WO2023075517A1 - Prussian blue nanoparticle-based optical and electrochemical biosensor - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a Prussian blue nanoparticle-based optical and electrochemical biosensor, and, more specifically, to a biosensor capable of rapidly, simply, qualitatively and quantitatively detecting a target material in a sample by using Prussian blue nanoparticles exhibiting peroxidase-like activity and electrochemical activity.

Description

프러시안 블루 나노입자 기반의 광학 및 전기화학적 바이오센서Optical and electrochemical biosensors based on Prussian blue nanoparticles
본 출원은 2021년 10월 29일에 출원된 대한민국 특허출원 제 10-2021-0146763호를 우선권으로 주장하고, 상기 명세서 전체는 본 출원의 참고문헌이다.This application claims priority to Republic of Korea Patent Application No. 10-2021-0146763 filed on October 29, 2021, and the entire specification is a reference in this application.
본 발명은 프러시안 블루 나노입자 기반의 광학 및 전기화학적 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과산화효소-유사 활성 및 전기화학적 활성을 나타내는 프러시안 블루 나노입자를 이용하여 시료 내 표적물질을 빠르고 간편하게 정성 및 정량 검출을 할 수 있는 바이오센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical and electrochemical biosensor based on Prussian blue nanoparticles, and more particularly, to quickly and conveniently detect a target substance in a sample using Prussian blue nanoparticles exhibiting peroxidase-like activity and electrochemical activity. It relates to a biosensor capable of qualitative and quantitative detection.
전 세계적으로 인구증가와 기대수명 연장과 함께 삶의 수준이 높아지면서, 건강한 생활, well-aging에 대한 관심이 증가하고 있다. 더불어 꾸준한 검진을 통해 질병을 조기에 진단하여 신속하게 예방하기 위한 의료비 지출도 늘고 있다. 최근 신종바이러스의 출현과 확산으로 인해 빠르고 간편하게 질병 진단이 가능한 진단기기에 대한 수요가 증가했다. 이렇게 단순 질병 치료에서 예방, 진단 및 모니터링으로 헬스케어 패러다임이 변화하면서 간편하며 효율적인 질병 진단시스템의 필요성이 증대되고 있다. 특히 임상화학 분야와 면역학 분야에서 단일 장비로 여러 가지 표적물질을 검사하여 질병을 진단하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.As the standard of living increases along with population growth and life expectancy worldwide, interest in healthy living and well-aging is increasing. In addition, medical expenses for early diagnosis and prompt prevention of diseases through steady examinations are increasing. Due to the recent emergence and spread of new viruses, the demand for diagnostic devices that can quickly and easily diagnose diseases has increased. As the healthcare paradigm changes from simple disease treatment to prevention, diagnosis, and monitoring, the need for a simple and efficient disease diagnosis system is increasing. In particular, in the field of clinical chemistry and immunology, studies for diagnosing diseases by examining various target substances with a single device are being actively conducted.
신속하고 효율적으로 질병을 진단하고 센서의 감도와 선택성을 높이기 위하여 다양한 소재들을 이용한 센서가 개발되고 있으며, 그 중 기능성 나노소재를 이용한 센서가 가장 활발하게 연구되고 있다. 고비용에 사용하기 불편한 생체 효소 또는 단백질 효소를 대체하기 위한 기능성 나노물질과 나노구조체들이 개발되고 있다. 이러한 소재들의 장점으로는 합성과정이 간단하고 온도와 pH 변화에도 안정성을 유지하며, 대량생산이 가능하여 생산비용 절감이 가능하다는 특징이 있다. Sensors using various materials are being developed to rapidly and efficiently diagnose diseases and increase the sensitivity and selectivity of sensors, and among them, sensors using functional nanomaterials are being studied most actively. Functional nanomaterials and nanostructures are being developed to replace biological enzymes or protein enzymes that are expensive and inconvenient to use. Advantages of these materials are that they are simple to synthesize, maintain stability even when temperature and pH changes, and can be mass-produced to reduce production costs.
하지만, 기존에 개발된 나노소재 기반의 바이오센서들은 정성 및 정량적 분석의 동시 적용이 어렵다는 한계가 있었다.However, conventionally developed nanomaterial-based biosensors have limitations in that simultaneous application of qualitative and quantitative analysis is difficult.
이에, 본 발명자는 생체 효소 또는 단백질 효소가 갖는 한계점뿐만 아니라, 기존 나노소재 기반의 바이오 센서들의 한계를 극복하고, 정성 및 정량적 분석에 동시에 적용이 가능하며, 현장에서 신속하게 표적물질을 검출할 수 있는 바이오센서를 개발하기 위해 예의 연구를 수행한 결과, 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticle) 및 바이오리셉터 (bioreceptor) 복합체가 가지고 있는 과산화효소-유사 활성 및 전기화학적 활성을 이용하면 매우 신속하고 경제적으로 시료 내 표적물질을 검출할 수 있다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다. Therefore, the present inventors can overcome the limitations of existing nanomaterial-based biosensors as well as biological enzymes or protein enzymes, can be applied to qualitative and quantitative analysis simultaneously, and can quickly detect target substances in the field. As a result of intensive research to develop a biosensor that can be used, it is very rapid and economical to use the peroxidase-like activity and electrochemical activity of the Prussian blue nanoparticle and bioreceptor complex. As a result, it was discovered that the target substance in the sample could be detected, and the present invention was completed.
따라서, 본 발명의 목적은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 바이오리셉터 (Bioreceptor)의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 변색 시약을 포함하는 표적물질의 광학적 검출용 바이오센서를 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is (a) a composite of Prussian blue nanoparticles and a bioreceptor; (b) to provide a biosensor for optical detection of a target substance including hydrogen peroxide and (c) a discoloration reagent.
본 발명의 다른 목적은 (a) 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극; (b) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; 및 (c) 과산화수소를 포함하는, 표적물질의 전기화학적 검출용 바이오센서를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is (a) a working electrode to which a first bioreceptor specifically binding to a target material is fixed; (b) a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor specifically binding to a target substance; And (c) to provide a biosensor for electrochemical detection of a target substance containing hydrogen peroxide.
본 발명의 다른 목적은 시험물질이 유입되는 인렛 (Inlet); 변색 시약이 흡수된 흡수기재를 포함하는 광학검출부; 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극을 포함하는 전기화학검출부; 상기 인렛과 상기 광학검출부를 연결하는 제1유로; 및 상기 인렛과 상기 전기화학검출부를 연결하는 제2유로를 포함하는 바이오센서로서, 상기 시험물질은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 시료의 혼합물인 바이오센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is the inlet into which the test substance is introduced (Inlet); An optical detection unit including an absorbent substrate in which the discoloration reagent is absorbed; an electrochemical detection unit including a working electrode to which a first bioreceptor specifically binding to a target substance is fixed; a first passage connecting the inlet and the optical detector; and a second flow path connecting the inlet and the electrochemical detection unit, wherein the test material is (a) Prussian blue nanoparticles and a second biosensor that specifically binds to the target material. complex of receptors; (b) to provide a biosensor that is a mixture of hydrogen peroxide and (c) a sample.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 바이오리셉터 (Bioreceptor)의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 변색 시약을 포함하는, 표적물질의 광학적 검출용 바이오센서를 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, the present invention (a) a complex of Prussian blue nanoparticles and bioreceptors (Bioreceptor); It provides a biosensor for optical detection of a target material, including (b) hydrogen peroxide and (c) a discoloration reagent.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극; (b) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; 및 (c) 과산화수소를 포함하는, 표적물질의 전기화학적 검출용 바이오센서를 제공한다. In order to achieve another object of the present invention, the present invention provides (a) a working electrode to which a first bioreceptor specifically binding to a target material is fixed; (b) a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor specifically binding to a target substance; And (c) it provides a biosensor for electrochemical detection of a target substance containing hydrogen peroxide.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 시험물질이 유입되는 인렛; 변색 시약이 흡수된 흡수기재를 포함하는 광학검출부; 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극을 포함하는 전기화학검출부; 상기 인렛과 상기 광학검출부를 연결하는 제1유로; 및 상기 인렛과 상기 전기화학검출부를 연결하는 제2유로를 포함하는 바이오센서로서, 상기 시험물질은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 시료의 혼합물인 바이오센서를 제공한다. In order to achieve another object of the present invention, the present invention is an inlet into which the test substance is introduced; An optical detection unit including an absorbent substrate in which the discoloration reagent is absorbed; an electrochemical detection unit including a working electrode to which a first bioreceptor specifically binding to a target substance is fixed; a first passage connecting the inlet and the optical detector; and a second flow path connecting the inlet and the electrochemical detection unit, wherein the test material is (a) Prussian blue nanoparticles and a second biosensor that specifically binds to the target material. complex of receptors; (b) hydrogen peroxide and (c) a mixture of the sample.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 바이오리셉터 (Bioreceptor)의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 변색 시약을 포함하는, 표적물질의 광학적 검출용 바이오센서를 제공한다.The present invention relates to (a) a complex of Prussian blue nanoparticles and a bioreceptor; It provides a biosensor for optical detection of a target material, including (b) hydrogen peroxide and (c) a discoloration reagent.
본 발명에서 상기 '프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles)'는 페로시안화철의 수화물을 말하는 것으로, Fe7(CN)18(H2O)x의 화학식으로 표기될 수 있으며, 짙은 파란색을 나타낸다. 프러시안 블루 나노입자는 페로시안화 염(페로시안화 나트륨, 페로시안화 칼륨, 페로시안화 암모늄 등) 용액에 염화철을 가하여 제조될 수 있다. In the present invention, the 'Prussian blue nanoparticles' refers to a hydrate of iron ferrocyanide, and can be represented by the chemical formula of Fe 7 (CN) 18 (H 2 O) x , and exhibits a deep blue color. . Prussian blue nanoparticles can be prepared by adding iron chloride to a ferrocyanide salt (sodium ferrocyanide, potassium ferrocyanide, ammonium ferrocyanide, etc.) solution.
상기 프러시안 블루 나노입자 제조방법의 비제한적인 예시로, 페리시안화 이온([Fe(CN)6]3-)을 포함하는 화합물 및 철 이온(Fe3+)을 포함하는 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 용매에 투입하고 반응시켜 프러시안 블루 나노입자를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 페리시안화 이온([Fe(CN)6]3-)을 포함하는 화합물은, 페리시안화칼륨(K3Fe(CN)6) 또는 페리시안화나트륨(Na3Fe(CN)6)일 수 있다. 상기 철 이온(Fe3+)을 포함하는 화합물은, 염화철(FeCl3), 과염소산철(Fe(ClO4)3) 및 질산철(Fe(NO3)3)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다. 상기 용매는 물일 수 있다As a non-limiting example of the method for preparing the Prussian blue nanoparticles, a compound containing a ferricyanide ion ([Fe(CN) 6 ] 3- ) and a compound containing an iron ion (Fe 3+ ) are mixed to form a mixture. manufacturing; and preparing Prussian blue nanoparticles by introducing the mixture into a solvent and reacting the mixture. The compound containing the ferricyanide ion ([Fe(CN) 6 ] 3- ) may be potassium ferricyanide (K 3 Fe(CN) 6 ) or sodium ferricyanide (Na 3 Fe(CN) 6 ). The compound containing iron ions (Fe 3+ ) is at least one selected from the group consisting of iron chloride (FeCl 3 ), iron perchlorate (Fe(ClO 4 ) 3 ) and iron nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ). it could be The solvent may be water
본 발명에서 상기 바이오리셉터는 검출하고자 하는 시료 물질과 선택적으로 결합할 수 있는 생물학적 인식요소로, 항체, 효소, 항원, 압타머, 렉틴, 핵산, 단백질, 지질, 당, 호르몬 수용체 또는 이의 조합일 수 있고, 바람직하게는 항체일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 표적물질-바이오리셉터간의 결합 및 반응은 항원-항체반응, 효소-기질반응, 핵산의 상보결합 등을 포함한다. In the present invention, the bioreceptor is a biological recognition element capable of selectively binding to a sample material to be detected, and may be an antibody, enzyme, antigen, aptamer, lectin, nucleic acid, protein, lipid, sugar, hormone receptor, or a combination thereof Yes, it may preferably be an antibody, but is not limited thereto. Binding and reactions between target substances and bioreceptors include antigen-antibody reactions, enzyme-substrate reactions, complementary binding of nucleic acids, and the like.
상기 '항체'는 면역글로불린 분자 및 면역글로불린 분자의 면역 활성 부분 (즉, 항원을 면역-특이적으로 결합시키는 항원 결합 부위를 함유하는 분자)을 지칭한다. 상기 용어는 또한 2개의 면역글로불린 중쇄 (Heavy chain) 및 2개의 면역글로불린 경쇄 (Light chain)로 구성된 항체뿐만 아니라 예를 들어 면역글로불린 분자, 모노클로날 항체, 키메라 항체, CDR-그라프트된 항체, 인간화 항체, Fab, Fab', F(ab')2, Fv, 디술피드 연결된 Fv, scFv, 단일 도메인 항체 (dAb), 디아바디, 다중특이적 항체, 이중 특이적 항체, 항-이디오타입 항체, 이중특이적 항체, 그의 기능적 활성 에피토프-결합 단편, 이중기능적 하이브리드 항체를 포함한 전장 항체 및 그의 부분을 포함한 다양한 형태를 지칭한다. 상기 항체는 임의의 유형 (예를 들어, IgG, IgA, IgM, IgE 또는 IgD)을 가질 수 있다. 또한, 상기 항체는 비-인간 (예를 들어, 마우스, 염소 또는 임의의 다른 동물로부터), 완전 인간, 인간화, 또는 키메라 항체일 수 있다. '핵산 (nucleic acid)'은 DNA (디옥시리보핵산, deoxyribonucleic acid), RNA (리보핵산, ribonucleic acid), 압타머 (aptamer)를 포함하며, 염기쌍의 상보적인 결합을 통해 이중나선 구조를 형성한다. '압타머 (aptamer)'란 특정 물질에 결합하는 단일가닥의 핵산으로, 펩타이드, 단백질, 세포, 약물 등에 선택적으로 결합하며, 대응하는 염기쌍과의 상보결합도 가능하여 표적물질을 검출하는 데에 널리 활용된다. The 'antibody' refers to an immunoglobulin molecule and an immune active portion of an immunoglobulin molecule (ie, a molecule containing an antigen binding site that immuno-specifically binds an antigen). The term also refers to antibodies composed of two immunoglobulin heavy chains and two immunoglobulin light chains, as well as, for example, immunoglobulin molecules, monoclonal antibodies, chimeric antibodies, CDR-grafted antibodies, Humanized antibodies, Fab, Fab', F(ab')2, Fv, disulfide linked Fv, scFv, single domain antibody (dAb), diabody, multispecific antibody, bispecific antibody, anti-idiotypic antibody , bispecific antibodies, functionally active epitope-binding fragments thereof, full-length antibodies and portions thereof, including bifunctional hybrid antibodies. The antibody may be of any type (eg IgG, IgA, IgM, IgE or IgD). In addition, the antibody may be non-human (eg, from a mouse, goat or any other animal), fully human, humanized, or chimeric antibody. 'Nucleic acid' includes DNA (deoxyribonucleic acid), RNA (ribonucleic acid), and aptamer, and forms a double helix structure through complementary bonding of base pairs. An 'aptamer' is a single-stranded nucleic acid that binds to a specific substance. It selectively binds to peptides, proteins, cells, drugs, etc. It is utilized.
본 발명에서 상기 '복합체'는 접합체, 컨쥬게이트 (conjugate), 콤플렉스 (complex)와 동일한 의미로 해석될 수 있으며, 프러시안 블루 나노입자 와 바이오리셉터가 임의의 결합에 의해 결합되어 있는 상태를 의미한다. 상기 프러시안 블루 나노입자와 바이오리셉터는 링커, 중합체 등을 통해 간접적으로 결합되어 있을 수도 있으며, 또는 직접 결합되어 있을 수 있다. In the present invention, the 'complex' can be interpreted in the same sense as a conjugate, conjugate, or complex, and means a state in which Prussian blue nanoparticles and bioreceptors are bound by an arbitrary bond . The Prussian blue nanoparticle and the bioreceptor may be indirectly bonded through a linker, polymer, or the like, or may be directly bonded.
본 발명에서 상기 '표적물질'은 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In the present invention, the 'target substance' may be one or more selected from proteins, peptides, aptamers, nucleic acids, oligosaccharides, amino acids, carbohydrates, dissolved gases, sulfur oxide gases, nitrogen oxide gases, residual pesticides, heavy metals, and environmentally hazardous substances. , but is not limited thereto.
본 발명에서 상기 변색 시약은 산화효소 (HRP, horseradish peroxidase)의 발색기질을 포함하며, 일 예로 ABTS (2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), TMB (3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), AEC (3-Amino-9-Ethylcarbazol), DAB ((3,3'-diaminobenzidine tetrahydrochloride salt), OPD (o-phenylenediamine dihydrochloride), 루미놀 및 엠플렉스 레드로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the discoloration reagent includes a color-developing substrate of oxidase (HRP, horseradish peroxidase), for example, ABTS (2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), TMB (3,3', Selected from the group consisting of 5,5'-Tetramethylbenzidine), AEC (3-Amino-9-Ethylcarbazol), DAB ((3,3'-diaminobenzidine tetrahydrochloride salt), OPD (o-phenylenediamine dihydrochloride), Luminol and Emplex Red It may be characterized as being, but is not limited thereto.
본 발명의 일 양태에서, 상기 변색시약은 흡수기재에 흡수되어 건조된 상태로 제공이 되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 흡수기재는 변색시약을 흡수한 후 용매를 증발시켜 건조된 상태로 제공이 된 후, 검출 대상 시료를 포함하는 시험물질과 접촉하면 수분을 흡수하여 시험물질과 변색시약의 반응일 일어날 수 있는 기재라면 그 종류가 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서 상기 흡수기재는 바람직하게는 고분자 필름, 종이, 구체적으로는 필터페이퍼일 수 있다. In one aspect of the present invention, the discoloration reagent may be provided in a dried state after being absorbed into an absorbent material. The absorbent material is provided in a dried state by evaporating the solvent after absorbing the discoloration reagent, and then absorbs moisture when in contact with the test substance containing the sample to be detected, and the reaction between the test substance and the discoloration reagent may occur If so, the type is not particularly limited. In the present invention, the absorbent material may be preferably a polymer film, paper, and specifically filter paper.
본 발명에서 상기 복합체에 포함된 프러시안 블루 나노입자는 과산화효소-유사 활성을 나타내므로, 상기 과산화수소와 변색시약 사이의 산화 환원 반응을 유도하여 산화된 변색시약 생성물 등을 생성시킴으로써, 육안으로 관찰할 수 있는 색깔 변화를 나타낸다. In the present invention, since the Prussian blue nanoparticles included in the complex exhibit a peroxidase-like activity, inducing an oxidation-reduction reaction between the hydrogen peroxide and the discoloration reagent to produce an oxidized discoloration reagent product, etc., which can be observed with the naked eye. Indicates possible color changes.
본 발명이 제공하는 상기 바이오센서는 상기 (a) 및 (b)와 반응시킨 시료가 상기 (c)와 접촉하였을 때 나타나는 변색 반응을 검출하여 시료 내 표적물질을 광학적으로 검출하는 것을 특징으로 한다. The biosensor provided by the present invention is characterized by optically detecting a target substance in a sample by detecting a discoloration reaction that occurs when the sample reacted with (a) and (b) comes into contact with (c).
본 발명의 일 양태에서, 상기 바이오센서는 표적물질 미포함 대조군 시료와 비교하여 변색 강도가 약한 경우 상기 시료 내에 표적물질이 존재하는 것으로 판정하는 것을 특징으로 할 수 있다. 표적물질 미포함 대조군 시료에는 상기 복합체에 포함된 바이오리셉터와 반응할 수 있는 표적물질이 존재하지 않아 프러시안 블루 나노입자가 상기 변색 시약의 산화 환원반응을 유도하는 과산화효소-유사 활성이 충분히 발휘될 수 있다. 하지만, 상기 시료에 상기 바이오리셉터가 특이적으로 인식하는 표적물질이 포함되어 있을 경우, 표적물질과 바이오리셉터 간의 복합체가 형성되어 상기 프러시안 블루 나노입자의 효소-유사 활성이 저하되므로 상기 표적물질 미포함 대조군과 비교해 변색 강도가 약하게 나타난다. 이와 같은 원리로, 검출하고자 하는 시료 내 표적물질의 존재 여부를 광학적 또는 정성적으로 확인하는 것이 가능하다. In one aspect of the present invention, the biosensor may be characterized in that it determines that the target substance is present in the sample when the discoloration intensity is weak compared to a control sample containing no target substance. In the control sample without target substance, there is no target substance capable of reacting with the bioreceptor included in the complex, so that the Prussian blue nanoparticles induce a redox reaction of the discoloration reagent. Peroxidase-like activity can be sufficiently exhibited. there is. However, when the sample contains a target substance that is specifically recognized by the bioreceptor, a complex is formed between the target substance and the bioreceptor to reduce the enzyme-like activity of the Prussian blue nanoparticles, so the target substance is not included. Compared to the control group, the intensity of discoloration appears weak. With this principle, it is possible to optically or qualitatively confirm the presence or absence of a target substance in a sample to be detected.
이 경우, 상기 미처리 대조군 시료와 혼합되는 복합체 및 변색 시약의 양은 검출하고자 하는 시료에 혼합되는 복합체 및 변색 시약의 양과 동일한 것이 바람직하다. In this case, it is preferable that the amount of the complex and the discoloration reagent mixed with the untreated control sample is the same as the amount of the complex and the discoloration reagent mixed with the sample to be detected.
본 발명에서 상기 '시료'는 표적물질의 존재 여부를 확인하고자 하는 대상 물질이라면 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 생체 시료, 식품 시료, 환경 물질 시료, 대기 물질 시료 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 시료는 생체 시료일 수 있으며, 상기 생체 시료는 타액, 땀, 소변, 혈액, 혈장, 혈청, 눈물, 고름, 위액, 장액, 안구액, 복강액, 질액, 뇌척수액 및 체강액을 포함할 수 있다. In the present invention, the type of the 'sample' is not particularly limited as long as it is a target material for which the presence or absence of a target material is to be confirmed, and may include, for example, a biological sample, a food sample, an environmental material sample, and an air material sample. . Preferably, the sample may be a biological sample, and the biological sample includes saliva, sweat, urine, blood, plasma, serum, tears, pus, gastric fluid, intestinal fluid, ocular fluid, peritoneal fluid, vaginal fluid, cerebrospinal fluid, and body cavity fluid. can include
본 발명에서 상기 (a) 및 (b)를 시료를 혼합할 때, 상기 (a)는 시료에 포함된 표적물질과 모두 반응하고 남을 정도로 충분히 혼합되는 것이 바람직하다. 표적물질과 모두 반응하고 남을 정도로 충분한 양의 복합제는 시료의 종류, 상기 복합체에 포함되어 있는 바이오리셉터의 비율 등에 따라 달라질 수 있으므로 검출하고자 하는 표적물질 및 시료의 종류에 따라서 실험자가 혼합하는 복합제의 양을 조절하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 표적물질의 절대량을 알고 있는 참조시료를 이용하여 첨가되는 복합체의 양을 결정한 후 이를 표준화하여 표적물질 검출 및 정량에 활용할 수 있다. In the present invention, when the samples (a) and (b) are mixed, it is preferable that the (a) is mixed sufficiently to remain after reacting with all of the target substances included in the sample. Since the amount of the complex agent sufficient to remain after reacting with the target material may vary depending on the type of sample and the ratio of bioreceptors included in the complex, the amount of the complex agent mixed by the experimenter depends on the type of target material and sample to be detected. It is possible to regulate Preferably, after determining the amount of the complex to be added using a reference sample of which the absolute amount of the target substance is known, it can be standardized and used for detection and quantification of the target substance.
본 발명이 제공하는 상기 바이오센서는 표적물질을 검출하기 위해 추가적인 바이오리셉터, 즉 상기 프러시안 블루에 결합된 바이오리셉터 이외에 추가적인 바이오리셉터를 필요로 하지 않으며, 세정 또는 세척 단계가 필요하지 않다는 점에서 종래기술과 차별점이 있다. 이와 같은 본 발명의 특징으로 인해, 상기 본 발명의 표적물질 검출 방법은 현장에서 매우 간편하고 신속하게 시료 내 표적물질을 검출하는데 활용이 될 수 있다. The biosensor provided by the present invention does not require an additional bioreceptor other than the bioreceptor bound to the Prussian blue to detect a target substance, and does not require a washing or washing step. There is a difference between technology and technology. Due to the characteristics of the present invention, the target material detection method of the present invention can be utilized to detect a target material in a sample very simply and quickly in the field.
본 발명은 또한 (a) 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극; (b) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; 및 (c) 과산화수소를 포함하는, 표적물질의 전기화학적 검출용 바이오센서를 제공한다. The present invention also relates to (a) a working electrode to which a first bioreceptor specifically binding to a target material is immobilized; (b) a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor specifically binding to a target substance; And (c) it provides a biosensor for electrochemical detection of a target substance containing hydrogen peroxide.
본 발명에서 상기 제1 바이오리셉터는 작동전극에 직접적 또는 간접적으로 고정될 수 있다. 본 개시에서, 직접적 고정 또는 결합이란 두 물체의 사이에 별도의 매개, 물질, 또는 물체의 존재 없이 두 물체가 고정 또는 결합된 것을 의미한다. 또한, 간접적 고정 또는 결합이란, 두 물체의 사이에 별도의 매개, 물질, 또는 물체가 존재하여 이들을 고정 또는 결합시키는 것을 의미한다. 본 발명에서 상기 (a)에서의 제1 바이오리셉터는 작동전극에 물리적 흡착 (physical adsorption), 포괄법 (entrapping method), 공유결합방식 (covalent bonding) 중 적어도 하나의 방식으로 고정될 수 있다. In the present invention, the first bioreceptor may be directly or indirectly fixed to the working electrode. In the present disclosure, direct fixation or coupling means that two objects are fixed or coupled without the existence of a separate medium, material, or object between the two objects. Also, indirect fixation or coupling means that a separate medium, material, or object exists between two objects to fix or combine them. In the present invention, the first bioreceptor in (a) may be fixed to the working electrode by at least one of physical adsorption, entrapping, and covalent bonding.
본 발명에서 상기 '작동전극 (Working electrode)'은 금속산화물 전극, 금속 전극, 전도성 고분자 전극 또는 탄소 전극인 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the 'working electrode' may be a metal oxide electrode, a metal electrode, a conductive polymer electrode or a carbon electrode.
상기 금속산화물 전극은 ITO (인듐주석 산화물), IGO (인듐갈륨 산화물), IZO (인듐아연 산화물), ATO (안티몬주석 산화물), AZO (안티몬아연 산화물), FTO (불소 도핑 주석산화물) 및 GIZO (갈륨인듐아연 산화물)로 이루어진 군에서 선택된 소재를 포함할 수 있으며, 상기 금속 전극은 수은, 아말감, Pt, Au, Pd, 및 Rh로 이루어진 군에서 선택된 소재를 포함할 수 있으며, 상기 전도성 고분자 전극은 폴리아세틸렌 (polyacetylene), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리아닐린 (polyaniline), PEDOT (poly(3,4-ethylene dioxythiophene)), 폴리티오펜 (polythiophene), 폴리파라페닐렌 (poly para-phenylene), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylene sulfide), 폴리파라페닐렌 비닐렌 (poly para-phenylene vinylene)으로 이루어진 군에서 선택된 소재를 포함할 수 있으며, 상기 탄소 전극은 귀금속 전극, 열분해 흑연 (pyrolytic graphite) 전극, 유리 탄소 (glassy carbon) 전극, 탄소 페이스트 (carbon paste) 전극, 탄소나노튜브 (carbon nanotube) 전극, 그래핀 (graphene) 전극 또는 탄소 유리 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The metal oxide electrode is ITO (indium tin oxide), IGO (indium gallium oxide), IZO (indium zinc oxide), ATO (antimony tin oxide), AZO (antimony zinc oxide), FTO (fluorine doped tin oxide) and GIZO ( gallium indium zinc oxide), the metal electrode may include a material selected from the group consisting of mercury, amalgam, Pt, Au, Pd, and Rh, and the conductive polymer electrode polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT), polythiophene, poly para-phenylene, polyphenylene It may include a material selected from the group consisting of polyphenylene sulfide and polypara-phenylene vinylene, and the carbon electrode may include a noble metal electrode, a pyrolytic graphite electrode, and glassy carbon. It may be a carbon electrode, a carbon paste electrode, a carbon nanotube electrode, a graphene electrode, or a carbon glass electrode, but is not limited thereto.
바람직하게는, 본 발명에서 상기 작동전극은 ITO 전극일 수 있다. 특히, ITO 전극의 경우 바이오 센서에 적용 시, 노이즈 신호를 줄일 수 있고 별도의 점착층 없이도 유기 기판 상에 ITO 박막이 침적된 기판을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 상기 ITO 기판은 디스플레이 산업 등에서 대형 기판 상에 높고 안정적인 전기전도성 특성을 갖는 박막 기판 제조 공정을 동일하게 활용할 수 있으므로, 매우 저렴하게 전극으로 제작이 가능하다는 이점을 갖는다.Preferably, in the present invention, the working electrode may be an ITO electrode. In particular, in the case of an ITO electrode, when applied to a biosensor, noise signals can be reduced, and a substrate having an ITO thin film deposited on an organic substrate can be used as it is without a separate adhesive layer. The ITO substrate has the advantage that it can be manufactured as an electrode at a very low cost because the same process for manufacturing a thin film substrate having high and stable electrical conductivity can be used on a large substrate in the display industry.
본 발명에서 상기 제1 바이오리셉터와 제2 바이오리셉터는 각각 독립적으로 전술한 바이오리셉터에 관한 설명이 적용될 수 있으며, 동일한 표적물질에 특이적으로 결합하는 바이오리셉터인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 제1 바이오리셉터와 제2 바이오리셉터는 동일한 표적물질에 특이적으로 결합하되 각 바이오리셉터가 인식하는 결합부위는 서로 상이하여 어느 하나의 바이오리셉터와 표적물질과의 결합이 다른 바이오리셉터와 표적물질과의 결합을 경쟁적으로 저해하지 않을 수 있다. In the present invention, the first bioreceptor and the second bioreceptor may independently apply the description of the bioreceptor described above, and are preferably bioreceptors that specifically bind to the same target material. More preferably, the first bioreceptor and the second bioreceptor specifically bind to the same target material, but the binding sites recognized by each bioreceptor are different from each other so that any one bioreceptor binds to the target material differently. It may not competitively inhibit the binding of a bioreceptor to a target substance.
본 발명이 제공하는 상기 전기화학적 검출용 바이오센서의 작동 방식은 다음과 같다. The operating method of the biosensor for electrochemical detection provided by the present invention is as follows.
표적물질의 존재 여부를 검출하고자 하는 시료를 상기 (b) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; 및 (c)와 혼합하여 반응시킨다. 상기 시료 내에 표적물질이 존재하는 경우 상기 (b)의 복합체의 제2 바이오리셉터와 표적물질이 결합하여 항원-항체 복합체를 형성한다. 상기 반응 혼합물을 상기 (a)에 처리하여 반응시키면 상기 (a)의 제1 바이오리셉터에 표적물질이 결합하게 된다. (b) a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor specifically binding to the target material; And (c) is mixed and reacted. When the target substance is present in the sample, the second bioreceptor of the complex of (b) and the target substance bind to form an antigen-antibody complex. When the reaction mixture is treated and reacted in (a), the target substance binds to the first bioreceptor in (a).
이 때, 상기 작동전극에 전압을 인가하여 상기 제1 바이오리셉터 및 표적물질 복합체를 통해 전극에 연결된 프러시안 블루 나노입자에 전자를 제공하거나, 전극으로 전자를 제공할 수 있도록 하여 전기화학 신호인 전류, 전압 및 저항이 발생할 수 있도록 한다. At this time, a voltage is applied to the working electrode to provide electrons to the Prussian blue nanoparticles connected to the electrode through the first bioreceptor and target material complex, or to provide electrons to the electrode, so that the electrochemical signal, current , voltage and resistance can occur.
상기 시료에 표적물질이 포함된 경우, 프러시안 블루 나노입자 및 제2 바이오리셉터 복합체는 제1 바이오리셉터 및 표적물질 복합체를 매개로 하여 작동전극의 표면에 샌드위치 구조로 결합하고, 작동전극에서 인가된 전압에 의해 전류를 측정할 수 있다. 프러시안 블루 나노입자 및 제2 바이오리셉터 복합체는 표적물질에 선택적인 결합을 함과 동시에, 전자전달 매개체로서의 역할을 하므로, 추가적인 전자전달 매개체가 필요하지 않는 것을 특징으로 한다. When the target material is included in the sample, the Prussian blue nanoparticles and the second bioreceptor complex bind to the surface of the working electrode in a sandwich structure via the first bioreceptor and target material complex, and the applied Current can be measured by voltage. Since the Prussian blue nanoparticles and the second bioreceptor complex selectively bind to the target material and serve as an electron transfer medium, an additional electron transfer medium is not required.
상기 인가되는 전압은 다양한 실험 조건에 따라서 달라질 수 있다. 물의 산화 환원전압이 1.23V이므로 1.23V 이하에서 수용액상 전기화학적 활성화 물질의 최적 산화환원 전압이 정해진다. 바람직하게는, 약 0.1 내지 1V 사이에서 인가되는 전압의 양이 정해질 수 있다. 상기 전압이 0.1V 미만인 경우, 전압이 충분하지 못해서 변동계수가 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 0.1V 미만의 전압에서는 완전한 전기화학반응을 얻기 전이므로 산화 전류 값이 불안정할 수 있기 때문에 결과값들의 오차가 클 확률이 증가해 바람직하지 않다. 반면, 전압이 1V를 초과하면, 백그라운드 시그널이 크게 증가해 정확한 측정이 불가능할 수 있어 바람직하지 않다. The applied voltage may vary according to various experimental conditions. Since the oxidation-reduction voltage of water is 1.23V, the optimal oxidation-reduction voltage of the electrochemically active material in aqueous solution is determined below 1.23V. Preferably, the amount of applied voltage may be set between about 0.1 and 1V. When the voltage is less than 0.1V, a problem in that the coefficient of variation may increase due to insufficient voltage may occur. In addition, at a voltage of less than 0.1 V, since the oxidation current value may be unstable before a complete electrochemical reaction is obtained, the probability of a large error in the result values increases, which is not preferable. On the other hand, if the voltage exceeds 1V, the background signal greatly increases, making accurate measurement impossible, which is undesirable.
상기 전압은 1에서 200초 동안, 바람직하게는 5 내지 80초 동안, 보다 바람직하게는 10에서 60초 동안 인가될 수 있다. 상기 인가 시간은 측정 시간에 비례하는 바, 현장 자가진단 목적의 관점에서 짧을수록 좋다. 그러나 1초 미만의 인가 시간은 변동 계수도 크고, 동일한 조건에서 반복 실험시 S/N ratio의 편차도 커서 재현성의 관점에서 바람직하지 않을 수 있다.The voltage may be applied for 1 to 200 seconds, preferably for 5 to 80 seconds, and more preferably for 10 to 60 seconds. The application time is proportional to the measurement time, and the shorter it is, the better it is from the viewpoint of the purpose of on-site self-diagnosis. However, an application time of less than 1 second may have a large coefficient of variation and a large variation in S/N ratio during repeated experiments under the same conditions, which may be undesirable from the viewpoint of reproducibility.
상기 S/N ratio는 동일한 조건에서 측정된 전류 또는 전하값의 시그널 대 노이즈의 지표로서, 재현성의 관점에서 상기 S/N ratio가 일정하게 나타날수록 바람직하다. The S/N ratio is an indicator of signal-to-noise of a current or charge value measured under the same conditions, and from the viewpoint of reproducibility, the more constant the S/N ratio is, the more preferable it is.
본 발명의 바이오센서를 이용한 전기화학적 검출은 인가된 전압에 대응하여 측정되는 전류값을 표적물질 미포함 대조군 시료와 비교하여 상기 시료 내 표적물질을 검출할 수 있다. Electrochemical detection using the biosensor of the present invention can detect the target substance in the sample by comparing the current value measured in response to the applied voltage with a control sample that does not contain the target substance.
상기 전류를 측정함에 있어서, 공지의 전기화학적 측정 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 순환전압법 (cyclic voltammetry, CV), 시차 펄스 전압전류법 (differencial pulse voltammetry, DPV), 전압전류법 (amperometry) 이 사용될 수 있다. 순환전압법은 작동전극에 인가되는 전압을 일정 속도로 순환시켜 전류를 측정하는 방법으로서, 이를 통해 순환전압전류 곡선을 얻을 수 있다. DPV는 전극에 전압의 변화를 펄스 형태로 인가하여 전류를 측정하는 방법으로 변화하는 전압에 따른 전류값을 그래프로 얻는다. 전압전류법은 전극에 일정한 전압을 인가하였을 때 발생하는 전류를 측정하는 방법으로서, 시간에 따른 전류값을 그래프로 얻는다. 여기서, 측정되는 전기적 시그널은 상기 각 CV, DPV 곡선에 도시된 전류값의 최대값 혹은 전압전류법에서 일정시간 동안 안정하게 얻어진 전류 값을 의미한다. In measuring the current, a known electrochemical measurement method may be used. For example, cyclic voltammetry (CV), differential pulse voltammetry (DPV), and amperometry may be used. The cyclic voltammetry is a method of measuring current by circulating a voltage applied to a working electrode at a constant speed, and through this method, a cyclic voltammetry curve can be obtained. DPV is a method of measuring current by applying a change in voltage to an electrode in the form of a pulse and obtaining a graph of the current value according to the changing voltage. The voltammetry is a method of measuring the current generated when a constant voltage is applied to an electrode, and the current value over time is obtained as a graph. Here, the electric signal to be measured means the maximum value of the current values shown in the respective CV and DPV curves or the current value stably obtained for a certain period of time in the voltammetric method.
본 발명에서 상기 측정된 전류값이 표적물질 미포함 대조군 시료의 전류값보다 높은 경우, 상기 시료 내에 표적물질이 존재하는 것으로 판정할 수 있다. In the present invention, when the measured current value is higher than the current value of the control sample without the target substance, it can be determined that the target substance is present in the sample.
본 발명의 다른 일양태에서는, 상기 바이오센서를 이용하여 측정된 전류값이 높을수록 시료 내 표적물질의 농도가 높은 것으로 판단할 수 있다. In another aspect of the present invention, it can be determined that the higher the current value measured using the biosensor, the higher the concentration of the target substance in the sample.
구체적으로는, 표적물질의 절대량을 알고 있는 표준 시료를 본 발명의 상기 바이오센서를 이용하여 표적물질의 검출을 실행하고, 그 결과를 바탕으로 표적물질 농도 및 전류값에 대한 표준곡선을 작성함으로써 미지의 시료에 포함된 표적물질의 농도를 정량하는 것이 가능할 수 있다. Specifically, a standard sample of which the absolute amount of the target substance is known is detected by using the biosensor of the present invention, and a standard curve for the concentration and current value of the target substance is prepared based on the result. It may be possible to quantify the concentration of a target substance contained in a sample of
본 발명은 또한 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극을 포함하는 기판; 프러시안 블루 나노입자 및 제2 바이오리셉터 복합체; 및 전류측정기를 포함하는, 표적물질 검출 키트를 제공한다. The present invention also relates to a substrate comprising a working electrode on which a first bioreceptor is fixed; Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor complex; And it provides a target material detection kit comprising a current meter.
상기 키트에는 상기 제1 바이오리셉터 및 제2 바이오리셉터에 결합하지 않아 전기화학적 신호에 영향을 미치지 않는 내부 대조군, 표준곡선 작성에 필요한 농도별 표적물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나가 추가로 포함될 수 있다. In the kit, any one selected from the group consisting of an internal control that does not bind to the first bioreceptor and the second bioreceptor and does not affect the electrochemical signal, a target substance by concentration required for preparing a standard curve, and a combination thereof is added. can be included as
전술한 바와 같이, 본 발명이 제공하는 상기 키트는 상기 표준곡선을 이용하여 시료 내 표적물질을 정량하는 용도로도 활용이 가능하다. As described above, the kit provided by the present invention can also be used for quantifying a target substance in a sample using the standard curve.
본 발명은 또한 시험물질이 유입되는 인렛; 변색 시약이 흡수된 흡수기재를 포함하는 광학검출부; 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극을 포함하는 전기화학검출부; 상기 인렛과 상기 광학검출부를 연결하는 제1유로; 및 상기 인렛과 상기 전기화학검출부를 연결하는 제2유로를 포함하는 바이오센서로서, 상기 시험물질은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 시료의 혼합물인 바이오센서를 제공한다. The present invention is also an inlet into which the test substance is introduced; An optical detection unit including an absorbent substrate in which the discoloration reagent is absorbed; an electrochemical detection unit including a working electrode to which a first bioreceptor specifically binding to a target substance is fixed; a first passage connecting the inlet and the optical detector; and a second flow path connecting the inlet and the electrochemical detection unit, wherein the test material is (a) Prussian blue nanoparticles and a second biosensor that specifically binds to the target material. complex of receptors; (b) hydrogen peroxide and (c) a mixture of the sample.
본 발명의 상기 바이오센서는 상기 전기화학검출부와 연결된 전류계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The biosensor of the present invention may further include an ammeter connected to the electrochemical detection unit.
본 발명이 제공하는 상기 바이오센서가 작동하는 방식은 다음과 같다.The method of operating the biosensor provided by the present invention is as follows.
상기 시험물질은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 시료의 혼합물로서, 상기 시료 내에 표적물질이 존재할 경우 상기 제2 바이오리셉터와 상기 표적물질이 결합한다. The test material may include (a) a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor specifically binding to a target material; (b) a mixture of hydrogen peroxide and (c) a sample, and when a target substance exists in the sample, the second bioreceptor binds to the target substance.
상기 시험물질을 인렛에 주입하면 모세관 현상에 따라 상기 시험물질이 상기 제1유로 및 제2유로를 따라 각각 광학검출부와 전기화학검출부에 도달하게 된다. When the test material is injected into the inlet, the test material reaches the optical detection unit and the electrochemical detection unit along the first and second passages according to the capillary phenomenon.
상기 시험물질에 존재하는 프러시안 블루 나노입자-제2 바이오리셉터의 복합체와 결합한 표적물질이 상기 광학검출부의 흡수기재에 흡수되면 상기 흡수기재에 포함된 변색시약과 시험물질 내 과산화수소 및 프러시안 블루가 반응하여 변색반응을 나타내며, 변색의 정도를 육안으로 관찰함으로써 시료 내 표적물질의 존재 여부를 확인할 수 있다. When the target material combined with the Prussian Blue nanoparticle-second bioreceptor complex present in the test material is absorbed into the absorbent material of the optical detection unit, the discoloration reagent contained in the absorbent material and hydrogen peroxide and Prussian Blue in the test material It reacts to show a discoloration reaction, and the presence or absence of the target substance in the sample can be confirmed by visually observing the degree of discoloration.
또한 상기 시험물질에 존재하는 프러시안 블루 나노입자-제2 바이오리셉터의 복합체와 결합한 표적물질이 상기 전기화학적검출부에 도달하여 상기 제1 바이오리셉터와 결합하면 인가된 전압에 따른 전류의 변화가 발생하게 되고 이러한 전류의 변화를 전류계를 통해 측정함으로써 시료 내 표적물질의 존재여부 및 농도를 확인할 수 있다. In addition, when the target substance bound to the Prussian blue nanoparticle-second bioreceptor complex present in the test substance reaches the electrochemical detection unit and binds to the first bioreceptor, a change in current occurs according to the applied voltage. and the presence and concentration of the target substance in the sample can be confirmed by measuring the change in current through an ammeter.
즉, 본 발명이 제공하는 상기 바이오센서는 하나의 실험물질, 즉 표적물질의 존재 여부를 확인하고자 하는 시료, 과산화수소 및 프러시안블루-바이오리셉터 복합체의 혼합물을 인렛에 주입하는 단계만으로 상기 시료 내 표적물질의 존재 여부 및 그 양을 매우 쉽고 간편하게 확인할 수 있다는 이점이 있다.That is, the biosensor provided by the present invention detects the target in the sample only by injecting one test substance, that is, a mixture of a sample to be checked for the presence of a target substance, hydrogen peroxide, and a Prussian blue-bioreceptor complex into an inlet. It has the advantage of being able to check the presence or absence of a substance and its amount very easily and conveniently.
또한, 본 발명은,In addition, the present invention,
(a) 검출하고자 하는 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터 가 고정된 작동전극에 시료를 첨가하는 단계;(a) adding a sample to a working electrode on which a first bioreceptor specifically binding to a target substance to be detected is immobilized;
(b) 상기 시료에 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 제2 바이오리셉터의 복합체를 첨가하는 단계;(b) adding a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor to the sample;
(c) 상기 작동전극에 전압을 인가하는 단계; 및(c) applying a voltage to the working electrode; and
(d) 상기 전압에 대응하여 측정되는 전류값을 시료 미처리 대조군의 전류값과 비교하는 단계를 포함하는, 시료 내 표적물질의 검출방법을 제공한다.(d) a method for detecting a target substance in a sample is provided, comprising the step of comparing the current value measured corresponding to the voltage with the current value of an untreated control sample.
본 발명의 상기 방법에서는, 상기 (d) 단계 이후에 표적 물질의 농도-전류값의 표준곡선을 이용하여 상기 시료 내 표적물질의 농도를 산출하는 정량 단계가 추가로 수행될 수 있으며, 본 발명의 상기 방법에 따라 측정된 전류값이 높을수록 시료 내 표적물질의 농도가 높은 것으로 판단할 수 있다. In the method of the present invention, a quantification step of calculating the concentration of the target substance in the sample using a standard curve of the concentration-current value of the target substance may be additionally performed after step (d), It can be determined that the higher the current value measured according to the above method, the higher the concentration of the target substance in the sample.
본 발명은 또한 (i) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 바이오리셉터의 복합체; 및 변색 시약을 포함하는, 제1 키트 및 (ii) 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극을 포함하는 기판; 프러시안 블루 나노입자 및 제2 바이오리셉터 복합체; 및 전류측정기를 포함하는, 제2 키트를 포함하는, 표적물질 정성 및 정량 분석 키트를 제공한다. The present invention also relates to (i) a complex of Prussian blue nanoparticles and a bioreceptor; and a first kit including a discoloration reagent and (ii) a substrate including a working electrode on which the first bioreceptor is immobilized; Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor complex; And it provides a target material qualitative and quantitative analysis kit including a second kit including an ampereometer.
상기 키트를 이용하면, 시료에 검출 대상 표적물질이 존재하는지 여부 및 그 양을 광학 및 전기화학적인 방법을 통해 신속하고 간편하게 확인할 수 있으며, 동일한 프러시안 블루 나노입자 및 바이오리셉터 복합체가 상기 제1 키트 및 제2 키트에 모두 사용될 수 있어, 활용도가 매우 높은 특징이 있다. Using the kit, it is possible to quickly and conveniently check the presence and amount of a target substance to be detected in a sample through optical and electrochemical methods, and the same Prussian blue nanoparticle and bioreceptor complex are used in the first kit. And it can be used in both kits, so it has a very high utilization feature.
본 발명은 또한 상기 프러시안 블루의 과산화효소-유사 활성을 이용한 광학적인 표적시료 검출방법 및 프러시안 블루의 전자전달 매개체로서의 활성을 이용한 전기화학적인 표적시료 검출방법을 동시에 수행함으로써, 시료 내 표적물질을 광학적 및 전기화학적인 방법으로 동시에 정성 및 정량 분석하는 방법을 제공한다.The present invention also provides an optical target sample detection method using the peroxidase-like activity of Prussian blue and an electrochemical target sample detection method using the activity of Prussian blue as an electron transport medium, thereby detecting the target substance in the sample. It provides a method for qualitative and quantitative analysis simultaneously by optical and electrochemical methods.
프러시안 블루 나노입자 및 바이오리셉터 기반의 바이오센서를 이용하면, 검출 대상 시료에 포함된 표적물질을 광학 및 전기화학적인 방법으로 매우 신속하고 간편하게 정성 및 정량 분석할 수 있어 연구개발, 질병의 진단 등의 분야에서 매우 유용하게 활용될 수 있다.Using a biosensor based on Prussian blue nanoparticles and bioreceptors, it is possible to qualitatively and quantitatively analyze the target substances included in the sample to be detected very quickly and conveniently using optical and electrochemical methods, which is used for research and development, diagnosis of diseases, etc. can be very useful in the field of
도 1은 본 발명의 프러시안 블루 나노입자의 이미지를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an image of Prussian blue nanoparticles of the present invention.
도 2는 프러시안 블루 나노입자와 기판의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 도면이다.2 is a view showing the results of X-ray diffraction analysis of Prussian blue nanoparticles and a substrate.
도 3은 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사활성과 이로 인한 표적물질 유무에 따른 색 변화를 설명하기 위한 도면이다. 프러시안 블루 나노입자의 표면에 항체를 결합한 구조를 가지며 여기서 바이오리셉터인 항체는 표적물질과 선택적으로 결합한다. 3 is a view for explaining the peroxidase-like activity of Prussian blue nanoparticles and the resulting color change according to the presence or absence of a target substance. It has a structure in which an antibody is bound to the surface of Prussian blue nanoparticles, where the antibody, which is a bioreceptor, selectively binds to a target substance.
도 4a 및 도 4b는 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사활성을 이용한 두 종류의 단백질의 광학적 검출 결과를 나타낸 도면이다. 도 4a에서 단백질 A(CD9)를 표적물질로 한 결과이며, 진단시료에 단백질 A가 없을 경우, 과산화 효소 유사활성에 의해 TMB 및 과산화수소를 첨가하면 TMB의 산화반응이 일어나 유색을 나타낸다. 그러나 단백질 A가 존재할 경우, 프러시안 블루 나노입자의 표면에서 항체와 단백질A가 결합하여 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사활성이 차단되어 TMB의 산화반응이 나타나지 않아, 발색반응이 억제된다. 도 4b는 단백질 B(neuropeptide FF receptor 2; NPFFR2)를 표적물질로 하여 색변화를 관찰한 결과이며, 단백질 B의 농도가 증가함에 따라 색이 옅어짐을 확인하였다. 4a and 4b are diagrams showing the results of optical detection of two types of proteins using the peroxidase-like activity of Prussian blue nanoparticles. In FIG. 4a, protein A (CD9) is the target material. When there is no protein A in the diagnostic sample, when TMB and hydrogen peroxide are added by peroxidase-like activity, oxidation of TMB occurs and the color is displayed. However, when protein A is present, the antibody and protein A bind on the surface of the Prussian blue nanoparticles, blocking the peroxidase-like activity of the Prussian blue nanoparticles, so that the oxidation reaction of TMB does not occur, and the color reaction is suppressed. Figure 4b is the result of observing the color change using protein B (neuropeptide FF receptor 2; NPFFR2) as a target material, and it was confirmed that the color faded as the concentration of protein B increased.
도 5는 프러시안 블루 나노입자의 전기화학적 산화-환원반응과 이로 인한 표적물질의 검출을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining the electrochemical oxidation-reduction reaction of Prussian blue nanoparticles and the detection of a target material resulting therefrom.
도 6a 및 도 6b는 프러시안 블루 나노입자의 전기화학적 산화-환원을 이용한 두 종류의 단백질의 전기화학적 검출 결과를 나타낸 도면이다. 도 6a에서 단백질 A의 유무에 따른 산화전류 비교를 나타내며 전해액 (1 mM 염화 칼륨, pH 7.0) 상에서 단백질 A가 존재하지 않을 경우, 전극의 표면에서는 프러시안 블루 나노입자의 산화가 일어나지 않기 때문에, 산화전류가 관찰되지 않는다. 그러나 표적물질이 존재할 경우, 작동전극의 표면에서 항원-항체 반응에 의해 항체와 단백질이 결합을 하고, 추가적으로 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체를 첨가하면, 샌드위치 구조를 형성하며 프러시안 블루 나노입자가 작동전극 표면에 결합한다. 이로 인해 프러시안 블루 나노입자가 전극의 표면에서 산화되어 높은 전류값을 나타낸다. 도 6b에서는 단백질 B의 농도에 따른 전류의 변화를 측정한 결과이다. 농도가 증가함에 따라 작동전극의 표면에 샌드위치 구조로 결합한 프러시안 블루 나노입자가 증가하여 산화전류가 높아짐을 확인하였다.6a and 6b are views showing results of electrochemical detection of two types of proteins using electrochemical oxidation-reduction of Prussian blue nanoparticles. 6a shows the comparison of oxidation current according to the presence or absence of protein A. When protein A is not present in the electrolyte (1 mM potassium chloride, pH 7.0), oxidation of Prussian blue nanoparticles does not occur on the surface of the electrode. No current is observed. However, when a target substance is present, antibody and protein are bound by an antigen-antibody reaction on the surface of the working electrode, and when an additional Prussian blue nanoparticle-antibody complex is added, a sandwich structure is formed and Prussian blue nanoparticles are formed. bonded to the surface of the working electrode. As a result, the Prussian blue nanoparticles are oxidized on the surface of the electrode, resulting in a high current value. 6B shows the result of measuring the change in current according to the concentration of protein B. As the concentration increased, the number of Prussian blue nanoparticles bonded to the surface of the working electrode in a sandwich structure increased, confirming that the oxidation current increased.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 분해 사시도이다. 복수 개의 필름층은 접착면이 있는 소수성 필름 및 친수성 필름이 교대로 적층되어 형성되는 것일 수 있다. 액상 시료는 인렛으로부터 주입되어, 친수성 필름에 노출되게 함으로써 모세관 현상으로 상기 검출부까지 이동할 수 있다. 인렛과 TMB 발색시약이 처리된 광학 검출부, 제 1 항체가 처리된 작동전극, 상대전극과 기준전극이 형성된 전기화학 검출부, 그리고 흡수패드를 포함한다. 7 is an exploded perspective view of a biosensor according to an embodiment of the present invention. The plurality of film layers may be formed by alternately stacking hydrophobic films and hydrophilic films having adhesive surfaces. A liquid sample may be injected from the inlet and moved to the detection unit by capillary action by being exposed to the hydrophilic film. It includes an inlet and an optical detection unit treated with a TMB color reagent, a working electrode treated with a first antibody, an electrochemical detection unit formed with a counter electrode and a reference electrode, and an absorption pad.
도 8은 TMB 발색시약이 처리된 종이층을 이용하여 표적물질인 CA19-9와 CEA를 광학적으로 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사 활성과 이로 인한 표적물질(종양표지자, CA19-9 및 CEA) 유무에 따른 색 변화가 나타나 있다. 프러시안 블루 나노입자의 표면에 항체를 결합한 구조를 가지며 여기서 항체는 종양표지자(항원)와 선택적으로 결합한다. 진단시료에 종양표지자가 없을 경우, 과산화 효소-유사활성에 의해 TMB 및 과산화수소를 첨가하면 TMB의 산화반응이 일어나 유색을 나타낸다. 그러나 종양표지자가 존재할 경우, 프러시안 블루 나노입자의 표면에서 항체와 결합하여 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사활성이 차단되어 TMB의 산화반응이 나타나지 않아, 발색반응이 억제된다.8 is a view for explaining a method of optically detecting CA19-9 and CEA as target substances using a paper layer treated with a TMB color developing reagent. The peroxidase-like activity of Prussian blue nanoparticles and the resulting color change depending on the presence or absence of target substances (tumor markers, CA19-9 and CEA) are shown. It has a structure in which an antibody is bound to the surface of Prussian blue nanoparticles, where the antibody selectively binds to a tumor marker (antigen). When there is no tumor marker in the diagnostic sample, when TMB and hydrogen peroxide are added by a peroxidase-like activity, an oxidation reaction of TMB occurs, resulting in a color. However, when the tumor marker is present, it binds to the antibody on the surface of the Prussian blue nanoparticles, blocks the peroxidase-like activity of the Prussian blue nanoparticles, and prevents the oxidation reaction of TMB, suppressing the color reaction.
도 9는 본 발명의 바이오센서의 작동전극 표면에서 프러시안 블루 나노입자의 전기화학적 산화-환원반응과 이로 인한 종양표지자의 검출을 설명하기 위한 도면이다. 시료 내에 종양표지자가 존재할 경우, 전해액 (1% 과산화수소가 포함된 1 mM 염화 칼륨)에 포함된 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체와 결합한 종양표지자가 작동전극의 표면에서 제1 항체와 항원-항체 반응에 의해 결합하여 샌드위치 구조를 형성한다. 작동전극에 인가된 전압으로 인해 프러시안 블루 나노입자가 전극의 표면에서 산화되어 높은 전류값을 나타낸다.9 is a view for explaining the electrochemical oxidation-reduction reaction of Prussian blue nanoparticles and the resulting detection of tumor markers on the surface of the working electrode of the biosensor of the present invention. When a tumor marker is present in the sample, the tumor marker bound to the Prussian blue nanoparticle-antibody complex contained in the electrolyte (1 mM potassium chloride containing 1% hydrogen peroxide) reacts with the first antibody on the surface of the working electrode and the antigen-antibody are combined to form a sandwich structure. Due to the voltage applied to the working electrode, Prussian blue nanoparticles are oxidized on the surface of the electrode, resulting in a high current value.
도 10a 및 도 10b는 전해액의 조성에 따른 CV, DPV 그래프이다. 제 1 항체가 형성된 작동전극의 표면에서 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체 및 종양표지자가 항원-항체반응에 의해 샌드위치 구조로 결합하였을 때, 관찰되는 전류값을 도시하였다. 전해액이 1% 과산화수소를 포함한 1 mM 염화칼륨 용액과 과산화수소를 포함하지 않는 1 mM 염화칼륨 용액의 프러시안 블루 나노입자 산화 전류값의 차이를 나타낸 결과이다. 전해액에 1% 과산화 수소가 포함된 경우, 0.15 V 부근에서 높은 산화 peak이 관찰된다. 또한. 과산화수소가 포함된 경우 프러시안 블루 나노입자의 과산화수소에 대한 촉매적 활성에 의해 향상된 전류값을 얻을 수 있다. 10A and 10B are CV and DPV graphs according to the composition of the electrolyte solution. Current values observed when the Prussian blue nanoparticle-antibody complex and the tumor marker are combined in a sandwich structure by an antigen-antibody reaction on the surface of the working electrode on which the first antibody is formed are shown. The result shows the difference in oxidation current values of Prussian blue nanoparticles between a 1 mM potassium chloride solution containing 1% hydrogen peroxide and a 1 mM potassium chloride solution without hydrogen peroxide. When 1% hydrogen peroxide is included in the electrolyte, a high oxidation peak is observed around 0.15 V. also. When hydrogen peroxide is included, an improved current value can be obtained by the catalytic activity of Prussian blue nanoparticles against hydrogen peroxide.
도 11a 및 도 11b는 프러시안 블루 나노입자 기반의 광학, 전기화학 센서를 이용한 CA19-9의 검출 결과를 나타낸 도면이다. 도 11a에서 CA19-9의 농도가 높아짐에 따라 광학 검출부에서 발생하는 발색반응이 옅어짐을 확인할 수 있으며, CA19-9 농도에 따른 광학 검출부의 색변화를 도시하였을 때, 감소하는 그래프를 얻을수 있었다. 선형구간은 2.3-37.5 U/mL이며, 검출한계는 1.37 U/mL이다. 도 11b에서는 CA19-9의 농도에 따른 전류값의 변화를 측정하였다. Amperometry법을 사용하여 작동전극에 0.2 V 전압을 120초동안 인가하였을 때, 전극 표면에서 측정되는 프러시안 블루 나노입자의 산화 전류의 값을 CA19-9의 농도에 따른 그래프로 도시하였다. CA19-9의 농도가 증가함에 따라 측정되는 산화 전류도 선형적으로 증가하였으며, 이 때의 선형구간은 1-75 U/mL이고, 검출한계는 0.78 U/mL이다. 11a and 11b are views showing the detection results of CA19-9 using an optical and electrochemical sensor based on Prussian blue nanoparticles. In FIG. 11a , it can be confirmed that the color reaction generated in the optical detector decreases as the concentration of CA19-9 increases, and when the color change of the optical detector according to the concentration of CA19-9 is shown, a decreasing graph can be obtained. The linear interval is 2.3-37.5 U/mL, and the detection limit is 1.37 U/mL. In Figure 11b, the change in current value according to the concentration of CA19-9 was measured. When a voltage of 0.2 V was applied to the working electrode for 120 seconds using the amperometry method, the value of the oxidation current of the Prussian blue nanoparticles measured on the electrode surface was shown as a graph according to the concentration of CA19-9. As the concentration of CA19-9 increased, the measured oxidation current also increased linearly, and the linear range at this time was 1-75 U/mL, and the detection limit was 0.78 U/mL.
도 12a 및 도 12b는 프러시안 블루 나노입자 기반의 광학, 전기화학 센서를 이용한 CEA의 검출 결과를 나타낸 도면이다. 도 12a에서는 CEA의 농도가 0-1000 pg/mL로 변화함에 따른 광학 검출부의 발색반응을 측정하였다. 농도가 높아짐에 따라 광학 검출부에서 관찰되는 색변화는 옅어졌으며, 이를 도시화하였을 때 얻을 수 있는 검출한계는 5.66 pg/mL이다. 도 12b에서 CEA의 전기화학적 검출을 진행한 결과이며, Amperometry법을 이용하여, 작동전극에 0.2 V의 전압을 100초동안 인가하였을 때, 측정된 전류값을 도시하였다. CEA의 농도가 0-500 pg/mL로 증가할수록, 전류값이 선형적으로 증가하였으며, 이때 얻어진 검출한계는 7.5 pg/mL이다.12a and 12b are diagrams showing CEA detection results using an optical and electrochemical sensor based on Prussian blue nanoparticles. In FIG. 12a, the color reaction of the optical detector was measured as the concentration of CEA was changed from 0 to 1000 pg/mL. As the concentration increased, the color change observed in the optical detection unit became lighter, and the detection limit obtained when this was depicted was 5.66 pg/mL. 12B shows the result of electrochemical detection of CEA, and shows the current value measured when a voltage of 0.2 V was applied to the working electrode for 100 seconds using the Amperometry method. As the concentration of CEA increased from 0 to 500 pg/mL, the current value increased linearly, and the detection limit obtained at this time was 7.5 pg/mL.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.
실시예 1: 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체 합성Example 1: Synthesis of Prussian Blue nanoparticle-antibody complex
1-1: 나노입자-항체 복합체 합성에 사용된 용액1-1: Solution used for nanoparticle-antibody complex synthesis
① 0.05% Chitosan in 0.2 M HCl: 1 mL① 0.05% Chitosan in 0.2 M HCl: 1 mL
② 4% FeCl3 in solution in ①: 100 uL② 4% FeCl3 in solution in ①: 100 uL
③ 2% Potassium ferrocyanide in 0.2 M HCl: 100 uL③ 2% Potassium ferrocyanide in 0.2 M HCl: 100 uL
④ 2% FeCl2 in 0.2 M HCl: 100 uL④ 2% FeCl2 in 0.2 M HCl: 100 uL
⑤ 0.2 M NaOH: 1 mL⑤ 0.2 M NaOH: 1 mL
⑥ 4% Glutaraldehyde in sodium phosphate buffer (pH 7.0): 100 uL⑥ 4% Glutaraldehyde in sodium phosphate buffer (pH 7.0): 100 uL
⑦ 10 μg/mL Anti-CD9 antibody solution⑦ 10 μg/mL Anti-CD9 antibody solution
⑧ 0.1% 스킴밀크 (skimmilk)⑧ 0.1% skimmilk
1-2: 나노입자-항체 복합체 합성 방법1-2: Nanoparticle-antibody complex synthesis method
4% 염화 철(III)과 2% 페로시안화칼륨 (Potassium ferrocyanide)를 0.05% 키토산 (Chitosan)이 포함된 0.2 M HCl 용액을 이용하여 만들고(② 및 ③), 각 용액을 1:1 부피비로 섞어 60℃에서 20분동안 반응한다. 그리고 2% (v/v) 염화 철 (±) (④)을 1:1 부피비로 추가하여 60℃에서 10분동안 반응한다. 그 다음 0.2M NaOH 용액(⑤)을 상기 용액에 초음파분쇄하면서 1:3의 부피비로 천천히 추가하여 60℃에서 10분동안 반응한 후, 증류수를 이용하여 5번 세척한다. 이를 통해 프러시안 블루 나노입자를 합성하였다.4% iron(III) chloride and 2% potassium ferrocyanide were prepared using a 0.2 M HCl solution containing 0.05% chitosan (② and ③), and each solution was mixed in a 1:1 volume ratio. React for 20 minutes at 60°C. Then, 2% (v/v) iron chloride (±) (④) was added in a 1:1 volume ratio and reacted at 60°C for 10 minutes. Then, a 0.2M NaOH solution (⑤) was slowly added in a volume ratio of 1:3 while ultrasonicating to the solution, reacted at 60° C. for 10 minutes, and then washed 5 times with distilled water. Through this, Prussian blue nanoparticles were synthesized.
상기와 같이 준비된 프러시안 블루 나노입자를 4%(v/v) 글루타르알데히드(⑥)와 상온에서 2시간동안 반응시켜 표면에 알데하이드가 처리되도록 한 후, 증류수를 이용하여 3번 세척을 한다. 그리고 10 μg/mL CA19-9 항체 혹은 2 μg/mL CEA 항체용액 또는 10 μg/mL Anti-CD9 항체 용액(⑦)과 1:1 부피비로 혼합하고, 4℃에서 30분 동안 반응한다. 증류수를 이용하여 3번 세척한 후, 비특이적 결합을 막기위하여 0.1% 스킴밀크 (skimmilk) 용액을 첨가하여 4℃에서 30분동안 처리한다. 증류수를 이용하여 3번 세척한 후, 4℃냉장보관하였다. 이를 통해 항체가 결합된 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체를 합성하였다. The prepared Prussian blue nanoparticles were reacted with 4% (v/v) glutaraldehyde (⑥) at room temperature for 2 hours to treat the aldehyde on the surface, and then washed three times with distilled water. Then, it is mixed with 10 μg/mL CA19-9 antibody, 2 μg/mL CEA antibody solution, or 10 μg/mL Anti-CD9 antibody solution (⑦) at a volume ratio of 1:1, and reacted at 4° C. for 30 minutes. After washing three times with distilled water, a 0.1% skimmilk solution was added to prevent non-specific binding, followed by treatment at 4° C. for 30 minutes. After washing three times with distilled water, it was refrigerated at 4°C. Through this, antibody-coupled Prussian blue nanoparticle-antibody complexes were synthesized.
실시예 2: 프러시안 블루 나노입자의 과산화 효소-유사 활성을 이용한 광학적 검출 방법Example 2: Optical detection method using peroxidase-like activity of Prussian blue nanoparticles
2-1: 과산화 효소-유사 활성 측정을 위한 용액2-1: Solution for measuring peroxidase-like activity
① 0.15 mg/mL TMB in PC buffer: 100 uL① 0.15 mg/mL TMB in PC buffer: 100 uL
② 0.5% H2O2: 100 uL② 0.5% H 2 O 2 : 100 uL
③ CD9 antigen solution (0, 1, 10 μg/mL)③ CD9 antigen solution (0, 1, 10 μg/mL)
2-1: 과산화 효소-유사 활성 측정 방법2-1: Method for measuring peroxidase-like activity
(1) 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사 활성을 조사하기 위하여 0.15 mg/mL TMB(①)와 0.5% 과산화수소(②)를 포함하는 반응용액을 준비하였다. 단백질 A (2.417 μg/mL) (CD9 항원 용액(③))를 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체와 1:1의 부피비로 혼합하고 상온에서 30 분동안 반응한다. 동시에 단백질 A(CD9 항원 용액)가 포함되지 않은 Blank solution을 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체와 1:1의 부피비로 혼합하고 상온에서 30 분동안 반응한다. 위 용액을 기질용액(①+②)과 1:10의 부피비로 혼합하고 1 분 후에 변화한 색을 측정하였다. 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체의 표면에 단백질 A(CD9 항원)가 결합할 경우, 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사 활성이 저하되어 TMB 산화로 인한 발색반응이 저해된다. 그로 인해, 도 4a와 같이 단백질 A의 유무에 따른 발색에 확연한 차이를 확인할 수 있다.(1) To investigate the peroxidase-like activity of Prussian blue nanoparticles, a reaction solution containing 0.15 mg/mL TMB (①) and 0.5% hydrogen peroxide (②) was prepared. Protein A (2.417 μg/mL) (CD9 antigen solution (③)) was mixed with the Prussian blue nanoparticle-antibody complex in a volume ratio of 1:1 and reacted at room temperature for 30 minutes. At the same time, a blank solution that does not contain protein A (CD9 antigen solution) is mixed with the Prussian blue nanoparticle-antibody complex in a volume ratio of 1:1 and reacted at room temperature for 30 minutes. The above solution was mixed with the substrate solution (①+②) in a volume ratio of 1:10, and the color change after 1 minute was measured. When protein A (CD9 antigen) binds to the surface of the Prussian blue nanoparticle-antibody complex, the peroxidase-like activity of the Prussian blue nanoparticles is lowered, thereby inhibiting the color reaction caused by TMB oxidation. As a result, as shown in FIG. 4a, a clear difference in color development according to the presence or absence of protein A can be confirmed.
(2) 도 4b에서 나타난 바와 같이, 단백질 B(NPFFR2 항원)의 농도를 0, 1, 10 μg/mL로 변화시켜 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체와 1:1의 부피비로 혼합하고 상온에서 30 분동안 반응한다. 위 용액을 기질용액과 1:10의 부피비로 혼합하고 1 분 후에 변화한 색을 측정하였다. 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체의 표면에 결합한 단백질 B의 농도가 높아질수록, TMB 산화에 의한 발색 세기가 낮아짐을 확인하였다. (2) As shown in FIG. 4B, the concentration of protein B (NPFFR2 antigen) was changed to 0, 1, and 10 μg/mL, and mixed with the Prussian blue nanoparticle-antibody complex at a volume ratio of 1:1, followed by mixing at room temperature for 30 μg/mL. Respond in minutes. The above solution was mixed with the substrate solution at a volume ratio of 1:10, and the color changed after 1 minute was measured. It was confirmed that the higher the concentration of protein B bound to the surface of the Prussian blue nanoparticle-antibody complex, the lower the intensity of color development by TMB oxidation.
실시예 3: 전기화학 검출을 위한 작동전극 (working electrode, WE) 제작Example 3: Fabrication of a working electrode (WE) for electrochemical detection
3-1: 전극 제작을 위한 용액3-1: Solution for electrode fabrication
① 1% Chitosan containing in 1 X acetate buffer: 1 mL① 1% Chitosan containing in 1X acetate buffer: 1 mL
② 2% Glutaraldehyde in sodium phosphate buffer (pH 7.0): 1 mL② 2% Glutaraldehyde in sodium phosphate buffer (pH 7.0): 1 mL
③ 10 μg/mL Anti-CD9 antibody solution③ 10 μg/mL Anti-CD9 antibody solution
3-2: 전극 제작을 위한 방법3-2: Method for fabricating electrodes
ITO가 코팅된 PET (ITO-PET)는 Sigma-aldrich에서 구입하였다. WE의 면적이 0.5cm2이 되도록 ITO-PET를 제작한다. 1X 아세테이트 완충용액을 이용하여 1% 키토산 용액(①)을 준비하고, 각 작동전극의 표면에 40 uL 떨어뜨리고 상온에서 1 시간 동안 처리한다. 1% 키토산 용액을 이용하여 표면에 아민 처리가 된 작동전극을 증류수와 질소 가스로 세척한다. 2% 글루타르알데히드(②)를 상온에서 2시간 동안 반응하고, 증류수와 질소 가스로 세척한다. 항체 용액과 4℃에서 12시간 반응함으로써 항체가 작동전극의 표면에 형성되도록 한다. 증류수와 질소 가스로 세척한 후, 0.1% 스킴밀크(skimmilk) 용액을 첨가하여 4℃에서 30분동안 처리한다. 이 후, 작동전극을 증류수와 질소 가스로 세척하고 4℃에 냉장보관하였다. ITO-coated PET (ITO-PET) was purchased from Sigma-aldrich. ITO-PET is prepared so that the area of WE is 0.5 cm 2 . Prepare a 1% chitosan solution (①) using 1X acetate buffer, drop 40 uL on the surface of each working electrode, and treat at room temperature for 1 hour. The working electrode whose surface is treated with amine using 1% chitosan solution is washed with distilled water and nitrogen gas. React with 2% glutaraldehyde (②) at room temperature for 2 hours, and wash with distilled water and nitrogen gas. Antibodies are formed on the surface of the working electrode by reacting with the antibody solution at 4° C. for 12 hours. After washing with distilled water and nitrogen gas, a 0.1% skimmilk solution was added and treated at 4° C. for 30 minutes. Thereafter, the working electrode was washed with distilled water and nitrogen gas and stored in a refrigerator at 4°C.
실시예 4: 프러시안 블루 나노입자의 전기화학적 산화-환원 특성을 이용한 전기화학적 검출 방법Example 4: Electrochemical Detection Method Using Electrochemical Oxidation-Reduction Characteristics of Prussian Blue Nanoparticles
4-1: 전기화학적 산화환원 측정을 위한 용액4-1: Solution for electrochemical redox measurement
① 1% H2O2 in 1 mM KCl solution (PBS buffer pH 4.0)① 1% H 2 O 2 in 1 mM KCl solution (PBS buffer pH 4.0)
4-2: 전기화학적 산화환원 측정을 위한 방법4-2: Method for measuring electrochemical redox
(1) 항체가 형성된 작동전극에 단백질 A (2.417 μg/mL) (CD9 항원)를 상온에서 30분 동안 처리한 후, 증류수와 질소 가스로 세척한다. 이어서 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체를 30분 동안 처리하여 샌드위치 구조인 프러시안 블루 나노입자-항체-단백질 A-항체-전극 구조가 형성되었다(도 5). 증류수와 질소 가스로 세척 후, 1 mM 염화 칼륨 용액(①)을 이용하여 프러시안 블루 나노입자의 산화-환원 전류를 측정하였다. Amperometry법을 이용하여 작동전극에 0.2 V의 전압을 120초 동안 인가하여 전류값을 얻는다. 작동전극의 표면에 단백질 A가 결합하여 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체와 샌드위치 구조를 형성하면, 프러시안 블루 나노입자가 전극 표면에서 산화되어 높은 전류값을 나타낸다. 도 6a에서 단백질 A의 유무에 따른 전류값의 변화를 확인하였다. 단백질 A(CD9 항원)가 있는 경우의 전류값은 0.2V에서 peak 값을 나타낸다.(1) Treat the antibody-formed working electrode with protein A (2.417 μg/mL) (CD9 antigen) at room temperature for 30 minutes, and then wash with distilled water and nitrogen gas. Then, the Prussian blue nanoparticle-antibody complex was treated for 30 minutes to form a sandwich structure, the Prussian blue nanoparticle-antibody-protein A-antibody-electrode structure (FIG. 5). After washing with distilled water and nitrogen gas, the oxidation-reduction current of the Prussian blue nanoparticles was measured using a 1 mM potassium chloride solution (①). 0.2 V applied to the working electrode using the Amperometry method. A voltage is applied for 120 seconds to obtain a current value. When protein A binds to the surface of the working electrode to form a sandwich structure with the Prussian blue nanoparticle-antibody complex, the Prussian blue nanoparticles are oxidized on the surface of the electrode to show a high current value. In Figure 6a, the change in current value according to the presence or absence of protein A was confirmed. The current value in the presence of protein A (CD9 antigen) shows a peak value at 0.2V.
(2) 도 6b에서 항체가 형성된 작동전극에 단백질 B(NPFFR2)의 농도를 0, 1, 10 μg/mL으로 변화시켜 상온에서 30분 동안 처리함으로써, 단백질 B와 작동전극의 항체가 결합한다. 증류수와 질소 가스로 세척 후, 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체를 30분 동안 처리하여 샌드위치 구조인 프러시안 블루 나노입자-항체-단백질 B-항체-전극 구조가 형성되었다. 이어서 1 mM 염화 칼륨 용액을 이용하여 프러시안 블루 나노입자의 산화-환원 전류를 측정하였였다. Amperometry법을 이용하여 작동전극에 0.2V의 전압을 120초 동안 인가하여 전류값을 얻는다. 이를 통해, 단백질 B의 농도변화에 따른 프러시안 블루 나노입자의 산화 전류값의 변화를 확인하였다.(2) In FIG. 6B , protein B (NPFFR2) is treated at a concentration of 0, 1, or 10 µg/mL at room temperature for 30 minutes to bind to the antibody on the working electrode. After washing with distilled water and nitrogen gas, the Prussian blue nanoparticle-antibody complex was treated for 30 minutes to form a sandwich structure of Prussian blue nanoparticle-antibody-protein B-antibody-electrode structure. Subsequently, the oxidation-reduction current of the Prussian blue nanoparticles was measured using a 1 mM potassium chloride solution. A voltage of 0.2V is applied to the working electrode for 120 seconds using the amperometry method to obtain the current value. Through this, the change in the oxidation current value of the Prussian blue nanoparticles according to the change in the protein B concentration was confirmed.
실시예 5: 광학, 전기화학 센서 제작Example 5: Fabrication of optical and electrochemical sensors
(1) 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 종양표지자 검출용 광학, 전기화학 센서의 분해 사시도이다.(1) FIG. 7 is an exploded perspective view of an optical and electrochemical sensor for detecting multiple tumor markers according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서의 센서는 인렛과 TMB 발색시약이 처리된 광학검출부, 제 1 항체가 처리된 작동전극, 상대전극과 기준전극이 형성된 전기화학검출부, 그리고 흡수패드를 포함한다. The sensor in the present invention includes an inlet and an optical detection unit treated with TMB color reagent, a working electrode treated with the first antibody, an electrochemical detection unit formed with a counter electrode and a reference electrode, and an absorption pad.
일 실시형태에 있어서, 상기 복수 개의 필름층은 접착면이 있는 소수성 필름 및 친수성 필름이 교대로 적층되어 형성되는 것일 수 있다. 액상 시료는 인렛으로부터 주입되어, 친수성 필름에 노출되게 함으로써 모세관 현상으로 상기 검출부까지 이동할 수 있다. In one embodiment, the plurality of film layers may be formed by alternately stacking hydrophobic films and hydrophilic films having adhesive surfaces. A liquid sample may be injected from the inlet and moved to the detection unit by capillary action by being exposed to the hydrophilic film.
(2) 도 8은 상기 광학검출부에 위치한 TMB 발색시약이 처리된 종이층에 대한 그림이다. (2) FIG. 8 is a picture of a paper layer treated with a TMB coloring reagent located in the optical detection unit.
지름 0.6 cm인 원형 필터페이퍼를 제작하고 10 μL의 TMB 발색시약을 첨가한 후 30℃ 오븐에서 30분간 건조한다. 상기 TMB 발색 시약의 농도는 CA19-9의 광학검출을 위하여 0.15 mg/mL 혹은 CEA의 광학검출을 위하여 0.6 mg/mL으로 제조한다. 완벽하게 건조한 TMB 종이층을 상기 센서의 광학검출부에 부착하여 사용한다. A circular filter paper with a diameter of 0.6 cm was prepared, 10 μL of TMB color reagent was added, and then dried in an oven at 30 ° C for 30 minutes. The concentration of the TMB color reagent is prepared as 0.15 mg/mL for optical detection of CA19-9 or 0.6 mg/mL for optical detection of CEA. A completely dry TMB paper layer is used by attaching it to the optical detection part of the sensor.
(3) 도 9는 본 발명의 센서에서 전기화학 검출부에 위치한 작동전극에 대한 그림이다. (3) FIG. 9 is a drawing of a working electrode located in an electrochemical detector in the sensor of the present invention.
ITO가 코팅된 PET (ITO-PET)는 노출 부분의 면적이 0.5 cm2이 되도록 제작한다. 1 X 아세테이트 완충용액을 이용하여 1% 키토산 용액을 준비하고, 각 작동전극의 표면에 상온에서 1 시간 동안 처리한다. 1% 키토산 용액을 이용하여 표면에 아민 처리가 된 작동전극을 증류수와 질소 가스로 세척한다. 2% 글루타르알데히드를 상온에서 2시간 동안 반응하고, 증류수와 질소 가스로 세척한다. 제1 항체 용액을 4℃에서 12시간 반응함으로써 항체가 작동전극의 표면에 형성되도록 한다. 상기 제 1항체 용액의 농도는 0.12μg/mL CA19-9 항체 혹은 4μg/mL CEA 항체용액이다. 이 후, 작동전극을 증류수와 질소 가스로 세척하고 본 발명의 센서의 전기화학 검출부에 부착하여 사용한다. ITO-coated PET (ITO-PET) is prepared so that the area of the exposed portion is 0.5 cm 2 . Prepare a 1% chitosan solution using 1 X acetate buffer solution, and treat the surface of each working electrode at room temperature for 1 hour. The working electrode whose surface is treated with amine using 1% chitosan solution is washed with distilled water and nitrogen gas. React with 2% glutaraldehyde at room temperature for 2 hours, and wash with distilled water and nitrogen gas. The antibody is formed on the surface of the working electrode by reacting the first antibody solution at 4° C. for 12 hours. The concentration of the first antibody solution is 0.12 μg/mL CA19-9 antibody or 4 μg/mL CEA antibody solution. Thereafter, the working electrode is washed with distilled water and nitrogen gas and attached to the electrochemical detection unit of the sensor of the present invention.
실시예 6: 프러시안 블루 나노입자 기반의 광학 및 전기화학 센서를 이용한 CA19-9와 CEA의 검출 Example 6: Detection of CA19-9 and CEA using optical and electrochemical sensors based on Prussian blue nanoparticles
(1) 종양표지자가 포함된 용액을 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체와 1:1의 부피비로 혼합하고 상온에서 30 분동안 반응한다. 위 용액을 1% 과산화수소가 포함된 1 mM 염화 칼륨용액과 1:1의 부피비로 혼합하여, 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체와 결합한 종양표지자를 포함하고 있는 1% 과산화수소 용액을 제조하고 센서의 인렛에 첨가한다. (1) A solution containing a tumor marker is mixed with a Prussian blue nanoparticle-antibody complex in a volume ratio of 1:1 and reacted at room temperature for 30 minutes. The above solution was mixed with a 1 mM potassium chloride solution containing 1% hydrogen peroxide at a volume ratio of 1:1 to prepare a 1% hydrogen peroxide solution containing a tumor marker bound to the Prussian blue nanoparticle-antibody complex, and add to
(2) 첨가한 시료는 광학 검출부에 도달하며, 색변화를 측정하기 위하여, 1분 후에 광학 검출부를 카메라로 사진 촬영을 한다. 이 때 촬영한 이미지는 ImageJ 프로그램을 이용하여 흑백이미지로 변환한 후, 색의 intensity를 측정한다. 프러시안 블루 나노입자-항체 복합체의 표면에 종양표지자가 결합할 경우, 프러시안 블루 나노입자의 과산화효소-유사 활성이 저하되어 TMB 산화로 인한 발색반응이 저해된다. 도 11a와 12a에서 나타난 바와 같이, 종양표지자의 유무에 따른 발색에 확연한 차이를 확인할 수 있고, 종양표지자의 농도가 높아질수록, TMB 산화에 의한 발색 세기가 낮아짐을 확인하였다.(2) The added sample reaches the optical detection unit, and in order to measure the color change, the optical detection unit is photographed after 1 minute. The image taken at this time is converted into a black and white image using the ImageJ program, and then the intensity of the color is measured. When a tumor marker binds to the surface of the Prussian blue nanoparticle-antibody complex, the peroxidase-like activity of the Prussian blue nanoparticles is lowered, thereby inhibiting the color reaction caused by TMB oxidation. As shown in FIGS. 11A and 12A, it was confirmed that there was a clear difference in color development according to the presence or absence of the tumor marker, and the higher the concentration of the tumor marker, the lower the intensity of color development due to TMB oxidation.
(3) 전기화학 검출부에 도달한 시료는 30분동안 전극의 표면에서 반응을 하여 샌드위치 구조인 프러시안 블루 나노입자-항체-단백질 A-항체-전극 구조가 형성된다. Amperometry법을 이용하여 작동전극에 0.2 V의 전압을 120초 동안 인가하여 전류값을 얻는다. 도 11b와 도 12b에 나타난 바와 같이, 작동전극 표면에 샌드위치 방식으로 결합한 프러시안 블루 나노입자의 산화-환원 전류를 측정하였을 때, 종양표지자의 농도변화에 따른 프러시안 블루 나노입자의 산화 전류값의 변화를 확인하였다.(3) The sample reaching the electrochemical detector is reacted on the surface of the electrode for 30 minutes to form a sandwich structure, Prussian Blue nanoparticle-antibody-protein A-antibody-electrode structure. Using the amperometry method, a voltage of 0.2 V is applied to the working electrode for 120 seconds to obtain a current value. 11b and 12b, when the oxidation-reduction current of the Prussian blue nanoparticles sandwiched on the surface of the working electrode was measured, the oxidation current value of the Prussian blue nanoparticles according to the concentration change of the tumor marker Changes were confirmed.
프러시안 블루 나노입자 및 바이오리셉터 기반의 바이오센서를 이용하면, 검출 대상 시료에 포함된 표적물질을 광학 및 전기화학적인 방법으로 매우 신속하고 간편하게 정성 및 정량 분석할 수 있어 연구개발, 질병의 진단 등의 분야에서 매우 유용하게 활용될 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 높다.Using a biosensor based on Prussian blue nanoparticles and bioreceptors, it is possible to qualitatively and quantitatively analyze the target substances included in the sample to be detected very quickly and conveniently using optical and electrochemical methods, which is used for research and development, diagnosis of diseases, etc. It can be used very usefully in the field of industrial use.

Claims (15)

  1. (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 바이오리셉터 (Bioreceptor)의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 변색 시약을 포함하는, 표적물질의 광학적 검출용 바이오센서.(a) a composite of Prussian blue nanoparticles and a bioreceptor; (b) hydrogen peroxide and (c) a color changing reagent, a biosensor for optical detection of a target substance.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변색 시약은 산화효소 (HRP, horseradish peroxidase)의 발색기질을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor according to claim 1, wherein the color changing reagent comprises a color-developing substrate of horseradish peroxidase (HRP).
  3. 제2항에 있어서, 상기 산화효소 발색기질은 ABTS (2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), TMB (3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), AEC (3-Amino-9-Ethylcarbazol), DAB ((3,3'-diaminobenzidine tetrahydrochloride salt), OPD (o-phenylenediamine dihydrochloride), 루미놀 및 엠플렉스 레드로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.The method of claim 2, wherein the oxidase chromogenic substrate is ABTS (2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid), TMB (3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), AEC (3- A biosensor, characterized in that it is selected from the group consisting of Amino-9-Ethylcarbazol), DAB ((3,3'-diaminobenzidine tetrahydrochloride salt), OPD (o-phenylenediamine dihydrochloride), luminol and Emplex Red.
  4. 제1항에 있어서, 상기 변색 시약은 흡수기재에 흡수되어 건조된 상태로 제공이 되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor according to claim 1, wherein the discoloration reagent is absorbed into an absorbent material and provided in a dried state.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (a) 및 (b)와 반응시킨 시료가 상기 (c)와 접촉하였을 때 나타나는 변색 반응을 검출하여 시료 내 표적물질을 광학적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오센서. The biosensor according to claim 1, wherein the target substance in the sample is optically detected by detecting a discoloration reaction that occurs when the sample reacted with (a) and (b) comes into contact with (c).
  6. 제5항에 있어서, 표적물질 미포함 대조군 시료와 비교하여 상기 (c)의 변색 강도가 약한 경우 상기 시료 내에 표적물질이 존재하는 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.6. The biosensor according to claim 5, wherein it is determined that the target substance is present in the sample when the discoloration intensity of (c) is weak compared to the control sample without the target substance.
  7. 제5항에 있어서, 상기 시료는 생체 시료인 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor according to claim 5, wherein the sample is a biological sample.
  8. 제1항에 있어서, 상기 바이오리셉터는 항체, 효소, 항원, 압타머, 렉틴, 핵산, 단백질, 지질, 당, 호르몬 수용체 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor according to claim 1, wherein the bioreceptor is an antibody, enzyme, antigen, aptamer, lectin, nucleic acid, protein, lipid, sugar, hormone receptor, or a combination thereof.
  9. (a) 표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극; (b) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; 및 (c) 과산화수소를 포함하는, 표적물질의 전기화학적 검출용 바이오센서.(a) a working electrode to which a first bioreceptor that specifically binds to a target substance is fixed; (b) a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor specifically binding to a target substance; And (c) a biosensor for electrochemical detection of a target material containing hydrogen peroxide.
  10. 제9항에 있어서, 상기 (b) 및 (c)와 반응시킨 시료 내 표적물질이 상기 (a)의 제1 바이오리셉터에 포획되었을 때 나타나는 상기 작동전극의 전류값 변화를 측정하여 시료 내 표적물질을 전기화학적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오센서. The method of claim 9, wherein the target substance in the sample is measured by measuring the change in the current value of the working electrode that appears when the target substance in the sample reacted with (b) and (c) is captured by the first bioreceptor of (a). A biosensor characterized in that for electrochemically detecting.
  11. 제9항에 있어서, 상기 작동전극은 금속산화물 전극, 금속 전극, 전도성 고분자 전극 또는 탄소 전극인 것을 특징으로 하는 바이오센서. 10. The biosensor according to claim 9, wherein the working electrode is a metal oxide electrode, a metal electrode, a conductive polymer electrode or a carbon electrode.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 바이오리셉터는 상기 작동전극에 물리적 흡착 (physical adsorption), 포괄법 (entrapping method) 및 공유결합방식 (covalent bonding)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 방식으로 고정된 것을 특징으로 하는 바이오센서. 10. The method of claim 9, wherein the first bioreceptor is fixed to the working electrode by at least one method selected from the group consisting of physical adsorption, entrapping method, and covalent bonding method. A biosensor with
  13. 제10항에 있어서, 상기 측정된 전류값이 표적물질 미포함 대조군 시료와 비교하여 높은 경우, 상기 시료 내에 표적물질이 존재하는 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.11. The biosensor according to claim 10, wherein when the measured current value is higher than that of a control sample containing no target substance, it is determined that the target substance is present in the sample.
  14. 시험물질이 유입되는 인렛;Inlet through which the test substance is introduced;
    변색 시약이 흡수된 흡수기재를 포함하는 광학검출부; An optical detection unit including an absorbent substrate in which the discoloration reagent is absorbed;
    표적물질과 특이적으로 결합하는 제1 바이오리셉터가 고정된 작동전극을 포함하는 전기화학검출부; an electrochemical detection unit including a working electrode to which a first bioreceptor specifically binding to a target substance is fixed;
    상기 인렛과 상기 광학검출부를 연결하는 제1유로; 및a first passage connecting the inlet and the optical detector; and
    상기 인렛과 상기 전기화학검출부를 연결하는 제2유로를 포함하는 바이오센서로서, A biosensor including a second flow path connecting the inlet and the electrochemical detection unit,
    상기 시험물질은 (a) 프러시안 블루 나노입자 (Prussian blue nanoparticles) 및 표적물질과 특이적으로 결합하는 제2 바이오리셉터의 복합체; (b) 과산화수소 및 (c) 시료의 혼합물인 바이오센서.The test material may include (a) a complex of Prussian blue nanoparticles and a second bioreceptor specifically binding to the target material; A biosensor that is a mixture of (b) hydrogen peroxide and (c) a sample.
  15. 제14항에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 전기화학검출부와 연결된 전류계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서. 15. The biosensor according to claim 14, further comprising an ammeter connected to the electrochemical detection unit.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170077984A (en) * 2015-12-29 2017-07-07 광주과학기술원 Membrane Strip Sensor With Swelling Member
KR20200030321A (en) * 2018-09-12 2020-03-20 울산과학기술원 Integrated vertical flow bio-sensor and method for analyzing using the same
WO2020070486A1 (en) * 2018-10-02 2020-04-09 Osler Diagnostics Limited Methods for immunoassays using electrochemical measurement
US20210038127A1 (en) * 2019-08-08 2021-02-11 Cambridge Medical Technologies LLC Non-Invasive Transdermal Sampling and Analysis Device Incorporating an Electrochemical Bioassay
CN113419060A (en) * 2021-08-25 2021-09-21 山东师范大学 PB @ Au nanocomposite, test strip and preparation method and application thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170077984A (en) * 2015-12-29 2017-07-07 광주과학기술원 Membrane Strip Sensor With Swelling Member
KR20200030321A (en) * 2018-09-12 2020-03-20 울산과학기술원 Integrated vertical flow bio-sensor and method for analyzing using the same
WO2020070486A1 (en) * 2018-10-02 2020-04-09 Osler Diagnostics Limited Methods for immunoassays using electrochemical measurement
US20210038127A1 (en) * 2019-08-08 2021-02-11 Cambridge Medical Technologies LLC Non-Invasive Transdermal Sampling and Analysis Device Incorporating an Electrochemical Bioassay
CN113419060A (en) * 2021-08-25 2021-09-21 山东师范大学 PB @ Au nanocomposite, test strip and preparation method and application thereof

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