KR20210152114A - Method of preparing silica-coated iron oxide nanobeads and its use for separating nucleic acids from sample under magnetic field - Google Patents

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KR20210152114A
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Abstract

The present invention relates to Fe_3O_4@SiO_2 core-shell nanobeads having a silica shell thickness of about 10 nm and a diameter of about 50-60 nm, and a method for preparing the same. The nanobeads prepared by the method according to the present invention provide high saturation magnetization, and the silica shell exhibits high binding force to nucleic acids. In addition, as a result of in vitro experiments, the nanobeads has biocompatibility without cytotoxicity, and thus can be effectively used for separation of nucleic acids from various samples.

Description

실리카로 코팅된 산화철 나노비드의 제조방법 및 이의 핵산 분리용 용도 {Method of preparing silica-coated iron oxide nanobeads and its use for separating nucleic acids from sample under magnetic field}Method of preparing silica-coated iron oxide nanobeads and its use for separating nucleic acids from sample under magnetic field

본원은 시료에서 핵산을 분리 또는 정제하는 기술과 관련된 분야이다.The present application relates to a technology for isolating or purifying a nucleic acid from a sample.

초상자성 산화철 나노 비드는 자기 공명 영상, 암치료의 고열요법, 생물학적 분자의 자성분리 등 다양한 생체 의학 분야에 적용될 수 있기 때문에 생물 의학에서 유망한 나노 물질로 간주된다. 산화철 나노 비드의 높은 포화 자화는 이러한 응용에 필수적이다. Superparamagnetic iron oxide nanobeads are considered promising nanomaterials in biomedical science because they can be applied to various biomedical fields, such as magnetic resonance imaging, hyperthermia for cancer treatment, and magnetic separation of biological molecules. The high saturation magnetization of iron oxide nanobeads is essential for these applications.

생물학적 시료에서 DNA 및 RNA의 분리는 분자생물학 분야의 실험에서 가장 중요하면서도 필수적인 첫단계이다. 특히 임상의학 분야에서 분리된 핵산은 환자의 감염여부 진단, 유전적 질환의 진단 및 유전전 특징 파악 등 다양한 분야에 사용된다. 기존에 원심분리, 에탄올 침전법 및 크로마토그래피와 같은 핵산을 분리하는 다양한 방법이 개발되었으나, 각 방법 별로 장단점이 존재하였다. 자성을 이용한 분리방법은 기존의 방법과 비교하여 신속하고 간편한 방법이나, 산화철 나노 비드의 포화 자화가 높지 않아 문제가 있었다.Isolation of DNA and RNA from biological samples is the most important and essential first step in experiments in the field of molecular biology. In particular, in the field of clinical medicine, isolated nucleic acids are used in various fields, such as diagnosing whether a patient is infected, diagnosing genetic diseases, and identifying hereditary characteristics. Various methods for separating nucleic acids, such as centrifugation, ethanol precipitation, and chromatography, have been developed in the past, but each method has advantages and disadvantages. The separation method using magnetism is a quick and convenient method compared to the conventional method, but there is a problem in that the saturation magnetization of the iron oxide nanobeads is not high.

대한민국 등록특허 1646610 (2016년 8월9일 공개)Republic of Korea registered patent 1646610 (published on August 9, 2016)

본원에 높은 포화자화를 갖으며, 핵산에 높은 결합력을 나타내는 자성나노비드를 제공하고자 한다. An object of the present application is to provide a magnetic nanobead having a high saturation magnetization and exhibiting a high binding force to a nucleic acid.

한 양태에서 본원은 다음의 단계를 포함하는, 입자 직경이 50 내지 60nm 이고, 실리카 쉘 두께가 10nm인, Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드의 제조방법을 제공한다.In one aspect, the present application provides a method for preparing silica-coated magnetic nanobeads having a particle diameter of 50 to 60 nm and a silica shell thickness of 10 nm, Fe 3 O 4 core, comprising the following steps.

일 구현예에서 본원에 따른 방법은 (a) 물 중의 0.025mM의 FeSO4·7H2O와 500mM의 NaOH 수용액을 상온에서 교반하면서 반응시키는 단계; (b) 이어 용액을 4℃에서 정치하여, Fe3O4 나노비드의 침전물이 생성되도록 하는 단계; (c) 상기 침전물 생성 후, 상기 용액 중 상층액을 제거하고, 상기 침전물을 물로 세척한 후, 물에 현탁하여 Fe3O4 나노비드 현탁액을 제조하는 단계; (d) 상기 Fe3O4 나노비드 현탁액을 SiO2 나노비드 용액에 1:3의 부피비로 추가하되, 상기 Fe3O4 나노비드 대 상기 SiO2 나노비드는 1:3의 중량비로 포함되고, 상기 용액을 상온에서 초음파 처리하는 단계; (e) 상기 초음파 처리된 용액을 4℃에서 정치하여 실리카 코팅된 Fe3O4 나노비드의 침전물이 생성되도록 하는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계의 침전물이 생성된 후, 상층액을 제거하고, 상기 침전물을 에탄올 및 물로 세척하여, 실리카 코팅된 Fe3O4 나노비드를 수득하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the method according to the present invention comprises the steps of (a) reacting 0.025 mM FeSO 4 ·7H 2 O in water with 500 mM NaOH aqueous solution at room temperature with stirring; (b) then allowing the solution to stand at 4° C. to produce a precipitate of Fe 3 O 4 nanobeads; (c) after generating the precipitate, removing the supernatant from the solution, washing the precipitate with water, and suspending in water to prepare a Fe 3 O 4 nanobead suspension; (d) adding the Fe 3 O 4 nanobead suspension to the SiO 2 nanobead solution in a volume ratio of 1:3, wherein the Fe 3 O 4 nanobeads to the SiO 2 nanobeads are included in a weight ratio of 1:3, ultrasonicating the solution at room temperature; (e) allowing the sonicated solution to stand at 4° C. to produce a precipitate of silica-coated Fe 3 O 4 nanobeads; and (f) after the precipitate of step (e) is generated, removing the supernatant, and washing the precipitate with ethanol and water, to obtain silica-coated Fe 3 O 4 nanobeads.

일 구현예에서 본원에 따른 방법에 사용되는 SiO2 나노비드 용액은 에탄올, 3차 증류수, 18M NH4OH 및 TEOS TEOS(tetraethoxysilane)를 5: 1: 1.7: 0.6의 부피비로 혼합하여 제조될 수 있다. In one embodiment, the SiO 2 nanobead solution used in the method according to the present application is prepared by mixing ethanol, tertiary distilled water, 18M NH 4 OH and TEOS tetraethoxysilane (TEOS) in a volume ratio of 5: 1: 1.7: 0.6. .

다른 양태에서 본원에 따른 방법으로 제조된 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 제공한다. In another aspect, there is provided a silica-coated magnetic nanobead having a Fe 3 O 4 core prepared by the method according to the present disclosure.

또 다른 양태에서 본원은 본원의 방법에 따라 제조된 자성 나노비드를 핵산 결합성 담체로 사용하는 것을 특징으로 하는, 핵산 분리 방법을 제공한다. In another aspect, the present application provides a method for isolating a nucleic acid, characterized in that the magnetic nanobead prepared according to the method of the present application is used as a nucleic acid-binding carrier.

본원에 따른 방법 또는 나노비드를 이용하여 분리가능한 핵산은 DNA, 또는 RNA를 포함한다. Nucleic acids separable using the method or nanobeads according to the present disclosure include DNA, or RNA.

또 다른 양태에서 본원은 본원의 방법으로 제조된 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 포함하는 핵산 분리용 조성물 또는 키트를 제공한다.In another aspect, the present application provides a composition or kit for nucleic acid isolation comprising a silica-coated magnetic nanobead having a Fe 3 O 4 core prepared by the method of the present application.

본원의 방법에 따라 제조된 Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노비드는 실리카 쉘의 두께가 ~10nm이고 직경 50-60nm인 자성입자이다. 본원에 따른 방법에 의해 제조된 나노비드는 산화철 코어가 크게 제조되어 높은 포화자화(= 33.80emu/g)를 제공하며, 실리카 쉘은 핵산에 높은 결합력을 나타낸다. 아울러, 인비트로 실험결과 세포독성이 없이 생체 적합성을 가져, 다양한 시료로부터 핵산의 분리에 효과적으로 사용될 수 있다. Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads prepared according to the method of the present application are magnetic particles having a silica shell thickness of ~10 nm and a diameter of 50-60 nm. The nanobeads prepared by the method according to the present application have a large iron oxide core to provide high saturation magnetization (= 33.80 emu/g), and the silica shell exhibits high binding force to nucleic acids. In addition, as a result of in vitro experiments, it has biocompatibility without cytotoxicity, and thus can be effectively used for separation of nucleic acids from various samples.

도 1은 Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노비드의 합성을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노비드의 a. HRTEM 이미지; b. HAADF-STEM 이미지이고, c. Fe; d. O; e. Si 원소 및 f. 모든 원소 (Merge)의 맵핑 이미지이다.
도 3은 bare Fe3O4 나노비드 (아래) 및 Fe3O4@SiO2 코어쉘 나노비드 (위)의 bare Fe3O4 나노비드의 X-Ray 회절 패턴을 나타낸다. 할당 값은 다음과 같다: (hkl) Miller indices: 2θ(hkl) = 18.31°(111), 30.13°(220), 35.37°(311), 37.02°(222), 43.14°(400), 53.39°(422), 56.85°(511), 62.57°(440), 70.82° (620), 73.88°(533), 74.96°(622), 78.93°(444), 86.78°(642), 89.70°(731), 94.48°(800).
도 4는 bare Fe3O4 나노비드 (위) 및 Fe3O4@SiO2 코어쉘 나노비드 (아래)의 bare Fe3O4 나노비드의 FT-IR 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 세로 점선은 각각 Fe-O and Si-O-Si 스트레칭 바이브레이션으로 인한 흡수 피크를 나타낸다.
도 5는 bare Fe3O4 나노비드 및 Fe3O4@SiO2 코어쉘 나노비드의 M-H 커브를 나타낸다.
도 6은 Fe3O4@SiO2 코어쉘 나노비드로 처리된 DU145 및 NCTC1469 세포의 인비트로 세포 생존능을 나타낸다.
도 7은 본원에 따라 제조된 Fe3O4@SiO2 코어쉘 나노비드를 이용하여 분리된 핵산을 이용하여 증폭반응의 일종인 LAMP 반응을 수행한 결과이다: 1: Sample No. 3 without LAMP and 2-7 LAMP 반응 진행 결과 [2: Sample No. 1; 3: Sample No. 2; 4: Sample No. 3; 5: Sample No. 4; 6: Sample No. 5; 7: 대조군 (핵산을 포함하지 않는 LAMP 반응액만 포함)].
도 8은 사이클에 따른 실시간 증폭에서 형광 곡선을 나타낸다 (1 cycle = 30 s): a. A549 비소폐암세포 시료로부터 분리된 핵산, b. 뎅기 바이러스 시료에서 분리된 핵산, 및 c. 대조군(핵산을 포함하지 않는 LAMP 반응액만 포함). RFU = relative fluorescence unit.
1 schematically shows the synthesis of Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads.
Figure 2 is Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads a. HRTEM images; b. HAADF-STEM image, c. Fe; d. O; e. Si element and f. It is a mapping image of all elements (Merge).
Figure 3 is a bare Fe 3 O 4 nano-beads (see below), and Fe 3 O 4 @SiO 2 shows a core-shell X-Ray diffraction pattern of the Fe 3 O 4 nano-beads bare nano-beads (above). The assigned values are: (hkl) Miller indices: 2θ(hkl) = 18.31°(111), 30.13°(220), 35.37°(311), 37.02°(222), 43.14°(400), 53.39° (422), 56.85°(511), 62.57°(440), 70.82°(620), 73.88°(533), 74.96°(622), 78.93°(444), 86.78°(642), 89.70°(731) ), 94.48° (800).
4 shows FT-IR absorption spectra of bare Fe 3 O 4 nanobeads (top) and bare Fe 3 O 4 nanobeads of Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads (bottom). The vertical dotted lines indicate absorption peaks due to Fe-O and Si-O-Si stretching vibrations, respectively.
5 shows the MH curves of bare Fe 3 O 4 nanobeads and Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads.
6 shows the in vitro cell viability of DU145 and NCTC1469 cells treated with Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads.
7 is a result of performing a LAMP reaction, a type of amplification reaction, using a nucleic acid isolated using Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads prepared according to the present application: 1: Sample No. 3 without LAMP and 2-7 LAMP reaction progress [2: Sample No. One; 3: Sample No. 2; 4: Sample No. 3; 5: Sample No. 4; 6: Sample No. 5; 7: Control (containing only LAMP reaction solution without nucleic acid)].
Figure 8 shows the fluorescence curve in real-time amplification according to the cycle (1 cycle = 30 s): a. Nucleic acid isolated from A549 non-small lung cancer cell sample, b. nucleic acid isolated from a dengue virus sample, and c. Control (containing only LAMP reaction solution without nucleic acid). RFU = relative fluorescence unit.

본원은 높은 포화자화를 제공하며, 실리카 쉘은 핵산에 높은 결합력을 나타내는 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드의 제조 방법의 개발에 근거한 것이다.The present application is based on the development of a method for manufacturing silica-coated magnetic nanobeads having a Fe 3 O 4 core that provides high saturation magnetization and a silica shell exhibits high binding force to nucleic acids.

이에 한 양태에서 본원은 입자 직경이 50 내지 60nm 이고, 실리카 쉘 두께가 10nm이며, 33.80emu/g의 포화자화를 나타내는, Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 제공한다.Accordingly, in one embodiment, the present application provides a silica-coated magnetic nanobead having a Fe 3 O 4 core having a particle diameter of 50 to 60 nm, a silica shell thickness of 10 nm, and a saturation magnetization of 33.80 emu/g.

다른 양태에서 본원은 다음 단계를 포함하는 본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드 제조 방법을 제공한다.In another aspect, the present application provides a method for manufacturing silica-coated magnetic nanobeads having an Fe 3 O 4 core according to the present application, comprising the following steps.

일 구현예에서 상기 방법은 (a) 물 중의 0.025mM의 FeSO4·7H2O와 500mM의 NaOH 수용액을 상온에서 교반하면서 반응시키는 단계; (b) 이어 용액을 4℃에서 정치하여, Fe3O4 나노비드의 침전물이 생성되도록 하는 단계; (c) 상기 침전물 생성 후, 상기 용액 중 상층액을 제거하고, 상기 침전물을 물로 세척한 후, 물에 현탁하여 Fe3O4 나노비드 현탁액을 제조하는 단계; (d) 상기 Fe3O4 나노비드 현탁액을 SiO2 나노비드 용액에 1:3의 부피비로 추가하되, 상기 Fe3O4 나노비드 대 상기 SiO2 나노비드는 1:3의 중량비로 포함되고, 상기 용액을 상온에서 초음파 처리하는 단계; (e) 상기 초음파 처리된 용액을 4℃에서 정치하여 실리카 코팅된 Fe3O4 나노비드의 침전물이 생성되도록 하는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계의 침전물이 생성된 후, 상층액을 제거하고, 상기 침전물을 에탄올 및 물로 세척하여, 실리카 코팅된 Fe3O4 나노비드를 수득하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the method comprises the steps of (a) reacting 0.025 mM FeSO 4 ·7H 2 O in water and 500 mM NaOH aqueous solution at room temperature with stirring; (b) then allowing the solution to stand at 4° C. to produce a precipitate of Fe 3 O 4 nanobeads; (c) after generating the precipitate, removing the supernatant from the solution, washing the precipitate with water, and suspending in water to prepare a Fe 3 O 4 nanobead suspension; (d) adding the Fe 3 O 4 nanobead suspension to the SiO 2 nanobead solution in a volume ratio of 1:3, wherein the Fe 3 O 4 nanobeads to the SiO 2 nanobeads are included in a weight ratio of 1:3, ultrasonicating the solution at room temperature; (e) allowing the sonicated solution to stand at 4° C. to produce a precipitate of silica-coated Fe 3 O 4 nanobeads; and (f) after the precipitate of step (e) is generated, removing the supernatant, and washing the precipitate with ethanol and water, to obtain silica-coated Fe 3 O 4 nanobeads.

본원에 따른 방법에 실리카 코팅을 위해 사용되는 SiO2 나노비드 용액은 본원 실시예에 기재된 것과 같은 Stober 방법으로 제조될 수 있다. 일구현예에서 에탄올, 3차 증류수, 18M NH4OH 및 TEOS(tetraethoxysilane)를 5: 1: 1.7: 0.6의 부피비로 혼합하여 제조된다. The SiO 2 nanobead solution used for silica coating in the method according to the present application can be prepared by the Stober method as described in the examples herein. In one embodiment, ethanol, tertiary distilled water, 18M NH 4 OH and TEOS (tetraethoxysilane) are mixed in a volume ratio of 5: 1: 1.7: 0.6.

본원의 방법에 따라 제조된 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드는 입자 직경이 약 50 내지 60nm 이고, 실리카 쉘 두께가 약 10nm이며, 33.80emu/g의 높은 포화자화를 나타낸다. 또한 보자력(coercivities)과 잔류성(remanences)은 거의 0으로 초상자성 특징을 가진다(본원 도 2 내지 5 등 참조). The silica-coated magnetic nanobeads having a Fe 3 O 4 core prepared according to the present method have a particle diameter of about 50 to 60 nm, a silica shell thickness of about 10 nm, and exhibit a high saturation magnetization of 33.80 emu/g. In addition, the coercivities and remanences are almost zero and have superparamagnetic properties (see FIGS. 2 to 5 and the like herein).

본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드는 세포, 조직과 같은 핵산을 포함하는 시료에서 핵산을 순수하게 분리하는데 사용될 수 있는 것으로, 특히 생체 적합성 특징을 갖는 것이 중요하다. 본원의 방법에 따라 제조된 자성 나노입자는 도 6에 나타난 바와 같이, 세포 독성을 나타내지 않아, 생체 적합성을 가진다. The silica-coated magnetic nanobeads having a Fe 3 O 4 core according to the present application can be used to purely separate nucleic acids from samples containing nucleic acids such as cells and tissues, and it is particularly important to have biocompatibility characteristics. As shown in FIG. 6 , the magnetic nanoparticles prepared according to the method of the present application do not exhibit cytotoxicity, and thus have biocompatibility.

다른 양태에서 본원은 본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 이용한 세포, 및 조직과 같은 핵산을 포함하는 생체 시료 또는 인비트로 반응물에서 핵산을 분리 정제하는 방법에 관한 것이다.In another aspect, the present application relates to a method for isolating and purifying a nucleic acid from a biological sample or an in vitro reaction containing nucleic acids such as cells and tissues using silica-coated magnetic nanobeads having an Fe 3 O 4 core according to the present disclosure.

실리카로 코팅된 자성입자를 이용한 핵산 분리방법은 카오트로픽(Chaotropic) 시약(R. Boom et al., J. Clin. Microbiol., Vol 28(3), p495-503 (1990))을 이용하여 실리카가 핵산과 결합하게 되고, 외부자력을 이용하여 실리카 코팅된 자성입자를 나머지 용액으로부터 분리해냄으로서 수행된다.The nucleic acid separation method using silica-coated magnetic particles was conducted using a chaotropic reagent (R. Boom et al., J. Clin. Microbiol., Vol 28(3), p495-503 (1990)). binds to the nucleic acid, and is performed by separating the silica-coated magnetic particles from the rest of the solution using an external magnetic force.

본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 이용한 핵산 분리 방법은 핵산의 분리 정제가 필요한 시료(예를 들면 원핵 또는 진핵 세포 또는 조직과 같은 생체 시료, 또는 특정 반응을 위해 효소 처리된 인비트로 반응물 등을 포함)을 제공하는 단계로, 예를 들면 상기 시료는 세포 등을 파쇄하여 핵산이 포함된 파쇄물 또는 정제가 필요한 인비트로 증폭반응물 또는 합성된 핵산물을 포함하는 것이다. 상기 시료와 본원에 따른 자성 나노비드를 적절한 결합 완충액 중에서 혼합하는 단계로 이에 의해 상기 자성 나노비드에 시료 중의 핵산이 결합되며; 이어 상기 혼합물에 외부 자력을 제공하는 단계로 상기 자력의 제공에 의해 핵산이 결합된 자성 나노비드가 상기 혼합물을 포함하는 용기의 자력이 제공되는 쪽으로 이동하여 모아지고; 이어 혼합물의 자성 나노비드를 제외한 상층액을 제거하는 단계; 상기 외부 자력을 제거한 후, 상기 자성 나노비드 증류수와 같은 세척액을 이용하여 세척하는 단계; 및 상기 세척된 자성 나노비드에 결합된 핵산을 용출하는 단계를 포함한다. A nucleic acid separation method using a silica-coated magnetic nanobead having a Fe 3 O 4 core according to the present application is a sample requiring separation and purification of nucleic acids (eg, a biological sample such as prokaryotic or eukaryotic cells or tissues, or enzymes for a specific reaction) In the step of providing a treated in vitro reactant, etc.), for example, the sample includes a lysate containing a nucleic acid by disrupting cells, or an in vitro amplification reaction product or a synthesized nucleic acid product requiring purification. mixing the sample and the magnetic nanobeads according to the present application in an appropriate binding buffer, whereby the nucleic acids in the sample are bound to the magnetic nanobeads; Then, in the step of providing an external magnetic force to the mixture, the magnetic nanobeads to which nucleic acids are bound by providing the magnetic force are collected by moving toward the magnetic force of the container containing the mixture; then removing the supernatant except for the magnetic nanobeads of the mixture; after removing the external magnetic force, washing using a washing solution such as distilled water for the magnetic nanobeads; and eluting the nucleic acid bound to the washed magnetic nanobeads.

본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 이용한 핵산 분리 정제 방법에 사용되는 결합 완충액은 카오트로픽(chaotropic) 시약으로, 예를 들면 구아니딘염, 우레아, 염화물, 요오드화물, 과염소산염, (이소)티오시안산염 등이 포함되며, 구체적인 화합물로는 소디움 퍼크로레이트(Sodium perchlorate), 구아니딘하이드로클로라이드(Guanidine hydrochloride), 구아니딘 이소티오시아네이트(Guanidine isothiocyanate), 포타슘 요오드(Potassium iodide), 포타슘 티오시아네이트(Potassium thiocyanate), 소디움 클로라이드(Sodium chloride), 소디움 이소티오시아네이트(Sodium isothiocyanate), 마그네슘 클로라이드(Magnesium chloride), 소디움 요오드(Sodium iodide) 등을 예로 들 수 있다. 카오트로픽 시약은 1 내지 8 M(mol/L) 농도로 사용된다. The binding buffer used in the nucleic acid separation and purification method using the silica-coated magnetic nanobeads having an Fe 3 O 4 core according to the present application is a chaotropic reagent, for example, guanidine salt, urea, chloride, iodide, perchloric acid. salt, (iso) thiocyanate, etc. are included, and specific compounds include sodium perchlorate, guanidine hydrochloride, guanidine isothiocyanate, and potassium iodide. , potassium thiocyanate, sodium chloride, sodium isothiocyanate, magnesium chloride, sodium iodide, and the like. Chaotropic reagents are used in concentrations of 1 to 8 M (mol/L).

본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 이용한 핵산 분리 정제 방법에 사용되는 용출 완충액으로는 예를 들면 Tris-(hydroxymethyl)amino methane 완충액이 사용될 수 있다. As the elution buffer used in the nucleic acid separation and purification method using the silica-coated magnetic nanobeads having an Fe 3 O 4 core according to the present application, for example, a Tris-(hydroxymethyl)amino methane buffer may be used.

본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 이용한 핵산 분리 정제 방법은 시료로부터 핵산이 분리됨과 동시에 기타 세포내 단백질과 같은 물질로부터 정제될 수 있다. The nucleic acid separation and purification method using a silica-coated magnetic nanobead having a Fe 3 O 4 core according to the present disclosure can separate nucleic acids from a sample and at the same time be purified from substances such as other intracellular proteins.

본원에 따른 방법에 상기 핵산은 생체 유래 또는 인비트로 반응물의 DNA 및 RNA를 포함하는 것으로, 전자는 플라스미드 DNA, 유전체 DNA, cDNA, PCR(Polymerase chain reaction) 반응 생성물, 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 또는 DNA 프라이머(primers)를 포함하고, 후자는 mRNA, siRNA, miRNA를 포함한다.In the method according to the present application, the nucleic acid includes DNA and RNA of a bio-derived or in vitro reaction product, the former being plasmid DNA, genomic DNA, cDNA, polymerase chain reaction (PCR) reaction product, oligonucleotide or DNA primer (primers), the latter including mRNA, siRNA, and miRNA.

본원은 또한 본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 포함하는 핵산 분리 정제용 조성물 또는 키트에 관한 것이다. The present application also relates to a composition or kit for isolation and purification of nucleic acids comprising silica-coated magnetic nanobeads having an Fe 3 O 4 core according to the present application.

본원에 따른 조성물 또는 키트는 핵산과 실리카 자성나노입자를 결합시키기 위한 카오트로픽 시약, 용출 시약, 및/또는 세척용 시약 및/또는 사용 안내서를 포함할 수있다.The composition or kit according to the present disclosure may include a chaotropic reagent for binding the nucleic acid to the magnetic silica nanoparticles, an elution reagent, and/or a reagent for washing and/or instructions for use.

본원의 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 이용하여, 분리된 핵산은 핵산을 이용한 다양한 반응에 사용될 수 있다. Using the silica-coated magnetic nanobeads having a Fe 3 O 4 core according to the present application, the isolated nucleic acid can be used in various reactions using the nucleic acid.

본원에 따른 일 구현예에서는 본원에 따른 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 이용하여 세포에서 DNA를 높은 순도로 분리할 수 있었다. In one embodiment according to the present application, using the silica-coated magnetic nanobeads having an Fe 3 O 4 core according to the present application, it was possible to isolate DNA from cells with high purity.

이어 이러한 분리된 DNA를 핵산 증폭 반응의 일종인 LAMP 반응에 사용한 결과, 주형을 성공적으로 증폭할 수 있었으며, 이는 본원에 따른 자성 나노비드 및 이를 이용한 방법에 의한 우수한 핵산의 분리 정제를 나타내는 것이다(도 7 내지 8 참조). Subsequently, as a result of using the isolated DNA in the LAMP reaction, which is a type of nucleic acid amplification reaction, the template was successfully amplified, indicating excellent separation and purification of nucleic acids by the magnetic nanobead according to the present application and a method using the same (Fig. 7 to 8).

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 Example

실험재료 및 방법Experimental materials and methods

1. FeSO4·7H2O (≥ 99%), NaOH (> 99.9%), ethanol (≥ 99.5%), NH4OH (≥ 99.99%), 및 테트라에틸 오르쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate) (TEOS) (98%)를 포함한 모든 화합물은 Sigma-Aldrich에서 구입하였으며, 구매한대로 사용되었다. 에탄올(99% Duksan, South Korea)은 나노비드의 초기 세척(washing)에 사용되었다. 3차 증류수를 최종 세척에 사용하였으며, 수성 나노비드 현탁액 샘플의 제조에 사용하였다. 1. FeSO 4 7H2O (≥ 99%), NaOH (> 99.9%), ethanol (≥ 99.5%), NH 4 OH (≥ 99.99%), and tetraethyl orthosilicate (TEOS) (98 %) were purchased from Sigma-Aldrich and used as purchased. Ethanol (99% Duksan, South Korea) was used for initial washing of the nanobeads. Tertiary distilled water was used for the final wash and was used to prepare aqueous nanobead suspension samples.

2. 본원에서 합성된 나노비드의 특징 규명에 사용된 방법2. Methods used to characterize the nanobeads synthesized herein

HRTEM 이미지 및 원소 맵핑 이미지(Titan G2 ChemiSTEM CS Probe, FEI)를 측정하여 Fe3O4@SiO2 나노비드 입자의 직경, 형태 및 코어-쉘 구조를 규명하였다. 분말 시료의 결정 구조를 결정하기 위해서 미필터된 CuKα radiation (λ = 0.154184 Å)을 갖는 XRD 패턴 (X’PERT PRO MRD, Philips)을 기록하였다. Fe3O4@ 표면 상의 실리카 코팅을 조사하기 위해 FT-IR 흡광도 스텍트럼(Galaxy 7020A, Mattson Instruments, Inc)을 분석하였다. 자화(M, Magnetization) 대 적용된 장(H, applied field)의 커브(즉 M-H 커브)를 VSM(7407-S, Lake Shore)을 300 K에서 이용하여 측정하고, 본원에 따른 나노비드의 자성 특징을 규명하기 위해 사용하였다. 용액 샘플 중 철(Fe) 농도를 측정하기 위해 ICPAES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer) (Optima 7300DV& Avio500, Perkin Elmer)를 사용하였다. 본원에 따른 나노비드의 생체적합성은 인간 전립선 암세포(DU145) 및 정상 마우스 간세포(NCTC1469)의 세포 생활도(viability)를 a Luminescent Cell ViabilityAssay (CellTiter-Glo, Promega)를 사용하여 측정하였다. HRTEM images and element mapping images (Titan G2 ChemiSTEM CS Probe, FEI) were measured to determine the diameter, shape, and core-shell structure of Fe 3 O 4 @SiO 2 nanobead particles. To determine the crystal structure of the powder sample, an XRD pattern (X'PERT PRO MRD, Philips) with unfiltered CuKα radiation (λ = 0.154184 Å) was recorded. An FT-IR absorbance spectrum (Galaxy 7020A, Mattson Instruments, Inc) was analyzed to investigate the silica coating on the Fe 3 O 4 @ surface. The curve of magnetization (M, Magnetization) versus applied field (H, applied field) (ie, MH curve) was measured using a VSM (7407-S, Lake Shore) at 300 K, and the magnetic characteristics of the nanobeads according to the present application were measured. used to clarify. In order to measure the iron (Fe) concentration in the solution sample, an Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer (ICPAES) (Optima 7300DV & Avio500, Perkin Elmer) was used. The biocompatibility of the nanobeads according to the present application was measured using a Luminescent Cell Viability Assay (CellTiter-Glo, Promega) for the cell viability of human prostate cancer cells (DU145) and normal mouse hepatocytes (NCTC1469).

3. 시료: 암세포, 바이러스 및 박테리아 3. Samples: Cancer Cells, Viruses and Bacteria

핵산을 분리하기 위한 5 종류의 시료는 표 4와 같다. 5 종류의 샘플은 다음과 같다: A549 비소폐암세포 (Sample No. 1), 바실러스 세레우스(bacillus cereus) (ATCC® 14579TM) (Sample No. 2) 및 캠필로박터 제주니(campylobacter jejuni) (Sample No. 3)와 같은 박테리아, 및 뎅기 (Sample No. 4) 및 인플루엔자 A (Sample No. 5) 바이러스. 특정 량의 각 샘플을 2.0mL의 마이크로튜브 중에서 200μl의 인간 혈액 또는 90μl의 인산 완충 식염수 또는 90μl의 혈청과 혼합하였다(표 4 참조). 세포, 바이러스 및 박테리아를 파쇄하기 위해, 200μl의 파쇄 완충액 (10 mM Tris-HCl + 1 mM ethylenediaminetetraacetic acid(EDTA) + 0.5% sodium dodecyl sulfate)을 각 샘플에 추가하였다. 상기 샘플을 10초간 볼텍싱하고 60℃에서 5분간 배양하고, 200μl의 아이소프로필 알코올을 추가하였다. Table 4 shows five types of samples for isolating nucleic acids. Five types of samples were as follows: A549 non-small lung cancer cells (Sample No. 1), bacillus cereus (ATCC® 14579TM) (Sample No. 2) and campylobacter jejuni (Sample No. 1). 3), and dengue (Sample No. 4) and influenza A (Sample No. 5) viruses. A specific amount of each sample was mixed with 200 μl of human blood or 90 μl of phosphate buffered saline or 90 μl of serum in a 2.0 mL microtube (see Table 4). To disrupt cells, viruses and bacteria, 200 μl of disruption buffer (10 mM Tris-HCl + 1 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) + 0.5% sodium dodecyl sulfate) was added to each sample. The sample was vortexed for 10 seconds, incubated at 60° C. for 5 minutes, and 200 μl of isopropyl alcohol was added.

4. 샘플로부터 자성을 이용한 핵산 분리4. Magnetic Separation of Nucleic Acids from Samples

샘플을 포함하는 2mL의 마이크로-튜브를 8구의 마이크로튜브 랙에 넣고, 20μl의 자성 나노비드 용액을 상기 샘플에 추가하고, 10초 동안 볼텍스하였다. 이어 자석을 상기 랙의 뒷면에 1분간 부착하였다. 상기 튜브 중의 용액을 따라 내고, 자석을 상기 랙으로부터 분리하였다. 800ul의 세척 완충액-1 (MagListo-2, Bioneer, USA)을 상기 샘플에 추가하고 10초 동안 볼텍스하였다. 상기 자석을 상기 랙의 뒷면에 다시 1분간 부착하였고, 튜브의 용액을 따라 낸 후, 상기 자석을 탈착하였다. 이러한 완충액-1을 사용한 세척과정을 3회 반복하였다. 동일한 세척과정을 완충액-2(MagListo-2, Bioneer, USA)로 3회 반복하였다. 이 단계에서 샘플의 핵산은 정제된 것으로 간주되었다. 이어 나노비드 표면에 부착된 핵산을 분리해내기 위해, 80μl의 용출 완충액(MagListo-2, Bioneer, USA)을 상기 샘플에 추가하고, 10초간 볼텍스하였다. 상기 랙의 뒷면에 자석을 부착하고, 핵산을 포함하는 용액 샘플을 새로운 마이크로-튜브로 옮겼다. A 2mL micro-tube containing the sample was placed in an 8-neck microtube rack, 20 μl of a magnetic nanobead solution was added to the sample, and vortexed for 10 seconds. A magnet was then attached to the back of the rack for 1 minute. The solution in the tube was decanted and the magnet removed from the rack. 800ul of Wash Buffer-1 (MagListo-2, Bioneer, USA) was added to the sample and vortexed for 10 seconds. The magnet was attached to the back side of the rack again for 1 minute, the solution in the tube was poured, and the magnet was detached. The washing process using this buffer-1 was repeated 3 times. The same washing procedure was repeated three times with buffer-2 (MagListo-2, Bioneer, USA). At this stage the nucleic acids in the sample were considered purified. Then, in order to separate the nucleic acids attached to the surface of the nanobeads, 80 μl of an elution buffer (MagListo-2, Bioneer, USA) was added to the sample and vortexed for 10 seconds. A magnet was attached to the back of the rack, and the solution sample containing the nucleic acid was transferred to a new micro-tube.

5. 샘플로부터 분리된 핵산의 분석5. Analysis of Nucleic Acids Isolated from Samples

샘플로부터 핵산이 성공적으로 분리되었는지 여부의 확인은 다음과 같은 4가지 종류의 실험으로 수행되었다.Confirmation of whether the nucleic acid was successfully isolated from the sample was performed with the following four types of experiments.

먼저, 분리된 핵산의 농도는 UV-visible absorption spectrometer (QIAxpert, Qiagen, Germany)를 이용하여 260nm에서 흡광도(=A260)를 측정하여 결정하였다. 분리된 핵산의 순도는 A260/A230 and A260/A280 비를 측정하여 결정하였으며, A230은 아이소프로필 알콜 및 EDTA와 같은 유기 화합물의 230nm에서의 흡광도이고, A280은 단백질의 280nm에서의 흡광도이다. 분리된 핵산의 흡광도는 A260/A230 및 A260/A280의 수치가 1.9 내지 2.2 사이면 높은 것으로 간주된다. First, the concentration of the isolated nucleic acid was determined by measuring the absorbance (=A260) at 260 nm using a UV-visible absorption spectrometer (QIAxpert, Qiagen, Germany). The purity of the isolated nucleic acid was determined by measuring the A260/A230 and A260/A280 ratio, where A230 is the absorbance at 230 nm of organic compounds such as isopropyl alcohol and EDTA, and A280 is the absorbance at 280 nm of the protein. The absorbance of the isolated nucleic acid is considered high when the values of A260/A230 and A260/A280 are between 1.9 and 2.2.

다음으로, 분리된 핵산은 아가로스 젤에 전기 영동을 수행하여 확인하였다.Next, the isolated nucleic acid was confirmed by performing electrophoresis on an agarose gel.

또한 분리된 핵산의 LAMP 반응으로 확인하였다. 구체적으로 분리된 핵산의 LAMP 반응(T. Notomi, H. Okayama,H. Masubuchi, T. Yonekawa, K. Watanabe, N. Amino, T. Hase, Nucleic Acids Res. 28, e63 (2000))은 분리된 핵산 샘플 2μL를 2X 완충액, Bst DNA 또는 RNA 폴리머라제 및 프라이머를 포함하는 23μL의 LAMP 용액에 첨가하여 수행되었다. LAMP 동안 증폭으로 인해 핵산 농도가 10pg /μL를 초과하면 용액 색상이 보라색에서 파란색으로 변경된다(23. C. Reuter, N. Slesiona, S. Hentschel, O. Aehlig, A. Breitenstein, A. Cs

Figure pat00001
ki, T. Henkel, W. Fritzsche, Appl. Microbiol. Biotechnol. 104, 405-415 (2020)). In addition, it was confirmed by the LAMP reaction of the isolated nucleic acid. Specifically, the LAMP reaction of the isolated nucleic acid (T. Notomi, H. Okayama, H. Masubuchi, T. Yonekawa, K. Watanabe, N. Amino, T. Hase, Nucleic Acids Res. 28, e63 (2000)) was isolated This was performed by adding 2 μL of the nucleic acid sample to 23 μL of LAMP solution containing 2X buffer, Bst DNA or RNA polymerase and primers. When the nucleic acid concentration exceeds 10 pg/μL due to amplification during LAMP, the solution color changes from purple to blue (23. C. Reuter, N. Slesiona, S. Hentschel, O. Aehlig, A. Breitenstein, A. Cs
Figure pat00001
ki, T. Henkel, W. Fritzsche, Appl. Microbiol. Biotechnol. 104, 405-415 (2020)).

마지막으로 LAMP 반응동안 핵산 증폭은 실시간 핵산 증폭 장비(TP650, Takara, Japan)을 사용하여 실시간 형광 커브 대 사이클(1사이클= 30초)를 기록하여 확인하였다. Finally, nucleic acid amplification during the LAMP reaction was confirmed by recording real-time fluorescence curve versus cycle (1 cycle = 30 sec) using real-time nucleic acid amplification equipment (TP650, Takara, Japan).

도 7의 실험 방법 및 재료는 다음과 같다. The experimental method and materials of FIG. 7 are as follows.

주형은 Bacillus cereus (ATCC® 14579™)에서 추출한 핵산을 사용하였으며, 표적 유전자는 Bacillus cereus EntD이며, 증폭용 프라이머 및 반응 조건은 다음 표와 같다. FIP 및 BIP 프라이머는 각각 1.6uM, F3 및 B3는 각각 0.2uM로 사용하였다. 총 25ul 부피에서 반응을 수행하였다(핵산 2㎕, 2X Reaction buffer 12.5㎕, Bst Polymerase 1㎕, 프라이머 2㎕, 증류수 7.5ul). 63℃에서 30분 후 80℃에 3분 진행하였다.Nucleic acid extracted from Bacillus cereus (ATCC® 14579™) was used as the template, the target gene is Bacillus cereus EntD, and primers and reaction conditions for amplification are as follows. FIP and BIP primers were used at 1.6 uM, respectively, and F3 and B3 at 0.2 uM, respectively. The reaction was carried out in a total volume of 25ul (nucleic acid 2μl, 2X Reaction buffer 12.5μl, Bst Polymerase 1μl, primer 2μl, distilled water 7.5ul). After 30 minutes at 63° C., it was performed at 80° C. for 3 minutes.

[표 1][Table 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

도 8의 실험 방법 및 재료는 다음과 같다. The experimental method and materials of FIG. 8 are as follows.

주형은 A549(ATCC® CCL-185) 및 뎅기바이러스(NCCP 43248)에서 추출한 핵산을 사용하였으며, 표적 유전자는 A549 세포는 wdr1 gene (RNA 타겟), 뎅기바이러스는 Polyprotein gene (RNA 타겟)이며, 증폭용 프라이머 및 반응 조건은 다음 표와 같다. FIP 및 BIP 프라이머는 각각 1.6uM, F3 및 B3는 각각 0.2uM로 사용하였다. 총 25ul 부피에서 반응을 수행하였다 (핵산 2㎕, 2X Reaction buffer 12.5㎕, Bst Polymerase 1㎕, 프라이머 2㎕, 증류수 7.5ul). 58℃에서 30분 후 80℃에 3분 진행하였다.Nucleic acids extracted from A549 (ATCC® CCL-185) and dengue virus (NCCP 43248) were used as the template, and the target gene is wdr1 gene (RNA target) for A549 cells, and polyprotein gene (RNA target) for dengue virus. Primers and reaction conditions are shown in the following table. FIP and BIP primers were used at 1.6 uM, respectively, and F3 and B3 at 0.2 uM, respectively. The reaction was performed in a total volume of 25ul (nucleic acid 2μl, 2X Reaction buffer 12.5μl, Bst Polymerase 1μl, primer 2μl, distilled water 7.5ul). After 30 minutes at 58°C, it was performed at 80°C for 3 minutes.

[표 2][Table 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

[표 3][Table 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

실시예 1. FeExample 1. Fe 33 OO 44 @SiO@SiO 22 코어-쉘 나노비드(코어 = Fe Core-shell nanobeads (core = Fe 33 OO 44 및 쉘= SiO and shell=SiO 22 )의 합성) synthesis

단일 Fe2+ 전구체를 사용하여 Fe3O4 나노비드(도 1 참조)를 제조하였다. 반응식은 다음과 같다: A single Fe 2+ precursor was used to prepare Fe 3 O 4 nanobeads (see FIG. 1 ). The reaction equation is:

3Fe2+ (aq) + 8OH- (aq) → 3Fe(OH)2 (s) + 2OH- (aq) → Fe3O4(s) + 4H2O(ℓ)3Fe 2+ (aq) + 8OH - (aq) → 3Fe(OH) 2 (s) + 2OH- (aq) → Fe 3 O 4 (s) + 4H 2 O(ℓ)

0.5mmol의 FeSO4·7H2O를 실온에서 대기 조건하에 50mL 비이커에 담긴 20mL의 3차 증류수에 자기 교반하면서 첨가 하였다. 이어 20mL의 3차 증류수에 녹인 10 mmol의 NaOH를 FeSO4·7H2O 용액에 천천히 추가하였고, 상기 용액의 pH는 >8이었다. 상기 반응혼합물을 30분 동안 자기 교반하였고, 400mL의 3차 증류수가 담긴 500mL 비이커로 옮겼다. 상기 프러덕트 용액을 Fe3O4 나노비드가 바닥에 침전될때까지 냉장고(~4℃)에 보관하였다. 이어 Na+, OH-, 및 비반응(unreacted) 전구물질을 포함하는 상부 투명한 용액을 따라냈다. 침전물을 3차 증류수로 3회 세척하였다. 0.5 mmol of FeSO 4 ·7H 2 O was added to 20 mL of tertiary distilled water in a 50 mL beaker at room temperature under atmospheric conditions with magnetic stirring. Then, 10 mmol of NaOH dissolved in 20 mL of tertiary distilled water was slowly added to a FeSO 4 ·7H 2 O solution, and the pH of the solution was >8. The reaction mixture was magnetically stirred for 30 minutes, and transferred to a 500 mL beaker containing 400 mL of tertiary distilled water. The product solution was stored in a refrigerator (˜4° C.) until Fe 3 O 4 nanobeads were precipitated on the bottom. The top clear solution was then decanted containing Na+, OH-, and unreacted precursor. The precipitate was washed three times with tertiary distilled water.

이어 Fe3O4 나노비드를 실리카(즉 SiO2)로 코팅하기 위해, SiO2 나노비드를 St

Figure pat00005
ber 방법으로 제조하였다(W. St
Figure pat00006
ber, A. Fink,E. Bohn, J. Colloid Interface Sci. 26,62-69(1968)). TEOS(Tetraethyl orthosilicate)는 물의 추가시 SiO2로 변환된다. 이를 위해, 50mL의 에탄올, 10mL의 3차 증류수, 1.7mL의 18M NH4OH, 및 0.6mL의 TEOS를 500mL 비이커에서 혼합하였다. 상기 혼합 용액을 대기 조건하의 실온에서 1시간 동한 자기 교반하였다. 이어 상기 20ml의 Fe3O4 나노비드 용액을 상기 60ml의 SiO2 나노비드 용액(pH=8~9)에 서서히 추가하였다. 상기 혼합물을 대기 조건하에서 5시간 동안 계속 초음파처리하였다. NH4+, OH-, 및 자유 SiO2 나노비드를 상기 프러덕트 용액으로부터 제거하기 위해, 상기 프러덕트 용액을 400mL의 에탄올로 희석한 후, Fe3O4 나노비드가 비이커 바닥에 침전될때까지 냉장고(~4℃)에 보관하였다. 상층액을 제거하였다. 에탄올을 이용한 세척은 3회 반복되었다. 나노비드에서 에탄올을 제거하기 위해, 3차 증류수를 이용한 동일한 세척과정을 3회 반복하였다. 수득한 나노비드를 두 부분으로 나누었다: 하나는 공기중에서 건조하여 분말을 수득하였으며, 이는 특징 규명 실험을 위한 실험에 사용되었으며, 다른 하나는 3차 증류수로 희석하여 나노비드 용액 시료(> 15 mM Fe)를 제조하였다. Following In order to coat Fe 3 O 4 nanobeads with silica (ie SiO 2 ), SiO 2 nanobeads are coated with St
Figure pat00005
ber method (W. St
Figure pat00006
ber, A. Fink, E. Bohn, J. Colloid Interface Sci. 26,62-69 (1968)). Tetraethyl orthosilicate (TEOS) is converted to SiO 2 upon addition of water. For this, 50 mL of ethanol, 10 mL of tertiary distilled water, 1.7 mL of 18M NH 4 OH, and 0.6 mL of TEOS were mixed in a 500 mL beaker. The mixed solution was magnetically stirred for 1 hour at room temperature under atmospheric conditions. Then, the 20ml Fe 3 O 4 nanobead solution 60ml of SiO 2 nanobead solution (pH=8-9) was added slowly. The mixture was sonicated continuously for 5 hours under atmospheric conditions. NH4 +, OH - refrigerator until, and the free SiO 2 nano-beads in order to remove from the peureo duct solution, after diluting the peureo duct solution in a 400mL ethanol, Fe 3 O 4 nano-beads to settle to the bottom beaker ( ~4°C). The supernatant was removed. Washing with ethanol was repeated 3 times. In order to remove the ethanol from the nanobeads, the same washing process using tertiary distilled water was repeated three times. The obtained nanobeads were divided into two parts: one was dried in air to obtain a powder, which was used for the experiment for characterization experiments, and the other was diluted with tertiary distilled water to obtain a nanobead solution sample (> 15 mM Fe ) was prepared.

[표 4] Samples, characterizations, and UV-absorbance results[Table 4] Samples, characterizations, and UV-absorbance results

Figure pat00007
Figure pat00007

실시예 2. 본원에서 합성된 나노비드의 특징 규명Example 2. Characterization of the nanobeads synthesized herein

2-1. HRTEM 분석 결과2-1. HRTEM analysis results

도 2a에 도시 된 바와 같이, Fe3O4@SiO2 나노비드는 입자 직경이 50 내지 60nm 인 거의 구형의 형태를 가졌으며, 명암 대비를 갖는 실리카 쉘 및 Fe3O4 코어를 갖는 코어-쉘 구조를 나타냈다. 쉘 두께는 대략 10nm인 것으로 나타났다. 본원에 따른 방법에서는 단일 전구체 Fe2+를 합성에 사용하여 Fe3O4 나노 비드의 입자의 직경을 크게 제조하였다. HAADF-STEM (high-angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy) 이미지는 도 2 b에 기재되어 있다. HAADF-STEM 이미지 상의 원소(Fe, O, 및 Si) 맵핑은 도 2c 내지 도 2f에 기재되어 있다. 원소 맵핑 결과 Fe은 코어(도 2c)에 분포되어 있고, O는 코어 및 쉘 모두(도 2d)에 분포되어 있었으며, Si는 주로 쉘(도 2e)에 분포되어 있는 것으로 나타났다. 겹쳐진(merged) 이미지는 코어-쉘 구조를 명확하게 보여주고 있다(도 2f). As shown in Fig. 2a, Fe 3 O 4 @SiO 2 nanobeads had a nearly spherical shape with a particle diameter of 50 to 60 nm, and a core-shell having a silica shell and a Fe 3 O 4 core with contrast. structure was shown. The shell thickness was found to be approximately 10 nm. In the method according to the present application, a single precursor Fe 2+ was used for synthesis to prepare large diameter particles of Fe 3 O 4 nanobeads. High-angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) images are shown in FIG. 2B . Elemental (Fe, O, and Si) mappings on HAADF-STEM images are described in Figures 2c-2f. As a result of element mapping, Fe was distributed in the core (FIG. 2c), O was distributed in both the core and the shell (FIG. 2D), and Si was mainly distributed in the shell (FIG. 2E). The merged image clearly shows the core-shell structure (Fig. 2f).

2-2. XRD 분석결과2-2. XRD analysis result

도 3은 bare Fe3O4 나노비드 (하단) 및 Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노 비드 (상단)의 XRD 패턴을 보여준다. 베어 Fe3O4 나노비드의 XRD 패턴에 나타난 모든 피크는 입방 Fe3O4에 해당하는 (hkl) 밀러 지수로 할당 될 수 있다. Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노 비드는 비정질 SiO2 코팅으로 인해 감소된 피크 강도를 나타냈다. Fe3O4 나노비드의 추정된 셀 상수는 8.37 ± 0.05 Å이며, 이는 보고된 값과 일치하는 것이다 (T. Tegafaw, W. Xu, S. H. Lee, K. S. Chae, Y. Chang, G. H. Lee, Int. J. Mod. Phys. B 31, 1750014 (2017)). 3 shows XRD patterns of bare Fe 3 O 4 nanobeads (bottom) and Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads (top). All peaks appearing in the XRD pattern of bare Fe 3 O 4 nanobeads can be assigned to (hkl) Miller index corresponding to cubic Fe 3 O 4 . Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads exhibited reduced peak intensity due to the amorphous SiO 2 coating. The estimated cell constant of Fe 3 O 4 nanobeads is 8.37 ± 0.05 Å, which is consistent with the reported values (T. Tegafaw, W. Xu, SH Lee, KS Chae, Y. Chang, GH Lee, Int. J. Mod. Phys. B 31, 1750014 (2017)).

2-3. FT-IR 분석2-3. FT-IR analysis

Fe3O4 나노비드 표면의 SiO2 코팅을 조사하기 위해 베어 Fe3O4 나노비드 (상단) 및 Fe3O4@SiO2 코어-쉘 (하단)의 FT-IR 흡수 스펙트럼을 조사하였다(도 4). 베어 Fe3O4 및 Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노 비드의 FT-IR 흡수 스펙트럼에서 550 cm-1에서의 특징적인 흡수 피크는 Fe-O 스트레칭 진동으로 인한 것이었다(T. Tegafaw, W. Xu, S. H. Lee, K. S. Chae, Y. Chang, G. H. Lee, Int. J. Mod. Phys. B 31, 1750014 (2017)). Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노 비드의 FT-IR 흡수 스펙트럼에서 1090 cm-1에서의 피크는 Si-O-Si 스트레치 진동으로 인한 것이었다(S. Musi

Figure pat00008
, N. Filipovi
Figure pat00009
-Vincekovi
Figure pat00010
, L. Sekovani
Figure pat00011
, Braz. J. Chem. Eng. 28, 89-94 (2011)). 이러한 결과는 Fe3O4 나노 비드의 표면이 SiO2로 성공적으로 코팅되었음을 나타내는 것이다. Fe 3 O 4 to investigate the SiO 2 coating of the nano-beads bear a surface Fe 3 O 4 nano-beads (top) and Fe 3 O 4 @SiO 2 core-examined the FT-IR absorption spectrum of the shell (bottom) (FIG. 4). The characteristic absorption peak at 550 cm −1 in the FT-IR absorption spectrum of bare Fe 3 O 4 and Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads was due to the Fe-O stretching vibration (T. Tegafaw, W. (. Xu, SH Lee, KS Chae, Y. Chang, GH Lee, Int. J. Mod. Phys. B 31, 1750014 (2017)). The peak at 1090 cm -1 in the FT-IR absorption spectrum of Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads was due to Si-O-Si stretch vibration (S. Musi).
Figure pat00008
, N. Filipovi
Figure pat00009
-Vincekovi
Figure pat00010
, L. Sekovani
Figure pat00011
, Braz. J. Chem. Eng. 28, 89-94 (2011)). These results indicate that the surface of the Fe 3 O 4 nanobeads was successfully coated with SiO 2 .

2-4. VSM 분석 결과2-4. VSM analysis results

베어 Fe3O4 및 Fe3O4@SiO2 코어-쉘 나노 비드의 자기 특성은 300 K에서 M-H 곡선을 기록함으로써 결정되었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 보자력(coercivities)과 잔류성(remanences)은 거의 0으로, 이는 본원에서 합성된 나노 비드가 주로 초상자성임을 나타낸다. 베어 Fe3O4 나노 비드의 포화 자화(Ms)는 78.5 emu/g로 나타났으며, 이는 비자성 SiO2 코팅으로 인해 Fe3O4@SiO2 나노 비드의 33.80 emu/g 보다 높은 값으로 이 수치는 자기 분리에 강력할만큼 충분히 높은 것이다. The magnetic properties of bare Fe 3 O 4 and Fe 3 O 4 @SiO 2 core-shell nanobeads were determined by recording MH curves at 300 K. As shown in FIG. 5 , the coercivities and remanences are almost zero, indicating that the nanobeads synthesized herein are mainly superparamagnetic. The saturation magnetization (Ms) of bare Fe 3 O 4 nanobeads was 78.5 emu/g, which was higher than 33.80 emu/g of Fe 3 O 4 @SiO 2 nanobeads due to the non-magnetic SiO 2 coating. The number is high enough to be powerful for magnetic separation.

2-5. 인비트로 세포독성2-5. In vitro cytotoxicity

Fe3O4@SiO2 코어 쉘 나노비드는 DU145 및 NCTC1469 세포에서 최대 200μM Fe의 매우 낮은 세포 독성을 나타냈다(도 6). 이는 본원 방법에 따라 제조된 나노비드의 우수한 생체 적합성을 나타낸다.Fe 3 O 4 @SiO 2 core shell nanobeads showed very low cytotoxicity of up to 200 μM Fe in DU145 and NCTC1469 cells ( FIG. 6 ). This indicates the excellent biocompatibility of the nanobeads prepared according to the present method.

2-6. 분리된 핵산의 분석 결과2-6. Analysis result of isolated nucleic acid

Fe3O4 @ SiO2 코어-쉘 나노비드를 이용한 성공적인 핵산 분리는 하기 기재된 바와 같이 다양한 실험(표 4)를 통해 확인되었다.Successful nucleic acid isolation using Fe 3 O 4 @ SiO 2 core-shell nanobeads was confirmed through various experiments (Table 4) as described below.

시험된 모든 샘플에서 LAMP 동안 용액 색상이 보라색에서 파란색으로 변하였다(도 7). 이는 모든 샘플에서 핵산이 성공적으로 증폭되었음을 나타낸다. 따라서 이어 선별된 샘플에 대해서만 추가의 실험을 수행하였다. The solution color changed from purple to blue during LAMP in all samples tested ( FIG. 7 ). This indicates that the nucleic acid was successfully amplified in all samples. Therefore, further experiments were then performed only on the selected samples.

분리된 핵산의 농도는 A260의 UV- 흡광도 측정으로부터 샘플 번호 1, 2 및 4에 대해 결정되었다. 3가지 샘플 모두에 대해 농도를 알 수 있었다(표 4). A260 / A230 비율은 세 샘플 모두에 대해 높았으며 분리된 핵산에서 유기 분자에 의한 오염이 거의 없음을 나타냈다. 그러나 A260 / A280 비율은 샘플 번호 1에 대해서만 높았으며, 이는 분리된 핵산이 샘플 번호 2와 4에 대해 단백질에 의해 다소 오염되었으나 그러나 핵산을 검출하는데는 아무런 문제가 없는 정도이다.Concentrations of isolated nucleic acids were determined for Sample Nos. 1, 2 and 4 from UV-absorbance measurements of A260. Concentrations were known for all three samples (Table 4). The A260/A230 ratio was high for all three samples, indicating little contamination by organic molecules in the isolated nucleic acids. However, the A260 / A280 ratio was high only for Sample No. 1, which is to a degree that the isolated nucleic acid was somewhat contaminated with protein for Sample Nos. 2 and 4, but there was no problem in detecting the nucleic acid.

LAMP 동안 샘플 번호 1 및 4에 대한 실시간 형광 곡선을 기록함으로써 핵산 분리를 확인 하였다. 형광 신호는 두 샘플 모두에서 관찰되었으며(도 8), 핵산을 함유하지 않은 대조 용액에서는 형광이 관찰되지 않았다.Nucleic acid segregation was confirmed by recording real-time fluorescence curves for sample numbers 1 and 4 during LAMP. A fluorescence signal was observed in both samples (FIG. 8), and no fluorescence was observed in the control solution containing no nucleic acid.

상기 모든 결과는 모든 샘플로부터 Fe3O4 @ SiO2 코어-쉘 나노 비드에 의한 성공적인 핵산 분리를 나타내는 것이다. All the above results indicate successful nucleic acid separation by Fe 3 O 4 @ SiO 2 core-shell nanobeads from all samples.

이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.Although the exemplary embodiments of the present application have been described in detail above, the scope of the present application is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present application as defined in the following claims are also included in the scope of the present application. will belong to

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, have the meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art of the present invention. The contents of all publications herein incorporated by reference are incorporated herein by reference.

Claims (7)

다음의 단계를 포함하는, 입자 직경이 50 내지 60nm 이고, 실리카 쉘 두께가 10nm인, Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드의 제조방법:
(a) 물 중의 0.025mM의 FeSO4·7H2O와 500mM의 NaOH 수용액을 상온에서 교반하면서 반응시키는 단계;
(b) 이어 용액을 4℃에서 정치하여, Fe3O4 나노비드의 침전물이 생성되도록 하는 단계;
(c) 상기 침전물 생성 후, 상기 용액 중 상층액을 제거하고, 상기 침전물을 물로 세척한 후, 물에 현탁하여 Fe3O4 나노비드 현탁액을 제조하는 단계;
(d) 상기 Fe3O4 나노비드 현탁액을 SiO2 나노비드 용액에 1:3의 부피비로 추가하되, 상기 Fe3O4 나노비드 대 상기 SiO2 나노비드는 1:3의 중량비로 포함되고, 상기 용액을 상온에서 초음파 처리하는 단계;
(e) 상기 초음파 처리된 용액을 4℃에서 정치하여 실리카 코팅된 Fe3O4 나노비드의 침전물이 생성되도록 하는 단계; 및
(f) 상기 (e) 단계의 침전물이 생성된 후, 상층액을 제거하고, 상기 침전물을 에탄올 및 물로 세척하여, 실리카 코팅된 Fe3O4 나노비드를 수득하는 단계.
A method for producing silica-coated magnetic nanobeads having a particle diameter of 50 to 60 nm and a silica shell thickness of 10 nm, having a Fe 3 O 4 core, comprising the steps of:
(a) reacting 0.025 mM FeSO 4 ·7H 2 O in water and 500 mM NaOH aqueous solution at room temperature with stirring;
(b) then allowing the solution to stand at 4° C. to produce a precipitate of Fe 3 O 4 nanobeads;
(c) after generating the precipitate, removing the supernatant from the solution, washing the precipitate with water, and suspending in water to prepare a Fe 3 O 4 nanobead suspension;
(d) adding the Fe 3 O 4 nanobead suspension to the SiO 2 nanobead solution in a volume ratio of 1:3, wherein the Fe 3 O 4 nanobeads to the SiO 2 nanobeads are included in a weight ratio of 1:3, ultrasonicating the solution at room temperature;
(e) allowing the sonicated solution to stand at 4° C. to produce a precipitate of silica-coated Fe 3 O 4 nanobeads; and
(f) After the precipitate of step (e) is generated, removing the supernatant, and washing the precipitate with ethanol and water, to obtain silica-coated Fe 3 O 4 nanobeads.
제 1 항에 있어서,
상기 SiO2 나노비드 용액은 에탄올, 3차 증류수, 18M NH4OH 및 TEOS TEOS(tetraethoxysilane)를 5: 1: 1.7: 0.6의 부피비로 혼합하여 제조되는 것인, Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드의 제조방법.
The method of claim 1,
The SiO 2 nanobead solution is prepared by mixing ethanol, tertiary distilled water, 18M NH 4 OH and TEOS TEOS (tetraethoxysilane) in a volume ratio of 5: 1: 1.7: 0.6, Fe 3 O 4 Silica coating having a core A method of manufacturing a magnetic nanobead.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법으로 제조된 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드.
A silica-coated magnetic nanobead having a Fe 3 O 4 core prepared by the method according to claim 1 or 2 .
제 3 항에 따른 자성 나노비드를 핵산 결합성 담체로 사용하는 것을 특징으로 하는, 핵산 분리 방법.
A method for isolating a nucleic acid, characterized in that the magnetic nanobead according to claim 3 is used as a nucleic acid-binding carrier.
제 4 항에 있어서
상기 핵산은 DNA, 또는 RNA인, 핵산 분리 방법.
5. The method of claim 4
The nucleic acid is DNA or RNA, a nucleic acid isolation method.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법으로 제조된 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 포함하는 핵산 분리용 조성물.
A composition for separating nucleic acids comprising silica-coated magnetic nanobeads having a Fe 3 O 4 core prepared by the method according to claim 1 or 2.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법으로 제조된 Fe3O4 코어를 갖는 실리카 코팅된 자성 나노비드를 포함하는 핵산 분리용 키트.A kit for separating nucleic acids comprising silica-coated magnetic nanobeads having a Fe 3 O 4 core prepared by the method according to claim 1 or 2.
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