KR20200141575A - Method for detecting target material by SERS using assembly of metal nanocubes with hierarchical structure - Google Patents

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KR20200141575A
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Abstract

The present invention relates to: a method for detecting a target material by surface-enhanced Raman scattering using electric field enhancement by forming a hierarchical structure assembly, wherein metal nanoparticles modified with DNA of a complementary sequence with a controlled length are spaced at nanometer intervals; and a kit for detecting a target material for implementing the method.

Description

DNA 혼성화에 의해 형성된 계층적 구조의 금속나노큐브 조립체를 이용하는 표면증강라만산란에 의한 표적 물질 검출방법{Method for detecting target material by SERS using assembly of metal nanocubes with hierarchical structure}A method for detecting target material by SERS using assembly of metal nanocubes with hierarchical structure using a hierarchical structure of metal nanocubes formed by DNA hybridization.

본 발명은 조절된 길이의 상보적인 서열의 DNA로 수식된 금속나노입자들의 나노미터 간격으로 이격된, 계층적 구조의 조립체 형성에 의한 전기장 증강을 이용하는 표면증강라만산란에 의한 표적 물질의 검출 방법 및 이를 구현하기 위한 표적 물질 검출용 키트에 관한 것이다.The present invention is a method for detecting a target material by surface-enhanced Raman scattering using electric field enhancement by forming an assembly of a hierarchical structure, spaced apart at nanometer intervals of metal nanoparticles modified with DNA of a complementary sequence of a controlled length, and It relates to a kit for detecting a target substance for implementing this.

최근, DNA 및 단백질과 같은 생물분자의 검출을 위한 몇 가지 고감도 기술이 개발되어 임상적 진단, 질병의 치료 및 약물 발굴에 있어서 현저한 발전을 선도하고 있다. 이들 기술은 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction; PCR), 형광공명에너지전이(fluorescence resonance energy transfer; FRET), 표면플라즈몬공명(surface plasmon resonance; SPR), 전기화학(electrochemistry; EC), 비색법(colorimetry), 및 표면증강라만산란(surface-enhanced Raman scattering; SERS) 등을 기초로 한다. PCR은 고속 대용량 스크리닝 능력 및 높은 감도로 인해 가장 선호되는 기법이나, 상대적으로 비용이 높고 시간이 많이 걸리며, 중합효소-유도 돌연변이나 비-표적 DNA 서열의 원하지 않는 증폭과 같은 단점을 수반하여 그릇된 결과를 도출할 수 있다. 이외에, FRET, SPR, EC, 및 비색법을 포함하는 다른 기법들은 생물검출에 있어서 쉽고 빠른 분석을 허용하나, 초고감도 검출에 있어서는 한계를 갖는다.Recently, several high-sensitivity technologies have been developed for the detection of biomolecules such as DNA and proteins, leading to remarkable developments in clinical diagnosis, disease treatment, and drug discovery. These technologies include polymerase chain reaction (PCR), fluorescence resonance energy transfer (FRET), surface plasmon resonance (SPR), electrochemistry (EC), and colorimetry. ), and surface-enhanced Raman scattering (SERS). PCR is the most preferred technique due to its high-speed, high-volume screening ability and high sensitivity, but it is relatively expensive and time-consuming, and has disadvantages such as polymerase-induced mutations or unwanted amplification of non-target DNA sequences. Can be derived. In addition, other techniques including FRET, SPR, EC, and colorimetric methods allow easy and fast analysis in biodetection, but have limitations in ultra-sensitive detection.

이에, 금이나 은과 같은 귀금속 표면에서 국부화된 표면 플라즈몬 공명에 의해 유도되는 전기장 증강에 기초하는 SERS가 이의 초고감도(ultrahigh sensitivity)로 인해 화학적 및 생물학적 검출 분야에서 주목받고 있다. SERS의 민감성을 증가시키는 주된 요소인 전기장 증강은 사용되는 귀금속 표면의 형태에 의존적이다. 전기장 증가에 의해, SERS 기법의 민감성은 단일-분자 수준까지 향상될 수 있다. SERS 활성의 향상 및 조절을 위하여, 분지형, 나노다공성 및 비등방성(anisotropic) 나노구조물은 물론 거칠어진 표면 및 코어/쉘 형식을 갖는 물질과 같은, 다양한 형태의 플라즈몬성 나노구조물이 제조되고 있다. 또한, 전기장은 플라즈몬성 나노구조물 사이의 나노미터-크기의 간극 내에서 플라즈몬 커플링에 의해 현저한 영향을 받는다. 이와 관련하여, SERS 활성 향상을 위한, 리소그래피, 습식 화학 합성, 및 나노구조물의 조립에 의한 분자간- 및 분자내-나노갭을 제조하는, 다양한 나노갭-공학-기반(nanogap-engineering-based) 합성 전략이 연구되고 있다. 그러나, 재현성있고 신뢰할만한 SERS-활성 기재를 제조하기 위한 정확한 간극 공학은 여전히 도전적이다.Accordingly, SERS, which is based on an electric field enhancement induced by localized surface plasmon resonance on a noble metal surface such as gold or silver, is attracting attention in the field of chemical and biological detection due to its ultrahigh sensitivity. Electric field enhancement, a major factor in increasing the sensitivity of SERS, is dependent on the shape of the precious metal surface used. By increasing the electric field, the sensitivity of the SERS technique can be improved to the single-molecule level. In order to improve and control SERS activity, various types of plasmonic nanostructures, such as branched, nanoporous, and anisotropic nanostructures, as well as materials having roughened surfaces and core/shell types, have been prepared. In addition, the electric field is significantly affected by plasmon coupling within nanometer-sized gaps between plasmonic nanostructures. In this regard, various nanogap-engineering-based synthesis to prepare intermolecular- and intramolecular-nanogaps by lithography, wet chemical synthesis, and assembly of nanostructures for enhancing SERS activity The strategy is being studied. However, accurate gap engineering to fabricate reproducible and reliable SERS-active substrates remains challenging.

본 발명자들은 SERS 효과를 현저하면서도 균일하게 증강시킬 수 있는 나노구조물을 발굴하고, 이를 기반으로 하는 재현성 및/또는 민감성을 갖는 DNA 검출 방법을 제공하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 표적 DNA와의 혼성화에 의해 복합체를 형성할 수 있도록, 표적 DNA의 일부와 상보적인 서열을 갖는 DNA 단편으로 수식된 상대적으로 큰 크기의 자성 마이크로비드 및 표적 DNA의 다른 일부와 상보적인 서열을 갖는 DNA 단편으로 수식된 제1금속나노입자를 결합시킨 후, 상기 제1금속나노입자에 결합된 DNA 단편과 특이적으로 결합할 수 있는 상보적인 서열의 DNA 단편으로 수식된 복수의 제2금속나노입자를 반응시켜 DNA 혼성화에 의해 나노입자 조립체를 형성하되 상기 나노입자로서 큐브형태의 입자를 사용하는 경우, DNA 혼성화에 의한 조립체 형성 속도가 향상되며, 면-대-면으로 인접하여 위치하므로 전체 면에 걸친 균일한 전기장 증강 효과를 나타낼 수 있으므로, 제1금속나노입자에 수식된 DNA 상에 라만활성물질을 표지하고, 제1금속나노입자 및 제2금속나노입자 간의 거리를 이들에 수식된 상보적인 서열의 DNA 단편의 길이로 조절함으로써 현저한 SERS 효과를 발휘할 수 있으므로, 시료 중에 존재하는 미량의 표적 DNA를 보다 민감하고 재현성있게 검출할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.The present inventors discovered nanostructures capable of remarkably and uniformly enhancing the SERS effect, and as a result of diligent research efforts to provide a DNA detection method with reproducibility and/or sensitivity based on this, and as a result of hybridization with target DNA To form a magnetic microbead of a relatively large size modified with a DNA fragment having a sequence complementary to a part of the target DNA and a first metal nano-modified with a DNA fragment having a sequence complementary to another part of the target DNA After binding the particles, a plurality of second metal nanoparticles modified with a DNA fragment of a complementary sequence capable of specifically binding to the DNA fragment bound to the first metal nanoparticle reacts, and the nanoparticles by DNA hybridization In the case of forming an assembly but using a cube-shaped particle as the nanoparticle, the assembly formation speed is improved by DNA hybridization, and since it is located face-to-face adjacent, it can exhibit a uniform electric field enhancement effect over the entire surface. Therefore, by labeling the Raman active material on the DNA modified on the first metal nanoparticle, and adjusting the distance between the first metal nanoparticle and the second metal nanoparticle to the length of the DNA fragment of the complementary sequence modified Since the SERS effect can be exhibited, it was confirmed that a trace amount of target DNA present in the sample can be detected more sensitively and reproducibly, and the present invention was completed.

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 검출하고자 하는 표적 DNA의 일부와 상보적인 제1서열을 포함하는 제1DNA로 표지된 자성 마이크로비드 및 검출하고자 하는 표적 DNA의 나머지 일부와 상보적인 제2서열을 포함하는 제2DNA로 표지된 제1금속나노큐브를, 검출하고자 하는 표적 DNA를 함유하는 것으로 예측되는 검체와 반응시켜, 시료 중 표적 DNA 존재시 DNA 혼성화에 의해 자성 마이크로비드에 하나 이상의 제1금속나노큐브가 결합된 제1복합체를 형성하는 제1단계; 상기 제1복합체를, 상기 제1금속나노큐브에 표지된 제2DNA와 상보적인 제3서열을 포함하는 제3DNA가 수식된 제2금속나노큐브와 반응시켜, 상기 제1금속나노큐브의 자성 마이크로비드와 결합하지 않은 다른 면에 제2금속나노큐브가 결합된 제2복합체를 형성하는 제2단계; 및 상기 제2복합체로부터 표면증강라만산란(surface enhanced Raman scattering; SERS) 신호를 측정하는 제3단계;를 포함하는, 표적 DNA의 검출 방법으로서, 상기 제1금속나노큐브에 수식된 제2DNA는 라만활성물질로 표지되어 있어 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이에 상기 라만활성물질이 위치하여 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이에서의 전기장 증강에 의해 향상된 라만신호를 나타내는 것이 특징인 방법을 제공한다.As one aspect for achieving the above object, the present invention is a magnetic microbead labeled with a first DNA comprising a first sequence complementary to a part of the target DNA to be detected, and complementary to the rest of the target DNA to be detected. By reacting the first metal nanocube labeled with the second DNA containing the second sequence with the sample predicted to contain the target DNA to be detected, in the presence of the target DNA in the sample, one or more magnetic microbeads are formed by DNA hybridization. A first step of forming a first composite in which the first metal nanocubes are combined; Magnetic microbeads of the first metal nanocube by reacting the first complex with a second metal nanocube modified with a third DNA comprising a third sequence complementary to the second DNA labeled on the first metal nanocube A second step of forming a second composite in which a second metal nanocube is bonded to the other surface not bonded to the other; And a third step of measuring a surface enhanced Raman scattering (SERS) signal from the second complex, comprising: a method for detecting a target DNA, wherein the second DNA modified in the first metal nanocube is Raman It is labeled as an active material, so that the Raman active material is located between the first metal nanocube and the second metal nanocube to show an improved Raman signal by the enhancement of the electric field between the first metal nanocube and the second metal nanocube. It provides a method that is characteristic.

본 발명은 소정의 간격으로 이격된 2 이상의 나노구조물이 인접하는 지점에서 전기장 증강에 의하여 SERS 효과를 발휘하는 것과 상보적인 서열을 통해 결합하는 DNA 혼성화의 특이성 및 이중나선 구조 형성에 의한 핵산 갯수에 따른 길이의 일정성을 이용하여 민감하면서도 재현성있고, 정량분석까지 가능한 DNA 검출 방법을 발굴하고자 고안되었다. 구체적으로, 상대적으로 큰 크기의 자성 마이크로비드로부터 표적 DNA와의 혼성화를 통해 종자가 되는 제1금속나노큐브와 결합하고, 이로부터 추가적인 DNA 혼성화에 의해 제2, 제3의 금속나노큐브층을 도입하여 조절된 방식으로 소정의 크기 이내에서 조립체를 확장함으로써 현저히 증강된 SERS 효과를 발휘하되 재현성있는 결과를 얻을 수 있으며, 나아가 서브 펨토몰 수준까지 검출한계가 향상되고 정량분석까지도 가능한 DNA 검출 방법을 발굴한 것이 특징이다.The present invention exhibits the SERS effect by enhancing the electric field at adjacent points of two or more nanostructures spaced at a predetermined interval, and according to the specificity of DNA hybridization and the number of nucleic acids due to the formation of a double helix structure. It was designed to discover a DNA detection method that is sensitive, reproducible, and capable of quantitative analysis using the uniformity of the length. Specifically, it binds to the first metal nanocube that becomes a seed through hybridization with the target DNA from magnetic microbeads of relatively large size, and then introduces the second and third metal nanocube layers by additional DNA hybridization therefrom. By expanding the assembly within a predetermined size in a controlled manner, a remarkably enhanced SERS effect can be exhibited, but reproducible results can be obtained. Furthermore, the detection limit is improved to the sub-femtomol level and a DNA detection method capable of even quantitative analysis was discovered. It is a feature.

본 발명의 DNA 검출 방법은 제1단계와 제2단계 사이에 외부로부터 자기장을 인가하고 세척하여 자성 마이크로비드에 결합되지 않은 제1금속나노큐브를 제거하는 제1-1단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제1-1단계를 통해 자성 마이크로비드에 결합되지 않은 즉, 표적 DNA와 혼성화하지 않은 제1금속나노큐브가 이후 단계를 통해 조립체를 형성함으로써 위양성(false-positive) 신호를 발생시키는 것을 방지할 수 있다.The DNA detection method of the present invention may further include a 1-1 step of removing the first metal nanocube not bound to the magnetic microbead by applying a magnetic field from the outside and washing between the first step and the second step. have. The first metal nanocube that is not bound to the magnetic microbead through step 1-1, that is, has not hybridized with the target DNA, forms an assembly through a later step, thereby preventing generation of a false-positive signal. I can.

상기 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브는 각각 독립적으로 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리로 구성된 군으로부터 선택되는 금속으로 된 큐브형의 입자를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The first metal nanocube and the second metal nanocube may each independently use cube-shaped particles of a metal selected from the group consisting of gold, silver, platinum, palladium, and copper, but are not limited thereto.

이때, 상기 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브는 10 내지 300 nm의 모서리 길이를 갖는 입자로서, 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브의 모서리 길이의 편차는 ±20%를 초과하지 않도록 선택할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.At this time, the first metal nanocube and the second metal nanocube are particles having an edge length of 10 to 300 nm, and the deviation of the edge lengths of the first metal nanocube and the second metal nanocube does not exceed ±20%. You can choose not to, but is not limited thereto.

상기 본 발명에서 용어, "큐브(형)"은 가로, 세로, 및 높이의 3방향의 모서리 길이가 모두 같은 정육면체만을 의미하는 것은 아니며, 면-대-면으로 인접하여 조립체를 성장시킬 수 있는 육면체를 제한없이 포함할 수 있다.In the present invention, the term "cube (type)" does not mean only a cube having the same length in the three directions of horizontal, vertical, and height, but a hexahedron capable of growing an assembly by being adjacent to it face-to-face May include without limitation.

예컨대, 본 발명의 검출 방법에서 사용하는 상기 자성 마이크로비드는 평균 직경 0.5 내지 10 μm의 크기를 갖는 입자일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 자성 마이크로비드의 사용은 반응에 참여하지 않은 제1금속나노큐브를 제거하기 위한 제1-1단계를 보다 용이하게 수행할 수 있게 할 뿐만 아니라, 상대적으로 큰 크기에 의한 낮은 곡률로 인해 이의 표면 상에서 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브에 의해 형성되는 조립체 제조시 곡면이 아닌 마치 편평한 표면 상에 조립체를 형성하는 것과 유사한 환경을 제공함으로써, 조립체의 무작위적인 성장을 차단하고, 자성 마이크로입자와 인접하는 면 및 이보다 높은 높이 방향으로만 성장할 수 있도록 제어할 수 있다. 이러한 조절된 성장을 토대로 균일한 신호 증강을 달성하여 정량분석을 가능하게 할 수 있다.For example, the magnetic microbeads used in the detection method of the present invention may be particles having an average diameter of 0.5 to 10 μm, but are not limited thereto. The use of the magnetic microbead not only makes it possible to more easily perform the 1-1 step for removing the first metal nanocube that did not participate in the reaction, but also the surface thereof due to the low curvature due to the relatively large size. By providing an environment similar to forming an assembly on a flat surface rather than a curved surface when manufacturing an assembly formed by the first metal nanocube and the second metal nanocube, the random growth of the assembly is blocked and magnetic microparticles It can be controlled so that it can only grow in the direction of the height adjacent to and higher. Based on this controlled growth, a uniform signal enhancement can be achieved to enable quantitative analysis.

본 발명의 검출 방법에서 상기 제1서열 내지 제3서열은 각각 독립적으로 6 내지 30개 핵산으로 구성될 수 있다. 특히, 각각 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브 상에 표지된 제2DNA 및 제3DNA에 포함된 상기 제2서열 및 제3서열을 구성하는 핵산의 수는 조립체를 형성한 상태에서 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이의 거리를 결정하게 되므로, 제2DNA에 표지되어 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이에 위치하는 라만활성물질의 신호 증강에 결정적인 영향을 미친다. 따라서, SERS 효과를 극대화할 수 있는 범위인 1 내지 10 nm의 거리를 유지할 수 있도록 핵산의 갯수를 조절하는 것이 바람직하다. 다만, 핵산의 수가 6 미만으로 적은 경우, 불완전한 결합을 유발하거나 및/또는 쉽게 해리될 수 있어 조립체 구조를 안정적으로 유지하기 어려울 수 있다. 한편, 각각 자성 마이크로비드 및 제1금속나노큐브 상에 표지된 제1DNA 및 제2DNA에 포함된 상기 제1서열 및 제2서열을 구성하는 핵산의 수는 자성 마이크로비드와 금속나노큐브 조립체 사이의 간격을 결정한다. 이때, 자성 마이크로비드와 의 종자가 되는 제1금속나노큐브 사이의 거리가 제1금속나노큐브 및/또는 제2금속나노큐브에 비해 길어지는 경우, 종자가 되는 제1금속나노큐브의 자성 마이크로비드와 인접하는 면의 하단으로 조립체가 성장할 수 있다. 이는 상대적으로 협소한 공간에서 이루어지므로 불균일하며 조절되지 않은 임의의 성장을 유도할 수 있는 바, 전술한 바와 같이, 조절된 성장을 토대로 하는 균일한 신호 증강에 의한 정량분석에 불리하게 작용할 수 있다.In the detection method of the present invention, the first to third sequences may each independently consist of 6 to 30 nucleic acids. In particular, the number of nucleic acids constituting the second sequence and the third sequence included in the second DNA and the third DNA labeled on the first metal nanocube and the second metal nanocube, respectively, is the first metal in the state of forming an assembly. Since the distance between the nanocube and the second metal nanocube is determined, it has a decisive effect on signal enhancement of the Raman active material, which is labeled on the second DNA and located between the first metal nanocube and the second metal nanocube. Therefore, it is desirable to adjust the number of nucleic acids to maintain a distance of 1 to 10 nm, which is a range in which the SERS effect can be maximized. However, when the number of nucleic acids is less than 6, incomplete binding may be caused and/or may be easily dissociated, and it may be difficult to stably maintain the assembly structure. Meanwhile, the number of nucleic acids constituting the first sequence and the second sequence included in the first DNA and the second DNA labeled on the magnetic microbead and the first metal nanocube, respectively, is the distance between the magnetic microbead and the metal nanocube assembly. To decide. At this time, when the distance between the magnetic microbead and the first metal nanocube that becomes the seed of is longer than the first metal nanocube and/or the second metal nanocube, the magnetic microbead of the first metal nanocube becomes a seed. The assembly can grow to the bottom of the side adjacent to the. Since this is performed in a relatively narrow space, it is possible to induce non-uniform and uncontrolled arbitrary growth, and as described above, it may adversely affect quantitative analysis by uniform signal enhancement based on controlled growth.

예컨대, 본 발명의 DNA 검출 방법에서 상기 검출하고자 하는 표적 DNA는 10 내지 100개 핵산으로 구성된 것일 수 있다. 상기 표적 DNA는 실질적으로 검출에 참여하는 서열을 의미하는 것으로 실제 검체 중에 존재하는 DNA는 이를 포함하여 더 긴 서열로 구성된, 예컨대, 수 천 내지 수 만개의 핵산으로 구성된 DNA일 수 있다. 본 발명의 검출 방법에 있어서, 표적 DNA를 구성하는 핵산의 수가 10 미만인 경우, 견고한 결합이 어려워 복합체를 형성한 후에도 온도 조건 등에 의해 쉽게 복합체로부터 분리될 수 있어 민감한 검출이 어려울 수 있다. 반면, 100 초과인 경우, DNA 혼성화에 긴 시간을 필요로 할 뿐만 아니라 자성 마이크로 입자와 금속나노큐브 조립체 사이의 거리가 멀어 조립체의 형성 정도를 조절하기 어려워 균일한 신호 증강을 유도하지 못하여 정량분석에 불리할 수 있다.For example, in the DNA detection method of the present invention, the target DNA to be detected may be composed of 10 to 100 nucleic acids. The target DNA refers to a sequence that substantially participates in detection, and the DNA present in an actual sample may be a DNA composed of a longer sequence including this, for example, a DNA composed of tens to tens of thousands of nucleic acids. In the detection method of the present invention, when the number of nucleic acids constituting the target DNA is less than 10, it is difficult to bind firmly, and even after forming the complex, it can be easily separated from the complex by temperature conditions, and thus sensitive detection may be difficult. On the other hand, if it exceeds 100, not only does it take a long time for DNA hybridization, but also because the distance between the magnetic microparticles and the metal nanocube assembly is long, it is difficult to control the degree of formation of the assembly. It can be disadvantageous.

전술한 바와 같이, 상보적으로 결합하는 핵산의 수를 조절함으로써 이에 의해 결합되는 구조물의 간격을 일정하게 조절하기 위해서는 상기 DNA가 구조물의 표면과 수직이 되도록 위치하는 것을 가정한다. 예컨대, 이것이 보장되지 않은 경우, DNA 혼성화 반응 속도를 장담할 수 없고 균일한 반응 역시 기대하기 어렵다. 따라서, 자성 마이크로비드, 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브 상에 수식된 제1DNA 내지 제3DNA는 이들 입자와 접하는 방향에 스페이서 서열을 추가로 포함할 수 있다. 상기 스페이서 서열은 입자의 표면과 보다 높은 상호작용을 나타내어 표면을 커버함으로써 DNA 혼성화에 관여하는 제1 내지 제3서열을 구성하는 핵산이 표면에 가까이 눕거나 부착되어 DNA 혼성화를 지연할 수 있는 가능성을 차단할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위하여 핵산이 아닌 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서는 스페이서 서열로서 A10-PEG를 사용하였으나, 본 발명의 범주가 이에 제한되는 것은 아니다.As described above, it is assumed that the DNA is positioned perpendicular to the surface of the structure in order to constantly adjust the spacing of the structure to be bound by adjusting the number of nucleic acids that bind complementarily. For example, if this is not guaranteed, the DNA hybridization reaction rate cannot be guaranteed, and a uniform reaction is also difficult to expect. Accordingly, the first DNA to the third DNA modified on the magnetic microbead, the first metal nanocube, and the second metal nanocube may further include a spacer sequence in a direction in contact with these particles. The spacer sequence exhibits a higher interaction with the surface of the particle and covers the surface, thereby revealing the possibility that nucleic acids constituting the first to third sequences involved in DNA hybridization are lying close to the surface or attached to the surface to delay DNA hybridization. It is desirable to be able to block it. Substances other than nucleic acids may be included for this purpose. For example, in the present invention, A 10 -PEG was used as a spacer sequence, but the scope of the present invention is not limited thereto.

한편, 상기 제1 내지 제3DNA는 링커 화합물을 통해 각각의 입자에 결합된 것일 수 있다. 상기 링커 화합물은 상기 제1 내지 제3DNA를 각각의 입자 표면에 부착시키기 위해 DNA의 3' 또는 5' 말단에 연결된 화합물을 의미한다. 이러한 링커 화합물의 유형은 용액에 침전하지 않을 작은 응집체의 나노입자를 생성하는 한 제한되지 않는다. 링커 화합물을 통하여 DNA에 입자를 가교-결합시키는 방법은 당분야에 공지되어 있다(Feldheim, The Electrochemical Society Interface, Fall, 2001, pp. 22-25 참조). 예컨대, 링커 화합물의 한 말단은 코어 입자 표면에 부착되는 반응기를 보유하는데, 바람직하게 황-함유기, 예컨대 티올기 또는 술프히드릴기(sulfhydryl, HS)이다. 상기 반응기는 알코올 및 페놀의 유도체로서 산소 자리에 황이 포함된 RSH의 식을 가지는 화합물일 수 있다. 또는, 상기 반응기는 각각 RSSR' 또는 RSR'의 식을 가지는 티올 에스테르(thiol ester) 또는 디티올 에스테르(dithiol ester)일 수 있다. 또는, 상기 반응기는 아미노기(-NH2)일 수 있다. 추가적으로, 상기 링커 화합물은 예컨대 -NH2, -COOH, -CHO, -NCO, 및 엑폭사이드기와 같은 다양한 반응기와 연결될 수 있으며, 황-함유기는 금속 예컨대, 금 표면과 결합할 수 있다. 이러한 다양한 반응성 기는 당분야에 공지되어 있고 본 방법에 사용될 수 있다.Meanwhile, the first to third DNAs may be bonded to each particle through a linker compound. The linker compound refers to a compound linked to the 3'or 5'end of the DNA to attach the first to the third DNA to the surface of each particle. The type of linker compound is not limited as long as it produces small aggregated nanoparticles that will not precipitate in solution. Methods for cross-linking particles to DNA via linker compounds are known in the art (see Feldheim, The Electrochemical Society Interface, Fall, 2001, pp. 22-25). For example, one end of the linker compound holds a reactive group attached to the surface of the core particle, preferably a sulfur-containing group such as a thiol group or a sulfhydryl group (HS). The reactor may be a compound having the formula of RSH containing sulfur as a derivative of alcohol and phenol. Alternatively, the reactor may be a thiol ester or a dithiol ester having a formula of RSSR' or RSR', respectively. Alternatively, the reactor may be an amino group (-NH 2 ). Additionally, the linker compound may be connected with various reactive groups such as -NH 2 , -COOH, -CHO, -NCO, and an epoxide group, and the sulfur-containing group may bind to a metal such as a gold surface. A variety of such reactive groups are known in the art and can be used in the present method.

본 발명에서 용어, "라만활성물질"은 라만분광법에 의해 검출가능한 물질로서, 상기 라만활성물질은 유기 또는 무기 분자, 원자, 복합체 또는 합성 분자, 염료, 천연발생 염료(피코에리스린 등), C60과 같은 유기 나노구조체, 벅키볼, 탄소 나노튜브, 양자점, 유기 형광 분자 등을 포함한다. 구체적으로, 라만활성물질의 예로서, 머캅토벤조산, 아미노티오페놀, FAM, Dabcyl, TRITC(테트라메틸 로다민-5-아이소티오시아네이트), MGITC(말라키트 그린 아이소티오시아네이트), XRITC(X-로다민-5-아이소티오시아네이트), DTDC(3,3-디에틸티아디카보시아닌 아이오다이드), TRIT(테트라메틸 로다민 아이소티올), NBD(7-니트로벤즈-2-1,3-다이아졸), 프탈산, 테레프탈산, 아이소프탈산, 파라-아미노벤조산, 에리트로신, 비오틴, 다이곡시게닌(digoxigenin), 5-카복시-4',5'-다이클로로-2',7'-다이메톡시, 플루오레세인, 5-카복시-2',4',5',7'-테트라클로로플루오레세인, 5-카복시플루오레세인, 5-카복시로다민, 6-카복시로다민, 6-카복시테트라메틸 아미노 프탈로시아닌, 아조메틴, 시아닌(Cy3, Cy3.5, Cy5), 크산틴, 석신일플루오레세인, 아미노아크리딘, 양자점, 탄소동소체, 시아나이드, 티올, 클로린, 브롬, 메틸, 인 또는 황 등이 있으나 이에 제한되지 않고, 사용된 라만활성물질이 뚜렷한 라만 스펙트럼을 나타내어야 한다. 바람직하게는 시아민 계열 형광 유기 분자인 Cy3, Cy3.5, Cy5 또는 FAM, Dabcyl, Rhodamine 계열의 형광분자를 포함하는 유기 형광분자 또는 머캅토벤조산 및 아미노티오페놀을 포함하는 비형광성 라만활성물질들일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이들 유기 형광분자는 라만 분석 시 사용하는 여기 레이저 파장과 공명하여 더욱 높은 라만 신호의 검출이 가능한 장점이 있으나, 본 발명의 범주가 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the term "Raman active material" is a material detectable by Raman spectroscopy, and the Raman active material is an organic or inorganic molecule, atom, complex or synthetic molecule, dye, naturally occurring dye (phycoerythrin, etc.), C60 And organic nanostructures, such as buckyballs, carbon nanotubes, quantum dots, organic fluorescent molecules, and the like. Specifically, as examples of Raman active substances, mercaptobenzoic acid, aminothiophenol, FAM, Dabcyl, TRITC (tetramethyl rhodamine-5-isothiocyanate), MGITC (malakit green isothiocyanate), XRITC ( X-rhodamine-5-isothiocyanate), DTDC (3,3-diethylthiadicarbocyanine iodide), TRIT (tetramethyl rhodamine isothiol), NBD (7-nitrobenz-2-1 ,3-diazole), phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, para-aminobenzoic acid, erythrosine, biotin, digoxigenin, 5-carboxy-4',5'-dichloro-2',7' -Dimethoxy, fluorescein, 5-carboxy-2',4',5',7'-tetrachlorofluorescein, 5-carboxyfluorescein, 5-carboxyrhodamine, 6-carboxyrhodamine, 6-carboxytetramethyl aminophthalocyanine, azomethine, cyanine (Cy3, Cy3.5, Cy5), xanthine, succinylfluorescein, aminoacridine, quantum dot, carbon allotrope, cyanide, thiol, chlorine, bromine, Methyl, phosphorus, sulfur, etc., but are not limited thereto, and the Raman active material used should exhibit a distinct Raman spectrum. Preferably, it is an organic fluorescent molecule containing a fluorescent molecule of the Cy3, Cy3.5, Cy5 or FAM, Dabcyl, Rhodamine series of fluorescent organic molecules of siamine, or non-fluorescent Raman active substances containing mercaptobenzoic acid and aminothiophenol. However, it is not limited thereto. These organic fluorescent molecules resonate with the excitation laser wavelength used in the Raman analysis and thus have the advantage of being able to detect higher Raman signals, but the scope of the present invention is not limited thereto.

또한, 본 발명의 검출 방법은, 상기 제2복합체를, 상기 제2금속나노큐브에 표지된 제3DNA와 상보적인 제2서열을 포함하는 제2DNA가 수식된 제1금속나노큐브와 반응시켜, 제1금속나노큐브와 결합하지 않으면서, 자성 마이크로비드와도 면하지 않는, 제2금속나노큐브의 나머지 면들에 추가적인 제1금속나노큐브들이 결합된 제2-n복합체를 형성하는 제2-n단계(이상 n은 1 이상의 정수)를 추가로 포함할 수 있다.In addition, in the detection method of the present invention, the second complex is reacted with the first metal nanocube modified with a second DNA comprising a second sequence complementary to the third DNA labeled on the second metal nanocube. The 2-nth step of forming a 2-n complex in which additional first metal nanocubes are bonded to the remaining surfaces of the second metal nanocube, which is not combined with the first metal nanocube and does not face the magnetic microbead. (More than n is an integer of 1 or more) may be further included.

나아가, 상기 제2-n단계 및 선택적으로 상기 제2단계와 동일하게 수행되는 제2-(n+1)단계를 순차적으로 반복하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 추가적으로 수행되는 단계는 최종 생성되는 제2-n복합체 또는 제2-(n+1)복합체로부터 자성 마이크로비드를 제외한, 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브로된 조립체의 크기가 평균 반경 30 nm 내지 900 nm 이내인 범위에서 형성도록 횟수를 조절하여 반복하여 수행할 수 있다.Further, step 2-n and optionally step 2-(n+1) performed in the same manner as in step 2 may be sequentially repeated. At this time, in the additionally performed step, the size of the assembly consisting of the first metal nanocube and the second metal nanocube, excluding the magnetic microbeads, from the resulting 2-n-th composite or the 2-(n+1) composite It can be repeatedly performed by adjusting the number of times to form within the range of the average radius of 30 nm to 900 nm.

구체적으로, 본 발명의 검출 방법은, SERS 효과를 극대화할 수 있도록, 라만활성물질이 표지된 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이의 계면을 수 nm 수준으로 유지하고, 조절된 방식으로 계층적 구조의 조립체를 형성하면서 그 수를 늘려 증가된 라만신호를 측정함으로써 미량의 표적 DNA를 검출하는데 목적이 있다. 따라서, 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브로 된 층을 교대로 형성함으로써 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이의 계면 수를 급격히 늘릴 수 있다. 다만, 최종 형성되는 조립체의 크기가 라만활성분자를 여기시키기 위해 조사하는 파장보다 커지는 경우 조립체 내부로 침투하는 것이 불가능해져 라만신호 자체를 발생시키지 못할 수 있으므로, 최종 형성되는 조립체의 크기가 이를 초과하지 않도록 조절하는 것이 필요하다. 이에, 통상 라만활성물질의 여기에 사용되는 광원의 파장이 1000 nm 이하의 자외선 내지 근적외선인 것으로 고려하여 조립체의 반경이 900 nm 이하로 유지되는 수준까지 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브의 층을 반복하여 도입할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이, 라만활성물질의 여기에 사용될 파장을 고려하여 결정할 수 있다.Specifically, the detection method of the present invention maintains the interface between the first metal nanocube and the second metal nanocube labeled with the Raman active material at several nm level so as to maximize the SERS effect, and in a controlled manner. The purpose of this is to detect a trace amount of target DNA by measuring the increased Raman signal by increasing the number while forming an assembly of a hierarchical structure. Accordingly, by alternately forming layers of the first metal nanocube and the second metal nanocube, the number of interfaces between the first metal nanocube and the second metal nanocube can be rapidly increased. However, if the size of the finally formed assembly becomes larger than the wavelength irradiated to excite the Raman active molecule, penetration into the assembly may become impossible and the Raman signal itself may not be generated.Therefore, the size of the finally formed assembly does not exceed this. It is necessary to adjust it so that it is not. Therefore, considering that the wavelength of the light source used for excitation of the Raman active material is ultraviolet or near-infrared of 1000 nm or less, the first metal nanocube and the second metal nanocube are maintained until the radius of the assembly is maintained at 900 nm or less. The layer may be repeatedly introduced, but is not limited thereto, and as described above, it may be determined in consideration of the wavelength to be used for excitation of the Raman active material.

본 발명의 검출 방법에 있어서, 제3단계로부터 측정된 제2복합체에 대한 신호는 동일 파장에서 제1복합체에 대해 측정된 신호에 비해 100배 이상 증강된 신호를 제공할 수 있다. 구체적으로 상기 제1복합체는 자성 마이크로비드에 라만활성물질이 표지된 제1금속나노큐브가 결합된 것으로 이로부터 측정되는 신호는 라만활성물질 자체에 의한 신호일 수 있다. 다만, 하나의 제1금속나노큐브에 복수에 라만활성물질이 표지되며, 하나의 자성 마이크로비드 상에는 상기 제1금속나노큐브가 여러개 부착될 수 있으므로, 단일 라만활성물질의 신호가 아닌 라만활성물질 총 수에 대해 비례적으로 증가된 수치일 수 있다. 반면, 제1복합체는 제1금속나노큐브의 5개 면에 수 nm 간격으로 결합된 제2금속나노큐브를 포함하며, 이에 따라 이들 계면에서 SERS 효과를 발휘할 수 있으므로, 단순한 라만활성물질의 신호의 합이 아닌 계면에서 증강된 전기장에 의해 시너지적으로 향상된 신호의 합으로 나타날 수 있으며, 이에 따른 신호는 상기 제1복합체에 의해 측정된 값에 비해 100배 이상 증강되어 나타날 수 있다.In the detection method of the present invention, the signal for the second complex measured from the third step may provide a signal that is augmented by 100 times or more compared to the signal measured for the first complex at the same wavelength. Specifically, in the first complex, a first metal nanocube labeled with a Raman active material is bound to a magnetic microbead, and a signal measured therefrom may be a signal from the Raman active material itself. However, since a plurality of Raman active materials are labeled on one first metal nanocube, and multiple first metal nanocubes may be attached on one magnetic microbead, the total Raman active material is not a signal of a single Raman active material. It may be a number that increases proportionally to the number. On the other hand, the first complex includes a second metal nanocube bonded to five surfaces of the first metal nanocube at intervals of several nm, thereby exerting the SERS effect at these interfaces, so that the signal of a simple Raman active material It may appear as a sum of signals synergistically enhanced by an enhanced electric field at the interface rather than the sum, and the resulting signal may be enhanced by 100 times or more compared to the value measured by the first complex.

다른 하나의 양태로서, 1면에는 검출하고자 하는 물질의 다른 일부와 특이적으로 결합하는 제1생체물질을 포함하며, 다른 5면에는 제1'DNA로 표지된 제1'금속나노큐브를 준비하는 제1단계; 검출하고자 하는 물질의 일부와 특이적으로 결합하는 하나 이상의 제1생체물질로 표지된 자성 마이크로비드 및 상기 제1단계로부터 준비한, 1면에는 검출하고자 하는 물질의 다른 일부와 특이적으로 결합하는 제1생체물질을 포함하며, 다른 5면에는 제1'DNA로 표지된 제1'금속나노큐브를, 검출하고자 하는 물질을 함유하는 것으로 예측되는 검체와 반응시켜, 시료 중 표적 물질 존재시 특이적인 결합에 의해 자성 마이크로비드에 하나 이상의 제1'금속나노큐브가 결합된 제1'복합체를 형성하는 제2단계; 상기 제1'복합체를, 상기 제1'금속나노큐브에 표지된 제1'DNA와 상보적인 서열을 포함하는 제2'DNA가 수식된 제2'금속나노큐브와 반응시켜, 상기 제1금속나노큐브의 자성 마이크로비드와 결합하지 않은 다른 면에 제2'금속나노큐브가 결합된 제2'복합체를 형성하는 제3단계; 및 상기 제2'복합체로부터 표면증강라만산란 신호를 측정하는 제4단계;를 포함하는, 표적 물질의 검출 방법으로서, 상기 제1'금속나노큐브에 수식된 제1'DNA는 라만활성물질로 표지되어 있어 제1'금속나노큐브와 제2'금속나노큐브 사이에 상기 라만활성물질이 위치하여 제1'금속나노큐브와 제2'금속나노큐브 사이에서의 전기장 증강에 의해 향상된 라만신호를 나타내는 것이 특징인 방법을 제공한다.In another aspect, on the first side, a first biomaterial that specifically binds to another part of the substance to be detected is included, and on the other 5, a first'metal nanocube labeled with the first' DNA is prepared. The first step; Magnetic microbeads labeled with one or more first biomaterials that specifically bind to a part of the substance to be detected, and a first surface prepared from the first step, which specifically binds to another part of the substance to be detected. It contains a biological material, and on the other 5 sides, the first'metal nanocube labeled with the first'DNA is reacted with a sample predicted to contain the substance to be detected, so that specific binding is achieved in the presence of the target substance in the sample. A second step of forming a first'composite in which at least one first'metal nanocube is coupled to a magnetic microbead; The first'complex is reacted with a second'DNA modified 2'metal nanocube containing a sequence complementary to the first'DNA labeled on the first' metal nanocube, and the first metal nanocube A third step of forming a second'composite in which a second'metal nanocube is bonded' on the other side of the cube that is not combined with the magnetic microbeads; And a fourth step of measuring a surface-enhanced Raman scattering signal from the second' complex, comprising: a method for detecting a target material, wherein the first'DNA modified in the first'metal nanocube is labeled with a Raman active material. The Raman active material is located between the first'metal nanocube and the second' metal nanocube to show an improved Raman signal by the enhancement of the electric field between the first'metallic nanocube and the second' metal nanocube. It provides a method that is characteristic.

제2단계 및 제3단계는 역의 순으로 실시하여, 제1'금속나노큐브를 제2'금속나노큐브와 먼저 결합시킨 후, 제1생체물질로 표지된 자성 마이크로비드 및 시료와 반응시키는 것인, 표적 물질의 검출 방법.The second and third steps are carried out in reverse order, first combining the first'metal nanocube with the second' metal nanocube, and reacting with the magnetic microbeads and samples labeled with the first biomaterial. Phosphorus, a method of detecting a target substance.

또 하나의 양태로서, 본 발명은 검출하고자 하는 표적 물질의 일부와 특이적으로 결합하는 하나 이상의 제1생체물질로 표지된 자성 마이크로비드; 1면에는 검출하고자 하는 물질의 다른 일부와 특이적으로 결합하는 제1생체물질을 포함하며, 다른 5면에는 제1'DNA로 표지된 제1금속나노큐브; 및 상기 제1'금속나노큐브에 표지된 제1'DNA와 상보적인 서열을 포함하는 제2'DNA가 수식된 제2'금속나노큐브를 포함하는, SERS에 의한 표적 물질 검출용 키트를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a magnetic microbead labeled with at least one first biomaterial that specifically binds to a part of a target substance to be detected; On the first side, a first biomaterial that specifically binds to another part of the substance to be detected is included, and on the other side, a first metal nanocube labeled with a first'DNA'; And it provides a kit for detection of a target substance by SERS comprising a second'DNA-modified 2'metal nanocube containing a sequence complementary to the first'DNA labeled on the first'metal nanocube. .

구체적으로, 표적 물질로서 DNA 검출을 위하여, 본 발명의 키트에 포함된 상기 자성 마이크로비드는 검출하고자 하는 표적 DNA의 일부와 상보적인 제1서열을 포함하는 제1DNA로 표지되고, 제1'금속나노큐브는 검출하고자 하는 표적 DNA의 나머지 일부와 상보적인 제2서열을 포함하고 라만활성분자가 결합된 제2DNA로 표지되며, 제2'금속나노큐브는 상기 제1금속나노큐브에 표지된 제2DNA와 상보적인 제3서열을 포함하는 제3DNA가 수식된 것일 수 있다.Specifically, in order to detect DNA as a target material, the magnetic microbeads included in the kit of the present invention are labeled with a first DNA comprising a first sequence complementary to a part of the target DNA to be detected, and the first'metal nanoparticles' The cube contains a second sequence that is complementary to the rest of the target DNA to be detected and is labeled with a second DNA to which a Raman active molecule is bound, and the second'metal nanocube includes the second DNA labeled on the first metal nanocube. 3DNA including a complementary third sequence may be modified.

예컨대, 본 발명에 따른 표적 DNA 검출용 키트는 DNA 혼성화에 적합한 환경을 제공할 수 있도록 완충액과 함께 제공될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 상기 완충액으로는 당업계에 널리 사용되는 완충액 예컨대, PBS, PBSS 등의 인산계 완충액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the kit for detecting target DNA according to the present invention may be provided with a buffer solution to provide an environment suitable for DNA hybridization, but is not limited thereto. In this case, the buffer may be a buffer solution widely used in the art, for example, a phosphate-based buffer such as PBS or PBSS, but is not limited thereto.

나아가, 본 발명에 따른 표적 DNA 검출용 키트는 서열 특이적이며 순차적인 일련의 DNA 혼성화에 의해 현저히 증강된 라만 신호를 제공하는, 계층적이며 크기 및/또는 간격이 조절된 나노큐브의 조립체를 형성함으로써 높은 민감성으로 표적 DNA를 검출하는데 사용될 수 있다.Furthermore, the kit for target DNA detection according to the present invention is sequence-specific and provides a remarkably enhanced Raman signal by sequential DNA hybridization, forming an assembly of hierarchical and controlled size and/or spacing nanocubes By doing so, it can be used to detect target DNA with high sensitivity.

본 발명의 키트를 이용한 표적 DNA의 검출은 전술한 본 발명의 표적 DNA 검출 방법에 따라 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Detection of the target DNA using the kit of the present invention may be performed according to the method for detecting the target DNA of the present invention, but is not limited thereto.

상기 본 발명의 표적 DNA와의 상보적인 결합에 의한 복합체의 형성 및 추가적인 DNA의 상보적인 결합을 이용한 증가된 갯수의 나노큐브를 포함하는 계층적이며 크기 및/또는 간격이 조절된 나노큐브 조립체의 형성에 의해 달성되는 높은 민감성으로 표적 DNA를 검출하는 원리, 즉, 본 발명은 DNA의 검출에만 제한되는 것은 아니며, DNA를 대신하여 표적 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 리간드를 수식한 자성 마이크로비드 및 금속나노큐브를 이용함으로써, 상호 특이적인 결합을 형성하는, 항원-항체 간의 결합 또는 리간드-수용체 간의 결합을 이용한 표적 분석물질의 검출에 제한없이 적용될 수 있다.In the formation of a complex by complementary binding with the target DNA of the present invention and the formation of a hierarchical, sized and/or spaced nanocube assembly comprising an increased number of nanocubes using the complementary binding of additional DNA The principle of detecting the target DNA with high sensitivity achieved by the method, that is, the present invention is not limited to the detection of DNA, and magnetic microbeads and metals modified with ligands capable of specifically binding to the target substance instead of DNA By using a nanocube, it can be applied without limitation to detection of a target analyte using binding between antigen-antibody or binding between ligand-receptor, forming mutually specific binding.

예컨대, 나노큐브 조립체 제조를 위하여 금속나노큐브의 표면에 DNA를 표지하기에 앞서, 금속나노큐브의 표면을 SDS 등으로 개질하여 음전하를 띄도록 함으로써 APTES((3-aminopropyl)triethoxysilane) 등으로 기능화된 유리 또는 실리콘 웨이퍼 기재에 큐브의 일면을 통해 정전기적으로 부착되도록 유도할 수 있으며, 이후 DNA를 표지함으로써 기재에 접한 면을 제외한 나머지 5개 면에 선택적으로 DNA가 표지되도록 할 수 있고, 이와 같이 선택적으로 DNA 표지된 금속나노큐브는 초음파 처리 등 물리적 자극을 가하여 기재로부터 탈착시킬 수 있다. 따라서, 이와 같이 제조한 1개 면을 제외한 5개 면에 선택적으로 DNA 표지된 금속나노입자를 이용함으로써 DNA가 표지되지 않은 1개 면에 검출하고자 하는 표적 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 물질을 도입할 수 있으므로, 본 발명의 금속나노큐브 조립체는 DNA의 상보적인 결합은 물론, 상호 특이적으로 결합하는 항원-항체 반응, 리간드와 수용체의 반응 등을 통해 SERS를 기반으로 하는 표적 물질의 검출에 적용할 수 있다.For example, prior to labeling DNA on the surface of a metal nanocube for manufacturing a nanocube assembly, the surface of the metal nanocube is modified with SDS, etc. to have a negative charge, thereby functionalized with APTES ((3-aminopropyl)triethoxysilane), etc. It can be induced to be electrostatically attached to the glass or silicon wafer substrate through one side of the cube, and then by labeling the DNA, DNA can be selectively labeled on the remaining 5 sides except the side in contact with the substrate. The DNA-labeled metal nanocube can be detached from the substrate by applying physical stimulation such as ultrasonic treatment. Therefore, by using metal nanoparticles selectively labeled with DNA on 5 sides except 1 side prepared as described above, a material capable of specifically binding to the target material to be detected on 1 side where DNA is not labeled Since it can be introduced, the metal nanocube assembly of the present invention can be used to detect target substances based on SERS through complementary binding of DNA as well as antigen-antibody reactions that specifically bind to each other, and reactions between ligands and receptors. Can be applied.

본 발명의 검출 방법은 종래 구형의 금속나노입자를 이용하는 대신에 금속나노큐브를 사용함으로써 전체 면적에 걸친 면-대-면 상호작용에 의해 보다 빠른 결합 속도로 조립될 수 있을 뿐만 아니라, 전체 면적에 걸친 고른 전기장 증강 효과를 나타내므로 균일한 신호증강을 구현할 수 있으므로 100 aM 내지 10 pM 범위의 미량의 표적 DNA를 보다 빠른 시간 이내에 민감하게 정량적으로 검출할 수 있다.In the detection method of the present invention, by using a metal nanocube instead of using a conventional spherical metal nanoparticle, not only can it be assembled at a faster bonding speed by a face-to-face interaction over the entire area, but also Since it exhibits an even electric field enhancement effect over the span, uniform signal enhancement can be implemented, and thus a trace amount of target DNA in the range of 100 aM to 10 pM can be sensitively and quantitatively detected within a faster time.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출을 위한 계층적-나노큐브-조립체-기반 표면증강라만산란(hierarchic-nanocube-assembly-based surface enhanced Raman scattering; H-Cube-SERS) 어세이의 원리를 도식화하여 나타낸 도이다. 표적 DNA(target DNA, hepatitis A virus; HAV) 가닥의 존재 하에, 표적-포획 Au 나노큐브(target-capturing Au nanocube; TC-AuNC) 및 DNA-개질된 자성 마이크로입자(DNA-modified magnetic microparticle; DNA-MMP)는 샌드위치-혼성화(sandwich-hybridization)를 통해 "TC-AuNC"-"MMP" 복합체(NC-복합체-1)를 형성하므로(표적 포획 단계; target-capturing step), TC-AuNC 상의 라만 분자(Cy3)로부터 표면증강라만산란 신호를 제공할 수 있다. 그러나, NC-복합체-1의 SERS 신호 세기는, 플라즈몬성 커플링의 부재로, 너무 약하여 낮은 농도의 표적 DNA는 검출하기 어렵다. 신호-증폭 Au 나노큐브(signal-amplifying Au nanocube; SA-AuNC)와의 혼성화에 의해 조립된 플라즈몬성 AuNC 클러스터(NC-complex-2)를 형성할 때, SERS 신호 세기는, AuNC 클러스터의 조립된 영역에서의 강한 플라즈몬성 커플링에 의해, 높이 증강되었다(신호 증폭 단계; signal-amplifying step). 따라서, 표적 DNA에 대한 민감도는 현저히 향상되었으며, 낮은 검출 한계(limit of detection; LOD)를 유도하였다.
도 2는 50 nm 크기의 AuNC 및 AuNS의 DNA 로딩 능력의 정량분석을 위한 Cy3-표지된 DNA 가닥(파란색 도트)의 기지 농도에 대한 형광(Cy3) 신호 세기의 표준 곡선(Standard curve, 빨간색 선)을 나타낸 도이다. AuNC(검은색 도트) 및 AuNS(빨간색 도트)로부터 탈착된 DNA 형광 신호 세기를 표준 곡선 상에 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조립된 AuNC 클러스터의 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 스케일 바는 50 nm이다.
도 4는 (a 내지 c) AuNC 및 AuNS의 합성과 이들의 분광학적 특성 및 (d) AuNC를 이용한 DNA 서열 특이적 혼성화에 의한 AuNC 조립체의 제조 및 이들의 특성을 나타낸 도이다. (a 및 b)는 각각 합성된 나노입자, AuNC 및 AuNS의 TEM 이미지이다. 50 nm 크기의 AuNC(모서리 길이) 및 AuNS(길이)가 95% 이상의 고수율로 균일하게 합성되었다. (c)는 합성된 나노입자들의 UV-vis 스펙트럼을 나타낸다. AuNC 및 AuNS에 대해 각각 563 nm 및 529 nm에서 예리한 소광 피크가 나타났다. (d 내지 g)는 표적 DNA 가닥 및 SA-AuNC의 선택적인 포획을 위한 DNA-서열-특이적 혼성화 능력을 나타낸다. (d 및 f)는 각각 표적 포획 단계 이후와 신호 증폭 단계 이후 외부 자기장을 이용하여 회수한 어세이 용액의 UV-vis 스펙트럼에서의 변화를 나타낸다. 삽입도는 DNA 혼성화 이후 자기장 하에서 어세이 용액의 색을 나타낸다. (e 및 g)는 각각 표적 포획 단계 동안 상이한 링커 DNA에 의해 형성되는, 신호 증폭 단계 동안 상이한 SA-AuNC에 의해 형성되는 서열 특이적 샌드위치 혼성화 복합체의 TEM 이미지이다. 상보적인 표적 DNA 또는 SA-AuNC 존재 하에, 어세이 용액은 무색으로 변하였으며, UV-vis 소광 피크 세기는 급격히 감소하였다. 이는 각각 DNA-서열-특이적 NC-복합체-1 또는 NC-복합체-2의 형성을 나타낸다. DNA-서열-특이적 혼성화에 의해 형성되는 AuNC-MMP 복합체를 TEM 이미지 상에서 명확히 확인할 수 있다.
도 5는 DNA-개질된 나노입자의 형태(곡률) 효과-유도 결합 및 및 이의 해리 특성을 나타낸 도이다. (a)는 DNA-개질된 Au 나노입자 간의 혼성화에 대한 형태(곡률) 효과를 도식화하여 나타낸 도이다. 구조적 특성으로 인해, AuNC(편평한 표면)의 경우, 혼성화에 참여하는 DNA 가닥("유효 결합 DNA 가닥"으로 지칭)의 수는 AuNS(볼록한 표면)의 경우에 비해 더 높으며, 이는 형태(곡률) 효과가 발생함을 나타낸다. "유효 결합 DNA 가닥"의 수는 DNA-개질된 나노입자의 결합 및 해리 특성에 영향을 미친다. 즉, 더 높은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"은 보다 빠른 결합 속도 및 보다 높은 용융전이온도를 유도한다. (b 및 c)는 각각 도 1에 나타난 표적-포획 및 신호-증폭 단계 동안의 구조-의존적 DNA 결합 속도론을 나타낸다. TC-탐침이 MMP와 혼성화할 때(b, 표적-포획 단계), 각각의 TC-탐침의 결합 속도론은, 마이크론 크기의 MMP의 거친 표면으로 인한 과다한 결합 자리로 인해, 나노탐침의 형태와 무관하게 유사하다. 반대로, 큐브형 나노탐침(SA-AuNC)은, 나노탐침 사이의 DNA 혼성화에 대한 보다 높은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"의 존재로 인해, 구형 나노탐침(SA-AuNS)에 비해 더 높은 결합 속도를 나타내었다(c, 신호-증폭 단계). (d)는 나노탐침 응집체의 구조 의존적 해리를 나타낸다. AuNC 응집체는, 형태(곡률) 효과로 인해, AuNS 응집체에 비해 보다 높은 녹는점( T m ) 및 보다 좁은 용융전이온도 범위를 나타내었다. 삽입도는 AuNC 및 AuNS 응집체의 해리(변성) 곡선의 1차 미분을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 혼성화에 의한 MMP와 금 나노큐브의 결합에 따른 어세이 용액의 UV-vis 스펙트럼을 혼성화 시간의 함수로서 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 응집된 AuNC의, 용액의 온도에 따른, 용액 색상 및 UV-vis 스펙트럼 변화를 나타낸 도이다.
도 8은 3D-조립된 플라즈몬성 나노탐침 클러스터를 이용한 SERS-기반 초민감성 DNA 검출을 나타낸 도이다. (a)는 표적 DNA(HAV, 100 aM 내지 10 pM) 및 비-상보적 표적 DNA(HBV, 10 pM)의 농도에 따른 AuNC-MMP 복합체(NC-복합체-1 및 NC-복합체-2)의 SERS 신호 세기 플롯을 나타낸다. 형성된 AuNC 클러스터의 SERS 신호 세기는 클러스터의 조립된 부분에서의 강한 플라즈몬성 커플링에 의해 고도로 증강되어(빨간색 도트), 향상된 LOD를 나타내었다. 대조 실험(파란색 및 초록색 도트)과 비교하여, NC-복합체-1 및 NC-복합체-2에 대한 LOD는 각각 1 pM 및 100 aM이다. (b)는 표적 DNA 가닥의 농도에 따른 AuNC-MMP 복합체(NC-복합체-1 및 NC-복합체-2)의 SERS 스펙트럼을 나타낸다. (c)는 표적 DNA 가닥(HAV, 100 aM 내지 10 pM) 및 비-상보적 표적 DNA(HBV, 10 pM)의 농도에 따른 AuNC- 및 AuNS-MMP 복합체(NC-복합체-2 및 NS-복합체-2)의 SERS 신호 세기 플롯을 나타낸다. NS-복합체-2의 경우, 비효율적인 결합(혼성화) 및 불균일한 플라즈몬성 커플링으로 인해, NS-복합체-2와 비교하여, SERS 신호 세기는 보다 낮았으며, 보다 높은 표준 편차를 나타내었다. 모든 스펙트럼은 633 nm(190 μW)의 여기 레이저를 이용하여 10초의 수집시간(acquisition time)으로 획득하였으며, 500 내지 1,800 cm-1의 파수(wavenumber)에 대해 기록하였다.
도 9는 단일 플라즈몬성 나노입자 및 3D-조립된 나노입자 클러스터의 전기적 근접장의 경계요소법(boundary element method; BEM) 시뮬레이션 결과를 나타낸다. (a 내지 c)는 각각 단일 AuNC, 3D-조립된 AuNC 클러스터, 및 (c) 3D-조립된 AuNS 클러스터에 대한 전기적 근접장 분포의 2D(상단) 및 3D(하단) 플롯을 나타낸다. 삽입도는 BEM 시뮬레이션에 사용된 3D 구조적 모델을 나타낸다. 파란색-음영된 영역은 전기장을 평가한 평면(y-z 평면)을 나타낸다. 모든 경우에서, x-방향에서 선형으로 편광된 빛(linearly polarized light)(파장 633 nm)은 z-방향으로 조사되었다. (b)에 나타난 3D-조립된 AuNC 클러스터의 경우, 전기장은, (a)에 나타난 단일 AuNC의 경우와 달리, 면-대면 계면에서의 강한 플라즈몬성 커플링으로 인해, AuNC 클러스터의 조립된 부분에서 눈에 띄게 보다 강하게 나타났다. 또한, 넓은 영역에 걸쳐 강한 전기장을 유도하는 면-대-면 계면에서의 플라즈몬성 커플링과 달리, AuNS의 경우 형성되는 점-대-점 접점은, AuNS의 볼록한 표면으로 인해, (c)에 나타난 바와 같이, 단지 좁은 국부적 지점에서만 전기장 증강을 유도하였다. (d 내지 i)는 3D-조립된 클러스터에 대한 전기적 근접장 분포의 2D 플롯을 나타낸다. 구체적으로, (d 내지 f)는 AuNC에 대한, (g 내지 i)는 AuNS에 대한 결과이다. 파란색 음영의 영역은 평가되는 전기장의 평면을 나타낸다: (d 및 g)는 y-z 평면, (e 및 h)는 x-z 평면, 및 (f 및 i)는 x-y 평면. 모든 경우에서, x-방향에서 선형으로 편광된 빛(파장 633 nm)은 z-방향으로 조사되었다.
1 is a hierarchical-nanocube-assembly-based surface enhanced Raman scattering (H-Cube-SERS) assay for DNA detection according to an embodiment of the present invention It is a diagram schematically showing the principle. In the presence of target DNA (target DNA, hepatitis A virus; HAV) strands, target-capturing Au nanocube (TC-AuNC) and DNA-modified magnetic microparticles (DNA) -MMP) forms a "TC-AuNC"-"MMP" complex (NC-complex-1) through sandwich-hybridization (target-capturing step), so Raman on TC-AuNC The surface-enhanced Raman scattering signal can be provided from the molecule (Cy3). However, the SERS signal intensity of NC-complex-1 is too weak to detect a low concentration of target DNA due to the absence of plasmonic coupling. When forming a plasmonic AuNC cluster (NC-complex- 2 ) assembled by hybridization with a signal-amplifying Au nanocube (SA-AuNC), the SERS signal strength is the assembled region of the AuNC cluster. The height was enhanced by the strong plasmonic coupling in (signal amplifying step). Therefore, the sensitivity to the target DNA was significantly improved, leading to a low limit of detection (LOD).
Figure 2 is a standard curve of the fluorescence (Cy3) signal intensity of the known concentration of the Cy3-labeled DNA strand (blue dot) for quantitative analysis of the DNA loading capacity of AuNC and AuNS of 50 nm size (Standard curve, red line) Is a diagram showing. The intensity of the DNA fluorescence signal detached from AuNC (black dot) and AuNS (red dot) is shown on a standard curve.
3 is a diagram showing a TEM image of an assembled AuNC cluster according to an embodiment of the present invention. The scale bar is 50 nm.
Figure 4 is a diagram showing (a to c) the synthesis of AuNC and AuNS and their spectroscopic properties, and (d) the preparation of the AuNC assembly by DNA sequence specific hybridization using AuNC and their properties. (a and b) are TEM images of the synthesized nanoparticles, AuNC and AuNS, respectively. AuNC (edge length) and AuNS (length) of 50 nm size were uniformly synthesized with a high yield of 95% or more. (c) shows the UV-vis spectrum of the synthesized nanoparticles. Sharp extinction peaks appeared at 563 nm and 529 nm for AuNC and AuNS, respectively. (d-g) show the DNA-sequence-specific hybridization ability for the selective capture of the target DNA strand and SA-AuNC. (d and f) show changes in the UV-vis spectrum of the assay solution recovered using an external magnetic field after the target capture step and after the signal amplification step, respectively. The inset represents the color of the assay solution under a magnetic field after DNA hybridization. (e and g) are TEM images of sequence specific sandwich hybridization complexes formed by different SA-AuNCs during the signal amplification step, each formed by different linker DNA during the target capture step. In the presence of the complementary target DNA or SA-AuNC, the assay solution turned colorless, and the UV-vis extinction peak intensity rapidly decreased. This represents the formation of DNA-sequence-specific NC-complex-1 or NC-complex-2, respectively. The AuNC-MMP complex formed by DNA-sequence-specific hybridization can be clearly identified on the TEM image.
Figure 5 shows the form of DNA-modified nanoparticles (curvature) It is a diagram showing the effect-induced binding and dissociation properties thereof. (a) is the morphology (curvature) of hybridization between DNA-modified Au nanoparticles It is a diagram schematically showing the effect. Due to structural properties, in the case of AuNC (flat surface), the number of DNA strands (referred to as "effective binding DNA strands") participating in hybridization is higher than in the case of AuNS (convex surface), which is the morphology (curvature) effect. Indicates that The number of "effective binding DNA strands" influences the binding and dissociation properties of the DNA-modified nanoparticles. That is, a higher number of "effective binding DNA strands" leads to a faster binding rate and a higher melting transition temperature. (b and c) show the structure-dependent DNA binding kinetics during the target-capture and signal-amplification steps shown in FIG. 1, respectively. When the TC-probe hybridizes to the MMP (b, target-capture step), the binding kinetics of each TC-probe is independent of the shape of the nano-probe, due to the excessive binding sites due to the rough surface of the micron-sized MMP. similar. Conversely, cube-shaped nanoprobes (SA-AuNC) have a higher binding rate compared to spherical nanoprobes (SA-AuNS), due to the presence of a higher number of "effective binding DNA strands" for DNA hybridization between nanoprobes. (C, signal-amplification step). (d) shows the structure-dependent dissociation of nanoprobe aggregates. AuNC aggregates, due to the morphology (curvature) effect, exhibited a higher melting point ( T m ) and a narrower melting transition temperature range than AuNS aggregates. The inset shows the first derivative of the dissociation (denaturation) curve of AuNC and AuNS aggregates.
6 is a diagram showing the UV-vis spectrum of an assay solution according to the binding of MMP and gold nanocubes by DNA hybridization according to an embodiment of the present invention as a function of hybridization time.
7 is a diagram showing a change in solution color and UV-vis spectrum according to the temperature of the agglomerated AuNC according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing the detection of SERS-based supersensitive DNA using 3D-assembled plasmonic nanoprobe cluster. (a) is the concentration of the target DNA (HAV, 100 aM to 10 pM) and the non-complementary target DNA (HBV, 10 pM) of the AuNC-MMP complex (NC-complex-1 and NC-complex-2) Shows the SERS signal intensity plot. The SERS signal intensity of the formed AuNC cluster was highly enhanced (red dot) by strong plasmonic coupling in the assembled portion of the cluster, indicating an improved LOD. Compared to the control experiments (blue and green dots), the LODs for NC-Complex-1 and NC-Complex-2 are 1 pM and 100 aM, respectively. (b) shows the SERS spectrum of the AuNC-MMP complex (NC-complex-1 and NC-complex-2) according to the concentration of the target DNA strand. (c) is the AuNC- and AuNS-MMP complexes (NC-complex-2 and NS-complexes according to the concentration of the target DNA strand (HAV, 100 aM to 10 pM) and non-complementary target DNA (HBV, 10 pM) -2) shows the SERS signal intensity plot. In the case of NS-complex-2, due to inefficient binding (hybridization) and non-uniform plasmonic coupling, compared to NS-complex-2, the SERS signal intensity was lower and showed a higher standard deviation. All spectra were obtained with an acquisition time of 10 seconds using an excitation laser of 633 nm (190 μW), and recorded for a wavenumber of 500 to 1,800 cm -1 .
9 shows the results of a boundary element method (BEM) simulation of an electrical near field of a single plasmonic nanoparticle and a 3D-assembled nanoparticle cluster. (a-c) show 2D (top) and 3D (bottom) plots of the electrical near-field distribution for a single AuNC, 3D-assembled AuNC cluster, and (c) 3D-assembled AuNS cluster, respectively. The inset shows the 3D structural model used in the BEM simulation. The blue-shaded area represents the plane where the electric field was evaluated ( y - z plane). In all cases, x - linearly polarized in the direction of light (linearly polarized light) (wavelength 633 nm) is z - were examined in a direction. In the case of the 3D-assembled AuNC cluster shown in (b), the electric field is in the assembled part of the AuNC cluster due to the strong plasmonic coupling at the face-to-face interface, unlike the case of the single AuNC shown in (a). It appeared noticeably stronger. In addition, unlike plasmonic coupling at the surface-to-surface interface that induces a strong electric field over a large area, the point-to-point contact formed in the case of AuNS is due to the convex surface of the AuNS, and thus (c) As shown, electric field enhancement was induced only at narrow local points. (d-i) show 2D plots of the electrical near-field distribution for 3D-assembled clusters. Specifically, (d to f) are results for AuNC, and (g to i) are results for AuNS. The blue shaded area represents the plane of the electric field being evaluated: (d and g) are y - z planes, (e and h) are x - z planes, and (f and i) are x - y planes. In all cases, light polarized linearly in the x -direction (wavelength 633 nm) was irradiated in the z -direction.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<시약 및 물질><Reagents and substances>

자성 마이크로입자(Dynabeads® MyOne™ Carboxylic Acid, 평균 직경 1 mm)를 인비트로젠 다이날 에이에스사(Invitrogen Dynal AS, Oslo, Norway)로부터 구입하였다. HPLC-정제된 올리고뉴클레오티드는 IDT사(IDT, Inc., Coralville, IA, USA)로부터 구입하였다. 염화금(III) 삼수화물(gold(III) chloride trihydrate; HAuCl4·3H2O, ≥99.9%), 브롬화세틸트리메틸암모늄(cetyltrimethylammonium bromide; CTAB), 염화벤질디메틸헥사데실암모늄(benzyldimethylhexadecylammonium chloride; BDAC), L-아스코르브산(L-ascorbic acid; AA, ≥99.9%), DL-디티오트레이톨(DL-dithiothreitol; DTT, ≥99.0%), 도데실황산나트륨(sodium dodecyl sulfate; SDS, ≥98.5%), 2-(N-몰포리노)에탄술폰산(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid; MES, ≥99.0%), N-(3-디메틸아미노프로필)-N'-에틸카보디이미드 염산염(N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride; EDC, commercial grade), 에틸렌디아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid; EDTA, 99.4-100.06%), 시안화칼륨(potassium cyanide; KCN, ≥96.0%), 및 트윈-20(Tween®-20)은 시그마-알드리치사(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)로부터 구입하였다. 염화세틸트리메틸암모늄(cetyltrimethylammonium chloride; CTAC)은 도쿄화학공업사(Chemical Industry Co., Ltd., Tokyo, Japan)로부터 구입하였다. 수소화붕소나트륨(Sodium borohydride; NaBH4, 97.0%) 및 브롬화나트륨(sodium bromide; NaBr, ≥99.0%)은 각각 대정화학 & 금속사(DAEJUNG Chemicals & Metals Co., Siheung, Gyeonggi, Korea) 및 삼전순수화학사(Samchun Pure Chemical Co., Pyungtack, Gyeonggi, Korea)로부터 구입하였다. 모든 화학 약품은 추가적인 정제 없이 사용하였다. 모든 실험에는 NANO퓨어 워터(Millipore, Milli-Q 18.2 MQ.cm)를 사용하였다.Magnetic Microparticles (Dynabeads ® MyOne™ Carboxylic Acid, average diameter 1 mm) was purchased from Invitrogen Dynal AS, Oslo, Norway. HPLC-purified oligonucleotides were purchased from IDT (IDT, Inc., Coralville, IA, USA). Gold(III) chloride trihydrate (HAuCl 4 ·3H 2 O, ≥99.9%), cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), benzyldimethylhexadecylammonium chloride (BDAC), L-ascorbic acid (AA, ≥99.9%), DL-dithiothreitol (DTT, ≥99.0%), sodium dodecyl sulfate (SDS, ≥98.5%), 2- (N - Dimorpholino Reno) ethanesulfonic acid (2- (N -morpholino) ethanesulfonic acid ; MES, ≥99.0%), N - (3- dimethylaminopropyl) - N '- ethylcarbodiimide hydrochloride (N - ( 3-dimethylaminopropyl) - N '-ethylcarbodiimide hydrochloride; EDC, commercial grade), ethylenediaminetetraacetic acid (ethylenediaminetetraacetic acid; EDTA, 99.4-100.06% ), potassium cyanide (potassium cyanide; KCN, ≥96.0% ), and tween-20 (Tween ® -20) was purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) was purchased from Chemical Industry Co., Ltd., Tokyo, Japan. Sodium borohydride (NaBH 4 , 97.0%) and sodium bromide (NaBr, ≥99.0%) are DAEJUNG Chemicals & Metals Co., Siheung, Gyeonggi, Korea, respectively, and Samjeon Pure Water. It was purchased from a chemical company (Samchun Pure Chemical Co., Pyungtack, Gyeonggi, Korea). All chemicals were used without further purification. NANO pure water (Millipore, Milli-Q 18.2 MQ.cm) was used for all experiments.

<특성분석방법><Characteristic analysis method>

합성된 나노탐침 및 AuNC 조립된 클러스터의 형태를 TEM 시스템(H-7600, Hitachi)을 사용하여 확인하였다. UV-vis 스펙트럼은 UV-vis 분광광도계(HP 8453, Agilent Technologies)를 사용하여 획득하였다. DNA-로딩 용량(DNA-loading capacity)의 정량화를 위한 형광 측정은 형광광도계(fluorophotometer, FP-8300, JASCO Inc.)를 사용하여 수행하였다.The morphology of the synthesized nano-probe and AuNC-assembled cluster was confirmed using a TEM system (H-7600, Hitachi). UV-vis spectra were obtained using a UV-vis spectrophotometer (HP 8453, Agilent Technologies). Fluorescence measurement for quantification of DNA-loading capacity was performed using a fluorophotometer (FP-8300, JASCO Inc.).

제조예Manufacturing example 1: 50 nm1: 50 nm 크기의 Au Size Au 나노스피어(AuNS)의Nanosphere (AuNS) 합성 synthesis

변형된 종자-매개 성장법을 이용하여 금 나노스피어(gold nanosphere; AuNS)를 합성하였다(Zheng, Y. et al., Part. Part. Syst. Charact., 2014, 31: 266-273). 구체적으로, i) CTAB-캡핑된 Au 종자를 합성하고, ii) 10 nm 크기의 AuNS를 합성한 후, iii) 50 nm 크기의 AuNS로 성장시키는, 하기 3단계의 반응을 수행하여 50 nm 크기의 AuNS를 합성하였다.Gold nanospheres (AuNS) were synthesized using a modified seed-mediated growth method (Zheng, Y. et al. , Part. Part. Syst. Charact., 2014, 31: 266-273). Specifically, i) synthesized CTAB-capped Au seeds, ii) synthesized 10 nm sized AuNS, iii) grown into 50 nm sized AuNS, and performed the following three-step reaction to obtain 50 nm sized AuNS. AuNS was synthesized.

먼저, 50 mL 둥근바닥 플라스크에 CTAB 수용액(200 mM, 5 mL)과 HAuCl4 수용액(0.5 mM, 5 mL)을 27℃에서 교반(300 rpm)하면서 혼합하였다. 즉석에서 준비한 NaBH4 수용액(10 mM, 0.6 mL)을 상기 플라스크에 빠르게 투입하였으며, 이후 혼합물은 즉시 갈색으로 변하였다. 상기 반응 혼합물을 300 rpm에서 3분 동안 교반한 후, 교반없이(without agitation) 27℃에서 3시간 동안 인큐베이션하여, CTAB-캡핑된 Au 종자를 합성하였다.First, in a 50 mL round bottom flask, an aqueous solution of CTAB (200 mM, 5 mL) and an aqueous solution of HAuCl 4 (0.5 mM, 5 mL) were mixed with stirring (300 rpm) at 27°C. Immediately prepared NaBH 4 aqueous solution (10 mM, 0.6 mL) was rapidly added to the flask, after which the mixture immediately turned brown. The reaction mixture was stirred at 300 rpm for 3 minutes, and then incubated at 27° C. for 3 hours without agitation to synthesize CTAB-capped Au seeds.

다음으로, 상기 수득한 CTAB-캡핑된 Au 종자 50 μL를 CTAC 용액(200 mM, 2 mL) 및 AA 용액(100 mM, 1.5 mL) 혼합물에 첨가하였다. 이어 상기 반응 혼합물에 HAuCl4 수용액(0.5 mM, 2 mL)을 빠르게 주입하고, 27℃에서 300 rpm으로 15분 동안 교반하였다. 20,000 ×g에서 30분 동안 원심분리하여 생성물을 증류수로 1회 세척하여, 10 nm 크기의 AuNS를 합성하였다. 이후 사용을 위하여, CTAC 용액(20 mM, 1 mL)에 분산시켰다.Next, 50 μL of the obtained CTAB-capped Au seeds were added to a mixture of CTAC solution (200 mM, 2 mL) and AA solution (100 mM, 1.5 mL). Subsequently, an aqueous HAuCl 4 solution (0.5 mM, 2 mL) was rapidly injected into the reaction mixture, followed by stirring at 27° C. at 300 rpm for 15 minutes. After centrifugation at 20,000 × g for 30 minutes, the product was washed once with distilled water, thereby synthesizing AuNS having a size of 10 nm. For later use, it was dispersed in CTAC solution (20 mM, 1 mL).

마지막으로, 실린지 펌프를 사용하여 2 mL/h의 주입속도로, CTAC 용액(100 mM, 2 mL), AA 용액(10 mM, 130 μL), 및 상기 수득한 10 nm 크기의 AuNS(6 μL)의 혼합물에 HAuCl4 수용액(0.5 mM, 2 mL)을 투입하였다. HAuCl4 용액을 투입하는 동안, 반응 혼합물은 27℃에서 500 rpm으로 계속 교반하였다. 결과로 수득한 용액을 4,000 ×g에서 5분 동안 원심분리하여 증류수로 2회 세척하여 50 nm 크기의 AuNS를 수득하였다.Finally, using a syringe pump at an injection rate of 2 mL/h, CTAC solution (100 mM, 2 mL), AA solution (10 mM, 130 μL), and the obtained 10 nm-sized AuNS (6 μL ) To the mixture of HAuCl 4 aqueous solution (0.5 mM, 2 mL) was added. While the HAuCl 4 solution was added, the reaction mixture was continuously stirred at 27° C. at 500 rpm. The resulting solution was centrifuged at 4,000 × g for 5 minutes and washed twice with distilled water to obtain AuNS having a size of 50 nm.

제조예Manufacturing example 2: 50 nm2: 50 nm 크기의 Au Size Au 나노큐브(AuNC)의Nano Cube (AuNC) 합성 synthesis

50 nm 크기의 금 나노큐브(gold nanocube; AuNC)를 합성하기 위하여, 20 mL 바이알에 CTAC 수용액(100 mM, 6 mL), NaBr 수용액(20 mM, 30 μL), 및 AA 수용액(10 mM, 390 μL)을 27℃에서 500 rpm으로 계속 교반하면서 혼합하였다. 상기 제조예 1에서와 같이 준비한 10 nm 크기의 AuNS(3.9 O.D.) 10 μL를 상기 혼합물에 첨가하였다. 이어서 HAuCl4 수용액(0.5 mM, 6 mL)을 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을500 rpm으로 25분 동안 교반한 후, 정치시켰다(left undisturbed). 4,000 ×g에서 5분 동안 원심분리하여 생성물을 2회 세척하고, 최종 부피를 1 mL로 조절하였다. 고수율로 AuNC를 수득하기 위하여, 공지된 방법에 따라 정제 단계를 수행하였다(Park, K. et al., Nano Lett., 2010, 10: 1433-1439). 먼저, 합성한 50 nm 크기의 AuNC를 최종 농도가 1 mM이 되도록 CTAB 용액에 분산시켰다. 이어서, CTAB 용액에 분산된 상기 AuNC의 분산액 100 μL을 100 μL의 BDAC 용액(180 mM)과 혼합하고, 결과로 얻은 혼합물을 30℃에서 교반하지 않고 밤새도록 정치시켰다. 최종적으로, 상층액을 조심스럽게 제거하고, 4,000 ×g에서 5분 동안 원심분리하여 펠렛을 증류수로 2회 세척하였다.To synthesize a 50 nm-sized gold nanocube (AuNC), CTAC aqueous solution (100 mM, 6 mL), NaBr aqueous solution (20 mM, 30 μL), and AA aqueous solution (10 mM, 390 mL) in a 20 mL vial. μL) was mixed while stirring at 27° C. at 500 rpm. 10 μL of AuNS (3.9 OD) of 10 nm size prepared as in Preparation Example 1 was added to the mixture. Then HAuCl 4 aqueous solution (0.5 mM, 6 mL) was added. The reaction mixture was stirred at 500 rpm for 25 minutes, and then left undisturbed. The product was washed twice by centrifugation at 4,000 × g for 5 minutes, and the final volume was adjusted to 1 mL. In order to obtain AuNC in high yield, a purification step was performed according to a known method (Park, K. et al. , Nano Lett., 2010, 10: 1433-1439). First, the synthesized 50 nm-sized AuNC was dispersed in the CTAB solution so that the final concentration was 1 mM. Subsequently, 100 μL of the dispersion of AuNC dispersed in CTAB solution was mixed with 100 μL of BDAC solution (180 mM), and the resulting mixture was allowed to stand overnight at 30° C. without stirring. Finally, the supernatant was carefully removed and centrifuged at 4,000 × g for 5 minutes to wash the pellet twice with distilled water.

제조예Manufacturing example 3: DNA-수식된 자성 마이크로입자(DNA-MMP)의 제조 3: Preparation of DNA-modified magnetic microparticles (DNA-MMP)

제조사의 지시에 따라 DNA-수식된 자성 마이크로입자(DNA-modified magnetic microparticle; DNA-MMP)를 준비하였다. 5' 말단에 아민기가 수식된 올리고뉴클레오티드(서열번호 1: 5'-NH2-A10-PEG6-AGAAAGAGGAGTTAA-3')를 카르복실 작용기로 코팅된 MMP에 EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide) 커플링을 통해 부착시켰다. 구체적으로, 200 μL의 MMP 용액(10 mg/mL)을 100 mM MES 완충액(pH 4.8)으로 2회 세척하고, 20 μL의 MES 완충액에 재분산시켰다. 이후, 10 μL의 아민-수식된 올리고뉴클레오티드(1 mM) 및 10 μL의 1 M EDC 용액(MES 완충액)을 상기 MMP 분산액에 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 4시간 동안 교반(shaken)하였다. 이와 같이 제조된 DNA-수식된 MMP는 세척 완충액(250 mM, Tris pH 8.0, 0.01% Tween®-20)으로 3회 세척하여, 200 μL의 Tris-EDTA 완충액(10 mM, Tris pH 8.0, 1 mM EDTA)에 재분산시켰다.DNA-modified magnetic microparticles (DNA-MMP) were prepared according to the manufacturer's instructions. An amine group-modified oligonucleotide at the 5'end (SEQ ID NO: 1: 5'-NH 2- A 10 -PEG 6 -AGAAAGAGGAGTTAA-3') was coated with a carboxyl functional group on the MMP with EDC (1-Ethyl-3-( 3-dimethylaminopropyl)carbodiimide) was attached through coupling. Specifically, 200 μL of MMP solution (10 mg/mL) was washed twice with 100 mM MES buffer (pH 4.8), and redispersed in 20 μL of MES buffer. Thereafter, 10 μL of amine-modified oligonucleotide (1 mM) and 10 μL of 1 M EDC solution (MES buffer) were added to the MMP dispersion. The mixture was shaken at room temperature for 4 hours. The thus prepared DNA-modified MMP was washed three times with a washing buffer (250 mM, Tris pH 8.0, 0.01% Tween ® -20), and 200 μL of Tris-EDTA buffer (10 mM, Tris pH 8.0, 1 mM EDTA).

제조예Manufacturing example 4: DNA-수식된 4: DNA-modified AuNCAuNC And AuNS의AuNS 제조 Produce

표적 포획(target capturing; TC)-탐침으로서 금 나노큐브(TC-AuNC) 및 금 나노스피어(TC-AuNS), 약간 변형된 염숙성법(salt-aging method, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122: 9071-9077)을 이용하여 50 nm 크기의 AuNC 및 AuNS의 표면에 형광체인 Cy3가 표지된 DNA 가닥(서열번호 2: 5'-TCCATGCAACTCTAA-A10-Cy3-SH-3')을 부착시켰다. AuNC 및 AuNS 상에 DNA 가닥을 도입하기에 앞서, 합성된 50 nm 크기의 AuNC 및 AuNS를 0.1%(wt/vol) SDS 용액으로 3회 세척하였다. 먼저, 디설파이드-수식된 올리고뉴클레이티드를 0.17 M 인산 완충액(pH 8.0)으로 제조된 0.1 M DTT 용액에 의해 환원시키고, 탈염화(desalting) NAP-5 컬럼(Sephadex™ G-25 DNA Grade, GE Healthcare, UK)으로 정제하였다. 50 nm 크기의 나노입자(AuNC 및 AuNS) 분산액에 과량의 정제된 올리고뉴클레오티드(나노입자 수의 2×105배)를 첨가하고, 상기 혼합물을 실온에서 밤새도록 인큐베이션하였다. 상기 용액은 10 mM의 최종 인산 농도(pH 7.4) 및 0.1%(wt/vol)의 SDS 농도가 되도록 조절하였다. 이후 상기 용액을 실온에서 1시간 동안 서서히 교반하였다. 상기 혼합물에 염화 용액(2 M NaCl, 10 mM PB, 0.1% SDS) 6개 분액을 매 시간마다 첨가하여 0.3 M NaCl 용액이 되도록 조절하였다. 염숙성 과정 동안, 금 표면 상에서 DNA의 비특이적인 상호작용을 최소화하기 위하여 혼합물을 60℃의 수조에서 인큐베이션하였다. 상기 염화 단계 후, 혼합물을 실온에서 밤새도록 인큐베이션하였다. 이후 혼합물을 4,000 ×g에서 5분 동안 원심분리하고, 상층액을 조심스럽게 제거하였다. 침전물은 0.3 M 인산염-완충염수(phosphate-buffered saline solution; PBSS, 10 mM PB, 0.3 M NaCl, 0.01% SDS, pH 7.4)에 재분산시켰다. 상기 세척 단계를 2회 반복하여 수행하였다. 상기 DNA 가닥을 형광체를 불포함하는 서열번호 3의 DNA 가닥(TTAGAGTTGCATGGA-A10-SH)으로 대체하는 것을 제외하고는 TC-AuNC 및 TC-AuNS와 동일한 방법으로, 신호 증폭(signal amplifying; SA)-탐침, 예컨대, SA-AuNC 및 SA-AuNS를 제조하였다.Target capturing (TC)-gold nanocubes (TC-AuNC) and gold nanospheres (TC-AuNS) as probes, slightly modified salt-aging method (J. Am. Chem. Soc., 2000, 122: 9071-9077), a DNA strand (SEQ ID NO: 2: 5'-TCCATGCAACTCTAA-A 10 -Cy3-SH-3') labeled with a fluorescent substance Cy3 on the surface of 50 nm-sized AuNC and AuNS. Attached. Prior to introducing the DNA strand onto AuNC and AuNS, the synthesized 50 nm-sized AuNC and AuNS were washed three times with 0.1% (wt/vol) SDS solution. First, the disulfide-modified oligonucleotide was reduced with a 0.1 M DTT solution prepared with 0.17 M phosphate buffer (pH 8.0), and desalted NAP-5 column (Sephadex™ G-25 DNA Grade, GE Healthcare, UK). To a dispersion of 50 nm-sized nanoparticles (AuNC and AuNS), an excess of purified oligonucleotides (2×10 5 times the number of nanoparticles) was added, and the mixture was incubated overnight at room temperature. The solution was adjusted to a final phosphoric acid concentration of 10 mM (pH 7.4) and an SDS concentration of 0.1% (wt/vol). Thereafter, the solution was slowly stirred at room temperature for 1 hour. To the mixture, 6 aliquots of a chlorinated solution (2 M NaCl, 10 mM PB, 0.1% SDS) were added every hour to obtain a 0.3 M NaCl solution. During the salt aging process, the mixture was incubated in a water bath at 60° C. to minimize non-specific interactions of DNA on the gold surface. After the above chlorination step, the mixture was incubated overnight at room temperature. The mixture was then centrifuged at 4,000 × g for 5 minutes, and the supernatant was carefully removed. The precipitate was redispersed in 0.3 M phosphate-buffered saline solution (PBSS, 10 mM PB, 0.3 M NaCl, 0.01% SDS, pH 7.4). The washing step was repeated twice. In the same manner as TC-AuNC and TC-AuNS, except that the DNA strand is replaced with the DNA strand of SEQ ID NO: 3 (TTAGAGTTGCATGGA-A 10 -SH) that does not contain a phosphor, signal amplifying (SA)- Probes such as SA-AuNC and SA-AuNS were prepared.

실시예Example 1: 금 1: gold 나노큐브를Nanocube 이용한 Used SERS용For SERS 나노탐침Nano probe 응집체의 제조 및 이의 구조의존적 DNA 결합 속도론(binding kinetics) Preparation of aggregates and their structure-dependent DNA binding kinetics

도 1의 표적-포획 단계(target-capturing step)에 상응하는, DNA-수식된 자성 마이크로입자(DNA-MMP)와 DNA-수식된 AuNC 및 AuNS와의 복합체(각각 NC-복합체-1 및 NS-복합체-1로 표기)의 형성에 있어서 구조의존적 DNA 결합 속도를 확인하기 위하여, DNA-MMP(10 mg/mL, 1 μL)를 검출하고자 하는 표적 DNA(HAV DNA, 서열번호 4: 5'-TTAGAGTTGCATGGATTAACTCCTCTTTCT-3') 용액(1 nM, 100 μL)에 첨가하고 1시간 동안 인큐베이션하였다. 구체적으로, 혼성화 시간(hybridization time)에 대한 함수로 결합하지 않은 나노탐침의 수를 모니터하기 위하여 6개 반응 시료를 준비하였다. 자기력 하에 결합하지 않은 HAV DNA 가닥을 제거하고, 수득한 용액은 0.3 M PBSS 완충액으로 3회 세척하였다. 다음으로, 미리 준비한 TC-탐침 용액(3 pM, 60 μL)을 각각의 반응 시료에 첨가하고, 혼합물을 상이한 혼성화 시간 동안 인큐베이션하였다. 특정 혼성화 시간(0, 5, 10, 15, 20, 및 25분)에, 자석으로 NC-복합체-1과 NS-복합체-1을 회수하였다. 즉시, 각 반응 시료로부터 회수한, 결합하지 않은 TC-탐침을 포함하는, 상층액의 소광 스펙트럼(extinction spectrum)을 측정하여 결합하지 않은 TC-탐침의 수를 모니터하였다.A complex of DNA-modified magnetic microparticles (DNA-MMP) and DNA-modified AuNC and AuNS corresponding to the target-capturing step of FIG. 1 (NC-complex-1 and NS-complex, respectively -1) in order to confirm the structure-dependent DNA binding rate in the formation of DNA-MMP (10 mg/mL, 1 μL) target DNA (HAV DNA, SEQ ID NO: 4: 5'-TTAGAGTTGCATGGATTAACTCCTCTTTCT-) 3′) solution (1 nM, 100 μL) was added and incubated for 1 hour. Specifically, six reaction samples were prepared to monitor the number of unbound nanoprobes as a function of hybridization time. HAV DNA strands that did not bind under magnetic force were removed, and the resulting solution was washed three times with 0.3 M PBSS buffer. Next, a previously prepared TC-probe solution (3 pM, 60 μL) was added to each reaction sample, and the mixture was incubated for different hybridization times. At certain hybridization times (0, 5, 10, 15, 20, and 25 minutes), NC-composite-1 and NS-composite-1 were recovered by magnet. Immediately, the number of unbound TC-probes was monitored by measuring the extinction spectrum of the supernatant, including the unbound TC-probe, recovered from each reaction sample.

나아가, 도 1의 신호-증폭 단계(signal-amplifying step)에 상응하는, NC-복합체-1과 SA-AuNC 및 NS-복합체-1과 SA-AuNS(각각 NC-복합체-2 및 NS-복합체-2로 표기)의 형성에 있어서 구조의존적 DNA 결합 속도를 확인하기 위하여, 상기 TC-탐침의 결합 속도 모니터링 방법을 변형하였다. 간략히, 100 μL의 HAV DNA(1 nM), 1 μL의 DNA-MMP(10 mg/mL), 및 60 μL의 TC-탐침(2 pM)을 이용하여 NC-복합체-1 및 NS-복합체-1을 준비하였다. 수득한 복합체들은 0.3 M PBSS 완충액으로 3회 세척하였다. 이어, SA-AuNC 및 SA-AuNS(6 pM, 60 μL) 용액을 상기 준비한 NC-복합체-1 및 NS-복합체-1 용액에 각각 첨가하였다. 상이한 혼성화 시간(0, 10, 20, 30, 40, 50, 및 60분)에서 결합되지 않은 SA-탐침의 소광 스펙트럼을 측정하였다.Further, corresponding to the signal-amplifying step of FIG. 1, NC-complex-1 and SA-AuNC and NS-complex-1 and SA-AuNS (NC-complex-2 and NS-complex- respectively) 2) in order to confirm the structure-dependent DNA binding rate in formation, the method of monitoring the binding rate of the TC-probe was modified. Briefly, NC-complex-1 and NS-complex-1 using 100 μL of HAV DNA (1 nM), 1 μL of DNA-MMP (10 mg/mL), and 60 μL of TC-probe (2 pM). Prepared. The obtained complexes were washed 3 times with 0.3 M PBSS buffer. Subsequently, SA-AuNC and SA-AuNS (6 pM, 60 μL) solutions were added to the prepared NC-complex-1 and NS-complex-1 solutions, respectively. Extinction spectra of unbound SA-probes were measured at different hybridization times (0, 10, 20, 30, 40, 50, and 60 minutes).

비교예Comparative example 1: 금 1: gold 나노스피어를Nanospheres 이용한 Used 나노탐침Nano probe 응집체의 제조 Preparation of aggregate

제조예 2의 금 나노큐브 대신에 제조예 1의 금 나노스피어를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 나노탐침 응집체를 제조하였다.A nanoprobe aggregate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the gold nanospheres of Preparation Example 1 were used instead of the gold nanocubes of Preparation Example 2.

실험예Experimental example 1: 50 nm1: 50 nm 크기의 Size AuNCAuNC And AuNS에AuNS 대한 DNA-로딩 용량의 정량분석 Quantitative analysis of DNA-loading capacity for

Au 나노탐침의 표면 상에 결합되는 DNA 가닥의 수를 결정하기 위하여, Cy3-표지된 DNA 가닥을 사용하여 제조된 TC-AuNC 및 TC-AuNS를 이용하였다. KCN 용액을 TC-AuNC 및 TC-AuNS의 분산액과 혼합하고, 이들 혼합물을 90℃에서 5분 동안 가열하여 TC-탐침을 분해시켰다(dissolved); KCN의 최종 농도는 100 mM이었으며, 입자 농도는 TC-AuNC 및 TC-AuNS에 대해 각각 11.7 및 10.2 pM이었다. 분리되어 방출되는 Cy3-표지된 DNA 가닥의 형광 방출 세기를 형광분광계(fluorophotometer, λexcitation = 546 nm 및 λemission = 560 nm)를 사용하여 측정하였다. 부착된 DNA 가닥의 수를, 기지 농도의 동일한 DNA를 이용하여 획득한, 표준곡선으로부터 계산하였다(도 2).In order to determine the number of DNA strands bound on the surface of the Au nanoprobe, TC-AuNC and TC-AuNS prepared using Cy3-labeled DNA strands were used. The KCN solution was mixed with a dispersion of TC-AuNC and TC-AuNS, and the mixture was heated at 90° C. for 5 minutes to dissolve the TC-probe; The final concentration of KCN was 100 mM, and the particle concentration was 11.7 and 10.2 pM for TC-AuNC and TC-AuNS, respectively. The fluorescence emission intensity of the separated and released Cy3-labeled DNA strand was measured using a fluorophotometer (λ excitation = 546 nm and λ emission = 560 nm). The number of attached DNA strands was calculated from a standard curve obtained using the same DNA of a known concentration (FIG. 2).

실험예Experimental example 2: 2: 나노탐침Nano probe 응집체의 구조의존적 해리 평가를 위한 For the evaluation of the structure-dependent dissociation of aggregates 용융전이Melting transition (melting transition) 측정(melting transition) measurement

나노탐침 응집체(nanoprobe aggregate)를 준비하기 위하여, 3 pM의 TC-탐침과 SA-탐침(2 mL)을 실온에서 4시간 동안 혼성화되도록 하였다. 2가지 탐침이 혼성화됨에 따라, 생성된 화합물은 무색으로 변하였으며, 이는 나노탐침 응집체가 형성됨을 나타내는 것이다. 용액의 온도가 25℃로부터 85℃까지 증가함에 따른 해리되는 나노탐침의 소광 피크의 변화를 모니터링하여 상기 클러스터의 온도-유도 해리(용융전이; melting transitions)를 확인하였다. AuNC 및 AuNS 응집체의 용융 온도(melting temperatures; T m )는 해리(변성)곡선(dissociation (denaturation) curve)의 1차 미분의 최대값에 상응하는 온도로부터 결정되었다.To prepare a nanoprobe aggregate, 3 pM of TC-probe and SA-probe (2 mL) were allowed to hybridize at room temperature for 4 hours. As the two probes hybridized, the resulting compound turned colorless, indicating the formation of nanoprobe aggregates. Temperature-induced dissociation (melting transitions) of the cluster was confirmed by monitoring the change of the extinction peak of the dissociated nanoprobe as the temperature of the solution increased from 25°C to 85°C. The melting temperatures ( T m ) of the AuNC and AuNS aggregates were determined from the temperature corresponding to the maximum value of the first derivative of the dissociation (denaturation) curve.

실시예Example 2: 3D2: 3D -조립된--Assembled- 플라즈몬성Plasmon Castle -- AuNCAuNC -클러스터-기반 DNA 검출 -Cluster-based DNA detection 어세이Assay

DNA 검출 어세이를 위하여, DNA-MMP, 표적 DNA 가닥, TC-AuNC, 및 SA-AuNC를 이용한 샌드위치-혼성화 방법을 수행하였다. 먼저, 표적 DNA(hepatitis A virus; HAV, 서열번호 4: 5'-TTAGAGTTGCATGGATTAACTCCTCTTTCT-3') 용액을 0.3 M PBSS 완충액을 이용하여 100 aM 내지 10 pM 범위의 다른 농도로 준비하였다. 또한, 10 pM 농도의 비-상보적(non-complementary) DNA(hepatitis B virus; HBV, 서열번호 5: 5'-TTGGCTTTCAGTTATATGGATGATGTGGTA-3') 용액을 준비하여 대조군으로 사용하였다. 다음으로, 1 μL의 DNA-MMP 용액을 100 μL의 희석된 표적 DNA 용액에 첨가하고, 상기 혼합물을 교반하면서 실온에서 1시간 동안 인큐베이션하였다. 이후, 20 μL의 TC-AuNC 용액(10 pM)을 표적 DNA-포획 MMP 용액(target-DNA-capturing MMP solution)에 첨가하고, 상기 혼합물을 교반하면서 실온에서 30분 동안 인큐베이션하였다. 도 1의 표적-포획 단계에 상응하는, 인큐베이션 과정 동안, 샌드위치 혼성화 복합체, NC-복합체-1이 형성되었다. 획득한 NC-복합체-1 용액을 0.3 M PBSS 완충액으로 3회 세척하고, 용액의 부피가 10 μL가 되도록 조절하였다. AuNC 클러스터를 형성하기 위하여, 20 μL의 SA-AuNC 용액(50 pM)을 상기 준비된 NC-복합체-1 용액에 첨가하고, 상기 혼합물을 교반하면서 실온에서 30분 더 인큐베이션하였다. 도 1의 신호-증폭 단계에 상응하는, 인큐베이션 과정 동안, 조립된 AuNC 클러스터-MMP 혼성화 복합체(NC-복합체-2)가 형성되었다. 마지막으로, NC-복합체-2 용액을 0.3 M PBSS 완충액으로 3회 세척하고, 10 μL 부피로 농축하였다. TC-AuNC 및 SA-AuNC 대신에 TC-AuNS 및 SA-AuNS를 사용하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 NS-복합체-2를 제조하였다.For the DNA detection assay, a sandwich-hybridization method using DNA-MMP, target DNA strand, TC-AuNC, and SA-AuNC was performed. First, a target DNA (hepatitis A virus; HAV, SEQ ID NO: 4: 5'-TTAGAGTTGCATGGATTAACTCCTCTTTCT-3') solution was prepared at different concentrations ranging from 100 aM to 10 pM using a 0.3 M PBSS buffer. In addition, a 10 pM concentration of non-complementary DNA (hepatitis B virus; HBV, SEQ ID NO: 5: 5'-TTGGCTTTCAGTTATATGGATGATGTGGTA-3') solution was prepared and used as a control. Next, 1 μL of the DNA-MMP solution was added to 100 μL of the diluted target DNA solution, and the mixture was incubated for 1 hour at room temperature while stirring. Thereafter, 20 μL of TC-AuNC solution (10 pM) was added to a target DNA-capturing MMP solution, and the mixture was incubated for 30 minutes at room temperature while stirring. During the incubation process, corresponding to the target-capturing step of FIG. 1, a sandwich hybridization complex, NC-complex-1 was formed. The obtained NC-complex-1 solution was washed 3 times with 0.3 M PBSS buffer, and the volume of the solution was adjusted to 10 μL. In order to form AuNC clusters, 20 μL of SA-AuNC solution (50 pM) was added to the prepared NC-complex-1 solution, and the mixture was incubated for 30 minutes at room temperature while stirring. During the incubation process, corresponding to the signal-amplification step of FIG. 1, an assembled AuNC cluster-MMP hybridization complex (NC-complex-2) was formed. Finally, the NC-complex-2 solution was washed three times with 0.3 M PBSS buffer, and concentrated to a volume of 10 μL. NS-complex-2 was prepared in the same manner as above, except that TC-AuNS and SA-AuNS were used instead of TC-AuNC and SA-AuNC.

실시예Example 3: 3: SERSSERS -기반 DNA 검출 -Based DNA detection 어세이를The assay 위한 마이크로-라만 측정 For micro-Raman measurements

라만 분석을 위하여, 합성된 복합체 용액 5 μL을 커버글래스 상에 붓고, 커버글래스 아래 위치시킨 자석을 이용하여 농축시켰다. 잔류 용매는 대기 조건 하에 건조시켜 제거하였다. 건조한 커버글래스를 뒤집고, 촛점을 시료의 뒷면에 오도록 조절하였다. 모든 라만 측정은 633 nm 여기 레이저(190 μW), 표준 전하결합소자(charge-coupled device; CCD) 어레이 검출기(576 픽셀×384 픽셀; Peltier; -70℃까지 냉각) 및 50× 대물렌즈(NA = 0.75, Leica)를 구비한 Renishaw inVia 라만 현미경 시스템을 이용하여 수행하였다. 10초 수집시간(acquisition time)으로 SERS 스펙트럼을 획득하고, 500 내지 1,800 cm-1의 파수에 대해 기록하였다.For Raman analysis, 5 μL of the synthesized complex solution was poured onto a cover glass, and concentrated using a magnet placed under the cover glass. The residual solvent was removed by drying under atmospheric conditions. The dry cover glass was turned over, and the focus was adjusted to be on the back side of the sample. All Raman measurements were performed with a 633 nm excitation laser (190 μW), a standard charge-coupled device (CCD) array detector (576 pixels x 384 pixels; Peltier; cooled to -70°C) and a 50× objective (NA = 0.75, Leica) using a Renishaw inVia Raman microscope system. SERS spectra were acquired with 10 second acquisition time, and recorded for wavenumbers of 500 to 1,800 cm -1 .

실시예Example 4: 전기적 4: electrical 근접장(electric near-field)의Electric near-field 이론적 계산 Theoretical calculation

MNPBEM 툴박스를 사용하여 경계요소법(boundary element method; BEM) 시뮬레이션을 수행하였다. AuNC의 가장자리 길이(edge length) 및 모서리(corner)에서의 곡률 반경(radius of curvature)은 각각 50 nm 및 6 nm였다. AuNS의 직경은 50 nm였다. 투과전자현미경(transmission electron microscopy; TEM) 이미지에 기초한, 조립된 AuNC 클러스터에서 AuNC 사이의 간격 크기(gap size)는 2 nm였다(도 3). 주변 환경(surrounding environment)은 공기(n=1)로 간주하고, 금의 유전함수(dielectric function)로는 존슨과 크리스티의 데이터(Johnson and Christy's data)를 사용하였다. 여기 파장은 633 nm였다.A boundary element method (BEM) simulation was performed using the MNPBEM toolbox. The edge length and radius of curvature at the corner of AuNC were 50 nm and 6 nm, respectively. The diameter of AuNS was 50 nm. Based on the transmission electron microscopy (TEM) image, the gap size between AuNCs in the assembled AuNC cluster was 2 nm (FIG. 3). The surrounding environment was regarded as air (n=1), and Johnson and Christy's data were used as the dielectric function of gold. The excitation wavelength was 633 nm.

<결론><Conclusion>

SERS-기반 DNA 검출 어세이를 위한 플라즈몬성 나노탐침을 제조하기 위하여, 종자-매개 성장법(seed-mediated growth method)을 이용하여, 큐브(AuNC)와 스피어(AuNS), 2가지 형태의 나노입자를 먼저 합성하였다. 특히, 합성된 AuNC를 계면활성제 마이셀 용액에서의 고갈-유도 응집(depletion-induced flocculation)에 의해 정제하였다. 합성된 AuNC 및 AuNS는 목표한 구조에 대해 우수한 균일성을 나타내었으며, 95% 이상의 높은 수율을 나타내었다(도 4a 및 4b). 또한, 이들의 평균 크기(edge length for the AuNC에 대한 가장자리 길이 및AuNS에 대한 직경)은 유사하며, AuNC에 대해 50.7 ± 0.6 nm 및 AuNS에 대해 50.6 ± 0.7 nm의 좁은 크기 분포를 나타내었다. AuNC 및 AuNS의 UV-vis 스펙트럼은 각각 563 nm 및 529 nm에서 예리한 소광 피크를 나타내었다(도 4c). 플라즈몬성 나노입자의 광학적 성질, 특히, SERS에 대한 전기장 증강은 고도로 형태 의존적이다. 따라서, 구조적 균일성 및 좁은 크기 분포는 생성물로부터의 SERS 신호에서의 낮은 가변성을 보장하고, 신뢰할 수 있고 재현성있게 하므로, SERS-기반 DNA 검출에 적합하였다.To prepare a plasmonic nanoprobe for a SERS-based DNA detection assay, two types of nanoparticles, a cube (AuNC) and a sphere (AuNS), were used using a seed-mediated growth method. Was synthesized first. In particular, the synthesized AuNC was purified by depletion-induced flocculation in a surfactant micelle solution. The synthesized AuNC and AuNS showed excellent uniformity to the target structure, and showed a high yield of 95% or more (FIGS. 4a and 4b). In addition, their average sizes (edge length for the AuNC and diameter for AuNS) were similar, showing a narrow size distribution of 50.7 ± 0.6 nm for AuNC and 50.6 ± 0.7 nm for AuNS. UV-vis spectra of AuNC and AuNS showed sharp extinction peaks at 563 nm and 529 nm, respectively (Fig. 4c). The optical properties of plasmonic nanoparticles, in particular the electric field enhancement for SERS, are highly morphologically dependent. Therefore, the structural uniformity and narrow size distribution ensure low variability in the SERS signal from the product, make it reliable and reproducible, and are therefore suitable for SERS-based DNA detection.

이후, AuNC 및 AuNS의 표면을 SERS-기반 DNA 검출을 위한 라만 탐침으로서 표적 DNA 가닥-포획 올리고뉴클레오티드로 기능화하였다. DNA-수식된 플라즈몬성 나노입자는 DNA 검출 시 서열-특이적 혼성화를 수반하였다(도 4d 내지 4g). 표적-포획 단계 동안(도 1), 상보적 DNA 가닥(hepatitis A virus; HAV)의 존재시, 자석을 이용하여 수집한 어세이 용액은 무색으로 변하였으며, 소광 피크의 세기는 급격히 감소하였다(도 4d). 이는 TC-AuNC가 표적 DNA 가닥을 포획하여 DNA-MMP와 혼성화되어 샌드위치 혼성화 복합체(도 1의 NC-복합체-1)를 형성하였음을 나타낸다(도 4e 우측). 그러나, 링커 DNA를 비-상보적 DNA 가닥(hepatitis B virus; HBV)으로 대체하였을 때, 소광 스펙트럼은 물론 용액의 색은 변하지 않았으며, 이는 NC-복합체-1이 형성되지 않았음을 나타내는 것이다(도 4d 및 4e 좌측). 이러한 DNA-서열-특이적 혼성화 과정은 신호-증폭 단계 동안에도 발생하였다. 서열-상보적 SA-AuNC를 NC-복합체-1 용액에 첨가하였을 때, 어세이 용액은 외부 자기장 하에 투명하게 되었으며, 소광 피크의 세기는 혼성화 복합체(2의 NC-복합체-2)의 형성으로 인해 현저히 감소되었다(도 4f 및 4g 우측). 반면, 비-상보적 SA-AuNC의 경우, 용액 색상 및 소광 스펙트럼은 변하지 않았다(도 4f 및 4g 좌측).Thereafter, the surfaces of AuNC and AuNS were functionalized with target DNA strand-capturing oligonucleotides as Raman probes for SERS-based DNA detection. DNA-modified plasmonic nanoparticles were accompanied by sequence-specific hybridization upon DNA detection (FIGS. 4D to 4G ). During the target-capturing step (Fig. 1), in the presence of complementary DNA strands (hepatitis A virus; HAV), the assay solution collected using a magnet turned colorless, and the intensity of the extinction peak rapidly decreased (Fig. 4d). This indicates that TC-AuNC captured the target DNA strand and hybridized with DNA-MMP to form a sandwich hybridization complex (NC-Complex-1 in Fig. 1) (Fig. 4e). right). However, when the linker DNA was replaced with a non-complementary DNA strand (hepatitis B virus; HBV), the color of the solution as well as the extinction spectrum did not change, indicating that NC-complex-1 was not formed ( 4d and 4e left). This DNA-sequence-specific hybridization process also occurred during the signal-amplification step. When sequence-complementary SA-AuNC was added to the NC-complex-1 solution, the assay solution became transparent under an external magnetic field, and the intensity of the extinction peak was due to the formation of the hybridization complex (NC-complex- 2 of 2). It was significantly reduced (Figure 4f and 4g right). On the other hand, in the case of non-complementary SA-AuNC, the solution color and extinction spectrum did not change (Figs. 4F and 4G left).

다음으로, 개별 나노입자의 DNA-로딩 용량, 즉, 나노입자의 표면 상에 부착되는 DNA의 총량을 측정하였다. 단일 나노입자의 DNA-로딩 용량을 정량화하기 위하여, 시안화칼륨(potassium cyanide; KCN)을 이용하여 DNA-수식된 나노입자를 용해시키고 형광체(Cy3)-표지된 DNA 가닥의 형광 신호를 측정하였다. 개별 나노입자의 표면 상에 부착된 DNA 가닥의 총수는 기지의 농도의 동일한 DNA를 사용하여 획득한 표준곡선으로부터 계산되었다(도 2). 단일 AuNC의 DNA-로딩 용량(5004 ± 9)은, 동일한 크기를 가짐에도 불구하고 보다 넓은 표면적으로 인해, 단일 AuNS에 대한 값(2934 ± 21)에 비해 더 높았다. 그러나, 상기 2가지 형태의 나노입자의 DNA-로딩 밀도, 즉, 나노입자의 단위 표면적 당 부착된 DNA 가닥의 수는 AuNC에 대해 0.325 nm-2 및 AuNS에 대해 0.365 nm-2로 유사하였다. AuNC의 DNA-로딩 밀도는 AuNS의 그것에 비해 유사하거나 또는 더 낮음에도 불구하고, 실제 혼성화에 참여할 수 있는 "유효 결합 DNA 가닥(effective binding DNA strand)"의 수는, AuNC의 구조적 특성으로 인해, 더 높았다(도 5a). 구형의 나노입자가 조립체를 형성할 때, 그 볼록한(convex) 표면 구조로 인해 좁은 자리(점 접촉; point junction)에서만 결합하므로, 유효 결합 DNA 가닥의 수는 낮다.Next, the DNA-loading capacity of individual nanoparticles, that is, the total amount of DNA attached on the surface of the nanoparticles, was measured. In order to quantify the DNA-loading capacity of a single nanoparticle, a DNA-modified nanoparticle was dissolved using potassium cyanide (KCN), and a fluorescent signal of a fluorescent substance (Cy3)-labeled DNA strand was measured. The total number of DNA strands attached on the surface of individual nanoparticles was calculated from a standard curve obtained using the same DNA of a known concentration (Fig. 2). The DNA-loading capacity of a single AuNC (5004 ± 9) was higher compared to the value for a single AuNS (2934 ± 21) due to the larger surface area despite having the same size. However, the DNA-loading densities of the two types of nanoparticles, that is, the number of attached DNA strands per unit surface area of the nanoparticles, were similar to 0.325 nm -2 for AuNC and 0.365 nm -2 for AuNS. Although the DNA-loading density of AuNC is similar or lower than that of AuNS, the number of "effective binding DNA strands" that can actually participate in hybridization is more due to the structural properties of AuNC. It was high (Fig. 5A). When spherical nanoparticles form an assembly, the number of effective binding DNA strands is low because they bind only at narrow sites (point junctions) due to their convex surface structure.

다양한 표적 포획 나노탐침(TC-탐침; TC-AuNC 및 TC-AuNS)의 DNA 혼성화 동안의 구조 의존적 결합 속도론을 비교 연구하였다(도 1 내의 표적 포획 단계). 대상 포획 MMP 및 상보적인 대상 DNA 가닥(HAV)을 1시간 동안 혼합하고, 세척하여 결합하지 않은 DNA 가닥을 제거하였다. 이어서, TC-탐침을 세척한 MMP 용액에 첨가하였다. DNA 혼성화 과정 동안, 샌드위치 혼성화 복합체(NC- 또는 NS-복합체-1)의 형성으로 인한 나노탐침의 소모를 나타내는, 어세이 용액의 소광(extinction) 피크 세기의 감소를 모니터하였다(도 6). 특정 시간( A t )에서 소광 세기는 초기 세기( A 0 )로 나누고, 상대 소광 세기( A t / A 0 )를 혼성화 시간( t )에 대해 플롯하였다. A t / A 0 t 플롯은 지수 감쇠 함수(exponential decay function)를 사용하여 최적화할 수 있었다: A t / A 0 = C·exp(- k ·t) + b( k 는 감쇠 상수). 예상과 달리, 도 5b에 나타난 바와 같이, DNA 혼성화 동안 표적 포획 MMP에 의해 소모된 TC-탐침의 양은 2개 구조체에서 비슷하였으며, 이는 유사한 감쇠 상수( k TC - AuNC = 0.1203 및 k TC - AuNS = 0.1257 min-1) 및 반감기( t 1/2; t 1/2, TC - AuNC = 5.76 and t 1/2, TC - AuNS = 5.51 min)를 가짐을 나타낸다(표 1). 이러한 결과는 분명한 구조적 특성의 존재로 인한 보다 높은 수의 "유효 결합 DNA 가닥(effective binding DNA strand)"의 결합이 더 높은 결합(감쇠) 속도를 유도한다는 가설과는 상반되는 것이었다. 이에 대한 몇가지 이유를 생각할 수 있다. 먼저, MMP는 이의 마이크론 크기의 표면 상에 많은 수의 결합 자리를 포함하므로, MMP에 대한 TC-AuNC 및 TC-AuNS의 결합 가능성은 아마도 유사하다. 둘째로, DNA 혼성화와 관련하여 형태(곡률; curvature) 효과는 MMP의 거친 표면으로 인해 무시할만 하다(도 4e). 셋째로, TC-탐침은 유사한 형태의 나노입자와 혼성화하는 대신에 MMP에 의해 직접 포획되었으며, 따라서 구조(곡률) 효과에 의해 유도되는 "유효 결합 DNA 가닥"의 개념은 본 발명에는 적용되지 않았다(도 1의 표적 포획 단계). 이러한 이유로, AuNC 및 AuNS의 경우 "유효 결합 DNA 가닥"의 수가 상이함에도 불구하고, 형태(곡률)은 결합 가능성 또는 효율에 유효한 효과를 갖지 않는 것으로 간주하였다.Structure-dependent binding kinetics during DNA hybridization of various target capture nanoprobes (TC-probes; TC-AuNC and TC-AuNS) were comparatively studied (target capture step in FIG. 1). The target capture MMP and the complementary target DNA strand (HAV) were mixed for 1 hour and washed to remove unbound DNA strands. Then, the TC-probe was added to the washed MMP solution. During the DNA hybridization process, the decrease in the extinction peak intensity of the assay solution was monitored, indicating consumption of the nanoprobe due to the formation of the sandwich hybridization complex (NC- or NS-complex-1) (FIG. 6 ). At a specific time ( A t ), the extinction intensity was divided by the initial intensity ( A 0 ), and the relative extinction intensity ( A t / A 0 ) was plotted against the hybridization time ( t ). The A t / A 0 vs. t plot could be optimized using an exponential decay function: A t / A 0 = C exp(- k t) + b ( k is the decay constant). Unlike expected, as shown in Figure 5b, the amount of TC-probe consumed by the target capture MMP during DNA hybridization was similar in the two constructs, which was similar attenuation constants ( k TC - AuNC = 0.1203 and k TC - AuNS = 0.1257 min -1 ) and half-life ( t 1/2 ; t 1/2, TC - AuNC = 5.76 and t 1/2, TC - AuNS = 5.51 min) (Table 1). These results were contrary to the hypothesis that binding of a higher number of "effective binding DNA strands" due to the presence of distinct structural properties leads to higher binding (attenuation) rates. There are several reasons for this. First, since MMP contains a large number of binding sites on its micron-sized surface, the binding potential of TC-AuNC and TC-AuNS to MMP is probably similar. Second, the morphology (curvature) effect in relation to DNA hybridization is negligible due to the rough surface of the MMP (Fig. 4e). Thirdly, the TC-probe was directly captured by MMP instead of hybridizing with similar types of nanoparticles, so the concept of "effective binding DNA strand" induced by the structure (curvature) effect was not applied to the present invention ( Target capture step of Figure 1). For this reason, in the case of AuNC and AuNS, despite the different number of "effective binding DNA strands", the morphology (curvature) was considered to have no effective effect on binding potential or efficiency.

감쇠상수
(k, min-1)
Damping constant
( k , min -1 )
반감기
(t 1/2, min)
Half-life
( t 1/2 , min)
t 1/2까지의 평균 감쇠 속도
(R half -life, amole/min)
Average decay rate up to t 1/2
( R half -life , amole/min)
TC-탐침TC-probe TC-AuNCTC-AuNC 0.1203±0.01100.1203±0.0110 5.76±0.535.76±0.53 13.51±1.2613.51±1.26 TC-AuNSTC-AuNS 0.1257±0.01300.1257±0.0130 5.51±0.585.51±0.58 13.79±1.4713.79±1.47 SA-탐침SA-probe SA-AuNCSA-AuNC 0.0428±0.00380.0428±0.0038 16.21±1.4516.21±1.45 7.54±0.687.54±0.68 SA-AuNSSA-AuNS 0.0367±0.00360.0367±0.0036 18.87±1.8818.87±1.88 4.35±0.444.35±0.44

반대로, 결합 속도론에 대한 형태(곡률)의 효과는, 신호 증폭 나노탐침(SA-탐침; SA-AuNC 및 SA-AuNS)이 복합체-1에 결합하였을 때, 명확하였다(도 1의 신호 증폭 단계). SA-AuNC는 SA-AuNS에 비해 보다 빠르게 복합체-1에 의해 소모되었으며, 이는 큐브형 나노탐침(SA-AuNC)의 결합(혼성화) 속도가 높음을 나타내는 것이다(도 5c). 결과적으로, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, SA-AuNC의 결합 속도론은, SA-AuNS의 속도론( k SA-AuNS = 0.0367 min-1, t 1/2, SA-AuNS = 18.87 min)에 비해 더 높은 감쇠 상수 및 더 짧은 반감기( k SA-AuNC = 0.0428 min-1, t 1/2, SA- AuNC = 16.21 min)를 나타내었다. 나아가, t 1/2(단위 반감기 당 반감기까지 소모되는 나노탐침의 몰수로 정의됨)까지의 평균 감쇠 속도는 SA-AuNC 및 SA-AuNS에 대해 각각 7.54 및 4.35 attomoles/min로 계산되었다. 흥미롭게도, 나노탐침 및 MMP 간의 결합(도 1의 표적 포획 단계)과는 반대로, 큐브형 나노탐침은, 구형 나노탐침의 경우에 비해 약 73% 더 높은 결합 속도를 갖는, 증가된 결합(혼성화) 효율을 나타내었다(도 1의 신호 증폭 단계). 형태(곡률) 효과에 의한 보다 높은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"의 존재가 증가된 결합 속도를 유도하는 것으로 사료되었다. 나노탐침과 MMP 간의 결합에 대한 경우와 달리, SA-탐침은 MMP에 결합하는 대신에 TC-탐침의 표면에 결합하여야 하며, 따라서, 나노탐침 간의 혼성화 효율은 그들의 표면 형태에 의해 결정되었다(도 5a). 큐브형 나노탐침 간의 보다 높은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"의 존재는, 보다 높은 결합 속도(즉, 보다 높은 감쇠 상수)를 유도할 수 있는 이용 가능하며 증가된 결합율의, 보다 큰 수의 결합 자리를 유도하였다. 따라서, 형태(곡률) 효과와 관련되는 증가된 결합(혼성화) 속도론은 SERS-기반 DNA 검출을 위한 DNA 혼성화의 어세이 시간을 단축할 수 있다.Conversely, the effect of the shape (curvature) on the binding kinetics was clear when the signal amplification nanoprobes (SA-probes; SA-AuNC and SA-AuNS) were bound to Complex-1 (signal amplification step in FIG. 1). . SA-AuNC was consumed by Complex-1 more rapidly than SA-AuNS, which indicates that the binding (hybridization) rate of the cube-shaped nanoprobe (SA-AuNC) is high (FIG. 5C). As a result, as shown in Table 1 above, the binding kinetics of SA-AuNC is more than that of SA-AuNS ( k SA-AuNS = 0.0367 min -1 , t 1/2, SA-AuNS = 18.87 min). It showed a high attenuation constant and a shorter half - life ( k SA-AuNC = 0.0428 min -1 , t 1/2, SA- AuNC = 16.21 min). Furthermore, the average decay rates up to t 1/2 (defined as the number of moles of nanoprobes consumed to half-life per unit half-life) were calculated as 7.54 and 4.35 attomoles/min for SA-AuNC and SA-AuNS, respectively. Interestingly, as opposed to the binding between the nanoprobe and the MMP (target capture step in Figure 1), the cube-shaped nanoprobe has an increased binding (hybridization), which has a binding rate of about 73% higher than that of the spherical nanoprobe. It showed the efficiency (signal amplification step in Fig. 1). It was thought that the presence of a higher number of "effective binding DNA strands" by morphology (curvature) effect leads to an increased binding rate. Unlike the case of the binding between the nanoprobe and the MMP, the SA-probe should bind to the surface of the TC-probe instead of binding to the MMP, and thus, the hybridization efficiency between the nanoprobes was determined by their surface morphology (Fig. ). The presence of a higher number of "effective binding DNA strands" between the cube-shaped nanoprobes is available and of increased binding rate, which can lead to higher binding rates (ie, higher attenuation constants). Induce a seat. Thus, the increased binding (hybridization) kinetics associated with morphology (curvature) effects can shorten the assay time of DNA hybridization for SERS-based DNA detection.

다음으로, "유효 결합 DNA 가닥"의 수가 높으면 조립된 나노탐침이 서로 보다 견고하게(tightly) 결합한다는 가설을 시험하였다. 형태(곡률) 효과에 의해 "유효 결합 DNA 가닥"의 수가 조립된 클러스터의 결합 세기를 결정함을 가정하였다. 이를 입증하기 위하여, 클러스터에 대해 온도-유도 해리를 시험하였다. 특히, 나노탐침 간의 구조-의존적 결합 세기를 정확히 결정하고, 나노탐침과 MMP 간의 혼성화로 인해 발생할 수 있는 오차를 방지하기 위하여, MMP 지지체가 없는 AuNC 또는 AuNS 응집체(aggregate)를 사용하였다. 나노탐침이 용액 내에서 응집되었을 때, 입자간 거리는 평균 입자 크기보다 감소하였으며, 그 결과로 수반되는 용액 색상 및 UV-vis 스펙트럼에서의 변화를 유도하였다(도 7). 용액의 온도가 증가할수록, 나노탐침 응집체는 DNA의 녹는점(melting temperature, T m )에 가까운 온도에서 해리되기 시작하였다. 이에, 용액의 온도가 25℃로부터 85℃까지 증가함에 따라 해리하는 나노탐침의 소광 피크의 세기 변화를 모니터하였다. AuNC 응집체는 AuNS 응집체(71.2℃)에 비해 더 높은 녹는점(74.8℃)을 갖는 것으로 나타났다(도 5d). 나아가, AuNC 응집체에 대한 해리(변성, denaturation) 곡선은 AuNS 응집체에 대한 것에 비해 더 가파르게 나타났다(도 5d); 해리(변성) 곡선의 1차 미분(first-order derivatives)으로부터 얻어진 반높이너비(full width at half maximum; FWHM)는 AuNC 응집체 및 AuNS 응집체에 대해 각각 2.8℃ 및 4.0℃였다(도 5d, 삽입도). 일반적으로, DNA-수식된 Au 나노입자에 의해 형성된 응집체는, 보다 큰 협력(cooperation)에 의해 동일한 염기서열의 자유 이중나선 DNA에 비해 훨씬 급격한 용융전이(melting transition, 즉, 좁은 FWHM)는 물론 훨씬 더 높은 녹는점( T m )을 나타내었다. DNA의 용융전이에 대한 이러한 협력의 효과는 실험적으로 및 이론적으로 연구되고 있으며, 표면 DNA 밀도, 염 농도, 입자간 거리 및 입자와 같은 조건에 크게 의존적이다. 본 발명에서는 DNA의 나노입자-구조-의존적 용융전이를 연구하여, DNA 용융전이에 대하여 AuNC 및 AuNS에 의해 형성된 응집체 간의 유일한 차이점이 "유효 결합 DNA 가닥"의 수에서의 차이를 유도하는 나노입자의 표면 형태에 있음을 확인하였다. 용액의 온도가 증가함에 따라 "유효 결합 DNA 가닥"의 일부는 해리되었으나; "유효 결합 DNA 가닥"의 완전한 해리에 의해 나노탐침이 응집체로부터 탈착되기 전 UV-vis 스펙트럼은 변화하지 않았다. 따라서, 적은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"의 존재는 상대적으로 용이하게 발생하는 해리 과정을 유도하여, 넓은 전이 온도 범위는 물론 낮은 온도에서 UV-vis 스펙트럼의 변화를 나타내었다. 반면, 많은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"의 존재는, "유효 결합 DNA 가닥"의 완전한 해리점(dissociation point) 근처에서 응집체의 갑작스러운 해리에 의해 급격히 변화하는 UV-vis 스펙트럼을 갖는 응집체가 상대적으로 높은 온도에서도 손상되지 않고 유지되도록 하였다. 유사하게, AuNS 클러스터의 해리는, AuNC 사이의 "유효 결합 DNA 가닥"의 결여로 인해, 상대적으로 보다 용이하게, 보다 낮은 온도에서(더 낮은 T m ), 그리고 넓은 전이 범위에 걸쳐(넓은 FWHM) 발생하였다. 대조적으로, AuNC 응집체의 경우에서 더 높은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"의 존재는, 매우 좁은 범위의 전이 온도에 걸쳐(좁은 FWHM) 발생하는 나노탐침의 해리를 수반하는, 보다 높은 온도(더 높은 T m )에서도 구조를 유지할 수 있도록 하였다. 따라서, AuNC 응집체의 보다 높은 녹는점 및 좁은 FWHM은 더 높은 수의 "유효 결합 DNA 가닥"의 존재가 형태(곡률) 효과에 의해 조립된 클러스터 사이의 보다 강한 결합을 유도함을 나타내는 것이다. 이러한 효과는 조립된 클러스터가 오래 지속되고 안정하게 하여 어세이 또는 측정 과정 동안 SERS 신호의 손실을 억제한다.Next, a hypothesis was tested that if the number of "effective binding DNA strands" is high, the assembled nanoprobes bind to each other more tightly. It was assumed that the number of "effective binding DNA strands" by morphology (curvature) effect determines the binding strength of the assembled clusters. To demonstrate this, the cluster was tested for temperature-induced dissociation. In particular, in order to accurately determine the structure-dependent bonding strength between nanoprobes and to prevent errors that may occur due to hybridization between the nanoprobes and MMP, AuNC or AuNS aggregates without an MMP support were used. When the nanoprobes were agglomerated in the solution, the interparticle distance was reduced than the average particle size, resulting in a change in the color of the solution and the UV-vis spectrum accompanying it (FIG. 7). As the temperature of the solution increased, the nanoprobe aggregates began to dissociate at a temperature close to the melting temperature ( T m ) of DNA. Accordingly, as the temperature of the solution increased from 25°C to 85°C, the change in intensity of the extinction peak of the dissociating nanoprobe was monitored. AuNC aggregates were found to have a higher melting point (74.8 ℃) than AuNS aggregates (71.2 ℃) (Fig. 5d). Furthermore, the dissociation (denaturation) curve for the AuNC aggregate was more steep than that for the AuNS aggregate (FIG. 5D); The full width at half maximum (FWHM) obtained from the first-order derivatives of the dissociation (denaturation) curve was 2.8°C and 4.0°C for the AuNC aggregates and AuNS aggregates, respectively (Fig. 5d, inset ). In general, aggregates formed by DNA-modified Au nanoparticles are of course much more rapid than free double-stranded DNA of the same nucleotide sequence by greater cooperation, i.e., narrow FWHM. It showed a higher melting point ( T m ). The effect of this collaboration on the melting transition of DNA is being studied experimentally and theoretically and is highly dependent on conditions such as surface DNA density, salt concentration, interparticle distance and particle. In the present invention, by studying the nanoparticle-structure-dependent melting transition of DNA, the only difference between the aggregates formed by AuNC and AuNS with respect to the DNA melting transition is the difference in the number of "effectively bound DNA strands" of nanoparticles. It was confirmed that it was in the shape of the surface. As the temperature of the solution increased, some of the "effective binding DNA strands"dissociated; The UV-vis spectrum did not change before the nanoprobes were detached from the aggregates by complete dissociation of the "effective binding DNA strand". Thus, the presence of a small number of "effective binding DNA strands" induced a relatively easily occurring dissociation process, indicating a change in the UV-vis spectrum at low temperatures as well as a wide transition temperature range. On the other hand, the presence of a large number of "effective binding DNA strands" is relative to aggregates having a UV-vis spectrum that changes rapidly by sudden dissociation of the aggregates near the complete dissociation point of the "effective binding DNA strand". To keep it intact even at high temperatures. Similarly, dissociation of AuNS clusters is relatively easier, at lower temperatures (lower T m ), and over a wide transition range (wide FWHM), due to the lack of “effective binding DNA strands” between AuNCs. Occurred. In contrast, the presence of a higher number of "effective binding DNA strands" in the case of AuNC aggregates is at a higher temperature (higher temperature), accompanied by dissociation of the nanoprobe that occurs over a very narrow range of transition temperatures (narrow FWHM). T m ) to maintain the structure. Thus, the higher melting point and narrower FWHM of AuNC aggregates indicate that the presence of a higher number of “effective binding DNA strands” induces stronger binding between assembled clusters by morphology (curvature) effects. This effect makes the assembled clusters long-lasting and stable, suppressing the loss of the SERS signal during the assay or measurement process.

마지막으로, SERS 기법을 이용하여 3D-조립된(assembled)-플라즈몬성(plasmonic)-AuNC-클러스터-기반 초민감성(ultrasensitive) DNA 검출을 수행하였다. 표적 DNA(HAV)를 검출하기 위하여, DNA-MMP 및 TC-AuNC를 이용하여, NC-복합체-1을 형성하는, 전형적인 샌드위치-혼성화 어세이를 수행하였다. NC-복합체-1로부터의 SERS 신호 세기를 증강시키기 위하여, NC-복합체-1에 SA-AuNC를 도입하여 MMP 상에 조립된 플라즈몬성 AuNC 클러스터(NC-복합체-2)를 형성할 수 있었다. 도 8은 표적 DNA(HAV) 농도의 함수로서 NC-복합체의 SERS 신호 세기의 변화를 나타낸다. 제안된 시스템의 서열 특이적 혼성화 능력(hybridization ability)(도 4d 내지4g)은, HAV DNA를 비-상보적 HBV DNA로 대체한, 대조 실험 동안 NC-복합체-1 및 NC-복합체-2의 SERS 신호 세기는 무시할만큼 낮음을 의미하였다(도 8a에서 파란색 및 초록색 도트; 도 8b에서 파란색 및 초록색 선). NC-복합체-1의 경우, SERS 신호 세기(도 8a에서 검은색 도트; 도 8b에서 검은색 선)는 식별가능하였으나(distinguishable), 대조 실험 동안과는 반대로 검출한계(limid of detection; LOD)는 약 1 pM에 불과하였다. 반면, 조립된 플라즈몬성 AuNC 클러스터(NC-복합체-2)의 SERS 신호 세기는 높이 증강되었으며, LOD는 약 100 aM로 더 높았다(도 8a에서 빨간색 도트; 도 8b에서 빨간색 선). 전술한 바와 같이, AuNC 클러스터의 조립된 영역에서 강한 플라즈몬성 커플링은 라만 분자 근처에서 보다 강한 전기장을 유도하여, 증강된 SERS 신호를 발생시키고 DNA 검출에 대한 민감성을 약 10000배 향상시켰다. 다음으로, 상이한 형태를 갖는 나노탐침을 이용한 SERS-기반 DNA 검출의 특징을 비교하였다(도 8c). AuNS에 의해 형성된 3D-조립된 플라즈몬성 클러스터(NS-복합체-2)의 경우, SERS 신호 세기는, 형태(곡률) 효과로 인한 AuNS 간의 불충분하고 보다 느린 결합(혼성화) 속도론으로 인해, NC-복합체-2의 그것에 비해 더 낮았다. 따라서, LOD는 약 10 fM에 제한되었다. 나아가, NC-복합체-2와의 비교에서, NS-복합체-2는 반복적인 실험 동안 그 신호 세기에서 더 큰 변이(즉, 더 높은 표준 편차)를 나타내었으며, 이는 DNA 검출에 대한 상대적으로 보다 열악한 재현성 및 신뢰성을 나타내는 것이다. AuNS의 볼록한 표면 구조로 인해, 전기장은 NS-복합체-2의 조립된 부분의 국부적인 중심에서만 증강되었으며, 플라즈몬성 커플링의 정도는 조립된 부분의 중심으로부터 벗어남에 따라 급격히 감소하였다(점-대-점 커플링; point-to-point coupling). AuNC-기반 클러스터 사이에서 발생하는, 조립된 부분의 넓은 영역에 걸쳐 안정하고 균일한 플라즈몬성 커플링을 유도하는, 면-대-면 커플링(facet-to-facet coupling)과 달리, AuNS-기반 클러스터 사이의 점-대-점 커플링은 불안정하고 불균일하며 재생불가한 SERS 신호를 유도하였다. 이러한 결과로부터, AuNC가 안정적이고, 고도로 민감하며, 재현가능하고 신뢰할만한 결과를 요구하는 SERS-기반 분석적 적용에서의 사용을 위한 유망한 나노구조물임을 확인하였다.Finally, 3D-assembled-plasmonic-AuNC-cluster-based ultrasensitive DNA detection was performed using the SERS technique. To detect target DNA (HAV), a typical sandwich-hybridization assay was performed using DNA-MMP and TC-AuNC to form NC-Complex-1. In order to enhance the SERS signal strength from NC-complex-1, SA-AuNC was introduced into NC-complex-1 to form a plasmonic AuNC cluster (NC-complex-2) assembled on MMP. Figure 8 shows the change in the SERS signal intensity of the NC-complex as a function of target DNA (HAV) concentration. The sequence specific hybridization ability of the proposed system (Figs.4D-4G) is the SERS of NC-Complex-1 and NC-Complex-2 during control experiments, where HAV DNA was replaced with non-complementary HBV DNA. The signal intensity was meant to be negligibly low (blue and green dots in FIG. 8A; blue and green lines in FIG. 8B). In the case of NC-complex-1, the SERS signal intensity (black dot in FIG. 8A; black line in FIG. 8B) was discriminable (distinguishable), but as opposed to during the control experiment, the limit of detection (LOD) was It was only about 1 pM. On the other hand, the SERS signal intensity of the assembled plasmonic AuNC cluster (NC-complex-2) was enhanced high, and the LOD was higher at about 100 aM (red dot in FIG. 8A; red line in FIG. 8B). As described above, strong plasmonic coupling in the assembled region of the AuNC cluster induced a stronger electric field near the Raman molecule, resulting in an enhanced SERS signal and improved sensitivity to DNA detection by about 10000 times. Next, the characteristics of SERS-based DNA detection using nanoprobes having different morphologies were compared (Fig. 8c). In the case of 3D-assembled plasmonic clusters (NS-complex-2) formed by AuNS, the SERS signal strength is due to insufficient and slower binding (hybridization) kinetics between AuNSs due to morphology (curvature) effect, NC-complex It was lower compared to that of -2. Thus, the LOD was limited to about 10 fM. Furthermore, in comparison with NC-complex-2, NS-complex-2 exhibited a larger variance (i.e., higher standard deviation) in its signal intensity during repeated experiments, which is relatively poorer reproducibility for DNA detection. And reliability. Due to the convex surface structure of the AuNS, the electric field was enhanced only at the local center of the assembled part of NS-composite-2, and the degree of plasmonic coupling decreased sharply as it deviated from the center of the assembled part (point-to-point. -Point-to-point coupling). Unlike face-to-facet coupling, which occurs between AuNC-based clusters, which induces stable and uniform plasmonic coupling over a large area of the assembled part, AuNS-based The point-to-point coupling between clusters induced unstable, non-uniform and non-reproducible SERS signals. From these results, it was confirmed that AuNC is a promising nanostructure for use in SERS-based analytical applications that require stable, highly sensitive, reproducible and reliable results.

AuNC 클러스터의 간극 영역(gap region) 내에서 강하고 균일한 전기장이 형성됨을 입증하기 위하여, 경계요소법(boundary element method; BEM) 및 MNPBEM 툴박스를 이용한 시뮬레이션을 수행하였다(도 9). BEM 시뮬레이션 동안, 선형적으로 편광화된 빛(파장 633 nm)을 단일 AuNC 상에 조사하였을 때, 플라즈몬성 커플링의 부재로 인해 AuNC의 모서리에서만 약한 전기장이 형성되었다(도 9a). 반면, 강한 플라즈몬성 커플링으로 인해 AuNC 클러스터의 간극 영역 내에 현저하게 더 강한 전기장이 형성되었다(도 9b). 특히, 강한 전기장은 면-대-면 커플링으로 인해 조립된 AuNC 클러스터의 넓은 영역에 걸쳐 분포되었다. 이러한 현상은, 볼록한 표면 형태로 인해 국부적인 작은 지점에서만 전기장이 형성되는(점-대-점 커플링), AuNS 클러스터의 경우 관찰되는 것과는 상당히 다르다(도 9c). 따라서, 입사광에 평행한 플라즈몬성 커플링 방향을 갖는 특정한 갭 영역에서만 전기장을 증폭시키는 AuNS 클러스터와 달리, AuNC 클러스터는 조립된 평면의 넓은 면적에 걸쳐 클러스터 내의 모든 상이한 커플링 방향에 대해 전기장을 강하게 증폭시켰다(도 9d 내지 9i). 평면의 금속/절연체/금속 기하학으로 인해, AuNC 조립체는 금속/절연체/금속 계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬인, 횡단 갭 플라즈몬(transverse gap plasmon; TGP)을 수반하였다. 광 조사시, TGP는 입사 분극에 수직인 면에서 여기되었다. 모서리에 도달하였을 때, 여기된 TGP는 입사 분극에 평행한 이웃한 면으로 진행되었다. 따라서, AuNS 조립체와 달리, 증강된 전기장은 AuNC 조립체 내의 모든 나노갭에 걸쳐 분포하였으며, 훨씬 높은 확률로 라만 분자가 핫 스팟 내에 존재할 수 있으므로 강하고 균일하게 증강된 전기장을 생성하였다. 계층적으로 조립된 클러스터가 구형 자성 마이크로입자의 표면 상에서 다양한 배향으로 무작위로 형성됨을 고려할 때, 입사광의 방향과 무관하게 모든 조립된 표면에서 균일하고 강하게 전기장을 증강시키는 큐브형-플라즈몬성-나노입자-기반 클러스터는, 구형-플라즈몬성-나노입자-기반 클러스터에 비해, SERS-기반 DNA 검출을 위한 보다 균일하고 재현성있고, 정량적인 신호를 제공할 수 있다. 결론적으로, 본 발명에 따른 H-cube-SERS 전략은 분석적 적용시 재현성있고 신뢰할만한 결과를 획득하기 위한 안정하며 초민감성의 SERS 플랫폼을 제공할 수 있다.In order to prove that a strong and uniform electric field is formed within the gap region of the AuNC cluster, a simulation using the boundary element method (BEM) and the MNPBEM toolbox was performed (FIG. 9). During the BEM simulation, when linearly polarized light (wavelength 633 nm) was irradiated onto a single AuNC, a weak electric field was formed only at the edge of the AuNC due to the absence of plasmonic coupling (FIG. 9A). On the other hand, a significantly stronger electric field was formed in the gap region of the AuNC cluster due to the strong plasmonic coupling (FIG. 9B). In particular, the strong electric field was distributed over a large area of the assembled AuNC cluster due to the face-to-face coupling. This phenomenon is quite different from that observed in the case of AuNS clusters, in which an electric field is formed only at small local points due to the convex surface shape (point-to-point coupling) (Fig. 9c). Therefore, unlike AuNS clusters that amplify the electric field only in a specific gap region with a plasmonic coupling direction parallel to the incident light, AuNC clusters strongly amplify the electric field for all different coupling directions within the cluster over a large area of the assembled plane. (Fig. 9d to 9i). Due to the planar metal/insulator/metal geometry, the AuNC assembly involved a transverse gap plasmon (TGP), a surface plasmon running along the metal/insulator/metal interface. Upon light irradiation, the TGP was excited in a plane perpendicular to the incident polarization. When reaching the edge, the excited TGP proceeded to the adjacent plane parallel to the incident polarization. Therefore, unlike the AuNS assembly, the enhanced electric field was distributed across all nanogaps in the AuNC assembly, and Raman molecules could exist in the hot spot with a much higher probability, thus creating a strong and uniformly enhanced electric field. Considering that hierarchically assembled clusters are randomly formed in various orientations on the surface of spherical magnetic microparticles, cube-shaped-plasmonic-nanoparticles that uniformly and strongly enhance electric field on all assembled surfaces regardless of the direction of incident light The -based cluster can provide a more uniform, reproducible, and quantitative signal for SERS-based DNA detection, compared to the spherical-plasmonic-nanoparticle-based cluster. In conclusion, the H-cube-SERS strategy according to the present invention can provide a stable and ultra-sensitive SERS platform for obtaining reproducible and reliable results when applied analytically.

<110> Seoul National University R&DB Foundation BioNano Health Guard Research Center <120> Method for detecting target material by SERS using assembly of metal nanocubes with hierarchical structure <130> KPA180358-KR <160> 5 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA attached on MMP <400> 1 agaaagagga gttaa 15 <210> 2 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA attached on 1st AuNP <400> 2 tccatgcaac tctaa 15 <210> 3 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA attached on 2nd AuNP <400> 3 ttagagttgc atgga 15 <210> 4 <211> 30 <212> DNA <213> Hepatitis A virus <400> 4 ttagagttgc atggattaac tcctctttct 30 <210> 5 <211> 30 <212> DNA <213> Hepatitis B virus <400> 5 ttggctttca gttatatgga tgatgtggta 30 <110> Seoul National University R&DB Foundation BioNano Health Guard Research Center <120> Method for detecting target material by SERS using assembly of metal nanocubes with hierarchical structure <130> KPA180358-KR <160> 5 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA attached on MMP <400> 1 agaaagagga gttaa 15 <210> 2 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA attached on 1st AuNP <400> 2 tccatgcaac tctaa 15 <210> 3 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> DNA attached on 2nd AuNP <400> 3 ttagagttgc atgga 15 <210> 4 <211> 30 <212> DNA <213> Hepatitis A virus <400> 4 ttagagttgc atggattaac tcctctttct 30 <210> 5 <211> 30 <212> DNA <213> Hepatitis B virus <400> 5 ttggctttca gttatatgga tgatgtggta 30

Claims (16)

검출하고자 하는 표적 DNA의 일부와 상보적인 제1서열을 포함하는 제1DNA로 표지된 자성 마이크로비드 및 검출하고자 하는 표적 DNA의 나머지 일부와 상보적인 제2서열을 포함하는 제2DNA로 표지된 제1금속나노큐브를, 검출하고자 하는 표적 DNA를 함유하는 것으로 예측되는 검체와 반응시켜, 시료 중 표적 DNA 존재시 DNA 혼성화에 의해 자성 마이크로비드에 하나 이상의 제1금속나노큐브가 결합된 제1복합체를 형성하는 제1단계;
상기 제1복합체를, 상기 제1금속나노큐브에 표지된 제2DNA와 상보적인 제3서열을 포함하는 제3DNA가 수식된 제2금속나노큐브와 반응시켜, 상기 제1금속나노큐브의 자성 마이크로비드와 결합하지 않은 다른 면에 제2금속나노큐브가 결합된 제2복합체를 형성하는 제2단계; 및
상기 제2복합체로부터 표면증강라만산란(surface enhanced Raman scattering; SERS) 신호를 측정하는 제3단계;를 포함하는, 표적 DNA의 검출 방법으로서,
상기 제1금속나노큐브에 수식된 제2DNA는 라만활성물질로 표지되어 있어 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이에 상기 라만활성물질이 위치하여 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브 사이에서의 전기장 증강에 의해 향상된 라만신호를 나타내는 것이 특징인 방법.
Magnetic microbeads labeled with a first DNA comprising a first sequence complementary to a part of the target DNA to be detected, and a first metal labeled with a second DNA comprising a second sequence complementary to the rest of the target DNA to be detected By reacting the nanocube with a sample predicted to contain the target DNA to be detected, DNA hybridization in the presence of the target DNA in the sample forms a first complex in which at least one first metal nanocube is bound to a magnetic microbead. The first step;
Magnetic microbeads of the first metal nanocube by reacting the first complex with a second metal nanocube modified with a third DNA comprising a third sequence complementary to the second DNA labeled on the first metal nanocube A second step of forming a second composite in which a second metal nanocube is bonded to the other surface not bonded to the other; And
A third step of measuring a surface enhanced Raman scattering (SERS) signal from the second complex; comprising, a method of detecting a target DNA,
Since the second DNA modified in the first metal nanocube is labeled with a Raman active material, the Raman active material is located between the first metal nanocube and the second metal nanocube, so that the first metal nanocube and the second metal nanocube The method characterized by showing an improved Raman signal by the enhancement of the electric field between.
제1항에 있어서,
제1단계와 제2단계 사이에 외부로부터 자기장을 인가하고 세척하여 자성 마이크로비드에 결합되지 않은 제1금속나노큐브를 제거하는 제1-1단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
The method of claim 1,
The method further comprising a step 1-1 of removing the first metal nanocube not coupled to the magnetic microbead by applying a magnetic field from the outside and washing between the first step and the second step.
제1항에 있어서,
상기 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브는 각각 독립적으로 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리로 구성된 군으로부터 선택되는 금속으로 된 것인, 방법.
The method of claim 1,
The first metal nanocube and the second metal nanocube are each independently made of a metal selected from the group consisting of gold, silver, platinum, palladium, and copper.
제1항에 있어서,
상기 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브는 10 내지 300 nm의 모서리 길이를 갖는 입자로서, 제1금속나노큐브와 제2금속나노큐브의 모서리 길이의 편차는 ±20%를 초과하지 않는 것인, 방법.
The method of claim 1,
The first metal nanocube and the second metal nanocube are particles having an edge length of 10 to 300 nm, and the deviation of the edge lengths of the first metal nanocube and the second metal nanocube does not exceed ±20%. Being, the way.
제1항에 있어서,
상기 자성 마이크로비드는 0.5 내지 10 μm의 직경을 갖는 것인, 방법.
The method of claim 1,
The method, wherein the magnetic microbeads have a diameter of 0.5 to 10 μm.
제1항에 있어서,
상기 제1서열 내지 제3서열은 각각 독립적으로 6 내지 30개 핵산으로 구성된 것인, 방법.
The method of claim 1,
The first to third sequences are each independently composed of 6 to 30 nucleic acids.
제1항에 있어서,
상기 검출하고자 하는 표적 DNA는 10 내지 100개 핵산으로 구성된 것인, 방법.
The method of claim 1,
The target DNA to be detected is composed of 10 to 100 nucleic acids.
제1항에 있어서,
상기 라만활성물질은 Cy3, Cy3.5, 및 Cy5를 포함하는 시아닌 계열의 형광 유기 분자, 또는 FAM, Dabcyl 또는 로다민 계열의 유기 형광분자 또는 머캅토벤조산 및 아미노티오페놀을 포함하는 비형광성 라만활성물질인 것인, 방법.
The method of claim 1,
The Raman active material is a cyanine-based fluorescent organic molecule including Cy3, Cy3.5, and Cy5, or an organic fluorescent molecule of FAM, Dabcyl or rhodamine, or a non-fluorescent Raman activity including mercaptobenzoic acid and aminothiophenol. Material.
제1항에 있어서,
상기 제2복합체를, 상기 제2금속나노큐브에 표지된 제3DNA와 상보적인 제2서열을 포함하는 제2DNA가 수식된 제1금속나노큐브와 반응시켜,
제1금속나노큐브와 결합하지 않으면서, 자성 마이크로비드와도 면하지 않는, 제2금속나노큐브의 나머지 면들에 추가적인 제1금속나노큐브들이 결합된 제2-n복합체를 형성하는 제2-n단계(이상 n은 1 이상의 정수)를 추가로 포함하는 것인, 방법.
The method of claim 1,
By reacting the second complex with the first metal nanocube modified with a second DNA comprising a second sequence complementary to the third DNA labeled on the second metal nanocube,
The 2-n-th complex forming a 2-n complex in which additional first metal nanocubes are bonded to the remaining surfaces of the second metal nanocube, which is not combined with the first metal nanocube and does not face the magnetic microbead. The method further comprising the step (more than n is an integer of 1 or more).
제9항에 있어서,
상기 제2-n단계 및 선택적으로 상기 제2단계와 동일하게 수행되는 제2-(n+1)단계를 순차적으로 반복하는 방법으로서, 상기 추가적으로 수행되는 단계는 최종 생성되는 제2-n복합체 또는 제2-(n+1)복합체로부터 자성 마이크로비드를 제외한, 제1금속나노큐브 및 제2금속나노큐브로된 조립체의 크기가 평균 반경 30 nm 내지 900 nm 이내인 범위에서 반복하여 수행되는 것인, 방법.
The method of claim 9,
As a method of sequentially repeating the 2-n-th step and optionally the 2-(n+1) step, which is performed in the same manner as the second step, wherein the additionally performed step is the final 2-n-th complex or Excluding the magnetic microbeads from the 2-(n+1) complex, the size of the assembly consisting of the first metal nanocube and the second metal nanocube is repeatedly performed within a range of 30 nm to 900 nm in average radius. , Way.
제1항에 있어서,
제3단계로부터 측정된 제2복합체에 대한 신호는 동일 파장에서 제1복합체에 대해 측정된 신호에 비해 100배 이상 증강된 것인, 방법.
The method of claim 1,
The method, wherein the signal for the second complex measured from the third step is augmented by 100 times or more compared to the signal measured for the first complex at the same wavelength.
1면에는 검출하고자 하는 물질의 다른 일부와 특이적으로 결합하는 제1생체물질을 포함하며, 다른 5면에는 제1'DNA로 표지된 제1'금속나노큐브를 준비하는 제1단계;
검출하고자 하는 물질의 일부와 특이적으로 결합하는 하나 이상의 제1생체물질로 표지된 자성 마이크로비드 및 상기 제1단계로부터 준비한, 1면에는 검출하고자 하는 물질의 다른 일부와 특이적으로 결합하는 제1생체물질을 포함하며, 다른 5면에는 제1'DNA로 표지된 제1'금속나노큐브를, 검출하고자 하는 물질을 함유하는 것으로 예측되는 검체와 반응시켜, 시료 중 표적 물질 존재시 특이적인 결합에 의해 자성 마이크로비드에 하나 이상의 제1'금속나노큐브가 결합된 제1'복합체를 형성하는 제2단계;
상기 제1'복합체를, 상기 제1'금속나노큐브에 표지된 제1'DNA와 상보적인 서열을 포함하는 제2'DNA가 수식된 제2'금속나노큐브와 반응시켜, 상기 제1금속나노큐브의 자성 마이크로비드와 결합하지 않은 다른 면에 제2'금속나노큐브가 결합된 제2'복합체를 형성하는 제3단계; 및
상기 제2'복합체로부터 표면증강라만산란 신호를 측정하는 제4단계;를 포함하는, 표적 물질의 검출 방법으로서,
상기 제1'금속나노큐브에 수식된 제1'DNA는 라만활성물질로 표지되어 있어 제1'금속나노큐브와 제2'금속나노큐브 사이에 상기 라만활성물질이 위치하여 제1'금속나노큐브와 제2'금속나노큐브 사이에서의 전기장 증강에 의해 향상된 라만신호를 나타내는 것이 특징인 방법.
A first step of preparing a first biomaterial that specifically binds to another part of the substance to be detected on one side, and a first'metal nanocube labeled with the first' DNA on the other 5 side;
Magnetic microbeads labeled with one or more first biomaterials that specifically bind to a part of the substance to be detected, and a first surface prepared from the first step, which specifically binds to another part of the substance to be detected. It contains a biological material, and on the other 5 sides, the first'metal nanocube labeled with the first'DNA is reacted with a sample predicted to contain the substance to be detected, so that specific binding is achieved in the presence of the target substance in the sample. A second step of forming a first'composite in which at least one first'metal nanocube is coupled to a magnetic microbead;
The first'complex is reacted with a second'DNA modified 2'metal nanocube containing a sequence complementary to the first'DNA labeled on the first' metal nanocube, and the first metal nanocube A third step of forming a second'composite in which a second'metal nanocube is bonded' on the other side of the cube that is not combined with the magnetic microbeads; And
A fourth step of measuring a surface-enhanced Raman scattering signal from the second'complex, comprising: a method for detecting a target substance,
The first'DNA modified in the first'metal nanocube is labeled with a Raman active material, so that the Raman active material is located between the first'metal nanocube and the second' metal nanocube, so that the first'metal nanocube The method characterized in that the Raman signal is enhanced by the enhancement of the electric field between the and the second'metal nanocube.
제12항에 있어서,
제2단계 및 제3단계는 역의 순으로 실시하여, 제1'금속나노큐브를 제2'금속나노큐브와 먼저 결합시킨 후, 제1생체물질로 표지된 자성 마이크로비드 및 시료와 반응시키는 것인, 표적 물질의 검출 방법.
The method of claim 12,
The second and third steps are carried out in reverse order, first combining the first'metal nanocube with the second' metal nanocube, and reacting with the magnetic microbeads and samples labeled with the first biomaterial. Phosphorus, a method of detecting a target substance.
검출하고자 하는 표적 물질의 일부와 특이적으로 결합하는 하나 이상의 제1생체물질로 표지된 자성 마이크로비드;
1면에는 검출하고자 하는 물질의 다른 일부와 특이적으로 결합하는 제1생체물질을 포함하며, 다른 5면에는 제1'DNA로 표지된 제1금속나노큐브; 및
상기 제1'금속나노큐브에 표지된 제1'DNA와 상보적인 서열을 포함하는 제2'DNA가 수식된 제2'금속나노큐브를 포함하는, SERS에 의한 표적 물질 검출용 키트.
Magnetic microbeads labeled with one or more first biomaterials that specifically bind to a part of the target material to be detected;
On the first side, a first biomaterial that specifically binds to another part of the substance to be detected is included, and on the other side, a first metal nanocube labeled with a first'DNA'; And
A kit for detection of a target substance by SERS, comprising a modified 2′ metal nanocube in which the 2′ DNA containing a sequence complementary to the 1′ DNA labeled on the 1′ metal nanocube.
제14항에 있어서,
표적 물질로서 DNA 검출을 위하여 상기 자성 마이크로비드는 검출하고자 하는 표적 DNA의 일부와 상보적인 제1서열을 포함하는 제1DNA로 표지되고, 제1'금속나노큐브는 검출하고자 하는 표적 DNA의 나머지 일부와 상보적인 제2서열을 포함하고 라만활성분자가 결합된 제2DNA로 표지되며, 제2'금속나노큐브는 상기 제1금속나노큐브에 표지된 제2DNA와 상보적인 제3서열을 포함하는 제3DNA가 수식된 것인, SERS에 의한 표적 물질 검출용 키트.
The method of claim 14,
For detection of DNA as a target material, the magnetic microbeads are labeled with a first DNA comprising a first sequence complementary to a part of the target DNA to be detected, and the first'metal nanocube A second DNA containing a complementary second sequence and bound to a Raman active molecule is labeled, and the second'metal nanocube includes a third DNA that is complementary to the second DNA labeled on the first metal nanocube. Modified one, a kit for detection of a target substance by SERS.
제14항에 있어서,
완충액을 추가로 포함하는 것인, 키트.
The method of claim 14,
The kit further comprising a buffer.
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