KR102231944B1 - Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same - Google Patents

Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
KR102231944B1
KR102231944B1 KR1020190122460A KR20190122460A KR102231944B1 KR 102231944 B1 KR102231944 B1 KR 102231944B1 KR 1020190122460 A KR1020190122460 A KR 1020190122460A KR 20190122460 A KR20190122460 A KR 20190122460A KR 102231944 B1 KR102231944 B1 KR 102231944B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
glucose
crystal structure
photonic crystal
acid
photonic
Prior art date
Application number
KR1020190122460A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박수영
권소정
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경북대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
Priority to KR1020190122460A priority Critical patent/KR102231944B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102231944B1 publication Critical patent/KR102231944B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/66Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving blood sugars, e.g. galactose
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075Macromolecular gels
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00Use of organic ingredients
    • C08K5/55Boron-containing compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/04Homopolymers or copolymers of esters
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2205/00Polymer mixtures characterised by other features
    • C08L2205/04Polymer mixtures characterised by other features containing interpenetrating networks

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Diabetes (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method for measuring glucose concentration, and more particularly, relates to a method for measuring glucose concentration using a photonic IPN complex including a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel, and aminophenylboronic acid (APBA), and a biosensor using the same, and a preparation method thereof. The glucose concentration measuring method of the present invention can measure the concentration of added glucose according to the reflection wavelength of the complex observed with the naked eye, and the reaction proceeds independently of the change in pH, and the biosensor using the same can measure the wavelength of the optical bandgap. Moreover, the glucose concentration can be measured by visually detecting the color of the photonic crystal structure due to the change. In addition, the biosensor preparation method of the present invention can control the color spectrum of the photonic crystal structure by adjusting the ratio of the chiral dopant to the mesogen, and it is possible to secure stability by forming a complete solid photonic crystal structure by extracting the chiral dopant.

Description

아미노페닐보론산을 포함하는 복합체를 이용하는 글루코스 농도 측정방법, 이를 이용한 바이오센서 및 그 제조방법 {Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same}Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same}

본 발명은 글루코스 농도 측정방법에 관한 것으로서, 상세하게는 광결정 구조체, 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 아미노페닐보론산(APBA)를 포함하는 포토닉 IPN 복합체를 이용하는 글루코스 농도 측정방법, 이를 이용한 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring glucose concentration, and in particular, a method for measuring glucose concentration using a photonic IPN complex including a photonic crystal structure, polyacrylic acid (PAA) hydrogel, and aminophenylboronic acid (APBA), and a biosensor using the same And it relates to a method of manufacturing the same.

당뇨병은 인슐린의 생성 혹은 이용 과정의 이상으로 혈당이 증가하고 그에 따른 다양한 급성, 만성 합병증을 동반하는 심각한 질환이다. 인슐린의 결핍 또는 고혈당증은 당뇨병을 유발하여, 심혈관, 신경, 신장, 안구 및 말초혈관 질환의 위험성을 증가시킨다. 이와 같이, 세계적으로 문제가 되고 있는 당뇨병은 노령인구의 증가 및 생활환경적인 요인 등으로 인해 그 발명율이 더욱 증가할 것으로 예측되며, 이에 따른 사회적ㆍ경제적 문제가 심각하게 대두되고 있다. Diabetes is a serious disease that increases blood sugar due to an abnormality in the production or use of insulin, resulting in various acute and chronic complications. Insulin deficiency or hyperglycemia leads to diabetes, increasing the risk of cardiovascular, nerve, kidney, ocular and peripheral vascular diseases. As described above, diabetes, which is a global problem, is predicted to increase in the rate of invention further due to an increase in the elderly population and environmental factors, and social and economic problems are seriously emerging.

혈당 수치의 적절한 모니터링은 건강한 신체를 유지하는데 중요하다. 글루코스 바이오센서는 전체 바이오센서 시장의 약 85%를 차지하고 있으며, 고감도이고 사용이 간편한 새로운 글루코스 바이오센서 개발에 대한 연구 활동이 매우 활발히 이루어지고 있다. Proper monitoring of blood sugar levels is important to maintaining a healthy body. Glucose biosensors occupy about 85% of the total biosensor market, and research activities on the development of new glucose biosensors that are highly sensitive and easy to use are very active.

한편, 글루코스 검출용 바이오센서는 크게 효소 기반 및 비효소 기반의 바이오 센서로 분류될 수 있다. 대부분의 통상적인 글루코스 검출용 바이오센서는 글루코스 산화효소(GOx)를 이용하는 효소 기반의 바이오센서이다. 이러한 효소 기반의 바이오센서는 높은 감도를 나타내 정교한 글루코스의 검출이 가능하지만, pH, 온도, 습도 및 다른 화학물질의 존재 등에 의해 효소의 활성이 저해되는 등 단점을 지니고 있으며, 안정성 및 재현성이 열악한 문제점을 갖는다. Meanwhile, biosensors for glucose detection can be largely classified into enzyme-based and non-enzyme-based biosensors. Most conventional biosensors for glucose detection are enzyme-based biosensors using glucose oxidase (GOx). Such an enzyme-based biosensor exhibits high sensitivity and enables precise detection of glucose, but has disadvantages such as inhibiting the activity of enzymes due to the presence of pH, temperature, humidity, and other chemicals, and poor stability and reproducibility. Has.

이러한 효소 기반 글루코스 바이오센서의 한계를 극복하기 위해, 비효소 기반의 글루코스 바이오센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 대한민국 공개특허 10-2015-0061720호와 같이 유기물질의 작용을 최소화하는 고분자막을 개발하거나 건극 표면상에 전이금속 산화물, 구리 나노입자 또는 금 나노입자를 증착한 비효소 기반의 글루코스 바이오센서가 개발되었으나, 이러한 전극의 준비는 그 공정이 복잡하고, 시간 소모적이며, 정교한 기술이 요구되는 등의 문제점을 갖는다.In order to overcome the limitations of this enzyme-based glucose biosensor, studies on non-enzyme-based glucose biosensors have been actively conducted. As in Korean Patent Laid-Open No. 10-2015-0061720, a non-enzyme-based glucose biosensor was developed in which a polymer film that minimizes the action of organic substances was developed or a transition metal oxide, copper nanoparticles, or gold nanoparticles were deposited on the surface of the cathode , Preparation of such an electrode has problems such as the process is complicated, time consuming, and requires sophisticated technology.

대한민국 공개특허번호 제10-2015-0061720호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0061720

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광결정 구조체, 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 아미노페닐보론산(APBA)를 포함하는 포토닉 IPN 복합체를 이용하는 글루코스 농도 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for measuring glucose concentration using a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel, and a photonic IPN complex including aminophenylboronic acid (APBA) in order to solve the above problems.

또한, 상기 측정방법을 이용하는 바이오센서와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a biosensor using the above measurement method and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,

광결정 구조체, 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 아미노페닐보론산(APBA)를 포함하는 복합체에 글루코스 용액을 첨가하는 제 1 단계;A first step of adding a glucose solution to a complex including a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel, and an aminophenylboronic acid (APBA);

상기 아미노페닐보론산과 상기 글루코스가 형성하는 착물로 인하여 상기 폴리아크릴산 수화겔이 팽윤하는 제 2 단계; 및A second step of swelling the polyacrylic acid hydrogel due to the complex formed by the aminophenylboronic acid and the glucose; And

상기 수화겔의 팽윤으로 상기 광결정 구조체의 색상이 변하는 제 3 단계;를 포함하고,A third step of changing the color of the photonic crystal structure due to the swelling of the hydrogel; Including,

pH 변화에 독립적으로 상기 글루코스의 농도에 의하여 나타나는 상이한 색상에 따라 글루코스의 농도를 측정하는, 글루코스 농도 측정방법을 제공한다.There is provided a method for measuring glucose concentration in which the concentration of glucose is measured according to different colors indicated by the concentration of glucose independently of a change in pH.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above other object, the present invention,

광결정 구조체, 상기 광결정 구조체 내부 공간에 침투된 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 상기 폴리아크릴산에 고정된 아미노페닐보론산(APBA)를 포함하는 복합체를 이용하는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서를 제공한다.It provides a biosensor for measuring glucose concentration using a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel penetrating into the inner space of the photonic crystal structure, and a complex including aminophenylboronic acid (APBA) fixed to the polyacrylic acid.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above another object, the present invention,

키랄 도판트와 메조겐을 혼합하고 경화하여 나선형 구조의 콜레스테릭 액정을 형성하는 제 1 단계;A first step of mixing and curing a chiral dopant and mesogen to form a helical cholesteric liquid crystal;

상기 콜레스테릭 액정으로부터 키랄 도판트를 제거하여 고상의 광결정 구조체를 형성하는 제 2 단계;A second step of forming a solid photonic crystal structure by removing a chiral dopant from the cholesteric liquid crystal;

상기 키랄 도판트가 제거된 공간에 폴리아크릴산(PAA)을 침투시키는 제 3 단계; 및A third step of infiltrating polyacrylic acid (PAA) into the space from which the chiral dopant has been removed; And

상기 폴리아크릴산에 아미노페닐보론산(APBA)을 고정하는 제 4 단계;를 포함하고,Including; a fourth step of fixing aminophenylboronic acid (APBA) to the polyacrylic acid,

상기 광결정 구조체는 상기 폴리아크릴산과 IPN(Interwined polymer network) 구조를 형성하며, 글루코스의 농도에 따라 상이한 색상을 가지는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서 제조방법을 제공한다.The photonic crystal structure forms an interwined polymer network (IPN) structure with the polyacrylic acid, and has a different color according to the concentration of glucose, providing a method of manufacturing a biosensor for measuring glucose concentration.

본 발명의 글루코스 농도 측정방법은 육안으로 관찰되는 복합체의 반사 파장에 따라 첨가된 글루코스의 농도를 측정할 수 있고, pH의 변화에 독립적으로 반응을 진행하여 글루코스의 농도를 측정할 수 있는 효과가 있다.The glucose concentration measurement method of the present invention has the effect of measuring the concentration of added glucose according to the reflection wavelength of the complex observed with the naked eye, and measuring the concentration of glucose by performing a reaction independently of a change in pH. .

또한 본 발명의 바이오센서는 글루코스 농도에 따라 수화겔의 수축 및 팽창이 야기되고, 이에 따라 광결정 구조체의 수축 및 팽창을 유도하며, 광 밴드 갭의 파장 변화에 의한 광결정 구조체의 색상을 육안으로 감지하여 글루코스 농도를 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, the biosensor of the present invention causes contraction and expansion of the hydrogel depending on the glucose concentration, thereby inducing contraction and expansion of the photonic crystal structure, and by visually detecting the color of the photonic crystal structure due to the change in the wavelength of the optical band gap. There is an effect that can measure the concentration.

또한 본 발명의 바이오센서 제조방법은 키랄 도펀트와 메조겐의 비율을 조절하여 광결정 구조체의 색상 스펙트럼을 조절할 수 있고, 키랄 도판트 추출에 따라 완전한 고상의 광결정 구조체를 형성하여 안정성을 확보하며, 키랄 도판트가 제거된 공간에 침투된 수화겔을 이용하여 수화겔의 수축 및 팽창에 따라 색상의 변화를 감지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the biosensor manufacturing method of the present invention can adjust the color spectrum of the photonic crystal structure by adjusting the ratio of chiral dopant and mesogen, and secure stability by forming a completely solid photonic crystal structure according to chiral dopant extraction. There is an effect of detecting a change in color according to the contraction and expansion of the hydrogel by using the hydrogel penetrated into the space from which the water has been removed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체에 글루코스를 결합시켜 수화겔이 팽윤되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 글루코스 검출용 바이오센서의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 UV 경화 전후의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 각 단계별 구조의 FTIR 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 CLCsolid 필름과 포토닉 IPN 복합체의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 IPN 복합체를 이용한 어레이의 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CLCsolid 필름과 포토닉 IPN 필름의 단면 주사 현미경(SEM) 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 상이한 농도의 APBA가 고정된 포토닉 IPN 어레이의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 농도의 APBA가 고정된 포토닉 IPN 도트 영역의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 상이한 농도의 APBA가 고정된 포토닉 IPN 도트 영역의 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도에 대한 포토닉 IPN 어레이의 색상 변화를 관찰한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도에 대한 포토닉 IPN 어레이의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 농도의 글루코스에 대한 포토닉 IPN 어레이의 포토닉 밴드 갭(λPBG)을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도를 가지는 인간 혈청에 대한 포토닉 IPN 어레이의 색상 변화를 나타낸 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도를 가지는 인간 혈청에 대한 포토닉 IPN 어레이의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도를 가지는 인간 혈청에 대한 포토닉 IPN 어레이의 포토닉 밴드 갭(λPBG)을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 IPN 어레이에 간섭물질을 첨가한 사진 및 각 물질에 대한 도트의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 IPN 어레이의 각 간섭물질에 대한 포토닉 밴드 갭(λPBG)의 차이(Δλ) 를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토닉 IPN 어레이의 금속 이온에 대한 색상 변화를 나타낸 사진이다.
1 is a diagram showing a process in which a hydrogel is swollen by binding glucose to a complex according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a method of manufacturing a biosensor for detecting glucose according to the present invention.
3 is a UV-Vis spectrum before and after UV curing according to an embodiment of the present invention.
4 is an FTIR spectrum of each step structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a UV-Vis spectrum of a CLC solid film and a photonic IPN composite according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph of an array using a photonic IPN composite according to an embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional scanning microscope (SEM) image of a CLCsolid film and a photonic IPN film according to an embodiment of the present invention.
8 is a side view of a photonic IPN array to which APBAs of different concentrations are fixed according to an embodiment of the present invention.
9 is a UV-Vis spectrum of a photonic IPN dot region to which APBAs of different concentrations are fixed according to an embodiment of the present invention.
10 is a photograph of a photonic IPN dot area to which APBAs of different concentrations are fixed according to an embodiment of the present invention.
11 is a photograph illustrating a color change of a photonic IPN array for various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention.
12 is a UV-Vis spectrum of a photonic IPN array for various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing a photonic band gap (λ PBG ) of a photonic IPN array for various concentrations of glucose according to an embodiment of the present invention.
14 is a photograph showing a color change of a photonic IPN array for human serum having various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention.
15 is a UV-Vis spectrum of a photonic IPN array for human serum having various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention.
16 is a graph showing a photonic band gap (λ PBG ) of a photonic IPN array for human serum having various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention.
17 is a photonic IPN array according to an embodiment of the present invention with an interference substance added thereto, and a UV-Vis spectrum of dots for each substance.
18 is a graph showing the difference (Δλ) of the photonic band gap (λ PBG ) for each interfering material of the photonic IPN array according to an embodiment of the present invention.
19 is a photograph showing a color change of metal ions in a photonic IPN array according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일측면에 따르면, 광결정 구조체, 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 아미노페닐보론산(APBA)를 포함하는 복합체에 글루코스 용액을 첨가하는 제 1 단계; 상기 아미노페닐보론산과 상기 글루코스가 형성하는 착물로 인하여 상기 폴리아크릴산 수화겔이 팽윤하는 제 2 단계; 및 상기 수화겔의 팽윤으로 상기 광결정 구조체의 색상이 변하는 제 3 단계;를 포함하고, pH 변화에 독립적으로 상기 글루코스의 농도에 의하여 나타나는 상이한 색상에 따라 글루코스의 농도를 측정하는, 글루코스 농도 측정방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, a first step of adding a glucose solution to a complex comprising a photonic crystal structure, polyacrylic acid (PAA) hydrogel, and aminophenylboronic acid (APBA); A second step of swelling the polyacrylic acid hydrogel due to the complex formed by the aminophenylboronic acid and the glucose; And a third step of changing the color of the photonic crystal structure due to swelling of the hydrogel; and measuring the concentration of glucose according to different colors indicated by the concentration of glucose independently of the pH change. do.

먼저 복합체에 글루코스 용액을 첨가하는 제 1 단계에 대하여 설명한다.First, a first step of adding a glucose solution to the complex will be described.

본 발명에서 복합체는 광결정 구조체, 광결정 구조체 내부 공간에 침투된 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 폴리아크릴산에 고정된 아미노페닐보론산(APBA)을 포함하고, 광결정 구조체는 폴리아크릴산과 IPN(Interwined polymer network) 구조를 형성할 수 있다.In the present invention, the composite includes a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel penetrated into the interior space of the photonic crystal structure, and aminophenylboronic acid (APBA) fixed to the polyacrylic acid, and the photonic crystal structure includes polyacrylic acid and IPN (Interwined Polymer Network). ) Structure can be formed.

광결정 구조체는 고상일 수 있고, 키랄 도판트와 반응성 메소겐을 혼합 및 경화하여 제조될 수 있다. 경화 과정으로 완전한 고상(solid)의 광결정 구조체를 얻을 수 있고, 키랄 도펀트를 추출 및 제거하면서도 콜레스테릭 액정이 갖는 독특한 나선 구조가 그대로 유지될 수 있다. 광결정 구조체가 고상(solid) 형태로 유지됨에 따라 안정성, 내구성 측면에서 향상된 효과를 가질 수 있다The photonic crystal structure may be solid, and may be prepared by mixing and curing a chiral dopant and a reactive mesogen. Through the curing process, a complete solid photonic crystal structure can be obtained, and a unique spiral structure of a cholesteric liquid crystal can be maintained while extracting and removing a chiral dopant. As the photonic crystal structure is maintained in a solid form, it can have improved effects in terms of stability and durability.

키랄 도판트를 제거하는 과정에서 폴리아크릴산(PAA) 수화겔은 광결정 구조체 내부 공간에 침투될 수 있다. 폴리아크릴산 수화겔이 침투된 광결정 구조체는 수화겔의 반응 등방성 특성과 광 결정 구조체의 비등방성 및 나선형 분자 순서를 결합시켜 광자 간 개재된 IPN 중합체를 형성할 수 있다.In the process of removing the chiral dopant, the polyacrylic acid (PAA) hydrogel may penetrate into the interior space of the photonic crystal structure. The photonic crystal structure in which the polyacrylic acid hydrogel is infiltrated may form an IPN polymer interposed between photons by combining the reaction isotropic properties of the hydrogel with the anisotropy and helical molecular order of the photonic crystal structure.

폴리아크릴산은 카복실기를 포함하므로 아민기를 가지는 아미노페닐보론산과 공유결합을 형성할 수 있다. 폴리아크릴산과 아미노페닐보론산은 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide) 커플링을 이용하여 결합할 수 있다. 이에 따라 광결정 구조체와 IPN 구조를 형성하는 수화겔에 아미노페닐보론산을 결합한 복합체를 형성할 수 있다.Since polyacrylic acid contains a carboxyl group, it can form a covalent bond with aminophenylboronic acid having an amine group. Polyacrylic acid and aminophenylboronic acid can be bonded using EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) coupling. Accordingly, it is possible to form a complex in which aminophenylboronic acid is bound to the hydrogel forming the photonic crystal structure and the IPN structure.

아미노페닐보론산은 글루코스와 가역적 결합이 가능한 특성을 지니고 있으며, 이를 통해 글루코스를 검출하는 역할을 한다. 아미노페닐보론산은 2-아미노페닐보론산, 3-아미노페닐보론산, 4-아미노페닐보론산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 3-아미노페닐보론산을 사용할 수 있다.Aminophenylboronic acid has the property of being capable of reversibly binding to glucose, and through this, it serves to detect glucose. The aminophenylboronic acid may be any one selected from the group consisting of 2-aminophenylboronic acid, 3-aminophenylboronic acid, 4-aminophenylboronic acid, and mixtures thereof. Preferably, 3-aminophenylboronic acid can be used.

복합체에 첨가되는 글루코스 용액은 인간 혈청일 수 있다. 글루코스 수용액을 첨가하는 경우와 비교하여 기능 및 효과적 차이가 나타나지 않고, 인간 혈청에 포함된 다른 물질에 대한 간섭없이 높은 선택성과 민감성을 가질 수 있다.The glucose solution added to the complex may be human serum. Compared to the case of adding an aqueous glucose solution, there is no difference in function and effectiveness, and may have high selectivity and sensitivity without interference with other substances contained in human serum.

글루코스가 복합체에 첨가되는 제 1 단계는 pH 버퍼(buffer) 내에서 행해질 수 있다. pH 버퍼는 산성 및/또는 염기성 성분의 농도에서 작은 변화에 영향을 받지 않으며 고정된 pH 범위를 유지하도록 하는 조성물로, 용액일 수 있다. The first step in which glucose is added to the complex can be done in a pH buffer. The pH buffer is a composition that is not affected by small changes in the concentration of acidic and/or basic components and maintains a fixed pH range, and may be a solution.

본 발명에서 글루코스 용액은 pH 버퍼인 탄산염 완충제 pH = 8.5에서 제조되어 pH의 변화에 독립적으로 반응이 진행될 수 있다. 아미노페닐보론산과 글루코스의 가역적인 축합반응 과정에서 양성자가 생성되나, pH 버퍼 조건에서 글루코스가 첨가되면 pH에 영향을 받지 않고 반응이 진행될 수 있다.In the present invention, the glucose solution is prepared in a carbonate buffer pH = 8.5, which is a pH buffer, so that the reaction can proceed independently of a change in pH. Protons are generated during the reversible condensation reaction of aminophenylboronic acid and glucose, but when glucose is added under pH buffer conditions, the reaction can proceed without being affected by pH.

다음으로 아미노페닐보론산과 글루코스가 형성하는 착물로 인하여 폴리아크릴산 수화겔이 팽윤하는 제 2 단계에 대하여 설명한다.Next, a second step in which the polyacrylic acid hydrogel swells due to the complex formed by aminophenylboronic acid and glucose will be described.

복합체의 아미노페닐 보론산은 첨가된 글루코스와 특이적으로 결합하여 전하를 띈 이온 형태의 보론기를 가지는 착물을 형성할 수 있다. 아미노페닐보론산 글루코스의 다이올(diol)과 결합하여 삼각형(trigonal) 또는 오각형(tetragonal) 구조의 정방형 착물(boronate complex)을 형성할 수 있다. 하기 화학식 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 수화겔에 고정된 아미노페닐보론산과 글루코스의 결합반응을 나타내었다.The aminophenyl boronic acid in the complex can specifically bind to the added glucose to form a complex having a charged ionic boron group. By combining with a diol of aminophenylboronic acid glucose, a boronate complex having a trigonal or tetragonal structure can be formed. The following Chemical Formula 1 shows the binding reaction of aminophenylboronic acid and glucose fixed to the hydrogel according to an embodiment of the present invention.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019101152453-pat00001
Figure 112019101152453-pat00001

글루코스와 결합으로 보론기는 음전하를 띄게 되고, 이온 형태로 존재함에 따라 수화겔 안과 밖의 전하 불균형을 형성할 수 있다. 이온 농도 차이에 의한 전하 불균형으로 도난 삼투압(Donnan osmotic pressure)이 유도되어 수화겔은 팽윤하게 된다. Boron groups are negatively charged by bonding with glucose, and as they exist in an ionic form, a charge imbalance inside and outside the hydrogel can be formed. Donnan osmotic pressure is induced due to charge imbalance due to the difference in ion concentration, resulting in swelling of the hydrogel.

마지막으로 수화겔의 팽윤으로 광결정 구조체의 색상이 변하는 제 3 단계에 대하여 설명한다.Finally, a third step in which the color of the photonic crystal structure changes due to the swelling of the hydrogel will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체에 글루코스를 결합시켜 수화겔이 팽윤되는 과정을 나타낸 도면이다. 도 1을 참고하면, 글루코스 농도에 따라 수화겔의 팽윤정도가 달라지고, 수화겔의 팽윤정도에 따라 광결정 구조체의 색상이 다양하게 나타날 수 있다. 수화겔의 수축 및 팽창은 광결정 구조체의 수축 및 팽창을 유도하고, 광결정 구조체의 광 밴드 갭의 파장 범위를 변화시켜 광결정 구조체의 색상이 변할 수 있다. 1 is a diagram showing a process in which a hydrogel is swollen by binding glucose to a complex according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the degree of swelling of the hydrogel varies according to the glucose concentration, and the color of the photonic crystal structure may vary according to the degree of swelling of the hydrogel. The contraction and expansion of the hydrogel induces contraction and expansion of the photonic crystal structure, and the color of the photonic crystal structure may change by changing the wavelength range of the optical band gap of the photonic crystal structure.

본 발명에 따른 글루코스 농도 측정방법은 육안으로 관찰되는 복합체의 반사 파장에 따라 첨가된 글루코스의 농도를 측정할 수 있고, 첨가되는 글루코스 용액은 pH 버퍼인 탄산염 완충제 pH = 8.5에서 제조되므로 pH의 변화에 독립적으로 반응을 진행하여 글루코스의 농도를 측정할 수 있다.The glucose concentration measurement method according to the present invention can measure the concentration of added glucose according to the reflected wavelength of the complex observed with the naked eye, and the added glucose solution is prepared in a carbonate buffer pH = 8.5, which is a pH buffer. The reaction can be carried out independently to measure the concentration of glucose.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 광결정 구조체, 상기 광결정 구조체 내부 공간에 침투된 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 상기 폴리아크릴산에 고정된 아미노페닐보론산(APBA)를 포함하는 복합체를 이용하는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서를 제공한다.According to another aspect of the present invention, using a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel penetrating into the interior space of the photonic crystal structure, and using a complex containing aminophenyl boronic acid (APBA) fixed to the polyacrylic acid, glucose concentration Provides a biosensor for measurement.

본 발명에 따른 바이오센서는 광결정 구조체, 폴리아크릴산 수화겔, 아미노페닐보론산을 포함하는 복합체를 형성한 후 포토리소그래피(Photolithography)를 통해 선택적으로 경화하여 어레이 형태로 제조될 수 있다. 어레이의 형태는 도트(dot)인 것이 바람직하고, 어레이 형태로 제조됨에 따라 교차오염 문제가 발생하지 않는다.The biosensor according to the present invention may be manufactured in the form of an array by forming a composite including a photonic crystal structure, a polyacrylic acid hydrogel, and aminophenylboronic acid, and then selectively curing it through photolithography. The shape of the array is preferably a dot, and since it is manufactured in an array shape, cross-contamination does not occur.

본 발명에서 바이오센서가 포함하는 복합체의 광결정 구조체는 폴리아크릴산과 IPN(Interwined polymer network) 구조를 형성할 수 있다. 폴리아크릴산 수화겔의 수축 및 팽창에 따라 광결정 구조체의 나선형 피치도 수축 및 팽창하여 색상의 변화를 야기할 수 있다.In the present invention, the photonic crystal structure of the composite included in the biosensor may form an interwined polymer network (IPN) structure with polyacrylic acid. According to the contraction and expansion of the polyacrylic acid hydrogel, the spiral pitch of the photonic crystal structure may also contract and expand, causing a change in color.

광결정 구조체는 고상일 수 있고, 키랄 도판트와 반응성 메소겐을 혼합 및 경화하여 제조될 수 있다. 경화 과정으로 완전한 고상(solid)의 광결정 구조체를 얻을 수 있고, 키랄 도펀트를 추출 및 제거하면서도 콜레스테릭 액정이 갖는 독특한 나선 구조가 그대로 유지될 수 있다. 광결정 구조체가 고상(solid) 형태로 유지됨에 따라 안정성, 내구성 측면에서 향상된 효과를 가질 수 있다.The photonic crystal structure may be solid, and may be prepared by mixing and curing a chiral dopant and a reactive mesogen. Through the curing process, a complete solid photonic crystal structure can be obtained, and a unique spiral structure of a cholesteric liquid crystal can be maintained while extracting and removing a chiral dopant. As the photonic crystal structure is maintained in a solid form, it may have improved effects in terms of stability and durability.

폴리아크릴산은 카복실기를 포함하므로 아민기를 가지는 아미노페닐보론산과 공유결합을 형성할 수 있다. 폴리아크릴산과 아미노페닐보론산은 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide) 커플링을 이용하여 결합할 수 있다. 이에 따라 광결정 구조체와 IPN 구조를 형성하는 수화겔에 아미노페닐보론산을 결합한 복합체를 형성할 수 있다.Since polyacrylic acid contains a carboxyl group, it can form a covalent bond with aminophenylboronic acid having an amine group. Polyacrylic acid and aminophenylboronic acid can be bonded using EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) coupling. Accordingly, it is possible to form a complex in which aminophenylboronic acid is bound to the hydrogel forming the photonic crystal structure and the IPN structure.

아미노페닐보론산은 글루코스와 가역적 결합이 가능한 특성을 지니고 있으며, 이를 통해 글루코스를 검출하는 역할을 한다. 아미노페닐보론산은 2-아미노페닐보론산, 3-아미노페닐보론산, 4-아미노페닐보론산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 3-아미노페닐보론산을 사용할 수 있다.Aminophenylboronic acid has the property of being capable of reversibly binding to glucose, and through this, it serves to detect glucose. The aminophenylboronic acid may be any one selected from the group consisting of 2-aminophenylboronic acid, 3-aminophenylboronic acid, 4-aminophenylboronic acid, and mixtures thereof. Preferably, 3-aminophenylboronic acid can be used.

본 발명에 따른 바이오센서에 글루코스를 첨가하는 과정은 pH 버퍼(buffer) 내에서 행해질 수 있다. 본 발명에서 글루코스 용액은 pH 버퍼인 탄산염 완충제 pH = 8.5에서 제조되어 pH의 변화에 독립적으로 반응이 진행될 수 있다.The process of adding glucose to the biosensor according to the present invention may be performed in a pH buffer. In the present invention, the glucose solution is prepared in a carbonate buffer pH = 8.5, which is a pH buffer, so that the reaction can proceed independently of a change in pH.

본 발명에 따른 바이오센서의 아미노페닐 보론산은 첨가된 글루코스와 특이적으로 결합하여 전하를 띈 이온 형태의 보론기를 가지는 착물을 형성할 수 있다. 아미노페닐보론산 글루코스의 다이올(diol)과 결합하여 삼각형(trigonal) 또는 오각형(tetragonal) 구조의 정방형 착물(보론 복합체, boronate complex)를 형성할 수 있다. The aminophenyl boronic acid of the biosensor according to the present invention may specifically bind to added glucose to form a complex having a charged ionic boron group. It is possible to form a square complex (boronate complex) having a trigonal or pentagonal structure by binding with a diol of aminophenylboronic acid glucose.

글루코스와 결합하여 보론기는 음전하를 띄게 되고, 이온 형태로 존재함에 따라 수화겔 안과 밖의 전하 불균형을 형성할 수 있다. 이온 농도 차이에 의한 전하 불균형으로 삼투압(Donnan osmotic pressure)이 유도되어 수화겔은 팽윤하게 된다. 즉, 글루코스 농도에 따라 수화겔의 팽윤정도가 달라지고, 수화겔의 팽윤정도에 따라 광결정 구조체의 색상이 다양하게 나타날 수 있다. By binding to glucose, the boron group has a negative charge, and as it exists in an ionic form, a charge imbalance in and out of the hydrogel can be formed. Donnan osmotic pressure is induced due to charge imbalance due to the difference in ion concentration, resulting in swelling of the hydrogel. That is, the degree of swelling of the hydrogel varies depending on the glucose concentration, and the color of the photonic crystal structure may vary depending on the degree of swelling of the hydrogel.

바이오센서는 기재를 포함하여 구성될 수 있다. 기재로 사용되는 소재면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 유리기판을 사용할 수 있다.The biosensor may be configured including a substrate. The material used as the substrate is not particularly limited, and a glass substrate may be preferably used.

본 발명에 따른 바이오센서는 글루코스 농도에 따라 수화겔의 수축 및 팽창이 야기되고, 이에 따라 광결정 구조체의 수축 및 팽창을 유도하며, 광 밴드 갭의 파장 범위의 변화에 의한 광결정 구조체의 색상을 육안으로 감지하여 글루코스 농도를 측정할 수 있다.The biosensor according to the present invention causes contraction and expansion of the hydrogel depending on the glucose concentration, thereby inducing contraction and expansion of the photonic crystal structure, and visually detecting the color of the photonic crystal structure due to the change in the wavelength range of the optical band gap. Thus, the glucose concentration can be measured.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 키랄 도판트와 메조겐을 혼합하고 경화하여 나선형 구조의 콜레스테릭 액정을 형성하는 제 1 단계; 콜레스테릭 액정으로부터 키랄 도판트를 제거하여 고상의 광결정 구조체를 형성하는 제 2 단계; 키랄 도판트가 제거된 공간에 폴리아크릴산(PAA)을 침투시키는 제 3 단계; 및 폴리아크릴산에 아미노페닐보론산(APBA)을 고정하는 제 4 단계;를 포함하고, 광결정 구조체는 폴리아크릴산과 IPN(Interwined polymer network) 구조를 형성하며, 글루코스의 농도에 따라 상이한 색상을 가지는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a first step of mixing and curing a chiral dopant and mesogen to form a helical cholesteric liquid crystal; A second step of forming a solid photonic crystal structure by removing the chiral dopant from the cholesteric liquid crystal; A third step of infiltrating polyacrylic acid (PAA) into the space from which the chiral dopant has been removed; And a fourth step of fixing aminophenylboronic acid (APBA) to polyacrylic acid, wherein the photonic crystal structure forms an interwined polymer network (IPN) structure with polyacrylic acid, and has a different color depending on the concentration of glucose. It provides a method of manufacturing a biosensor for measuring concentration.

먼저 나선형 구조의 콜레스테릭 액정을 형성하는 제 1 단계에 대하여 설명한다. 광 결정체 중에서 콜레스테릭 액정(Cholesteric Liquid Crystal, CLC)은 특정 광학 성질을 부여하는 나선형으로 비틀린 분자 배향을 나타내며, 일차원 광자 구조의 제작이 용이한 장점이 있다. 레스테릭 광학 물질은 나선의 피치에 의해 선택적인 광 반사를 나타냄에 따라 독특한 반사 패턴을 나타내기 때문에 상기 CLC는 외부 자극에 변화되는 피치를 이용하여 센서로서 사용될 수 있다.First, a first step of forming a spiral-shaped cholesteric liquid crystal will be described. Among photonic crystals, Cholesteric Liquid Crystal (CLC) exhibits a spirally twisted molecular orientation that imparts specific optical properties, and has an advantage in that it is easy to fabricate a one-dimensional photonic structure. The CLC can be used as a sensor by using a pitch varying from an external stimulus because the lesseric optical material exhibits a unique reflection pattern as it exhibits selective light reflection by the pitch of the helix.

메조겐에 혼합되는 키랄 도펀트의 비율에 따라 형성되는 나선형 구조 및 이에 따른 광밴드 갭의 파장이 변화될 수 있다. 광밴드 갭의 파장 변화에 따라 반사되는 빛의 색상이 변화되므로 육안으로 식별가능한 가시광선의 파장을 가지는 광결정 구조체의 제조를 위하여 키랄 도펀트와 메조겐은 각각 20 ~ 40 중량% 및 80 ~ 60 중량%로 혼합되는 것이 바람직하다. 이에 따른 광결정 구조체의 광 밴드 갭 파장범위는 350 내지 650nm로 나타나는 것이 바람직하다.The helical structure formed according to the ratio of the chiral dopant mixed with the mesogen and the wavelength of the optical band gap may be changed accordingly. Since the color of the reflected light changes according to the change in the wavelength of the optical band gap, chiral dopant and mesogen are 20 to 40% by weight and 80 to 60% by weight, respectively, for the manufacture of a photonic crystal structure having a wavelength of visible light that is visible to the naked eye. It is preferred to be mixed. Accordingly, it is preferable that the optical band gap wavelength range of the photonic crystal structure is 350 to 650 nm.

키랄 도판트는 비반응성 키랄 도판트로, C15, CB15, CM21, R/S-811, CM44, CM45, CM47, R/S-2011, R/S-3011, R/S-4011, R/S-5011 및 R/S-1011로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 도판트인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 CB15 ((S)-4-cyano-4'-(2-methylbutyl)biphenyl)을 사용할 수 있다.Chiral dopants are non-reactive chiral dopants, C15, CB15, CM21, R/S-811, CM44, CM45, CM47, R/S-2011, R/S-3011, R/S-4011, R/S-5011 And it is characterized in that any one dopant selected from the group consisting of R/S-1011, and preferably CB15 ((S)-4-cyano-4'-(2-methylbutyl)biphenyl) may be used.

메조겐은 반응성 네마틱 메조겐으로, RM 82, RM 257, RM308 및 RMM727로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 메조겐인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 RMM727을 사용할 수 있다. RMM727은 acryloyloxy기, 1,6-hexamethylenediol diacrylate, 2-methyl-1-(4-methylthiophenyl)-2-morpholinopropan-1-one을 포함하는 혼합물이며, 상기 acryloyloxy기를 포함하는 물질로 reactive acryloyloxy mesogen APBMP, reactive acryloyloxymesogen AHBCP, reactive acryloyloxy mesogen AHBMP 및 reactive acryloyloxy mesogen AHBPCHP을 사용할 수 있다.Mesogen is a reactive nematic mesogen, characterized in that it is any one mesogen selected from the group consisting of RM 82, RM 257, RM308 and RMM727, and preferably RMM727 may be used. RMM727 is a mixture containing acryloyloxy group, 1,6-hexamethylenediol diacrylate, 2-methyl-1-(4-methylthiophenyl)-2-morpholinopropan-1-one, and reactive acryloyloxy mesogen APBMP as a material containing the acryloyloxy group, reactive acryloyloxymesogen AHBCP, reactive acryloyloxy mesogen AHBMP and reactive acryloyloxy mesogen AHBPCHP can be used.

다음으로 고상의 광결정 구조체를 형성하는 제 2 단계에 대하여 설명한다.Next, a second step of forming a solid photonic crystal structure will be described.

종래 CLC가 액체 상태의 액적으로 제조됨에 따라, 오랜기간 동안 안정도를 유지하는데 한계가 있으므로 이를 극복하기 위하여 키랄 도판트를 제거하여 고상의 광결정 구조체를 얻을 수 있다. 키랄 도판트가 제거되어 메조겐만으로 이루어지면서도 키랄 도판트에 의해 형성되었던 나선 구조 형태가 그대로 유지되어, 콜레스테릭 액정 특성을 나타내는 광결정 구조체로서 제조될 수 있고, 완전한 고체 상태로 제조되어 안정성이 향상될 수 있다.As conventional CLCs are manufactured as liquid droplets, there is a limit to maintaining stability for a long period of time, and in order to overcome this, a chiral dopant may be removed to obtain a solid photonic crystal structure. Although the chiral dopant is removed, the helical structure formed by the chiral dopant is maintained as it is, while the helical structure formed by the chiral dopant is removed, and it can be manufactured as a photonic crystal structure exhibiting cholesteric liquid crystal characteristics, and it is manufactured in a completely solid state, resulting in stability. It can be improved.

다음으로 폴리아크릴산(PAA)을 침투시키는 제 3 단계에 대하여 설명한다.Next, a third step of infiltrating polyacrylic acid (PAA) will be described.

키랄 도판트가 제거되면서 광결정 구조체에 공간이 발생하고, 그 내부에 아크릴산(AA)를 침투시켜 수화겔이 광결정 구조체와 IPN 구조를 이루도록 제조할 수 있다. 수화겔이 수축 및 팽창함에 따라 광결정 구조체도 수축 및 팽창함에 따라 나선 피치가 변화하고, 반사되는 색상이 변경되는 구조를 형성할 수 있다.As the chiral dopant is removed, a space is generated in the photonic crystal structure, and acrylic acid (AA) is penetrated into the hydrogel to form an IPN structure with the photonic crystal structure. As the hydrogel contracts and expands, the photonic crystal structure may also form a structure in which the spiral pitch changes and the reflected color changes as the photonic crystal structure contracts and expands.

키랄 도판트를 제거하는 과정에서 폴리아크릴산(PAA) 수화겔은 광결정 구조체 내부 공간에 침투되고, 폴리아크릴산 수화겔이 침투된 광결정 구조체는 수화겔의 반응 등방성 특성과 광 결정 구조체의 비등방성 및 나선형 분자 순서를 결합시켜 광자 간 개재된 IPN 중합체를 형성할 수 있다.In the process of removing the chiral dopant, the polyacrylic acid (PAA) hydrogel penetrates the interior space of the photonic crystal structure, and the photonic crystal structure in which the polyacrylic acid hydrogel is infiltrated combines the reaction isotropic properties of the hydrogel with the anisotropy and helical molecular order of the photonic crystal structure To form an IPN polymer interposed between photons.

다음으로 폴리아크릴산에 아미노페닐보론산(APBA)을 고정하는 제 4 단계에 대하여 설명한다.Next, a fourth step of fixing aminophenylboronic acid (APBA) to polyacrylic acid will be described.

폴리아크릴산은 카복실기를 포함하므로 아민기를 가지는 아미노페닐보론산과 공유결합을 형성할 수 있다. 폴리아크릴산과 아미노페닐보론산은 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide) 커플링을 이용하여 결합할 수 있다. 이에 따라 광결정 구조체와 IPN 구조를 형성하는 수화겔에 아미노페닐보론산을 결합한 복합체를 형성할 수 있다.Since polyacrylic acid contains a carboxyl group, it can form a covalent bond with aminophenylboronic acid having an amine group. Polyacrylic acid and aminophenylboronic acid can be bonded using EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) coupling. Accordingly, it is possible to form a complex in which aminophenylboronic acid is bound to the hydrogel forming the photonic crystal structure and the IPN structure.

아미노페닐보론산은 글루코스와 가역적 결합이 가능한 특성을 지니고 있으며, 이를 통해 글루코스를 검출하는 역할을 한다. 아미노페닐보론산은 2-아미노페닐보론산, 3-아미노페닐보론산, 4-아미노페닐보론산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 3-아미노페닐보론산을 사용할 수 있다.Aminophenylboronic acid has the property of being capable of reversibly binding to glucose, and through this, it serves to detect glucose. The aminophenylboronic acid may be any one selected from the group consisting of 2-aminophenylboronic acid, 3-aminophenylboronic acid, 4-aminophenylboronic acid, and mixtures thereof. Preferably, 3-aminophenylboronic acid can be used.

본 발명에 따른 바이오센서 제조방법은 키랄 도펀트와 메조겐의 비율을 조절하여 광결정 구조체의 색상 스펙트럼을 조절할 수 있고, 키랄 도판트 추출에 따라 완전한 고상의 광결정 구조체를 형성하여 안정성을 확보하며, 키랄 도판트가 제거된 공간에 침투된 수화겔을 이용하여 수화겔의 수축 및 팽창에 따라 색상의 변화를 감지할 수 있는 바이오센서를 제조할 수 있다.The biosensor manufacturing method according to the present invention can adjust the color spectrum of the photonic crystal structure by adjusting the ratio of chiral dopant and mesogen, and secure stability by forming a completely solid photonic crystal structure according to chiral dopant extraction, and A biosensor capable of detecting a change in color according to contraction and expansion of the hydrogel by using the hydrogel penetrated into the space from which the hydrogel has been removed can be manufactured.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. On the other hand, the illustrations and detailed descriptions of configurations, actions and effects thereof, which can be easily recognized by those of ordinary skill in the art, will be simplified or omitted, and will be described in detail centering on parts related to the present invention.

<실시예><Example>

재료material

반응성 액정 혼합물(RMM727; 영국 머크); CB15(독일 신톤); AA(Junsei, Japan); 광개시제(Irgacure 500; 스위스 시바 (Ciba Inc.)); APBA(실 가드 184; 다우 코닝, 미국); TPGDA, TMSPMA(98%), 트리클로로(1H, 1H, 2H, 2H-퍼플루오로옥틸)실란(PFOTS, 97%), NHS, EDC·HCl, 옥타데실트리클로로실란(OTS), 포도당 및 인간 혈청(Sigma-Aldrich, 미국); 마이크로펄(일본 세키스이); 아세톤, 에탄올 및 PBS. 특별히 언급되지 않는 한 모든 실험에 사용된 탈 이온수 (DI)는 역삼투압 시스템 (μPure RO; 한국의 Romax)을 사용하여 정제되었다. 모든 실험에서, 글루코스 용액은 탄산염 완충제 pH = 8.5에서 제조되었다. Reactive liquid crystal mixture (RMM727; Merck UK); CB15 (Sinton, Germany); AA from Junsei, Japan; Photoinitiators (Irgacure 500; Ciba Inc., Switzerland); APBA (Silgard 184; Dow Corning, USA); TPGDA, TMSPMA (98%), trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane (PFOTS, 97%), NHS, EDC HCl, octadecyltrichlorosilane (OTS), glucose and human Serum (Sigma-Aldrich, USA); Micro Pearl (Sekisui, Japan); Acetone, ethanol and PBS. Unless otherwise noted, deionized water (DI) used in all experiments was purified using a reverse osmosis system (μPure RO; Romax, Korea). In all experiments, glucose solutions were prepared in carbonate buffer pH = 8.5.

실시예 1 - 글루코스 검출용 바이오센서Example 1-Biosensor for glucose detection

도 2는 본 발명에 따른 글루코스 농도 측정용 바이오센서의 제조방법을 나타낸 도면이다. 도 2를 참고하여 이하 글루코스 농도 측정용 바이오센서의 제조방법에 대하여 설명한다.2 is a view showing a method of manufacturing a biosensor for measuring glucose concentration according to the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing a biosensor for measuring glucose concentration will be described with reference to FIG. 2.

(1) 유리 기판 준비(1) Glass substrate preparation

유리 기판을 에탄올에서 15분 동안 초음파 처리한 후 탈 이온수로 세척하고 공기압 하에서 건조시켰다. TMSPMA 용액을 플라즈마를 사용하여 미리 제조한 활성화된 표면상에 스핀 코팅(3000 rpm에서 45초 동안)시킨 후 100 ℃에서 10분 동안 경화하였다. 다른 유리 기판은 밀폐된 챔버에서 70℃로 1시간 동안 화학 기상 증착을 통해 PFOTS로 코팅하였다.The glass substrate was sonicated in ethanol for 15 minutes, washed with deionized water, and dried under air pressure. The TMSPMA solution was spin-coated (for 45 seconds at 3000 rpm) on the activated surface prepared in advance using plasma and then cured at 100° C. for 10 minutes. Another glass substrate was coated with PFOTS by chemical vapor deposition at 70° C. for 1 hour in a closed chamber.

(2) CLC 필름의 형성(2) formation of CLC film

RMM727(74 wt%) 및 CB15(26 wt%)를 연속 자기 교반하에 85℃에서 30분 동안 혼합하였다.RMM727 (74 wt%) and CB15 (26 wt%) were mixed for 30 minutes at 85° C. under continuous magnetic stirring.

혼합물을 완전히 교반하고 25℃로 냉각하여 유백색의 투명한 CLC 혼합 용액을 제조하였다. 6㎛ 두께의 스페이서로 분리되고, 표면이 TMSPMA 및 PFOTS로 코팅된 두 유리 기판 사이에 CLC 혼합 용액(20㎕)을 침투시켰다. 혼합 용액 침투시킨 후 UV 경화기(Inocure 100N; 리히츠젠, 한국)를 사용하여 365 nm 및 20℃에서 10분 동안 광중합시켰다. UV 경화 후 상부에 PFOTS 코팅된 유리 기판을 제거하고 아세톤으로 10회 세척하여 미반응 CB15를 제거, 추출하였다.The mixture was thoroughly stirred and cooled to 25° C. to prepare a milky, transparent CLC mixed solution. Separated by a 6 μm-thick spacer, a CLC mixed solution (20 μl) was permeated between two glass substrates coated with TMSPMA and PFOTS on the surface. After infiltrating the mixed solution, photopolymerization was performed at 365 nm and 20° C. for 10 minutes using a UV curing machine (Inocure 100N; Lichtzen, Korea). After UV curing, the glass substrate coated with PFOTS was removed and washed 10 times with acetone to remove and extract unreacted CB15.

(3) 포토닉(photonic, 광자성) IPN 필름 및 어레이의 제조(3) Preparation of photonic (photonic) IPN film and array

모노머 혼합물(AA / TPGDA / Irgacure 500, 98.5 : 0.5 : 1 wt%)을 CLC 필름에 떨어뜨려 30분 동안 침윤시켰다. 눈에 띄는 색상 변화는 나타나지 않았고, UV-경화 전에 침윤되지 않은 초과량을 제거하였다. 그 후, 필름으로부터 6 cm에 위치한 포토 마스크를 사용하여 필름을 10분 동안 선택적으로 광중합하였다. The monomer mixture (AA / TPGDA / Irgacure 500, 98.5: 0.5: 1 wt%) was dropped on the CLC film and allowed to soak for 30 minutes. No noticeable color change was seen, and the uninfiltrated excess was removed prior to UV-curing. Thereafter, the film was selectively photopolymerized for 10 minutes using a photo mask located 6 cm from the film.

(4) APBA로 기능화된 포토닉 IPN 어레이 제조(4) Fabrication of photonic IPN array functionalized with APBA

이어서, 30mM APBA를 개별 도트에 고정시킨 후, 2시간 동안 EDC·HCl : NHS (1 : 2M, pH = 7) 커플링하고 공기 중에서 건조시켰다. 이에 따라 포토닉 IPN 복합체 및 이를 이용한 어레이를 제조하였다.Then, 30mM APBA was fixed to individual dots, followed by EDC·HCl:NHS (1:2M, pH = 7) coupling for 2 hours and dried in air. Accordingly, a photonic IPN composite and an array using the same were prepared.

<실험예><Experimental Example>

일반정보General information

포토닉 IPN 어레이의 단면 이미지는 15kV에서 작동하는 전계 방출 SEM 현미경 (SU8220; 일본 히타치)을 사용하여 얻었다. 샘플의 표면은 백금으로 코팅하여 제조하였다.Cross-sectional images of the photonic IPN array were obtained using a field emission SEM microscope (SU8220; Hitachi, Japan) operating at 15 kV. The surface of the sample was prepared by coating with platinum.

감쇄된 전체 반사 FTIR 스펙트럼은 평균 64 스캔을 수집하여 4 cm-1의 해상도에서 600-4000 cm-1 범위의 FTIR 분광계 (FT / IR-4100; Jasco, Japan)로 얻었다.The attenuated total reflection FTIR spectrum was obtained by collecting an average of 64 scans with an FTIR spectrometer (FT / IR-4100; Jasco, Japan) in the range of 600-4000 cm -1 at a resolution of 4 cm -1.

300-900 nm 범위의 CLC 필름의 UV-Vis 스펙트럼은 필름을 빔에 수직으로 배향한 조건에서 탁상용 UV 분광 광도계 (Ocean Optics, DH-2000-BAL)를 사용하여 얻었다.The UV-Vis spectrum of the CLC film in the range of 300-900 nm was obtained using a tabletop UV spectrophotometer (Ocean Optics, DH-2000-BAL) under the condition that the film was oriented perpendicular to the beam.

실험예 1 - 구조확인Experimental Example 1-Structure confirmation

(1) 고상의 나선형 광결정 구조의 형성 확인(1) Confirmation of formation of solid spiral photonic crystal structure

CLC 혼합 용액을 2개의 유리 기판 사이의 갭에 모세관력에 의해 침투시킨 후 UV 경화하여 고상의 광결정 구조를 제조하였다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 UV 경화 전후의 UV-Vis 스펙트럼이다. 도 3을 참고하면, UV 경화 전 반사 밴드는 λPBG = 650 nm에서 적색 반사 밴드가 나타났다. 여기서 λPBG는 UV-Vis 스펙트럼의 피크로부터 측정된 광 대역 갭에서의 파장이다. UV 경화 후, 생성된 CLC 필름 은 λPBG = 615 nm에서 오렌지/레드 반사 대역의 밴드가 나타났다.The CLC mixed solution was infiltrated into the gap between the two glass substrates by capillary force and then UV cured to prepare a solid photonic crystal structure. 3 is a UV-Vis spectrum before and after UV curing according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the reflection band before UV curing showed a red reflection band at λ PBG = 650 nm. Where λ PBG is the wavelength in the wide band gap measured from the peak of the UV-Vis spectrum. After UV curing, the resulting CLC film showed a band of orange/red reflection band at λ PBG = 615 nm.

또한 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼으로 확인하는 아크릴레이트 피크의 유무를 통해 UV 경화 전후의 광결정 구조 및 그 형성여부를 확인할 수 있었다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 각 단계별 구조의 FTIR 스펙트럼이다. 도 4의 (a)를 참고하면, UV 경화에 따른 광중합(photopolymerize) 후 RMM727을 사용함에 따라 1635 cm-1 및 810 cm-1에서 나타나던 아크릴레이트 이중 결합의 피크(C = C)가 사라지는 것을 통해 UV 경화에 따른 광결정 구조의 형성을 확인할 수 있었다.In addition, it was possible to confirm the photonic crystal structure before and after UV curing and whether or not it was formed through the presence or absence of an acrylate peak identified by Fourier transform infrared (FTIR) spectrum. 4 is an FTIR spectrum of each step structure according to an embodiment of the present invention. Referring to (a) of FIG. 4, as the RMM727 is used after photopolymerization according to UV curing, the peaks of the acrylate double bonds (C = C) appearing at 1635 cm -1 and 810 cm -1 disappear. It was possible to confirm the formation of a photonic crystal structure according to UV curing.

CLC 필름의 파장은 CLC 혼합 용액의 키랄 도판트의 비율에 따라 나타나는 나선형 피치에 의해 제어되어 가시광의 파장 대역과 일치하는 광 밴드 갭 파장을 갖는 구조를 얻을 수 있었다. The wavelength of the CLC film was controlled by the helical pitch appearing according to the ratio of the chiral dopant in the CLC mixed solution, so that a structure having an optical band gap wavelength consistent with the wavelength band of visible light could be obtained.

(2) IPN 복합체 형성 확인(2) Confirmation of IPN complex formation

CLC 필름은 UV 경화에 따라 고상화되어 안정성을 가지면서 나선형 피치를 유지하여 광결정 구조로써의 기능을 가질 수 있다. 미반응 키랄 도판트를 제거하면 고체 상태의 1차원 광결정 구조 내부에 공간을 생성할 수 있고, 그 공간에 기능성 물질 중 하나인 AA를 침투시켜 포토닉 IPN 복합체를 제조할 수 있었다.The CLC film is solidified according to UV curing, has stability, and maintains a helical pitch, thereby having a function as a photonic crystal structure. When the unreacted chiral dopant is removed, a space can be created inside a solid one-dimensional photonic crystal structure, and AA, one of the functional materials, can penetrate into the space to prepare a photonic IPN composite.

UV 경화에 따른 광결정 구조 형성 후 상부에 위치한 PFOTS로 코팅된 유리를 제거하여 고상화된 CLC 필름을 아세톤으로 10회 세척하여 (S)-4-시아노-4 '-(2-메틸부틸)바이페닐(CB15)을 추출하였다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 CLCsolid 필름과 포토닉 IPN 복합체의 UV-Vis 스펙트럼이다. 도 5를 참고하면, CB15가 추출된 CLCsolid 필름은 λPBG = 460 nm에서 반사 밴드를 나타내었다. CB15 제거는 FTIR 분석에 의해 추가로 확인할 수 있었다. 도 4의 (b)를 참고하면, CB15의 특징적인 시아노기를 나타내는 2220 cm-1에서 피크가 사라진 것을 통해 CB15의 제거를 확인할 수 있었다.After formation of the photonic crystal structure by UV curing, remove the glass coated with PFOTS and wash the solidified CLC film 10 times with acetone. Phenyl (CB15) was extracted. 5 is a UV-Vis spectrum of a CLC solid film and a photonic IPN composite according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the CLC solid film from which CB15 was extracted exhibited a reflection band at λ PBG = 460 nm. CB15 removal could be further confirmed by FTIR analysis. Referring to FIG. 4B, it was confirmed that CB15 was removed through the disappearance of the peak at 2220 cm -1 representing the characteristic cyano group of CB15.

CB15가 추출된 공간에 아크릴산(AA, Acrylic acid)을 침투시켜 IPN 복합체를 형성하였다. CLCsolid 필름에 아크릴산(AA)-트리 프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(TPGDA) 혼합물을 침윤시키자 청색에서 녹색으로 색이 변하며, 침윤된 아크릴 단량체로 인한 필름 팽창이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. The IPN complex was formed by infiltrating acrylic acid (AA) into the space from which CB15 was extracted. When the acrylic acid (AA)-tripropylene glycol diacrylate (TPGDA) mixture was impregnated into the CLCsolid film, the color changed from blue to green, and it was confirmed that film swelling due to the impregnated acrylic monomer appeared.

아크릴산을 침윤시킨 CLCsolid 필름을 포토마스크를 이용하여 선택적(도트 모양)으로 광중합하고, 그 영역 외부의 미반응 아크릴산 단량체를 PBS(phosphate-buffered saline) 용액을 사용하여 세척하여 얻은 어레이는 도트 영역과 그 외 영역이 다른 색으로 나타났다. 도 5를 참고하면, 아크릴산의 침윤으로 형성된 포토닉 IPN 복합체가 형성된 도트 영역의 반사 밴드가 λPBG = 520 nm에서 나타나는 것을 확인할 수 있다.The array obtained by selectively (dot-shaped) photopolymerization of a CLCsolid film impregnated with acrylic acid using a photomask, and washing the unreacted acrylic acid monomer outside the area using a phosphate-buffered saline (PBS) solution, The outside area appeared in a different color. Referring to FIG. 5, it can be seen that the reflection band of the dot region in which the photonic IPN composite formed by infiltration of acrylic acid is formed appears at λ PBG = 520 nm.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 IPN 복합체를 이용한 어레이의 사진이다. 도 6을 참고하면, 도트 영역은 녹색(λPBG = 520nm)인 반면, 그 외의 영역은 청색(λPBG = 460nm)으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 IPN 복합체의 형성은 FTIR 분석에 의해 확인할 수 있다. 도 4의 (c)를 참고하면, 도트 영역의 FTIR 스펙트럼은 카르복실산기의 비수소 결합 -OH 스트레치, NH 스트레치, 대칭 및 비대칭 스트레치 밴드에 기인한 3500, 3000, 1750 및 1408 cm-1에서 피크를 확인할 수 있었다. 이는 카르복실산기 및 카르복실레이트 이온의 존재에 따른 결과로 폴리(아크릴산)(PAA)가 침윤되어 IPN 복합체를 형성한 것을 확인할 수 있다.6 is a photograph of an array using a photonic IPN composite according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, it can be seen that the dot region is green (λ PBG = 520 nm), while the other regions are blue (λ PBG = 460 nm). In addition, the formation of the IPN complex can be confirmed by FTIR analysis. Referring to (c) of FIG. 4, the FTIR spectrum of the dot region peaks at 3500, 3000, 1750 and 1408 cm -1 due to the non-hydrogen bond -OH stretch of the carboxylic acid group, the NH stretch, and the symmetric and asymmetric stretch bands. Was able to confirm. It can be seen that poly(acrylic acid) (PAA) is infiltrated to form an IPN complex as a result of the presence of a carboxylic acid group and a carboxylate ion.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CLCsolid 필름과 포토닉 IPN 필름의 단면 주사 현미경(SEM) 이미지이다. 도 7의 (a)를 참고하면, 주기적으로 교대하는 어둡고 밝은 층을 확인할 수 있다. 이는 고체 상태의 광결정 구조의 형성을 나타낸다. 이 주기성(245nm)은 p/2를 나타내며, 여기서 p는 나선 피치이다. 도 7의 (b)를 참고하면, 침윤된 아크릴산으로 형성된 IPN 구조에 따라 증가된 주기성(260 nm)을 확인할 수 있었다. 포토닉 밴드 갭에서의 파장은 p×n에 의해 계산되었으며, 여기서 n은 굴절률이다. CLCsolid 및 포토닉 IPN 필름의 값은 각각 460nm 및 520nm로 나타났고, 이는 상응하는 관찰된 색상(청색 및 녹색)과 일치함을 확인할 수 있었다.7 is a cross-sectional scanning microscope (SEM) image of a CLCsolid film and a photonic IPN film according to an embodiment of the present invention. Referring to (a) of FIG. 7, dark and light layers that are periodically alternating can be seen. This indicates the formation of a photonic crystal structure in a solid state. This periodicity (245 nm) represents p/2, where p is the helix pitch. Referring to (b) of FIG. 7, an increased periodicity (260 nm) was confirmed according to the IPN structure formed of impregnated acrylic acid. The wavelength at the photonic bandgap was calculated by p×n, where n is the refractive index. The values of the CLCsolid and photonic IPN films were found to be 460 nm and 520 nm, respectively, which could be confirmed to be consistent with the corresponding observed colors (blue and green).

(3) APBA 고정화 및 최적 농도확인(3) APBA immobilization and optimal concentration confirmation

글루코스의 검출을 위해, 본 발명은 포토닉 IPN 복합체에 APBA(Aminophenylboronic acid)를 고정하였다. APBA를 고정하기 위한 커플링제로서 N-(3-디메틸 아미노프로필)-N'-에틸 카르보디이미드 HCl : N-히드록시 숙신이미드(EDC·HCl : NHS, 몰비 2 : 1)를 사용하여 포토닉 IPN 복합체를 활성화시켰다. APBA의 고정은 FTIR 분석으로 확인하였다. 도 4의 (d)를 참고하면, APBA가 고정된 CLCAAc-APBA의 FTIR 스펙트럼에서 B-OH 스트레칭 진동, C = C aromatic 진동, 아미드 -I 형성 및 공유적으로 고정화된 APBA의 C = O 및 -OH / NH2 신장에 대응하여 1253, 1555, 1631, 1708 및 3400 cm-1에서 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.For the detection of glucose, the present invention fixed APBA (Aminophenylboronic acid) to the photonic IPN complex. Photo by using N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethyl carbodiimide HCl:N-hydroxy succinimide (EDC HCl: NHS, molar ratio 2: 1) as a coupling agent for fixing APBA. Nick IPN complex was activated. The fixation of APBA was confirmed by FTIR analysis. Referring to (d) of Figure 4, in the FTIR spectrum of the APBA-immobilized CLC AAc-APBA , B-OH stretching vibration, C = C aromatic vibration, amide-I formation and C = O of the covalently immobilized APBA, and -OH / NH 2 It was confirmed that peaks appeared at 1253, 1555, 1631, 1708 and 3400 cm -1 in response to elongation.

포토닉 IPN-APBA 복합체가 알칼리성 pH에서 글루코스와 정방형 착물을 형성하면, 도난 삼투압(Donnan osmotic pressure)이 유도되어 매트릭스의 부피 변화가 나타난다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 상이한 농도의 APBA가 고정된 포토닉 IPN 어레이의 측면도이다. 도 8을 참고하면, 도트 및 배경 영역의 친수성 및 소수성 특성으로 인하여 교차 오염 없이 방울을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 글루코스 수용액은 포토닉 IPN 도트 영역에 함유된 뒤에도 도트 영역과 배경 영역의 교차 오염이 나타나지 않았다.When the photonic IPN-APBA complex forms a square complex with glucose at an alkaline pH, Donnan osmotic pressure is induced, resulting in a change in the volume of the matrix. 8 is a side view of a photonic IPN array to which APBAs of different concentrations are fixed according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, it was confirmed that droplets were formed without cross contamination due to the hydrophilic and hydrophobic properties of the dots and background regions. In addition, even after the glucose aqueous solution was contained in the photonic IPN dot region, cross contamination between the dot region and the background region did not appear.

APBA의 최적의 양을 확인하기 위하여 개별 포토닉 IPN 복합체(IPNAPBA)에 상이한 농도의 APBA(CAPBA)를 고정하여 포토닉 IPN 어레이를 제작하였다. 그리고 상이한 농도의 APBA가 고정된 포토닉 IPN 어레이를 5mM의 글루코스 용액에 침지하여 최적의 APBA 농도를 확인하였다. In order to confirm the optimal amount of APBA , a photonic IPN array was prepared by fixing different concentrations of APBA (C APBA) to individual photonic IPN complexes (IPN APBA). In addition, the photonic IPN array in which different concentrations of APBA were fixed was immersed in a 5 mM glucose solution to confirm the optimal APBA concentration.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 농도의 APBA가 고정된 포토닉 IPN 도트 영역의 UV-Vis 스펙트럼이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 상이한 농도의 APBA가 고정된 포토닉 IPN 도트 영역의 사진이다. 각 도트 하단의 숫자는 APBA의 농도(mM)이다. 도 9와 도 10을 참고하면, APBA의 농도가 낮을(5 ~ 10 mM) 경우, λPBG가 글루코스가 없을 때 나타나는 520 nm에서 534 nm로 약간 적색 이동했지만 초기 도트의 녹색이 유지되었다. APBA의 농도가 15 mM로 증가하면 약간의 황색(568 nm)이 나타났고, APBA의 농도가 20 nm 및 25 nm로 증가하면 각각 황색-오렌지(593 nm) 및 적색(607 nm)이 나타남을 확인하였다. APBA의 농도가 30 mM일 때 적색(645 nm)이 명확하게 관찰되었고 추가 APBA의 농도 증가에는 포화됨을 확인할 수 있었다. 9 is a UV-Vis spectrum of a photonic IPN dot region to which APBAs of different concentrations are fixed according to an embodiment of the present invention. 10 is a photograph of a photonic IPN dot area to which APBAs of different concentrations are fixed according to an embodiment of the present invention. The number at the bottom of each dot is the APBA concentration (mM). Referring to FIGS. 9 and 10, when the concentration of APBA is low (5 to 10 mM), λ PBG slightly shifted red from 520 nm to 534 nm, which appears when there is no glucose, but the green of the initial dot was maintained. When the concentration of APBA increased to 15 mM, a little yellow (568 nm) appeared, and when the concentration of APBA increased to 20 nm and 25 nm, yellow-orange (593 nm) and red (607 nm) appeared, respectively. I did. When the concentration of APBA was 30 mM, red (645 nm) was clearly observed, and it was confirmed that the concentration of APBA was increased with increasing concentration.

이에 따라 색상의 변화가 명확하게 관찰되는 30 mM APBA를 이용하여 포토닉 IPN 어레이를 제작하였고, 이하 실험을 진행하였다.Accordingly, a photonic IPN array was fabricated using 30 mM APBA in which color change was clearly observed, and the following experiment was conducted.

실험예 2 - 감도 및 반응시간 측정Experimental Example 2-Measurement of sensitivity and reaction time

본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이의 감도 및 색상의 변화를 확인하기 위하여 다양한 농도의 글루코스를 포토닉 IPN 어레이에 첨가하여 실험을 진행하였다.In order to confirm the change in sensitivity and color of the photonic IPN array according to the present invention, an experiment was conducted by adding glucose of various concentrations to the photonic IPN array.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도에 대한 포토닉 IPN 어레이의 색상 변화를 관찰한 사진이다. 각 도토 하단의 숫자는 글루코스의 농도(mM)이다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도에 대한 포토닉 IPN 어레이의 UV-Vis 스펙트럼이다.11 is a photograph illustrating a color change of a photonic IPN array for various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention. The number at the bottom of each clay is the concentration of glucose (mM). 12 is a UV-Vis spectrum of a photonic IPN array for various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention.

도 11과 도 12를 참고하면, 글루코스의 농도가 낮을(Cg = 0.5 mM, 저혈당 수준)의 경우, λPBG가 글루코스가 없을 때 나타나는 520 nm에서 526 nm로 약간의 적색 이동이 관찰되나 도트는 초기 녹색을 유지하였다. 글루코스의 농도(Cg)가 2 mM(저혈당) 및 5 mM(정상)으로 증가함에 따라, 도트의 색상은 에메랄드 그린(534 nm) 및 옐로우(570 nm) 색상에 상응하게 나타났다. 글루코스의 농도가 5.2 ~ 6.8 mM(정상) 및 9 mM(고혈당)에서는 각각 주황색-적색(590 nm) 및 적색(627 nm)이 관찰되었고, 글루코스의 농도가 10 mM를 초과(당뇨병 범위)하는 경우 λPBG는 653 nm에 도달하고 포화됨을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이는 각 도트별 상이한 분석이 동시에 가능하고, 시각적으로 인지할 수 있는 색상을 통해 글루코스 농도별 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 11 and 12, when the concentration of glucose is low (C g = 0.5 mM, hypoglycemic level), a slight red shift is observed from 520 nm to 526 nm when λ PBG does not have glucose, but the dot is Maintained the initial green color. As the concentration of glucose (C g ) increased to 2 mM (hypoglycemic) and 5 mM (normal), the color of the dots appeared corresponding to the colors of emerald green (534 nm) and yellow (570 nm). Orange-red (590 nm) and red (627 nm) were observed at the concentration of 5.2 to 6.8 mM (normal) and 9 mM (hyperglycemia), respectively, and when the concentration of glucose exceeded 10 mM (diabetic range) It was confirmed that λ PBG reached 653 nm and was saturated. That is, it was confirmed that the photonic IPN array according to the present invention can perform different analysis for each dot at the same time, and detect each glucose concentration through visually recognizable colors.

검출 한계(LOD)와 관련하여 λPBG 플롯을 확인하였다. 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 농도의 글루코스에 대한 포토닉 IPN 어레이의 포토닉 밴드 갭(λPBG)을 나타낸 그래프이다. 도 13을 참고하면 글루코스의 농도가 12mM에서 λPBG가 포화됨을 확인할 수 있다. 이 플롯을 이용하여 선형 범위를 얻었고, 검출한계를 구하였다. 검출한계(LOD)는 LOD = 3.3 × (SD / s)를 사용하여 계산하였다. 여기서 SD는 빈 샘플의 표준 편차이고 s는 그래프의 기울기이다. 계산된 LOD는 1 ~ 12 mM의 선형 범위에서 0.35 mM이었다. 이를 통해 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이는 0.35mM의 글루코스까지 λPBG 값에 따라 감지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 다만 글루코스를 첨가하기 전 포토닉 IPN 어레이의 색상인 녹색(green)의 파장대가 넓어 2mM 이상의 글루코스를 첨가할 때부터 육안으로 색상의 변화(emerald green)를 감지할 수 있었다. The λ PBG plot was confirmed with respect to the limit of detection (LOD). 13 is a graph showing a photonic band gap (λ PBG ) of a photonic IPN array for various concentrations of glucose according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 13, it can be seen that λ PBG is saturated at a concentration of 12 mM glucose. Using this plot, a linear range was obtained and the detection limit was calculated. The limit of detection (LOD) was calculated using LOD = 3.3 × (SD / s). Where SD is the standard deviation of the blank sample and s is the slope of the graph. The calculated LOD was 0.35 mM in the linear range of 1-12 mM. Through this, it was confirmed that the photonic IPN array according to the present invention can detect up to 0.35 mM glucose according to the λ PBG value. However, before the addition of glucose, the color of the photonic IPN array, the green wavelength band, was wide, so that the color change (emerald green) could be detected with the naked eye from the time when glucose of 2mM or more was added.

또한 반응 시간과 관련하여 본 발명의 포토닉 IPN 어레이에 10 mM 글루코스 용액 4 μL를 떨어뜨렸을 때 녹색을 보이던 도트는 12분 후 적색으로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이는 글루코스 검출에 있어서 반응 시간이 짧아 간편하게 이용이 가능함을 확인할 수 있었다.In addition, in relation to the reaction time, when 4 μL of a 10 mM glucose solution was dropped into the photonic IPN array of the present invention, it was confirmed that the green dot turned red after 12 minutes. That is, it was confirmed that the photonic IPN array according to the present invention can be conveniently used because the reaction time is short in glucose detection.

실험예 3 - 인간 혈청 대상Experimental Example 3-Human Serum Subject

혈당 수치의 적절한 모니터링을 위하여 인간 혈청 내 글루코스를 선택적으로 감지할 수 있는지 확인할 필요가 있다. 인간의 혈청 내 글루코스 검출의 민감성 및 선택성을 확인하기 위하여 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이에 상이한 농도의 글루코스를 포함하는 인간 혈청을 떨어뜨리고 색상의 변화를 관찰하였다. 실험에서 사용한 인간 혈청 샘플은 초기 글루코스 농도가 5.32 mM인 시료를 탄산염 완충액(pH = 8.5)으로 희석하고 글루코스를 첨가하여 다양한 글루코스 농도가 나타나도록 준비하였다.For proper monitoring of blood glucose levels, it is necessary to confirm whether glucose in human serum can be selectively detected. In order to confirm the sensitivity and selectivity of detection of glucose in human serum, human serum containing different concentrations of glucose was dropped onto the photonic IPN array according to the present invention, and a change in color was observed. Human serum samples used in the experiment were prepared by diluting a sample with an initial glucose concentration of 5.32 mM with carbonate buffer (pH = 8.5) and adding glucose to display various glucose concentrations.

(1) 감도(1) sensitivity

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도를 가지는 인간 혈청에 대한 포토닉 IPN 어레이의 색상 변화를 관찰한 사진이다. 각 도트 하단의 숫자는 글루코스의 농도(mM)이다. 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도를 가지는 인간 혈청에 대한 포토닉 IPN 어레이의 UV-Vis 스펙트럼이다.14 is a photograph illustrating a color change of a photonic IPN array for human serum having various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention. The number at the bottom of each dot is the concentration of glucose (mM). 15 is a UV-Vis spectrum of a photonic IPN array for human serum having various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention.

도 14와 도 15를 참고하면 인간 혈청 샘플에서 글루코스 농도(Cg)가 증가함에 따라 녹색에서 적색으로 변하는 것이 관찰되었다. 글루코스 농도가 0.5 mM인 경우 녹색(526 nm)으로 나타나던 도트의 색상은 글루코스 농도가 2 mM(저혈당)인 경우 에메랄드 그린, 5 mM(저혈당)인 경우 노란색, 5.2 ~ 6.8 mM(정상)인 경우 주황색-적색, 9 mM(당뇨병 수준)이상인 경우 적색으로 변함을 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 14 and 15, it was observed that the human serum sample changes from green to red as the glucose concentration (C g) increases. The color of the dots that appeared green (526 nm) when the glucose concentration is 0.5 mM is emerald green when the glucose concentration is 2 mM (hypoglycemia), yellow when the glucose concentration is 2 mM (hypoglycemia), and orange when the glucose concentration is between 5.2 and 6.8 mM (normal). -Red, 9 mM (diabetes level) or more, it was confirmed that it turns red.

검출 한계(LOD)와 관련하여 수용액에서 검출한 실험예 2와 마찬가지로 λPBG 플롯을 확인하였다. 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 글루코스 농도를 가지는 인간 혈청에 대한 포토닉 IPN 어레이의 포토닉 밴드 갭(λPBG)을 나타낸 그래프이다. 도 16을 참고하면 글루코스의 농도가 12 mM에서 λPBG가 포화됨을 확인할 수 있다. 실험예 2와 같이 계산된 LOD는 1 ~ 12 mM의 선형 범위에서 0.35 mM이었고, 이를 통하여 수용액에서 검출한 것(도 13)과 거의 동일한 감도로 인간 혈청내 글루코스를 검출할 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이를 이용하여 저혈당에서 당뇨병 범위에 이르는 상이한 글루코스 수준을 정량적으로 특성화할 수 있음을 의미한다.Regarding the limit of detection (LOD), the λ PBG plot was confirmed as in Experimental Example 2 detected in an aqueous solution. 16 is a graph showing a photonic band gap (λ PBG ) of a photonic IPN array for human serum having various glucose concentrations according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 16, it can be seen that λ PBG is saturated at a concentration of 12 mM glucose. The LOD calculated as in Experimental Example 2 was 0.35 mM in the linear range of 1 to 12 mM, and it was confirmed that glucose in human serum could be detected with almost the same sensitivity as that detected in the aqueous solution (FIG. 13). . That is, it means that different glucose levels ranging from hypoglycemia to diabetes can be quantitatively characterized using the photonic IPN array according to the present invention.

(2) 선택성(2) selectivity

인간의 혈청에는 글루코스 외 다양한 물질이 포함되어 있으므로, 혈청 내 글루코스를 특징적으로 인식할 수 있는 선택성이 중요하다. 인간 혈청 내 대표적인 간섭물질은 헤모글로빈, 우레아, 도파민, 과당, 갈락토스 등이 있다. 이에 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이에 각 간섭물질을 첨가하여 반응성을 확인하였다.Since human serum contains a variety of substances other than glucose, it is important to have a selectivity that can characteristically recognize glucose in the serum. Representative interfering substances in human serum include hemoglobin, urea, dopamine, fructose, and galactose. Accordingly, the reactivity was confirmed by adding each interfering material to the photonic IPN array according to the present invention.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 IPN 어레이에 간섭물질을 첨가한 사진 및 각 물질에 대한 도트의 UV-Vis 스펙트럼이다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 포토닉 IPN 어레이의 각 간섭물질에 대한 포토닉 밴드 갭(λPBG)의 차이(Δλ) 를 나타낸 그래프이다.17 is a photograph of adding an interfering substance to a photonic IPN array according to an embodiment of the present invention and a UV-Vis spectrum of dots for each substance. 18 is a graph showing the difference (Δλ) of the photonic band gap (λ PBG ) for each interfering material of the photonic IPN array according to an embodiment of the present invention.

도 17과 도 18을 참고하면, 모든 물질에 대하여 흡수 밴드에서 약간의 적색 이동이 나타남을 확인하였다. 헤모글로빈, 우레아 및 도파민에 대한 ΔλPBG 값은 각각 7, 12 및 15 nm이었고, 과당 및 갈락토스와 같은 당은 글루코스 분자와의 구조적 유사성으로 인해 보다 큰 Δλ(각각 20 nm 및 31 nm)가 나타났다. 그러나 글루코스에 대하여 Δλ가 압도적으로 높은 103 nm를 유도하였고, 선명하게 적색이 나타나는 것을 확인하였다. 이는 인간 혈청 내 다른 간섭물질과 독립적으로 감지될 수 있음을 의미하고, 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이가 글루코스에 대하여 높은 선택성을 가짐을 확인할 수 있었다. Referring to FIGS. 17 and 18, it was confirmed that a slight red shift appears in the absorption band for all materials. Δλ PBG values for hemoglobin, urea and dopamine were 7, 12 and 15 nm, respectively, and sugars such as fructose and galactose exhibited larger Δλ (20 nm and 31 nm, respectively) due to structural similarity with glucose molecules. However, it was confirmed that 103 nm of Δλ was overwhelmingly high with respect to glucose, and red color appeared clearly. This means that it can be detected independently from other interfering substances in human serum, and it was confirmed that the photonic IPN array according to the present invention has high selectivity for glucose.

당류와 보론산(boronic acid, BA)의 결합과 관련하여, 결합 강도는 하이드록실기의 배향 및 상대 위치에 의해 결정된다. 보론산은 구조적으로 유사한 당류 분자를 구별할 수 있다.Regarding the bonding of sugars and boronic acid (BA), the bonding strength is determined by the orientation and relative position of the hydroxyl groups. Boronic acid can distinguish between structurally similar sugar molecules.

모노보론산은 다른 단당류, 특히 과당(fructose)에 대하여 고유의 선택성을 가지는 것으로 알려져 있다. 과당(fructose)의 경우 동일한 평면(syn-periplanar)에 위치하는 하이드록실 그룹쌍을 가지고 있어 보론산 결합이 가능하다. 모노보론산과 과당과의 결합을 아래 화학식 2에 나타내었다.Monoboronic acid is known to have intrinsic selectivity to other monosaccharides, particularly fructose. In the case of fructose, boronic acid bonding is possible because it has a pair of hydroxyl groups located on the same plane (syn-periplanar). The combination of monoboronic acid and fructose is shown in Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019101152453-pat00002
Figure 112019101152453-pat00002

페닐보론산과 단당류 사이 결합 친화도를 비교하면 과당(fructose), 젖당(galactose), 마노스(mannose), 포도당(glucose)로 나타난다. 각 단당류의 구조를 아래 화학식 3에 나타내었다.When the binding affinity between phenylboronic acid and monosaccharide is compared, it appears as fructose, lactose, mannose, and glucose. The structure of each monosaccharide is shown in Formula 3 below.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019101152453-pat00003
Figure 112019101152453-pat00003

화학식 3에 따른 글루코스의 입체적 구조를 고려할 때, 모노보론산의 경우 글루코스에 대하여 상대적으로 결합 친화도가 낮기 때문에 결합 선택성을 개선하기 위하여 멀티 보론산을 사용함이 바람직하다.Considering the three-dimensional structure of glucose according to Formula 3, in the case of monoboronic acid, since the binding affinity to glucose is relatively low, it is preferable to use multi-boronic acid to improve binding selectivity.

멀티 보론산은 결합자리(Binding site)가 1개 이상이며, 2개 또는 3개의 B-O-C linkage를 형성하여 보론산과 디올 간의 결합을 안정화할 수 있다. 글루코스에 대하여 적절하게 배열된 다수의 보론산 그룹을 이용하여 보론산 기반 글루코스 센서의 선택성을 높일 수 있다.Multi-boronic acid has one or more binding sites, and forms two or three B-O-C linkages to stabilize the bond between boronic acid and diol. The selectivity of a boronic acid-based glucose sensor can be improved by using a plurality of boronic acid groups that are appropriately arranged for glucose.

본 발명에 따른 글루코스 센서를 이용하여 글루코스를 감지하는 경우, 글루코스와 1대1로 사이클릭 보로네이트 에스터 그룹(Cyclic boronate ester group)을 형성하는 디보론산(Diboronic acid)을 사용함이 바람직하다. 2개의 보론산은 글루코스의 1,2- 및 3,5,6- 위치의 알콜기와 결합할 수 있다. 디보론산과 글루코스와의 결합을 아래 화학식 4에 나타내었다.In the case of detecting glucose using the glucose sensor according to the present invention, it is preferable to use diboronic acid which forms a cyclic boronate ester group with glucose one to one. The two boronic acids can bind to the alcohol groups at the 1,2- and 3,5,6-positions of glucose. The bond between diboronic acid and glucose is shown in Formula 4 below.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112019101152453-pat00004
Figure 112019101152453-pat00004

디보론산과 글루코스간 2개의 결합 자리가 존재하여 다중 결합을 형성할 수 있고, 2개의 결합(Multivalent diboronic acid-glucose interaction)에 따라 글루코스에 대한 선택성을 개선할 수 있다. 과당의 경우에도 매우 높은 농도의 보론산과 과도한 양의 과당이 있을 경우 2개의 보론산과 결합하여 β-pyranose 형태를 형성할 수 있지만 이는 생리적으로 불가능하기 때문에, 과당의 존재로 인한 간섭의 문제 없이 글루코스를 선택적으로 감지할 수 있다.The presence of two binding sites between diboronic acid and glucose can form multiple bonds, and selectivity for glucose can be improved according to the two bonds (Multivalent diboronic acid-glucose interaction). Even in the case of fructose, if there is a very high concentration of boronic acid and an excessive amount of fructose, it can combine with two boronic acids to form a β-pyranose form, but this is physiologically impossible. It can be detected selectively.

한편 인간 혈청 내 다양한 금속 이온이 존재하는데, 금속 이온에 대하여 본 발명의 포토닉 IPN 어레이가 영향을 받지 않고 독립적으로 글루코스를 감지할 수 있는지 확인할 필요가 있다.On the other hand, there are various metal ions in human serum, and it is necessary to confirm whether the photonic IPN array of the present invention is not affected and can independently detect glucose with respect to the metal ions.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토닉 IPN 어레이의 금속 이온에 대한 색상 변화를 나타낸 사진이다. 도 19을 참고하면, 인간 혈청 내 Ca2+, Mg2+, K+, Na+ 이온의 생리적 농도는 각각 2.2 ~ 2.8, 0.8 ~ 1.2, 3.5 ~ 5, 136 ~ 145 mM인데, 각 이온의 생리학적 농도의 금속이온을 처리한 경우에도 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이는 초기 녹색 색을 유지하는 것을 확인하였다. 즉, 생리학적 농도의 이온 강도가 본 발명의 포토닉 IPN 어레이의 광학적 반응에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.19 is a photograph showing a color change of metal ions in a photonic IPN array according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 19, the physiological concentrations of Ca 2+ , Mg 2+ , K + , and Na + ions in human serum are 2.2 to 2.8, 0.8 to 1.2, 3.5 to 5, and 136 to 145 mM, respectively. It was confirmed that the photonic IPN array according to the present invention maintained the initial green color even when the metal ions of the chemical concentration were treated. That is, it was confirmed that the ionic strength of the physiological concentration did not affect the optical response of the photonic IPN array of the present invention.

본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이는 고상의 CLC 필름과 PAA 네트워크로 구성되는 IPN 복합체에 APBA를 결합하여 제조되었다. 본 발명에 따른 포토닉 IPN 어레이는 글루코스를 선택적으로 검출하고, 글루코스의 농도에 따라 육안으로 색상 변화를 확인할 수 있다. 또한 고상의 CLC필름과 비효소 물질인 APBA를 구성으로 하여 기존 효소 기반의 문제점으로 지적되었던 효소의 불활성화 및 변성 등으로 인한 불안정성을 원천적으로 차단할 수 있으며, 내구성이 높고, 별도의 전원이나 정교한 기기를 요하지 않는 점에서 개선된 글루코스 바이오센서로 활용이 가능하다.The photonic IPN array according to the present invention was prepared by binding APBA to an IPN composite composed of a solid CLC film and a PAA network. The photonic IPN array according to the present invention selectively detects glucose, and color change can be confirmed with the naked eye according to the concentration of glucose. In addition, the solid CLC film and APBA, which is a non-enzyme material, can be used to fundamentally block instability due to inactivation and denaturation of enzymes, which have been pointed out as problems based on existing enzymes. It can be used as an improved glucose biosensor because it does not require the use of.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing has been somewhat broadly described in terms of features and technical advantages of the present invention in order to better understand the claims of the invention to be described later. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects. The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (11)

광결정 구조체, 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 멀티 보론산(Multi Boronic acid)을 포함하는 복합체에 글루코스 용액을 첨가하는 제 1 단계;
상기 멀티 보론산과 상기 글루코스가 형성하는 착물로 인하여 상기 폴리아크릴산 수화겔이 팽윤하는 제 2 단계; 및
상기 수화겔의 팽윤으로 상기 광결정 구조체의 색상이 변하는 제 3 단계;를 포함하고,
pH 변화에 독립적으로 상기 글루코스의 농도에 의하여 나타나는 상이한 색상에 따라 글루코스의 농도를 측정하는, 글루코스 농도 측정방법.
A first step of adding a glucose solution to a complex including a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel, and a multi-boronic acid;
A second step of swelling the polyacrylic acid hydrogel due to the complex formed by the multi-boronic acid and the glucose; And
A third step of changing the color of the photonic crystal structure due to the swelling of the hydrogel; Including,
A method for measuring glucose concentration in which the concentration of glucose is measured according to different colors indicated by the concentration of glucose independently of a change in pH.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체는 광결정 구조체;
상기 광결정 구조체 내부 공간에 침투된 폴리아크릴산(PAA) 수화겔; 및
상기 폴리아크릴산에 고정된 멀티 보론산;을 포함하고,
상기 광결정 구조체는 상기 폴리아크릴산과 IPN(Interwined polymer network) 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는, 글루코스 농도 측정방법.
The method of claim 1,
The composite is a photonic crystal structure;
Polyacrylic acid (PAA) hydrogel penetrating into the interior space of the photonic crystal structure; And
Including; multi-boronic acid fixed to the polyacrylic acid,
The photonic crystal structure is characterized in that the polyacrylic acid and IPN (Interwined polymer network) to form a structure, glucose concentration measurement method.
제 1 항에 있어서,
상기 광결정 구조체는 고상인 것을 특징으로 하는 글루코스 농도 측정방법.
The method of claim 1,
The method for measuring glucose concentration, wherein the photonic crystal structure is in a solid state.
제 1 항에 있어서,
상기 멀티 보론산은 디보론산(Diboronic acid)인 것을 특징으로 하는 글루코스 농도 측정방법.
The method of claim 1,
The multi-boronic acid is a method for measuring glucose concentration, characterized in that diboronic acid (Diboronic acid).
제 1 항에 있어서,
상기 글루코스 용액은 인간 혈청인 것을 특징으로 하는, 글루코스 농도 측정방법.
The method of claim 1,
The glucose solution is characterized in that the human serum, glucose concentration measurement method.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계는 pH 버퍼(buffer) 내에서 행해지는 것을 특징으로 하는, 글루코스 농도 측정방법.
The method of claim 1,
The first step is characterized in that it is carried out in a pH buffer (buffer), the glucose concentration measurement method.
광결정 구조체, 상기 광결정 구조체 내부 공간에 침투된 폴리아크릴산(PAA) 수화겔, 및 상기 폴리아크릴산에 고정된 멀티 보론산(Multi Boronic acid)을 포함하는 복합체를 이용하는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서.
A biosensor for measuring glucose concentration using a photonic crystal structure, a polyacrylic acid (PAA) hydrogel penetrating into the inner space of the photonic crystal structure, and a composite including multi boronic acid fixed to the polyacrylic acid.
제 7 항에 있어서,
상기 광결정 구조체는 상기 폴리아크릴산과 IPN(Interwined polymer network) 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서.
The method of claim 7,
The photonic crystal structure is characterized in that the polyacrylic acid and IPN (Interwined polymer network) to form a structure, glucose concentration measurement biosensor.
제 7 항에 있어서,
상기 광결정 구조체는 고상인 것을 특징으로 하는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서.
The method of claim 7,
The photonic crystal structure is characterized in that the solid phase, glucose concentration measurement biosensor.
제 7 항에 있어서,
상기 멀티 보론산은 디보론산(Diboronic acid)인 것을 특징으로 하는 글루코스 농도 측정용 바이오센서.
The method of claim 7,
The multi-boronic acid is a biosensor for measuring glucose concentration, characterized in that the diboronic acid (Diboronic acid).
키랄 도판트와 메조겐을 혼합하고 경화하여 나선형 구조의 콜레스테릭 액정을 형성하는 제 1 단계;
상기 콜레스테릭 액정으로부터 키랄 도판트를 제거하여 고상의 광결정 구조체를 형성하는 제 2 단계;
상기 키랄 도판트가 제거된 공간에 폴리아크릴산(PAA)을 침투시키는 제 3 단계; 및
상기 폴리아크릴산에 멀티 보론산(Multi Boronic acid)을 고정하는 제 4 단계;를 포함하고,
상기 광결정 구조체는 상기 폴리아크릴산과 IPN(Interwined polymer network) 구조를 형성하며, 글루코스의 농도에 따라 상이한 색상을 가지는, 글루코스 농도 측정용 바이오센서 제조방법.
A first step of mixing and curing a chiral dopant and mesogen to form a helical cholesteric liquid crystal;
A second step of forming a solid photonic crystal structure by removing a chiral dopant from the cholesteric liquid crystal;
A third step of infiltrating polyacrylic acid (PAA) into the space from which the chiral dopant has been removed; And
Including; a fourth step of fixing multi boronic acid to the polyacrylic acid,
The photonic crystal structure forms an interwined polymer network (IPN) structure with the polyacrylic acid, and has a different color according to the concentration of glucose, a biosensor manufacturing method for measuring glucose concentration.
KR1020190122460A 2019-10-02 2019-10-02 Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same KR102231944B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190122460A KR102231944B1 (en) 2019-10-02 2019-10-02 Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190122460A KR102231944B1 (en) 2019-10-02 2019-10-02 Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102231944B1 true KR102231944B1 (en) 2021-03-24

Family

ID=75256822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190122460A KR102231944B1 (en) 2019-10-02 2019-10-02 Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102231944B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230071048A (en) 2021-11-15 2023-05-23 재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단 Structure for glucose detection containing diboronic acid anthracene-based compound, method of manufacturing the same and use thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150061720A (en) 2013-11-27 2015-06-05 삼성전자주식회사 Polymer layer for non-enzymatic glucose sensor and non-enzymatic glucose sensor comprising the same
KR20190019351A (en) * 2017-08-17 2019-02-27 경북대학교 산학협력단 PAA-APBA coated liquid crystal microdroplet, manufacturing method thereof and non enzyme-based glucose biosensor using the same
KR102006790B1 (en) * 2018-03-02 2019-08-02 경북대학교 산학협력단 A method for producing a solid-state photonic crystal IPN complex functionalized with an enzyme, an IPN complex produced thereby, and a biosensor using the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150061720A (en) 2013-11-27 2015-06-05 삼성전자주식회사 Polymer layer for non-enzymatic glucose sensor and non-enzymatic glucose sensor comprising the same
KR20190019351A (en) * 2017-08-17 2019-02-27 경북대학교 산학협력단 PAA-APBA coated liquid crystal microdroplet, manufacturing method thereof and non enzyme-based glucose biosensor using the same
KR102006790B1 (en) * 2018-03-02 2019-08-02 경북대학교 산학협력단 A method for producing a solid-state photonic crystal IPN complex functionalized with an enzyme, an IPN complex produced thereby, and a biosensor using the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MUNIR, S. et al., ‘Patterned photonic array based on an intertwined polymer network functionalized with a nonenzymatic moiety for the visual detection of glucose’, ACS Applied Materials & Interfaces,* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230071048A (en) 2021-11-15 2023-05-23 재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단 Structure for glucose detection containing diboronic acid anthracene-based compound, method of manufacturing the same and use thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hansen et al. Arylboronic acids: A diabetic eye on glucose sensing
Noh et al. Biosensor array of interpenetrating polymer network with photonic film templated from reactive cholesteric liquid crystal and enzyme‐immobilized hydrogel polymer
Fang et al. Recent development of boronic acid-based fluorescent sensors
Qin et al. Bioinspired structural color sensors based on responsive soft materials
Zeng et al. Colloidal crystal microneedle patch for glucose monitoring
KR102006790B1 (en) A method for producing a solid-state photonic crystal IPN complex functionalized with an enzyme, an IPN complex produced thereby, and a biosensor using the same
Ward Muscatello et al. Polymerized crystalline colloidal array sensing of high glucose concentrations
Myung et al. Photonic calcium and humidity array sensor prepared with reactive cholesteric liquid crystal mesogens
Scindia et al. Colorimetric detection and fingerprinting of bacteria by glass-supported lipid/polydiacetylene films
Hussain et al. Optical glucose biosensor based on photonic interpenetrating polymer network with solid-state cholesteric liquid crystal and cationic polyelectrolyte
Miyata Preparation of smart soft materials using molecular complexes
Duan et al. Real-time, quantitative and sensitive detection of urea by whispering gallery mode lasing in liquid crystal microdroplet
KR102052988B1 (en) Carbon-Dot-Based Ratiometric Fluorescence Glucose Biosensor
Munir et al. Patterned photonic array based on an intertwined polymer network functionalized with a nonenzymatic moiety for the visual detection of glucose
KR102231944B1 (en) Method for measuring glucose concentration using complexes containing aminophenylboronic acid, biosensor using the same and method for manufacturing the same
Shibaev et al. Color changing cholesteric polymer films sensitive to amino acids
Gao et al. Recent applications of point-of-care devices for glucose detection on the basis of stimuli-responsive volume phase transition of hydrogel
EP0703287B1 (en) Liquid cristal composition and cells containing the same
Lu et al. Cellulose nanocrystal films with NIR-II circularly polarized light for cancer detection applications
Wang et al. Polymer-stabilized cholesteric liquid crystal films with double reflection bands prepared based on the competition between photopolymerization and photoisomerization
EP1957611B1 (en) Temperature compensating chiral dopants
Wang et al. A surface diffusion barrier strategy toward water-resistant photonic materials for accurate detection of ethanol
US7629174B2 (en) Analyte detector
KR102186502B1 (en) Moisture reactive photonic complex, manufacturing method thereof and a sensor using the same
Qu et al. Design and Applications of liquid crystal biophotonic sensors for ion detection

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant