KR20190110924A - 당화 헤모글로빈 검출용 구조체, 그 구조체의 제조 방법, 그 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 이용한 당화 헤모글로빈 검출용 센서, 및 그 센서를 이용한 당화 헤모글로빈의 검출 방법 - Google Patents

당화 헤모글로빈 검출용 구조체, 그 구조체의 제조 방법, 그 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 이용한 당화 헤모글로빈 검출용 센서, 및 그 센서를 이용한 당화 헤모글로빈의 검출 방법 Download PDF

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Abstract

보론산 및 카복시기(-COOH)를 포함하는 화합물을 용매에 첨가하는 단계, 상기 화합물이 첨가된 상기 용매에, 수산화기(-OH)를 포함하는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol, PVA)을 분산시켜, 상기 화합물의 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 합성된 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 단계, 및 전이금속디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, TMD) 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 수용액 상에 분산시켜, 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 폴리비닐알코올에 의해 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되되, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 보론산이 결합된 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법이 제공된다.

Description

당화 헤모글로빈 검출용 구조체, 그 구조체의 제조 방법, 그 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 이용한 당화 헤모글로빈 검출용 센서, 및 그 센서를 이용한 당화 헤모글로빈의 검출 방법{Structure for detection of glycated hemoglobin, manufacturing method of the structure, sensor for detection of glycated hemoglobin using the structure, and detecting method of glycated hemoglobin using the sensor}
본 발명은 당화 헤모글로빈 검출용 구조체, 그 구조체의 제조 방법, 그 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 이용한 당화 헤모글로빈 검출용 센서, 및 그 센서를 이용한 당화 헤모글로빈의 검출 방법에 관련된 것으로, 상세하게는, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물 및 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물(transition metal dichalcogenides, TMD)에 결합된 보론산 변성 고분자를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체, 그 구조체의 제조 방법, 그 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 이용한 당화 헤모글로빈 검출용 센서, 및 그 센서를 이용한 당화 헤모글로빈의 검출 방법에 관련된 것이다.
전이금속디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, TMD) 화합물은, 자연계에 과량으로 존재하는 광물 중 하나로, 흑연과 같이 단일층 단위 구조가 겹겹이 쌓여있는 판상 구조를 가진다. 벌크 상태의 전이금속디칼코게나이드 화합물이 단일층으로 박리되는 경우에, 전자 에너지 밴드의 변화를 통해 독특한 물리화학적 특성을 나타낸다. 이에 따라, 최근에는 광전자 소자, 광촉매, 바이오 센서, 의료용 소재와 같은 첨단 기술 분야에 이용되는, 고가의 귀금속 촉매를 대체하기 위해, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 이용하려는 연구가 수행되고 있다.
박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물은 밴드 갭 변화로 인해, 가시광선 영역에서 강한 형광을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 형광 특성을 포함하는 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 광학 재료로써 이용하려는 시도가 이루어지고 있다. 특히, 바이오 분야에서는 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 새로운 형광 프로브로 주목하고 있다.
바이오 분야와 관련된 당뇨병의 진단에 있어서, 종래에는 혈당(혈액 내 포도당)의 농도를 측정하는 방법이 널리 이용되고 있다. 하지만, 혈당의 농도를 측정하는 방법은, 개인의 건강 상태 및 식이 요법에 따라 혈액 내 글루코스 농도가 변화하는 것에 따라, 진단의 객관성 및 정확도가 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 혈액 내 포도당 대신에 당화 헤모글로빈(HbA1c)을 검출하여, 이를 당뇨병의 진단에 있어서, 바이오 마커(bio marker)로 이용하려는 연구가 수행되고 있다.
당화 헤모글로빈은, 적혈구 내 헤모글로빈 단백질의 α체인 또는 β체인에 포도당이 결합된 형태를 갖는다. 당화 헤모글로빈의 정도에 따라 혈당의 정도가 달라지기 때문에, 당화 헤모글로빈을 이용하여, 혈당의 농도를 측정할 수 있다.
포도당은 식이, 건강 상태, 개인의 컨디션 등에 따라 진단의 수준이 변화하여, 진단에 있어 객관성 및 정확도가 떨어지는 문제가 있다. 반면에, 당화 헤모글로빈은 2~3 개월 동안의 평균적인 혈당 조절 상태를 반영하기 때문에, 진단의 신뢰성이 높은 장점이 있다. 따라서, 최근에는 포도당 대신에 당화 헤모글로빈을 검출하려는 시도가 많이 이루어지고 있다.
이에 따라, 수용액 상에서 벌크 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리함과 동시에 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 바이오 분야에 응용이 가능한 기능을 부여하고자 하는 노력이 이어지고 있다.
종래에, 벌크 상태의 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하는 방법 또는 2 차원(2 dimension, 2D) 구조의 단일층을 제조하는 방법으로, 화학기상 증착법, 기계적 박리법, 및 액상 박리법 등이 이용되고 있다. 하지만, 화학기상 증착법 또는 기계적 박리법을 이용하는 경우, 2 차원 구조의 단일층 또는 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물의 대량 생산이 어렵거나, 또는 벌크 상태의 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하기 위해서 가혹한 반응 조건이 요구된다.
이를 개선하기 위해, 액상 박리법이 도입되었다.
예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-1633631에는, 원료 반도체 물질을 박리하여 반도체 2 차원 물질을 얻는 방법에 있어서, 상기 원료 반도체 물질을 박리 용매에 침지시켜 액상법(liquid phase method)으로 상기 원료 반도체 물질을 박리시키는 1차 박리 단계, 1차 박리를 통해 상기 원료 반도체 물질이 박리되어 상기 박리 용매에 분산된 형태의 박리 용액에 실크(silk)를 가하는 2차 박리 단계, 및 상기 박리 용액 내 분산되지 못한 침전물을 제거하는 침전물 제거 단계를 포함하는 실크를 이용한 반도체 물질의 박리방법이 개시되어 있다.
하지만, 상기 액상 박리법을 이용하는 경우, 유기 용매를 이용해 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하기 때문에, 상기 유기 용매를 대체하여 수용액을 용매로 이용해, 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리할 경우에는, 분산 안전성이 저하되는 문제가 있다.
특히, 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 바이오에 응용하 위해서, 유기 용매를 이용해 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하는 경우 안정성이 저하되기 때문에, 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 수용액 상에서 분산시키는 것이 필수적이다.
만약, 상기 액상 박리법을 이용해, 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리된다고 해도, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물의 기능화를 위해서는 추가 공정이 요구된다. 다시 말해, 상기 액상 박리법 단일 공정만으로는, 기능화됨과 동시에 박리된 전이금속 디칼코게나이드 화합물을 제조하기 어렵다.
따라서, 벌크 상태의 전이금속디칼코게나이드 화합물을 수용액 상에서 박리함과 동시에, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 기능을 부여할 수 있는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 특정 피검출체를 선택적으로 검출하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물(transition metal dichalcogenides, TMD) 및 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자 화합물을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 단일 공정으로 벌크 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되는 동시에, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 보론산이 결합되는 것을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 형광(螢光)을 가지는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 간섭 물질의 존재 하에서도, 선택적으로 피검출체를 검출하는 것이 가능한 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 10 분 이내에 선택적으로 피검출체를 검출할 수 있는 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 피검출체가 결합되는 경우 형광이 소광(消光)되는 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 이용한 당화 헤모글로빈 검출 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법은, 보론산 및 카복시기(-COOH)를 포함하는 화합물을 용매에 첨가하는 단계, 상기 화합물이 첨가된 상기 용매에, 수산화기(-OH)를 포함하는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol, PVA)을 분산시켜, 상기 화합물의 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 합성된 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 단계, 및 전이금속디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, TMD) 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 수용액 상에 분산시켜, 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 폴리비닐알코올에 의해 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되되, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 보론산이 결합된 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 단계는, 카르보디이미드(carbodiimide)를 포함하는 화학 물질을 첨가하여 상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시키는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질은, N,N'-diisopropylcarbodiimide (DIC), dicyclohexylcarbodiimide(DCC), 또는 1-Ethyl-3-3-dimethylaminopropyl-carbodiimide(EDC) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질 및 상기 화합물은 1:1.5의 무게비로 첨가될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시킨 이후에, 촉매를 첨가하여, 상기 화합물의 상기 카복시기 및 상기 폴리비닐알코올의 상기 수산화기를 반응시켜, 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 결합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매는 4-dimethylamino-pyridine(DMAP)일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질보다 적은 양으로 첨가될 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물, 및 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자 화합물을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서는, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 당화 헤모글로빈 검출 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 당화 헤모글로빈 검출 방법은, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자를 포함하되, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 의해 형광(螢光)을 가지는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 준비하는 단계, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 혈액을 제공하는 단계, 및 상기 혈액의 피검출체가 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 상기 보론산 변성 고분자의 보론산과 선택적으로 결합하되, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광(消光)되어, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 의해 상기 피검출체가 검출되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 피검출체는 HbA1c일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 보론산 및 카복시기(-COOH)를 포함하는 화합물을 용매에 첨가하는 단계, 상기 화합물이 첨가된 상기 용매에, 수산화기(-OH)를 포함하는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol, PVA)을 분산시켜, 상기 화합물의 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 합성된 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 단계, 및 전이금속디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, TMD) 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 수용액 상에 분산시켜, 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 폴리비닐알코올에 의해 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되되, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 보론산이 결합된 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이에 따라, 단일 공정으로, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물, 및 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자 화합물을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자를 포함하되, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 의해 형광(螢光)을 가지는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 준비하는 단계, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 혈액을 제공하는 단계, 및 상기 혈액의 피검출체가 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 상기 보론산 변성 고분자의 보론산과 선택적으로 결합하되, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광(消光)되어, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 의해 상기 피검출체가 검출되는 단계를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출 방법이 제공될 수 있다.
이에 따라, 10 분 이내에 선택적으로 상기 피검출체를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 간섭 물질의 존재 하에서도, 상기 피검출체를 선택적으로 검출하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 카르보디이미드(carbodiimide)를 포함하는 화학 물질 및 촉매를 첨가하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자(B-PVA) 및 폴리비닐알코올(PVA)의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자(B-PVA), 보론산 및 카복시기를 포함하는 화합물(CPBA), 및 폴리비닐알코올(PVA)의 UV 흡광 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자 화합물에 포함된 보론산의 함량을 나타내는 그래프이다.
도 9(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 TEM 이미지이다.
도 9(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 HR-TEM 이미지이다.
도 10은 벌크 전이금속디칼코게나이드 화합물(bulk WS2) 및 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 B1s XPS 스펙트럼이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)의 UV 흡광 스펙트럼이다.
도 13은 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체(PVA-WS2)의 UV 흡광 스펙트럼이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)의 PL 스펙트럼이다.
도 15는 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체(PVA-WS2)의 PL 스펙트럼이다.
도 16은 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL 스펙트럼이다.
도 17은 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2) 및 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체(PVA-WS2)의 PL quenching response를 나타낸 그래프이다.
도 18은 피검출체와의 반응 시간에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL 스펙트럼이다.
도 19는 글루코스(glucose) 존재 하에 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL 스펙트럼이다.
도 20은 글루코스 존재 하에 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL quenching response를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법이 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 카르보디이미드(carbodiimide)를 포함하는 화학 물질 및 촉매를 첨가하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 보론산 및 카복시기(-COOH)를 포함하는 화합물을 용매에 첨가할 수 있다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 보론산 및 상기 카복시기(-COOH)를 포함하는 상기 화합물은 carboxyphenylboronic acid(CPBA)일 수 있다. 또한, 상기 용매는 dimethylformamide(DMF)일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 화합물 즉, 상기 CPBA 338 mg이 첨가된 상기 용매 즉, 상기 DMF의 양은 40 mL일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 화합물이 첨가된 상기 용매에, 수산화기(-OH)를 포함하는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol, PVA)을 분산시켜, 상기 화합물의 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 합성된 보론산 변성 고분자 화합물을 제조할 수 있다(S120). 예를 들어, 상기 CPBA가 338 mg 첨가된 상기 DMF 40 mL에, 상기 폴리비닐알코올 600 mg이 분산될 수 있다.
도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 단계는, 카르보디이미드(carbodiimide)를 포함하는 화학 물질을 첨가하여 상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시키는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질은, N,N'-diisopropylcarbodiimide(DIC), dicyclohexylcarbodiimide(DCC), 또는 1-Ethyl-3-3-dimethylaminopropyl-carbodiimide(EDC) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질 및 상기 화합물은 1:1.5의 무게비로 첨가될 수 있다. 예를 들어, S110 단계에서, 상기 용매에 첨가되는 상기 화합물 즉, 상기 CPBA의 양이 338 mg인 경우, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질이 상기 DIC인 경우에, 386 mg의 상기 DIC가 첨가될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질 및 상기 화합물은 1:1.5의 무게비로 첨가되는 것에 의해, 상기 화합물의 상기 카복시기가 용이하게 활성화될 수 있다.
이에 한정되지 않고, 다른 실시 예에 따르면, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질은, 상기 화합물과 상이한 양으로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질이, 상기 화합물보다 많은 양으로 첨가될 수 있다. 이러한 경우, 상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시킨 후에 잔존하는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질은 세척(wash out)될 수 있다. 이에 따라, 후술되는 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하는 단계 및 당화 헤모글로빈을 검출하는 과정에서, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질이 잔존하는 것에 따른 영향이 발생되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시킨 이후에, 촉매를 첨가하여, 상기 화합물의 상기 카복시기 및 상기 폴리비닐알코올의 상기 수산화기를 반응시켜, 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 결합될 수 있다. 다시 말해, 상기 촉매를 첨가하는 것에 따라, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질에 의해 활성화된 상기 화합물의 상기 카복시기 및 상기 폴리비닐알코올의 상기 수산화기를 반응시켜, 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 에스테르 결합(ester bond)을 형성할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 카르복시기는 반응성이 낮기 때문에, 반응성을 높여주는 물질과 결합시킨 후에, 상기 수산화기와 반응시키는 것을 통해, 상기 카르복시기 및 상기 수산화기 간의 반응성을 높일 수 있다. 여기서, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질이, 상기 카르복시기의 반응성을 높여주는 상기 물질일 수 있다. 다시 말해, 상기 카르복시기는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질과 결합하여, 상기 카르복시기 보다 반응성이 높은 O-Acylisourea를 포함하는 물질을 형성할 수 있다. 상기 O-Acylisourea는 상기 수산화기와 반응하여 에스터(ester)를 형성할 수 있다.
하지만, 상기 O-Acylisourea 및 상기 수산화기가 반응하여 상기 에스터를 형성하는 반응은 느리게 일어날 수 있고, 이에 따라, 상기 O-Acylisourea 및 상기 수산화기가 반응하여 상기 에스터가 형성되기 전에, 부반응으로 다른 물질이 형성될 수 있다. 예를 들어, 부반응으로 형성된 상기 다른 물질은 N-Acylurea일 수 있다.
따라서, 상기 에스터를 형성하는 느린 반응을 촉진시켜주기 위해, 상기 촉매가 첨가될 수 있다. 상기 촉매를 첨가하는 것에 따라, 상기 O-Acylisourea 및 상기 수산화기가 부반응을 일으키지 않고 빠르게 결합되어 상기 에스터를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매는 4-dimethylamino-pyridine(DMAP)일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 촉매는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질 보다 적은 양으로 첨가될 수 있다. 다시 말해, 상기 촉매는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질의 약 0.1 당량에 해당하는 양 만큼 첨가될 수 있다. 예를 들어, S120 단계에서 첨가되는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질 즉, 상기 DIC의 양이 386 mg인 경우, 상기 촉매가 상기 DMAP인 경우에, 상기 DIC의 0.1 당량에 해당하는 약 37 mg의 상기 DMAP가 첨가될 수 있다.
이에 한정되지 않고, 다른 실시 예에 따르면, 상기 촉매는, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질의 약 0.1 당량을 초과하여 첨가될 수 있다. 이러한 경우, 상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시킨 후에 잔존하는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질은 세척될 수 있다. 이에 따라, 이후의 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하는 단계 및 당화 헤모글로빈을 검출하는 과정에서, 상기 카르보디이미디를 포함하는 상기 화학 물질이 잔존하는 것에 따른 영향이 발생되지 않을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 화합물에 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질을 첨가하고, 상기 촉매를 첨가한 후에, 상기 PVA를 첨가하는 일련의 공정을 통해 상기 보론산 변성 고분자 화합물이 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 화합물이 활성화되어, 상기 PVA와 용이하게 결합될 수 있다.
반면에, 일 변형 예에 따르면, 상기 화합물, 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질, 상기 촉매, 및 상기 PVA를 동시에 첨가하는 공정을 통해 상기 보론산 변성 고분자 화합물이 제조될 수 있다. 이에 따라, 간소화된 공정으로, 상기 보론산 변성 고분자 화합물이 용이하게 제조될 수 있다.
전이금속디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, TMD) 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 수용액 상에 분산시켜, 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 폴리비닐알코올에 의해 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되되, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 보론산이 결합된 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제조할 수 있다(S130).
일 실시 예에 따르면, 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 수용액 상에 분산시키기 전의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물은 벌크 상태일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 상기 수용액 상에 분산시킨 후에, 초음파 처리할 수 있다. 이에 따라, 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 폴리비닐알코올에 의해 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되고, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 보론산이 결합된 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 단일 공정으로 용이하게 제조될 수 있다.
반면에, 본 발명의 실시 예와는 달리, 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하는데 있어서, 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 이용하지 않고, 화학기상 증착법, 기계적 박리법, 및 액상 박리법 등을 이용할 수 있다. 하지만, 상기 화학기상 증착법 또는 상기 기계적 박리법을 이용하는 경우, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물의 대량 생산이 어렵거나, 또는 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하기 위해서 가혹한 반응 조건이 요구될 수 있다.
이를 개선하기 위해, 상기 액상 박리법이 도입되었으나, 상기 액상 박리법을 이용하는 경우, 유기 용매를 이용해 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리하기 때문에, 상기 유기 용매를 대체하여 수용액을 용매로 이용해, 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 박리할 경우에는, 분산 안전성이 저하될 수 있다. 만약, 상기 액상 박리법을 이용해, 벌크 상태의 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리된다고 해도, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물의 기능화를 위해서는 추가 공정이 필요할 수 있다. 다시 말해, 상기 액상 박리법 단일 공정만으로는, 기능화됨과 동시에 박리된 전이금속 디칼코게나이드 화합물을 제조하는 것이 어려울 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시 예에 따르면, 보론산 및 카복시기를 포함하는 화합물을 용매에 첨가하고, 상기 화합물이 첨가된 상기 용매에, 수산화기를 포함하는 폴리비닐알코올을 분산시켜, 상기 화합물의 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 합성된 보론산 변성 고분자 화합물을 제조한 후에, 전이금속디칼코게나이드 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 수용액 상에 분산시키는 것에 따라, 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 폴리비닐알코올에 의해 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되되, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 보론산이 결합된 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 단일 공정으로 용이하게 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출 방법이 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자를 포함하되, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 의해 형광(螢光)을 가지는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 준비할 수 있다(S210). 일 실시 예에 따르면, 상기 보론산 변성 고분자는, 보론산 및 카복시기를 포함하는 화합물의 상기 보론산, 및 폴리비닐알코올이 합성된 고분자일 수 있다. 다시 말해, 상기 보론산 변성 고분자는, 보론산 변성 폴리비닐알코올일 수 있다. 이에 따라, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 상기 보론산 변성 폴리비닐 알코올을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는 약 ~50 nm의 측면 크기를 가질 수 있다. 또한, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함하는 것에 따라, 가시광선 및 근적외선 영역에서 A-exction 및 B-exction 흡수, 및 강한 형광을 가질 수 있다. 또한, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는 상기 보론산 변성 고분자의 보론산을 포함하는 것에 따라, 피검출체를 선택적으로 검출할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 피검출체는 혈액에 포함된 당뇨병 바이오마커(bio-marker)인 HbA1c일 수 있다.
상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 혈액을 제공할 수 있다(S220). 일 실시 예에 따르면 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 상기 혈액이 제공되는 단계는, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서의 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 상기 혈액의 상기 HbA1c을 버퍼 용액에 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 상기 HbA1c가 상기 버퍼 용액에 첨가된 상태로 일정 시간 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 상기 HbA1c가 상기 버퍼 용액에 첨가된 상태로 10 분 동안 유지될 수 있다.
상기 혈액의 피검출체가 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 상기 보론산 변성 고분자의 보론산과 선택적으로 결합하되, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광(消光)되어, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 의해 상기 피검출체가 검출될 수 있다(S230). 일 실시 예에 따르면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 상기 HbA1c가 상기 버퍼 용액에 첨가된 상태로 일정 시간 유지된 이후에, 특정 파장의 레이저가 조사될 수 있다.
S210 단계에서 상술된 바와 같이, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함하는 것에 따라, 강한 형광을 가질 수 있다. 하지만, 상기 혈액의 상기 피검출체가 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 상기 보론산과 선택적으로 결합되는 경우, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광될 수 있다.
다시 말해, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 상기 보론산 변성 고분자를 포함하는 구조를 포함할 수 있다. 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 상기 보론산 변성 고분자를 포함하는 구조는, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 의해 형광을 포함할 수 있고, 또한, 상기 보론산 변성 고분자에 상기 피검출체가 선택적으로 결합될 수 있다. 하지만, 상기 보론산 변성 고분자에 상기 피검출체가 선택적으로 결합되는 경우에, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물로부터 상기 피검출체로 전자가 전이될 수 있다. 이에 따라, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물의 형광이 소광될 수 있다. 따라서, 상기 피검출체가 결합된 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 특정 파장의 레이저가 조사되는 경우에, 형광이 소광된 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함하는 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 역시 형광이 소광됨에 따라, 상기 피검출체를 용이하게 검출할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 대한 구체적인 실험 예가 설명된다.
실험 예 1에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조
보론산 및 카복시기를 포함하는 화합물로 Alfa Aesar 社의 4-carboxyphenylboronic acid(CPBA)를 준비하였다.
용매로 Dae-Jung Chemicals 社의 dimethylformamide(DMF)를 준비하였다.
상기 DMF 40 mL에 상기 CPBA 338 mg를 첨가한 후에, poly vinyl alcohol(PVA) 600 mg을 분산시켰다.
상기 CPBA가 첨가되고, 상기 PVA가 분산된 상기 DMF에, 카르보디이미드(carbodiimide)를 포함하는 화학 물질로 N,N'-diisopropylcarbodiimide (DIC) 386 mg, 및 촉매로 4-dimethylamino-pyridine(DMAP) 374 mg을 첨가한 후에, 80 ℃에서 20 시간 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다.
상기 혼합물에 40 mL의 물을 첨가한 후에, 1 kDa 셀룰로오스 멤브레인을 사용하여 정제한 다음 진공 하에 건조시켜, 상기 CPBA의 상기 보론산 및 상기 PVA가 합성된 보론산 변성 고분자 화합물(B-PVA)을 제조하였다.
벌크 상태의 전이금속디칼코게나이드 화합물로 벌크 WS2를 준비하였다.
상기 벌크 WS2 3.6 g 및 상기 B-PVA 2 g/L를 수용액 120 mL 상에 분산시킨 후에, 100 W 전력에서 6 초-온(on) 및 2 초-오프(off) 펄스 시퀀스로 1 시간 동안 1차 초음파 처리하고, 2,500 g에서 90 분간 1차 원심 분리하여 제1 침전물을 수득하였다.
상기 제1 침전물을 상기 B-PVA를 포함하는 새로운 수용액 120 mL 상에 재분산시킨 후에, 100 W 전력에서 6 초-온(on) 및 2 초-오프(off) 펄스 시퀀스로 5 시간 동안 2차 초음파 처리하고, 2,500 g에서 90 분간 2차 원심 분리하여 제2 침전물을 수득하였다.
상기 제2 침전물을 10,000 g에서 90 분간 3차 원심 분리한 후에, 3,500 g에서 90 분간 4차 원심 분리하여, 상기 PVA에 의해 박리된 WS2에 결합된 보론산을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)를 수득하였다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자(B-PVA) 및 폴리비닐알코올(PVA)의 FT-IR 스펙트럼이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자(B-PVA), 보론산 및 카복시기를 포함하는 화합물(CPBA), 및 폴리비닐알코올(PVA)의 UV 흡광 스펙트럼이다.
도 6을 참조하면, 상기 폴리비닐알코올의 FT-IR 스펙트럼과는 달리, 상기 보론산 변성 고분자의 FT-IR 스펙트럼에서 바이브레이션 모드(vibrational mode)를 관찰할 수 있다. 상기 바이브레이션 모드는, 에스테르 카르보닐기[ester carbonyl group(C=O)]에 해당하는 1709 cm-1 영역, 방향족 sp2 탄소[aromatic sp2 carbon(C= C)]에 해당하는 1400~1600 cm-1 영역, 및 보론산에 해당하는 1304 cm-1 영역에서 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 보론산 변성 고분자의 UV 흡광 스펙트럼의 236 nm 영역에서, 상기 화합물의 페닐기의 특징인 π-ð* 천이(transition)를 관찰할 수 있다. 또한, 상기 보론산 변성 고분자의 UV 흡광 스펙트럼의 279 nm 영역에서, 상기 화합물의 카르보닐기의 특징인 n-π* 천이(transition)를 관찰할 수 있다.
따라서, 도 6 및 도 7을 통해, 상기 화합물 및 상기 폴리비닐알코올로부터 상기 보론산 변성 고분자 화합물이 성공적으로 제조된 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 보론산 변성 고분자 화합물에 포함된 보론산의 함량을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 보론산 변성 고분자 화합물에 포함된 상기 보론산의 함량을 알아보기 위해, 279 nm에서 상기 화합물의 흡광도에 기초한 보정 곡선(ε = 1103 M-1 cm- 1)을 이용하였다. 도 8을 통해, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 보론산 및 상기 카복시기를 포함하는 상기 화합물가 상기 용매에 첨가된 후에, 상기 수산화기를 포함하는 상기 폴리비닐알코올을 분산시켜 제조된 상기 보론산 변성 고분자 화합물은, 1.69 mmol/g의 상기 보론산을 포함하는 것을 알 수 있다.
도 9(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 TEM 이미지이고, 도 9(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 HR-TEM 이미지이다.
도 9(a)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는, 약 ~50 nm의 측면 크기를 가지는 2 차원(2 dimension, 2D) 구조의 단일층 나노시트(nanosheet)인 것을 관찰할 수 있다. 도 9(b)를 참조하면, 상기 나노시트의 격자 구조 및 선택된 영역의 전자 회절(selected-area electron diffraction, SAED) 패턴을 통해, 상기 보론산 변성 고분자 화합물에 의해, 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되고, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산이 결합된 이후에도 고유한 2H 상(2H phase)을 유지하는 것을 알 수 있다.
도 10은 벌크 전이금속디칼코게나이드 화합물(bulk WS2) 및 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 10을 참조하면, 벌크 전이금속디칼코게나이드 화합물의 FT-IR 스펙트럼과 달리, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 FT-IR 스펙트럼에서 바이브레이션 모드를 관찰할 수 있다. 상기 바이브레이션 모드는, C-H에 해당하는 2928 cm-1 영역, C=O에 해당하는 1693 cm-1 영역, C=C에 해당하는 1400~1600 cm-1 영역, B-O에 해당하는 1306 cm-1 영역, 및 C-O-C에 해당하는 1124 cm-1 영역에서 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 B1s XPS 스펙트럼이다.
도 11을 참조하면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 B1s XPS 스펙트럼을 통해, 191.2 및 185.7 eV 영역에서 C-B-(OH)2 부분의 특성 피크를 관찰할 수 있다. 따라서, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산이 성공적으로 결합된 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)의 UV 흡광 스펙트럼이고, 도 13은 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체(PVA-WS2)의 UV 흡광 스펙트럼이고, 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)의 PL 스펙트럼이고, 도 15는 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체(PVA-WS2)의 PL 스펙트럼이다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 상기 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체의 형광 특성을 파악할 수 있다. 도 12를 통해, 619 nm에서 특유의 여기자 흡수(excitonic absorption) A1 및 514 nm에서 특유의 여기자 흡수 B1을 관찰할 수 있다. 이는, 간접 밴드 갭을 갖는 벌크 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되어, 직접 밴드 갭을 갖는 2 차원 구조의 단일층 전이금속디칼코게나이드 화합물이 형성되었다는 것을 의미한다. 이에 따라, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 성공적으로 포함하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 13을 통해, 619 nm에서 특유의 여기자 흡수 A1을 관찰할 수 있는 것으로부터, 상기 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체 역시 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함하는 것을 알 수 있다.
도 14를 통해, 532 nm 파장에서 여기 하에, 614 nm의 파장 영역에서 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 형광을 방출하는 것을 확인할 수 있다. 이로써, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 성공적으로 포함하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 15를 통해, 612 nm의 파장 영역에서 상기 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체가 형광을 방출하는 것을 확인할 수 있다. 이로써, 상기 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체 역시 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함하는 것을 알 수 있다.
다시 말해, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 상기 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체 모두, 상기 폴리비닐알코올을 포함하는 것에 따라, 상기 폴리비닐알코올에 의해 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함할 수 있고, 이에 따라, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체 및 상기 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체 모두 유사한 형광 특성을 나타낼 수 있다.
도 16은 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL 스펙트럼이고, 도 17은 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2) 및 폴리비닐알코올과 결합된 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체(PVA-WS2)의 PL quenching response를 나타낸 그래프이다.
도 16을 참조하면, 다양한 농도(0, 0.033, 0.33, 및 3.3 μM)의 상기 피검출체(HbA1c) 및 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를, 상온에서 pH 8.0의 Tris-HCl 완충액에 침지하여 10 분 동안 유지한 후에, 532 nm 파장에서 여기 하에, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광 신호를 측정하였다. 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 피검출체의 농도가 0 μM에서 3.3 μM로 증가할수록, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광되는 정도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이는, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 상기 피검출체와 선택적으로 결합하여, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물로부터 상기 피검출체로 전자가 전이되는 것에 따라, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함하는 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광되는 것을 의미한다. 뿐만 아니라, 상기 피검출체의 농도가 증가할수록, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물로부터 상기 피검출체로 전이되는 전자가 증가하는 것에 따라, 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물을 포함하는 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광되는 정도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 17을 참조하면, 피검출체의 다양한 농도에 대한, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체(B-PVA-WS2)와 비교하기 위하여, 폴리비닐알코올과 결합되되 보론산과는 결합되지 않은 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체(PVA-WS2)를 제조한 후에, 마찬가지로 다양한 농도의 상기 피검출체와 함께 상기 Tris-HCl 완충액에 침지한 후에 형광 신호를 측정하였다.
도 17을 통해, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체와는 달리, 상기 폴리비닐알코올과 결합되되 상기 보론산과는 결합되지 않은 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체는 강한 형광을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 폴리비닐알코올과 결합되되 보론산과는 결합되지 않은 전이금속디칼코게나이드 화합물 구조체는 상기 피검출체의 농도에 관계 없이, 형광이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체는 상기 피검출체에 대하여 독특한 PL quenching response를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 검출 한계(limit of detection, LOD)는, 아래 <식 1>에 의해 상기 검출 한계에 근사한 수준에서 응답의 표준 편차(standard deviation of the response, SD) 및 보정 곡선의 기울기(slope of the calibration curve, S)를 기반으로 계산될 수 있다.
<식 1>
LOD = 3.3(SD/S)
데이터의 선형 피팅 후에, 상기 응답의 표준 편차(SD) 값은 0.012, 및 상기 보정 곡선의 기울기(S) 값은 1.207이었다. 상기 응답의 표준 편차 값 및 상기 보정 곡선의 기울기 값을 바탕으로 계산된, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 상기 검출 한계 값은 3.3 × 10-8 M이었다. 이는, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 상기 피검출체가 선택적으로 결합될 수 있다는 것을 의미한다.
도 18은 피검출체와의 반응 시간에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL 스펙트럼이다.
도 18을 참조하면, 피검출체와 선택적으로 결합하는 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 성능을 알아보기 위해, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 3.3 × 10-7 M의 피검출체를 제공한 후에, 반응 시간에 따른, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광 특성을 알아보았다.
도 18을 통해, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 상기 피검출체를 제공한 후에, 5 분에서 10 분으로 시간이 증가할수록, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광되는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 상기 피검출체를 제공한 후에, 10 분에서 20 분으로 시간이 증가하는 경우에, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 더 이상 소광되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이는, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 상기 피검출체가 제공된 후에, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 상기 피검출체가 결합되는 것에 따라, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물로부터 상기 피검출체로 전자가 전이되는 현상이, 10 분 이내에 평형 상태(equilibrium state)에 도달한다는 것을 의미한다.
도 19는 글루코스(glucose) 존재 하에 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL 스펙트럼이고, 도 20은 글루코스 존재 하에 피검출체의 다양한 농도에 대한, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL quenching response를 나타낸 그래프이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 상기 당화 헤모글로빈 검출체의 잠재적 간섭 물질인 상기 글루코스 존재 하에, 상기 피검출체의 다양한 농도에 대한, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광 특성을 알아보았다. 국가 글리코 헤모글로빈 표준화 프로그램(National Glycohemoglobin Standardisation Program, NGSP)과 국제 임상 화학 연맹(International Federation of Clinical Chemistry, IFCC)에 의해 확립된 추정 평균 포도당(the estimated average glucose, eAG) 수준에 따르면, 당뇨병 환자에게서 발견되는 HAGA1c 및 eAG의 몰비는 1:70이다.
따라서, 본 발명의 실험 예에서는, 상기 NGSP 및 상기 IFCC에 의해 확립된 상기 추정 평균 포도당 수준의 상기 HbA1c의 최고 농도보다 70 배 높은 2.3x10-4 M의 상기 글루코스 존재 하에, 상기 피검출체의 다양한 농도에 대한, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광 특성을 알아보았다.
도 19를 통해, 상기 글루코스의 존재 하에서도, 상기 피검출체의 농도가 0 μM에서 6.6 μM로 증가할수록, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 간섭 물질인 상기 글루코스의 존재 하에서도, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 상기 피검출체와 선택적으로 결합하여, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물로부터 상기 피검출체로 전자가 전이되는 것을 의미한다.
또한, 도 20을 통해, 상기 글루코스의 존재 하에서도, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체가 상기 피검출체에 대하여 선형적인 PL quenching response를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 다만, 상기 글루코스가 존재하지 않는 경우보다, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 PL quenching response가 다소 감소하는 경향을 보였으나, 이는 상기 글루코스가, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 상기 피검출체가 결합되는데 있어 방해 물질로 작용하기 때문일 수 있다. 하지만, 방해 물질인 상기 글루코스의 존재 하에서도, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체에 상기 피검출체가 선택적으로 결합되고, 상기 피검출체의 농도가 증가할수록, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광되는 정도가 증가하는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 당화 헤모글로빈 검출용 구조체, 그의 제조 방법, 및 그 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 이용한 당화 헤모글로빈 검출용 센서, 그의 제조 방법에 대해 상세히 설명하였다. 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 보론산 및 카복시기(-COOH)를 포함하는 화합물을 용매에 첨가하는 단계;
    상기 화합물이 첨가된 상기 용매에, 수산화기(-OH)를 포함하는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol, PVA)을 분산시켜, 상기 화합물의 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 합성된 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 단계; 및
    전이금속디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, TMD) 화합물 및 상기 보론산 변성 고분자 화합물을 수용액 상에 분산시켜, 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 폴리비닐알코올에 의해 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물이 박리되되, 박리된 상기 전이금속디칼코게나이드 화합물에 상기 보론산 변성 고분자 화합물의 상기 보론산이 결합된 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 보론산 변성 고분자 화합물을 제조하는 단계는, 카르보디이미드(carbodiimide)를 포함하는 화학 물질을 첨가하여 상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시키는 것을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질은, N,N'-diisopropylcarbodiimide (DIC), dicyclohexylcarbodiimide(DCC), 또는 1-Ethyl-3-3-dimethylaminopropyl-carbodiimide(EDC) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질 및 상기 화합물은 1:1.5의 무게비로 첨가되는 것을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 화합물의 상기 카복시기를 활성화시킨 이후에, 촉매를 첨가하여, 상기 화합물의 상기 카복시기 및 상기 폴리비닐알코올의 상기 수산화기를 반응시켜, 상기 보론산 및 상기 폴리비닐알코올이 결합되는 것을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 촉매는 4-dimethylamino-pyridine(DMAP)인 것을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 카르보디이미드를 포함하는 상기 화학 물질보다 적은 양으로 첨가되는 것을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 제조 방법.
  8. 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물; 및
    상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자 화합물을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체.
  9. 제8 항에 따른 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 센서.
  10. 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 결합된 보론산 변성 고분자를 포함하되, 상기 박리된 전이금속디칼코게나이드 화합물에 의해 형광(螢光)을 가지는 당화 헤모글로빈 검출용 구조체를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출용 센서를 준비하는 단계;
    상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 혈액을 제공하는 단계; 및
    상기 혈액의 피검출체가 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 상기 보론산 변성 고분자의 보론산과 선택적으로 결합하되, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 구조체의 형광이 소광(消光)되어, 상기 당화 헤모글로빈 검출용 센서에 의해 상기 피검출체가 검출되는 단계를 포함하는 당화 헤모글로빈 검출 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 피검출체는 HbA1c인 것을 포함하는 당화 헤모글로빈 검출 방법.

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