KR20110071336A - Gold nano particles and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A nanoparticle cluster and a manufacturing method thereof are provided to control a size and optical features of the gold nanoparticle cluster by controlling amounts of a cross-linking agent and a receptor. CONSTITUTION: The nanoparticle cluster is composed of a gold nanoparticle, a cross-linking agent combining the gold nanoparticles to each other; and a receptor. One end side of the receptor is combined in the surface of the gold nanoparticle. A recognition part of target materials is exposed to the outside of the nanoparticle cluster. The cross-linking agent contains a chain type organic molecule selected among diaminoalkane, dithiol and dicarboxylate which have an amine functional group(-NH2), a thiol(-SH) and a carboxyl functional group(-COO-) in the respective chain both ends. The cross-linking agent is included to the receptor at a rate of 10-40 mole per the receptor Gram formula weight. The manufacturing method of the gold nanoparticle cluster includes following steps.(a) The gold nanoparticle is manufactured.(b) The gold nanoparticle, the receptor and the cross-linking agent are mixed.(c) An aqueous solution of sodium chloride is added.

Description

금 나노입자 클러스터 및 그 제조 방법{GOLD NANO PARTICLES AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}GOLD NANO PARTICLES AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME

본 발명은 바이오 센서로 유용하게 이용될 수 있는 금 나노입자 클러스터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금 나노입자, 상기 금 나노입자를 상호 결합시키는 가교제, 및 한쪽 말단은 상기 금 나노입자 표면에 결합되고, 표적물질 인지부위는 상기 금 나노입자 클러스터의 외부로 노출되는 리셉터로 구성된 금 나노입자 클러스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cluster of gold nanoparticles that can be usefully used as a biosensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to gold nanoparticles, a crosslinking agent for bonding the gold nanoparticles to each other, and one end of the gold nanoparticles. The gold nanoparticle cluster coupled to the surface, and the target material recognition site is composed of a receptor exposed to the outside of the gold nanoparticle cluster, and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명은 상기 금 나노입자 클러스터를 이용한 바이오 센서에 관한 것이다.The present invention also relates to a biosensor using the gold nanoparticle cluster.

금속 나노입자를 이용하여 생체 물질(디옥시리보오스 핵산(DNA), 단백질 등)을 검출하는 방법에 관한 연구는 약 10년 전부터 많은 발전이 이루어지고 있으며, 새로운 플랫폼 기술에 의한 바이오 센서가 개발되고 있다. 금 나노입자는 특이적인 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 에 의한 물질적, 화학적 및 광 학적 성질을 나타내며, 이러한 성질은 바이오 분자의 신호 검출에 주로 이용된다.Research on a method of detecting a biomaterial (deoxyribose nucleic acid (DNA), protein, etc.) using metal nanoparticles has been progressing for about 10 years, and a biosensor based on a new platform technology is being developed. Gold nanoparticles exhibit physical, chemical and optical properties due to specific surface plasmon resonance, which is mainly used for signal detection of biomolecules.

표면 플라즈몬 공명 현상이란 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동에 의하여 발생한 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave)가 금속과 사이에 인접한 유전물질의 경계 면을 따라 진행하는 표면전자기파로 여기 되어 공명 흡수 효과가 일어나는 현상이다. 이는 금속 표면에서 발생하는 유전체(dielectric constant)의 물리적 변화, 즉 농도, 두께 굴절률 변화를 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 나노 수준의 계면 현상을 분석하는 신호 변환 기법의 일환으로 물질을 정량적으로 분석하기 위한 다양한 센서들이 고안되고 있다.Surface plasmon resonance is a surface plasmon wave generated by the collective vibration of electrons on the surface of a metal thin film, which is excited by surface electromagnetic waves traveling along the interface of the dielectric material adjacent to the metal. It is a phenomenon. It is possible to precisely measure the physical change of the dielectric constant occurring in the metal surface, that is, the change in concentration and thickness refractive index, so that the quantitative analysis of the material is a part of the signal conversion technique for analyzing nanoscale interface phenomena. Various sensors have been devised.

특히 이러한 표면 플라즈몬 파가 금속 나노입자에서 발생할 경우 나노입자 표면에서 국소 표면 플라즈몬 파로 나타나며, 이러한 현상에 의하여 나노입자 용액이 가시광선 하에서 특이한 색을 나타내므로, 대상 물질 측정에 의한 표면의 미세한 변화를 색 변화로 쉽게 검출 할 수 있기 때문에 표식자(labeling)없이 바이오 센서 또는 화학 센서로 활용될 것으로 알려지고 있다.In particular, when the surface plasmon wave occurs in the metal nanoparticles, it appears as a local surface plasmon wave on the surface of the nanoparticles, and because of this phenomenon, the nanoparticle solution exhibits a specific color under visible light. It is known to be used as a biosensor or chemical sensor without labeling because it can be easily detected by change.

금 나노입자를 이용하는 방법은 기존의 형광 물질을 부착시켜 어레이(array)를 형성하는 기술들에 비하여 보다 뛰어난 감도를 가지고 빠르고 용이한 분석을 가능케 하며 높은 재현성을 나타낼 수 있다. 또한, 금 나노입자는 표면에 다양한 유기 분자들과 안정한 결합을 형성할 수 있으며, 생체 물질(올리고뉴클레오티드 및 단백질 등)이 본래의 구조를 유지할 수 있는 높은 생리적인 염 농도에서도 안정한 결합 상태를 유지할 수 있는 등 여러 가지 장점을 가지고 있다.The method using gold nanoparticles can provide faster and easier analysis with higher sensitivity and show high reproducibility compared to technologies for attaching fluorescent materials to form an array. In addition, gold nanoparticles can form stable bonds with various organic molecules on the surface, and can maintain stable bonds even at high physiological salt concentrations in which biological materials (eg, oligonucleotides and proteins) can maintain their original structure. It has several advantages.

따라서, 상기 금 나노입자를 이용한 바이오 센서가 리셉터로서 생체 물질인 올리고뉴클레오티드(DNA의 절편) 또는 단백질을 이용하는 경우, 올리고뉴클레오티드는 상보적인 염기서열을 가지는 표적 DNA와 강한 수소 결합을 형성할 수 있고, 단백질은 항원-항체 반응을 통하여 표적 단백질과 강한 결합을 형성할 수 있어 특정 표적물질의 검출을 가능하게 한다.Therefore, when the biosensor using the gold nanoparticles uses oligonucleotides (fragments of DNA) or proteins as biological materials as the receptors, the oligonucleotides may form strong hydrogen bonds with target DNA having complementary sequences. Proteins can form strong bonds with target proteins through antigen-antibody reactions, allowing detection of specific targets.

그러나, 종래 금 나노입자를 이용한 바이오 센서의 경우, 형성되는 금 나노입자의 크기 조절이 가능하지 않아 바이오 센서로서 기능하기 어렵다는 문제점이 있었다. 따라서, 금 나노입자의 크기를 다양하게 조절할 수 있는 방법 및 이를 활용한 다양한 발색이 가능한 바이오 센서의 개발이 요구되었다.However, the conventional biosensor using gold nanoparticles has a problem in that it is difficult to control the size of the gold nanoparticles to be formed and thus function as a biosensor. Therefore, the development of a method for controlling the size of the gold nanoparticles in various ways and the development of a biosensor capable of various colors using the same has been required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 금 나노입자 클러스터, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 바이오 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a gold nanoparticle cluster, a manufacturing method thereof, and a biosensor using the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 금 나노입자, 상기 금 나노입자를 결합시키는 가교제, 및 한쪽 말단은 상기 금 나노입자 표면에 결합되고, 표적물질 인지부위는 상기 금 나노입자 클러스터의 외부로 노출되는 리셉터로 구성된 금 나노입자 클러스터를 제공한다.One embodiment of the present invention for solving the above problems is a gold nanoparticles, a crosslinking agent for binding the gold nanoparticles, and one end is bonded to the surface of the gold nanoparticles, the target material recognition site of the gold nanoparticle cluster It provides a cluster of gold nanoparticles consisting of receptors exposed to the outside.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 금 나노입자를 제조하는 단계, 상기 금 나노입자, 표적물질과 결합 또는 반응할 수 있는 표적물질 인지부위를 포함하는 리셉터 및 가교제를 혼합하는 단계, 및 염화나트륨 수용액을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금 나노입자 클러스터의 제조 방법을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a gold nanoparticles, the gold nanoparticles, the step of mixing a receptor and a crosslinking agent comprising a target material recognition site that can bind or react with the target material, and aqueous sodium chloride solution It provides a method for producing a gold nanoparticle cluster comprising the step of adding.

또한, 본 발명의 일 실시예는 상기 금 나노입자 클러스터를 이용하여 상기 리셉터의 표적물질 인지부위와 결합하거나 반응하는 표적물질을 검출하는 바이오 센서를 제공한다.In addition, an embodiment of the present invention provides a biosensor for detecting a target material that binds to or reacts with a target material recognition site of the receptor using the gold nanoparticle cluster.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 본 발명을 상세히 설명한다.The above objects, features, and advantages will become more apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노입자 클러스터는 금 나노입자, 상기 금 나노입자를 상호 결합시키는 가교제, 및 한쪽 말단은 상기 금 나노입자 표면에 결합되고, 표적물질 인지부위는 상기 금 나노입자 클러스터의 외부로 노출되는 리셉터를 포함하는 것을 특징으로 한다.Gold nanoparticle cluster according to an embodiment of the present invention is a gold nanoparticle, a crosslinking agent for bonding the gold nanoparticles, and one end is bonded to the surface of the gold nanoparticles, the target material recognition site is the gold nanoparticle cluster It characterized in that it comprises a receptor exposed to the outside.

금 나노입자는 여러 가지 유기 분자들과의 친화력이 강하여, 유기 분자와 안정한 결합을 형성할 수 있으며, DNA 또는 단백질과 같은 생체 거대 분자들이 원래의 구조를 유지할 수 있는 높은 생리적인 염 농도 상태에서도 높은 안정성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 있어서는 금 나노입자 상호간을 가교제로 결합시키고, 그 표면에 리셉터를 결합시킴으로써 형성되는 금 나노입자 클러스터에 있어서, 상기 금 나노입자 클러스터의 크기를 가교제와 리셉터의 양을 조절함에 따라 조절할 수 있어, 다양한 광학 특성을 나타낼 수 있는 바이오 센서로의 적용이 가능하다.Gold nanoparticles have strong affinity with many organic molecules, which can form stable bonds with organic molecules, even at high physiological salt concentrations where biomolecules such as DNA or proteins can maintain their original structure. Have stability. Therefore, in the present invention, in the gold nanoparticle cluster formed by bonding gold nanoparticles to each other with a crosslinking agent and bonding a receptor to the surface thereof, the size of the gold nanoparticle cluster is controlled by controlling the amount of the crosslinking agent and the receptor. It is possible to apply to a biosensor that can exhibit various optical properties.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 금 나노입자의 크기는 1 ㎚ 내지 1000 ㎚임이 바람직하고, 1 ㎚ 내지 500 ㎚임이 보다 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the size of the gold nanoparticles is preferably 1 nm to 1000 nm, more preferably 1 nm to 500 nm, but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노입자 클러스터를 이루는 금 나노입자는 가교제에 의해 서로 결합될 수 있다. 상기 가교제는 아민 작용기(-NH2), thiol(-SH), 및 carboxyl 작용기(-COO-)가 각각 사슬 양단에 위치한 diaminoalkane, dithiol, 및 dicarboxylate 중에서 선택된 일 종의 사슬형 유기분자를 포함할 수 있으며, 이중에서 thiol 기를 사슬 양단에 포함하는 dithiol 이 바람직하다. dithiol로서는 디티오쓰레톨(Dithiothretol)이 가장 바람직하다.In addition, gold nanoparticles forming a gold nanoparticle cluster according to an embodiment of the present invention may be bonded to each other by a crosslinking agent. The crosslinking agent may include one type of chained organic molecule selected from diaminoalkane, dithiol, and dicarboxylate in which an amine functional group (-NH2), thiol (-SH), and a carboxyl functional group (-COO-) are positioned across the chain, respectively. Of these, dithiol containing thiol groups at both ends of the chain is preferable. Dithiothretol is most preferred as dithiol.

본 발명의 일 실시예에서, 리셉터는 표적물질과 결합 또는 반응할 수 있는 표적물질 인지부위를 포함한다.In one embodiment of the invention, the receptor comprises a target material recognition site capable of binding or reacting with the target material.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 리셉터와 표적물질과의 결합 또는 반응은 공유결합, 수소결합, 항원-항체 반응 또는 정전기적 인력에 의하여 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the binding or reaction of the receptor and the target material may be performed by covalent bonds, hydrogen bonds, antigen-antibody reactions or electrostatic attraction, but is not limited thereto.

이러한 리셉터의 비 제한적 예는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 항체, 핵산, 올리고뉴클레오티드, 지질, 코펙터 및 탄수화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상일 수 있다.Non-limiting examples of such receptors can be one or more selected from the group consisting of enzyme substrates, ligands, amino acids, peptides, proteins, antibodies, nucleic acids, oligonucleotides, lipids, cofactors and carbohydrates.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 리셉터는 그 한쪽 말단이 상기 금 나노입자 클러스터 표면에 결합되고, 상기 표적물질 인지부위는 상기 금 나노입자 클러스터 외부로 노출되게 된다.In one embodiment of the present invention, one end of the receptor is coupled to the surface of the gold nanoparticle cluster, the target material recognition site is exposed to the outside of the gold nanoparticle cluster.

본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노입자 클러스터는 리셉터로 디옥시리보뉴클레오티드(DNA)를 포함할 수 있다.Gold nanoparticle cluster according to an embodiment of the present invention may include a deoxyribonucleotide (DNA) as a receptor.

전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 있어서는, 기본적으로 금 나노입자가 가교제에 의하여 상호 결합되어 클러스터를 형성하고, 그 한쪽 말단이 금 나노입자 클러스터 표면에 결합된 리셉터의 표적 물질 인지부위는 금 나노입자 클러스터의 외부로 노출되게 된다.As described above, in one embodiment of the present invention, the gold nanoparticles are basically bonded to each other by a crosslinking agent to form a cluster, and the target material recognition site of the receptor whose one end is bonded to the surface of the gold nanoparticle cluster is gold. Exposed to the outside of the nanoparticle cluster.

본 발명에 따르면, 금 나노입자가 서로 가교제에 의해 결합되어 클러스터를 형성하는데 있어서, 가교제와 리셉터의 비율에 따라 형성되는 클러스터의 크기를 조절함으로써 다양한 광학적 특성을 이용한 신호 증폭 특성을 효율적으로 이용할 수 있다. 본 발명에 있어서 리셉터 1 몰당 가교제는 10몰 내지 40몰 비로 포함하 는 것이 금 나노입자 클러스터의 크기 조절 및 발색 효과를 나타내는데 바람직하다. 따라서, 본 발명은 초고감도로 다양한 생체물질을 검출하는데 응용할 수 있으며, 더욱 정량적인 검출 결과를 얻을 수 있는 장점을 갖는다.According to the present invention, when the gold nanoparticles are bonded to each other by a crosslinking agent to form clusters, signal amplification characteristics using various optical properties can be efficiently utilized by controlling the size of the clusters formed according to the ratio of the crosslinking agent and the receptor. . In the present invention, it is preferable to include a crosslinking agent per mole of the receptor in a 10 to 40 molar ratio to exhibit the size control and color development effect of the gold nanoparticle cluster. Therefore, the present invention can be applied to detect various biological materials with very high sensitivity, and has an advantage of obtaining more quantitative detection results.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 리셉터는 상기 금 나노입자와의 결합을 매개하는 작용기를 더 포함할 수 있다. 상기 작용기의 예는 아민기, 카르복시기, 티올기 및 인산기로 이루어진 군에서 선택되는 일 이상일 수 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, the receptor may further comprise a functional group that mediates the bond with the gold nanoparticles. Examples of the functional group may be at least one selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group, a thiol group, and a phosphoric acid group.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노입자 클러스터의 제조방법은 금 나노입자를 제조하는 단계, 상기 금 나노입자, 표적물질과 결합 또는 반응할 수 있는 표적물질 인지부위를 포함하는 리셉터 및 가교제를 혼합하는 단계, 및 염화나트륨 수용액을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the method for producing a gold nanoparticle cluster according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a gold nanoparticles, the gold nanoparticles, a receptor and a crosslinking agent comprising a target material recognition site capable of binding or reacting with the target material It characterized in that it comprises the step of mixing, and adding an aqueous sodium chloride solution.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노입자 클러스터의 제조방법에 있어서, 상기 리셉터 1 몰당 상기 가교제는 10 몰 내지 40 몰 비로 포함하며, 상기 리셉터와 상기 가교제의 몰비에 따라 상기 금 나노입자 클러스터의 크기가 조절되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for producing a gold nanoparticle cluster according to an embodiment of the present invention, the crosslinking agent per mole of the receptor comprises a 10 to 40 molar ratio, the gold nanoparticle cluster according to the molar ratio of the receptor and the crosslinking agent The size of the is characterized in that it is adjusted.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노입자 클러스터의 제조방법에 있어서, 상기 염화나트륨 수용액은 0.1 내지 0.2 몰 농도로 첨가되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, in the method for producing a gold nanoparticle cluster according to an embodiment of the present invention, the sodium chloride aqueous solution is characterized in that it is added in a 0.1 to 0.2 molar concentration.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 금 나노입자는 표면 안정화제가 첨가된 상태 또는 첨가되지 않은 상태로 이용할 수 있다. 또한, 상기 금 나노입자는 유기용매 또는 수용액에 분산시킨 상태로 이용할 수 있으며, 수용액에 분산시킨 상태로 이용 하는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the gold nanoparticles may be used in a state in which the surface stabilizer is added or not added. In addition, the gold nanoparticles can be used in a state dispersed in an organic solvent or an aqueous solution, it is preferable to use in a state dispersed in an aqueous solution.

본 발명의 일 실시예에서, 금 나노입자는 여러 가지 유기 분자와의 친화력이 강하여 유기 분자와 안정한 결합을 형성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 표적물질과 결합 또는 반응할 수 있는 표적물질 인지부위를 포함하는 리셉터의 한쪽 말단을 공유결합 또는 정전기적 인력 등에 의하여 금 나노입자 표면에 결합시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, gold nanoparticles are known to have a strong affinity with various organic molecules can form a stable bond with the organic molecules. For example, one end of the receptor including the target material recognition site capable of binding or reacting with the target material may be bound to the surface of the gold nanoparticles by covalent bonding or electrostatic attraction.

한편, 본 발명의 일 실시예는 전술한 본 발명에 따른 금 나노입자 클러스터를 이용하여, 리셉터의 표적물질 인지 부위와 결합하거나 반응하는 표적물질을 검출하는 바이오 센서에 관한 것이다.On the other hand, an embodiment of the present invention relates to a biosensor for detecting a target material that binds or reacts with a target material recognition site of a receptor by using the gold nanoparticle cluster according to the present invention described above.

본 발명에 따른 바이오 센서는 금 나노입자 클러스터를 이용함으로써 우수한 광학적 특성 및 표적물질에 대한 특이적 결합 특성을 가지므로, 효율적이며 고감도로 다양한 생체물질 등의 표적물질에 대한 다중 검지가 가능하다.The biosensor according to the present invention has excellent optical properties and specific binding properties to target materials by using gold nanoparticle clusters, and thus, multiple detections of target materials such as various biological materials are possible with high efficiency and sensitivity.

한편, 본 발명의 일 실시예는 전술한 본 발명에 따른 바이오 센서를 이용하는 것을 특징으로 하는, 상기 바이오 센서의 리셉터의 표적물질 인지부위와 결합하거나 반응하는 표적물질의 검출방법에 관한 것이다.On the other hand, an embodiment of the present invention relates to a method for detecting a target material that binds to or reacts with a target material recognition site of a receptor of the biosensor, characterized in that it uses the biosensor according to the present invention described above.

상기 검출은 비색분석법, UV 분광법, 라만 분광법, 광학 현미경법, 전기 센싱법 및 스캐노메트릭법으로 이루어지는 군으로부터 어느 하나 이상을 이용하여 이루어질 수 있다.The detection may be performed using any one or more from the group consisting of colorimetric analysis, UV spectroscopy, Raman spectroscopy, optical microscopy, electric sensing method and scanometric method.

본 발명의 일 실시예에서, 표적물질은 바이오 센서의 리셉터의 표적물질 인지부위와 반응하거나 결합할 수 있는 물질로서, 생체 물질인 것이 바람직하다. 더 욱 바람직하게는 효소, 단백질, 핵산, 올리고뉴클레오티드, 올리고당, 펩티드, 아미노산, 탄수화물, 지질, 세포, 암세포, 암줄기세포, 항원, 압타머 또는 기타 생체유래의 물질이다.In one embodiment of the invention, the target material is a material that can react with or bind to the target material recognition site of the receptor of the biosensor, preferably a biomaterial. Even more preferred are enzymes, proteins, nucleic acids, oligonucleotides, oligosaccharides, peptides, amino acids, carbohydrates, lipids, cells, cancer cells, cancer stem cells, antigens, aptamers or other bioderived substances.

본 발명의 일 실시예에서, 리셉터로서 DNA 또는 올리고뉴클레오티드를 이용하는 경우, 표적물질과 리셉터의 표적물질 인지부위와의 결합은 상보적인 수소결합에 의하여 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 리셉터로서 단백질을 이용할 경우, 표적물질과 리셉터의 표적물질 인지부위와의 결합은 항원-항체 반응을 통해 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, when using a DNA or oligonucleotide as a receptor, the binding of the target material and the target material recognition site of the receptor may be made by complementary hydrogen bonding. Further, in another embodiment of the present invention, when using a protein as a receptor, the binding of the target material and the target material recognition site of the receptor may be made through an antigen-antibody reaction.

본 발명의 일 실시예에서, 리셉터로서 DNA 를 사용하고 표적 물질로서 DNA를 사용한 경우, 리셉터 DNA 와 표적 DNA 는 상보적 결합을 하지만, 온도를 Tm 이상으로 가열할 경우 상보적 결합이 해리되어 원래 상태로 복원되는 가역적 반응을 한다.In one embodiment of the present invention, when DNA is used as a receptor and DNA is used as a target material, the receptor DNA and the target DNA are complementary to each other, but when the temperature is heated above Tm, the complementary binding is dissociated. Reversible reaction to restore

이와 같이, 본 발명에 따른 금 나노입자 클러스터를 이용한 바이오 센서를 이용하면 원하는 특정 표적물질을 선택적 및 특이적으로 검출할 수 있다.As such, using the biosensor using the gold nanoparticle cluster according to the present invention, it is possible to selectively and specifically detect a specific target material of interest.

본 발명에 따른 나노입자 클러스터는 표면 플라즈몬 파가 발생하는 금속 나노입자라면 어떠한 금속으로도 제조되는 것이 가능하며, 구체적으로는 본 발명에 따른 금 이외에도 은, 금은 합금 등을 사용하여 나노입자 클러스터로 만들어질 수 있다.The nanoparticle cluster according to the present invention may be made of any metal as long as it is a metal nanoparticle generating surface plasmon waves. Specifically, in addition to gold according to the present invention, the nanoparticle cluster may be used as a nanoparticle cluster. Can be made.

본 발명에 따른 금 나노입자 클러스터는 제조 과정에서 첨가되는 가교제와 리셉터의 양을 조절함으로써 형성되는 금 나노입자 클러스터의 크기를 조절할 수 있으며, 그에 따라 우수한 광학적 특성을 발휘할 수 있다.Gold nanoparticle cluster according to the present invention can control the size of the gold nanoparticle cluster formed by adjusting the amount of the cross-linking agent and the receptor added in the manufacturing process, thereby can exhibit excellent optical properties.

본 발명에 따른 금 나노입자 클러스터를 이용한 바이오 센서는 표적물질, 특히 표적 생체 물질과 가역적 DNA 상보적 수소 결합에 따라 검출을 효율적으로 수행할 수 있으며, 생체 물질의 검출이 중요한 의학 및 약학 등의 분야에 다양하게 이용될 수 있다.The biosensor using the gold nanoparticle cluster according to the present invention can efficiently perform detection according to a target material, in particular, a reversible DNA complementary hydrogen bond with a target biomaterial, and the fields of medicine and pharmacy where detection of a biomaterial is important. It can be used in various ways.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

본 실시예에 사용된 금 나노입자는 염화금산(HAuCl4)의 사이트레이트 리덕션(citrate reduction)에 의해 합성되었으며, 티올기가 결합된 데옥시리보뉴클레오티드(DNA)는 Genotech에서 구입하여 티올기를 탈보호하여 사용하였다.The gold nanoparticles used in this example were synthesized by citrate reduction of geum chloride (HAuCl 4 ), and deoxyribonucleotides (DNA) bound to thiol groups were purchased from Genotech to deprotect the thiol groups. Used.

<실시예 1> DNA-금 나노입자 클러스터 제조Example 1 DNA-Gold Nanoparticle Cluster Preparation

<실시예 1-1> 금 나노입자의 제조Example 1-1 Preparation of Gold Nanoparticles

15 nm 크기의 구형 금 나노입자 용액 150 ml를 제조하기 위하여, 전구체 hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrate (HAuCl4,3H2O, Aldrich) 와 환원제 trisodium citrate (Na3C6H5O7,2H2O, Mallinckrodt)의 stock solution을 초순수를 용매로 하여 각각 0.254 mM 와 38.8 mM 의 농도로 준비하였다.To prepare 150 ml of 15 nm spherical gold nanoparticle solution, the precursors of hydrogen tetrachloroaurate (III) trihydrate (HAuCl 4 , 3H 2 O, Aldrich) and reducing agent trisodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 , 2H 2 O, Mallinckrodt) were prepared. The stock solution was prepared using ultrapure water as a solvent at concentrations of 0.254 mM and 38.8 mM, respectively.

준비된 HAuCl4의 stock solution, 50 ㎖을, 환류 냉각기에 연결된 플라스크에서 150℃로 가열하면서 강하게 교반(stirring)시켰다. 수용액이 끓기 시작하면 준비된 trisodium citrate의 stock solution 38.8 ㎖를 첨가하였다. 용액의 색깔이 노란색에서 dark red로 변하였으며 색깔이 변한 뒤에 5분간 가열을 계속하였고 이후 상온으로 천천히 냉각시켰다. 제조된 금 나노입자의 TEM 사진을 도 1 에 나타내었으며, 지름은 15 nm 이었다.50 mL of the prepared stock solution of HAuCl 4 was vigorously stirred while heating to 150 ° C. in a flask connected to a reflux condenser. 38.8 ml of the prepared trisodium citrate was added when the aqueous solution started to boil. The color of the solution was changed from yellow to dark red. After the color was changed, heating was continued for 5 minutes and then slowly cooled to room temperature. TEM image of the prepared gold nanoparticles is shown in Figure 1, the diameter was 15 nm.

<실시예 1-2> 모노티올 DNA의 준비Example 1-2 Preparation of Monothiol DNA

금 나노입자와 결합할 수 있는 각각 5 ´말단과 3 ´말단에 티올기를 가지는 Genotech에서 구입한 5'-알킬티올 개질된 데옥시뉴클레오티드(5'-HS-A10-ATTATCACT-3')를 Sigma Aldrich에서 구입한 디티오쓰레톨(Dithiothretol) 0.1 M에 가하여 상온에서 2 시간 동안 방치함으로써 탈보호 반응을 진행시켰다.Sigma Aldrich, a 5'-alkylthiol modified deoxynucleotide (5'-HS-A10-ATTATCACT-3 ') purchased from Genotech having thiol groups at the 5' and 3 'ends, respectively, capable of binding gold nanoparticles The deprotection reaction was carried out by adding dithiothretol (0.1 M) purchased from and left at room temperature for 2 hours.

탈보호된 용액을 NAP-5 Sephadex 컬럼(디옥시 리보오스 핵산(DNA) 등급(grade))에 통과시켜 정제함으로써, 올리고뉴클레오티드 1A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3')를 제조하였으며, 20 μM로 정제하였다.The deprotected solution was purified by passing through a NAP-5 Sephadex column (deoxy ribose nucleic acid (DNA) grade) to prepare oligonucleotide 1A: (5'-HS-A 10 -ATTATCACT-3 '). Purified to 20 μM.

<실시예 1-3> DNA-금 나노입자 클러스터의 제조Example 1-3 Preparation of DNA-Gold Nanoparticle Clusters

상기 실시예 1-2의 과정을 거쳐 탈보호된 티올기가 결합된 20 μM 디옥시리보오소 핵산 225 μL와, 가교제로서 디티오쓰레톨(Dithiothretol)을 사용한 경우를 실시예로 하고, 디티오쓰레톨(Dithiothretol)을 사용하지 않은 경우를 비교예로 하였으며, 각각의 경우에 있어서 상기 실시예 1-1에서 제조된 4.0 nM인 15 ㎚ 직경의 금 나노입자 용액 1 ㎖에 가하여 상온에서 12 시간 이상 진탕 교반하였다.Example of using 225 μL of 20 μM deoxyriboso nucleic acid to which the deprotected thiol group was bonded through the procedure of Example 1-2 and Dithiothretol as a crosslinking agent, Dithiothretol ) Was not used, and in each case was added to 1 ml of a 15 nm diameter gold nanoparticle solution prepared in Example 1-1 and stirred at room temperature for at least 12 hours.

이후 용액의 조성을 인산염 농도가 10 mM, 도데실술폰산 나트륨염의 농도가 약 0.01%가 되도록 조절하였다. 30분 동안 추가 교반한 후, 최종 염 농도를 0.15 M NaCl 농도가 되도록 조절하였다. 도 2 에 상기 금 나노입자 클러스터가 제조되는 과정의 개략도를 나타내었다.The composition of the solution was then adjusted so that the concentration of phosphate was 10 mM and the concentration of sodium dodecylsulfonic acid salt was about 0.01%. After further stirring for 30 minutes, the final salt concentration was adjusted to 0.15 M NaCl concentration. 2 shows a schematic diagram of a process of preparing the gold nanoparticle cluster.

이후 2-3 시간 이상 동안 추가 방치한 후, 용액을 원심 분리하여 상등액을 버리고, 버퍼(0.15 M NaCl, 0.01 % Tween 20, and 10 mM phosphate (pH 7.4)). 용액 1 ㎖을 가하여 희석하는 과정을 2회 반복하여 수행하였으며, 상기 비교예 및 실시예에 있어서 각각 용액이 나타내는 색깔을 아래 표 1 및 도 3a 에 나타내었다.After further left for 2-3 hours or more, the solution is centrifuged to discard the supernatant and buffered (0.15 M NaCl, 0.01% Tween 20, and 10 mM phosphate (pH 7.4)). The process of diluting by adding 1 ml of the solution was repeated twice, and the colors indicated by the solutions in the Comparative Examples and Examples are shown in Table 1 and FIG. 3A, respectively.

디티오쓰레톨(Dithiothretol) 농도 (μM)Dithiothretol concentration (μM) 사용량
(μL)
usage
(μL)
발색 Color
비교예 1Comparative Example 1 00 10 10 RedRed 실시예 1-3-1Example 1-3-1 300300 1010 PurplePurple 실시예 1-3-2Example 1-3-2 500500 1010 VioletViolet 실시예 1-3-3 Example 1-3-3 700700 1010 Blue Blue

상기 비교예 및 실시예들에 대해 UV-가시광선 스펙트로미터로 상기 용액의 흡광도를 측정하여, 도 3b에 각각의 비교예 및 실시예에 있어서 가교제와 디옥시리보오스 핵산과의 비율에 따른 흡광도 변화를 나타내었다.The absorbance of the solution was measured using a UV-visible spectrometer for the Comparative Examples and Examples, and FIG. 3B shows the change in absorbance according to the ratio of the crosslinking agent and deoxyribose nucleic acid in each Comparative Example and Example. It was.

도 3b 에 나타난 바와 같이, 디티오쓰레톨(Dithiothretol)을 첨가하지 않은 비교예는 520 nm에서 최대 흡광도를 나타내지만, 디티오쓰레톨(Dithiothretol)의 첨가량이 늘어남에 따라 최대 흡광도를 나타내는 파장이 520 nm에서 700 nm로 이동하면서 파장의 폭이 넓어지는 것을 알 수 있다. 이는 디티오쓰레톨(Dithiothretol)의 첨가량이 늘어남에 따라 금 나노입자의 응집이 많이 일어나게 되면서 나노입자 표면의 유전률의 변화를 유발하여 표면 플라즈몬 흡수조건이 바뀜에 따라 나노입자 용액 자체의 색깔이 변하게 된 것으로 판단되며, 이는 도 2a 에서 보이는 각각의 용액이 나타내는 색깔과도 일치하는 결과이다.As shown in FIG. 3B, the comparative example without the addition of Dithiothretol shows the maximum absorbance at 520 nm, but the wavelength showing the maximum absorbance with the addition amount of Dithiothretol increases to 520. It can be seen that the wavelength becomes wider while moving from nm to 700 nm. As the amount of dithiothretol is increased, the aggregation of gold nanoparticles occurs a lot and the dielectric constant of the surface of the nanoparticles is changed, so that the color of the nanoparticle solution itself changes as the surface plasmon absorption condition is changed. It is judged that the result is consistent with the color indicated by each solution shown in FIG. 2A.

또한, 동적광산란법 및 TEM 사진으로 상기 제조된 금 나노입자 클러스터의 모양과 크기를 확인하여 각각 도 4A 및 도 4B 로 나타내었다.In addition, the shape and size of the gold nanoparticle clusters prepared by the dynamic light scattering method and the TEM photograph were confirmed as shown in FIGS. 4A and 4B, respectively.

상기 도 4A에서 보는 바와 같이, 디티오쓰레톨(Dithiothretol)을 첨가하지 않은 비교예의 경우 동적광산란법에 의할 경우 금 나노입자의 직경이 35 nm로 측정되었으며, 첨가되는 디티오쓰레톨(Dithiothretol) 의 양이 증가할수록 금 나노입자의 응집이 많이 일어나게 되면서 직경이 42 nm, 49 nm, 115 nm 로 증가하여, 본 발명에 의할 경우 첨가되는 디티오쓰레톨(Dithiothretol)의 양이 증가함에 따라 생성되는 금 나노입자 클러스터의 크기가 증가함을 알 수 있다.As shown in FIG. 4A, in the comparative example without adding dithiothretol, the diameter of the gold nanoparticles was measured to be 35 nm by dynamic light scattering, and added dithiothretol. As the amount of is increased, as the agglomeration of gold nanoparticles increases, the diameter increases to 42 nm, 49 nm, and 115 nm, and according to the present invention, the amount of dithiothretol added is increased according to the present invention. It can be seen that the size of the gold nanoparticle cluster is increased.

<실시예 2> DNA-금 나노입자 클러스터의 가역적인 결합과 해리능 및 온도 안전성 실험Example 2 Reversible Binding of DNA-Gold Nanoparticle Clusters, Dissociation Ability, and Temperature Safety Experiments

<실시예 2-1> 모노티올 DNA의 준비Example 2-1 Preparation of Monothiol DNA

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 데옥시뉴클레오티드 2A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3')를 제조하고, 이와 상보적인 결합을 갖는 데옥시뉴클레오티드 2B: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3')를 제조하였다.Deoxynucleotide 2A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3 ') was prepared by the same method as Example 1-1, and deoxynucleotide 2B having a binding complementary thereto: (5'-HS-A10). -AGTGATAAT-3 ') was prepared.

<실시예 2-2> 금 나노입자 클러스터의 제조Example 2-2 Preparation of Gold Nanoparticle Cluster

상기 실시예 2-1에서 만들어지는 데옥시뉴클레오티드 2A, 2B에 대해 상기 실시예 1-2와 동일한 방법으로 첨가되는 디티오쓰레톨(Dithiothretol)의 양을 다르게 하여 3 가지 크기의 금 나노입자 클러스터를 제조하였다.Gold nanoparticle clusters of three sizes were prepared by varying the amount of dithiothretol added in the same manner as in Example 1-2 for the deoxynucleotides 2A and 2B produced in Example 2-1. Prepared.

<실시예 2-3> DNA-금 나노입자 클러스터 간의 가역적 상보 결합과 해리능Example 2-3 Reversible Complementary Coupling and Dissociation Ability Between DNA-Gold Nanoparticle Clusters

DNA-금 나노입자 클러스터가 상보적 결합을 갖는 다른 DNA-금 나노입자 클러스터와 혼합되면 Tm(melting temperature)보다 낮은 온도에서는 DNA-금 나노입자 클러스터의 DNA간의 상보적 수소 결합에 의해 금 나노입자 클러스터 집합체(assembly)로 존재하며, Tm(melting temperature)보다 높은 온도에서는 상기 집합된 DNA-금 나노입자 클러스터는 해리되게 된다.When the DNA-gold nanoparticle cluster is mixed with other DNA-gold nanoparticle clusters having complementary bonds, the gold nanoparticle cluster is formed by complementary hydrogen bonding between the DNA of the DNA-gold nanoparticle cluster at a temperature lower than the melting temperature (Tm). It exists as an assembly, and at a temperature higher than the melting temperature (Tm), the aggregated DNA-gold nanoparticle clusters are dissociated.

상기 실시예 2-2에서 만들어지는 DNA-금 나노입자를 이용하여 DNA-AuNP cluster의 결합과 해리가 온도변화에 따른 가역적인 반응인지를 확인하였다. 상보적 DNA 서열을 갖는 DNA-금 나노입자 클러스터를 서로 혼합하여 색깔의 변화를 관찰하고, 각각의 용액을 가열하면서 색깔의 변화를 관찰하였다.Using DNA-gold nanoparticles prepared in Example 2-2, it was confirmed whether the binding and dissociation of DNA-AuNP cluster is a reversible reaction according to temperature change. Clusters of DNA-gold nanoparticles with complementary DNA sequences were mixed with each other to observe the color change, and the color change was observed as each solution was heated.

상보적 서열을 갖는 데옥시뉴클레오티드 2A, 2B를 포함하는 금 나노입자 클러스터가 결합되는 과정을 도 5A에 개략적으로 나타냈으며, 혼합 및 가열에 따라 발색되는 색깔의 변화를 도 5B 및 표 2에 나타내었다. 도 5B에서 U는 혼성화되기 전 각각의 데옥시뉴클레오티드 2A, 2B를 포함하는 금 나노입자의 상태를 나타내고, H는 혼성화된 상태, M 은 Tm 이상의 온도로 가열하여 상보적인 수소 결합이 끊어진 다시 혼성화되지 않은 상태(re-dehybridized)를 나타낸다.The process of binding gold nanoparticle clusters comprising deoxynucleotides 2A and 2B having complementary sequences is schematically illustrated in FIG. 5A, and the change in color developed by mixing and heating is shown in FIGS. 5B and 2. . In FIG. 5B, U represents the state of the gold nanoparticles containing each deoxynucleotide 2A, 2B before hybridization, H is the hybridized state, M is not hybridized again when the complementary hydrogen bond is broken by heating to a temperature above Tm. Re-dehybridized.

디티오쓰레톨
(Dithiothretol)
Dithiothretol
(Dithiothretol)
발색 Color
농도
(μM)
density
(μM)
사용량
(μL)
usage
(μL)
unhybridized
(U)
unhybridized
(U)
hybridized
(H)
hybridized
(H)
re-dehybridized(M)re-dehybridized (M)
비교예 2Comparative Example 2 00 10 10 RedRed purplepurple RedRed 실시예 2-3-1Example 2-3-1 300300 10 10 PurplePurple pale violetpale violet PurplePurple 실시예 2-3-2Example 2-3-2 500500 10 10 VioletViolet pale bluepale blue VioletViolet 실시예 2-3-3 Example 2-3-3 700700 10 10 Blue Blue pale indigopale indigo Blue Blue

도 5B(1)의 경우는 비교예 2로, 디티오쓰레톨(Dithiothretol)를 첨가하지 않고, 상기 데옥시뉴클레오티드 2A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3') 및 이와 상보적인 결합을 갖는 데옥시뉴클레오티드 2B: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3')를 각각 금 나노입자와 혼합한 용액이다. 상기 용액은 red 색을 나타내고(unhybridized(U)), 이들을 Tm보다 낮은 온도 조건에서 혼성화 한 경우에 상기 혼합 용액은 purple을 나타내었다(hybridized(H)). 이를 다시 Tm보다 높은 온도 조건으로 가열하였을 때는 상기 DNA-금 나노입자 클러스터의 집합체는 해리되어 각각의 DNA-금 나노입자 클러스터로 존재하게 되며, 상기 혼합 용액은 다시 red 색으로 변하게 된다(re-dehybridized(M)). 이러한 온도에 따른 가역적인 변화는 피크의 폭으로 보아 매우 민감한 반응임을 알 수 있다.In the case of FIG. 5B (1), in Comparative Example 2, without adding dithiothretol, the deoxynucleotide 2A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3 ') and complementary binding thereto Deoxynucleotide 2B having: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3 ') is a solution obtained by mixing gold nanoparticles, respectively. The solution was red (unhybridized (U)) and the mixed solution was purple (hybridized (H)) when they hybridized at a temperature lower than Tm. When it is heated again to a temperature higher than Tm, the aggregates of the DNA-gold nanoparticle clusters are dissociated to exist as individual DNA-gold nanoparticle clusters, and the mixed solution turns red again (re-dehybridized). (M)). This reversible change with temperature is very sensitive to the peak width.

도 5B(2)의 경우는 상기 표 2에서 실시예 2-3-1로 디티오쓰레톨(Dithiothretol) 300 μM을 첨가하고, 상기 데옥시뉴클레오티드 2A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3') 및 이와 상보적인 결합을 갖는 데옥시뉴클레오티드 2B: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3')를 각각 금 나노입자와 혼합한 용액이다.In case of FIG. 5B (2), 300 μM of dithiothretol was added to Example 2-3-1 in Table 2, and the deoxynucleotide 2A: (5′-HS-A10-ATTATCACT-3 ') And a deoxynucleotide 2B having complementary binding to it: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3'), respectively, are mixed with gold nanoparticles.

상기 용액은 purple 색을 나타내고(unhybridized(U)), 이들을 Tm보다 낮은 온도 조건에서 혼성화 한 용액은 pale violet을 나타내었다(hybridized(H)). 이를 다시 Tm보다 높은 온도 조건으로 가열하였을 때는 상기 DNA-금 나노입자 클러스터의 집합체는 해리되어 DNA-금 나노입자 클러스터로 존재하게 되며, 상기 혼합용액은 다시 purple 색으로 변하게 된다(re-dehybridized(M)).The solution was purple (unhybridized (U)), and the solution hybridized at a temperature lower than Tm showed pale violet (hybridized (H)). When it is heated to a temperature higher than Tm, the aggregates of the DNA-gold nanoparticle clusters are dissociated to exist as DNA-gold nanoparticle clusters, and the mixed solution turns purple again (re-dehybridized (M )).

도 5B(3)의 경우는 상기 표 2에서 실시예 2-3-2로 디티오쓰레톨(Dithiothretol) 500 μM을 첨가하여, 상기 데옥시뉴클레오티드 2A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3') 및 이와 상보적인 결합을 갖는 데옥시뉴클레오티드 2B: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3')를 각각 금 나노입자와 혼합한 용액이다. 상기 용액은 violet 색을 나타내고(unhybridized(U)), 이들을 Tm보다 낮은 온도 조건에서 혼성화 한 용액은 pale blue을 나타내었다(hybridized(H)). 이를 다시 Tm보다 높은 온도 조건으로 가열하였을 때는 상기 DNA-금 나노입자 클러스터의 집합체는 해리되어 각각의 DNA-금 나노입자 클러스터로 존재하게 되며, 상기 혼합용액은 다시 violet 색으로 변하게 된다(re-dehybridized(M)).In the case of FIG. 5B (3), 500 μM of dithiothretol was added to Example 2-3-2 in Table 2, and the deoxynucleotide 2A: (5′-HS-A10-ATTATCACT-3 ') And a deoxynucleotide 2B having complementary binding to it: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3'), respectively, are mixed with gold nanoparticles. The solution showed violet color (unhybridized (U)), and the solution hybridized at a temperature condition lower than Tm showed pale blue (hybridized (H)). When it is heated to a temperature higher than Tm, the aggregates of the DNA-gold nanoparticle clusters are dissociated to exist as respective DNA-gold nanoparticle clusters, and the mixed solution is changed to violet color again (re-dehybridized). (M)).

도 5B(4)의 경우는 상기 표 2에서 실시예 2-3-3로 디티오쓰레톨(Dithiothretol) 700 μM을 첨가하여, 상기 데옥시뉴클레오티드 2A: (5'-HS-A10-ATTATCACT-3') 및 이와 상보적인 결합을 갖는 데옥시뉴클레오티드 2B: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3')를 각각 금 나노입자와 혼합한 용액이다. 상기 혼합 용액은 blue 색을 나타내고(unhybridized(U)), 이들을 Tm보다 낮은 온도 조건에서 혼성화 한 용액은 pale indigo을 나타내었다(hybridized(H)). 이를 다시 Tm보다 높은 온도 조건으로 가열하였을 때는 상기 DNA-금 나노입자 클러스터의 집합체는 해리되어 DNA-금 나노입자 클러스터로 존재하게 되며, 상기 혼합용액은 다시 blue 색으로 변하게 된다(re-dehybridized(M)).5B (4) was added 700 μM of dithiothretol as Example 2-3-3 in Table 2, and the deoxynucleotide 2A: (5′-HS-A10-ATTATCACT-3 ') And a deoxynucleotide 2B having complementary binding to it: (5'-HS-A10-AGTGATAAT-3'), respectively, are mixed with gold nanoparticles. The mixed solution was blue (unhybridized (U)), and the solution hybridized at a temperature lower than Tm showed pale indigo (hybridized (H)). When it is heated again to a temperature higher than Tm, the aggregates of the DNA-gold nanoparticle clusters dissociate to exist as DNA-gold nanoparticle clusters, and the mixed solution turns blue again (re-dehybridized (M )).

혼성화된 금 나노입자 클러스터의 녹는점의 변화는 각각의 용액을 25℃에서부터 70 ℃까지 1 ℃/ min의 속도로 가열하면서 260 nm에서의 표면 플라즈몬 피크의 변화(extinction 의 변화)를 측정하여 모니터링 하여 측정하였으며, 이를 도 5B에 나타내었다. The melting point change of the hybridized gold nanoparticle clusters was monitored by measuring the change in surface plasmon peak (change in extinction) at 260 nm, heating each solution from 25 ° C to 70 ° C at a rate of 1 ° C / min. It was measured and shown in FIG. 5B.

녹는점 이상의 온도로 가열하였을 때 용액은 본래 처음 만들어졌을 때의 색으로 변하였다. 이는 본 발명에 따라 만들어지는 금 나노입자 클러스터가 표적 물질과 상보적 결합을 한 후에도 열을 가하면 본래 금 나노입자 클러스터로 가역적으로 변화하며, FWHM이 2-3 ℃ 정도인 것은 본 발명의 금 나노입자 클러스터의 상보적 결합이 빠른 시간 안에 생성되고 끊어진다는 것, 즉 표적 물질의 검출 성능이 우수하다는 것을 나타낸다. When heated to a temperature above the melting point, the solution originally changed to the color it was originally created in. This means that the gold nanoparticle clusters made according to the present invention reversibly change to the original gold nanoparticle clusters when heated even after complementary bonding with the target material, and the FWHM is about 2-3 ° C. Complementary binding of clusters is produced and broken in a short time, i.e., the detection performance of the target material is excellent.

또한, 본 발명의 나노입자 클러스터가 온도 변화에도 변화하지 않는 안전성을 나타낸다는 것을 보여준다고 할 것이다.In addition, it will be shown that the nanoparticle cluster of the present invention shows a safety that does not change even with temperature changes.

<실시예 2-4> DNA-금 나노입자 클러스터의 온도 안전성 실험Example 2-4 Temperature Stability Experiments of DNA-Gold Nanoparticle Clusters

상기 실시예 2-2 에서 만들어지는 violet 색깔을 나타내는 금 나노입자 클러스터를 서로 혼합하여 혼성화와 가열 과정을 반복하면서 260 nm에서의 표면 플라즈몬 피크의 변화(extinction의 변화)를 측정하여 모니터링 하여 측정하였으며, 이를 도 6 에 나타내었다.The gold nanoparticle clusters representing the violet color produced in Example 2-2 were mixed with each other, and hybridization and heating were repeated to measure and monitor the change in surface plasmon peak (change in extinction) at 260 nm. This is shown in FIG. 6.

도 6에서 보는 바와 같이 첫번째 가열 과정에서의 피크의 변화와 열번째 가열 과정에서의 피크의 변화가 거의 동일한 형태를 나타내고 있으며, 이는 본 발명의 금 나노입자 클러스터가 온도 변화에 따른 안전성을 나타낸다는 것을 보여준다고 할 것이다.As shown in FIG. 6, the change of the peak during the first heating process and the change of the peak during the tenth heating process are almost identical, which indicates that the gold nanoparticle cluster of the present invention exhibits safety according to temperature change. Will show.

<실시예 3> 비색 분석(Colorimetric Detection) 실험Example 3 Colorimetric Detection Experiment

<실시예 3-1> 모노티올 DNA의 준비Example 3-1 Preparation of Monothiol DNA

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 데옥시뉴클레오티드 3A: (5'-HS-A10-ATCCTTATCAATATT-3')와 데옥시뉴클레오티드 3B: (3'-HS-A10-CTCCCTAATAACAAT-5'), 및 상기 3A 와 3B와 상보적 결합하는 3C: 3'-TAGGAATAGTTATAA-ATTGTTATTAGGGAG-5'를 제조하였다.Deoxynucleotide 3A in the same manner as in Example 1-1: (5'-HS-A10-ATCCTTATCAATATT-3 ') and deoxynucleotide 3B: (3'-HS-A10-CTCCCTAATAACAAT-5'), and 3C: 3'-TAGGAATAGTTATAA-ATTGTTATTAGGGAG-5 'which complementarily binds 3A and 3B was prepared.

데옥시뉴클레오티드 3A, 3B는 서로 상보적으로 결합하지 않으나, 데옥시뉴클레오티드 3C 와는 상보적으로 결합한다. 이들 간의 결합 관계를 도 7A 에 나타내었다.Deoxynucleotides 3A and 3B do not bind complementarily to each other, but complementarily bind to deoxynucleotide 3C. The binding relationship between them is shown in Fig. 7A.

<실시예 3-2> 금 나노입자 클러스터의 제조Example 3-2 Preparation of Gold Nanoparticle Cluster

상기 실시예 2-1에서 만들어지는 올리고뉴클레오티드 3A, 3B에 대해 결합제로서 디티오쓰레톨(Dithiothretol) 500 μM을 첨가하여 violet 색깔을 나타내는 금 나노입자 클러스터 450 μL를 제조하였다.For the oligonucleotides 3A and 3B prepared in Example 2-1, 500 μM of dithiothretol was added as a binder to prepare 450 μL of gold nanoparticle clusters showing violet color.

<실시예 3-3> 타켓 DNA strand 와의 결합Example 3-3 Binding to Target DNA Strands

상기 실시예 3-1에서 제조된 표적 DNA strand를 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50 nM 농도로 준비하고, 상기 실시예 3-2에서 제조된 금 나노입자 클러스터와 각각 반응시킨 후 색깔의 변화를 관찰하여 도 7B에 나타내었다.After preparing the target DNA strand prepared in Example 3-1 at a concentration of 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50 nM, and reacted with the gold nanoparticle cluster prepared in Example 3-2, respectively The change in color was observed and shown in FIG. 7B.

UV-가시광선 스펙트로미터로 상기 용액의 흡광도를 15분마다 2 시간 동안 측정하였다. 도 7C에서 보는 바와 같이 표적 DNA strand와 결합하는 과정에서 최대 피크 파장이 적색 이동(red shift)하였다. 이는 표적 DNA strand와 결합함에 따라 나노입자 클러스터가 응집하면서 나노입자 클러스터의 크기가 커지게 되어 나노입자 표면의 유전율의 변화를 유발하고 국소 표면 플라즈몬 흡수 조건이 바뀌게 된다는 것을 나타내는 것이다.The absorbance of the solution was measured every 15 minutes for 2 hours with a UV-Visible Spectrometer. As shown in FIG. 7C, the maximum peak wavelength red shifted during binding to the target DNA strand. This indicates that as the nanoparticle clusters aggregate as they bind to the target DNA strand, the nanoparticle clusters grow in size, causing changes in the dielectric constant of the nanoparticle surface and changing local surface plasmon absorption conditions.

표적 DNA Strand와 DNA-금 나노입자 클러스터와의 반응 후 타켓 DNA Strand의 농도에 따른 녹는점 변화를 260 nm 파장에서 관찰하여 도 7D에 나타내었으며, 표적 DNA Strand의 농도에 따른 녹는점의 변화를 도 7E에 나타내었다. 표적 DNA strand의 농도가 높을수록 녹는점이 더 높아짐을 알 수 있으며, 이는 표적 DNA Strand의 농도가 높아질수록 본 발명의 금 나노입자 클러스터와의 결합이 많아짐에 따라 금 나노입자 표면의 유전율의 변화를 유발하여 표면 플라즈몬 흡수 조건이 바뀌게 됨에 따른 것임을 알 수 있다.After the reaction between the target DNA strand and the DNA-gold nanoparticle cluster, the melting point change according to the concentration of the target DNA strand was observed at 260 nm wavelength, and is shown in FIG. 7D. The melting point change according to the concentration of the target DNA strand was shown. Shown in 7E. It can be seen that the higher the concentration of the target DNA strand, the higher the melting point, which causes a change in the permittivity of the surface of the gold nanoparticles as the concentration of the target DNA strand increases with the binding of the gold nanoparticle cluster of the present invention. It can be seen that the surface plasmon absorption conditions are changed.

도 1은 실시예 1-1에 의해 제조된 금 나노입자의 TEM 사진이다.1 is a TEM photograph of gold nanoparticles prepared in Example 1-1.

도 2는 본 발명에 따른 DNA-금 나노입자 클러스터의 제조 과정을 간략하게 나타내는 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram briefly showing the manufacturing process of the DNA-gold nanoparticle cluster according to the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 디티오쓰레톨(Dithiothretol)의 첨가량에 따른 DNA-금 나노입자 클러스터의 발색 정도 및 파장에 따른 extinction 을 나타내는 도면이다. 도 3A 및 도 3B에서 Red는 비교예 1, Purple 은 실시예 1-3-1, violet은 실시예 1-3-2, Blue는 실시예 1-3-3을 각각 나타낸다.3 is a view showing extinction according to the color development degree and wavelength of the DNA-gold nanoparticle cluster according to the amount of dithiothretol added according to an embodiment of the present invention. 3A and 3B, Red shows Comparative Example 1, Purple shows Example 1-3-1, violet shows Example 1-3-2, and Blue shows Examples 1-3-3.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 디티오쓰레톨(Dithiothretol)의 첨가량에 따른 DNA-금 나노입자 클러스터의 동적광산란 스펙트럼 및 TEM 사진을 나타내는 도면이다. 도 4A 에서 Red 는 비교예 1, Purple은 실시예 1-3-1, violet은 실시예 1-3-2, Blue는 실시예 1-3-3을 각각 나타내고, 도 4B(1)은 비교예 1, 도 4B(2)는 실시예 1-3-1, 도 4B(3)은 실시예 1-3-2, 도 4B(4)는 실시예 1-3-3을 나타낸다.FIG. 4 is a diagram showing dynamic light scattering spectra and TEM images of DNA-gold nanoparticle clusters according to the amount of dithiothretol added according to an embodiment of the present invention. In FIG. 4A, Red shows Comparative Example 1, Purple shows Examples 1-3-1, violet shows Examples 1-3-2, Blue shows Examples 1-3-3, and FIG. 4B (1) shows Comparative Examples. 1, FIG. 4B (2) shows Example 1-3-1, FIG. 4B (3) shows Example 1-3-2, and FIG. 4B (4) shows Example 1-3-3.

도 5A는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DNA-금 나노입자 클러스터간의 상보적 결합 및 해리 과정을 모식적으로 나타내는 개략도이고, 도 5B는 그에 따른 색깔의 변화, 녹는점 및 extinction를 나타내는 도면이다. 도 5B에서 Red 는 비교예 2, Purple 은 실시예 2-3-1, violet은 실시예 2-3-2, Blue 는 실시예 2-3-3을 각각 나타낸다.Figure 5A is a schematic diagram showing the complementary binding and dissociation process between DNA-gold nanoparticle cluster according to another embodiment of the present invention, Figure 5B is a view showing the change in color, melting point and extinction accordingly . In FIG. 5B, Red represents Comparative Example 2, Purple represents Example 2-3-1, violet represents Example 2-3-2, and Blue represents Example 2-3-3.

도 6은 가열 과정을 1회 실시했을 때의 녹는점, extinction과 가열 과정을 10회 실시했을 때의 녹는점, extinction 을 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a melting point, extinction and extinction when the heating process is performed once and the heating process is performed 10 times.

도 7A는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금 나노입자 클러스터들에 대한 비색 분석 실험 과정을 나타내는 모식도, 도 7B는 violet을 나타내는 DNA-금 나노입자 클러스터를 혼성화 과정을 거치기 전(U), 혼성화 과정후 (H), 및 녹는점 이상의 온도로 가열한 후(M)에 나타내는 색깔을 나타내는 도면, 도 7C는 표적 DNA strand에 결합하는 과정에서의 extinction 변화를 나타내는 도면, 도 7D와 도 7E는 표적 DNA strand의 농도에 따른 녹는점의 변화를 나타내는 도면이다.FIG. 7A is a schematic diagram showing the colorimetric analysis of the gold nanoparticle clusters according to another embodiment of the present invention. FIG. 7B is a hybridization of the DNA-gold nanoparticle cluster representing violet (U) before hybridization. (H), and the figure showing the color shown after heating to a temperature above the melting point (M), Figure 7C is a diagram showing the change in extinction in the process of binding to the target DNA strand, Figure 7D and Figure 7E It is a graph showing the change of melting point according to the concentration of DNA strand.

Claims (15)

금 나노입자, 상기 금 나노입자를 상호 결합시키는 가교제, 및 한쪽 말단은 상기 금 나노입자 표면에 결합되고, 표적물질 인지부위는 상기 금 나노입자 클러스터의 외부로 노출되는 리셉터로 구성된 금 나노입자 클러스터.Gold nanoparticle cluster consisting of a gold nanoparticles, a crosslinking agent for bonding the gold nanoparticles, and one end is bonded to the surface of the gold nanoparticles, the target material recognition site is exposed to the outside of the gold nanoparticle cluster. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가교제는 아민 작용기(-NH2), thiol(-SH), 및 carboxyl 작용기(-COO-)가 각각 사슬 양단에 위치한 diaminoalkane, dithiol, 및 dicarboxylate 중에서 선택된 일종의 사슬형 유기분자를 포함하는 것인 금 나노입자 클러스터.The crosslinking agent is a gold nano that is a kind of chain organic molecules selected from diaminoalkane, dithiol, and dicarboxylate each of the amine functional group (-NH2), thiol (-SH), and carboxyl functional group (-COO-) is located at the both ends of the chain Particle Clusters. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 가교제는 디티오쓰레톨(Dithiothretol)인 것인 금 나노입자 클러스터.The crosslinking agent is dithiothretol (Dithiothretol) gold nanoparticle cluster. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리셉터는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 항체, 핵산, 올리고뉴클레오티드, 지질, 코펙터 및 탄수화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상인 것인 금 나노입자 클러스터.The receptor is gold nanoparticle cluster is one or more selected from the group consisting of enzyme substrate, ligand, amino acid, peptide, protein, antibody, nucleic acid, oligonucleotide, lipid, cofactor and carbohydrate. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리셉터는 디옥시리보뉴클레오티드 인 것인 금 나노입자 클러스터.The receptor is gold nanoparticle cluster that is deoxyribonucleotide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리셉터 1 몰당 상기 가교제는 10 몰 내지 40 몰 비로 포함하는 것을 특징으로 하는 금 나노입자 클러스터.Gold nanoparticle cluster, characterized in that the crosslinking agent per mole of the receptor comprises 10 to 40 molar ratio. 금 나노입자를 제조하는 단계;Preparing gold nanoparticles; 상기 금 나노입자, 표적물질과 결합 또는 반응할 수 있는 표적물질 인지부위를 포함하는 리셉터 및 가교제를 혼합하는 단계; 및Mixing a receptor and a crosslinking agent comprising a gold nanoparticle, a target material recognition site capable of binding to or reacting with a target material; And 염화나트륨 수용액을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금 나노입자 클러스터의 제조 방법.Method of producing a gold nanoparticle cluster comprising the step of adding an aqueous sodium chloride solution. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 가교제는 아민 작용기(-NH2), thiol(-SH), 및 carboxyl 작용기(-COO-)가 각각 사슬 양단에 위치한 diaminoalkane, dithiol, 및 dicarboxylate 중에서 선택된 일 종의 사슬형 유기분자를 포함하는 것인 금 나노입자 클러스터의 제조 방법.The crosslinking agent includes one type of chained organic molecule selected from diaminoalkane, dithiol, and dicarboxylate in which amine functional group (-NH2), thiol (-SH), and carboxyl functional group (-COO-) are positioned at both ends of the chain, respectively. Method for preparing gold nanoparticle clusters. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 가교제는 디티오쓰레톨(Dithiothretol)인 것인 금 나노입자 클러스터의 제조 방법.The crosslinking agent is dithiothretol (Dithiothretol) is a method for producing a cluster of gold nanoparticles. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 리셉터는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 항체, 핵산, 올리고뉴클레오티드, 지질, 코펙터 및 탄수화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상인 것인 금 나노입자 클러스터의 제조 방법.The receptor is one or more selected from the group consisting of enzyme substrates, ligands, amino acids, peptides, proteins, antibodies, nucleic acids, oligonucleotides, lipids, cofactors and carbohydrates. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 리셉터는 디옥시리보뉴클레오티드인 것인 금 나노입자 클러스터의 제조 방법.Wherein said receptor is a deoxyribonucleotide. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 염화나트륨 수용액은 0.1 내지 0.2 몰 농도로 첨가되는 것인 금 나노입자 클러스터의 제조 방법.The aqueous sodium chloride solution is added to the 0.1 to 0.2 molar concentration method of producing a gold nanoparticle cluster. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 리셉터 1 몰당 상기 가교제는 10 몰 내지 40 몰 비로 포함하며, 상기 리셉터와 상기 가교제의 몰비에 따라 상기 금 나노입자 클러스터의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 금 나노입자 클러스터의 제조 방법.The crosslinking agent per mole of the receptor comprises a 10 to 40 molar ratio, the method of producing a gold nanoparticle cluster, characterized in that the size of the gold nanoparticle cluster is adjusted according to the molar ratio of the receptor and the crosslinker. 제 1항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 금 나노입자 클러스터를 이용하여, 리셉터의 표적물질 인지 부위와 결합하거나 반응하는 표적물질을 검출하는 바이오 센서.A biosensor for detecting a target substance that binds to or reacts with a target substance recognition site of a receptor by using the gold nanoparticle cluster according to any one of claims 1 to 6. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 리셉터로서 DNA 를 사용하고 표적 물질로서 DNA를 사용한 경우, 리셉터 DNA 와 표적 DNA 는 상보적 결합을 하고, 온도를 Tm 이상으로 가열할 경우 상기 상보적 결합이 해리되어 원래 상태로 복원되는 가역적 반응을 하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.When DNA is used as the receptor and DNA is used as the target material, the receptor DNA and the target DNA are complementary to each other, and when the temperature is heated to more than Tm, the complementary binding is dissociated to restore the original state. Biosensor, characterized in that.
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