WO2019045331A1 - 다면체 올리고머 실세스퀴옥산을 기반의 하이브리드 나노 프로브 및 이를 포함하는 센서 - Google Patents

다면체 올리고머 실세스퀴옥산을 기반의 하이브리드 나노 프로브 및 이를 포함하는 센서 Download PDF

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probe
poss
pba
polyhedral oligomeric
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김규오
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단국대학교 산학협력단
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/66—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving blood sugars, e.g. galactose

Definitions

  • the present invention relates to a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) -based hybrid nano-probe and a sensor comprising the same. More particularly, the present invention relates to a probe capable of detecting glucose detection through color change instead of enzyme reaction .
  • PES polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • the population of the elderly in 2020 is 16% of the total population, and the market size of the silver industry is estimated to be more than 10% of the total industry in 2020.
  • the key source fusion technology that can contribute to the treatment of chronic diseases of the elderly, There is an increasing need to excavate.
  • the present invention is directed to a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) -based hybrid nanoprobe that can be used for ineffective miniature glucose sensing, Sensor.
  • PES polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • a hybrid nanoprobe comprising a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) functionalized with PBA (Phenylboronic acid) represented by the following Chemical Formula 1 and a dye.
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • the dye may be a dye containing fluorescent dye, an anionic dye, a cationic dye or a nonionic dye.
  • the dye-containing fluorescent dye may be 8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid.
  • the hybrid nanoprobe has a self-assembled structure in the form of a core-shell, the core comprises a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), and the shell may comprise PBA and a dye.
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • a glucose sensor comprising a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) functionalized with PBA (Phenylboronic acid) represented by the following formula 1 and a hybrid nanoprobe comprising a dye .
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • PBA Phenylboronic acid
  • the senor may be of a skin patch type, a lens type, a wearable type, or a semi-invasive type.
  • the sensing efficiency can be maintained for more than 40 days.
  • a plasma display panel comprising: a substrate; An extraction electrode formed on the substrate; A probe immobilizing film formed on the extraction electrode and including a hybrid nano probe; Wherein the probe comprises a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) functionalized with PBA and a dye.
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • it may further comprise a cover film attached to the substrate.
  • the dye may be a dye containing fluorescent dye, an anionic dye, a cationic dye or a nonionic dye.
  • the dye-containing fluorescent dye may be 8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid.
  • the hybrid nano-probe of the present invention can detect glucose using dyes instead of enzymes, which can overcome the disadvantages of conventional enzyme-type sensors.
  • hydrophobic PBA and the dye exist in the shell of the hybrid nanoprobe, glucose molecules can be easily accessed and the sugar can be measured with high accuracy even in a sample containing glucose at a very low concentration.
  • FIG 1A shows the synthesis of polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) functionalized with PBA (Phenylboronic acid).
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxanes
  • Figure IB shows the synthesis of a dye-modified fluorescent dye.
  • Figure 1C shows the synthesis of the hybrid nano-probe of the present invention.
  • Figure 1d is a schematic representation of the mechanism by which the hybrid nano-probe of the present invention reacts with glucose.
  • FIGS. 2A to 2D are FT-IR graphs showing the structure of the hybrid nanoprobe in a spectrum in the range of 450-4000 cm -1 and 450-1600 cm -1 .
  • FIG. 3 shows the emission spectrum of the hybrid nano-probe of the present invention with an increase in the glucose concentration.
  • Figure 4 shows the calibration curve for the response rate of the hybrid nano-probes of the present invention measured at glucose concentrations ranging from 0 to 0.9 mg / ml.
  • FIG. 5 is a schematic representation of core-shell structure formation through self-assembly of the hybrid nano-probe of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the relative response rate to the fluorescence intensity of POSS-PBA according to pH titration and the acid dissociation constant (Ka) of the hybrid nano probe of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the fluorescence intensity of the hybrid nano-probe of the present invention with time.
  • a hybrid nanoprobe comprising a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) functionalized with PBA (Phenylboronic acid) represented by the following Chemical Formula 1 and a dye.
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • Polyhedral oligomeric silsesquioxane is a cage-like molecule (R 8 Si 8 O 12 ) that forms a vertex group (R: hydrogen, alkyl, alkene , Aryl, arylene, etc.) and has a size of 1 to 3 nm.
  • the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) can easily immobilize a biochemical sensor material as a nanomaterial, and can increase the number of bonding sites that react with a substance to be detected by a high surface area.
  • POSS-PBA Polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) functionalized with PBA were prepared by reacting APBA with POSS substituted with [2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl] -heptaisobutyl, as shown in Figure 1A And can be expressed in this specification as " POSS-PBA ".
  • POSS-PBA is an organic / inorganic hybrid material made by reacting polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), an inorganic nano material, with 3-aminophenylboronic acid (APBA), an organic material. It has properties such as mechanical strength and thermal stability It has excellent features.
  • a dye containing fluorescent dye, an anionic dye, a cationic dye and a nonionic dye can be used.
  • the anionic dyes are acid dyes, acid mordant dyes, metal complex dyes, dyes, direct dyes, reactive dyes and the like, in which the dye ions in the ion-dissociating dyes exhibit anionic properties.
  • the cationic dyes include basic dyes.
  • disperse dyes can be used as non-ionic dyes.
  • the dyes can be classified into azo dyes, anthraquinone dyes, indigoid dyes (indigo dyes, thioindigo dyes), carbonium dyes (triphenylmethane dyes, xanthene dyes, acridine dyes), phthalocyanine dyes, and methine Dyes (polymethine, azomethine), thiazole dyes, quinoneimine dyes (azine dyes, oxazine dyes, thiazane dyes), lactone dyes, amino / hydroxyl ketone dyes, nitro / nitroso dyes and quinoline dyes.
  • the probe of the present invention has a structure of POSS-PBA-dye and reacts with glucose
  • the dye is released to detect glucose in a colored manner (refer to FIG. 1d), so that a dye capable of selectively reacting with glucose is used .
  • diol-modified fluorescent dyes ANSA 8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid
  • the present invention is not limited thereto.
  • a light intensity measurement application in order to measure and quantify the intensity of light emitted by the dye when the probe of the present invention reacts with glucose, a light intensity measurement application and a portable smart device such as a smart phone, a smart watch, a smart band, Can be used.
  • the probe of the present invention can be self-assembled into a shell structure composed of a core made of polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) and a PBA and a dye (see FIG. 5).
  • the probes having a core-shell structure can be easily reacted with hydrophilic glucose molecules by being exposed to an aqueous solution or a living environment by the PBA and the dye being located outside, so that the glucose detection performance can be improved.
  • the present inventors have confirmed that the rate of change of the fluorescence intensity emitted by the dye is related to the glucose concentration.
  • the fluorescence intensity increased in proportion to the concentration of glucose (see FIG. 3).
  • the response rate (R) with respect to the glucose concentration was determined by defining the following equation (1).
  • Lt; RTI ID 0.0 > glucose < / RTI > Denotes the fluorescence signal in the buffer solution, and t denotes the reaction time.
  • the probe of the present invention has a sensing ability proportional to the concentration of glucose even when the amount of a sample containing a trace amount of glucose or a sample itself is small. Therefore, the probe of the present invention can be used not only for blood but also body fluids such as tears, sweat, saliva, etc. as a sample containing glucose, and glucose can be detected from these samples with very high sensitivity.
  • the relative rate of fluorescence intensity according to the pH titration was observed and shown in FIG. Referring to FIG. 6, it can be seen that the relative rate of reaction to PBA is high in the range of pH 5 to 7. This is because the boronate ester complex is unstable under acidic conditions and is present in a state where the dye is not bound at a low pH (less than pH 5), and the boronate ester is stabilized at a medium pH (pH 5 to 7) to be. That is, the activity of the probe is the highest in the range of pH 5 to 7, indicating that the probe of the present invention is optimal in an environment (about pH 5) similar to the human skin surface.
  • the sensing efficiency of the hybrid nano probe can be maintained for more than 40 days.
  • the fluorescence intensity of the probe in the THF solution did not substantially decrease after the lapse of 40 days compared with the initial strength, which is due to the fact that the Si-O bond of the POSS molecule is very strong and stable as compared with the general organic bond .
  • a glucose sensor comprising a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) functionalized with PBA (Phenylboronic acid) represented by the following formula 1 and a hybrid nanoprobe comprising a dye .
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • PBA Phenylboronic acid
  • the sensor of the present invention can be used not only in the form of a skin patch type, a lens type, a wearable type, or a semi-invasive type, but also in the form of a known electrochemical sensor, but is not limited thereto.
  • a plasma display panel comprising: a substrate; An extraction electrode formed on the substrate; A probe immobilizing film formed on the extraction electrode and including a hybrid nano probe; Wherein the probe comprises a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) functionalized with PBA and a dye.
  • PPS polyhedral oligomeric silsesquioxane
  • the glucose sensor of the present invention may further include a cover film attached to the substrate.
  • a cover film attached to the substrate.
  • an adhesive film may be used to fix the sensor on the skin surface.
  • the extraction electrode means an electrode to which a current is applied in an amount sufficient to extract body fluid through a skin surface by reverse iontophoresis extraction.
  • a current is applied to the extraction electrode, it is preferable that the current directions of the extraction electrodes alternately change at a constant interval.
  • Glucose contained in the body fluids can be expelled out of the cell membrane by accelerated diffusion according to the movement of sodium ion (Na + ) by the reverse ion extraction.
  • the material of the extraction electrode may be, for example, platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), glassy carbon (GC) Ag / AgCl) electrode.
  • the Ag / AgCl electrode is excellent in conductivity and is suitable for extraction of neutral glucose molecules together with cations on the negative electrode (-) without skin irritation since there is little change in pH when current flows.
  • the extraction electrode can be produced on a substrate by any method known in the art, for example, screen printing and sputtering.
  • the hybrid nanoprobe may be uniformly immobilized on the probe-immobilized membrane.
  • the probe-immobilizing membrane is preferably, but not limited to, a hydrogel material which can be uniformly fixed and biocompatible.
  • the probe-immobilizing membrane is made of a hydrogel, it may be a polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyacrylic acid, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polyhydroxypropyl methacrylate, polyhydroxyethyl methacrylate, polylactic acid, chitosan, But may be, but not limited to, one or more polymers selected from the group consisting of tran, gelatin, and collagen.
  • the dye may be a dye-containing fluorescent dye, an anionic dye, a cationic dye or a nonionic dye, more preferably a diol-modified ANSA (8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid) .
  • POSS macromer substituted with POSS [2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl] -heptaisobutyl
  • POSS [2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl] -heptaisobutyl
  • APBA APBA
  • the mixed solution was heated in a thermostatic chamber at 50 ⁇ ⁇ for 3 hours and stirred. After heating, 50 ⁇ L of hydrazine monohydrate solution (N 2 H 4 , 64-65%, Sigma) and 50 ⁇ L of ammonia solution (NH 3 , 28-30%, Aldrich) were added to the mixed solution. The mixed solution was heated for 1 hour. Through the reductive amination reaction, the epoxy group of POSS and the primary amine group of APBA reacted and a secondary amine was formed with the hydroxyl group.
  • Example 1 The diol-modified solution synthesized in Example 1 and the POSS-PBA solution synthesized in Example 2 were mixed in a transparent glass vial to synthesize a hybrid nano-probe.
  • FIG. 2 shows the result of checking the structure of the hybrid nanoprobe prepared in Example 3.
  • FIG. 2 a peak of the in the 1000-1300 cm -1 observed in the FT-IR spectrum will by Si-O-Si bonds with the characteristic peak of the POSS, POSS CN peak at 1260cm -1 are stretching peak or It is confirmed that POSS-PBA is reduced by the stretching vibration of CO of epoxide, compared with POSS.
  • the new peak at 1435 cm -1 present in POSS-PBA was due to BO stretching of secondary amine (CNC), CN stretching, CC stretching (phenyl ring) and ABPA, but not POSS.
  • the broad peak of OH stretching at 3300 cm < -1 > present in the POSS-PBA is due to the epoxide ring opening.

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Abstract

본 발명은 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS) 기반의 하이브리드 나노 프로브 및 이를 포함하는 무효소형 글루코오스 센서에 관한 것으로, 본 발명의 하이브리드 나노 프로브를 이용하는 경우 효소를 이용하지 않고, 색 변화를 통해 글루코오스 검출을 확인할 수 있다.

Description

다면체 올리고머 실세스퀴옥산을 기반의 하이브리드 나노 프로브 및 이를 포함하는 센서
본 발명은 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS) 기반의 하이브리드 나노 프로브 및 이를 포함하는 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 효소 반응을 대신 색 변화를 통해 글루코오스 검출을 확인할 수 있는 프로브에 관한 것이다.
2020년 노인 인구는 전체 인구의 16%에 달하며, 실버 산업의 시장 규모는 2020년 전체 산업의 10% 이상이 될 것으로 평가된다. 한편, 기대 수명 증가에 따른 노인 건강에 대한 관심과 삶의 질 향상이 중요해지는 상황에서, 미래 고령화 사회에서 문제가 되는 노인성 만성 질환 치료나 손상/저하된 인체기능 보완에 기여할 수 있는 핵심적 원천 융합 기술을 발굴하여야 할 필요성이 증가하고 있다.
만성 질환 중에서도 특히, 당뇨병 등의 질병에 대하여 자가 모니터링 방법으로 혈당을 모니터링 하게 되면 당뇨병으로 인한 심장병, 신장 손상, 실명 등의 위험을 줄일 수 있으므로, 글루코오스 센서에 관한 연구가 전세계적으로 활발하게 연구되고 있으며 다수의 논문이 보고되고 있다.
그러나, 글루코오스 산화 효소인 글루코오스 옥시다아제와 같은 효소를 이용하는 기존의 효소형 글루코오스 센서들은 공기 중에서 효소가 산화되거나 활성이 저하되어 센서의 정확성을 낮추는 문제점이 있다. 또한, 기존의 진단 및 모니터링은 모두 침습형 기재로서 비효율적이고 고통을 수반하는 혈액 채취 방법에 의존하고 있고, 정기적으로 병원을 방문해야 하는 불편함이 존재한다.
한편, 그래핀 산화물(GO), 탄소 나노 튜브(CNT) 또는 다중벽 탄소 나노 튜브(MWCNT)로부터 제조된 형광 기반의 글루코오스 검출 시스템에 대한 연구가 진행되었으나, 탄소 기반 물질을 사용하는 경우, 글루코오스의 농도와 형광 강도 사이에서 선형 구조 관계를 얻기 어렵고 반응계의 색이 너무 어둡거나 검정이 되어 광학적 측정에 어려움이 있었다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 무효소형 글루코오스 센싱에 사용될 수 있는 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS) 기반의 하이브리드 나노 프로브 및 이를 포함하는 센서를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 화학식 1로 나타나는 PBA(Phenylboronic acid)로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS) 및 염료를 포함하는, 하이브리드 나노 프로브가 제공된다.
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000001
일 측에 따르면, 상기 염료는 다이올 포함 형광염료, 음이온성 염료, 양이온성 염료 또는 비이온성 염료일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 다이올 포함 형광염료는, 다이올 개질 ANSA(8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid)일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 하이브리드 나노 프로브는 코어-쉘 형태의 자가조립형 구조를 가지고, 상기 코어는 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)으로 이루어지고, 상기 쉘은 PBA 및 염료로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 하기 화학식 1로 나타나는 PBA(Phenylboronic acid)로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS) 및 염료를 포함하는 하이브리드 나노 프로브를 포함하는, 글루코오스 센서가 제공된다.
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000002
일 측에 따르면, 상기 센서는, 피부 패치형, 렌즈형, 웨어러블형, 또는 반침습형일 수 있다.
일 측에 따르면, 센싱 효율은 40일 이상 유지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 추출전극; 상기 추출전극 상에 형성되고, 하이브리드 나노 프로브를 포함하는 프로브 고정막; 을 포함하고, 상기 프로브는 PBA로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산 (POSS) 및 염료를 포함하는 것인, 무효소형 글루코오스 센서가 제공된다.
일 측에 따르면, 상기 기판에 부착된 커버필름을 더 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 염료는 다이올 포함 형광염료, 음이온성 염료, 양이온성 염료 또는 비이온성 염료일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 다이올 포함 형광염료는, 다이올 개질 ANSA(8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid)일 수 있다.
본 발명의 하이브리드 나노 프로브는 효소 대신 염료를 사용하여 글루코오스를 검출할 수 있으므로, 기존의 효소형 센서의 단점을 보완할 수 있다.
또한, 하이브리드 나노 프로브의 쉘에는 친수성인 PBA 및 염료가 존재하므로 글루코오스 분자의 접근이 용이하고, 매우 낮은 농도의 글루코오스가 포함된 시료에서도 높은 정확도로 당을 측정할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1a는 PBA(Phenylboronic acid)로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)의 합성을 나타낸다.
도 1b 다이올로 개질된 형광염료의 합성을 나타낸다.
도 1c는 본 발명의 하이브리드 나노 프로브의 합성을 나타낸다.
도 1d는 본 발명의 하이브리드 나노 프로브가 글루코오스와 반응하는 메커니즘을 도식화한 것이다.
도 2a 내지 2d는 450-4000cm -1, 450-1600cm -1 범위의 스펙트럼에서 하이브리드 나노 프로브의 구조를 확인하는 FT-IR 그래프이다.
도 3은 글루코오스 농도의 증가에 따른 본 발명의 하이브리드 나노 프로브의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 0 ~ 0.9 mg/ml 범위의 글루코오스 농도에서 측정된 본 발명의 하이브리드 나노 프로브의 응답률에 대한 검정선(calibration curve)을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드 나노 프로브의 자가조립을 통한 코어-쉘 구조 형성을 도식화한 것이다.
도 6은 pH 적정에 따른 POSS-PBA의 형광 강도에 대한 상대적 응답률을 나타내는 그래프와 본 발명의 하이브리드 나노 프로브의 산해리상수(Ka)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 하이브리드 나노 프로브의 시간에 따른 형광 강도를 나타내는 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 화학식 1로 나타나는 PBA(Phenylboronic acid)로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS) 및 염료를 포함하는, 하이브리드 나노 프로브가 제공된다.
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000003
다면체 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)은 케이지(cage)형태의 분자(R 8Si 8O 12)는 실리콘-산소 결합과 함께 꼭짓점 기(vertex group)(R: 수소, 알킬, 알켄, 아릴, 아릴렌 등)을 포함하며, 1 ~ 3 nm의 크기를 갖는다. 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(POSS)은 나노 물질로서 생체인식소자물질을 쉽게 고정화시킬 수 있고, 높은 표면적에 의해 검출하고자 하는 물질과 반응하는 결합 부위의 수를 증가시킬 수 있다.
PBA로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)은 도 1a에 나타낸 바와 같이, [2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸]-헵타이소부틸로 치환된 POSS와 APBA를 반응시켜 제조된 것을 의미하며, 본 명세서에서는 "POSS-PBA"로 표현될 수 있다. POSS-PBA는 무기 나노 물질인 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(POSS)과 유기 물질인 3-아미노페닐보론산(APBA)을 반응시켜 만들어진 유·무기 하이브리드 물질로서, 기계적 강도나 열적 안정성 등의 물성이 우수한 특징을 가진다.
POSS-PBA와 결합하는 염료로는 다이올 포함 형광염료나 음이온성 염료, 양이온성 염료, 비이온 염료를 사용할 수 있다. 음이온성 염료는 이온 해리하는 염료 중 염료 이온이 음이온성을 나타내는 것으로서, 산성염료, 산성매염염료, 금속착염 산선염료, 직접 염료, 반응성 염료 등이 있으며, 양이온성 염료는 염료 이온이 양이온성을 나타내는 것으로서, 염기성 염료를 들 수 있다. 그 밖에 비이온성 염료로 분산염료를 사용할 수 있다. 한편, 염료는 발색단 혹은 색원체의 특성에 따라 분류된 azo 염료, anthraquinone 염료, indigoid 염료 (indigo계, thioindigo계), carbonium 염료 (diphenylmethane계, triphenymethane계, xanthene계, acridine계), phthalocyanine 염료, methine 염료 (polymethine계, azomethine계), thiazole 염료, quinoneimine 염료 (azine계, oxazine계, thiazaine계), lactone 염료, amino/hydroxyl ketone 염료, nitro/nitrozo 염료 및 quinoline 염료를 사용할 수 있다.
본 발명의 프로브는 POSS-PBA-염료의 구조를 가지고 글루코오스와 반응하는 경우 염료가 방출되어 색상을 띠는 방식으로 글루코오스를 검출하므로(도 1d 참조), 글루코오스와 선택적으로 반응할 수 있는 염료를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 다이올 포함 형광염료인 다이올 개질 ANSA(8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 프로브가 글루코오스와 반응할 때 염료가 방출하는 빛의 세기를 측정하고 수치화 하기 위해 빛 세기 측정 어플리케이션 및 이를 실행하는 스마트폰, 스마트 워치, 스마트 밴드 등의 휴대용 스마트 기기와 색차계 등의 측정 기기을 이용할 수 있다.
본 발명의 프로브는 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)으로 이루어진 코어 및 PBA와 염료로 이루어진 쉘 구조로 자가조립될 수 있다(도 5 참조). 코어-쉘 구조를 가지는 프로브는, 친수성인 PBA 및 염료가 바깥에 위치하여 수용액이나 생체 환경에 노출됨으로써 친수성인 글루코오스 분자와 쉽게 반응하므로, 글루코오스 검출 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명자 등은, 염료가 방출하는 형광 강도의 변화율이 글루코오스 농도와 관련 있다는 것을 확인하였다. 0 ~ 20mg/ml 범위의 글루코오스 농도에서 프로브의 반응 거동을 관찰한 결과, 형광 강도는 글루코오스의 농도에 비례해서 증가하였다(도 3 참조). 또한, 본 발명의 프로브의 글루코오스 검출 능력을 평가하기 위해, 글루코오스 농도에 대한 반응률(Response rate, R)을 하기 식 1과 같이 정의하여 구했다. 식 1에서
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000004
는 글루코오스가 포함된 용액에서의 형광 신호,
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000005
는 버퍼용액에서의 형광 신호를 의미하고, t는 반응 시간을 의미한다.
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000006
도 4는 0.0 ~ 0.9 mg/ml 범위의 글루코오스 농도에서, R=0.345[glucose]+0.0031 (R 2 = 0.9845)의 선형 회귀식에 근거한 글루코오스 농도와 반응률의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참고하면, 본 발명의 프로브가 매우 낮은 농도의 글루코오스에서도 선형의 반응 거동을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 결과를 통해, 본 발명의 프로브는 미량의 글루코오스가 포함된 시료나 시료 자체의 양이 적은 경우에도 글로코오스 농도에 비례한 센싱 능력을 보유한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 프로브는 글루코오스를 포함하는 시료로 혈액뿐만 아니라 눈물, 땀, 타액 등의 체액을 이용할 수 있으며, 이러한 시료로부터 매우 높은 민감도로 글루코오스를 검출할 수 있다.
본 발명의 프로브 활성이 최적인 pH를 평가하기 위해 pH 적정에 따른 형광 강도의 상대적인 반응률을 관찰하여 도 6에 나타내었다. 도 6을 참고하면, pH 5 ~ 7의 범위에서 PBA에 대한 상대적인 반응률이 높은 것을 알 수 있다. 이는, 보로네이트 에스테르 복합체가 산성 조건 하에서는 불안정하여 낮은 pH(pH 5 미만)에서는 염료가 결합되지 않은 상태로 존재하고, 중간 pH(pH 5~7)에서는 보로네이트 에스테르가 안정화되어 염료와 결합하기 때문이다. 즉, 프로브의 활성은 pH 5 ~ 7 범위에서 가장 높으며, 이를 통해 본 발명의 프로브는 인간의 피부 표면과 유사한 환경(약 pH 5)에서 최적임을 알 수 있다.
본 발명의 프로브의 선택성을 평가하기 위해 글루코오스가 0.02M 농도로 존재하는 시료에 방해 물질들을 5 mg/ml의 농도로 첨가하고, 방해 물질을 첨가하지 않은 시료를 대조군으로 하여 프로브의 반응 속도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 프럭토오스와 수크로오스는 글루코오스와 경쟁적으로 프로브에 결합하기 때문에 형광 강도가 낮아졌으나, 시트르산, KCl, NaCl이 비해 감소 정도가 훨씬 적었으며, 이는 프로브의 글루코오스 특이적 반응을 결정하는 데 영향을 미치지 않는다.
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000007
일 측에 따르면, 상기 하이브리드 나노 프로브의 센싱 효율은 40일 이상 유지될 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, THF 용액 중에서 프로브의 형광 강도는 40일이 경과한 후에도 처음 강도에 비해 거의 감소하지 않았으며 이는 POSS 분자의 Si-O 결합이 일반 유기 결합에 비해 매우 강하고 안정한 것에 기인한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 하기 화학식 1로 나타나는 PBA(Phenylboronic acid)로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS) 및 염료를 포함하는 하이브리드 나노 프로브를 포함하는, 글루코오스 센서가 제공된다.
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000008
본 발명의 센서는, 피부 패치형, 렌즈형, 웨어러블형, 또는 반침습형의 형태뿐만 아니라 공지의 전기화학적 센서 형태로도 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 추출전극; 상기 추출전극 상에 형성되고, 하이브리드 나노 프로브를 포함하는 프로브 고정막; 을 포함하고, 상기 프로브는 PBA로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산 (POSS) 및 염료를 포함하는 것인, 무효소형 글루코오스 센서가 제공된다.
본 발명의 글루코오스 센서는 기판에 부착된 커버필름을 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 피부 패치형으로 사용하는 경우 피부 표면에 센서를 고정시키기 위해 점착필름을 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 추출전극은 피부 표면을 통해 체액을 역이온영동(reverse iontophoresis) 추출에 의해 추출할 수 있는 정도의 충분한 양으로 전류가 인가되는 전극을 의미한다. 추출전극에 전류가 인가되는 경우, 각 추출전극의 전류 방향은 일정한 간격으로 교대로 변화하는 것이 바람직하다. 체액에 포함된 글루코오스는 역이온영동 추출에 의한 나트륨 이온(Na +)의 이동에 따라 촉진 확산됨으로써 세포막 밖으로 배출될 수 있다. 추출전극의 재질은, 예를 들어 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 유리상 탄소(glassy carbon, GC), 이들에 탄소를 포함하는 전극 또는 음/염화은(Ag/AgCl) 전극일 수 있다. 한편, Ag/AgCl 전극은 전도성이 우수하며 전류가 흐를 때 pH의 변화가 거의 없어 피부 자극 없이 음극(-)에서 양이온과 함께 중성의 글루코스 분자를 추출하는데 적합하므로 바람직하다. 추출전극은 당업계에 공지된 임의의 방법, 예를 들어 스크린 프린팅법 및 스퍼터링 등에 의하여 기판 상에 제조될 수 있다.
상기 프로브 고정막에는 전술한 하이브리드 나노 프로브가 균일하게 고정되어 있는 것 일 수 있다. 프로브 고정막은 프로브가 균일하게 고정될 수 있고, 생체 적합성이 뛰어난 하이드로겔 재질인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 프로브 고정막이 하이드로겔로 이루어지는 경우, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴산, 폴리비닐필롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리히드록시프로필메타크릴레이트, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트, 폴리락트산, 키토산, 덱스트란, 젤라틴 및 콜라겐으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 상기 염료는 다이올 포함 형광염료, 음이온성 염료, 양이온성 염료 또는 비이온성 염료일 수 있으며, 보다 바람직하게는 다이올 개질 ANSA(8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid)일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기술된 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1: 형광 염료의 합성>
1ml의 0.5M 3-aminophenylboronic acid(APBA)와 1ml의 2M 폴리에틸렌글리콜(PEG, Mw: 200)을 2ml THF에 용해시켰다. 이 혼합물을 실온에서 격렬히 교반한 다음, Na(CN)BH 3 (0.1 - 0.2%) 수용액을 첨가하여 염료를 제조하였다. 양성자 핵 자기 공명 ( 1　H-NMR, Ascend tm 500, Bruker) 및 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR, Spectrum Two, Perkin Elmer)을 사용하여 합성 결과를 분석하였다: 　 1H NMR (MEOD, ppm): 3.57
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000009
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000010
<실시예 2: POSS-PBA의 합성>
POSS([2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl]-heptaisobutyl로 치환된 POSS 매크로머) 10mg을 8ml의 순수한 THF에 용해시키고, 1.67 mg의 APBA를 용액에 첨가하였다. 혼합 용액을 50℃의 항온조에서 3시간 동안 가열하고 교반하였다. 가열 후, 50μL의 hydrazine monohydrate 용액(N 2H 4, 64-65%, Sigma)과, 50μ의 암모니아 용액 　(NH 3, 28-30 %, Aldrich)　을 혼합 용액에 첨가하였다. 혼합 용액을 1 시간 동안 가열하였다. 환원적 아미노화 반응을 통해, POSS의 에폭시기 및 APBA의 1차 아민기가 반응하고, 하이드록실기와 함께 2차 아민을 형성하였다.
<실시예 3: 하이브리드 나노 프로브의 합성>
상기 실시예 1에서 합성된 디올 변성 용액 및 상기 실시예 2에서 합성된 POSS-PBA 용액을 투명한 유리 바이알에서 혼합하여 하이브리드 나노 프로브를 합성하였다. 양성자 핵 자기 공명 ( 1　H-NMR, Ascend tm 500, Bruker) 및 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR, Spectrum Two, Perkin Elmer)을 사용하여 합성 결과를 분석하였다: 　 1H NMR (CDCl 3, ppm): 6.98-7.02 (x,y, 5H, -Ph), 3.68 (j,H, cyclohexyl ring,-
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000011
Figure PCTKR2018009379-appb-img-000012
상기 실시예 3에서 제조된 하이브리드 나노 프로브의 구조를 확인한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참고하면, FT-IR 스펙트럼에서 관찰된 1000-1300 cm -1 에서의 피크는 POSS의 특성 피크로 Si-O-Si 결합에 의한 것이며, C-N 신축 피크 또는 1260cm -1 에서의 POSS 피크는 에폭사이드의 C-O 신축진동에 의한 것으로, POSS에 비해 POSS-PBA에서 감소한 것을 확인할 수 있다. POSS-PBA에 존재하는 1435 cm -1의 새로운 피크는 2차 아민(C-N-C), C-N 신축, C-C 신축(페닐고리) 및 ABPA의 B-O 신축에 의한 것으로, POSS에는 존재하지 않았다. 또한, POSS-PBA에 존재하는 3300cm -1에서의 O-H 신축의 넓은 피크는 에폭사이드 고리 열림에 의한 것이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 하기 화학식 1로 나타나는 PBA(Phenylboronic acid)로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS) 및 염료를 포함하는, 하이브리드 나노 프로브.
    Figure PCTKR2018009379-appb-img-000013
  2. 제1항에 있어서,
    상기 염료는 다이올 포함 형광염료, 음이온성 염료, 양이온성 염료 또는 비이온성 염료인, 하이브리드 나노 프로브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다이올 포함 형광염료는, 다이올 개질 ANSA(8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid)인, 하이브리드 나노 프로브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 나노 프로브는 코어-쉘 형태의 자가조립형 구조를 가지고,
    상기 코어는 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)으로 이루어지고, 상기 쉘은 PBA 및 염료로 이루어지는, 하이브리드 나노 프로브.
  5. 하기 화학식 1로 나타나는 PBA(Phenylboronic acid)로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS) 및 염료를 포함하는 하이브리드 나노 프로브를 포함하는, 글루코오스 센서.
    Figure PCTKR2018009379-appb-img-000014
  6. 제5항에 있어서,
    상기 센서는, 피부 패치형, 렌즈형, 웨어러블형, 또는 반침습형인, 글루코오스 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    센싱 효율이 40일 이상 유지되는, 글루코오스 센서.
  8. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 추출전극;
    상기 추출전극 상에 형성되고, 하이브리드 나노 프로브를 포함하는 프로브 고정막; 을 포함하고,
    상기 프로브는 PBA로 기능화된 다면체 올리고머릭 실세스퀴옥산 (POSS) 및 염료를 포함하는 것인, 무효소형 글루코오스 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기판에 부착된 커버필름을 더 포함하는, 무효소형 글루코오스 바이오센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 염료는 다이올 포함 형광염료, 음이온성 염료, 양이온성 염료 또는 비이온성 염료인, 무효소형 글루코오스 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 다이올 포함 형광염료는, 다이올 개질 ANSA(8-Anilino-1-naphtalenesulfonic acid)인, 무효소형 글루코오스 센서.
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