KR102535272B1 - 분석물질 검출용 비색센서 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분석물질 검출용 비색센서 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서는, 폴리머 필름 기판; 상기 폴리머 필름 기판 상에 형성되고 분석 시료를 주입하는 시료 주입부; 상기 시료 주입부로부터 주입된 분석 시료가 반응하여 컬러 신호가 검출되는 반응챔버; 상기 반응챔버로부터 상기 분석 시료를 흡수하는 흡수 패드; 상기 시료 주입부 및 상기 반응챔버와 연통되는 제1 유로 형성부; 및 상기 반응챔버 및 상기 흡수 패드와 연통되는 제2 유로 형성부;를 포함하고, 상기 시료 주입부, 상기 반응챔버, 상기 흡수 패드, 상기 제1 유로 형성부 및 상기 제2 유로 형성부는, 각각, 복수 개의 필름층이 적층되어 형성된 것이다.
Description
본 발명은 분석물질 검출용 비색센서 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법에 관한 것이다.
나노소재 과학의 급속한 발전은 연구자들에게 효소 모방 기능성 나노 물질의 촉매 활성을 임상 진단, 촉매 및 환경 모니터링 분야에 적용할 수 있는 절호의 기회를 제공한다. 탄소 기반 나노 소재, 금속 산화물, 귀금속 나노 입자(NPs)와 같은 효소-유사 촉매 특성 (나노자임(nanozymes))을 가진 나노 물질은 천연 효소의 대안으로 큰 관심을 끌었다. 천연 효소에 비해 인공 효소는 낮은 생산 비용, 제조 용이성, 정제 단순성 및 주변 조건에서 높은 안정성이라는 장점을 나타낸다. 나노자임의 높은 촉매 활성은 넓은 표면적, 즉 표면 산화 환원 활성 부위가 많기 때문일 수 있다. 또한, 나노자임의 촉매 특성은 나노 물질 크기, 구조 및 구성을 변화시킴으로써 간단히 변조될 수 있다. 예를 들어, 분자 임프린팅, 캡핑제 장식(capping agent decoration), 생체접합(bioconjugation) 및 폴리머 캡슐화에 의한 나노자임 개질의 용이성은 특정 분석물질에 대한 선택성을 달성하고 나노 물질의 기계적 강도를 향상시키도록 (생)화학적 센싱에 쉽게 적용될 수 있다. 이러한 이점을 고려하여 나노자임-기반 신호 증폭 전략은 생화학 감지, 질병 진단 및 환경 분석에 적극적으로 적용되어 왔다.
한편, 현장검사(point-of-care testing, POCT)는 시료를 분석 검사실로 가져가지 않고 현장에서 바로 검사하는 것이다. 현장검사를 위해서는 크고 복잡한 기기를 사용하지 않고 동물세포, 박테리아, 바이러스, 핵산, 단백질, 기타 유기물 또는 무기물과 같은 분석물질(analyte)을 검사할 수 있는 간단한 키트가 필요하며 특히 배터리와 같이 저전력을 이용하는 키트(low-powered kit)나 아예 전기를 사용하지 않는 무동력 방식의 키트(non-powered kit)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 현장검사는 숙련된 분석 기술자가 아닌 일반인이 쉽게 사용할 수 있을 정도로 작동이 쉽고 간단해야 하며 경제적이어야 한다.
현장검사를 위해 가장 널리 이용되고 있는 것은 임신진단에 사용되는 lateral flow 방식의 키트나 혈당량 검사에 사용되는 전기화학 진단 키트 등이 있다. 그러나 이와 같이 작동이 쉽고 간단한 저전력 또는 무동력 키트는 검출 감도가 매우 낮고 대부분 정성적인 검사만 가능하다는 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 형태의 랩온어칩(lab-on-a-chip)들도 개발되고 있지만 구조가 복잡하거나 별도의 기기가 필요할 수 있다.
이러한 문제점을 극복하려면 얇고 가벼운 재료 (예를 들어, 폴리머 필름 및/또는 종이 시트)로 만들어지고 단순성, 효율성, 민감성 및 휴대성을 제공하는 실시간 현장 감지 플랫폼을 개발해야 한다. (생)화학 감지를 위한 폴리머 기판의 사용은 높은 내구성, 구조적 다양성, 제조 용이성, 화학적 및 물리적 손상에 대한 우수한 안정성, 간단한 표면 개질, 휴대성 및 일회용으로 대규모 제조 가능성과 같은 많은 이점을 제공해야 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 액체 내 간단하고 빠른 분석물질의 검출이 가능하고, 종래 검출장치에 비해 선택성과 민감도가 우수하며, 사용 방법이 간단하여 현장에서 신속한 검축이 가능하고 효과적인 모니터링에 적합한 분석물질 검출용 비색센서 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서는, 폴리머 필름 기판; 상기 폴리머 필름 기판 상에 형성되고 분석 시료를 주입하는 시료 주입부; 상기 시료 주입부로부터 주입된 분석 시료가 반응하여 컬러 신호가 검출되는 반응챔버; 상기 반응챔버로부터 상기 분석 시료를 흡수하는 흡수 패드; 상기 시료 주입부 및 상기 반응챔버와 연통되는 제1 유로 형성부; 및 상기 반응챔버 및 상기 흡수 패드와 연통되는 제2 유로 형성부;를 포함하고, 상기 시료 주입부, 상기 반응챔버, 상기 흡수 패드, 상기 제1 유로 형성부 및 상기 제2 유로 형성부는, 각각, 복수 개의 필름층이 적층되어 형성된 것이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 복수 개의 필름층은, 상기 반응챔버와 일부가 접하며 연통되고, 상기 제2 유로 형성부 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제1 필름층; 상기 제1 필름층 상에 형성되며, 상기 반응챔버 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제2 필름층; 상기 제2 필름층 상에 형성되며, 상기 제2 필름층과 대응되는 제3 필름층; 상기 제3 필름층 상에 형성되며, 상기 제3 필름층과 대응되는 제4 필름층; 상기 제4 필름층 상에 형성되며, 상기 시료 주입부와 일부가 접하며 연통되고, 상기 제1 유로 형성부 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제5 필름층; 상기 제5 필름층 상에 형성되며, 상기 시료 주입부 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제6 필름층; 및 상기 제6 필름층 상에 형성되며, 상기 제6 필름층과 대응되는 제7 필름층;을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 복수 개의 필름층은 소수성 필름 및 친수성 필름이 교대로 적층되어 형성되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 필름층을 통해 수직적으로 통과하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응챔버는, 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme)을 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자는, 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 바나듐(V), 세륨(Ce), 망간(Mn), 산화철(Fe3O4, Fe2O3), 산화세륨(CeO2), 바나듐산화물(V2O5), 망간산화물(MnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자는 직경이 1 nm 내지 200 nm인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 금속 나노입자 분산액 및 광개시제를 포함하는 PEG-DA 용액을 혼합하여 PDMS 몰드에 드롭-캐스팅한 후 광중합하여 형성된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 직경이 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 원기둥, 사각기둥, 삼각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥, 구, 반구, 구의 일부분, 타원구, 반타원구, 타원구의 일부분, 사각뿔, 사각쌍뿔, 사각뿔대, 삼각뿔, 삼각쌍뿔, 삼각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 링, 와이어, 공동형(cavity) 및 다면체(polyhedral)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 하이드로겔 블록 나노자임은, 농도가 0.1 부피% 내지 10 부피%인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 표면이 개질되지 않은 금속 나노입자의 퍼옥시다제-유사 활성(peroxidase-like activity)을 나타내는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 발색 시약, 신호 강화제 또는 이 둘을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 발색 시약은, TMB(3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), DAB(3,3'-Diaminobenzidine), AEC(3-amino-9-ethylcarbazole), ABTS(2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), AmplexRed, Luminol, O-페닐렌다이아민(o-phenylenediamine), 바소쿠프로인(bathocuproine), 디메틸글리옥심(dimethylglyoxime), 1,5-디페닐카르보히드라지드(1,5-diphenylcarbazide), 1, 10-페난트롤린(1,10-phenanthroline) 및 바소페난트롤린(Bathophenanthroline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 발색 시약은, 농도가 0.1 mg mL-1 내지 500 mg mL-1인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 신호 강화제는, 과산화수소(H2O2), 트리프로필아민(TPA), 글루코스(Glucose), Ferrocyanide 및 효소기질로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분석물질은, 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 또는 바이오 물질인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이오 물질은, 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 이온 중 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 이온과는 반응하여 색변화가 나타나고, 상기 금속 이온 외 이온과는 반응하지 않아 색변화가 나타나지 않는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 이온 중 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 이온과는 반응하여 색변화가 나타나지 않고, 상기 금속 이온 외 이온과는 반응하지 않아 색변화가 나타나는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이오 물질 중 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나와는 반응하여 색변화가 나타나고, 상기 바이오 물질 외 물질과는 반응하지 않아 색변화가 나타나지 않는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이오 물질 중 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나와는 반응하여 색변화가 나타나지 않고, 상기 바이오 물질 외 물질과는 반응하지 않아 색변화가 나타나는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분석물질 검출 방법은, 시료 주입부에 분석 시료를 주입하는 단계; 및 반응챔버의 변색을 통해 상기 분석 시료 내의 분석물질을 검출하는 단계;를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 수은 검출 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 수은 검출용 비색센서를 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서는, 일회용 분석키트로 분석물질 측정 후 폐기 및 소거 가능하다. 또한, 플라스틱 필름을 적층하여 제작하므로, 생산비용과 소요시간이 감소하여 대량생산에 용이하다. 그리고, 효소모방 촉매활성을 갖는 금속 나노입자와 PEG 나노구조체를 형성하여 환경센서 내부에 고정화함으로써, 효율적인 수은 검출 및 센서 안정성 확보가 가능하다. 금속 나노입자의 과산화효소-유사활성을 이용한 분석물질 선택적 검출 및 분석민감도 향상시킬 수 있으며, 플라스틱 칩을 이용한 바이오/환경 분석으로 응용할 수 있다. 또한, 높은 발색 효율을 갖는 금속 나노입자-PEG 나노구조체와 소형화된 센서를 이용해 분석물질의 유/무를 현장에서 신속하게 분석 가능하며, 스마트폰 카메라를 이용한 정량분석으로의 응용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출 방법은 본 발명에 따른 분석물질 검출용 비색센서를 이용하여 다양한 수질오염원에서 저비용, 고선택성 분석물질 검출이 가능하다. 분석물질 농도에 따른 색 변화를 측정함으로써 빠르고 간단하게 분석물질을 검출할 수 있고, 소형의 휴대용 분석기기를 이용하여 효율적으로 실시간 분석물질의 농도를 모니터링 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서를 예시적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서의 분해 사시도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 PEG 하이드로겔 및 Au-HBNz의 광학 이미지 및 Au-HBNz의 개략적 구조를 나타낸 도면이다.
도 3의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz-기반 센서에 의한 비색 Hg2+ 검출 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 및 입방체 Au-HBNz의 FE-SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz의 FE-SEM 원소 매핑을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz 기반 센서의 개략도 및 Hg2+ 검출의 개념 증명 설명을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 필름-기반 비색 수은 센서의 분해 사시도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 크기 (5-50 nm)에 따른 Au-HBNz의 촉매 활성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 함량 (0-6 vol%)에 따른 Au-HBNz의 촉매 활성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 크기에 따른 20 ng/mL의 Hg2+ 이온과 블랭크 사이의 Au-HBNz의 비색 반응 비교 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 함량에 따른 20 ng/mL의 Hg2+ 이온과 블랭크 사이의 Au-HBNz의 비색 반응 비교 결과이다.
도 12 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 (도 12) pH (2.0-10.0), (도 13) TMB 농도 (0.3-1.3 mg mL-1), (도 14) H2O2 함량 (0.5-15 wt %), (도 15) 샘플 부피 (200-1000 μL 및 (도 16) 분석 시간 (1-30 분)에 따른 Au-HBNz의 촉매 성능을 나타낸다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 (a) pH 값, (b) TMB 농도, (c) H2O2 농도, (d) 샘플 부피 및 (e) 분석 시간에 따른 Au-HBNz의 촉매 성능의 비색 반응을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 Hg2+ 농도에 따른 센서의 비색 반응을 나타낸 것이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 Hg2+ 농도의 로그에 대한 색상 강도를 플로팅하여 얻은 교정 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz 기반 센서의 장기 안정성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 간섭 금속 이온 (200 μg mL-1)이 존재할 때 Hg2+ (200 μg mL-1)의 선택성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서의 분해 사시도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 PEG 하이드로겔 및 Au-HBNz의 광학 이미지 및 Au-HBNz의 개략적 구조를 나타낸 도면이다.
도 3의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz-기반 센서에 의한 비색 Hg2+ 검출 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 및 입방체 Au-HBNz의 FE-SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz의 FE-SEM 원소 매핑을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz 기반 센서의 개략도 및 Hg2+ 검출의 개념 증명 설명을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 필름-기반 비색 수은 센서의 분해 사시도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 크기 (5-50 nm)에 따른 Au-HBNz의 촉매 활성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 함량 (0-6 vol%)에 따른 Au-HBNz의 촉매 활성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 크기에 따른 20 ng/mL의 Hg2+ 이온과 블랭크 사이의 Au-HBNz의 비색 반응 비교 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 함량에 따른 20 ng/mL의 Hg2+ 이온과 블랭크 사이의 Au-HBNz의 비색 반응 비교 결과이다.
도 12 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 (도 12) pH (2.0-10.0), (도 13) TMB 농도 (0.3-1.3 mg mL-1), (도 14) H2O2 함량 (0.5-15 wt %), (도 15) 샘플 부피 (200-1000 μL 및 (도 16) 분석 시간 (1-30 분)에 따른 Au-HBNz의 촉매 성능을 나타낸다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 (a) pH 값, (b) TMB 농도, (c) H2O2 농도, (d) 샘플 부피 및 (e) 분석 시간에 따른 Au-HBNz의 촉매 성능의 비색 반응을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 Hg2+ 농도에 따른 센서의 비색 반응을 나타낸 것이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 Hg2+ 농도의 로그에 대한 색상 강도를 플로팅하여 얻은 교정 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz 기반 센서의 장기 안정성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 간섭 금속 이온 (200 μg mL-1)이 존재할 때 Hg2+ (200 μg mL-1)의 선택성을 나타낸 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은, 과학기술정보통신부 한국기초과학지원연구원의 지원에 따른 출연연구기관 주요사업 (생물 재난 분석기술 개발, C070300, 2020.01.01 ~ 2020.12.31) 에 관련된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서는, 폴리머 필름 기판; 상기 폴리머 필름 기판 상에 형성되고 분석 시료를 주입하는 시료 주입부; 상기 시료 주입부로부터 주입된 분석 시료가 반응하여 컬러 신호가 검출되는 반응챔버; 상기 반응챔버로부터 상기 분석 시료를 흡수하는 흡수 패드; 상기 시료 주입부 및 상기 반응챔버와 연통되는 제1 유로 형성부; 및 상기 반응챔버 및 상기 흡수 패드와 연통되는 제2 유로 형성부;를 포함하고, 상기 시료 주입부, 상기 반응챔버, 상기 흡수 패드, 상기 제1 유로 형성부 및 상기 제2 유로 형성부는, 각각, 복수 개의 필름층이 적층되어 형성된 것이다.도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서를 예시적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서(100)는, 폴리머 필름 기판(110), 시료 주입부(120), 제1 유로 형성부(125), 반응챔버(130), 제2 유로 형성부(135) 및 흡수 패드(140)를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 폴리머 필름 기판(110)은, 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET), 폴리 우레탄(polyurethane), 폴리아크릴니트릴(polyacrynitril; PAN), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리스티렌(polystyrene; PS) 및 폴리프로필렌(polypropylene; PP)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 폴리머 필름 기판은, 예를 들어, 투명 접착성 필름이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 시료 주입부(120)는, 상기 폴리머 필름 기판(110) 상에 형성되고 분석 시료를 주입하기 위한 1 개 이상의 분석 시료 주입구(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 시료 주입부(120) 분석 시료가 주입되는 곳으로, 상기 시료 주입부를 통해 주입된 분석 시료는 반응챔버(130)에 있는 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme)과 분석 시료의 분석물질과 반응하여 변색을 일으킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응챔버(130)는, 상기 시료 주입부(120)로부터 주입된 분석 시료가 반응하여 컬러 신호가 검출된다. 상기 반응챔버(130)는, 예를 들어, 분석물질로서 수은이 포함된 용액이 상기 반응챔버(130)에 주입됐을 때, 수은과 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme)이 결합하고, 상기 결합된 금속 나노입자-수은 합금이 발색시약과 반응하여 변색이 발생하게 되고, 상기 변색이 반응 챔버의 색상을 변화시킬 수 있다. 상기 반응 챔버의 변색을 통해 주입된 분석 시료에서 수은의 존재 유무를 육안으로 확인할 수 있고, 수은의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다.
본 발명에서는 분석물질이 수은인 경우로 한정하였으나, 이에 제한되지 않고, 다른 금속 또는 바이오 물질이 분석대상이 될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응챔버(130)는, 수은 농도 변화에 따른 컬러 신호 검출이 가능하다.
일 실시형태에 있어서, 상기 흡수 패드(140)는, 상기 반응챔버(130)로부터 상기 분석 시료를 흡수한다. 상기 흡수 패드(140)는 분석 시류를 흡수할 수 있는 흡습성 패드를 포함하며, 분석 시료의 모세관 흐름을 유도하여 분석 시료가 채널 내에 머물지 않고 유동이 원활하도록 하는 역할을 할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 유로 형성부(125)는, 상기 시료 주입부(120) 및 상기 반응챔버(130)와 연통된다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제2 유로 형성부(135)는, 상기 반응챔버(130) 및 상기 흡수 패드(140)와 연통된다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 유로 형성부(125) 및 상기 제2 유로 형성부(135)는, 폭이 좁고 긴 형상의 유체 통로로서 모세관 현상에 의해 발색 시약, 분석 시료 등을 이동시키는 역할을 할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 시료 주입부(120), 상기 반응챔버(130), 상기 흡수 패드(140), 상기 제1 유로 형성부(125) 및 상기 제2 유로 형성부(135)는, 각각, 복수 개의 필름층이 적층되어 형성된 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서의 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서의 복수 개의 필름층(110A)은, 제1 필름층(111), 제2 필름층(112), 제3 필름층(113), 제4 필름층(114), 제5 필름층(115), 제6 필름층(116) 및 제7 필름층(117)을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 필름층(111)은, 상기 반응챔버(130)와 일부가 접하며 연통되고, 상기 제2 유로 형성부(135) 및 상기 흡수 패드(140)를 형성한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제2 필름층(112)은, 상기 제1 필름층(111) 상에 형성되며, 상기 반응챔버(130) 및 상기 흡수 패드(140)를 형성한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제3 필름층(113)은, 상기 제2 필름층(112) 상에 형성되며, 상기 제2 필름층(112)과 대응된다. 상기 제3 필름층(113)은, 상기 제2 필름층(112)과 동일한 크기의 구멍이 형성되거나 더 큰 크기의 구멍이 형성된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제4 필름층(114)은, 상기 제3 필름층(113) 상에 형성되며, 상기 제3 필름층(113)과 대응된다. 상기 제4 필름층(114)은, 상기 제3 필름층(113)과 동일한 크기의 구멍이 형성되거나 더 큰 크기의 구멍이 형성된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제5 필름층(115)은, 상기 제4 필름층(114) 상에 형성되며, 상기 시료 주입부와 일부가 접하며 연통되고, 상기 제1 유로 형성부(125) 및 상기 흡수 패드(140)를 형성한다
일 실시형태에 있어서, 상기 제6 필름층(116)은, 상기 제5 필름층(115) 상에 형성되며, 상기 시료 주입부(120) 및 상기 흡수 패드(140)를 형성한다
일 실시형태에 있어서, 상기 제7 필름층(117)은, 상기 제6 필름층(116) 상에 형성되며, 상기 제6 필름층(116)과 대응된다. 상기 제7 필름층(117)은, 상기 제6 필름층(116)과 동일한 크기의 구멍이 형성되거나 더 큰 크기의 구멍이 형성된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 복수 개의 필름층(110A)은 소수성 필름 및 친수성 필름이 교대로 적층되어 형성되는 것일 수 있다. 소수성 필름 및 친수성 필름이 교대로 적층되어 있는 경우 소수성 필름에 채널을 형성하고, 상, 하부에 친수성 필름을 위치시킴으로써 액체의 흐름을 원활하게 할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 소수성 필름 및 상기 친수성 필름은, 각각, 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate; PET), 폴리 우레탄(polyurethane), 폴리아크릴니트릴(polyacrynitril; PAN), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리스티렌(polystyrene; PS) 및 폴리프로필렌(polypropylene; PP)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으며, 친수성 필름은, 친수성 물질이 코팅된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 소수성 필름은, 접착성 필름인 것일 수 있고, 상기 소수성 필름 상에 접착성 물질이 코팅된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 폴리머 필름 기판(110), 상기 제1 필름층(111), 상기 제3 필름층(113), 상기 제5 필름층(115) 및 상기 제7 필름층(117)은 소수성 필름이고, 상기 제2 필름층(112), 상기 제4 필름층(114) 및 상기 제6 필름층(116)은 친수성 필름인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분석 시료는 복수 개의 필름층(110A)을 통해 수직적으로 통과하는 것일 수 있다. 상기 분석 시료는 복수 개의 필름층(110A)의 상기 시료 주입부(120)로부터 주입되어, 모세관 현상으로 상기 제1 유로 형성부(125), 상기 반응챔버(130), 상기 제2 유로 형성부(135)를 지나 상기 흡수 패드(140)까지 이동할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응챔버(130)는, 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme)(미도시)을 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자는, 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 바나듐(V), 세륨(Ce), 망간(Mn), 산화철(Fe3O4, Fe2O3), 산화세륨(CeO2), 바나듐산화물(V2O5), 망간산화물(MnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자는 직경이 1 nm 내지 200 nm인 것일 수 있다. 상기 금속 나노입자의 직경이 1 nm 미만이라면 금속 나노입자의 높은 비표면적에 의한 효과로 수은 이온이 없을 때에도 발색 시약과 반응하여 변색이 관찰되는 문제점이 있을 수 있고, 금속 나노입자의 직경이 200 nm를 초과한다면, 비표면적 값이 낮아서 비색 강도가 높지 않을 수 있다. 비색 강도는 본 발명의 실시예를 따르는 수은 농도 측정센서의 감지성능을 나타내는 주요 성능의 지표일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 금속 나노입자 분산액 및 광개시제를 포함하는 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(PEG-DA) 용액을 혼합하여 PDMS 몰드에 드롭-캐스팅한 후 광중합하여 형성된 것일 수 있다. 상기 광중합은 UV 광중합인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 직경이 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 원기둥, 사각기둥, 삼각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥, 구, 반구, 구의 일부분, 타원구, 반타원구, 타원구의 일부분, 사각뿔, 사각쌍뿔, 사각뿔대, 삼각뿔, 삼각쌍뿔, 삼각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 링, 와이어, 공동형(cavity) 및 다면체(polyhedral)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.예들 들어, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임이 원기둥인 경우 직경 100 ㎛ × 높이 80 ㎛이고, 입방체인 경우 가로 100 ㎛ × 세로 100 ㎛ × 높이 80 ㎛인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 농도가 0.1 부피% 내지 10 부피%인 것일 수 있다. 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임 농도가 0.1 부피% 미만인 경우 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임과 수은 이온과 반응하여 합금 형성이 적어 발색 시약의 변색이 발생되지 않을 수 있고, 10 부피% 초과인 경우 변색 강도가 더 눈에 띄게 달라지지 않을 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 금속 나노입자의 경우 농도가 1 부피% 내지 2 부피%인 것일 수 있으며, 금속 나노입자의 농도가 1 부피% 미만인 경우 합금 형성이 적을 수 있고, 2 부피% 초과인 경우 백그라운드 시그널이 강해질 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 표면이 개질되지 않은 금속 나노입자의 퍼옥시다제-유사 활성(peroxidase-like activity)을 나타내는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은, 발색 시약, 신호 강화제 또는 이 둘을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 발색 시약은, TMB(3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), DAB(3,3'-Diaminobenzidine), AEC(3-amino-9-ethylcarbazole), ABTS(2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), AmplexRed, Luminol, O-페닐렌다이아민(o-phenylenediamine), 바소쿠프로인(bathocuproine), 디메틸글리옥심(dimethylglyoxime), 1,5-디페닐카르보히드라지드(1,5-diphenylcarbazide), 1, 10-페난트롤린(1,10-phenanthroline) 및 바소페난트롤린(Bathophenanthroline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 TMB, DAB, AEC, AmplexRed 및 Luminol은 퍼옥시다제(peroxidase) 기질의 발색 시약으로 발색 시약의 산화반응에 의해 색 변화를 일으킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 발색 시약이 TMB이면 시료 주입부의 파란색의 변색을 확인할 수 있고, 상기 발색 시약이 DAB 또는 AmplexRed이면면 시료 주입부의 붉은색의 변색을 확인할 수 있고, 상기 발색 시약이 Luminol이라면 시료 주입부의 노란색의 변색을 확인할 수 있다. 예를 들어, 발색 시약이 TMB인 경우, 수소 도너(donor)와 같은 역할을 하여, 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임-수은에 TMB 및 과산화산소가 포함된 발색시약 용액을 접촉하면, TMB에 의해 과산화산소와 반응하여 물(H2O)과 산소(O2)를 생성할 수 있다. 상기 산소는 TMB를 산화시켜 변색이 될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 발색 시약은, 농도가 0.1 mg mL-1 내지 500 mg mL-1인 것일 수 있다. 상기 발색 시약 농도가 0.1 mg mL-1 미만인 경우 변색 수준이 미미하고, 500 mg mL-1 을 초과하여도 뚜렷한 변색 차이가 나타나지 않을 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 신호 강화제는, 과산화수소(H2O2), 트리프로필아민(TPA), 글루코스(Glucose), Ferrocyanide 및 효소기질로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분석물질은, 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 또는 바이오 물질인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이오 물질은, 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.예를 들어, 수은 이온(Hg2+)은 금속 나노입자, 특히, 금 나노입자와 반응하여 나노입자 표면에 Hg-Au 합금의 얇은 층을 형성하는 것으로 잘 알려져 있으며, 신호 강화제, 예를 들어, 과산화수소(H2O2)에 의한 발색 시약의 산화를 촉진하는 금속 나노입자의 능력을 향상시킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 신호 강화제는, 상기 반응챔버(130), 상기 흡수 패드(140), 제2 유로 형성부(135)에 포함되어 분석 시료가 확산될 시 용해되며 흐를 수 있고, 상기 반응챔버(130), 상기 흡수 패드(140), 제2 유로 형성부(135)에 신호 강화제가 미포함될 수도 있으며, 이때 분석 시료에 미리 신호 강화제를 용해시켜 상기 검출 키트로 주입할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 이온 중 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 이온과는 반응하여 색변화가 나타나고, 상기 금속 이온 외 이온과는 반응하지 않아 색변화가 나타나지 않는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 이온 중 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 이온과는 반응하여 색변화가 나타나지 않고, 상기 금속 이온 외 이온과는 반응하지 않아 색변화가 나타나는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이오 물질 중 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나와는 반응하여 색변화가 나타나고, 상기 바이오 물질 외 물질과는 반응하지 않아 색변화가 나타나지 않는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이오 물질 중 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나와는 반응하여 색변화가 나타나지 않고, 상기 바이오 물질 외 물질과는 반응하지 않아 색변화가 나타나는 것일 수 있다.본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서는, 예를 들어, 수은 또는 수은 이온을 선택적으로 감지할 수 있다. 오직 수은이 포함된 분석 시료가 주입된 반응챔버에서 뚜렷한 변색을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서는, 일회용 분석키트로 분석물질 측정 후 폐기 및 소거 가능하다. 또한, 플라스틱 필름을 적층하여 제작하므로, 생산비용과 소요시간이 감소하여 대량생산에 용이하다. 그리고, 효소모방 촉매활성을 갖는 금속 나노입자와 PEG 나노구조체를 형성하여 환경센서 내부에 고정화함으로써, 효율적인 수은 검출 및 센서 안정성 확보가 가능하다. 금속 나노입자의 과산화효소-유사활성을 이용한 분석물질 선택적 검출 및 분석민감도 향상시킬 수 있으며, 플라스틱 칩을 이용한 바이오/환경 분석으로 응용할 수 있다. 또한, 높은 발색 효율을 갖는 금속 나노입자-PEG 나노구조체와 소형화된 센서를 이용해 분석물질의 유/무를 현장에서 신속하게 분석 가능하며, 스마트폰 카메라를 이용한 정량분석으로의 응용 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분석물질 검출 방법은, 시료 주입부에 분석 시료를 주입하는 단계; 및 반응챔버의 변색을 통해 상기 분석 시료 내의 분석물질을 검출하는 단계;를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 분석물질 검출 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서를 이용하는 것일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예를 따르는 분석물질 검출 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출용 비색센서의 시료 주입부에 분석 시료를 주입하는 단계를 포함한다.
상기 시료 주입부에 주입된 분석 시료는 용액으로서, 예를 들어, 수은을 포함할 수 있고, 포함하지 않을 수 있다. 상기 시료 주입부에 주입된 분석 시료는 수은 이외의 다른 금속, 준금속을 포함할 수 있다.
상기 시료 주입부에 주입된 분석 시료는 모세관 현상 및 유체의 확산에 의해 시료 주입부에서 제1 유로 형성부를 통해, 반응 챔버, 제2 유로 형성부 및 흡수 패드까지 이동할 수 있다.
상기 반응챔버는, 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme) 및 발색 시약이 포함되어 있어, 분석 시료의 수은과 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme)의 반응으로 발색 시약의 변색이 발생할 수 있고, 상기의 변색이 반응 챔버의 변색을 야기할 수 있다. 상기 반응 챔버의 변색은 육안으로 관찰될 수 있다.
금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme) 및 수은 반응 원리는, 금속 나노입자를 둘러싸는 방식으로 수은이 금속 나노입자와 결합되어 금속 나노입자의 표면 특성을 변화시키는 것으로 예상할 수 있다. 상기 시료 주입부에 적하된 용액에 수은을 포함하지 않으면 금속 나노입자의 상태 또는 표면 상태는 변경되지 않을 수 있다.
금속 나노입자-수은 합금이 형성되지 않으면, 발색시약에 의한 변색이 없을 수 있고, 시료 주입부의 변색이 없을 수 있다. 이를 통해 시료 주입부에 적하된 분석 시료에 수은이 존재하지 않는 것을 육안으로 또는 분석물질 검출용 비색센서를 통해 확인할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 발색 시약은, TMB(3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), DAB(3,3'-Diaminobenzidine), AEC(3-amino-9-ethylcarbazole), ABTS(2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), AmplexRed, Luminol, O-페닐렌다이아민(o-phenylenediamine), 바소쿠프로인(bathocuproine), 디메틸글리옥심(dimethylglyoxime), 1,5-디페닐카르보히드라지드(1,5-diphenylcarbazide), 1, 10-페난트롤린(1,10-phenanthroline) 및 바소페난트롤린(Bathophenanthroline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 TMB, DAB, AEC, AmplexRed 및 Luminol은 퍼옥시다제(peroxidase) 기질의 발색 시약으로 발색 시약의 산화반응에 의해 색 변화를 일으킬 수 있다.
상기 발색 시약이 포함된 용액은 신호 강화제로서, 과산화수소(H2O2), 트리프로필아민(TPA), 글루코스(Glucose), Ferrocyanide 및 효소기질로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출 방법에서 금속 나노입자와 수은이 결합된 금속 나노입자-수은 합금은 과산화산소의 분해를 촉진시켜 퍼옥시다제 모사 촉매 활성을 크게 향상시킬 수 있다. 시료 주입부에 주입되는 수은이 포함된 용액은 상기 금속 나노입자-수은 합금에 의해 분해된 과산화산소는 물(H2O)과 산소(O2)로 변화하고, 상기 산소는 퍼옥시다제 기질의 발색 시약을 산화시켜, 시료 주입부를 변색시킬 수 있다.
상기를 통해 TMB와 같은 퍼옥시다제 기질의 발색시약은 과산화산소 또는 금속 나노입자만으로 발색시약의 산화 또는 변색이 발생하지 않고, 금속 나노입자와 수은이 결합되어 금속 나노입자-수은 합금이 형성되어야 발색시약의 변색이 발생하는 것으로 예상할 수 있다.
이를 통해 발색시약-H2O2 촉매 반응이 금속 나노입자와 수은 이온(Hg2+) 모두의 존재 하에서 가속될 수 있음을 보여주며, 이는 수은 이온의 첨가에 의해 Au-Hg 합금이 형성될 때 금속 나노입자의 나노자임(nanozyme) 활성이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예를 따른 분석물질 검출 방법은 상기 시료 주입부의 변색을 통해 수은 농도를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
반응챔버 또는 흡수 패드의 변색이 발생하고, 변색은 주입된 분석 시료의 수은 농도에 따라서 비색 강도(colorimetric signal)가 달라질 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 수은이 포함된 용액의 pH가 3.0 내지 6.0의 범위에서는 pH가 상승할수록 변색에 의한 얼룩이 짙어지는 것을 확인할 수 있었고, 7.0 이상의 pH 값에서는 변색에 의한 얼룩이 희미해지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 따른 분석물질 검출 방법은 휴대용 기기를 통해서 측정될 수 있다. 분석물질 검출 방법에서 수은 농도의 정량적인 측정은 휴대용 기기를 통해서 측정될 수 있다. 상기 휴대용 기기는 클라우드 인터넷 또는 컴퓨터와 데이터 송수신이 가능한 카메라 또는 휴대폰 카메라 일 수 있다. 상기 휴대용 기기를 통해 상기 수은 농도 측정센서의 변색을 촬영한 후 상기 촬영의 결과물을 컴퓨터로 송신하여, 이미징 프로그램 및/또는 변색신호를 수치화하는 스마트앱을 변색 강도 또는 비색 강도를 정량적으로 측정할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 수은 이온(Hg2+) 검출 반응은 1 분 내지 30 분 이내에 진행되는 것일 수 있다. 빠르고 간단하게 분석 시료내의 분석물질을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분석물질 검출 방법은 본 발명에 따른 분석물질 검출용 비색센서를 이용하여 다양한 수질오염원에서 저비용, 고선택성 분석물질 검출이 가능하다. 분석물질 농도에 따른 색 변화를 측정함으로써 빠르고 간단하게 분석물질을 검출할 수 있고, 소형의 휴대용 분석기기를 이용하여 효율적으로 실시간 분석물질의 농도를 모니터링 할 수 있다.
본 발명에서는 폴리머 필름-기반 장치에 통합된 Au NP-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(Au NP-PEG hydrogel block nanozyme; Au-HBNz)을 기반으로 하는 간단하고 실용적인 비색 Hg2+ 센서를 제공한다. Au-HBNz는 광중합(photopolymerization)에 의해 제조되었으며 Hg2+의 존재 하에서 강화된 과산화 효소-유사 활성(peroxidase-like activity)을 나타냈다. 색소 유발 기질인 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘(3,3',5,5'-tetramethylbenzidine; TMB)은 Hg2+의 존재 하에 Au-HBNz에 의해 촉매적으로 산화되어 Hg2+ 농도와 상관 관계가 있는 비색 반응 (짙은 파란색으로 변색)을 유도할 수 있다. Au-HBNz 기반 센서는 높은 민감도, 넓은 검출 범위, 낮은 감지 한계 및 탁월한 선택성을 보여 현장 분석에서 수질 오염의 민감한 현장 검출에 적합하다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
수은 오염은 생태계와 개별 종 (인간 포함)에 장기적인 위협이 된다. 따라서, 산업 발전으로 인해 물, 토양, 공기 및 식품의 수은 수준이 지속적으로 증가함에 따라 현장에서 Hg2+의 간단하고 효과적인 모니터링에 적합한 민감한 현장 수은 감지 플랫폼의 개발이 필요하다. 본 발명의 실시예에서는 Au 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(Au nanoparticle-PEG hydrogel block nanozyme; Au-HBNz)을 폴리머 필름 기반 비색 장치에 통합하여 간단하고 실용적인 수은 센서를 제작했다. Hg2+ 이온을 첨가하자 Au-HBNz는 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘(3,3',5,5'-tetramethylbenzidine; TMB)의 파란색으로의 산화를 촉진하는 우수한 퍼옥시다제-유사 활성(peroxidase-like activity)을 나타냈다. 결과적인 색상 강도 변화는 간단하고 빠른 Hg2+ 검출을 위해 스마트 폰을 사용하여 평가되었으며, 선형 농도-반응 관계 (R2 = 0.982)로 넓은 검출 범위 (8-200 μg mL-1)가 달성되었다. 검출 한계 (1.08 ng mL-1)는 세계 보건기구 및 미국 환경 보호국에서 설정 한 식수의 최대 Hg2+ 레벨보다 낮았다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수은 센서는 매우 선택적이고 효율적인 Hg2+ 실시간 모니터링의 길을 열었다.
물질
폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEG-DA, Mw = 575 Da), 시트레이트 완충액에 현탁된 Au 나노입자 (20 nm, OD = 1, 입자 수 농도 = 6.54 Х 10-11 mL-1), 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-hydoxy-2-methylpropiophenone, phosphate-citrate; PC) 완충액, H2O2 용액 및 TMB는 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)에서 구입했다. SU-8 100 네거티브 포토레지스트는 MicroChem Corp. (Newton, MA, USA)에서 제공했다. 현미경 슬라이드는 Duran Group (Mainz, Germany)에서 공급했으며 폴리(디메틸실록산) (poly(dimethylsiloxane); PDMS) 프리폴리머 성분 (Sylgard 184 silicone Elastomer Kit)은 Dow Corning (Midland, MI, USA)에서 구입했다. 폴리머 필름 기판은 Two-Hand Co., Ltd. (Anseong, South Korea)에서 구입했다. 모든 화학 물질은 분석 등급이었으며, 수용액은 탈이온수 (DI)를 사용하여 준비되었다.
Au-HBNz 합성
원통형 및 입방체 구조의 미세 패턴은 다른 곳 (Kim, J.-e.; Lee, J. M.; Chung, B. G., Microwell arrays for uniform-sized embryoid body-mediated endothelial cell differentiation. Biomed Microdevices 2014, 16 (4), 559-566.)에 설명된대로 SU-8 100 네거티브 포토 레지스트를 사용하여 Si 웨이퍼 상에서 제작되었다. PDMS 프리폴리머와 경화제는 10 : 1의 질량비로 혼합하고 혼합물을 준비된 마이크로 패턴 Si 템플릿 위에 붓고, 진공 챔버에서 30 분 동안 탈기하고 90 ℃에서 1 시간 동안 경화하여 템플릿에서 조심스럽게 벗겨낸 몰드를 얻었다. Au-HBNz는 다른 곳 (Li, C. A.; Han, K. N.; Bui, M.-P. N.; Pham, X.-H.; Seong, G. H., Development of hydrogel microstructures on single-walled carbon nanotube films. Applied Surface Science 2010, 256 (24), 7428-7433.)에서 설명한 바와 같이, Au NP가 있는 하이드로겔 단량체 용액의 광중합 유도 겔화에 의해 합성되었다. 간단히 말하면 콜로이드성 Au 용액 (1 mL)을 10,000 rpm에서 30 분 동안 원심 분리하고, 농축된 Au NP 분산액을 광개시제 (1 wt %)를 포함하는 PEG-DA 용액과 혼합했다. 혼합물을 PDMS 몰드에 드롭-캐스트하고 UV 경화 시스템 (Omnicure S200, Excelitas Technologies Corp., USA)을 사용하여 60 초 UV 조사 (4W cm-2, 365 nm)에 노출시켰다. 수득된 Au-HBNz를 DI water로 세척하고 실온에서 2 시간 동안 pH 5.0 PC 완충액 중 TMB (1.0 mg mL-1) 용액에 침지시켰다. 마지막으로, TMB 함유 Au-HBNz는 DI water (10,000 rpm, 3 분)로 5 회 원심 분리하여 정제하고, 사용하기 전에 DI water에 4 ℃에 보관했다. Au-HBNz 모폴로지는 전계-방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM; Hitachi S-4800, Japan)에 의해 측정되었다.
Au-HBNz 기반 Hg
2+
센서 제작
각 필름층에 대해 원하는 마이크로 채널 패턴은 AutoCAD 2007 소프트웨어 (Autodesk Inc.)를 사용하여 설계되었으며, 레이저 절단 시스템 (C40, Coryart, Gyeonggi-do, South Korea)을 사용하여 패턴화했다. 패터닝된 필름 층을 수직으로 적층하고 라미네이팅 기계 (PhotoLami-230K, Hyundai Office, Daejeon, South Korea)를 사용하여 층별로 라미네이팅했다. 5 μL Au-HBNz의 분취량을 장치 채널에 배치된 검출 지점에 떨어뜨리고, 결과 센서를 사용하기 전에 4 ℃에서 보관했다.
비색 Hg
2+
검출
비색 Hg2+ 검출을 위한 Au-HBNz의 촉매 성능을 극대화하기 위해 Au NP 크기 및 농도, pH, TMB 및 H2O2 농도, 샘플 부피 및 분석 시간을 최적화했다. 그 결과 테스트 버퍼 (13 wt% H2O2를 포함하는 pH 5.0 PC 버퍼)에 Hg2+ (500 μL) 용액을 폴리머 필름 센서의 입구에 주입하여 감지를 수행했다. 실온에서 20 분간 배양한 후 스마트폰 이미징 시스템 (G7 thinQ, LG Electronics Inc., South Korea) 및 ImageJ 소프트웨어 (National Institute of Health, USA)를 사용하여 감지 영역의 색 강도를 분석했다. 실제 테스트를 위해, 세 가지 농도의 Hg2+ 용액을 1 : 2의 부피 비율로 테스트 버퍼를 사용하여 수돗물에 스파이크했다. 스파이크 수돗물에서 Hg2+의 농도는 사전 구성된 검량선(pre-constructed calibration curve)을 사용하여 결정되었다.
결과 및 토의
Hg
2+
센싱 원리
도 3의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 PEG 하이드로겔 및 Au-HBNz의 광학 이미지 및 Au-HBNz의 개략적 구조를 나타낸 도면이다.
Au-HBNz의 연한 붉은 색은 순수 PEG 하이드로겔이 무색인 바, Au NP의 존재 때문이었다. Hg2+ 이온은 Au NP와 반응하여 NP 표면에 Hg-Au 합금의 얇은 층을 형성하는 것으로 잘 알려져 있으며, 따라서 H2O2에 의한 TMB의 산화를 촉진하는 Au NP의 능력을 향상시킨다.
도 3의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz-기반 센서에 의한 비색 Hg2+ 검출 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, Au-HBNz는 Hg2+ 이온을 첨가했을 때 매우 향상된 과산화수소-유사 촉매 활성을 나타냈다. Au-HBNz-함유 검출 영역의 색상은 Au-HBNz/Hg2+에 의해 촉매된 TMB의 산화에 기인한 무색에서 맑은 파란색으로 빠르게 변했다. Au-HBNz의 뛰어난 촉매 활성을 기반으로, Au-HBNz가 통합된 폴리머 필름 장치가 Hg2+의 비색 검출을 위해 개발되었다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 및 입방체 Au-HBNz의 FE-SEM 이미지이다.
도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, Au-HBNz의 모폴로지 및 구조는 FE-SEM에 의해 조사되었으며, 이는 나노자임 입자가 (i) ~ 80-㎛ 높이 100 ㎛ 직경 실린더 또는 (ii) 100-㎛-폭 × 100 ㎛- 길이 직사각형 블록 중 하나로 제작하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz의 FE-SEM 원소 매핑을 나타낸 도면이다.
도 5는 Au가 하이드로겔에 균일하게 분포되어 있음을 보여주었다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz 기반 센서의 개략도 및 Hg2+ 검출의 개념 증명 설명을 나타낸다. 예를 들어, 높은 내구성, 화학적 및 물리적 손상에 대한 내성, 표면 개질의 단순성, 휴대성 및 일회용과 같은 (생)화학 감지 응용 분야를 위한 폴리머 기판의 장점은 도 7에 도시된 센서의 구조를 가진 폴리머 박막을 휴대용 및 민감한 수은 센서의 제조에 적합하게 만든다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 필름-기반 비색 수은 센서의 분해 사시도를 나타낸다. 친수성 및 소수성 필름은 라미네이팅 기계를 사용하여 교대로 라미네이팅되어 모세관 힘의 작용 하에 일정한 액체 흐름을 허용한다. 이 센서는 가로 30 mm, 길이 60 mm, 높이 900 ㎛로 직경 1.5 mm, 높이 500 ㎛의 감지 영역을 특징으로 했다. 흐름 채널에서 Au NP 기반 하이드로겔 나노자임을 고정하기 위해 Au-HBNz 용액 5 μL 방울을 감지 영역에 넣었다. 예상대로 수은 센서에 충전된 Au-HBNz는 높은 촉매 성능을 보여주었다. Hg2+ 주입에 따라 Au-HBNz의 효소-모방 활성을 향상시키기 위해 Au NP 표면에 Hg-Au 합금이 형성되었다. 결과적으로, TMB는 H2O2에 의해 촉매적으로 산화되어 감지 영역이 파란색으로 변했다. 대조적으로, Hg2+ 이온이 없는 경우 검출 영역의 파란색은 거의 보이지 않았으며, 이러한 조건에서 나노자임 활성은 매우 낮았다.
Hg
2+
감지를 위한 반응 조건 최적화
Au-HBNz의 촉매 활성은 Au NP 크기 및 함량의 영향을 조사하여 극대화되었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 크기 (5-50 nm)에 따른 Au-HBNz의 촉매 활성을 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 함량 (0-6 vol%)에 따른 Au-HBNz의 촉매 활성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 크기에 따른 20 ng/mL의 Hg2+ 이온과 블랭크 사이의 Au-HBNz의 비색 반응 비교 결과이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자 함량에 따른 20 ng/mL의 Hg2+ 이온과 블랭크 사이의 Au-HBNz의 비색 반응 비교 결과이다.
도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, 20 nm Au NP는 Hg2+ 이온이 존재할 때 가장 높은 촉매 활성을 나타냈다. 더 작은 Au NP (5 nm 및 10 nm)는 Hg2+가 없는 경우에도 TMB 산화를 촉진하여 Hg2+ 검출의 특이성을 감소시켰다. 또한, 도 9 및 도 11에 도시된 바와 같이, Hg2+의 존재 하에서 TMB의 촉매 산화는 Au NP의 함량을 증가시킴으로써 촉진되었다. 그러나, Au-HBNz의 배경색은 > 1 vol%의 Au NP 함량에서 분명하게 눈에 띄기 때문에, 20 nm Au NPs의 1 vol% 용액을 사용하여 제조된 Au-HBNz가 추가 실험을 위해 선택되었다.
도 12 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 (도 12) pH (2.0-10.0), (도 13) TMB 농도 (0.3-1.3 mg mL-1), (도 14) H2O2 함량 (0.5-15 wt %), (도 15) 샘플 부피 (200-1000 μL 및 (도 16) 분석 시간 (1-30 분)에 따른 Au-HBNz의 촉매 성능을 나타낸다. 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 (a) pH 값, (b) TMB 농도, (c) H2O2 농도, (d) 샘플 부피 및 (e) 분석 시간에 따른 Au-HBNz의 촉매 성능의 비색 반응을 나타낸다.
도 12 내지 도 17을 참조하면, Au-HBNz의 효소-모방 활성이 pH (pH 2.0-10.0), TMB 농도 (0.3-1.3 mg mL-1) 및 H2O2 함량 (0.5-15 wt%)에 의존했음을 보여준다. 도 12는 Au-HBNz의 촉매 활성에 대한 pH의 영향을 보여주며, 산성 조건 (pH 2.0-5.0)에서 Hg2+의 존재 하에 TMB에 대한 강한 반응이 관찰되었음을 보여준다. 그러나 pH < 4.0에서 Hg2+가 없는 경우에도 진한 파란색의 산화된 TMB (TMBox)가 생성되었다 (도 17의 (a)). 따라서 Hg2+ 검출 감도를 극대화하기 위해 pH를 5.0으로 설정했다. 도 13 및 도 14에 표시된대로 감지 영역의 비색 반응은 TMB 농도 (최대 1.0 mg mL-1) 및 H2O2 함량 (최대 13 wt%)이 증가함에 따라 더욱 두드러졌다. 더욱이, 주입된 샘플 부피와 분석 시간이 비색 반응에 미치는 영향은 최적화된 조건에서 연구되었다. 최적의 샘플 부피는 500 μL (도 15)로 결정되었고, 최적의 분석 시간은 20 분으로 결정되었으며, 더 긴 시간에 눈에 띄는 색상 강도 증가가 관찰되지 않았기 때문이다 (도 16). 위의 매개 변수는 추가 Hg2+ 감지 실험에 사용되었다.
Au-HBNz 기반 Hg
2+
센서의 성능
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 Hg2+ 농도에 따른 센서의 비색 반응을 나타낸 것이고, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 Hg2+ 농도의 로그에 대한 색상 강도를 플로팅하여 얻은 교정 곡선을 나타낸 그래프이다.
Au-HBNz 기반 센서는 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이 Hg2+의 비색 분석에 사용되었다. 테스트 버퍼의 Hg2+ 용액이 채널에 도입됨에 따라 TMB의 Au-HBNz 촉매 산화에 의해 파란색 TMBox가 생성되었다. 검출 영역의 색상 강도는 Hg2+ 농도가 증가함에 따라 증가했다 (도 18). 색상 강도와 Hg2+ 농도 간의 관계는 8 ng mL-1 ~ 200 μg mL-1의 농도 범위 내에서 선형이었으며 상관 계수 (R2)는 0.982 (n = 5)이고, 변동 계수는 < 6.5 % (도 19). 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio) 3을 기반으로 한 검출 한계 (limit of detection; LOD)는 1.08 ng mL-1로 계산되었으며, 이는 WHO (6 ng mL-1) 및 EPA (2 ng mL-1)에서 규정한 식수에서 Hg2+의 최대 레벨보다 훨씬 낮았다. 제작된 휴대용 센서가 높은 재현성과 함께 Hg2+ 검출에 대해 우수한 감도와 효율성을 나타냈다는 점을 언급할 가치가 있다.
하기 표 1은 스파이크된 수돗물에서 Hg2+ 정량 결과를 나타낸다. 표 1을 통해 본 발명의 실시예에 따른 수은 검출용 비색센서의 실용성은 수돗물을 Hg2+로 스파이킹하여 얻은 실제 샘플을 분석하여 입증되었다. 얻어진 회수율은 상대 표준 편차(relative standard deviation; RSD)가 < 4.5 %인 89.3 % ~ 103.2 % 범위였으며, 이는 Au-HBNz 기반 센서가 실제 샘플에서 Hg2+를 정확하게 정량화 할 수 있음을 나타낸다. 이러한 결과는 제안된 Hg2+ 검출 시스템이 우수한 분석 성능을 가지고 있으며 환경 오염 및 식품 안전 모니터링 중에 수행되는 것과 같은 현장 측정에 적합하다는 것을 보여준다.
| 샘플 | Hg2+ 첨가량 (Added) (μg mL-1) |
Hg2+ 측정량 (Found) (μg mL-1) |
회수율(Recovery) (%) |
상대 표준 편차 (RSD) (%) |
| 1 | 0.100 | 0.089 | 89.3 | 1.94 |
| 2 | 0.500 | 0.463 | 92.6 | 4.50 |
| 3 | 1.000 | 1.032 | 103.2 | 3.01 |
Au-HBNz 기반 Hg
2+
센서의 안정성 및 선택성
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 Au-HBNz 기반 센서의 장기 안정성 테스트 결과를 나타낸 것이고, 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 간섭 금속 이온 (200 μg mL-1)이 존재할 때 Hg2+ (200 μg mL-1)의 선택성을 나타낸 것이다.
Au-HBNz 기반 센서의 안정성은 3 주 동안 색상 강도의 변화를 평가하여 연구되었다 (도 20). 200 μg mL-1 Hg2+가 있는 경우 감지 영역은 초기 색상 강도의 97.9 %-102.2 %를 유지했다. 또한, 제안된 센서의 선택성은 Hg2+와 잠재적으로 오염된 물에 함께 존재할 수 있는 여러 간섭 금속 이온에 대한 비색계 반응을 비교하여 조사되었다 (도 21). Hg2+의 존재 하에서 검출 영역은 맑은 파란색을 보였고, 다른 금속 이온의 경우 무시할 수 있는 색 변화가 관찰되었다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 센서는 뛰어난 선택성과 장기적인 안정성을 보여주었다.
결론
간단하고 민감하며 빠르고 효과적인 Hg2+ 감지를 위한 Au-HBNz 기반 플랫폼이 개발되었다. Hg2+의 첨가는 Au 표면에 Hg-Au 합금의 형성을 촉진하여 Au-HBNz의 과산화 효소 유사 활성을 크게 향상시켜 TMB의 산화를 가속화했다. 최적화된 조건에서 8 ng mL-1 ~ 200 μg mL-1 범위에서 Hg2+ 농도가 증가함에 따라 검출 영역의 색상 강도가 증가했다. 1.08 ng mL-1의 LOD는 WHO 및 EPA에서 제안한 Hg2+의 허용 가능한 최대 레벨보다 낮았다. 또한 Au-HBNz 기반 센서는 Hg2+에 대한 우수한 선택성과 우수한 장기 안정성 (최소 3 주)을 나타냈다. 따라서 개발된 감지 플랫폼은 간단하고 휴대성이 뛰어난 현장 Hg2+ 감지 시스템에 적합한 것으로 파악되었다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 분석물질 검출용 비색센서
110: 폴리머 필름 기판
120: 시료 주입부
125: 제1 유로 형성부
130: 반응챔버
135: 제2 유로 형성부
140: 흡수 패드
110: 폴리머 필름 기판
120: 시료 주입부
125: 제1 유로 형성부
130: 반응챔버
135: 제2 유로 형성부
140: 흡수 패드
Claims (23)
- 폴리머 필름 기판;
상기 폴리머 필름 기판 상에 형성되고 분석 시료를 주입하는 시료 주입부;
상기 시료 주입부로부터 주입된 분석 시료가 반응하여 컬러 신호가 검출되는 반응챔버;
상기 반응챔버로부터 상기 분석 시료를 흡수하는 흡수 패드;
상기 시료 주입부 및 상기 반응챔버와 연통되는 제1 유로 형성부; 및
상기 반응챔버 및 상기 흡수 패드와 연통되는 제2 유로 형성부;
를 포함하고,
상기 시료 주입부, 상기 반응챔버, 상기 흡수 패드, 상기 제1 유로 형성부 및 상기 제2 유로 형성부는, 각각, 복수 개의 필름층이 적층되어 형성된 것이고,
상기 반응챔버는, 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임(nanozyme)을 더 포함하는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 필름층은,
상기 반응챔버와 일부가 접하며 연통되고, 상기 제2 유로 형성부 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제1 필름층;
상기 제1 필름층 상에 형성되며, 상기 반응챔버 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제2 필름층;
상기 제2 필름층 상에 형성되며, 상기 제2 필름층과 대응되는 제3 필름층;
상기 제3 필름층 상에 형성되며, 상기 제3 필름층과 대응되는 제4 필름층;
상기 제4 필름층 상에 형성되며, 상기 시료 주입부와 일부가 접하며 연통되고, 상기 제1 유로 형성부 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제5 필름층;
상기 제5 필름층 상에 형성되며, 상기 시료 주입부 및 상기 흡수 패드를 형성하는 제6 필름층; 및
상기 제6 필름층 상에 형성되며, 상기 제6 필름층과 대응되는 제7 필름층;
을 포함하는,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제2항에 있어서,
상기 복수 개의 필름층은 소수성 필름 및 친수성 필름이 교대로 적층되어 형성되는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 분석 시료는 상기 복수 개의 필름층을 통해 수직적으로 통과하는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는, 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 바나듐(V), 세륨(Ce), 망간(Mn), 산화철(Fe3O4, Fe2O3), 산화세륨(CeO2), 바나듐산화물(V2O5), 망간산화물(MnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 직경이 1 nm 내지 200 nm인 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은,
금속 나노입자 분산액 및 광개시제를 포함하는 PEG-DA 용액을 혼합하여 PDMS 몰드에 드롭-캐스팅한 후 광중합하여 형성된 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은,
직경이 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 원기둥, 사각기둥, 삼각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥, 구, 반구, 구의 일부분, 타원구, 반타원구, 타원구의 일부분, 사각뿔, 사각쌍뿔, 사각뿔대, 삼각뿔, 삼각쌍뿔, 삼각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 링, 와이어, 공동형(cavity) 및 다면체(polyhedral)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 하이드로겔 블록 나노자임은,
농도가 0.1 부피% 내지 10 부피%인 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은,
표면이 개질되지 않은 금속 나노입자의 퍼옥시다제-유사 활성(peroxidase-like activity)을 나타내는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자-PEG 하이드로겔 블록 나노자임은,
발색 시약, 신호 강화제 또는 이 둘을 더 포함하는,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제12항에 있어서,
상기 발색 시약은, TMB(3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), DAB(3,3'-Diaminobenzidine), AEC(3-amino-9-ethylcarbazole), ABTS(2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), AmplexRed, Luminol, O-페닐렌다이아민(o-phenylenediamine), 바소쿠프로인(bathocuproine), 디메틸글리옥심(dimethylglyoxime), 1,5-디페닐카르보히드라지드(1,5-diphenylcarbazide), 1, 10-페난트롤린(1,10-phenanthroline) 및 바소페난트롤린(Bathophenanthroline)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제12항에 있어서,
상기 발색 시약은, 농도가 0.1 mg mL-1 내지 500 mg mL-1인 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제12항에 있어서,
상기 신호 강화제는, 과산화수소(H2O2), 트리프로필아민(TPA), 글루코스(Glucose), Ferrocyanide 및 효소기질로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제1항에 있어서,
상기 분석물질은, 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 또는 바이오 물질인 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제16항에 있어서,
상기 바이오 물질은, 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제16항에 있어서,
상기 금속의 이온 중 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 이온과는 반응하여 색변화가 나타나고,
상기 금속 이온 외 이온과는 반응하지 않아 색변화가 나타나지 않는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제16항에 있어서,
상기 금속의 이온 중 수은(Hg), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 이온과는 반응하여 색변화가 나타나지 않고,
상기 금속 이온 외 이온과는 반응하지 않아 색변화가 나타나는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제16항에 있어서,
상기 바이오 물질 중 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나와는 반응하여 색변화가 나타나고,
상기 바이오 물질 외 물질과는 반응하지 않아 색변화가 나타나지 않는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 제16항에 있어서,
상기 바이오 물질 중 글루코스(Glucose), 콜레스테롤(cholesterol), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 갈라토오스(galactose), 아세틸콜린(acetylcholine), 과산화수소(hydrogen peroxide), 효소, 항체/항원, 세포, 바이러스, 박테리아, 단백질 및 핵산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나와는 반응하여 색변화가 나타나지 않고,
상기 바이오 물질 외 물질과는 반응하지 않아 색변화가 나타나는 것인,
분석물질 검출용 비색센서.
- 시료 주입부에 분석 시료를 주입하는 단계; 및
반응챔버의 변색을 통해 상기 분석 시료 내의 분석물질을 검출하는 단계;
를 포함하는 분석물질 검출 방법으로서,
상기 분석물질 검출 방법은 제1항의 분석물질 검출용 비색센서를 이용하는 것인,
분석물질 검출 방법. - 삭제
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| KR1020200141054A KR102535272B1 (ko) | 2020-10-28 | 2020-10-28 | 분석물질 검출용 비색센서 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법 |
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