KR20200000230A - 표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물 - Google Patents

표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물 Download PDF

Info

Publication number
KR20200000230A
KR20200000230A KR1020180072273A KR20180072273A KR20200000230A KR 20200000230 A KR20200000230 A KR 20200000230A KR 1020180072273 A KR1020180072273 A KR 1020180072273A KR 20180072273 A KR20180072273 A KR 20180072273A KR 20200000230 A KR20200000230 A KR 20200000230A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
microgel
charged
microgels
microgel particles
raman scattering
Prior art date
Application number
KR1020180072273A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102077694B1 (ko
Inventor
김신현
김동재
김동호
박성규
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020180072273A priority Critical patent/KR102077694B1/ko
Publication of KR20200000230A publication Critical patent/KR20200000230A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102077694B1 publication Critical patent/KR102077694B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/58—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances
    • G01N33/585—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances with a particulate label, e.g. coloured latex
    • G01N33/587—Nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54346—Nanoparticles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

표면 강화 라만 산란 (SERS)은 나노 갭이 풍부한 금속 나노 구조에 흡착 된 분자에 대해 라만 강도를 극적으로 증가시켜 분자 분석을위한 유망한 도구 역할을합니다. 그러나 단백질 흡착으로 인한 표면 오염과 작은 표적 분자의 낮은 표면 농도는 감도를 감소시켜 많은 응용 분야에서 SERS의 사용을 심각하게 제한합니다. 여기서는 분자 선택성과 고감도의 신뢰성있는 SERS 기판을 제공하기 위해 액적 기반 마이크로 유체를 사용하여 금 나노 입자의 응집체를 포함하는 하전 된 마이크로 겔을 디자인합니다. 일정한 메쉬 사이즈의 하이드로 겔은 큰 단백질의 자율적 인 배제를 가능하게하고, 하전 된 매트릭스는 정전 기적 인력을 통해 반대로 하전 된 작은 분자를 집중시킨다. 응집체 내의 금 나노 입자 사이의 나노 갭이 라만 강도를 증가 시킴에 따라 흡착 된 분자의 라만 스펙트럼은 접착 단백질의 방해없이 높은 감도로 선택적으로 측정된다. 따라서 SERS- 활성 하전 된 마이크로 젤은 라만 분석을 위해 필수적으로 요구되는 분리 및 농축의 전처리 단계없이 초기 생체 시료의 직접 분석에 사용될 수 있습니다. 설명을 목적으로 샘플의 전처리없이 양전하를 띠는 마이크로 겔을 사용하여 계란에 용해 된 독성 살충제의 대사 산물 인 음전하를 띄는 피 프로 닐 설폰을 직접 검출합니다.

Description

표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물{Surface enhanced Raman scattering - Active charged microgel, method for preparing the same, and composition for detecting molecules containing the same}
본 발명은 표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 하전 분자 검출용 조성물에 관한 것이다.
공중 보건 분야에서, 독성 물질의 현장에서의 신속한 검출은 매우 중요하고, 독성물질의 급속한 확산 이전에 신속한 처치가 요구된다. 일반적으로 검출 절차에 있어서, 독성 분자는 복합 혼합물의 샘플로부터 크로마토그래피하여 분리되고, 이어서 질량 분석법으로 확인된다. 다만, 이러한 종래의 방법은 높은 정밀도에도 불구하고, 실험실 규모의 장비와 긴 시간이 요구되는 바, 현장 현시 검사법 (point-of-care; POC)으로는 부적합하다.
최근, 세계적으로 독성 살충제 대사물인 피프로닐 설폰(fipronil sulfone)이 허용치보다 매우 높은 수준으로 계란에서 검출되었다. 모든 샘플 계란은 사전 스크리닝 없이, 통상적인 분석 프로토콜을 거치기 때문에, 시간과 비용이 오래 걸린다.
한편, 분자 지문으로 사용되는 라만 스펙트럼이 분자 식별에 사용될 수 있다. 금속 나노구조 표면 상의 전자기장의 강한 국소화에 의하여 라만 산란의 강도가 현저히 증가될 수 있어, 라만 산란은 POC 분석을 위한 가장 유망한 기술 중 하나로 여겨져 왔다. 금속 표면의 강도 증폭은 표면 증강 라만 산란 (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)으로 불린다.
특히, 샤프한 나노 팁과 나노 갭을 포함하는 금속 나노 구조는 1012 정도의 높은 증강 인자를 제공한다. 그럼에도 불구하고 시료의 전처리 없이 SERS 기술로 복합 혼합물에 녹아있는 작은 분자를 직접적으로 검출하는 것은 여전히 어려운 과제이다.
대부분의 생물학적 유체는 금속 표면에 비선택적으로 비가역적으로 흡착되는 다양한 단백질을 함유하고 있어, 작은 표적 분자의 접근을 방해한다.
이에, 금속 나노 구조를 단백질 흡착으로부터 보호하고, 높은 강도로 라만 분석할 수 있는 현장 현시 검사법(POC) 개발이 요구되고 있고, 궁극적으로 공중 보건 분야 등 다양한 분자 검출 분야에 적용될 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 여러 단백질을 함유하는 생물학적 유체와 같은 혼합 시료에서 특정 분자를 우수한 강도로 검출할 수 있는 표면 증강 라만 분광법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단백질 흡착으로부터 보호될 수 있는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 마이크로젤 입자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 마이크로젤 입자를 포함하는 분자 검출용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 마이크로젤 입자를 사용한 분자 검출 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 측면에서,
금속 나노입자들을 함유하는 마이크로젤이되,
상기 마이크로젤은 양전하 또는 음전하로 하전된 마이크로젤인 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서,
금속 나노입자와 마이크로젤 폴리머 단량체 및 카복실기 또는 아미노기를 가지는 중합성 단량체를 포함하는 제1 수용액과, 금속염을 포함하는 제2 수용액을 혼합함과 동시에 소수성 유체에 주입하여 액적을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 액적을 젤화시키는 단계(단계 2);를 포함하는 상기 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서,
상기 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자를 포함하는, 분자 검출용 조성물이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서,
분석 대상 시료에 제1항의 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합 단계 후 분석 대상 시료를 라만 분석하는 단계;를 포함하는 분자 검출 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자는 하전된 마이크로 겔의 매트릭스 내에 금 나노 입자의 응집체를 포함함으로써, 단백질을 배제하면서 동시에 마이크로젤과 반대의 전하로 하전된 분자를 투과시킨다. 금 나노 입자 사이의 나노 갭이 SERS의 핫 스팟 역할을하기 때문에, 전하를 띤 분자의 라만 시그널은 단백질 흡착에 의한 방해없이 극적으로 향상된다. 따라서, 본 발명에 따른 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자는 복잡한 생물학적 시료를 분석함에 있어, 시료의 전처리 공정 없이, 분석 대상 분자에 대하여 빠른 현장 현시(POC) 분석이 가능한 바, 공중 보건 분야 등에서 유용하게 사용될 수 있다.
도 1 (a)는 금 나노입자 (Au NPs)의 응집체를 포함하는 하전된 마이크로겔을 사용하는 라만 분석을 통해 깨끗한 샘플에 용해된 작은 하전 분자(마이크로겔과 반대의 전하로 하전됨))를 직접적인 검출을 나타내는 개략도이다. 큰 단백질과 마이크로겔과 같은 전하로 하전된 분자는 마이크로겔로부터 배제되는 반면, 반대의 전하로 하전된 분자는 농축된다. 도 1 (b)는 각각 아크릴산 (AA) 또는 아크릴아미드가 공중합된 마이크로겔 내로 음전하 또는 양전하가 혼입되는, Au NP 응집체를 함유하는 음으로 하전된 마이크로겔(붉은 사각형) 및 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 사각형)의 광학 현미경(OM) 이미지이다. 도 1 (c)는 음으로 하전된 피라닌의 녹색 형광 염료와 양으로 하전된 말라카이트 그린(MG)의 적색 염료의 수용성 혼합물에 현탁된 음으로 하전된 마이크로겔(붉은 원) 및 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 원)의 공초점 현미경 이미지이다: 녹색 형광(좌측), 붉은색 형광(중간), 및 중첩 이미지(우측). 도 1 (d)는 MG 및 4-머캅토벤조산(4-MBA)의 분자 구조이다. 도 1 (e)는 MG와 4-MBA의 혼합물에 침지된 음으로 하전된 마이크로겔(붉은 곡선), Au NP 응집체(검은 곡선), 및 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 곡선)에서 측정된 라만 스펙트럼이다. 붉은 점선 및 푸른 점선은 각각 MG와 4-MBA의 특징적인 피크 위치를 나타낸다.
도 2 (a)는 음으로 하전된 마이크로겔에서 양으로 하전된 MG의 점진적인 상승을 보여주는 일련의 공초점 이미지이고, 각각의 이미지는 초기 이미지를 기준으로 지정된 시점마다 촬영된 것이다. 도 2 (b)는 10-9 M의 MG의 용액에 현탁된 음으로 하전된 마이크로겔로부터 측정된 일련의 라만 스펙트럼이고, 각각의 스펙트럼은 지정된 시점에 측정된다. 도 2 (c)는 (a)의 공초점 이미지로부터 보정된 형광 강도(검은 사각형)와 (b)의 1615 cm-1에서의 라만 강도(붉은 원)의 시간적 변화를 나타낸 것이고, 여기서 I0은 초기 강도이고, Imax는 최대 강도이다. 실선은 확산 방정식을 이용한 형광 강도의 적합 곡선이다.
도 3 (a)는 양으로 하전된 분자의 용액에 현탁된 음으로 하전된 마이크로겔(우측), Au NP 응집체(중간), 및 양으로 하전된 마이크로겔(좌측)에 대한 개략도이다. 양으로 하전된 마이크로겔에서 분자는 배제되지만, 반면 음으로 하전된 마이크로겔에서는 농축된다. 큰 단백질은 우측 그림에서 보이듯이, 큰 크기로 인하여 마이크로겔에서 배제된다. 도 3 (b)는 10-8 M의 MG의 용액에 현탁된 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 곡선), Au NP 응집체(검은 곡선), 및 음으로 하전된 마이크로겔(붉은 곡선)로부터 측정된 양으로 하전된 MG의 라만 스펙트럼이다. 도 3 (c)는 양으로 하전된 마이크로겔 및 Au NP 응집체로부터 측정된 라만 스펙트럼이고, 여기서 마이크로겔은 각각 10-9 M의 MG 및 10-3 M의 소 혈청 알부민(BSA)의 용액(상단 붉은 곡선) 및 오직 10-9 M의 MG의 용액(중간 붉은 곡선)에 현탁되고, 응집체는 혼합물에 현탁된다(하단 검은 곡선). 도 3 (d)는 100 ppm TBZ의 용액에 현탁된 음으로 하전된 마이크로겔(붉은 곡선), Au NP 응집체(검은 곡선), 및 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 곡선)로부터 측정된 양으로 하전된 티아벤다졸(TBZ)의 라만 스펙트럼이다. 도 3 (e)는 음으로 하전된 마이크로겔(붉은 사각형), Au NP 응집체(검은 원), 및 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 삼각형)에 대한 1013 cm-1에서의 라만 강도의 농도 의존성을 나타낸 것이다.
도 4 (a)는 음으로 하전된 분자의 용액에서 양으로 하전된 마이크로겔(좌측), Au NP 응집체(중간), 및 음으로 하전된 마이크로겔(우측)의 개략도를 나타낸 것이다. 도 4 (b)는 10-6 M의 4-MBA의 용액에 현탁된 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 곡선), Au NP 응집체(검은 곡선), 및 음으로 하전된 마이크로겔(붉은 곡선)로부터 측정된 음으로 하전된 4-MBA의 라만 스펙트럼이다. 도 4 (c)는 음으로 하전된 마이크로젤 및 Au NP 응집체로부터 측정된 라만 스펙트럼이고, 마이크로젤은 각각 10-9 M의 4-MBA 및 10-3 M의 BSA의 용액(상단 푸른 곡선), 10-9 M의 4-MBA만의 용액에 현탁되고, 응집체는 혼합 용액(하단 검은 곡선)에 현탁된다. 도 4 (d)는 100 ppm 포스맷(pHosmet)의 용액에 현탁된 양으로 하전된 마이크로젤(푸른 곡선), Au NP 응집체(검은 곡선), 및 음으로 하전된 마이크로젤(붉은 곡선)로부터 측정된 음으로 하전된 포스맷의 라만 스펙트럼이다. 도 4 (e)는 양으로 하전된 마이크로젤(푸른 원), Au NP 응집체(검은 사각형), 및 음으로 하전된 마이크로젤(붉은 삼각형)에 대한 608 cm-1에서의 라만 강도의 농도 의존성을 나타낸 것이다.
도 5 (a)는 피프로닐을 함유하는 계란의 노른자 및 흰자의 혼합물에 현탁된 양으로 하전된 마이크로젤을 나타내는 OM 이미지 및 개략도이다. 계란의 단백질이 마이크로젤로부터 배제된다. 도 5 (b)는 피프로닐 설폰의 부재하에 계란 노른자 및 흰자의 혼합물에 현택된 양으로 하전된 마이크로젤(푸른 곡선), Au NP 응집체(검은 곡선), 음으로 하전된 마이크로젤(붉은 곡선)로부터 측정된 라만 스펙트럼이다. 도 5 (c)는 피프로닐 설폰을 함유하는 계란 노른자 및 흰자의 혼합물에 현탁된 양으로 하전된 마이크로젤로부터 측정된 라만 스펙트럼이고, 여기서 피프로닐 설폰의 농도는 지시된 바와 같이 다양하다. 검은 점선은 피프로닐 설폰의 특징적 피크 위치를 나타낸다.
도 6 (a) 모세관 미세 유체 장치에서 금 나노입자(Au NP) 함유 젤 전구체 용액과 NaCl의 응집제 용액의 공-유화를 나타내는 광학 현미경(OM) 이미지 및 개략도이다. 두 용액의 평형한 주입을 위해, 세타(θ) 형상 횡단면을 가지는 주입 모세관이 사용된다. 도 6 (b)는 에멀젼 방울에서 Au NP의 응집을 보여주는 시계열적 이미지이고, 여기서 이미지는 각각 지정된 시점에서 촬영된 것이다.
도 7은 방울 형성 후(0분), 배양 30분 후(30분)의 UV 조사에 의해 얻어진 하전된 마이크로젤의 UV-Vis 흡수 스펙트럼이다. Au NP의 응집은 적색 시프트를 야기하고 피크 확장을 초래한다.
도 8 (a-c)는 마이크로겔의 3가지 유형의 공초점 현미경 이미지이다: (a)는 오직 70 wt%의 PEGDA만으로 제조된 마이크로겔, (b)는 70 wt%의 PEGDA, 10 wt%의 아크릴아미드(AAm)으로 제조된 양으로 하전된 마이크로겔, 및 (c)는 70 wt%의 PEGDA, 10 wt%의 아크릴산(AA)으로 제조된 음으로 하전된 마이크로겔이다. 마이크로젤은 각각 그림에 지시된 바와 같은, 다른 몰질량(Mw)의 플루오레세인 이소티오시아네이트(FITC)-표지된 덱스트란의 수용액에 현탁된다. FITC-표지된 덱스트란의 분자 구조 및 이의 Mw-의존적 유체역학적 직경은 삽입된 그림 및 표와 같다.
도 9는 파장이 514 nm, 633 nm, 785 nm인 세개의 다른 레이저 원을 사용한 음으로 하전된 마이크로젤로부터 측정된 10-7 M의 말라카이트 그린(MG)의 라만 스펙트럼이다.
도 10은 MG의 양으로 하전된 적색 형광 염료가 음으로 하전된 마이크로젤로의 흡수를 나타내는 일련의 공초점 현미경 이미지이다.
도 11 (a-c)는 표시된 바와 같은 다양한 농도에 대한 3개의 다른 SERS 기질로부터 얻은 MG의 라만 스펙트럼이다: (a) 음으로 하전된 마이크로젤, (b) Au NP 응집체, 및 (c) 양으로 하전된 마이크로젤. (d)는 3개의 다른 SERS 기질에 대한 1615 cm-1에서의 MG의 라만 강도의 농도 의존성을 나타낸 것이다.
도 12는 FITC-표지된 BSA의 수용액에 현탁된 음으로 하전된 마이크로젤(좌측) 및 양으로 하전된 마이크로젤(우측)의 공초점 현미경 이미지이다. BSA가 음으로 하전되어 있어, 음으로 하전된 마이크로젤로부터 배제된다. BSA의 유체역학적 직경이 마이크로겔의 투과 한계 값보다 크기 때문에, BSA는 양으로 하전된 마이크로겔의 표면에만 흡착된다.
도 13은 표시된 바와 같은 다양한 농도에 대한 세개의 다른 SERS 기질로부터 얻은 TBZ(티아벤다졸)의 라만 스펙트럼이다: (a) 음으로 하전된 마이크로겔, (b) Au NP 응집체, 및 (c) 양으로 하전된 마이크로젤.
도 14는 표시된 바와 같은 다양한 농도에 대한 세개의 다른 SERS 기질로부터 얻은 4-MBA(4-머캅토벤조산)의 라만 스펙트럼이다: (a) 양으로 하전된 마이크로젤, (b) Au NP 응집체, 및 (c) 음으로 하전된 마이크로젤. (d)는 세개의 다른 SERS 기질에 대한 1076-1에서 4-MBA의 라만 강도의 농도 의존성을 나타낸 것이다.
도 15는 표시된 바와 같은 다양한 농도에 대한 세개의 다른 SERS 기질로부터 얻은 포스맷의 라만 스펙트럼이다: (a) 양으로 하전된 마이크로젤, (b) Au NP 응집체, 및 (c) 음으로 하전된 마이크로젤.
도 16 (a)는 표시된 바와 같은 다양한 농도에 대한 양으로 하전된 마이크로젤로부터 얻은 피프로닐 설폰의 라만 스펙트럼이고, 여기서 피프로닐 설폰은 증류수에 녹아 있다. 비교를 위해, 1 ppm의 농도에서 음으로 하전된 마이크로젤로부터 얻은 필프로닐 설폰의 라만 스펙트럼이 표시된 바와 같이 포함된다.
도 16 (b)는 양으로 하전된 마이크로젤 및 음으로 하전된 마이크로젤에 대한 923 cm-1에서의 라만 강도의 농도 의존성을 나타낸다. 도 16 (c, d)는 (c) 음으로 하전된 마이크로젤 및 (d) Au NP 응집체를 사용하여 측정된 1 ppm의 피프로닐 설폰 스파이크 계란 및 깨긋한 계란(0 ppm)의 라만 스펙트럼이다. 두 SERS 기질 모두 계란에 녹은 음으로 하전된 피프로닐 설폰의 검출에 부적합하므로, 1 ppm과 0 ppm 사이의 스펙트럼 차이는 없다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에서,
금속 나노입자들을 함유하는 마이크로젤이되,
상기 마이크로젤은 양전하 또는 음전하로 하전된 마이크로젤인 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자가 제공된다.
여기서, 상기 마이크로젤은 마이크로젤 입자가 노출되고 있는 주위 환경의 pH 조건에 따라 양 또는 음으로 하전되는 것일 수 있다.
일예로, 상기 마이크로젤 입자는 주위 환경에 노출되는 것으로부터 마이크로젤의 작용기의 종류에 따라 양 또는 음으로 하전되는 것으로 이해될 수 있다.
구체적으로, 상기 마이크로젤의 작용기가 주위 pH 환경에 따라 짝산 또는 짝염기로 변하는 것으로부터, 상기 마이크로젤 입자가 양전하 또는 음전하로 하전되는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 마이크로젤의 작용기는 카르복시기 또는 아미노기일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 마이크로젤의 작용기가 카르복시기인 경우, 일반적으로 중성인 생물학적 시료의 pH 환경(7 내지 8)에서, 카르복시기는 짝염기 형태인 카복실레이트(COO-)로 변화되어, 결과적으로 마이크로젤 입자를 음으로 하전시킨다.
또 다른 구체예에서,
상기 마이크로젤의 작용기가 아미노기인 경우, 일반적으로 중성인 생물학적 시료의 pH 환경(7 내지 8)에서, 아미노기는 짝산의 형태인 암모늄(-NH3+)으로 변화되어, 결과적으로 마이크로젤 입자를 양으로 하전시킨다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 금속 나노입자들은 마이크로젤 입자 내부에서 응집되어 금속 나노입자 응집체로서 존재하는, 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자이다.
본 발명의 다른 구체예에서,
상기 금속 나노입자는 표면 전하에 의해 분산 안정성이 확보된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에서,
상기 마이크로젤 입자는 물을 내부에 함유할 수 있고, 마이크로젤 입자의 크기는 2 내지 1000 μm이다. 그리고, 상기 금속 나노입자들은 마이크로젤 입자 총 중량에 있어 0.1 내지 30 중량% 함유되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 마이크로젤 입자의 크기는 10 내지 1000 μm, 가장 바람직하게는 10 내지 100 μm일 수 있다.
바람직하게, 상기 금속 나노입자들은 마이크로젤 입자 총 중량에 있어 0.5 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 2 중량% 함유할 수 있다.
상기 응집체는 본 발명의 실시예에 따른 30분 동안의 응집 시간에 의해 형성될 경우 직경은 5 내지 100 um, 10 내지 90 um, 15 내지 80 um, 20 내지 75 um, 22 내지 70 um, 25 내지 65 um, 28 내지 60 um, 30 내지 55 um, 31 내지 50 um, 32 내지 45 um, 33 내지 40 um, 34 내지 36 um, 35 um일 수 있다.
나아가, 상기 금속은 금(Au) 또는 은(Ag)인 것이 바람직하지만, 표면 증강 라만 스펙트럼(SERS) 측정에 사용할 수 있는 금속이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.
또한, 상기 마이크로젤 입자는 메쉬 사이즈(mesh size)가 금속 나노입자 사이즈보다 작은 3차원적 그물망 구조를 형성하여, 상기 금속 나노입자를 내부에 고정시키는 것이 바람직하다. 이때, 상기 메쉬 사이즈는 0.5 내지 50 nm이고, 상기 금속 나노입자 사이즈는 3 내지 1000 nm이다.
바람직하게, 상기 메쉬 사이즈는 1 내지 50 nm이고, 더욱 바람직하게는 5 내지 20 nm이다.
나아가, 상기 마이크로젤은 카복실기 또는 아미노기를 가지는 마이크로젤 폴리머 단량체의 가교에 의해 형성된 것이거나, 또는 마이크로젤 폴리머 단량체와 함께 카복실기 또는 아미노기를 가지는 중합성 단량체를 가교하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 마이크로젤 폴리머 단량체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리 하이드로옥시에틸 메타아크릴레이트(Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)), 및 폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트(Poly(ethylene glycol) methacrylate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
이 경우, 상기 마이크로젤 폴리머 단량체와 혼합하여 사용될 수 있는 상기 카복실기를 가지는 중합성 단량체는, 마이크로젤 입자가 음전하를 띄게 하는 단량체로 이해될 수 있고 제한 없이 사용될 수 있으나, 예를 들어, 아크릴산(Acrylic Acid), 메타아크릴산(Methacrylic acid) 등의 카복실기를 가지는 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
다른 한편, 상기 마이크로젤 폴리머 단량체와 혼합하여 사용될 수 있는 상기 아미노기를 가지는 중합성 단량체는, 마이크로젤 입자가 양전하를 띄게 하는 단량체로 이해될 수 있고 제한 없이 사용될 수 있으나, 예를 들어, 아크릴아마이드(Acrylamide), 디에틸아미노에틸메타아크릴레이트(Diethylaminoethyl Methacrylate), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(Dimethylaminoethyl Methacrylate) 등의 아미노기를 가지는 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구체예에서,
폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)), 하이드록시에틸 메타크릴레이트, 폴리 아크리릴산(Poly acrylic acid) 등의 카복실기 또는 아미노기를 가지는 폴리머 단량체를 단독으로 사용하여 마이크로젤을 형성하거나, 상기 열거된 이들을 더 조합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate)와 아크릴산 또는 아크릴아마이드를 사용하여 마이크로젤을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로젤 입자는 담지된 물의 함량이 제어되어 입자 부피가 축소 또는 팽창 가능하며, 입자 부피가 축소될 경우 라만 신호의 증폭 정도가 증가한다.
본 발명의 다른 측면에서,
금속 나노입자와 마이크로젤 폴리머 단량체 및 카복실기 또는 아미노기를 가지는 중합성 단량체를 포함하는 제1 수용액과, 금속염을 포함하는 제2 수용액을 혼합함과 동시에 소수성 유체에 주입하여 액적을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 액적을 젤화시키는 단계(단계 2);를 포함하는 상기 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 따른 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 표면 증강 라만 표지용 마이크로젤 입자의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 금속 나노입자와 마이크로젤 폴리머 단량체 및 카복실기 또는 아미노기를 가지는 중합성 단량체를 포함하는 제1 수용액과, 금속염을 포함하는 제2 수용액을 혼합함과 동시에 소수성 유체에 주입(또는 적하)하여 액적을 제조하는 단계이다.
이때, 상기 제1 수용액은 가교를 유도하는 광개시제를 더 포함할 수 있으며, 상기 광개시제는 2-하이드록시-4'-(2-하이드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논, 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논 또는 1-[4-(2-하이드록시에톡시)-페닐]-2-하이드록시-2-메틸-1-프로판-1-온을 단독으로 사용하거나 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 2-하이드록시-4'-(2-하이드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논(Irgacure)을 사용할 수 있다.
후술하는 단계 2에의 젤화를 광 중합으로 수행하지 않고 열중합을 통해 수행할 경우 열개시제로서 포타슘 퍼설페이트, 2,2'-아조비스이소부티로나이트릴(AIBN), 벤조일 퍼옥사이드 등을 사용할 수 있다. 후술하는 단계 2에의 젤화를 광 중합으로 수행하지 않고 이온중합을 통해 수행할 경우 이온중합이 가능한 물질로는 알지네이트(Alginate) 등이 있으며, 이온의 투입에 따른 젤화가 일어나는 모든 물질이 가능하다. 후술하는 단계 2에의 젤화를 광 중합으로 수행하지 않고 냉각에 따른 물리적 젤화를 통해 수행할 경우 냉각에 따른 물리적 젤화가 가능한 물질로는 아가(Agar), 젤라틴 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 수용액 전체 중량 대비, 상기 금속 나노입자는 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 0.2 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 중량%를 사용할 수 있다.
제1 수용액 전체 중량 대비, 마이크로젤 폴리머 단량체는 0.2 내지 95 중량%, 바람직하게는 1 내지 90 중량%, 가장 바람직하게는 5 내지 85 중량%를 사용할 수 있다.
제1 수용액 전체 중량 대비, 카복실기 또는 아미노기를 가지는 중합성 단량체는 0.1 내지 25 중량%, 바람직하게는 1 내지 20 중량%, 가장 바람직하게는 5 내지 15 중량%를 사용할 수 있다.
제1 수용액 전체 중량 대비, 광개시제 또는 열개시제는 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 6 중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%를 사용할 수 있다.
한편, 제1 수용액 전체 중량 대비, 물은 상술되는 성분 이외의 중량%로 적절히 조절하여 함유될 수 있고, 특별히 제한되지 않는 다.
또한, 상기 금속염은, 상기 금속 나노입자의 응집을 유도하여 응집체로 형성시키는 역할을 수행한다. 이때, 상기 금속염의 금속은 금속 나노입자의 응집을 유도할 수 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적인 예시로는 알칼리금속, 알칼리토금속, 란타넘족금속, 악티늄족금속, 전이금속, 전이후금속, 준금속 들을 사용할 수 있다. 바람직하게는 알칼리금속을 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 알칼리금속 중 나트륨을 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속염의 음이온은 금속 양이온과 염을 이룰 수 있는 음이온이면 제한 없이 사용 가능하며, 구체적인 예시로는 염화이온, 브롬화이온, 요오드화이온, 산화이온, 황화이온, 수산화이온, 질산이온, 탄산이온, 황산이온, 과망간산이온, 아세트산이온, 인산이온 등이 있다. 가장 바람직하게는 염화이온을 사용할 수 있다.
나아가, 상기 소수성 유체는 미네랄 오일 또는 실리콘 오일을 사용할 수 있으나, 제1 수용액과 제2 수용액을 액적 형태로 유도할 수 있는 소수성 유체라면 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 제1 수용액 및 제2 수용액이 친수성을 갖기 때문에 소수성을 갖는 미네랄 오일 등을 연속상으로 사용하여, 오일 내에서 제1 수용액 및 제2 수용액의 혼합물이 구슬(방울)처럼 구형체를 형성하도록 한다.
본 발명에 따른 표면 증강 라만 표지용 마이크로젤 입자의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 액적을 젤화시키는 단계이다.
이때, 상기 젤화는 광 조사(UV 조사)에 의해 수행되며, 광 조사에 의해 상기 제1 수용액 내의 마이크로젤 폴리머 단량체가 3차원적인 그물망 구조의 마이크로젤 입자 형태로 가교된다. 이때, 상기 그물망 구조는 복수 개의 메쉬를 포함하며, 상기 메쉬 사이즈는 상기 금속 나노입자 사이즈보다 작아 금속 나노입자를 마이크로젤 입자 내부에 고정하게 된다. 다만, 상기 젤화는 필요할 경우 광 중합뿐만 아니라 열중합, 이온중합 또는 냉각에 따른 물리적 젤화를 통해 수행할 수도 있다. 그리고, 상기 마이크로젤 폴리머 단량체의 농도 또는 분자량을 제어하여 그물망의 메쉬 사이즈를 조절할 수 있다.
또한, 상기 광 조사에 있어 자외선 조사는 1 내지 100 mW/cm2의 광도에서 0.1 내지 10초 동안 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자는 고분자가 코팅된 금속 나노큐브 응집체를 포함하고, 상기 응집체 사이 나노갭의 존재로 인해 기존의 마이크로젤 미세입자보다 35배 정도로 표면증강라만신호를 증폭시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 마이크로젤 입자의 제조에 있어서, 제1용액과 제2용액을 연속상에 주입하고, UV를 조사할 때까지의 시간동안 은 나노큐브의 응집이 유도되며, 상기 응집 시간에 따라 응집체의 형성 정도를 확인하기 위하여 실험을 수행한 결과, 제1용액과 제2용액을 연속상에 주입하고부터 시간이 경과함에 따라 은 나노큐브가 응집하여 응집체가 형성됨을 알 수 있다.
또한, 각 시간에서 형성된 응집체가 나타내는 표면 플라즈몬 공명 신호를 측정하여 응집체 형성 정도에 따른 표면 플라즈몬 공명 신호변화를 평가한 결과, 나노큐브의 응집을 유도하여 응집체의 크기가 클수록, 결과적으로 라만 신호가 증폭되는 것으로 나타났다. 이는 나노큐브 응집체에 존재하는 간극(interstices), 즉, 나노갭(nanogap)의 존재로 인하여 라만 신호가 대폭 증폭되는 것임을 알 수 있다.
나노큐브는 큐브 형상을 갖고 있으므로 이들이 응집하면 라만 신호의 증폭에 유리한 수많은 나노갭을 형성할 수 있고, 결과적으로 라만 신호의 증폭을 유도할 수 있다.
또한, 분석대상물질 농도에 따른 표면 플라즈몬 공명 신호변화와 검출 한계(limit of detection, LOD)를 평가하기 위하여 실험을 수행한 결과, 분석대상물질의 농도가 높아질수록 라만 신호의 증폭도 현저하다.
나아가, 본 발명에 따른 마이크로젤 입자가 고분자 가교에 의한 메쉬가 형성되며, 상기 메쉬 사이즈보다 작은 물질만을 선택적으로 투과하여 검출할 수 있는데, 놀랍게도 본 발명의 하전된 마이크로젤 입자는 마이크로젤과 반대 극으로 하전된 입자만을 투과시킨다. 측정 대상 분자가 메쉬 사이즈보다 큰 경우, 투과되지는 못하겨 입자 표면에 흡착된다.
결과적으로, 본 발명의 양전하 똔느 은전하로 하전된 마이크로젤 입자는 단백질과 같은 거대 분자의 흡착을 차단할 수 있고, 나아가 마이크로젤과 반대극으로 하전된 소분자만을 선별적으로 금속 나노입자에 도달하게 만들어, 높은 농도로 농축시켜, 보다 강한 라만 신호를 관측할 수 있는 바, 유용하다.
본 발명 기술은 POC 현장 현시 검사에 매우 적합하고, 특히 단백질 등의 검출에 방해되는 다양한 인자들이 혼합된 시료에서도, 목적하는 분자만을 농축하여 민감하고 우수한 강도로 라만 신호를 측정할 수 있어, 검출능이 우수한 장점을 가진다.
본 발명의 일 구체예에서, 본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자가 양으로 하전된 경우, 거대 분자인 단백질 등의 투과를 방지할 뿐만 아니라, 양으로 하전된 분자의 투과를 방지할 수 있고, 오직 메쉬 사이즈 보다 작으면서 동시에 음으로 하전된 분자만을 선별적으로 투과시켜, 금속 나노입자에 도달하게 만들 수 있다. 계속하여 선별적으로 음으로 하전된 소분자만을 선별적으로 투과시켜, 금속 나노입자에 농축되는 결과를 가져오고, 이로부터 라만 분석하면, 매우 높은 감도와 강도의 라만 신호를 얻을 수 있는 바, 빠르고 정확한 분자 검출이 가능하다.
반대의 경우, 즉, 본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자가 음으로 하전된 경우, 오직 양으로 하전되고 메쉬 사이즈 보다 작은 소분자만을 금속 나노입자에 도달시켜, 농축시키고, 높은 감도와 강도의 라만 신호가 얻어질 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서,
본 발명의 양 또는 음으로 하전된 마이크로젤 입자는 분석 대상 시료, 예를 들어 생물학적 시료, 또는 예를 들어, 식품, 화장품, 혈액, 소변, 및 분변으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 시료를 대상으로 사용될 수 있고, 높은 감도와 강도로 분자 검출이 가능하다.
이에 제한되지 않으나, 일예로, 본 발명은 계란의 노른자 및 흰자가 혼합된 생물학적 시료를 대상으로, 잔류 약물, 또는 잔류 농약 등의 식품, 제품으로서 부적절한 성분, 예를 들어 독성 성분 또는 화합물을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 검출 대상이 되는 분자는 생체 독성의 분자 또는 화합물, 잔류 약물, 질병과 관련된 바이오마커 등일 수 있고, 예를 들어, 상기 검출 대상이 되는 분자는 말라카이트 그린(Malachite green), 에시드 옐로우 99(Acid yellow 99), 메틸렌 블루, 톨루이딘 블루, 피라닌, 독소루비신, 브롬화 에티듐(ethidium bromide), TBZ(thiabendazole), 4-MBA(4-Mercaptobenzoic acid), 포스맷(pHosmet), 피프로닐(fipronil), 클로로탈로닐(Chlorothalonil), 엑톡사졸(Etoxazole), 플루디옥소닐(Fludioxonil), 에토프로포스(EthopropHos), 및 프로사이미돈(Procymidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서,
상기 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자를 포함하는, 분자 검출용 조성물이 제공된다.
여기서, 상기 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자는 본 발명의 하전된 마이크로겔 입자를 말하며, 상술된 바와 같이, 마이크로젤의 하전된 전화와 반대되는 극으로 하전된 분자를 검출할 수 있는 바, 이를 포함하는 분자 검출용 조성물이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 분자 검출용 조성물의 분자는, 상기 마이크로젤을 투과할 수 있고, 마이크로젤과 반대의 전하로 하전된 분자인 것으로 이해될 수 있다.
여기서, 상기 분자는 생체 독성의 분자 또는 화합물, 잔류 약물, 질병과 관련된 바이오마커일 수 있다.
이에 제한되지 않으나, 일예로, 상기 분자는 말라카이트 그린(Malachite green), 에시드 옐로우 99(Acid yellow 99), 메틸렌 블루, 톨루이딘 블루, 피라닌, 독소루비신, 브롬화 에티듐(ethidium bromide), TBZ(thiabendazole), 4-MBA(4-Mercaptobenzoic acid), 포스맷(pHosmet), 피프로닐(fipronil), 클로로탈로닐(Chlorothalonil), 엑톡사졸(Etoxazole), 플루디옥소닐(Fludioxonil), 에토프로포스(EthopropHos), 및 프로사이미돈(Procymidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 분자는 라만 분석으로 우수한 감도와 강도로 검출되는데, 하기 본 발명의 실시예 및 실험예에서 입증되는 바와 같이, 양전하 또는 음전하로 하전된 마이크로젤을 사용하는 것으로부터, 마이크로젤의 메쉬 사이즈보다 작은 크기의 분자를 투과시키되, 마이크로젤의 하전된 전화와 반대의 극으로 하전된 소분자만을 투과시키고, 이로부터 검출 대상이 되는 분자를 금속 나노입자 위치에 농축시켜, 라만 분석시 높은 감도와 강도로 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서,
분석 대상 시료에 상기 본 발명의 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합 단계 후 분석 대상 시료를 라만 분석하는 단계;를 포함하는 분자 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 분석 대상 시료는 생물학적 시료일 수 있다.
본 발명의 다른 구쳉PDp서,
상기 분석 대상 시료는 식품, 화장품, 혈액, 소변, 및 분변으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 하전된 마이크로젤 입자는 단백질과 같은 거대 분자의 침투를 막아 금속 나노입자를 보호할 수 있고, 상기 하전된 마이크로젤의 전하와 반댄되는 극으로 하전된 소분자만을 투과시켜 검출한다.
본 발명의 일 구체예에서,
상기 분자는 말라카이트 그린(Malachite green), 에시드 옐로우 99(Acid yellow 99), 메틸렌 블루, 톨루이딘 블루, 피라닌, 독소루비신, 브롬화 에티듐(ethidium bromide), TBZ(thiabendazole), 4-MBA(4-Mercaptobenzoic acid), 포스맷(pHosmet), 피프로닐(fipronil), 클로로탈로닐(Chlorothalonil), 엑톡사졸(Etoxazole), 플루디옥소닐(Fludioxonil), 에토프로포스(EthopropHos), 및 프로사이미돈(Procymidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서는 복합 성분의 시료를 신속하고 고감도로 직접적으로 라만 분석하기 위하여, 금 나노 입자(Au NP)의 응집체가 들어있는 하전된 마이크로 겔을 미세 유체 설계하였다.
일반적으로, 독성 분자는 수성인 생물 체액에 채워지는데, 예를 들어, 대부분의 살충제는 양전하를 띄는 것으로 정전기적 인력을 통하여 음으로 하전된 토양에 효과적으로 흡착되도록 설계된다.
본 발명의 하기 실시예에서, 하이드로 겔 메쉬의 주요 백본을 구성하는 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)와 아크릴릭 산(AA) 또는 아크릴 아미드(AAm)가 공중합된 상태로 마이크로젤로 제공된다.
본 발명의 하전된 마이크로젤을 사용하면, 반대 극으로 하전된 표적 분자는 정전기적 인력에 의해 입자 내로 투과하여 축적되는 반면, 동일 극으로 하전된 작은 크기의 분자(마이크로젤의 메쉬 사이즈 대비) 및 유체역학적 직경이 메쉬 크기보다 큰 거대 분자(예, 단백질 등)를 배제시킨다.
따라서, 응집체 내의 Au NP 사이의 나노 갭은 거대 분자로부터 보호되고, 동시에 반대 극으로 하전된 분자는 고감도 고강도로 선택적으로 검출될 수 있다.
양전하를 나타내는 티아벤다졸 (TBZ) 및 음으로 하전된 포스맷(pHosmet)의 농약에 대한 검출 가능 최소 농도는 비하전된 마이크로젤과 비교하여 감소되는 것으로 확인된다. 또한, 단백질에 대한 나노 갭 (nanogaps)의 보호는 전처리 없이도 계란에 첨가된 피프로닐 설폰의 직접 검출로부터 확인되었다(하기 실험예 참조).
본 발명의 하전된 마이크로젤 입자를 사용한 이점 중 하나는, 대부분의 생물학적 유체가 다양한 단백질과 작은 분자의 복잡한 혼합물이기 때문에, 종래 필수적으로 요구되는 전처리 예를 들어, 검출 전에 일반적으로 샘플의 크기, 전하 또는 특정 작용기를 기준으로 표적 분자를 분리하고 농축하는 과정의 전처리를 생략할 수 있는 바, 시간적 비용적 측면에서 유용하고, 특히 공중 보건 분야에서 독성 성분의 신속한 검출은 인명 구호에 있어서 매우 중요한 것으로, 본 발명 기술은 유용하다.
본 발명의 하전된 마이크로젤 입자는 균질한 매트릭스의 마이크로젤을 일정한 메쉬 크기로 가지며, 수력 학적 직경이 메쉬보다 작은 분자를 선택적으로 투과시킬 수 있다. 매트릭스가 하전될 때 분자의 크기가 메쉬의 크기보다 작더라도 동일 극의 전하를 가지는 분자는 정전기적 반발로 인해 제외된다. 반면, 반대 극의 전하를 갖는 분자는 정전기적 인력을 통해 마이크로젤을 투과하여 농축된다.
따라서, 도 1 (a)에 도시된 바와 같이 종래 전처리의 분리 및 농축 공정 없이도, 하전된 표적 분자에 대한 분리 및 농축이 본 발명의 하전된 마이크로젤 만으로 자율적으로 수행되고 있음이 확인되고, 농축된 표적 분자의 라만 강도는 Au NP 응집체에 의해 현저하게 증폭된다.
이하, 본 발명을 제조예, 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명한다.
단, 후술하는 제조예, 실시예 및 실험예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 금 나노 입자(Au NP)의 제조
평균 직경이 20 nm 인 금 나노 입자(Au NP)를 K. C. Grabar, R. G. Freeman, M. J. Natan, R. GrWith Freeman, M. B. Hommer, M. J. Natan, Anal. Chem. 1995, 67, 1217.에 보고된 프로토콜에 따라 제조하였다.
구체적으로, 1L 둥근 플라스크에 1 mM 농도의 Gold(III) chloride trihydrate 용액 500 ml를 열을 가해 끓인다. 끓은 Gold(III) chloride trihydrate용액에 38.8 mM농도의 소듐시트레이트(sodium citrate) 50 ml를 혼합한다. 혼합된 용액을 10분간 열을 가해 더 끓이고, 열을 멈춰준 다음 15분간 상온이 될 때까지 둔다. 그리고 0.45 마이크로미터의 마이크로필터(sartorius stedim syringe filter)를 이용하여 용액을 걸러준다.
<실시예 1> 마이크로젤 입자 제조 1
도 6 (a)의 미세유체 시스템을 사용하여 마이크로젤 입자를 제조하였다.
구체적으로, 도 6 (a)의 미세유체 시스템은 두 개의 평행한 채널로 구성되는 주입구와, 주입구로부터 배출되는 에멀젼 입자를 수용하기 위한 수집구(수집 모세관), 그리고 상기 주입구와 수집구를 모두 수용하며 주입구와 수집구 바깥 위치에 연속상을 수용할 수 있는 하나의 채널을 갖는 모세관들을 동축으로 배치한 것이다.
먼저, 마이크로젤을 형성할 수 있는 단량체인 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)(분자량 700) 84w/w%, AA(아크릴 산) 12 w/w% 와, 광개시제 1-[4-(2-히드록시에톡시)-페닐]-2-히드록시-2-메틸-1-프로판-1-온 (Irgacure 2959) 1.2 w/w%, 구연산으로 캡핑된 Au NP 0.8 w/w%, 및 증류수 2 w/w%를 함유하는, 젤 전구체 용액(제1 용액)을 준비하고,
다음으로, 증류수에 NaCl 6 w/w%를 함유하는 응집제 용액(제2 용액)을 준비하고,
연속상으로, 계면활성제인 5 wt% ABIL EM 90 surfactant (Evonik Industries)를 함유하는 광유(Mineral oil)를 준비하였다.
도 6 (a)의 미세유체 시스템에서 두 개의 평행한 채널로 구성되는 주입구의 각 채널에 상기 제1용액과 제2용액을 독립적으로 위치시키고, 상기 주입구 바깥 채널로는 상기 연속상을 흘려주었다. 다음으로, 제1용액과 제2용액을 동시에 연속상으로 주입하되, Au NP를 함유하는 젤 전구체 용액 및 응집제 용액은 체적 유량 비율이 5 : 1로 설정하여 유상의(emulsified) 단일 액적을 제조하였다.
이때, 금 나노입자는 음전하를 띄므로, 반대 이온인 Na+가 상기 제2용액을 불안정하게 유도하여 상기 금 나노입자가 액적 내 응집되어 응집체가 될 수 있다.
다음으로, 수집 모세관 후단에서 10초 동안 UV를 조사하여 상기 에멀젼 입자를 경화하여 실시예 1에 따른 마이크로젤 입자를 제조하였다.
형성된 마이크로젤 입자를 이소프로판올로 세척하고, 최종적으로 물로 옮겨졌다.
<실시예 2> 마이크로젤 입자 제조 2
상기 실시예 1에서 사용한 AA(아크릴 산)을 대신하여, AAM(아크릴 아마이드)를 사용한 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 마이크로젤 입자를 제조하였다.
제조된 마이크로 겔은 광학 현미경(Eclipse L150, Nikon) 및 공 초점 레이저 스캐닝 현미경(LSM 510, Carl Zeiss)으로 관찰되었다.
마이크로 겔의 흡수 스펙트럼은 UV-Vis 분광기(Infinite M200 Pro, Tecan)로 측정 하였다.
라만 스펙트럼은 633 nm의 레이저 파장, 6.5 mW의 출력 및 1 μm의 스폿 직경을 갖춘 분산 라만 분광기(Horiba Jobin Yvon)를 사용하여 측정되었다.
마이크로겔은 일반적으로 측정하기 전에 1 시간 동안 2 ML 샘플 솔루션에 현탁시키고, 라만 스펙트럼은 10 초 동안 획득하였다.
도 6 (a)를 살펴보면, 본 발명의 미세유체 시스템으로 양 또는 음으로 하전된 마이크로젤이 성공적으로 제조되는 것이 확인된다.
도 6 (b)를 살펴보면, 양 또는 음으로 하전된 마이크로겔의 Au NP는 30분 내로 첨가되는 염에 의하여 응집되는 것이 확인되고, 이후, UV 조사되어 Au NP 응집체를 내포하는 마이크로 겔로 제조된다.
또한, Au NP 응집체의 형성은 도 7에서와 같이, 적색 시프트 및 흡수 피크의 확장을 초래하는 것이 확인되었다.
<실험예 1> 마이크로젤 하전 전하에 따른 투과 평가
중성의 pH에서 실시예 1의 PEGDA 및 AA로 제조된 마이크로 겔은 음전하를 띠는 반면, 실시예 2의 PEGDA 및 AAm으로부터의 마이크로 젤은 양전하를 띤다.
침투에 대한 전하의 영향을 연구하기 위해, 실시예 1, 2의 마이크로 겔은 음전하를 나타내는 피라닌인 녹색 형광 염료와 양전하를 나타내는 말라카이트 그린 (magacite green, MG)의 적색 형광 염료의 수용성 혼합물에 동시에 현탁하였고, 이로부터 관찰되는 변화를 관측하였다.
도 1 (c)를 살펴보면, 음으로 하전된 녹색 염료는 도 1 (c)의 첫 번째 사진(좌측)에서 음으로 하전된 마이크로젤(붉은 원)에서 제외되는 반면, 양으로 하전된 마이크로겔(푸른 원)에는 고도로 농축되는 것이 명확히 관찰된다.
한편, 양전하를 나타내는 적색 염료는 도 1 (c)의 두번째 사진(중간)에서 음으로 하전된 마이크로젤(붉은 원)에 선택적으로 농축되는 반면, 양전하를 갖는 마이크로겔(푸른 원)에서는 배제되는 것으로 확인되었다.
따라서, 본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자는 입자와 동일한 극으로 하전된 분자를 배제하고, 반대의 극으로 하전된 분자만을 선택적으로 투과시키는 것을 알 수 있고, 이로부터 분석 대상이 되는 분자의 종류에 따라 선별적인 분자 검출이 가능함을 알 수 있다.
<실험예 2> 검출 분자 크기에 따른 투과 평가
한편, 마이크로젤의 검출 분자 크기 선택성을 평가하기 위하여, 상이한 분자량 (Mw)을 갖는 형광 표지된 덱스트란 분자를 사용하여 실험하였다.
먼저, AA 및 AAm없이 제조된 비하전 마이크로 겔은, 도 8 (a)에 확이되는 바와 같이, Mw 10000 gmol-1을 갖는 덱스트란에 대해 투과성이며, Mw 20000 gmol-1에서는 비투과성이므로 도 8 (a)의 덱스트란 유체역학 직경 표로부터 알 수 있듯이, 본 발명 마이크로젤 입자의 투과 컷-오프 값은 5 nm 내지 7 nm이다.
도 8 (b)를 살펴보면, 양으로 하전된 마이크로젤은 덱스트란이 음전하를 나타내는 경우, 입자 내부로 Mw 10000 gmol-1의 덱스트란을 투과시키는 것으로 확인 되었고, 투과 컷-오프 값 초과의 20k(Mw 20000 gmol-1) 내지 70k(Mw 70000 gmol-1)의 유체역학적 직경을 갖는 덱스트란에 대하여서 비투과성이고, 단지 마이크로젤 입자 표면에서만 형광이 관찰되었다.
도 8 (c)를 살펴보면, 음으로 하전된 마이크로젤은 정전기 반발로 인해 덱스트란의 유체역학적 직경에 관계없이, 모든 덱스트란 분자의 투과를 허용하지 않았다.
이러한 결과는 하전된 마이크로젤이 분석 대상 분자의 하전된 전하에 따라, 높은 배제 능력과 농축 효과를 갖는다는 것을 나타낸다.
<실험예 3> 라만 분석의 선택성 평가
마이크로젤 내의 Au NP의 응집체는 흡착된 분자에 대한 라만 강도의 극적인 향상을 제공하는데, 응집체는 약 595 nm의 넓은 흡수 피크를 가지므로 633 nm의 파장을 가진 레이저 원이 선택된다. 633 nm의 레이저는 도 9에서와 같이 514 nm 및 785 nm의 레이저보다 훨씬 높은 강도를 나타낸다.
분자 전하 선택성 라만 분석을 입증하기 위해, 마이크로젤을 10-4M MG와 10-9M 4-머캅토벤조산(4-MBA)의 혼합물에 현탁시켰다.
도 1 (d)와 같이 MG는 양으로 하전되고, 4-MBA는 음으로 하전된다.
그 결과, 음으로 하전된 마이크로젤은 도 1 (e)에서 빨간색 곡선으로 표시된 바와 같이 4-MBA의 특성과 MG의 무시할 수 있는 피크에 해당하는 라만 피크를 보여준다.
대조적으로, 도 1 (e)에서 파란 곡선으로 표시되는 양으로 하전된 마이크로 겔은 MG에 강한 라만 피크를 나타낸다.
한편, Au NP 응집체가 마이크로젤 매트릭스의 부재하에 동일한 혼합물에 직접 현탁될 때, MG 및 4-MBA 둘 모두에 대한 특징적인 피크가 유사한 강도로 나타난다.
도 1 (e)의 검은색 곡선을 보면, 마이크로젤이 없는 응집체의 강도는 마이크로젤 입자의 검출 강도보다 낮으므로, 마이크로젤이 반대로 하전된 분자를 집중하여 검출시킨다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 하전된 마이크로젤 입자는 선별적으로 동극으로 하전된 분자를 배제하고, 반대극으로 하전된 분자를 선별적으로 높은 강도로 검출한다.
<실험예 3> 검출 신속도 평가
본 발명 하전된 마이크로젤 입자의 분자 검출 신속도를 평가하기 위하여, 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 음전하를 띠는 마이크로젤을, 10-9M MG의 수용액에 현탁시켰고, 시간 경과에 따라, 형광 강도를 측정하였다.
도 2 (a) 및 도10을 살펴보면, 시간이 초 단위로 경과함에 따라, 형광 강도가 MG가 점차적으로 정전기적 인력을 통해 마이크로젤에 집중됨에 따라 급격히 증가하는 것을 확인하였다.
도 2 (b)를 살펴보면, 시간 경과에 따라 라만 강도(1615 cm-1에서 피크)가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있고, 도 2 (c)를 살펴보면, 마이크로젤에서 형광 강도와 라만 강도가 마이크로젤 투입 후 급격히 상승되는 것을 확인할 수 있다. 형광 강도 I(t)는 초기 값 I0에서 초기 단계로 급격히 증가하여 정점에 도달한다. 변화에 대한 특징적인 시간 척도 τ는 확산 방정식으로 33초로 나타난다.
Figure pat00001
라만 강도의 시간 의존성은 형광 강도와 비슷한 경향을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자는 초 단위의 신속한 분자 검출이 가능하고, 아에 현장 현시 검사법(POC)로 적합하며, 예를 들어 독성 성분의 검출과 같은 공중 보건 분야에서 신속한 분자 검출을 요하는 분야에 있어서, 유용하다.
<실험예 3> 하전된 마이크로젤 입자의 농축 효과 평가
정전기적 인력으로 인한 분자 농축 농도의 효과를 더 연구하기 위해, 양으로 하전된 마이크로젤, 마이크로젤이 없는 Au NP 덩어리 및 음으로 하전된 마이크로젤을 각각 10-8M 양으로 하전된 MG 분자의 수용액에 현탁시킨 후, 이로부터 측정도는 라만 강도를 비교 평가하였다.
도 3 (a)에 도시된 바와 같이, 표적 분자(+)는 양으로 하전된 마이크로젤에서 제외되고, 음으로 하전된 마이크로젤에서 농축될 것이다.
도 3 (b)를 살혀보면, 음으로 하전된 마이크로젤에서 표적 분자의 라만 스펙트럼의 강도를 향상 시키는 것으로 확인된다. 라만 강도는 마이크로젤이 없는 Au NP 응집체보다 1.9 배 높고, 양으로 하전된 마이크로젤 보다 15 배 높다.
한편, 이러한 반대극 전하의 인력에 의한 농도 집중 효과는 탐지 한계(LOD)를 낮추는 것으로 확인되는데, 음으로 하전된 마이크로젤의 경우, MG에 대한 LOD는 10-11 M으로 추정되며, 이는 마이크로젤이 없는 Au NP 응집제가 있는 경우의 10-10 M 값, 양으로 하전된 마이크로젤의 경우인 10-8 M 보다 현저히 작은 값으로, 감도가 보다 우수함을 확인할 수 있다.
도 11 (d)의 농도와 라만 강도 사이의 선형 로그 관계로부터, 음으로 하전 된 마이크로젤에 대한 농도 집중 인자는 마이크로젤이 없는 Au NP 응집체와 비교하여 12배로 확인되고, 양으로 하전된 마이크로젤에 대한 희석 인자는 220이다.
<실험예 3> 생물학적 유체에서의 하전된 마이크로젤 입자의 라만 분석 평가
마이크로젤이 크기 선택적 투과성을 제공하기 때문에 도 3 (a)의 개략도와 같이, 거대 분자의 단백질은 마이크로젤을 투과할 수 없고, Au NP 응집체의 표면에 흡착되지 않는 바, 라만 분석에 방해가 되지 않는다.
따라서, 본 발명 마이크로젤 입자는 종래와 같은 전처리 없이도 복잡한 생물학적 시료에 용해된 표적 분자를 선별적으로 검출할 수 있다.
이를 입증하기 위해, 5 nm와 7 nm 사이의 차단 임계 값을 갖는 음으로 하전된 마이크로젤을 10-9 M MG와 1 mM 소 혈청 알부민(BSA)의 혼합물에 현탁시켰다.
마이크로젤은 도 3 (c)와 같이 MG의 명확한 라만 스펙트럼을 보여준다. 스펙트럼의 강도와 모양은 10-9M MG만의 측정 결과와 BSA와 혼합된 혼합물에서의 강도와 비교하여, 차이가 없다. 이러한 결과는 본 발명 마이크로젤이 BSA를 배제하고 Au NP 응집체를 보호하고 있는 것으로 확인된다.
이러한 배제는 도 12에서와 같이 형광 표지된 BSA를 사용한, 형광 이미징을 통해서 확인된다.
도 12를 살펴보면, BSA는 음으로 하전되어 있는 바, 양으로 하전된 마이크로젤과 인력이 작용되는데, BSA는 마이크로젤의 투과 컷-오프 값보다 큰 크기의 단백질로서, 마이크로젤을 투과하지는 못하고, 단지 마이크로젤 표면에 위치되는 것으로 확인된다.
한편, 도 3 (c)의 마이크로젤이 없는 Au NP 응집체는 흑색 곡선으로 표시된 바와 같이 10-9M MG와 1mM BSA의 혼합물에 현탁 될 때, 14 배 더 낮은 라만 스펙트럼이 확인되는데, 이것은 BSA가 Au NP의 표면에 우선적으로 흡착되어 MG의 접근을 차단하기 때문이다.
<실험예 4> 독성 분자의 검출 평가
본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자를 사용하여, 독성 분자 검출을 평가하였다.
<4-1> thiabendazole (TBZ)의 검출
양으로 하전된 독성 분자는 음으로 하전된 마이크로젤로 쉽게 검출 할 수 있다. 예를 들어, 티아벤다졸 (TBZ)의 곰팡이 제거제는 양전하를 띠며, 도 3 (d)와 같이 감도가 높은 음전하를 띠는 마이크로젤을 사용하여 라만 스펙트럼을 측정할 수 있다.
TBZ는 과일 및 채소를 포함한 식품의 방부제로 사용된다. 라만 강도는 마이크로젤이 없는 Au NP 응집제와 양으로 하전된 마이크로젤 보다 훨씬 높다.
TBZ의 LOD는 도 3 (e)와 도 13 (a)에서와 같이 음으로 하전된 마이크로젤의 경우 0.1ppm 정도로 낮으며 이는 세계 보건기구 (WHO)가 지정한 허용 수준인 10-20ppm보다 훨씬 낮다. 도 13 (b) 및 (c)를 살펴보면, LOD는 마이크로젤이 없는 Au NP 응집제의 경우 약 1 ppm이고, 그림 S8b 및 c의 경우 양성 하전 된 마이크로 겔의 경우 약 100 ppm이다.
또한, 농도와 라만 강도 사이의 선형 로그 관계는 TBZ의 정량 분석을 가능하게한다.
따라서, 본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자는 반대극으로 하전된 분자의 검출이 가능하고, 특히 TBZ와 같은 독성 성분을 아주 높은 감도로 우수하게 검출할 수 있는 바, 유용하다.
<4-2> 4 - MBA의 검출
다른 한편, 음으로 하전된 분자는 도 4 (a)에서와 같이 양으로 하전된 마이크로젤 입자로 농축될 수 있다.
양으로 하전된 마이크로젤에서 얻은 음전하의 4-MBA의 라만 강도는 도 4 (b)에 표시된 바와 같이, 마이크로젤이 없는 Au NP 응집체보다 1.8 배 및 음으로 하전된 마이크로젤 보다 9.0 배 높다.
도 14에서 볼 수 있듯이, 4-MBA의 LOD는 양으로 하전된 마이크로젤의 경우 10-11 M이고, 마이크로 겔이 없는 Au NP 덩어리의 경우 10-9 M이며, 음으로 하전된 마이크로젤의 경우 10-6 M이다.
또한, 양으로 하전된 마이크로젤은 도 4 (c)와 같이 마이크로젤이 크기 선택적 투과성을 나타내는 바, BSA 방해 없이, 4-MBA의 검출이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자는 반대극으로 하전된 분자의 검출이 가능하고, 특히 4-MBA와 같은 독성 성분을 아주 높은 감도로 우수하게 검출할 수 있는 바, 유용하다.
<4-3> 포스맷의 검출
양으로 하전된 마이크로젤을 사용하면 도 4 (d)와 같이 음전하의 포스맷의 농약을 검출 할 수 있다.
포스맷(pHosmet)은 작물과 동물에 광범위하게 사용되며 곡물, 과일, 고기에서 검출된다.
도 4 (e)와 도 15 (a)에서 볼 수 있듯이, 양으로 하전된 마이크로젤 입자의 포스맷에 대한 LOD는 0.5ppm이며, 이는 WHO가 지정한 10ppm(과일에서 허용되는 수준) 보다 낮으며, 1ppm(육류의 허용수준) 보다 낮다.
도 4 (d)에 도시 된 바와 같이, 포스맷의 라만 스펙트럼의 세기는 마이크로젤이 없는 Au NP 응집체 및 음으로 하전된 마이크로젤에서 낮다.
도 15 (b) 및 (c)에 도시 된 바와 같이, Au NP 응집체에서 LOD는 1 ppm이고, 음으로 하전된 마이크로젤에서 LOD는 100 ppm이다.
따라서, 본 발명에 따른 하전된 마이크로젤 입자는 반대극으로 하전된 분자의 검출이 가능하고, 특히 포스맷과 같은 독성 성분을 아주 높은 감도로 우수하게 검출할 수 있는 바, 유용하다.
<4-4> 피프로닐의 검출
최근 살충제(피프로닐 등)로 오염된 계란이 유럽, 한국 및 기타 국가에 퍼져 건강을 위협하고 사회적 혼란을 야기하고 있다.
피프로닐은 벼룩을 방제하기 위한 살충제로 사용되어 왔다. 불행히도, 피프로닐은 신진 대사를 통해 피프로닐 설폰으로 전환되고, 닭 피부를 통해 흡수되어, 계란에 축적되고, 피프로닐과 피프로닐 설폰은 두통과 장기 손상을 야기한다.
양으로 하전된 마이크로젤은 음전하의 피프로닐 설폰을 농축할 수 있으며, 오발부민, 오보글로불린, 오보무코이드와 같은 계란의 부착 단백질을 배제하여, 도 5a와 같이 정제되지 않은 계란에서 피프로닐 설폰을 검출할 수 있다.
먼저, 양 또는 음으로 하전된 마이크로젤을 사용하여 증류수에 용해된 피프로닐 설폰의 라만 검출 감도를 평가하였다.
피프로닐 설폰이 음전하를 띠는 바, 양으로 하전된 마이크로젤은 도 16 (a)와 같이 음으로 하전된 마이크로젤 보다 높은 감도를 제공한다.
피프로닐 설폰의 특성 피크는 383, 923 및 1375 cm-1에있다.
LOD는 도 16 (b)와 같이 양으로 하전된 마이크로젤의 경우 0.01 ppm이고, 음으로 하전된 마이크로젤의 경우 1 ppm이다.
나아가, 생물학적 시료인 계란애 첨가된 피프로닐 설폰 검출 실험을 수행하였다.
먼저 피프로닐 설폰 혼합 전에, 양으로 하전된 마이크로젤, Au NP 응집제 및 음으로 하전된 마이크로젤을 사용하여 노른자와 흰자의 혼합물에 대한 라만 스펙트럼을 측정하였다.
계란은 다양한 단백질과 작은 분자를 포함하고 있는 바, 도 5 (b)와 같이 복잡한 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 5 (b)를 살펴보면, 각각의 스펙트럼이 매우 다른데, 이것은 하전된 마이크로젤 입자가 반대 극으로 하전된 작은 분자를 선별하여 취하고, 단백질과 같은 거대 분자의 접근을 방지하기 때문이고, 반면 마이크로젤이 없는 Au NP 응집체는 접착 단백질에 흡착되기 때문이다.
양으로 하전된 마이크로젤을 사용하여 도 5 (c)와 같이 노른자와 흰자의 혼합물에 혼합된 피프로닐 설폰을 검출하였다.
계란에 용해된 음전하의 분자에 대한 피크에 더하여 피프로닐 설폰의 특징적인 피크가 관찰된다.
피프로닐 설폰 특징 피크의 높이는 피프로닐 설폰 농도에 따라 변하는 반면, 계란 고유의 음전하 분자로부터의 피크는 변하지 않는다.
계란에 첨가된 피프로닐 설폰의 LOD는 0.05ppm으로 미국 환경청(US EPA)에서 지정한 최대 잔류 허용 기준인 0.02ppm에 필적한다.
따라서, 본 발명 기술은 생물학적 시료와 같은 복잡한 혼합물에 용해된 소분자의 직접 검출이 가능하고, 피프로닐 설폰과 같은 독성 분자를 높은 감도로 신속하게 검출할 수 있는 바, 종래와 같은 시료의 전처리 공정 없이 분석 대상 분자에 대하여 빠른 현장 현시 분석(POC)이 가능하고, 이에 공중 보건 분야 등에서 유용하게 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명 하전된 마이크로젤 입자는 잔류 약물이나 질병과 관련된 중요한 바이오마커의 수준을 실시간으로 매우 높은 감도로 모니터링할 수 있고, 식품 또는 화장품에 현탁하여, 병원균 또는 생산 과정에서 유래되는 독성 성분을 신속 정확하게 검출 할 수 있다.

Claims (20)

  1. 금속 나노입자들을 함유하는 마이크로젤 입자에 있어서,
    상기 마이크로젤은 양전하 또는 음전하로 하전된 마이크로젤인 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자들은 마이크로젤 입자 내부에서 응집되어 금속 나노입자 응집체로서 존재하는 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로젤은 노출되는 pH 환경에 따라 양전하 또는 음전하로 하전되는 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로젤은,
    폴리 아크리릴산(Poly acrylic acid)으로 형성되어, 음으로 하전된 마이크로젤이거나;

    폴리 아크리릴산(Poly acrylic acid), 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리 하이드로옥시에틸 메타아크릴레이트(Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)), 및 폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트(Poly(ethylene glycol) methacrylate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과
    아크릴산(Acrylic Acid) 및 메타아크릴산(Methacrylic acid) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 형성되어, 음으로 하전된 마이크로젤이거나;

    폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide) 및 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide))로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 형성되어, 양으로 하전된 마이크로젤이거나; 또는

    또는, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)), 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리 하이드로옥시에틸 메타아크릴레이트(Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)), 및 폴리에틸렌글리콜 메타아크릴레이트(Poly(ethylene glycol) methacrylate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과
    아크릴아마이드(Acrylamide), 디에틸아미노에틸메타아크릴레이트(Diethylaminoethyl Methacrylate), 및 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(Dimethylaminoethyl Methacrylate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 형성되어, 양으로 하전된 마이크로젤;
    인 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 금(Au) 또는 은(Ag)인 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자 응집체는 나노갭(nanogap)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로젤 입자는 메쉬 사이즈(mesh size)가 금속 나노입자 사이즈 보다 작고, 분석 대상이 되는 분자 또는 화합물 사이즈 보다는 큰 3차원적 그물망 구조를 형성하여, 상기 금속 나노입자는 마이크로젤 입자 내부에 고정시키고, 상기 분석 대상이 되는 분자 또는 화합물은 마이크로젤 입자를 투과할 수 있는 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자.
  8. 금속 나노입자와 마이크로젤 폴리머 단량체 및 카복실기 또는 아미노기를 가지는 중합성 단량체를 포함하는 제1 수용액과, 금속염을 포함하는 제2 수용액을 혼합함과 동시에 소수성 유체에 주입하여 액적을 제조하는 단계(단계 1); 및
    상기 액적을 젤화시키는 단계(단계 2);를 포함하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 수용액은 마이크로젤 폴리머 단량체 및 카복실기 또는 아미노기를 가지는 중합성 단량체의 가교를 유도하는 광개시제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 염은, 상기 금속 나노입자의 응집을 유도하여 응집체로 형성시키는 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 소수성 유체는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 하이드로카본 오일 또는 플로로카본 오일인 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 제조방법.
  12. 제1항의 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자를 포함하는, 분자 검출용 조성물.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 분자는 상기 마이크로젤을 투과할 수 있고, 마이크로젤과 반대의 전하로 하전된 분자인 것을 특징으로 하는 분자 검출용 조성물.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 분자는 생체 독성의 분자 또는 화합물, 잔류 약물, 질병과 관련된 바이오마커인 것을 특징으로 하는 분자 검출용 조성물.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 분자는 말라카이트 그린(Malachite green), 에시드 옐로우 99(Acid yellow 99), 메틸렌 블루, 톨루이딘 블루, 피라닌, 독소루비신, 브롬화 에티듐(ethidium bromide), TBZ(thiabendazole), 4-MBA(4-Mercaptobenzoic acid), 포스맷(pHosmet), 피프로닐(fipronil), 클로로탈로닐(Chlorothalonil), 엑톡사졸(Etoxazole), 플루디옥소닐(Fludioxonil), 에토프로포스(EthopropHos), 및 프로사이미돈(Procymidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 분자 검출용 조성물.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 분자는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자의 하전된 마이크로젤과 반대의 전하로 하전되어 있고 상기 마이크로젤을 투과하여, 마이크로젤 입자의 라만 분석으로 검출되는 것을 특징으로 하는 분자 검출용 조성물.
  17. 분석 대상 시료에 제1항의 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤 입자를 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합 단계 후 분석 대상 시료를 라만 분석하는 단계;를 포함하는 분자 검출 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 분석 대상 시료는 생물학적 시료인 것을 특징으로 하는 분자 검출 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 분석 대상 시료는 식품, 화장품, 혈액, 소변, 및 분변으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 분자 검출 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 분자는 말라카이트 그린(Malachite green), 에시드 옐로우 99(Acid yellow 99), 메틸렌 블루, 톨루이딘 블루, 피라닌, 독소루비신, 브롬화 에티듐(ethidium bromide), TBZ(thiabendazole), 4-MBA(4-Mercaptobenzoic acid), 포스맷(pHosmet), 피프로닐(fipronil), 클로로탈로닐(Chlorothalonil), 엑톡사졸(Etoxazole), 플루디옥소닐(Fludioxonil), 에토프로포스(EthopropHos), 및 프로사이미돈(Procymidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 분자 검출용 조성물.
KR1020180072273A 2018-06-22 2018-06-22 표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물 KR102077694B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180072273A KR102077694B1 (ko) 2018-06-22 2018-06-22 표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180072273A KR102077694B1 (ko) 2018-06-22 2018-06-22 표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200000230A true KR20200000230A (ko) 2020-01-02
KR102077694B1 KR102077694B1 (ko) 2020-02-14

Family

ID=69155149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180072273A KR102077694B1 (ko) 2018-06-22 2018-06-22 표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102077694B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220046070A (ko) * 2020-10-06 2022-04-14 한국과학기술원 표면 증강 라만 산란용 복합체의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 복합체
CN114888276A (zh) * 2022-05-12 2022-08-12 集美大学 一种链状高聚物修饰纳米颗粒的制备方法及其用途
CN115096872A (zh) * 2022-07-25 2022-09-23 暨南大学 一种利用静默区sers探针检测铜离子的方法及其应用
CN115399756A (zh) * 2022-09-14 2022-11-29 华东理工大学 一种用于原位检测炎症环境的多参数sers活性微针
CN117388232A (zh) * 2023-10-12 2024-01-12 江南大学 一种基于自组装温敏sers基底的水中有机染料的检测方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140027033A (ko) * 2012-08-24 2014-03-06 한양대학교 에리카산학협력단 표면―증강 라만 산란에 기초한 고속 및 고감도 미량 분석용 유무기 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조방법
KR20160061482A (ko) * 2014-11-21 2016-06-01 한국과학기술원 표면 증강 라만 산란 표지용 하이드로젤 미세입자의 제조방법 및 이에 의한 하이드로젤 미세입자

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140027033A (ko) * 2012-08-24 2014-03-06 한양대학교 에리카산학협력단 표면―증강 라만 산란에 기초한 고속 및 고감도 미량 분석용 유무기 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조방법
KR20160061482A (ko) * 2014-11-21 2016-06-01 한국과학기술원 표면 증강 라만 산란 표지용 하이드로젤 미세입자의 제조방법 및 이에 의한 하이드로젤 미세입자

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220046070A (ko) * 2020-10-06 2022-04-14 한국과학기술원 표면 증강 라만 산란용 복합체의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 복합체
CN114888276A (zh) * 2022-05-12 2022-08-12 集美大学 一种链状高聚物修饰纳米颗粒的制备方法及其用途
CN114888276B (zh) * 2022-05-12 2023-11-03 集美大学 一种链状高聚物修饰纳米颗粒的制备方法及其用途
CN115096872A (zh) * 2022-07-25 2022-09-23 暨南大学 一种利用静默区sers探针检测铜离子的方法及其应用
CN115096872B (zh) * 2022-07-25 2024-05-31 暨南大学 一种利用静默区sers探针检测铜离子的方法及其应用
CN115399756A (zh) * 2022-09-14 2022-11-29 华东理工大学 一种用于原位检测炎症环境的多参数sers活性微针
CN117388232A (zh) * 2023-10-12 2024-01-12 江南大学 一种基于自组装温敏sers基底的水中有机染料的检测方法
CN117388232B (zh) * 2023-10-12 2024-09-20 江南大学 一种基于自组装温敏sers基底的水中有机染料的检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102077694B1 (ko) 2020-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102077694B1 (ko) 표면 증강 라만 산란용-활성 하전 마이크로젤, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분자 검출용 조성물
Kim et al. SERS‐active‐charged microgels for size‐and charge‐selective molecular analysis of complex biological samples
Moorthy et al. In situ fabricated porous filters for microsystems
Erickson et al. In situ phytoplankton analysis: there’s plenty of room at the bottom
CN104448108B (zh) 两亲性多色光开关荧光聚合物纳米粒子及其制备方法
KR101924849B1 (ko) 금속 나노입자 응집체를 포함하는 표면 증강 라만 산란용 하이드로젤 미세입자 및 이의 제조방법
CN102414554A (zh) 采用液晶的分析物检测
WO2005090970B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum nachweis von analyten durch sichtbarmachung und separation von agglutination
CA3063315C (en) Method and device for analyzing a fluidic sample with dispersed particles
JPH07503795A (ja) フローサイトメータにおいて粒子カウントの決定に用いる方法および材料
Kim et al. Design of a simple paper-based colorimetric biosensor using polydiacetylene liposomes for neomycin detection
Sahiner et al. In situ micro/nano-hydrogel synthesis from acrylamide derivates with lecithin organogel system
WO2018002327A1 (de) Schnelltest für den erreger- und zellnachweis und verfahren
Wang et al. Synthesis of molecularly imprinted dye‐silica nanocomposites with high selectivity and sensitivity: Fluorescent imprinted sensor for rapid and efficient detection of τ‐fluvalinate in vodka
KR102239161B1 (ko) 미세 유체 시스템을 이용한 고농도의 금속 나노입자를 함유하는 표면 증강 라만 산란용 마이크로젤의 제조방법
Hai et al. Flow cytometry: a new method to investigate the properties of water-in-oil-in-water emulsions
KR20140098334A (ko) 자성비드와 광열효과를 이용한 순환종양세포의 포획 및 바이오마커의 추출을 위한 장치 및 방법
Han et al. A fluorescent molecularly imprinted polymer sensor synthesized by atom transfer radical precipitation polymerization for determination of ultra trace fenvalerate in the environment
JP6582486B2 (ja) 血液中の稀少細胞検出方法
Singh et al. Stimuli-responsive photoluminescence soft hybrid microgel particles: synthesis and characterizations
JP2020099325A (ja) 誘電泳動（ｄｅｐ）を用いた標的細胞濃度の改善
Carranza‐Oropeza et al. Performance assessment of protein electrophoresis by using polyacrylamide hydrogel with porous structure modified with SDS micelles as template
US20150361203A1 (en) Polymer and method of use
WO2016182589A1 (en) Composition and methods for extracting mycotoxins
EP3629020A1 (en) Microfluidic droplet-based assay process and apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant