, the DNA aptamer specifically binds to the microcystine-LR and releases the PoPo3 dye inserted therein, so that the fluorescence resonance energy transfer from quantum dots to PoPo3 no longer occurs.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112018050019794-pat00001
Figure 112018050019794-pat00001

예컨대, 상기 조성물은, 마이크로시스틴-LR 부재시, 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하여 여기시키는 경우 PoPo3 염료의 형광 스펙트럼과 일치하는 영역에서 발광 스펙트럼을 나타낼 수 있다.For example, the composition may exhibit an emission spectrum in a region consistent with the fluorescence spectrum of the PoPo3 dye when it is irradiated with light of 500 to 550 nm wavelength in the absence of microcystine-LR.

반면, 상기 조성물은, 마이크로시스틴-LR과 접촉시, 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하여 여기시키는 경우 양자점 QD525의 발광 스펙트럼을 나타낼 수 있다.On the other hand, the composition, when in contact with the microcystine-LR, may exhibit an emission spectrum of the quantum dot QD 525 when excited by irradiation with light of 500 to 550 nm wavelength.

예컨대, 본 발명의 조성물은 각 구성 성분을 원하는 순서로 결합시키기 위하여, 상기 자성 비드의 표면 및 앱타머의 일 말단은 아민기로 수식되고, 양자점 QD525의 표면은 카르복실기로 개질되거나, 자성 비드의 표면 및 앱타머의 일 말단은 카르복실기로 수식되고, 양자점 QD525의 표면은 아민기로 개질될 수 있다.For example, the composition of the present invention, in order to bind each component in the desired order, the surface of the magnetic beads and one end of the aptamer is modified with an amine group, the surface of the quantum dot QD 525 is modified with a carboxyl group, or the surface of the magnetic beads And one end of the aptamer may be modified with a carboxyl group, and the surface of the quantum dot QD 525 may be modified with an amine group.

이와 같이, 각각 아민기 또는 카르복실기로 개질 또는 수식된 자성 비드 표면과 양자점 및 양자점 표면과 앱타머는 각각의 말단에 포함된 카르복실기와 아민기를 통한 N-히드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS) 및 에틸카보디이미드 하이드로클로라이드(ethylcarbodiimide hydrochloride; EDC)와의 반응에 의해 결합될 수 있다.As such, the magnetic bead surface, the quantum dot, and the quantum dot surface and the aptamer modified or modified with an amine group or a carboxyl group, respectively, are N-hydroxysuccinimide (NHS) through a carboxyl group and an amine group contained at each end thereof. It can be bound by reaction with ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC).

예컨대, 본 발명의 조성물은 i) 아민화된 자성 비드(aminated magnetic beads)와 카르복실기로 개질된 양자점(carboxylic quantum dots)을 소정의 비율로, 예컨대, 107개 자성 비드를 1 내지 4×10-11 몰의 양자점과 혼합하고 NHS 및 EDC를 첨가하여 반응시킴으로써 자성 비드의 표면에 복수의 양자점이 결합된 중간체를 수득한 후, ii) 상기 중간체를 NHS 및 EDC 존재 하에 일 말단이 아민기로 수식된 마이크로시스틴-LR 특이적 DNA 앱타머와 반응시켜, 양자점 상의, 자성 비드와의 결합에 참여하지 않은, 미반응 카르복실기에 DNA 앱타머가 이의 일 말단에 위치한 아민기를 통해 결합할 수 있도록 함으로써 자성 비드-양자점-앱타머 복합체를 제조할 수 있다. PoPo3 염료의 삽입은 상기 복합체를 PoPo3 염료 용액에 침지시키는 단순한 과정을 통해 달성할 수 있다.For example, the compositions of the present invention i) aminated magnetic beads (aminated magnetic beads) and the quantum dot (carboxylic quantum dots) modified with a carboxyl group at a predetermined ratio, for example, 10 7 magnetic beads of 1 to 4 × 10 - After mixing with 11 moles of quantum dots and reacting with the addition of NHS and EDC to obtain an intermediate having a plurality of quantum dots bonded to the surface of the magnetic beads, ii) the intermediate in the presence of NHS and EDC micro-modified at one end with an amine group By reacting with cystine-LR specific DNA aptamers to allow DNA aptamers to bind via an amine group at one end of the unreacted carboxyl groups on the quantum dots that do not participate in binding to the magnetic beads. Aptamer complexes can be prepared. Insertion of PoPo3 dye can be achieved through a simple process of immersing the complex in a PoPo3 dye solution.

나아가, 본 발명은 자성 비드, 형광 공여체로서 양자점, DNA 앱타머 및 형광 수용체인 염료를 포함하는 복합체를 이용한 FRET에 의해 표적 물질 예컨대, 마이크로시스틴-LR을 검출에 최적화된 형광 공여체와 형광 수용체의 조합을 제안한다. 이를 위하여, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 비교예로서 형광 공여체로서 양자점(QD565)을 포함하되, 이에 상응하는 형광 수용체로서, 상기 양자점의 최대 방출 파장에서 흡수하여 형광을 나타내는 유기 형광체인 카르복시-X-로다민(carboxy-X-rhodamnine; ROX)가 앱타머에 공유결합된 복합체를 사용하여 표적 물질의 검출을 시도하였으며, 그 결과 상기 복합체를 이용한 검출 시스템은 표적 물질의 농도를 일정 수준까지 증가시켜도 대조군 즉, 표적 물질을 불포함하는 경우와 동일한 수준의 신호를 나타내어 표적 물질의 특이적인 검출이 불가함을 확인하였다(비교예 1 및 도 11). 이는 양자점-앱타머-염료 복합체를 기반으로 하는 FRET을 이용하더라도 형광 공여체와 수용체의 조합에 따라 표적 물질의 검출이 불가할 수 있음을 나타내는 것이며, 구체적으로 FRET 현상을 나타내기에 적합한 스펙트럼을 갖는 형광 공여체와 수용체의 조합을 선택하더라도 FRET에 의한 표적 물질의 검출이 불가할 수 있음을 나타내는 것이다. 따라서, 당업자라 하더라도 특정한 조합의 양자점-앱타머-염료 복합체를 이용하여 FRET에 의해 표적 물질을 검출하는 시스템은 용이하게 도출할 수 없다. 이러한 예측 불가능성을 토대로, 본 발명에서는 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는 양자점(QD525), 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머 및 상기 DNA 앱타머에 삽입되는 PoPo3 염료의 조합이 마이크로시스틴-LR의 특이적이며 민감한 검출에 최적의 조합임을 제안한다.Furthermore, the present invention provides a combination of a fluorescent donor and a fluorescent receptor optimized for detecting a target substance such as microcystine-LR by FRET using a complex including magnetic beads, a quantum dot as a fluorescent donor, a DNA aptamer and a dye which is a fluorescent receptor. Suggest. To this end, in a specific embodiment of the present invention, a comparative example includes a quantum dot (QD 565 ) as a fluorescent donor, but as a corresponding fluorescent acceptor, carboxy-X, which is an organic phosphor that exhibits fluorescence by absorbing at the maximum emission wavelength of the quantum dot. Attempted detection of target material using a complex covalently bound to aptamer with carboxy-X-rhodamnine (ROX). As a result, the detection system using the complex increased the concentration of the target material to a certain level. It was confirmed that the specific level of the target material was not detected by displaying a signal at the same level as the control group, that is, without the target material (Comparative Example 1 and FIG. 11). This indicates that even with the FRET based on the quantum dot-aptamer-dye complex, the detection of the target substance may not be possible depending on the combination of the fluorescent donor and the receptor, and specifically, a fluorescent donor having a spectrum suitable for exhibiting the FRET phenomenon. Selecting a combination of and a receptor indicates that the detection of the target substance by FRET may not be possible. Thus, even a person skilled in the art cannot easily derive a system for detecting a target substance by FRET using a specific combination of quantum dot-aptamer-dye complexes. Based on this unpredictability, in the present invention, a combination of a quantum dot (QD 525 ) having a maximum emission wavelength at 525 nm, a DNA aptamer specifically binding to microcystine-LR and a PoPo3 dye inserted into the DNA aptamer It is suggested that this is the optimal combination for the specific and sensitive detection of microcystine-LR.

본 발명의 제2양태는 상기 제1양태의 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물을 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 키트를 제공한다.The second aspect of the present invention provides a microcystine-LR detection kit comprising the microcystine-LR detection composition of the first aspect.

전술한 바와 같이, 본 발명의 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물은 자성 비드(magnetic bead); 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점(QD525); 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머(aptamer); 및 PoPo3 염료를 포함하며, 상기 양자점은 자성 비드의 표면에 결합되고, DNA 앱타머는 양자점 상에 결합된 복합체의 형태로 제공될 수 있다. 또는, 본 발명의 키트는 상기 조성물을 전구체 상태 즉, 표면이 아민기로 수식된 자성 비드, 일 말단에 아민기가 수식된 앱타머 및 표면이 카르복실기로 개질된 양자점 QD525인 전구체의 형태로 포함하며, 이들 구성 성분 간의 결합을 유도할 수 있도록 N-히드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS) 및 에틸카보디이미드 하이드로클로라이드(ethylcarbodiimide hydrochloride; EDC)와 함께 제공할 수 있다. 또한 PoPo3 염료는 상기 복합체에 삽입된 상태로 제공되거나, 용액 또는 분말의 형태로, 선택적으로 용매와 함께, 별도로 제공될 수 있다.As described above, the composition for detecting microcystine-LR of the present invention comprises: magnetic beads; Two or more quantum dots (QD 525 ), having a maximum emission wavelength at 525 nm; DNA aptamers that specifically bind to microcystin-LR; And a PoPo3 dye, wherein the quantum dots are bound to the surface of the magnetic beads, and the DNA aptamer may be provided in the form of a complex bound on the quantum dots. Alternatively, the kit of the present invention includes the composition in the form of a precursor, that is, in the form of a precursor of magnetic beads modified at an amine group, an aptamer modified at an amine group at one end, and a quantum dot QD 525 modified at a carboxyl surface, It can be provided with N-hydroxysuccinimide (NHS) and ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) to induce binding between these components. PoPo3 dyes may also be provided embedded in the complex, or may be provided separately in the form of a solution or powder, optionally with a solvent.

본 발명의 제3양태는 마이크로시스틴-LR로 오염된 것으로 의심되는 물 시료를 자성 비드; 상기 자성 비드의 표면에 결합된, 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점; 상기 양자점 상에 결합된 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머; 및 상기 DNA 앱타머에 삽입된 PoPo3 염료를 포함하는 프로브와 접촉시키는 제1단계; 및 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하고 PoPo3 염료의 발광 스펙트럼을 측정하는 제2단계;를 포함하는 물 시료 중의 마이크로시스틴-LR 검출 방법을 제공한다.A third aspect of the invention provides a sample of water suspected of being contaminated with microcystine-LR; At least two quantum dots having a maximum emission wavelength at 525 nm, coupled to the surface of the magnetic beads; DNA aptamers that specifically bind to microcystine-LR bound on the quantum dots; And a first step of contacting with a probe comprising a PoPo3 dye inserted into the DNA aptamer; And a second step of irradiating light with a wavelength of 500 to 550 nm and measuring an emission spectrum of the PoPo3 dye.

예컨대, 본 발명의 검출 방법은 제1단계에 앞서 자성 비드; 상기 자성 비드의 표면에 결합된, 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점; 상기 양자점 상에 결합된 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머; 및 상기 DNA 앱타머에 삽입된 PoPo3 염료를 포함하는 프로브에 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하고 PoPo3 염료의 발광 스펙트럼을 측정하는 제1-1단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제1-1단계를 통해 측정된 스펙트럼은 이후 측정되는 스펙트럼으로부터 시료의 마이크로시스틴-LR 함유 여부 및/또는 함량을 판단하기 위한 기준으로 사용될 수 있다.For example, the detection method of the present invention comprises a magnetic bead prior to the first step; At least two quantum dots having a maximum emission wavelength at 525 nm, coupled to the surface of the magnetic beads; DNA aptamers that specifically bind to microcystine-LR bound on the quantum dots; And irradiating light having a wavelength of 500 to 550 nm to the probe including the PoPo3 dye inserted into the DNA aptamer and measuring the emission spectrum of the PoPo3 dye. The spectrum measured through step 1-1 may be used as a reference for determining whether and / or content of microcystine-LR in the sample from the spectrum measured thereafter.

구체적으로, 제2단계로부터 측정된 스펙트럼과 제1-1단계로부터 측정된 스펙트럼을 비교하여 제2단계로부터 측정된 스펙트럼의 발광 신호가 더 낮은 경우 해당 물 시료는 마이크로시스틴-LR을 함유하는 것으로 판단하는 제3단계를 추가로 포함할 수 있다.Specifically, when the emission signal of the spectrum measured from step 2 is lower by comparing the spectrum measured from step 2 with the spectrum measured from step 1-1, it is determined that the corresponding water sample contains microcystine-LR. The third step may be further included.

나아가, 상기 제1-1단계로부터 측정된 스펙트럼과 비교하여 제2단계로부터 측정된 스펙트럼의 발광 신호의 감소된 정도로부터 해당 물 시료에 함유된 마이크로시스틴-LR의 농도를 산출함으로써, 물 시료 중의 마이크로시스틴-LR을 정량적으로 분석할 수 있다.Furthermore, by calculating the concentration of microcystine-LR contained in the water sample from the reduced degree of the luminescence signal of the spectrum measured from the second step compared with the spectrum measured from the step 1-1, the micro in the water sample Cystine-LR can be quantitatively analyzed.

본 발명의 제4양태는 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사할 수 있는 광원부; 상기 광원부로부터 조사된 빛의 경로에 위치한 시료 주입부; 상기 시료주입부로부터 광원부와 직각인 방향으로 시료 주입부와 소정의 거리만큼 이격되어 위치한, 550 내지 610 nm 범위에서 선택된 파장의 광신호를 검출할 수 있는 검출부;를 구비한 마이크로시스틴-LR 검출을 위한 분석 장치를 제공한다.A fourth aspect of the present invention is a light source unit capable of irradiating light of 500 to 550 nm wavelength; A sample injection unit positioned in a path of light irradiated from the light source unit; A microcystine-LR detection apparatus comprising: a detector configured to detect an optical signal having a wavelength selected from a range of 550 to 610 nm spaced apart from the sample injection unit by a predetermined distance in a direction perpendicular to the light source unit. It provides an analysis device for.

전술한 바와 같이, 본 발명의 양자점과 앱타머의 복합체를 이용하는 FRET에 기초한 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물은 그 발광 효율이 매우 높고 낮은 검출한계를 가지므로, 복잡한 증폭장치 등의 도움 없이도 검출 가능하므로, 상기 분석 장치는 작은 휴대용 장비로 구현될 수 있다.As described above, the composition for detecting microcystine-LR based on FRET using the complex of the quantum dot and the aptamer of the present invention has a very high luminous efficiency and a low detection limit, and thus can be detected without the help of a complex amplification apparatus. The analysis device may be implemented as a small portable device.

상기 분석 장치에서 언급된 각 구성부의 상대적인 위치는 광경로를 의미하는 것으로, 광경로 상에는 입사광 및 형광 신호의 가이드, 집광 등을 위하여, 일련의 렌즈 및/또는 미러 등의 옵틱스가 도입될 수 있으며, 이들 옵틱스의 개입에 따라 변경될 수 있다. 즉, 본 발명의 분석 장치는 FRET 즉, 형광을 측정하기 위한 것인 특성상, 입사광에 의한 간섭을 최소화하기 위하여 시료에 입사되는 빛으로부터 직각인 방향으로 방출되는 빛을 검출부로 유도할 수 있는 한, 상기 각 구성부의 상대적인 위치는 전술한 절대적인 위치 및/또는 배열에 제한되지 않는다.The relative position of each component mentioned in the analysis apparatus means an optical path, and a series of lenses and / or mirrors, or the like, may be introduced on the optical path to guide and collect incident light and fluorescent signals. It can be changed by the intervention of these optics. That is, the analysis apparatus of the present invention is FRET, that is, to measure the fluorescence, as long as it can induce light emitted in a direction perpendicular to the light incident on the sample to the detection unit in order to minimize the interference by the incident light, The relative position of each component is not limited to the absolute position and / or arrangement described above.

본 발명의 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물은 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는 양자점 및 PoPo3 염료의 조합을 형광 공여체와 수용체로 포함하는 FRET을 이용하여, 마이크로시스틴-LR에 대해 높은 선택성 및/또는 민감성을 나타내므로, 종래 ELISA 어세이에 비해 현저히 낮은 검출한계까지 정량적으로 검출할 수 있으므로, 휴대용 분석 장치로도 검출 가능하므로, 실제 환경 물 시료에 함유된 미량의 마이크로시스틴-LR의 현장 분석에 유용하게 사용될 수 있다.The composition for detecting microcystine-LR of the present invention has high selectivity and / or sensitivity to microcystine-LR using FRET including a combination of a quantum dot and a PoPo3 dye having a maximum emission wavelength at 525 nm as a fluorescent donor and a receptor. Since the detection limit can be detected quantitatively up to a significantly lower detection limit than the conventional ELISA assay, it can also be detected by a portable analysis device, which is useful for in situ analysis of trace amounts of microcystine-LR contained in a real environmental water sample. Can be used.

도 1은 MC-LR 검출을 위한 FRET 기반 QD-앱타센서의 제조방법 및 이를 이용한 검출 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 (a) MC-LR 첨가에 의한 앱타머의 원평광 이색성(circular dichroism; CD) 스펙트럼 변화, (b) PoPo3 염료 첨가에 의한 앱타머의 CD 스펙트럼 변화, (c) 앱타머 내로의 효율적인 삽입을 위한 PoPo3 염료 농도의 최적화, (d) MB-QD525의 제조를 위한 자성 비드(magnetic beads; MB) 및 양자점(quantum dots; QD)의 최적 비율, (e) FRET 설정(configuration)을 위한 실행가능성(feasibility) 테스트 및 (f) MB-QD525-앱타머 복합체의 안정화 효과를 나타낸 도이다.
도 3은 앱타머 내로의 삽입에 의한 PoPo3 염료의 형광 변화를 나타낸 도이다.
도 4는 FRET 기반 QD-앱타센서의 현미경 이미지를 나타낸 도이다. (a)는 MB-QD525 복합체의 주사전자현미경 이미지(scanning electron microscopic images)를, (b)는 PoPo3 염료가 삽입된 MB-QD525-앱타머의 공초점 현미경 이미지(confocal microscopic images)를 나타낸다.
도 5는 (a) 반응 동안 FRET 기반 QD-앱타센서의 상대적인 정상화된 형광의 변화 및 (b) 6시간의 반응에서 MC-LR 검출을 위한 민감성 확인 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 1 ng/mL 농도의 표적 물질에서 FRET 기반 QD-앱타센서의 민감성 확인 결과를 나타낸 도이다.
도 7은 ELISA 키트를 이용한 MC-LR 정량화의 표준 곡선을 나타낸 도이다.
도 8은 FRET 기반 QD-앱타센서를 이용한 마이크로시스티스 애루지노사(Microcystis aeruginosa) UTEX 2388(M. aeruginosa) 세포에 대한 MC-LR 분석 결과를 나타낸 도이다. (a)는 MC-LR 부재시(연두색) 및 QD-앱타센서(파란색) 및 ELISA 어세이(빨간색)를 통한 배양 배지의 MC-LR 농도에 따른 조류 성장 곡선을, (b)는 M. aeruginosa의 특이적 성장속도를, (c)는 QD-앱타센서와 ELISA 어세이 간의 MC-LR 농도의 피어슨 상관관계(Pearson correlation)를 나타낸다.
도 9는 (a) 시료채취 지점을 표시한 사이트 맵, 음성대조군 지점으로부터 채취한 시료인 (b) NC1 및 (c) NC2와 연구지점으로부터 채취한 시료인 (d) S1 (e) S2 (f) S3 및 (g) S4를 육안으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 FRET 기반 QD-앱타센서 및 ELISA 어세이를 이용한 환경 물 시료 중의 MC-LR 분석 결과를 나타낸 도이다. (a)는 각 지점에서 수집한 시료 중의 MC-LR 농도를, (b)는 QD-앱타센서와 ELISA 어세이 간의 MC-LR 농도의 피어슨 상관관계를 나타낸다.
도 11은 유기 형광체를 수용체로 이용하는 QD-앱타센서 기반 검출 방법을 이용한 DEHP((di-2-ethylhexyl)phthalate) 검출 결과를 나타낸 도이다.
1 is a view schematically showing a method of manufacturing a FRET-based QD-apta sensor for detecting MC-LR and a detection principle using the same.
FIG. 2 shows (a) circular dichroism (CD) spectral change of aptamer by MC-LR addition, (b) CD spectral change of aptamer by PoPo3 dye addition, (c) into aptamer Optimization of PoPo3 dye concentration for efficient insertion, (d) Optimal ratio of magnetic beads (MB) and quantum dots (QD) for the preparation of MB-QD 525 , (e) FRET configuration Feasibility test and (f) MB-QD 525 -aptamer complex showing the stabilizing effect.
FIG. 3 shows fluorescence changes of PoPo3 dyes by insertion into aptamers.
Figure 4 is a diagram showing a microscope image of the FRET-based QD-Abtta sensor. (a) shows scanning electron microscopic images of MB-QD 525 complex, and (b) shows confocal microscopic images of MB-QD 525 -aptamer with PoPo3 dye. .
Figure 5 shows the results of (a) the change in the normalized fluorescence of the FRET-based QD-apta sensor during the reaction and (b) the sensitivity confirmation for MC-LR detection in the reaction of 6 hours.
Figure 6 is a diagram showing the results of the sensitivity detection of the FRET-based QD- apta sensor in the target material of 1 ng / mL concentration.
7 shows a standard curve of MC-LR quantification using an ELISA kit.
8 is a diagram showing the results of MC-LR analysis of Microcystis aeruginosa UTEX 2388 ( M. aeruginosa ) cells using FRET-based QD-Apta sensor. (a) shows the algae growth curve according to the MC-LR concentration of the culture medium in the absence of MC-LR (lime green) and QD-apta sensor (blue) and ELISA assay (red), and (b) shows the growth of M. aeruginosa . Specific growth rate, (c) shows Pearson correlation of MC-LR concentration between QD-Apta sensor and ELISA assay.
Fig. 9 shows (a) a site map showing sampling points, (b) NC1 and (c) NC2, which are samples taken from a negative control point, and (d) S1, (e) S2, which are samples taken from a research site. ) S3 and (g) The figure which showed the result of observing S4 visually.
10 is a diagram showing the results of MC-LR analysis in environmental water samples using FRET-based QD-Apta sensor and ELISA assay. (a) shows the MC-LR concentration in the sample collected at each point, and (b) shows the Pearson correlation of MC-LR concentration between QD-Apta sensor and ELISA assay.
FIG. 11 illustrates DEHP ((di-2-ethylhexyl) phthalate) detection results using a QD-apta sensor-based detection method using an organic phosphor as a receptor.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are intended to illustrate the present invention more specifically, but the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1: FRET 기반  1: FRET based 양자점Quantum dots -- 앱타머Aptamers 센서의 고안 및 작동원리 Sensor Design and Operation Principle

양자점-앱타머 센서(QD-Aptasensor; QD-앱타센서)는 자성 비드, 양자점 나노입자 및 앱타머로 구성된다. 도 1에 나타난 바와 같이, 카르복실기로 개질된 양자점 나노입자(carboxylic quantum dot nanoparticles; QD525)를 아민화된(aminated) 자성 비드(magnetic beads; MB)의 표면에 고정하였다(도 1a 및 1 b). 결과로 획득한 복합체(MB-QD525)를 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR; MC-LR) 분자에 높은 친화력(affinity)을 갖는 아민화된 앱타머와 결합시켰다(도 1c). 이어서 MB-QD525-앱타머 복합체의 앱타머에 PoPo3 염료를 삽입(intercalation)하였다(도 1d). QD525(형광 공여체; donor fluorophore) 및 PoPo3 염료(형광 수용체; acceptor fluorophore)는 각각 360 nm 및 530 nm 파장으로 여기되어 530 nm 및 561 nm에서 형광을 방출한다. 이는 360 nm에서 여기된 QD525로부터 형광공명에너지전이(fluorescence resonance energy transfer; FRET을 통해 PoPo3 염료가 방출하도록 한다. 앱타머가 MC-LR 분자를 포획함에 따라, PoPo3 염료는 MB-QD525-앱타머 복합체로부터 방출된다(도 1e). 결과적으로, PoPo3 염료는 QD525 나노입자로부터 분리되어 360 nm에서 FRET 매개를 통해 방출하지 않는다.The QD-Aptasensor (QD-Aptasensor) is composed of magnetic beads, quantum dot nanoparticles and aptamers. As shown in FIG. 1, carboxyl-modified carboxylic quantum dot nanoparticles (QD 525 ) were immobilized on the surface of aminated magnetic beads (MB) (FIGS. 1A and 1B). . The resulting complex (MB-QD 525 ) was combined with aminated aptamers having a high affinity for microcystin-LR (MC-LR) molecules (FIG. 1C). PoPo3 dye was then intercalated into the aptamer of the MB-QD 525 -aptamer complex (FIG. 1D). QD 525 (fluorescent donor; donor fluorophore) and PoPo3 dyes (fluorescent acceptor; acceptor fluorophore) are excited at 360 nm and 530 nm wavelengths to emit fluorescence at 530 nm and 561 nm, respectively. This allows the PoPo3 dye to be released via fluorescence resonance energy transfer (FRET) from QD 525 excited at 360 nm. As the aptamer captures MC-LR molecules, the PoPo3 dye is a MB-QD 525 -aptamer. As a result, the PoPo3 dye is separated from QD 525 nanoparticles and does not release via FRET media at 360 nm.

도 1에는 MB-QD525-앱타머-PoPo3 디자인의 FRET 기반 형광 변화에 의한 MC-LR 정량분석 방법을 도식화하여 나타내었다. 이를 위하여, 2개 형광체 즉, QD525 및 PoPo3 염료를 FRET 쌍으로 선택하였다. PoPo3 염료의 여기 스펙트럼은 QD525 나노입자의 방출 스펙트럼과 중첩되었다. QD525 나노입자를 여기된 분자 형광체(excited molecular fluorophore, 공여체; donor)로 사용하였다. QD525의 여기 에너지는, 이미 앱타머에 삽입된, 2량체 시아닌(dimeric cyanine) PoPo3 염료 분자(형광 수용체; acceptor fluorophore)에 전달되었다. 그 결과, PoPo3 염료는, 분자간 원거리 쌍극자-쌍극자 커플링(long-range dipole-dipole coupling)에 의한, QD525 나노입자의 FRET을 통해 방출하였다. MC-LR의 결합은 앱타머의 구조적 변화를 유도하였으며, 그 결과로 해당 구조물로부터 PoPo3 염료 분자들을 방출하여 PoPo3 염료 방출의 감소를 야기하였다. FRET 효율은 공여체와 수용체의 근접성(donor-acceptor proximity)에 의존하므로, 공여체-수용체 쌍의 결합-유도 분리(binding-induced separation)에 적합한, 이러한 거리-의존적 과정은 MC-LR의 고도로 민감한 검출을 허용할 수 있다.Figure 1 shows the MC-LR quantitative analysis by FRET-based fluorescence change of the MB-QD 525 -Aptamer-PoPo3 design. For this purpose, two phosphors, QD 525 and PoPo3 dyes, were selected as FRET pairs. The excitation spectrum of the PoPo3 dye was superimposed with the emission spectrum of the QD 525 nanoparticles. QD 525 nanoparticles were used as excited molecular fluorophores (donors). The excitation energy of QD 525 was transferred to a dimeric cyanine PoPo3 dye molecule (acceptor fluorophore), already inserted into the aptamer. As a result, PoPo3 dye was released via FRET of QD 525 nanoparticles by intermolecular long-range dipole-dipole coupling. The binding of MC-LR induced a structural change in the aptamer, resulting in the release of PoPo3 dye molecules from the construct, leading to a decrease in PoPo3 dye release. Since FRET efficiency depends on the donor-acceptor proximity of the donor, this distance-dependent process, which is suitable for binding-induced separation of donor-receptor pairs, prevents highly sensitive detection of MC-LR. Allowed.

실시예Example 2: FRET을  2: FRET 기반으로 하는 QD-앱타센서의Based on QD-Apta Sensor 제조 Produce

2-1. MC-2-1. MC- LR에LR 대한  About 앱타머의Aptamer 구조적 변화 Structural change

MC-LR의 검출을 위해 단일 가닥 DNA(single stranded DNA; ssDNA) 앱타머 AN6(5'-NH2-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC CCA TAC CAC CTC ATT ATG CCC CAT CTC CGC-3', Bioneer Corporation, Daejeon, Korea)를 사용하였다. 본래의 형태(original form)로부터 아민기를 부착함으로써 앱타머를 개질하여, MC-LR에 대한 상기 앱타머의 결합 친화력(binding affinity)을 원편광 이색성(circular dichroism; CD) 분광편광 분석법(spectropolarimetry)으로 시험하였다. 10 μmole/L 농도의 앱타머 60 μL를, 0.01% SDS, 20 mmole/L MgCl2, 40 mmole/L KCl, 및 100 mmole/L NaCl을 함유하는, 0.02 mole/L 농도의 Tris-HCl 완충액(Tris buffer, pH 8.0) 225 μL에 첨가하였다. 이어서, 다양한 농도(10 fg/mL, 1 pg/mL, 및 10 pg/mL)의 MC-LR 용액을 15 μL씩 상기 용액에 첨가하고(총 부피 300 μL), 실온에서 밤새도록 인큐베이션하였다. 상기 앱타머 용액윽 1 mm의 광학경로(optical path length)를 갖는 쿼츠 큐벳에 옮겼다. 펠티에 자동온도조절 셀 홀더(Peltier thermostatic cell holder)를 구비한 Jasco J-1500 분광광도계(Jasco Inc., Easton, MD, USA)를 사용하여 25℃ CD 스펙트럼을 스캔하였다. 350 nm로부터 200nm까지 50 nm/min 속도로 CD 스펙트럼 스캔을 수행하였다. 각 스펙트럼은 바탕선(완충액 단독) 보정하였으며, 3회 데이터 축적하여 획득하였다. 실험은 2회 반복하여 수행하였다.Single stranded DNA (ssDNA) aptamer AN6 (5'-NH 2 -GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC CCA TAC CAC CTC ATT ATG CCC CAT CTC CGC-3 'for detection of MC-LR) , Bioneer Corporation, Daejeon, Korea). Aptamers are modified by attaching amine groups from the original form, thereby binding the aptamer's binding affinity to MC-LR with circular dichroism (CD) spectropolarimetry. Was tested. 60 μL of aptamer at 10 μmole / L concentration of Tris-HCl buffer at 0.02 mole / L concentration containing 0.01% SDS, 20 mmole / L MgCl 2 , 40 mmole / L KCl, and 100 mmole / L NaCl ( Tris buffer, pH 8.0). Subsequently, various concentrations (10 fg / mL, 1 pg / mL, and 10 pg / mL) of MC-LR solution were added to the solution in 15 μL (total volume 300 μL) and incubated overnight at room temperature. The aptamer solution was transferred to a quartz cuvette with an optical path length of 1 mm. 25 ° C. CD spectra were scanned using a Jasco J-1500 spectrophotometer (Jasco Inc., Easton, MD, USA) equipped with a Peltier thermostatic cell holder. CD spectral scans were performed at a rate of 50 nm / min from 350 nm to 200 nm. Each spectrum was corrected for baseline (buffer only) and was obtained by accumulating three times data. The experiment was performed twice.

2a에 나타난 바와 같이, CD 스펙트럼은 앱타머가, 275 nm 및 245 nm에서 각각 양성 및 음성 밴드를 갖는, 전형적인 B-형태의 DNA임을 나타낸다. 보다 구체적으로, B-형 DNA의 양성 밴드 피크는 DNA의 염기 스태킹(base stacking)에 의해 260 내지 280 nm 근처에서 나타나는 반면, 음성 밴드는 DNA의 오른 방향 헬리시티(right-handed helicity)로 인해 약 245 nm에서 나타난다. 도 2a에서 빨간 점선의 원으로 표시한 구역에 나타난 바와 같이, 앱타머와 MC-LR의 상호작용은 ~245 nm에서 CD 스펙트럼의 변화를 유도하였다. MC-LR을 첨가한 후, ~245 nm에서의 음성 CD 밴드는 -0.8916 mdeg(앱타머 단독)로부터 -0.6477 mdeg(10 pg/mL의 MC-LR을 첨가한 앱타머)까지의 감소를 나타낸 반면, ~275 nm에서의 양성 밴드는 적은 영향을 받는 것으로 나타났다. 일반적으로, 음성 CD 밴드에서의 변화는 DNA 삽입 이벤트에서 관찰될 수 있다. 구체적으로, 음성 CD 밴드의 세기 감소는 표적 분자가 나선형 DNA 축에 수직으로 삽입되었을 때 발생할 수 있다. ~245 nm에서의 피크는 도 2a에서 유일한 음성 CD 밴드이며 해당 피크에서 세기 감소가 존재하므로, MC-LR 분자들이 염기쌍에 수직으로 삽입되어 앱타머에 결합하는 것으로 결론지을 수 있다.Degree As shown in 2a, the CD spectrum indicates that the aptamer is a typical B-form of DNA with positive and negative bands at 275 nm and 245 nm, respectively. More specifically, positive band peaks of B-type DNA appear around 260-280 nm by base stacking of DNA, while negative bands are weak due to the right-handed helicity of DNA. It appears at 245 nm. As shown by the red dotted circle in FIG. 2A, the interaction of aptamer with MC-LR induced a change in the CD spectrum at ˜245 nm. After adding MC-LR, the negative CD band at ~ 245 nm showed a decrease from -0.8916 mdeg (aptamer alone) to -0.6477 mdeg (aptamer with 10 pg / mL of MC-LR). , Positive bands at ˜275 nm were found to be less affected. In general, changes in negative CD bands can be observed in DNA insertion events. Specifically, the decrease in intensity of the negative CD band can occur when the target molecule is inserted perpendicular to the helical DNA axis. The peak at ˜245 nm is the only negative CD band in FIG. 2A and there is a decrease in intensity at that peak, so it can be concluded that MC-LR molecules are inserted perpendicular to the base pair and bind to the aptamer.

2-2. PoPo3 염료 첨가에 의한 2-2. By adding PoPo3 dye 앱타머의Aptamer 구조적 변화 Structural change

PoPo3 염료 첨가에 따른 앱타머의 구조적 변화(conformational change)를 상기 실시예 2-1에서와 같이 CD 분광편광법으로 확인하였다. 용액은 상기 실시예 2-1에서와 동일한 방법으로 준비하였다. 간략히, 10 μmole/L 앱타머 분액(aliquots, 60 μL)을 0.02 mole/L Tris-HCl 완충액(pH 8.0) 210 μL을 포함하는 1.5 mL 바이알에 옮겼다. 이어서, 30 μL의 요오드화 PoPoTM-3 염료(Dimeric cyanine nucleic acid stains, Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)를 상기 바이알에 첨가하여 최종 농도 0.1 μmole/L가 되도록 하였다. 상기 바이알은 실온에서 밤새도록 인큐베이션하였다. 용액을 큐벳이 옮기고, 상기 실시예 2-1에서와 동일한 방법으로 CD 스펙트럼을 측정하였다.Conformational change of aptamer according to the addition of PoPo3 dye was confirmed by CD spectroscopic polarization as in Example 2-1. The solution was prepared in the same manner as in Example 2-1. Briefly, 10 μmole / L aptamer aliquots (60 μL) were transferred to 1.5 mL vials containing 210 μL of 0.02 mole / L Tris-HCl buffer (pH 8.0). 30 μL of iodide PoPo -3 dye (Dimeric cyanine nucleic acid stains, Invitrogen, Carlsbad, Calif., USA) was then added to the vial to a final concentration of 0.1 μmole / L. The vials were incubated overnight at room temperature. The solution was transferred to a cuvette and the CD spectrum was measured in the same manner as in Example 2-1.

2-3. 2-3. 앱타머Aptamers 내로의  Mine PoPo3PoPo3 염료의 삽입 Insertion of dye

0.02 mole/L 농도의 Tris 완충액 90 μL에 앱타머를 다양한 양(0, 10, 50, 100, 200, 및 500 pmole)으로 부유시켰다(suspend). 상기 용액을 불투명한 96-웰 마이크로플레이트(Thermo Fisher Scientific, Wilmington, DE, USA)에 옮겼다. 이어서, 상기 마이크로플레이트에 10 μL의 PoPo3 염료를 첨가하여 최종 농도 0.1, 1, 2.5, 5, 및 10 μmole/L로 Tris 완충액 용액을 제조하였다. 530 nm 여기 파장으로 561 nm에서 PoPo3 염료의 형광을 SpectraMax M2 분광형광계(Molecular Devices, Sunnyvale, CA, USA)를 사용하여 측정하고, 10분 간격으로 2시간 동안 기록하였다. 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다. Aptamers were suspended in varying amounts (0, 10, 50, 100, 200, and 500 pmoles) in 90 μL of 0.02 mole / L Tris buffer. The solution was transferred to an opaque 96-well microplate (Thermo Fisher Scientific, Wilmington, DE, USA). Subsequently, 10 μL of PoPo3 dye was added to the microplate to prepare Tris buffer solution at final concentrations of 0.1, 1, 2.5, 5, and 10 μmole / L. The fluorescence of the PoPo3 dye at 561 nm with 530 nm excitation wavelength was measured using SpectraMax M2 spectrofluorometer (Molecular Devices, Sunnyvale, Calif., USA) and recorded for 2 hours at 10 minute intervals. All experiments were performed three times.

2b에서 빨간 점선의 원으로 표시한 바와 같이, ~245 nm에서 앱타머의 음성 CD 피크는 0.1 μmole/L 농도의 PoPo3 염료 첨가에 의해 변화하였다. 이와 동일한 방식으로, 음성 피크에서 값의 감소는 PoPo3이 수직 방향으로의 삽입에 의해 앱타머에 삽입되었음을 나타내는 것이다. 앱타머로 PoPo3 염료의 삽입을 사용하여, 앱타머의 단위 사용량에 대한 PoPo3 염료의 농도를 다양하게 변화시키면서 테스트하여 최적의 앱타머 농도를 결정하였다(도 2c). 도 3에서 결정된 바와 같이, PoPo3 염료와 앱타머를 함께 10분 동안 인큐베이션한 후, 삽입된 PoPo3 염료의 형광 신호(RFU561 nm)는 다양한 PoPo3 염료 농도에서 앱타머 양에 대해 비례적으로 증가하였다. 선형 회귀 분석(linear regression analysis)에 의해 앱타머 양과 PoPo3 염료 농도 사이의 관계를 산출하였다. 형광 신호(RFU561 nm)와 앱타머 양 사이의 결정 상수(coefficient of determination, r2)를 획득하였다. 2.5 및 5 μmole/L 농도의 PoPo3 염료 모두 각각 0.992 및 0.993의 가장 높은 결정 상수를 나타내었다. 10 μmole/L 농도의 PoPo3 염료는 가장 높은 형광을 나타내었음에도 불구하고, 다양한 앱타머 농도에서 효율적인 삽입을 위하여 5 μmole/L 농도의 PoPo3 염료를 선택하였다(도 2c의 화살표).Degree As indicated by the red dotted circle in 2b, the negative CD peak of the aptamer at ˜245 nm was changed by addition of PoPo3 dye at a concentration of 0.1 μmole / L. In this same way, the decrease in the value at the negative peak indicates that PoPo3 has been inserted into the aptamer by insertion in the vertical direction. Insertion of PoPo3 dye into the aptamer was used to determine the optimal aptamer concentration by testing with varying concentrations of PoPo3 dye for the unit usage of the aptamer (FIG. 2c). As determined in FIG. 3, after incubating the PoPo3 dye and the aptamer together for 10 minutes, the fluorescence signal (RFU 561 nm ) of the inserted PoPo3 dye increased proportionally with the amount of aptamer at various PoPo3 dye concentrations. Linear regression analysis calculated the relationship between the aptamer amount and the PoPo3 dye concentration. A coefficient of determination (r 2 ) between the fluorescence signal (RFU 561 nm ) and the amount of aptamer was obtained. Both PoPo3 dyes at 2.5 and 5 μmole / L concentrations showed the highest crystal constants of 0.992 and 0.993, respectively. Although PoPo3 dyes at 10 μmole / L concentration showed the highest fluorescence, PoPo3 dyes at 5 μmole / L concentration were selected for efficient insertion at various aptamer concentrations (Fig. Arrow of 2c).

2-4. 자성 2-4. magnetism 비드Bead  versus 양자점의Quantum dots 최적 비율 Optimal ratio

QD525의 가장 높은 형광 신호를 획득하기 위하여, MB(1, 2, 및 4×107개 입자, Invitrogen)와 QD525(1, 2, 및 4×10-11 몰, Invitrogen) 간의 다양한 비율을 시험하였다. 2시간 동안 NHS/EDC(N-hydroxysuccinimide/ethylcarbodiimide hydrochloride, Sigma-Aldrich, Saint-Louis, MO, USA)와의 반응을 통해 아민화된 MB를 카르복실기로 개질된 QD525와 결합시켰다. 결합되지 않은 QD525 나노입자들은 0.02 mole/L Tris 완충액으로 세척하여 제거하였다. 결과로 수득한 MB-QD525 복합체를 동일한 완충액 200 μL에 재분산시켜 불투명한 96-웰 마이크로플레이트에 옮겼다. 360 nm 파장으로 여기시키고 530 nm에서 형광을 측정하였다. 모든 실험은 4회 반복하여 수행하였다.A range of the ratio between in order to obtain the highest fluorescent signal of the QD 525, MB (1, 2 , and 4 × 10 7 more particles, Invitrogen) and the QD 525 (1, 2, and 4 × 10 -11 mol, Invitrogen) Tested. Aminated MB was combined with QD 525 modified with carboxyl groups by reaction with NHS / EDC (N-hydroxysuccinimide / ethylcarbodiimide hydrochloride, Sigma-Aldrich, Saint-Louis, MO, USA) for 2 hours. Unbound QD 525 nanoparticles were removed by washing with 0.02 mole / L Tris buffer. The resulting MB-QD 525 complex was redispersed in 200 μL of the same buffer and transferred to an opaque 96-well microplate. Excited at 360 nm wavelength and fluorescence was measured at 530 nm. All experiments were performed four times.

단위 QD525 당 MB 입자의 다양한 혼합 비율을 테스트하여 MB-QD525 복합체의 형성을 최적화하였다. 도 2d(빨간 점선 원)와 관련하여, 4×10-11 몰의 QD525 및 107 입자의 MB에서 QD525의 가장 높은 형광 신호(RFU530 nm)를 달성하였다. 4×10-11 몰의 QD525에서, 형광은, 107로부터 4×107까지, 보다 많은 MB 입자의 첨가에 의해 감소되었다. 이는 QD525의 형광이 크기 차이로 인해 MB 입자들에 의해 간섭받을 수 있음을 나타내는 것이다. 사용한 MB 및 QD525 입자는 각각 ~2.5 μm와 ~4 nm의 직경을 갖는다. MB(107 입자) 및 QD525(4×10-11 몰) 입자의 혼합 비율을 선택하여 이후 실험에 사용하였다. 한편, QD525 입자의 사용량이 1 또는 2×10-11 몰로 상대적으로 적을 때에는 사용한 MB 입자의 수가 많을 수록 오히려 측정된 형광 신호가 증가하였는데, 이는 보다 넓은 표면적을 제공함으로써 양자점의 부착 기회를 높여 효율적인 신호 수집을 가능하게 하기 때문인 것으로 사료된다.Various mixing ratios of MB particles per unit QD 525 were tested to optimize the formation of the MB-QD 525 complex. Degree Regarding 2d (red dashed circle), the highest fluorescence signal (RFU 530 nm ) of QD 525 was achieved at 4 × 10 −11 moles of QD 525 and MB of 10 7 particles. In 4 × 10 −11 moles of QD 525 , fluorescence was reduced by the addition of more MB particles, from 10 7 to 4 × 10 7 . This indicates that the fluorescence of QD 525 may be interfered by MB particles due to the size difference. The MB and QD 525 particles used had diameters of ˜2.5 μm and ˜4 nm, respectively. Mixing ratios of MB (10 7 particles) and QD 525 (4 × 10 −11 moles) particles were selected and used in subsequent experiments. On the other hand, when the amount of QD 525 particles used was relatively small (1 or 2 × 10 −11 moles), the larger the number of MB particles used, the more the fluorescence signal measured increased. It is believed that this is because it enables signal collection.

2-5. FRET 설정의 실행가능성2-5. Feasibility of setting FRET

FRET 설정(configuration)(도 1d)을 MB-QD525-앱타머 복합체 내로의 PoPo3 염료의 삽입으로 입증하였다. MB(1×107 입자) 및 QD525(4×10-11 mole)의 최적 비율에 따라 MB-QD525 복합체를 준비하였다. MB-QD525 복합체의 분액(100 μL)을 6개의 1.5 mL 바이알에 옮겼다. 5' 말단에 아민 작용기를 갖는 앱타머 용액(10 μmole/L) 20 μL를 3개 바이알에 첨가하고, 이어서 다음과 같이 NHS/EDC 반응을 통해 MB-QD525-앱타머 복합체를 형성하였다.The FRET configuration (FIG. 1D) was demonstrated by the insertion of PoPo3 dyes into the MB-QD 525 -aptamer complex. MB-QD 525 composites were prepared according to the optimal ratio of MB (1 × 10 7 particles) and QD 525 (4 × 10 −11 mole). Aliquots (100 μL) of the MB-QD 525 complex were transferred to six 1.5 mL vials. 20 μL of an aptamer solution (10 μmole / L) having an amine functional group at the 5 ′ end was added to three vials, and then MB-QD 525 -aptamer complex was formed through NHS / EDC reaction as follows.

Figure 112018050019794-pat00002
Figure 112018050019794-pat00002

결합하지 않은 앱타머를 0.02 mole/L Tris 완충액으로 2회 세척하여 제거하고, MB-QD525-앱타머 복합체를 동일한 완충액에 재분산시켰다. 비교를 위하여, 음성대조군으로 MB-QD525 복합체를 다른 3개 바이알에 동시에 준비하였다. 바이알 내의 각각의 용액을 마이크로플레이트에 옮기고, PoPo3 염료(최종 농도로서 5 μmole/L)를 상기 플레이트에 첨가하였다. 플레이트를 MixMate 셰이커(Eppendorf, Hamburg, Germany)에서 1,200 rpm으로 교반(agitation)하면서 실온에서 10분 동안 인큐베이션하였다. SpectraMax M2 분광형광계를 사용하여 360 nm 파장으로 여기하여 561 nm에서 PoPo3 염료의 FRET-매개된 형광 방출(RFU561nm)을 측정하였다. 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다.Unbound aptamers were removed by washing twice with 0.02 mole / L Tris buffer and the MB-QD 525 -aptamer complex was redispersed in the same buffer. For comparison, the MB-QD 525 complex was prepared simultaneously in three different vials as negative controls. Each solution in the vial was transferred to a microplate and PoPo3 dye (5 μmole / L as final concentration) was added to the plate. Plates were incubated for 10 minutes at room temperature with agitation at 1,200 rpm in a MixMate shaker (Eppendorf, Hamburg, Germany). By using a SpectraMax M2 spectral optical fields excited by 360 nm wavelength at 561 nm was measured FRET- mediated fluorescence emission (561nm RFU) of PoPo3 dyes. All experiments were performed three times.

FRET 기반 PoPo3 염료 방출의 실현가능성을 테스트하였으며, 그 결과를 도 2e에 나타내었다. 삽입을 위하여 MB-QD525-앱타머를 PoPo3 염료와 인큐베이션하였다. 결합되지 않은 PoPo3 염료를 세척한 후, 측정된 PoPo3 염료의 형광(RFU561 nm=258±6)은 앱타머 내에서 PoPo3 염료의 유의미한 삽입이 발생하였음을 나타내었다. 예상되는 바와 같이, 앱타머가 없는 MB-QD525(음성대조군)는 바탕 잡음에 상응하는 신호 값(RFU561 nm=43±18)을 나타내었다. 이는 PoPo3 염료의 형광은 QD525의 방출에 의한 여기에 의해 성공적으로 방출되었으며, 이는 대부분 MB-QD525-앱타머에 대한 PoPo3 염료의 삽입으로부터 유도되었음을 나타내는 것이다. 바탕 잡음 신호(background noise signal)는 20% 미만이었다.The feasibility of FRET-based PoPo3 dye release was tested and the results are shown. 2e. MB-QD 525 -Aptamer was incubated with PoPo3 dye for insertion. After washing the unbound PoPo3 dye, the fluorescence of the measured PoPo3 dye (RFU 561 nm = 258 ± 6) indicated that significant insertion of the PoPo3 dye occurred in the aptamer. As expected, the aptamer-free MB-QD 525 (voice control) showed a signal value corresponding to background noise (RFU 561 nm = 43 ± 18). This indicates that the fluorescence of the PoPo3 dye was successfully released by excitation by the release of QD 525 , which was mostly derived from the insertion of PoPo3 dye into the MB-QD 525 -aptamer. The background noise signal was less than 20%.

2-6. MB-QD2-6. MB-QD 525525 -- 앱타머의Aptamer 안정화 stabilize

소디움 보로하이드라이드(NaBH4) 용액을 사용하여 MB-QD525-앱타머 복합체를 안정화하였다(passivated). NaBH4 용액은 0.05% SDS 함유 2X SSC에서 132 mmole/L의 최종 농도로 신선하게 제조하였다. MB-QD525-앱타머 복합체의 분액(100 μL)을 1.5 mL 바이알에 옮겼다. 상기 NaBH4 용액(100 μL)을 총 36개 바이알의 절반에 첨가하고, 다른 절반의 바이알에는 비교를 위하여 초고순도 증류수(ultrapure distilled water, DNase/RNase/Protease free, Intron Bio-technology, Gyeonggi, Korea)를 첨가하였다. 이들 바이알은 MixMate 셰이커에서 1,200 rpm으로 교반하면서 실온에서 5 내지 30분 동안 인큐베이션하였다. 다른 반응 시간 동안 안정화 후, MB-QD525-앱타머 복합체를 0.02 mole/L Tris 완충액으로 2회 세척하고, 동일한 완충액에 재분산시켰다. MB-QD525-앱타머 복합체를 불투명한 96-웰 마이크로플레이트에 옮기고, PoPo3 염료(최종 농도로서 5 μmole/L)를 상기 용액에 첨가하였다. 10분 동안의 인큐베이션 후, SpectraMax M2 분광형광계를 이용하여 동일한 360 nm 파장에서 여기 후 각각 530 nm 및 561 nm에서 QD525 및 FRET-기반 PoPo3 염료의 형광 신호를 측정하였다. 각각의 형광을 이용하여, 다음의 식 (1)으로 정상화한 형광(normalized fluorescence)을 결정하였다. 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다.Sodium borohydride (NaBH 4 ) solution was used to stabilize the MB-QD 525 -aptamer complex. NaBH 4 solution was freshly prepared at a final concentration of 132 mmole / L in 2 × SSC containing 0.05% SDS. An aliquot (100 μL) of MB-QD 525 -aptamer complex was transferred to a 1.5 mL vial. The NaBH 4 solution (100 μL) was added to half of a total of 36 vials, and the other half of the vial was ultra high purity distilled water (ultrapure distilled water, DNase / RNase / Protease free, Intron Bio-technology, Gyeonggi, Korea). ) Was added. These vials were incubated for 5-30 minutes at room temperature with stirring at 1,200 rpm in a MixMate shaker. After stabilization for different reaction times, the MB-QD 525 -aptamer complex was washed twice with 0.02 mole / L Tris buffer and redispersed in the same buffer. MB-QD 525 -aptamer complex was transferred to an opaque 96-well microplate and PoPo3 dye (5 μmole / L as final concentration) was added to the solution. After incubation for 10 minutes, the fluorescence signal of QD 525 and FRET-based PoPo3 dyes was measured at 530 nm and 561 nm after excitation at the same 360 nm wavelength using a SpectraMax M2 spectrofluorometer. Using each fluorescence, normalized fluorescence was determined by the following equation (1). All experiments were performed three times.

Figure 112018050019794-pat00003
(1)
Figure 112018050019794-pat00003
(One)

2f는 시간에 따른 NaBH4에 의한 MB-QD525-앱타머의 안정화 결과를 나타낸다. MB-QD525-앱타머의 정상화된 형광(PoPo3/QD525)은, 복합체가 NaBH4에 의해 안정화되었을 때(도 2f에서 닫힌 원), 더 높았다(즉, 향상되었다). 특히, 5분 안정화(도 2f의 빨간색 화살표)는 가장 높은 정상화된 형광을 나타내었으며, 따라서 이를 선택하여 이후 실험에 사용하였다. MB-QD525-앱타머의 작용기를 환원제인 NaBH4로의 캡핑에 의해 불활성화하였다. 이는 PoPo3 염료의 비특이적인 결합 또는 응집을 차단할 수 있다.Degree 2f shows the stabilization result of MB-QD 525 -Aptamer by NaBH 4 over time. Normalized fluorescence of MB-QD 525 -aptamer (PoPo3 / QD 525 ) was higher (ie, improved) when the complex was stabilized by NaBH 4 (closed circle in FIG. 2F). In particular, 5 min stabilization (red arrow in FIG. 2F) showed the highest normalized fluorescence and was therefore selected for use in subsequent experiments. The functional group of MB-QD 525 -aptamer was inactivated by capping with NaBH 4 , a reducing agent. This may block nonspecific binding or aggregation of PoPo3 dyes.

2-7. 2-7. QDQD -- 앱타센서의Apta sensor 현미경 이미지 분석 Microscopic image analysis

복합체의 구조를 가시적으로 확인하기 위하여, 주사전자현미경(scanning electron microscopy) 및 공초점현미경(confocal microscopy)을 포함한 현미경 이미지 분석(microscopic image analysis)을 수행하였다. 실시예 2을 통해 MB-QD525 및 MB-QD525-앱타머 복합체를 각각 준비하였다. 상기 MB-QD525 복합체의 표면을 30 kV의 가속 전압으로 전계방출-주사전자현미경(field emission-scanning electron microscopy; FE-SEM, SU-70, Hitachi High Technologies Corp., Tokyo, Japan)을 사용하여 분석하였다. 상기 MB-QD525-앱타머 복합체의 형성을 공초점현미경으로 확인하였다. 앱타머의 시각적 입증(visual verification)을 위하여, PoPo3 염료를 MB-QD525-앱타머 복합체에 첨가하였다. 앱타머에 PoPo3 염료 삽입 후, QD525 및 PoPo3 염료를 포함하는 앱타머의 형광 이미지를 각각 530 nm 및 560 nm 방출 파장에서 고해상도(super resolution) 공초점현미경(TCS SP8 STED, Leica Microsystems, Wetzlar, Germany)으로 촬영하였다.To visually confirm the structure of the complex, microscopic image analysis was performed, including scanning electron microscopy and confocal microscopy. Example 2 prepared MB-QD 525 and MB-QD 525 -aptamer complexes, respectively. The surface of the MB-QD 525 composite was subjected to field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM, SU-70, Hitachi High Technologies Corp., Tokyo, Japan) at an acceleration voltage of 30 kV. Analyzed. The formation of the MB-QD 525 -aptamer complex was confirmed by confocal microscopy. For visual verification of the aptamers, PoPo3 dye was added to the MB-QD 525 -aptamer complex. After insertion of the PoPo3 dye into the aptamer, fluorescence images of the aptamer containing QD 525 and PoPo3 dyes were super resolution confocal microscopes (TCS SP8 STED, Leica Microsystems, Wetzlar, Germany) at 530 nm and 560 nm emission wavelengths, respectively. ) Was taken.

QD-앱타센서 복합체의 형성을 현미경 분석으로 확인하였다(도 4). 도 4a에서 화살표로 나타낸 바와 같이, SEM 이미지는 QD525 나노입자들이 MB 입자의 표면에 고정화되었음을 나타내었다. 또한, 공초점 현미경 관찰을 통해 이를 가시적으로 나타내었다(도 4b). 도 4b의 하단 좌측 도면은 530 nm에서만 발광하는 QD525 나노입자들을 나타낸다. 도 4b의 하단 우측 도면은 360 nm 여기 하에 FRET 기반 560 nm 방출을 찍은 삽입된 PoPo3 염료를 나타낸다(도 1d). 공초점 현미경 이미지는 MB-QD525-앱타머 콘쥬게이트 내에 PoPo3 염료가 성공적으로 삽입되었음을 나타내었다. 앱타머는 FRET 기반 PoPo3 염료의 형광 이미지를 찍어 가시화하였다.Formation of the QD-apta sensor complex was confirmed by microscopic analysis (FIG. 4). As indicated by the arrows in FIG. 4A, SEM images showed that QD 525 nanoparticles were immobilized on the surface of MB particles. In addition, it was shown visually through confocal microscopy (Fig. 4b). The bottom left figure of FIG. 4B shows QD 525 nanoparticles that only emit at 530 nm. The bottom right plot of FIG. 4B shows the embedded PoPo3 dyes taking FRET based 560 nm emission under 360 nm excitation (FIG. 1D). Confocal microscopy images showed the successful insertion of PoPo3 dyes into the MB-QD 525 -aptamer conjugate. Aptamers were visualized by taking fluorescence images of FRET-based PoPo3 dyes.

실시예Example 3:  3: QDQD -- 앱타센서의Apta sensor 민감성 확인 Sensitivity Check

MB-QD525-앱타머 복합체의 분액(160 μL)을 마이크로플레이트에 옮기고, PoPo3 염료(20 μL)를 마이크로플레이트에 첨가하여 삽입되도록 하였다. 10분 동안 앱타머에 PoPo3 염료를 삽입한 후, 10배 연속 희석된 MC-LR(10-4 내지 102 ng/mL, Enzo Life Sciences, New York, NY, USA)을 총 부피 200 μL가 되도록 상기 마이크로플레이트에 첨가하였다. 음성대조군(negative control; NC)으로는, MC-LR 대신에 초고순도 증류수를 첨가하였다. 상기 마이크로플레이트를 MixMate에서 1,200 rpm으로 교반하면서 10시간 동안 실온에서 인큐베이션하였다. 주어진 인큐베이션 시간 동안, QD525 및 FRET-매개된 PoPo3 염료의 형광을 SpectraMax M2 분광형광계를 사용하여 360 nm 여기 하에 530 nm 및 561 nm에서 정해진 시점(0, 0.17, 1, 2, 4, 6, 8, 및 10시간)에 측정하였다. 이어서, 음성대조군(NF NC ) 및 시료(NF Sample )의 정상화된 형광(normalized fluorescence, PoPo3/QD525)을 상기 식 (1)에 따라 계산하였다. NF NC NF Sample 간의 차이에 의한 정상화된 형광에서의 상대적인 감소(Δ(PoPo3/QD525))는, 하기 식 (2)에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 제안된 방법의 민감성(sensitivity) 및 선택성(selectivity) 확인(verification)에 사용되었다(도 5 및 6). 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다.An aliquot (160 μL) of MB-QD 525 -aptamer complex was transferred to a microplate and PoPo3 dye (20 μL) was added to the microplate for insertion. After inserting PoPo3 dye into the aptamer for 10 minutes, 10-fold serial diluted MC-LR (10 -4 to 10 2 ng / mL, Enzo Life Sciences, New York, NY, USA) was added to a total volume of 200 μL. It was added to the microplate. As a negative control (NC), ultrahigh-purity distilled water was added instead of MC-LR. The microplates were incubated for 10 hours at room temperature with stirring at 1,200 rpm in MixMate. For a given incubation time, fluorescence of QD 525 and FRET-mediated PoPo3 dyes was determined at 530 nm and 561 nm under 360 nm excitation using a SpectraMax M2 spectrofluorometer (0, 0.17, 1, 2, 4, 6, 8). , And 10 hours). Subsequently, normalized fluorescence (PoPo3 / QD 525 ) of the negative control group ( NF NC ) and the sample ( NF Sample ) was calculated according to Equation (1). The relative decrease in normalized fluorescence due to the difference between NF NC and NF Sample (Δ (PoPo3 / QD 525 )), as shown in Equation (2) below, is the sensitivity and selectivity of the method proposed in the present invention. (selectivity) was used for verification (FIGS. 5 and 6). All experiments were performed three times.

Figure 112018050019794-pat00004
(2)
Figure 112018050019794-pat00004
(2)

FRET 기반 QD-앱타센서는 MC-LR 분자를 검출 및 정량화할 수 있었다. 10시간 반응 동안 상대적인 정상화된 형광(Δ(PoPo3/QD525))을 모니터하였으며, 신호는 시간에 따라 증가하였다(도 5a). 이는 FRET이 시간-의존적 형광 변화를 측정할 수 있음을 나타낸다. 도 5a에 나타난 바와 같이, 상대적인 정상화된 형광은 반응 초기에 빠르게 증가하였으며, 이후 6시간 반응 후에 거의 포화되었다. 따라서, MC-LR 검출을 위한 QD-앱타센서의 추가적인 민감성 입증을 위해 6시간에서 상대적인 정상화된 형광을 사용하였다. 도 5b와 관련하여, 상대적인 정상화된 형광은 10-4 내지 102 ng/mL(ppb or nmole/L) 범위에서 MC-LR의 농도에 선형적으로 비례하였다. y=0.15log10 x+0.93(r2=0.94)의 회귀를 나타내었다. 이때, 상대적인 정상화된 형광은 y-축이며, MC-LR 농도는 x-축이다. 분석적 검출한계(limit of detection; LOD)는 10-4 ng/mL(nmole/L)이었으며, 이는 음용수에 대한 WHO 지침 수준인 1 ng/mL 보다 훨씬 더 낮다. 하기 표 1에는 당업계에 공지된 다양한 앱타머 기반 MC-LR 정량화 방법에 대한 검출한계를 요약하였다. 이는 본 발명에 따른 FRET 기반 QD-앱타센서가, 다른 앱타머 기반의 분석 방법에 비해, MC-LR 분자에 대해 가장 높은 수준의 민감성을 가짐을 나타내는 것이다.FRET-based QD-Apta sensors were able to detect and quantify MC-LR molecules. Relative normalized fluorescence (Δ (PoPo3 / QD 525 )) was monitored during the 10 hour reaction and the signal increased with time (FIG. 5A). This indicates that FRET can measure time-dependent fluorescence changes. As shown in FIG. 5A, the relative normalized fluorescence increased rapidly at the beginning of the reaction and then nearly saturated after the 6 hour reaction. Therefore, relative normalized fluorescence was used at 6 hours to further demonstrate the sensitivity of the QD-Apta sensor for MC-LR detection. With reference to FIG. 5B, the relative normalized fluorescence was linearly proportional to the concentration of MC-LR in the range of 10 −4 to 10 2 ng / mL (ppb or nmole / L). A regression of y = 0.15 log 10 x +0.93 (r 2 = 0.94) is shown. At this time, the relative normalized fluorescence is the y -axis and the MC-LR concentration is the x -axis. The analytical limit of detection (LOD) was 10 −4 ng / mL (nmole / L), which is much lower than the WHO guideline level for drinking water, 1 ng / mL. Table 1 below summarizes the detection limits for various aptamer-based MC-LR quantification methods known in the art. This indicates that the FRET-based QD-Apta sensor according to the present invention has the highest level of sensitivity to MC-LR molecules compared to other aptamer-based analytical methods.

검출 방법Detection method 검출 한계
(ng/mL)
Detection limit
(ng / mL)
문헌literature
비색적 앱타센서Colorimetric Apta Sensor 0.370.37 J. Hazard. Mater. 304 (2016) 474-480J. Hazard. Mater. 304 (2016) 474-480 비색적 앱타센서Colorimetric Apta Sensor 0.050.05 Biosens. Bioelectron. 68 (2015) 475-480Biosens. Bioelectron. 68 (2015) 475-480 전기화학적 앱타센서Electrochemical Apta Sensor 11.8×10-3 11.8 × 10 -3 Environ. Sci. Technol. 46 (2012) 10697-10703Environ. Sci. Technol. 46 (2012) 10697-10703 미세캔틸레버 어레이 바이오센서Microcantilever Array Biosensor 1One Sensor. Actuat. B-Chem. 260 (2018) 42-47Sensor. Actuat. B-Chem. 260 (2018) 42-47 전기화학적 앱타톡시센서Electrochemical Aptoxy Sensor 0.040.04 Sensors (Basel) 16 (2016) E1901Sensors (Basel) 16 (2016) E1901 전압전류 앱타센서Volt Amp Apta Sensor 1.9×10-3 1.9 × 10 -3 Anal. Chem. 86 (2014) 7551-7557Anal. Chem. 86 (2014) 7551-7557 전기화학적 임피던스 바이오센서Electrochemical Impedance Biosensor 1.8×10-2 1.8 × 10 -2 Talanta 103 (2013) 371-374Talanta 103 (2013) 371-374 형광 앱타센서Fluorescent Apta Sensor 0.1390.139 Talanta 166 (2017) 187-192Talanta 166 (2017) 187-192 업컨버젼 기반 형광 앱타센서Upconversion Based Fluorescent Apta Sensor 2×10-3 2 × 10 -3 Biosens. Bioelectron. 90 (2017) 203-209Biosens. Bioelectron. 90 (2017) 203-209 이중 FRET 앱타센서Dual FRET Apta Sensor 0.10.1 Anal. Bioanal. Chem. 407 (2015) 1303-1312Anal. Bioanal. Chem. 407 (2015) 1303-1312 FRET 기반 QD-앱타센서FRET-based QD-Apta Sensor 10-4 10 -4 본 발명The present invention

실시예Example 4:  4: QDQD -- 앱타센서의Apta sensor 선택성 확인 Selectivity check

MB-QD525-앱타머 복합체의 분액(160 μL)을 마이크로플레이트에 옮기고, PoPo3 염료(20 μL)를 마이크로플레이트에 첨가하였다. 선택성 확인을 위하여, 총 7개의 MC-LR 유사체(analogs)(MC-YR, MC-LY, MC-LW, MC-RR, MC-LF, MC-LA, 및 Nodularin)를 Enzo Life Sciences Inc.로부터 입수하였다. 유사체들의 구체적인 정보는 하기 표 2에 열거하였다. 각각의 유사체 화합물 20 μL를, 최종 농도 1 ng/mL이 되도록, QD-앱타센서 반응에 첨가하였다. 상기 농도 1 ng/mL는 세계보건기구(World Health Organization; WHO) 지침 상의 마이크로시스틴 농도에 상응한다. 추가적으로, MC-LR 및 초고순도 증류수를 각각 양성대조군 및 음성대조군으로 반응에 첨가하였다. 상기 마이크로플레이트를 MixMate에서 1,200 rpm으로 교반하면서 6시간 동안 실온에서 인큐베이션하였다. 인큐베이션 후, QD525 및 FRET-기반 PoPo3 염료의 형광을 SpectraMax M2 분광형광계를 이용하여 측정하였다. 상대적인 정상화된 형광은 상기 식 (2)에 따라 결정하였다. 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다.An aliquot (160 μL) of MB-QD 525 -aptamer complex was transferred to a microplate and PoPo3 dye (20 μL) was added to the microplate. For selectivity confirmation, a total of seven MC-LR analogs (MC-YR, MC-LY, MC-LW, MC-RR, MC-LF, MC-LA, and Nodularin) were obtained from Enzo Life Sciences Inc. Obtained. Specific information of the analogs is listed in Table 2 below. 20 μL of each analog compound was added to the QD-AptaSensor reaction to a final concentration of 1 ng / mL. The concentration of 1 ng / mL corresponds to the microcystine concentration on the World Health Organization (WHO) guidelines. In addition, MC-LR and ultrapure distilled water were added to the reaction as a positive control and a negative control, respectively. The microplates were incubated for 6 hours at room temperature with stirring at 1,200 rpm in MixMate. After incubation, fluorescence of QD 525 and FRET-based PoPo3 dyes was measured using SpectraMax M2 spectrofluorometer. Relative normalized fluorescence was determined according to equation (2) above. All experiments were performed three times.

Figure 112018050019794-pat00005
Figure 112018050019794-pat00005

FRET 기반 QD-앱타센서의 선택성을 MC-LR 및 이의 유사 화합물(its analogous chemicals)을 이용하여 검증하였다. 상기 표 2에 나타난 바와 같이, MC-LR과 화학 구조적 유사성을 갖는 7종의 유사체(구체적으로 MC-YR, MC-LY, MC-LW, MC-RR, MC-LF, MC-LA, 및 노둘라린(nodularin))를 선택하였다. 도 6에 나타난 바와 같이, MC-LR은 FRET 기반 QD-앱타센서에 의해 1 ng/mL 농도에서 선택적으로 검출되었다. 가장 높은 MC-LR의 상대적인 정상화된 형광은 다른 유사체들과 비교하여 MC-LR의 가장 높은 친화력을 나타내는 것이다. MC-LR에 대한 친화력을 100%로 설정하였을 때, MC-YR 및 MC-LA에 대한 상대적인 결합력은 모두 0%에 가까웠다. 반면, MC-LY, MC-RR, 및 노둘라린은 약 13 내지 15%의 상대적인 친화력을 나타내었으며, MC-LW 및 MC-LF는 각각 28 및 36%의 값을 나타내었다. 통계적 분석을 사용하여, MC-LR에 대한 결합 친화력은 다른 유도체들에 대한 값으로부터 유의미하게 상이하였다(t-테스트에 의해 결정된 바, p-value << 0.01).The selectivity of the FRET based QD-Apta sensor was verified using MC-LR and its analogous chemicals. As shown in Table 2, seven analogs having chemical structural similarities to MC-LR (specifically, MC-YR, MC-LY, MC-LW, MC-RR, MC-LF, MC-LA, and Nodu) Larin (nodularin) was selected. As shown in FIG. 6, MC-LR was selectively detected at 1 ng / mL concentration by FRET based QD-Apta sensor. The relative normalized fluorescence of the highest MC-LR represents the highest affinity of the MC-LR compared to other analogs. When the affinity for MC-LR was set to 100%, the relative affinity for MC-YR and MC-LA was all close to 0%. On the other hand, MC-LY, MC-RR, and noduline showed a relative affinity of about 13-15%, and MC-LW and MC-LF showed values of 28 and 36%, respectively. Using statistical analysis, the binding affinity for MC-LR was significantly different from the values for other derivatives ( p-value << 0.01 as determined by t-test).

실시예Example 5:  5: QDQD -- 앱타센서Apta Sensor 및 ELISA  And ELISA 어세이를Assay 통한 순수 시아노박테리아 배양 중의 세포 내 MC- Intracellular MC- in Pure Cyanobacteria Cultures LRLR 분석 analysis

간독소 생산자(producer of hepatotoxin)로 알려진 마이크로시스티스 애루지노사(Microcystis aeruginosa; M. aeruginosa) 균주(strain) UTEX 2388을 미국 텍사스 대학의 조류 배양물 수집소(Culture Collection of Algae)로부터 입수하였다. 이들 100 mL의 토양수(soil water)가 제거된 modified Bold 3N medium을 포함하는 250 mL 삼각플라스크에 세균을 접종하였다. 상기 세균을 100 rpm으로 교반(Orbital shaker, DAIHAN Scientific, Gangwon, Korea)하면서, 계속조명(continuous illumination) 하에(20,000 lux, 30 W, SL230D, City E.L.G., Incheon, Korea), 실온에서 265시간(약 11일) 동안 배양하였다. 배양하면서 플라스크로부터 배양 배지(culture broth)를 주기적으로 채취하였다(0, 18.5, 42.5, 74.5, 96, 114, 139, 163, 186.5, 210.5, 235, 및 265시간). M. aeruginosa의 세포 성장은 SpectraMax M2 분광형광계로 680 nm에서 배양물의 흡광도를 분석하여 측정하였다. 세포 내 MC-LR 추출을 위하여, 14,000 rpm에서 3분 동안 원심분리(Centrifuge 5418, Eppendorf, Hamburg, Germany)하여 M. aeruginosa 배양물의 분액(1.5 mL)을 1.7 mL 바이알에 수집하였다. 수집된 세포를 1 mL의 증류수에 부유시켰다. 바이알을 얼음 위에 두고 10 W에서 P-3 미세탐침을 구비한 XL-2000 초음파 파쇄기(ultrasonic dismembrator, Qsonica, Newtown, CT, USA)로 3회 순환(1 순환: 30초 작동 및 30초 냉각)하여 초음파처리하였다. 용해된 세포는 동일한 작동 방식으로 원심분리를 통해 제거하였다. 상층액은 25 mm 나일론 실린지 필터(0.45 μm, CHMLAB, Barcelona, Spain)로 여과하였다. 수득한 추출물을 QD-앱타센서 및 ELISA를 이용한 추가적인 MC-LR 분석에 사용하였다. 상기 민감성 확인에서의 실험 과정에 따라 QD-앱타센서를 준비하였다. M. aeruginosa 배양 추출물을 플레이트에 첨가하고, MixMate에서 1,200 rpm으로 교반하면서 6시간 동안 실온에서 인큐베이션하였다. 인큐베이션 후, QD525 및 FRET-기반 PoPo3 염료의 형광을 SpectraMax M2 분광형광계를 이용하여 측정하였다. 상대적인 정상화된 형광은 상기 식 (2)에 따라 결정하였다. 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다. MC-LR 농도에 따른 상대적인 정상화 형광을 플롯한 검정 곡선으로부터 MC-LR 농도를 계산하였다(도 5b). 비교를 위하여, M. aeruginosa 배양 추출물을 또한 제조업자의 지시에 따라 ELISA 어세이 키트(Microcystin-LR ELISA Kit, Abnova, Taipei City, Taiwan)로 분석하였다. 추출물 중의 MC-LR 농도를 상업적인 ELISA 키트로부터 얻어진 표준 곡선으로부터 추산하였다(0.1 내지 2.5 ng/mL, 도 7). 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다. Microcystis aeruginosa ( M. aeruginosa ) strain UTEX 2388, known as the producer of hepatotoxin, was obtained from the Culture Collection of Algae of the University of Texas, USA. Bacteria were inoculated into 250 mL Erlenmeyer flasks containing modified Bold 3N medium from which 100 mL of soil water was removed. While stirring the bacteria at 100 rpm (Orbital shaker, DAIHAN Scientific, Gangwon, Korea), under continuous illumination (20,000 lux, 30 W, SL230D, City ELG, Incheon, Korea), 265 hours at room temperature (about 11 days). Culture broth was periodically taken from the flask (0, 18.5, 42.5, 74.5, 96, 114, 139, 163, 186.5, 210.5, 235, and 265 hours) while incubating. Cell growth of M. aeruginosa was determined by analyzing the absorbance of the culture at 680 nm with a SpectraMax M2 spectrofluorometer. For intracellular MC-LR extraction, aliquots of M. aeruginosa culture (1.5 mL) were collected in 1.7 mL vials by centrifugation (Centrifuge 5418, Eppendorf, Hamburg, Germany) for 3 minutes at 14,000 rpm. The collected cells were suspended in 1 mL of distilled water. Place the vial on ice and cycle three times (1 cycle: 30 sec on and 30 sec cool down) to an XL-2000 ultrasonic crusher (ultrasonic dismembrator, Qsonica, Newtown, CT, USA) with a P-3 microprobe at 10 W Ultrasonicated. Lysed cells were removed by centrifugation in the same manner. The supernatant was filtered with a 25 mm nylon syringe filter (0.45 μm, CHMLAB, Barcelona, Spain). The obtained extract was used for further MC-LR analysis using QD-Apta sensor and ELISA. QD-Apta sensor was prepared according to the experimental procedure in the sensitivity check. M. aeruginosa culture extract was added to the plate and incubated for 6 hours at room temperature with stirring at 1,200 rpm in MixMate. After incubation, fluorescence of QD 525 and FRET-based PoPo3 dyes was measured using SpectraMax M2 spectrofluorometer. Relative normalized fluorescence was determined according to equation (2) above. All experiments were performed three times. MC-LR concentrations were calculated from the calibration curves plotting the relative normalized fluorescence with MC-LR concentrations (FIG. 5 b ). For comparison, M. aeruginosa culture extracts were also analyzed with an ELISA assay kit (Microcystin-LR ELISA Kit, Abnova, Taipei City, Taiwan) according to the manufacturer's instructions. MC-LR concentrations in extracts were estimated from standard curves obtained from commercial ELISA kits (0.1-2.5 ng / mL, FIG. 7). All experiments were performed three times.

순수 시아노박타리아 배양물 및 환경 물 시료를 이용하여 FRET 기반 QD-앱타센서의 적용 가능성을 확인하였다. 먼저, M. aeruginosa 배양배지의 세포 내 MC-LR 농도를 세포 성장에 따라 FRET 기반 QD-앱타센서를 이용하여 정량적으로 측정하였으며, 또한 비교를 위하여 종래의 ELISA 어세이를 이용하여 분석하였다.Pure cyanobacteria cultures and environmental water samples were used to confirm the applicability of the FRET-based QD-Apta sensor. First, the intracellular MC-LR concentration of M. aeruginosa culture medium was measured quantitatively using FRET-based QD-apta sensor according to cell growth, and also analyzed using a conventional ELISA assay for comparison.

도 8a에 나타난 바와 같이, M. aeruginosa 세포를 18.5시간의 유도기(lag period) 후 성장시켰다. 초기 단계에서의 지수적 성장에 이어, 약 139시간의 인큐베이션에서 고정 성장기(stationary growth phase)가 시작되었다. 최대 비성장률(maximum specific growth rate, μmax)은 0.0199 ± 0.0002 h-1에 달하였다(도 8b). 각각의 MC-LR 농도를 FRET 기반 QD-앱타센서 및 ELISA 어세이 모두를 통해 동시에 측정하였다(도 8a). ELISA 어세이는 42.5시간의 유도기 및 초기-지수 성장기 동안 MC-LR의 정량분석이 불가한 반면, FRET 기반 QD-앱타센서는 0.02 - 0.15 ng/mL-시아노박테리아 배양물로 검출하였다. 이는 MC-LR 검출에 대한 FRET 기반 QD-앱타센서의 우수성(예컨대, 보다 낮은 LOD)에 기인할 수 있다. 도 7 및 도 5b에 나타난 바와 같이, ELISA 어세이의 분석 범위는 MC-LR에 대해 0.1 내지 2.5 ng/mL인 반면, QD-앱타센서의 분석 범위는 10-4 내지 102 ng/mL였다. 2개 방법 모두 139시간의 지수상까지 약 3.5 ng/mL-시아노박테리아 배양물 보다 낮은 세포 내 MC-LR 농도를 나타내었으며, 이후 139시간으로부터 210.5시간까지 초기 고정상에서 12.7 - 15.8 ng/mL-시아노박테리아 배양물까지 빠르게 증가하였다. 그러나, 세포 내 MC-LR 농도는 이후 1.9 내지 4.2 ng/mL-시아노박테리아 배양물까지 상당히 감소하였다. 후기 지수기(late exponential phase) 동안의 감소는 세포 용해로 인한 것으로 보이며, 이에 따라 10.8 내지 11.6 ng/mL-시아노박테리아 배양물의 MC-LR 분자가 세포 내부로부터 배양 배지로 방출되었다. 결과적으로, 측정된 세포 내 MC-LR 농도는 최대 농도에 비해 훨씬 더 낮았다. 이는 이전의 연구들과도 일치하였다. 남조류 수화현상의 후기 단계에서 보다 많은 세포가 용해됨에 따라, 세포 외 MC-LR가 수 중에 보다 풍부해졌다. FRET 기반 QD-앱타센서에 의해 측정된 세포 내 MC-LR 농도는 ELISA 어세이에 의한 결과와 유의적인 양의 상관관계를 나타내었다(도 8c). 이는 2개 변수 간에 r= 0.981의 피어슨 상관 계수(p-value << 0.01)를 나타낸다.As shown in FIG. 8A, M. aeruginosa cells were grown after 18.5 hours of lag period. Following exponential growth in the early stages, the stationary growth phase began in about 139 hours of incubation. Maximum specific growth rate (μ max ) reached 0.0199 ± 0.0002 h −1 (FIG. 8B). Each MC-LR concentration was measured simultaneously via both FRET based QD-Apta sensor and ELISA assay (FIG. 8A). The ELISA assay was unable to quantitate MC-LR during 42.5 hours of induction and early-exponential growth, whereas FRET-based QD-apta sensors were detected with 0.02-0.15 ng / mL-cyanobacterial cultures. This may be due to the superiority (eg, lower LOD) of the FRET based QD-Apta sensor to MC-LR detection. As shown in FIG. 7 and FIG. 5B, the assay range of ELISA assay was 0.1-2.5 ng / mL for MC-LR, whereas the assay range of QD-Apta sensor was 10 −4 to 10 2 ng / mL. Both methods showed lower intracellular MC-LR concentrations of about 3.5 ng / mL-cyanobacterial cultures up to 139 hours of exponential phase, then 12.7-15.8 ng / mL- in the initial stationary phase from 139 hours to 210.5 hours. There was a rapid increase in cyanobacteria cultures. However, intracellular MC-LR concentrations then decreased significantly from 1.9 to 4.2 ng / mL-cyanobacterial cultures. The decrease during the late exponential phase appears to be due to cell lysis, thus releasing MC-LR molecules of 10.8 to 11.6 ng / mL-cyanobacterial culture from inside the cell into the culture medium. As a result, the measured intracellular MC-LR concentration was much lower than the maximum concentration. This is consistent with previous studies. As more cells were lysed at later stages of cyanohydration, extracellular MC-LR became more abundant in water. Intracellular MC-LR concentration measured by FRET based QD-Apta sensor showed a significant positive correlation with the results by ELISA assay (FIG. 8C). This represents the Pearson's correlation coefficient ( p -value << 0.01) with r = 0.981 between the two variables.

실시예Example 6:  6: QDQD -- 앱타센서를The apta sensor 통한 실제 물 시료 중의 MC- MC in the actual water sample through LRLR 분석 analysis

2016년 8월 한강으로부터 환경 물 시료(environmental water samples)를 수집하였다. 물 시료채취를 위하여 6개 지점(NC1 및 NC2의 2개 음성대조군 지점 및 S1, S2, S3, 및 S4의 연구 지점)을 선정하였다. 사이트 맵과 수질정보는 각각 도 9 및 하기 표 3에 나타내었다. S1, S2, S3, 및 S4의 조류 밀도는 각각 8.6×103, 6.5×103, 2.7×105, 및 6.6×107 cells/mL이었다. NC1 및 NC2에 M. aeruginosa 배양물을 소량 첨가하여 2개 양성대조군(PC1 및 PC2)도 준비하였다. 물 시료의 분액(1 mL)을 1.5 mL 바이알에 옮겼다. 상기 바이알을 얼음 위에 두고, 상기 실시예에서와 같은 방식으로 XL-2000 초음파 파쇄기를 사용하여 3회 순환하여 초음파 처리하였다. 초음파 처리 후, 물 시료를 25 mm 나일론 실린지 필터(0.45 μm)로 여과하였다. 여액(filtrates, 20 μL)은 QD-앱타센서 및 ELISA 어세이를 이용한 MC-LR의 추가적인 분석에 사용하였다. M. aeruginosa 배양물 중의 MC-LR 분석에서 묘사된 바와 같이, QD-앱타센서 및 ELISA 어세이를 수행하였다. QD-앱타센서 및 ELISA 어세이의 표준 곡선(도 5b 및 도 7)을 이용하여, 환경 부영양화된(environmental eutrophic) 물 시료 중의 MC-LR 농도를 추산하였다. 모든 실험은 3회 반복하여 수행하였다.Environmental water samples were collected from the Han River in August 2016. Six points (two negative control points of NC1 and NC2 and a study point of S1, S2, S3, and S4) were selected for water sampling. Site map and water quality information are shown in Figure 9 and Table 3, respectively. The algal densities of S1, S2, S3, and S4 were 8.6 × 10 3 , 6.5 × 10 3 , 2.7 × 10 5 , and 6.6 × 10 7 cells / mL, respectively. Two positive controls (PC1 and PC2) were also prepared by adding small amounts of M. aeruginosa culture to NC1 and NC2. Aliquots (1 mL) of water samples were transferred to 1.5 mL vials. The vial was placed on ice and sonicated three times using an XL-2000 ultrasonic crusher in the same manner as in the above example. After sonication, the water sample was filtered through a 25 mm nylon syringe filter (0.45 μm). Filtrates (filtrates, 20 μL) were used for further analysis of MC-LR using QD-Apta sensor and ELISA assay. As depicted in the MC-LR analysis in M. aeruginosa cultures, QD-AptaSensor and ELISA assays were performed. MC-LR concentrations in environmental samples of environmental eutrophic water were estimated using standard curves of QD-Apta sensors and ELISA assays (FIGS. 5B and 7). All experiments were performed three times.

시료sample 위치location 위도/
경도
Latitude/
Hardness
수온
(℃)
Water temperature
(℃)
pHpH DO
(mg/L)
DO
(mg / L)
BOD
(mg/L)
BOD
(mg / L)
COD
(mg/L)
COD
(mg / L)
SS
(mg/L)
SS
(mg / L)
T-N
(mg/L)
TN
(mg / L)
T-P
(mg/L)
TP
(mg / L)
NC1NC1 서울 서초Seoul Seocho 37.47/
127.03
37.47 /
127.03
29.229.2 7.97.9 7.97.9 1.51.5 5.05.0 6.86.8 5.025.02 0.3170.317
NC2NC2 경기 안양Gyeonggi Anyang 37.39/
126.97
37.39 /
126.97
28.428.4 7.67.6 4.54.5 3.83.8 7.77.7 5.65.6 7.737.73 0.0400.040
S1S1 서울 강동Seoul Gangdong 37.54/
127.11
37.54 /
127.11
28.228.2 7.97.9 8.38.3 2.02.0 4.74.7 5.55.5 2.372.37 0.0360.036
S2S2 서울 성동Seongdong, Seoul 37.53/
127.03
37.53 /
127.03
29.129.1 8.18.1 6.76.7 0.80.8 3.63.6 3.43.4 2.442.44 0.0310.031
S3S3 서울 용산Yongsan, Seoul 37.52/
126.96
37.52 /
126.96
29.629.6 7.47.4 4.24.2 1.51.5 4.34.3 6.86.8 3.453.45 0.0840.084
S4S4 서울 영등포Seoul Yeongdeungpo 37.55/
126.89
37.55 /
126.89
3030 7.77.7 5.15.1 1.41.4 5.45.4 11.611.6 3.193.19 0.1030.103

또한 실제 환경 물 시료들을 사용하여 FRET 기반 QD-앱타센서의 성능을 평가하였다. 도 10a에 나타난 바와 같이, 표적 독소인, MC-LR은 각각 1.0, 7.2, 2.8, 및 2.3 ng/mL-water의 농도로 S3, S4, PC1, 및 PC2의 시료들에서만 검출되었다. 비교를 위하여, 이들 시료를 통상적인 ELISA 어세이로 분석하였으며, 그 결과 측정된MC-LR는 각각 0.2, 5.3, 3.7, 및 2.3 ng/mL-water의 농도로 확인되었다. 이들 두가지 분석 방법 모두 부영양화된 물 시료 중 시아노톡신(cyanotoxins)의 분리 및 정제 없이 MC-LR의 농도를 측정하였다. QD-앱타센서를 통해 측정된 MC-LR 농도는, 동일한 물 시료에서 마이크로시스틴 합성효소 D(microcystin synthetase D; mcyD) 유전자를 정량하는, 본 발명자들의 이전의 연구에서와 유사하였다(Environ. Sci. Technol., 2018, 52: 1375-1385). S3, S4, PC1, 및 PC2 시료들은 각각 3.5×103, 5.6×106, 1.2×105, 및 2.0×105 mcyD 유전자 카피 수(gene copy number)/mL-water를 나타내었다. ELISA 어세이에 대해 QD-앱타센서에 의해 분석된 MC-LR 농도는 강한 양의 선형 상관관계를 나타내었다(도 10b). 이는 r=0.862(p-value << 0.01)의 피어슨 상관 계수를 나타내었다.We also evaluated the performance of the FRET-based QD-Apta sensor using real environmental water samples. As shown in FIG. 10A, the target toxin, MC-LR, was only detected in samples of S3, S4, PC1, and PC2 at concentrations of 1.0, 7.2, 2.8, and 2.3 ng / mL-water, respectively. For comparison, these samples were analyzed by conventional ELISA assays, and the resulting MC-LRs were identified at concentrations of 0.2, 5.3, 3.7, and 2.3 ng / mL-water, respectively. Both of these assays measured the concentration of MC-LR without isolation and purification of cyanotoxins in eutrophic water samples. The MC-LR concentration measured via the QD-Apta sensor was similar to our previous study, which quantifies the microcystin synthetase D ( mcyD ) gene in the same water sample (Environ. Sci. Technol., 2018, 52: 1375-1385). S3, S4, PC1, and PC2 samples showed 3.5 × 10 3 , 5.6 × 10 6 , 1.2 × 10 5 , and 2.0 × 10 5 mcyD gene copy number / mL-water, respectively. MC-LR concentration analyzed by QD-Apta sensor for ELISA assay showed a strong positive linear correlation (FIG. 10B). This represented a Pearson correlation coefficient of r = 0.862 ( p -value << 0.01).

본 발명에서 개발한 FRET 기반 QD-앱타센서는 실험실 및 실제 물 시료에서 모두 MC-LR 검출에 적합하였다. 이는 기존의 ELISA 어세이에 필적할만한 성능을 갖는다. 보다 중요한 것은, 실험실 배양의 MC-LR 농도는 시아노박테리아 성장 동안 0.02 내지 15.8 ng/mL의 넓은 범위를 나타낸다는 점이다. 전술한 바와 같이, 기존의 ELISA 어세이는 0.1 내지 2.5 ng/mL의 좁은 분석 범위를 가지며, 따라서 분석에 앞서 시료의 선농축 또는 희석을 필요로 한다. 반면, FRET 기반 QD-앱타센서는 추가적인 전처리 과정 없이 MC-LR 분석을 수행할 수 있다. 이는 본 발명에서 개발된 FRET 기반 QD-앱타센서가 고도로 민감하고 선택적인 in-situ MC-LR 검출을 가능하게 하는 적합한 수단임을 나타내는 것이다.The FRET-based QD-Apta sensor developed in the present invention was suitable for detecting MC-LR in both laboratory and real water samples. This has a performance comparable to existing ELISA assays. More importantly, the MC-LR concentration in laboratory cultures exhibits a wide range of 0.02 to 15.8 ng / mL during cyanobacteria growth. As mentioned above, existing ELISA assays have a narrow assay range of 0.1 to 2.5 ng / mL, thus requiring preconcentration or dilution of the sample prior to analysis. On the other hand, FRET-based QD-Apta sensors can perform MC-LR analysis without additional preprocessing. This indicates that the FRET-based QD-Apta sensor developed in the present invention is a suitable means to enable highly sensitive and selective in-situ MC-LR detection.

비교예Comparative example 1: 유기 형광체를 수용체로 이용하는  1: using organic phosphor as receptor QDQD -- 앱타센서Apta Sensor 기반 검출 방법 Based detection method

QD-앱타센서를 이용한 FRET에 의한 검출 방법에 있어서, 형광 공여체와 수용체의 조합에 의한 효과를 확인하기 위하여, 본 발명의 QD-앱타센서와 유사한 복합체를 준비하되, 양자점으로는 565 nm에서 최대 방출을 나타내는 QD565를 사용하고, DEHP((di-2-ethylhexyl)phthalate)에 특이적으로 결합하는 앱타머를 이에 결합시켰으며, 형광 수용체로는 유기 형광체인 카르복시-X-로다민(carboxy-X-rhodamine; ROX)를 상기 앱타머에 공유결합시켰다. 이상과 같이 준비한 복합체를 다양한 농도의 DEHP와 접촉시키면서 검출을 수행하고, 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에 나타난 바와 같이, 형광 수용체로서 앱타머에 유기 형광체가 공유결합된 복합체를 사용하는 경우, 전체 농도에서 대조군(control) 즉, DEHP를 불포함하는 용매만을 처리한 경우와 동일한 패턴의 신호를 나타내었다. 이는 FRET을 발생시킬 수 있도록 파장을 매치시킨 형광 공여체와 수용체를 조합하더라도 시료의 검출이 불가할 수 있음을 나타내는 것이다.In the detection method by FRET using a QD-apta sensor, in order to confirm the effect by the combination of a fluorescent donor and a receptor, a complex similar to the QD-apta sensor of the present invention is prepared, but the maximum emission at 565 nm as a quantum dot. An aptamer that specifically binds to DEHP ((di-2-ethylhexyl) phthalate) was bound thereto using QD 565 , which represents an organic phosphor, carboxy-X-rhodamine (carboxy-X). -rhodamine (ROX) was covalently bound to the aptamer. The complex prepared as described above was detected while contacting with various concentrations of DEHP, and the results are shown in FIG. 11. As shown in Figure 11, when using a complex covalently bonded to the organic phosphor in the aptamer as a fluorescent receptor, the same pattern as the control (control, that is, only the solvent containing no DEHP) at the total concentration shows the same pattern It was. This indicates that the detection of the sample may not be possible even if the combination of the wavelength-matched fluorescent donor and the receptor to generate FRET.

<110> Ewha University-Industry Collaboration Foundation <120> Composition for detecting microcystin-LR comprising magnetic beads, quantum dots and DNA intercalating dyes <130> KPA180400-KR <160> 1 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> AN6 aptamer <400> 1 ggcgccaaac aggaccacca tgacaattac ccataccacc tcattatgcc ccatctccgc 60 <110> Ewha University-Industry Collaboration Foundation <120> Composition for detecting microcystin-LR comprising magnetic beads,          quantum dots and DNA intercalating dyes <130> KPA180400-KR <160> 1 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> AN6 aptamer <400> 1 ggcgccaaac aggaccacca tgacaattac ccataccacc tcattatgcc ccatctccgc 60

Claims (14)

자성 비드(magnetic bead);
자성 비드의 표면에 결합된, 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점(QD525);
양자점 상에 결합된, 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머(aptamer); 및
533 nm에서 최대 흡수파장을 갖는, PoPo3 염료(2-((E)-3-[1-(3-[[3-(dimethyl(3-[4-[(E)-3-(3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium-2-yl)-2-propenylidene]-1(4H)-pyridinyl]propyl)ammonio) propyl](dimethyl)ammonio]propyl)-4(1H)-pyridinylidene]-1-propenyl)-3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide)를 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 조성물.
Magnetic beads;
Two or more quantum dots (QD 525 ), having a maximum emission wavelength at 525 nm, coupled to the surface of the magnetic beads;
DNA aptamers that specifically bind to microcystin-LR, bound on quantum dots; And
PoPo3 dye (2-((E) -3- [1- (3-[[3- (dimethyl (3- [4-[(E) -3- (3-methyl)) having a maximum absorption wavelength at 533 nm. -1,3-benzoxazol-3-ium-2-yl) -2-propenylidene] -1 (4H) -pyridinyl] propyl) ammonio) propyl] (dimethyl) ammonio] propyl) -4 (1H) -pyridinylidene]- Microcystine-LR detection composition comprising 1-propenyl) -3-methyl-1,3-benzoxazol-3-ium tetraiodide).
제1항에 있어서,
상기 마이크로시스틴-LR(microcystin-LR)에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머는 서열번호 1의 염기서열로 구성된 앱타머인 것인 조성물.
The method of claim 1,
DNA aptamer specifically binding to the microcystin-LR (microcystin-LR) is a composition consisting of an aptamer consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 PoPo3 염료는 마이크로시스틴-LR 부재시 DNA 앱타머에 삽입(intercalation)되고, 마이크로시스틴-LR과 접촉시 탈착되는 것인 조성물.
The method of claim 1,
Wherein said PoPo3 dye is intercalated in the DNA aptamer in the absence of microcystine-LR and detached upon contact with microcystine-LR.
제1항에 있어서,
상기 조성물은, 마이크로시스틴-LR 부재시, 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하여 여기시키는 경우 PoPo3 염료의 형광 스펙트럼과 일치하는 영역에서 발광 스펙트럼을 나타내는 것인 조성물.
The method of claim 1,
Wherein the composition exhibits an emission spectrum in the region consistent with the fluorescence spectrum of the PoPo3 dye when it is excited by irradiation with light of 500 to 550 nm wavelength in the absence of microcystine-LR.
제1항에 있어서,
상기 조성물은, 마이크로시스틴-LR과 접촉시, 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하여 여기시키는 경우 양자점 QD525의 발광 스펙트럼을 나타내는 것인 조성물.
The method of claim 1,
Wherein said composition exhibits an emission spectrum of quantum dot QD 525 when excited by irradiation with light at a wavelength of 500-550 nm upon contact with microcystine-LR.
제1항에 있어서,
상기 자성 비드의 표면 및 앱타머의 일 말단은 아민기로 수식되고, 양자점 QD525의 표면은 카르복실기로 개질되거나, 자성 비드의 표면 및 앱타머의 일 말단은 카르복실기로 수식되고, 양자점 QD525의 표면은 아민기로 개질된 것인 조성물.
The method of claim 1,
The surface of the magnetic bead and one end of the aptamer is modified with an amine group, the surface of the quantum dot QD 525 is modified with a carboxyl group, or the surface of the magnetic bead and one end of the aptamer is modified with a carboxyl group, the surface of the quantum dot QD 525 is A composition modified with an amine group.
제7항에 있어서,
상기 자성 비드 표면과 양자점 및 양자점 표면과 앱타머는 각각의 말단에 포함된 카르복실기와 아민기를 통한 N-히드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS) 및 에틸카보디이미드 하이드로클로라이드(ethylcarbodiimide hydrochloride; EDC)와의 반응에 의해 결합된 것인 조성물.
The method of claim 7, wherein
The magnetic bead surface, the quantum dot, and the quantum dot surface and the aptamer are N-hydroxysuccinimide (NHS) and ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) through a carboxyl group and an amine group included at each end. The composition is bound by reaction with.
제1항의 조성물을 포함하는 마이크로시스틴-LR 검출용 키트.
Microcystine-LR detection kit comprising the composition of claim 1.
제9항에 있어서,
상기 조성물은 표면이 아민기로 수식된 자성 비드, 일 말단에 아민기가 수식된 앱타머 및 표면이 카르복실기로 개질된 양자점 QD525인 전구체의 형태로 N-히드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS) 및 에틸카보디이미드 하이드로클로라이드(ethylcarbodiimide hydrochloride; EDC)와 함께 제공되는 것인 키트.
The method of claim 9,
The composition is N-hydroxysuccinimide (NHS) in the form of a precursor of a magnetic bead modified with an amine group, aptamer modified with an amine group at one end, and a QD 525 surface modified with a carboxyl group. And ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC).
마이크로시스틴-LR로 오염된 것으로 의심되는 물 시료를 자성 비드; 상기 자성 비드의 표면에 결합된, 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점; 상기 양자점 상에 결합된 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머; 및 상기 DNA 앱타머에 삽입된 PoPo3 염료를 포함하는 프로브와 접촉시키는 제1단계; 및
500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하고 PoPo3 염료의 발광 스펙트럼을 측정하는 제2단계;를 포함하는 물 시료 중의 마이크로시스틴-LR 검출 방법.
Water samples suspected of being contaminated with microcystine-LR were magnetic beads; At least two quantum dots having a maximum emission wavelength at 525 nm, coupled to the surface of the magnetic beads; DNA aptamers that specifically bind to microcystine-LR bound on the quantum dots; And a first step of contacting with a probe comprising a PoPo3 dye inserted into the DNA aptamer; And
Irradiating light of 500 to 550 nm wavelength and measuring the emission spectrum of the PoPo3 dye; Microcystine-LR detection method in a water sample comprising a.
제11항에 있어서,
제1단계에 앞서 자성 비드; 상기 자성 비드의 표면에 결합된, 525 nm에서 최대 방출파장을 갖는, 2개 이상의 양자점; 상기 양자점 상에 결합된 마이크로시스틴-LR에 특이적으로 결합하는 DNA 앱타머; 및 상기 DNA 앱타머에 삽입된 PoPo3 염료를 포함하는 프로브에 500 내지 550 nm 파장의 빛을 조사하고 PoPo3 염료의 발광 스펙트럼을 측정하는 제1-1단계를 추가로 포함하는 것인 마이크로시스틴-LR 검출 방법.
The method of claim 11,
Magnetic beads prior to the first step; At least two quantum dots having a maximum emission wavelength at 525 nm, coupled to the surface of the magnetic beads; DNA aptamers that specifically bind to microcystine-LR bound on the quantum dots; And irradiating light having a wavelength of 500 to 550 nm to a probe including the PoPo3 dye inserted into the DNA aptamer and measuring the emission spectrum of the PoPo3 dye. Way.
제12항에 있어서,
제2단계로부터 측정된 스펙트럼과 제1-1단계로부터 측정된 스펙트럼을 비교하여 제2단계로부터 측정된 스펙트럼의 발광 신호가 더 낮은 경우 해당 물 시료는 마이크로시스틴-LR을 함유하는 것으로 판단하는 제3단계를 추가로 포함하는 것인 마이크로시스틴-LR 검출 방법.
The method of claim 12,
Comparing the spectrum measured from the second stage with the spectrum measured from the first stage to determine that the water sample contains microcystine-LR when the emission signal of the spectrum measured from the second stage is lower. Microcystine-LR detection method further comprising the step.
제13항에 있어서,
제1-1단계로부터 측정된 스펙트럼과 비교하여 제2단계로부터 측정된 스펙트럼의 발광 신호의 감소된 정도로부터 해당 물 시료에 함유된 마이크로시스틴-LR의 농도를 산출하는 것인 마이크로시스틴-LR 검출 방법.
The method of claim 13,
The method of detecting the microcystine-LR is to calculate the concentration of the microcystine-LR contained in the water sample from the reduced degree of the luminescence signal of the spectrum measured from the second step compared with the spectrum measured from the step 1-1. .
KR1020180057907A 2018-05-21 2018-05-21 Composition for detecting microcystin-LR comprising magnetic beads, quantum dots and DNA intercalating dyes KR102076836B1 (en)

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