KR20220159007A - 오염물질 검출용 환경센서 및 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 라만분광분석 방식을 이용하여 오염물질을 정량적으로 분석할 수 있는 오염물질 검출용 환경센서 및 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법을 제안한다. 상기 오염물질 검출용 환경센서는 베이스 기판, 금속 박막층 및 나노포러스 구조의 금속막을 포함하는 표면증강 라만산란기판 및 상기 표면증강 라만산란기판에 코팅된 오염물질 포집용 압타머를 포함한다.
Description
본 발명은 오염물질 검출용 환경센서에 관한 것으로, 특히, 라만분광분석 방식을 이용하여 오염물질을 정량적으로 분석할 수 있는 오염물질 검출용 환경센서 및 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법에 관한 것이다.
환경오염 문제가 심각해지면서 각종 중금속이나 유기인계 화합물과 같은 위험한 환경오염 물질을 조기에 정확하게 검출하여 그 확산을 차단할 필요성이 증대되고 있으며, 각종 화학물질의 극미량 분석 기술의 개발은 의학, 환경 모니터링, 번과학 및 국토방위 분야에서 매우 중요한 문제가 되고 있다.
라만(Raman) 분광법은 물질의 고유 진동 스펙트럼을 측정하여 물질의 고유한 스펙트럼을 찾아냄으로써 각 물질의 정성분석 및 정량분석을 수행하는 방법이다. 종래의 일반적인 라만 분광법은 수득 가능한 신호 강도가 매우 낮고 감도도 떨어진다. 이에 따라 시료의 농축조작이 필수적인데, 이 과정에 의해 추가적인 비용이 들뿐만 아니라 시료가 소실되거나 변성될 수 있는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 라만분광분석 방식을 이용하여 오염물질을 정량적으로 분석할 수 있는 오염물질 검출용 환경센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 라만분광분석 방식을 이용하여 오염물질을 정량적으로 분석할 수 있는 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서는 베이스 기판, 금속 박막층 및 나노포러스 구조의 금속막을 포함하는 표면증강 라만산란기판 및 상기 표면증강 라만산란기판에 코팅된 오염물질 포집용 압타머를 포함하며, 상기 베이스 기판은 비금속 물질로 구현하며, 상기 나노포러스 구조의 금속막은 표면증강 라만산란을 일으키는 나노포러스 구조의 금속으로 형성하며 상기 오염물질 포집용 압타머가 코팅되고, 상기 금속 박막층은 상기 나노포러스 구조의 금속막을 형성하는 금속과 동일한 금속으로 형성하며, 상기 나노포러스 구조의 금속막과 상기 베이스 기판의 접착력 향상하기 위한 박막이고, 상기 압타머는 안정된 3차 구조를 유지하면서 특정분자에 특이적으로 강하게 반응하는 단일 가닥의 핵산이나 펩타이드이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법은 검출하고자 하는 오염물질과 특이적으로 결합하는 압타머 및 압타머를 코팅할 표면증강 라만산란기판을 준비하는 단계, 상기 압타머에서 S-S 결합(이황화물 결합)을 절단하고, 절단한 압타머에 열처리 및 냉각처리를 수행하는 단계, 상기 수행하는 단계를 거친 압타머를 희석하여 표면증강 라만산란기판에 고정하는 단계 및 고정하는 단계에서 상기 표면증강 라만산란기판과 반응하지 않은 희석한 압타머를 세척하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서 및 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법은, 압타머의 종류에 따라 다양한 물질을 검출할 수 있어, 오염물질의 검출뿐만 아니라 질병인자를 검출하는 바이오센서로도 활용할 수 있으며, 다양한 센서의 플랫폼 기술로 활용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서의 일 실시 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서의 제조 방법의 일 실시 예이다.
도 3은 오염물질 검출용 환경센서의 다양한 예를 설명한다.
도 4는 오염물질 검출용 환경센서를 이용하여 특정 오염물질을 검출하는 과정을 설명한다.
도 5는 오염물질 검출용 환경센서에 레이저를 조사하여 반응한 특정 오염물질을 검출하는 과정을 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서를 이용하여 오염물질을 검출하는 예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서의 제조 방법의 일 실시 예이다.
도 3은 오염물질 검출용 환경센서의 다양한 예를 설명한다.
도 4는 오염물질 검출용 환경센서를 이용하여 특정 오염물질을 검출하는 과정을 설명한다.
도 5는 오염물질 검출용 환경센서에 레이저를 조사하여 반응한 특정 오염물질을 검출하는 과정을 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서를 이용하여 오염물질을 검출하는 예를 설명한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서의 일 실시 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서(100)는, 표면증강 라만 분광기판(110) 및 표면증강 라만산란기판(110)에 코팅된 오염물질 포집용 압타머(120)를 포함한다.
표면증강 라만산란기판(110)은 베이스 기판(111), 금속 박막층(112) 및 나노포러스 구조의 금속막(113)을 포함한다.
베이스 기판(111)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 유리(Glass), 석영(Quartz) 및 폴리머(Polymer) 중 어느 하나를 포함하는 비금속 물질로 구현할 수 있다.
나노포러스 구조의 금속막(113)은 표면증강 라만산란(Surface Enhanced Raman Spectroscopy; SERS)을 일으키는 나노포러스 구조의 금속으로 형성한 막으로, 클러스터 소스를 이용하여 형성하는 것이 가능하다. 여기서 사용되는 금속으로는 은(Ag), 금(Au) 및 알루미늄(Al)등이다.
금속 박막층(112)은 나노포러스 구조의 금속막(113)을 형성하는 금속과 동일한 금속으로 형성하며, 나노포러스 구조의 금속막(113)의 베이스 기판(111)에의 접착력 향상을 위한 박막이다.
압타머(120, Optamer)는 안정된 3차 구조를 유지하면서 특정분자에 특이적으로 강하게 반응하는 단일 가닥의 핵산(Nucleic acids)이나 펩타이드(Peptide)이다.
도 2는 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서의 제조 방법의 일 실시 예이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서의 제조 방법(200)은, 압타머 사전 준비 단계(210), 압타머 전처리 단계(220), 압타머 코팅 단계(230) 및 세척 & 건조 단계(240)를 포함한다.
압타머 사전 준비 단계(210)는 검출하고자 하는 오염물질과 특이적으로 결합하는 압타머 및 압타머를 코팅할 표면증강 라만산란기판(110)을 준비한다. 준비하는 압타머는 표면증강 라만산란기판(110)의 나노 포러스 구조의 금속막(113)과의 효과적인 결합을 위하여 압타머 말단의 작용기가 치환된 압타머이며, 말단은 티올기(sulfhydryl group, thiol), 아민기(amine group) 및 수산화기(hydroxyl group) 중 하나로 치환할 수 있으며, 티올기(thiol)로 치환한 압타머(thiolated aptamer)를 사용하는 것이 바람직하다.
압타머 전처리 단계(220)는 이황화물 결합 절단단계(221) 및 열처리 & 냉각단계(222)를 포함한다.
이황화물 결합 절단단계(221)에서는 티올기로 치환한 압타머에서 S-S 결합(disulfide bonding, 이황화물 결합)을 절단한다. 티올기로 치환한 압타머는 자발적으로 S-S 결합을 이루어 Apt-S-S-Apt를 형성하므로, 오염물질 검출용 환경센서(100)의 제작을 위한 전처리로 S-S 결합을 끊어 주어야 한다. 이황화물 결합을 끊기 위해서는 DTT(DiThioThreitol) 및 TCEP(tris(2-carboxyethyl)phosphine)가 주로 사용되는데, 특히 TCEP은 안정적이고 비가역적 반응 특성과 결합만을 선택적으로 완벽히 끊어주는 특징이 있으므로, 티올로 치환된 압타머의 전처리에 사용하는 것이 바람직하다.
열처리 & 냉각단계(222)는 TCEP를 이용한 처리 후 압타머 구조의 적절한 폴딩을 만들어 주기 위하여 90~100℃에서 1~15분(minutes) 동안 열처리 후 냉각시킨다.
압타머 코팅 단계(230)는 전처리 된 티올기로 치환한 압타머 (이하, 전처리 된 압타머)를 희석한 압타머 (이하, 희석한 압타머)하여 표면증강 라만산란기판(110)에 고정한다. 전처리 된 압타머를 희석하기 위해 DI 워터(De-Ionized water), DPBS 워터(Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline water) 및 DEPC 워터(Diethylpyrocarbonate water) 등이 사용되는데, 1~1000nM(nanoMole) 농도로 희석하는 것이 바람직하다.
코팅을 위해서는, 피펫(pipette)을 이용하여 희석한 압타머를 4*4mm2 을 기준 할 때 10~50μl (micro-litters)로 표면증강 라만산란기판(110)에 투하한 후 30~120분의 반응시킨 후 세척하는 방법과, 동일하게 희석한 압타머를 60~240분 담그는(immersion) 방식 중 하나를 선택할 수 있다.
세척 & 건조 단계(240)에서는 압타머 코팅 단계(230)에서 표면증강 라만산란기판(110)과 반응하지 않은 희석한 압타머를 세척한다. 세척에는 DI 워터를 바로 사용할 수도 있지만, 2-머캅토에탄올(2-Mercaptoethanol)로 선 처리 후 DI 워터로 최종 세척하는 방식 중에서 선택하여 사용하면 된다. 건조는 특별한 조건이 필요하지 않으며, 자연 건조 방식이나 건조시간 단축을 위해 열처리 방식을 이용할 수 있다.
도 3은 오염물질 검출용 환경센서의 다양한 예를 설명한다.
도 3을 참조하면, 오염물질 검출용 환경센서의 제조 방법(200)에 따라 표면증강 라만산란기판(110)에 다양한 오염물질(A, B 및 C)에 적합한 압타머를 각각 코팅하여, 오염물질 A 검출용 환경센서, 오염물질 B 검출용 환경센서 및 오염물질 C 검출용 환경센서가 제조되는 과정을 설명한다.
도 4는 오염물질 검출용 환경센서를 이용하여 특정 오염물질을 검출하는 과정을 설명한다.
도 4의 좌측 도면을 참조하면, 다양한 오염물질(A, B, C)이 포함된 용액에 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서(100)를 담금으로써 검출 과정이 시작된다. 도 4의 우측 도면을 참조하면, 용액에 포함된 다양한 오염물질(A, B, C) 중 오염물질 B만 오염물질 B 포집용 압타머에 반응하여 결합한다는 것을 알 수 있다.
도 5는 오염물질 검출용 환경센서에 레이저를 조사하여 반응한 특정 오염물질을 검출하는 과정을 설명한다.
도 5를 참조하면, 오염물질 B와 결합한 오염물질 검출용 환경센서에 레이저를 조사하고, 오염물질 검출용 환경센서에서 방출되는 라만신호의 분광분석을 통해 오염물질의 종류를 파악할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 오염물질 검출용 환경센서를 이용하여 오염물질을 검출하는 예를 설명한다.
도 6a는 각각의 표준용액에 따른 라만분광분석을 통해 농도별 라만분광 신호의 세기를 표시하며, 도 6a에 표시된 곡선으로부터 검정곡선을 작성할 특성 피크의 종류 및 수량을 결정할 수 있다. 도 6a에 수직 방향으로 도시된 2개의 분홍색 기둥을 참조하면, 라만 쉬프트(Raman Shift)가 610 cm-1 및 932 cm-1의 피크 및 검은색(DEHP 10 ppb)과 붉은색(DEHP 100 ppb) 용액에 대해 검정곡선을 작성한다고 가정한다.
도 6b는 도 6a의 곡선을 이용하여 작성한 1차 검정곡선의 예이다.
도 6c는 농도를 알지 못하는 샘플(분석 대상 샘플)의 라만분광분석 후 측정한 라만신호의 크기를 검정곡선 농도로 환산하여 그 결과를 도 6b의 곡선에 중첩한 것으로, 도 6c로부터 분석 대상 샘플의 농도 및 스펙트럼을 도출할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
110: 표면증강 라만 분광기판
111: 베이스 기판
112: 금속 박막층
113: 나노포러스 구조의 금속막
120: 오염물질 포집용 압타머
111: 베이스 기판
112: 금속 박막층
113: 나노포러스 구조의 금속막
120: 오염물질 포집용 압타머
Claims (8)
- 베이스 기판, 금속 박막층 및 나노포러스 구조의 금속막을 포함하는 표면증강 라만산란기판; 및
상기 표면증강 라만산란기판에 코팅된 오염물질 포집용 압타머를 포함하며,
상기 베이스 기판은 비금속 물질로 구현하며,
상기 나노포러스 구조의 금속막은 표면증강 라만산란을 일으키는 나노포러스 구조의 금속으로 형성하며 상기 오염물질 포집용 압타머가 코팅되고,
상기 금속 박막층은 상기 나노포러스 구조의 금속막을 형성하는 금속과 동일한 금속으로 형성하며, 상기 나노포러스 구조의 금속막과 상기 베이스 기판의 접착력 향상하기 위한 박막이고,
상기 압타머는 안정된 3차 구조를 유지하면서 특정분자에 특이적으로 강하게 반응하는 단일 가닥의 핵산이나 펩타이드인 오염물질 검출용 환경센서. - 검출하고자 하는 오염물질과 특이적으로 결합하는 압타머 및 압타머를 코팅할 표면증강 라만산란기판을 준비하는 단계;
상기 압타머에서 S-S 결합(이황화물 결합)을 절단하고, 절단한 압타머에 열처리 및 냉각처리를 수행하는 단계;
상기 수행하는 단계를 거친 압타머를 1~1000nM로 희석하여 표면증강 라만산란기판에 고정하는 단계; 및
고정하는 단계에서 상기 표면증강 라만산란기판과 반응하지 않은 희석한 압타머를 세척하는 단계를 포함하는 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법. - 제2항에서, 상기 준비하는 단계에서,
상기 압타머 말단의 작용기는 티올기, 아민기 및 수산화기 중 하나로 치환되는 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법. - 제3항에서, 상기 수행하는 단계는,
DTT 및 TCEP 중 하나를 이용하여 티올기로 치환한 압타머에서 S-S 결합을 절단하는 단계; 및
절단하는 단계를 거친 압타머를 90~100℃에서 1~15분(minutes) 동안 열처리 후 냉각시키는 단계를 포함하는 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법. - 제2항에서, 상기 고정하는 단계는,
DI 워터, DPBS 워터 및 DEPC 워터 중 하나를 이용하여 상기 압티머를 희석하는 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법. - 제5항에서, 상기 고정하는 단계는,
피펫을 이용하여 희석한 압타머를 4*4mm2 당 10~50μl/4*4mm2 로 상기 표면증강 라만산란기판에 떨어뜨린 후 30~120분 동안 고정하는 방법; 및
희석한 압타머에 상기 표면증강 라만산란기판을 60~240분 동안 담그는 방식 중 하나를 수행하는 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법. - 제2항에서, 상기 세척하는 단계는,
상기 고정하는 단계에서 반응하지 않은 상기 압타머를 DI 워터 사용하여 세척하거나, 2-머캅토에탄올(2-Mercaptoethanol)로 선 처리 후 상기 DI 워터로 최종 세척하는 방식 중 하나를 수행하는 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법. - 제2항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 기재된 상기 오염물질 검출용 환경센서 제조방법을 실행하기 위한 프로그램.
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| KR1020210066762A KR102562502B1 (ko) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | 오염물질 검출용 환경센서 및 오염물질 검출용 환경센서의 제조방법 |
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2021
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102562502B1 (ko) | 2023-08-02 |
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