KR102209124B1 - Ti₃C₂2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브 기반의 바이오 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Ti₃C₂2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브 기반의 바이오 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브 기반의 바이오 센서 및 그 제조 방법에 대하여 공개하였고, 상기 바이오 센서는 프로브 및 바이오 센서 전극을 포함하고, 상기 프로브는 Ti3C2 MXenes, 연결 분자 및 생체 인식 분자 1을 포함하고, 상기 나노 시트 Ti3C2 MXenes와 연결 분자는 정전 흡착에 의해 연결되고, 상기 연결 분자와 생체 인식 분자 1은 아미드기(amide group)를 통해 연결되고, 상기 연결 분자는 1차 또는 2차 아민기(amine group)를 함유하고, 상기 연결 분자는 물에 용해된 후 양전하를 운반할 수 있고, 상기 생체 인식 분자 1은 5' 말단에 카복시기가 있는 단일 가닥 DNA 서열 1이고, 상기 단일 가닥 DNA 서열 1은 엑소좀 상의 CD63 단백질을 인식할 수 있다. 본 발명은 Ti3C2 MXene이 루미놀의 전기화학발광을 향상시킬 수 있음을 처음으로 발견하였으며, 상기 특성을 이용하여 프로브를 제조하고 나아가 바이오 센서를 제조하였다.

Description

Ti₃C₂2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브 기반의 바이오 센서 및 그 제조 방법
본 발명은 물질 및 분석화학 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신규한 2차원 나노 물질 Ti3C2 MXenes 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 및 카복시기 말단(carboxy terminated)의 폴리(N- 이소프로필아크릴아미드) (poly(N-isopropylacrylamide, PNIPAM) 중합체 분자를 이용해 적합한 온도에서 더 많은 활성 부위를 노출시킴으로써 전기화학발광 바이오 센서로 엑소좀을 검출하는 방법에 관한 것이다.
엑소좀은 세포 내 리소좀 경로를 통해 다소포체에서 방출되는 나노 크기의 세포 외 소포체(30 내지 100nm) 이다. 엑소좀은 막관통 단백질과 세포질 단백질, mRNA, DNA 및 마이크로 RNA를 포함한 풍부한 세포 유전 물질을 보유하기 때문에 세포 간 정보 전달 매개체 역할을 한다. 이는 중요한 역할을 하고 있는데, 특히 암 발병에 관계된 질병과 관련된 것으로 실험에서 밝혀졌으며, 엑소좀은 조기 암 진단을 위한 바이오 마커로 간주되며 암 검출 측면에서 중요한 의미가 있다. 현재까지 웨스턴 블로팅(western blotting), 유세포 분석(flow cytometry) 또는 효소 결합 면역 흡착 분석(enzyme-linked immunosorbent assay)을 포함해 엑소좀을 검출하는 다양한 방법이 개발되었다. 이러한 방법은 의료기기 가격이 비싸고 기술이 복잡하며 시간 소모가 많은 단점 등이 있다. 따라서 간단하고 감도가 높으며 신뢰할 수 있는 엑소좀 검출 방법을 개발할 필요가 있다. 최근 전기화학발광(ECL)은 감도가 높고 빠르며 배경 소음이 적고 조작이 용이하며 비용이 낮다는 장점 등으로 인해 단백질, DNA, 효소 등 일부 물질을 검출하는 강력한 분석 기술로 널리 사용되고 있다. 따라서 상기와 같은 다수 장점을 기반으로 엑소좀 검출에 적용될 것으로 기대된다.
MXenes는 최근에 발견된 새로운 2차원(2D) 초기 전이 금속족 탄화물이다. MXene은 금속 전도성 MAX 상에서 Al 원소를 선택적으로 에칭하여 제조하며, 여기에서 MAX 상에는 Ti2AlC, Ti3AlC2와 Ti4AlC3 등 다양한 유형이 포함된다. Ti3C2 MXenes는 그 중 하나로, 전이 금속 탄화물의 금속 전도성 및 수산기 또는 산소 말단 표면의 친수성을 결합하였다. 본질적으로 이는 "전도성 점토"로 표현된다. 이는 자체적으로 전도성, 촉매 작용 및 큰 비표면적 등 일부 특성을 지니는데 이러한 특성은 그래핀과 유사하며, 이러한 우수한 특성을 기반으로 Ti3C2 MXenes는 촉매, 바이오 센서, 오염물 처리, 슈퍼 커패시터, 리튬 이온 배터리 등 많은 분야에 사용되며 큰 잠재력을 보여주고 있다. 그러나 현재까지 바이오 센서와 암 치료, 세포 섭취 및 항균 활성 등과 같은 바이오 의학 분야에서 Ti3C2 MXenes가 적용된 자료는 아주 적다. 따라서 Ti3C2 MXenes의 우수한 촉매 및 전도성 특성을 기반으로 Ti3C2 MXenes는 고감도 ECL 바이오 센서를 제조할 수 있는 가능성을 보여준다.
종래 기술의 결점을 해결하기 위하여, 본 발명의 첫 번째 목적은 Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 기반의 바이오 센서 프로브를 제공함으로써 루미놀의 전기화학발광을 개선하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하와 같은 기술방안을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브는 나노 시트 Ti3C2 MXenes, 연결 분자 및 생체 인식 분자 1을 포함하고, 상기 나노 시트 Ti3C2 MXenes와 연결 분자는 정전 흡착에 의해 연결되고, 상기 연결 분자와 생체 인식 분자 1은 아미드기(amide group)를 통해 연결되고, 상기 연결 분자는 1차 또는 2차 아민기(amine group)를 함유하고, 상기 연결 분자는 물에 용해된 후 양전하를 운반할 수 있고, 생체 인식 분자 1은 5' 말단에 카복시기가 있는 단일 가닥 DNA 서열 1이고, 상기 단일 가닥 DNA 서열 1은 엑소좀 상의 CD63 단백질을 인식할 수 있다.
본 발명의 발명자는 Ti3C2 MXenes가 루미놀의 전기화학발광을 향상시킬 수 있다는 것을 처음 발견한 후 Ti3C2 MXenes로 루미놀 전기화학발광의 바이오 센서 프로브를 제조하고자 하였으나, Ti3C2 MXenes의 개질 과정에서 Ti3C2 MXenes를 개질시키는 것이 어렵다는 사실을 발견하였다. 추가적인 연구 결과에 따르면, 나노 시트 Ti3C2 MXenes를 물에 분산시키면 그 표면이 음전하를 띠기 때문에 물에 용해시키면 양전하를 띠며 아미노기를 갖는 물질을 채용해 나노 시트 Ti3C2 MXenes와 연결하면 Ti3C2 MXenes와 단일 가닥 DNA 서열 1이 용이하게 연결되어 Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브를 획득할 수 있는 것으로 나타났다.
본 발명의 두 번째 목적은 상기 프로브의 제조 방법을 제공하는 것이며, 여기에서 연결 분자와 나노 시트 Ti3C2 MXenes를 물에 넣고 균일하게 혼합한 후, 일정 시간 동안 교반하고 원심분리하여 침전시키며, 수득한 침전물과 생체 인식 분자 1에 대해 아미드 반응을 진행하여 수득한다.
본 발명의 세 번째 목적은 상기 프로브와 조합하여 사용하는 바이오 센서 전극을 제공하는 것이며, 여기에서 유리탄소전극 표면은 금 나노 입자로 개질하고, 금 나노 입자와 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자 중 하나의 아미노기는 아미드기를 통해 연결하고, 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자 중 다른 하나의 아미노기와 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM) 중 하나의 카복시기는 아미드기를 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자를 연결시키고, 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드 중 다른 하나의 카복시기와 생체 인식 분자 2는 아미드기를 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 생체 인식 분자 2를 연결시키고, 여기에서 생체 인식 분자 2는 5' 말단에 아미노기가 있는 단일 가닥 DNA 서열 2이고, 상기 단일 가닥 DNA 서열 2는 엑소좀 상의 EpCAM 단백질을 인식할 수 있다.
금 나노 입자 표면은 카복시기를 함유하고, 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자에 의해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 연결되고, 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드는 실온에서 중합체 사슬이 연신되어 복수개 압타머(aptamer)의 활성 부위를 노출시키므로, 전극이 더 많은 엑소좀을 포획할 수 있다.
본 발명의 네 번째 목적은 상기 바이오 센서 전극의 제조 방법을 제공하는 것이며, 여기에서 유리탄소전극 표면에 금 나노 입자 분산액을 점적하여 유리탄소전극 표면에 금 나노 입자를 부착시키고, 아미드 반응을 통해 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자를 금 나노 입자에 연결하고, 다시 아미드 반응을 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드를 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자와 연결한 후, 아미드 반응을 해 생체 인식 분자 2와 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드를 연결시킨다.
본 발명의 다섯 번째 목적은 상기 프로브와 바이오 센서 전극을 포함하는 전기화학발광 바이오 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 여섯 번째 목적은 상기 프로브, 바이오 센서 전극 및 루미놀을 포함하는 전기화학발광 키트를 제공하는 것이다.
본 발명의 일곱 번째 목적은 엑소좀의 전기화학발광 검출에 상기 프로브, 바이오 센서 전극, 바이오 센서 또는 키트를 적용하도록 제공하는 것이다.
본 발명의 여덟 번째 목적은 전기화학발광에 의한 엑소좀 검출 방법을 제공하는 것이며, 여기에서 상기 바이오 센서 전극을 시험하려는 엑소좀 용액에 담그고, 상기 엑소좀을 상기 바이오 센서 전극에 부착시킨 후, 엑소좀을 부착한 바이오 센서 전극을 상기 프로브 용액에 침지시켜 프로브를 바이오 센서 전극의 엑소좀에 부착시킴으로써, 프로브와 바이오 센서 전극에 엑소좀을 끼운 바이오 센서를 구성하고, 프로브와 바이오 센서 전극에 엑소좀을 끼운 바이오 센서에 대해 전기화학발광 검출을 진행한다.
본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다.
본 발명은 Ti3C2 MXenes이 루미놀의 전기화학발광을 향상시킬 수 있다는 것을 처음으로 발견하였으며, 상기 특성을 이용하여 Ti3C2 MXenes를 프로브로 제조한 후, 상기 프로브와 함께 사용하기 위한 바이오 센서 전극을 획득하여 바이오 센서를 얻었고, 상기 바이오 센서를 사용하여 엑소좀을 성공적으로 검출하였다. 여기에서 엑소좀의 농도는 5×105~5×109개/mL 범위 내에 있고, 상기 바이오 센서의 전기화학발광 신호의 크기는 엑소좀 농도의 대수와 선형 관계를 나타내며, 상관 계수는 R=0.9740, 검출 한계는 2.5×105개/mL이다.
본 출원의 일부를 구성하는 명세서 첨부 도면은 본 출원의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 출원의 예시적 실시예 및 그 설명은 본 출원을 해석하기 위한 것으로서 본 출원을 한정하지 않는다.
도 1은 전기화학발광 바이오 센서의 제조 메커니즘 개략도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 Ti3C2 MXenes의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 전기화학발광 바이오 센서의 전기화학발광 강도와 엑소좀 농도의 관계도이고, 여기에서 a는 5.0×105개/mL이고, j는 5.0×109개/mL이다.
이하의 상세한 설명은 예시적인 것이며, 본 출원을 더욱 상세하게 설명하기 위한 것이다. 본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 달리 명시하지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에 사용된 용어는 구체적인 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 출원의 예시적인 실시예를 한정하려는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 상하 문맥에서 명시하지 않는 한, 단수는 복수를 포함하며, 본 명세서에 "포함하다" 및/또는 "포괄하다" 용어가 사용되는 경우, 이는 특징, 단계, 작동, 장치, 구성 요소 및/또는 이들의 조합이 존재한다는 것을 의미한다.
본 출원의 상기 루미놀(Luminol)은 발광 암모니아로도 알려져 있다. 화학 명칭은 3-아미노프탈산 히드라지드(3-aminophthalic acid hydrazide)이다. 상온에서 청색 결정 또는 베이지색 분말이며, 비교적 안정적인 인공합성 유기 화합물이다. 화학식은 C8H7N3O2이다.
본 출원에 기술된 아미드 반응은 카복시기와 1차 또는 2차 아민기가 반응하여 아미드기를 형성하는 과정을 의미한다.
배경 기술에서 기술한 바와 같이, 종래 기술에서 바이오 센서와 암 치료, 세포 섭취 및 항균 활성 등과 같은 바이오 의학 분야에서 Ti3C2 MXenes가 적용된 자료는 아주 적은데, 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 출원에서는 Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브 기반의 바이오 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 출원의 전형적인 실시방식에 있어서, Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브를 제공하며, 여기에는 나노 시트 Ti3C2 MXenes, 연결 분자 및 생체 인식 분자 1이 포함되고, 상기 나노 시트 Ti3C2 MXenes와 연결 분자는 정전 흡착에 의해 연결되고, 상기 연결 분자와 생체 인식 분자 1은 아미드기(amide group)를 통해 연결되고, 상기 연결 분자는 1차 또는 2차 아민기(amine group)를 함유하고, 상기 연결 분자는 물에 용해된 후 양전하를 운반할 수 있고, 생체 인식 분자 1은 5' 말단에 카복시기가 있는 단일 가닥 DNA 서열 1이고, 상기 단일 가닥 DNA 서열 1은 엑소좀 상의 CD63 단백질을 인식할 수 있다.
본 출원의 발명자는 Ti3C2 MXenes가 루미놀의 전기화학발광을 향상시킬 수 있다는 것을 처음 발견한 후 Ti3C2 MXenes로 루미놀 전기화학발광의 바이오 센서 프로브를 제조하고자 하였으나, Ti3C2 MXenes의 개질 과정에서 Ti3C2 MXenes를 개질시키는 것이 어렵다는 사실을 발견하였다. 추가적인 연구 결과에 따르면, 나노 시트 Ti3C2 MXenes를 물에 분산시키면 그 표면이 음전하를 띠기 때문에 물에 용해시키면 양전하를 띠는 연결 분자가 나노 시트 Ti3C2 MXenes와 단일 가닥 DNA 서열 1을 연결시켜, Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브를 획득할 수 있는 것으로 나타났다.
바람직하게는, 상기 연결 분자는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI)이다. 중량 평균 분자량은 70000이다. 폴리에틸렌이민은 물에 용해되는 고분자 화합물이며, 물에 용해되어 그 수용액 내에서 폴리에틸렌이민의 표면에 대량의 양전하가 분포되어, 나노 시트 Ti3C2 MXenes 표면의 음전하와 정전 흡착을 진행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단일 가닥 DNA 서열 1의 5'에서 3'까지의 서열은 TTTTTT CAC CCC CAC CTC GCT CCC GTG ACA CTA ATG CTA(SEQ ID NO.1)이다.
본 발명은 상기 프로브의 제조 방법을 제공하며, 여기에서 연결 분자와 나노 시트 Ti3C2 MXenes를 물에 넣고 균일하게 혼합한 후, 일정 시간 동안 교반하고 원심분리하여 침전시키며, 수득한 침전물과 생체 인식 분자 1에 대해 아미드 반응을 진행하여 수득한다.
바람직하게는, 교반 시간은 1 내지 1.5시간이다. 원심 분리 회전속도는 10000rpm을 초과한다.
바람직하게는, 상기 아미드 반응의 반응계는 1-(3-(디메틸아미노)프로필)-3-에틸카르보디이미드염산염(1-(3-(dimethylamino)propyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride, EDC) 및 N-히드록시숙신이미드나트륨염(N-hydroxysuccinimide sodium salt, NHS)이다.
본 출원의 바람직한 Ti3AlC2 에칭 방법에 있어서, Ti3AlC2 분말을 48±2%(질량) HF에 침지시키고 45±2℃에서 24±0.5시간 동안 교반하며, 4500 내지 5500rpm에서 분말 입자를 원심 분리하며 매회 5분간 5 내지 6회 세척하고, 상청액을 버리고 실온에서 건조시켜 다층 Ti3C2Tx 입자를 수득한다.
본 출원의 바람직한 나노 시트 Ti3C2 MXenes 제조 방법에 있어서, 다층의 Ti3C2Tx 입자를 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO)에 일정 시간 동안 침지시키고, 바람직하게는 24±0.5시간 동안 교반하고 원심 분리시켜 상청액을 제거한 후 탈이온수를 첨가하며 세포 분쇄기에서 분쇄한 후 다시 원심 분리한다. Ti3C2 MXenes의 콜로이드 용액을 수득한다. 더 나아가 바람직하게는, 분쇄 전의 원심 분리 회전속도가 10000rpm을 초과하며, 더욱 바람직하게는 12000rpm이고, 분쇄 후의 회전속도는 3000 내지 4000rpm이고, 더욱 바람직하게는 3500rpm이다.
본 출원은 상기 프로브와 조합하여 사용하는 바이오 센서 전극을 제공하며, 여기에서 유리탄소전극 표면은 금 나노 입자로 개질하고, 금 나노 입자와 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자 중 하나의 아미노기는 아미드기를 통해 연결하고, 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자 중 다른 하나의 아미노기와 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM) 중 하나의 카복시기는 아미드기를 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자를 연결시키고, 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드 중 다른 하나의 카복시기와 생체 인식 분자 2는 아미드기를 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 생체 인식 분자 2를 연결시키고, 여기에서 생체 인식 분자 2는 5' 말단에 아미노기가 있는 단일 가닥 DNA 서열 2이고, 상기 단일 가닥 DNA 서열 2는 엑소좀 상의 EpCAM 단백질을 인식할 수 있다.
금 나노 입자 표면은 카복시기를 함유하고, 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자에 의해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 연결되고, 적합한 온도에서 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드는 복수개 압타머의 활성 부위를 노출시킬 수 있으므로, 전극이 더 많은 엑소좀을 포획할 수 있다.
상기 2개 이상의 아미노기를 함유하는 분자는 에틸렌디아민(ethylenediamine), 프로필렌디아민(propylenediamine), p-페닐렌디아민(p-phenylenediamine), 옥탄디아민(octanediamine), 프로필렌트리아민(propylenetriamine), 디에틸렌테트라민(diethylenetetramine)일 수 있고, 본 출원에서 바람직하게는 2개 이상의 아미노기를 함유하는 분자는 에틸렌디아민이다.
바람직하게는, 상기 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드는 수평균 분자량이 1000 내지 5000이다. SIGMA-ALORICH에서 유래한다.
바람직하게는, 상기 단일 가닥 DNA 서열 2의 5'에서 3'까지의 서열은 TTTTTT CAC TAC AGA GGT TGC GTC TGT CCC ACG TTG TCA TGG GGG GTT GGC CTG(SEQ ID NO.2)이다.
본 출원은 상기 바이오 센서 전극의 제조 방법을 제공하며, 여기에서 유리탄소전극 표면에 금 나노 입자 분산액을 점적하여 유리탄소전극 표면에 금 나노 입자를 부착시키고, 아미드 반응을 통해 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자를 금 나노 입자에 연결하고, 다시 아미드 반응을 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드를 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자와 연결한 후, 아미드 반응을 해 생체 인식 분자 2와 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드를 연결시킨다.
바람직하게는, 제조 방법에서 언급된 반응 온도, 처리 온도는 37±0.5℃이다. 예를 들어, 아미드 반응의 온도, 금 나노 입자가 유리탄소전극 표면에 부착되는 처리 온도 등이 있다.
유리탄소전극은 금 나노 입자를 부착하기 전에 전처리를 진행해 유리탄소전극의 표면을 청결하게 만들어야 하며, 바람직하게는 금 나노 입자를 부착하기 전의 유리탄소전극 전처리는 먼저 연마한 다음 세척하는 것이다.
본 출원은 상기 프로브와 바이오 센서 전극을 포함하는 전기화학발광 바이오 센서를 더 제공한다.
본 출원은 상기 프로브, 바이오 센서 전극 및 루미놀을 포함하는 전기화학발광 키트를 더 제공한다.
본 출원은 엑소좀의 전기화학발광 검출에 상기 프로브, 바이오 센서 전극, 바이오 센서 또는 키트를 적용하도록 제공한다.
본 출원은 전기화학발광에 의한 엑소좀 검출 방법을 더 제공하며, 여기에서 상기 바이오 센서 전극을 시험하려는 엑소좀 용액에 담그고, 상기 엑소좀을 상기 바이오 센서 전극에 부착시킨 후, 엑소좀을 부착한 바이오 센서 전극을 상기 프로브 용액에 침지시켜 프로브를 바이오 센서 전극의 엑소좀에 부착시킴으로써, 프로브와 바이오 센서 전극에 엑소좀을 끼운 바이오 센서를 구성하고, 프로브와 바이오 센서 전극에 엑소좀을 끼운 바이오 센서에 대해 전기화학발광 검출을 진행한다.
본 발명이 속한 기술분야의 당업자의 본 출원 기술방안에 대한 이해를 돕기 위하여 이하에서는 구체적인 실시예를 통해 본 출원의 기술방안을 상세하게 설명한다.
재료:
aptamer1: 5'-COOH-TTTTTT CAC CCC CAC CTC GCT CCC GTG ACA CTA ATG CTA aptamer2: 5'-NH2-TTTTTT CAC TAC AGA GGT TGC GTC TGT CCC ACG TTG TCA TGG GGG GTT GGC CTG, 상하이생공생물공정기술서비스유한회사(上海生工生物工程技術服務有限公司)에서 구매. Ti3AlC2(98%)는 포스만과기유한회사(福斯曼科技有限公司, 중국 베이징)에서 구매. 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM, Mn=2000)와 루미놀은 Sigma-Aldrich에서 구매. HAuCl4ㆍ3H2O (48%, w/w)는 Shanghai Reagent (중국 상하이)에서 구매. 1-(3-(디메틸아미노)프로필)-3-에틸카르보디이미드염산염(EDC)과 및 N-히드록시숙신이미드나트륨염(NHS), 에틸렌디아민(EDA)과 디메틸술폭시드(DMSO)는 베이징화공유한회사(중국 베이징)에서 구매.
실시예 1
MXenes-aptamer1 나노 프로브의 합성
Ti3AlC2(1.0g) 분말을 15mL 48%(질량) HF에 침지시키고 45℃에서 24시간 동안 교반한다. 분체 입자를 5000rpm으로 매회 5분간 수차례 원심 분리하여 상청액을 버리고 실온에서 건조시켜 분층의 Ti3C2Tx를 수득하며, 4℃에서 보관한다.
분층의 Ti3C2(0.05g) 분말을 1mL DMSO에 담그고 실온에서 24시간 동안 교반하며 12000rpm으로 매회 5분간 5회 원심 분리한 다음 상청액을 버리고 탈이온수를 첨가해 세포 분쇄기에서 2시간 동안 분쇄하며, 최종적으로 용액을 3500rpm에서 60분 동안 원심 분리하고 상청액(즉, 나노 시트 Ti3C2 MXenes 분산액)을 남겨 4℃에서 보관한다. 그 구조적 특성은 도 2에서 도시하는 바와 같다.
200μL의 (0.005g/mL) PEI와 3mL의 나노 시트 Ti3C2 MXenes를 혼합한 후, 상기 용액에 탈이온수 2mL를 첨가하고, 수득한 용액을 실온에서 1시간 동안 천천히 교반하며, 상기 용액을 12000rpm으로 10분간 원심 분리하고 상청액을 제거하며 탈이온수를 첨가한다. EDC(400mM)와 NHS(100mM) 및 aptamer1(1μM, 5'-COOH-TTTTTT CAC CCC CAC CTC CTC GCT CCC GTG ACA CTA ATG CTA) 혼합물을 37℃에서 1시간 동안 활성화시킨다. 그 후, 수득한 Ti3C2 MXenes-PEI 용액 200μL를 37℃에서 aptamer1의 혼합용액(120μL)에 1시간 동안 첨가하며, 마지막으로 혼합물을 12000rpm에서 10분간 원심 분리하여 상청액을 버리고 탈이온수를 첨가한다.
유리탄소전극 표면 전처리
유리탄소전극(GCE)을 0.3㎛의 Al2O3 분말로 닦아 스웨드(suede) 상에서 연마 처리를 진행한 후, 각각 에탄올, 탈이온수를 이용해 3분간 초음파 세정하고, 순수 질소를 이용해 전극 표면을 건조시킨다.
세척하여 건조한 유리탄소전극은 작업 전극으로, Ag/AgCl은 기준 전극으로, 백금 와이어는 상대 전극으로 사용하며, 페리시안화칼륨(potassium ferricyanide) 용액에서 -0.2~0.6V, 100mV/s로 CV를 안정적으로 스캔한다. 이렇게 유리탄소전극의 산화 환원 전위차가 80mV의 활성화 표준에 도달할 때까지 반복하고, 유리탄소전극을 물로 세척하고 질소로 건조시킨다.
전극의 조립
AuNPs 개질 처리 후의 GCE: AuNPs(18nm) 분산액(제조 방법: 격렬한 교반 상태에서 0.01%(w/v) HAuCl4 용액 100ml를 끓인 후, 끓는 용액에 0.588mL의 0.2 mol/mL 시트르산삼나트륨(trisodium citrate) 용액을 빠르게 첨가한다. 상기 용액이 진홍색으로 변하면 AuNPs이 형성되었음을 나타낸다. 그 후 용액을 계속 교반하여 냉각한다. 콜로이드는 4℃에서 보관)을 취하여 유리탄소전극 표면에 6μL 점적하고 37℃에서 배양하여 건조시키고, 이어서 전극을 400μM EDC, 100μM NHS 및 2mg/mL EDA의 120μL 혼합 용액에 담그고 37℃에서 2시간 동안 배양한다. 동시에, 1mg mL-1의 카복시기 말단 PNIPAM, 400μM EDC, 100μM NHS를 각각 40μL 혼합하고 실온에서 1시간 동안 활성화시킨다. EDA 중 배양된 유리탄소전극을 이미 1시간 활성화한 PNIPAM 용액에 계속해서 함침시키고 1시간 동안 배양한다. 이어서 전극을 1μM(40μL) aptamer2에 담그고 37℃에서 배양한 후 세척하고 건조하여 바이오 센서 전극을 수득하며, 이는 aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE로 기록한다.
센서의 조립
aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE는 37℃에서 2 시간 동안 5.0×105-5×109개/mL의 엑소좀에 담근다. 세척 및 건조 후 엑소좀을 포획하는 전극을 수득하며 이는 exosomes/aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE로 기록한다.
엑소좀을 이미 포획한 전극은 증류수로 세척하여 건조한 후 프로브 용액에서 37℃로 2시간 동안 배양하며, 반응이 끝난 후 증류수로 세척하고 질소로 건조시켜 제조를 마친 전기화학발광 바이오 센서를 수득한다. 상기 센서의 제조 과정은 도 1에서 도시하는 바와 같다.
제조한 센서에 대해 전기화학발광 검출을 진행한 결과는 도 3에서 도시하는 바와 같고, 사용한 엑소좀 농도는 각각 5.0×105개/mL(a), 1×106개/mL(b), 2.5×106개/mL(c), 5×106개/mL(d), 107개/mL(e), 5×107개/mL(f), 108개/mL(g), 5×108개/mL(h), 109개/mL(i), 5×109개/mL(j)이고, 엑소좀 농도가 증가할수록 전기화학발광 신호가 점차적으로 증가했다. 엑소좀 농도가 5.0×105-5×109개/mL 범위 내인 경우, 전기화학발광 신호의 크기는 엑소좀 농도의 대수와 선형 관계를 나타냈으며, 상관 계수는 R=0.9740이고, 검출 한계는 2.5×105개/mL이다.
동시에, 제조한 ECL 바이오 센서는 MCF-7(유방암 세포), HepG2(간암 세포) 및 B16(흑색종 세포) 엑소좀과 같은 다른 엑소좀도 검출할 수 있다. 검출 농도가 모두 107개/mL인 세 종류의 엑소좀은 생성하는 ECL 신호가 상이했다. 그 중 MCF-7 엑소좀을 검출한 신호가 가장 컸으며, 그 다음은 HepG2 엑소좀, 가장 작은 것은 B16 엑소좀이었다. 이는 설계한 ECL 바이오 센서가 탁월한 선택성을 가지고 있음을 보여준다.
실시예 2
본 실시예는 다음을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
전극의 조립
AuNPs 개질 처리 후의 GCE: AuNPs(18nm) 분산액을 취하여 유리탄소전극 표면에 6μL 점적하고 37℃에서 배양하여 건조시키며, 이어서 전극을 400μM EDC, 100μM NHS 및 2mg/mL EDA 담그고 37℃에서 2시간 동안 배양한다. 동시에, 1mg mL-1의 카복시기 말단 PNIPAM, 400μM EDC, 100μM NHS를 각각 40μL 혼합하고 실온에서 1시간 동안 활성화시킨다. EDA 중 배양된 유리탄소전극을 이미 1시간 활성화한 PNIPAM 용액에 계속해서 함침시키고 1시간 동안 배양한다. 이어서 전극을 0.8μM aptamer2에 담그고 37℃에서 2시간 배양한 후 세척하고 건조하여 바이오 센서 전극을 수득하며, 이는 aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE로 기록한다.
센서의 조립
aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE는 25℃에서 1시간 동안 상이한 농도의 엑소좀에 담근다. 세척 및 건조 후 엑소좀을 포획하는 전극을 수득하며 이는 exosomes/aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE로 기록한다.
엑소좀을 이미 포획한 전극은 증류수로 세척하여 건조한 후 프로브 용액에서 37℃로 1시간 동안 배양하며, 반응이 끝난 후 증류수로 세척하고 질소로 건조시켜 제조를 마친 전기화학발광 바이오 센서를 수득한다.
실시예 3
본 실시예는 다음을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
전극의 조립
AuNPs 개질 처리 후의 GCE: AuNPs(18nm) 분산액을 취하여 유리탄소전극 표면에 6μL 점적하고 37℃에서 배양하여 건조시키며, 이어서 전극을 400μM EDC, 100μM NHS 및 2mg/mL EDA 담그고 37℃에서 2시간 동안 배양한다. 동시에, 1mg mL-1의 카복시기 말단 PNIPAM, 400μM EDC, 100μM NHS를 각각 40μL 혼합하고 실온에서 1시간 동안 활성화시킨다. EDA 중 배양된 유리탄소전극을 이미 1시간 활성화한 PNIPAM 용액에 계속해서 함침시키고 1시간 동안 배양한다. 이어서 전극을 1.2μM aptamer2에 담그고 37℃에서 1.5시간 배양한 후 세척하고 건조하여 바이오 센서 전극을 수득하며, 이는 aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE로 기록한다.
센서의 조립
aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE는 50℃에서 30분 동안 상이한 농도의 엑소좀에 담근다. 세척 및 건조 후 엑소좀을 포획하는 전극을 수득하며 이는 exosomes/aptamer2/PNIPAM/AuNPs/GCE로 기록한다.
엑소좀을 이미 포획한 전극은 증류수로 세척하여 건조한 후 프로브 용액에서 37℃로 30분 동안 배양하며, 반응이 끝난 후 증류수로 세척하고 질소로 건조시켜 제조를 마친 전기화학발광 바이오 센서를 수득한다.
상기 설명은 본 출원의 바람직한 실시예에 불과하며 본 출원을 제한하지 않고, 본 출원이 속한 기술분야의 당업자는 다양한 변경과 수정을 가할 수 있다. 본 출원의 정신과 원칙 내에서 이루어진 모든 수정, 동등한 수준의 치환, 개선 등은 모두 본 출원의 보호범위 내에 포함된다.
Figure 112019089238880-pct00001
SEQUENCE LISTING <110> Qingdao University <120> Biosensor of trititanium dicarbide-based two-dimensional metal carbide catalyzed luminol electrogenerated chemiluminescence probe and preparation method thereof <130> 2018 <160> 2 <170> PatentIn version 3.3 <210> 1 <211> 39 <212> DNA <213> Artificial sequence <400> 1 ttttttcacc cccacctcgc tcccgtgaca ctaatgcta 39 <210> 2 <211> 54 <212> DNA <213> Artificial sequence <400> 2 ttttttcact acagaggttg cgtctgtccc acgttgtcat ggggggttgg cctg 54

Claims (10)

  1. 나노 시트 Ti3C2 MXenes, 연결 분자 및 생체 인식 분자 1이 포함되고, 상기 나노 시트 Ti3C2 MXenes와 연결 분자는 정전 흡착에 의해 연결되고, 상기 연결 분자와 생체 인식 분자 1은 아미드기(amide group)를 통해 연결되고, 상기 연결 분자는 1차 또는 2차 아민기(amine group)를 함유하고, 상기 연결 분자는 물에 용해된 후 양전하를 운반할 수 있고, 생체 인식 분자 1은 5' 말단에 카복시기가 있는 단일 가닥 DNA 서열 1이고, 상기 단일 가닥 DNA 서열 1은 엑소좀 상의 CD63 단백질을 인식할 수 있고;
    상기 연결 분자는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI)인 것을 특징으로 하는 Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단일 가닥 DNA 서열 1의 5'에서 3'까지의 서열은 TTTTTT CAC CCC CAC CTC GCT CCC GTG ACA CTA ATG CTA인 것을 특징으로 하는 Ti3C2 2차원 금속 탄화물 촉매를 이용한 루미놀 전기화학발광 프로브.
  3. 연결 분자와 나노 시트 Ti3C2 MXenes를 물에 넣고 균일하게 혼합한 후, 일정 시간 동안 교반하고 원심분리하여 침전시키며, 수득한 침전물과 생체 인식 분자 1에 대해 아미드 반응을 진행하여 수득하고;
    교반 시간은 1 내지 1.5시간이고; 원심 분리 회전속도는 10000rpm을 초과하고;
    상기 아미드 반응의 반응계는 1-(3-(디메틸아미노)프로필)-3-에틸카르보디이미드염산염(1-(3-(dimethylamino)propyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride, EDC) 및 N-히드록시숙신이미드나트륨염(N-hydroxysuccinimide sodium salt, NHS)인 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2의 상기 프로브의 제조 방법.
  4. 유리탄소전극 표면은 금 나노 입자로 개질하고, 금 나노 입자와 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자 중 하나의 아미노기는 아미드기를 통해 연결하고, 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자 중 다른 하나의 아미노기와 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM) 중 하나의 카복시기는 아미드기를 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자를 연결시키고, 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드 중 다른 하나의 카복시기와 생체 인식 분자 2는 아미드기를 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드와 생체 인식 분자 2를 연결시키고, 여기에서, 생체 인식 분자 2는 5' 말단에 아미노기가 있는 단일 가닥 DNA 서열 2이고, 상기 단일 가닥 DNA 서열 2는 엑소좀 상의 EpCAM 단백질을 인식할 수 있고;
    2개 이상의 아미노기를 함유하는 분자는 에틸렌디아민이고;
    상기 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드는 수평균 분자량이 1000 내지 5000인 것을 특징으로 하는 청구항 1의 상기 프로브와 조합하여 사용하는 바이오 센서 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단일 가닥 DNA 서열 2의 5'에서 3'까지의 서열은 TTTTTT CAC TAC AGA GGT TGC GTC TGT CCC ACG TTG TCA TGG GGG GTT GGC CTG인 것을 특징으로 하는 바이오 센서 전극.
  6. 유리탄소전극 표면에 금 나노 입자 분산액을 점적하여 유리탄소전극 표면에 금 나노 입자를 부착시키고, 아미드 반응을 통해 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자를 금 나노 입자에 연결하고, 다시 아미드 반응을 통해 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드를 2개 이상의 아미노기를 함유한 분자와 연결한 후, 아미드 반응을 해 생체 인식 분자 2와 카복시기 말단의 폴리N-이소프로필아크릴아미드를 연결시키고;
    제조 방법에서 언급된 반응 온도, 처리 온도는 실온 또는 37±0.5℃인 것을 특징으로 하는 청구항 4 또는 청구항 5의 상기 바이오 센서 전극의 제조 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2의 상기 프로브와 청구항 4 또는 청구항 5의 상기 바이오 센서 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학발광 바이오 센서.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2의 상기 프로브, 청구항 4 또는 청구항 5의 상기 바이오 센서 전극 및 루미놀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학발광 키트.
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