KR20140055563A - Magnetic core/shell nanoparticle comprising immobilized enzyme or biomaterial and preparation method thereof - Google Patents

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KR20140055563A
KR20140055563A KR1020120122610A KR20120122610A KR20140055563A KR 20140055563 A KR20140055563 A KR 20140055563A KR 1020120122610 A KR1020120122610 A KR 1020120122610A KR 20120122610 A KR20120122610 A KR 20120122610A KR 20140055563 A KR20140055563 A KR 20140055563A
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김승욱
이희욱
박철환
송윤석
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a magnetic core/shell nanoparticle comprising: a) a core part that is formed as magnetic material and boron are bonded; b) a silica shell part that wraps the core; c) an outermost shell part that warps the shell and includes silica; d) an outermost shell surface part that is obtained by improving the surface of the outermost shell through one or more substituents selected from the group consisting of -NH_2, -COOH, -NHS, and -biotin; and e) an enzyme or a biomaterial that is fixed to the shell surface part. The core/shell nanoparticle including the immobilized enzyme or biomaterial according to the present invention has the surface that is improved by means of amine groups and the like. The immobilization is optimized by means of a covalent bond of the enzyme or biomaterial and a carboxyl group. Even though the nanoparticle is used several times, the activity of the enzyme or biomaterial can be maintained at a high level.

Description

고정화된 효소 또는 바이오 물질을 포함하는 자성 코어/쉘 나노입자 및 그 제조방법{Magnetic Core/Shell nanoparticle comprising immobilized enzyme or biomaterial and preparation method thereof}Magnetic Core / Shell Nanoparticles Containing Immobilized Enzymes or Biomaterials and Methods of Producing the Magnetic Core / Shell Nanoparticles

본 발명은 고정화된 효소 또는 바이오 물질을 포함하는 자성 코어/쉘 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성 코어/쉘 나노입자의 표면을 개질하여, 효소 또는 바이오 물질을 효과적으로 고정화한 코어/셀 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic core / shell nanoparticle containing an immobilized enzyme or a biomaterial and a method for preparing the same, and more particularly, to a magnetic core / shell nanoparticle comprising a magnetic core / shell nanoparticle modified by effectively immobilizing an enzyme or a biomaterial Core / cell nanoparticles and a method of manufacturing the same.

산업적으로 사용되기 위한 효소의 접목에 관한 연구는 효소의 연속 공정, 효율적인 분리, 그리고 재사용에 의한 원가 절감 등 다양한 운반체와 결합된 고정화 효소에 대한 개발이 진행 되고 있다. 이러한 효소는 자성, 금, 은, 실리카 등과 같은 입자의 다양한 표면에 효소를 고정화를 위하여 사용되었으며, 또한 바이오 센서, 바이오 연료전지 등과 같은 응용에 큰 잠재적인 가능성을 가지고 있다. Studies on the conjugation of enzymes for industrial use have been under way for the development of immobilized enzymes combined with various carriers such as continuous processing of enzymes, efficient separation, and cost reduction by reuse. These enzymes have been used to immobilize enzymes on various surfaces of particles such as magnetic, gold, silver, and silica, and have great potential for applications such as biosensors and biofuel cells.

자성 입자들 (특히 산화철)은 생화학적 생산물의 분산, MRI (magnetic resonance imaging), 표적약물전달, 바이오센서 등과 같은 바이오 의학에 넓게 활용되고 있으며 액상환경에서 화학적인 안전성, 잘 분산이 되며 일정한 크기를 가지고 있어 더 많은 응용에 활용 되고 있다. 그러나 자성입자는 생물학적 환경에 직접적으로 노출 되면 이방성의 쌍극자 인력과 생분해 때문에 응집이 일어나게 된다. Magnetic particles (especially iron oxide) are widely used in biomedical applications such as biochemical product dispersion, magnetic resonance imaging (MRI), target drug delivery, biosensors, etc., and are chemically stable, well dispersed in a liquid environment, It has been used in many applications. However, when magnetic particles are exposed directly to the biological environment, aggregation occurs due to anisotropic dipole attraction and biodegradation.

코발트 입자는 산화철의 포화자성이 3배에서 4배 가지고 있으며, 또한 벽면에 계면활성제 또는 고분자와 코팅되었을 때 비자성 산화 코발트형태가 된다. 그러나 코발트 입자는 강자성 응집 때문에 분산이 잘 되지 않으며 공기상에 산화가 불안정하게 일어나게 된다. Cobalt particles have 3 to 4 times the saturation magnetization of iron oxide, and when coated with a surfactant or polymer on the wall surface, they become non-magnetic cobalt oxide. However, cobalt particles are not well dispersed due to ferromagnetic cohesion and oxidation occurs unstably in the air phase.

한편, 대한민국 공개특허 제2012-0108492호 및 대한민국 공개특허 제2012-0101961호 등에는 나노입자에 대한 기술이 공개되어 있으나, 응집현상과 산화 과정을 방지하기 위한 기술은 전혀 기재되어 있지 않다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2012-0108492 and Korean Laid-Open Patent Application No. 2012-0101961 disclose techniques for nanoparticles, but no technology for preventing aggregation phenomenon and oxidation process is described at all.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명자는 응집현상과 산화 과정을 방지하기 위하여 코발트와 붕소가 결합된 입자 표면에 실리카를 코팅하여 자성입자를 합성하였다. 그리고 효소 및 바이오 물질을 입자의 표면을 개질하여 고정화를 하였다. 이러한 고정화된 효소를 위하여 최적 조건과 재사용에 대한 연구를 수행하였다.To solve these problems, the present inventors have synthesized magnetic particles by coating silica on surfaces of cobalt-boron bonded particles to prevent aggregation and oxidation. The enzyme and the biomaterial were immobilized by modifying the surface of the particle. For this immobilized enzyme, optimal conditions and reuse were studied.

대한민국 공개특허 제2012-0108492호Korean Patent Publication No. 2012-0108492 대한민국 공개특허 제2012-0101961호Korean Patent No. 2012-0101961

본 발명의 하나의 목적은, 재사용이 가능하도록, 효소 또는 바이오 물질이 고정화된 자성 코어/쉘 나노입자를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a magnetic core / shell nanoparticle immobilized with an enzyme or a biomaterial so as to be reusable.

본 발명의 다른 목적은 상기 나노입자의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the nanoparticles.

본 발명은, a)자성 물질과 붕소가 결합되어 형성되는 코어 부; b)상기 코어를 둘러싸고 있는 실리카 쉘 부; c)상기 쉘 부를 둘러싸고, 실리카를 포함하는 최외각 쉘 부; d)상기 최외각 쉘의 표면이 -NH2, -COOH, -NHS 및 바이오틴(-Biotin)으로 이루어진 군부터 선택되는 치환기로 개질된 최외각 쉘 표면 부; 및 e) 상기 쉘 표면 부에 고정화되는, 글루코오즈 옥시데이즈, 리파아제(lipase), 라카아제(laccase), 카탈라아제(catalase), 미생물, 항원 및 항체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소 또는 바이오 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자를 제공한다.The present invention provides a magnetic recording medium comprising: a) a core portion formed by coupling a magnetic material with boron; b) a silica shell portion surrounding the core; c) an outermost shell portion surrounding the shell portion and comprising silica; d) an outermost shell surface portion modified by a substituent selected from the group consisting of -NH 2 , -COOH, -NHS and biotin on the surface of said outermost shell; And e) one or more enzymes or biomaterials selected from the group consisting of glucosoxidase, lipase, laccase, catalase, microorganism, antigen and antibody, immobilized on the surface of the shell, The present invention also provides a magnetic core / shell nanoparticle.

본 발명의 일예에 의하면, 상기 자성 물질은 코발트일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the magnetic material may be cobalt.

본 발명의 다른 예에 의하면, 상기 입자의 크기가 10 nm 내지 1000 nm 일 수 있다.According to another example of the present invention, the particle size may be 10 nm to 1000 nm.

본 발명의 또 다른 예에 의하면, 상기 치환기는 -NH2일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the substituent may be -NH 2 .

또한, 본 발명은, a)자성 물질과 붕소 수소화물을 반응시켜 자성물질-붕소 결합된 코어 부를 형성하는 단계; b)상기 코어에 실리카를 코팅하여 코어를 감싸는 쉘 부를 형성하는 단계; c)상기 코어 및 쉘로 형성된 입자에 실리카를 첨가하여 최외각 쉘 부를 형성하는 단계; d)상기 최외각 쉘의 표면을 -NH2, -COOH, -NHS 및 바이오틴(-Biotin)으로 이루어진 군부터 선택되는 치환기로 개질하는 단계; 및 e) 고정화 버퍼를 사용하여 상기 쉘 표면 부에 글루코오즈 옥시데이즈, 리파아제(lipase), 라카아제(laccase), 카탈라아제(catalase), 미생물, 항원 및 항체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소 또는 바이오 물질을 고정화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자의 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a magnetic material comprising the steps of: a) reacting a magnetic material with a boron hydride to form a magnetic material-boron bonded core portion; b) coating the core with silica to form a shell portion surrounding the core; c) adding silica to the particles formed from the core and the shell to form an outermost shell portion; d) modifying the surface of said outermost shell with a substituent selected from the group consisting of -NH 2 , -COOH, -NHS and biotin; And e) contacting the surface of the shell with at least one enzyme selected from the group consisting of glucosoxidase, lipase, laccase, catalase, microorganism, And immobilizing the magnetic core / shell nanoparticles. The present invention also provides a method for producing magnetic core / shell nanoparticles.

본 발명의 일예에 의하면, 상기 e) 단계의 고정화 버퍼는 인산나트륨(sodium phosphate buffer)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the immobilization buffer in step e) may be sodium phosphate buffer.

본 발명의 다른 예에 의하면, 상기 인산나트륨(sodium phosphate buffer)은 0.025 내지 0.2M일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the sodium phosphate buffer may be 0.025 to 0.2M.

본 발명의 또 다른예에 의하면, 상기 e) 단계는, pH 5 내지 8 및 5 내지 45°C의 조건에서 수행되는 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step e) may be carried out at a pH of 5 to 8 and at a temperature of 5 to 45 ° C.

본 발명에 따른 효소 또는 바이오 물질이 고정화된 코어/쉘 나노입자는, 입자 표면을 아민 그룹 등으로 개질하여 효소 또는 바이오 물질의 카르복실 그룹과의 공유결합에 의한 고정화를 최적화 하였을 뿐 아니라, 수차례 재사용 하는 경우에도 효소 또는 바이오 물질의 활성을 높은 수준으로 유지할 수 있는 장점이 있다. The core / shell nanoparticles immobilized with the enzyme or the biomaterial according to the present invention can be modified by modifying the surface of the particles with an amine group or the like to optimize the immobilization of the enzyme or the biomaterial by covalent bonding with the carboxyl group, The activity of the enzyme or the biomaterial can be maintained at a high level even when it is reused.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자를 제조하는 공정 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자를 TEM(Transmission electron microscope)으로 촬영한 사진이다.
도 3은 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의 패턴(Co2P의 결합에너지)을 측정하여 나타낸 것이다.
도 4는 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의 패턴(B1S의 결합에너지)을 측정하여 나타낸 것이다.
도 5는 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의 패턴(Si2p의 결합에너지)을 측정하여 나타낸 것이다.
도 6은 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의 패턴(N1s의 결합에너지)을 측정하여 나타낸 것이다.
도 7의 (a)는 자성 입자가 분산 되어 있는 상태를 나타내며, (b) 는 자성으로 인해 자성입자들이 모여든 상태를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자에 대해서 VSM(vibrating sample magnetometer)로 300K에서 측정한 장의존적(field-dependent) 자기화 곡선을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의, pH에 따른 효소 활성도(Enzyme activity)를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의, 온도(Temperature)에 따른 효소 활성도(Enzyme activity)를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의, 고정화 버퍼의 농도(concentration of phospate buffer)에 따른 효소 활성도(Enzyme activity)를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 코어/쉘 나노입자를, 7회까지 반복적으로 재사용 한 경우(Nmuber of cycle)의 고정화 효소의 활성도(enzyme activity)를 나타낸 것이다. (non-blocking; 기질 처리 전, Blocking with 0.1 M D-glucose; 기질 처리 후 )
FIG. 1 shows a process of manufacturing magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a photograph of a magnetic core / shell nanoparticle according to an embodiment of the present invention taken with a TEM (transmission electron microscope).
FIG. 3 shows measurement of a pattern (Co2P binding energy) of magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention using an X-ray photoelectron spectroscope (XPS).
FIG. 4 is a graph showing the measurement of a pattern (binding energy of B1S) of magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
FIG. 5 is a graph showing a pattern (bond energy of Si2p) of magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention measured using an X-ray photoelectron spectroscope (XPS).
FIG. 6 is a graph showing a pattern (binding energy of N1s) of magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention measured using an X-ray photoelectron spectroscope (XPS).
Fig. 7 (a) shows a state in which magnetic particles are dispersed, and Fig. 7 (b) shows a state in which magnetic particles are gathered due to magnetism.
FIG. 8 is a field-dependent magnetization curve measured at 300 K with a vibrating sample magnetometer (VSM) for magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows enzyme activity of magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention, according to pH.
FIG. 10 shows the enzyme activity of the magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention, according to the temperature.
11 is a graph showing the enzyme activity of the magnetic core / shell nanoparticles according to an embodiment of the present invention, according to the concentration of phos- phate buffer.
FIG. 12 shows the enzyme activity of the immobilized enzyme when the magnetic core / shell nanoparticle according to an embodiment of the present invention is repeatedly used up to seven times (Nmuber of cycle). (non-blocking, before substrate treatment, Blocking with 0.1 M D-glucose, after substrate treatment)

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 자성 물질이 포함된 코발트 중심(core)과 실리카 쉘(shell)로 이루어진 코어/쉘 입자에 효소 또는 바이오물질, 예를 들어 글루코오즈 옥시데이즈(glucose oxidase;GOD)를 고정한 자성 나노입자를 제공하고, 그 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a magnetic nanoparticle in which an enzyme or a biomaterial such as glucose oxidase (GOD) is immobilized on a core / shell particle composed of a cobalt core containing a magnetic substance and a silica shell, And provides a manufacturing method thereof.

구체적으로 살펴보면, 본 발명은, a)자성 물질과 붕소가 결합되어 형성되는 코어 부; b)상기 코어를 둘러싸고 있는 실리카 쉘 부; c)상기 쉘 부를 둘러싸고, 실리카를 포함하는 최외각 쉘 부; d)상기 최외각 쉘의 표면이 -NH2, -COOH, -NHS 및 바이오틴(-Biotin)으로 이루어진 군부터 선택되는 치환기로 개질된 최외각 쉘 표면 부; 및 e) 상기 쉘 표면 부에 고정되며, 효소 또는 바이오 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자를 제공한다.More specifically, the present invention provides a magnetic recording medium comprising: a) a core portion formed by coupling a magnetic material and boron; b) a silica shell portion surrounding the core; c) an outermost shell portion surrounding the shell portion and comprising silica; d) an outermost shell surface portion modified by a substituent selected from the group consisting of -NH 2 , -COOH, -NHS and biotin on the surface of said outermost shell; And e) a core / shell nanoparticle immobilized on the surface of the shell, wherein the core / shell nanoparticle comprises an enzyme or a biomaterial.

상기 자성 물질로는 Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo 등이 있으며, 바람직하게는 코발트(Co)를 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.Examples of the magnetic material include Co, Mn, Fe, Ni, Gd and Mo, and cobalt (Co) is preferably used.

또한, 상기 입자의 크기가 10 nm 내지 1000 nm 인 것이 바람직하며, 100nm 내지 200 nm인 것이 더욱 바람직하다.Further, the particle size is preferably 10 nm to 1000 nm, more preferably 100 nm to 200 nm.

상기 최외각 쉘의 표면을 개질하는 치환기로는 -NH2, -COOH, -NHS, 바이오틴(-Biotin) 등이 있으며, 바람직하게는 아민으로 최외각 쉘을 개질하여 사용할 수 있다. 즉, 예를 들어 최외각 표면에 -NH2, -COOH, -NHS, -Biotin 등으로 개질하면, 효소 또는 바이오 물질를 안정적으로 고정화 할 수 있다.Substituents for modifying the surface of the outermost shell include -NH 2 , -COOH, -NHS, and biotin. Preferably, the outermost shell is modified with an amine. That is, for example, when the outermost surface is modified with -NH 2 , -COOH, -NHS, -Biotin or the like, the enzyme or the biomaterial can be stably immobilized.

상기 효소 또는 바이오 물질은, 당업자에게 효소 또는 바이오 물질로 인식되는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 글루코오즈 옥시데이즈, 리파아제(lipase), 라카아제(laccase) 또는 카탈라아제(catalase)에서 선택된 효소 또는 미생물, 항원 또는 항체에서 선택된 바이오물질이 사용될 수 있다. 상기 미생물, 항원 및 항체는 일반적으로 미생물, 항원 또는 항체라고 인식되는 것으로서, 단백질로 이루어진 구조를 갖는 것이면 본 발명에 적용가능하며, 특히 아민기, 카르복실기, 또는 알데하이드 등의 치환기를 갖는 것이 바람직하다. The enzyme or the biomaterial is not particularly limited as long as it is recognized by the person skilled in the art as an enzyme or a biomaterial. Preferably, an enzyme selected from glucose oxidase, lipase, laccase, or catalase, or a biomaterial selected from a microorganism, an antigen, or an antibody may be used. The microorganisms, antigens and antibodies are generally recognized as microorganisms, antigens or antibodies. Any microorganism, antigen, or antibody having a structure composed of proteins may be used in the present invention, and it is preferable that the microorganism, antigen and antibody have a substituent such as an amine group, a carboxyl group or an aldehyde.

가장 바람직하게는 글로코오즈 옥시데이즈를 사용할 수 있다.
Most preferably, glucoose oxidase can be used.

한편, 본 발명은, a)자성 물질과 붕소 수소화물을 반응시켜 자성물질-붕소 결합된 코어 부를 형성하는 단계; b)상기 코어에 실리카를 코팅하여 코어를 감싸는 쉘 부를 형성하는 단계; c)상기 코어 및 쉘로 형성된 입자에 실리카를 첨가하여 최외각 쉘 부를 형성하는 단계; d)상기 최외각 쉘의 표면을 -NH2, -COOH, -NHS 및 바이오틴(-Biotin)으로 이루어진 군부터 선택되는 치환기로 개질하는 단계; 및 e) 고정화 버퍼를 사용하여 상기 쉘 표면 부에 효소 또는 바이오 물질을 고정화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자의 제조방법을 제공한다.On the other hand, the present invention provides a method for producing a magnetic material, comprising the steps of: a) reacting a magnetic material with a boron hydride to form a magnetic material-boron bonded core; b) coating the core with silica to form a shell portion surrounding the core; c) adding silica to the particles formed from the core and the shell to form an outermost shell portion; d) modifying the surface of said outermost shell with a substituent selected from the group consisting of -NH 2 , -COOH, -NHS and biotin; And e) immobilizing an enzyme or a biomaterial on the surface of the shell using an immobilizing buffer. The present invention also provides a method for producing magnetic core / shell nanoparticles.

상기 a)단계에서 자성 물질과 붕소를 결합하여 코어 부를 형성하는 것은, 자성물질 단독으로 사용할 때보다 붕소를 결합하여 사용하면 자성분자 간에 결합, 입자의 형성 등의 효과가 있기 때문이다.The reason for forming the core part by bonding the magnetic material with boron in the step a) is that when boron is used in combination with the magnetic material than when it is used alone, there is an effect such as bonding between magnetic molecules, formation of particles, and the like.

상기 자성 물질로는 Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo 등이 있으며, 바람직하게는 코발트(Co)를 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.Examples of the magnetic material include Co, Mn, Fe, Ni, Gd and Mo, and cobalt (Co) is preferably used.

상기 d)단계의 최외각 쉘의 표면을 개질하는 치환기로는 -NH2, -COOH, -NHS, 바이오틴(-Biotin) 등이 있으며, 바람직하게는 아민으로 최외각 쉘을 개질하여 사용할 수 있다. 즉, 예를 들어 최외각 표면에 -NH2, -COOH, -NHS, -Biotin 등으로 개질하면, 효소 또는 바이오 물질를 안정적으로 고정화 할 수 있다.The substituent for modifying the surface of the outermost shell in the step d) is -NH 2 , -COOH, -NHS, and biotin. The shell may be modified with an amine. That is, for example, when the outermost surface is modified with -NH 2 , -COOH, -NHS, -Biotin or the like, the enzyme or the biomaterial can be stably immobilized.

상기 e) 단계의 효소 또는 바이오 물질은, 당업자에게 효소 또는 바이오 물질로 인식되는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 글루코오즈 옥시데이즈, 리파아제(lipase), 라카아제(laccase) 또는 카탈라아제(catalase)에서 선택된 효소 또는 미생물, 항원 또는 항체에서 선택된 바이오물질이 사용될 수 있다. 상기 미생물, 항원 및 항체는 일반적으로 미생물, 항원 또는 항체라고 인식되는 것으로서, 단백질로 이루어진 구조를 갖는 것이면 본 발명에 적용가능하며, 특히 아민기, 카르복실기, 또는 알데하이드 등의 치환기를 갖는 것이 바람직하다. The enzyme or the biomaterial of step e) is not particularly limited as long as it is recognized by the person skilled in the art as an enzyme or a biomaterial. Preferably, an enzyme selected from glucose oxidase, lipase, laccase, or catalase, or a biomaterial selected from a microorganism, an antigen, or an antibody may be used. The microorganisms, antigens and antibodies are generally recognized as microorganisms, antigens or antibodies. Any microorganism, antigen, or antibody having a structure composed of proteins may be used in the present invention, and it is preferable that the microorganism, antigen and antibody have a substituent such as an amine group, a carboxyl group or an aldehyde.

가장 바람직하게는 글로코오즈 옥시데이즈를 사용할 수 있다. Most preferably, glucoose oxidase can be used.

또한, 고정화 버퍼는 인산나트륨(sodium phosphate buffer)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the immobilization buffer may be sodium phosphate buffer, but is not limited thereto.

상기 인산나트륨(sodium phosphate buffer)은 0.025 내지 0.2M의 농도로 사용하는 것이 바람직하며, 상기 범위 내의 인산나트륨버퍼를 사용하는 경우, 자성 코어/쉘 나노입자에 고정된 효소 또는 바이오 물질의 활성이 가장 우수하다. The sodium phosphate buffer is preferably used at a concentration of 0.025 to 0.2 M. When sodium phosphate buffer is used within the above range, the activity of the enzyme or the biomaterial immobilized on the magnetic core / shell nanoparticles is maximized great.

또한, 상기 e) 단계는, pH 5 내지 8 및 5 내지 45°C의 조건에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 범위 내에서 반응을 수행하는 경우, 자성 코어/쉘 나노입자에 고정된 효소 또는 바이오 물질의 활성이 가장 우수하다. In addition, the step e) is preferably performed at a pH of 5 to 8 and at a temperature of 5 to 45 ° C. When the reaction is performed within the above range, the enzyme or the biomaterial immobilized on the magnetic core / shell nanoparticle Is the most active.

본 발명의 자성 코어/쉘 나노입자는, 자성 물질인 코발트 이온과 붕소의 결합, 약계면활성제인 구연산, 그리고 붕소 화학수소화물의 흡착과 화학반응으로 구성되며, 구성화된 입자 표면에 실리카로 단단하게 결합시킬 수 있어 강자성체 특성을 유지할 수 있으며, 수용성 및 유기 용매에 잘 분산이 된다.
The magnetic core / shell nanoparticle of the present invention is composed of a combination of a cobalt ion and a boron which are magnetic substances, a weakly surfactant citric acid, and a chemical reaction with a boron chemical hydride, To maintain the ferromagnetic properties and to be well dispersed in water-soluble and organic solvents.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1Example 1

<코발트-붕소 입자의 형성 및 실리카 분자의 코팅에 따른 자성 코어/쉘 나노입자의 형성(대량생산)><Formation of Cobalt-Boron Particles and Formation of Magnetic Core / Shell Nanoparticles According to Coating of Silica Molecules (Mass Production)>

도 1-A와 같이 상온 상에서 0.2 M NaBH4과 0.4 mM 구연산(citric acid)의 혼합 용액 1000mL과 2 M의 CoCl26H2O_2mL을 65 °C에 녹인 용액을 혼합하여 질소가스 상에서 8분 동안 거품내면서 반응을 시킨다. 코발트-붕소 입자의 형성은 코발트 입자들의 이온간 반발력에 의해 이중층으로 성장을 하게 되고 그 사이는 -B(OH)4이 흡착에 의해 결합이 된다. 또한 코발트-붕소 (Co-B) 입자의 크기는 구연산염의 양과 관계를 가지게 된다.
As shown in Fig. 1-A, 1000 mL of a mixed solution of 0.2 M NaBH 4 and 0.4 mM citric acid and 2 M of CoCl 2 6H 2 O_2 mL were mixed at room temperature and mixed at 65 ° C for 8 minutes on a nitrogen gas Reaction is given. The formation of cobalt-boron particles grows into a double layer by the repulsion between ions of cobalt particles, and -B (OH) 4 is bonded by adsorption. Also, the size of the cobalt-boron (Co-B) particles is related to the amount of citrate.

도 1-B와 같이 코어로 성장한 코발트-붕소입자는 스토브방법(Stmethod)에 의해 그 표면을 코팅하게 된다. 코발트-붕소 입자 혼합 용액에 에탄올 2000ml, TEOS(tetraethyl orthosilicate) 1ml, 및 암모니아(28%) 1ml를 넣고 2시간 동안 반응하고, 그 다음 세척 단계를 거친 후 오븐에 건조 시킨다. 구연산 (citric acid)은 약계면활성제로 작용하여 하나의 막을 형성하고 그 막 안에서 실리카 분자들이 가수분해 및 응축되어 쉘 형태로 실리카층이 형성하게 되며, 구연산염의 농도가 증가 할수록 그 쉘의 두께는 감소하게 된다. 따라서, 자성의 성질을 유지 시키기 위하여 쉘을 얇은 두께로 형성 시켰다.
As shown in FIG. 1-B, the cobalt-boron particles grown as cores are coated on their surfaces by the stove method. 2000 ml of ethanol, 1 ml of TEOS (tetraethyl orthosilicate) and 1 ml of ammonia (28%) are added to the mixed solution of cobalt-boron particles and reacted for 2 hours, then washed and then dried in an oven. Citric acid acts as a weak surfactant to form a single membrane, and the silica molecules are hydrolyzed and condensed in the membrane to form a silica layer in the form of a shell. As the concentration of citrate increases, the thickness of the shell decreases . Therefore, the shell was formed to have a thin thickness in order to maintain magnetic properties.

실시예 2Example 2

<입자의 표면이 <The surface of the particle 개질된Reformed 자성 코어/쉘 나노입자의 형성> Formation of magnetic core / shell nanoparticles &gt;

도 1-C와 같이, 상기 실시예 1에서 얻은 입자들의 표면을 개질하기 위하여, 실시예 1에서 얻은 입자들을 아세톤 100ml과 혼합 후 분산 시킨 다음 3-APTS(3-aminopropyltriethoxysilane)18ml를 혼합하고 50 °C 상에서 2시간 동안 개질하였다. 3-APTS의 실란기가 가수분해에 의해 결합이 되면서 입자의 표면은 쉽게 아민기로 개질이 된다.
1-C, the particles obtained in Example 1 were mixed with 100 ml of acetone and then dispersed. 18 ml of 3-APTS (3-aminopropyltriethoxysilane) C for 2 hours. As the silane groups of 3-APTS are bonded by hydrolysis, the surface of the particles is easily reformed into amine groups.

실시예 3Example 3

<표면이 <Surface 개질된Reformed 입자 표면에  On the particle surface 글루코오즈Glucose 옥시데이즈가Oxides 고정화된, 자성 코어/쉘 나노입자의 형성> Formation of immobilized, magnetic core / shell nanoparticles &gt;

도 1-D와 같이, 상기 실시예 3에서 얻어진 표면이 개질된 입자 표면에, 효소 또는 바이오 물질로의 고정화를 최적화하기 위하여, 상기 표면 개질된 입자 0.2g와 sodium phosphate buffer (0.025, 0.05, 0.1, 0.2 M, pH 5.0, 6.0, 7.0, 8.0) 5ml에 각각 혼합 후 분산 시켰다. 그 후 효소인 글루코오즈 옥시데이즈(glucose oxidase, GOD) 1mg/5ml 와 20mM EDC를 입자와 혼합된 버퍼에 섞은 후, 반응 온도를 5, 15, 25, 35, 45 °C 상에서 각각 15 시간 동안 반응하면 입자의 아민 그룹과 효소 또는 바이오 물질의 공유결합으로 고정화하게 된다. As shown in FIG. 1-D, 0.2 g of the surface-modified particles and 0.025 g of sodium phosphate buffer (0.025, 0.05, 0.1 , 0.2 M, pH 5.0, 6.0, 7.0, 8.0). Then, 1 mg / 5 ml of glucose oxidase (GOD) and 20 mM EDC were added to the buffer mixed with the particles, and the reaction was carried out at 5, 15, 25, 35 and 45 ° C for 15 hours The covalent bond between the amine group of the particle and the enzyme or biomaterial is immobilized.

결론적으로, 코발트-붕소입자인 코어와 실리카인 쉘로 입자를 대량 생산을 할 수 있었으며, 이와 같이 합성된 입자 표면에 효소 또는 다양한 바이오 물질을 고정화하기 위하여 개질한 후, 자성입자를 효소 또는 바이오 물질을 고정화할 수 있었다. 본 발명의 효소 또는 바이오 물질이 고정화된 입자는, 다양한 응용분야에 활용 될 수 있다.
As a result, it was possible to mass-produce particles with a core of cobalt-boron particles and a shell of silica. After modifying the enzyme or a variety of biomaterials to immobilize the thus synthesized particle surface, the magnetic particles were treated with an enzyme or a biomaterial Immobilized. The particles immobilized with the enzyme or the biomaterial of the present invention can be utilized in various applications.

[[ 시험예Test Example 1]  One] TEMTEM 이미지 측정 Image measurement

상기 실시예 1에서 얻어진 입자를 TEM(Transmission electron microscope)로 촬영하여 도 2에 나타내었다.
The particles obtained in Example 1 were photographed by TEM (transmission electron microscope) and shown in Fig.

이를 살펴보면, 실시예 1의 입자는 코어/쉘 구조를 갖는 구형체임을 알 수 있고, 입자의 쉘에 표면이 비연속적으로 분포되어 있음을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the particles of Example 1 are spherical bodies having a core / shell structure, and the surfaces are discontinuously distributed in the shell of the particles.

상기 도 2의 TEM 결과는, 도 1-B와 같이 코발트 중심 상에 실리카가 코팅 되었을 때, 약 5 nm의 두께로 실리카 층이 형성된 것을 보여 주고, 전체 자성 입자의 크기는 약 100 nm로 형성 된 것을 확인하였다.
The TEM results of FIG. 2 show that a silica layer having a thickness of about 5 nm is formed when silica is coated on the center of the cobalt as shown in FIG. 1-B, and the size of the entire magnetic particles is about 100 nm Respectively.

[[ 시험예Test Example 2]  2] XPSXPS 패턴 측정 Pattern measurement

실시예 1의 자성 마이크론 입자를 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)을 이용하여 패턴을 측정하여 도 3에 내지 도 6 나타냈다. The magnetic micron particles of Example 1 were measured for patterns using an X-ray photoelectron spectroscope (XPS) and shown in FIG. 3 to FIG.

이를 살펴보면, XPS 범위는 입자에 모든 코발트들은 Co2P (780.9, 796.6 eV), B1S (191.7, 198.0 eV)의 결합 에너지를 갖는 것을 확인하였다. 또한 Co-B 입자에 코팅된 실리카인 경우 Si2p (102.0 eV) 그리고 아민으로 표면 개질한 후의 N1s (399.7 eV)의 결합에너지를 갖는 것을 확인 하였다.
As a result, it was confirmed that all the cobalt particles have binding energy of Co2P (780.9, 796.6 eV) and B1S (191.7, 198.0 eV) in the XPS range. In addition, it was confirmed that Si2p (102.0 eV) for Co-B particle-coated silica and N1s (399.7 eV) after surface modification with amine have binding energy.

이를 통하여 자성을 가지는 Co-B/SiO2/NH2입자 형성 및 표면 개질이 존재 하는 것을 알 수 있다.
It can be seen that Co-B / SiO2 / NH2 particle formation and surface modification with magnetism exist.

[[ 시험예Test Example 3] 자기화( 3] Magnetization ( magnetization자화화 ) 측정) Measure

VSM (vibrating sample magnetometer)로 300K에서 측정한, 상기 실시 예 1, 2에서 얻어진 입자의 장의존적 (field-dependent) 자기화 곡선을 도 8에 나타내었다.
The field-dependent magnetization curves of the particles obtained in Examples 1 and 2 measured at 300 K with a VSM (vibrating sample magnetometer) are shown in FIG.

300K의 자기 히스테리시스(magnetic hysteresis) 곡선은 보자력(coercivity)을 거의 보여주지 않고 강한 자기장에서도 수렵하지 않는데, 이는 자성의 특성을 가짐을 나타낸다.
The magnetic hysteresis curve of 300K shows little coercivity and does not hunt in a strong magnetic field, indicating that it has magnetic properties.

300K 상에서 단위 질량당 포화모멘트 (saturation moment per unit mass_Ms)는 15.02 emu/g, 보자력(coercivity)는 52.38 Oe가 되는 것을 확인 하였다.
It was confirmed that the saturation moment per unit mass_Ms and the coercivity were respectively 15.02 emu / g and 52.38 Oe on 300K.

[시험 예 4] 고정화 버퍼의 농도, [Test Example 4] The concentration of the immobilization buffer, pHpH 및 고정화 반응온도에 따른  And immobilization reaction temperature 글루코오즈Glucose 옥시데이즈Oxides 효소 활성도 측정 Enzyme activity measurement

실시예 3의 고정화 버퍼의 농도, pH, 그리고 고정화 반응 온도에 따른 효소 활성도를 도 9 내지 11에 나타내었다. 상기 글루코오즈 옥시데이즈(glucose oxidase;GOD)의 활성도(activity) 측정은 GOD assay kit (K-GOLX 01/05, Megazyme Ltd., Ireland)를 사용하였다.
The enzyme activity according to the concentration, pH, and immobilization reaction temperature of the immobilization buffer of Example 3 is shown in Figs. GOD assay kit (K-GOLX 01/05, Megazyme Ltd., Ireland) was used to measure the activity of glucose oxidase (GOD).

고정화 버퍼인 sodium phosphate buffer의 따른 농도와 pH는 0.025부터 0.2M까지, pH 5.0부터 8.0까지 증가 시켰을 때, 효소의 최고 활성도(activity)는 농도가 0.1 M, pH 7.0일 때 그 활성도가 높은 것을 확인 하였다. 또한 자성입자와 효소의 고정화 온도를 5부터 45 °C까지 증가 시켰을 때, 효소의 최고 활성도는 5°C일 때 그 활성도가 높은 것을 확인하였다.
When the concentration and pH of the immobilized buffer, sodium phosphate buffer, were increased from 0.025 to 0.2M and the pH was increased from 5.0 to 8.0, the highest activity of the enzyme was found to be high when the concentration was 0.1 M and pH 7.0 Respectively. When the immobilization temperature of magnetic particles and enzyme was increased from 5 to 45 ° C, the highest activity of enzyme was observed at 5 ° C.

[시험 예 5] 고정화된 효소의 재사용[Test Example 5] Reuse of immobilized enzyme

실시예 3의 최적화된 고정화 효소의 활성도(activity)를 측정하기 위하여, 효소를 기질과 반응하지 않고 고정화 했을 때 (non-blocking) 와 기질(glucose)과 반응 후 고정화 했을 때 (blocking), 두 경우로 나누어 확인 하였다. 구체적으로, 기질 전처리 전(non-blocking; 기질 처리 전), 후(Blockig with 0.1 M D-glucose; 기질 처리 후) 7회까지 반복적으로 재사용할 경우의, 실시예 3의 최적화된 고정화 효소의 활성도(activity)를 상기 시험예 4와 동일한 방법으로 각각 측정하여 도 12에 나타내었다. In order to measure the activity of the optimized immobilized enzyme of Example 3, when the enzyme was immobilized without reacting with the substrate (non-blocking) and when immobilized after reaction with the substrate (glucose) Respectively. Specifically, the activity of the optimized immobilized enzyme of Example 3 when repeatedly used up to 7 times before the non-blocking (before the substrate treatment) and after (Blockig with 0.1 M D-glucose; after the substrate treatment) activity was measured in the same manner as in Test Example 4 and shown in FIG.

도 12과 같이 7회 반복하여 효소 활성도를 측정하였을 때 이 활성도는 최대 50%까지 유지 되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 기질의 전처리 전, 후를 비교하였을 때, 1회부터 3회까지의 효소의 활성도는 별 차이를 보이지 않지만 4회부터는 기질 전(non-blocking; 기질 처리 전)처리 후(Blockig with 0.1 M D-glucose; 기질 처리 후)가 높은 것을 확인 하였다. As shown in FIG. 12, when the enzyme activity was measured seven times, it was confirmed that the activity was maintained up to 50%. In addition, there was no significant difference in the activity of the enzyme from 1 to 3 before and after the pretreatment of the substrate, but from 4th time after the non-blocking treatment (Blockig with 0.1 M D -glucose; after substrate treatment).

Claims (8)

a)자성 물질과 붕소가 결합되어 형성되는 코어 부;
b)상기 코어를 둘러싸고 있는 실리카 쉘 부;
c)상기 쉘 부를 둘러싸고, 실리카를 포함하는 최외각 쉘 부;
d)상기 최외각 쉘의 표면이 -NH2, -COOH, -NHS 및 바이오틴(-Biotin)으로 이루어진 군부터 선택되는 치환기로 개질된 최외각 쉘 표면 부; 및
e) 상기 쉘 표면 부에 고정화된, 글루코오즈 옥시데이즈, 리파아제(lipase), 라카아제(laccase), 카탈라아제(catalase), 미생물, 항원 및 항체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소 또는 바이오 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자.
a) a core portion formed by coupling a magnetic material and boron;
b) a silica shell portion surrounding the core;
c) an outermost shell portion surrounding the shell portion and comprising silica;
d) an outermost shell surface portion modified by a substituent selected from the group consisting of -NH 2 , -COOH, -NHS and biotin on the surface of said outermost shell; And
e) one or more enzymes or biomaterial immobilized on the surface of the shell, selected from the group consisting of glucosoxidase, lipase, laccase, catalase, microorganism, antigen and antibody Magnetic core / shell nanoparticles.
청구항 1에 있어서,
상기 자성 물질은 코발트인 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자.
The method according to claim 1,
Wherein the magnetic material is cobalt.
청구항 1에 있어서,
상기 입자의 크기가 10 nm 내지 1000 nm 인 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자.
The method according to claim 1,
Wherein the particle size is from 10 nm to 1000 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 치환기는 -NH2인 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자.
The method according to claim 1,
Wherein the substituent is -NH 2 .
a)자성 물질과 붕소 수소화물을 반응시켜 자성물질-붕소 결합된 코어 부를 형성하는 단계;
b)상기 코어에 실리카를 코팅하여 코어를 감싸는 쉘 부를 형성하는 단계;
c)상기 코어 및 쉘로 형성된 입자에 실리카를 첨가하여 최외각 쉘 부를 형성하는 단계;
d)상기 최외각 쉘의 표면을 -NH2, -COOH, -NHS 및 바이오틴(-Biotin)으로 이루어진 군부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 개질하는 단계; 및
e) 고정화 버퍼를 사용하여 상기 쉘 표면 부에 글루코오즈 옥시데이즈, 리파아제(lipase), 라카아제(laccase), 카탈라아제(catalase), 미생물, 항원 및 항체로 이루어진 군으로부터 선택되는 효소 또는 바이오 물질을 고정화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자의 제조방법.
a) reacting a magnetic material with a boron hydride to form a magnetic material-boron bonded core portion;
b) coating the core with silica to form a shell portion surrounding the core;
c) adding silica to the particles formed from the core and the shell to form an outermost shell portion;
d) modifying the surface of said outermost shell with at least one substituent selected from the group consisting of -NH 2 , -COOH, -NHS and biotin; And
e) immobilizing an enzyme or a biomaterial selected from the group consisting of glucosoxidase, lipase, laccase, catalase, microorganism, antigen and antibody on the surface of the shell using an immobilization buffer; Wherein the magnetic core / shell nanoparticles have an average particle size of less than 100 nm.
청구항 5에 있어서,
e) 단계의 고정화 버퍼는 인산나트륨(sodium phosphate buffer)인 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자의 제조방법.
The method of claim 5,
wherein the immobilization buffer of step (e) is sodium phosphate buffer.
청구항 6에 있어서,
상기 인산나트륨(sodium phosphate buffer)은 0.025 내지 0.2M인 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the sodium phosphate buffer is 0.025 to 0.2M.
청구항 5에 있어서,
상기 e) 단계는, pH 5 내지 8 및 5 내지 45°C의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 자성 코어/쉘 나노입자의 제조방법.
The method of claim 5,
Wherein the step e) is carried out at a pH of 5 to 8 and at a temperature of 5 to 45 ° C.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016032031A1 (en) * 2014-08-29 2016-03-03 건국대학교 산학협력단 Enzyme immobilization using iron oxide yolk-shell nanostructure
KR101975837B1 (en) 2017-12-14 2019-05-07 한국세라믹기술원 Manufacturing method of silica nanoparticle containing enzyme-absorbed magnetic particle
WO2020080833A1 (en) * 2018-10-17 2020-04-23 주식회사 이지다이아텍 Biomaterial-detecting microparticle and biomaterial detection method using same

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