KR20100123795A - Photoswitchable fluorescent silica nanoparticles and method for preparing the same - Google Patents

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KR20100123795A
KR20100123795A KR1020090042889A KR20090042889A KR20100123795A KR 20100123795 A KR20100123795 A KR 20100123795A KR 1020090042889 A KR1020090042889 A KR 1020090042889A KR 20090042889 A KR20090042889 A KR 20090042889A KR 20100123795 A KR20100123795 A KR 20100123795A
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    • C01B33/18Preparation of finely divided silica neither in sol nor in gel form; After-treatment thereof

Abstract

PURPOSE: Silica nano particles in which a photoswitchable material is combined with a fluorescent material and a manufacturing method thereof are provided to usefully use silica nano particles as a contrast medium for biometric imaging. CONSTITUTION: A photoswitchable material and silica nano particles are mixed. The silica nano particles are collected. The nano particle is dispersed in ethanol. Amide coupling is formed between an amine and a fluorescent material on the surface of the silica nano particles. The silica nano particle in which the photoswitchable material is combined with the fluorescent material is produced.

Description

광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자 및 그 제조방법 {Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles and Method for Preparing the Same}Silica nanoparticles in which a photochromic material and a fluorescent material are combined and a method for preparing the same {Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles and Method for Preparing the Same}

본 발명은 그 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 실리카 입자 표면에 결합되어 있는 실리카 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to silica nanoparticles having a photochromic substance and a fluorescent substance bonded to the surface of silica particles, and a method of manufacturing the same.

광변색 현상은 자외선, 혹은 가시광선에 노출될 경우, 색이 변하는 화합물 또는 이러한 화합물을 함유한 제품의 색상이 빛에 의해 가역적으로 변하는 현상을 지칭한다. Photochromic phenomenon refers to a phenomenon in which the color of a compound or a product containing such a compound is reversibly changed by light when exposed to ultraviolet light or visible light.

그 한 예로 디아릴에텐계 화합물은 자외선에 노출될 때 색이 변하고, 이어서 다른 파장의 광을 조사하면 화합물의 본래의 색으로 되돌아오는 광변색 화합물로서, 1985년에 처음으로 합성된 이래 광조사후 열에 의한 변색이 일어나지 않는 안정한 광변색성 물질로 알려져 왔으며 (일본특허공개공보 제86-263935호), 다양한 유도체들의 합성 방법과 이들의 광ㆍ전자소재로의 응용 연구가 발표되었다 (일본특허공개공보 제91-261782호, 제92-178383호, 제94-199846호, 제93-169820호, 제93- 301873호, 제94-267071호, 제95-72567호, 제96-69083호, 제96-245579호, 제97-61647호, Masahiro Irie, Chem. Rev., 100:1685, 2000, He Tian and Songjie Y., Chem. Soc. Rev., 33:85, 2004).For example, the diarylethene-based compound is a photochromic compound that changes color when exposed to ultraviolet light, and then returns to the original color of the compound when irradiated with light of different wavelengths. It has been known as a stable photochromic material which does not cause discoloration due to the occurrence of color change (Japanese Patent Laid-Open No. 86-263935), and a method for synthesizing various derivatives and applying them to optoelectronic materials has been published. 91-261782, 92-178383, 94-199846, 93-169820, 93-301873, 94-267071, 95-72567, 96-69083, 96- 245579, 97-61647, Masahiro Irie, Chem. Rev., 100: 1685, 2000, He Tian and Songjie Y., Chem. Soc. Rev. , 33:85, 2004).

그 중 불소 치환된 디아릴에텐 화합물은 안정성이 더욱 높을 뿐만 아니라 광변색성이 매우 빠른 것으로 알려져 있다(Scott B. et al., Org. Chem., 56:373, 1991). 상기 디아릴에텐계 화합물은 대부분 유기용매에 용해되기 때문에 이를 물에 용해시키기는 어려워 수용액상에서 일어나는 바이오 분야로의 적용은 극히 제한적이었으나, 최근 이 화합물에 올리고 에틸렌글리콜을 도입함으로써 수용성 물질로 전환이 가능하다는 보고가 있었고(Takashi Hirose, et al., J. Org. Chem., 71: 7499, 2006), 이러한 광변색성 물질을 이용하여 생체 분자를 표지가 가능한 기능단을 합성하기도 하였다(대한민국 특허출원 제10-2007-0107245호). Among them, fluorine-substituted diarylethene compounds are known to have higher stability and very fast photochromic properties (Scott B. et al., Org. Chem., 56: 373, 1991). Since most of the diarylethene-based compounds are dissolved in organic solvents, it is difficult to dissolve them in water, and thus the application of the diarylethene-based compounds to the bio-industrial field in an aqueous solution is extremely limited. (Takashi Hirose, et al., J. Org. Chem., 71: 7499, 2006), using such photochromic materials, has also synthesized functional groups capable of labeling biomolecules (Korean Patent Application No. 10-2007-0107245).

광변색성 물질을 이용한 생체 표지물질에 관한 연구와 더불어, 특정 파장을 갖는 광을 조사하였을 때 광학적 특성이 스위치되는 광전환성 물질에 대한 연구와 광변색성 물질과 형광물질을 이용하는 광전환성 물질을 생체표지물질로 이용하기 위한 연구도 진행되고 있다(Andresen M. et al., PNAS, 102:13070, 2005, Soh N. et al., Chem. Commun., 5206, 2007). In addition to research on biomarkers using photochromic materials, studies on light converting materials in which optical properties are switched when irradiated with light having a specific wavelength, and light converting materials using photochromic materials and fluorescent materials Studies are also underway for use as markers (Andresen M. et al. , PNAS , 102: 13070, 2005, Soh N. et al., Chem. Commun. , 5206, 2007).

그러나, 상기 광변색성 물질 및 광전환성 물질을 단일 분자로 표지물질로서 이용하는 경우, 발생되는 신호가 약해 검출하는데 어려움이 있고, 기존의 형광물질만을 이용한 생체표지 방법은 생체분자에서 유래한 자가형광(auto-fluorescence)물질로 인해 검출의 정확성이 떨어진다는 문제점이 있었다.However, when the photochromic material and the photoconverting material are used as the labeling substance with a single molecule, the generated signal is weak and difficult to detect. The biomarking method using the conventional fluorescent material only has autofluorescence derived from the biomolecule. Due to the auto-fluorescence material, there was a problem in that the detection accuracy was lowered.

이에 본 발명자들은 광변색성 물질과 형광물질을 이용하여, 생체분자 표지물질을 개발하고자 예의 노력한 결과, 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 높은 흡광도 및 고감도의 실리카 나노입자를 제조하여, 생체분자의 검출 및 생체분자의 영상화에 활용할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have made efforts to develop biomolecule labeling materials using photochromic materials and fluorescent materials. As a result, the present inventors have prepared high absorbance and high sensitivity silica nanoparticles in which photochromic materials and fluorescent materials are combined, The present invention was completed by confirming that it can be used for detection of molecules and imaging of biomolecules.

본 발명의 목적은 그 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide silica nanoparticles having a photochromic material and a fluorescent material bonded to a surface thereof, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 이용한 생체분자의 검출방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of detecting biomolecules using silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 일반식 1로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides silica nanoparticles in which a photochromic material represented by the following general formula (1) and a fluorescent material are bonded to silica nanoparticles having an ionic functional group exposed on its surface.

[일반식 1]  [Formula 1]

Figure 112009029405968-PAT00001
Figure 112009029405968-PAT00001

여기서, P는 광변색성 분자, K는 원자 또는 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n이고, L은 수소원자(H)를 제외한 원자 혹은 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n(여기서, n은 1~100의 정수임)이며, X는 O, S, NH 및 CH2로 구성된 군에서 선택되고, M은 실리카 나노입자의 표면에 노출된 이온성 기능기와 결합하는 작용기를 의미한다.Where P is a photochromic molecule, K is an atom or atom group, a peptide binding ligand, a DNA binding ligand, a PNA binding ligand, a protein binding ligand or a nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, and having 6 to 100 carbon atoms. Aryl, carbon number is 2 to 100 heterocyclic linker or (CH 2 CH 2 0) n , L is an atom or atomic group, except for the hydrogen atom (H), peptide binding ligand, DNA binding ligand , PNA binding ligand, protein binding ligand or nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, aryl having 6 to 100 carbon atoms, heterocyclic linker having 2 to 100 carbon atoms or (CH 2 CH 2 0) n (where n is an integer from 1 to 100), X is selected from the group consisting of O, S, NH and CH 2 , and M is an ionic functional group exposed to the surface of the silica nanoparticles. It means a functional group to bind.

본 발명은 또한, 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 화학식 10으로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제공한다. The present invention also provides silica nanoparticles in which a photochromic material represented by the following Chemical Formula 10 and a fluorescent substance are bonded to silica nanoparticles having an ionic functional group exposed on a surface thereof.

[화학식 10][Formula 10]

Figure 112009029405968-PAT00002
상기 화학식 10에서 R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나, 또는 카르보닐기이고, M 또는 M'는 수소 또는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기고, M과 M' 중 어느 하나는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기이며, n은 1~100의 정수를 의미한다.
Figure 112009029405968-PAT00002
In Formula 10, R is a C 1 to C 3 alkylene group unsubstituted or substituted with a bond line, an oxygen atom or fluorine, Y is independently an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom, and Z is unsubstituted or substituted with fluorine Methylene group or carbonyl group, M or M 'is a functional group which binds to the ionic functional group of hydrogen or silica nanoparticles, and either M and M' is a functional group which binds to the ionic functional group of silica nanoparticles, n Means an integer of 1 to 100.

본 발명은 또한, (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응 시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 제조된 실리카 나노입자의 표면에 노출된 양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 고감도 실리카 나노입자를 제조하는 단계를 포함하는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for preparing a cationic silica precursor, comprising: (a) adding a silica precursor and a catalyst to a solvent to activate the silica precursor, and then adding and reacting a compound having a cationic functional group to prepare a cationic silica precursor; (b) adding distilled water to the cationic silica precursor prepared in step (a) and preparing silica nanoparticles in which the cationic functional group is exposed on the surface thereof; (c) combining the photochromic material to the cationic functional group exposed on the surface of the silica nanoparticles prepared in step (b) to prepare silica nanoparticles to which the photochromic material is bound; And (d) bonding the fluorescent material to the silica nanoparticles to which the photochromic material is bound to produce the highly sensitive silica nanoparticles to which the photochromic material and the fluorescent material are combined. To provide.

본 발명은 또한, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 이용한 생체분자의 검출방법을 제공한다.The present invention also provides a method for detecting biomolecules using silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined.

본 발명에 따른 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자는 검출감도가 높고 광전환성이 뛰어나 생체 영상화 조영제로서 유용하게 사용될 수 있다.The silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined according to the present invention have high detection sensitivity and excellent light conversion properties, and thus may be usefully used as a bioimaging contrast agent.

본원에 사용된 용어 "광변색성 물질"은 광흡수 특성 및 굴절성 등과 같은 광학적 성질이 서로 다른 적어도 두개의 이성질체형(isometric forms)을 가지며, 분자 고유의 파장에서 광여기(light excitations)에 의해 한 형태에서 다른 형태로 변화될 수 있는 분자로, 자외선, 혹은 가시광선에 노출시 색이 가역적으로 변하는 것을 특징으로 하는 분자를 지칭한다. As used herein, the term "photochromic material" has at least two isomeric forms that differ in optical properties, such as light absorption properties and refractive properties, and by light excitations at molecular intrinsic wavelengths. As a molecule that can change from one form to another, it refers to a molecule which is characterized by reversible color change upon exposure to ultraviolet light or visible light.

본원에 사용된 용어 "형광물질"은 분자 고유의 파장에서 광여기에 의해 여기(excitation) 상태가 되면, 흡수한 에너지를 특정 파장의 빛으로 방출(emission)하며 기저 상태(ground level)로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 물질을 지칭한다.As used herein, the term “phosphorescent material” is photoexcitation at a wavelength inherent to the molecule, which, when excited, emits absorbed energy as light of a specific wavelength and returns to the ground level. It refers to a material characterized in that.

본원에 사용된 용어 "광전환성"은 광변색성 물질과 형광물질이 근접하여 위치함으로서, 자외선 조사시, 구조변화를 일으킨 광변색성 물질이 근접한 형광물질로부터 방출되는 형광을 흡수하여, 형광물질로부터 방출되는 형광을 검출할 수 없거나 검출되는 형광의 세기가 감소하고, 가시광선을 조사시에는 광변색성 물질이 형광을 흡수하지 못하는 구조로 변화되어, 형광물질로부터 방출되는 형광의 세기가 원래대로 회복되는 특성을 지칭한다.As used herein, the term "photoconversion" means that the photochromic material and the fluorescent material are located in close proximity, so that when the ultraviolet light is irradiated, the photochromic material that causes the structural change absorbs the fluorescence emitted from the adjacent fluorescent material, The emitted fluorescence cannot be detected or the intensity of the detected fluorescence is reduced, and upon irradiation with visible light, the photochromic material is changed into a structure that cannot absorb fluorescence, and the intensity of the fluorescence emitted from the fluorescent material is restored to its original state. It refers to the characteristic being.

본원에 사용된 용어 "조영제"는 세포 또는 조직의 구조 및 목적하는 각종 생체분자의 발현 위치, 정도 및 기간 등을 시각화할 수 있도록 주변과 대비되는 특이적인 광학적 성상의 영상신호를 발생시키는 화합물을 지칭한다. As used herein, the term "contrast agent" refers to a compound that generates an image signal of a specific optical appearance contrasted with the surroundings so that the structure of cells or tissues and the location, extent and duration of expression of various biomolecules of interest can be visualized. do.

본 발명은 일 관점에서, 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 일반식 1로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 관한 것이다. The present invention relates to silica nanoparticles in which a photochromic material represented by the following general formula (1) and a fluorescent substance are bonded to silica nanoparticles in which an ionic functional group is exposed on a surface thereof.

[일반식 1][Formula 1]

Figure 112009029405968-PAT00003
Figure 112009029405968-PAT00003

여기서,P는 광변색성 분자, K는 원자 또는 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n이고, L은 수소원자(H)를 제외한 원자 혹은 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n(여기서, n은 1~100의 정수임)이며, X는 O, S, NH 및 CH2로 구성된 군에서 선택되고, M은 실리카 나노입자의 표면에 노출된 이온성 기능기와 결합하는 작용기를 의미한다. Where P is a photochromic molecule, K is an atom or atom group, a peptide binding ligand, a DNA binding ligand, a PNA binding ligand, a protein binding ligand or a nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, and having 6 to 100 carbon atoms. Aryl, carbon number is 2 to 100 heterocyclic linker or (CH 2 CH 2 0) n , L is an atom or atomic group, except for the hydrogen atom (H), peptide binding ligand, DNA binding ligand , PNA binding ligand, protein binding ligand or nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, aryl having 6 to 100 carbon atoms, heterocyclic linker having 2 to 100 carbon atoms or (CH 2 CH 2 0) n (where n is an integer from 1 to 100), X is selected from the group consisting of O, S, NH and CH 2 , and M is an ionic functional group exposed to the surface of the silica nanoparticles. It means a functional group to bind.

일반식 1에서, 상기 광변색성 분자(

Figure 112009029405968-PAT00004
)는 표 1에 나타낸 화합물 중에서 선택할 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니다.In Formula 1, the photochromic molecule (
Figure 112009029405968-PAT00004
) May be selected from the compounds shown in Table 1, but is not limited thereto.

isomer Aisomer A isomer Bisomer B 화학식 2Formula 2

Figure 112009029405968-PAT00005
Figure 112009029405968-PAT00005
Figure 112009029405968-PAT00006
Figure 112009029405968-PAT00006
화학식 3Formula 3
Figure 112009029405968-PAT00007
Figure 112009029405968-PAT00007
Figure 112009029405968-PAT00008
Figure 112009029405968-PAT00008
화학식 4Formula 4
Figure 112009029405968-PAT00009
Figure 112009029405968-PAT00009
Figure 112009029405968-PAT00010
Figure 112009029405968-PAT00010
화학식 5Formula 5
Figure 112009029405968-PAT00011
Figure 112009029405968-PAT00011
Figure 112009029405968-PAT00012
Figure 112009029405968-PAT00012
화학식 66
Figure 112009029405968-PAT00013
Figure 112009029405968-PAT00013
Figure 112009029405968-PAT00014
Figure 112009029405968-PAT00014
화학식 7Formula 7
Figure 112009029405968-PAT00015
Figure 112009029405968-PAT00015
Figure 112009029405968-PAT00016
Figure 112009029405968-PAT00016
화학식 8Formula 8
Figure 112009029405968-PAT00017
Figure 112009029405968-PAT00017
Figure 112009029405968-PAT00018
Figure 112009029405968-PAT00018

화학식 9Formula 9

Figure 112009029405968-PAT00019
Figure 112009029405968-PAT00019
Figure 112009029405968-PAT00020
Figure 112009029405968-PAT00020

상기 화학식 2 및 화학식 3에서, R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나 또는 카르보닐기를 의미한다.In Formulas 2 and 3, R is a C 1 ~ C 3 alkylene group unsubstituted or substituted with a bond line, an oxygen atom or fluorine, Y is independently an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom, Z is a fluorine substituted or It means an unsubstituted methylene group or a carbonyl group.

본 발명에 따른 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아미노기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다. The functional group that binds to the ionic functional group of the silica nanoparticles according to the present invention is a carboxyl group, a carboxylic acid derivative group (C (= O) -Cl, C (= O) -Br, C (= O) -O-succinimide) , Isocyanate group, isothiocyanate group, amine group, thiol group, hydroxyl group, iodine acetamino group, α-haloacetyl group and maleimide group may be selected.

본 발명은 다른 관점에서, 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 다음 화학식 10으로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자에 관한 것이다. In another aspect, the present invention provides a high sensitivity in which a photochromic material represented by the following Chemical Formula 10 and a fluorescent material are bonded to silica nanoparticles in which an ionic functional group is exposed on a surface thereof. It relates to silica nanoparticles.

[화학식 10]       [Formula 10]

Figure 112009029405968-PAT00021
상기 화학식 10에서 R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나, 또는 카르보닐기이고, M 또는 M'는 수소 또는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기고, M과 M' 중 어느 하나는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기이며, n은 1~100의 정수를 의미한다.
Figure 112009029405968-PAT00021
In Formula 10, R is a C 1 to C 3 alkylene group unsubstituted or substituted with a bond line, an oxygen atom or fluorine, Y is independently an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom, and Z is unsubstituted or substituted with fluorine Methylene group or carbonyl group, M or M 'is a functional group which binds to the ionic functional group of hydrogen or silica nanoparticles, and either M and M' is a functional group which binds to the ionic functional group of silica nanoparticles, n Means an integer of 1 to 100.

실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 알데히드기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아민기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다. The functional groups that bind to the ionic functional groups of the silica nanoparticles are a carboxyl group, a carboxylic acid derivative group (C (= O) -Cl, C (= O) -Br, C (= O) -O-succinimide), an isocyanate group, It may be selected from the group consisting of isothiocyanate group, amine group, aldehyde group, thiol group, hydroxyl group, iodine acetamine group, α-haloacetyl group and maleimide group.

상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR(bodipy TMR), Cy3, DY500, 로다민 레드-X(rhodamine Red-X), 스펙트럼 오렌지(spectrum orange), 플루오레세인 이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate, FITC), 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트(tetramethylrhodamine isothiocyanate, TRITC), 알렉사플루오르(alexa fluor), 텍사스 레드(texas red), 테트라메틸로다민(tetramethylrhodamine), 캐스캐이드 블루(cascade blue), DAPI(4',6-diamidino-2-phenylindole), 쿠마린(coumarine), 루시퍼 옐로우(lucifer yellow) 및 단실아마이드(dansylamide)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The fluorescent material is Alexa555, bodipy TMR, Cy3, DY500, rhodamine Red-X, spectrum orange, fluorescein isothiocyanate, FITC ), Tetramethylrhodamine isothiocyanate (TRITC), alexa fluor, texas red, tetramethylrhodamine, cascade blue, DAPI ( It may be at least one selected from the group consisting of 4 ', 6-diamidino-2-phenylindole, coumarine, lucifer yellow and dansylamide.

본 발명에 따른 형광물질은 여기(excitation) 및 발광(emission) 파장이 Alexa545인 경우에는 546nm 및 576nm이고, Alexa555는 555nm 및 580nm이며, Bodipy TMR은 540nm 및 580nm이고, Cy3은 550nm 및 570nm이며, DY500은 500nm 및 575nm이고, 로다민 레드-X(rhodamin Red-X)는 580nm 및 590nm이며, 스펙트럼 오렌지(spectrum orange)는 550nm 및 590nm 등과 같다.The fluorescent material according to the present invention is 546 nm and 576 nm when the excitation and emission wavelength is Alexa545, Alexa555 is 555 nm and 580 nm, Bodipy TMR is 540 nm and 580 nm, Cy3 is 550 nm and 570 nm, and DY500 Is 500 nm and 575 nm, rhodamine Red-X is 580 nm and 590 nm, and spectrum orange is equal to 550 nm and 590 nm and the like.

전술한 바와 같이 본 발명에 있어서, 상기 광변색성 물질은 상기 형광물질의 여기 파장과 다른 흡광 파장대를 가지므로 상기 형광물질을 여기시키는 파장대의 광은 광변색성 물질에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.As described above, in the present invention, since the photochromic material has an absorption wavelength band different from the excitation wavelength of the fluorescent material, light of the wavelength band for exciting the fluorescent material does not affect the photochromic material. can do.

상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자의 광변색성 물질은 자외선이 조사되면(예를 들어, 320nm 파장의 자외선), 상기 나노입자의 광변색성 물질이 닫힌 형태(closed form)로 되어 착색되어 형광을 흡수하고, 가시광선 영역의 빛이 조사되면 열린 형태(open form)로 되어 색이 없어져 형광을 흡수하지 못하므로, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 나노입자는 광전환성을 갖는다. When the photochromic material of the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined is irradiated with ultraviolet rays (for example, ultraviolet rays of 320 nm), the photochromic material of the nanoparticles is in a closed form. When it is colored and absorbs fluorescence, and when light in the visible light region is irradiated, it becomes an open form and loses color because it does not absorb fluorescence. As shown in FIGS. 2 and 3, the nanoparticles are photoelectric. To shout.

본 발명의 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자는 가시광선과 자외선 조사를 반복적으로 수행하여도 광전환성을 유지할 수 있다.The silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material of the present invention are combined may maintain light conversion even after repeatedly performing visible and ultraviolet irradiation.

상기 실리카 나노입자의 표면에는 이온성 기능기가 노출되어 있으며, 상기 이온성 기능기는 양이온성 기능기 또는 음이온성 기능기일 수 있다. An ionic functional group is exposed on the surface of the silica nanoparticles, and the ionic functional group may be a cationic functional group or an anionic functional group.

상기 양이온성 기능기는 아민기, 알데히드기, 수산기 및 티올기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있고, 바람직하게는 아민기일 수 있다.The cationic functional group may be selected from the group consisting of an amine group, an aldehyde group, a hydroxyl group and a thiol group, and preferably may be an amine group.

광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하지 않고 실리카 나노입자 표면에 남아있는 이온성 기능기가 음이온성 기능기인 경우, 수용액에서 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합하고 있는 실리카 나노입자의 분산성이 향상된다.When the ionic functional group remaining on the surface of the silica nanoparticles without binding to the photochromic material or the fluorescent material is an anionic functional group, the dispersibility of the silica nanoparticles to which the photochromic material and the fluorescent material are bound in an aqueous solution is improved. do.

따라서, 본 발명에 따른 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 있어서, 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합되어 있지 않은 표면은 음이온성 기능기가 노출되어 있는 것이 바람직하다. 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 있어서, 그 표면에 음이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자는 다음과 같이 제조할 수 있다. ① 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합되어 있지 않은 양이온성 기능기가 그 표면에 노출되어 있는 실리카 나노입자의 표면을 음이온성 기능기로 개질한 다음, 광변색성 물질과 형광물질을 결합시키거나 ② 양이온성 기능기가 그 표면에 노출되어 있는 실리카 나노입자에 광변색성 물질과 형광물질을 결합시킨 다음, 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합하지 않고 실리카 나노입자 표면에 남아있는 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하여 제조할 수 있다.Therefore, in the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined according to the present invention, it is preferable that an anionic functional group is exposed on the surface where the photochromic material or the fluorescent material is not bonded. In the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined, the silica nanoparticles in which the anionic functional group is exposed on the surface thereof can be prepared as follows. ① The surface of the silica nanoparticles in which the cationic functional group to which the photochromic substance or fluorescent substance is not bound is exposed to the surface is modified with an anionic functional group, and then the photochromic substance and the fluorescent substance are combined. The photochromic material and the fluorescent material are bonded to the silica nanoparticles having the functional group exposed on the surface thereof, and then the cationic functional group remaining on the surface of the silica nanoparticle without the photochromic material or the fluorescent material is bound to the anionic function. It can be prepared by modifying with a group.

상기 음이온성 기능기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게는 카르복실기이다.The anionic functional group is a group consisting of carboxyl group, carboxylic acid derivative group (C (= O) -Cl, C (= O) -Br, C (= O) -O-succinimide), isocyanate group, isothiocyanate group It may be selected from, and is preferably a carboxyl group.

상기 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하기 위해, 석시닐 언하이드라드를 이용할 수 있다.In order to modify the cationic functional group into an anionic functional group, succinyl anhydride may be used.

상기 광변색성 물질과 형광물질은 실리카 나노입자 표면에 노출되어 있는 양이온성 기능기 또는 개질된 음이온성 기능기에 이온결합 또는 공유결합하여 실리카 나노입자 표면에 결합될 수 있다.The photochromic material and the fluorescent material may be bonded to the surface of the silica nanoparticles by ionically or covalently bonding to a cationic functional group or a modified anionic functional group exposed to the surface of the silica nanoparticles.

한편, 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 그 표면에 양이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자의 양이온성 기능기에 광변색성 물질과 형광물질을 결합시켜 제조하거나, 상기 실리카 나노입자 표면에 양이온성 기능기를 음이온성으로 개질한 다음, 상기 음이온성 기능기에 광변색성 물질과 형광물질을 결합시켜 제조할 수 있다.Meanwhile, silica nanoparticles having a photochromic material and a fluorescent material bonded thereto may be prepared by combining a photochromic material and a fluorescent material with a cationic functional group of the silica nanoparticle having a cationic functional group exposed on a surface thereof, or the silica Cationic functional groups may be anionic modified on the surface of the nanoparticles, and then the photochromic material and the fluorescent material may be combined with the anionic functional group.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가진 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 제조된 실리카 나노입자의 표면에 노출된 양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 제조된 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention provides a method for preparing a cationic silica precursor, comprising: (a) adding a silica precursor and a catalyst to a solvent to activate the silica precursor, and then adding and reacting a compound having a cationic functional group to prepare a cationic silica precursor; (b) adding distilled water to the cationic silica precursor prepared in step (a) and preparing silica nanoparticles in which the cationic functional group is exposed on the surface thereof; (c) combining the photochromic material to the cationic functional group exposed on the surface of the silica nanoparticles prepared in step (b) to prepare silica nanoparticles to which the photochromic material is bound; And (d) bonding the fluorescent material to the silica nanoparticles to which the photochromic material prepared in step (c) is bonded, to a high sensitivity silica nanoparticles to which the photochromic material and the fluorescent material are combined. .

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 실리카 나노입자표면에 노출된 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 개질된 음이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에서 제조된 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계를 포함하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, (a) adding a silica precursor and a catalyst to a solvent to activate the silica precursor, and then adding and reacting a compound having a cationic functional group to prepare a cationic silica precursor; (b) adding distilled water to the cationic silica precursor prepared in step (a) and preparing silica nanoparticles in which the cationic functional group is exposed on the surface thereof; (c) modifying the cationic functional group exposed to the surface of the silica nanoparticles in step (b) with an anionic functional group; (d) combining the photochromic material with the anionic functional group modified in step (c) to prepare silica nanoparticles to which the photochromic material is bound; And (e) bonding the fluorescent material to the silica nanoparticles to which the photochromic material prepared in step (d) is bound to produce silica nanoparticles to which the photochromic material and the fluorescent material are combined. The present invention relates to a method for preparing silica nanoparticles in which a photochromic material and a fluorescent material are combined.

표면에 음이온을 가지는 입자는 수용액에서 분산성이 높기 때문에, 상기 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 치환하여 분산성을 향상시키는 것이 바람직하다.Since the particles having an anion on the surface have high dispersibility in an aqueous solution, it is preferable to replace the cationic functional group on the surface of the nanoparticle with an anionic functional group to improve dispersibility.

양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 제조한 경우에 있어서, 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 수용액에서의 분산성을 향상시키기 위해 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하고 있지 않은 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질하는 단계를 추가로 포함할 수 있고, 바람직하게는 석시닉 언하이드라드를 첨가하여 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 카르복실기로 치환시키는 것일 수 있다. 음이온성 기능기로의 치환이 적어서 수용액상에서 분산이 잘 이루어지지 않을 경우는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 수용성 고분자를 잔존 아민기에 공유결합 시킴으로서 분산성을 증가시킬 수 있다.In the case where the photochromic material is bonded to the cationic functional group, the photochromic material and the fluorescent material are combined with the photochromic material or the fluorescent material to improve dispersibility in the aqueous solution of silica nanoparticles. The method may further include the step of modifying a cationic functional group that is not used to an anionic functional group, and preferably, succinic anhydride may be added to replace the cationic functional group on the surface of the nanoparticle with a carboxyl group. When the substitution is not performed well in an aqueous solution because of less substitution with an anionic functional group, dispersibility may be increased by covalently binding a water-soluble polymer such as polyethylene glycol to the remaining amine group.

상기 음이온성 기능기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게는 카르복실기이다. The anionic functional group is a group consisting of carboxyl group, carboxylic acid derivative group (C (= O) -Cl, C (= O) -Br, C (= O) -O-succinimide), isocyanate group, isothiocyanate group It may be selected from, and is preferably a carboxyl group.

상기 (a) 단계의 용매는 에탄올, 메탄올, 부탄올, 헵탄올, 헥산올, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다. The solvent of step (a) may be selected from the group consisting of ethanol, methanol, butanol, heptanol, hexanol, and mixtures thereof.

상기 촉매제는 암모니아 수용액으로, 암모니아 수용액의 암모니아 농도가 10중량%보다 묽으면 촉매로서 효율이 떨어지고, 40중량%보다 높으면 pH 등 수용액의 화학적 특성이 바뀌어 원치않는 부산물이 발생할 수 있으므로, 상기 암모니아 수용액의 암모니아 농도는 10~40중량%인 것이 바람직하고 가장 바람직하게는 25~30중량%이다.The catalyst is an aqueous ammonia solution. When the ammonia concentration of the ammonia solution is less than 10% by weight, the catalyst is less effective as a catalyst. When the catalyst is higher than 40% by weight, the chemical properties of the aqueous solution, such as pH, may change, causing unwanted byproducts. The ammonia concentration is preferably 10 to 40% by weight, most preferably 25 to 30% by weight.

상기 (a) 단계의 실리카 전구체는 테트라에틸오소실리케이트, 테트라메틸오소실리케이트, 테트라프로필오소실리케이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.The silica precursor of step (a) may be selected from the group consisting of tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate and mixtures thereof.

본 발명에 있어서, 실리카 나노입자가 형성됨과 동시에 입자 표면에 양이온성 기능기가 노출되도록 하기 위해 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 실리카 나노입자 형성 전에 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 양이온성 기능기는 아민기, 알데히드기, 수산기 및 티올기로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있고, 양이온성 기능기 가진 화합물은 바람직하게는 아미노프로필트로메톡시실란, 아미노프로필트로에톡시실란, 아미노프로필다이에톡시메틸실란 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.In the present invention, it is preferable to add a compound having a cationic functional group before the formation of the silica nanoparticles in order to form the silica nanoparticles and to expose the cationic functional group on the particle surface, and the cationic functional group is an amine group, an aldehyde group. It may be selected from the group consisting of a hydroxyl group and a thiol group, the compound having a cationic functional group is preferably composed of aminopropyltromethoxysilane, aminopropyltroethoxysilane, aminopropyl diethoxymethylsilane and mixtures thereof It may be selected from the group.

실리카 나노입자 표면적당 상기 양이온성 기능기의 비율은 상기 (a) 단계의 실리카 전구체와 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율에 따라 조절되며, 표면적당 상기 이온성 기능기의 비율에 따라 서로 다른 표면전위를 갖는 실리카 나노입자를 제조할 수 있다  The ratio of the cationic functional group per surface area of the silica nanoparticles is controlled according to the addition ratio of the silica precursor and the compound having a cationic functional group in the step (a), and different surfaces according to the ratio of the ionic functional group per surface area. Silica Nanoparticles with Dislocations

상기 실리카 전구체와 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율을 1:0.1~4로 하여 용매에 각각 첨가하여 제조하였을 때, 양이온성 기능기를 가진 실리카 전구체의 함량이 증가함에 따라 제조된 실리카 나노입자의 표면전하가 증가하는 특징이 있고, 실리카 전구체에 대한 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율은 1:0.5~2인 것이 바람직할 수 있다.When the addition ratio of the silica precursor and the compound having a cationic functional group is added to the solvent at 1: 0.1 to 4, respectively, the surface of the silica nanoparticles prepared as the content of the silica precursor having the cationic functional group increases. There is a characteristic that the charge is increased, and the addition ratio of the compound having a cationic functional group to the silica precursor may be preferably 1: 0.5 to 2.

본 발명에 있어서, 실리카 나노입자에 광변색성 물질을 첨가하여 결합시키고, 여러가지 농도로(예를 들어, 0 ~ 20μM) 형광분자를 첨가하여 결합시켜, 형광세기가 다양한 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 얻을 수 있다. In the present invention, the photochromic material is added to the silica nanoparticles to be combined, and the photochromic material and the fluorescent material having various fluorescence intensities are combined by adding fluorescent molecules at various concentrations (for example, 0 to 20 µM). This bonded silica nanoparticles can be obtained.

광변색성 물질과 형광 물질의 농도는 실리카 나노입자에 광변색성 물질과 형광분자의 결합 이후에 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하지 않은 실리카 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 석시닉 언하이드라드로 음이온으로 치환하였을 때 수용액상에서 분산되는 경향에 영향을 줄 수 있다. The concentration of the photochromic material and the fluorescent material was determined by the succinic unhydrad of cationic functional groups on the surface of the silica nanoparticles which did not bind the photochromic material or the fluorescent material after the photochromic material and the fluorescent molecule were bonded to the silica nanoparticles. It can affect the tendency to disperse in aqueous solution when substituted with anion.

본 발명의 상기 광변색성 물질, 바람직하게는, 카르복실기를 갖는 광변색성 물질은 공유결합 또는 이온결합을 통해서 실리카 나노입자 표면에 결합할 수 있어, 실리카 입자 형성 시 입자 내부에 내포되는 광변색성 실리카 입자(Jonas Folling et al., Small, 4:134, 2008) 경우보다 40배 정도의 높은 흡광도 및 향상된 광변색성 성질을 갖는다. 특히 광변색성 물질의 카르복실기와 나노입자 표면의 아민기가 공유결합으로 연결된 경우에는 결합력이 강하여 화학적인 처리를 추가적으로 수행해도 광변색성 물질이 실리카 나노입자로부터 분리되지 않고 안정하게 존재할 수 있다.The photochromic material of the present invention, preferably, the photochromic material having a carboxyl group can be bonded to the surface of the silica nanoparticles through covalent or ionic bonding, so that the photochromic properties contained within the particles when the silica particles are formed. It has about 40 times higher absorbance and improved photochromic properties than silica particles (Jonas Folling et al., Small, 4: 134, 2008). In particular, when the carboxyl group of the photochromic material and the amine group on the surface of the nanoparticles are covalently linked, the bonding strength is strong, and the photochromic material may be stably present without being separated from the silica nanoparticles even if chemical treatment is additionally performed.

상기 광변색성 물질은 자외선 영역의 빛을 흡수하면 무색에서 유색으로 변하여 가시광선 영역의 빛을 흡수하고, 가시광선 영역의 빛을 흡수하면 무색으로 변하는 것을 특징으로 할 수 있다. 광변색성 물질(최대 25μM 기준)이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 도 5에 나타난 바와 같이, 약 320nm의 자외선 영역의 빛을 흡수하면 유색으로 변하여 500 ~ 700nm의 흡광 영역을 가지며, 약 600nm에서 최대 흡광도를 보이다가, 가시광선에 노출이 되면 다시 무색이 되는 자외선과 가시광선에 의해 가역적인 광학성질을 갖는다. The photochromic material may change from colorless to colored when absorbing light in the ultraviolet region, absorb light in the visible region, and become colorless when absorbing light in the visible region. As shown in FIG. 5, silica nanoparticles having a photochromic material (based on a maximum of 25 μM) are colored when absorbing light in an ultraviolet region of about 320 nm, and have a light absorption region of 500 to 700 nm, and maximum at about 600 nm. When absorbed and exposed to visible light, it has reversible optical properties by ultraviolet light and visible light that become colorless again.

실리카 나노입자는 증류수에서 축합반응을 함으로서 분산이 이루어지는데, 이 때 형성되는 실리카 나노입자의 크기는 일반적으로 20nm정도로, 5nm~40nm일 수 있다.The silica nanoparticles are dispersed by condensation in distilled water, and the size of the silica nanoparticles formed at this time is generally about 20 nm, and may be 5 nm to 40 nm.

광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 실리카 나노입자 표면에 존재하는 이온성 기능기에 프로브를 결합시킬 수 있고, 상기 프로브와 결합된 나노입자를 생체분자시료에 반응시키면, 광변색 또는 형광의 측정을 통하여 시료중의 목적하는 생체분자를 검출할 수 있다. The silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined may bind a probe to an ionic functional group present on the surface of the silica nanoparticle, and when the nanoparticles combined with the probe are reacted with a biomolecular sample, the photochromic material may be changed. Alternatively, the target biomolecule in the sample can be detected by measuring the fluorescence.

따라서, 본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브를 결합시키는 단계, 여기서, 상기 프로브는 상기 실리카 나노입자에서 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합되어 있지 않은 이온성 기능기에 결합됨; (b) 상기 나노입자로 표지된 프로브를 검출대상 생체분자가 함유된 시료와 반응시킨 다음, 가시광선 및 자외선을 각각 조사하는 단계; 및 (c) 상기 시료의 형광 및 광전환성을 측정하여 검출대상 생체분자를 검출하는 단계를 포함하는 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 이용한 생체분자의 검출방법에 관한 것이다.Therefore, in another aspect of the present invention, (a) combining the ionic functional group of the silica nanoparticles with the photochromic material and the fluorescent material combined with a probe capable of binding to the biomolecule to be detected, wherein the A probe is bound to an ionic functional group that is not bound to a photochromic material or fluorescent material in the silica nanoparticles; (b) reacting the probe labeled with the nanoparticle with a sample containing the biomolecule to be detected, and then irradiating visible and ultraviolet rays, respectively; And (c) detecting the biomolecules to be detected by measuring fluorescence and photoconversion of the sample and detecting the biomolecules using the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined.

상기 (a) 단계의 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 그 표면에 양이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합하지 않고 남아있는 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질한 실리카 나노입자 또는 표면을 음이온성 기능기로 개질한 다음, 광변색성 물질과 형광물질을 결합시킨 실리카 나노입자를 모두 포함한다. The silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined in the step (a) are silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are bonded to the silica nanoparticles having the cationic functional group exposed on the surface thereof. Silica nanoparticles or surfaces in which the cationic functional group remaining without the photochromic material and the fluorescent material are not bonded to the surface of the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are bonded to the anionic functional group are replaced with the anionic functional group. After the modification, it includes all of the silica nanoparticles combined with the photochromic material and the fluorescent material.

광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 표면에는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있지 않은 이온성 기능기가 존재하는데, 상기 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브는 상기 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합하고 있지 않은 이온성 기능기와 결합하는 것일 수 있다. On the surface of the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined, there is an ionic functional group in which the photochromic material and the fluorescent material are not combined. It may be combined with an ionic functional group that is not bound to a color changeable material or a fluorescent material.

상기 (b)단계의 자외선은 약 365nm 파장을 갖는 자외선이고, 상기 가시광선은 형광물질의 여기 파장대의 광을 포함한다. 상기 (c)단계의 형광을 측정하는 가시광선의 파장대 영역은 상기 형광물질의 형광 파장대 영역이다.The ultraviolet rays of step (b) are ultraviolet rays having a wavelength of about 365 nm, and the visible light includes light of an excitation wavelength band of the fluorescent material. The wavelength band region of the visible light to measure the fluorescence of step (c) is the fluorescent wavelength band region of the fluorescent material.

상기 실리카 나노입자에는 실리카 나노입자마다 다수의 광변색성 물질과 다수의 형광물질이 결합되어 있어, 생체분자에 단일 광변색성 물질 또는 형광분자를 표지하는 것보다 수천배이상 강한 검출신호를 발생시키므로 민감도가 높고, 상기 실리카 나노입자 표면에 있는 이온성 기능기는 다양한 생체분자 또는 프로브와 결합할 수 있으므로, 검출대상 생체분자에 직접 표지하거나 단백질, 펩타이드, 핵산, 당류 및 상기 이온성 기능기와 결합 가능한 반응기를 가진 화합물을 생체분자 검출을 위한 검출대상 생체분자에 결합하는 프로브로 이용할 수 있다. Since the silica nanoparticles are combined with a plurality of photochromic materials and a plurality of fluorescent materials for each silica nanoparticle, they generate a detection signal thousands of times stronger than labeling a single photochromic material or a fluorescent molecule on a biomolecule. The highly sensitive, ionic functional groups on the surface of the silica nanoparticles can be combined with various biomolecules or probes, so that they can be directly labeled with the biomolecules to be detected or can be combined with proteins, peptides, nucleic acids, sugars and the ionic functional groups. Compound having a can be used as a probe that binds to the target biomolecule for detection of the biomolecule.

상기 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브와 검출대상 생체분자의 조합이 항원-항체, 리간드-리셉터, 효소-기질, 비오틴-아비딘, 합텐-항합텐, 호르몬-수용체 및 렉틴-당단백질로 구성된 군에서 선택된 것일 수 있다.The combination of the probe and the target biomolecule capable of binding to the target biomolecule is composed of antigen-antibody, ligand-receptor, enzyme-substrate, biotin-avidin, hapten-antihapten, hormone-receptor and lectin-glycoprotein. It may be selected from the group.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 함유하는 생체 영상화 조영제 조성물에 관한 것이다.In still another aspect, the present invention relates to a bioimaging contrast agent composition containing silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined.

상기 조영제 조성물은 상기 실리카 나노입자의 형광물질에서 발생하는 형광 및 형광전환성을 이용하여 생체내 자연발생적으로 존재하는 형광물질들에 의한 배경 노이즈와 구별되는 특징이 있어 신뢰도 높은 생체 영상화를 가능하게 한다.The contrast agent composition is distinguished from background noise caused by naturally occurring fluorescent materials in vivo by using fluorescence and fluorescence conversion generated from fluorescent materials of the silica nanoparticles, thereby enabling reliable biometric imaging.

상기 조영제 조성물은 추가적으로, 약제학적으로 허용되는 담체를 포함할 수 있다. The contrast agent composition may additionally include a pharmaceutically acceptable carrier.

본 발명에 따른 조영제 조성물에 사용되는 담체는 의약 분야에서 통상 사용되는 담체 및 비히클을 포함하며, 구체적으로 이온 교환, 알루미나, 알루미늄 스테아레이트, 레시틴, 혈청 단백질(예, 사람 혈청 알부민), 완충 물질(예, 여러 인산염, 글리신, 소르브산, 칼륨 소르베이트, 포화 식물성 지방산의 부분적인 글리세라이드 혼합물), 물, 염 또는 전해질(예, 프로타민 설페이트, 인산수소이나트륨, 인산수소캄륨, 염화나트륨 및 아연염), 교질성 실리카, 마그네슘 트리실리케이트, 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로즈계 기질, 폴리에틸렌 글리콜, 나트륨 카르복시메틸셀룰로즈, 폴리아릴레이트, 왁스, 폴리에틸렌 글리콜 또는 양모지 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 조영제 조성물은 또한 상기 성분들 이외에 윤활제, 습윤제, 유화제, 현탁제 또는 보존제 등을 추가로 포함할 수 있다.Carriers used in the contrast agent composition according to the present invention include carriers and vehicles commonly used in the pharmaceutical field, and specifically, ion exchange, alumina, aluminum stearate, lecithin, serum proteins (eg, human serum albumin), buffer substances ( E.g. several phosphates, glycine, sorbic acid, potassium sorbate, partial glyceride mixtures of saturated vegetable fatty acids), water, salts or electrolytes (e.g. protamine sulfate, disodium hydrogen phosphate, hydrogen phosphate, sodium chloride and zinc salts), Colloidal silica, magnesium trisilicate, polyvinylpyrrolidone, cellulose based substrates, polyethylene glycol, sodium carboxymethylcellulose, polyarylates, waxes, polyethylene glycols or wool, and the like. The contrast agent compositions of the present invention may also further comprise lubricants, wetting agents, emulsifiers, suspending agents or preservatives, etc., in addition to the above components.

일 구체예로서, 본 발명에 따른 조영제 조성물은 비경구 투여를 위한 수용성 용액으로 제조할 수 있다. 바람직하게는 한스 용액(Hank’s solution), 링거 용액(Ringer’s solution) 또는 물리적으로 완충된 염수와 같은 완충용액을 사용할 수 있다. 수용성 주입(injection) 현탁액은 소디움 카르복시메틸셀룰로즈, 솔비톨 또는 덱스트란과 같이 현탁액의 점도를 증가시킬 수 있는 기질을 첨가할 수 있다.In one embodiment, the contrast agent composition according to the invention can be prepared in an aqueous solution for parenteral administration. Preferably, a buffer solution such as Hanks' solution, Ringer's solution, or physically buffered saline may be used. Aqueous injection suspensions can be added with a substrate that can increase the viscosity of the suspension, such as sodium carboxymethylcellulose, sorbitol or dextran.

본 발명의 조영제 조성물의 다른 바람직한 양태는 수성 또는 유성 현탁액의 멸균 주사용 제제의 형태일 수 있다. 이러한 현탁액은 적합한 분산제 또는 습윤제(예를 들면, 트윈 80) 및 현탁화제를 사용하여 본 분야에 공지된 기술에 따라 제형화할 수 있다. 멸균 주사용 제제는 또한 무독성의 비경구적으로 허용되는 희석제 또는 용매 중의 멸균 주사 용액 또는 현탁액(예를 들면, 1,3-부탄디올 중의 용액)일 수 있다. 사용될 수 있는 비히클 및 용매로는 만니톨, 물, 링거 용액 및 등장성 염화나트륨 용액이 있다. 또한, 멸균 비휘발성 오일이 통상적으로 용매 또는 현탁화 매질로서 사용된다. 이러한 목적을 위해 합성 모노 또는 디글리세라이드를 포함하여 자극성이 적은 비휘발성 오일은 그 어느 것도 사용할 수 있다.Another preferred embodiment of the contrast composition of the present invention may be in the form of sterile injectable preparations of aqueous or oily suspensions. Such suspensions may be formulated according to techniques known in the art using suitable dispersing or wetting agents (eg, Tween 80) and suspending agents. Sterile injectable preparations may also be sterile injectable solutions or suspensions (eg, solutions in 1,3-butanediol) in nontoxic parenterally acceptable diluents or solvents. Vehicles and solvents that may be used include mannitol, water, Ringer's solution, and isotonic sodium chloride solution. In addition, sterile, nonvolatile oils are conventionally employed as a solvent or suspending medium. For this purpose any non-irritating non-volatile oil can be used including synthetic mono or diglycerides.

상기 본 발명에 따른 조영제 조성물을 생체 또는 시료에 투여하고, 상기 생체 또는 시료로부터 실리카 나노입자의 형광물질에 의해 발산되는 신호를 감지하여 영상을 수득할 수 있고 자외선 조사로 광전환성을 유도하여 배경 노이즈를 제거할 수 있다. 이를 통해 원하는 특정 타겟 부위의 형광 여부를 통해 암 및 특정 질병의 진단, 생체 신호의 메카니즘 연구 및 줄기세포의 분화 연구 등에 적용 가능한 생체 이미징 용도로 이용 가능할 것이다.The contrast agent composition according to the present invention may be administered to a living body or a sample, and the image may be obtained by detecting a signal emitted by the fluorescent material of the silica nanoparticles from the living body or the sample, and the background noise may be obtained by inducing light conversion by ultraviolet irradiation. Can be removed. Through this, it will be available for bio-imaging applications that can be applied to diagnose cancer and specific diseases, study mechanisms of biological signals, and study differentiation of stem cells through fluorescence of specific target sites.

상기에서 사용된 용어 "시료"는 진단하고자 하는 대상으로부터 분리한 조직 또는 세포를 의미한다. The term "sample" as used above means a tissue or cell isolated from a subject to be diagnosed.

상기 조영제 조성물을 생체 또는 시료에 주입하는 단계는 의약 분야에서 통상적으로 이용되는 경로를 통해 투여될 수 있으며, 비경구 투여가 바람직하고 예를 들어 정맥내, 복강내, 근육내, 피하 또는 국부 경로를 통하여 투여할 수 있다. 또한, 실험용 세포를 배양시 배양액에 실리카 나노입자를 첨가하여 세포내로 유입시킬 수 있으며, 세포내로 유입되어 특정 부분에 결함한 입자를 광전환성을 이용하여 관찰함으로서 특정 연구에 대한 중요한 정보를 얻는 용도로 이용 가능할 것이다. Injecting the contrast agent composition into a living body or a sample may be administered via a route commonly used in the pharmaceutical field, and parenteral administration is preferred, for example, intravenous, intraperitoneal, intramuscular, subcutaneous or topical routes. It can be administered through. In addition, when culturing experimental cells, silica nanoparticles can be added to the culture medium and introduced into the cells.In order to obtain important information for a specific study by observing particles introduced into the cells and defects in specific parts by using light conversion. Will be available.

상기 이용방법에 있어서, 본 발명의 실리카 나노입자에 의해 발산되는 신호는 형광신호를 감지할 수 있는 형광 현미경, 공초점 형광 현미경, 분광광도계, 형광측정기, CCD 카메라, 실시간 생체 세포 관찰용 현미경(Delta Vision) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 장비에 의해서 감지될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.In the above method, the signal emitted by the silica nanoparticles of the present invention is a fluorescence microscope that can detect a fluorescence signal, confocal fluorescence microscope, spectrophotometer, fluorimeter, CCD camera, real-time living cell observation microscope (Delta Vision) and a combination thereof may be detected by the selected equipment, but is not limited thereto.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1: 아민기가 노출된 실리카 나노입자의 제조Example 1 Preparation of Silica Nanoparticles Exposed with Amine Group

에탄올 10mL, 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate) 100μL 및 암모니아 수용액을 200μl을 혼합한 후, 30분 반응시키고 100μl 아미노프로필트리메톡시 실란(3-aminopropyltriethoxysilane)을 첨가하여 12시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반된 용액에 증류수 20mL을 첨가하고 2시간 더 교반시켜 입자가 형성됨과 동시에 입자 표면에 아민기가 노출된 실리카 나노입자를 제조하였고, 에탄올로 3회 이상의 세척하여 미반응된 화학물질을 제거한 후 나노입자를 회수하였다. 회수된 나노입자를 에탄올에 분산시키고, 표면전하를 측정하여 아민기가 나노입자 표면에 노출된 상태를 확인하였다. 10 mL of ethanol, 100 μL of tetraethyl orthosilicate, and 200 μl of an aqueous ammonia solution were mixed, reacted for 30 minutes, and 100 μl of aminopropyltriethoxysilane was added thereto, followed by stirring at room temperature for 12 hours. 20 mL of distilled water was added to the stirred solution, followed by further stirring for 2 hours to form silica nanoparticles in which the amine group was exposed to the surface of the particles, and washed three times with ethanol to remove unreacted chemicals, followed by nanoparticles. Was recovered. The recovered nanoparticles were dispersed in ethanol and the surface charge was measured to confirm the state in which the amine group was exposed to the nanoparticle surface.

실시예 2: 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자의 제조Example 2 Preparation of Silica Nanoparticles Combining Photochromic Material and Fluorescent Material

다음 화학식 11으로 표현되는 카르복실기를 가지는 광변색성 물질을 0.5mM 에탄올에 녹이고 과량의 2.5 mM EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodimide)와 2.5mM NHS(N-hydroxy succinimide)를 첨가하여 2시간 동안 실온에서 반응시킨 다음, 상기 실시예 1에서 제조된 실리카 나노입자를 50:50 비율로 혼합하여 2시간 더 교반하였다. The photochromic substance having a carboxyl group represented by the following formula (11) is dissolved in 0.5mM ethanol and an excess of 2.5 mM EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodimide) and 2.5 mM NHS (N-hydroxy succinimide) are added. After reacting for 2 hours at room temperature, the silica nanoparticles prepared in Example 1 were mixed in a 50:50 ratio and stirred for 2 hours.

[화학식 11][Formula 11]

Figure 112009029405968-PAT00022
Figure 112009029405968-PAT00022

에탄올로 3회 이상 세척하여 미반응 물질을 제거한 후, 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 회수하고, 상기 나노입자를 에탄올에 분산시켰다. 상기와 같이 일차적으로 25μM 광변색성 물질을 실리카 나노입자에 결합시킨 후, 고농도인 20mM Rhodamin B isothiocianate를 0℃에서 아르곤 기체를 주입하면서 3시간동안 에탄올과 THF 혼합 용액(3:2)으로 결합반응을 시키거나 또는 NHS-Cy3를 농도(0, 0.5, 1, 2, 5, 10 그리고 20μM)에 따라 상온에서 1시간 반응을 진행하여 실리카 나노입자 표면의 아민기와 형광물질간 아마이드 결합을 형성시켰다. 반응이 끝난 후에는 에탄올로 3회 이상 세척하고 남은 Rhodamin B isothiocianate 또는 NHS-Cy3를 원심분리를 통해 제거하여 고농도의 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자를 제조하였다(도 4 및 도 5). After washing three times with ethanol to remove the unreacted material, the silica nanoparticles to which the photochromic material is bound were recovered, and the nanoparticles were dispersed in ethanol. After binding 25 μM photochromic material to silica nanoparticles as described above, a high concentration of 20 mM Rhodamin B isothiocianate was reacted with a mixture of ethanol and THF (3: 2) for 3 hours while argon gas was injected at 0 ° C. Or NHS-Cy3 was reacted for 1 hour at room temperature according to the concentration (0, 0.5, 1, 2, 5, 10 and 20μM) to form an amide bond between the amine and the fluorescent material on the surface of the silica nanoparticles. After the reaction was completed three times with ethanol to remove the remaining Rhodamin B isothiocianate or NHS-Cy3 by centrifugation to prepare a silica nanoparticles combined with a high concentration of photochromic material and fluorescent material (Fig. 4 and Fig. 5).

실시예 3 : 광변색성 물질과 형광물질이 결합한 실리카 나노입자의 흡광영역 확인Example 3 Confirming the Absorption Region of the Silica Nanoparticles Combining Photochromic Material and Fluorescent Material

실시예 2에서 제조된 상기 나노입자에 상온에서 365nm의 파장을 갖는 자외선을 10분간 또는 상온에서 가시광선을 1시간동안 각각 조사한 후 분광광도계를 이용하여 400~800nm의 영역내에서 흡광도를 측정하였다. 형광분자 Rhodamin B isothiocianate (최대 흡광 540nm) 또는 Cy3 (최대 흡광 560nm, 도 6)가 갖는 흡광영역과 광색성 분자가 갖는 흡광영역(최대 흡광 600nm, 도 7)을 확인하였다.The nanoparticles prepared in Example 2 were irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm at room temperature for 10 minutes or visible light at room temperature for 1 hour, and then absorbance was measured in a region of 400 to 800 nm using a spectrophotometer. The absorption region of the fluorescent molecule Rhodamin B isothiocianate (maximum absorption 540 nm) or Cy3 (maximum absorption 560 nm, FIG. 6) and the absorption region of the photochromic molecules (maximum absorption 600 nm, FIG. 7) were confirmed.

또한, 상기 광변색성 물질과 형광분자가 결합되어 있는 실리카 나노입자는 기존의 광변색성 물질을 실리카 입자 내부에 내포시킨 경우(Jonas Folling et al., Small, 4:134, 2008)에 비해 광변색성 물질을 적게 이용하면서도 40배 정도 향상된 흡광도를 나타냄을 확인하였다(표 2). In addition, the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent molecule are combined are light compared to the case where the conventional photochromic material is contained in the silica particle (Jonas Folling et al., Small, 4: 134, 2008). While using less color changeable material, it was confirmed that the absorbance was improved by about 40 times (Table 2).

광변색성 물질을 실리카 입자 내부에 내포시킨 경우(참고문헌)와 입자 표면에 결합 시킨 경우(본 발명)의 흡광도 분석Absorbance analysis when the photochromic material is contained inside the silica particles (reference) and when bonded to the particle surface (the present invention) 구분division 광변색성 물질
최종 몰농도
Photochromic substances
Final molarity
광변색성 물질의 최대 흡광도Maximum absorbance of photochromic material UV ON vs OFF 흡광도 차이UV ON vs OFF absorbance difference
A* A * 입자 내부에 내포된 경우Nested inside a particle
670μM

670 μM
0.02
(λmax=640nm)
0.02
(λ max = 640 nm)

0.02

0.02
BB 입자 표면에 결합한 경우When bonded to the particle surface
25μM

25 μM
0.7
(λmax=600nm)
0.7
(λ max = 600 nm)

0.45

0.45

[A* 참고 문헌: Jonas Folling et al., Small, 4:134, 2008][A * Reference: Jonas Folling et al., Small, 4: 134, 2008]

실시예 4: 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 실리카 나노입자의 형광 특성 확인Example 4: Confirmation of fluorescence characteristics of silica nanoparticles in which photochromic material and fluorescent material are combined

실시예 2에서 제조된 입자에 365nm 파장을 갖는 자외선 또는 가시광선을 각각 조사한 후 형광광도계를 이용하여 형광 특성을 확인하였다. 광변색성 물질과 형광물질 Rhodaimnin B isothiocianate와 결합된 실리카 나노입자는 540nm에서 여기시켰을 때 600nm에서 최대 형광을 보임을 확인하였다(도 8). After irradiating ultraviolet rays or visible rays having 365 nm wavelength to the particles prepared in Example 2, the fluorescence characteristics were confirmed using a fluorophotometer. Silica nanoparticles combined with the photochromic material and the fluorescent material Rhodaimnin B isothiocianate showed a maximum fluorescence at 600 nm when excited at 540 nm (FIG. 8).

자외선을 10분 동안 조사하여 광변색성 물질이 600nm의 파장을 흡광하도록 유도하였을 때에는 형광의 세기가 85% 감소함을 확인하였다. 또한 도 9에 나타낸 바와 같이, NHS-Cy3를 적용한 입자에서는 형광분자의 농도에 따라 형광이 85~100%까지 사라짐을 확인하였다. 특히 100%까지 형광이 사라지도록 제조된 광변색성 물질과 형광분자가 결합된 실리카 나노입자에서는 반복적으로 자외선과 가시광선을 조사하였을 때 형광이 나타났다가 사라지는 반복성을 보였다(도 10).When the ultraviolet ray was irradiated for 10 minutes to induce the photochromic material to absorb the wavelength of 600nm, it was confirmed that the intensity of fluorescence was reduced by 85%. In addition, as shown in Figure 9, in the particles to which NHS-Cy3 is applied, it was confirmed that the fluorescence disappeared by 85 to 100% depending on the concentration of the fluorescent molecules. In particular, in the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent molecule were combined to fluoresce up to 100%, fluorescence appeared and disappeared repeatedly when irradiated with UV and visible light (FIG. 10).

실시예 5: 광변색성 물질과 형광분자가 결합한 실리카 나노입자의 Live Cell 이미지 검출Example 5: Live Cell Image Detection of Silica Nanoparticles with Photochromic Materials and Fluorescent Molecules

제조된 광변색성 물질과 형광분자가 결합된 실리카 나노입자를 Dendritic cell 배양액에 0.5%(v/v)로 첨가하여 4시간 동안 배양한 후 생체 세포 이미징 장비(DeltaVision RT, Applied Precision 사)를 이용하여 관찰하였다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 555nm의 여기파장을 이용하여 617nm 영역대에서 형광을 검출함으로서 세포내에 유입된 나노입자를 확인할 수 있었으며, 자외선을 10분 동안 조사한 후에 다시 세포를 관찰하였을 때 형광이 사라지는 광전환성 특성을 확인하였다.Silica nanoparticles prepared by combining the photochromic material and the fluorescent molecules were added to the dendritic cell culture medium at 0.5% (v / v) and incubated for 4 hours using a biological cell imaging device (DeltaVision RT, Applied Precision). Was observed. As shown in Figure 11, by detecting the fluorescence in the 617nm region using the excitation wavelength of 555nm was able to confirm the nanoparticles introduced into the cell, the photovoltaic disappears when observing the cells again after irradiating UV light for 10 minutes The ringing characteristic was confirmed.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.The specific parts of the present invention have been described in detail above, and it is apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

도 1은 본 발명에 따른 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 모식도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a schematic diagram of the silica nanoparticles are combined photochromic material and fluorescent material according to the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 로다민 형광물질을 결합시킨 후 자외선 조사 전(Before)과 후(After)의 흡광도 및 광변색성 물질에 대한 흡광도(PC)를 나타낸 것이다.2 is a light absorbance and photochromic properties before and after ultraviolet irradiation after bonding the rhodamine fluorescent material to the silica nanoparticles are bonded to the photochromic material prepared according to an embodiment of the present invention Absorbance (PC) for the material is shown.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 및 로다민이 결합된 실리카 나노입자에 자외선을 조사하였을 때, 자외선 조사 전(Before)과 후(After)의 형광감도 변화를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the change in the fluorescence sensitivity before and after ultraviolet irradiation (Before) and after (UV) irradiation when the ultraviolet light to the photochromic material and rhodamine-coupled silica nanoparticles prepared according to an embodiment of the present invention .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 결합된 실리카 나노입자에 Cy3 형광물질을 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합한 후 보여지는 이미지를 나타낸 것이다(1: Cy3 형광 분자를 결합시키지 않은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).Figure 4 is an image shown after combining the Cy3 fluorescent material with a concentration of 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 and 20μM to silica nanoparticles combined with a photochromic material 25μM prepared according to an embodiment of the present invention (1: silica nanoparticles not bound to Cy3 fluorescent molecules; 2: silica nanoparticles bound to 0.5 μM Cy3 phosphors; 3: silica nanoparticles bound to 1 μM Cy3 phosphors; 4: 2 μM Cy3 phosphors) Silica nanoparticles bound to 5: 5 μM Cy3 phosphors; silica nanoparticles bound to 10 μM Cy3 phosphors; and silica nanoparticles bound to 20 μM Cy3 phosphors.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어있는 실리카 나노입자에 자외선을 조사하였을 때 보여지는 이미지를 나타낸 것이다(1: Cy3 형광물질을 결합시키지 않 은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).FIG. 5 is a view showing when 25 μM of photochromic material and Cy3 prepared according to one embodiment of the present invention are irradiated with UV light on silica nanoparticles having concentrations of 0, 0.5, 1, 2, 5, 10, and 20 μM. (1: silica nanoparticles not bound to the Cy3 phosphor; 2: silica nanoparticles bound to the 0.5 μM Cy3 phosphor; 3: silica nanoparticles bound to the 1 μM Cy3 phosphor; 4: 2 μM) Silica nanoparticles bound to Cy3 phosphors; 5: Silica nanoparticles bound to 5 μM Cy3 phosphors; 6: Silica nanoparticles bound to 10 μM Cy3 phosphors; and 7: Silica nanoparticles bound to 20 μM Cy3 phosphors) .

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합된 실리카 나노입자의 자외선 조사 전 흡광도를 보여주는 그래프를 나타낸 것이다(1: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 0μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 2: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 0.5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 1μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 2μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 10μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 광변색성 물질 25μM과 Cy3 형광물질 20μM로 결합시킨 실리카 나노입자).Figure 6 is a graph showing the absorbance before ultraviolet irradiation of the photochromic material prepared according to an embodiment of the present invention and the silica nanoparticles Cy3 is bonded for each concentration of 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 and 20μM (1: silica nanoparticles bonded with 25 μM of photochromic substance and 0 μM of Cy3 fluorescent substance; 2: silica nanoparticles bound with 25 μM of photochromic substance and 0.5 μM of Cy3 fluorescent substance; 3: 25 μM with photochromic substance Silica nanoparticles bonded with 1 μM Cy3 phosphor; 4: Silica nanoparticles bound with 25 μM photochromic material and 2 μM Cy3 phosphors; 5: Silica nanoparticles combined with 25 μM photochromic material and 5 μM Cy3 phosphor; : Silica nanoparticles bonded with 25 μM photochromic substance and 10 μM Cy3 fluorescent substance; and 7: silica nanoparticles combined with 25 μM photochromic substance and 20 μM Cy3 fluorescent substance.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어있는 실리카 나노입자의 자외선 조사 후 흡광도를 보여주는 그래프를 나타낸 것이다(1: Cy3 형광물질 0μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 2: Cy3 형광물질 0.5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 3: Cy3 형광물질 1μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 4: Cy3 형광물질 2μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 5: Cy3 형광물질 5μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 6: Cy3 형광물질 10μM로 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: Cy3 형광물질 20μM로 결합시킨 실리카 나노입자).FIG. 7 shows absorbance after UV irradiation of silica nanoparticles in which photochromic material 25 μM and Cy 3 are bonded according to concentrations of 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 and 20 μM according to an embodiment of the present invention. (1: silica nanoparticles bound with Cy3 fluorescent material 0 μM; 2: silica nanoparticles bound with Cy3 fluorescent material 0.5 μM; 3: silica nanoparticles bound with Cy3 fluorescent material 1 μM; 4: Cy3 fluorescent material) Silica nanoparticles bound to 2 μM; 5: silica nanoparticles bound to 5 μM of Cy3 phosphors; 6: silica nanoparticles bound to 10 μM of Cy3 phosphors; and silica nanoparticles bound to 20 μM of Cy3 phosphors.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어있는 실리카 나노입자에 540nm의 여기파장을 조사하면서 측정된 형광을 그래프로 나타낸 것이다(1: Cy3 형광 분자를 결합시키지 않은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).8 is irradiated with an excitation wavelength of 540nm to the silica nanoparticles 25μM photochromic material prepared according to an embodiment of the present invention and Cy3 is bonded to each concentration of 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 and 20μM Fluorescence measured as a graph (1: silica nanoparticles not bound to Cy3 fluorescent molecules; 2: silica nanoparticles bound to 0.5 μM Cy3 fluorescent material; 3: silica nanoparticles bound to 1 μM Cy3 fluorescent material; 4: Silica nanoparticles bound to 2 μM Cy3 phosphors; 5: Silica nanoparticles bound to 5 μM Cy3 phosphors; 6: Silica nanoparticles bound to 10 μM Cy3 phosphors; and 7: Silica bound to 20 μM Cy3 phosphors Nanoparticles).

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 25μM과 Cy3가 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 및 20μM의 농도별로 결합되어 있는 실리카 나노입자에 자외선을 조사 후 540nm의 여기파장을 조사하면서 측정된 형광을 그래프로 나타낸 것이다(1: Cy3 형광 분자를 결합시키지 않은 실리카 나노입자; 2: 0.5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 3: 1μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 4: 2μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 5: 5μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 6: 10μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자; 및 7: 20μM Cy3 형광물질과 결합시킨 실리카 나노입자).9 is 540nm after irradiating UV light to the silica nanoparticles 25μM photochromic material prepared according to an embodiment of the present invention and Cy3 is bonded to each concentration of 0, 0.5, 1, 2, 5, 10 and 20μM Fluorescence measured as an excitation wavelength is shown graphically (1: silica nanoparticles not bound to Cy3 fluorescent molecules; 2: silica nanoparticles bound to 0.5 μM Cy3 fluorescent materials; 3: combined with 1 μM Cy3 fluorescent materials) Silica nanoparticles; 4: Silica nanoparticles bound to 2 μM Cy3 phosphors; 5: Silica nanoparticles bound to 5 μM Cy3 phosphors; 6: Silica nanoparticles bound to 10 μM Cy3 phosphors; and 7: 20 μM Cy3 phosphors And silica nanoparticles).

도 10는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질과 Cy3가 결합된 실리카 나노입자에 가시광선과 자외선 조사를 반복적으로 수행 후 보여준 흡광도 그래프를 나타낸 것이다.FIG. 10 is a graph showing absorbance after repeated irradiation of visible light and ultraviolet light on photochromic material and Cy3-coupled silica nanoparticles prepared according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광변색성 물질 및 Cy3가 결합된 실리카 나노입자를 덴드리틱 셀(Dendritic cell)에 흡착시킨 후 자외선 조사(10min) 전 후의 형광변화를 그래프로 나타낸 것이다.FIG. 11 is a graph illustrating fluorescence changes before and after ultraviolet irradiation (10 min) after adsorption of photochromic material and Cy3-coupled silica nanoparticles prepared in accordance with one embodiment of the present invention to a dendritic cell. It is shown.

Claims (35)

그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 하기 일반식 1로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자:High sensitivity silica nanoparticles in which a photochromic material represented by the following general formula (1) and a fluorescent substance are bonded to silica nanoparticles having an ionic functional group exposed on the surface thereof: [일반식 1]  [Formula 1]
Figure 112009029405968-PAT00023
Figure 112009029405968-PAT00023
여기서, P는 광변색성 분자, K는 원자 또는 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n이고, L은 수소원자(H)를 제외한 원자 혹은 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n(여기서, n은 1~100의 정수임)이며, X는 O, S, NH 및 CH2로 구성된 군에서 선택되고, M은 실리카 나노입자의 표면에 노출된 이온성 기능기와 결합하는 작용기를 의미함. Where P is a photochromic molecule, K is an atom or atom group, a peptide binding ligand, a DNA binding ligand, a PNA binding ligand, a protein binding ligand or a nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, and having 6 to 100 carbon atoms. Aryl, carbon number is 2 to 100 heterocyclic linker or (CH 2 CH 2 0) n , L is an atom or atomic group, except for the hydrogen atom (H), peptide binding ligand, DNA binding ligand , PNA binding ligand, protein binding ligand or nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, aryl having 6 to 100 carbon atoms, heterocyclic linker having 2 to 100 carbon atoms or (CH 2 CH 2 0) n (where n is an integer from 1 to 100), X is selected from the group consisting of O, S, NH and CH 2 , and M is an ionic functional group exposed to the surface of the silica nanoparticles. It means a functional group that binds.
제1항에 있어서, 상기 광변색성 분자(
Figure 112009029405968-PAT00024
)는 하기 화학식 2 내지 화학식 9로 표시되는 화합물 및 그들의 이성질체로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자 :
According to claim 1, wherein the photochromic molecules (
Figure 112009029405968-PAT00024
) Is a high-sensitivity silica nanoparticles are combined with a photochromic material and a fluorescent material, characterized in that selected from the group consisting of a compound represented by the following formula 2 to 9 and their isomers:
[화학식 2]       [Formula 2]
Figure 112009029405968-PAT00025
Figure 112009029405968-PAT00025
[화학식 3]       (3)
Figure 112009029405968-PAT00026
Figure 112009029405968-PAT00026
[화학식 4]       [Formula 4]
Figure 112009029405968-PAT00027
Figure 112009029405968-PAT00027
[화학식 5]       [Chemical Formula 5]
Figure 112009029405968-PAT00028
Figure 112009029405968-PAT00028
[화학식 6]       [Formula 6]
Figure 112009029405968-PAT00029
Figure 112009029405968-PAT00029
[화학식 7]        [Formula 7]
Figure 112009029405968-PAT00030
Figure 112009029405968-PAT00030
[화학식 8]       [Formula 8]
Figure 112009029405968-PAT00031
Figure 112009029405968-PAT00031
[화학식 9]       [Formula 9]
Figure 112009029405968-PAT00032
Figure 112009029405968-PAT00032
화학식 2 및 화학식 3에서, R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자 이며, Z는 불소 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나 또는 카르보닐기를 의미함.In formulas (2) and (3), R is a C 1 to C 3 alkylene group unsubstituted or substituted with a bond line, oxygen atom or fluorine, Y is independently an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom, and Z is a fluorine substituted or unsubstituted group It means a cyclic methylene group or a carbonyl group.
제1항에 있어서, 상기 실리카 나노입자와 결합하는 작용기(M)는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 알데히드기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아미노기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것으로 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.The method of claim 1, wherein the functional group (M) which binds to the silica nanoparticles is a carboxyl group, a carboxylic acid derivative group (C (= O)-Cl, C (= O)-Br, C (= O)-O- succinimide), isocyanate group, isothiocyanate group, amine group, aldehyde group, thiol group, hydroxyl group, iodine acetamino group, α-haloacetyl group and maleimide group, characterized in that selected from the group consisting of Highly sensitive silica nanoparticles in which the material is bound. 그 표면에 이온성 기능기가 노출되어 있는 실리카 나노입자에 하기 화학식 10로 표시되는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자: High sensitivity silica nanoparticles in which a photochromic material represented by the following Chemical Formula 10 and a fluorescent substance are bonded to silica nanoparticles having an ionic functional group exposed on its surface: [화학식 10]       [Formula 10]
Figure 112009029405968-PAT00033
상기 화학식 10에서 R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나, 또는 카르보닐기이고, M 또는 M'는 수소 또는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기고, M과 M' 중 어느 하나는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기이며, n은 1~100의 정수를 의미함.
Figure 112009029405968-PAT00033
In Formula 10, R is a C 1 to C 3 alkylene group unsubstituted or substituted with a bond line, an oxygen atom or fluorine, Y is independently an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom, and Z is unsubstituted or substituted with fluorine Methylene group or carbonyl group, M or M 'is a functional group which binds to the ionic functional group of hydrogen or silica nanoparticles, and either M and M' is a functional group which binds to the ionic functional group of silica nanoparticles, n Is an integer from 1 to 100.
제4항에 있어서, 상기 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 알데히드기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아민기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것으로 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자. 5. The functional group of claim 4, wherein the functional group that binds to the ionic functional group of the silica nanoparticles is a carboxyl group, a carboxylic acid derivative group (C (= 0) -Cl, C (= 0) -Br, or C (= 0) -O. -succinimide), an isocyanate group, an isothiocyanate group, an amine group, an aldehyde group, a thiol group, a hydroxyl group, an iodine acetamine group, an α-haloacetyl group and a maleimide group And highly sensitive silica nanoparticles combined with fluorescent materials. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 이온성 기능기는 양이온성 기능기 또는 음이온성 기능기인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자. The highly sensitive silica nanoparticles according to claim 1 or 4, wherein the ionic functional group is a cationic functional group or an anionic functional group. 제6항 있어서, 상기 양이온성 기능기는 아민기, 알데히드기, 수산기 및 티올 기로 구성된 군에서 선택되고, 상기 음이온성 기능기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자. The method according to claim 6, wherein the cationic functional group is selected from the group consisting of an amine group, an aldehyde group, a hydroxyl group and a thiol group, the anionic functional group is a carboxyl group, a carboxylic acid derivative group (C (= O)-Cl, C (= O ) -Br, C (= O) -O-succinimide), a highly sensitive silica nanoparticles are combined with a photochromic material and a fluorescent material, characterized in that selected from the group consisting of isocyanate group, isothiocyanate group. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 실리카 나노입자 표면의 이온성 기능기는 양이온성 기능기이고, 상기 실리카 나노입자 표면에서 광변색성 물질 또는 형광물질이 결합되어 있지 않은 양이온성 기능기가 음이온성 기능기로 개질되어 있는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자. The method of claim 1 or 4, wherein the ionic functional group on the surface of the silica nanoparticles is a cationic functional group, and the cationic functional group to which the photochromic material or fluorescent substance is not bonded on the surface of the silica nanoparticles is anionic. High-sensitivity silica nanoparticles are combined with a photochromic material and a fluorescent material characterized in that the functional group is modified. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR, Cy3, DY500, 로다민 레드-X, 스펙트럼 오렌지, 플루오레세인 이소티오시아네이트, 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트, 알렉사플루오르, 텍사스 레드, 테트라메틸로다민, 캐스캐이드 블루, DAPI, 쿠마린, 루시퍼 옐로우 및 단실아마이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.The method of claim 1 or 4, wherein the fluorescent material is Alexa555, bodiphy TMR, Cy3, DY500, rhodamine red-X, spectral orange, fluorescein isothiocyanate, tetramethyltamine isothiocyanate , Alexafluor, Texas red, tetramethyltamine, cascade blue, DAPI, coumarin, lucifer yellow, and at least one selected from the group consisting of single amide amide photochromic material and fluorescent material is combined High sensitivity silica nanoparticles. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 광변색성 물질은 상기 형광물질의 여기 파장과 다른 흡광 파장대를 가지는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.5. The highly sensitive silica nanoparticles of claim 1, wherein the photochromic material has an absorption wavelength band different from the excitation wavelength of the fluorescent material. 6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 광전환성인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.5. The highly sensitive silica nanoparticles according to claim 1, wherein the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are bonded are photoconvertible. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자는 가시광선과 자외선 조사를 반복적으로 수행하여도 원래의 광전환성을 유지하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자.The photochromic material according to claim 1 or 4, wherein the silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined maintain the original photoconversion even after repeatedly performing visible and ultraviolet irradiation. Highly sensitive silica nanoparticles that combine materials and fluorescent materials. 다음 단계를 포함하는 실리카 나노입자 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법:A method for preparing highly sensitive silica nanoparticles in which a photochromic material and a fluorescent material are bonded to a surface of silica nanoparticles including the following steps: (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성 화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계;(a) activating the silica precursor by adding a silica precursor and a catalyst to a solvent, and then adding and reacting a compound having a cationic functional group to prepare a cationic silica precursor; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및(b) adding distilled water to the cationic silica precursor prepared in step (a) and preparing silica nanoparticles in which the cationic functional group is exposed on the surface thereof; And (c) 상기 (b)단계에서 제조된 실리카 나노입자의 표면에 노출된 양이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및(c) combining the photochromic material to the cationic functional group exposed on the surface of the silica nanoparticles prepared in step (b) to prepare silica nanoparticles to which the photochromic material is bound; And (d) 상기 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 고감도 실리카 나노입자를 제조하는 단계.(d) bonding the fluorescent material to the silica nanoparticles to which the photochromic material is bound to produce high sensitivity silica nanoparticles to which the photochromic material and the fluorescent material are combined. 다음 단계를 포함하는 나노입자 표면에 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법:A method for preparing highly sensitive silica nanoparticles in which a photochromic material and a fluorescent material are bonded to a surface of a nanoparticle including the following steps: (a) 용매에 실리카 전구체 및 촉매제를 첨가하여 상기 실리카 전구체를 활성화시킨 다음, 양이온성 기능기를 가지는 화합물을 첨가하고 반응시켜 양이온성 실리카 전구체를 제조하는 단계;(a) adding a silica precursor and a catalyst to a solvent to activate the silica precursor, and then adding and reacting a compound having a cationic functional group to prepare a cationic silica precursor; (b) 상기 (a)단계에서 제조된 양이온성 실리카 전구체에 증류수를 첨가하고 양이온성 기능기가 그 표면에 노출된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; (b) adding distilled water to the cationic silica precursor prepared in step (a) and preparing silica nanoparticles in which the cationic functional group is exposed on the surface thereof; (c) 상기 (b)단계에서 실리카 나노입자 표면에 노출된 양이온성 기능기를 음 이온성 기능기로 개질하는 단계; (c) modifying the cationic functional group exposed to the surface of the silica nanoparticles in step (b) with an anionic functional group; (d) 상기 (c)단계에서 개질된 음이온성 기능기에 광변색성 물질을 결합시켜 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및 (d) combining the photochromic material with the anionic functional group modified in step (c) to prepare silica nanoparticles to which the photochromic material is bound; And (e) 상기 광변색성 물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자에 형광물질을 결합시켜 광변색성 물질과 형광물질이 결합된 고감도 실리카 나노입자를 제조하는 단계.(e) preparing high sensitivity silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material are combined by bonding the fluorescent material to the silica nanoparticles to which the photochromic material is bound. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 용매는 알코올인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.15. The method according to claim 13 or 14, wherein the solvent of step (a) is an alcohol, wherein the photochromic material and the fluorescent material are combined. 제15항 있어서, 상기 알코올은 에탄올, 메탄올, 부탄올, 헵탄올, 헥산올 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the alcohol is selected from the group consisting of ethanol, methanol, butanol, heptanol, hexanol, and mixtures thereof. Way. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 촉매제는 암모니아 수용액인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나 노입자의 제조방법.The method according to claim 13 or 14, wherein the catalyst agent of step (a) is an aqueous ammonia solution, wherein the photosensitive material and the fluorescent material are combined. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 암모니아 수용액의 암모니아 농도는 10~40중량%인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.15. The method according to claim 13 or 14, wherein the ammonia concentration of the aqueous ammonia solution is 10 to 40% by weight. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 실리카 전구체는 테트라에틸오소실리케이트, 테트라메틸오소실리케이트, 테트라프로필오소실리케이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.15. The photochromic material according to claim 13 or 14, wherein the silica precursor of step (a) is selected from the group consisting of tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate and mixtures thereof. Method for producing high sensitivity silica nanoparticles in which a substance and a fluorescent substance are combined. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 양이온성 기능기를 가진 화합물은 아미노프로필트로메톡시실란, 아미노프로필트로에톡시실란, 아미노프로필다이에톡시메틸실란 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.The compound according to claim 13 or 14, wherein the compound having a cationic functional group in step (a) is composed of aminopropyltromethoxysilane, aminopropyltroethoxysilane, aminopropyldiethoxymethylsilane, and mixtures thereof. Method for producing a highly sensitive silica nanoparticles are combined with a photochromic material and a fluorescent material, characterized in that selected from the group. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계의 실리카 전구체와 양이온성 기능기를 가진 화합물의 첨가비율은 1:0.1~4인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.15. The method of claim 13 or 14, wherein the addition ratio of the silica precursor and the compound having a cationic functional group in the step (a) is 1: 0.1 to 4, characterized in that the photochromic material and the fluorescent material is combined Method for producing high sensitivity silica nanoparticles. 제13항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 제조된 실리카 나노입자 표면의 양이온성 기능기를 음이온성 기능기로 개질시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.The photochromic material and the fluorescent material of claim 13, further comprising the step of modifying the cationic functional group on the surface of the silica nanoparticles prepared in step (c) with an anionic functional group. Method for producing high sensitivity silica nanoparticles. 제22항에 있어서, 상기 개질은 석시닉 언하이드라드를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.23. The method of claim 22, wherein the modification is performed by using succinic anhydride. 제14항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 개질은 석시닉 언하이드라드를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.15. The method of claim 14, wherein the modifying in step (c) uses succinic anhydride, wherein the photosensitive material and the fluorescent material are combined. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 광변색성 물질은 하기 일반식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법:15. The method according to claim 13 or 14, wherein the photochromic material is a compound represented by the following general formula (1): [일반식 1]  [Formula 1]
Figure 112009029405968-PAT00034
Figure 112009029405968-PAT00034
여기서, P는 광변색성 분자, K는 원자 또는 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n이고, L은 수소원자(H)를 제외한 원자 혹은 원자단, 펩타이드결합 리간드, DNA결합 리간드, PNA결합 리간드, 단백질결합 리간드 또는 핵산결합 리간드, 탄소수 1~100의 알킬(alkyl), 탄소수 6~100의 아릴(aryl), 탄소수는 2~100의 헤테로싸이클릭 링커(heterocyclic linker) 또는 (CH2CH20)n(여기서, n은 1~100의 정수임)이며, X는 O, S, NH 및 CH2로 구성된 군에서 선택되고, M은 실리카 나노입자의 표면에 노출된 이온성 기능기와 결합하는 작용기를 의미함. Where P is a photochromic molecule, K is an atom or atom group, a peptide binding ligand, a DNA binding ligand, a PNA binding ligand, a protein binding ligand or a nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, and having 6 to 100 carbon atoms. Aryl, carbon number is 2 to 100 heterocyclic linker or (CH 2 CH 2 0) n , L is an atom or atomic group, except for the hydrogen atom (H), peptide binding ligand, DNA binding ligand , PNA binding ligand, protein binding ligand or nucleic acid binding ligand, alkyl having 1 to 100 carbon atoms, aryl having 6 to 100 carbon atoms, heterocyclic linker having 2 to 100 carbon atoms or (CH 2 CH 2 0) n (where n is an integer from 1 to 100), X is selected from the group consisting of O, S, NH and CH 2 , and M is an ionic functional group exposed to the surface of the silica nanoparticles. It means a functional group that binds.
제25항에 있어서, 상기 광변색성 분자(
Figure 112009029405968-PAT00035
)는 하기 화학식 2 내지 화학식 9로 표시되는 화합물 및 그들의 이성질체로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광변색성 화합물과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법:
The photochromic molecule according to claim 25,
Figure 112009029405968-PAT00035
) Is a method for preparing high-sensitivity silica nanoparticles are combined with a photochromic compound and a fluorescent material, characterized in that selected from the group consisting of compounds represented by the formula (2) to (9) and their isomers:
[화학식 2]       [Formula 2]
Figure 112009029405968-PAT00036
Figure 112009029405968-PAT00036
[화학식 3]       (3)
Figure 112009029405968-PAT00037
Figure 112009029405968-PAT00037
[화학식 4]       [Formula 4]
Figure 112009029405968-PAT00038
Figure 112009029405968-PAT00038
[화학식 5]       [Chemical Formula 5]
Figure 112009029405968-PAT00039
Figure 112009029405968-PAT00039
[화학식 6]       [Formula 6]
Figure 112009029405968-PAT00040
Figure 112009029405968-PAT00040
[화학식 7]        [Formula 7]
Figure 112009029405968-PAT00041
Figure 112009029405968-PAT00041
[화학식 8]       [Formula 8]
Figure 112009029405968-PAT00042
Figure 112009029405968-PAT00042
[화학식 9]       [Formula 9]
Figure 112009029405968-PAT00043
Figure 112009029405968-PAT00043
화학식 2 및 화학식 3에서, R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나 또는 카르보닐기를 의미함.In Formulas 2 and 3, R is a C 1 to C 3 alkylene group unsubstituted or substituted with a bond line, an oxygen atom or fluorine, Y is each independently an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom, and Z is a fluorine substituted or unsubstituted It means a cyclic methylene group or a carbonyl group.
제25항에 있어서, 상기 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 알데히드기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아미노기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것으로 특징으로 하는 광변색성 화합물과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.The functional group of claim 25, wherein the functional group that binds to the ionic functional group of the silica nanoparticles is a carboxyl group, a carboxylic acid derivative group (C (= 0) -Cl, C (= 0) -Br, or C (= 0) -O. -succinimide), an isocyanate group, an isothiocyanate group, an amine group, an aldehyde group, a thiol group, a hydroxyl group, an iodine acetamino group, an α-haloacetyl group, and a maleimide group, Method for producing highly sensitive silica nanoparticles in which a fluorescent material is bound. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 광변색성 물질은 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법:15. The method according to claim 13 or 14, wherein the photochromic material is a compound represented by the following Chemical Formula 10: [화학식 10]       [Formula 10]
Figure 112009029405968-PAT00044
Figure 112009029405968-PAT00044
상기 화학식 10에서 R은 결합선, 산소원자 또는 불소로 치환 또는 비치환된 C1~C3알킬렌기이고, Y는 각각 독립적으로 산소원자, 질소원자 또는 황원자이며, Z는 불소로 치환 또는 비치환된 메틸렌기이거나, 또는 카르보닐기이고, M 또는 M'는 수소 또는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기고, M과 M' 중 어느 하나는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기이며, n은 1~100의 정수를 의미함.In Formula 10, R is a C 1 to C 3 alkylene group unsubstituted or substituted with a bond line, an oxygen atom or fluorine, Y is independently an oxygen atom, a nitrogen atom or a sulfur atom, and Z is unsubstituted or substituted with fluorine Methylene group or carbonyl group, M or M 'is a functional group which binds to the ionic functional group of hydrogen or silica nanoparticles, and either M and M' is a functional group which binds to the ionic functional group of silica nanoparticles, n Is an integer from 1 to 100.
제28항에 있어서, 상기 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 결합하는 작용기는 카르복실기, 카르복실산 유도체기(C(=O)-Cl, C(=O)-Br, C(=O)-O-succinimide), 이소시아네이트기, 이소티오시아네이트기, 아민기, 알데히드기, 티올기, 수산기, 요오드아세트아민기, α-할로아세틸기 및 말레이미드기로 구성된 군에서 선택되는 것으로 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법. 29. The method of claim 28, wherein the functional groups that bind to the ionic functional group of the silica nanoparticles are a carboxyl group, a carboxylic acid derivative group (C (= O) -Cl, C (= O) -Br, C (= O) -O -succinimide), an isocyanate group, an isothiocyanate group, an amine group, an aldehyde group, a thiol group, a hydroxyl group, an iodine acetamine group, an α-haloacetyl group and a maleimide group Method for producing a highly sensitive silica nanoparticles are combined with a fluorescent material. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 형광물질은 알렉사555, 보디피 TMR(bodipy TMR), Cy3, DY500, 로다민 레드-X, 스펙트럼 오렌지, 플루오레세인 이소티오시아네이트, 테트라메틸로다민 이소티오시아네이트, 알렉사플루오르, 텍사스 레드, 테트라메틸로다민, 캐스캐이드 블루, DAPI, 쿠마린, 루시퍼 옐로우 및 단실아마이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 고감도 실리카 나노입자의 제조방법.The method according to claim 13 or 14, wherein the fluorescent material is Alexa555, bodipy TMR, Cy3, DY500, rhodamine red-X, spectral orange, fluorescein isothiocyanate, tetramethyltamine Photochromic materials and fluorescent materials characterized in that at least one selected from the group consisting of isothiocyanate, alexafluor, texas red, tetramethyltamine, cascade blue, DAPI, coumarin, lucifer yellow and monosilamide Method for producing the highly sensitive silica nanoparticles are bonded. 다음의 단계를 포함하는 생체분자의 검출방법:A biomolecule detection method comprising the following steps: (a) 제1항, 제4항 또는 제8항의 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자의 이온성 기능기와 검출대상 생체분자와 결합할 수 있는 프로브를 결합시키는 단계, 여기서, 상기 프로브는 상기 실리카 나노입자에서 광변색성 물질 또는 형광물질과 결합되어 있지 않은 이온성 기능기에 결합됨;(a) binding a probe capable of binding to an ionic functional group of a silica nanoparticle to which a photochromic material and a fluorescent material of claim 1, 4 or 8 and a fluorescent substance is bound, and a biomolecule to be detected, wherein The probe is bound to an ionic functional group that is not bound to a photochromic material or fluorescent material in the silica nanoparticles; (b) 상기 나노입자로 표지된 프로브를 검출대상 생체분자가 함유된 시료와 반응시킨 다음, 가시광선 및 자외선을 각각 조사하는 단계; 및 (b) reacting the probe labeled with the nanoparticle with a sample containing the biomolecule to be detected, and then irradiating visible and ultraviolet rays, respectively; And (c) 상기 시료의 형광 및 광전환성을 측정하여 검출대상 생체분자를 검출하는 단계.(c) detecting the biomolecule to be detected by measuring the fluorescence and light conversion of the sample. 제31항에 있어서, 상기 (b)단계의 자외선은 약 365nm 파장의 자외선인 것을 특징으로 하는 검출방법.32. The method of claim 31, wherein the ultraviolet rays of step (b) are ultraviolet rays of about 365 nm wavelength. 제31항에 있어서, 상기 (b)단계의 가시광선은 상기 형광물질의 여기 파장대의 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 검출방법.32. The method of claim 31, wherein the visible light of step (b) comprises light of an excitation wavelength band of the fluorescent material. 제31항에 있어서, 상기 검출대상 생체분자에 결합할 수 있는 프로브와 검출대상 생체분자의 조합은 항원-항체, 리간드-리셉터, 효소-기질, 비오틴-아비딘, 합텐-항합텐, 호르몬-수용체 및 렉틴-당단백질로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 검출방법.The combination of claim 31, wherein the combination of the probe and the biomolecule to be detected is antigen-antibody, ligand-receptor, enzyme-substrate, biotin-avidin, hapten-antihapten, hormone-receptor and A detection method, characterized in that selected from the group consisting of lectin-glycoprotein. 제1항, 제4항 또는 제8항의 상기 광변색성 물질과 형광물질이 결합되어 있는 실리카 나노입자를 함유하는 생체 영상화 조영제. A bioimaging contrast agent containing silica nanoparticles in which the photochromic material and the fluorescent material of claim 1, 4 or 8 are bound.
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KR101334779B1 (en) * 2011-02-28 2013-11-29 한국생명공학연구원 Highly monodisperse silica nanoparticles as reversible internal light switch for living biological systems
KR101334696B1 (en) * 2011-02-28 2013-12-02 한국생명공학연구원 Reversible fluorescence photoswitch based on dye-crosslinked dendritic nanoclusters for high-contrast imaging of living biological systems
US9222884B2 (en) 2012-09-05 2015-12-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Hydrogen peroxide sensitive metal nanoparticles, method for producing the same and hydrogen peroxide detection system comprising the same

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