WO2022225347A1 - 바이러스 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재, 이를 포함하는 센서 - Google Patents

바이러스 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재, 이를 포함하는 센서 Download PDF

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권오석
김경호
김진영
박선주
서성은
안재은
하시영
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한국생명공학연구원
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    • G01N2333/165—Coronaviridae, e.g. avian infectious bronchitis virus

Definitions

  • the present invention relates to a graphene channel member comprising a viral receptor and a sensor comprising the same.
  • PCR Polymerase Chain Reaction
  • LFA Longeral Flow Assay
  • the diagnosis using LFA has a drawback that the diagnosis speed is fast but the accuracy of the test result is lower than that of the PCR method.
  • a virus specimen transport medium (UTM) is used to store and transport specimens obtained from human saliva (blood or secretions, etc.).
  • UTM virus specimen transport medium
  • Viruses such as Covid-19 which have a very high infection rate, can lead to death depending on individual resilience after infection, so preventive measures are essential. Therefore, research on a diagnostic method that has high test accuracy and allows multiple tests at the same time in high-risk situations such as a pandemic is continuing.
  • the present invention has been devised to overcome the limitations of the conventional virus diagnosis method as described above, and SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), H1N1 influenza virus, etc. or their A graphene channel member immobilized on a graphene film with a universal virus receptor for rapidly and accurately diagnosing various types of viruses such as mutants (mutant viruses) even under UTM (Universal Transport Medium), graphene transistors and bio We want to provide a sensor.
  • One aspect of the present invention is a graphene film; and a virus receptor portion comprising a virus receptor, wherein the virus receptor portion is immobilized on the graphene film through a linker portion comprising a carbene compound represented by the following Chemical Formula 1 or the following Chemical Formula 2, a graphene channel member to provide.
  • R1, R2, R5 and R6 are each independently hydrogen; an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms unsubstituted or substituted with at least one selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, and a heteroaryl group; a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms which is unsubstituted or substituted with at least one selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, and a heteroaryl group; an aryl group having 6 to 30 carbon atoms which is unsubstituted or substituted with at least one selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, and a heteroaryl group; Or an alkyl group, a cycloalkyl group, a heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, unsubstituted or substituted with at least one selected from an aryl group and a heteroaryl
  • R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or or a structure represented by Formula 3, or two or more substituents adjacent to each other among R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring,
  • At least one of R3 and R4 is a structure represented by the following formula (3),
  • At least one of R7 to R10 is a structure represented by the following formula (3), or when two or more substituents adjacent to each other of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring, at least one of the hydrogens bonded to the carbon forming the hydrocarbon ring is substituted with a structure represented by the following formula (3),
  • n is an integer from 6 to 30 as the number of repeating units in parentheses
  • A is a functional group containing a nitrogen (N) atom.
  • the substrate; the aforementioned graphene channel member; And a pair of electrodes; provides a graphene transistor comprising a.
  • Another aspect of the present invention also provides a biosensor including the graphene transistor.
  • the graphene channel member of the present invention may contain several types of viruses such as SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), H1N1 influenza virus, or their variants (mutant virus).
  • viruses such as SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), H1N1 influenza virus, or their variants (mutant virus).
  • SARS-CoV virus MERS-CoV virus
  • SARS-CoV-2 virus COVID-19 virus
  • H1N1 influenza virus or their variants (mutant virus).
  • a single sensor can simultaneously and independently detect viruses such as SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), H1N1 influenza virus, or their variants (mutant virus). Therefore, there is an effect that enables rapid and accurate diagnosis of various viruses.
  • viruses such as SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), H1N1 influenza virus, or their variants (mutant virus). Therefore, there is an effect that enables rapid and accurate diagnosis of various viruses.
  • FIG. 1 shows a graphene transistor according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the results of confirming the ACE2, DPP4, NRP1 isolated and purified in Example 1 of the present invention through Western blot.
  • Example 5 shows the biosensor fabricated in Example 3 of the present invention.
  • FIG. 11 shows the results of confirming whether or not SARS-CoV-2 virus is detected in the biosensor in which four types of graphene transistors of the present invention are integrated.
  • 14A to 14G show the results of confirming the detection of SARS-CoV-2 virus present in clinical samples in the graphene transistor on which the virus receptor part of the present invention is immobilized.
  • One aspect of the present invention provides a graphene channel member.
  • the graphene channel member of the present invention includes a graphene film and a virus receptor.
  • the graphene film is for supporting the virus receptor, and may be configured in a form in which a graphene layer is laminated as a single layer or a multi-layer.
  • the graphene layer is formed as a multilayer, the surface resistance of the graphene film itself is reduced, and thus the sensitivity of a device such as a transistor to which a graphene channel member is applied may be reduced. Therefore, the graphene film is more preferably made of a single-layer graphene layer.
  • the thickness of the graphene film may be 0.1 to 1 nm, which may mean the thickness of a single-layer graphene film. When the thickness of the graphene film satisfies the above range, it has properties of high conductivity and high charge mobility, and it is possible to implement a device such as a transistor with high sensitivity by using the graphene channel member using the same.
  • the graphene film may be patterned, specifically, may be finely patterned.
  • the graphene film may be variously patterned in a polygonal shape such as a circle, a triangle, a square, a pentagon, or a hexagon (honeycomb). Since the shape of the graphene film can be diversified by patterning the graphene film as described above, the graphene channel member using the same can be applied to devices having various shapes without design restrictions.
  • the virus receptor part may include a receptor for a virus. It may be a receptor that selectively responds to the virus, for example, a receptor present in a host cell that binds specifically when the virus infects the host cell, and thus the viral receptor is located on the cell surface, cell membrane, etc. of the host cell. It may be a compound or protein.
  • the virus may be SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), H1N1 influenza virus, etc.
  • virus receptor is ACE2 ( Angiotensin-converting enzyme 2), DPP4 (Dipeptidyl peptidase-4), NRP1 (Neuropilin-1), sialic acid, etc. or at least one selected from these, but is not limited thereto, and specific structures or proteins of the viruses Any material that can be combined with ACE2 ( Angiotensin-converting enzyme 2), DPP4 (Dipeptidyl peptidase-4), NRP1 (Neuropilin-1), sialic acid, etc. or at least one selected from these, but is not limited thereto, and specific structures or proteins of the viruses Any material that can be combined with ACE2 ( Angiotensin-converting enzyme 2), DPP4 (Dipeptidyl peptidase-4), NRP1 (Neuropilin-1), sialic acid, etc. or at least one selected from these, but is not limited thereto, and specific structures or proteins of the viruses Any material that can be combined with ACE2 ( Angiotensin-converting enzyme 2), DPP4 (Di
  • the ACE2 is an enzyme called angiotensin-converting enzyme 2, which is a type 1 transmembrane protein homologous to angiotensin-converting enzyme, SARS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), etc. However, it is a receptor that binds when a mutant (mutant virus) of these invades into a host cell.
  • the DDP4 is a protein known as dipeptidyl peptidase 4 (Dipeptidyl peptidase-4, CD26), which is a type 2 transmembrane protein, and binds when the MERS-CoV virus or its variant (mutant virus) invades the host cell. is the receptor.
  • the NRP1 is a neuropilin-1 protein, and is a receptor that binds when SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus) or a mutant (mutant virus) thereof invades into a host cell.
  • the sialic acid is located on the surface of the host cell and is a receptor to which the H1N1 influenza virus invades the host cell.
  • the sialic acid may be sialic acid itself, or a derivative of sialic acid such as sialyllactose. may be, but is not limited thereto.
  • the viral receptor may be prepared from transformed E. coli.
  • ACE2, DPP4, NRP1, etc. which are viral receptors corresponding to proteins, may be prepared by transducing nucleotides encoding these proteins into host cells such as E. coli. Specifically, it can be obtained by culturing the transduced host cell as described above to express the viral receptors, lysing the host cell, and isolating and/or purifying the viral receptor from the lysate.
  • the virus receptor part may be configured in the form of a nano-disc by means of a lipid and a support protein for the virus receptor.
  • the nanodisk may have a form in which the virus receptor penetrates the lipid, and the lipid surrounds the virus receptor, and a support protein surrounds the edge of the lipid containing the virus receptor.
  • the viral receptor can be stably immobilized in a support made by mixing a membrane scaffold protein (MSP) and a lipid (Lipid), and the average diameter of the cross section of the nanodisk is 5 nm to 20 nm or 7 It may be in the range of nm to 15 nm, but the size and characteristics of the nano-disc can be adjusted by appropriately selecting the material of the lipid and the support protein.
  • MSP membrane scaffold protein
  • Lipid lipid
  • the lipid is POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine), POPG (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol), or at least one selected from these or these may be a mixture of , and POPC and POPG may be mixed in an appropriate ratio to produce similarly to the membrane environment.
  • the support protein may be used without limitation as long as it is a protein for enclosing a receptor and a lipid, and if it is a protein having high environmental stability and excellent ability to enclose a receptor and a lipid, it may be used without any particular limitation.
  • the virus receptor part when the virus receptor part is manufactured in the form of a nano-disc, it can imitate the original receptor structure similar to the in vivo environment in a living body, so that it not only has excellent stability in various surrounding environments, but also has high sensitivity to the detection target virus. Selectivity is improved. Therefore, the performance maintenance period of the graphene transistor or biosensor to which it is applied may be prolonged. For example, when using a receptor only in the form of a protein, the performance maintenance period is about 7 to 10 days, whereas in the case of the nanodisk-based receptor as in the present invention, the same performance can be maintained for up to about 30 days.
  • the virus receptor portion may include only one receptor among ACE2, DPP4, NRP1, sialic acid, and the like, or a combination of two or more of these or all of them.
  • the virus receptor part is fixed on the graphene film.
  • the immobilization may be accomplished through physical or chemical bonding, and in particular, the viral receptor moiety may be chemically immobilized through a linker moiety. That is, the linker moiety may serve as a mediator for immobilizing the virus receptor moiety to the graphene film.
  • linker moiety may be represented by the following Chemical Formula 1 or the following Chemical Formula 2.
  • R1, R2, R5 and R6 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 6 to 30 carbon atoms, or an unsubstituted aryl group or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms,
  • R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, and 6 to carbon atoms
  • At least one of R3 and R4 is a structure represented by the following formula (3),
  • At least one of R7 to R10 is a structure represented by the following formula (3), or when two or more substituents adjacent to each other of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring, at least one of the hydrogens bonded to the carbon forming the hydrocarbon ring is substituted with a structure represented by the following formula (3),
  • n is an integer from 6 to 30 as the number of repeating units in parentheses
  • A is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms including a nitrogen (N) atom or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms including a nitrogen (N) atom.
  • R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
  • R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms.
  • R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms.
  • R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently hydrogen, isopropyl or benzyl.
  • At least one of R1 and R2 and at least one of R5 and R6 may be the same as or different from each other and may each independently be an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
  • At least one of R1 and R2 and at least one of R5 and R6 may be the same as or different from each other, and each independently may be isopropyl or benzyl.
  • R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, and 2 to 30 carbon atoms. of a heteroaryl group or a structure represented by Formula 3, or two or more substituents adjacent to each other among R7 to R10 may combine to form a hydrocarbon ring.
  • R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen or a structure represented by Formula 3, or two or more adjacent substituents of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring can
  • At least one of carbons forming the hydrocarbon ring may be substituted with a structure represented by Formula 3 above.
  • At least one of R3 and R4 may have a structure represented by Formula 3 above.
  • at least one of R7 to R10 may have a structure represented by Formula 3 above.
  • n may be an integer of 6 or more to 30 or less as the number of repeating units in parentheses.
  • n may be 6 or more, 8 or more, or 10 or more, and 30 or less, 27 or less, 25 or less, 23 or less, 20 or less, 19 or less, 18 or less, 17 or less, 16 or less, 15 or less, or 14 or less.
  • n is the repeating number of the PEG (polyethylene glycol) unit of the compound of Formula 1 or Formula 2, and when n satisfies the above range, the noise of the graphene transistor is minimized even in a Universal Transport Medium (UTM) reagent, so that the UTM Even when the reagent is directly used, the performance and accuracy of the graphene transistor are not degraded, and high stability and/or sensitivity can be obtained.
  • UTM Universal Transport Medium
  • A is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms including a nitrogen (N) atom or a heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms including a nitrogen (N) atom.
  • A may be azide, phthalimide, or amine.
  • adjacent group means a substituent substituted on an atom directly connected to the atom in which the substituent is substituted, a substituent sterically closest to the substituent, or another substituent substituted on the atom in which the substituent is substituted.
  • two substituents substituted at an ortho position in a benzene ring and two substituents substituted at the same carbon in an aliphatic ring may be interpreted as "adjacent" to each other.
  • the alkyl group may be linear or branched, and may have 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms. More preferably, it may have 1 to 6 carbon atoms.
  • Specific examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, propyl group, n-propyl group, isopropyl group, butyl group, n-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, sec-butyl group, 1-methylbutyl group, 1-ethylbutyl group, pentyl group, n-pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, hexyl group, n-hexyl group, 1-methylpentyl group, 2-methylpentyl group, 4-methyl group -2-pentyl group, 3,3-dimethyl butyl group, 2-ethylbutyl group, hepty
  • the cycloalkyl group may have 3 to 20 carbon atoms, preferably 3 to 10 carbon atoms.
  • Specific examples of the cycloalkyl group include a cyclopropyl group, a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, a 3-methylcyclopentyl group, a 2,3-dimethylcyclopentyl group, a cyclohexyl group, a 3-methylcyclohexyl group, and a 4-methylcyclo a hexyl group, a 2,3-dimethylcyclohexyl group, a 3,4,5-trimethylcyclohexyl group, a 4-tert-butylcyclohexyl group, a cycloheptyl group, or a cyclooctyl group, but is not limited thereto.
  • the aryl group may have 6 to 30 carbon atoms, preferably 6 to 10 carbon atoms.
  • the aryl group may be a monocyclic aryl group or a polycyclic aryl group. Specific examples of the monocyclic aryl group include a phenyl group, a biphenyl group, or a terphenyl group, and specific examples of the polycyclic aryl group include a naphthyl group, anthracenyl group, phenanthryl group, pyrenyl group, perylenyl group, and cry a cenyl group, a fluorenyl group, or a triphenylene group, but is not limited thereto.
  • the heteroaryl group is an aromatic ring group including at least one selected from N, O, P, S, Si and Se as a heteroatom, and may have 2 to 30 carbon atoms, preferably 2 to 20 carbon atoms.
  • Specific examples of the heteroaryl group include a thiophene group, a furan group, a pyrrole group, an imidazole group, a thiazole group, an oxazole group, an oxadiazole group, a triazole group, a pyridyl group, a pyrimidyl group, a triazine group, a triazole group, acri Diyl group, quinolinyl group, quinazoline group, quinoxalinyl group, phthalazinyl group, isoquinoline group, indole group, carbazole group, benzoxazole group, benzimidazole group, benzothiazole group, benzocarbazole group, benzothiophene group
  • alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, heteroaryl group or hydrocarbon ring may be unsubstituted or substituted with an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group or a heteroaryl group.
  • the lone pair of electrons of the carbene compound may be chemically bonded (covalently bonded) to the graphene film, for this purpose, for example, the carbene compound is attached to the graphene film. After the compound is treated, it can be reacted by applying a temperature of 100° C. or higher.
  • the viral receptor of the receptor moiety may be chemically bound to the linker moiety through an amide bond.
  • it may be immobilized through a method using a coupling agent such as an EDC-NHS reaction, a DMTMM reaction, or a glutaraldehyde reaction, or a chemical reaction such as a click reaction.
  • the virus receptor portion When the virus receptor portion is immobilized on the graphene film through the linker portion as described above, the virus receptor portion becomes more stable from changes in the external environment, and stability against changes in the external environment is improved. In particular, the stability to the UTM reagent is improved.
  • the virus receptor when the graphene film is patterned, the virus receptor may be bound to the surface of the patterned graphene film.
  • the virus receptor moiety may be immobilized to the patterned graphene film by a chemical bond using the carbene compound represented by Formula 1 or Formula 2 as a linker moiety.
  • ACE2, DPP4, NRP1, and sialic acid were immobilized on the graphene film as virus receptors in the virus receptor part, SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus) , H1N1 influenza virus, etc. or a mutant thereof (mutant virus) has an advantage that real-time multiplex detection is possible.
  • Another aspect of the present invention provides a graphene transistor including the graphene channel member.
  • the graphene transistor of the present invention comprises: a substrate; the aforementioned graphene channel member; and a pair of electrodes.
  • the substrate serves as a support on which the components of the graphene transistor of the present invention are supported, and an insulating inorganic substrate such as a Si substrate, a glass substrate, a GaN substrate, a silica (SiO 2 ) substrate, and a metal such as Ni, Cu, W
  • a substrate or a plastic substrate eg, polyethylene naphthalate (PEN), etc.
  • silica (SiO 2 ) It is preferably a substrate or a silicon wafer.
  • the substrate may be selected from various materials capable of depositing graphene, for example, may be made of a material such as silicon-germanium and silicon carbide (SiC), and an epitaxial layer, silicon-on.
  • SiC silicon-germanium and silicon carbide
  • the substrate may be selected from various materials capable of depositing graphene, for example, may be made of a material such as silicon-germanium and silicon carbide (SiC), and an epitaxial layer, silicon-on.
  • SiC silicon-germanium and silicon carbide
  • the graphene channel member may be formed on the substrate.
  • the graphene film may be formed by growing graphene on the substrate by a chemical vapor deposition method using a hydrocarbon gas as a carbon source.
  • the graphene film may be formed using, for example, chemical vapor deposition, and by using this, single-layer to several-layer graphene having excellent crystallinity can be obtained in a large area.
  • the chemical vapor deposition method is a method of growing graphene by adsorbing, decomposing, or reacting a carbon precursor in the form of a gas or vapor having high kinetic energy on the substrate surface to separate it into carbon atoms, and making the carbon atoms bond with each other. .
  • the chemical vapor deposition method may be at least one selected from the group consisting of Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition (APCVD), and Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD), and minimize defects in a large area It is preferable that the chemical vapor deposition method is LPCVD in view of possible deposition.
  • PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • APCVD Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • a metal catalyst such as nickel, copper, aluminum, iron is deposited on a wafer having a silicon oxide layer using a sputtering device and an electron beam evaporation device to form a metal catalyst layer, CH 4 , C 2 H 2 Put in a reactor together with a gas containing carbon, such as, heated, so that carbon is absorbed in the metal catalyst layer, cooled to separate carbon from the metal catalyst layer to crystallize, and finally the metal By removing the catalyst layer, a graphene film can be formed.
  • a gas containing carbon such as, heated, so that carbon is absorbed in the metal catalyst layer, cooled to separate carbon from the metal catalyst layer to crystallize
  • the method for forming the graphene film is not limited to the chemical vapor deposition method, and various methods may be used to form the graphene film.
  • a physical exfoliation method that removes one layer by mechanical force to make graphene a chemical exfoliation method utilizing oxidation-reduction properties, or SiC, where carbon is adsorbed or contained in the crystal
  • a graphene film can be formed by using an epitaxial synthesis method in which a material is heat-treated at a high temperature of 1,500 °C.
  • the pair of electrodes may be a source electrode and a drain electrode formed to be spaced apart from each other on the graphene film in order to apply a voltage to the graphene channel member.
  • the source electrode and the drain electrode may be electrically connected through the graphene film, and may include a material having conductivity, and may be formed of, for example, a metal, a metal alloy, a conductive metal oxide, or a conductive metal nitride. .
  • the source electrode and the drain electrode are each independently Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, It may include at least one selected from the group consisting of Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn, and combinations thereof, but is not limited thereto, in terms of contact with graphene and ease of etching. , Au, or a Cr/Au alloy is preferred.
  • the pair of electrodes may be formed by a method known in the art, but for example, photolithography, thermal deposition, E-beam deposition, plasma enhanced (PECVD) It can be formed by deposition methods such as Chemical Vapor Deposition), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).
  • PECVD plasma enhanced
  • the graphene channel member may be one in which a virus receptor moiety including a virus receptor is coupled (immobilized) to a linker moiety comprising the carbene compound on the graphene film.
  • a virus receptor moiety including a virus receptor is coupled (immobilized) to a linker moiety comprising the carbene compound on the graphene film.
  • the above description may be applied equally to the graphene channel member, virus receptor, virus receptor portion, carbene compound, linker portion, and graphene film.
  • virus receptors ACE2, DPP4, NRP1, sialic acid, etc. may be fixed to separate graphene channel members, respectively, or all of the virus receptors may be fixed to one graphene channel member.
  • the linker moiety bound to the graphene film may form a linker layer in the form of a single layer, and the linker moiety is fixed to the linker moiety.
  • the virus receptor part may also form a virus receptor layer in the form of a single layer.
  • linker layer When the linker layer is formed as a single layer, graphene not only has excellent charge mobility, transparency and/or flexibility, but also has the effect of blocking noise signals due to the approach of external non-specific charges.
  • the linker layer may have a thickness of 0.1 to 2 nm.
  • the thickness of the linker layer is thinner than 0.1 nm, there is a problem in that resistance increases, and when it is thicker than 2 nm, there is a problem in that the interaction between the linkers increases, so that the immobilization efficiency of the receptor is reduced.
  • the linker portion bound to the graphene film includes the carbene compound represented by Formula 1 or Formula 2, it is possible to rapidly and accurately diagnose a virus without noise even under a UTM reagent.
  • the difference in voltage generated by the electrical hysteresis may be 0.5V or less, specifically, 0.4V or less. Accordingly, in the graphene transistor of the present invention, noise is minimized even in the UTM reagent, and there is an effect that virus diagnosis can be performed directly in the UTM reagent.
  • Another aspect of the present invention provides a biosensor including the graphene transistor described above.
  • the biosensor according to the present invention uses a semiconductor characteristic in which a current flowing in a graphene film between a source electrode and a drain electrode is changed by an electric field effect.
  • the virus receptor formed on the surface of the graphene film reacts with a virus that specifically binds to each of the virus receptors, a change in the surrounding electric field occurs, which causes the graphene film between the source electrode and the drain electrode.
  • the value of the flowing current changes together, and the target can be detected by measuring the change in the current.
  • Such a sensor is excellent in sensitivity, specificity, speed and/or portability by using the graphene transistor as described above, and in particular, by using a graphene film as a channel layer, it is excellent With sensitivity and real-time detection performance, the detection limit of SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), H1N1 influenza virus, etc. or their variants (mutant virus) is improved accordingly Thus, there is an effect that enables rapid, high sensitivity and/or high accuracy detection.
  • the biosensor of the present invention may use a graphene transistor equipped with a graphene channel including all of ACE2, DPP4, NRP1 and sialic acid, and 4 including each of ACE2, DPP4, NRP1 and sialic acid separately It is also possible to integrate graphene transistors of different types and to modularize and use them as one so that all electrical signals from each graphene transistor can be received and analyzed.
  • the linker part is formed on the graphene film in the graphene transistor and the virus acceptor part bound thereto exists in the channel region of the graphene transistor, the stability of the graphene channel surface is improved as well as the virus directly from the UTM reagent. Even when testing is performed, noise caused by the UTM reagent is minimized, so that rapid and accurate diagnosis is possible.
  • the graphene transistor described above can be miniaturized, enabling real-time diagnosis in the field without any restrictions on location, making it possible to diagnose and test viruses very simply and accurately.
  • a gene encoding human ACE2 (Angiotensin-converting enzyme 2) (GenBank Accession No. NM_001371415.1), a gene encoding human DPP4 (Dipeptidyl peptidase-4) (GenBank Accession No. NM_001935.4), and human NRP1 (Neuropilin) -1) encoding gene (GenBank Accession No. AY249243.1) was inserted into each pET-21a(+) vector (Invitrogen, USA), and transformed into E. Coli BL21(DE3) (Thermo Fisher, USA). Then, the transformants were cultured at 37° C. with 1 L of LB (Luria-Bertani) medium containing 50 ⁇ g/mL of ampicillin until the OD 600 value reached 0.5.
  • LB Lia-Bertani
  • IPTG isopropyl thiogalactoside
  • a lysis buffer (20 mM Tris-HCl, 0.5 M NaCl, 20 mM imidazole, pH8. 0), followed by sonication (5s on/off, 5 min) to disrupt cells of the transformant.
  • ACE2, DPP4, and NRP1 were isolated and purified by performing fast protein liquid chromatography (FPLC) using the mounted AKTA pure (Cytiva). Western blotting was performed on the three types of proteins isolated and purified as described above, and it was confirmed that each of ACE2, DPP4, and NRP1 was purified with high purity as shown in FIG. 2 .
  • Aminoexyl-6'-sialyllactose into which an amine group was introduced at the terminal was synthesized at the request of Jinchem Co., Ltd.
  • the copper foil was heated to 1000 °C in the chamber, and H 2 was injected at 8 sccm and maintained at 90 mTorr for 30 minutes (20 minutes of pre-annealing and 10 minutes of stabilization), and then CH 4 was further injected at 20 sccm.
  • the total pressure was maintained at 560 mTorr for 40 minutes, then cooled to 200° C. at 35° C./min and the furnace cooled to room temperature, a single layer of graphene film (graphene layer) on the copper foil. was formed.
  • a polymethyl methacrylate solution (950 PMMA A4, 4% in anisole) (MicroChem Corp.) was spin-coated at a speed of 6000 rpm, and the polymethyl methacrylate solution was spin-coated using an etchant.
  • a graphene film coated with methyl methacrylate was separated from the copper foil.
  • the graphene film separated as described above was immersed in deionized distilled water for 10 minutes to remove residual etchant components remaining on the graphene film.
  • the graphene film on a silicon wafer was transferred by transferring the graphene film cleaned as described above to a silicon wafer as a substrate, and then dropping acetone on the graphene film to melt and remove the PMMA coating the graphene film. formed. At this time, transparency was maintained at 97.8%.
  • a positive photoresist (AZ5214, Clariant Corp) was spin-coated on the graphene film formed on the silicon wafer as described above, followed by UV exposure, baking and development, and the graphene film was patterned.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • the graphene transistor prepared in Example [3-1] was immersed in 10 mL of tetrahydrofuran (THF) in which 50 mg of the carbene compound 1, which is the linker compound prepared in Example 2, was dissolved, and 2 mM tetrabutylammonium fluoride (TBAF) was added. After mixing, the reaction was carried out at room temperature for 30 minutes. Then, by washing with THF and removing the solvent, a linker portion was formed on the graphene film of the graphene transistor.
  • THF tetrahydrofuran
  • TBAF tetrabutylammonium fluoride
  • EDC Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride
  • NHS N-hydroxysuccinimide
  • Example [1-1] the ACE2 nanodisks, DPP4 nanodisks, and NRP1 nanodisks prepared in Example [1-1] were treated with the sialic acid prepared in Example [1-2], respectively, and reacted for 4 hours, followed by ACE2 nanodisc A disk-fixed graphene transistor, a DPP4 nano-disk-fixed graphene transistor, a NRP1 nano-disk-fixed graphene transistor, and a sialic acid-immobilized graphene transistor were fabricated, respectively.
  • the four types of graphene transistors prepared in Example [3-3] are integrated and all electrical signals from each graphene transistor are received and modularized so that they can be analyzed, and virus detection as shown in FIG. 5 .
  • Each acceptor has its own resistance value, and since the resistance value of the graphene transistor increases when it is bonded to the carbene compound and immobilized on the graphene transistor, each acceptor by measuring the electrical resistance of the graphene transistors as described above. It can be confirmed whether or not is immobilized on the graphene transistor.
  • the graphene transistor fabricated in Example [3-1] and the four types of graphene transistors (the graphene transistor to which the ACE2 nanodisk is fixed, the DPP4 nano For graphene transistor with disk fixed, graphene transistor with NRP1 nanodisk fixed, graphene transistor with sialic acid fixed), voltage is applied and the change in current is measured accordingly. change in electrical resistance was confirmed.
  • the four types of graphene transistors with the receptor part immobilized (the graphene transistor with the ACE2 nanodisk fixed, the graphene transistor with the DPP4 nanodisk fixed, the graphene transistor with the NRP1 nanodisk fixed,
  • the graphene transistors after each treatment of SARS-CoV virus, MERS-CoV virus, SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), and H1N1 influenza virus for each of the graphene transistors on which sialic acid is immobilized The change in current was measured.
  • the graphene transistor to which the ACE2 nanodisk is fixed is a graphene transistor to which the DPP4 nanodisk is fixed when SARS-CoV virus and SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus) are treated.
  • SARS-CoV virus and SARS-CoV-2 virus COVID-19 virus
  • graphene transistors on which NRP1 nanodisks were immobilized were treated with SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus)
  • graphene transistors with sialic acid were immobilized with H1N1 influenza.
  • the graphene transistor on which the ACE2 nanodisk was fixed produced SARS-CoV virus and SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus), and the graphene transistor on which the DPP4 nanodisk was fixed.
  • the pin transistor selectively detects MERS-CoV virus
  • the graphene transistor on which NRP1 nanodisk is immobilized detects SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus)
  • the graphene transistor with sialic acid selectively detects H1N1 influenza virus, respectively. can confirm that it can be done.
  • the four types of graphene transistors with the receptor part immobilized (the graphene transistor with the ACE2 nanodisk fixed, the graphene transistor with the DPP4 nanodisk fixed, the graphene transistor with the NRP1 nanodisk fixed,
  • the detectable target substances identified in Example [4-2] were treated at different concentrations in the range of 10 ng/mL to 100 ⁇ g/mL in the graphene transistors. The current change was measured.
  • the graphene transistor on which the ACE2 nanodisk is immobilized until SARS-CoV virus or SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus) is present at a concentration of 100 ng/mL contains 100ng of SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus) until the MERS-CoV virus is present at a concentration of 10ng/mL. It was confirmed that the target substances could be detected up to a concentration of /mL and the graphene transistor on which sialic acid was immobilized until the H1N1 influenza virus was present at a concentration of 100ng/mL.
  • the four types of graphene transistors with the receptor part immobilized (the graphene transistor with the ACE2 nanodisk fixed, the graphene transistor with the DPP4 nanodisk fixed, the graphene transistor with the NRP1 nanodisk fixed,
  • the detectable target substances identified in Example [4-2] were treated at a concentration of 100 ng/mL at intervals of 2 days for 10 days in the graphene transistors. was measured, and the ratio of the sensitivity (S) on the day of measurement to the sensitivity (S o ) during the first measurement was tracked.
  • the UTM reagent contains various substances such as buffers, bovine serum albumin (BSA), antibiotics, and gelatin. In the case of the graphene transistors with the receptor part fixed, it was confirmed that they did not react at all to various materials contained in the UTM reagent.
  • BSA bovine serum albumin
  • the target sample can be detected without noise by using the graphene transistors with the receptor part fixed in Example [3-3] of the present invention.
  • Example 3 Except for using the carbene compound 2 having the chemical structure of Formula 5 or the carbene compound 3 having the chemical structure of Formula 6 instead of the carbene compound 1, which is the linker compound prepared in Example 2, as in Example 3 In the same way, a graphene transistor on which an ACE2 nanodisk was immobilized was fabricated.
  • the carbene compound 2 of the following Chemical Formula 5 and the carbene compound 3 of the following Chemical Formula 6 are Br-PEG 3 -Br and Br-PEG 7 - It was prepared by reaction with Br.
  • Example [3-3] After dissolving the clinical samples of 42 patients infected with SARS-CoV-2 virus (COVID-19 virus) obtained from the Department of Laboratory Medicine at Kyungpook National University Hospital in the UTM sample, the ACE2 nanodisk prepared in Example [3-3] was Each of the fixed graphene transistors was treated to measure the current change in the graphene transistor.
  • SARS-CoV-2 virus COVID-19 virus
  • the SARS-CoV-2 virus mutant obtained from the Department of Laboratory Medicine, Kyungpook National University Hospital, at a concentration of 10 1 pfu/mL to 10 3 pfu/mL, the ACE2 nano prepared in Example [3-3]
  • Each of the disk-fixed graphene transistors was treated to measure the change in current in the graphene transistor.

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Abstract

본 발명은 그래핀 필름 상에 바이러스 수용체부가 카벤 화합물을 포함하는 링커부를 통해 고정화된 그래핀 채널 부재와 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터 및 바이오 센서에 관한 것이다.

Description

바이러스 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재, 이를 포함하는 센서
본 발명은 바이러스 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.
최근 코비드-19(COVID-19)와 같은 전염병이 대유행함에 따라 바이러스 진단 방법으로, 검사 결과의 정확도가 높은 PCR(Polymerase Chain Reaction) 방법과 진단 속도가 빠른 LFA(Lateral Flow Assay) 를 이용하고 있다. 그러나 PCR 방법을 이용한 진단은 결과의 신뢰도가 높으나 동시간에 측정할 수 있는 샘플이 50개 미만이며 진단에 필요한 측정 시간이 약 1시간 정도 소요되어서 증가하는 감염 의심자 수 대비 검사자 수를 따라가지 못하는 단점이 있다.
또한 LFA를 이용한 진단은 진단 속도는 빠르나 검사 결과의 정확도가 PCR 방법보다 낮다는 단점을 가지고 있어서, 신속하면서도 정확도가 높은 코비드-19의 진단 방법의 개발에 많은 관심이 주목되고 있다.
특히 위와 같이 바이러스 진단의 문제를 극복하기 위한 노력이 많이 있었으나, 기존의 항체를 이용한 진단 방법의 대부분은 검사 정확도가 70% 정도로 낮으며, 뉴클레오티드를 이용한 진단 방법의 경우에는 한 번에 검사 가능한 수가 적어서, 팬데믹(pandemic) 상황에서 진단 방법으로 활용하기에는 적절하지 못한 문제가 있다.
나아가 바이러스 진단을 위해서 인간의 타액(혈액 또는 분비액 등)으로부터 얻어진 검체를 보관 및 이동하기 위한 바이러스 검체 수송 배지(UTM, Universal Transport Medium)를 이용하는데, 이러한 UTM을 이용하는 경우에는 센서의 노이즈 때문에 정확한 검출이 불가능한 문제가 있다.
감염률이 매우 높은 코비드-19와 같은 바이러스는 감염된 후에 개인적인 회복력에 따라 죽음으로 이르게 하기에 이에 대한 예방책이 반드시 필요하다. 따라서 팬데믹과 같은 고위험 상황에서 검사 정확도가 높고 동시에 다수의 검사가 가능한 진단 방법에 대한 연구가 지속되고 있다.
본 발명은 위와 같은 기존의 바이러스 진단 방법의 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로서, SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스 등 또는 이들의 변이체(변이 바이러스) 등의 여러 종류의 바이러스를 UTM(Universal Transport Medium) 하에서도 신속하고 정확하게 진단하기 위한 범용 바이러스 수용체를 그래핀 필름 상에 고정화시킨 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터와 바이오센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 그래핀 필름; 및 바이러스 수용체를 포함하는 바이러스 수용체부;를 포함하고, 상기 바이러스 수용체부는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 포함하는 링커부를 통해 상기 그래핀 필름 상에 고정화된, 그래핀 채널 부재를 제공한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000001
[화학식 2]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000002
상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1, R2, R5 및 R6은 각각 독립적으로 수소; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기; 또는 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이거나,
R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,
R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,
R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,
[화학식 3]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000003
상기 화학식 3에 있어서,
n은 괄호 내 단위의 반복 수로 6 내지 30의 정수이고,
A는 질소(N) 원자를 포함하는 작용기이다.
또한 본 발명의 다른 측면은, 기판; 전술한 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 측면은, 상기 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오센서를 제공한다.
본 발명의 그래핀 채널 부재는 SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스 등 또는 이들의 변이체(변이 바이러스) 등의 여러 종류의 바이러스를 UTM(Universal Transport Medium) 시약에서도 높은 선택성, 높은 민감도, 높은 안정성, 및/또는 높은 정확도를 가지고 검출해 낼 수 있는 효과가 있다. 또한 종래 진단 방법에 비하여 매우 빠른 시간(약 1분 이내)에 바이러스 검출이 가능하여, 현장에서 실시간으로 바이러스 진단이 가능한 장점이 있다.
또한 SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스 등 또는 이들의 변이체(변이 바이러스) 등의 바이러스를 하나의 센서로 동시에 독립적으로 검출해 낼 수 있어서, 다양한 바이러스에 대한 신속하고 정확한 진단이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 그래핀 트랜지스터를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 분리 및 정제한 ACE2, DPP4, NRP1을 웨스턴 블럿을 통해 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시예 2에서 제조한 카벤 화합물 1의 1H-NMR 스펙트럼 및 MASS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에서 제작한 바이오센서를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실험예 3에서 바이러스 수용체부를 고정시킨 후의 그래핀 트랜지스터의 저항 변화를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 바이러스 수용체부가 고정화된 4종의 그래핀 트랜지스터에서 검출 가능한 표적 물질의 종류를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 바이러스 수용체부가 고정화된 4종의 그래핀 트랜지스터에서 표적 물질의 농도에 따른 검출 한계를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 바이러스 수용체부가 고정화된 4종의 그래핀 트랜지스터의, 종래 COVID-19 바이러스의 항원에 대한 항체를 고정시킨 그래핀 트랜지스터에 대비한 안정성을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 11는 본 발명의 4종의 그래핀 트랜지스터가 집적된 바이오센서에서 SARS-CoV-2 바이러스의 검출 가부를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 바이러스 수용체부가 고정화된 그래핀 트랜지스터에서 링커부의 종류와 카벤 화합물의 PEG 단위 반복 수에 따른 UTM 시약의 안정성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 14a 내지 도 14g는 본 발명의 바이러스 수용체부가 고정화된 그래핀 트랜지스터에서 임상 시료에 존재하는 SARS-CoV-2 바이러스의 검출 가부를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 바이러스 수용체부가 고정화된 그래핀 트랜지스터에서 SARS-CoV-2 바이러스의 변이체(오미크론 변이체)의 검출 가부를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 그래핀 채널 부재
본 발명의 일 측면은 그래핀 채널 부재를 제공한다.
본 발명의 상기 그래핀 채널 부재는 그래핀 필름 및 바이러스 수용체부를 포함한다.
상기 그래핀 필름은 상기 바이러스 수용체를 지지하기 위한 것으로서, 그래핀층이 단층 또는 다층(multi-layer)으로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 상기 그래핀층이 다층으로 형성되는 경우 그래핀 필름 자체의 표면 저항의 감소되어 이를 이용한 그래핀 채널 부재가 적용된 트랜지스터 등과 같은 소자의 민감도가 저하될 수 있다. 따라서 상기 그래핀 필름은 단층의 그래핀층으로 이루어진 것이 보다 바람직하다. 특히, 상기 그래핀 필름의 두께는 0.1 내지 1 ㎚일 수 있고, 이는 단층의 그래핀 필름의 두께를 의미할 수 있다. 상기 그래핀 필름의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우에는 높은 전도도 및 높은 전하 이동도의 성질을 가지게 되어, 이를 이용한 그래핀 채널 부재를 이용하여 민감도가 높은 트랜지스터 등의 소자를 구현할 수 있게 된다.
한편, 상기 그래핀 필름은 패턴화될 수 있고, 구체적으로는 미세 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필름은 원 또는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형(허니콤(honeycomb)) 등의 다각형의 형태로 다양하게 패턴화될 수 있다. 상기와 같이 그래핀 필름을 패턴화함으로써 상기 그래핀 필름의 형상을 다양화활 수 있기 때문에, 이를 이용한 그래핀 채널 부재가 다양한 형태를 갖는 소자에 디자인적인 제약 없이 적용될 수 있다.
상기 바이러스 수용체부는 바이러스에 대한 수용체를 포함할 수 있다. 상기 바이러스에 선택적으로 반응하는 수용체일 수 있고, 예컨대 바이러스가 숙주세포를 감염시킬 때 특이적으로 결합하는 숙주세포에 존재하는 수용체일 수 있으며, 따라서 상기 바이러스 수용체는 숙주세포의 세포 표면, 세포막 등에 위치하는 화합물, 단백질일 수 있다. 특히, 상기 바이러스는 SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스 등 또는 이들의 변이체(변이 바이러스)일 수 있고, 상기 바이러스 수용체는 ACE2(Angiotensin-converting enzyme 2), DPP4(Dipeptidyl peptidase-4), NRP1(Neuropilin-1), 시알산 등 또는 이들 중에서 선택되는 적어도 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니하고 상기 바이러스들의 특정 구조 또는 단백질과 특이적으로 결합할 수 있는 물질이라면 모두 포함할 수 있다.
상기 ACE2는 안지오텐신 전환효소 2(Angiotensin-converting enzyme 2)라는 효소로서, 안지오텐신 전환효소와 상동하는 제1형 막관통 단백질이며, SARS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스) 등이나 이들의 변이체(변이 바이러스)가 숙주세포로 침입할 때 결합하는 수용체이다. 또한, 상기 DDP4는 디펩티딜 펩티다아제 4(Dipeptidyl peptidase-4, CD26)로 알려진 단백질로서, 제2형 막관통 단백질이며, MERS-CoV 바이러스나 이의 변이체(변이 바이러스)가 숙주세포로 침입할 때 결합하는 수용체이다. 또한, 상기 NRP1은 뉴로필린-1 단백질로서, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)나 이의 변이체(변이 바이러스)가 숙주세포로 침입할 때 결합하는 수용체이다. 또한, 상기 시알산은 숙주세포의 표면에 위치하여 H1N1 인플루엔자 바이러스가 숙주세포로 침입할 때 결합하는 수용체이고, 상기 시알산은 시일산 그 자체일 수도 있고, 시알릴락토오스(sialyllactose) 등과 같은 시알산의 유도체일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 바이러스 수용체는 형질전환된 대장균으로부터 제조되는 것일 수 있다. 예를 들어, 단백질에 해당되는 바이러스 수용체인 ACE2, DPP4, NRP1 등은 이들 단백질을 암호화하는 뉴클레오티드를 대장균 등과 같은 숙주세포 내로 형질도입하여 제조되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기와 같은 형질도입된 숙주세포를 배양하여 상기 바이러스 수용체들을 발현시킨 후에, 상기 숙주세포를 용해시키고, 상기 용해물로부터 상기 바이러스 수용체를 분리 및/또는 정제하여 얻을 수 있다.
또한, 바이러스 수용체부는 상기 바이러스 수용체가 지질 및 지지체 단백질에 의하여 나노 디스크의 형태로 구성된 것일 수 있다. 상기 나노 디스크는 상기 바이러스 수용체가 지질을 관통한 형태로 상기 지질이 상기 바이러스 수용체를 감싸는 형태일 수 있고, 지지체 단백질이 상기 바이러스 수용체를 수용한 지질의 가장자리를 감싸는 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 바이러스 수용체는 지지체 단백질(membrane scaffold protein, MSP) 및 지질(Lipid)을 혼합하여 만들어진 지지체 안에 안정적으로 고정될 수 있고, 상기 나노 디스크의 단면의 평균 직경은 5㎚ 내지 20㎚ 또는 7㎚ 내지 15㎚일 수 있으나, 상기 지질과 지지체 단백질의 소재를 적절히 선택하여 상기 나노 디스크의 크기와 특성을 조절할 수 있다.
상기 지질은 POPC(1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine), POPG(1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol) 등이거나 이들 중에 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 막 환경과 유사하게 제조하기 위해 POPC 및 POPG를 적절한 비율로 조절하여 혼합할 수 있다.
상기 지지체 단백질은 수용체 및 지질을 감싸기 위한 단백질이면 제한되지 않고 이용될 수 있으며, 환경 안정성이 높고 수용체 및 지질을 감싸는 능력이 우수한 단백질이라면 특별한 제한 없이 이용될 수 있다.
상기와 같이, 상기 바이러스 수용체부가 나노 디스크의 형태로 제조되는 경우, 생체 내의 생체 환경과 유사한 원래의 수용체 구조를 모방할 수 있어서 다양한 주변 환경에서 안정성이 우수할 뿐만 아니라 민감도도 높아서 검출 대상 바이러스에 대한 선택성이 향상된다. 따라서 이를 적용한 그래핀 트랜지스터 또는 바이오센서의 성능 유지 기간이 길어질 수 있다. 예를 들어, 통상 단백질 형태만의 수용체 사용시 성능 유지 기간이 7 내지 10일 정도인 반면, 본 발명과 같은 나노 디스크 기반의 수용체의 경우에는 약 30일까지 동일 성능의 유지가 가능한 장점이 있다.
한편, 상기 바이러스 수용체부에는 ACE2, DPP4, NRP1, 시알산 등 중 어느 하나의 수용체만이 포함된 것일 수도 있고, 이들 중 둘 이상의 조합 또는 이들 모두가 포함된 것일 수도 있다.
상기 바이러스 수용체부는 상기 그래핀 필름 상에 고정된다. 상기 고정은 물리적 결합 또는 화학적 결합을 통해 이루어질 수 있고, 특히 상기 바이러스 수용체부는 링커부를 매개로 하여 화학적으로 고정될 수 있다. 즉 상기 링커부는 상기 바이러스 수용체부를 상기 그래핀 필름에 고정화시키기 위한 매개체의 역할을 할 수 있다.
이 때, 상기 링커부는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000004
[화학식 2]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000005
상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 치환 또는 비치환된 아릴기 또는 탄소수 2 내지 30의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기이고,
R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 치환 또는 비치환된 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,
R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,
R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,
[화학식 3]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000006
상기 화학식 3에 있어서,
n은 괄호 내 단위의 반복 수로 6 내지 30의 정수이고,
A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기이다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 10의 아릴기일 수 있다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기일 수 있다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 이소프로필 또는 벤질일 수 있다.
상기 R1 및 R2 중 적어도 하나 및 상기 R5 및 R6 중 적어도 하나는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.
상기 R1 및 R2 중 적어도 하나 및 상기 R5 및 R6 중 적어도 하나는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 이소프로필 또는 벤질일 수 있다.
상기 R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성할 수 있다.
상기 R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소 또는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성할 수 있다.
상기 R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환될 수 있다.
상기 R3 및 R4 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조일 수 있다. 또한, 상기 R7 내지 R10 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조일 수 있다.
상기 화학식 3에서, 상기 n은 괄호 내 단위의 반복 수로 6 이상 내지 30 이하의 정수일 수 있다. 특히 상기 n은 6 이상, 8 이상, 또는 10 이상일 수 있고, 30 이하, 27 이하, 25 이하, 23 이하, 20 이하, 19 이하, 18 이하, 17 이하, 16 이하, 15 이하 또는 14 이하일 수 있다. 상기 n은 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물의 PEG(polyethylene glycol) 단위의 반복 수로, 상기 n이 상기 범위를 만족하는 경우에 UTM(Universal Transport Medium) 시약에서도 그래핀 트랜지스터의 노이즈가 최소화되어서, UTM 시약을 직접적으로 이용하는 경우에도 그래핀 트랜지스터의 성능 및 정확도가 저하되지 않고 높은 안정성 및/또는 민감도를 가질 수 있는 효과가 있다.
상기 A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이다. 구체적으로 상기 A는 아자이드(azide), 프탈이미드(phthalimide), 또는 아민(amine)일 수 있다.
본 발명에 있어서, "인접한" 기는 해당 치환기가 치환된 원자와 직접 연결된 원자에 치환된 치환기, 해당 치환기와 입체구조적으로 가장 가깝게 위치한 치환기, 또는 해당 치환기가 치환된 원자에 치환된 다른 치환기를 의미할 수 있다. 예컨대, 벤젠고리에서 오쏘(ortho)위치로 치환된 2개의 치환기 및 지방족 고리에서 동일 탄소에 치환된 2개의 치환기는 서로 "인접한"기로 해석될 수 있다.
상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수 1 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 10일 수 있다. 더 바람직하게는 탄소수 1 내지 6일 수 있다. 상기 알킬기의 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, n-프로필기, 이소프로필기, 부틸기, n-부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, sec-부틸기, 1-메틸부틸기, 1-에틸부틸기, 펜틸기, n-펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 헥실기, n-헥실기, 1-메틸펜틸기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸-2-펜틸기, 3,3-디메틸 부틸기, 2-에틸부틸기, 헵틸기, n-헵틸기, 1-메틸헥실기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥실메틸기, 옥틸기, n-옥틸기, tert-옥틸기, 1-메틸헵틸기, 2-에틸헥실기, 2-프로필펜틸기, n-노닐기, 2,2-디메틸헵틸기, 1-에틸프로필기, 1,1-디메틸프로필기, 이소헥실기, 4-메틸헥실기, 5-메틸헥실기, 또는 벤질기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 시클로알킬기는 탄소수 3 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 3 내지 10일 수 있다. 상기 시클로알킬기의 구체적인 예로는 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 3-메틸시클로펜틸기, 2,3-디메틸시클로펜틸기, 시클로헥실기, 3-메틸시클로헥실기, 4-메틸시클로헥실기, 2,3-디메틸시클로헥실기, 3,4,5-트리메틸시클로헥실기, 4-tert-부틸시클로헥실기, 시클로헵틸기, 또는 시클로옥틸기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴기는 탄소수 6 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 6 내지 10일 수 있다. 상기 아릴기는 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 단환식 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 바이페닐기, 또는 터페닐기 등이 있고, 상기 다환식 아릴기의 구체적인 예로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 또는 트리페닐렌기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 헤테로아릴기는 이종원자로 N, O, P, S, Si 및 Se 중 선택되는 1개 이상을 포함하는 방향족 고리기로서, 탄소수는 2 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 2 내지 20일 수 있다. 상기 헤테로아릴기의 구체적인 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 또는 벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기 또는 탄화수소 고리는 다시 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 또는 헤테로아릴기로 치환 또는 비치환될 수 있다.
상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물이 링커부로 이용되는 경우, 상기 카벤 화합물의 비공유전자쌍이 상기 그래핀 필름과 화학적 결합(공유결합)될 수 있고, 이를 위해 예컨대 상기 그래핀 필름에 상기 카벤 화합물을 처리 한 후에 100℃ 이상의 온도를 가하여 반응시킬 수 있다.
상기 수용체부의 바이러스 수용체는 상기 링커부와 아미드 결합을 통해서 화학적으로 결합시킬 수 있다. 예를 들어, EDC-NHS 반응, DMTMM 반응, 또는 글루타르알데히드(Glutaraldehyde) 반응 등 커플링제를 이용한 방법, 또는 클릭(click) 반응 등의 화학 반응을 통해 고정할 수 있다.
상기와 같이 링커부를 통해 상기 바이러스 수용체부가 상기 그래핀 필름에 고정화되면, 상기 바이러스 수용체부가 외부 환경의 변화로부터 보다 안정해지는, 외부 환경 변화에 대한 안정성이 향상되는 장점이 있다. 특히 UTM 시약에 대한 안정성이 향상된다.
한편, 상기 그래핀 필름이 패턴화된 경우, 상기 패턴화된 그래핀 필름의 표면에 상기 바이러스 수용체가 결합되어 있을 수 있다. 이 때 전술한 것과 같이 상기 바이러스 수용체부가 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 링커부로 하여 상기 패턴화된 그래핀 필름에 화학적 결합으로 고정화되어 있을 수 있다.
상기와 같이 그래핀 필름 상에 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 링커부로 하여 상기 바이러스 수용체부가 고정화된 본 발명의 그래핀 채널 부재는, 그래핀 층을 이용하기 때문에 게이트에 전압이 가해지지 않은 오프 상태에서도 높은 전류가 흘러 작동 전류의 온/오프 비율이 매우 낮으므로 보다 민감도가 높은 소자를 구현하는데 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 외부 환경 변화에 대해서도 매우 높은 안정성을 나타내므로 이용편의성이나 활용성이 높은 소자를 구현할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 상기 그래핀 필름에 바이러스 수용체부에 바이러스 수용체로 ACE2, DPP4, NRP1, 시알산을 모두 고정화시킨 경우에는 SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스 등 또는 이들의 변이체(변이 바이러스)의 실시간 다중 검출이 가능하다는 장점도 있다.
2. 그래핀 트랜지스터
또한 본 발명의 다른 측면은, 상기 그래핀 채널 부재를 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 그래핀 트랜지스터는, 기판; 전술한 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함한다.
상기 기판은 본 발명의 그래핀 트랜지스터의 구성들이 지지되는 지지대로서의 역할을 하는 것으로서, Si 기판, 유리 기판, GaN 기판, 실리카(SiO2) 기판 등의 절연성 무기물 기판, Ni, Cu, W 등의 금속 기판 또는 플라스틱 기판(예를 들어, 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN) 등) 등을 사용할 수 있으며, 절연성 기판을 사용하는 경우, 그래핀 채널 부재와의 친화력이 우수한 점에서, 실리카(SiO2) 기판, 또는 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하다. 또한, 상기 기판은 그래핀의 증착이 가능한 다양한 물질 중에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 실리콘-게르마늄, 실리콘 카바이드(SiC) 등의 물질로 구성될 수 있고, 에피택셜(epitaxial) 층, 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator) 층, 반도체-온-절연체(semiconductor-on-insulator) 층 등을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 채널 부재는 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
구체적으로는 상기 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 화학 기상 증착법으로 그래핀을 성장시켜 그래핀 필름을 형성하는 것일 수 있다.
상기 그래핀 필름은, 예를 들면 화학 기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있으며, 이를 이용하면 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있다. 상기 화학 기상 증착법은 기판 표면에 높은 운동 에너지를 갖는 기체 또는 증기 형태의 탄소 전구체를 흡착, 분해 또는 반응시켜 탄소 원자로 분리시키고, 해당 탄소 원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다.
상기 화학 기상 증착법은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) 및 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 넓은 면적에 결점을 최소화하여 증착이 가능한 점에서 상기 화학 기상 증착법은 LPCVD인 것이 바람직하다.
상기 화학 기상 증착의 구체적인 방법으로서, 예를 들면 니켈, 구리, 알루미늄, 철 등의 금속 촉매를 스퍼터링 장치 및 전자빔 증발 장치를 이용하여 산화 실리콘층을 가지는 웨이퍼 상에 증착시켜 금속 촉매층을 형성하고, 이를 CH4, C2H2 등의 탄소를 포함하는 가스와 함께 반응기에 넣고 가열하여, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 하고, 이를 냉각하여 상기 금속 촉매층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시킨 후, 최종적으로 상기 금속 촉매층을 제거함으로써 그래핀 필름을 형성할 수 있다.
다만, 상기 그래핀 필름을 형성하는 방법은 화학 기상 증착법에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 방법을 이용하여 그래핀 필름을 형성할 수 있다.
예를 들어, 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 물리적 박리법, 산화-환원 특성을 활용한 화학적 박리법 또는 SiC와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 1,500℃의 고온 상태에서 열처리하는 에피텍셜 합성법을 이용하여 그래핀 필름을 형성시킬 수 있다.
상기 한 쌍의 전극은 그래핀 채널 부재에 전압을 인가하기 위해 상기 그래핀 필름 상에서 서로 이격되어 형성되는 소스 전극과 드레인 전극일 수 있다.
이러한 소스 전극과 드레인 전극은 상기 그래핀 필름을 통하여 전기적으로 연결될 수 있고, 도전성을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 금속 합금, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다.
상기 소스 전극과 드레인 전극은 각각 독립적으로 Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그래핀과의 접촉성 및 식각의 용이성 측면에서, Au, 또는 Cr/Au 합금인 것이 바람직하다.
상기 한 쌍의 전극은 당업계에 공지된 방법으로 형성할 수 있으나, 예를 들어, 포토리소그라피(photolithography), 열증착 공정(Thermal Deposition), 전자빔증착 공정(E-beam Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착 공정(ALD, Atomic Layer Deposition) 등의 증착 방법에 의하여 형성할 수 있다.
상기 그래핀 채널 부재는 상기 그래핀 필름 상에 바이러스 수용체를 포함하는 바이러스 수용체부가 상기 카벤 화합물을 포함하는 링커부를 매개로 결합(고정화)되어 있는 것일 수 있다. 상기 그래핀 채널 부재, 바이러스 수용체, 바이러스 수용체부, 카벤 화합물, 링커부, 그래핀 필름에 관해서는 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
이 때 상기 바이러스 수용체인 ACE2, DPP4, NRP1, 시알산 등이 각각 별개의 그래핀 채널 부재에 고정된 것일 수도 있고, 상기 바이러스 수용체들이 모두 하나의 그래핀 채널 부재에 고정된 것일 수도 있다.
상기 바이러스 수용체부가 상기 링커부를 통해 상기 그래핀 필름 상에 결합(고정화)되는 경우, 상기 그래핀 필름 상에 결합된 링커부는 단일층의 형태로 링커층을 형성할 수 있고, 상기 링커부에 고정된 바이러스 수용체부 역시 단일층의 형태로 바이러스 수용체층을 형성할 수 있다.
상기 링커층이 단일층으로 형성되는 경우, 그래핀 본연의 우수한 전하 이동도, 투명도 및/또는 유연성을 가질 뿐만 아니라, 외부의 비특이적 전하들의 접근에 의한 노이즈 신호를 차단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 링커층은 그 두께가 0.1 내지 2㎚일 수 있다. 상기 링커층의 두께가 0.1 ㎚보다 얇은 경우 저항이 증가하는 문제점이 있고, 2㎚보다 두꺼운 경우 링커들 간의 상호 작용이 많아져서 수용체의 고정화 효율이 감소되는 문제가 있다.
또한 상기 그래핀 필름 상에 결합된 링커부가 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 포함하는 경우에는 UTM 시약 하에서도 노이즈 없이 신속하고 정확하게 바이러스를 진단할 수 있다. 특히 상기 그래핀 트랜지스터는 UTM 시약 하에서도 안정하여서, 전기적 이력 현상에 의해 발생된 전압의 차이가 0.5V 이하일 수 있고, 구체적으로는 0.4V 이하일 수 있다. 그에 따라 본 발명의 그래핀 트랜지스터는 UTM 시약에서도 노이즈가 최소화되어, UTM 시약에서 곧바로 바이러스 진단이 가능한 효과가 있다.
3. 바이러스 검출용 바이오센서
본 발명의 또 다른 측면은, 전술한 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오센서를 제공한다.
본 발명에 따른 바이오센서는, 전기장 효과에 의해 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 그래핀 필름에 흐르는 전류가 변하는 반도체 특성을 이용한 것이다.
구체적으로, 그래핀 필름의 표면에 형성된 바이러스 수용체부가 각각의 바이러스 수용체들에 특이적으로 결합하는 바이러스와 반응하면, 주변의 전기장에 변화가 일어나며, 이로 인해 소스 전극과 드레인 전극 사이의 그래핀 필름에 흐르는 전류 값이 함께 변하고, 이러한 전류의 변화를 측정하는 방식으로 표적물을 검출할 수 있다.
이러한 센서는, 위와 같은 그래핀 트랜지스터를 이용함으로써 민감도, 특이성, 신속성 및/또는 휴대성이 우수하며, 특히, 그래핀 필름을 채널층으로 사용함으로써 그래핀의 높은 전하 캐리어 이동도와 전도도 특성으로 인하여 우수한 민감도와 실시간 감지 성능을 가지고, 이에 따라 SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스 등 또는 이들의 변이체(변이 바이러스)의 검출 한계를 개선시켜서 신속하고 높은 민감도 및/또는 높은 정확성을 가지는 검출이 가능한 효과가 있다.
한편, 본 발명의 바이오센서는 ACE2, DPP4, NRP1 및 시알산을 모두 포함하는 그래핀 채널이 구비된 그래핀 트랜지스터를 이용할 수도 있고, 상기 ACE2, DPP4, NRP1 및 시알산 각각을 별개로 포함하는 4종의 그래핀 트랜지스터를 집적하고 각각의 그래핀 트랜지스터에서의 전기적 신호를 모두 수신하여 분석할 수 있도록 하나로 모듈화하여 이용할 수도 있다. 이처럼 바이러스 수용체로 ACE2, DPP4, NRP1 및 시알산을 모두 이용하여 바이오센서를 구성하는 경우, ACE2가 고정화된 부분에서만 저항 변화가 나타나는 경우에는 SARS CoV 바이러스 진단을 확인할 수 있고, ACE2 수용체가 고정화된 부분 및 뉴로필린 수용체가 고정화된 부분에서 저항 변화가 나타나는 경우에는 SARS CoV-2 바이러스 진단을 확인할 수 있으며, DDP4 수용체가 고정화된 부분에서만 저항 변화가 나타나는 경우에는 MERS CoV 바이러스 진단을 확인할 수 있으며, 시알산 함유 수용체가 고정화된 부분에서만 저항 변화가 나타나는 경우에는 H1N1 인플루엔자 바이러스 진단을 확인할 수 있다. 따라서 SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스 등 또는 이들의 변이체(변이 바이러스)의 실시간 다중 검출이 가능하게 된다.
또한, 위와 같이 링커부를 그래핀 트랜지스터 내의 그래핀 필름에 형성시켜 이에 결합된 바이러스 수용체부를 그래핀 트랜지스터의 채널 영역에 존재시키는 경우에는 그래핀 채널 표면의 안정성이 향상될 뿐만 아니라, UTM 시약에서 직접 바이러스 검사를 수행하는 경우에도, UTM 시약에 의한 노이즈가 최소화 되어서, 신속하고 정확한 진단이 가능한 효과가 있다.
나아가 전술한 그래핀 트랜지스터는 소형화가 가능하여, 장소의 제약 없이 현장에서 실시간으로 진단이 가능하여 매우 간편하고 정확하게 바이러스 진단 및 검사가 가능하다.
이하에서, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
바이러스 수용체부의 제조
[1-1] ACE2, DPP4 및 NRP1 나노 디스크의 제작
인간 ACE2(Angiotensin-converting enzyme 2)를 암호화하는 유전자(GenBank Accession No. NM_001371415.1), 인간 DPP4(Dipeptidyl peptidase-4)를 암호화하는 유전자(GenBank Accession No. NM_001935.4), 그리고 인간 NRP1(Neuropilin-1)을 암호화하는 유전자(GenBank Accession No. AY249243.1)을 각각 pET-21a(+)벡터(Invitrogen, 미국) 에 삽입하고, E. Coli BL21(DE3) (Thermo Fisher, 미국)에 형질전환한 다음, 상기 형질전환체를 37℃에서 50μg/mL의 앰피실린이 포함된 1L의 LB(Luria-Bertani) 배지로 OD600 값이 0.5에 도달할 때까지 배양하였다.
그런 다음, IPTG(isopropyl thiogalactoside)를 최종 농도가 1nM이 되도록 첨가하고 3시간 동안 배양하여, 상기 ACE2, DPP4 및 NRP1 각각의 과발현을 유도하였다. 상기와 같이 ACE2, DPP4 및 NRP1이 각각 과발현된 형질전환체를 4℃에서 7000g로 20분 동안 원심분리하고, 용해 완충액(lysis buffer)(20mM Tris-HCl, 0.5M NaCl, 20mM 이미다졸, pH8.0)으로 재현탁한 다음, 초음파를 처리하여(sonication)(5s on/off, 5 min) 상기 형질전환체의 세포를 파쇄하였다.
상기와 같은 세포 파쇄물을 12000rpm으로 20분간 초원심분리하여 얻은 침전물에 N-라우로일사르코신(N-lauroylsarcosine)을 처리하여 밤새 반응시켜 가용화시킨 다음, HisTrapTM 컬럼(Sigma-Aldrich, 미국)이 장착된 AKTA pure(Cytiva)를 이용하여 FPLC(Fast protein liquid chromatography)를 수행함으로써, ACE2, DPP4, NRP1을 분리 및 정제하였다. 상기와 같이 분리 및 정제된 3종의 단백질들을 대상으로 웨스턴 블럿을 수행하여, 도 2에 도시된 바와 같이 ACE2, DPP4 및 NRP1 각각이 모두 고순도로 정제되었음을 확인하였다.
상기와 같이 정제된 3종의 수용체 각각을, POPC(1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)와 POPG(1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol)를 1:1의 몰비로 클로로포름에 용해시키고 질소 가스와 진공을 이용하여 건조시킨 다음, 상기 건조물을 HEPES 완충용액으로 재현탁시켰다. 상기와 같이 얻어진 재현탁물에 MSP(Membrane scaffold protein)를 혼합하고, 크기-배제 크로마토그래피를 수행하여 나노디스크화 되지 못한 단백질들을 제거함으로써, 지지체 내에 상기 3종의 단백질들 각각이 안정적으로 고정된 나노 디스크를 제조하였다.
[1-2] 시알산의 준비
말단에 아민기가 도입된 아미노엑실-6'-시알릴락토오스를 ㈜진켐에 의뢰하여 합성하였다.
[실시예 2]
링커 화합물의 제조
하기 반응식 1에 따라, 4-아미노-3-니트로페놀을 Br-PEGn-Br과 반응시켜, 링커부인 카벤 화합물을 제조하였다.
[반응식 1]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000007
특히, n이 11인 Br-PEG11-Br을 이용하여, 하기와 같은 화학식 4의 화학 구조를 갖는 카벤 화합물 1을 각각 제조하였다.
[화학식 4]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000008
상기 카벤 화합물 1의 1H-NMR 스펙트럼을 도 3에 나타내었고, MASS 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.
[실시예 3]
바이러스 검출용 바이오센서의 제조
[3-1] 그래핀 트랜지스터의 제조
구리 호일을 챔버 내에서 1000℃까지 가열하고, 8sccm으로 H2를 주입하여 90mTorr로 30분(20분의 프리-어닐링과 10분의 안정화) 동안 유지한 후, 20sccm으로 CH4를 추가로 주입하여 총 압력이 560mTorr인 상태로 40분 동안 유지한 다음, 이를 35℃/min로 200℃까지 냉각시키고 로(furnace)를 상온까지 냉각시켜, 상기 구리 호일 상에 단일층의 그래핀 필름(그래핀층)을 형성하였다. 상기와 같이 형성된 그래핀 필름 상에, 6000rpm의 속도로 폴리메틸메타아크릴레이트 용액(950 PMMA A4, 4% in anisole)(MicroChem Corp.)을 스핀 코팅하고, 식각제(etchant)를 이용하여 상기 폴리메틸메타아크릴레이트가 코팅된 그래핀 필름을 상기 구리 호일로부터 분리하였다. 상기와 같이 분리된 그래핀 필름을 10분 동안 탈이온 증류수에 침지하여, 상기 그래핀 필름에 남아 있는 잔여 식각제 성분들을 제거하였다. 상기와 같이 세척된 그래핀 필름을 기판인 실리콘 웨이퍼로 전사한 다음, 상기 그래핀 필름 상에 아세톤을 투하하여 상기 그래핀 필름을 코팅하고 있던 PMMA를 녹여 제거함으로써, 실리콘 웨이퍼 상에 그래핀 필름을 형성하였다. 이 때 투명성은 97.8%로 유지되었다. 상기와 같이 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 그래핀 필름에, 포지티브 포토레지스트(AZ5214, Clariant Corp)를 스핀 코팅한 다음, UV 노광, 베이킹 및 현상 과정을 거쳐, 상기 그래핀 필름을 패턴화하였다.
상기와 같이 패턴화되어 정렬된 그래핀 필름의 양 말단에 RIE(Reactive Ion Etching)(oxygen plasma treatment) 방법을 통해 전극 패턴(폭/길이=W/L=1, L=100 ㎛ 채널 길이)을 형성한 다음, 포토레지스트 스핀 코팅, UV 노광, 베이킹 및 현상 과정을 거쳐 상기 그래핀 필름의 일부에 전극(W/L=5, L=100 ㎛ 채널 길이)이 형성된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
[3-2] 링커부의 형성
상기 실시예 2에서 제조된 링커 화합물인 카벤 화합물 1 50mg이 용해된 10mL의 THF(tetrahydrofuran), 상기 실시예 [3-1]에서 제조한 그래핀 트랜지스터를 침지시키고, 2mM의 TBAF(Tetrabutylammonium fluoride)을 혼합한 후 상온에서 30분 동안 반응시켰다. 이어서 THF로 세척하고 용매를 제거하여, 상기 그래핀 트랜지스터의 그래핀 필름 상에 링커부를 형성하였다.
[3-3] 바이러스 수용체부의 연결
EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride)와 NHS(N-hydroxysuccinimide)를 pH4.5의 MES(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) 완충용액에 각각 1mg씩 용해시킨 뒤, 상기 혼합 용액(EDC-NHS 용액)을 상기 실시예 [3-2]에서 링커부가 고정된 그래핀 트랜지스터의 그래핀 필름 상에 처리하고 상온에서 30분 동안 반응시켰다. 그런 다음, 상기 실시예 [1-1]에서 제작한 ACE2 나노 디스크, DPP4 나노 디스크 및 NRP1 나노 디스크와 상기 실시예 [1-2]에서 준비한 시알산을 각각 처리하고 4시간 동안 반응시켜, ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터 및 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터를 각각 제조하였다.
[3-4] 바이오센서의 제조
상기 실시예 [3-3]에서 제조된 4종의 그래핀 트랜지스터를 집적하고 각각의 그래핀 트랜지스터에서의 전기적 신호를 모두 수신하여 분석할 수 있도록 하나로 모듈화하여, 도 5에 도시된 바와 같은 바이러스 검출용 바이오센서를 제작하였다.
[실시예 4]
그래핀 트랜지스터 및 바이오센서의 성능 확인
[4-1] 수용체 고정화 여부 확인
각각의 수용체부는 고유의 저항값을 가지고 있고, 카벤 화합물에 결합되어 그래핀 트랜지스터에 고정화되었을 때 그래핀 트랜지스터의 저항값이 증가하게 되므로, 상기와 같이 그래핀 트랜지스터들의 전기적 저항을 측정함으로써 각각의 수용체가 상기 그래핀 트랜지스터에 고정화되었는지 여부를 확인할 수 있다.
이를 위해, 상기 실시예 [3-1]에서 제작된 그래핀 트랜지스터와 상기 실시예 [3-3]에서 수용체부를 고정화한 4종의 그래핀 트랜지스터(ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터)에 대하여, 전압을 인가하고 그에 따른 전류의 변화를 측정하여, 수용체부의 고정화에 따른 그래핀 트랜지스터의 전기적 저항 변화를 확인하였다.
그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 수용체부가 고정화된 후 그래핀 트랜지스터의 저항이 증가되었고, 각각의 수용체에 따라 4종의 그래핀 트랜지스터가 서로 다른 저항값을 나타내는 것으로 확인되었다. 상기와 같은 결과로부터 수용체부가 그래핀 필름에 안정적으로 고정되었음을 알 수 있다.
[4-2] 수용체부의 종류에 따른 검출 가능 표적 물질의 확인
상기 실시예 [3-3]에서 수용체부를 고정화한 4종의 그래핀 트랜지스터(ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터)에 각각에 대하여, SARS-CoV 바이러스, MERS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스), H1N1 인플루엔자 바이러스를 각각 처리한 후의 상기 그래핀 트랜지스터들에서의 전류 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 7에 따르면, ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 SARS-CoV 바이러스와 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)가 처리된 경우에, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 MERS-CoV 바이러스가 처리된 경우에, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)가 처리된 경우에, 그리고 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터는 H1N1 인플루엔자 바이러스가 처리된 경우에 각각 전류의 변화가 확인되어, ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 SARS-CoV 바이러스와 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)를, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 MERS-CoV 바이러스를, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)를, 그리고 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터는 H1N1 인플루엔자 바이러스를 각각 선택적으로 검출할 수 있음을 확인할 수 있다.
[4-3] 수용체부의 종류별 표적 물질의 농도에 따른 검출 한계 확인
상기 실시예 [3-3]에서 수용체부를 고정화한 4종의 그래핀 트랜지스터(ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터)에 각각에 대하여, 상기 실시예 [4-2]에서 확인된 검출 가능 표적 물질들을 10ng/mL 내지 100㎍/mL 범위에서 농도별로 처리하면서 상기 그래핀 트랜지스터들에서의 전류 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 SARS-CoV 바이러스나 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)가 100ng/mL의 농도로 존재하는 경우에까지, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 MERS-CoV 바이러스가 10ng/mL의 농도로 존재하는 경우에까지, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터는 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)가 100ng/mL의 농도로 존재하는 경우에까지, 그리고 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터는 H1N1 인플루엔자 바이러스가 100ng/mL의 농도로 존재하는 경우에까지, 상기 표적 물질들을 검출해 낼 수 있는 것으로 확인되었다.
[4-4] 수용체부의 안정성 평가
상기 실시예 [3-3]에서 수용체부를 고정화한 4종의 그래핀 트랜지스터(ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, DPP4 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터, 시알산이 고정된 그래핀 트랜지스터)에 각각에 대하여, 상기 실시예 [4-2]에서 확인된 검출 가능 표적 물질들을 100ng/mL의 농도로 2일 간격으로 10일 동안처리하면서 상기 그래핀 트랜지스터들에서의 전류 변화를 측정하였고, 1일차 측정시의 민감도(So) 대비 해당 측정일의 민감도(S)의 비율을 추적하였다. 대조군으로는, 종래 COVID-19 바이러스의 항원에 대한 항체(SARS-CoV-2(2019-nCoV) Spike Antibody, Rabbit Mab / Sino Biological)를 고정시킨 그래핀 트랜지스터를 이용하였고, 각 일차 별로 3회의 반복 실험을 통해 민감도 값을 결정하였다.
그 결과, 도 9에 도시된 바와 같이, 종래 COVID-19 바이러스의 항원에 대한 항체를 고정시킨 그래핀 트랜지스터의 경우에는 약 10일이 경과한 시점부터 민감도가 저하되기 시작한데 반해, 본 발명의 실시예 [3-3]에서 제조한 4종의 그래핀 트랜지스터들은 15일 경과한 후에도 우수한 민감도를 유지하는 것으로 확인되었다. 상기와 같은 결과로부터 본 발명의 실시예 [3-3]에서 제조한 4종의 그래핀 트랜지스터에서 수용체부가 매우 안정적으로 고정화되어 성능을 장기간 유지시킬 수 있음을 알 수 있다.
[4-5] UTM(Universal Transport Medium)에 대한 안정성 확인
상기 실시예 [3-3]에서 수용체부를 고정화한 4종의 그래핀 트랜지스터들 중 대표적으로 ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터에 대하여, UTM(Universal Transport Medium) 시약(UTNFS-3B-N1P)(노블바이오)를 처리하면서 상기 그래핀 트랜지스터에서의 전류 변화를 측정하였다.
상기 UTM 시약에는 버퍼, BSA(bovine serum albumin), 항생제, 젤라틴 등의 다양한 물질이 함유되어 있는데, 그럼에도 불구하고 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상기 실시예 [3-3]에서 제작한 수용체부가 고정된 그래핀 트랜지스터들의 경우에는, UTM 시약에 포함되어 있는 다양한 물질들에 전혀 반응하지 않는 것으로 확인되었다.
상기와 같은 결과로부터, 검출 가능 표적 물질들이 UTM 시약에 포함되어 있더라도, 본 발명의 상기 실시예 [3-3]에서 제작한 수용체부가 고정된 그래핀 트랜지스터들을 이용하면 노이즈없이 표적 시료의 검출이 가능함을 알 수 있다.
[4-6] 바이오센서를 이용한 COVID-19 바이러스의 검출 가부 확인
상기 실시예 [3-4]에서 제작한 바이오센서에, 100ng/mL 농도의 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스)를 각각 처리한 후의 상기 바이오센서에 존재하는 4종의 그래핀 트랜지스터들에서의 전류 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 [4-2]에서 확인된 것과 마찬가지로, 상기 4종의 그래핀 트랜지스터들 중 ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터와 NRP1 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터에서만 전류의 변화가 확인되었고, 상기와 같은 결과로부터 본 발명의 바이오센서를 이용하여 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19)의 진단이 가능함을 알 수 있다.
[실시예 5]
링커부가 그래핀 트랜지스터 및 바이오센서에 미치는 영향 확인
[5-1] 링커부의 종류에 따른 UTM에 대한 안정성 평가
상기 실시예 2에서 제조된 링커 화합물인 카벤 화합물 1 대신, 종래 바이오센서에서 링커부로 널리 이용되던 1,5-디아미노나프탈렌(1,5-diaminonaphthalene, DAN)을 이용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 3에서와 동일한 방법으로 ACE2 나노 디스크를 고정시킨 그래핀 트랜지스터를 제작하였다. 상기와 같이 제작된 ACE2 나노 디스크가 DAN을 통해 고정된 그래핀 트랜지스터에 대하여, 상기 실시예 [4-5]에서와 같이 UTM 시약(UTNFS-3B-N1P)(노블바이오)를 처리하면서 상기 그래핀 트랜지스터에서의 전류 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 12에 도시된 바와 같이, DAN을 링커부로 이용하는 경우에는 그래핀 트랜지스터에서 전류의 변화가 나타나는 것으로 확인되었다.
상기와 같은 결과로부터, 종래 바이오 센서에서 링커부로 널리 이용되던 DAN을 적용해서는 검출 가능 표적 물질들이 UTM 시약에 포함되어 있는 경우에는 표적 물질들의 검출이 불가능하고, 카벤 화합물을 링커부로 이용하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.
[5-2] 카벤 화합물의 PEG 단위의 반복 수에 따른 UTM에 대한 안정성 평가
상기 실시예 2에서 제조된 링커 화합물인 카벤 화합물 1 대신, 하기 화학식 5의 화학 구조를 갖는 카벤 화합물 2 또는 화학식 6의 화학 구조를 갖는 카벤 화합물 3을 이용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 3에서와 동일한 방법으로 ACE2 나노 디스크를 고정시킨 그래핀 트랜지스터를 제작하였다. 이때, 하기 화학식 5의 카벤 화합물 2와 하기 화학식 6의 카벤 화합물 3은, 상기 실시예 2의 반응식 1에 따라 4-아미노-3-니트로페놀을 각각 Br-PEG3-Br 및 Br-PEG7-Br과 반응시켜 제조하였다.
[화학식 5]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000009
[화학식 6]
Figure PCTKR2022005722-appb-I000010
상기와 같이 제작된 ACE2 나노 디스크가 카벤 화합물 2 또는 카벤 화합물 3을 통해 고정된 그래핀 트랜지스터, 그리고 상기 실시예 [3-3]에서 제작한 ACE2 나노 디스크가 카벤 화합물 1을 통해 고정된 그래핀 트랜지스터 각각에 대하여, 상기 실시예 [4-5]에서와 같이 UTM 시약(UTNFS-3B-N1P)(노블바이오)를 처리하면서 상기 그래핀 트랜지스터에서 UTM에 의하여 그래핀 채널 상의 캐리어 전하의 밀도 변화(전기적 이력 현상의 변화)를 측정하였다.
그 결과, 도 13에 따르면, 카벤 화합물 2를 이용하여 ACE2 나노 디스크를 고정한 그래핀 트랜지스터의 경우 전기적 이력 현상에 의해 약 1.3V의 전압 차이가, 카벤 화합물 3을 이용하여 ACE2 나노 디스크를 고정한 그래핀 트랜지스터의 경우 전기적 이력 현상에 의해 약 0.7V의 전압 차이가, 그리고 본 발명의 실시예 [3-1]에서 제작한 카벤 화합물 1을 이용하여 ACE2 나노 디스크를 고정한 그래핀 트랜지스터의 경우 전기적 이력 현상에 의해 약 0.4V의 전압 차이가 발생한 것으로 확인되었다.
상기와 같은 결과로부터, 카벤 화합물의 PEG 단위의 반복 수가 늘어날수록 수용체부가 고정화된 그래핀 트랜지스터에서 전기적 이력 현상에 의한 전압의 변화가 점점 줄어듦을 알 수 있는바, 결국 카벤 화합물의 PEG 단위의 반복 수가 커질수록 UTM 시약에 의한 노이즈를 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
[실시예 6]
임상 시료를 이용한 COVID-19 바이러스 및 이의 변이체의 검출 가부 확인
[6-1] 임상 시료를 이용한 COVID-19 바이러스의 검출 가부 확인
경북대학교병원 진단검사의학과에서 입수한 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스) 감염 환자 42명의 임상 샘플을 UTM 시료에 용해시킨 후, 상기 실시예 [3-3]에서 제작한 ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터에 각각 처리하여 상기 그래핀 트랜지스터에서의 전류 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 14a 내지 도 14g에 도시된 바와 같이, 42개의 임상 샘플 모두에서 전류의 변화가 확인되었고, 상기와 같은 결과로부터 본 발명의 바이오센서를 이용하여 임상적으로도 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19)의 진단이 가능함을 알 수 있다.
[6-2] COVID-19 바이러스 변이체의 검출 가부 확인
경북대학교병원 진단검사의학과에서 입수한 SARS-CoV-2 바이러스 변이체(오미크론 변이체)를 101 pfu/mL 내지 103 pfu/mL의 농도로, 상기 실시예 [3-3]에서 제작한 ACE2 나노 디스크가 고정된 그래핀 트랜지스터에 각각 처리하여 상기 그래핀 트랜지스터에서의 전류 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 SARS-CoV-2 바이러스 변이체에 대해서도 농도의존적으로 전류의 변화가 발생되는 것으로 확인되었고, 상기와 같은 결과로부터 본 발명의 바이오센서를 이용하여 SARS-CoV-2 바이러스 변이체(오미크론 변이체)의 진단도 가능함을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 상기와 같은 특정 실시예에만 한정되지 아니하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 그래핀 필름; 및 바이러스 수용체를 포함하는 바이러스 수용체부;를 포함하고,
    상기 바이러스 수용체부는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 포함하는 링커부를 통해 상기 그래핀 필름 상에 고정화된, 그래핀 채널 부재.
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2022005722-appb-I000011
    [화학식 2]
    Figure PCTKR2022005722-appb-I000012
    상기 화학식 1 및 2에 있어서,
    R1, R2, R5 및 R6은 각각 독립적으로 수소; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기; 또는 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이거나,
    R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,
    R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,
    R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,
    [화학식 3]
    Figure PCTKR2022005722-appb-I000013
    상기 화학식 3에 있어서,
    n은 괄호 내 단위의 반복 수로 6 내지 30의 정수이고,
    A는 질소(N) 원자를 포함하는 작용기이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이러스 수용체부는, 상기 바이러스 수용체, 지질 및 지지체 단백질을 포함하는 나노 디스크 형태인 것인, 그래핀 채널 부재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이러스 수용체는 ACE2(Angiotensin-converting enzyme 2), DPP4(Dipeptidyl peptidase-4), NRP1(Neuropilin-1) 및 시알산으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 그래핀 채널 부재.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 ACE2는 SARS-CoV 바이러스, SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 바이러스) 또는 이들의 변이체에 선택적으로 반응하고,
    상기 DPP4는 MERS-CoV 바이러스 또는 이의 변이체에 선택적으로 반응하고,
    상기 NRP1 은 SARS-CoV-2 바이러스 또는 이의 변이체에 선택적으로 반응하고,
    상기 시알산은 H1N1 인플루엔자 바이러스 또는 이의 변이체에 선택적으로 반응하는 것인, 그래핀 채널 부재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 3의 n은 10 내지 30의 정수인, 그래핀 채널 부재.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 A의 질소 원자를 포함하는 작용기는 아자이드(azide), 프탈이미드(phthalimide) 및 아민(amine) 중에서 선택되는 적어도 하나인, 그래핀 채널 부재.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 R1 및 R2 중 적어도 하나 및 상기 R5 및 R6 중 적어도 하나는 각각 독립적으로 이소프로필기 또는 벤질기인, 그래핀 채널 부재.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 카벤 화합물은 상기 그래핀 필름에 공유 결합으로 결합된, 그래핀 채널 부재.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 단층 또는 이층(bi-layer)인, 그래핀 채널 부재.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 패턴화된, 그래핀 채널 부재.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 두께가 0.1 내지 1 ㎚인, 그래핀 채널 부재.
  12. 기판;
    청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 그래핀 채널 부재; 및
    한 쌍의 전극;
    을 포함하는 그래핀 트랜지스터.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 그래핀 트랜지스터는 UTM(Universal Transport Medium) 하에서 전기적 이력 현상에 의해 발생한 전압 차이가 0.5 V 이하인, 그래핀 트랜지스터.
  14. 청구항 12의 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오센서.
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