KR20210127353A - 단일 광원 기반의 다중 발광 나노캡슐을 활용한 환경 유해물질 측정 및 탐침하는 발광센서 및 이의 제조방법, 발광센서를 이용한 의 실시간 모니터링이 가능한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 센서의 제조 방법으로서, 상향 변환 물질과 유기산을 혼합하여 나노 캡슐 코어 용액을 제조하는 단계; 상기 나노 캡슐 코어 용액을 경화하여 나노 캡슐을 제조하는 단계; 및 상기 나노 캡슐에 하향 변환 물질을 고정화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단일 광원 기반의 다중 발광 나노캡슐을 활용한 환경 유해물질 측정 및 탐침의 실시간 모니터링이 가능한 시스템{Single-photon-driven up-/down-conversion nanohybrids for in vivo mercury detection and realtime tracking System}

본 발명은 상향 변환 물질을 나노 캡슐 형태로 만든 후에 표면에 하향 변환 물질을 고정화시킨 나노 캡슐을 이용하여서, 발광의 방향이 정반대인 2종의 형광 물질(상향 변환 물질 및 하향 변환 물질)을 이용함에 따라, 하나의 광원으로부터 두 개 파장대의 동시 발광이 가능하여서, 상향 변환 물질로부터 탐침부의 위치를 파악할 수 있고, 하향 변환 물질로부터 검출 대상 물질(예컨대, 수은 이온(Hg²⁺) 등)의 양을 측정할 수 있는, 발광 센서에 관한 것이다.

바이오이미징 기술은 질병의 진단 및 치료 기술의 발전을 위해 오랜 시간 동안 연구되어 온분야로 생체 내/외 표적과의 직접 혹은 간접적인 반응을 통해서 검출 신호를 제공한다.

발광의 다양한 메커니즘 중 하나인 상향 변환 (upconversion, UC)은 높은 파장대 (빨간 빛, 낮은 에너지)의 광원을 조사했을 때, 이 에너지를 변환 시켜 낮은 파장대 (파란 빛, 높은 에너지)의 빛으로 방출하는 에너지 변환 메커니즘이다.

일반적인 형광 물질의 경우 하향 변환 (downconversion, DC)의 메커니즘을 통해 빛이 방출된다. 상향변환은 광원을 받아 유기염료들 간의 삼중항-삼중항 소멸에 의한 광 에너지 상향전환 메커니즘을 통해 사용된 광원의 에너지보다 높은 에너지를 갖는 빛을 발광하는 것이다.

일반적인 광학 기반의 센서에 활용되는 형광물질은 한 개의 탐침으로부터 한 개의 기능만이 발현된다. 또한 탐침으로부터 타겟 물질의 농도의 측정은 가능하지만 탐침이 샘플에 골고루 도포되지 않아서 발생하는 False negative signal과 실제 negative signal의 구분이 불가능하다는 한계가 존재한다.

본 발명은 상향 변환 물질을 나노캡슐 형태로 만든 뒤, 표면에 수은에 선택적으로 반응하여 하향 변환된 빛을 방출하는 형광물질을 고정화한 것으로, 내부와 외부에 존재하는 형광물질은 같은 흡광 파장대를 공유하여, 단일 광원으로부터 두 개 파장대의 동시 발광이 가능하다.

또한 내부의 형광으로부터는 탐침의 위치 모니터링이 가능하며, 외부의 하향 변환된 빛으로부터는 타겟 물질의 양의 측정이 가능하다. 이는 단일 광원 기반의 동시 다중 발광 시스템을 세계 최초로 발명한 것에 관한 것이다.

기존의 광학 센서에서는 다중 발광을 위해서 서로 다른 종류의 형광 탐침을 사용해야 하거나 광원의 수를 증가시킴으로써 추가적인 장비의 활용이 요구된다.

그래서, 본 발명에서는 발광의 방향이 정반대인 2종의 형광 물질을 선정하여 하나의 나노 물질에 결합함으로써 기존의 단일 기능의 광학 센서보다 진보된 발명이라 할 수 있다. 특히 기존의 형광 기반의 센서는 단일 발광만을 활용한다는 한계를 가지고 있었으나, 본 발명은 이들 한계를 극복한 최초의 발명이라 사료된다.

더 나아가, 이러한 다중 발광 시스템을 기반으로 환경 유해물질 모니터링 센서 및 체내 유해물질의 트래킹에도 활용할 수 있다는 장점을 가진다.

본 발명은 같은 흡광 파장 영역을 공유하는 형광 물질을 선정함으로써 가능했으며, 이는 기존의 다른 형광 물질 중에서도 같은 광원을 통해 여기가 가능한 물질들을 선정하게 되면 다양한 발광이 가능한 시스템의 개발도 가능할 것으로 사료된다.

본 발명에 따른 단일 광원 기반의 다중 발광 나노캡슐을 활용한 환경 유해물질 측정 및 탐침의 실시간 모니터링이 가능한 시스템은 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 본 발명은 단일의 광원으로부터 두 개의 파장대의 발광(상향 변환 발광 및 하향 변환 발광)이 동시에 가능하여서, 상향 변환 물질로부터 유래한 발광으로부터 나노 캡슐(탐침부)의 위치를 모니터링 할 수 있고, 하향 변환 물질로부터 유래한 발광으로부터 검출 대상 물질의 양을 측정하는 것을 목적으로 한다.

둘째, 본 발명은 동일 또는 유사한 영역의 흡광 파장대를 공유하는 상향 변환 물질 및 하향 변환 물질을 하나의 탐침부(발광 센서)로 형성하고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상향 변환 물질을 나노 캡슐 형태로 만든 후에 표면에 하향 변환 물질을 고정화시킨 나노 캡슐을 이용하여서, 발광의 방향이 정반대인 2종의 형광 물질(상향 변환 물질 및 하향 변환 물질)을 이용함에 따라, 하나의 광원으로부터 두 개 파장대의 동시 발광이 가능하여서, 상향 변환 물질로부터 탐침부의 위치를 파악할 수 있고, 하향 변환 물질로부터 검출 대상 물질(예컨대, 수은 이온(Hg²⁺) 등)의 양을 측정할 수 있는, 발광 센서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 단일 광원 기반의 다중 발광 나노캡슐을 활용한 환경 유해물질 측정 및 탐침의 실시간 모니터링이 가능한 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명은 상향 변환 물질을 나노 캡슐로 만든 뒤에, 그 표면에 하향 변환 물질을 고정화한 코어/쉘 구조의 나노 캡슐 형태의 발광 센서에 관한 것으로, 단일의 광원으로부터 두 개의 파장대의 발광(상향 변환 발광 및 하향 변환 발광)이 동시에 가능하여서, 상향 변환 물질로부터 유래한 발광으로부터 나노 캡슐(탐침부)의 위치를 모니터링 할 수 있고, 하향 변환 물질로부터 유래한 발광으로부터 검출 대상 물질의 양을 측정할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 기존에는 하나의 탐침부로부터 하나의 발광만이 가능하여서, 서로 다른 복수 개의 탐침부를 이용하거나, 광원의 개수를 증가시켜서 부수적인 장비의 확장이 요구되었으나, 본 발명은 동일 또는 유사한 영역의 흡광 파장대를 공유하는 상향 변환 물질 및 하향 변환 물질을 하나의 탐침부(발광 센서)로 형성함에 따라 위와 같은 효과를 달성할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 다중발광 나노캡슐을 활용한 유해물질 측정 및 모니터링 시스템 모식도이다.
도 2는 실험에 사용되는 레이저 장비 시스템 모식도이다.
도 3은 상향변환 나노캡슐에 담겨있는 유기염료의 흡광 및 형광 그래프이다.
도 4는 제조된 상향변환 나노캡슐의 주사전자현미경 이미지(좌)와 투과전자현미경 이미지(우)이다.
도 5는 합성 형광 물질 NMR 데이터이다.
도 6은 합성된 형광 물질의 수은에의 선택적 반응을 나타내는 그래프, (좌) 다양한 금속 이온과의 반응성 테스트 결과 그래프 (우) 금속 이온 혼합 용액과 형광 물질의 반응성 테스트 결과 그래프이다.
도 7은 상향변환 나노캡슐 표면에의 형광 물질 개질 방법 모식도이다.
도 8은 표면 개질 단계별 물질의 이미지(상)과 적외선 스펙트럼(좌)와 흡광도 그래프(우)이다.
도 9는 다중 발광 나노캡슐의 형광 측정 그래프이다.
도 10은 다중 발광 나노캡슐을 활용한 실제 홍합에서의 수은 검출 공초점 현미경 이미지이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 설명하고자 한다. 참고로, 도면은 본 발명의 특징을 설명하기 위하여, 일부 과장되게 표현될 수도 있다. 이 경우, 본 명세서의 전 취지에 비추어 해석되는 것이 바람직하다.

도 1은 다중발광 나노캡슐을 활용한 유해물질 측정 및 모니터링 시스템 모식도이다.

본 발명의 발광 센서에 532 nm 파장의 빛을 쪼이면, 내부의 상향 변환 물질에서는 430 nm 파장의 빛을 방출하고, 외부 표면의 하향 변환 물질에 검출 대상 물질(예를 들어, 수은 이온(Hg²⁺))이 존재하는 경우에는 570 nm 파장의 빛을 방출하게 되어, 상향 변환 물질로부터는 탐침부의 위치를 모니터링 할 수 있고, 하향 변환 물질로부터는 검출 대상 물질의 양을 측정할 수 있다.

도 2는 실험에 사용되는 레이저 장비 시스템 모식도이다.

본 발명의 발광 센서에 532 nm 파장의 빛을 쪼여주기 위한 레이저 장비 시스템 모식도이다.

도 3은 상향변환 나노캡슐에 담겨있는 유기염료의 흡광 및 형광 그래프이다.

본 발명의 나노 캡슐에 포함되는 PtOEP 및 DPA의 흡광(Absorbation) 및 발광(emission) 그래프를 통해 PtOEP 및 DPA 모두 300 내지 450 nm 파장의 빛을 흡수한 후 PtOEP는 400 내지 550 nm 파장의 빛을 방출하고, DPA는 600 내지 800 nm 파장의 빛을 방출함을 확인할 수 있다.

도 4는 제조된 상향변환 나노캡슐의 주사전자현미경 이미지(좌)와 투과전자현미경 이미지(우)이다.

본 발명의 상향 변환 물질을 포함하는 나노 캡슐의 주사전자 현미경 이미지(좌)와 투과전자현미경 이미지(우)를 나타낸 도시임. 본 발명의 나노 캡슐의 사이즈가 약 200 nm임을 확인할 수 있다.

도 5는 합성 형광 물질 NMR 데이터이다.

본 발명의 나노 캡슐의 표면에 고정화되는 하향 변환 물질로, Rhodamine b를 Hydrazine과 반응하여 합성한 Rhodamine b hydrazide의 합성 확인 결과이다.

도 6은 합성된 형광 물질의 수은에의 선택적 반응을 나타내는 그래프, (좌) 다양한 금속 이온과의 반응성 테스트 결과 그래프 (우) 금속 이온 혼합 용액과 형광 물질의 반응성 테스트 결과 그래프이다.

본 발명의 나노 캡슐의 표면에 고정화되는 하향 변환 물질(Rhodamine b hydrazide)의 다양한 금속 이온에 대한 반응 결과, 수은 이온(Hg²⁺)에만 선택성이 있음을 확인함. 또한 다양한 복수의 금속 이온 혼합 용액에 대한 반응 결과, 역시 수은 이온(Hg²⁺)을 포함하는 혼합 용액에 대해서만 선택성이 있음을 확인할 수 있다.

도 7은 상향변환 나노캡슐 표면에의 형광 물질 개질 방법 모식도이다.

1) 먼저 상향 변환 물질(PtOEP, DPA)를 포함하는 나노 캡슐을 형성한 후에, APTMS((3-aminopropyl)trimethoxysilane)으로 나노 캡슐의 표면을 아민기로 기능화시킨다.

2) 로다민 b(rhodamine b)를 하이드라진(hydrazine)과 반응시켜 로다민 b 하이드라자이드(rhodamine b hydrazide)를 합성한다.

3) 표면이 아민기로 기능화된 나노 캡슐을 글리옥살 용액에 첨가하여서, 아민기에 글리옥살 링커를 형성한다.

4) 이어서 합성한 로다민 b 하이드라자이드를 첨가하여 표면에 로다민 b 하이드라자이드가 고정화된 나노 캡슐을 제조한다.

도 8은 표면 개질 단계별 물질의 이미지(상)과 적외선 스펙트럼(좌)와 흡광도 그래프(우)이다.

본 발명의 발광 센서에 이용되는 상향 변환 물질(TTA-UN)(PtOEP/DPA), 하향 변환 물질(Rhodamine b Hz) 및 상향 변환 물질에 고정화된 하향 변환 물질(Rho conjugated TTA-UN)의 이미지를 나타낸다. 각각의 물질의 적외선 스펙트럼(좌)과 흡광도 그래프(우)를 나타낸다.

도 9는 다중 발광 나노캡슐의 형광 측정 그래프이다.

1) 본 발명의 발광 센서에 532 nm 파장의 빛을 쪼이는 경우에 상향 변환 물질(UC)로부터 400 내지 500 nm 파장의 발광이 나타나고 하향 변환 물질(DC)로부터 550 내지 700 nm 파장의 발광이 나타난다((d) 참조).

2) 상향 변환 물질만 포함하는 나노 캡슐을 이용하는 경우에는 그에 따른 400 내지 500 nm 파장의 발광만 나타난다((c) 참조).

3) 하향 변환 물질만 포함하는 나노 캡슐을 이용하는 경우에는 그에 따른 550 내지 700 nm 파장의 발광만 나타난다((b) 참조).

4) 대조군((a) 참조).

도 10은 다중 발광 나노캡슐을 활용한 실제 홍합에서의 수은 검출 공초점 현미경 이미지이다.

본 발명의 발광 센서를 이용하여 실제로 홍합에서의 수은 이온의 검출 결과를 나타낸 공초점 현미경 이미지를 나타냄. 1 μM의 수은 이온이 존재할 때, 형광이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 발광센서로서, 상향 변환 물질을 포함하는 나노 캡슐; 및 상기 나노 캡슐의 표면에 고정화된 하향 변환 물질;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상향 변환 물질은 PtOEP 및 DPA를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 하향 변환 물질은 Rhodamine B hydrazide를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 나노 캡슐의 표면은 아민기로 기능화된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 하향 변환 물질은 글리옥살을 포함하는 링커로 고정화되는 것이 바람직하다.

본 발명은 발광 센서의 제조 방법으로서, 상향 변환 물질과 유기산을 혼합하여 나노 캡슐 코어 용액을 제조하는 단계; 상기 나노 캡슐 코어 용액을 경화하여 나노 캡슐을 제조하는 단계; 및 상기 나노 캡슐에 하향 변환 물질을 고정화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 나노 캡슐에 하향 변환 물질을 고정화하는 단계는, 상기 나노 캡슐을 아민 함유 용액에 첨가하여 표면을 아민기로 기능화시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 나노 캡슐에 하향 변환 물질을 고정화하는 단계는, 상기 표면이 아민기로 기능화된 나노 캡슐을 글리옥살 용액에 첨가하여 글리옥살 링커를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

1. 상향 변환 물질을 포함하는 나노 캡슐; 및 상기 나노 캡슐의 표면에 고정화된 하향 변환 물질;로 이루어진 단일 광원 기반의 다중 발광 나노캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상향 변환 물질은 PtOEP(platinum-octaethylporphyrin) 및 DPA(9,10-diphenylanthracene)인 것을 특징으로 하는 발광센서.
3. 제1항에 있어서,
   상기 하향 변환 물질은 로다민 b 하이드라자이드(rhodamine b hydrazide)인 것을 특징으로 하는 발광센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 나노 캡슐은 표면이 아민기로 기능화된 것을 특징으로 하는 발광센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 하향 변환 물질은 글리옥살 링커로 상기 나노 캡슐 표면에 고정화된 것을 특징으로 하는 발광센서.
6. 제1항에 있어서,
   상기 발광센서는 532nm의 파장이 쪼이는 경우,
   상기 상향 변환 물질로부터 400nm 내지 500nm 파장의 발광이 나타나는 것을 특징으로 하는 발광센서.
7. 제1항에 있어서,
   상기 발광센서는 532nm의 파장이 쪼이는 경우,
   상기 하향 변환 물질로부터 550nm 내지 700nm 파장의 발광이 나타나는 것을 특징으로 하는 발광센서.
8. 상향 변환 물질과 유기산을 혼합하여 나노 캡슐 코어 용액을 제조하는 단계;
   상기 나노 캡슐 코어 용액을 경화하여 나노캡슐을 제조하는 단계; 및
   상기 나노 캡슐에 하향 변환 물질을 고정화하여 단일 광원 기반의 다중 발광 나노캡슐을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광센서 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 나노 캡슐에 하향 변환 물질을 고정화하여 단일 광원 기반의 다중 발광 나노 캡슐을 제조하는 단계는,
   상기 나노 캡슐을 아민 함유 용액에 첨가하여 상기 나노 캡슐 표면을 아민기로 기능화시키는 단계;
   상기 표면이 아미노기로 기능화된 나노 캡슐을 글리옥살 용액에 첨가하여 글리옥살 링커를 형성하는 단계; 및
   상기 글리옥살 링커를 통해 하향 변환 물질을 고정화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광센서 제조 방법.

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