KR20110115659A - 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체 및 그 용도 - Google Patents

다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체 및 그 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체가 코팅된 탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용한 표적 바이오물질의 고감도 검출방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 생체물질이 고정되어 있는 다공성 탄소나노튜브 나노구조체는 제조된 탄소나노튜브 나노구조체의 다공성 구조에 생체물질을 고밀도로 고정화함으로써, 고감도 바이오칩 및 바이오센서 재료로 제조할 수 있어, 생체물질간의 다양한 현상을 전기화학적 또는 광학적으로 검출하는 고감도 바이오센서 제작에 이용할 수 있어 매우 유용하다. 특히 광학적 검출방법과 함께 탄소나노튜브의 우수한 전기적인 특성을 이용하여 생체물질 간의 다양한 현상을 전기화학적으로 검출하는 고감도 바이오센서 제작에 이용할 수 있다.

Description

다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체 및 그 용도{Carbon Nanotube Complex Coated by Porous Metal Oxide Nanostructure and Use thereof}
본 발명은 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체가 코팅된 탄소나노튜브 복합체 및 이를 이용한 표적 바이오물질의 고감도 검출방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)는 1991년 일본 NEC 연구소의 Iijima 박사에 의해 최초로 발견된 이후, 뛰어난 물리적, 기계적 특성과 독특한 구조로 인하여 전자정보통신, 환경, 에너지 및 의료 분야로의 산업적 응용성이 매우 높은 물질로 알려져 있다.
탄소나노튜브의 전기적, 반도체 성질 또는 구조적으로 안정한 특성을 이용하여 생체물질을 고정한 탄소나노튜브의 전기화학적인 변화를 통한 반응검출에 대한 연구가 이루어지고 있는데, 최근 나노재료를 이용하여 생명현상을 조절하거나, 원리를 밝히려는 움직임이 활발해지면서 나노재료의 물리적, 화학적 특성을 이용하여 바이오분야에 적용하려는 시도가 진행되고 있으며 특히 바이오센서로서 탄소나노튜브가 주목을 받고 있다. 이는 표면개질이 용이하고 생체물질, 특히 단백질의 변형 없이 수용액 상에서 손쉽게 반응을 진행시킬 수 있기 때문이며 새로운 나노물질과 생물학적 시스템 결합은 질병진단(유전병), 프로테오믹스, 나노바이오 기술 등의 다양한 분야에서 중요한 응용기술을 창출해 나갈 것으로 기대되기 때문이다.
그러나 탄소나노튜브의 화학적 구조에 의한 소수성, 생체환경에서 나타나는 독성 등의 문제가 대두하면서 바이오분야의 사용에 한계가 있는 상황이다. 따라서 탄소나노튜브의 표면을 다양한 방법으로 개질 함으로서 생체환경에 적합하게 하려는 연구가 진행되고 있다.
한편 다공성 나노소재는 기공배열의 규칙성이 잘 정의되어 있으며, 사용 환경에 맞도록 물질특성(기공크기, 비표면적, 표면특성)을 조절할 수 있는 물질을 말한다. 이러한 소재는 유해물질의 촉매 반응에 의한 처리 및 수용액 상에서의 유해물질 제거 등 환경 분야에 유망한 물질로 주목받고 있다. 규칙적인 기공구조와 넓은 비표면적은 종래의 전통적인 기공성소재가 갖는 단점인 기공의 불규칙성에 기인한 기공의 병목으로 인한 불리한 물질전달, 적은 비표면적으로 인한 낮은 활성점 분포수 등과 같은 문제를 극복할 수 있다. 이러한 물질의 대표적인 예가 메조포러스 실리카이며, 그 외에 다양한 나노기공성 산화물이 개발되고 있다. 특히 이러한 산화물들이 바이오 안정성을 나타내기 때문에 바이오 메디컬 분야에서도 응용되어지고 있는데, 최근 나노재료를 사용하여 생명현상을 조절하거나, 원리를 밝히려는 움직임이 활발해지면서 다공성 산화물의 물리적 및 화학적 특성을 이용해 바이오 분야에 적용하려는 시도가 진행되고 있다.
특히, 다공성 금속산화물 나노구조체는 주로 가스센서, 촉매, 중금속 흡착 등의 분야에 널리 이용되어 왔으며, 최근 바이오 분야에 대해 적용한 연구결과가 보고되어지고 있으나 (Dai. Z et al., Biosen . Bioelectron. 23, 852-856, 2004; Slowing. I et al., Adv . Func . Mater., 17, 1225-1236, 2007; Brian G. Trewyn et al., Chem . Commun .,32363245, 2007), 이를 이용하여 탄소나노튜브를 코팅함으로써 고감도로 생체물질을 검출할 수 있음에 대해서는 전혀 보고된 바가 없는 실정이다.
이에 본 발명자는 기존의 탄소나노튜브의 문제점을 보완한, 생체분자의 상호작용에 의한 생명현상을 관찰할 수 있는 감지도가 우수한 바이오센서를 개발하고자 예의 노력한 결과, 탄소나노튜브의 표면에 생체 친화성이 높은 다공성 금속산화물 나노구조체를 형성하고 높은 비표면적을 이용하여 고감도로 생체물질을 검출할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 종래 탄소나노튜브를 이용한 바이오센서의 문제점을 보완할 수 있는 새로운 구조의 탄소나노튜브 복합체 및 그 제법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 탄소나노튜브 복합체를 이용하여 감지도가 우수한 표적 바이오물질의 검출방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음 단계를 포함하는, 생체물질이 고정되어 있는, 다공성 금속산화물 나노구조체가 코팅된 탄소나노튜브 복합체의 제조방법을 제공한다:
(a) 탄소나노튜브의 표면에 다공성 금속산화물 나노구조체를 형성하는 단계;
(b) 상기 형성된 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면을 생체물질의 고정이 용이하도록 개질하는 단계; 및
(c) 상기 개질된 다공성 금속산화물 나노구조체 표면에 생체물질을 고정하여, 생체물질이 고정되어 있는 탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계.
본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조된 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 이용하는 것을 특징으로 하는 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 포함하는, 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출용 바이오센서를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 포함하는, 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출용 키트를 제공한다.
본 발명에 따른 생체물질이 고정되어 있는 다공성 탄소나노튜브 나노구조체는 제조된 탄소나노튜브 나노구조체의 다공성 구조에 생체물질을 고밀도로 고정화함으로써 고감도 바이오칩 및 바이오센서 재료로 제조할 수 있어, 생체물질간의 다양한 현상을 전기화학적 또는 광학적으로 검출하는 고감도 바이오센서 제작에 이용할 수 있어 매우 유용하다. 특히 광학적 검출방법과 함께 탄소나노튜브의 우수한 전기적인 특성을 이용하여 생체물질 간의 다양한 현상을 전기화학적으로 검출하는 고감도 바이오센서 제작에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 표면에 제조된 다공성 금속산화물 나노구조체 및 생체물질을 고정한 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 탄소나노튜브의 다공성 금속산화물 (실리카) 나노구조체 코팅 전후를 주사전자현미경으로 관찰한 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 다공성 금속산화물 (실리카) 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브의 투과전자현미경으로 관찰한 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 다공성 실리카 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 X선 광전자 스펙트로스코피(XPS)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 다공성 실리카 나노구조체으로 코팅시키고 카르복실 그룹으로 표면처리 한 탄소나노튜브 복합체의 표면에 녹색형광단백질을 결합시키는 과정과 형광스캐너로 관찰한 이미지를 나타낸 것으로, 5a는 다공성 실리카 나노구조체로 코팅한 탄소나노튜브에 고정한 녹색형광단백질 형광 이미지이고, 5b는 카르복실 그룹으로 표면처리 한 탄소나노튜브에 고정한 녹색형광단백질 형광 이미지이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명의 상세한 설명 등에서 사용되는 주요 용어의 정의는 다음과 같다.
본원에서, "다공성 금속산화물 나노구조체"란, 수 나노에서 수 마이크로 크기의 세공(finepore)을 가지는 금속산화물 나노구조체로서, 기공배열의 규칙성이 잘 정의되어 있으며 사용환경에 맞도록 물질 특성 (기공크기, 비표면적, 표면특성)을 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다. 예로 다공성 실리카 (mesoporous silica), 다공성 티타늄산화물(TiO2), 다공성 아연산화물(ZnO), 다공성 알루미늄산화물(Al2O3) 등을 들 수 있다.
본원에서, "생체물질"이란 단백질, 효소, 항체, 펩티드, 지질, DNA, RNA 및 PNA 등 생체 유래 물질을 말한다.
본원에서, "표적 바이오물질"이란 생체물질과 결합 또는 반응할 수 있는 물질로서, 단백질, 핵산, 항체, 효소, 탄수화물, 지질, 또는 기타 생체 유래의 생물분자 등을 의미한다.
본 발명은 일 관점에서, 생체물질이 고정되어 있는, 다공성 금속산화물 나노구조체가 코팅된 탄소나노튜브 복합체에 관한 것으로, 그 제조방법은 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다:
(a) 탄소나노튜브의 표면에 다공성 금속산화물 나노구조체를 형성하는 단계;
(b) 상기 형성된 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면을 생체물질의 고정이 용이하도록 개질하는 단계; 및
(c) 상기 개질된 다공성 금속산화물 나노구조체 표면에 생체물질을 고정하여, 생체물질이 고정되어 있는 탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합체는 도 1에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브 (110)의 표면을 다공성 금속산화물 나노구조체 (120)이 코팅하고 있으며, 형성된 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면에 생체물질 (130)이 고정된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 소수성인 탄소나노튜브의 표면에 다공성 금속산화물 나노구조체를 형성시키기 위하여 계면활성제를 이용하여 코팅하여 수용액에 분산시킨 후, 다공성 금속산화물 나노구조체 제조를 위한 전구체를 처리함으로써 코팅된 계면활성제를 주형(template)로 하여 다공성 금속산화물 나노구조체롤 탄소나노튜브 표면에 형성하는 방법을 이용할 수 있다.
즉, 본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계의 다공성 금속산화물 나노구조체의 형성은 탄소나노튜브를 계면활성제 수용액에서 초음파 처리하여 탄소나노튜브의 표면을 계면활성제로 코팅하여, 이를 분리하여 다시 물에 분산시킨 다음, 다공성 금속산화물 나노구조체 형성을 위한 전구체를 혼합하고 가열함으로써 이루어지는데, 이때, 다공성 금속산화물 나노구조체의 형성에 있어서, 상기 전구체 혼합물의 반응온도, 반응시간 및 용액의 농도에 따라 형성되는 금속산화물 나노구조체의 직경 및 길이가 결정되며, 일반적으로는 수십 나노에서 수 마이크로 크기의 다공성 나노구조체가 형성된다.
이때, 상기 계면활성제는 한정되는 것은 아니나, 세틸트리메틸암모니움 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide), 라우릴아민 하이드로크로라이드(laurylamine hydrochloride) 도데실트리메틸암모니움 브로마이드(dodecyltrimethylammonium bromide), n-도데실아민(n-dodecylamine), 디-(2-에틸헥실)포스페이트{di-(2-ethylhexyl)phosphate}로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.
한편, 상기 다공성 금속산화물 나노구조체는 바람직하게는 다공성 실리카 나노구조체 (mesoporous silica nanostructure)임을 특징으로 할 수 있으며, 이때, 다공성 금속산화물 나노구조체의 제조를 위한 전구체(precursor)로서 테트타에틸 오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate) 및 테트라메틸 오르소실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 또는 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다. 아울러, 다공성 금속산화물 나노구조체로서, 다공성 티타늄산화물(TiO2), 다공성 아연산화물(ZnO), 다공성 알루미늄산화물(Al2O3) 등을 사용할 수 있으며, 각각에 대한 전구체로는 티타늄 알콕사이드(titanium alkoxide), 진크 아세테이트(zinc acetate), 질산 알루미늄(Al(NO3)3.9H2O) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 형성된 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면에 생체물질의 고정이 용이하도록 하는 것은 형성된 나노구조체 표면에 생체물질과 결합하는 작용기가 노출되도록 하는 것으로, 그 표면을 카르복실기, 아민기, 알데히드기, 수산기, 티올기 및 할로겐으로 구성된 군에서 선택되는 작용기를 가지는 실란계 화합물 또는 2-카르복실에틸 포스포닉 액시드로 개질하는 것일 수 있다. 이때, 상기 실란계 화합물은 Si(OH)3-R-COOH, Si(OH)3-R-OH, Si(OH)3-R-CHO, Si(OH)3-R-SH, Si(OH)3-R-X, 카트복시에틸실란트리올, 11-트리에톡시실리운데카낼, 아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필다이에톡시메틸실란 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는 3-아미노프로필트리에톡시실란을 사용한다. 여기서, R은 C1 -20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이고, X는 할로겐 원소를 의미한다.
아울러, 상기 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면에 생체물질을 고정시키는 것은 상기 개질된 표면의 작용기에 결합시키거나, 그 개질된 표면에 다시 생체물질과 결합하는 작용기를 가지는 링커를 도입한 다음, 생체물질을 상기 링커에 결합시킬 수도 있다. 즉, 개질의 효율을 높이기 위하여 상기 (b) 단계의 개질을 수행한 다음, 바람직하게는 링커를 이용하여 추가적인 개질과정을 거칠 수 있는데, 이때 링커는 카로복실기, 아민기, 알데히드기, 수산기, 티올기 및 할로겐으로 구성된 군에서 선택된 작용기와 상기 개질된 표면의 작용기와 결합하는 작용기를 동시에 가지는 화합물을 이용할 수 있다. 이때, 링커 화합물은 숙시닉 언하이드라이드, COOH-R-COOH, COOH-R-NH2, COOH-R-SH, COOH-R-OH, COOH-R-CHO, COOH-R-X1, H2N-R-NH2, NH2-R-SH, NH2-R-OH, NH2-R-CHO, NH2-R-X1, SH-R-SH, SH-R-OH, SH-R-CHO, SH-R-X1, OH-R-OH, OH-R-CHO, OH-R-X1, CHO-R-CHO, CHO-R-X1, X1-R-X2로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있으며 (여기서, R은 C1 ~20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이고, X1 및 X2는 할로겐 원소임), 바람직하게는 숙시닐 언하이드라이드인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서 또한, 상기 (c)단계의 생체물질 고정은 1-에틸-3-[3-다이메틸아미노프로필]카보다이이미드 하이드로클로라이드/N-하이드록시술포숙실이미드 (1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl] carbodiimide hydrochloride (EDC)/ N-hydroxysulfosucciniimide(NHS))를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 링커를 도입하는 단계는 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면을 개질하여 상기 표면 개질된 다공성 금속산화물 나노구조체에 링커를 도입하는 단계를 동시에 수행할 수도 있고, 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면을 개질하는 단계 및 상기 표면 개질된 다공성 금속산화물 나노구조체에 링커를 도입하는 단계를 각각 수행할 수도 있다.
본 발명에서는 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면개질 및 상기 표면 개질된 금속산화물 나노구조체에 링커를 도입하는 단계를 동시에 수행할 경우, 대표적으로 생체물질의 아민과 결합하는 링커를 도입하기 위하여 카르복실기 및 알데히드기를 포함하는 실란계 화합물로서 , 카르복실에틸포스포닉 액시드 (Carboxylethylphosphonic acid), 카트복시에틸실란트리올 (Carboxyethylsilanetriol), 11-트리에톡시실리운데카낼 (11-triethoxysilylundecanal) 등으로 실리카 나노구조체의 표면개질을 위하여 사용한다.
한편, 본 발명에서는 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면개질 및 상기 표면 개질된 다공성 금속산화물 나노구조체에 링커를 도입하는 단계를 각각 수행할 경우, 대표적으로 아민기를 도입하기 위하여 아미노실란화합물로서 3-아미노프로필트리에톡시실란 (3-Aminopropyltriethoxysilane)으로 표면개질을 하고 생체물질의 아민과 결합하는 링커를 도입하기 위하여 숙시닐언하이드라이드(succinyl anhydride) 및 EDC/NHS 반응을 이용하여 표면처리를 한다.
본 발명의 일 실시예에서는 단일벽 탄소나노튜브에 테트라에틸오르소실리케이트 (TEOS)을 전구체로서 사용하여 다공성 실리카 나노구조체를 단일벽 탄소나노튜브의 표면에 형성하였다. 아울러, 표면처리 과정을 거쳐 녹색형광단백질 (GFP) 항체를 고정시킨 다음, 항원-항체 반응을 통하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합체를 이용하여 종래의 탄소나노튜브를 이용한 방법에 비하여 훨씬 고감도로 시료 중의 항원을 검출해 낼 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 다른 관점에서, 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 포함하는, 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출방법에 관한 것이다.
본 발명에서 생체물질이 고정화된 다양한 형태의 탄소나노튜브 복합체는 바이오칩, 바이오센서 및 나노지지체로 활용함으로써, 생물학적 및 의학적으로 광범위하게 적용할 수 있다. 이에 본 발명은 또 다른 관점에서, 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 포함하는, 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출용 바이오센서에 관한 것이다.
한편, 본 발명에 따른 방법은 휴대성을 높이기 위하여, 키트의 형태로 제공될 수 있다. 즉, 본 발명은 다른 관점에서, 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 함유하는, 표적 바이오물질의 검출용 키트에 관한 것이다. 이때, 상기 키트는 검출을 위한 시약을 추가적으로 별도의 용기에 담아 제공하거나 또는 별도의 반응부에 담아 제공할 수도 있다.
상기 키트는 병, 통(tub), 작은 봉지(sachet), 봉투(envelope), 튜브, 앰플(ampoule) 등과 같은 형태를 취할 수 있으며 이들은 부분적으로 또는 전체적으로 플라스틱, 유리, 종이, 호일, 왁스 등으로부터 형성될 수 있다. 용기는, 처음에는 용기의 일부이거나 또는 기계적, 접착성, 또는 기타 수단에 의해 용기에 부착될 수 있는, 완전히 또는 부분적으로 분리가 가능한 마개를 장착할 수 있다. 용기는 또한 주사바늘에 의해 내용물에 접근할 수 있는, 스토퍼가 장착될 수 있다. 상기 키트는 외부 패키지를 포함할 수 있으며, 외부 패키지는 구성 요소들의 사용에 관한 사용설명서를 포함할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
특히, 하기 실시예에서는 탄소나노튜브로서 단일벽 탄소나노튜브(Single Walled Carbon Nanotubes)를 사용하였으나, 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotubes), 이중벽 탄소나노튜브(Double Walled Carbon Nanotubes) 등 다양한 탄소나노튜브가 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 하기 실시예에서는 생체물질로서 GFP 항체를 사용하였으나, 효소, 기타 단백질, 말단에 아민을 기능화시킨 DNA, RNA, PNA, 세포 등을 사용하는 것도 본 발명에 범위에 포함됨은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 할 것이다.
다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체의 제조
소수성인 단일벽 탄소나노튜브와 계면활성제인 세틸트리메틸암모니움 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide), 물을 1mg : 10mg : 1ml의 비율 (탄소나노튜브:계면활성제:물)로 혼합한 후, 약 3시간 정도 초음파 처리를 하여 계면활성제에 의해 분산이 잘 된 탄소나노튜브 용액을 얻었다. 여기에 0.01M 수산화나트륨, tetraethylorthosilicate (TEOS)/ethanol (v/v = 1/4)을 첨가하고 약 60℃의 온도로 가열하였다. 약 12시간 후 원심분리한 후, 에탄올로 세척하였다. 이때, 상기 탄소나노튜브와 전구체인 tetraethylorthosilicate (TEOS)의 혼합비율은 1mg:10㎕로 하였다.
그 다음, 주사전자현미경과 투과전자현미경을 이용하여 확인한 결과, 도 2 및 3에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브의 표면에 다공성 실리카 나노구조체가 형 된 것을 확인할 수 있었다. 도 2A는 다공성 실리카 나노구조체를 코팅하기 전이고, 2B는 코팅 후를 나타낸다. 코팅 전 10.5~12.1nm이었던 것과 달리 코팅 후 직경이 24.6nm~26.3nm로 두꺼워짐을 확인할 수 있었다.
아울러, X-ray Photoelectron Srectroscopy(XPS, ULVAC-PHI INC, 미국)를 이용하여 원소를 분석한 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, C 및 SiO2의 성분을 확인할 수 있었으며, 이는 탄소나노튜브에 다공성 실리카 나노구조체가 형성됐음을 나타낸다.
다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체의 표면처리
실시예 1에서 제조된 다공성 실리카 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체의 표면에 생체물질을 고정하기 위하여, 다음과 같은 표면처리 공정을 거쳤다.
먼저, 실시예 1에서 제조된 다공성 실리카 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 2% 3-아미노프로필트리에톡시실란 (3-Aminopropyltriethoxysilane) (Sigma-Aldrich, USA)/ 에탄올 용액에 넣고 3~4시간 반응시켜 표면에 아민기를 갖도록 개질하였다. 그 다음, 상기 개질된 다공성 실리카 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체에 생체분자와 결합할 수 있는 링커를 도입하기 위하여, 이를 1mM 숙시닉 언하이드라이드 다이메틸포름알데하이드(succinyl anhydride dimethylforaldehyde) 용액에 넣어 표면이 카르복실기를 갖도록 표면처리한 후, 생체물질을 고정시키기 위하여 EDC/NHS 반응을 이용하여 표면처리하였다.
다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체로의 생체분자 고정 및 바이오센싱
실시예 2에서 EDC/NHS 표면처리된 탄소나노튜브 복합체에 생체물질을 고정화하여 항원-항체 상호작용을 관찰하기 위하여, 녹색형광단백질 (GFP) 항체를 고정화 시키고, 시료 중에 함유된 항체에 대한 반응을 검출하였다. 즉, 녹색형광단백질(GFP) 항원이 포함된 시료를 처리한 다음, 형광스캐너를 이용하여 항체와 항원의 반응을 확인하였다.
형광스캐너를 이용하여 녹색형광단백질 항원과 항체의 선택적인 상호작용을 확인한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브의 표면에 다공성 실리카 나노구조체의 형성 없이 COOH기에 GPF 항체를 고정시킨 경우 (도 5B)에 비하여, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합체의 경우 형광 이미지의 세기가 현저히 강해짐을 확인할 수 있었다.
이러한 실험 결과는 본 발명에 따른 생체물질이 고정화된 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체는 바이오칩, 바이오센서 및 나노지지체로 활용함으로써, 생물학적 및 의학적으로 광범위하게 적용할 수 있음을 제시한다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
110: 탄소나노튜브 120: 다공성 금속산화물 나노구조체
130: 생체분자

Claims (18)

  1. 다음 단계를 포함하는, 생체물질이 고정되어 있는, 다공성 금속산화물 나노구조체가 코팅된 탄소나노튜브 복합체의 제조방법:
    (a) 탄소나노튜브의 표면에 다공성 금속산화물 나노구조체를 형성하는 단계;
    (b) 상기 형성된 다공성 금속산화물 나노구조체의 표면을 생체물질의 고정이 용이하도록 개질하는 단계; 및
    (c) 상기 개질된 다공성 금속산화물 나노구조체 표면에 생체물질을 고정하여, 생체물질이 고정되어 있는 탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 금속산화물 나노구조체는 다공성 실리카, 다공성 티타늄산화물(TiO2), 다공성 아연산화물(ZnO) 및 다공성 알루미늄산화물(Al2O3)로 구성된 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 탄소나노튜브를 계면활성제 수용액에서 초음파 처리하여 탄소나노튜브의 표면을 계면활성제로 코팅한 다음, 이를 물에 분산시킨 후 다공성 금속산화물 나노구조체 형성을 위한 전구체를 혼합하고 가열하여 다공성 금속산화물 나노구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 다공성 금속산화물 나노구조체 형성을 위한 전구체의 혼합비율은 1mg:10㎕인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 계면활성제는 세틸트리메틸암모니움 브로마이드 (cetyltrimenthylammonium bromide), 라우릴아민 하이드로클로라이드 도데킬트리메틸암모니움 브로마이드 (Laurylamine hydrochloride dodecyltrimethylammonium bromide), n-도데킬아민 (n-dodecylamine) 및 디-(2-에틸헥실)포스페이트 (di-(2-ethylhexyl)phosphate)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 다공성 금속산화물 나노구조체 형성을 위한 전구체는 테트라에틸 오르소실리케이트 (tetraethyl orthosilicate, TEOS), 테트라메틸 오르소실리케이트 (tetramethyl orthosilicate, TMOS) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 다공성 금속산화물 나노구조체 형성을 위한 전구체는 티타늄 알콕사이드(titanium alkoxide), 진크 아세테이트(zinc acetate) 및 질산 알루미늄(Al(NO3)3.9H2O)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 개질은 카르복실기, 아민기, 알데히드기, 수산기, 티올기 및 할로겐으로 구성된 군에서 선택되는 작용기를 가지는 실란계 화합물 또는 2-카르복실에틸 포스포닉 액시드를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 실란계 화합물은 Si(OH)3-R-COOH, Si(OH)3-R-OH, Si(OH)3-R-CHO, Si(OH)3-R-SH, Si(OH)3-R-X, 카트복시에틸실란트리올, 11-트리에톡시실리운데카낼, 아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필다이에톡시메틸실란 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법,
    여기서, R은 C1 -20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이고, X는 할로겐 원소임.
  10. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 개질은 카로복실기, 아민기, 알데히드기, 수산기, 티올기 및 할로겐으로 구성된 군에서 선택된 작용기와 상기 개질된 표면의 작용기와 결합하는 작용기를 동시에 가지는 화합물을 링커로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 링커 화합물은 숙시닉 언하이드라이드, COOH-R-COOH, COOH-R-NH2, COOH-R-SH, COOH-R-OH, COOH-R-CHO, COOH-R-X1, H2N-R-NH2, NH2-R-SH, NH2-R-OH, NH2-R-CHO, NH2-R-X1, SH-R-SH, SH-R-OH, SH-R-CHO, SH-R-X1, OH-R-OH, OH-R-CHO, OH-R-X1, CHO-R-CHO, CHO-R-X1, X1-R-X2로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법,
    여기서, R은 C1 ~20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이고, X1 및 X2는 할로겐 원소임.
  12. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계의 생체물질 고정은 1-에틸-3-[3-다이메틸아미노프로필]카보다이이미드 하이드로클로라이드/N-하이드록시술포숙실이미드 (1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl] carbodiimide hydrochloride (EDC)/ N-hydroxysulfosucciniimide(NHS))를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 생체물질은 단백질, 효소, 항체, 펩티드, 지질, DNA, RNA 및 PNA로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체.
  15. 제14항에 있어서, 직경이 24.6nm~26.3nm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합체.
  16. 제14항의 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 이용하는 것을 특징으로 하는 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출방법.
  17. 제14항의 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 포함하는, 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출용 바이오센서.
  18. 제14항의 생체물질이 고정되어 있는 다공성 금속산화물 나노구조체로 코팅된 탄소나노튜브 복합체를 포함하는, 상기 생체물질과 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출용 키트.
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