WO2025239657A1 - 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 및 이를 이용한 신경 전달 물질 센싱 플랫폼 - Google Patents

테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 및 이를 이용한 신경 전달 물질 센싱 플랫폼

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WO2025239657A1
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electromagnetic wave
terahertz
stress
sensing platform
band electromagnetic
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PCT/KR2025/006492
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English (en)
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송현석
서민아
이연경
김태연
이희구
권오석
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Korea Institute of Science and Technology KIST
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Korea Institute of Science and Technology KIST
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Publication date
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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    • G—PHYSICS
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    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
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    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/74—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving hormones or other non-cytokine intercellular protein regulatory factors such as growth factors, including receptors to hormones and growth factors
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    • G01N2800/00—Detection or diagnosis of diseases
    • G01N2800/70—Mechanisms involved in disease identification
    • G01N2800/7004—Stress

Definitions

  • the present invention provides a sensor for detecting stress-induced hormones and a method for manufacturing the same, thereby providing an electromagnetic wave sensing platform for stress diagnosis.
  • the purpose is to provide a diagnostic kit for diagnosing and preventing stress-induced diseases by attaching a specific compound to a metamaterial on the sensing platform and further including a receptor capable of attaching a stress-induced hormone to the attached compound.
  • the present invention aims to develop a sensor or kit that detects the aforementioned stress-related hormones, enabling proactive detection and diagnosis.
  • an electromagnetic wave sensing platform for stress diagnosis is intended to be manufactured.
  • This is a metamaterial sensing platform, where a metamaterial refers to an artificial structure that is larger than an atom but much smaller than the wavelength of light to be used in the sensing platform. Therefore, the sensing platform utilizing the metamaterial refers to a platform that has the function of analyzing specific values of light diffracted or reflected based on the wavelength of light and indicating a measurement value of a material to be confirmed.
  • the purpose of the present invention is to diagnose and prevent stress, which is said to be the root of all diseases in modern society, in advance by using a sensing platform using metamaterials, thereby preventing diseases caused by stress in advance.
  • the present invention is intended to manufacture an electromagnetic wave sensing platform for stress diagnosis that is manufactured to detect factors causing stress, and further, to provide a sensing platform that is more economical and has a better diagnostic rate than existing sensing platforms manufactured and invented.
  • the present invention includes a sensing unit for capturing particles; and a sensor unit for incident and detecting terahertz electromagnetic waves.
  • the sensing unit for capturing the particles includes a base substrate, a capturing unit arranged on the base substrate to form a slit structure, and a reaction unit that reacts with specific particles and substances to attach to each other.
  • the above sensor unit includes an incident unit that incidents terahertz electromagnetic waves and a detection unit that detects reflected terahertz electromagnetic waves.
  • the base substrate of the above sensing unit is a material that allows easy transmission of terahertz electromagnetic waves, and in the case of the present invention, silicon (Si) is used, but is not limited thereto.
  • the above-mentioned capturing unit may include a metamaterial made of a conductor to form a slit; and a slit structure configured for capturing and reacting particles.
  • the above reaction unit is located between the slit structures of the capturing unit, and the reaction unit may be composed of a bio-probe (receptor) for capturing specific factors and compounds and a compound for connecting the metamaterial and the bio-probe.
  • a bio-probe receptor
  • the present invention is an electromagnetic wave sensing platform for detecting anti-stress hormones for diagnosing stress through stress-related hormones, and its purpose is to diagnose and prevent stress-related diseases in advance.
  • the purpose of the present invention is to manufacture and provide a sensing platform that is more economical and has a superior diagnostic rate compared to a sensing platform using existing metamaterials.
  • Figure 1 is a conceptual diagram schematically showing the overall structure of an electromagnetic wave sensing platform for detecting anti-stress hormones.
  • Figure 2 is a conceptual diagram schematically showing the structure of the sensing unit of the electromagnetic wave sensing platform for detecting anti-stress hormones of the present invention.
  • Figure 3 is a conceptual diagram schematically showing the reaction unit among the sensing units of the present invention.
  • Figure 4 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing an electromagnetic wave sensing platform for detecting anti-stress hormones of the present invention.
  • Figure 5 shows the types of compounds and the composition of compounds that connect the bioprobe and metamaterial in the reaction section of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic diagram of the synthesis of a carbene compound used in the present invention.
  • Figures 7 to 9 are a synthetic schematic diagram for producing compound 1 and the results of confirming the 1 H NMR and 13 C NMR spectra of compound 1.
  • Figures 10 to 12 are a synthetic schematic diagram for producing compound 2 and the results of confirming the 1 H NMR and 13 C NMR spectra of compound 2.
  • Figures 13 to 15 are a synthetic schematic diagram for producing compound NHC1 and the results of confirming the 1 H NMR and 13 C NMR spectra of compound 3.
  • Figures 16 to 18 are a synthetic schematic diagram for producing compound NHC2 and the results of confirming the 1 H NMR and 13 C NMR spectra of compound 5.
  • Figures 19 to 21 are a synthetic schematic diagram for producing compound 7 and the results of confirming the 1 H NMR and 13 C NMR spectra of compound 7.
  • Figures 22 to 24 are a synthetic schematic diagram for producing compound NHC3 and the results of confirming the 1 H NMR and 13 C NMR spectra of compound 8.
  • Figures 25 to 27 are a synthetic schematic diagram for producing compound NHC4 and the results of confirming the 1 H NMR and 13 C NMR spectra of compound 10.
  • Figure 28 is a schematic diagram of the bonding of a metamaterial (metal) and a compound (carbene).
  • Figure 29 shows the results of confirming the metal-carbene bond through DFT simulation and comparing them with theory.
  • Figure 30 is a graph showing the change in surface characteristics (contact angle) when metal-carbene bonds.
  • Figure 31 is a graph showing changes in metal-carbene bond surface properties (XPS).
  • Figure 32 shows the results of analyzing the metal-carbene bond amount (cyclic voltammetry).
  • Figure 33 is a schematic diagram of a method for producing opioid nanodisks.
  • Figure 34 is an enlarged photograph of the metamaterial structure of the present invention.
  • Figure 35 is a schematic diagram of fabricating a metamaterial with attached nanodisks using a carbene compound linker.
  • Figure 36 is a schematic diagram showing a method for measuring reflectivity of a metamaterial and the structure of a carbene compound and a nanodisk.
  • Figure 37 is a schematic diagram of a terahertz reflection mode measurement method using terahertz waves.
  • Figure 38 shows the results of terahertz time-based spectroscopy.
  • Figure 39 shows the results of confirming the electric field amplification effect in the nano-slot structure.
  • Figure 40 is a schematic diagram showing the configuration of the terahertz sensing platform of the present invention.
  • Figure 41 shows the results of confirming the signal intensity characteristics of the sensing platform.
  • Figure 42 shows the results of data extraction from the sensing platform.
  • Figure 43 shows the results of signal processing and target material detection using a sensing platform.
  • the structure and materials used in the electromagnetic wave sensing platform for detecting the above-mentioned anti-stress hormone are not limited to the embodiments of the present invention, and the components are described representatively for one embodiment using the same symbols, and materials that can be used in addition will be described by giving examples of other components.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating a terahertz band electromagnetic wave sensing platform (1) for detecting anti-stress hormones according to one embodiment of the present invention.
  • a terahertz band electromagnetic wave sensing platform (1) for detecting an anti-stress hormone includes a sensing unit (10) for capturing particles and a sensor unit (20) for incident and detecting terahertz electromagnetic waves.
  • the sensor unit (20) for incident and detecting the terahertz electromagnetic wave includes an incident unit (21) that incidents the terahertz electromagnetic wave and a detection unit (22) that detects the reflected terahertz electromagnetic wave.
  • the sensor unit (20) is a terahertz band electromagnetic wave injector that generates terahertz band electromagnetic waves and oscillates them toward the electromagnetic wave sensor; a terahertz band electromagnetic wave detection unit that focuses electromagnetic waves reflected from the electromagnetic wave sensor; and a processor that signals-processes electromagnetic waves received from the detection unit to detect anti-stress hormones. It is a terahertz band electromagnetic wave sensing platform for detecting anti-stress hormones.
  • the terahertz electromagnetic wave can be defined as an electromagnetic wave that reaches the range of 0.1 to 10 THz based on a frequency (1 THz) that vibrates at 10 12 per second, and it is known that electromagnetic waves in this range have non-ionizing characteristics and are harmless to the human body if they do not exceed a threshold. Furthermore, even if they do not exceed the threshold, they already have energy that is lower than the thermal energy at room temperature (RT) 25 °C, so terahertz electromagnetic waves can guarantee non-destructiveness and safety to the human body over the entire range.
  • RT room temperature
  • the terahertz electromagnetic wave may be included in the range of 0.1 to 10 THz, specifically 0.5 to 9 THz, and more specifically 1 to 8 THz.
  • the terahertz electromagnetic wave is not limited to the above-mentioned range, and may be used differently depending on a specific factor to be detected.
  • the sensor unit (20) is positioned below the sensing unit as shown in FIG. 1, and electromagnetic waves emitted from the incident unit (21) may be reflected or diffracted through the sensing unit (10) and focused onto the detection unit (22), and through the electromagnetic waves focused onto the detection unit (22) in this way, it is possible to determine whether a target particle is present and to sense the stress level.
  • the electromagnetic waves focused on the above detection unit (22) can detect and diagnose low molecular weight substances through reflection and frequency shift by measuring the reflected signal value (Reflectance) detected when a target particle is detected.
  • Figure 2 is a conceptual diagram schematically showing a sensing unit (10) that captures particles of a terahertz band electromagnetic wave sensing platform (1) for detecting anti-stress hormones.
  • the above sensing unit (10) includes a base substrate (101), a capturing unit (200) arranged on the base substrate to form a slit structure, and a reaction unit (30) that reacts with specific particles and substances to attach to each other.
  • the sensing unit (10) is characterized by including a base substrate, a sensing unit that detects by injecting an anti-stress hormone; a metamaterial including a conductive layer formed on the base substrate and having a plurality of slits spaced apart from each other, the slits having a width shorter than the length and a predetermined depth; a bioprobe that specifically binds to the anti-stress hormone; and a linker formed within the slit of the metamaterial and binding to the bioprobe to fix the bioprobe within the slit.
  • the base substrate (101) may be a substrate capable of reflecting terahertz electromagnetic waves. Specifically, it may be a metal, plastic, ceramic, or organic material, and more specifically, it may be silicon (Si), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), phenols, etc., and even more specifically, it may be silicon (Si), but is not limited thereto.
  • the capturing unit (200) arranged on the base substrate (101) to form a slit structure may include a metamaterial (201) made of a conductor to form a slit; and a slit structure (202) configured for capturing and reacting particles.
  • the above slits (202) are composed of multiple slits, may be composed of a specific metamaterial (201), and may be formed with the same pattern.
  • the multiple slits may be formed by arranging multiple structures having a certain width and length at a certain interval on the base substrate (101).
  • the above slit (202) serves to concentrate terahertz electromagnetic waves in a certain area relative to the wavelength beyond the wavelength limit, and can increase the measurement efficiency for minute particles by concentrating and amplifying phenomena such as terahertz diffraction and reflection, and since the focusing rate and frequency of electromagnetic waves change depending on their structure, this enables better stress diagnosis.
  • the metamaterial forming the above slit (202) refers to a material, such as a metal, that can perfectly transmit electromagnetic waves and current.
  • Materials that can be used in the above metamaterial (201) may be metals, alloys, semiconductors, composites, and electrolytes, and specifically, one selected from the group consisting of metal conductors such as copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd); one selected from the group consisting of semiconductors such as silicon, germanium, gallium, silicon carbide, cadmium, zinc, tungsten, and manganese (Mn); one selected from the group consisting of conductive polymers such as polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiopene, polyphenylene, polyvinylene, and graphene; and may be composed of one or more metamaterials selected from the group consisting of combinations and alloys thereof, more specifically, may be gold (Au), but is not limited thereto.
  • metal conductors such as copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt
  • the metamaterial (201) may further include graphene.
  • the metamaterial (201) may be configured as a slit having a width of a certain size.
  • the slit may have a length of 20 to 150 ⁇ m, and more specifically, may have a length of 50 to 100 ⁇ m.
  • the metamaterial (201) may constitute a slit (202) having a constant width.
  • the slit may have a length of 10 nm to 4 ⁇ m, and more specifically, may have a length of 100 nm to 1 ⁇ m.
  • the metamaterial (201) may constitute a slit (202) having a constant depth.
  • the slit may have a length of 130 to 170 nm, and more specifically, may have a length of 140 to 160 nm.
  • Figure 3 is a conceptual diagram schematically showing the reaction unit (30) of the sensing unit (10) of the present invention.
  • the reaction unit (30) is positioned between the slit (202) structures of the capturing unit (200), and the reaction unit (30) may be composed of a bio-probe (302) for capturing specific factors and compounds and a linker (301) for connecting the metamaterial (201) and the bio-probe (302).
  • the above reaction unit (30) serves to capture specific factors and specific substances and combine them within the slit. At this time, if the terahertz electromagnetic wave causes a difference in the degree of diffraction and reflection due to this, it may play a role in recognizing and diagnosing this. In particular, in the case of the present invention, it is for determining the degree of stress when a stress factor is captured and combined within the slit.
  • the anti-stress hormone may be cortisol, epinephrine, norepinephrine, serotonin, dopamine, and acetylcholine, and specifically, cortisol, dopamine, and serotonin may be detected simultaneously.
  • the terahertz band electromagnetic wave sensing platform (1) for detecting an anti-stress hormone of the present invention may simultaneously detect one or more substances selected from the group consisting of hormones or neurotransmitters such as cortisol, epinephrine, norepinephrine, serotonin, dopamine, and acetylcholine, and more specifically, may simultaneously detect cortisol, dopamine, and serotonin.
  • the detection is not limited to the above-mentioned hormones or neurotransmitters.
  • the bio-probe (302) of the reaction unit may recognize and capture an anti-stress hormone.
  • it may be a bio-probe that selectively captures hormones, neurotransmitters, cytokines, chemokines, and genes, and specifically, it may be a bio-probe that selectively captures cortisol, epinephrine, norepinephrine, serotonin, dopamine, and acetylcholine, and more specifically, it may be a bio-probe that selectively captures cortisol, dopamine, and serotonin.
  • the bioprobe (302) may be a receptor. Specifically, it may be an antibody, an aptamer, a receptor, a GPCR, or a lipid structure receptor, and more specifically, it may refer to any bioprobe to which a hormone can be attached.
  • the present invention can provide a terahertz band electromagnetic wave sensor capable of detecting not only the stress hormone and neurotransmitter but also drugs, and a sensing platform using the same.
  • the bioprobe may comprise an opioid nanodisk.
  • the opioid nanodisk is composed of an opioid receptor, a lipid membrane, and a membrane scaffold protein (MSP), and may have excellent production speed and yield.
  • MSP membrane scaffold protein
  • the opioid is a compound having a strong analgesic effect, used for relieving severe pain, and may be a narcotic drug such as opium.
  • the opioid may be a natural opioid, a semi-synthetic opioid, or a synthetic opioid, and more specifically, may be one or more opioid compounds selected from the group consisting of morphine, codeine, oxycodone, hydrocodone, heroin, fentanyl, methadone, and tramadol.
  • the opioid receptor is a receptor present in the brain and spinal cord that recognizes the opioid compound, and is specifically one or more opioid receptors selected from the group consisting of ⁇ (mu), ⁇ (kappa), ⁇ (delta), and NOP (nociceptin receptor).
  • the receptor is a receptor that receives a hormone related to stress.
  • the lipid membrane constituting the opioid nanodisc plays a role in inducing reorganization and refolding of the cell membrane, and may be at least one lipid membrane used for producing a bioprobe selected from the group consisting of a lipid bilayer (supported lipid bilayer; SLB), a self-assembled monolayer (self-assembled monolayer; SAM), a liposome, a vesicle, a polymer-lipid hybrid membrane, a lipid nanodisc, and a block copolymer lipid membrane, and specifically, may be at least one lipid membrane selected from the group consisting of a liposome, a vesicle, a polymer-lipid hybrid membrane, and a lipid nanodisc, and more specifically, may be a lipid nanodisc.
  • the membrane support protein constituting the opioid nanodisc is for maintaining the shape of the nanodisc, and the membrane support protein may use one or more membrane support proteins selected from the group consisting of Apolipoprotein A-I derived MSP (MSP1, MSP1D1, MSP1E3D1), Styrene Maleic Acid Copolymer (SMA), DIBMA (Diisobutylene Maleic Acid) and Amphipols (Amphiphilic polymers), and more specifically, Apolipoprotein A-I derived MSP (MSP1, MSP1D1, MSP1E3D1) may be used.
  • Apolipoprotein A-I derived MSP MSP1, MSP1D1, MSP1E3D1
  • SMA Styrene Maleic Acid Copolymer
  • DIBMA Diisobutylene Maleic Acid
  • Amphipols Amphiphilic polymers
  • the linker (301) for connecting the bio-probe (302) of the reaction section and the metamaterial (201) is attached to the metamaterial (201) forming the slit (202), and specifically, may be attached to the lower part, side wall, or upper part of the conductor slit, and more specifically, may be attached to the side wall.
  • the linker (301) of the present invention is attached to the side wall of the metamaterial (201) forming the slit.
  • an amine group (-NH3) is attached to the linker to attach the linker, and a coating is applied to enable the linker to be attached to the metamaterial, or a layer for attaching the linker is used on the base substrate.
  • the linker may be directly attached to the metamaterial.
  • the present invention reduces electromagnetic wave loss compared to conventional sensing data, thereby amplifying optical characteristics. Furthermore, since various carbene compounds can be utilized, it facilitates application to various bioprobes and offers excellent functionalization. Furthermore, terahertz optical signal amplification can be induced by utilizing various functionalizations.
  • the attachment of the metamaterial-linker can effectively focus the electric field component of terahertz waves inside the metamaterial having a scale below the wavelength limit, thereby obtaining an amplification effect of several hundred thousand times in terms of intensity.
  • the attachment of the metamaterial-linker can exhibit a highly sensitive sensing performance capable of detecting small, low-molecular-weight substances or substances with low photo-reactivity that are undetectable compared to the terahertz wavelength when utilizing the amplification effect obtained through the frequency resonance.
  • the attachment of the metamaterial-linker can position the material as a sensing hotspot where electric field amplification is maximized by utilizing physical sweeping, surface treatment, capture using chemical affinity, and fluid flow control in fluids and solvents.
  • the attachment of the metamaterial-linker can impart additional functionality to the metamaterial so that it has high selectivity for the target material by utilizing a surface treatment technique and intermolecular affinity.
  • the attachment of the metamaterial-linker allows terahertz waves to obtain information on phase difference in addition to attachment strength, making it easy to analyze optical constants corresponding to the inherent properties of the material.
  • the attachment of the metamaterial-linker can be implemented in a non-contact manner by utilizing photoreactivity in metal and electron drude models, and by analyzing the electrical and thermal properties of the metal through experimental data using terahertz waves.
  • the attachment of the metamaterial-linker utilizes the stereochemistry of the carbene compound to position the samples at a specific location in the sensing hotspot where the electric field efficiency is maximized inside the metastructure composed of gold (Au) of the THz metamaterial.
  • the effect of attachment of the metamaterial-linker can exhibit higher efficiency and sensitivity by utilizing the electric field amplification effect occurring in the near field of the metastructure composed of gold (Au) in three dimensions, compared to the existing method of attaching a sample to a substrate after surface treatment.
  • the attachment of the metamaterial-linker can exhibit a signal amplification effect in the case of the optical electric field amplification method utilizing the metamaterial, but since it is fundamentally based on the focusing of the electric field, there is a limitation in that it cannot induce light-matter interaction by distinguishing the mixture located in the sensing hotspot.
  • microfluidic pretreatment and the introduction of a nanodisk structure it is possible to impart selective functionality for the target sample in addition to electric field amplification and optical induction to the metamaterial.
  • the attachment of the metamaterial-linker can exhibit much more stable performance than the sulfur-based crosslinking that is commonly used as a compound on a surface made of gold when utilizing a carbene compound, and thus, the repeatability and robustness of the linker-receptor can be maximized through the attachment and detachment of the capture material based on a reversible reaction, thereby enabling reuse.
  • the attachment of the metamaterial-linker can utilize the characteristics of the metamaterial that can modulate the optical frequency and optical characteristics to be amplified with a high degree of freedom through structure and design to the above features, thereby introducing various metastructures into a single unit chip to detect multi-markers, or designing a broadband metamaterial that covers the entire terahertz effective detection frequency range, thereby providing various variations.
  • the reaction unit (30) may include a linker (301) for connecting the metamaterial (201) and the bioprobe (302).
  • the linker (301) may be a carbene compound.
  • the carbene compound and the metamaterial may have excellent bonding energy and thus may adhere well.
  • the binding energy of the carbene compound (NHC) and the metamaterial (Au) may be 1 to 3 eV, specifically 2.5 to 2.8 eV, and more specifically 2.618 eV.
  • the metamaterial surface angle may be 60 to 70°, specifically 63 to 68°, and more specifically 65.73°.
  • the amount of bonding may be 5 to 8 molecules/nm2, specifically 6 to 7 molecules/nm2, and more specifically 6.8967 molecules/nm2.
  • the carbene compound may be an N-heterocyclic carbene (hereinafter referred to as NHC), and the carbene compound is not limited thereto and may include a compound having a carbene form.
  • NHC N-heterocyclic carbene
  • the carbene compound may be represented by the following chemical formula 1.
  • R1 is azidobutoxy, azidoethoxy, OH or the following chemical formula 2
  • R2 is diisopropyl, dibenzyl or H
  • Y may be I-, Br-, C, N, O or a lone pair of electrons.
  • the R1 is represented by the following chemical formula 2, the R2 is diisopropyl or dibenzyl, and the Y may be I-, Br-, or a lone pair of electrons.
  • X may be O, C, N, S or CH3, n may be 0, 1, 2 or 3, and R3 may be H3, NH3 or N3.
  • the X may be O, C, or CH3, the n may be 0 or 3, and the R3 may be N3.
  • the carbene compound may include one or more carbene compounds selected from the group consisting of compounds 1 to 11, specifically compounds 3 to 6, compounds 8 to 11, and more specifically compounds 4, 6, 9, and 11.
  • the linker (301) may be a carbene compound composed of the following compound 1.
  • the above compound 1 is 1H-benzo[d]imidazol-5-ol.
  • the linker is a carbene compound, and may be the following compound 2 prepared from the compound 1.
  • the above compound 2 is 5-(4-azidobutoxy)-1H-benzo[d]imidazole.
  • the linker is a carbene compound, and may be the following compounds 3 and 4 prepared from the compound 2.
  • the compound 3 is 5-(4-azidobutoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium iodide
  • the compound 4 is 5-(4-azidobutoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium bromide.
  • the linker is a carbene compound, and may be the following compounds 5 and 6, prepared using 1M potassium bis(trimethylsilyl)amide (Potassium(K) HexaMethylDiSilazide, KHMDS) contained in tetrahydrofuran (THF) in the compounds 3 and 4.
  • KHMDS potassium bis(trimethylsilyl)amide
  • THF tetrahydrofuran
  • the compound 5 is 6-(4-azidobutoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-2-ylidene(NHC1)
  • the compound 6 is 6-(4-azidobutoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-2-ylidene(NHC2).
  • the linker is a carbene compound, and may be the following compound 7 prepared from the compound 1.
  • the above compound 7 is 5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1H-benzo[d]imidazole.
  • the linker is a carbene compound, and may be the following compounds 8 and 9 prepared from the compound 2.
  • the compound 8 is 5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium iodide
  • the compound 9 is 5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium bromide.
  • the linker is a carbene compound, and may be the following compounds 10 and 11, which are prepared using 1M potassium bis(trimethylsilyl)amide (Potassium(K) HexaMethylDiSilazide, KHMDS) contained in tetrahydrofuran (THF) in the compounds 8 and 9.
  • KHMDS potassium bis(trimethylsilyl)amide
  • THF tetrahydrofuran
  • the compound 10 above is 6-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol 2 ylidene(NHC3), and the compound 11 above is 6 (2 (2 (2 (2 (2 azidoethoxy)ethoxy)ethoxy) 1,3 dibenzyl 1H benzo[d]imidazol-2- ylidene(NHC4).
  • the linker is a carbene compound, and may include one or more carbene compounds selected from the group consisting of compounds 1 to 11, specifically compounds 3 to 6, compounds 8 to 11, and more specifically compounds 5, 6, 10, and 11.
  • the carbene compound may be composed of an azide, a phthalimide, or an amine at the terminal.
  • the functional group at the end of the compound may be bonded to the metamaterial by a chemical vapor deposition method or a chemical solution deposition method, and specifically, by a chemical vapor deposition method or a chemical solution deposition method.
  • FIG. 4 is a flowchart schematically showing a method for manufacturing an electromagnetic wave sensing platform (1) for stress diagnosis of the present invention.
  • the manufacturing method illustrated in Fig. 4 may include the following manufacturing steps.
  • a method for manufacturing a terahertz band electromagnetic wave sensing platform for detecting an anti-stress hormone comprising: a step of preparing a base substrate; a step of laminating the conductive layer on the base substrate; a step of forming a slit in the conductive layer; a step of forming a linker in the slit of the conductive layer; and a step of binding and fixing the bioprobe to the linker.
  • a method for manufacturing a terahertz band electromagnetic wave sensing platform for detecting anti-stress hormones having the following steps.
  • step (c) a step of laminating a conductive layer on the base to which the mold is attached in step (b);
  • step (e) forming a linker in a structure having a slit formed in step (d);
  • step (f) a step of attaching a bioprobe to the linker attached in step (e) above;
  • the base substrate of step (a) may be a substrate capable of reflecting terahertz electromagnetic waves.
  • it may be a metal, a plastic, a ceramic, an organic material, and more specifically, it may be silicon (Si), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), phenols, etc., and even more specifically, it may be silicon (Si), but is not limited thereto.
  • the mold of step (b) may be composed of a mold, clay, silicone, resin, etc., but is not limited thereto.
  • the conductive layer may be a metal, an alloy, a semiconductor, a composite, an electrolyte, and specifically, may be one selected from the group consisting of metal conductors such as copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd); one selected from the group consisting of semiconductors such as silicon, germanium, gallium, silicon carbide, cadmium, zinc, tungsten, and manganese (Mn); and may be composed of one or more metamaterials selected from the group consisting of combinations and alloys thereof, and more specifically, may be gold (Au), but is not limited thereto.
  • metal conductors such as copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd)
  • semiconductors such as silicon, germanium, gallium, silicon carbide, cadmium, zinc, tungsten, and manganese (Mn)
  • Mn
  • the linker in the step (e), may be a carbene compound and may include one or more carbene compounds selected from the group consisting of Compound 1 to Compound 11, specifically Compound 3 to Compound 6, Compound 8 to Compound 11, and more specifically Compound 4, Compound 6, Compound 9, and Compound 11.
  • the bioprobe in step (f) may be one that recognizes and captures anti-stress hormones. Specifically, it may be a bioprobe that selectively captures cortisol, epinephrine, norepinephrine, serotonin, dopamine, and acetylcholine, and more specifically, it may be a bioprobe that selectively captures cortisol, dopamine, and serotonin.
  • the present invention may provide a method for detecting an anti-stress hormone using a sensing platform for detecting an anti-stress hormone.
  • the method for detecting the above anti-stress hormone may include the following steps.
  • the terahertz band may be 0.1 to 10 THz, specifically 0.5 to 9 THz, and more specifically 1 to 8 THz.
  • the terahertz electromagnetic wave is not limited to the above-mentioned range, and may be used differently depending on a specific factor to be detected.
  • the hormone may be a stress hormone that maintains homeostasis in a normal state, and may immediately release high levels of epinephrine and norepinephrine in case of acute stress, and in case of continuous stress, cortisol may be continuously maintained at a high level, and in case of gradual stress, the overall concentration of the stress hormone may increase.
  • the hormones may be specifically cortisol, epinephrine, norepinephrine, serotonin, dopamine, and acetylcholine, and more specifically cortisol, dopamine, and serotonin.
  • the hormone may be attached to a receptor.
  • the hormone receptor may be a known DNA, amino acid, RNA, antibody, or aptamer, and more specifically, a protein optimized by DNA, amino acid, or RNA, and more specifically, a genetic material comprising a protein sequence constituting a GPCR.
  • the hormone receptor is not limited thereto, and may be a receptor composed of a novel protein.
  • the hormone receptor may be obtained by producing an antibody, aptamer, or receptor using a hormone protein.
  • the method for producing the hormone protein may include the following steps.
  • the stress hormone-related factor may be DNA, RNA, protein, cytokine, chemokine, or hormone, and specifically, DNA, protein, or hormone.
  • the E. coli used in the cloning step may be one or more E. coli selected from the group consisting of HB101, JM109, CJ326m, DH5a, HST08, HST04 and BL21(DE3), specifically, it may be one or more E. coli selected from the group consisting of JM109, DH5a and BL21(DE3), and more specifically, it may be BL21(DE3).
  • the E. coli may be grown until the OD600 value reaches 0.5 to 0.7, specifically, until the OD600 value reaches 0.55 to 0.65, and more specifically, until the OD600 value reaches 0.6.
  • the method for obtaining a protein may utilize a series of homogenization methods such as sonication, centrifugation, and homonization.
  • the method for producing the hormone receptor may include the following steps.
  • the experimental animal of step (a) refers to a mammal capable of producing antibodies, such as a rabbit, mouse, rat, pig, dog, monkey, and horse, and may specifically be a mammal other than a human.
  • the timing interval of step (b) may be to inoculate at intervals of 2 to 6 weeks, specifically to inoculate at intervals of 3 to 5 weeks, and more specifically to inoculate at intervals of 4 weeks.
  • the number of inoculations in step (b) may be 1 to 5, specifically 2 to 4, and more specifically 3.
  • the method for isolating the hormone receptor, aptamer, antibody, etc. to be found in step (c) may be obtained from blood, saliva, urine, feces, hair, etc., and specifically, may be by isolating blood serum, but other non-invasive methods may be used.
  • the present invention may provide a terahertz band electromagnetic wave sensing platform capable of simultaneously detecting different types of stress hormones.
  • the stress hormone in the present invention refers to a stress hormone that can be detected by an opioid receptor, but is not limited thereto, and when replaced with a receptor other than an opioid receptor, it can also be used to test the response of a novel pharmaceutical preparation.
  • the other receptors may be one or more receptors selected from the group consisting of G-protein coupled receptors (GPCRs), ligand-gated ion channels (LGIcs), enzyme-linked receptors, nuclear receptors (NRs), innate immune receptors, and metabolic sensors, and more specifically, nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs), GABA-A receptors, glycine receptors (GlyRs), glutamate receptors (AMPA, NMDA, Kainate), insulin receptors, epidermal growth factor receptors (EGFRs), transforming growth factor- ⁇ (TGF- ⁇ ) receptors, interleukin receptors (IL receptors), tumor necrosis factor receptors (TNF receptors), androgen receptors (ARs), estrogen receptors (ERs), and glucocorticoid receptors.
  • GPCRs G-protein coupled receptors
  • LGIcs ligand-gated ion channels
  • NRs nuclear receptors
  • innate immune receptors
  • the terahertz band electromagnetic wave sensing platform of the present invention is capable of detecting and activating stress hormones, neurotransmitters, drugs or pharmaceutical preparations to be tested depending on the type of bioprobe, and furthermore, is an invention that can be used for clinical trials and treatments.
  • the present invention provides a stress hormone analysis device including the terahertz band electromagnetic wave sensing platform.
  • the stress hormone analysis device may be composed of a microfluidic circuit, a sensing platform, and an analysis device, and additional devices may be added depending on the purpose.
  • the microfluidic circuit may be one or more microfluidic circuits selected from the group consisting of a lab-on-a-chip, an organ-on-a-chip, a paper-based microfluidics circuit, and a digital microfluidics circuit, and is specifically, but not limited to, a lab-on-a-chip or an organ-on-a-chip.
  • the present invention preprocesses microfluid (stress hormones, neurotransmitters, drugs, pharmaceutical compositions, etc.) and determines the presence or absence of stress hormones, neurotransmitters, drugs, and pharmaceutical compositions using the terahertz band electromagnetic wave sensing platform of the present invention. This determination is made by detecting the reflection of terahertz waves.
  • the present invention obtains information from a detector using reflected waves of terahertz wavelength.
  • the above detector may use one or more detectors selected from the group consisting of thermal detectors, photon-based/quantum detectors, heterodyne detectors, and optical/nonlinear material-based detectors, and specifically, bolometers, pyroelectric sensors, thermocouples, Golay Cells, superconducting bolometers, quantum well infrared photodetectors (QWIPs), high electron mobility transistor (HEMT)-based detectors, Schottky barrier diodes, FET-based THz detectors, Schottky diode mixers, superconductor-insulator-superconductor (SIS) mixers, hot electron bolometer mixers (HEBMs), electro-optic sampling (EO sampling), and photoconductive It may be composed of one or more detectors comprising a photoconductive antenna (PCA), but is not limited thereto.
  • PCA photoconductive antenna
  • the present invention may provide a kit including the above device.
  • the above kit may be used for detecting and testing stress hormones, neurotransmitters, drugs and pharmaceutical compositions.
  • Example 1 Method for producing a linker that can be directly attached to a metamaterial
  • a linker composed of a compound is mostly located at the bottom of a slit, and further, one or more materials are added to the base portion (base substrate) to attach the compound, and the linker is directly attached to these materials.
  • the present invention develops a linker that can be directly attached to a metamaterial in order to simplify the manufacturing process, reduce costs, and increase the diagnostic rate, and the purpose of the invention is to detect stress hormones by simultaneously attaching a bioprobe to the linker.
  • Formic acid 35 mL was added to a mixture of isopropyl alcohol (70 mL) containing 4-amino-3-nitrophenol (1.0 g, 6.49 mmol), iron powder (3.6 g, 64.9 mmol), and NH4Cl (3.5 g, 64.9 mmol).
  • reaction mixture was stirred at 90°C under argon for 20 h, cooled to room temperature, and filtered through a sintered glass filter. The solid was washed three times with isopropyl alcohol. The filtrate was dried and carefully neutralized with saturated NaHCO3 solution until the pH reached 7.
  • the dispersion was then extracted with methylene chloride (3 x 100 mL).
  • the raw materials were purified by silica column chromatography using dichloromethane:methanol gradient mixtures (Figs. 7 to 9).
  • reaction mixture was evaporated under vacuum, and the residue was purified by silica column chromatography using dichloromethane:methanol gradient mixtures (Figs. 10 to 12).
  • reaction mixture was evaporated under vacuum, and the residue was purified by silica column chromatography using dichloromethane:methanol gradient mixtures (Figs. 19 to 21).
  • reaction mixture was stirred at 90 °C under argon for 24 h. Afterwards, excess 2-iodopropane and solvent were evaporated under vacuum.
  • the raw material was purified by silica column chromatography using dichloromethane:methanol gradient mixtures (Figs. 13 to 15).
  • Benzyl bromide (3.0 mL, 25.3 mmol) was added to a mixture of compound 2 (450 mg, 1.01 mmol) and Cs2CO3 (330 mg, 1.01 mmol) in anhydrous acetonitrile (40 mL).
  • reaction mixture was stirred at 90 °C under argon for 24 h. Afterwards, excess benzyl bromide and solvent were evaporated in vacuo.
  • the raw materials were purified by silica column chromatography using dichloromethane:methanol gradient mixtures (Figs. 16 to 18).
  • Free carbene was obtained by dissolving compound 5 (49.2 mg, 0.1 mmol) in anhydrous THF with stirring in a glove box.
  • the raw materials were purified by silica column chromatography using dichloromethane:methanol gradient mixtures (Figs. 22 to 24).
  • Free carbene was obtained by dissolving compound 8 (55 mg, 0.1 mmol) in anhydrous THF with stirring in a glove box.
  • the resulting mixture was filtered through a 0.2 ⁇ m PTFE syringe filter and diluted to a 0.01 M concentration of carbene (Figs. 22 to 24).
  • Benzyl bromide (3.0 mL, 25.3 mmol) was added to a mixture of compound 7 (340 mg, 1.01 mmol) and Cs2CO3 (330 mg, 1.01 mmol) in anhydrous acetonitrile (40 mL).
  • the reaction mixture was stirred at 90 °C for 24 h under argon.
  • the raw material was purified by silica column chromatography using dichloromethane:methanol gradient mixtures (Figs. 25 to 27).
  • Free carbene was obtained by dissolving compound 10 (60 mg, 0.1 mmol) in anhydrous THF with stirring in a glove box.
  • the linker of the present invention is attached to the side wall of the metamaterial forming the slit.
  • an amine group (-NH3) is attached to the linker to attach the linker, and a coating is applied to enable the linker to be attached to the metamaterial, or a layer for attaching the linker is used on the base substrate.
  • the linker can be attached directly to the metamaterial and used (Fig. 28).
  • the present invention reduces electromagnetic wave loss compared to conventional sensing data, thereby amplifying optical characteristics. Furthermore, the ability to utilize a variety of carbene compounds facilitates application to various bioprobes and offers excellent functionalization capabilities. Furthermore, utilizing various functionalizations, terahertz optical signal amplification can be induced.
  • DFT Density functional theory
  • the iso-surface value in the electron density map was set to 0.02 (unit: bohr).
  • the LUMO of NHC/Au is -3.688 eV
  • the HOMO of SH a sulfide frequently used in chemical bonding used as a control
  • the gap difference between them is -2.618 eV.
  • NHC is more electron-accepting than SH, so it acts as an electron acceptor in chemical reactivity and plays a role as a reaction intermediate. Furthermore, it is a more stable and reactive molecule than SH, so it has a higher energy level.
  • the contact angle comparison results showed that Au had a contact angle of 73.81°, while NHC had a contact angle of 65.73°. Therefore, when NHC was combined, the contact angle characteristics of Au changed compared to when Au alone was used, and the target substance can be attached more stably and well through the change in chemical properties, and since it is easy to attach to even trace amounts of the target substance, a platform with excellent diagnostic rates can be constructed through this.
  • XPS uses X-rays to determine their chemical state, confirm their chemical bonding state, and measure their bonding energy. It was confirmed that the bonding energy was very good when the NHC produced in this experiment was attached to Au.
  • Cyclic voltammetry was measured to measure the amount of bonding when a carbene compound was attached to a metal (Fig. 32).
  • a bioprobe targeting hormones or related factors that cause stress was manufactured to diagnose them.
  • bioprobes include hormone receptors, antibodies, and aptamers.
  • an electromagnetic wave sensing platform for stress diagnosis was created using hormone receptors.
  • Proteins related to each hormone were codon-optimized based on known DNA and amino acid sequences of stress-related proteins and hormones. Proteins were then synthesized for expression in Escherichia coli and cloned into pET28a(+) with an N-terminal hexahistidine affinity tag.
  • the cloned plasmid was transformed into E. coli BL21 (DE3) strain, and the cells were grown in LB medium containing 50 ⁇ g/mL kanamycin at 37°C until the OD600 value reached 0.6.
  • Recombinant protein expression was induced with 0.5 mM isopropyl ⁇ -D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) at 18°C for 20 h.
  • IPTG isopropyl ⁇ -D-1-thiogalactopyranoside
  • the protein-coding gene of the receptor was cloned into pET21a(+) with a hexahistidine tag at the C-terminus to produce the protein.
  • cells were harvested by centrifugation at 5,000 rpm for 30 min, resuspended in neutralizing solution (20 mM Tris-HCl, pH 8.0, 500 mM NaCl, 5 mM ⁇ -Mercaptoethanol, 2 mM Phenylmethanesulfonyl-Fluoride), and disrupted by sonication. After centrifugation at 18,000 rpm for 40 min, the pellet was homogenized using denaturing solution (50 mM Tris-HCl, pH 8.0, 500 mM NaCl, and 8 M Urea), and the denatured sample was incubated at room temperature for 2 h.
  • neutralizing solution 20 mM Tris-HCl, pH 8.0, 500 mM NaCl, 5 mM ⁇ -Mercaptoethanol, 2 mM Phenylmethanesulfonyl-Fluoride
  • the homogenized fractions were chromatographed on a HisTrap FF column (GE Healthcare, USA) with 50 mM Tris-HCl, pH 8.0, 300 mM NaCl, and 8 M urea.
  • the recombinant protein was eluted with a solute solution (20 mM Tris-HCl, pH 8.0, 300 mM NaCl, 200 mM Imidazol, and 8 M urea).
  • the eluted protein was diluted in phosphate-buffered saline (PBS) for further experiments.
  • PBS phosphate-buffered saline
  • Antibodies were produced to obtain receptors for stress-related hormones or related factors.
  • Antigens that cause stress factors were inoculated into rabbits via IP (injected intraperitoneally) together with Freund's adjuvant (Sigma). Four weeks after the first inoculation, the antigen and Freund's adjuvant (Sigma) were additionally administered at four-week intervals, and the second and third inoculations were performed at two-week intervals thereafter.
  • Opioid nanodiscs were produced using the above expressed and purified biomarkers.
  • the above opioid refers to a compound that has a strong analgesic effect and is a type of narcotic compound.
  • the present invention aims to provide a detection device that can perform a stress hormone test using a nanodisk that detects opioids.
  • Opioid receptors are membrane proteins that reside in the cell membrane and function only within the cell membrane environment. Furthermore, the nanodisc structure itself possesses high structural stability and is stable in vitro and at room temperature, making it expected to be easily incorporated into various sensor platforms.
  • opioid nanodiscs were fabricated in the form of nanodiscs by adding lipids to the opioid receptor in a surfactant to secure the structural stability of the GPCR receptor, which is a cell membrane protein, and surrounding it with a lipid membrane (inducing cell membrane reorganization and refolding), and introducing a membrane scaffold protein (MSP).
  • GPCR receptor which is a cell membrane protein
  • MSP membrane scaffold protein
  • a metal nanoslot pattern of several tens of micrometers in size was mass-produced on a wafer-scale using a photolithography method.
  • the fabricated metamaterial was designed with a slit array structure, which enabled control of the resonant wavelength targeted at neurotransmitter molecules and amplification of local electromagnetic fields.
  • Functional groups were introduced into the inner surface of the nanoslot pattern to enable attachment of a nanodisk biomimetic structure with a size on the nanometer scale (Fig. 34).
  • the carbene compound linker produced in Example 2 and the results of Example 3 the carbene compound was bound to the metamaterial.
  • the terminal of the carbene compound was functionalized with azide, phthalimide, or amine, and the functional group at the terminal of the carbene compound was easily produced to bind to a biomaterial such as a nanodisk, and the carbene compound was bound to the surface of the metal layer of the metamaterial using a chemical vapor deposition method or a chemical solution deposition method.
  • the structure described above enabled the stable immobilization of a neurotransmitter receptor nanodisk biomembrane-mimicking structure using a carbene compound as a linker on the metamaterial.
  • a metamaterial device with a firmly attached receptor nanodisk as described above a metamaterial sensor capable of detecting specific reactivity with a target drug molecule using THz was fabricated (Fig. 35).
  • the metamaterial can strongly focus the terahertz electric field and amplify the measurement signal hundreds of thousands of times, which makes it possible to dramatically increase the detection efficiency compared to existing optical sensor platforms utilizing similar metamaterials.
  • target drug molecules can be detected with high selectivity and reaction affinity in a small space at the nano-micro level (Figs. 36, 37).
  • the nanoslot structure on the metamaterial surface of the structure of the present invention efficiently focuses the electric field of terahertz waves to amplify the signal, and is specialized for measurement using terahertz time-based spectroscopy technology.
  • the wavelength of the terahertz was utilized by outputting a terahertz pulse using a femtosecond laser having a wavelength of 800 nm, and the output terahertz wave was vertically incident on the metamaterial structure, and the reflected wavelength was detected and measured using a detector (Fig. 38).
  • the structure of the present invention could have high efficiency in terms of SNR (Signal-to-Noise Ratio) when introduced, and through this, it would be possible to sensitively analyze the presence or absence of neurotransmitter molecules attached to nanodisks.
  • SNR Signal-to-Noise Ratio
  • the intensity of the electric field focused in the nanoslot pattern terahertz metamaterial structure was calculated through simulation. It was confirmed that the electric field was focused at a high density between 150 nm thick Au layers in the Au nanoslot structure of the present invention.
  • the focusing and amplification of the terahertz electric field occurred based on the displacement current in the optical resonator composed of the Au layer, so the electric field amplification effect could be confirmed to be spatially maximal by utilizing the stereochemical properties of the selective carbene compound linker in the Au (111) lattice structure.
  • the present invention has produced a terahertz sensing platform for detecting stress hormones or neurotransmitters.
  • the sensing platform of the present invention utilizes a carbene compound as a linker to construct a terahertz metamaterial sensing platform incorporating a nanodisk structure. Furthermore, the measurement sample was positioned at a location where near-field focusing was maximized, utilizing stereochemical selectivity.
  • the carbene functional group and the nanodisk connected to it which are uniformly surface-treated and introduced, can be regarded as a single material layer with optical properties, and when looking at the signal intensity characteristics of the sensing platform, it was confirmed that the signal intensity in the resonance frequency band showed a significant change when the terahertz metamaterial configuration was equipped with the carbene functional group + nanodisk. It was confirmed that due to the uniform configuration, even materials with a large scale difference compared to the terahertz reference wavelength (300 ⁇ m) could be sensitively detected (Fig. 40).
  • the inventors of the present invention defined an optimized configuration (terahertz metamaterial equipped with carbene functional group + nanodisk) for sensing neurotransmitters as a sensing platform.
  • Example 6 Data extraction and target substance detection results from the sensing platform.
  • the sensing platform is a detection method that utilizes the resonance effect of terahertz metamaterials
  • the minimum reflectivity value that appears as a representative value in the data of the region (blue background color) where the resonance mode formed by the incident terahertz wave is activated was used (Fig. 42).
  • serotonin a representative neurotransmitter
  • the signals obtained at each stage produced meaningful values as shown in Table 1 when considering the preceding signal intensity characteristics and noise signal level (distinguishing and detecting up to 10 -6 based on signal intensity), and the deviation thereof was within 10%, showing stable serotonin sensing performance (Fig. 43).
  • the present invention is an electromagnetic wave sensing platform for stress diagnosis to detect stress-related hormones.
  • the platform of the present invention is used, it is more economical than a sensing platform using existing metamaterials, and furthermore, a sensing platform with an excellent diagnostic rate can be manufactured and provided, and diseases related to stress can be diagnosed and prevented in advance.

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Abstract

본 발명은 스트레스와 관련된 호르몬을 검출하기 위한 스트레스 진단용 전자기파 센싱 플랫폼으로서, 스트레스와 관련된 질환을 사전에 진단 및 예방하는데 그 목적이 있는 것이다.

Description

테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 및 이를 이용한 신경 전달 물질 센싱 플랫폼
본 발명은 스트레스 유발 호르몬을 검출하기 위한 센서와 이를 제작하는 방법으로서, 스트레스 진단용 전자기파 센싱 플랫폼을 제공하는 것이다. 구체적으로는 센싱 플랫폼에 메타물질에 특이적인 화합물을 부착하고, 이 부착된 화합물에 스트레스 유발 호르몬을 부착할 수 있는 수용체를 더 포함하여 스트레스로 인한 질병의 진단 및 예방용 진단 키트를 제공하는 것에 그 목적이 있는 것이다.
스트레스란 외부의 위협, 공격 등에 있어서 신체를 보호하려는 신체와 심리의 변화 과정, 생체에 가해지는 여러 상해 및 자극에 대하여 일어나는 비특이적인 생물 반응을 통칭하는 것이나, 이러한 스트레스가 과해질수록 상기 제시한 비특이적인 생물 반응으로 인해 여러 질병이 발병하는 경우가 많다.
특히, 심한 경우 정신적 질환인 공황장애, 적응장애, 불안장애, 식이장애, 성기능장애, 수면장애, 신체형장애, 알코올 의존증, 물질 사용장애 및 화병과 같은 질환을 수반할 수 있으며, 상기 제시한 정신적 장애로 인해, 신체 장애로서, 암, 고혈압, 뇌졸중, 관상동맥질환, 두통, 알러지, 관절염과 같은 이차적 질환이 발생할 수 있다.
상기와 같은 질병으로 인해, 현대 사회에서는 스트레스는 만병의 원인이라고 할 만큼 스트레스 관리의 중요성이 대두되고 있다. 다만, 스트레스를 받아들이는 정도의 차이가 사람마다 개인적인 차이가 있으며, 더 나아가, 정확한 스트레스의 원인이 무엇인지 알 수 없는 경우가 대부분이므로 상기와 같은 이유로 스트레스 관리의 어려움을 호소하는 경우가 많다.
스트레스의 원인은 개인차가 있으나, 기본적으로 스트레스로 인해 발생하는 신체 내의 호르몬의 변화는 공통적인 것이다. 여기서 현재 알려진 스트레스로 인한 호르몬은 에피네프린, 아드레날린, 노르에피네프린, 코르티졸, 세로토닌, 스테로이드계 호르몬 등이 있으며, 일반적으로는 체내에 항상성을 유지하며 호르몬이 작용을 하나 과도한 스트레스를 받을 경우 이들의 항상성이 무너져 신체에 악영향을 미치는 경우가 있다. 따라서 본 발명에서는 상기에 명시한 스트레스 관련 호르몬을 검출하는 센서 또는 키트를 제작하여 이들을 사전에 검출하여 진단 및 예방을 하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명에서는 상기의 센서 또는 키트를 제작하는데 있어, 스트레스 진단용 전자기파 센싱 플랫폼을 제작하고자 한다. 이는 메타물질 센싱 플랫폼으로서, 여기서 메타물질이란 원자보다는 크나, 센싱 플랫폼에 사용하고자 하는 빛의 파장보다는 매우 작은 인공구조물을 의미한다. 따라서 상기 메타물질을 이용한 센싱 플랫폼은 빛의 파장을 바탕으로, 빛이 회절 또는 반사 되는 특정 값을 분석하여 확인하고자 하는 물질의 측정값을 나타내는 기능을 갖는 플랫폼을 의미한다.
따라서 본 발명은 현대 사회의 만병의 근원이라 하는 스트레스를 메타물질을 이용한 센싱 플랫폼을 이용하여, 사전에 진단 및 예방하여 스트레스로 인한 질환을 사전에 방지하고자 하는 데 그 목적이 있는 것이다.
본 발명은 스트레스를 유발하는 인자를 검출하기 위해 제작된 스트레스 진단용 전자기파 센싱 플랫폼을 제작하고자 하는 것이며, 더 나아가, 기존에 제작 및 발명된 센싱 플랫폼에 비해 보다 경제적이며, 보다 우수한 진단율을 갖는 센싱 플랫폼을 제공하고자 하는 발명이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 입자를 포집하는 센싱부; 및 테라헤르츠 전자기파의 입사 및 검출을 위한 센서부를 포함하는 것이다.
상기 입자를 포집하는 센싱부는 베이스 기판, 베이스 기판 상에 배치되어 슬릿 구조를 이루는 포집부 및 특정한 입자 및 물질과 반응하여 상호 부착되는 반응부를 포함하는 것이다.
상기 센서부는 테라헤르츠 전자기파를 입사하는 입사부 및 반사된 테라헤르츠 전자기파를 검출하는 검출부를 포함하는 것이다.
상기 센싱부의 베이스 기판은 테라헤르츠 전자기파의 투과가 용이한 재료이며, 본 발명의 경우 실리콘(Si)을 이용하고 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 포집부는 슬릿을 구성하기 위해 전도체로 제작된 메타물질; 및 입자의 포집과 반응을 위해 구성된 슬릿 구조를 포함하는 것일 수 있다.
상기 반응부는 포집부의 슬릿 구조 사이에 위치하는 것으로서, 상기 반응부는 특정 인자 및 화합물을 포집하기 위한 바이오 탐침(Receptor)와 메타물질과 바이오 탐침을 연결하기 위한 화합물로 구성된 것일 수 있다.
본 발명은 스트레스와 관련된 호르몬을 통해 스트레스를 진단하기 위한 항 스트레스 호르몬 검출용 전자기파 센싱 플랫폼으로서, 스트레스와 관련된 질환을 사전에 진단 및 예방하는데 그 목적이 있는 것이다.
또한 본 발명은 기존의 메타물질을 이용한 센싱 플랫폼에 비해 경제성이 우수하며, 더 나아가 진단율이 우수한 센싱 플랫폼을 제작 및 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
도 1은 항 스트레스 호르몬 검출용 전자기파 센싱 플랫폼의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 항 스트레스 호르몬 검출용 전자기파 센싱 플랫폼의 센싱부의 구조를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 센싱부 중 반응부를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 항 스트레스 호르몬 검출용 전자기파 센싱 플랫폼을 제작하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 반응부 중 바이오 탐침과 메타물질을 연결하는 화합물의 종류 및 화합물 구성도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에서 이용되는 카벤 화합물의 합성 모식도이다.
도 7 내지 9는 화합물 1을 제작하는 합성 모식도 및 화합물1의 1H NMR, 13C NMR Spectrum 을 확인한 결과이다.
도 10 내지 12는 화합물 2을 제작하는 합성 모식도 및 화합물2의 1H NMR, 13C NMR Spectrum 을 확인한 결과이다.
도 13 내지 15는 화합물 NHC1를 제작하는 합성 모식도 및 화합물 3의 1H NMR, 13C NMR Spectrum 을 확인한 결과이다.
도 16 내지 18는 화합물 NHC2를 제작하는 합성 모식도 및 화합물 5의 1H NMR, 13C NMR Spectrum 을 확인한 결과이다.
도 19 내지 21은 화합물 7을 제작하는 합성 모식도 및 화합물7의 1H NMR, 13C NMR Spectrum 을 확인한 결과이다.
도 22 내지 24는 화합물 NHC3를 제작하는 합성 모식도 및 화합물 8의 1H NMR, 13C NMR Spectrum 을 확인한 결과이다.
도 25 내지 27은 화합물 NHC4을 제작하는 합성 모식도 및 화합물 10의 1H NMR, 13C NMR Spectrum 을 확인한 결과이다.
도 28은 메타물질(금속)과 화합물(카벤)의 결합 모식도이다.
도 29는 금속-카벤 결합을 DFT 시뮬레이션을 통해 확인한 결과 및 이론적 비교를 나타낸 결과이다.
도 30은 금속-카벤 결합시 표면의 특성 변화(접촉각)를 나타낸 그래프이다.
도 31는 금속-카벤 결합 표면 특성 변화(XPS)를 나타낸 그래프이다.
도 32는 금속-카벤 결합량을 분석(Cyclic voltammetry)한 결과이다.
도 33은 오피오이드 나노디스크(Opioid nanodisk)를 생산하는 방법에 관한 개략도이다.
도 34는 본 발명 메타물질 구조체의 확대 사진이다.
도 35는 카벤 화합물 링커를 사용하여 나노디스크가 부착된 메타물질을 제작하는 개략도이다.
도 36은 메타물질에 반사도를 측정하는 방법과 카벤 화합물 및 나노디스크의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 37은 테라헤르츠 파를 이용한 분광기술로서, 테라헤르츠 반사 모드 측정 방법의 개략도이다.
도 38은 테라헤르츠 시간기반 분광법의 결과이다.
도 39는 나녿슬롯 구조체에서의 전기장 증폭 효과를 확인한 결과이다.
도 40은 본밞의 테라헤르츠 센싱 플랫폼의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 41은 센싱 플랫폼의 신호강도 특성을 확인한 결과이다.
도 42는 센싱 플랫폼에서의 데이터 추출 결과이다.
도 43은 센싱 플랫폼을 이용한 신호처리 및 타겟물질의 감지 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시형태를 통하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 항 스트레스 호르몬 검출용 전자기파 센싱 플랫폼에 대하여 설명한다.
설명에 앞서, 상기 항 스트레스 호르몬 검출용 전자기파 센싱 플랫폼의 구조 및 사용되는 물질은 본 발명에 실시예에 한정되는 것이 아니며, 구성요소는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시형태에 대해 설명하는 것이며, 그 외에 사용될 수 있는 물질에 관하여는 다른 구성요소의 예를 들어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼 (1)을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼(1) 은 입자를 포집하는 센싱부(10) 및 테라헤르츠 전자기파의 입사 및 검출을 위한 센서부(20)를 포함하는 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 테라헤르츠 전자기파의 입사 및 검출을 위한 센서부(20)는 테라헤르츠 전자기파를 입사하는 입사부(21) 및 반사된 테라헤르츠 전자기파를 검출하는 검출부(22)를 포함하는 것이다.
구체적으로 상기 센서부는(20) 테라헤르츠 대역 전자기파를 생성하여 상기 전자기파 센서를 향하여 발진하는 테라헤르츠 대역 전자기파 입사부; 상기 전자기파 센서로부터 반사되는 전자기파를 집속하는 테라헤르츠 대역 전자기파 검출부; 및 상기 검출부에서 수신한 전자기파를 신호 처리하여 항 스트레스 호르몬을 검출하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼인 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 테라헤르츠 전자기파는 1초에 1012 만큼 진동하는 주파수(1 THz)를 기준으로 0.1~10 THz 영역에 달하는 전자기파로 정의할 수 있으며, 이와 같은 영역의 전자기파는 비이온화 특성을 갖고 있어 임계값을 넘지 않을 경우 인체에 무해한 것으로 알려져 있다. 더 나아가 임계값을 넘지 않더라도 이미 상온(Room temperature, RT) 25 ℃에서의 열 에너지 보다 낮은 값의 에너지를 갖는 것이므로 테라헤르츠 전자기파는 전 영역에 대해서 인체에 대한 비파괴성 및 안전성을 보장할 수 있는 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 테라헤르츠 전자기파는 0.1 내지 10 THz에 포함되는 것일 수 있고, 구체적으로는 0.5 내지 9 THz인 것 일수 있으며, 보다 구체적으로는 1 내지 8 THz인 것일 수 있다. 다만, 상기 테라헤르츠 전자기파는 상기 명시된 범위내에 국한되는 것이 아니며, 검출하고자 하는 특정 인자에 따라 다르게 이용되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 센서부(20) 는 도 1에 도시된 바와 같이, 센싱부의 하부에 위치하는 것이며, 입사부(21)로부터 방출된 전자기파가 센싱부(10) 를 거쳐 반사 또는 회절되어 검출부(22)로 집속되는 것일 수 있고, 이와 같이 검출부(22)로 집속된 전자기파를 통해 대상 입자 여부 판단 및 스트레스 수치를 센싱할 수 있는 것이다.
상기 검출부(22)에 집속되는 전자기파는 대상 입자가 검출되었을 경우 감지되는 반사 신호값(Reflectance)의 측정으로 반사 및 주파수 편이(frequency shift)를 통하여, 저분자 물질을 검출 및 진단할 수 있는 것이다.
도 2는 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼(1)의 입자를 포집하는 센싱부(10) 를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
상기 센싱부(10) 는 베이스 기판(101), 베이스 기판 상에 배치되어 슬릿 구조를 이루는 포집부(200) 및 특정한 입자 및 물질과 반응하여 상호 부착되는 반응부(30)를 포함하는 것이다.
구체적으로, 상기 센싱부(10)는 항 스트레스 호르몬을 투입하여 검출하는 센싱부는 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 형성되며 길이에 비하여 폭이 짧고 소정의 깊이를 갖는 슬릿이 복수개로 이격되어 배치되는 전도성 레이어를 포함하는 메타물질; 항 스트레스 호르몬과 특이적으로 결합하는 바이오 탐침; 및 상기 메타물질의 슬릿 내에 형성되며 상기 바이오 탐침과 결합하여 상기 바이오 탐침을 상기 슬릿 내에 고정하는 링커;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서 상기 베이스 기판(101)은 테라헤르츠 전자기파의 반사가 가능한 기판일 수 있다. 구체적으로는 금속, 플라스틱, 세라믹, 유기물질인 것일 수 있고, 더 구체적으로는 실리콘(Si), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌 (polypropylene, PP), 폴리스티렌 (polystyrene, PS), 페놀류(Phenols) 등인 것일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 실리콘(Silicon, Si)인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 상기 베이스 기판(101)상에 배치되어 슬릿 구조를 이루는 포집부(200)의 경우, 슬릿을 구성하기 위해 전도체로 제작된 메타물질(201); 및 입자의 포집과 반응을 위해 구성된 슬릿 구조(202)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 슬릿(202)은 복수로 구성되는 것이며, 특정 메타물질(201)로 구성된 것일 수 있고, 상기 슬릿(202)은 동일한 패턴으로 형성되는 것일 수 있다. 특히 복수의 슬릿은 일정 폭과 길이를 가진 복수의 구조가 일정 간격을 가지고 베이스 기판(101) 상에 배치되는 것일 수 있다.
상기 슬릿(202)은 테라헤르츠 전자기파를 파장 한계를 넘어 파장 대비 일정 영역에 전자기파를 집중시키는 역할 하는 것으로서, 테라헤르츠의 회절, 반사등의 현상을 집중 및 증폭하여 미량의 입자에 관한 측정 효율을 증가시키는 것일 수 있으며, 이들의 구조에 따라 전자기파의 집속율, 주파수 등이 변경되는 것이므로 이를 이용하여 보다 스트레스의 진단을 가능하게 하는 것이다.
상기 슬릿(202)을 이루는 메타물질은 금속과 같이, 전자기파의 전달 및 전류의 전달이 온전하게 이루어질 수 있는 물질을 의미한다.
상기 메타물질(201)에 사용될 수 있는 물질로는 금속, 합금, 반도체, 복합체, 전해질인 것일 수 있고, 구체적으로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)과 같은 금속 전도체로 구성된 군에서 선택된 1종인 것; 실리콘(silicon), 게르마늄(germanium), 갈륨(Gallium), 카바이드(Silicon Carbide), 카드뮴(Cadmium), 아연(zinc), 텅스텐(tungsten), 망간(Mn)으로 구성된 반도체로 구성된 군에서 선택된 1종인 것; 폴라아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiopene), 폴리페닐렌(polyphephenylene), 폴리비닐렌(polyvinylene), 및 그래핀(griffin)과 같은 전도성 고분자로 구성된 군에서 선택된 1종인 것; 및 이들의 조합 및 합금으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 메타물질로 구성된 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 금(Au)인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메타물질(201)은 그래핀을 더 추가하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메타물질(201)은 일정한 크기의 폭을 갖는 슬릿을 구성하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 슬릿은 20 내지 150 μm의 길이를 가진 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 50 내지 100 μm의 길이를 가진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메타물질(201)은 일정한 폭을 갖는 슬릿(202)을 구성하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 슬릿은 10nm 내지 4 μm의 길이를 가진 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 100nm 내지 1 μm의 길이를 가진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메타물질(201)은 일정한 깊이를 갖는 슬릿(202)을 구성하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 슬릿은 130 내지 170nm의 길이를 가진 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 140 내지 160 nm의 길이를 가진 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 센싱부(10) 중 반응부(30)를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반응부(30)는 포집부(200)의 슬릿(202) 구조 사이에 위치하는 것으로서, 상기 반응부(30)는 특정 인자 및 화합물을 포집하기 위한 바이오 탐침(302)과 메타물질(201)과 바이오 탐침(302)을 연결하기 위한 링커(301)로 구성된 것일 수 있다.
상기 반응부(30)는 특정 인자 및 특정 물질을 포집하여 슬릿 내에 결합을 하는 역할을 하는 것이며, 이때 테라헤르츠 전자기파가 이로 인해, 회절 정도 및 반사 정도에 차이가 생기게 될 경우 이를 인식하여 진단을 하는 역할을 하는 것일 수 있다. 특히 본 발명의 경우 스트레스 인자가 슬릿 내에 포집되어 결합되었을 경우 스트레스 정도를 판단하기 위한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 항 스트레스 호르몬은 코르티졸, 에피네프린, 노르에피네프린, 세로토닌, 도파민 및 아세틸콜린인 것일 수 있으며, 구체적으로는 코르티졸, 도파민, 세로토닌을 동시에 검출하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 본 발명의 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼(1)의 경우 코르티졸, 에피네프린, 노르에피네프린, 세로토닌, 도파민 및 아세틸콜린과 같이 호르몬 또는 신경 전달 물질로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 동시에 검출하는 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 코르티졸, 도파민, 세로토닌을 동시에 검출하는 것일 수 있다, 다만, 상기 언급된 호르몬 또는 신경 전달 물질에 국한되어 검출하는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 반응부의 바이오 탐침(302)은 항 스트레스 호르몬을 인식하여 포집하는 것일 수 있다. 구체적으로 호르몬, 신경 전달물질, 사이토카인, 키모카인 및 유전자를 선택적으로 포집하는 바이오 탐침인 것일 수 있으며, 구체적으로는 코르티졸, 에피네프린, 노르에피네프린, 세로토닌, 도파민 및 아세틸콜린인을 선택적으로 포집하는 바이오 탐침인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 코르티졸, 도파민, 세로토닌을 선택적으로 포집하는 바이오 탐침인 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 바이오 탐침(302)은 수용체(receptor)인 것일 수 있다. 구체적으로는 항체, 압타머, 수용체, GPCR, 및 지질 구조 수용체인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 호르몬이 부착될 수 있는 바이오 탐침 일체를 의미하는 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서 , 본 발명은 상기 스트레스 호르몬, 신경 전달 물질 뿐만이 아닌 약물을 검출할 수 있는 테라헤르츠 대역 전자기파 센서 및 이를 이용한 센싱 플랫폼 또한 제공할 수 있는 발명이다.
발명의 일 구체예로서, 상기 바이오 탐침은 오피오이드 나노디스크(Opioid nanodisk)를 구성하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 오피오이드 나노디스크는 오피오이드 수용체(receptor), 지질막 및 막지지 단백질(membrane scaffold protein, MSP)로 구성된 것이며, 이들은 생산속도 및 생산량이 우수한 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 오피오이드는 강력한 진통 효과를 가진 화합물인 것으로서, 중증 통증의 완화에 사용되는 것이며, 이는 아편과 같은 마약류 약물인 것일 수 있다. 구체적으로 오피오이드는 천연 오피오이드, 반합성 오피오이드 및 합성 오피오이드인 것이고, 보다 구체적으로는 모르핀(Morphine), 코데인(Codeine), 옥시코돈(Oxycodone), 하이드로코돈(Hydrocodone), 헤로인(Heroin), 펜타닐(Fentanyl), 메타돈(Methadone) 및 트라마돌(Tramadol)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 오피오이드 화합물인 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 오피오이드 수용체는 상기 오피오이드 화합물을 인식하는 뇌와 척수에 존재하는 수용체인 것이며, 구체적으로 μ(mu, 뮤), κ (kappa, 카파), δ (delta, 델타) 및 NOP(노시세프틴 수용체)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 오피오이드 수용체인 것이다. 또한, 상기 수용체는 스트레스와 관련된 호르몬을 수용하는 수용체인 것이다.
발명의 일 구체예로서, 상기 오피오이드 나노디스크를 구성하는 지질막은 세포막의 재구성 및 재접힘을 유도하는 역할을 하는 것이며, 이들은 지질 이중층(Lipid Bilayer, Supported Lipid Bilayer; SLB), 자기조립 단일층 (Self-Assembled Monolayer; SAM), 리포좀 (Liposome), 소포체(Vesicle), 폴리머-지질 혼합막 (Polymer-Lipid Hybrid Membrane), 지질 나노디스크 (Lipid Nanodisc) 및 블록 공중합체 지질막 (Polymersome)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 바이오 탐침 제작에 이용되는 지질막인 것일 수 있고, 구체적으로는 리포좀 (Liposome), 소포체(Vesicle), 폴리머-지질 혼합막 (Polymer-Lipid Hybrid Membrane) 및 지질 나노디스크 (Lipid Nanodisc)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 지질막인 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 지질 나노디스크인 것이다.
발명의 일 구체예로서, 상기 오피오이드 나노디스크를 구성하는 막지지 단백질은 나노디스크의 형태를 유지하기 위한 것으로서, 상기 막지지 단백질은 Apolipoprotein A-I 유래 MSP(MSP1, MSP1D1, MSP1E3D1), Styrene Maleic Acid Copolymer (SMA), DIBMA (Diisobutylene Maleic Acid) 및 Amphipols (Amphiphilic polymers)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 막지지 단백질을 이용하는 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 Apolipoprotein A-I 유래 MSP(MSP1, MSP1D1, MSP1E3D1)을 이용하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반응부의 바이오 탐침(302)과 메타물질(201)을 연결하기 위한 링커(301)는 슬릿(202)을 이루는 메타물질(201)에 부착되는 형태인 것으로서, 구체적으로는 전도체 슬릿의 하부, 측벽, 상부에 부착되는 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 측벽에 부착되는 것일 수 있다.
본 발명의 링커(301)는 슬릿을 이루는 메타물질(201)의 측벽에 부착되는 것이다. 기존의 메타물질(201)을 이용한 센싱데이터의 경우 링커를 부착하기 위하여 링커에 아민기(-NH3)를 부착하였으며, 또한 메타물질에 링커가 부착될 수 있게 코팅을 하거나, 베이스 기판에 링커 부착용 레이어를 이용하고 있으나, 본 발명의 경우 메타물질에 직접 링커를 부착하는 것일 수 있다.
상기 링커(301)를 부착하는 방법을 통해 본 발명은 전자기파의 손실이 기존의 센싱데이터 보다 감소하며, 이로 인하여 광 특성이 증폭될 수 있다. 더 나아가 다양한 카벤 화합물을 이용할 수 있으므로 다양한 바이오 탐침의 적용이 용이한 것이며, 기능화 측면이 우수하다. 또한 다양한 기능화를 이용하여 테라헤르츠 광 신호 증폭을 유도할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질(201)의 직접 적용한 링커(301)의 장점은 하기와 같다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 테라헤르츠파의 전기장 성분을 파장한계 이하의 스케일을 가지는 메타물질 내부에 효과적으로 집속시켜서 intensity 기준으로 수십만배의 증폭효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 상기 주파수 공명을 통해 얻어진 증폭효과를 활용할 때, 테라헤르츠 파장대비 감지 불가능한 수준의 작은 저분자물질 혹은 광-반응성이 낮은 물질들도 감지할 수 있는 고민감도의 센싱 퍼포먼스를 보일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 물리적 스위핑(sweeping), 표면처리 및 화학 친화도(chemical affinity)를 활용한 포집, 유체 및 용매 속에서의 유체유동 통제 등을 활용하여 물질을 전기장 증폭이 최대가 되는 sensing hotspot으로 위치시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 표면처리 기법 및 분자간 친화도를 활용하여 타겟 물질에 대해서도 높은 선택성을 가지도록 메타물질에 추가 기능성을 부여할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 다른 주파수 대역의 광학과는 다르게 테라헤르츠파는 부착 강도외에도 위상차에 대한 정보를 획득할 수 있어 물질 고유의 특성에 해당하는 광학상수의 분석이 용이하다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 금속에서의 광 반응성, 광자(photon)에 의한 전자 거동 모델 (electron drude model)들을 활용하여 테라헤르츠파를 이용한 실험치를 통해서 금속의 전기적, 열적 특성분석 또한 비 접촉(non-contact) 방식으로 구현 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 카벤 화합물의 입체 화학구조(stereochemistry)를 활용하여 THz 메타물질의 금(Au)으로 구성된 메타구조 내부의 전기장 효율이 극대화되는 sensing hotspot에 시료들을 특이적인 위치로 위치시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착의 효과는 기존에 기판에 표면처리 후 샘플을 부착하는 방식과 비교했을 때, 금(Au)으로 구성된 메타구조의 근접장에서 발생하는 전기장 증폭 효과를 입체적으로 모두 활용하여 더욱 높은 효율과 민감도를 보일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 메타물질을 활용한 광 전기장 증폭 방식의 경우, 신호 증폭 효과를 보여줄 수 는 있으나 기본적으로 전기장의 집속을 기반으로 하므로 sensing hotspot에 위치한 혼합물을 구분하여 광-물질 상호작용을 유도할 수는 없다는 한계점이 있다. 그러나 미세유체 전처리 및 나노디스크 구조의 도입을 활용하여 메타물질에 전기장증폭 및 광유도에 더하여 타겟하고자 하는 샘플에 대한 선택적 기능성을 부여해 줄 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 카벤 화합물을 활용할 경우, 통상적으로 금으로 이루어진 표면에 화합물로 많이 활용되는 황(sulfur) 기반 가교결합(crosslinking)보다 훨씬 안정된 퍼포먼스를 보일 수 있기 때문에, 역반응(reversible reaction) 기반으로 포집 물질의 탈부착을 통하여 재사용이 가능한 링커-수용체의 repeatability 및 robustness를 극대화 해줄 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메타물질-링커의 부착은 상기 특징들에 구조 및 설계를 통하여 증폭할 광-주파수와 광 특성을 높은 자유도로 조정(modulation) 할 수 있는 메타물질의 특성을 활용하여 여러가지 메타구조를 하나의 unit chip에 도입하여 멀티 마커를 검출한다거나, 테라헤르츠 유효 감지 주파수 영역을 모두 커버하는 광역(broadband) 메타물질 등을 디자인하여 다양한 변화(variation)을 줄 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반응부(30)는 메타물질(201)과 바이오 탐침(302)을 연결하기 위한 링커(301)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 링커(301)은 카벤 화합물인 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 카벤 화합물과 메타물질은 결합에너지가 우수하여 잘 부착하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로서 상기 카벤 화합물 (NHC)와 메타물질 (Au)의 결합에너지는 1 내지 3 ev인 것일 수 있고, 구체적으로는 2.5 내지 2.8eV인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 2.618eV인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로서 카벤 화합물 (NHC)와 메타물질 (Au)이 결합하였을 때 메타물질 표면 각은 60 내지 70˚인 것일 수 있고, 구체적으로는 63 내지 68˚인 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 65.73˚인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로서 카벤 화합물 (NHC)와 메타물질 (Au)이 결합하였을 때의 결합량은 5 내지 8 molecules/nm2 인 것일 수 있고, 구체적으로는 6 내지 7 molecules/nm2 인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 6.8967 molecules/nm2 인 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 카벤 화합물은 N-헤테로고리 카벤(N-heterocyclic carbine, 이하 NHC)인 것일 수 있으며, 카벤 화합물은 이에 제한되지 않고 카벤의 형태를 갖는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 카벤 화합물은 하기 화학식 1인 것일 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, 상기 R1은 아자이도부톡시(azidobutoxy), 아자이도에톡시(azidoethoxy), OH 또는 하기의 화학식 2인 것이며, 상기 R2는 디아이소프로필(diisopropyl), 디벤질(dibenzyl) 또는 H인 것이며, 상기 Y는 I-, Br-, C, N, O 또는 비공유 전자쌍인 것일 수 있다.
보다 구체적으로는 상기 R1은 하기의 화학식 2인 것이며, 상기 R2는 디아이소프로필(diisopropyl) 또는 디벤질(dibenzyl)인 것이며, 상기 Y는 I-, Br-, 또는 비공유 전자쌍인 것일 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에 있어서, 상기 X는 O, C, N, S 또는 CH3 인 것이고, 상기 n은 0, 1, 2 또는 3인 것이며, 상기 R3는 H3, NH3 또는 N3인 것일 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기 X는 O, C, 또는 CH3 인 것이고, 상기 n은 0 또는 3인 것이며, 상기 R3는 N3인 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 카벤 화합물은 하기의 화합물 1 내지 화합물 11 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 카벤 화합물을 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로 화합물 3 내지 화합물 6, 화합물 8 내지 화합물 11인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 화합물 4, 화합물 6, 화합물 9 및 화합물 11인 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 링커(301)는 하기 화합물 1로 구성된 카벤 화합물인 것일 수 있다.
[화합물 1]
상기 화합물 1은 1H-benzo[d]imidazol-5-ol인 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기 화합물 1로부터 제작된 하기 화합물 2인 것일 수 있다.
[화합물 2]
상기 화합물 2는 5-(4-azidobutoxy)-1H-benzo[d]imidazole인 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기 화합물 2로부터 제작된 하기 화합물 3 및 4인 것일 수 있다.
[화합물 3]
[화합물 4]
상기 화합물 3은 5-(4-azidobutoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium iodide인 것이며, 상기 화합물 4는 5-(4-azidobutoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium bromide인 것이다.
본 발명에 있어서 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기 화합물 3 및 4에 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)에 포함된 1M 칼륨 비스(트리메틸실릴)아미드(Potassium(K) HexaMethylDiSilazide, KHMDS)를 이용하여 제작된 것으로서, 하기의 화합물 5 및 6인 것일 수 있다.
[화합물 5]
[화합물 6]
상기 화합물 5는 6-(4-azidobutoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-2-ylidene(NHC1) 인 것이며, 상기 화합물 6은 6-(4-azidobutoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-2-ylidene(NHC2)인 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기 화합물 1로부터 제작된 하기 화합물 7인 것일 수 있다.
[화합물 7]
상기 화합물 7은 5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1H-benzo[d]imidazole인 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기 화합물 2로부터 제작된 하기 화합물 8 및 9인 것일 수 있다.
[화합물 8]
[화합물 9]
상기 화합물 8은 5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium iodide인 것이고, 상기 화합물 9는 5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium bromide 인 것이다.
본 발명에 있어서 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기 화합물 8 및 9에 테트라하이드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)에 포함된 1M 칼륨 비스(트리메틸실릴)아미드 (Potassium(K) HexaMethylDiSilazide, KHMDS)를 이용하여 제작된 것으로서, 하기의 화합물 10 및 11인 것일 수 있다.
[화합물 10]
[화합물 11]
상기 화합물 10은 6-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol 2 ylidene(NHC3)인 것이며, 상기 화합물 11은 6 (2 (2 (2 (2 azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy) 1,3 dibenzyl 1H benzo[d]imidazol-2- ylidene(NHC4) 인 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기의 화합물 1 내지 화합물 11 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 카벤 화합물을 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로 화합물 3 내지 화합물 6, 화합물 8 내지 화합물 11인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 화합물 5, 화합물 6, 화합물10 및 화합물 11인 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 카벤 화합물은 말단에 아자이드(azide), 프탈이미드(phthalimide), 또는 아민(amine)으로 구성된 것일 수 있다.
바명의 일 구체예로서, 상기 화합물 말단의 작용기는 메타물질에 화학적 기상 증착 방법 및 화학 용액 증착 방법으로 결합되는 것일 수 있고, 구체적으로는 화학적 기상 증착 방법 및 화학 용액 증착 방법으로 결합되는 것이다.
본 발명에 있어서, 도 4는 본 발명의 스트레스 진단용 전자기파 센싱 플랫폼(1)을 제작하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4에 도시된 제작 방법은 하기의 제작 단계를 포함하는 것일 수 있다.
베이스 기판을 준비하는 단계; 상기 베이스 기판 상에 상기 전도성 레이어를 적층하는 단계; 상기 전도성 레이어에 슬릿을 형성하는 단계; 상기 전도성 레이어의 슬릿 내에 링커를 형성하는 단계; 및 상기 링커에 상기 바이오 탐침을 결합하여 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼을 제조하는 방법으로 구성된 것일 수 있다.
구체적으로는, 하기의 단계를 갖는 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼을 제조하는 방법인 것일 수 있다.
(a) 베이스 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 베이스 기판 상에 몰드를 부착하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 몰드가 부착된 베이스에 전도성 레이어를 적층하는 단계;
(d) 상기 적층된 전도성 레이어에 슬릿을 형성하는 단계;
(e) 상기 (d) 단계에서 형성된 슬릿을 갖는 구조체에 링커를 형성하는 단계; 및
(f) 상기 (e) 단계에서 부착된 링커에 바이오 탐침을 부착하는 단계
발명의 일 실시예로서, 상기 (a)단계의 베이스 기판은 테라헤르츠 전자기파의 반사가 가능한 기판일 수 있다. 구체적으로는 금속, 플라스틱, 세라믹, 유기물질인 것일 수 있고, 더 구체적으로는 실리콘(Si), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌 (polypropylene, PP), 폴리스티렌 (polystyrene, PS), 페놀류(Phenols) 등인 것일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 실리콘(Silicon, Si)인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발명의 일 실시예로서, 상기 (b)단계의 몰드는 금형, 점토, 실리콘, 레진 등으로 구성된 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
발명의 일 실시예로서, 상기 (c)단계에서 전도성 레이어는 금속, 합금, 반도체, 복합체, 전해질인 것일 수 있고, 구체적으로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)과 같은 금속 전도체로 구성된 군에서 선택된 1종인 것; 실리콘(silicon), 게르마늄(germanium), 갈륨(Gallium), 카바이드(Silicon Carbide), 카드뮴(Cadmium), 아연(zinc), 텅스텐(tungsten), 망간(Mn)으로 구성된 반도체로 구성된 군에서 선택된 1종인 것; 및 이들의 조합 및 합금으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 메타물질로 구성된 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 금(Au)인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
발명의 일 실시예로서, 상기 (e) 단계에 있어서, 상기 링커는 카벤 화합물인 것이고, 상기의 화합물 1 내지 화합물 11 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 카벤 화합물을 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로 화합물 3 내지 화합물 6, 화합물 8 내지 화합물 11인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 화합물 4, 화합물 6, 화합물9 및 화합물 11인 것일 수 있다.
발명의 일 실시예로서, 상기 (f) 단계에서의 바이오 탐침은 항 스트레스 호르몬을 인식하여 포집하는 것일 수 있다. 구체적으로는 코르티졸, 에피네프린, 노르에피네프린, 세로토닌, 도파민 및 아세틸콜린인을 선택적으로 포집하는 바이오 탐침인 것일 수 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 코르티졸, 도파민, 세로토닌을 선택적으로 포집하는 바이오 탐침인 것일 수 있다.
본 발명은 항 스트레스 호르몬 검출용 센싱 플랫폼을 사용하여 항 스트레스 호르몬을 검출하는 방법을 제공하는 것일 수 있다.
상기의 항 스트레스 호르몬을 검출하는 방법은 하기의 단계를 포함하는 것일 수 있다.
(a) 전자기파 센싱 플랫폼에 대상 물질을 투입하는 단계;
(b) 상기 대상물질에 입사부로부터 방출된 테라헤르츠 대역 전자기파가 발진하는 단계;
(c) 상기 발진한 전자기파가 대상물질에 반사 되어 검출부로 집속하는 단계; 및
(d) 상기 집속된 전자기파를 신호로 처리하여 스트레스 호르몬의 검출 및 진단하여 판정하는 단계
발명의 일 실시예로서, 상기 테라헤르츠 대역은 0.1 내지 10 THz인 것일 수 있고, 구체적으로는 0.5 내지 9THz인 것 일수 있으며, 보다 구체적으로는 1 내지 8THz인 것일 수 있다. 다만, 상기 테라헤르츠 전자기파는 상기 명시된 범위내에 국한되는 것이 아니며, 검출하고자 하는 특정 인자에 따라 다르게 이용되는 것일 수 있다.발명의 일 실시예로서, 상기 호르몬은 정상 상태일 경우 스트레스 호르몬의 방출이 항상성을 유지하고 있는 것이며, 급격한 스트레스를 받을 경우 에피네프린 및 노르에피네프린이 즉각적으로 높게 방출되는 것일 수 있으며, 지속적인 스트레스의 경우 코르티졸이 지속적으로 높은 수준으로 유지되는 것이며, 점진적 스트레스의 경우 스트레스 호르몬의 전체적인 농도가 상승하는 것일 수 있다.
발명의 일 실시예로서, 상기 호르몬은 구체적으로는 코르티졸, 에피네프린, 노르에피네프린, 세로토닌, 도파민 및 아세틸콜린인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 코르티졸, 도파민, 세로토닌인 것일 수 있다.
발명의 일 실시예로서 상기 호르몬은 수용체에 부착되는 것일 수 있다. 상기 호르몬 수용체는 공지된 DNA, 아미노산, RNA, 항체, 및 압타머인 것일 수 있고, 구체적으로는 DNA, 아미노산, RNA에 의해 최적화 된 단백질인 것일 수 있으며, 구체적으로는 GPCR을 구성하는 단백질 서열을 포함하는 유전물질인 것일 수 있다. 그러나 상기 호르몬 수용체는 이에 제한되지 않으며, 신규한 단백질로 구성된 수용체인 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 호르몬 수용체는 호르몬 단백질을 이용하여 항체, 앱타머, 수용체를 제작하여 수득하는 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 호르몬 단백질의 생산 방법은 하기의 단계를 포함하는 것일 수 있다.
(a) 스트레스 호르몬 관련된 인자를 스크리닝하여 클로닝을 위한 서열을 제작하는 단계;
(b) 상기 최적화된 서열을 대장균에 삽입하여 클로닝하는 단계
(c) 상기 대장균을 50 μg/mL 카나마이신(Kanamycin)을 함유하는 LB 배지에서 OD600값이 0.6에 도달할 때까지 성장시키는 단계;
(d) 성장된 대장균으로부터 단백질을 수득하는 단계; 및
(e) 수득된 단백질을 크로마토그래피를 통해 원하는 단백질인지 검증하는 단계.
발명의 일 구체예로서, 상기 스트레스 호르몬 관련된 인자는 DNA, RNA, 단백질, 사이토카인, 키모카인, 호르몬인 것일 수 있으며, 구체적으로는 DNA, 단백질, 호르몬인 것이다.
발명의 일 구체에로서, 상기 클로닝을 하는 단계에서 사용하는 대장균은 HB101, JM109, CJ326m, DH5a, HST08, HST04 및 BL21(DE3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 대장균인 것일 수 있고, 구체적으로는 JM109, DH5a 및 BL21(DE3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 대장균인 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 BL21(DE3)인 것이다.
발명의 일 구체예에서 상기 대장균은 OD600값이 0.5 내지 0.7에 도달할 때까지 성장시키는 것일 수 있으며, 구체적으로는 OD600값이 0.55 내지 0.65에 도달할 때까지 성장시키는 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 OD600값이 0.6에 도달할 때까지 성장시키는 것일 수 있다.
발명의 일 실시예로서, 단백질을 수득하는 방법은 Sonication, centrifugation 및 homonization과 같은 일련의 균질화 방법을 이용하는 것일 수 있다.
발명의 일 실시예로서, 상기 호르몬 수용체를 생산하는 방법은 하기의 단계를 포함하는 것일 수 있다.
(a) 스트레스 관련 단백질 및 DNA등을 항체를 생산할 수 있는 실험동물에게 투입하는 단계;
(b) 시기적 간격을 두고 2차 내지 3차 접종하는 단계; 및
(c) 상기 실험동물로부터 찾고자하는 호르몬 수용체, 앱타머 및 항체 등을 분리하는 단계.
발명의 일 구체예로서, 상기 (a) 단계의 실험동물은 토끼, 마우스, 랫트, 돼지, 개, 원숭이, 및 말과 같은 항체 생산이 가능한 포유동물을 의미하며, 구체적으로는 인간이 아닌 포유동물인 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 (b)단계의 시기적 간격은 2 내지 6주의 간격으로 접종하는 것일 수 있고, 구체적으로는 3 내지 5 주의 간격으로 접종하는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 4주의 간격으로 접종하는 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 (b)단계의 접종 차수는 1 내지 5차를 수행하는 것일 수 있고, 구체적으로는 2 내지 4차 수행하는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 3차 접종을 수행하는 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 (c)단계의 찾고자하는 호르몬 수용체, 앱타머 및 항체 등을 분리하는 방법은 혈액, 타액, 소변, 대변, 모발 등으로부터 수득하는 것일 수 있고, 구체적으로는 혈액의 혈청을 분리하는 것일 수 있으나, 그 외의 비침습적인 방법을 이용할 수 있는 것이다.
본 발명의 일 실시예로서, 본 발명은 각기 다른 종류의 스트레스 호르몬을 동시에 검출할 수 있는 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼을 제공하는 것일 수 있다.
발명의 일 구체예로서, 상기 스트레스 호르몬은 본 발명에서는 오피오이드 수용체가 감지할 수 있는 스트레스 호르몬을 의미하는 것이나, 이에 제한되지 않으며, 오피오이드 수용체 외의 다른 수용체로 대체할 경우, 이를 신규한 약제학적 제제의 반응 검사에도 이용할 수 있는 것이다. 구체적으로 상기 다른 수용체로는 G 단백질 결합 수용체 (GPCR, G-protein Coupled Receptors), 리간드 개폐 이온 채널 (Ligand-Gated Ion Channels, LGICs), 효소 결합 수용체 (Enzyme-Linked Receptors), 핵 수용체 (Nuclear Receptors, NR), 고유 면역 수용체 (Innate Immune Receptors) 및 대사 감지 수용체 (Metabolic Sensors)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 수용체인 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 니코틴성 아세틸콜린 수용체 (nAChR), GABA-A 수용체, 글라이신 수용체 (GlyR), 글루탐산 수용체 (AMPA, NMDA, Kainate), 인슐린 수용체 (Insulin Receptor), EGF 수용체 (Epidermal Growth Factor Receptor, EGFR), TGF-β 수용체, 인터루킨 수용체 (IL receptors), TNF 수용체 (Tumor Necrosis Factor Receptor), 안드로겐 수용체 (AR), 에스트로겐 수용체 (ER), 글루코코르티코이드 수용체 (GR), 비타민 D 수용체 (VDR) 및 PPAR 수용체 (PPAR-α, PPAR-γ)등으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 수용체를 이용하는 것일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
따라서, 본 발명의 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼은 바이오 탐침의 종류에 따라 검사하고자 하는 스트레스 호르몬, 신경 전달 물질, 약물 또는 약제학적 제제 의 활성 및 검출이 가능한 것이며, 더 나아가, 임상 실험 및 치료에도 이용 가능한 발명이다.
발명의 일 실시예로서, 본 발명은 상기 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼을 포함하는 스트레스 호르몬 분석 장치를 제공하는 발명이다.
발명의 일 구체예로서, 상기 스트레스 호르몬 분석 장치는 미세유체회로, 센싱 플랫폼 및 분석 장치로 구성된 것일 수 있으며, 목적에 따라 장치를 추가할 수 있는 것이다.
발명의 일 구체예로서, 상기 미세유체회로는 랩 온 어 칩(Lab-on-a-Chip), 오간 온 어 칩(Organ-on-a-Chip), 페이퍼 베이스 미세유체회로(Paper-based Microfluidics) 및 디지털 미세유체회로(Digital Microfluidics)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 미세유체회로인 것일 수 있고, 구체적으로는 랩 온 어 칩 또는 오간 온 어 칩인 것이나, 이에 제한되지 않는다.
발명의 일 구체예로서, 본 발명은 미세유체(스트레스 호르몬, 신경 전달 물질, 약물, 약제학적 조성물 등)를 전처리하여, 본 발명의 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼으로 스트레스 호르몬, 신경 전달 물질, 약물 및 약제학적 조성물의 유무를 판단할 수 있는 것이다. 해당 판단은 테라헤르츠 파의 반사를 이용하여 검출하는 것이다.
발명의 일 구체예로서, 본 발명은 테라헤르츠 파장의 반사파를 이용하여 검출기로부터 정보를 얻는 것이다. 상기 검출기는 열적 검출기 (Thermal Detectors), 광전 효과 기반 검출기 (Photon-based / Quantum Detectors), 광혼합기 기반 검출기 (Heterodyne Detectors) 및 광학적/비선형 재료 기반 검출기로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 검출기를 이용하는 것일 수 있고, 구체적으로는 볼로미터 (Bolometer) , 피로일렉트릭 센서 (Pyroelectric), 열전쌍 (Thermopile), Golay Cell, 초전도 볼로미터 (Superconducting Bolometer), QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector), HEMT (High Electron Mobility Transistor) 기반 검출기, 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier Diode), FET 기반 THz 검출기, Schottky Diode Mixer(쇼트키 다이오드 믹서), SIS 믹서(Superconductor-Insulator-Superconductor (SIS) Mixer), HEBM(Hot Electron Bolometer Mixer), EO 샘플링 (Electro-optic sampling) 및 광도전 안테나 (Photoconductive Antenna, PCA)로 구성된 검출기 중 하나 이상의 검출기로 구성된 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.
발명의 일 실시예로서, 본 발명은 상기의 장치를 포함하는 키트를 제공하는 것일 수 있다.
상기 키트는 스트레스 호르몬, 신경 전달물질 약물 및 약제학적 조성물의 검출 및 검사하는 용도인 것일 수 있다.
이하 하나 이상의 구체예를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 메타물질에 직접 부착 가능한 링커 제작 방법
일반적으로 본 발명과 유사한 구성을 가진 메타물질을 이용한 센싱 플랫폼의 경우 화합물로 구성된 링커가 대부분 슬릿 바닥에 위치하며, 더 나아가 화합물을 부착하기 위하여 베이스 부(베이스 기판)에 하나 또는 그 이상의 재료를 추가하여 부착하고 있으며, 이러한 재료에 직접적으로 링커가 부착된다.
다만, 이 경우 추가적인 재료의 부착으로 인해 테라헤르츠의 반사 및 전달이 잘 집속되지 않는 경우가 있어 진단 및 판단 과정에서 어려움을 겪는 경우가 있다.
이에 본 발명에서는 공정과정의 간소화, 비용절감 및 진단율의 상승을 위해 메타물질에 직접적으로 부착이 가능한 링커를 개발하였으며, 이러한 링커에 바이오 탐침을 동시에 부착하여 스트레스 호르몬을 검출하고자 하는데 그 목적이 있는 발명이다.
따라서 이하의 실시예를 통해 상기의 링커를 제작하는 방법을 서술한다(도 5, 6).
1-1. 카벤 파생 화합물의 제작
1) 화합물 1(1H-benzo[d]imidazol-5-ol)의 제작방법
Formic acid (35 mL)를 4-amino-3-nitrophenol (1.0 g, 6.49 mmol), iron powder (3.6 g, 64.9 mmol), 및 NH4Cl (3.5 g, 64.9 mmol)이 포함된 isopropyl alcohol (70 mL) 혼합물에 첨가하였다.
반응 혼합물은 argon 하에서 90 ℃에서 20시간 동안 저어졌으며, 실온까지 냉각된 후 sintered glass filter를 통과하여 여과하였다. 고체물은 isopropyl alcohol로 세 번 세척되었다. 여과액은 건조한 후 포화된 NaHCO3 용액이 pH 7이 될 때까지 조심스럽게 중화되었다.
그런 다음, 이 분산물은 메틸렌 클로라이드 (3 x 100 mL)로 추출되었다.
결합된 유기 상은 Na2SO4에서 여과하였으며 진공상태에서 증발되었다.
원료 물질은 dichloromethane:methanol gradient mixtures를 사용하여 silica column chromatography로 정제되었다(도 7 내지 9).
수율: 0.57 g (65%). 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ 8.15 (s, 1H), 8.01 (s, 2H), 7.37 (d, J = 8.6 Hz, 2H), 6.88 (d, J = 2.2 Hz, 2H), 6.68 (dd, J = 8.6, 2.3 Hz, 2H). 13C{1H} NMR (151 MHz) δ 163.57, 153.66, 141.22, 111.90. ESI-MS (m/z) for C7H7N2O+: 135.0543, Calc.: 135.0553.
2) 화합물 2(5-(4-azidobutoxy)-1H-benzo[d]imidazole)의 제작방법
Sodium metal (0.37 g; 16 mmol)을 ethanol (10 mL)에 용해시켰다.
화합물 1 (2.01 g, 15 mmol)을 sodium ethoxide 용액에 첨가하고 0 ℃에서 30분 동안 저어주었다. 그런 다음 ethanol (2 mL)에 1-azido-4-bromobutane (3.57 g, 15 mmol)의 용액을 첨가하고 실온에서 15시간 동안 저어주었다.
반응 혼합물은 진공 상태에서 증발되고, 잔류물은 dichloromethane:methanol gradient mixtures를 사용하여 silica column chromatography로 정제되었다(도 10 내지 12).
수율 : 1.2 g (35%). 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 8.65 (s, 1H), 8.02 (s, 1H), 7.54 (d, J = 8.8 Hz, 1H), 7.08 (d, J = 2.3 Hz, 1H), 6.92 (dd, J = 8.8, 2.3 Hz, 1H), 3.99 (t, J = 6.0 Hz, 3H), 3.36 (t, J = 6.8 Hz, 3H), 1.90-1.85 (m, 3H), 1.83-1.76 (m, 3H). 13C{1H} NMR (151 MHz) δ 155.90, 140.30, 137.55, 132.83, 116.45, 113.13, 98.49, 67.86, 51.19, 26.52, 25.77.
3) 화합물 7(5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1H-benzo[d]imidazole)의 제작방법
sodium metal (0.37 g; 16 mmol)을 ethanol (10 mL)에 용해시켰다. 화합물 1 (2.01 g, 15 mmol)을 sodium ehtoxide 용액에 첨가하고 0 ℃에서 30분 동안 저어주었다. 그 후 ethanol (2 mL)에 1-azido-2-(2-(2-(2- bromoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethane (3.57 g, 15 mmol) 용액을 첨가하고 실온에서 15시간 동안 저어주었다.
반응 혼합물은 진공 상태에서 증발되고, 잔류물은 dichloromethane:methanol gradient mixtures를 사용하여 silica column chromatography로 정제되었다(도 19 내지 21).
수율: 1.1 g (30%). 1H NMR (600 MHz, cdcl3) δ 8.00 (s, 1H), 7.52 (s, 1H), 7.06 (s, 1H), 6.91 (d, J = 8.7 Hz, 1H), 4.11 (s, 2H), 3.85 (s, 2H), 3.77-3.59 (m, 13H), 3.35 (t, J = 4.7 Hz, 2H). 13C{1H} NMR (101 MHz) δ 155.54, 140.77, 116.63, 112.97, 98.78, 70.73, 70.66, 70.61, 70.57, 69.94, 69.82, 68.09, 50.62.
1-2. NHC1의 제작방법
1) 화합물 3 ( 5-(4-azidobutoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium iodide)의 제작방법.
anhydrous acetonitrile (40 mL) 속에 2-iodopropane(2.52 mL, 25.3 mmol) 용액을 화합물 2 (234 mg, 1.01 mmol) 및 Cs2CO3 (330 mg, 1.01 mmol)의 혼합물에 첨가하였다.
반응 혼합물은 argon 하에서 90 ℃에서 24시간 동안 저어졌다. 그 후, excess 2-iodopropane 과 용매를 진공 상태에서 증발시켰다.
원료 물질은 dichloromethane:methanol gradient mixtures를 사용하여 silica column chromatography로 정제되었다(도 13 내지 15).
수율 : 290 mg (65%) 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 10.52 (s, 1H), 7.73 (d, J = 9.2 Hz, 1H), 7.30 (d, J = 13.4 Hz, 1H), 7.25 (dd, J = 9.1, 1.4 Hz, 1H), 5.20 (tt, J = 13.7, 6.7 Hz, 2H), 4.18 (t, J = 6.0 Hz, 2H), 3.41 (t, J = 6.7 Hz, 2H), 2.00-1.92 (m, 2H), 1.85 (m, 16H). 13C{1H} NMR (151 MHz) δ 158.57, 138.14, 132.12, 124.81, 117.51, 114.58, 96.95, 68.80, 52.35, 51.94, 351.09, 26.24, 25.59, 22.35. ESI-MS (m/z) for C17H26N5O+: 136.2135, Calc. : 316.2132
2) 화합물 4(6-(4-azidobutoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-2-ylidene, NHC1)의 제작방법
화합물 3 (44.3 mg, 0.1 mmol)을 anhydrous THF (10 mL)에 글로브박스 안에서 저어가며 용해시켜 free carbene을 획득하였다. 1 M KHMDS in THF (0.1 mL, 0.1 mmol)를 기준 용액으로 실온에서 혼합물에 점진적으로 첨가하고 20분 동안 저어주었다. 즉각적으로 하얀색 침전물 (KI)의 생성이 관찰되었다. 결과 혼합물은 0.2 μm PTFE 주사 필터를 통과하여 여과되고 carbene의 0.01 M 농도로 희석되었다(도 13 내지 15).
1-3. NHC2의 제작방법.
1) 화합물 5(5-(4-azidobutoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium bromide)의 제작방법
Benzyl bromide (3.0 mL, 25.3 mmol)을 anhydrous acetonitrile (40 mL) 속에 화합물 2 (450 mg, 1.01 mmol) 및 Cs2CO3 (330 mg, 1.01 mmol)의 혼합물에 첨가하였다.
반응 혼합물은 argon 하에서 90 ℃에서 24시간 동안 저어졌다. 그 후, excess benzyl bromide와 용매를 진공 상태에서 증발시켰다.
원료 물질은 dichloromethane:methanol gradient mixtures를 사용하여 silica column chromatography로 정제되었다(도 16 내지 18).
수율 : 305 mg (61%) 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 11.45 (s, 1H), 7.54 (d, J = 7.3 Hz, 2H), 7.48 (d, J = 7.1 Hz, 2H), 7.44 (d, J = 9.1 Hz, 1H), 7.37-.28 (m, 7H), 7.09 (s, 1H), 7.04 (d, J = 9.2 Hz, 1H), 5.88 (s, 2H), 5.81 (s, 2H), 3.99 (t, J = 5.8 Hz, 2H), 3.33 (t, J = 6.6 Hz, 2H), 1.87 1.80 (m, 2H), 1.78 1.69 (m, 2H). 13C{1H} NMR (151 MHz) δ 158.56, 141.75, 141.70, 132.76, 132.62, 132.55, 129.29, 129.27, 129.15, 129.09, 128.33, 128.19, 125.33, 117.60, 114.45, 96.85, 68.40, 51.46, 51.17, 51.03, 26.10, 25.54. ESI-MS (m/z) for C25H26N5O+: 412.2126, Calc. : 412.2132.
2) 화합물 6(6-(4-azidobutoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-2-ylidene, NHC2)의 제작방법
Free carbene은 글로브박스 안에서 저어가며 anhydrous THF에 화합물 5 (49.2 mg, 0.1 mmol)를 용해하여 얻었다.
기준 용액으로, 실온에서 혼합물에 1 M KHMDS in THF (0.1 mL, 0.1 mmol)를 점적으로 첨가하고 20분 동안 저어주었다. 즉각적으로 상아색 침전물 (KBr)의 생성이 관찰되었다. 최종 혼합물은 0.2 μm PTFE 주사 필터를 통과하여 여과되고 carbene의 0.01 M 농도로 희석되었다(도 16 내지 18).
1-4. NHC3의 제작방법
1) 화합물 8(5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium iodide)의 제작방법.
2-iodopropane (2.52 mL, 25.3 mmol) 용액을 anhydrous acetonitrile (40 mL) 속에 화합물 7 (340 mg, 1.01 mmol) 및 Cs2CO3 (330 mg, 1.01 mmol)의 혼합물에 첨가하였다. 반응 혼합물은 argon 하에서 90 ℃에서 24시간 동안 저어졌다.
그런 다음, exceed 2-iodopropane과 용매를 진공 상태에서 증발시켰다.
원료 물질은 dichloromethane:methanol gradient mixtures를 사용하여 silica column chromatography로 정제되었다(도 22 내지 24).
수율 : 276 mg (68%). 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 10.64 (s, 1H), 7.68 (d, J = 9.1 Hz, 1H), 7.30 7.23 (m, 2H), 5.21 5.10 (m, 2H), 4.29 (s, 2H), 3.94 (s, 2H), 3.78 3.65 (m, 10H), 3.48 (s, 1H), 3.39 (t, J = 4.5 Hz, 2H), 1.85 (d, J = 6.7 Hz, 12H). 13C{1H} NMR (151 MHz) δ 158.50, 138.56, 131.97, 124.97, 117.45, 114.48, 97.32, 70.82, 70.65, 70.58, 69.99, 69.45, 68.86, 52.41, 52.04, 22.30, 22.20. ESI MS (m/z) for C21H34N5O4+: 420.2601, Calc.: 420.2605.
2) 화합물 9(6-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-diisopropyl-1H-benzo[d]imidazol-2-ylidene, NHC3)의 제작방법.
Free carbene은 글로브박스 안에서 저어가며 anhydrous THF에 화합물 8 (55 mg, 0.1 mmol)을 저어가며 용해시켜 얻었다.
1 M KHMDS in THF (0.1 mL, 0.1 mmol)을 기준 용액으로, 실온에서 혼합물에 첨가하고 15분 동안 저어주었다. 즉시 하얀 침전물 (KI)의 생성이 관찰되었다.
결과 혼합물은 0.2 μm PTFE 주사 필터를 통과하여 여과되고 카벤의 0.01 M 농도로 희석되었다(도 22 내지 24).
1-5. NHC4의 제작방법
1) 화합물 10(5-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-3-ium bromide)의 제작방법.
Benzyl bromide (3.0 mL, 25.3 mmol)을 anhydrous acetonitrile (40 mL) 속에 화합물 7 (340 mg, 1.01 mmol) 및 Cs2CO3 (330 mg, 1.01 mmol)의 혼합물에 첨가하였다.
반응 혼합물은 아르곤 하에서 90 ℃에서 24시간 동안 저어졌다.
그 후, excess benzyl bromide 와 용매를 진공 상태에서 증발시켰다.
원료 물질은 dichloromethane:methanol gradient mixtures를 사용하여 silica column chromatography로 정제되었다(도 25 내지 27).
수율: 420 mg (70%). 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 11.74 (s, 1H), 7.54-7.47 (m, 4H), 7.43-7.35 (m, 7H), 7.11 (dd, J = 9.2, 2.3 Hz, 1H), 7.01 (d, J = 2.2 Hz, 1H), 5.84 (s, 2H), 5.82 (s, 2H), 4.12-4.08 (m, 2H), 3.87-3.83 (m, 2H), 3.73-3.64 (m, 9H), 3.39-3.35 (m, 2H). 13C{1H} NMR (101 MHz) δ 158.61, 141.97, 132.71, 132.62, 132.50, 129.36, 129.24, 129.19, 128.33, 128.26, 125.48, 117.70, 114.42, 97.17, 70.76, 70.65, 70.63, 70.59, 70.00, 69.35, 68.65, 51.52, 51.22, 50.66. ESI-MS (m/z) for C29H34N5O4+: 516.2603, Calc.: 516.2605.
2) 화합물 11(6-(2-(2-(2-(2-azidoethoxy)ethoxy)ethoxy)ethoxy)-1,3-dibenzyl-1H-benzo[d]imidazol-2- ylidene, NHC4)의 제작방법.
Free carbene은 글로브박스 안에서 저어가며 anhydrous THF에 화합물 10(60 mg, 0.1 mmol)을 저어가며 용해시켜 얻었다.
기준 용액으로, 실온에서 혼합물에 1 M KHMDS in THF (0.1 mL, 0.1 mmol)를 점적으로 첨가하고 15분 동안 저어주었다. 즉각적으로 상아색 침전물 (KBr)의 생성이 관찰되었다. 최종 혼합물은 0.2 μm PTFE 주사 필터를 통과하여 여과되고 카벤의 0.01 M 농도로 희석되었다(도 25 내지 27).
실시예 2. 카벤 화합물과 메타물질의 부착
2-1. 특징
본 발명의 링커는 슬릿을 이루는 메타물질의 측벽에 부착되는 것이다. 기존의 메타물질을 이용한 센싱데이터의 경우 링커를 부착하기 위하여 링커에 아민기(-NH3)를 부착하였으며, 또한 메타물질에 링커가 부착될 수 있게 코팅을 하거나, 베이스 기판에 링커 부착용 레이어를 이용하고 있으나, 본 발명의 경우 메타물질에 직접 링커를 부착하여 이용할 수 있다(도 28).
상기 링커를 부착하는 방법을 통해 본 발명은 전자기파의 손실이 기존의 센싱데이터 보다 감소하며, 이로 인하여 광 특성이 증폭될 수 있다. 더 나아가 다양한 카벤 화합물을 이용할 수 있으므로 다양한 바이오 탐침의 적용이 용이한 것이며, 기능화 측면이 우수하다. 또한 다양한 기능화를 이용하여 테라헤르츠 광 신호 증폭을 유도할 수 있다.
2-2. 제작 방법.
상기에서 언급한 바와 같이 링커를 슬릿의 측벽에 부착시키기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다.
1) DFT 계산을 통한 금속 및 NHCs 세부사항 결정.
금속(금, Au)과 카벤 화합물의 화학 반응을 조사하기 위해 Gaussian 09 프로그램 패키지를 사용하여 지원되는 Avogadro 1.2.0 소프트웨어를 사용하여 밀도 기능 이론 (Density functional theory, DFT) 계산이 수행되었다.
중심에 있는 금속과 카벤 화합물 사이의 화학 상호작용을 조사하기 위해 NHC1, NHC2, NHC3 및 NHC4와 같은 다양한 카벤 화합물이 금(Au)에 화학 결합을 통해 연결되었다.
모든 모델의 전체 기하 최적화는 하이브리드 기능 방법 (B3LYP)과 Pople의 분할-가수원 이중 채택 기초 집합(Pople's split-valence double-zeta basis set)6-31G(d)를 사용하여 수행되었다. Gauss-view 프로그램 및 Avogadro 1.2.0을 사용하여 결합 에너지 (E), 상호결합 에너지(rE), 가장 높은 점유 분자 궤도 에너지 (HOMO), 비어있는 가장 낮은 분자 궤도 에너지 (LUMO), 밴드 갭 에너지 (Eg) 및 전자 밀도 맵과 같은 전자적 성질을 검사하고 계산했다.
전자 밀도 맵에서 iso-surface 값을 0.02로 설정하였다 (단위: 보어).
2)실험 결과.
상기의 방법을 통해 DFT를 확인한 결과 NHC/Au의 경우 LUMO가 -3.688 eV 이며, 대조군으로 사용한 화학결합에 자주 이용되어지는 황화물로서 SH의 경우 HOMO가 -6.306eV인 것으로서, 이들의 갭 차이는 -2.618 eV인 것으로서 상기에 제시된 결과를 종합하였을 때, NHC는 높은 에너지 수준을 갖는 것이며, SH는 이보다는 낮은 에너지 수준으로 판단되는 것이다.
구체적으로 NHC의 경우 SH에 비해 전자를 잘 받아들이는 것으로서 화학 반응성에서 전자 수용체로 작용하여 반응 중간체로서의 역할을 수행하는 것이며, 더 나아가 SH에 비해 더 안정적이고 반응적인 분자인 것이므로 더 높은 에너지 수준을 갖는 것이다.
따라서 상기 DFT 실험을 통해 확인한 결과 Au와 NHC의 부착은 보다 용이할 것으로 판단되며, 안정적인 것으로서, 링커에 바이오 탐침과 같은 수용체를 부착하기에는 매우 용이한 것으로 보인다(도 29).
2-3. 금속-카벤 결합시 표면 특성의 변화
1)표면의 접촉각 (contact angle) 측정
본 발명에서는 상기의 과정을 통해 확인한 금속-카벤의 결합에 있어서, 접촉각을 비교하였다(도 30).
접촉각을 비교한 결과 Au이 경우 73.81°였으며, NHC의 경우 65.73°의 접촉 각을 나타내었다. 따라서 Au만을 이용하였을 때 보다, NHC를 결합하였을 때, Au의 접촉각 특성이 변화하는 것이며, 화학적 특성의 변화를 통해 보다 타겟하고 자 하는 물질이 보다 안정적으로 잘 부착될 수 있는 것이며, 타겟하고자 하는 물질이 극 미량이더라도 이들에 부착하기 용이한 것이므로 이를 통해 진단율이 우수한 플랫폼을 구성할 수 있는 것이다.
2)엑스선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 표면 특성 변화 측정
상기의 접촉각에 이어서, XPS를 이용한 표면 특성의 변화를 측정하였다(도 31).
XPS는 X선을 이용하여, 이들의 화학적 상태를 파악하는 것으로서, 화학적 결합상태를 확인하고, 이들의 결합 에너지를 측정하는 것으로서, Au에 본 실험에서 제작한 NHC를 부착하였을 경우 결합에너지가 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
3) 금속-카벤의 결합량 분석(cyclic voltammetry)
카벤 화합물을 금속에 부착하였을 경우의 결합량을 측정하기 위해 cyclic voltammetry를 측정하였다(도 32).
Cyclic volammetry를 통해 측정한 결과, NHC가 6.8967 molecules/nm2의 결합량을 갖는 것으로 나타났다.
이를 통해 Au에 NHC를 부착하는 것이 용이한 것임을 확인하였으며, 이들을 센싱 플랫폼에 이용하기에 용이한 것임을 알 수 있다.
실시예 3. 바이오 탐침의 제작
본 발명에서는 스트레스를 유발하는 호르몬 또는 관련 인자를 진단하기 위하여, 이를 타겟으로 하는 바이오 탐침을 제작하였다.
구체적으로 바이오 탐침은 호르몬 수용체, 항체, 앱타머와 같은 것으로서, 본 발명의 일 실시예로서는 호르몬 수용체를 이용하여, 스트레스 진단용 전자기파 센싱 플랫폼을 제작하였다.
3-1. 정제
스트레스와 관련된 단백질 및 호르몬의 공지된 DNA서열 및 아미노산 서열을 통해 각 호르몬에 관련된 단백질을 코돈 최적화하였다. 이후, 대장균에서 단백질 발현을 위해 합성하고 pET28a(+)에 N-끝에 헥사히스티딘 친화 태그가 있는 클로닝을 진행하였다.
클로닝된 플라스미드는 대장균 BL21(DE3) 균주로 변형되었으며, 세포는 37°C에서 50 μg/mL 카나마이신(Kanamycin)을 함유하는 LB 배지에서 OD600 값이 0.6에 도달할 때까지 성장되었다.
재조합 단백질 발현은 0.5 mM 이소프로필 β-D-1-티오갈락토피로노시드 (isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside, IPTG)로 18°C에서 20 시간 동안 유도되었다. 수용체의 단백질 코딩 유전자는 C-끝에 헥사히스티딘 태그가 있는 pET21a(+)에 클로닝하여 단백질을 생산하였다.
이후, 세포는 5,000 rpm으로 30 분간 원심 분리하여 수확되었으며, 중화 용액 (20 mM Tris-HCl, pH 8.0, 500 mM NaCl, 5 mM β- Mercaptoethanol, 2 mM Phenylmethanesulfonyl-Fluoride)으로 재현탁되었으며 sonication을 이용하여 파쇄되었다. 파쇄 된 세포를 18,000 rpm으로 40 분간 원심 분리한 후, 펠릿은 변성용액 (50 mM Tris-HCl, pH 8.0, 500 mM NaCl 및 8 M Urea)을 이용하여 homogenization 되었고, 변성 시료는 실온에서 2 시간 동안 배양되었다.
Homonization된 분획물은 50 mM Tris-HCl, pH 8.0, 300 mM NaCl 및 8 M Urea와 함께 HisTrap FF 컬럼(GE Healthcare, 미국)으로 크로마토그래피를 수행하였다. 재조합 단백질은 용질 용액 (20 mM Tris-HCl, pH 8.0, 300 mM NaCl, 200 mM Imidazol 및 8 M Urea)으로 용질되었다. 용질된 단백질은 추가 실험을 위해 인산 완충 용액(Phosphate buffered saline, PBS) 에 희석되었다.
3-2. 수용체, 항체의 제작
스트레스 유발 관련 호르몬의 수용체 또는 이와 관련된 인자를 수득하기 위해 항체를 제작하였다.
스트레스 인자를 유발하는 항원을 토끼에 Freund's adjuvant (Sigma)와 함께 IP(injected intraperitoneally)를 통해 접종하였으며, 1차 접종 이후 4주뒤, 4주 간격으로 항원과 Freund's adjuvant (Sigma)를 추가 투여하고, 이후 2주 간격으로 2, 3차 접종을 수행하였다.
이후 토끼로부터 채혈하여 혈청을 분리하였다. 분리된 혈청을 바탕으로 ELISA, SDS-PAGE, Western blot을 통해 찾고자 하는 항체 또는 스트레스 유발 인자의 수용체를 확인하였으며, 이후 protein G column을 이용하여 면역 혈청으로부터 분리 및 보관하여, 본 발명의 링커에 부착하는 바이오마커로 이용하였다.
3-3. 오피오이드 나노디스크의 생성
상기 발현 및 정제된 바이오마커를 이용하여 오피오이드(Opioid) 나노디스크를 생산하였다.
상기 오피오이드란 강력한 진통효과를 가진 화합물로서, 마약류의 일종인 화합물을 의미하는 것이며, 본 발명에서는 오피오이드를 검출하는 나노디스크를 이용하여, 스트레스 호르몬 검사를 실시할 수 있는 검출 장치를 제공하고자 하는 것이다.
오피오이드 수용체는 세포막에 존재하는 막 단백질로서, 세포막 환경에서만 제 기능을 나타낸다. 또한, 나노디스크 구조체 자체는 높은 구조적 안정성을 가지며, In vitro 또는 상온에서도 안정성을 지니기에 여러 센서 플랫폼에 쉽게 도입이 가능할 것으로 예상되었다.
이에, 오피오이드 나노디스크는 세포막 단백질인 GPCR 수용체의 구조안정성을 위하여 계면활성제 내에서 오피오이드 수용체(receptor)를 지질을 첨가하여 지질막으로 둘러싸고 (세포막 재구성 및 재접힘 유도), 막지지 단백질(membrane scaffold protein, MSP)를 도입하여 나노디스크 형태로 제작하였다. 상기와 같은 방법을 통해 나노디스크의 형태를 유지하였다. 이러한 방법을 통해 제작된 오피오이드 나노디스크는 생산속도 및 생산량이 우수하여, 수 mg 수준으로 대량 생산이 가능하다.
상기와 같이 제작된 오피오이드 나노디스크와 신경 전달물질 분자간의 상호작용 및 활성을 확인하였다. 이때, 본 발명의 오피오이드 나노디스크는 In vitro에서 또한 안정성, 분자간 상호작용 및 활성을 확인할 수 있었으며, 상기와 같은 결과를 통해 본 발명의 오피오이드 나노디스크는 센서에 적용 시 타겟 스트레스 호르몬 분자에 대한 선택성 및 반응성을 높일 수 있음이 확인되었다(도 33).
실시예 4. 메타물질 구조의 최적화 및 제작 방법
4-1. 메타물질 구조 최적화
수십마이크로 스케일의 금속 나노슬롯 패턴을 포토리소그래피 방법을 통해 하여 웨이퍼 스케일의 대면적에 대량 제작 하였다. 이때, 상기 제작된 메타물질은 슬릿 어레이 구조를 가진 메타물질 설계로 구성된 것이며, 이는 신경 전달물질 분자에 타겟이 되는 공진 파장 조절과 국소부위 전자기장 증폭을 가능하게 제작하였다. 해당 나노슬롯 패턴 내부 표면에 작용기를 도입해 나노미터수준의 크기를 가지는 나노디스크 생체모사 구조체를 부착할 수 있도록 제작하였다(도 34).
4-2. 카벤 화합물 링커 - 수용체 나노디스크의 결합 및 이들이 부착된 메타물질의 제작
상기 실시예 2에서 제작된 카벤 화합물 링커와 실시예 3의 결과값을 이용하여, 카벤 화합물을 메타물질에 결합하였다. 이때 카벤 화합물의 말단은 아자이드(azide), 프탈이미드(phthalimide), 또는 아민(amine)으로 기능화 되어 있으며, 카벤 화합물 말단의 작용기는 나노디스크와 같은 바이오물질과의 결합을 용이하게 제작되었고, 화학적 기상 증착 방법 또는 화학용액 증착 방법으로 메타물질의 금속층의 표면에 카벤 화합물을 결합하였다.
상기와 같은 구조로 인해 메타물질에 카벤 화합물을 링커로 신경 전달물질 수용체 나노디스크 생체막 모사 구조체를 안정적으로 고정화 할 수 있도록 하였다. 상기와 같이 수용체 나노디스크가 단단하게 부착된 메타물질 소자 제작으로, 타겟 마약 분자와의 특이적인 반응성을 THz 로 감지 가능한 메타물질 센서를 제작하였다(도 35).
4-3. 제작된 구조체의 반사도 및 주파수 편이 관측
상기 실시예 4-2 와 같이 제작된 구조체의 반사도 및 주파수 편이를 관측하였다.
수용체 나노디스크가 결합되어있는 메타물질에 테라헤르츠 대역 빛을 인가하여, 타겟 스트레스 호르몬 분자 존재 시 감지되는 반사도(Reflectance) 및 주파수 편이 (frequency shift)를 측정하였다. 이때, 메타물질은 테라헤르츠 전기장을 강하게 집속시켜 측정 신호를 수십만배 증폭시킬 수 있으며 이를 통해 기존 유사한 메타물질 활용 광센서 플랫폼 대비 감지 효율을 비약적으로 높이는 것이 가능하다. 또한, 내부에 부착된 세포막 수용체를 모사한 나노디스크 구조를 활용함으로서 나노-마이크로 수준의 작은 공간에 타겟 마약 분자를 높은 선택도 및 반응친화도로 검출이 가능함을 확인할 수 있다(도 36, 37).
구체적으로 본 발명 구조체의 메타물질 표면의 나노슬롯 구조는 테라헤르츠 파의 전기장을 효율적으로 집속시켜 신호를 증폭시켜 테라헤르츠 시간기반 분광기술을 활용한 측정에 특화되어 있다. 상기 테라헤르츠의 파장은 800 nm 파장을 갖는 펨토초 레이저를 이용하여 테라헤르츠 펄스를 출력하여 이용하였으며, 해당 출력된 테라헤르츠 파를 메타물질 구조체에 수직 입사시킨 뒤 반사되어 나오는 파장을 detector로 감지하여 측정하였다(도 38).
본 발명의 구조체를 도입 시 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 측면에서 높은 효율을 가질 수 있으며 이를 통해서 나노디스크에 부착되는 신경 전달물질 분자의 존재 여부를 민감하게 분석할 수 있을 것으로 예상되었다.
상기와 같이 반사도 및 주파수 편이의 결과를 통해 제한적 방법으로만 진행되어 왔던 스트레스 호르몬 탐지를, 복잡한 전처리 및 정제 과정 없이 비파괴적으로 감지할 수 있는 고민감도 테라헤르츠 센서 플랫폼을 제작하였다.
4-4. 나노슬롯 메타 구조체의 전기장 증폭 효과 확인
상기 제작된 메타물질 구조체의 전기장 증폭 효과를 확인하였다.
구체적으로, Nanoslot 패턴 테라헤르츠 메타물질 구조에서 집속되는 전기장의 세기를 시뮬레이션으로 계산하였다. 본 발명의 Au nanoslot 구조에서 150nm 두께의 Au 층 사이에 전기장이 높은 밀도로 집속되는 것을 확인할 수 있었다.
이 때, 테라헤르츠 전기장의 집속과 증폭은 Au 층으로 이루어진 광 공진기에서의 변위전류 (displacement current)에 기반하여 발생하므로 Au (111) 격자구조에 선택적인 카벤 화합물 링커의 입체화학적 성질을 활용하여 전기장 증폭효과를 공간상에서 최대 효과를 확인할 수 있었다.
따라서, 상기와 같은 결과는 전기장 증폭이 극대화되는 sensing hotspot 내에 도입된 오피오이드 나노디스크는 타겟이 되는 스트레스 호르몬 분자들에 대해 높은 민감도와 선택성을 가지고 검출할 수 있음을 나타내었다(도 39).
실시예 5. 센싱 플랫폼의 구성
상기와 같은 결과들을 종합하여, 본 발명은 스트레스 호르몬 또는 신경 전달 물질을 검출하는 테라헤르츠 센싱 플랫폼을 제작하였다.
본 발명의 센싱 플랫폼은 카벤 화합물을 링커로 활용하여 나노디스크 구조체가 도입된 테라헤르츠 메타물질 센싱 플랫폼을 구성하였다. 또한, 입체화학적 선택성을 활용하여 근접장 집속이 최대가 이루어지는 위치에 측정샘플을 위치하였다.
이때, 균일하게 표면처리되어 도입되는 카벤 작용기와 이에 연결된 나노디스크는 광학특성을 가진 하나의 물질층으로 간주가능하며 센싱 플랫폼의 신호 강도 특성을 보았을때, 카벤 작용기 + 나노디스크가 탑재된 테라헤르츠 메타물질 구성일때의 공명주파수 대역에서의 신호 강도가 유의미한 변화를 보이는 것을 확인 가능하였다. 균일한 구성으로 인해 테라헤르츠 기준 파장 (300 μm) 대비하여 스케일 차이가 큰 물질도 민감하게 감지 가능함을 확인하였다(도 40).
특히, 예시로서 제시한 타겟 신경 전달물질인 세로토닌의 도입 이후에도 큰 폭의 신호 변화가 있음을 관측 가능 하였다. 이는 물의 분자적 특성으로 인한 증가와 수용체-세로토닌의 상호작용과 분자층 형성과 같은 요소들이 기여하는 변화치라고 할 수 있으며, 신호처리를 통해 물에 의한 신호변화를 최소화하고 수용체-세로토닌의 상호작용에 의한 포집 효과를 감지하는 방식을 추가적으로 적용할 수 있음을 나타내었다(도 41).
이에 본 발명자들은 신경 전달물질을 센싱하기 위한 최적화된 구성 (카벤 작용기 + 나노디스크가 탑재된 테라헤르츠 메타물질)을 센싱 플랫폼으로 정의하였다.
실시예 6. 센싱 플랫폼에서의 데이터 추출 및 타겟물질 감지 결과
센싱 플랫폼은 테라헤르츠 메타물질의 공명효과를 이용한 감지 방식임을 감안하여 입사된 테라헤르츠 파에 의해 형성되는 공명모드가 활성화되는 영역 (파란색 배경색)의 데이터에서의 대표값으로 나타나는 반사도의 최솟값을 이용하였다(도 42).
이 때, 센싱 플랫폼의 성능평가를 위하여 대표적인 신경 전달물질인 세로토닌을 표본으로 사용하였다.
세로토닌 신경 전달물질과 나노디스크의 상호작용에 의한 THz 신호를 획득하기 위하여, 주위의 수성환경과 샘플들 사이에서 일어나는 상호작용을 최소화하는 신호처리를 시행하였다. 센싱 플랫폼에서 세로토닌이 투여된 전 ( S sensing-platform)과 후 ( S serotonin) 의 신호의 차이값을 활용하여 변화량을 기준으로 세로토닌의 존재(S)를 감지하였을때, 하기의 수학식 1을 통해 확인한 (8회의 반복실험의 평균 및 표준편차를 활용한 그래프) 결과는 표 1과 같았다.
[수학식 1]
Avg. Stdev.
S (sensing-platform) 0.171 0.017
S (serotonin) 0.186 0.015
S (sensing result) 8.7% 0.015
결과적으로, 최종적인 센서 신호와 각 단계별 신호에 대한 값을 참고하였을 때, 각 단계별로 얻어진 신호는 앞선 신호 강도 특성 및 노이즈 신호 레벨을 고려하였을 때 (신호 강도 기준 10-6 까지 구분 및 감지가능), 표 1과 같이 의미있는 값을 산출하며 그에 따른 편차가 10% 이내로 안정적인 세로토닌 센싱 성능을 나타내었다(도 43).
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼
10 : 센싱부
20 : 센서부
21 : 입사부
22 : 검출부
30 : 반응부
101 : 베이스 기판
200 : 포집부
201 : 메타물질
202 : 슬릿
301 : 링커
302 : 바이오 탐침
본 발명은 스트레스와 관련된 호르몬을 검출하기 위한 스트레스 진단용 전자기파 센싱 플랫폼으로서, 본 발명의 플랫폼을 이용할 경우 기존의 메타물질을 이용한 센싱 플랫폼에 비해 경제성이 우수하며, 더 나아가 진단율이 우수한 센싱 플랫폼을 제작 및 제공할 수 있으며, 스트레스와 관련된 질환을 사전에 진단 및 예방이 가능하다.

Claims (15)

  1. 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼으로서;
    항 스트레스 호르몬을 투입하여 검출하는 센싱부; 및
    테라헤르츠 대역 전자기파를 입사 및 검출을 위한 센서부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 센싱 플랫폼.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 테라헤르츠 대역 전자기파를 입사 및 검출을 위한 센서부는,
    테라헤르츠 대역 전자기파를 생성하여 상기 전자기파 센서를 향하여 발진하는 테라헤르츠 대역 전자기파 입사부;
    상기 전자기파 센서로부터 반사되는 전자기파를 집속하는 테라헤르츠 대역 전자기파 검출부; 및
    상기 검출부에서 수신한 전자기파를 신호 처리하여 항 스트레스 호르몬을 검출하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 항 스트레스 호르몬을 투입하여 검출하는 센싱부는,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 형성되며 길이에 비하여 폭이 짧고 소정의 깊이를 갖는 슬릿이 복수개로 이격되어 배치되는 전도성 레이어를 포함하는 메타물질;
    항 스트레스 호르몬과 특이적으로 결합하는 바이오 탐침; 및
    상기 메타물질의 슬릿 내에 형성되며 상기 바이오 탐침과 결합하여 상기 바이오 탐침을 상기 슬릿 내에 고정하는 링커;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 베이스 기판은 실리콘(Si), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌 (polypropylene, PP), 폴리스티렌 (polystyrene, PS) 및 페놀류(Phenols)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 메타물질은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)과 같은 금속 전도체로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것인;
    실리콘(silicon), 게르마늄(germanium), 갈륨(Gallium), 카바이드(Silicon Carbide), 카드뮴(Cadmium), 아연(zinc), 텅스텐(tungsten), 망간(Mn)과 같은 반도체로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것인;
    폴라아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiopene), 폴리페닐렌(polyphephenylene), 폴리비닐렌(polyvinylene), 및 그래핀(griffin)과 같은 전도성 고분자로 구성된 군에서 선택된 1종인 것인;
    또는 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 메타물질로 구성된 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 항 스트레스 호르몬은 코르티졸, 에피네프린, 노르에피네프린, 세로토닌, 도파민 및 아세틸콜린으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 항 스트레스 호르몬과 특이적으로 결합하는 바이오 탐침은 호르몬 수용체, 항체 및 압타머로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 항 스트레스 호르몬과 특이적으로 결합하는 바이오 탐침은 오피오이드 나노디스크(Opioid nanodisk)인 것인, 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 오피오이드 나노디스크(Opioid nanodisk)는 오피오이드 수용체(receptor), 지질막 및 막지지 단백질(membrane scaffold protein, MSP)로 구성된 것인, 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 바이오 탐침을 상기 슬릿 내에 고정하는 링커는 카벤 화합물인 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 카벤 화합물은 하기 화학식 1인 것으로서;
    [화학식 1]
    상기 화학식 1에 있어서,
    R1은 아자이도부톡시(azidobutoxy), 아자이도에톡시(azidoethoxy), OH 또는 하기의 화학식 2인 것이며,
    R2는 디아이소프로필(diisopropyl), 디벤질(dibenzyl) 또는 H인 것이며,
    Y는 I-, Br-, C, N, O 또는 비공유 전자쌍인 것인,
    [화학식 2]
    상기 화학식 2에 있어서
    X는 O, C, N, S 또는 CH3 인 것이고,
    n은 0, 1, 2 또는 3인 것이며,
    R3는 H3, NH3 또는 N3인 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 카벤 화합물은 하기 화합물 1 내지 11로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 카벤 화합물인 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼.
  13. 항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼을 제조하는 방법에 있어서,
    베이스 기판을 준비하는 단계;
    상기 베이스 기판 상에 전도성 레이어를 적층하는 단계;
    상기 전도성 레이어에 슬릿을 형성하는 단계;
    상기 전도성 레이어의 슬릿 내에 링커를 형성하는 단계; 및
    상기 링커에 상기 바이오 탐침을 결합하여 고정하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 것인,
    항 스트레스 호르몬 검출용 테라헤르츠 대역 전자기파 센싱 플랫폼을 제조하는 방법.
  14. 항 스트레스 호르몬 검출용 센싱 플랫폼을 이용한 항 스트레스 호르몬을 검출하는 방법으로서,
    전자기파 센서에 측정대상물질을 투입하는 단계;
    상기 전자기파 센서를 향하여 전자기파 입사부로부터 테라헤르츠 대역 전자기파를 발진하는 단계;
    상기 전자기파 센서로부터 반사되는 전자기파를 전자기파 검출부로 집속하는 단계; 및
    상기 집속되는 전자기파를 신호 처리하여 항 스트레스 호르몬의 검출 여부를 판정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인,
    항 스트레스 호르몬을 검출하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 측정대상물질은 비침습적으로 수득된 생물학적 시료인 것인,
    항 스트레스 호르몬을 검출하는 방법.
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