KR20220032602A - 냄새의 물리화학적 분류를 가능하게 하는 전자 코용 검출 시스템 및 그러한 시스템을 포함하는 전자 코 - Google Patents

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소피 브레넷
아르노 부호트
티에리 리바체
시릴 헤리어
트리스탄 루쎌
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
아리발
상뜨르 나시오날 드 라 리쉐르쉐 샹띠피끄
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Abstract

본 발명은 냄새의 물리화학적 분류, 즉 이러한 냄새를 구성하는 휘발성 화합물, 또는 냄새 분자의 물리화학적 특성의 함수로서의 분류를 가능하게 하는 전자 코용 검출 시스템에 관한 것이다. 이 검출 시스템은 휘발성 화합물에 대해 교차-반응성을 갖는 센서를 포함하며, 각각의 센서는 α-아미노산의 반복에 의해 형성된 서열을 포함하는 수용체에 의해 기능화된 감응부를 포함한다. 제1 시리즈 센서 중 한 센서의 수용체의 α-아미노산은 친수성이지만, 상기 제1 시리즈 중 다른 센서의 수용체의 α-아미노산은 소수성이고, 제2 시리즈 센서 중 2개의 센서의 수용체의 α-아미노산은 다른 하나와 적어도 1 pH 단위만큼 서로 상이한 등전점을 갖는다.

Description

냄새의 물리화학적 분류를 가능하게 하는 전자 코용 검출 시스템 및 그러한 시스템을 포함하는 전자 코
본 발명은 전자 코(electronic nose) 분야에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 냄새의 물리화학적 분류, 즉 그러한 냄새를 구성하는 휘발성 화합물 또는 냄새 분자의 물리화학적 특성에 따른 분류를 가능하게 하는 전자 코용 검출 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 그러한 검출 시스템을 포함하는 전자 코에 관한 것이다.
본 발명은 특히 하기와 같은 많은 응용 분야를 갖는다:
- 예를 들어, 후각 상실, 부분 후각 상실(후각감퇴증(hyposmia)) 또는 전체 후각 상실(무후각증(anosmia))로 고통받는 사람들에게 후각에 대한 대체물을 제공하거나, 또는 당뇨병, 특정 암(전립선암, 폐암, 난소암 등) 및 특정 미생물 감염과 같이, 생물 유체에서 또는 호흡에서 휘발성 냄새 화합물의 존재를 동반하는 질병의 발전을 진단하거나 추적하는 건강 분야;
- 예를 들어 제조 및/또는 유통망에서 가능한 오염을 검출하거나, 원자재 또는 완제품에 대한 품질 관리를 수행하는, 식품, 화장품 및 제약 산업;
- 아로마 및 향수 분야;
- 예를 들어, 제조, 보관, 취급 및/또는 잠재적으로 위험한 휘발성 물질에 의해 오염될 가능성이 있는 현장을 모니터링하거나, 폭발물 또는 독성 제제와 같은 위험 물질, 또는 마약과 같은 불법 물질의 존재를 감시하거나, 또는 돌무더기(rubble) 또는 잔해(debris) 아래에 묻힌 사람을 찾는 등의, 재산 및 인명의 안전 분야; 및
- 예를 들어, 공기 품질 또는 다소 제한적인 대기를 모니터링하거나, 또는 산업 또는 농업 기원의 후각적인 오염을 모니터링하고 분석하는, 환경 분야.
후각, 또는 냄새맡기는 포유동물, 구체적으로 인간에게 제공되며, 기체상 매질, 구체적으로 주변 공기에 존재하는 휘발성 화합물을 검출하고 분석할 수 있게 하는 감각이다.
오늘날, 후각을 모방할 수 있는 휴대용 기기에 대한 수요가 크다. 이러한 기기를 전자 코라고 칭한다.
전자 코에 의한 휘발성 화합물의 검출이 신속하고 안정적이어야 한다는 사실에 더해, 다용도이어야, 즉 가능한 한 많은 휘발성 화합물을 커버해야 한다. 목적은 휘발성 화합물에 의해 기체상 매질 휘발성 화합물의 분석을 수행하는 것이 아니라, 매우 유사한 화학적 조성의 냄새를 구별할 수 있도록 충분히 미세한 이 매질에 존재하는 휘발성 화합물의 구별을 수행하는 것이다.
오늘날, 후각을 모방할 수 있다는 것은 후각이 생물학, 물리화학, 및 인지를 결합한 매우 복잡한 감각이기 때문에 여전히 과학적이고 기술적인 도전을 나타낸다. 이 감각은 오랫동안 거의 연구되지 않았고, 그 기능이 거의 알려지지 않았다.
1991년에 L. Buck과 R. Axel은 처음으로 후각 수용체(또는 OR)에 대한 유전자를 식별하고 서열분석하는 데 성공했다. 이들의 작업은 후각 기능의 일반적인 메커니즘을 확립할 수 있게 했다.
일반적으로 생물학에서 접하는 상호작용 모델과 달리, OR에 의한 휘발성 화합물의 검출 및 식별은 열쇠-자물쇠 모델(key-lock model)(생물학적으로 활성인 분자가 그에 특이적인 리간드에 의해 인식되는 모델, 예를 들어 생물학적으로 활성인 분자가 항원인 경우의 항체)에 의존할 뿐만 아니라, 또한 하기와 같은 교차-반응성(cross-reactivity)의 원리에 기초한다:
- 각각의 OR은 상이한 친화성을 갖는 여러 개의 휘발성 화합물을 인식할 수 있음;
- 각각의 휘발성 화합물은 여러 개의 OR과 물리화학적으로 상호작용할 수 있음; 및
- 상이한 휘발성 화합물은 모든 OR의 상이한 조합에 의해 인식될 수 있음.
따라서, 전자 코는 후각의 생물학적 메커니즘으로부터 영감을 받아 설계되었다.
생물학적 유사체와 유사하게, 전자 코는 주로 하기 세 가지 시스템으로 구성된다:
(1) 전자 코의 외부와 전자 코의 내부 사이에서 기체상 매질의 샘플을 운반하기 위한 유체 시스템-이 시스템은 호흡 시스템의 역할을 함-;
(2) 기체상 샘플에 존재하는 휘발성 화합물에 대해 교차-반응성을 갖는 센서 어레이(즉, 단위 검출 요소)를 포함하는 검출 시스템-센서는 인간 코의 OR의 역할을 함-; 및
(3) 신호의 형태로 센서에 의해 방출된 응답을 처리하고 분석하기 위한 컴퓨터 시스템-이 시스템은 인간 두뇌의 역할을 함-.
지난 30년 동안, 전자 코의 개발은 센서의 감응부(sensitive part)(즉, 휘발성 화합물과 물리화학적으로 상호작용하는 센서의 부분)를 구성하는 다양한 재료와 다양한 변환(transduction) 방법(즉, 센서의 감응부와 휘발성 화합물 사이에서 발생하는 물리화학적인 상호작용을 사용가능한 신호로 변환할 수 있게 함)의 사용으로 크게 발전했다.
그러나, 이러한 전자 코의 성능은 특히 유사한 화학적 조성의 냄새를 구별하는 능력 면에서 인간 코보다 여전히 훨씬 더 낮다.
대부분의 기존 전자 코에서, 센서의 감응부, 즉 휘발성 화합물과 상호작용하는 부분은 반도체 금속 산화물(또는 MOS) 및 반도체 중합체와 같은 비생물학적 재료로 구성된다. 이러한 재료는 일반적으로 높은 감도를 갖지만, 물리화학적 특성의 변동성이 낮기 때문에, 휘발성 화합물(이는 MOS의 경우 주로 물리적 흡착 유형이고, 반도체 중합체의 경우 반 데르 발스 상호작용 및 물리적 흡착 유형임)과 상호작용하는 메커니즘이 너무 제한되어 냄새 구별이 가능하지 않다. 또한, MOS는 높은 작업 온도(200℃ 내지 300℃의 범위)를 갖는 결점이 있는 한편, 반도체 중합체는 공기 습도에 민감하여 검출의 재현성에 영향을 준다.
전자 코를 보다 효율적으로 만들기 위해, 쉽게 합성되고, 가능한 경우 표면 공학에 의해 자가 조립되어 재현가능한 기능을 갖는 나노미터 두께의 박막을 수득할 수 있는 다양한 물리화학적 특성을 갖는, 생물학적이든 아니든 저분자량인 유기 분자로 센서의 감응부를 만드는 것이 제안되었다.
하기를 사용하는 것이 제안되었다:
- 다양한 화학 기(방향족 기, 카르복실 기, 에스테르 등)로 종결되는 알칸 분자-이러한 분자는 탄소 나노튜브, 실리콘 나노와이어 또는 금 나노입자 상에 증착됨-;
- 탄소 나노튜브, 그래핀 및 그래핀 나노결정에 부착된 올리고뉴클레오티드; 및
- 펩티드.
펩티드와 관련하여, 공명 캔틸레버(cantilever) 센서에서, 23개의 α-아미노산으로 각각 형성된 3개의 펩티드를 사용하였으며, 그 중 일부는 탄소 나노튜브 상에 이러한 펩티드를 고정하는 데 사용되는 한편, 다른 일부는 휘발성 화합물과 상호작용하기 위한 것인, L. A. Beardslee et al.(Proceedings of the IEEE International Conference on the Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 2011, 964-967, 이하 참고문헌 [1])의 작업을 언급할 수 있다. 후자는 7회 반복된 α-아미노산으로 구성되며, 이 α-아미노산은 제1 펩티드의 아르기닌, 제2 펩티드의 히스티딘, 및 제3 펩티드의 트레오닌이다. 이러한 3개의 α-아미노산이 극성이고 센서가 에탄올 및 톨루엔에 노출됨에 따라, 이들 저자는 펩티드, 특히 8개의 트레오닌 잔기를 포함하는 펩티드가, 무극성인 톨루엔에 비해 그 자체가 극성인 에탄올에 대해 더 큰 친화성을 갖는다는 것을 보여준다. 이로부터 그들은 적절한 펩티드 기능화를 사용함으로써 이러한 화합물의 극성에 따라 휘발성 화합물에 대한 센서의 친화도를 조절하는 것이 가능해야 한다고 결론지었다. 그러나, 이러한 적합한 기능화가 무엇이 될 수 있는지는 명시하지 않는다.
또한 티오글리콜산, 글루타티온, 시스테인, 및 2개의 디펩티드(γ-글루타밀시스테인 및 시스테이닐글리신)와 헥사펩티드를 포함하는 3개의 펩티드 의해 기능화된 금 나노입자를 기반으로 하는 센서 어레이를 구축한 D. Compagnone et al.(Biosensors and Bioelectronics 2013, 42, 618-625, 이하 참고문헌 [2])의 작업을 언급할 수 있다. 길이는 다르지만, 이러한 3개의 펩티드는 글루타티온과 구조적으로 관련이 있기 때문에 유사한 물리화학적 특성을 갖는다.
마지막으로, 상이한 물리화학적 특성을 갖는 생체모방 펩티드와 티올화 분자로 구성된 수용체에 의해 감응부가 기능화되는 센서 어레이가, 상이한 화학적 클래스(알코올, 에스테르, 카르복실산, 케톤, 탄화수소, 알데히드 및 아민)에 속하는 휘발성 화합물을 구별하여 인식할 수 있고, 따라서 이러한 화합물을 물리화학적 척도 없이 구별하는 것의 가능성을 제공함을 보여주는 S. Brenet et al.(Analytical Chemistry 2018, 90, 9879-9887, 이하 참고문헌 [3])의 작업을 언급해야 한다.
그러나, 이 참고문헌은 수용체를 형성하는 생체모방 펩티드 및 티올화 분자의 화학적 조성 모두에 대해 전혀 언급하지 않았으며, 결과적으로 어떤 물리화학적 염기(들)에서 휘발성 화합물의 분화가 얻어지는지는 알 수 없는 것으로 밝혀졌다.
본 발명은 기체상 샘플에 존재할 가능성이 있는 휘발성 화합물의 세트 E를 검출 및 식별할 수 있으며, 물리화학적 특성에 따라 이러한 휘발성 화합물의 물리화학적 분류를 가능하게 하는 전자 코용 검출 시스템을 제안함으로써 이 기술분야 상태의 단점을 극복하는 것을 목표로 한다.
본 검출 시스템은 상기 세트 E의 상기 휘발성 화합물에 대한 교차-반응성(cross-reactivity)을 갖는 복수의 센서를 포함하며, 각각의 센서는 감응부(sensitive part)-여기서 상기 감응부는 기판 상에 배치되고, 상기 세트 E의 상기 휘발성 화합물 중 적어도 하나와 물리화학적으로 상호작용하여 검출가능한 신호를 생성하는 수용체(receptor)에 의해 기능화됨-를 포함하며,
- 이는 n개의 센서를 포함하며, n은 3 이상의 정수이고, 상기 감응부는 하기 일반 화학식 I의 수용체에 의해 기능화되고:
[화학식 I]
X-(Esp)m-Z
(상기 식에서,
X는 상기 기판의 표면 상에 상기 수용체의 고정을 보장하는 작용 기 또는 상기 작용 기를 포함하는 화합물의 잔기를 나타내고,
m은 0 또는 1이며,
Esp는 스페이서 암(arm)을 나타내고,
Z는 α-아미노산의 반복에 의해 형성된 서열을 나타냄);
- 제1 시리즈 센서 중 한 센서의 수용체의 α-아미노산은 친수성이지만, 상기 제1 시리즈 중 다른 센서의 수용체의 α-아미노산은 소수성이고;
- 제2 시리즈 센서 중 2개의 센서의 수용체의 α-아미노산은 적어도 1 pH 단위만큼 서로 상이하며, 각각이 pI1 및 pI2인 등전점(isoelectric points)을 가지며, 상기 2개의 센서 중 적어도 하나는 상기 제1 시리즈에 속하지 않는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 휘발성 화합물의 물리화학적 분류는, 적어도 두 가지의 물리화학적 특성, 즉 한편으로는 이들의 친수성 또는 소수성 특성과, 다른 한편으로는 이들의 산성, 중성, 또는 염기성 특성에 따라, 그리고 이는, 감응부가 α-아미노산의 반복에 의해 형성된 서열을 포함하는 수용체에 의해 각각 기능화된 적어도 3개의 센서를 전자 코 검출 시스템에 제공함으로써, 그리고 하기와 같이 되도록 각 서열의 α-아미노산을 선택함으로써 얻어진다:
- 제1 센서(하기에서 센서 C1이라고 칭할 것임)의 수용체의 α-아미노산은 친수성이지만, 제2 센서(하기에서 센서 C2라고 칭할 것임)의 수용체의 α-아미노산은 소수성이고;
- 2개의 센서의 수용체의 α-아미노산은 적어도 1 pH 단위만큼 서로 상이한 등전점을 가지며, 이들 2개의 센서 중 하나는 상기 센서 C1 또는 상기 센서 C2일 수 있지만, 이들 센서 중 나머지 하나는 상기 센서 C1 및 C2와 상이한 센서임.
다시 말하면, 본 전자 코 검출 시스템은 적어도 하기를 포함한다:
- 휘발성 화합물을 분류할 수 있는 능력이 다음 두 가지 물리화학적 특성 척도에 기초하는, 각각 센서 C1, C2 및 C3인 3개의 센서: 센서 C1 및 C2가 참여하는 친수성/소수성 척도, 및 센서 C1 및 C2 중 하나와 센서 C3이 참여하는 산성/염기성 척도;
- 또는, 휘발성 화합물을 분류할 수 있는 능력이 또한 상기 전술한 두 가지 물리화학적 특성 척도에 기초하는, 각각 센서 C1, C2, C3 및 C4인 4개의 센서-상기 센서 C1 및 C2는 제1(친수성/소수성) 척도에 참여하고, 상기 센서 C3 및 C4는 제2(산성/염기성) 척도에 참여함-.
본 발명에 따르면, 서열 Z가 α-아미노산의 반복에 의해 형성되는 경우, 이 α-아미노산은 바람직하게는 통상적으로 "표준"으로 알려진 20개의 α-아미노산, 즉, 알라닌, 아르기닌, 아스파라긴, 아스파르트산, 시스테인, 글루탐산, 글루타민, 글리신, 히스티딘, 이소류신, 류신, 리신, 메티오닌, 페닐알라닌, 프롤린, 세린, 트레오닌, 트립토판, 티로신 및 발린으로부터 선택되지만; 이는 N2-아세틸리신, N6-아세틸리신, N6-메틸리신, 5-하이드록실리신, 4-하이드록시프롤린, 피롤리신, 셀레노시스테인, O- 포스포세린, O-포스포트레오닌, O-포스포티로신, 노르류신 또는 시트룰린과 같은 다른 α-아미노산이 사용될 수 있는 것으로도 이해된다.
나아가, 이 α-아미노산은 L 또는 D 배열에 관계없을 수 있고, 호모펩티드의 형태로 수용체에 존재하는 한 L 배열 및 D 배열 모두에서 이러한 펩티드에서 발견될 수 있다.
유리하게는, α-아미노산은 서열 Z가 동일한 α-아미노산을 2 내지 20배 포함하도록 서열 Z에서 1 내지 19회 반복된다.
바람직하게는, α-아미노산은 서열 Z가 동일한 α-아미노산을 4 내지 16배 포함하도록 서열 Z에서 3 내지 15회 반복된다.
더 바람직하게는, α-아미노산은 서열 Z가 동일한 α-아미노산을 6 내지 10배 포함하도록 서열 Z에서 5 내지 9회 반복된다.
본 발명에 따르면, 기판 상의 수용체의 고정은 물리적 흡착, 화학적 흡착, 공유 그래프팅, 기판 상의 합성, 박막 증착, 분자 자기 조립 등과 같은 당업자에게 알려진 임의의 표면 기능화 기술에 의해 수행될 수 있으며; 이러한 기술의 선택은 기판 표면의 화학적 성질에 따라 달라질 것임이 이해된다.
따라서 X는 이러한 기술들 중 하나에 의해 기판 상에 수용체를 고정시키는 것을 가능하게 하는 임의의 작용 기 또는 임의의 화학적 기능(두 표현은 동의어로 간주됨), 또는 이러한 기술들 중 하나에 의해 기판 상에 수용체를 고정시키는 것을 가능하게 하는 하나 이상의 작용 기를 포함하는 화합물의 잔기일 수 있다. 따라서 X는 하나 이상의 화학적 결합 기능을 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 용어 화합물의 "잔기(residue)" 또는 "잔여 부분(residual portion)"은 기 Esp 또는 서열 Z에 대한 공유 결합 후, 기 Esp(m이 1인 경우) 상에 또는 서열 Z(m이 0인 경우) 상에 남아 있는 화합물의 부분을 의미하는 것으로 명시된다.
따라서, X는 구체적으로 티올, 아민, 하이드록실, 카르복실, 니트릴, 셀레놀, 포스페이트, 설포네이트, 실라놀, 에폭시, 비닐, 알킨 또는 트리아지드 기, 또는 적어도 하나의 이러한 기를 포함하는 화합물의 잔기일 수 있다.
전술한 기능화 기술 중, 본 발명의 범위 내에서, 특히 재현성 때문에 분자 자가 조립이 선호되며, 이 경우 X는 특히 하기일 수 있다:
- 기판의 표면이 금, 백금, 은, 팔라듐, 또는 구리로 만들어지는 경우, 티올 기, 또는 한편으로는 적어도 하나의 티올 기 및 다른 한편으로는 기 Esp 또는 서열 Z에 대해 공유 결합을 가능하게 하는 기를 포함하는 화합물의 잔기; 상기 화합물은 구체적으로 시스테인 또는 N-티오메틸-글리신일 수 있음; 또는
- 기판의 표면이 금, 백금, 은, 팔라듐, 또는 구리로 만들어지는 경우, 아민 기, 또는 한편으로는 적어도 하나의 아민 기 및 다른 한편으로는 기 Esp 또는 서열 Z에 대해 공유 결합을 가능하게 하는 기를 포함하는 화합물의 잔기; 상기 화합물은 구체적으로 아미노산일 수 있고, 특히, 20개의 표준 α-아미노산 중 하나일 수 있음; 또는
- 기판의 표면이 유리, 석영, 규소 또는 실리카로 만들어지는 경우, 실라놀 기, 또는 한편으로는 적어도 하나의 실라놀 기 및 다른 한편으로는 기 Esp 또는 서열 Z에 대해 공유 결합을 가능하게 하는 기를 포함하는 화합물의 잔기.
본 발명에 따르면, m은 바람직하게는 1이고, 이는 기 Esp가 존재함을 의미하며, 이 경우 이러한 기는 특히 1 내지 20개의 탄소 원자 및 선택적으로 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 선형 또는 분지형이며, 포화 또는 불포화 탄화수소 기일 수 있으며, 이(이들) 헤테로원자(들)는 통상적으로 산소, 질소, 황 및 규소로부터 선택된다.
따라서 기 Esp는, 예를 들어, 1 내지 20개의 탄소 원자, 바람직하게는 1 내지 12개의 탄소원자, 더 바람직하게는 1 내지 6개의 탄소 원자를 포함하는 2가 알킬렌 기, α-아미노산의 잔기, 또는 하나 이상의 α-아미노산의 잔기들의 사슬(최대 20개의 탄소 원자)일 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 배열에 따르면,
- X는 α-아미노산의 잔기, 바람직하게는 티올 기로 인한 시스테인이고,
- m은 1이고, 기 Esp는 아미노산, 예를 들어 글리신의 잔기이거나, 또는 α-아미노산의 잔기들, 예를 들어 글리신 잔기들의 사슬이면서,
- 서열 Z는 α-펩티드 서열, 바람직하게는 헥사펩티드이다.
따라서, 수용체는 α-펩티드이다.
앞서 나타낸 바와 같이, 센서 C1의 수용체의 α-아미노산은 친수성이지만, 센서 C2의 수용체의 α-아미노산은 소수성이다.
앞의 내용과 다음 내용에서, R.M. Sweet 및 D. Eisenberg(J. Mol. Biol. 1983, 171, 479-488, 이하 참고문헌 [4])의 소수성 척도에 따라 소수성 지수가 0.26 이하일 때 α-아미노산은 친수성인 것으로 간주되지만, 이 동일한 소수성 척도에 따라 소수성 지수가 0.29 이상일 때 α-아미노산은 소수성인 것으로 간주된다. 표준 α-아미노산에 대해 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg가 설정한 바와 같은 소수성 지수는 부록에 첨부된 도 1에 나타나 있다.
따라서, 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서, 티로신, 프롤린, 트레오닌, 세린, 히스티딘, 아스파라긴, 글루탐산, 글루타민, 아스파르트산, 리신 및 아르기닌은 친수성 α-아미노산인 것으로 간주되지만, 이소류신, 페닐알라닌, 발린, 류신, 트립토판, 메티오닌, 알라닌, 글리신 및 시스테인은 소수성 α-아미노산으로 간주된다.
본 발명에 따르면, 센서 C1 및 C2의 수용체의 α-아미노산은 상대적으로 먼(remote) 소수성 지수를 갖는 것이 바람직하다. 용어 "상대적으로 먼 소수성 지수"는 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg가 설정한 바와 같은 이러한 지수의 절대값의 합이 적어도 1임을 의미한다.
따라서, 예를 들어,
- 센서 C1의 수용체가, 친수성 α-아미노산에 대해, 소수성 지수가 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg의 척도에 따라 0.12인 프롤린을 갖는 경우, 센서 C2의 수용체의 α-아미노산은 바람직하게는 소수성 지수가 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg의 척도에 따라 적어도 1.06인 α-아미노산(류신, 발린, 페닐알라닌 및 이소류신의 경우임)으로부터 선택될 것인 한편,
- 센서 C1의 수용체가, 친수성 α-아미노산에 대해, 소수성 지수가 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg의 척도에 따라 -0.74인 아스파라긴을 갖는 경우, 센서 C2의 수용체의 α-아미노산은 소수성 지수가 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg의 척도에 따라 적어도 0.29인 모든 α-아미노산으로부터 선택될 수 있다.
또한 앞서 언급한 바와 같이, 센서 C3의 수용체의 α-아미노산 및 센서 C4의 수용체의 α-아미노산은, 산 또는 염기 특성에 따라 검출 시스템에 의해 식별될 가능성이 있는 휘발성 화합물의 수를 넓히도록, 적어도 1 pH 단위만큼, 바람직하게는 적어도 2 pH 단위만큼 서로 상이한 등전점을 갖는다.
α-아미노산의 등전점은 많은 생화학 서적에 나타나 있으며, 대안적으로, 등전점 전기영동(IEF)에 의해 결정할 수 있다.
예로서, 부록에 첨부된 도 1은 서적["Lehninger Principles of Biochemistry", chapter 3, 4th edition, 2004, 이하, 참고문헌 [5]]으로부터 가져온 표준 α-아미노산의 등전점을 pI로 표시하고 있다.
유리하게는, 제3 시리즈 센서 중 한 센서의 수용체의 α-아미노산은 방향족이지만, 상기 제3 시리즈 중 다른 센서의 수용체의 α-아미노산은 지방족이며, 이들 센서는 상기 제1 시리즈 및 상기 제2 시리즈 모두에 속하지 않는다.
대안적으로 또는 추가로, 제4 시리즈 센서 중 2개의 센서의 수용체의 α-아미노산은 적어도 25 g/mol만큼, 바람직하게는 적어도 50 g/mol만큼 서로 상이하며, 각각이 Mr 1 및 Mr 2인 상대 분자량을 가지며, 이들 센서는 상기 제1 시리즈 및 상기 제2 시리즈 모두에 속하지 않는다.
따라서, 본 전자 코 검출 시스템에 의한 휘발성 화합물의 물리화학적 분류는 휘발성 화합물의 한 가지, 또는 심지어 두 가지 추가적인 물리화학적 특성에 따라 얻을 수 있다.
용어 "방향족 α-아미노산"은 측쇄가 방향족 기를 포함하는 임의의 α-아미노산을 의미하며; 용어 "방향족 기"는 휘켈(Huckel)의 규칙을 따르며, 따라서 비편재화된 π 전자의 수가 4n + 2인 기를 의미하는 한편, 용어 "지방족 α-아미노산"은 측쇄에 직전에 정의된 바와 같은 방향족 기가 없는 임의의 α-아미노산을 의미한다.
그러므로, 예를 들어, 히스티딘, 페닐알라닌, 티로신 및 트립토판은 방향족 α-아미노산이지만, 알라닌, 아르기닌, 아스파라긴, 아스파르트산, 시스테인, 글루탐산, 글루타민, 글리신, 이소류신, 류신, 리신, 메티오닌, 프롤린, 세린, 트레오닌 및 발린은 지방족 α-아미노산이다.
등전점과 유사하게, α-아미노산의 상대 분자량은 많은 생화학 서적에서 이용가능하고, 대안적으로 이들 α-아미노산의 화학식으로부터 쉽게 결정할 수 있다.
예로서, 부록에 첨부된 도 1은 참고문헌 [5]로부터 가져온 표준 α-아미노산의 상대 분자량(Mr로 표시됨)을 보여준다.
본 전자 코 검출 시스템이 제3 시리즈 센서를 포함하지만 제4 시리즈는 포함하지 않는 경우, 각각 센서 C5 및 C6(양자 모두 센서 C1, C2, C3 및 C4와 상이함)인 2개의 센서이거나, 또는 센서 C1, C2, C3 및 C4 중 하나와 함께 센서 C5 및 C6 중 하나인 제3 시리즈에 속할 수 있다.
유사하게, 본 전자 코 검출 시스템이 제4 시리즈 센서를 포함하지만 제3 시리즈는 포함하지 않는 경우, 각각 센서 C7 및 C8(양자 모두 센서 C1, C2, C3 및 C4와 상이함)인 2개의 센서이거나, 또는 센서 C1, C2, C3 및 C4 중 하나와 함께 센서 C7 및 C8 중 하나인 제4 시리즈에 속할 수 있다.
마지막으로, 본 전자 코 검출 시스템이 제3 시리즈 센서 및 제4 시리즈 센서 양자 모두를 포함하는 경우,
- 2개의 센서 C5 및 C6, 또는 센서 C1, C2, C3, C4, C7 또는 C8 중 하나와 함께 센서 C5 및 C6 중 하나가 제3 시리즈에 속할 수 있는 한편;
- 2개의 센서 C7 및 C8, 또는 센서 C1, C2, C3, C4, C5 또는 C6 중 하나와 함께 센서 C7 및 C8 중 하나가 제4 시리즈에 속할 수 있다.
하기 표 I은 가능한 다양한 구성을 보여준다.
[표 I]
Figure pct00001
Figure pct00002
본 발명에 따르면, 검출 시스템에 포함된 각각의 센서는 자체 측정 시스템(또는 변환기)을 포함하거나, 다른 센서에 공통인 측정 시스템을 다른 센서와 공유할 수 있다. 두 경우 모두에서, 측정 시스템은 기체 상태의 화합물과 센서의 감응부 사이에서 물리화학적 상호작용이 일어나는 동안 사용가능한 신호를 생성할 수 있게 하는 임의의 측정 시스템일 수 있으며, 특히, 저항, 압전, 기계식, 음향 또는 광학 유형일 수 있다. 즉, 센서는 저항 센서, 압전 센서, 기계식 센서, 음향 센서 및/또는 광학 센서일 수 있다.
바람직하게는, 센서는 표면 플라스몬 공명 광학 센서, 간섭계 센서, 또는 그렇지 않으면 마이크로기계식 초음파 변환기(micromachined ultrasonic transducer) 센서, 특히 정전식(capacitive) 마이크로기계식 초음파 변환기(또는 CMUT) 또는 압전 마이크로기계식 초음파 변환기(또는 PMUT) 센서이다.
또한, 센서는 표면 플라스몬 공명 광학 센서인 것이 바람직하다. 그 자체로 알려진 이러한 변환기 유형은 일반적으로 예를 들어 LED 유형의 광원을 결합하여, 플라스몬 여기 및 CCD 카메라가 플라스몬 공명으로부터 발생하는 신호를 기록하게 한다. 따라서, 센서에 의해 방출된 신호가 사용된 CCD 카메라의 이미지를 구성하는 모든 픽셀의 신호 변화를 추적하는 것으로 구성된 이미징 모드에서 추적되는 것이 가장 특히 바람직하다.
기판은 측정 시스템에 적합한 재료로 구성된다. 따라서, 측정이 표면 플라스몬 공명에 의해 수행되는 경우, 기판은 바람직하게는 유리 프리즘을 포함하며, 이들 중 한 면은 금속 층, 바람직하게는 금 또는 은으로, 통상적으로 10 nm 내지 100 nm 두께로 덮여 있다.
본 발명은 또한 기체상 샘플에 존재할 가능성이 있는 화합물의 세트 E를 검출 및 식별할 수 있는 전자 코에 관한 것이며, 상기 전자 코는 전술한 바와 같은 검출 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 전자 코는 바람직하게는 휘발성 유기 화합물, 황화 수소(H2S) 및 암모니아(NH3)의 검출 및 식별에 전용되며, 이들 화합물은 기체상 샘플에서 단독으로 또는 혼합되어 발견될 수 있다.
앞의 내용과 다음 내용에서, "휘발성 유기 화합물"은 1999년 3월 11일자 유럽 평의회의지침(Directive) 1999/13/EC에 따라 하기와 같이 정의된다:
- 휘발성 유기 화합물은 "293.15 K(즉, 20℃)의 온도에서 증기압이 0.01 kPa(즉, 9.87.10 -5 atm) 이상이거나, 특정 사용 조건 하에서 상응하는 휘발성을 갖는 임의의 유기 화합물"(상기 지침의 제2조 제17항 참조)이고;
- 유기 화합물은 "적어도 탄소 원소와, 수소, 할로겐, 산소, 황, 인, 규소 또는 질소 원소 중 하나 이상을 포함하되, 탄소 산화물 및 무기 탄산염 및 중탄산염은 제외되는 임의의 화합물"(상기 지침의 제2조 제16항 참조)이다.
따라서, 구체적으로, 에탄, 프로판, n-부탄, n-헥산, 에틸렌, 프로필렌, 1,3-부타디엔 및 아세틸렌과 같은 소정 포화 또는 불포화 비고리형 탄화수소, 사이클로프로판, 사이클로펜탄 및 사이클로헥산과 같은 소정 비방향족 포화 또는 불포화 고리형 탄화수소, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 및 에틸벤젠과 같은 소정 방향족 탄화수소, 디클로로메탄, 트리클로로메탄, 클로로에탄, 트리클로로에틸렌 및 테트라클로로에틸렌과 같은 소정 할로겐화 탄화수소, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜과 같은 소정 알코올, 포름알데히드, 아세트알데히드, 프로판알 및 2-프로펜알(또는 아크롤레인)과 같은 소정 알데히드, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 2-부타논 및 메틸 비닐 케톤과 같은 소정 케톤, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 이소프로필 아세테이트 및 이소아밀 부티레이트와 같은 소정 에스테르, 디에틸에테르, n-에틸렌 글리콜 부틸 에테르(EGBE) 및 1,4-디옥산과 같은 소정 에테르, 아세트산 및 프로판산과 같은 소정 산, 에틸아민, 디메틸아민, 트리메틸아민, 디에틸아민 및 아밀아민과 같은 소정 아민, 디메틸포름아미드와 같은 소정 아미드, 메틸 메르캅탄(또는 메탄티올) 및 에틸 메르캅탄(또는 에탄티올)과 같은 황 화합물, 및 아세토니트릴 및 아크릴로니트릴과 같은 소정 니트릴이 휘발성 유기 화합물로 간주된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 본 발명을 검증할 수 있게 하고 첨부된 도면을 참조하여 제공되는 실험과 관련된 하기 추가 설명으로부터 드러날 것이다.
그러나, 이러한 추가 설명은 본 발명의 주제를 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 어떠한 경우에도 본 발명의 주제를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 이미 언급되었듯이, 표준 α-아미노산의 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg의 척도에 따른 소수성 지수, 등전점(pI로 표시됨), 상대 분자량(Mr로 표시됨)뿐만 아니라, 이들의 1문자 코드를 나타내는 표이다.
도 2는 본 발명을 실험적으로 검증하는 역할을 하는 센서 어레이의 감응부들을 보여주는, 표면 플라스몬 공명 이미징(또는 SPRi))에 의해 얻은 차동 이미지이며, 상기 감응부들은 공통 기판의 표면에 배열되고 감응부 당 1개의 펩티드 비율로 19개의 상이한 펩티드에 의해 기능화된다.
도 3은 한편으로는 각각 휘발성 물질을 포함하는 기체상 샘플에 이 센서 어레이를 노출시키는 것을 목표로 하는 시험 동안 도 2의 센서 어레이에 의해 제공된 응답으로 구성된 데이터베이스의 계층적 클러스터링에 의한 분석에 의해 얻은 계통도를, 다른 한편으로는 센서의 감응부를 형성하는 펩티드를 이들 펩티드의 서열 Z를 형성하는 α-아미노산의 친수성 또는 소수성 특성과 상응시키는 이 계통도의 범례를 예시한다.
도 4는 각각 이러한 휘발성 화합물 중 하나를 포함하는 기체상 샘플에 이 센서 어레이를 노출시키는 것을 목적으로 하는 시험 동안 도 2의 센서 어레이에 의해 제공된 응답으로 구성된 데이터베이스로부터 얻은 2가지 물리화학적 특성에 따른 6개의 휘발성 화합물의 분류를 예시하는 그래프이며; 이 그래프에서 가로 축은 표준 α-아미노산의 등전점(pI로 표시됨)에 상응하고, 세로 축은 이들 동일한 α-아미노산의 소수성 지수에 상응한다.
도 5는 각각 휘발성 화합물을 포함하는 기체상 샘플에 이 센서 어레이를 노출시키는 것을 목표로 하는 시험 동안 도 2의 센서 어레이에 의해 제공된 응답으로 구성된 데이터베이스의 주요 구성요소 분석 1 및 2(PC　1 및 PC　2로 표시됨)에 의해 얻은 맵이며; 이 도면에서 각각의 PC　1 및 PC　2와 관련된 변동성 백분율이 축에 표시되어 있다.
도 6은 각각 휘발성 화합물을 포함하는 기체상 샘플에 이 센서 어레이를 노출시키는 것을 목표로 하는 시험 동안 도 2의 센서 어레이에 의해 제공된 응답으로 구성된 데이터베이스의 주요 구성요소 분석 1 및 2(PC　1 및 PC　2로 표시됨), 및 이들 주요 구성요소로 시험된 휘발성 화합물의 물리화학적 특성의 상관관계에 의해 얻은 제1 상관관계 원이다.
도 7은 각각 휘발성 화합물을 포함하는 기체상 샘플에 이 센서 어레이를 노출시키는 것을 목표로 하는 시험 동안 도 2의 센서 어레이에 의해 제공된 응답으로 구성된 데이터베이스의 주요 구성요소 분석 1 및 3(PC　1 및 PC　3으로 표시됨), 및 이들 주요 구성요소로 시험된 휘발성 화합물의 물리화학적 특성의 상관관계에 의해 얻은 제2 상관관계 원이다.
본 발명은 아래에 설명되는 실험에 의해 검증되었다.
이들 실험은 하기를 포함하는 검출 시스템이 제공된 전자 코를 사용하여 수행하였다:
- 한편으로는, 감응부들이 공통 기판에 배열되고 펩티드 수용체의 의해 기능화된 76개의 센서 어레이; 및
- 다른 한편으로는, 모든 센서에 공통되는 표면 플라스몬 공명(또는 SPR) 광학 변환기.
금(gold) 층(약 50 nm 두께)으로 한쪽 면이 덮인 유리 프리즘을 기판으로 사용하면서, 화학식 C-G-Z의 19개의 상이한 펩티드들을 펩티드 수용체로 사용하였으며, 여기서:
- C는 α-아미노산 시스테인을 나타내고,
- G는 α-아미노산 글리신을 나타내고,
- Z는 하기 α-아미노산 중 하나로 이루어진 헥사펩티드 서열을 나타낸다: 알라닌, 아스파르트산, 글루탐산, 페닐알라닌, 글리신, 히스티딘, 이소류신, 리신, 류신, 메티오닌, 아스파라긴, 프롤린, 글루타민, 아르기닌, 세린, 트레오닌, 발린, 트립토판 및 티로신.
이들 펩티드는 서열 Z를 형성하는 α-아미노산의 1-문자 코드에 의해 하기뿐만 아니라 도 3에도 지정되어 있으며, 이 코드는 도 1의 표에 표시되어 있다.
따라서, 예를 들어, 펩티드 A는 화학식 C-G-A-A-A-A-A-A의 펩티드에 상응하는 한편, 펩티드 T는 화학식 C-G-T-T-T-T-T-T의 펩티드에 상응한다.
펩티드의 구성에 들어가는 모든 α-아미노산은 L 배열이다.
센서의 각 감응부는 동일한 펩티드의 여러 분자의 자가 조립 층으로 구성된다.
1°) 센서 어레이의 제조 :
펩티드를 디메틸설폭시드(DMSO)에서 0.1 mmol/L의 농도로 용해시킨 다음, 그렇게 수득한 펩티드 용액을 비접촉식 마이크로스포터 로봇(Scienion AG, 독일 소재)을 이용하여 감응부당 몇 nL의 비율로 기판의 금 층 상에 증착했다.
검출에 대한 통계적 불확실성을 감소시키기 위해, 각각의 펩티드 용액을 기판의 금 층의 4개의 상이한 영역에 증착하여 각 센서가 4중으로 표시되도록 하였다.
나아가, DMSO 중 1H, 1H, 2H, 2H-퍼플루오로데칸티올을 포함하는 몇 nL의 용액을 증착함으로써, 또한 마이크로스포터 로봇을 이용하여, 기판의 금 층 상에 여러 개의 음성 대조군 구역도 생성시켰다.
이어서 기판을 밀폐된 챔버에 18시간 동안 두어, 펩티드 분자가 티올-금 화학(티올은 펩티드의 α-아미노산 시스테인에 의해 제공됨)으로 인한 자가 조립에 의해 이 기판의 금 층 상에 고정되도록 하였다. 이어서, 고정되지 않은 펩티드 분자를 제거하기 위해 기판을 헹구고, 마지막으로 아르곤 스트림 하에서 건조시켰다.
따라서, 휘발성 화합물과 상호작용할 가능성이 있는 76개의 감응부들뿐만 아니라 여러 개의 음성 대조군 부분을 포함하는 기판을 얻었다.
이들 센서가 휘발성 화합물에 노출되기 전에, 센서 어레이의 감응부에 대해 SPRi로 얻은 차동 이미지가 도 2에 예시되어 있다.
2°) 센서 어레이의 기능화 확인 :
하기 화학적 계열 중 하나에 속하는 휘발성 화합물을 각각 포함하는 기체 샘플 시리즈에 센서 어레이를 노출시켰다: 알코올, 카르복실산, 아민, 아미드, 에스테르, 알칸, 알데히드, 황화물 및 방향족.
각각의 노출은 10분 동안 지속되었으며, 센서에 기체상 샘플을 공급하기 위한 유체 시스템의 퍼지를 2회의 연속적인 노출 사이에 계통적으로(systematically) 수행하였다.
센서의 감응부와 휘발성 화합물 사이의 상호작용을 SPRi로 실시간으로 모니터링하였다. SPRi 이미지에 의해 수집된 데이터를, 4개의 동일한 센서들의 각 그룹에 대해 평균화된 반사도 변화 값(Δ%R로 표시됨)으로 변환한 다음, 수집된 데이터에 대한 기체상 샘플의 유기 화합물 농도의 영향을 감소시키기 위해 정규화하였다.
이렇게 정규화된 Δ%R로부터 데이터베이스를 생성하였다.
이 데이터베이스를 계층적 클러스터링으로 분석하였다.
계층적 클러스터링은 "유사성 기준(resemblance criterion)"에 따라, 가장 유사한 데이터를 클래스로 함께 그룹화하는 것과, 이와 대조적으로, 유사하지 않은 것들은 별개의 클래스로 분리하는 것으로 구성된 데이터 분석 방법이다. 이 경우, 유사성 기준은 센서의 응답, 즉 센서의 감응부와 이러한 센서에 노출된 휘발성 화합물 사이에 일어나는 상호작용에 상응한다.
이 분석의 결과인 계통도, 또는 분류 트리가 도 3에 예시되어 있으며; 가로 축에는 센서의 감응부를 형성하는 펩티드들(Y, P, A, T, D, E, N, Q, R, K, H, V, L, I, F, W, M 및 G)이 표시되어 있으면서, 세로 축에는 상이한 클래스의 펩티드들 사이에 존재하는 유클리드 거리(Euclidean distance)가 표시되어 있다. 또한 가로 축에 존재하는 문자 "RO" 및 "Au"는 각각 기판의 음성 대조군 및 부동태화되지 않은(non-passivated) 영역에 상응한다.
이 계통도의 맨 위에서부터 시작하여, 각각의 가지(branch)는 펩티드들을 상이한 클래스로 분류하고, 트리 아래로 갈수록 점점 더 유사해진다. 따라서, 마지막으로 형성된 클래스는 가장 가까운 센서의 응답으로 이어지는 펩티드들을 함께 그룹화한다.
도 3에도 예시되어 있는 계통도뿐만 아니라 이 계통도의 범례에 나타난 바와 같이, 친수성 α-아미노산 펩티드들 및 소수성 α-아미노산 펩티드들은 알라닌을 제외하고는 서로 잘 분리되어 있는 반면, 동일한 화학적 성질의 펩티드들은 잘 그룹화되어 있다.
이러한 결과는 펩티드의 물리화학적 특성이 센서 어레이를 제조하는 동안 변경되지 않았음을 입증한다.
이들은 동일한 화학적 성질의 펩티드가 상이한 화학적 계열에 속하는 휘발성 화합물과 유사한 상호작용을 하고, 반대로, 상이한 화학적 성질의 펩티드가 이들 화합물과 상이한 상호작용을 한다는 것을 입증한다. 따라서, 펩티드의 다양한 물리화학적 특성은 센서 어레이에 잘 나타나 있으며, 이러한 다양성은 여러 물리화학적 척도에 따라 휘발성 화합물의 절대 분류를 가능하게 할 수 있다.
3°) 2가지 물리화학적 특성에 따른 휘발성 화합물의 분류 :
가로 축과 세로 축이, 2가지 상이한 물리화학적 특성에 대해 α-아미노산으로 제시된 값을 갖는 그래프에서 상기 2°)에서 얻은 데이터를 보고함으로써, 이들 화합물이 자체적으로 가지는 물리화학적 특성에 따른 유기 화합물의 순서를 이 그래프에서 얻을 수 있었다.
따라서, 예를 들어, 도 4는 가로 축이 α-아미노산의 등전점에 상응하고 세로 축이 α-아미노산의 소수성 지수에 상응하는 그래프에서, 6개의 휘발성 화합물, 즉 아세트산, 발레르산, 부탄올, 암모니아, 디메틸설파이드 및 옥탄에 대해 얻은 순서를 보여준다.
도 4에 나타난 바와 같이, 각각의 휘발성 화합물은 그래프에 잘 순서화되어 있으며, 한편으로는 그의 산 또는 염기 특성(가로 축에 상응함)에 따라, 다른 한편으로는 그의 소수성 특성(세로 축에 상응함)의 높고 낮음에 따라 구별될 수 있다.
따라서 2가지 물리화학적 특성에 따른 휘발성 화합물의 절대 분류가 얻어진다.
4°) 2가지 이상의 물리화학적 특성에 따른 휘발성 화합물의 분류 :
매우 다양한 물리화학적 특성에 따른 냄새의 절대 분류를 가능하게 하는 본 발명에 따른 검출 시스템의 능력을 검증하기 위해, 각각 하기의 9개의 휘발성 화합물 중 하나를 포함하는 기체상 샘플 시리즈에 센서 어레이를 노출시켰다:
- 아세트산(CH3-COOH)(이하 AcOH로 표기됨),
- 부탄산(CH3(CH2)2COOH)(이하 BTA로 표기됨),
- 트리에틸아민(N(CH2CH3)3)(이하 TEA로 표기됨),
- 트리메틸아민(N(CH3)3)(이하 TMA로 표기됨),
- n-펜틸아민(CH3(CH2)4NH2)(이하 n-PA로 표기됨),
- 1,4-디아미노부탄(NH2(CH2)4NH2)(이하 DAB로 표기됨),
- 1,5-디아미노펜탄(NH2(CH2)5NH2)(이하 DAP로 표기됨),
- 디메틸설파이드(S(CH3)2)(이하 DMS로 표기됨), 및
- 디프로필설파이드(S(CH2CH2CH3)2)(이하 DPS로 표기됨).
여기서도 역시 각각의 노출은 10분 동안 지속되었고, 센서에 기체상 샘플을 공급하기 위한 유체 시스템의 퍼지를 2회의 연속적인 노출 사이에 계통적으로 수행하였다. 이어서 센서의 감응부와 휘발성 화합물 사이의 상호작용을 SPRi로 실시간으로 모니터링하였으며, SPRi 이미지에 의해 수집된 데이터를 상기 2°)에 전술한 바와 같이 처리하였다.
휘발성 화합물 당 수행된 센서 어레이의 10회 노출, 데이터베이스를 구성하는 각각의 휘발성 화합물에 대해 10개의 프로파일이 얻어졌다.
이 데이터베이스는 주요 구성요소 분석(또는 PCA)를 거쳤다.
PCA는 전자 코 분야에서 특히 치수의 감소를 위해 일반적으로 사용되는 데이터의 요인 분석법이다(예를 들어, 문헌[A. Loufti et al., Journal of Food Engineering 2015, 14, 103 -111], 이하 참조문헌 [5] 참조). 이는 가능한 한 많은 정보를 유지하면서, 복수의 요인 축-초기 변수의 선형 조합이고 "주요 구성요소"라 칭하며, 주요 구성요소 1에 대해 PC1, 주요 구성요소 2에 대해 PC2, 주요 구성요소 3에 대해 PC3 등이라고 표시됨-에 따라 많은 양의 데이터를 표시할 수 있게 한다.
센서 어레이가 노출된 휘발성 화합물의 프로파일로 구성된 데이터베이스에 적용하면, PCA는 축 PC　1 및 PC　2를 따라 프로파일을 나타내고, 특히 각각의 휘발성 화합물에 대해 얻은 10개의 프로파일 중 가장 가까운 프로파일의 그룹화, 및 멀리 있는 프로파일의 상이한 그룹으로의 분리를 보여주는 도 5의 맵을 얻을 수 있게 한다.
따라서, 예를 들어, 이 맵은 디아민(DAB 및 DAP)의 프로파일이 잘 그룹화되어 있는지와, 디알킬설파이드(DMS 및 DPS)의 프로파일이 또한 잘 그룹화되어 있어 있는지를 보여주지만, 후자는 디아민의 프로파일과 거리가 멀다.
그런 다음 휘발성 화합물의 물리화학적 특성을 도 5의 맵의 구성요소 PC1 및 PC2와 상호연관시켰다. 이 상관관계에 대해, 하기를 고려했다:
- n-옥탄올/물 분배 계수(logP로 표시되며, 이들 두 용매에서 화합물의 용해도 비율에 상응함); 이는 구성요소의 친수성 또는 소수성 특성을 나타내며, 상기 구성요소는 실제로 logP가 높을 때 더 소수성이고 덜 친수성임;
- 몰 질량(M으로 표시되고, g/mol으로 나타냄);
- 쌍극자 모멘트의 놈(norm)(μ로 표시되고 디바이(D)로 나타냄); 쌍극자 모멘트는 원자 결합 또는 분자의 분극 상태를 특성화하는 벡터 양이며; 이 벡터의 놈이 클수록, 분자는 더 극성임;
- 수소 결합 공여 부위의 수(LHD로 표시됨); 이들은 탄소 원자보다 전기음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자로, 수소 결합을 형성하기 위해 공여될 가능성이 있음;
- 수소 결합 수용 부위의 수(LHA로 표시됨); 이들은 전자의 비결합 쌍을 운반하는 전기음성 원자로, 수소 결합을 수용할 가능성이 있음;
- 극성 표면(SP로 표시되고 Å2로 나타냄); 이는 산소, 질소 또는 황과 같은 극성 원자뿐만 아니라 결합된 수소 원자의 표면적의 합으로 정의됨;
- 포화 증기압(Psat로 표시되고 kPa로 나타냄);
- 순수 화합물의 굴절률(n으로 표시됨);
- 화합물이 포함하는 탄소 원자의 수(NC로 표시됨); 및
- 화합물이 포함하는 헤테로원자의 전기음성도의 합(Σχ로 표시됨)(O의 경우 χ　=　3.5, N의 경우 χ　=　3; S의 경우 χ　=　2.5임).
이들 물리화학적 특성의 값은 각각의 휘발성 화합물에 대해 아래 표 II에 제시되어 있다.
[표 II]
Figure pct00003
따라서 도 6에 나타나 있는 상관관계 원을 얻었다.
이와 관련하여, 상관관계 원은 2개의 수직 직경이 도 6의 경우 PC1 및 PC2의 두 가지 주요 구성요소를 나타내는 반지름 1의 원임을 상기한다. 설명자-즉, 도 6의 경우 휘발성 화합물의 물리화학적 파라미터-는 이 원에 배치되어 있으며, 주요 구성요소에 대한 투영은 이들 구성요소와의 상관 계수를 제공한다.
따라서, PC2에 대한 logP의 투영은 약 0.8이며, 이는 이 물리화학적 파라미터와 PC2 사이의 양의 상관관계를 나타낸다. 상관관계가 양이면, 휘발성 화합물의 logP가 클수록, PC2에 대한 이 화합물의 좌표가 더 높다. 따라서 가장 소수성인 휘발성 화합물은 도 5의 맵의 상단에서 발견되었으며, 가장 친수성인 화합물이 이 맵의 맨 아래에서 발견되었다. 따라서 센서 어레이는 친수성 또는 소수성 특성에 따른 휘발성 화합물을 구별하고 친수성/소수성 척도로 이들을 분류할 수 있다.
유사하게, 도 6은 수소 결합 공여 부위의 수 LHD가 PC2와도 상관관계가 있음을 보여준다. 따라서 센서 어레이는 또한 수소 결합을 형성하는 능력에 따라 휘발성 화합물을 구별하고 pH 척도에 대해 이들을 분류할 수 있다.
도 7은 휘발성 화합물의 물리화학적 파라미터를 도 5의 맵의 구성요소 PC1, 및 PCA 분석에 의해 얻었지만 이 맵에 나타나 있지 않은 구성요소 PC3과 상관시켜 얻은 또 다른 상관관계 원을 예시한다. 이 도면은 쌍극자 모멘트의 놈 μ뿐만 아니라 극성 표면 SP가 PC3과 잘 상관되어 있음을 보여주며, 이는 센서 어레이가 극성에 따라 휘발성 화합물을 구별하고, 극성 척도에 따라 이들을 분류할 수 있음을 의미한다.
참고문헌
[1] L.　A. Beardslee et al., Proceedings of the IEEE International Conference on the Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 2011, 964-967
[2] D. Compagnone et al., Biosensors and Bioelectronics 2013, 42, 618-625
[3] S. Brenet et al., Analytical Chemistry 2018, 90, 9879-9887
[4] R.　M. Sweet et D. Eisenberg, J. Mol. Biol. 1983, 171, 479-488
[5] Lehninger Principles of Biochemistry, chapter 3, 4th　edition, 2004
[6] A.　Loufti et al., Journal of Food Engineering 2015, 14, 103-111

Claims (16)

  1. 기체상 샘플에 존재할 가능성이 있는 휘발성 화합물의 세트 E를 검출 및 식별할 수 있는 전자 코(electronic nose)용 검출 시스템으로서,
    상기 검출 시스템은 상기 세트 E의 상기 휘발성 화합물에 대한 교차-반응성(cross-reactivity)을 갖는 n개의 센서를 포함하며, n은 3 이상의 정수이고, 각각의 센서는 감응부(sensitive part)-여기서 상기 감응부는 기판 상에 배치되고, 상기 세트 E의 상기 휘발성 화합물 중 적어도 하나와 물리화학적으로 상호작용하여 검출가능한 신호를 생성하는 수용체(receptor)에 의해 기능화됨-를 포함하며,
    - 상기 센서의 상기 감응부는 하기 일반 화학식 I의 수용체에 의해 기능화되고:
    [화학식 I]
    X-(Esp)m-Z
    (상기 식에서,
    X는 상기 기판의 표면 상에 상기 수용체의 고정을 보장하는 작용 기 또는 적어도 하나의 상기 작용 기를 포함하는 화합물의 잔기를 나타내고,
    m은 0 또는 1이며,
    Esp는 스페이서 암(arm)을 나타내고,
    Z는 α-아미노산의 반복에 의해 형성된 서열을 나타냄);
    - 제1 시리즈 센서 중 한 센서의 수용체의 α-아미노산은 친수성이지만, 상기 제1 시리즈 중 다른 센서의 수용체의 α-아미노산은 소수성이고;
    - 제2 시리즈 센서 중 2개의 센서의 수용체의 α-아미노산은 적어도 1 pH 단위만큼 서로 상이하며, 각각이 pI1 및 pI2인 등전점(isoelectric points)을 가지며, 상기 2개의 센서 중 적어도 하나는 상기 제1 시리즈에 속하지 않는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서, pI1 및 pI2는 적어도 2 pH 단위만큼 서로 상이한 검출 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 서열 Z는 알라닌, 아르기닌, 아스파라긴, 아스파르트산, 시스테인, 글루탐산, 글루타민, 글리신, 히스티딘, 이소류신, 류신, 리신, 메티오닌, 페닐알라닌, 프롤린, 세린, 트레오닌, 트립토판, 티로신 또는 발린으로부터 선택되는 α-아미노산의 반복에 의해 형성되는 검출 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 α-아미노산은 Z에서 1 내지 19회, 바람직하게는 3 내지 15회, 더 바람직하게는 5 내지 9회 반복되는 검출 시스템.
  5. 제4항에 있어서, X는 티올, 아민, 하이드록실, 카르복실, 니트릴, 셀레놀, 포스페이트, 설포네이트, 실라놀, 에폭시, 비닐, 알킨 또는 트리아지드 기, 또는 티올, 아민, 하이드록실, 카르복실, 니트릴, 셀레놀, 포스페이트, 설포네이트, 실라놀, 에폭시, 비닐, 알킨 또는 트리아지드 기 중 적어도 하나를 포함하는 화합물의 잔기인 검출 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, m은 1이고, Esp는 1 내지 20개의 탄소 원자 및 선택적으로 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 선형 또는 분지형이며, 포화 또는 불포화 탄화수소 기인 검출 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, X는 α-아미노산의 잔기이고, m은 1이고, Esp는 α-아미노산의 잔기 또는 α-아미노산의 잔기의 사슬을 포함하고, Z는 α-펩티드 서열인 검출 시스템.
  8. 제7항에 있어서, X는 시스테인의 잔기이고, Z는 헥사펩티드 서열인 검출 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 친수성 α-아미노산 및 상기 소수성 α-아미노산은, 절대값의 합이 적어도 1인 R.M. Sweet 및 D. Eisenberg의 소수성 척도에 따른 소수성 지수를 갖는 검출 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 시리즈 센서 중 한 센서의 수용체의 α-아미노산은 방향족이지만, 상기 제3 시리즈 중 다른 센서의 수용체의 α-아미노산은 지방족이며, 이들 센서는 상기 제1 시리즈 및 상기 제2 시리즈 모두에 속하지 않는 검출 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제4 시리즈 센서 중 2개의 센서의 수용체의 α-아미노산은 적어도 25 g/mol, 바람직하게는 적어도 50 g/mol만큼 서로 상이한 상대 분자량을 가지며, 이들 센서는 상기 제1 시리즈 및 상기 제2 시리즈 모두에 속하지 않는 검출 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 저항 센서, 압전 센서, 기계식 센서, 음향 센서 및/또는 광학 센서인 검출 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 센서는 표면 플라스몬 공명 센서 또는 간섭계 광학 센서인 검출 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 센서는 마이크로가공된 초음파 변환기 센서인 검출 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 정의된 검출 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기체상 샘플에 존재할 가능성이 있는 화합물의 세트 E를 검출 및 식별할 수 있는 전자 코.
  16. 제15항에 있어서, 상기 세트 E의 상기 화합물은 휘발성 유기 화합물, 황화 수소 및 암모니아인 전자 코.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN115062656B (zh) * 2022-06-10 2023-08-11 安徽农业大学 一种基于电子鼻信号空间域的茶多酚含量预测方法和装置
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Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020064817A1 (en) 1992-04-06 2002-05-30 Buck Linda B. Odorant receptors and uses thereof
EP1073893A4 (en) * 1998-04-14 2002-07-03 California Inst Of Techn METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE ACTIVITY OF AN ANALYT
JP2004510953A (ja) * 1999-12-30 2004-04-08 キャボット　コーポレイション 改良された性質を有するセンサー
EP1278061B1 (en) * 2001-07-19 2011-02-09 Sony Deutschland GmbH Chemical sensors from nanoparticle/dendrimer composite materials
TWI322816B (en) * 2001-12-26 2010-04-01 Ind Tech Res Inst Peptide compounnds, and method of measuring sulfur compound and ammonia therewith
US9714941B2 (en) * 2007-07-31 2017-07-25 Massachusetts Institute Of Technology Bio-sensing nanodevice
FR2987129B1 (fr) * 2012-02-21 2014-03-14 Commissariat Energie Atomique Capteurs de nez ou de langue electronique
JP2017153444A (ja) 2016-03-04 2017-09-07 国立研究開発法人産業技術総合研究所 匂いの評価方法
FR3063543B1 (fr) 2017-03-03 2022-01-28 Commissariat Energie Atomique Procede de calibration d'un nez electronique.
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