KR20160025122A - Biosensor using bimetallic nanodendrite coated by gold and silver having surface-enhanced Raman scattering activity and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a target DNA detecting biosensor using bimetal nanodendrite coated with gold and silver having surface-enhanced Raman scattering activity, and to a manufacturing method thereof. According to the present invention, the biosensor to detect the target DNA is manufactured using bimetal nanodendrite coated with gold and silver having surface-enhanced Raman scattering activity, thereby having excellent sensitivity and stability of a Raman signal; and when the biosensor is used in target DNA detection, having excellent target DNA detecting effect with a simple and economical method.

Description

표면증강 라만산란 활성을 갖는 금 및 은이 코팅된 바이메탈 나노덴드라이트를 이용한 바이오센서 및 이의 제조방법{Biosensor using bimetallic nanodendrite coated by gold and silver having surface-enhanced Raman scattering activity and method for preparing the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a biosensor using bimetallic nanodendrite coated with gold and silver having surface enhanced Raman scattering activity and a method for preparing the biosensor using bimetallic nanodendrite coated gold and silver having a surface enhanced Raman scattering activity.

본 발명은 표면증강 라만산란 활성을 갖는 금 및 은이 코팅된 바이메탈 나노덴드라이트를 이용한 표적 DNA 검출용 바이오센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor for detecting target DNA using gold and silver coated bimetallic nanodendrite having surface enhanced Raman scattering activity and a method for producing the same.

특정 DNA 서열의 탐지는 생물학적 연구나 의학적 진단에 있어서 중요한 응용분야에서 사용된다. 예를 들어, 인간 세포에 대한 H5N1의 감염능역이 밝혀진 1997년 이래, 조류독감(AI) 바이러스는 인체를 위협하는 가장 치명적인 바이러스 중의 하나로 여겨지고 있다. 이렇듯, 특정 DNA 서열의 탐침은 질병 진단, 음식과 의약산업 모니터링, 유전자 치료 및 의학연구에 있어 중요하다. 그러나, DNA는 매우 낮은 농도로 존재하므로, DNA 분석시 더욱더 민감한 검출 기술이 요구된다. 일반적인 DNA 검출에는 PCR을 이용한 DNA 증폭 기술과 형광 검출 기술이 널리 이용되어왔다. 이 중, 라만 분광법(Raman spectroscopy)은 극미량의 단위에서 화합물의 생물학적, 구조적 성질을 규명할 수 있다는 장점이 있다. 빛을 유형 매질에 통과시키는 경우, 어느 정도의 양은 고유 방향에서 벗어나는데, 이러한 현상은 라만 산란(Raman scattering)으로 알려져 있다. 또한, 산란된 광 중 일부는 광의 흡수 및 전자의 높은 에너지 준위로의 여기로 인해 고유의 자극된 광과 진동수가 상이하다. 라만 방출 스펙트럼의 파장은 시료 내의 광 흡수 분자의 화학적 조성 및 구조적 특성을 나타내고, 광 산란의 강도는 시료 내의 분자의 농도에 따라 상이하다. 그러나, 시료 내의 자극된 광과 개개의 분자 사이에 라만 상호작용이 일어날 가능성은 매우 낮기 때문에, 저감도성으로 인해 라만 분석의 응용성을 제한한다.Detection of specific DNA sequences is used in important applications in biological studies or medical diagnostics. For example, since 1997 when H5N1 infection has been identified in human cells, the virus has been considered one of the deadliest viruses to threaten the human body. Thus, probes of specific DNA sequences are important in disease diagnosis, food and drug industry monitoring, gene therapy and medical research. However, since DNA exists at a very low concentration, a more sensitive detection technique is required for DNA analysis. DNA amplification and fluorescence detection techniques using PCR have been widely used for general DNA detection. Among these, Raman spectroscopy has the advantage that the biological and structural properties of compounds can be identified in trace amounts. When light passes through a type medium, some amount deviates from its natural direction, which is known as Raman scattering. In addition, some of the scattered light differs in frequency from the original stimulated light due to the absorption of light and excitation of the electrons to high energy levels. The wavelength of the Raman emission spectrum indicates the chemical composition and structural characteristics of the light absorbing molecules in the sample, and the intensity of light scattering differs depending on the concentration of molecules in the sample. However, the possibility of Raman interactions between stimulated light in the sample and individual molecules is very low, limiting the applicability of Raman analysis due to the low sensitivity.

은 나노 입자를 사용하는 표면 증강 라만 분광법(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)은 라만 분광법에 존재하던 문제점인 낮은 감도를 극복할 수 있는 가능성을 보여주었다, 또한, 나노 구조의 금속 표면에 흡착된 서로 다른 분자들의 라만 신호는, 은, 금, 구리 등의 경우에 매우 높게 나타났다. 그러나, 금의 경우 안정된 라만 신호를 나타내지만 민감도가 낮고, 은의 경우는 민감도가 높으나 불안정한 신호 특성을 나타내는 문제점이 존재하였다.Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) using silver nanoparticles showed the potential to overcome low sensitivity, a problem that existed in Raman spectroscopy. In addition, The Raman signals of the molecules were very high in the case of silver, gold, copper and the like. However, gold exhibited a stable Raman signal, but the sensitivity was low. In the case of silver, there was a problem that the sensitivity was high but the signal characteristics were unstable.

따라서, 특정 DNA 서열의 고감도 탐지를 위한, 라만 신호의 민감도 및 안정성을 동시에 높일 수 있는 바이메탈 나노덴드라이트를 이용한 바이오센서에 대한 연구의 필요성이 절실히 대두되고 있다.Therefore, there is an urgent need to study a biosensor using bimetallic nanodendrite capable of simultaneously increasing the sensitivity and stability of a Raman signal for high sensitivity detection of a specific DNA sequence.

KR 10-2007-0065063KR 10-2007-0065063

본 발명자들은 표적 DNA 검출용 바이오센서에 대해 탐색하던 중, 표면증강 라만산란 활성을 갖는 금 및 은이 코팅된 바이메탈 나노덴드라이트를 이용할 경우, 라만 신호의 민감도 및 안정성이 우수하고, 상기 바이오센서를 이용하여 표적 DNA를 검출하는 경우, 단순하고 경제적인 방법으로 우수한 표적 DNA 검출 효과를 나타내는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have found that when using gold and silver coated bimetallic nanodendrite having surface enhanced Raman scattering activity, the sensitivity and stability of the Raman signal are excellent and the biosensor And the target DNA is detected by a simple and economical method. Thus, the present invention has been completed.

따라서 본 발명은, 표면증강 라만산란 활성을 갖는 금 및 은이 코팅된 바이메탈 나노덴드라이트를 이용한 표적 DNA 검출용 바이오센서 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention provides a biosensor for detecting target DNA using gold and silver coated bimetallic nanodendrite having surface enhanced Raman scattering activity, and a method for producing the biosensor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,In order to achieve the above object,

본 발명은The present invention

탐침 DNA 및 라만 염료(Raman dye)가 결합된 표지 DNA의 혼성화물; 및 상기 혼성화물의 탐침 DNA가 고정된, 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트;를 포함하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서를 제공한다.Hybridization of labeled DNA with probe DNA and Raman dye; And a bimetallic nanodendrite of gold and silver on which the probe DNA of the hybrid product is immobilized.

또한, 본 발명은 In addition,

(1) 탐침 DNA 및 라만 염료(Raman dye)가 결합된 표지 DNA를 혼성화시키는 단계;(1) hybridizing a labeled DNA with a probe DNA and a Raman dye;

(2) 상기 혼성화물의 탐침 DNA를 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트에 고정시키는 단계;(2) immobilizing the hybridization probe DNA to gold and silver bimetallic nanodendrite;

(3) 상기 바이메탈 나노덴드라이트에 고정된 혼성화물에 표적 DNA를 가하여 표지 DNA를 표적 DNA로 치환하는 단계; 및(3) adding a target DNA to the bimetallic nanodendrite-immobilized hybrid, and replacing the labeled DNA with the target DNA; And

(4) 상기 (3)단계의 표지 DNA를 표적 DNA로 치환하기 전 및 후의 표면증강 라만산란(SERS) 신호를 측정하는 단계;를 포함하는, 표적 DNA의 검출방법을 제공한다.(4) measuring a surface enhanced Raman scattering (SERS) signal before and after replacing the labeled DNA of step (3) with the target DNA.

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

본 발명은 탐침 DNA 및 라만 염료(Raman dye)가 결합된 표지 DNA의 혼성화물; 및 상기 혼성화물의 탐침 DNA가 고정된, 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트;를 포함하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서를 제공한다.The present invention relates to a hybrid of labeled DNA and probe DNA and Raman dye-bound labeled DNA; And a bimetallic nanodendrite of gold and silver on which the probe DNA of the hybrid product is immobilized.

본 발명의 탐침 DNA는 라만 염료가 결합된 표지 DNA와 염기서열의 상보적인 결합에 의해 혼성화되는 DNA를 의미한다. 상기 혼성화된 표지 DNA를 라만 염료가 없는 표적 DNA로 치환함으로써 라만 염료로부터의 라만 신호의 변화를 통해 표적 DNA를 검출할 수 있다.The probe DNA of the present invention means a DNA hybridized by complementary binding of a base sequence with a labeled DNA to which a Raman dye is bound. By replacing the hybridized labeled DNA with the target DNA without Raman dye, the target DNA can be detected by changing the Raman signal from the Raman dye.

상기 혼성화된 탐침 DNA는 바이메탈 나노덴드라이트 표면에 고정하기 위해, 활성기가 유도될 수 있다. 예를 들어, 상기 탐침 DNA는 -SH, -CHO, -COOH 또는 -NH2 기의 연결에 의해 나노덴드라이트 표면에 고정될 수 있다.The hybridized probe DNA may be activated to fix the bimetallic nanodendrite surface. For example, the probe DNA can be immobilized on the surface of the nanodendrite by linking -SH, -CHO, -COOH, or -NH 2 groups.

상기 표지 DNA는 나노덴드라이트로부터 탐침 DNA의 1 내지 10번째 염기부터 혼성화되는 것이 바람직하고, 2번째 염기부터 혼성화되는 것이 더욱 바람직하다. The labeled DNA is preferably hybridized from the 1 st to 10 th bases of the probe DNA from the nanodendrite, and more preferably hybridized from the 2 nd base.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 표지 DNA가 나노덴드라이트로부터 탐침 DNA의 두 번째 염기부터 혼성화되었을 경우에 가장 큰 라만 신호 강도를 나타내었다.According to one embodiment of the present invention, when the labeled DNA was hybridized from the nanodendrite to the second base of the probe DNA, it exhibited the largest Raman signal intensity.

상기 라만 염료는 라만 활성 유기 화합물을 의미하며, 이 기술분야에서 널리 사용되는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 시아닌(Cy3, Cy3.5, 또는 Cy5), 크산틴(xanthines), 로다민6G, 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC), 아데닌, 4-아미노-피라졸(3,4-d)피리미딘, 2-플루오로아데닌, N6-벤조일아데닌, 키네틴, 디메틸-알릴-아미노-아데닌, 제아틴(zeatin), 브로모-아데닌, 8-아자-아데닌, 8-아자구아닌, 6-머캅토퓨린, 4-아미노-6-머캅토피라졸로(3,4-d)피리미딘, 8-머캅토아데닌, 및 9-아미노-아크리딘 등을 들 수 있으나 반드시 이로 한정되는 것은 아니다.The Raman dye means a Raman active organic compound, and any of them can be used without limitation as long as it is widely used in the technical field. Specific examples thereof include cyanine (Cy3, Cy3.5 or Cy5), xanthines, rhodamine 6G, rhodamine B isothiocyanate (RBITC), adenine, 4-amino-pyrazole azine-adenine, 8-aza-guanine, 6-benzoyladenine, 6-fluoroadenine, 6-benzoyladenine, kinetin, dimethyl-allyl-amino-adenine, zeatin, But are not necessarily limited to, mercaptopurine, 4-amino-6-mercaptopyrrazolo (3,4-d) pyrimidine, 8-mercaptoadenine, and 9-amino-acridine.

상기 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트는 금 및 은의 갈바닉 치환 반응을 이용한 전기화학 증착법으로 제조되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The gold and silver bimetallic nano-dendrites are preferably produced by an electrochemical deposition method using a galvanic substitution reaction of gold and silver, but are not limited thereto.

상기 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트는 1 내지 10 원자 퍼센트(%)의 금 및 90 내지 99 원자 퍼센트(%)의 은을 포함하는 것이 바람직하고, 본 발명의 일 실시예에 따라 3.17 원자 퍼센트(%)의 금 및 96.83 원자 퍼센트(%)의 은을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 은 나노덴드라이트(금이 0 원자 퍼센트)의 경우 금 나노덴드라이트에 비해 약 17배의 라만 신호 강도를 나타내나, 신호의 표준편차(RSV)가 34.6%로 금 나노덴드라이드의 9.2%에 비해 매우 불안정하다. 또한, 금 3.17 원자 퍼센트(%) 및 은 96.83 원자 퍼센트(%)의 바이메탈 나노덴드라이트의 경우, 신호의 표준편차(RSV)가 8.7%로 은 나노덴드라이트보다 4배 더 안정한 것으로 나타났다. It is preferred that the gold and silver bimetallic nanodendrites comprise from 1 to 10 atomic percent gold and from 90 to 99 atomic percent silver and in accordance with one embodiment of the present invention 3.17 atomic percent, ) Of silver and 96.83 atomic percent (%) of silver. The silver standard intensity (RSV) of the silver nanodendrite (0 atomic percent gold) is about 17 times that of the gold nanodendrite, but the signal standard deviation (RSV) is 34.6%, compared to 9.2% of the gold nanodendrite It is very unstable. In addition, for bimetallic nanodendrite with 3.17 atomic percent gold and 96.83 atomic percent silver, the signal standard deviation (RSV) was 8.7%, which was four times more stable than silver nanodendrite.

상기 바이오센서의 표적 DNA의 검출한계(LOD)는 50 내지 80 fM(femto-molar) 농도인 것이 바람직하고, 본 발명의 일 실시예에 따라 62.5 fM 농도인 것이 더욱 바람직하다.The detection limit (LOD) of the target DNA of the biosensor is preferably 50 to 80 fM (femto-molar), and more preferably 62.5 fM according to one embodiment of the present invention.

또한, 본 발명은 (1) 탐침 DNA 및 라만 염료(Raman dye)가 결합된 표지 DNA를 혼성화시키는 단계; (2) 상기 혼성화물의 탐침 DNA를 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트에 고정시키는 단계; (3) 상기 바이메탈 나노덴드라이트에 고정된 혼성화물에 표적 DNA를 가하여 표지 DNA를 표적 DNA로 치환하는 단계; 및 (4) 상기 (3)단계의 표지 DNA를 표적 DNA로 치환하기 전 및 후의 표면증강 라만산란(SERS) 신호를 측정하는 단계;를 포함하는, 표적 DNA의 검출방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for producing a hybridoma cell, comprising the steps of: (1) hybridizing a labeled DNA with a probe DNA and a Raman dye; (2) immobilizing the hybridization probe DNA to gold and silver bimetallic nanodendrite; (3) adding a target DNA to the bimetallic nanodendrite-immobilized hybrid, and replacing the labeled DNA with the target DNA; And (4) measuring a surface enhanced Raman scattering (SERS) signal before and after replacing the labeled DNA of step (3) with the target DNA.

상기 표면증강 라만산란(SERS) 신호는 20 내지 400 mW 에너지로 632 내지 785 ㎚ 파장의 레이저 빛 조사로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. The surface enhanced Raman scattering (SERS) signal is preferably formed by laser light irradiation with a wavelength of 632 to 785 nm at an energy of 20 to 400 mW, but is not limited thereto.

또한, 상기 표면증강 라만산란(SERS) 신호는 라만 염료의 530~1540 cm-1 영역의 진동 밴드를 측정하고, 측정시간은 10 분 내지 120 분인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the surface enhanced Raman scattering (SERS) signal preferably measures the vibration band of the Raman dye in the range of 530 to 1540 cm -1 , and the measurement time is 10 minutes to 120 minutes, but is not limited thereto.

본 발명의 표적 DNA 검출용 바이오센서는 상기 SERS 방법을 이용함으로써 펨토몰(femto-molar) 농도 수준에서 표적 DNA를 검출할 수 있을 정도로 우수한 효과가 있다.The biosensor for detecting target DNA of the present invention has an excellent effect of detecting a target DNA at a femto-molar concentration level by using the SERS method.

본 발명에 따른 표적 DNA 검출용 바이오센서는 표면증강 라만산란 활성을 갖는 금 및 은이 코팅된 바이메탈 나노덴드라이트를 이용하여 제조됨으로써, 라만 신호의 민감도 및 안정성이 우수하고, 상기 바이오센서를 이용하여 표적 DNA를 검출하는 경우, 단순하고 경제적인 방법으로 우수한 표적 DNA 검출 효과를 나타낸다.The biosensor for detecting target DNA according to the present invention is manufactured using gold and silver coated bimetallic nanodendrite having surface enhanced Raman scattering activity, so that the sensitivity and stability of the Raman signal are excellent, When DNA is detected, it exhibits excellent target DNA detection effect in a simple and economical manner.

도 1은 실시예 1에 따른 바이오센서 및 이를 이용한 표적 DNA의 검출방법을 나타내는 도이다.
도 2는 (a) 금 나노덴드라이트 및 (b) 금(3.17 원자%) 및 은(96.83 원자%)의 바이메탈 나노덴드라이트의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도이다.
도 3은 (a) 금(3.17 원자%) 및 은(96.83 원자%)의 바이메탈 나노덴드라이트의 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 이에 상응하는 (b) 금, (c) 은의 TEM 성분 맵핑 이미지를 나타내는 도이다.
도 4는 갈바니(Galvanic) 반응 시간에 따른 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트 내의 금의 농도 변화(청색 원, 오른쪽 y-축) 및 이에 상응하는 흡착된 2-NpSH의 1378 cm-1에서 라만 신호의 강도(에러 바를 갖는 적색 원, 왼쪽 y-축)를 나타내는 도이다. 여기서 삽도는 금 나노덴드라이트를 이용한 경우의 흡착된 2-NpSH의 1378 cm-1에서 라만 신호의 강도를 나타낸다.
도 5는 (a) 탐침 DNA 및 표지 DNA의 혼성화의 3가지 다른 경우(I, Ⅱ, 및 Ⅲ) (여기서, 원 안의 이미지는 1-핵산티올 및 라만 염료 Cy5의 분자구조를 나타낸다) 및 (b) 이에 상응하는 Cy5의 라만 스펙트럼 I(적색 선), Ⅱ(녹색 선), 및 Ⅲ(청색 선)을 나타내는 도이다. 여기서 삽도는 상기 Ⅱ의 경우, 혼성화된 표지 DNA를 200pM 표적 DNA로 치환한 후, 60분에서의 라만 스펙트럼(흑색 선)을 나타낸다.
도 6은 혼성화된 표지 DNA를 200pM 표적 DNA(tDNA)로 치환한 후, 시간에 따른 라만 염료 Cy5의 1468 cm-1에서의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 여기서 파선(dashed line)은 표적 DNA를 첨가하기 전의 밴드 강도(band intensity)를 나타낸다.
도 7은 표적 DNA(tDNA) 농도에 따른 라만 신호 강도의 상관관계를 나타내는 도이다.
1 is a diagram showing a biosensor according to Example 1 and a detection method of a target DNA using the same.
2 is a scanning electron microscope (SEM) image of (a) gold nanodendrite and (b) gold (3.17 atomic%) and silver (96.83 atomic%) bimetallic nanodendrite.
3 shows a transmission electron microscope (TEM) image of a bimetallic nano-dendrite of gold (3.17 atomic%) and silver (96.83 atomic%) and a corresponding TEM image mapping image of gold (c) Fig.
FIG. 4 is a graph showing changes in the concentration of gold (blue circle, right y-axis) in gold and silver bimetallic nanodendrite according to the Galvanic reaction time and the Raman signal at 1378 cm -1 of the corresponding adsorbed 2-NpSH (Red circle with error bars, left y-axis). The illustration here shows the intensity of the Raman signal at 1378 cm -1 of adsorbed 2-NpSH using gold nanodendrite.
Figure 5 shows (a) three different cases (I, II, and III) of hybridization of probe DNA and labeled DNA, wherein the image in the circle represents the molecular structure of the 1-nucleic acid thiol and Raman dye Cy5, and (b ) Corresponding to the Raman spectrum I (red line), II (green line), and III (blue line) of Cy5. In the case of the above II, the illustration shows the Raman spectrum (black line) at 60 minutes after replacing the hybridized labeled DNA with 200 pM of the target DNA.
Figure 6 shows the Raman spectrum of the Raman dye Cy5 at 1468 cm < -1 > over time after replacing the hybridized labeled DNA with 200 pM of target DNA (tDNA). Here, the dashed line represents the band intensity before adding the target DNA.
7 is a graph showing the correlation of Raman signal intensity according to target DNA (tDNA) concentration.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예 1. 금 및 은이 코팅된 나노덴드라이트를 이용한 바이오센서의 제조Example 1. Fabrication of biosensor using gold and silver coated nanodendrite

갈바닉 치환반응을 이용한 전기화학 증착법을 이용하여 금 및 은이 코팅된 바이메탈 나노덴드라이트를 제조하였고, 표적 DNA를 효과적으로 검출할 수 있는 바이오센서를 제작하였다.
A bimetallic nanodendrite coated with gold and silver was prepared using an electrochemical deposition method using a galvanic substitution reaction, and a biosensor capable of effectively detecting a target DNA was prepared.

1-1. 탐침 DNA 및 라만 염료(Raman dye)가 결합된 표지 DNA의 혼성화물의 제조1-1. Preparation of hybridization of labeled DNA with probe DNA and Raman dye

5' 말단에 티올 기능기를 포함하는, 20개의 염기서열로 이루어진 탐침 DNA, 및 3' 말단에 연결 사슬 분자를 통하여 라만 염료인 Cy5가 결합된, 12개의 염기서열을 갖는 표지 DNA를 완충용액 상에서 교반함으로써, 상보적으로 결합된 탐침 DNA 및 표지 DNA의 혼성화물을 제조하였다.
Labeled DNA having 20 base sequences including a thiol functional group at the 5 'terminus and Cy5, a Raman dye, through a linking chain molecule at the 3' terminus, was stirred in a buffer solution To prepare complementary binding probe DNAs and labeled DNAs.

1-2. 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트의 제조1-2. Preparation of gold and silver bimetallic nano-dendrite

먼저, 은 나노덴드라이트 구조체를 증착하기 위하여 얇은 티타늄 호일을 1× 2 cm로 절단한 후, 10 mM 질산 은, 1 M 시트르산 용액에 1cm 깊이로 담그었다. 상기 티타늄 호일은 작업전극에, 백금전극은 상대전극에, 은/염화은 전극은 기준전극 위치에 두고, 450 uA의 전류를 780초 동안 가해주면, 은 이온이 은으로 환원되어 티타늄 호일에 덴드라이트 구조를 가지며 증착된다. 이러한 기판을 교반되고 있는0.1 mM 염화금산 용액에 담그면, 은보다 금의 환원성이 더 크기 때문에 구조체 표면의 은이 산화되고, 금이 환원되어 원자간 치환반응이 발생한다. 이러한 갈바닉 치환 반응을 1 내지 12분 동안 유지하여 구조체의 금의 원자 비율을 조절하였다.
First, a thin titanium foil was cut into 1 × 2 cm to deposit a silver nanodendrite structure, and then 10 mM nitric acid was immersed in 1 M citric acid solution to a depth of 1 cm. When a current of 450 uA is applied for 780 seconds while the titanium foil is placed at the working electrode, the platinum electrode is at the counter electrode, and the silver / silver chloride electrode is at the reference electrode position, silver ions are reduced to silver and a dendritic structure Respectively. When such a substrate is immersed in a 0.1 mM chloroauric acid solution being stirred, the silver on the surface of the structure is oxidized because gold is more reductive than silver, and gold is reduced to cause interstitial substitution reaction. This galvanic substitution reaction was maintained for 1 to 12 minutes to adjust the atomic ratio of gold in the structure.

1-3. 바이메탈 나노덴드라이트에 DNA 혼성화물의 결합1-3. Binding of DNA Hybrid to Bimetallic Nanodendrite

상기 실시예 1-1에서 제조한 탐침 DNA 및 표지 DNA의 혼성화물 용액에 상기 실시예 1-2에서 제조한 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트를 담금으로써, 상기 혼성화물을 나노덴드라이트의 표면에 자발적으로 결합시켰다.
The gold and silver bimetallic nanodendrite prepared in Example 1-2 was immersed in the mixed solution of the probe DNA and the labeled DNA prepared in Example 1-1 so that the hybrid was spontaneously formed on the surface of the nanodendrite Lt; / RTI >

실시예 2. 바이오센서를 이용한 표적 DNA의 검출Example 2 Detection of Target DNA Using Biosensor

상기 실시예 1에서 제조된 바이오센서 및 라만 신호를 이용하여, 표적 DNA을 정성 및 정량적으로 검출하였다.
The target DNA was qualitatively and quantitatively detected using the biosensor and Raman signal prepared in Example 1 above.

2-1. 바이오센서 내의 표지 DNA를 표적 DNA로 치환2-1. Replace the labeled DNA in the biosensor with the target DNA

상기 실시예 1에서 제조된 바이오센서를 표적 DNA 용액에 담그면, 상기 탐침 DNA 및 표지 DNA의 혼성화물에서 치환 반응이 발생하여, 탐침 DNA의 3' 말단에 6 내지 7개의 단일염기 사슬에 표적 DNA가 혼성화되기 시작한다. 상기 표적 DNA는 상기 탐침 DNA와 완전한 상보적 결합을 하는 염기 서열을 가지므로, 혼성화가 염기 순서대로 차례로 진행되어 본래 붙어있던 표지 DNA를 밀어낸다. 이러한 반응은 가역반응이나, 모든 표적 DNA가 탐침 DNA와 결합하면, 치환 반응은 비가역적으로 되므로, 표지 DNA가 떨어진 양을 확인함으로써, 표적 DNA의 양을 측정할 수 있다.
When the biosensor prepared in Example 1 is immersed in the target DNA solution, a substitution reaction occurs in the hybridization product of the probe DNA and the labeled DNA, and a target DNA is added to 6 to 7 single base chains at the 3 'end of the probe DNA Hybridization begins. Since the target DNA has a base sequence which is completely complementary to the probe DNA, the hybridization proceeds sequentially in the order of the bases, and the original labeled DNA is pushed out. This reaction is reversible, but when all the target DNA binds to the probe DNA, the substitution reaction becomes irreversible, so that the amount of the target DNA can be determined by checking the amount of the labeled DNA dropped.

2-2. 라만 신호의 측정2-2. Measurement of Raman signal

라만 측정은 카이저 옵틱스 라만 현미경 통합시스템을 이용하여 이루어졌다. 20 내지 400 mW의 레이저 출력을 가지는 여기원으로서, λ=785 nm의 다이오드 레이저를 사용하였다. 시료에 초점을 맞추기 위해서 10×대물렌즈 및 10×카메라 이미징 시스템을 사용하였다. 레이저 조사 후, 기판에서 산란된 빛 무리를 홀로그래픽 회절발을 이용하여 분해하고, 열전기적으로 냉각되는 고체 촬상 소자 검출기를 이용하여 라만 스펙트럼을 수집하였다. Raman measurements were made using an integrated Kaiser Optics Raman microscope system. As an excitation source having a laser output of 20 to 400 mW, a diode laser of? = 785 nm was used. A 10 × objective and a 10 × camera imaging system were used to focus the sample. After laser irradiation, scattered light scattered on the substrate was decomposed using a holographic diffraction grating and Raman spectra were collected using a thermoelectrically cooled solid state image sensor detector.

상기 바이오센서를 이용한 표적 DNA의 검출방법을 도 1에 나타내었다.
A method of detecting a target DNA using the biosensor is shown in FIG.

실험예 1. 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트의 각 금속성분의 균일성 측정Experimental Example 1. Measurement of uniformity of each metal component of gold and silver bimetallic nano-dendrite

실시예 1에 따라 제조한 바이오센서 내의 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트에서 각 금속 성분의 균일성을 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM) 이미지를 측정하였다.Scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) images were measured to confirm the uniformity of each metal component in gold and silver bimetallic nanodendrite in the biosensor prepared according to Example 1.

먼저, (a) 금 나노덴드라이트 및 (b) 금(3.17 원자%) 및 은(96.83 원자%)의 바이메탈 나노덴드라이트의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 각각 측정하여 도 2에 나타내었다.First, a scanning electron microscope (SEM) image of (a) gold nanodendrite and (b) gold (3.17 atomic%) and silver (96.83 atomic%) bimetallic nanodendrite was measured and shown in FIG.

또한, (a) 금(3.17 원자%) 및 은(96.83 원자%)의 바이메탈 나노덴드라이트의 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 이에 상응하는 (b) 금, (c) 은의 TEM 원자 맵핑 이미지를 측정하여 도 3에 나타내었다.(A) Transmission electron microscope (TEM) images of bimetallic nano-dendrite of gold (3.17 atomic%) and silver (96.83 atomic%) and corresponding TEM atomic mapping images of gold and (c) As shown in Fig.

도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 금(3.17 원자%) 및 은(96.83 원자%)의 바이메탈 나노덴드라이트에서 금 및 은 성분이 전체적으로 균일하게 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 2 and FIG. 3, it can be confirmed that the gold and silver components are uniformly coated on the entire surface of the bimetallic nanodendrite of gold (3.17 atomic%) and silver (96.83 atomic%).

실험예 2. 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트의 금의 농도에 따른 라만 신호의 안정화도 측정Experimental Example 2 Measurement of Stability of Raman Signal According to Gold Concentration of Gold and Silver Bimetallic Nano Dendrite

실시예 1에 따라 제조한 바이오센서 내의 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트에서 각 금속 성분의 조성비율을 결정하기 위해, 금의 농도 변화에 따른 라만 신호의 안정화도를 측정하였다. 갈바니(Galvanic) 반응 시간에 따른 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트 내의 금의 함유 비율 변화(청색 원, 오른쪽 y-축) 및 이에 상응하는 흡착된 2-NpSH의 1378 cm-1에서 라만 신호의 강도(에러 바를 갖는 적색 원, 왼쪽 y-축)를 측정하여 도 4에 나타내었다. 여기서 삽도는 금 나노덴드라이트를 이용한 경우의 흡착된 2-NpSH의 1378 cm-1에서 라만 신호의 강도를 나타낸다.In order to determine the composition ratios of the respective metal components in the gold and silver bimetallic nanodendrite in the biosensor prepared according to Example 1, the degree of stabilization of the Raman signal according to the concentration of gold was measured. The intensity of the Raman signal at 1378 cm -1 of the corresponding 2-NpSH adsorbed (blue circle, right y-axis) and the change in the content of gold in the bimetallic nanodendrite of silver and silver according to the time of galvanic reaction A red circle having an error bar, and a left y-axis) are measured and shown in Fig. The illustration here shows the intensity of the Raman signal at 1378 cm -1 of adsorbed 2-NpSH using gold nanodendrite.

도 4에 나타난 바와 같이, 은 나노덴드라이트(금이 0 원자%)의 경우 금 나노덴드라이트에 비해 약 17배의 라만 신호 강도를 가지지만, 신호의 표준편차(RSV)가 34.6%로 금 나노덴드라이드의 9.2%에 비해 매우 불안정한 것을 알 수 있다. 또한, 상기 측정 결과로부터 갈바니(Galvanic) 반응 시간이 3분일 때의 금 3.17 원자% 및 은 96.83 원자%의 바이메탈 나노덴드라이트의 경우, 신호의 표준편차(RSV)가 8.7%로 은 나노덴드라이트보다 4배 더 안정한 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 4, the silver noddendrite (0 atomic% of gold) has a Raman signal intensity of about 17 times that of gold nanodendrite, but the standard deviation (RSV) of the signal is 34.6% Which is very unstable compared to 9.2% of dendrive. From the above measurement results, it can be seen that, in the case of the bimetallic nano-dendrite having 3.17 at.% Of gold and 96.83 at.% Of silver when the galvanic reaction time is 3 minutes, the RSV of the signal is 8.7% 4 times more stable.

실험예 3. 탐침 DNA 및 표지 DNA의 혼성화 부위의 결정Experimental Example 3. Determination of hybridization sites of probe DNA and labeled DNA

실시예 1에 따라 제조한 바이오센서 내의 탐침 DNA 및 표지 DNA의 혼성화물의 혼성화 부위를 결정하기 위해, (a) 3가지 다른 혼성화의 경우(I, Ⅱ, 및 Ⅲ) 및 (b) 이에 상응하는 Cy5의 라만 스펙트럼(I(적색 선), Ⅱ(녹색 선), 및 Ⅲ(청색 선))을 측정하여 도 5에 나타내었다. 여기서 삽도는 상기 혼성화 Ⅱ의 경우, 혼성화된 표지 DNA를 200pM 표적DNA로 치환한 후, 60분 경과 후(흑색 선)의 라만 스펙트럼을 나타낸다.In order to determine the hybridization sites of the probe DNA and the labeled DNA hybridization in the biosensor prepared according to Example 1, (a) three different hybridization cases (I, II, and III) and (b) The Raman spectra of Cy5 (I (red line), II (green line), and III (blue line)) were measured and shown in FIG. Herein, in the case of the hybridization II, the illustration shows the Raman spectrum after elution of the hybridized labeled DNA with 200 pM of target DNA after 60 minutes (black line).

도 5에 나타난 바와 같이, 혼성화 Ⅱ의 경우, 즉 표지 DNA가 나노덴드라이트로부터 탐침 DNA의 두 번째 염기부터 혼성화되었을 경우에 가장 큰 라만 신호의 강도를 나타내었다.
As shown in FIG. 5, in the case of hybridization II, that is, when the labeled DNA was hybridized from the nanodendrite to the second base of the probe DNA, the intensity of the largest Raman signal was exhibited.

실험예 4. 바이오센서의 표적 DNA의 검출 Experimental example 4. Detection of target DNA of biosensor

실시예 1에 따라 제조한 바이오센서의 표적 DNA의 검출을 확인하기 위해, 혼성화된 표지 DNA를 표적 DNA(tDNA)로 치환한 후의 라만 신호 변화를 측정하였다. In order to confirm the detection of the target DNA of the biosensor prepared according to Example 1, the change in the Raman signal after the hybridization of the labeled DNA with the target DNA (tDNA) was measured.

먼저, 바이오센서 내의 혼성화된 표지 DNA를 200pM 표적 DNA로 치환한 후, 시간에 따른 1468 cm-1에서의 라만 염료 Cy5의 라만 스펙트럼을 측정하여 도 6에 나타내었다. 여기서 파선(dashed line)은 표적 DNA를 첨가하기 전의 밴드 강도(band intensity)를 나타낸다. First, the hybridized labeled DNA in the biosensor was replaced with 200pM of target DNA, and the Raman spectrum of the Raman dye Cy5 at 1468 cm -1 with time was measured and shown in FIG. Here, the dashed line represents the band intensity before adding the target DNA.

또한, 표적 DNA(tDNA) 농도에 따른 라만 신호 강도의 상관관계를 측정하여 도 7에 나타내었다.In addition, the correlation of the Raman signal intensity according to the target DNA (tDNA) concentration was measured and shown in FIG.

도 6에 나타난 바와 같이, 바이오센서 내의 혼성화된 표지 DNA가 표적 DNA로 치환됨에 따라 라만 신호가 점점 감소하는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 6, it can be seen that the Raman signal is gradually decreased as the hybridized labeled DNA in the biosensor is replaced with the target DNA.

또한, 도 7에 나타난 바와 같이, 표적 DNA의 농도를 증가시킬 경우, 라만 신호의 감소율(%)이 점점 커지는 것을 알 수 있고, 표적 DNA의 검출한계(LOD)는 62.5fM로 나타났다.In addition, as shown in FIG. 7, when the concentration of the target DNA was increased, the decrease rate (%) of the Raman signal was gradually increased, and the detection limit (LOD) of the target DNA was 62.5fM.

Claims (11)

탐침 DNA 및 라만 염료(Raman dye)가 결합된 표지 DNA의 혼성화물; 및 상기 혼성화물의 탐침 DNA가 고정된, 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트;를 포함하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.Hybridization of labeled DNA with probe DNA and Raman dye; And a bimetallic nanodendrite of gold and silver on which the probe DNA of the hybrid product is immobilized. 제 1항에 있어서,
상기 탐침 DNA 및 표지 DNA는 염기서열의 상보적인 결합에 의해 혼성화되는 것을 특징으로 하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the probe DNA and the labeled DNA are hybridized by complementary binding of the base sequence.
제 1항에 있어서,
상기 탐침 DNA는 -SH, -CHO, -COOH 또는 -NH2 기에 의해 나노덴드라이트 표면에 고정되는 것을 특징으로 하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.
The method according to claim 1,
The probe DNA, target DNA biosensor for detection, characterized in that fixed to the surface by a nano dendrite -SH, -CHO, -COOH or -NH 2.
제 1항에 있어서,
상기 표지 DNA는 나노덴드라이트로부터 탐침 DNA의 1 내지 10번째 염기부터 혼성화되는 것을 특징으로 하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the labeled DNA is hybridized from the 1 st to 10 th bases of the probe DNA from the nanodendrite.
제 1항에 있어서,
상기 라만 염료는 시아닌(Cy3, Cy3.5, 또는 Cy5), 크산틴(xanthines), 로다민6G, 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC), 아데닌, 4-아미노-피라졸(3,4-d)피리미딘, 2-플루오로아데닌, N6-벤조일아데닌, 키네틴, 디메틸-알릴-아미노-아데닌, 제아틴(zeatin), 브로모-아데닌, 8-아자-아데닌, 8-아자구아닌, 6-머캅토퓨린, 4-아미노-6-머캅토피라졸로(3,4-d)피리미딘, 8-머캅토아데닌, 9-아미노-아크리딘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.
The method according to claim 1,
The Raman dye may be selected from the group consisting of cyanine (Cy3, Cy3.5 or Cy5), xanthines, rhodamine 6G, rhodamine B isothiocyanate (RBITC), adenine, d) pyrimidine, 2-fluoroadenine, N6-benzoyladenine, kinetin, dimethyl-allyl-amino-adenine, zeatin, bromo-adenine, 8- Amide-acridine, and a combination thereof, characterized in that it is any one selected from the group consisting of mercaptopurine, mercaptopurine, 4-amino-6-mercaptopyrrazolo (3,4-d) pyrimidine, 8-mercaptoadenine, Wherein the biosensor is for detecting a target DNA.
제 1항에 있어서,
상기 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트는 금 및 은의 갈바닉 치환 반응을 이용한 전기화학 증착법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.
The method according to claim 1,
The biosensor for detecting target DNA, wherein the gold and silver bimetallic nanodendrite are produced by an electrochemical deposition method using a galvanic substitution reaction of gold and silver.
제 1항에 있어서,
상기 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트는 1 내지 10 원자 퍼센트(%)의 금 및 90 내지 99 원자 퍼센트(%)의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the gold and silver bimetallic nanodendrite comprises 1 to 10 atomic percent of gold and 90 to 99 atomic percent of silver.
제 1항에 있어서,
상기 바이오센서의 표적 DNA의 검출한계(LOD)는 50 내지 80fM(femto-molar)인 것을 특징으로 하는, 표적 DNA 검출용 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the detection limit (LOD) of the target DNA of the biosensor is 50 to 80 fM (femto-molar).
(1) 탐침 DNA 및 라만 염료(Raman dye)가 결합된 표지 DNA를 혼성화시키는 단계;
(2) 상기 혼성화물의 탐침 DNA를 금 및 은의 바이메탈 나노덴드라이트에 고정시키는 단계;
(3) 상기 바이메탈 나노덴드라이트에 고정된 혼성화물에 표적 DNA를 가하여 표지 DNA를 표적 DNA로 치환하는 단계; 및
(4) 상기 (3)단계의 표지 DNA를 표적 DNA로 치환하기 전 및 후의 표면증강 라만산란(SERS) 신호를 측정하는 단계;를 포함하는, 표적 DNA의 검출방법.
(1) hybridizing a labeled DNA with a probe DNA and a Raman dye;
(2) immobilizing the hybridization probe DNA to gold and silver bimetallic nanodendrite;
(3) adding a target DNA to the bimetallic nanodendrite-immobilized hybrid, and replacing the labeled DNA with the target DNA; And
(4) measuring a surface enhanced Raman scattering (SERS) signal before and after replacing the labeled DNA of step (3) with the target DNA.
제 9항에 있어서
상기 표면증강 라만산란(SERS) 신호는 20 내지 400 mW 에너지로 632 내지 785 ㎚ 파장의 레이저 빛 조사로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 표적 DNA의 검출방법.
The method of claim 9, wherein
Wherein the surface enhanced Raman scattering (SERS) signal is generated by laser light irradiation with a wavelength of 632 to 785 nm at an energy of 20 to 400 mW.
제 9항에 있어서
상기 표면증강 라만산란(SERS) 신호는 라만 염료의 530~1540 cm-1 영역의 진동 밴드를 측정하고, 측정시간은 10 분 내지 120 분인 것을 특징으로 하는, 표적 DNA의 검출방법.
The method of claim 9, wherein
Wherein the surface enhanced Raman scattering (SERS) signal measures the vibration band of the Raman dye in the range of 530 to 1540 cm -1 , and the measurement time is 10 minutes to 120 minutes.
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