KR20110026972A - Bio sensing method, apparatus and system using graphene oxide - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A bio-sensing method using a graphene oxide and a sensor are provided to optically identify the presence of material and to ensure economic benefit. CONSTITUTION: A bio-sensor comprises a target material which is labeled with a metal particle and a probe substance which is conjugated to a graphene oxide with fluorescence characteristic. In case of binding the target material and probe, fluorescence characteristic is reduced by metal particles of the target material. The target and probe material is DNA. A bio-sensing method comprises: a step of contacting the target material labeled with a metal particle; and a step of measuring graphene oxide fluorescence intensity.

Description

그래핀 산화물을 이용한 바이오 센서, 센싱 방법 및 그 시스템{Bio sensing method, apparatus and system using graphene oxide}Bio-sensing method, apparatus and system using graphene oxide using graphene oxide

본 발명은 그래핀 산화물을 이용한 바이오 센서, 센싱 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표적 물질을 염색하기 위한 염료의 사용 없이 그래핀 산화물 자체의 고유한 형광 특성을 이용하여, 검출 물질의 존재 여부를 광학적으로 식별할 수 있으며, 합성이 까다롭고 가격이 비싼 염료의 사용을 피함으로써 경제성이 우수한, 그래핀 산화물을 이용한 바이오 센서, 센싱 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor using a graphene oxide, a sensing method and a system thereof, and more particularly, by using the inherent fluorescence properties of the graphene oxide itself without the use of a dye for dyeing the target material, The present invention relates to a biosensor using graphene oxide, a sensing method, and a system thereof, which can be optically distinguished from each other, and which is economical by avoiding the use of a complicated and expensive dye.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO2/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다. 최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투 하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목하고 있다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다. Graphene refers to a planar monolayer structure in which carbon atoms are filled into a two-dimensional (2D) lattice, which forms the basis for all other dimensional graphite materials. That is, the graphene may be a basic structure of graphite stacked in a fullerene, a one-dimensional nanotube, or a three-dimensional structure. In 2004, Novoselev et al reported that a free-standing graphene monolayer was obtained on top of a SiO2 / Si substrate, which was found experimentally by mechanical microfractionation. In recent years, many research groups have shown that graphene has unique physical properties due to its honeycomb crystal structure, two interpenetrating triangular sub lattice structures, and one atomic size. For example, attention is paid to the fact that it shows zero band gap). In addition, graphene has unique charge transport characteristics, which causes graphene to exhibit a unique phenomenon that has not been observed in the past. For example, the semi-integer quantum Hall effect, the bipolar supercurrent transistor effect, and the like are examples, and this is also considered to be due to the unique structure of the graphene described above.

하지만, 이와 같이 독특한 특성을 나타내는 그래핀을 실질적으로 응용하는 기술은 아직 충분히 개시되어 있지 않은 상황이다. 특히, 친수성 환경에서 응집되는 경향을 보이는 그래핀을 바이오 분야에 응용하는 기술은 아직 개시되지 못한 실정이다. However, a technique for practically applying graphene exhibiting such unique characteristics has not been sufficiently disclosed. In particular, the technology of applying graphene to the bio-industry tends to aggregate in a hydrophilic environment has not yet been disclosed.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 그래핀 산화물을 이용한 바이오 센싱 방법을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a biosensing method using graphene oxide.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 그래핀 산화물을 이용한 바이오 센서를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a biosensor using graphene oxide.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 그래핀 산화물을 이용한 바이오 센싱 시스템을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a bio-sensing system using graphene oxide.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 금속 입자로 표지화된 표적 물질; 및 형광 특성을 나타내는 그래핀 산화물에 결합된 프로브 물질을 포함하며, 여기에서 상기 표적 물질과 프로브 물질이 결합하는 경우 상기 표적 물질의 금속 입자가 상기 그래핀 산화물의 형광 특성을 감소시키는 것을 특징으로 하는 바이오 센서를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 표적 및 프로브 물질은 DNA이고, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 표적 및 프로브 물질은 각각 항원 및 항체이다. The present invention to solve the above problems is a target material labeled with metal particles; And a probe material bound to graphene oxide exhibiting fluorescence properties, wherein when the target material and the probe material combine, the metal particles of the target material reduce the fluorescence property of the graphene oxide. Provide a biosensor. In one embodiment of the invention the target and probe material is DNA, and in another embodiment of the invention the target and probe material are antigen and antibody, respectively.

상기 금속 입자는 상기 그래핀 산화물의 형광 강도를 감소시킬 수 있는 금속 나노입자이며, 상기 금속 나노입자는 금 나노입자일 수 있다. 상기 표적 DNA와 프로브 DNA는 또한 단일 스트랜드 DNA이며, 상기 표적 DNA에 금속입자가 연결될 수 있다. 상기 항원 및 상기 금속 입자는 고분자, 특히 단일 스트랜드 DNA에 의하여 연결될 수 있다. The metal particles may be metal nanoparticles capable of reducing the fluorescence intensity of the graphene oxide, and the metal nanoparticles may be gold nanoparticles. The target DNA and the probe DNA are also single stranded DNA, and metal particles may be linked to the target DNA. The antigen and the metal particles may be linked by polymers, in particular single stranded DNA.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 프로브 물질이 표면에 결합된 그래핀 산화물에 금속입자로 표지화된 표적 물질을 접촉시키는 단계; 및 상기 접촉 전, 후의 상기 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법을 제공한다. 상기 금속 입자는 상기 그래핀 산화물의 형광 강도를 감소시킬 수 있는 금속 나노입자이며, 상기 금속은 금일 수 있다. In order to solve the above another object, the present invention comprises the steps of contacting the target material labeled with a metal particle to the graphene oxide bonded to the probe material surface; And it provides a bio-sensing method comprising the step of measuring the graphene oxide fluorescence intensity before, after the contact. The metal particles are metal nanoparticles capable of reducing the fluorescence intensity of the graphene oxide, and the metal may be gold.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 프로브 DNA가 표면에 결합된 그래핀 산화물에 금속입자로 표지화된 표적 DNA를 접촉시키는 단계; 및 상기 접촉 전, 후의 상기 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법을 제공하며, 상기 DNA는 단일 스트랜드이고, 상기 표적 DNA와 프로브 DNA가 상보적으로 결합하는 경우, 상기 그래핀 산화물의 형광 강도가 감소된다. 본 발명의 또 다른 일 실시예는 항체가 표면에 결합된 그래핀 산화물에 금속입자로 표지화된 항원을 접촉시키는 단계; 및 상기 접촉 전, 후의 상기 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법을 제공하며, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 항체가 표면에 결합된 그래핀 산화물에 항원을 접촉시키는 단계; 상기 항원에 특이적으로 결합하며, 금속 입자로 표지화된 또 다른 항체를 상기 항원에 접촉시키는 단계; 및 금속입자로 표지화된 상기 또 다른 항체 접촉후의 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속입자와 항원은 단일 스트랜드 DNA에 의하여 연결되며, 이때 상기 단일 스트랜드 DNA는 50 내지 300 염기쌍을 갖는다. 상기 항원과 항체가 결합하는 경우, 상기 그래핀 산화물의 형광강도는 감소한다. One embodiment of the present invention for solving the above problems is the step of contacting the target DNA labeled with a metal particle to the graphene oxide bonded to the probe DNA surface; And measuring the graphene oxide fluorescence intensity before and after the contact, wherein the DNA is a single strand, and the target DNA and the probe DNA are complementarily bound to each other. , The fluorescence intensity of the graphene oxide is reduced. Another embodiment of the present invention comprises the steps of contacting the antigen labeled with a metal particle to the graphene oxide antibody is bound to the surface; And measuring the graphene oxide fluorescence intensity before and after the contact, and another embodiment of the present invention provides an antigen to graphene oxide having an antibody bound to a surface thereof. Contacting; Contacting the antigen with another antibody that specifically binds to the antigen and is labeled with a metal particle; And it provides a bio-sensing method comprising the step of measuring the graphene oxide fluorescence intensity after contact with the another antibody labeled with metal particles. In one embodiment of the present invention, the metal particle and the antigen are connected by a single stranded DNA, wherein the single stranded DNA has 50 to 300 base pairs. When the antigen and the antibody bind, the fluorescence intensity of the graphene oxide decreases.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 투명 기판; 상기 투명 기판상에 구비되며, 프로브 물질이 표면에 결합된 그래핀 산화물 어레이; 상기 그래핀 산화물의 형광 강도를 감소시킬 수 있는 금속입자로 표지화된 표적 물질; 상기 표적 물질이 상기 프로브 물질에 결합하는 경우, 감소되는 그래핀 산화물의 형광 강도를 측정할 수 있는 측정부를 포함하는 바이오 센싱 시스템을 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention is a transparent substrate; A graphene oxide array provided on the transparent substrate and having a probe material bonded to a surface thereof; A target material labeled with a metal particle capable of reducing the fluorescence intensity of the graphene oxide; When the target material is bound to the probe material, it provides a bio-sensing system including a measuring unit capable of measuring the fluorescence intensity of the graphene oxide is reduced.

본 발명에 따른 바이오 센싱 방법, 센서 및 시스템은 표적 물질을 염색하기 위한 염료의 사용 없이 그래핀 산화물 자체의 고유한 형광 특성을 이용하여, 광학적으로 검출 물질의 존재 여부를 식별할 수 있다. 또한 합성이 까다롭고 가격이 비싼 염료의 사용을 피할 수 있으므로, 경제성이 우수하다. 즉, 기존의 마이크로 어레이의 경우 기판(substrate), 특히 유리기판에서의 프로브 물질 결합 유무 및 그 위치 등을 판단하기 어려웠으나, 본 발명에서는 프로브 물질이 형광특성을 갖는 어레이 형태의 그래핀 산화물에 결합된 후, 기판 상에서 사용되므로, 형광 분석을 통하여 기판에서의 프로브 물질의 결합 위치 등을 정확히 규명할 수 있으며, 이를 통하여 바이오 센싱을 위한 마이크로 어레이 기술의 신뢰성 및 재현성을 향상시킬 수 있다. Biosensing methods, sensors and systems according to the present invention can utilize the inherent fluorescence properties of graphene oxide itself without the use of dyes to dye the target material, thereby optically identifying the presence of a detection material. In addition, since the use of dyes, which are difficult to synthesize and expensive, can be avoided, the economy is excellent. That is, in the case of the conventional micro array, it is difficult to determine the presence or absence and the position of the probe material on the substrate (particularly, the glass substrate), but in the present invention, the probe material is bonded to the graphene oxide of the array type having fluorescence properties. After being used on the substrate, the binding position of the probe material on the substrate can be accurately identified through fluorescence analysis, thereby improving the reliability and reproducibility of the micro array technology for bio-sensing.

이하 바람직한 실시예 및 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 하지만, 하기의 실시예 등은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 이에 한정되거나 제한되지 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments and drawings. However, the following examples and the like are all intended to illustrate the invention, the scope of the present invention is not limited or limited thereto.

바이오 물질의 존재를 검출하기 위한 바이오 센서는 표적 물질(즉, 센싱 대상 물질)과 프로브 물질(즉, 원하는 물질과 특이적, 선택적으로 결합 가능한 물질)의 결합을 통하여 물질의 종류를 식별하게 된다. 이러한 바이오 센서의 검출 방식은 다양한데, 예를 들면, 전기적, 광학적 방식 등이 있다.The biosensor for detecting the presence of the biomaterial may identify the type of the substance through the combination of the target substance (ie, a sensing target substance) and the probe substance (ie, a substance which can be selectively and selectively combined with a desired substance). The detection method of such a biosensor is various, for example, there is an electrical, optical method and the like.

이 중 광학적 방식은 별도의 전기 장치 없이 광학 현미경 등으로 원하는 표적물질의 결합여부를 검출 가능하므로, 비교적 단순하고, 경제적이다는 장점이 있다. 하지만, 광학적 방식은 물질간의 결합에 따른 광학적 특성 변화를 유도하기 위한 염료(dye)가 필요하며, 표적물질 또는 프로브 물질을 염료로 표지화(labeling)시켜야 되는 공정상의 문제가 있고, 또한 합성이 까다로운 염료는 그 가격이 비싸므로, 경제성이 상대적으로 떨어지는 문제가 있다. Of these, the optical method can detect whether the desired target material is bound by an optical microscope or the like without a separate electric device, which is relatively simple and economical. However, the optical method requires a dye to induce the optical property change due to the binding of the materials, and there is a process problem in that the target material or the probe material is labeled with the dye, and the dye is difficult to synthesize. Since the price is expensive, there is a problem that the economy is relatively low.

따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 인식하여, 자체가 형광 특성을 갖는 그래핀 산화물을 이용하여, 별도의 염료-표지화 없이 표적 물질을 센싱가능한 새로운 개념의 바이오 센싱 방법, 센서 및 센서 시스템을 제공한다.Accordingly, the present invention recognizes the problem of the prior art, using a graphene oxide having its own fluorescence properties, a new concept of biosensing method, sensor and sensor system capable of sensing a target material without separate dye-labeling to provide.

도 1은 본 발명에 따른 바이오 센싱의 기본 개념을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a basic concept of bio-sensing according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 그래핀 산화물(110) 및 상기 그래핀 산화물(110)의 표면에 결합된 프로브 물질(120)을 이용한다. 여기에서 프로브 물질은 센싱을 원하는 표적 바이오 물질의 종류에 따라 상기 표적 바이오 물질과 선택적, 특이적으로 결합가능한 임의의 어떠한 물질이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 바이오 물질로 DNA를, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 서는 항원-항체를 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. Referring to FIG. 1, the biosensor according to the present invention uses graphene oxide 110 and a probe material 120 coupled to the surface of the graphene oxide 110. The probe material may be any material that can be selectively and specifically bound to the target biomaterial according to the type of target biomaterial to be sensed. In one embodiment of the present invention, the biomaterial is DNA, and in another embodiment of the present invention, the antigen-antibody is used, but the scope of the present invention is not limited thereto.

이후, 상기 프로브 물질(120)에 표적 물질(130)이 결합하는데, 상기 표적 물질(130)은 금속 입자(140)이 연결되어, 상기 표적물질(130)을 표지화시킨다. 상기 금속 입자(140)는 그래핀 산화물(110)과 인접하는 경우, 그래핀 산화물(110)의 형광 강도를 감소시키는, 이른바 퀀칭(quenching)효과를 발생시킨다.Thereafter, the target material 130 is coupled to the probe material 120, and the target material 130 is connected to the metal particles 140 to label the target material 130. When the metal particles 140 are adjacent to the graphene oxide 110, the metal particles 140 generate a so-called quenching effect, which reduces the fluorescence intensity of the graphene oxide 110.

따라서, 본 발명자는 프로브 물질과 표적 물질 간의 결합이 발생하는 경우, 상기 유동되는 금속 입자는 그래핀 산화물 표면에 고정되어, 그래핀 산화물의 형광 특성을 감소시키는 점에 착안하여, 본 발명에 이르게 되었다. 상기 금속 입자는 그래핀 산화물의 형광 특성을 감소시킬 수 있는 한 어떠한 금속 물질도 가능하나, 본 발명의 일 실시예에서는 금 나노입자를 금속 입자로 사용하였다. Therefore, the present inventors have focused on the fact that, when a bond between the probe material and the target material occurs, the flowing metal particles are fixed to the graphene oxide surface, thereby reducing the fluorescence properties of the graphene oxide, thus leading to the present invention. . The metal particles may be any metal material as long as it can reduce the fluorescent property of graphene oxide, but in one embodiment of the present invention, gold nanoparticles were used as the metal particles.

본 발명은 상기 바이오 센서의 제 1 응용예로서 DNA 검출용 바이오 센서 및 센싱 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센싱 방법 및 장치는 아민-결합 단일 스트랜드 DNA(ssDNA, 프로브 DNA)가 표면에 결합된 그래핀 산화물; 및 상기 그래핀 산화물의 형광 세기를 퀀칭시킬 수 있는 금속 입자로 표지화된 표적 DNA를 개시한다. 즉, 본 발명에 따른 DNA 검출용 바이오 센서 및 센싱 방법은 프로브 DNA에 표적 DNA가 상보적으로 결합하는 경우, 그래핀 산화물의 형광 강도가 금속 입자의 FRET 효과 및 전자 이동(electron transfer)에 의하여 감소되는 점에 착안한 것이다. 따라서 본 발명에 따른 DNA 검출 방법 및 장치는 프로브 DNA에 상보적으로 결합할 수 있는 DNA가 결합되며, 상기 그래핀의 형광 특성을 퀀칭할 수 있는 금속 입자를 개시한다. 즉, 본 발명은 DNA의 결합 유무를 검출하기 위하여, 그래핀의 형광 특성 및 상기 그래핀의 형광 강도를 제거 또는 감소시킬 수 있는 금속 입자의 FRET(Foster resonance energy transfer) 현상 및 금속 입자와 그래핀 산화물 상호간의 전자 이동 현상을 이용한다.The present invention provides a biosensor for detecting DNA and a sensing method as a first application example of the biosensor. Bio sensing method and apparatus according to an embodiment of the present invention is an amine-bound single strand DNA (ssDNA, probe DNA) is graphene oxide bonded to the surface; And target DNA labeled with metal particles capable of quenching the fluorescence intensity of the graphene oxide. That is, in the biosensor and sensing method for detecting DNA according to the present invention, when target DNA is complementarily bound to probe DNA, the fluorescence intensity of graphene oxide is reduced by the FRET effect and electron transfer of metal particles. I was focused on that. Therefore, the DNA detection method and apparatus according to the present invention discloses a metal particle that can bind to the DNA complementary to the probe DNA, and can quench the fluorescent properties of the graphene. That is, the present invention is to detect the binding of the DNA, the fluorescence characteristics of the graphene and FRET (Foster resonance energy transfer) phenomenon of the metal particles that can remove or reduce the fluorescence intensity of the graphene and metal particles and graphene Electron transfer phenomenon between oxides is used.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 산화물-DNA-금 나노입자간의 상호반응을 설명하는 도면이다.2 is a diagram illustrating an interaction between graphene oxide-DNA-gold nanoparticles according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 산화물은 표면에 단일 스트랜드인 프로브 DNA가 결합되는데, 상기 그래핀 산화물과 프로브 DNA의 결합은 그래핀 산화물의 카르복실기의 카르보닐기(CO)와 상기 프로브 DNA 단부에 결합된 아민기에 의한 아미드기(CONH)에 의하여 이루어진다. 이로써, 상기 그래핀 산화물 표면에는 검출하고자 하는 DNA가 상보적으로 결합할 수 있는 단일 스트랜드의 프로브 DNA가 결합된 상태이며, 현재 단계까지 그래핀 산화물은 독특한 형광 특성을 여전히 유지한다. 이후, DNA가 결합한 상기 그래핀 산화물에 검출 대상인 표적 DNA를 접촉시킨다. 이때, 상기 표적 DNA에는 금속 나노입자가 결합된, 즉 표지화된 상태인데, 만약 상기 표적 DNA가 그래핀 산화물의 프로브 DNA에 상보적으로 결합한 경우, 상기 금속 나노입자는 그래핀 산화물에 연결된다. 이때, 상기 그래핀 산화물의 형광 세기는 인접하여 연결된 금속 나노 입자에 의하여 감소된다. 반대로, 상기 검출 대상 DNA가 상기 단일 스트랜드 DNA와 상보적으로 결합하지 않는다면, 검출 대상 DNA가 표면에 결합된 금속 나노입자는 그래핀 산화물에 인접, 연결되지 않으며, 그 결과 그래핀 산화물의 형광 특성은 금속 입자에 의하여 퀀칭되지 않는다. 즉, 본 발명은 원하는 표적 DNA와 상보적으로 결합하는 DNA를 그래핀 산화물에 결합시 킨 후, 상기 그래핀 산화물에 검출 대상 DNA를 접촉시키고, 이때 그래핀 산화물의 형광 특성 변화를 분석함으로써, DNA의 상보적 결합 여부를 판단한다.Referring to FIG. 2, the graphene oxide according to the present invention has a single strand of probe DNA bound to a surface thereof, and the binding of graphene oxide and probe DNA is a carbonyl group (CO) of the carboxyl group of graphene oxide and the probe DNA end. It is made of an amide group (CONH) by the amine group bonded to. As a result, a single strand of probe DNA is bound to the graphene oxide surface to which the DNA to be detected is complementarily bound, and the graphene oxide still retains its unique fluorescence property until the present stage. Thereafter, the target DNA to be detected is contacted with the graphene oxide to which DNA is bound. At this time, the metal nanoparticles are bound to the target DNA, that is, labeled state. If the target DNA is complementarily bound to the probe DNA of graphene oxide, the metal nanoparticles are connected to the graphene oxide. At this time, the fluorescence intensity of the graphene oxide is reduced by the adjacent metal nanoparticles. Conversely, if the DNA to be detected does not complementarily bind to the single stranded DNA, the metal nanoparticles to which the DNA to be detected is bound to the surface are not adjacent to or connected to graphene oxide, and as a result, the fluorescence property of the graphene oxide is It is not quenched by metal particles. That is, the present invention binds the DNA complementary to the desired target DNA to the graphene oxide, and then contacts the DNA to be detected to the graphene oxide, wherein the fluorescence characteristics of the graphene oxide are analyzed to determine the DNA. Determine if complementary combination of.

본 발명에 따른 금속 나노입자에 의한 퀀칭 효과를 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking in more detail the quenching effect by the metal nanoparticles according to the present invention.

단일 스트랜드인 프로브 DNA와 표적 DNA의 상보적 결합에 의하여 형성된 금속 나노입자-DNA-그래핀 산화물 복합체에서, 그래핀 산화물과 금속 나노입자(예를 들면, 금 나노입자)는 각각 형광 및 전자 공여체(fluorescence donor) 및 수용체(acceptor)로 기능하며, 그 결과 그래핀 산화물의 형광 방출 효과는 금 나노입자(AuNP)에 의하여 효과적으로 퀀칭된다. 즉, 그래핀 산화물에 결합한 프로브 DNA가 금 나노입자로 표지화된 표적 DNA로 혼성화될 때 일어나는 그래핀 산화물과 나노입자 사이의 FRET 및 전자 전달 효과에 의하여 DNA-DNA 간의 상호작용 여부를 검출할 수 있다.In the metal nanoparticle-DNA-graphene oxide complex formed by complementary binding of a single strand of probe DNA and a target DNA, the graphene oxide and the metal nanoparticles (eg, gold nanoparticles) are fluorescence and electron donor ( It functions as a fluorescence donor and an acceptor, and as a result, the fluorescence emission effect of graphene oxide is effectively quenched by gold nanoparticles (AuNP). In other words, DNA-DNA interaction can be detected by FRET and electron transfer effects between graphene oxide and nanoparticles generated when hybridizing probe DNA bound to graphene oxide to target DNA labeled with gold nanoparticles. .

도 3a 및 3b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 항원을 검출하는 개념을 설명하는 도면이다.3A and 3B illustrate a concept of detecting an antigen according to another embodiment of the present invention.

도 3a를 참조하면, 그래핀 산화물(310) 표면에는 항체, 즉 제 1 항체(320)가 결합된다. 이후, 상기 항체(320)에 선택적으로 결합하는 항원(330)을 접촉시켜, 항원(330)과 항체(320)가 제 1 결합한다. 이후 상기 그래핀 산화물(310)의 형광 강도를 감소, 즉 퀀칭시킬 수 있는 금속 입자(340)로 표지화된 또 다른 항체를 상기 항원(330)과 접촉시켜, 제 2 결합시킨다. 만약, 표적 물질인 항원이 원하는 종류의 항원인 경우, 즉, 금속입자로 표지화된 항체가 선택적으로 결합할 수 있는 종류의 항원인 경우라면, 상기 금속입자(340)는 항원(330)과 연결되어(도 3a), 금속입자(340)는 그래핀 산화물의 형광강도를 감소시킨다. Referring to FIG. 3A, an antibody, that is, a first antibody 320 is bound to the graphene oxide 310 surface. Thereafter, the antigen 330 that selectively binds to the antibody 320 is contacted, so that the antigen 330 and the antibody 320 bind to the first. Thereafter, another antibody labeled with metal particles 340 capable of reducing or quenching the fluorescence intensity of the graphene oxide 310 is contacted with the antigen 330 to bind the second antibody. If the antigen, which is a target substance, is an antigen of a desired type, that is, when the antibody labeled with the metal particle is an antigen that can selectively bind, the metal particle 340 is connected to the antigen 330. 3A, the metal particles 340 reduce the fluorescence intensity of graphene oxide.

특히 본 발명은 항원(330)과 금속 입자(340)는 항체 및 상기 합체에 연결된 풀린 구조의 단일 스트랜드 DNA(350a)에 의하여 연결되는데, 상기 항체에 금 나노입자를 연결시키는 합성 방법은 도 4에 도시된다. 본 발명자는 특히 단일 스트랜드 DNA(350a)의 길이가 50 염기쌍(bp) 미만인 경우, 금속 입자와 그래핀 산화물 사이의 거리가 충분히 짧지 않으므로 금속입자에 의한 형광 퀀칭 효과가 충분히 발생하지 않는 점에 주목하였다(도 3b 참조). 또한, 상기 단일 스트랜드 DNA가 과도하게 긴 경우, 예를 들면 300bp를 초과하는 경우에도 DNA간의 엉킴 등에 의하여 금속입자로 표지화된 항체가 충분히 이동하지 못하는 문제가 있다. In particular, the present invention, the antigen 330 and the metal particles 340 is connected by a single stranded DNA (350a) of a loose structure connected to the antibody and the coalescence, the synthetic method of connecting the gold nanoparticles to the antibody is shown in FIG. Shown. The inventors noted that the distance between the metal particles and the graphene oxide is not sufficiently short, especially when the length of the single stranded DNA 350a is less than 50 base pairs (bp), so that the fluorescence quenching effect by the metal particles does not occur sufficiently. (See Figure 3b). In addition, when the single stranded DNA is excessively long, for example, in excess of 300bp, there is a problem in that the antibody labeled with metal particles cannot sufficiently migrate due to entanglement between DNAs.

하지만, 이와 달리 항원 자체를 금속 입자로 표지화한 후, 이를 그래핀 표면의 항체와 결합시킨 후, 형광 강도를 측정하는 방식도 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.However, alternatively, after labeling the antigen itself with metal particles, binding it with the antibody on the graphene surface, and measuring the fluorescence intensity, it is also possible to belong to the scope of the present invention.

이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Experimental Examples.

실시예Example 1 One

DNADNA 센싱Sensing

실시예Example 1-1 1-1

금 나노입자의 합성Synthesis of Gold Nanoparticles

수소 테트라클로로오레이트(HAuCl4)를 환원시켜 금 나노입자(AuNP)를 합성하였는데, 0.01% HAuCl4 용액 200ml를 끓는점 부근에서 1% 나트륨 시트레이트(C6H5Na3O7) 용액 7ml로 15분간 격렬히 교반시킴으로써 환원시켰다. 이를 통하여 얻어진 금 나노입자 농도는 Beer의 법칙에 의하여 계산하였다.Hydrogen tetrachloro O rate (HAuCl 4) were synthesized by the gold nanoparticles (AuNP) reductase, 0.01% HAuCl 4 1% sodium citrate solution to 200ml near boiling point (C 6 H 5 Na 3 O 7) It was reduced by vigorous stirring for 15 minutes with 7 ml of the solution. The gold nanoparticle concentration thus obtained was calculated according to Beer's law.

실시예Example 1-2 1-2

단일 single 스트랜드인Strand Inn 표적  Target DNADNA end 결합된Combined 금 나노입자의 합성 Synthesis of Gold Nanoparticles

6nmole 단일 스트랜드 표적 DNA를 100μL DTT 용액에 첨가하여, 디설파이드 결합(S-S)을 끊음으로써, 티올(-SH)기를 말단기로 갖는 DNA를 만들었다. 이후, 상기 표적 DNA를 PD-10 컬럼으로 정제하였다. UV-visible spectrophotometer를 사용하여 260nm 흡수 파장에서 DNA 위치를 검출하고, 상기 단일 스트랜드 표적 DNA의 농도를 Beer 법칙에 의하여 계산하였다. 이후, 상기 100μL 프로브 DNA를 실시예 1-1에서 제조된 금 나노입자(1mL)에 첨가하였다. 최종적으로 얻어진 프로브 DNA-금 나노입자 용액의 최종 생성물은 적색을 보이며, 육안으로 어떠한 응집 현상도 보이지 않았다. 6 nmole single stranded target DNA was added to a 100 μL DTT solution to break the disulfide bond (S-S) to make DNA having thiol (-SH) groups as end groups. The target DNA was then purified on PD-10 column. DNA location was detected at 260 nm absorption wavelength using a UV-visible spectrophotometer and the concentration of the single stranded target DNA was calculated by Beer's law. Thereafter, the 100 μL probe DNA was added to the gold nanoparticles (1 mL) prepared in Example 1-1. The final product of the finally obtained probe DNA-gold nanoparticle solution showed red color and showed no aggregation phenomenon visually.

실시예Example 1-3 1-3

그래핀Graphene 산화물 제조 Oxide manufacturing

그래핀 산화물을 변형된 Hummer법에 의하여 제조하였다. 0.06mg의 그래핀 산 화물을 N,N-디메틸포르아미드(DMF) 300μL에 현탁시키고, 상기 그래핀 산화물 DMF 현탁 용액에 2.1μmole의 Sulfo-NHS를 첨가하였다. 이후, 이를 보텍스에 두고 1시간 동안 혼합, 반응시켰다. 이후 3nmole의 아민-단일 스트랜드 DNA를 첨가하고, 보텍스 상에서 2시간 동안 혼합, 반응시켰다. 반응하지 않은 EDC, Sulfo-NHS 및 NH2-DNA를 14,000rpm에서 30분간 3번 원심분리하여 제거하였다.Graphene oxide was prepared by the modified Hummer method. 0.06 mg of graphene oxide was suspended in 300 μL of N, N-dimethylformamide (DMF), and 2.1 μmole of Sulfo-NHS was added to the graphene oxide DMF suspension solution. Thereafter, it was placed in the vortex and mixed and reacted for 1 hour. 3 nmole of amine-single strand DNA was then added and mixed and reacted for 2 hours on the vortex. Unreacted EDC, Sulfo-NHS and NH 2 -DNA were removed by centrifugation three times for 30 minutes at 14,000 rpm.

실시예Example 1-4 1-4

그래핀Graphene 상에 아민-단일  Amine-single phase 스트랜드Strand DNADNA (( NHNH 22 -- ssDNAssDNA )의 결합) Combination

실시예 1-3의 그래핀 산화물(0.2mg/mL) 용액 2μL를 아민-유리 슬라이드상에 피펫으로 옮긴 후, 상온에서 건조하고, 10분간 3회에 걸쳐 탈이온수(D.I)로 세척하고, 질소로 건조시켰다. 이전 0.1M MES 완충액에서 제조된 1μL EDC(26nmole)와 1μL Sulfo-NHS(260nmole)를 그래핀 필름상에 피펫으로 옮겨, 떨어뜨리고, 1시간 동안 습식 챔버에서 인큐베이션 하였다. 다음, NH2-단일 스트랜드 DNA(0.17nmole, 프로브 DNA) 1μL를 그래핀 산화물 필름상에 떨어뜨린 후, 습식 챔버에서 10시간 동안 두어 그래핀 산화물과 프로브 DNA 결합을 진행하였다. 2 μL of the graphene oxide (0.2 mg / mL) solution of Example 1-3 was pipetted onto an amine-glass slide, dried at room temperature, washed three times for 10 minutes with DI water, and nitrogen. Dried over. 1 μL EDC (26 nmole) and 1 μL Sulfo-NHS (260 nmole), previously prepared in 0.1 M MES buffer, were pipetted onto a graphene film, dropped, and incubated in a wet chamber for 1 hour. Next, 1 μL of NH 2 -single strand DNA (0.17 nmole, probe DNA) was dropped on the graphene oxide film, and then placed in a wet chamber for 10 hours to proceed with graphene oxide and probe DNA binding.

실시예Example 1-5 1-5

표적 Target DNADNA Wow 그래핀Graphene 산화물의  Oxide 혼성화Hybridization

단일 스트랜드인 표적 DNA가 결합한 15nm 직경의 금 나노입자(0.02pmole) 2 μL를 그래핀 산화물 필름 상에 떨어뜨린 후, 습식 챔버에서 10 시간동안 혼성화한 후, 10분간 3회에 걸쳐 탈이온수(D.I)로 세척하고, 질소로 건조시켰다2 μL of 15 nm diameter gold nanoparticles (0.02 pmole) bound by a single strand of target DNA were dropped onto the graphene oxide film, hybridized in a wet chamber for 10 hours, and then deionized (DI) for 3 times in 10 minutes. ) And dried with nitrogen

실시예Example 2 2

항원 antigen 센싱Sensing

실시예 1-1의 금 나노입자 및 실시예 1-3의 그래핀 산화물을 사용하여 항원-항체간의 결합에 따른 바이오 센싱 효과를 실험하였다.The gold nanoparticles of Example 1-1 and the graphene oxide of Examples 1-3 were used to test the biosensing effect of antigen-antibody binding.

실시예Example 2-1 2-1

항체 결합 Antibody binding 그래핀Graphene 산화물 제조 Oxide manufacturing

1 mg/mL 농도의 그래핀 산화물(GO) 용액을 아민(NH2)으로 전처리한 유리기판 위에 1 ㎕씩 떨어뜨리고, 1시간 동안 상온에서 건조시켰다. 건조 후, 증류수에 15분씩 3번 세척하였다. 이후, 130 pmol/L (in 0.1 M MES (2-[morpholino]ethanesulfonic acid) buffer) 농도의 EDC(1-ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl] carbodiimide Hydrochloride, Pierce)를 1 ㎕ 주입하고 습한 조건(moisture condition)에서 1 시간 인큐베이션하고, 다시 증류수에 5분 정도 세척하였다. 1 μg / mL solution of graphene oxide (GO) was dropped on the glass substrate pretreated with amine (NH 2) by 1 μl and dried at room temperature for 1 hour. After drying, the mixture was washed three times with 15 minutes each in distilled water. Then, 1 μl of EDC (1-ethyl-3- [3-dimethylaminopropyl] carbodiimide Hydrochloride, Pierce) at a concentration of 130 pmol / L (in 0.1 M MES (2- [morpholino] ethanesulfonic acid) buffer) was injected and moist conditions ( 1 hour incubation in a moisture condition) and washed again with distilled water for 5 minutes.

다시, 320 pmol/L (in 0.1 M MES (2-[morpholino]ethanesulfonic acid) buffer) 농도의 Sulfo-NHS (N-hydroxysulfo succinimide, Pierce)를 1 ㎕ 주입하고 습한 조건(moisture condition)에서 1시간 인큐베이션하였다. 이후, 1.29 mg/ml 농도의 항체(Rotavirus monoclonal antibody, Fitzerald 10-R30A)를 1.5 ㎕ 주입하고 습한 조건(moisture condition)에서 최소 12시간 정도 인큐베이션 하고, 항체가 주입된 부분을 PBS buffer로 세척하고 2시간 동안 인큐베이션시켰다. Again, inject 1 μl of Sulfo-NHS (N-hydroxysulfo succinimide, Pierce) at a concentration of 320 pmol / L (in 0.1 M MES (2- [morpholino] ethanesulfonic acid) buffer) and incubate for 1 hour under moist conditions. It was. Then, 1.5 μl of a 1.29 mg / ml antibody (Rotavirus monoclonal antibody, Fitzerald 10-R30A) was injected, incubated for at least 12 hours in a moist condition, and the antibody injected portion was washed with PBS buffer. Incubate for hours.

실시예Example 2-2 2-2

항원 결합 및 표지화Antigen Binding and Labeling

항체 결합 그래핀 산화물 중 특정 스폿에만 항원(Rotavirus, 105 PFU/ml) 1.5㎕를 주입하고, 습한 조건(moisture condition)에서 최소 12시간 인큐베이션시켰다. 이로써, 항원과 실시예 2-1의 항체를 결합시켰다. 이후, 항체-DNA-금 나노입자 (gold nanoparticle, 8.5 pmol/㎕) 중합체를 1.5 ㎕ 주입, 최소 12시간 이상 인큐베이션하고, 증류수에 15분씩 3번 세척하였다. 1.5 μl of the antigen (Rotavirus, 10 5 PFU / ml) was injected only to specific spots of the antibody-bound graphene oxide and incubated for a minimum of 12 hours in a humid condition. As a result, the antigen was bound to the antibody of Example 2-1. Thereafter, 1.5 μl injection of antibody-DNA-gold nanoparticle (gold nanoparticle, 8.5 μmol / μl) polymer was incubated for at least 12 hours and washed three times with distilled water for 15 minutes.

실험예Experimental Example 1 One

UVUV 분석 analysis

도 5는 본 발명의 그래핀 산화물(GO), 그래핀 산화물-단일 스트랜드 DNA(GO-ssDNA) 및 실시예 1의 그래핀 산화물- 혼성화된 DNA-금 나노입자 복합체(GO-dsDNA-AuNP)에 관한 UV-visible 흡광 스펙트럼이다. 여기에서 그래핀 산화물- 혼성화된 DNA-금 나노입자 복합체(GO-dsDNA-AuNP)는 그래핀 산화물의 프로브 DNA와 금 나노 입자의 표적 DNA가 상보적으로 결합된 구조를 의미한다.5 is graphene oxide (GO), graphene oxide-single strand DNA (GO-ssDNA) of the present invention and the graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticle complex (GO-dsDNA-AuNP) of Example 1 UV-visible absorption spectrum. Here, graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticle complex (GO-dsDNA-AuNP) refers to a structure in which a probe DNA of graphene oxide and a target DNA of gold nanoparticles are complementarily bound.

도 5를 참조하면, 그래핀 산화물은 230nm에서 전형적인 강한 흡수 밴드를 나타낸다. 반면, 그래핀 산화물-단일 스트랜드 DNA 스펙트럼은 DNA의 전형적인 흡수 피크(260nm)와 겹치는 피크가 보여주는데, 이는 아민-DNA와 그래핀 산화물 사이의 공유결합성 컨쥬게이션을 나타낸다. 상보적 DNA 결합에 의하여 얻어진 실시예 1의 그래핀 산화물-혼성화된 DNA-금 나노입자(GO-dsDNA-AuNP)는 519nm에서의 피크를 나타내는데 이것은 금 나노입자에 해당한다. 상기 결과는 본 발명에서 두 단일 스트랜드 DNA의 혼성화가 성공적으로 진행되었음을 나타낸다.Referring to FIG. 5, graphene oxide shows a typical strong absorption band at 230 nm. Graphene oxide-single strand DNA spectra, on the other hand, show peaks that overlap with the typical absorption peak (260 nm) of DNA, indicating a covalent conjugation between amine-DNA and graphene oxide. The graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticles (GO-dsDNA-AuNP) of Example 1 obtained by complementary DNA binding show peaks at 519 nm, corresponding to gold nanoparticles. The results indicate that hybridization of two single stranded DNAs was successful in the present invention.

실험예Experimental Example 2 2

형광 강도 변화 측정Fluorescence intensity change measurement

도 6은 그래핀 산화물(GO) 및 실시예 1의 그래핀 산화물-혼성화된 DNA-금 나노입자(GO-dsDNA-AuNP)에서의 형광 강도의 상대적 변화를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the relative change in fluorescence intensity in graphene oxide (GO) and graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticles of Example 1 (GO-dsDNA-AuNP).

도 6을 참조하면, 그래핀 산화물의 단일 스트랜드 DNA에 금 나노입자로 표지화된 표적 DNA가 상보적으로 결합한 경우, 형광 강도가 현저히 감소되는 것을 알 수 있다. 즉, 통상적인 그래핀 산화물은 높은 형광강도를 나타내지만, 15nm의 금 나노입자가 표지화된 표적 DNA가 혼성화 될 경우, 그래핀 산화물-혼성화된 DNA-금 나노입자(GO-dsDNA-AuNP)는 매우 낮은 형광 강도를 나타내는데, 이는 본 발명에서 DNA간의 상보적 결합에 의하여 그래핀 산화물에 연결된 금 나노입자가 그래핀 산화물의 고유한 형광 강도를 효과적으로 퀀칭, 감소시킨다는 것을 의미한다.Referring to FIG. 6, when the target DNA labeled with gold nanoparticles complementarily binds to a single stranded DNA of graphene oxide, it can be seen that the fluorescence intensity is significantly reduced. That is, conventional graphene oxide shows high fluorescence intensity, but when the target DNA labeled with 15 nm gold nanoparticles hybridizes, the graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticles (GO-dsDNA-AuNP) are very It shows a low fluorescence intensity, which means that the gold nanoparticles linked to the graphene oxide by the complementary binding between the DNA in the present invention effectively quench and reduce the intrinsic fluorescence intensity of the graphene oxide.

실험예Experimental Example 3 3

TEMTEM 분석 analysis

도 7a는 그래핀 산화물 시트의 TEM 이미지이다.7A is a TEM image of a graphene oxide sheet.

도 7a를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 산화물 필름은 표면에 약간의 주름이 있고, 에지 부분에는 선명한 접힘 구조가 있다는 것을 알 수 있다. NH2-단일 스트랜드 DNA를 상기 그래핀 산화물 용액에 첨가하여 그래핀 산화물의 카르복실기와 단일 스트랜드 DNA의 아민기 간의 화학반응을 유도하며, 아미드기를 형성하게 된다. 이로써, 아미드 결합에 의하여 단일 스트랜드 DNA는 그래핀 산화물과 공유 결합하게 되며, 이후, 15nm AuNP로 표지화된 표적 DNA로 혼성화시키게 된다. 도 7b는 혼성화된 후의 TEM 이미지이다.Referring to Figure 7a, it can be seen that the graphene oxide film according to the present invention has a slight wrinkles on the surface, and a sharp folded structure on the edge portion. NH 2 -single stranded DNA is added to the graphene oxide solution to induce a chemical reaction between the carboxyl group of the graphene oxide and the amine group of the single stranded DNA and form an amide group. As a result, the single stranded DNA covalently binds to the graphene oxide by amide bonding, and then hybridizes to the target DNA labeled with 15 nm AuNP. 7B is a TEM image after hybridization.

도 7b를 참조하면, 본 발명에서 제조된 그래핀 산화물 표면에서 COOH기는 에지부분에 형성될 뿐만 아니라, 그래핀 표면의 접힌 부분에도 존재하는 것을 알 수 있다. 즉, 종래의 그래핀 산화 공정에 의하여 그래핀 표면에 형성되는 COOH기는 그래핀 산화물 표면에도 형성되며, 이는 DNA 혼성화가 그래핀 표면에서도 이루어질 수 있다는 것을 의미한다.Referring to FIG. 7B, in the graphene oxide surface of the present invention, the COOH group is formed not only at the edge portion but also at the folded portion of the graphene surface. That is, the COOH group formed on the graphene surface by the conventional graphene oxidation process is also formed on the graphene oxide surface, which means that DNA hybridization can also be performed on the graphene surface.

도 7c는 lacey 탄소-코팅 그리드 상에서 제조된 실시예 1의 그래핀-혼성화된 DNA-금속 나노입자의 HRTEM-EDX 분석 결과이다.FIG. 7C is the result of HRTEM-EDX analysis of the graphene-hybridized DNA-metal nanoparticles of Example 1 prepared on a lacey carbon-coated grid. FIG.

도 7c를 참조하면, DNA 뉴클레오티드 염기의 인에 해당하는 피크가 나타나는 것을 알 수 있다. 하지만, 여기에서 질소 피크를 정확히 검출하는 것은 매우 어려웠는데, 이것은 탄소와 산소 피크와의 중첩 현상 때문으로 판단된다.Referring to Figure 7c, it can be seen that the peak corresponding to the phosphorus of the DNA nucleotide base appears. However, it was very difficult to accurately detect the nitrogen peak here, which is judged to be due to the overlapping phenomenon of carbon and oxygen peaks.

실험예Experimental Example 4 4

센싱Sensing 시스템 및 이에 따른 형광 강도 비교 Comparison of Systems and Their Fluorescence Intensities

본 발명에 따른 바이오 센싱 시스템은 그래핀 산화물의 형광 세기를 퀀칭시킬 수 있는 금속 나노입자를 이용하여 바이오 물질을 센싱, 검출한다. The biosensing system according to the present invention senses and detects a biomaterial using metal nanoparticles capable of quenching the fluorescence intensity of graphene oxide.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템의 모식도이다. 8 is a schematic diagram of a bio-sensing system according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센싱 시스템은 프로브 물질(예를 들면, DNA, 항체 등, 미도시)이 표면에 결합된 그래핀 산화물 어레이(820) 및 상기 그래핀 산화물 어레이 상의 표적 물질과 접촉할 수 있는 지를 분석하기 위한 표적 물질(미도시)을 포함한다. 이때, 상기 그래핀 산화물 어레이(820)는 유리와 같은 투명 기판(810)에 구비되며, 이로써, 상기 투명 기판(810) 외부에 구비된 측정부(830), 예를 들면 공초점 현미경, 형광분석기 등을 통하여, 상기 그래핀 산화물 어레이 내의 형광 강도 변화를 용이하게, 분석, 비교할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 센싱 시스템을 통하여 형광 강도의 변화가 검출되는 경우, 즉, 퀀칭 효과가 있는 경우는 표적 물질이 프로브 물질과 결합한 것으로 판단할 수 있고, 반대로 형광 강도의 변화가 없는 경우, 표적 물질과 프로브 물질간의 결합이 없는 것을 판단할 수 있다. Referring to FIG. 8, the biosensing system according to the present invention includes a graphene oxide array 820 having a probe material (eg, DNA, an antibody, etc.) bonded to a surface thereof, and a target material on the graphene oxide array. Target material (not shown) for analyzing whether it can be contacted with. In this case, the graphene oxide array 820 is provided on a transparent substrate 810 such as glass, whereby the measuring unit 830 provided outside the transparent substrate 810, for example, a confocal microscope, a fluorescence analyzer Etc., the fluorescence intensity change in the graphene oxide array can be easily analyzed and compared. That is, when a change in fluorescence intensity is detected through the sensing system according to the present invention, that is, when there is a quenching effect, it may be determined that the target material is bound to the probe material, and conversely, when there is no change in fluorescence intensity, It can be determined that there is no binding between the material and the probe material.

예를 들면, 본 발명의 실시예 1에서의 DNA 검출용 바이오 센싱 시스템은 아민으로 코팅된 투명 기판인 유리 기판을 포함하며, 상기 유리 기판 상에는 그래핀 산화물 시트를 적층되어 있다. 즉, 양전하를 띠는 NH3 +와 음전하를 띠는 기능기가 결합된 그래핀 산화물 시트는 정전기적 인력에 의하여 결합되며, 이로써 투명 기판상에 그래핀 산화물이 구비된다. 이때 상기 그래핀 산화물에는 프로브 DNA(즉, NH2-단일 스트랜드 DNA)가 결합되어 있는데, 이때 그래핀 산화물 표면과 프로브 DNA는 아미드기에 의하여 결합되며, 이는 상술한 바와 같다. 다음, 상기 그래핀 산화물에 표적 DNA를 접촉시키는데, 이때 상기 표적 DNA는 그래핀 산화물의 형광 세기를 할 수 있는 금속 나노입자, 즉, 15nm 금 나노입자로 표지화되어있다. 본 발명에 따른 DNA 검출장치는 또한 그래핀 산화물의 형광세기를 측정할 수 있는 형광 측정부를 구비하며, 상기 측정부를 통하여 금 나노입자가 그래핀 산화물에 연결되는 경우 발생하는 그래핀 산화물의 형광세기 감소를 검출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 측정부는 Axon GenePix 4000A 형광 리더기였으며, 532nm의 여기 파장에서 형광 세기를 분석하였다. For example, the biosensing system for DNA detection in Example 1 of the present invention includes a glass substrate, which is a transparent substrate coated with an amine, and a graphene oxide sheet is laminated on the glass substrate. That is, the group is a function strip is NH 3 + and negative strip-positively charged binding graphene oxide sheets are bonded by electrostatic attraction, and thus is provided with a graphene oxide on a transparent substrate. At this time, the graphene oxide is coupled to probe DNA (ie, NH 2 -single strand DNA), wherein the graphene oxide surface and the probe DNA are bound by an amide group, as described above. Next, the target DNA is contacted with the graphene oxide, wherein the target DNA is labeled with metal nanoparticles capable of fluorescence intensity of graphene oxide, that is, 15 nm gold nanoparticles. DNA detection apparatus according to the present invention also includes a fluorescence measuring unit for measuring the fluorescence intensity of the graphene oxide, the fluorescence intensity of the graphene oxide generated when the gold nanoparticles are connected to the graphene oxide through the measuring unit Can be detected. In one embodiment of the present invention, the measurement unit was an Axon GenePix 4000A fluorescence reader, and analyzed fluorescence intensity at an excitation wavelength of 532 nm.

도 9는 그래핀 산화물과 실시예 1의 그래핀 산화물-혼성화된 DNA-금 나노입자 사이의 평균 형광 강도를 비교한 이미지 및 그래프이다.FIG. 9 is an image and graph comparing the average fluorescence intensity between graphene oxide and graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticles of Example 1. FIG.

도 9를 참조하면, 금 나노입자가 상보적인 DNA 결합에 의하여 그래핀 산화물에 연결된 경우, 퀀칭 효과가 나타나며, 특히 녹색의 경우 86.8%의 퀀칭 효과를 나타내는 것을 알 수 있다(도 9의 (b) 참조). 상기 결과는 그래핀 산화물을 이용한 본 발 명의 바이오 센싱 방법이 DNA의 효과적 센싱을 가능하게 하는 것을 의미한다. 더 나아가, 그래핀 산화물 자체의 형광 특성을 이용하는 본 발명은 인체 및 환경에 유해한 염료의 사용을 피할 수 있게 할 뿐만 아니라, 효과적인 바이오 센서로서 기능할 수 있게 한다. Referring to FIG. 9, when the gold nanoparticles are connected to graphene oxide by complementary DNA binding, a quenching effect is observed, and in particular, in the case of green, the quenching effect is 86.8% (FIG. 9B). Reference). The results indicate that the biosensing method of the present invention using graphene oxide enables effective sensing of DNA. Furthermore, the present invention, which utilizes the fluorescent properties of graphene oxide itself, not only avoids the use of dyes that are harmful to humans and the environment, but also allows them to function as effective biosensors.

도 10은 실시예 2에 따른 형광 강도 변화를 측정한 이미지로서, 좌측 2개 열의 형광 측정 이미지는 그래핀 산화물의 형광 이미지이고, 우측 2개 열은 항원-항체-항원 결합 후의 형광이미지이다. 도 10을 참조하면, 항원과 금 입자 표지된 항체가 결합 후 측정된 형광 이미지의 형광 강도는 감소된 것을 알 수 있으며, 본 발명은 그래핀 산화물의 이러한 형광 강도 변화를 이용, 원하는 바이오 물질의 존재 여부를 별도 염료의 사용 없이 효과적으로 검출, 센싱할 수 있다. 더 나아가, 상기 좌측 2개 열의 형광 측정 이미지를 통하여, 유리 기판에서 프로브 물질인 항체가 결합된 위치를 정확히 분석할 수 있다. 10 is an image of measuring the change in fluorescence intensity according to Example 2, wherein the left two columns of fluorescence measurement images are fluorescence images of graphene oxide, and the right two columns are fluorescence images after antigen-antibody-antigen binding. Referring to FIG. 10, it can be seen that the fluorescence intensity of the fluorescent image measured after binding of the antigen and the gold particle labeled antibody is reduced. Whether or not it can be effectively detected and sensed without the use of a separate dye. Furthermore, the fluorescence measurement images of the two left columns can accurately analyze the binding position of the antibody as the probe material on the glass substrate.

도 1은 본 발명에 따른 바이오 센싱의 기본 개념을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a basic concept of bio-sensing according to the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 산화물-DNA-금 나노입자간의 상호반응을 설명하는 도면이다.2 is a diagram illustrating an interaction between graphene oxide-DNA-gold nanoparticles according to an embodiment of the present invention.

도 3a 및 3b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 항원을 검출하는 개념을 설명하는 도면이다.3A and 3B illustrate a concept of detecting an antigen according to another embodiment of the present invention.

도 4는 항체에 금 나노입자를 연결시키는 합성 방법을 나타내는 모식도이다.4 is a schematic diagram showing a synthetic method of linking gold nanoparticles to an antibody.

도 5는 본 발명의 그래핀 산화물(GO), 그래핀 산화물-단일 스트랜드 DNA(GO-ssDNA) 및 실시예 1의 그래핀 산화물-혼성화된 DNA-금 나노입자 복합체(GO-dsDNA-AuNP)에 관한 UV-visible 흡광 스펙트럼이다.5 is graphene oxide (GO), graphene oxide-single strand DNA (GO-ssDNA) of the present invention and the graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticle complex (GO-dsDNA-AuNP) of Example 1 UV-visible absorption spectrum.

도 6은 그래핀 산화물(GO) 및 실시예 1의 그래핀 산화물-혼성화된 DNA-금 나노입자(GO-dsDNA-AuNP)에서의 형광 강도의 상대적 변화를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the relative change in fluorescence intensity in graphene oxide (GO) and graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticles of Example 1 (GO-dsDNA-AuNP).

도 7a는 그래핀 산화물 시트의 TEM 이미지, 도 7b는 혼성화된 후의 TEM 이미지이고, 도 7c는 lacey 탄소-코팅 그리드 상에서 제조된 실시예 1의 그래핀-혼성화된 DNA-금속 나노입자의 HRTEM-EDX 분석 결과이다.FIG. 7A is a TEM image of a graphene oxide sheet, FIG. 7B is a TEM image after hybridization, and FIG. 7C is an HRTEM-EDX of the graphene-hybridized DNA-metal nanoparticle of Example 1 prepared on a lacey carbon-coated grid. The result of the analysis.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템의 모식도이다.8 is a schematic diagram of a bio-sensing system according to an embodiment of the present invention.

도 9는 그래핀 산화물과 실시예 1의 그래핀 산화물-혼성화된 DNA-금 나노입자 사이의 평균 형광 강도를 비교한 이미지 및 그래프이다.FIG. 9 is an image and graph comparing the average fluorescence intensity between graphene oxide and graphene oxide-hybridized DNA-gold nanoparticles of Example 1. FIG.

도 10은 실시예 2에 따른 형광 강도 변화를 측정한 이미지로서, 좌측 2개 열의 형광 측정 이미지는 그래핀 산화물의 형광 이미지이고, 우측 2개 열은 항체-항 원-항체 결합 후의 형광이미지이다.10 is an image of measuring the change in fluorescence intensity according to Example 2, wherein the left two columns of fluorescence measurement images are fluorescence images of graphene oxide, and the right two columns are fluorescence images after antibody-antigen-antibody binding.

Claims (20)

금속 입자로 표지화된 표적 물질; 및Target material labeled with metal particles; And 형광 특성을 나타내는 그래핀 산화물에 결합된 프로브 물질을 포함하며, 여기에서 상기 표적 물질과 프로브 물질이 결합하는 경우 상기 표적 물질의 금속 입자가 상기 그래핀 산화물의 형광 특성을 감소시키는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.And a probe material bound to graphene oxide exhibiting fluorescence properties, wherein the target particles and the probe material bind to each other, wherein the metal particles of the target material reduce the fluorescence properties of the graphene oxide. sensor. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 표적 및 프로브 물질은 DNA인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The target and probe material is a biosensor, characterized in that the DNA. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 표적 및 프로브 물질은 각각 항원 및 항체인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.And the target and probe substances are antigens and antibodies, respectively. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 입자는 상기 그래핀 산화물의 형광 강도를 감소시킬 수 있는 금속 나노입자인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The metal particles are biosensors, characterized in that the metal nanoparticles that can reduce the fluorescence intensity of the graphene oxide. 제 4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 금속 나노입자는 금 나노입자인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The metal nanoparticle is a biosensor, characterized in that the gold nanoparticles. 제 2항에 있어서, 3. The method of claim 2, 상기 표적 DNA와 프로브 DNA는 단일 스트랜드 DNA인 것을 특징으로 하는 DNA 검출용 바이오 센서.The target DNA and the probe DNA is a single-stranded DNA, characterized in that the biosensor for DNA detection. 제 2항에 있어서, 3. The method of claim 2, 상기 표적 DNA 및 금속 입자는 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The biosensor, characterized in that the target DNA and the metal particles are connected to each other. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 항원 및 상기 금속 입자는 고분자에 의하여 연결된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The antigen and the metal particles are biosensor, characterized in that connected by a polymer. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, The method according to claim 7 or 8, 상기 고분자는 단일 스트랜드 DNA인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The polymer is a biosensor, characterized in that the single strand DNA. 프로브 물질이 표면에 결합된 그래핀 산화물에 금속입자로 표지화된 표적 물질을 접촉시키는 단계; 및Contacting a target material labeled with a metal particle with graphene oxide having a probe material bound to a surface thereof; And 상기 접촉 전, 후의 상기 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함 하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.And measuring the graphene oxide fluorescence intensity before and after the contact. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 금속 입자는 상기 그래핀 산화물의 형광 강도를 감소시킬 수 있는 금속 나노입자인 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.The metal particles are bio-sensing method, characterized in that the metal nanoparticles that can reduce the fluorescence intensity of the graphene oxide. 제 11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 금속은 금인 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.And said metal is gold. 프로브 DNA가 표면에 결합된 그래핀 산화물에 금속입자로 표지화된 표적 DNA를 접촉시키는 단계; 및Contacting a target DNA labeled with a metal particle with graphene oxide having a probe DNA bound to a surface thereof; And 상기 접촉 전, 후의 상기 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.And measuring the graphene oxide fluorescence intensity before and after the contact. 제 13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 DNA는 단일 스트랜드인 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.Biosensing method, characterized in that the DNA is a single strand. 제 13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 표적 DNA와 프로브 DNA가 상보적으로 결합하는 경우, 상기 그래핀 산화물의 형광 강도가 감소하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.Bio-sensing method characterized in that when the target DNA and the probe DNA complementarily bind, the fluorescence intensity of the graphene oxide is reduced. 항체가 표면에 결합된 그래핀 산화물에 금속입자로 표지화된 항원을 접촉시키는 단계; 및Contacting an antigen labeled with a metal particle with graphene oxide having an antibody bound to the surface thereof; And 상기 접촉 전, 후의 상기 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.And measuring the graphene oxide fluorescence intensity before and after the contact. 항체가 표면에 결합된 그래핀 산화물에 항원을 제 1 접촉시키는 단계;First contacting the antigen with graphene oxide, to which the antibody is bound to a surface; 상기 항원에 특이적으로 결합하며, 금속 입자로 표지화된 또 다른 항체를 상기 항원에 제 2 접촉시키는 단계; 및 Second contacting another antigen specifically binding to said antigen and labeled with a metal particle; And 금속입자로 표지화된 상기 또 다른 항체 접촉후의 그래핀 산화물 형광 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.And measuring the graphene oxide fluorescence intensity after contact with the another antibody labeled with metal particles. 제 17항에 있어서, The method of claim 17, 상기 금속입자와 상기 또 다른 항체는 단일 스트랜드 DNA에 의하여 연결되며, 상기 DNA는 50 내지 300 염기쌍을 갖는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법. The metal particle and the another antibody is connected by a single stranded DNA, wherein the DNA has a bio-sensing method characterized in that it has 50 to 300 base pairs. 제 17항에 있어서, The method of claim 17, 상기 항원과 상기 또 다른 항체가 결합하는 경우, 상기 그래핀 산화물의 형광강도가 감소하는 것을 특징으로 하는 바이오 센싱 방법.Bio-sensing method characterized in that the fluorescence intensity of the graphene oxide is reduced when the antigen and the other antibody binds. 투명 기판;Transparent substrates; 상기 투명 기판상에 구비되며, 프로브 물질이 표면에 결합된 그래핀 산화물 어레이; A graphene oxide array provided on the transparent substrate and having a probe material bonded to a surface thereof; 상기 그래핀 산화물의 형광 강도를 감소시킬 수 있는 금속입자로 표지화된 표적 물질; 및 A target material labeled with a metal particle capable of reducing the fluorescence intensity of the graphene oxide; And 상기 표적 물질이 상기 프로브 물질에 결합하는 경우, 감소되는 그래핀 산화물의 형광 강도를 측정할 수 있는 측정부를 포함하는 바이오 센싱 시스템.And a measurement unit capable of measuring the fluorescence intensity of the graphene oxide that is reduced when the target material binds to the probe material.
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