KR20150121379A - Development of hydrogel microarray biosensor utilizing metal enhanced fluorescence effect - Google Patents

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KR20150121379A
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Abstract

The present invention relates to a nanocomposite which includes a silver nanoparticle core/silica shell, and to a biosensor which includes an enzyme-immobilized hydrogel. It is possible to provide a biosensor capable of detecting substrate concentration more sensitively, stably, and easily by means of metal enhanced fluorescence (MEF).

Description

형광신호 증폭 효과 기반의 하이드로젤 마이크로 어레이를 이용한 바이오 센서 개발{Development of hydrogel microarray biosensor utilizing metal enhanced fluorescence effect}[Background Art] [0002] Development of a biosensor using a hydrogel microarray based on fluorescence signal amplification effect [

본 발명은 글루코오스 검출을 위한 마이크로 어레이 기반의 바이오센서에 관한 것으로, 하이드로젤 내에 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체 및 효소를 고정하여, 형광신호 증폭 효과(metal enhanced fluorescence, MEF)를 통해 보다 민감도 높고 안정적이며 용이하게 기질의 농도를 검출할 수 있는 바이오 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to a microarray-based biosensor for detecting glucose, and a nanocomposite comprising a silver nanoparticle core / silica shell and an enzyme are immobilized in a hydrogel, and a metal enhanced fluorescence (MEF) And more particularly, to a biosensor capable of detecting a concentration of a substrate with high sensitivity, stability, and ease.

현재 많은 연구가 검진을 더욱 빠르고, 정확하며 경제적으로 수행할 수 있는 글루코오스 센서의 개발에 초점을 맞추고 있다. 기존의 광학 센서는 효소인 글루코오스 옥시다아제(glucose oxidase)를 사용하여 성분을 분석하였지만, 이는 광학적으로 검출에 한계가 있었다. Many studies now focus on the development of glucose sensors that can perform screening more quickly, accurately and economically. Conventional optical sensors use an enzyme, glucose oxidase, to analyze the components, but this has limited optical detection.

한편, 바이오센서의 연구의 가장 큰 연구동향 중의 하나는 생물학, 의학, 화학, 전자, 기계공학 등의 최첨단 학문의 관련기술이 복합적으로 융합되면서 바이오센서가 점점 마이크로 어레이를 이용한 바이오칩 형태로 소형화, 직접화되어 가고 있다는 점이다. 이러한 점을 고려하여 글루코오스 센서를 개발하면 분석장치의 소형화 및 집착화는 복잡하고 오랜 시간을 요하였던 분석을 최소환의 시료만을 이용하여 신속하고 간단하게 처리할 수 있으며, 동력소비 및 유지 비용을 낮출 수 있고 가장 큰 특징은 휴대 가능하기 때문에 환경조사 현장이나 산업현장 등 즉각적인 정보 획득의 필요가 있는 분석현장에서 실시간 분석이 가능하다는 장점이 있다.
Meanwhile, one of the biggest research trends of biosensor research is biosensor, which is increasingly used as a bio-chip using microarrays, because of the fusion of technologies related to cutting-edge research such as biology, medicine, chemistry, electronics, and mechanical engineering. It is getting better. Considering this point, the development of a glucose sensor enables the analysis and apparatus to be miniaturized and obsessed quickly and simply by using only the sample of the minimum circle, which requires complex and long time, It has the advantage of real-time analysis in the field of analysis, which requires immediate information acquisition, such as environmental survey or industrial survey, because it is portable.

기존의 광학적 센서는 생체물질에 별도의 형광표지자를 부착시킨 후 광학적으로 측정하여 생체물질을 검출하는 방법이 사용되었으나, 이는 광학적 측정의 한계가 있었다. In the conventional optical sensor, a method of attaching a fluorescent marker to a biological material and then optically measuring the biological material is used, but this has limitations in optical measurement.

또한, 효소는 물리적 충격, 화학적인 반응으로부터 민감하게 반응하여 쉽게 변성되는 경우가 많으며, 이러한 효소를 측정하기 위해서는 쉽게 확인할 수 있는 형광염료 등의 물질이 필요하다.
In addition, enzymes react sensitively from physical impacts and chemical reactions and are easily denatured. In order to measure these enzymes, substances such as fluorescent dyes, which can be easily confirmed, are required.

본 발명에서는 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체 및 효소가 고정된 하이드로젤을 포함하는 바이오센서를 제공한다. The present invention provides a biosensor comprising a nanocomposite including a silver nanoparticle core / silica shell and a hydrogel to which an enzyme is immobilized.

또한, 본 발명에서는 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체, 효소, 고분자 및 광개시제의 혼합물을 UV 조사하여 경화시키는 단계를 포함하는 바이오센서의 제조 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method of manufacturing a biosensor including a step of curing a mixture of a nanocomposite including a silver nanoparticle core / silica shell, an enzyme, a polymer and a photoinitiator by UV irradiation.

또한, 본 발명에서는 전술한 바이오센서를 사용하여 글루코오스를 검출하는 방법을 제공한다.
In addition, the present invention provides a method for detecting glucose using the above-described biosensor.

본 발명에 따른 바이오센서는 효소를 하이드로젤 내부에 고정하여, 효소의 활성을 오래도록 유지할 수 있으며, 센서의 재사용이 가능하다. The biosensor according to the present invention can fix the enzyme inside the hydrogel to maintain the activity of the enzyme for a long time and reuse of the sensor is possible.

또한, 본 발명에 따른 바이오센서는 효소의 농도, 나노복합체 및 실리카 쉘의 두께에 따라 고감도 글루코오스 측정이 가능하다.In addition, the biosensor according to the present invention can measure a high sensitivity glucose according to the concentration of the enzyme, the nanocomposite and the thickness of the silica shell.

또한, 본 발명에서는 기판에 다른 성분들을 포함하는 마이크로 어레이 제작이 가능하여 멀티 센싱이 가능하다. In addition, in the present invention, it is possible to manufacture a microarray including other components on a substrate, thereby enabling multi-sensing.

또한, 본 발명에 따른 바이오센서는 분석장치의 소형화 및 집적화로 복잡하고 오랜 시간을 요하였던 분석을 최소한의 시료만을 이용하여 신속하고 간단하게 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 동력소비 및 유지비용을 낮출 수 있고 휴대가 가능하다는 장점이 있다. In addition, the biosensor according to the present invention can quickly and simply process the analysis requiring complex and long time by using only a small sample due to miniaturization and integration of the analyzer, and also can reduce power consumption and maintenance cost It has the advantage of being portable.

또한, 본 발명에 따른 바이오센서는 고감도 신호 검출이 가능하여 바이오센서뿐 아니라 포토닉스, 분자 생물학, 재료과학, 화학 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.
In addition, the biosensor according to the present invention can be used in various fields such as photonics, molecular biology, materials science, and chemistry as well as a biosensor because a high sensitivity signal can be detected.

도 1은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 은 나노입자의 SEM 사진이다.
도 2는 TEOS 농도에 따른 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 3은 TEOS 농도에 따른 나노복합체의 UV-VIS 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이드로젤 어레이의 제조 방법을 나타내는 개요도이다.
도 5는 글루코오스의 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 TEOS의 농도에 따른 나노복합체의 형광신호 증폭 효과를 나타내는 사진(a) 및 그래프(b)이다.
도 7은 TEOS의 농도가 0.3 mg/mL일 때, 나노복합체의 농도에 따른 형성신호의 증폭 효과를 나타내는 사진(a) 및 그래프(b)이다.
도 8은 하이드로젤 마이크로 어레이를 이용한 형성신호의 증폭 효과를 나타내는 사진(a) 및 그래프(b)이다.
1 is an SEM photograph of silver nanoparticles prepared according to an embodiment of the present invention.
2 is a TEM photograph of a nanocomposite according to TEOS concentration.
3 is a UV-VIS graph of a nanocomposite according to TEOS concentration.
4 is a schematic view showing a method of manufacturing a hydrogel array according to the present invention.
5 is a view showing a measuring method of glucose.
6 is a photograph (a) and a graph (b) showing the effect of amplifying the fluorescence signal of the nanocomposite according to the concentration of TEOS.
FIG. 7 is a photograph (a) and a graph (b) showing the amplification effect of the formation signal according to the concentration of the nanocomposite when the TEOS concentration is 0.3 mg / mL.
8 is a photograph (a) and a graph (b) showing the effect of amplifying the forming signal using the hydrogel microarray.

본 발명은 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체 및 효소가 고정된 하이드로젤을 포함하는 바이오센서에 관한 것이다.
The present invention relates to a biosensor comprising a nanocomposite comprising a silver nanoparticle core / silica shell and a hydrogel immobilized with an enzyme.

이하, 본 발명에 따른 바이오센서를 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, a biosensor according to the present invention will be described in detail.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 바이오센서는 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체 및 효소가 고정된 하이드로젤을 포함한다. As described above, the biosensor according to the present invention includes a nanocomposite including a silver nanoparticle core / silica shell and a hydrogel to which an enzyme is immobilized.

본 발명에서 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체(나노복합체라 언급할 수 있다.)는 바이오센서에서 발생되는 형광을 증폭시키는 역할을 수행할 수 있다. In the present invention, a nanocomposite including a silver nanoparticle core / silica shell (which may be referred to as a nanocomposite) may serve to amplify fluorescence emitted from the biosensor.

은 나노입자는 플라즈몬 공명 현상을 가지는데, 상기 은 나노입자가 형광표지자와 일정 거리를 지닐 경우 형광 세기의 증폭현상이 발생할 수 있다. 그러나, 은 나노입자와 형광표지간의 거리가 멀면 형광신호 증폭현상이 나타나지 않으며, 형광표지자간의 거리가 너무 가까우면 상기 은 나노입자는 전자 수용체로 작용하여 형광표지자는 형광을 잃을 우려가 있다. 따라서, 상기 은 나노입자와 형광표지자간의 사이를 일정하게 유지시키는 것이 중요하다. Silver nanoparticles have a plasmon resonance phenomenon. When the silver nanoparticles have a certain distance from the fluorescent marker, amplification of fluorescence intensity may occur. However, when the distance between the silver nanoparticles and the fluorescent label is too long, there is no fluorescence signal amplification phenomenon. If the distance between the fluorescent labels is too close, the silver nanoparticle acts as an electron acceptor and the fluorescent label may lose fluorescence. Therefore, it is important to maintain a constant distance between the silver nanoparticles and the fluorescent marker.

본 발명에서는 은 나노입자를 실리카 쉘로 코팅함으로써, 은 나노입자와 형광표지자간의 거리를 조절할 수 있으며, 나아가 형광표지자의 형광강도를 조절할 수 있다. In the present invention, by coating the silver nanoparticles with the silica shell, the distance between the silver nanoparticles and the fluorescent marker can be controlled, and further, the fluorescence intensity of the fluorescent indicator can be controlled.

즉, 본 발명의 나노복합체는 은 나노입자 코어/실리카 쉘의 구성을 지님으로써, 바이오센서에 발생되는 형광의 세기를 용이하게 조절할 수 있다. That is, since the nanocomposite of the present invention has a silver nanoparticle core / silica shell structure, the intensity of fluorescence generated in the biosensor can be easily controlled.

상기 나노복합체에서 은 나노입자의 입경는 형광 세기 증폭현상을 발생시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 1 내지 1000 nm, 1 내지 100 nm, 1 내지 50 nm 또는 10 내지 20 nm의 입경을 가질 수 있다. The particle diameter of the silver nanoparticles in the nanocomposite is not particularly limited as long as it can cause fluorescence intensity amplification phenomenon. For example, the silver nanoparticle may have a particle diameter of 1 to 1000 nm, 1 to 100 nm, 1 to 50 nm, or 10 to 20 nm .

또한, 실리카 쉘의 두께도 상기 은 나노입자가 형광세기 증폭효과를 나타낼 수 있도록 형광표지자와의 간격을 조절할 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 1 내지 1000 nm, 1 내지 100 nm 또는 10 내지 50 nm일 수 있다. The thickness of the silica shell is not particularly limited as long as the distance between the silver nanoparticle and the fluorescent marker can be adjusted so that the silver nanoparticle can exhibit the fluorescence intensity effect. For example, the silica shell may have a thickness of 1 to 1000 nm, 50 nm.

본 발명에서 효소의 종류는 목적하는 기질의 검출에 이용될 수 있다면 특별히 제한되지 않는다. 일 구체예에서 효소는 글루코오스의 검출에 사용될 수 있으며, 이때 효소로는 글루코오스 옥시다아제, 알코올 옥시다이제 또는 콜레스트롤 옥시다이제를 사용할 수 있다. The kind of the enzyme in the present invention is not particularly limited as long as it can be used for the detection of the desired substrate. In one embodiment, the enzyme may be used to detect glucose, wherein the enzyme may be glucose oxidase, alcohol oxidase, or cholesterol oxidase.

전술한 나노복합체 및 효소는 하이드로젤에 고정된 구성을 가진다. The above-described nanocomposite and enzyme have a structure fixed to a hydrogel.

상기 효소는 물리적 충격 및 화학적인 반응으로부터 민감하게 반응하여 쉽게 변성될 수 있다. 따라서, 상기 효소를 수분 함량이 높고 생체에 적합한 고분자 하이드로젤에 고정시킴으로써, 효소의 활성이 오랫동안 유지되며 기질과의 반응을 보다 안정적으로 진행할 수 있다. The enzyme can be easily denatured by reacting sensitively from physical impact and chemical reaction. Thus, by fixing the enzyme to a polymer hydrogel having a high water content and suitable for a living body, the activity of the enzyme can be maintained for a long time and the reaction with the substrate can be more stably performed.

이러한 하이드로젤의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리에틸렌, 폴리비닐알코올, 폴리락틱코글리코릭산, 콜라겐 및 히알루론산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 고분자로부터 유래될 수 있으며, 구체적으로 폴리에틸렌 글리콜(PEG)에서 유래될 수 있다. The kind of such hydrogel is not particularly limited and may be derived from, for example, a polymer selected from the group consisting of polyethylene glycol (PEG), polyethylene, polyvinyl alcohol, polylactic coglycolic acid, collagen and hyaluronic acid, Specifically, it may be derived from polyethylene glycol (PEG).

상기 하이드로젤의 분자량(Mw)은 200 내지 20000일 수 있는데, 상기 분자량을 조절하여 하이드로젤의 메쉬 사이즈를 조절할 수 있다. The molecular weight (Mw) of the hydrogel may be 200 to 20,000, and the molecular weight of the hydrogel may be adjusted to control the mesh size of the hydrogel.

본 발명에서는 하이드로젤에 의해 효소가 고정화되어 효소의 변성을 막고 효소의 활성이 오랫동안 유지될 수 있으며, 바이오센서를 재사용할 수 있다.In the present invention, the enzyme is immobilized by the hydrogel to prevent denaturation of the enzyme, the activity of the enzyme can be maintained for a long time, and the biosensor can be reused.

상기 바이오센서에서 나노복합체 및 효소가 고정된 하이드로젤은 어레이, 구체적으로 마이크로 어레이의 형태로서 바이오센서에 이용될 수 있다. The hydrogel in which the nanocomposite and the enzyme are immobilized in the biosensor may be used in a biosensor in the form of an array, specifically a microarray.

상기 바이오센서에서 나노복합체 및 효소가 고정된 하이드로젤은 2개 이상의 채널 내에 위치할 수 있다. 구체적으로, 바이오센서는 1개 이상의 측정하고자 하는 시료 주입용 채널과 1개 이상의 표준 채널을 포함할 수 있으며, 상기 채널의 너비는 50 내지 200 ㎛이고, 간격은 50 내지 200 ㎛일 수 있다.
The hydrogel in which the nanocomposite and the enzyme are immobilized in the biosensor may be located in two or more channels. Specifically, the biosensor may include one or more sample injection channels to be measured and one or more standard channels, the width of the channels may be 50 to 200 μm, and the interval may be 50 to 200 μm.

또한, 본 발명은 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체, 효소, 고분자 및 광개시제의 혼합물에 UV 조사하여 경화시키는 단계를 포함하는 바이오센서의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention also relates to a method of manufacturing a biosensor comprising curing a mixture of a nanocomposite comprising a silver nanoparticle core / silica shell, an enzyme, a polymer and a photoinitiator by UV irradiation.

본 발명에서 나노복합체는 은 나노입자 및 실리카 전구체를 반응시켜 제조할 수 있다. In the present invention, the nanocomposite can be prepared by reacting silver nanoparticles and a silica precursor.

은 나노입자는 당업계에서 공지된 제조 방법에 의해 제조될 수 있으며, 일 구체예에서, 질산은(silver nitrate, AgNO3)과 고분자, 구체적으로 폴리비닐피롤리돈(PVP)를 반응시켜 제조할 수 있다. 또한, 일 구체에서는 은 나노입자 대신 금, 백금 등의 나노입자를 사용할 수도 있다. The silver nanoparticles can be prepared by methods known in the art and in one embodiment can be prepared by reacting silver nitrate (AgNO 3 ) with a polymer, specifically polyvinylpyrrolidone (PVP) have. In addition, silver nanoparticles such as gold and platinum may be used in place of the silver nanoparticles.

상기 실리카 전구체의 종류는 실리카 쉘을 형성할 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS) 또는 Si(OR)4를 사용할 수 있다. 상기 Si(OR)4에서 R은 탄소수 1 내지 5의 알킬기일 수 있으며, 구체적으로 메틸, 에틸 또는 프로필일 수 있다. 상기 실리카 전구체의 농도에 따라 실리카 쉘의 두께를 조절할 수 있는데, 본 발명에서는 제조되는 나노복합체의 은 나노입자의 형광 세기 증폭효과를 나타낼 수 있도록 상기 은 나노입자 및 실리카 전구체의 함량비(은 나노입자/실리카 전구체)를 0.005 내지 0.1 v/v%로 조절할 수 있다. The type of the silica precursor is not particularly limited as long as it can form a silica shell. For example, tetraethylorthosilicate (TEOS) or Si (OR) 4 can be used. In the Si (OR) 4 , R may be an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and may specifically be methyl, ethyl or propyl. The thickness of the silica shell can be controlled according to the concentration of the silica precursor. In the present invention, the content ratio of the silver nanoparticles and the silica precursor (silver nanoparticles / Silica precursor) can be adjusted to 0.005 to 0.1 v / v%.

상기 은 나노입자 및 실리카 전구체의 반응에 의한 실리카 쉘의 제조은 stober 방법을 통해 수행될 수 있다. The preparation of the silica shell by the reaction of the silver nanoparticles and the silica precursor can be carried out through the stober method.

상기 고분자 용액에서 고분자의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌, 폴리비닐알코올, 폴리락틱코글리코릭산, 콜라겐 및 히알루론산 으로 이루어진 그룹으로부터 선택할 수 있다. The kind of the polymer in the polymer solution is not particularly limited and may be selected from the group consisting of polyethylene glycol, polyethylene, polyvinyl alcohol, polylactic acid, glycolic acid, collagen and hyaluronic acid.

상기 나노복합체 및 고분자 용액에 효소 및 광개시제를 혼합한 후 UV를 조사하면 나노복합체 및 효소가 고정된 하이드로젤이 형성된다. 본 발명에서는 포토리소그래피 방법을 사용하여 하이드로젤을 형성할 수 있는데, 포토마스크의 디자인에 따라 균일한 형태의 크기와 모양을 갖는 하이드로젤을 제조할 수 있다. When the enzyme and the photoinitiator are mixed with the nanocomposite and polymer solution and UV irradiation is performed, a hydrogel in which the nanocomposite and the enzyme are immobilized is formed. In the present invention, a hydrogel can be formed by using a photolithography method. Hydrogels having a uniform shape and shape can be produced according to the design of a photomask.

본 발명에서는 나노복합체 및 효소의 농도에 따라 제조되는 바이오센서의 형광 세기가 달라질 수 있다. 상기 바이오센서의 형광 세기를 향상시키기 위하여, 나노복합체의 농도를 0.01 내지 1.0 mg/mL 또는 0.1 내지 0.5 mg/mL로 조절할 수 있으며, 효소의 농도를 0.0001 내지 0.1 mg/mL 또는 0.001 내지 0.1 mg/mL로 조절할 수 있다. In the present invention, the fluorescence intensity of a biosensor manufactured according to the concentration of the nanocomposite and the enzyme may be varied. In order to improve the fluorescence intensity of the biosensor, the concentration of the nanocomposite may be adjusted to 0.01 to 1.0 mg / mL or 0.1 to 0.5 mg / mL, and the concentration of the enzyme may be adjusted to 0.0001 to 0.1 mg / mL or 0.001 to 0.1 mg / mL. < / RTI >

본 발명에서 조사되는 UV의 파장영역은 300 내지 400 nm, 350 내지 370 nm, 또는 365 nm일 수 있다.The wavelength range of UV to be irradiated in the present invention may be 300 to 400 nm, 350 to 370 nm, or 365 nm.

자외선에 노출된 고분자는 라디칼 중합반응에 인해 망상구조를 형성하게 된다. 구체적으로 양 말단에 비닐기를 가진 PEG(폴리에틸렌글리콜)-DA가 자외선에 노출되면, 광개시제로부터 생성된 라디칼이 상기 비닐기의 탄소이중결합을 끊으면서 교차결합이 생성되고, 망상구조를 형성하게 된다. 상기 망상구조 내부에는 효소 및 형광물질 등을 고정할 수 있다.
Polymer exposed to ultraviolet rays forms a network structure due to radical polymerization reaction. Specifically, when PEG (polyethylene glycol) -DA having a vinyl group at both ends is exposed to ultraviolet rays, radicals generated from the photoinitiator break the carbon double bond of the vinyl group to form cross-linking and form a network structure. Enzyme and fluorescent material can be fixed within the network structure.

또한, 본 발명은 전술한 바이오센서를 사용하여 기질을 검출하는 방법에 관한 것이다. 일 구체예에서 바이오센서는 글루코오스를 검출하기 위해 사용할 수 있다. The present invention also relates to a method for detecting a substrate using the above-described biosensor. In one embodiment, the biosensor can be used to detect glucose.

상기 글루코오스의 검출은 본 발명에 따른 바이오센서를 글루코오스 및 형광표지자와 반응시킴으로서 수행할 수 있다. The detection of the glucose can be performed by reacting the biosensor according to the present invention with glucose and a fluorescent marker.

이때, 형광표지자로는 글루코오스의 검출반응에서 형광을 나타내는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 암플레스레드, 퍼옥시레조루핀-1(Peroxyresorufin-1, PR1), 퍼옥시플루오르-1(Peroxyfluor-1, PF1), 퍼옥시잔톤-1(Peroxyxanthone-1), 2’-7’-디클로로디하이드로플루오레신 디아세테이트(2′-7′-dichlorodihydrofluorescein diacetate, DCFDA), 디하이드로로다민 123(dihydrorhodamine 123, DHR) 또는 디하이드로시아닌(dihydrocyanine, PX1)를 사용할 수 있다. In this case, as a fluorescent marker, a substance showing fluorescence in the detection reaction of glucose can be used. Examples of the fluorescent marker include Amplelred, Peroxyresorufin-1 (PR1), Peroxyfluor- 1, PF1), peroxyxanthone-1, 2'-7'-dichlorodihydrofluorescein diacetate (DCFDA), dihydrorhodamine 123 123, DHR) or dihydrocyanine (PX1) can be used.

본 발명에서 바이오센서는 글루코오스와 반응하여 형광이 발생한다. 구체적으로, 바이오센서 중의 글루코오스 옥시다아제는 글루코오스와 반응하여 과산화수소를 형성하며, 상기 과산화수소는 암플렉스레드와 페록시다아제와 반응하여 산화과정을 거치는데, 이때 무색의 암플렉스레드는 형광을 갖는 레졸루핀이라는 물질로 변한다. In the present invention, the biosensor reacts with glucose to generate fluorescence. Specifically, the glucose oxidase in the biosensor reacts with glucose to form hydrogen peroxide. The hydrogen peroxide reacts with amplex red and peroxidase to undergo the oxidation process. At this time, the colorless amplex red reacts with resoloxol having fluorescence .

즉, 글루코오스와 글루코오스 옥시다아제와의 특이적 반응으로 형광이 발생하며, 글루코오스의 농도가 높을수록 암플렉스레드와의 반응을 통해 형광의 세기가 강해진다.
That is, fluorescence occurs due to a specific reaction between glucose and glucose oxidase, and as the concentration of glucose increases, the intensity of fluorescence becomes stronger through the reaction with AmplexRed.

실시예Example

이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예의 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples of the present invention and Comparative Examples which are not based on the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following embodiments.

실시예 1. 은 나노입자의 합성Example 1. Synthesis of silver nanoparticles

삼각플라스크에 에탄올 75 mL를 넣고 PVP(폴리비닐피롤리돈, Polyvinylpyrrolidone) 0.8 g을 녹인 후, 500 rpm으로 5 분간 반응시켰다. 그 후, AgNO3(질산은) 0.05 g을 넣고 900 rpm으로 30 분간 반응시켰다(반응 후 진갈색으로 변한다). 반응이 끝난 후 삼각플라스크를 120℃에서 2 시간 동안 유지하여 은 나노입자를 제조하였다.
In an Erlenmeyer flask, 75 mL of ethanol was added, and 0.8 g of PVP (polyvinylpyrrolidone) was dissolved, followed by reaction at 500 rpm for 5 minutes. Thereafter, 0.05 g of AgNO 3 (silver nitrate) was added, and the reaction was allowed to proceed at 900 rpm for 30 minutes (after the reaction, the color changed to dark brown). After the reaction, the Erlenmeyer flask was maintained at 120 ° C for 2 hours to prepare silver nanoparticles.

본 발명에서 도 1은 상기 실시예 1에 의해 제조된 은 나노입자의 SEM 사진이다. 상기 도 1에 나타나듯이, 상기 제조방법에 의해 10 내지 20 nm의 크기의 은 나노입자가 제조된다.
In the present invention, FIG. 1 is a SEM photograph of the silver nanoparticles prepared in Example 1. As shown in FIG. 1, silver nanoparticles having a size of 10 to 20 nm are prepared by the above-described manufacturing method.

실시예 2. 은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체 합성Example 2. Synthesis of nanocomposite comprising nanoparticle core / silica shell

실시예 1에서 합성된 은 나노입자를 이용하여 나노복합체를 합성하였다. The nanocomposites were synthesized using the silver nanoparticles synthesized in Example 1.

에탄올 45 mL와 0.3 mg/mL의 은 나노입자 3 mL를 포함하는 혼합용액에 암모니아 1 mL를 첨가한 후 5 분 동안 반응시켰다. 그 후, 0.1, 0.2, 0.3 또는 0.5 mg/mL의 TEOS(Tetraethyl orthosilicate) 5 mL를 넣고 반응시켰다.
1 mL of ammonia was added to a mixed solution containing 45 mL of ethanol and 3 mL of silver nanoparticles at 0.3 mg / mL, and the mixture was reacted for 5 minutes. Then, 5 mL of 0.1, 0.2, 0.3, or 0.5 mg / mL TEOS (Tetraethyl orthosilicate) was added and reacted.

본 발명에서 도 2는 실리카 전구체인 TEOS의 농도에 따라 제조된 나노복합체의 TEM 사진(도2) 및 UV-VIS 그래프(도 3)를 나타내며, 하기 표 1은 TEOS의 농도에 따라 제조된 나노복합체의 쉘의 두께를 측정한 표이다.
2 shows a TEM photograph (FIG. 2) and a UV-VIS graph (FIG. 3) of a nanocomposite prepared according to the concentration of TEOS which is a silica precursor, and Table 1 below shows a nanocomposite Of the shell thickness of the shell.

TEOS 농도TEOS concentration 쉘 두께Shell thickness 0.1 mg/mL0.1 mg / mL 10 nm10 nm 0.2 mg/mL0.2 mg / mL 15 nm15 nm 0.3 mg/mL0.3 mg / mL 20 nm20 nm 0.5 mg/mL0.5 mg / mL 35 nm35 nm

상기 표 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, TEOS의 농도가 증가할수록 실리카 쉘의 두께가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3을 통해 TEOS의 농도가 증가할수록 제조되는 나노복합체의 흡광도(absorbance)가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
As shown in Table 1 and FIG. 2, it can be seen that as the concentration of TEOS increases, the thickness of the silica shell increases. In addition, it can be seen from FIG. 3 that as the concentration of TEOS increases, the absorbance of the produced nanocomposite increases.

실시예 3. 하이드로젤 마이크로 어레이 제작Example 3. Hydrogel microarray fabrication

상기 실시예 2에서 제조된 나노복합체 용액 1 mL, PEG-DA(poly(ethylene glycol)diacrylate, MW: 575) 1 mL 및 글루코오스 옥시다아제(농도: 1mg/mL) 1 mL를 혼합한 후, 광개시제인 2-2- 다이메틸옥시-2-페닐-아세트페논(2-2-dimethoxy-2-phenyl-acetophenone) 20 ul를 첨가하여, PEG 전구체 용액을 제조하였다. 상기 PEG 전구체 용액을 기판에 붓고 포토마스크를 이용하여 100W 자외선에 노광시켰다.
1 mL of the nanocomposite solution prepared in Example 2, 1 mL of PEG-DA (poly (ethylene glycol) diacrylate, MW: 575) and 1 mL of glucose oxidase (concentration: 1 mg / mL) 2-dimethoxy-2-phenyl-acetophenone was added to prepare a PEG precursor solution. The PEG precursor solution was poured into a substrate and exposed to 100 W ultraviolet rays using a photomask.

자외선에 노출된 PEG 전구체 용액은 라디칼 중합반응에 인해 망상구조를 형성하게 된다. 구체적으로 양 말단에 비닐기를 가진 PEG-DA가 자외선에 노출되면, 광개시제로부터 생성된 라디칼이 상기 비닐기의 탄소이중결합을 끊으면서 교차결합이 생성되고 이에의해 망상구조를 형성하게 된다. 상기 망상구조 내부에는 효소 및 형광물질 등을 고정할 수 있다. The PEG precursor solution exposed to ultraviolet rays forms a network structure due to the radical polymerization reaction. Specifically, when PEG-DA having a vinyl group at both ends is exposed to ultraviolet rays, a radical generated from the photoinitiator breaks the carbon double bond of the vinyl group to form cross-linking, thereby forming a network structure. Enzyme and fluorescent material can be fixed within the network structure.

본 발명에서는 다양한 모양과 사이즈를 가지는 마이크로 어레이를 제작할 수 있으며, 이는 PEG-DA의 분자량을 변화시켜 메쉬 사이즈를 조절함으로써 수행할 수 있다. In the present invention, a microarray having various shapes and sizes can be produced. This can be performed by controlling the mesh size by changing the molecular weight of PEG-DA.

본 발명에서 도 4는 본 발명에 따른 하이드로젤 어레이의 제조 방법을 나타내는 개요도이다. 상기 도 4에 나타난 바와 같이, 마이크로 어레이는 나노복합체를 포함하는 용액을 기판에 도포한 후, 포토마스크를 이용하여 자외선에 노광시켜 제조할 수 있다. 4 is a schematic view showing a method of manufacturing a hydrogel array according to the present invention. As shown in FIG. 4, the microarray can be prepared by applying a solution containing a nanocomposite on a substrate, and then exposing it to ultraviolet rays using a photomask.

상기 나노복합체의 은 나노입자는 형광물질간의 거리가 멀면 형광신호 증폭 효과가 나타나지 않으며, 형광물질간의 거리가 가까우면 은 나노입자가 전자 수용체로 작용하여 형광물질의 형광을 잃게 만들 우려가 있다.Silver nanoparticles of the nanocomposite may not exhibit the fluorescence signal amplification effect if the distance between the fluorescent materials is too large. If the distance between the fluorescent materials is close to that of the nanoparticles, the nanoparticles may act as electron acceptors and lose fluorescence of the fluorescent material.

따라서, 본 발명에서는 은 나노입자와 형광물질간의 거리를 실리카 쉘의 두께를 조절하여 형광물질의 형광강도를 조절할 수 있다.
Accordingly, in the present invention, the fluorescence intensity of the fluorescent material can be controlled by controlling the thickness of the silica shell by the distance between the silver nanoparticles and the fluorescent material.

실시예 5. 실리카 쉘 두께에 따른 형광신호 증폭 효과 확인Example 5 Confirmation of amplification effect of fluorescent signal according to silica shell thickness

상기 실시예 2에서와 같이 TEOS 농도를 달리하여 실리카 쉘의 두께가 상이한 나노복합체를 제조하고, 상기 나노복합체(농도: 0.3 mg/mL) 1 mL를 이용하여, 전술한 실시예 3의 방법에 따라 하이드로젤 마이크로 어레이를 제조하였다. A nanocomposite having a different silica shell thickness was prepared by varying TEOS concentration as in Example 2, and 1 mL of the nanocomposite (concentration: 0.3 mg / mL) was used to prepare a nanocomposite according to the method of Example 3 A hydrogel microarray was prepared.

상기 제조된 하이드로젤 마이크로 어레이를 사용하여 글루코오스를 측정하였다. 상기 글르코오스의 측정 방법은 하기와 같다. Glucose was measured using the above-prepared hydrogel microarray. The measurement method of the above-mentioned glucos is as follows.

글루코오스(농도: 10 mM) 1mL, 페록시다아제(농도: 1 mg/ml) 500 uL 및 암플렉스레드(농도: 0.1 mM) 300 uL를 혼합한 후, 마이크로 어레이와 1분 동안 반응시켰다. 1 ml of glucose (concentration: 10 mM), 500 uL of peroxidase (concentration: 1 mg / ml) and 300 uL of AmplexRad (concentration: 0.1 mM) were mixed and reacted with the microarray for 1 minute.

본 발명에서 도 5는 글루코오스의 측정 방법을 나타낸다. 먼저, 글루코오스는 산소와 물 및 마이크로 어레이의 글루코오스 옥시다아제에 의해 산화되어 글루콘산과 과산화수소가 생성된다. 여기서 생성된 과산화수소는 암플렉스레드와 페록시다아제를 만남으로써 산화된다. 이 산화과정에서 무색의 암플렉스레드는 형광을 띠는 레졸루핀(resorufin)이라는 물질로 변하는데, 이러한 레졸루핀의 형광을 측정함으로써 효소의 활성을 측정할 수 있다. In the present invention, Fig. 5 shows a method of measuring glucose. First, glucose is oxidized by oxygen oxidase and water and microarray of glucose oxidase to produce gluconic acid and hydrogen peroxide. The hydrogen peroxide produced here is oxidized by encountering amplex red and peroxidase. In this oxidation process, the colorless AmplexRed transforms into a fluorescent substance called resorufin. By measuring the fluorescence of this resolubilin, the activity of the enzyme can be measured.

또한, 도 6은 TEOS 농도를 달리하여 실리카 쉘의 두께를 달리하였을 때의 형광신호 증폭 효과를 나타내는 사진(a) 및 그래프(b)이다. 상기 도 6에서 0 nm는 나노복합체 대신 은 나노입자를 이용한 경우, 10 nm는 TEOS의 농도가 0.1 mg/mL인 경우, 15 nm는 TEOS의 농도가 0.2 mg/mL인 경우, 20 nm는 TEOS의 농도가 0.3 mg/mL인 경우, 35 nm는 TEOS의 농도가 0.5 mg/mL인 경우, 및 Only enzyme은 나노복합체를 사용하지 않은 경우를 나타낸다. FIG. 6 is a photograph (a) and a graph (b) showing the effect of amplifying the fluorescence signal when the thickness of the silica shell is changed by varying the TEOS concentration. In FIG. 6, 0 nm indicates that nanoparticles are substituted for silver nanoparticles, 10 nm indicates that TEOS concentration is 0.1 mg / mL, 15 nm indicates that TEOS concentration is 0.2 mg / mL, and 20 nm indicates TEOS When the concentration is 0.3 mg / mL, 35 nm is the TEOS concentration of 0.5 mg / mL, and Only enzyme is the non-nanocomposite.

상기 실험 결과, TEOS 농도를 0.3 mg/mL로 하였을 때, 즉 실리카 쉘의 두께가 20 nm일 때 가장 우수한 형광 강도를 나타내었다.
As a result of the above experiment, when the TEOS concentration was set to 0.3 mg / mL, that is, when the silica shell thickness was 20 nm, the best fluorescence intensity was obtained.

실시예 6. 나노복합체의 농도에 따른 형광 신호 증폭 효과 확인 Example 6. Confirmation of amplification effect of fluorescent signal according to concentration of nanocomposite

상기 실시예 2에서 TEOS 농도를 0.3 mg/mL로 하여 나노복합체를 제조하고, 상기 나노복합체 1 mL를 이용하여, 전술한 실시예 3의 방법에 따라 하이드로젤 마이크로 어레이를 제조하였다. 이때, 나노복합체의 농도를 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3 및 0.5 mg/mL로 달리하여 하이드로젤 마이크로 어레이를 제조하였다. In Example 2, a nanocomposite was prepared with a TEOS concentration of 0.3 mg / mL, and 1 mL of the nanocomposite was used to prepare a hydrogel microarray according to the method of Example 3 described above. At this time, a hydrogel microarray was prepared by varying the concentration of the nanocomposite at 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3 and 0.5 mg / mL.

상기 제조된 하이드로젤 마이크로 어레이를 사용하여 글루코오스를 측정하였으며, 상기 글르코오스의 측정 방법은 하기와 같다. Glucose was measured using the above-prepared hydrogel microarray, and the method of measuring the glucos was as follows.

상이한 농도를 가지는 나노복합체를 포함하는 마이크로 어레이와 글루코오스(농도: 10 mM) 1mL, 페록시다아제(농도: 1 mg/ml) 500 uL 및 암플렉스레드(농도: 0.1 mM) 300 uL를 혼합한 후, 5분 동안 반응시켰다.1 ml of glucose (concentration: 10 mM), 500 uL of peroxidase (concentration: 1 mg / ml) and 300 uL of AmplexRad (concentration: 0.1 mM) were mixed with a microarray containing nanocomposite having different concentrations And then reacted for 5 minutes.

본 발명에서 도 7은 TEOS 농도가 0.3 mg/mL일 때, 나노복합체의 농도에 따른 형성신호의 증폭 효과를 나타내는 사진(a) 및 그래프(b)이다.FIG. 7 is a photograph (a) and a graph (b) showing the amplification effect of the forming signal according to the concentration of the nanocomposite when the TEOS concentration is 0.3 mg / mL in the present invention.

상기 도 7에 나타난 바와 같이, 나노복합체의 농도가 0.3 mg/mL 이상일 경우 우수한 형광 강도를 보이는 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 7, when the concentration of the nanocomposite is 0.3 mg / mL or more, excellent fluorescence intensity can be obtained.

실시예 7. 각각 효소, 은 나노입자, 또는 효소 + 나노복합체를 포함하는 하이드로젤 마이크로 어레이의 제조 및 형광 신호 증폭 효과 확인Example 7 Preparation of Hydrogel Microarrays Containing Enzyme, Silver Nanoparticle, or Enzyme + Nanocomposite, respectively and Confirmation of Fluorescence Signal Amplification Effect

상기 실시예 3에서 제시된 방법으로 (1) 효소인 글루코오스 옥시다아제만을 포함하는 하이드로젤 마이크로 어레이, (2) 은 나노입자와 글루코오스 옥시다아제를 포함하는 하이드로젤 마이크로 어레이, (3) TEOS의 농도가 0.3 mg/mL인 나노복합체와 글루코오스 옥시다아제를 포함하는 마이크로 어레이를 각각 제작하였다. (2) a hydrogel microarray containing silver nanoparticles and glucose oxidase; (3) a concentration of TEOS of 0.3 mg / ml; and (3) mL and a microarray containing glucose oxidase were prepared.

상기 제조된 하이드로젤 마이크로 어레이를 사용하여 글루코오스를 측정하였으며, 상기 글르코오스의 측정 방법은 하기와 같다. Glucose was measured using the above-prepared hydrogel microarray, and the method of measuring the glucos was as follows.

(1) 내지 (3)의 마이크로 어레이와 글루코오스(농도: 0, 2, 4, 6, 8 또는 10 mM) 1mL, 페록시다아제(농도: 1 mg/ml) 500 uL 및 암플렉스레드(농도: 0.1 mM) 300 uL를 혼합한 후, 1분 동안 반응시켰다.(Concentration: 1 mg / ml) and ampel red (concentration: 1, 2, 4, 6, 8 or 10 mM) : 0.1 mM) were mixed and reacted for 1 minute.

본 발명에서 도 8은 상기에 의해 제작된 하이드로젤 마이크로 어레이를 이용한 형성신호의 증폭 효과를 나타내는 사진(a) 및 그래프(b)이다. 상기 도 8에서 (1)의 마이크로 어레이는 only enzyme, (2)의 마이크로 어레이는 SNPs 또는 only SNPs, 및 (3)의 마이크로 어레이는 silica coated SNPs 또는 silica coated SNPs + enzyme으로 나타내었다. FIG. 8 is a photograph (a) and a graph (b) showing amplification effect of a forming signal using the hydrogel microarray fabricated by the above. 8, the microarray of (1) is the only enzyme, the microarray of (2) is the SNPs or the only SNPs, and the microarray of (3) is the silica coated SNPs or the silica coated SNPs + enzyme.

상기 도 8에 나타난 바와 같이, 은 나노입자만을 포함하는 마이크로 어레이(2)는 형광이 미미한 것으로 나타났다. (1) 및 (3)의 마이크로 어레이, 즉 효소만을 포함하는 마이크로 어레이 및 효소와 나노복합체를 포함하는 마이크로 어레이에서 형광이 관찰되었는데, (3)의 마이크로 (1)의 마이크로 어레이 대비 2.8 배 높은 형광 세기를 가졌으며, (2)의 마이크로 어레이는 (3)의 마이크로 어레이 대비 4배 정도의 형광 감소를 보였다.As shown in FIG. 8, the microarray 2 containing only silver nanoparticles showed insufficient fluorescence. Fluorescence was observed in microarrays of (1) and (3), that is, microarrays containing only enzymes and enzymes and nanocomposites, which were 2.8 times higher fluorescence than microarrays of microarray (1) , And the microarray of (2) showed fluorescence reduction about 4 times as much as the microarray of (3).

또한, 글루코오스의 농도가 높아질수록 우수한 형광 강도를 보이는 것을 확인할 수 있다.
Further, it can be confirmed that the higher the concentration of glucose is, the better the fluorescence intensity is exhibited.

Claims (12)

은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체 및 효소가 고정된 하이드로젤을 포함하는 바이오센서.
Wherein the biosensor comprises a nanocomposite comprising a silver nanoparticle core / silica shell and a hydrogel to which the enzyme is immobilized.
제 1 항에 있어서, 은 나노입자의 입경은 1 내지 1000 nm인 바이오센서.
The biosensor according to claim 1, wherein the silver nanoparticles have a particle diameter of 1 to 1000 nm.
제 1 항에 있어서, 실리카 쉘의 두께는 1 내지 1000 nm인 바이오센서.
The biosensor according to claim 1, wherein the silica shell has a thickness of 1 to 1000 nm.
제 1 항에 있어서, 효소는 글루코오스 옥시다아제, 알코올 옥시다이제 또는 콜레스트롤 옥시다이제인 바이오센서.
The biosensor according to claim 1, wherein the enzyme is glucose oxidase, alcohol oxidase or cholesterol oxidase.
제 1 항에 있어서, 하이드로젤은 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌, 폴리비닐알코올, 폴리락틱코글리코릭산, 콜라겐 및 히알루론산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 고분자로부터 유래되는 바이오센서.
The biosensor according to claim 1, wherein the hydrogel is derived from a polymer selected from the group consisting of polyethylene glycol, polyethylene, polyvinyl alcohol, polylactic coglycolic acid, collagen and hyaluronic acid.
제 1 항에 있어서, 상기 바이오센서는 재사용이 가능한 바이오센서.
The biosensor according to claim 1, wherein the biosensor is reusable.
제 1 항에 있어서, 하이드로젤이 어레이 형태로 고정되는 바이오센서.
The biosensor according to claim 1, wherein the hydrogel is fixed in an array form.
은 나노입자 코어/실리카 쉘을 포함하는 나노복합체, 효소, 고분자 및 광개시제의 혼합물에 UV 조사하여 경화시키는 단계를 포함하는 바이오센서의 제조 방법.
Comprising the step of curing a mixture of a nanocomposite comprising an nanoparticle core / silica shell, an enzyme, a polymer and a photoinitiator by UV irradiation.
제 8 항에 있어서, 나노복합체는 은 나노입자 및 실리카 전구체를 반응시켜 제조하고, 상기 실리카 전구체는 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS) 또는 Si(OR)4이며, 여기서 R은 탄소수 1 내지 5의 알킬기 인 바이오센서의 제조 방법.
The method of claim 8, wherein the nanocomposite is prepared by reacting silver nanoparticles and a silica precursor, wherein the silica precursor is tetraethylorthosilicate (TEOS) or Si (OR) 4 , wherein R is an alkyl group of 1 to 5 carbon atoms A method of manufacturing a biosensor.
제 9 항에 있어서, 은 나노입자 및 실리카 전구체의 함량비는 0.005 내지 0.1 v/v%인 바이오센서의 제조 방법.
The method of manufacturing a biosensor according to claim 9, wherein the content ratio of the silver nanoparticles and the silica precursor is 0.005 to 0.1 v / v%.
제 8 항에 있어서, 나노복합체의 농도는 0.01 내지 1.0 mg/mL인 바이오센서의 제조 방법.
The method of manufacturing a biosensor according to claim 8, wherein the concentration of the nanocomposite is 0.01 to 1.0 mg / mL.
제 1 항 내지 제 7 항 중에서 선택된 어느 한 항의 센서를 사용하여 글루코오스를 검출하는 방법. A method for detecting glucose using the sensor of any one of claims 1 to 7.
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