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제2세부과제 : 탄소나노튜브-초분자 복합체 |
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본 세부과제의 목표는 광학적 성질이 우수한 금나노입자와 탄소나노튜브를 이용해 단백질, DNA, RNA 등의 생체분자를 감지하고 그 기능에 대한 정보를 제공할 수 있는 새로운 나노물질-초분자 복합체 감지 시스템 개발과 이의 분자생물학 및 의학적 활용이다. 이를 위해 1단계에서는 나노구조 체 및 나노구조-생체분자 복합체를 제조하고 이들의 광학적 특성을 연구할 계획이며 이러한 기반 연구를 바탕으로 2단계에서는 in vitro 상에서 생체 물질을 고감도로 감지할 수 있는 나노구조체 및 나노구조-생체분자 복합체 기반 나노센서를 개발하고자 한다. 최종적으로 3단계에서는 2단계에서 개발한 나노센서를 이용하여 생체물질을 in vivo상에서 감지할 수 있는 센서 시스템을 구축하여 세포내 생체물질의 기능과 거동을 조사하고 질병 진 단 등에 응용하고자 한다. |
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[1단계: SWCNT-생체분자 복합체 및 금나노입자 감지체 기반연구] |
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● SWCNT-생체분자 복합체 물성연구 Bundle 형태의 SWCNT는 금속성이 강해 photoluminescence(PL)를 관찰할 수 없는 반면 잘 분산된 SWCNT는 독특한 1차원적 구조에 기인한 반도 체 특성을 가지고 있으며 이로 인한 전자밴드구조 때문에 강한 PL을 낸다. 특히 SWCNT에서 발산되는 PL의 큰 장점 중의 하나는 photobleaching이 없다는 것이다. 즉, 기존에 알려진 생체 혹은 유기 형광체와는 달리 고출력의 레이저를 장시간 동안 SWCNT에 excitation 시키더라도 photoluminescence 세기와 에너지가 거의 변하지 않는 특징을 가지고 있다. 또한 흡착되는 adsorbate가 SWCNT 표면을 둘러싸는 정도(surface coverage)에 따라 SWCNT에서 발산되는 근적외선 형광파장이 변화하는 solvatochromism이 관찰되며 여러 종류의 용매(solvent)와 계면활성제 (surfactant)를 이용한 실험을 통하여 일반적으로 SWCNT 주변의 dielectric constant가 증가할수록 SWCNT에서 발산되는 근적외선 형광 에너지는 낮은 에너지로 전이하는 특징을 가지고 있다. SWCNT의 또 다른 분광학적 특징으로 탄소원자가 튜브의 지름방향으로 진동하는 Radial Breathing Mode (RBM), 탄소원자가 나노튜브 벽면 상에서 진동하는 tangential mode (G-band), 그리고 구조적 defect에 의하여 관측되는 D-band와 같이 크 게 세 부분의 독특한 라만 스펙트럼이 관찰된다. 그러므로 이러한 SWCNT의 독특한 광학적 성질의 이해는 다양한 나노 센싱계의 개발에 필수 요소 이다. 본 연구에서는 잘 분산된 SWCNT의 표면에 다양한 단백질 DNA RNA등의 다양한 생체 고분자 및 금 나노 입자등과의 화학결합 혹은 물리 결합 에 따른 SWCNT의 PL, solvatochromism, 라만 스펙트럼을 측정하여 SWCNT의 표면변화에 따른 광학적 성질의 변화의 특성을 이해하고자 한다. |
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● SWCNT-생체분자 복합체를 이용한 광학 감지체 연구 |
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SWCNT의 독특한 1차원적 구조에 기인하는 전자밴드구조 때문에 반도체 SWCNT에서 발산되는 PL 신호의 세기는 매우 강하고 400meV 정도의 매 우 큰 exciton binding energy 때문에 상온에서도 exciton은 SWCNT PL에서 중요한 역할을 한다. 반면 SWCNT bundle에서는 금속 SWCNT와 반도 체 SWCNT가 bundle을 이루고 있기 때문에 반도체 SWCNT로 여기된(excited) 전자가 금속 SWCNT로 전이되면서 PL 신호가 quenching되는 현상 때문에 PL 신호를 관측할 수 없다. 그러므로 receptor와 aceptor (유기 초분자 물질, 압타머)로 활성화된 각각의 분산된 SWCNT는 bundle 형태로 존 재할 것이다. 하지만 SWCNT의 표면에 활성화된 receptor에 강력하게 결합할 수 있는 물질이 존재시에는 이 물질이 SWCNT의 표면에 활성화된 receptor에 강하게 결합함으로써 SWCNT의 bundle을 분산시킴으로써 강한 PL을 유발시킬 것으로 기대한다. 그러므로 이러한 작용기전을 이용해서 특정 물질을 인지하는 탄소나노튜브를 이용한 센서를 개발할 것으로 기대한다. |
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또한 DNA효소와 탄소나노튜브를 이용한 검출계를 개발하고자 한다. DNA효소(DNAzyme)는 특정 RNA 혹은 DNA를 특이적으로 가수 분해할 수 있 는 촉매성 올리고 DNA로 일반적인 효소와 같이 기질에 높은 선택성과 높은 촉매 활성을 가지고 있으며 일반적인 효소와는 달리 높은 화학적, 물리 적, 생물학적 안정성이 있다. DNA효소는 목표물질이 없을 경우에는 이 효소의 기질 DNA를 가수 분해하지 못하지만 목표물질이 존재하는 경우 기질 DNA를 매우 효과적으로 가수 분해한다. DNA효소로 활성화된 SWCNT와 SWCNT의 PL을 소광시킬 수 있는 quencher tagged 기질 DNA로 이루어 진 센서시스템은 특정물질이 존재 시 DNA효소가 기질 DNA를 가수분해하여 SWCNT와 quencher 사이가 멀어지게 함으로써 PL의 증폭이 일어나게 될 것이다. |
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● 금나노입자를 이용한 비색(colormetric) 감지체 기반연구 |
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금나노입자는 화학 및 물리적 특이성 때문에 나노 소자 및 센서 개발에 응용되어 왔다. 특히 금나노입자(GNP)는 일반적인 유기 물질에서 보이지 안 는 여러 특이 성질을 가지고 있는데 이를 이용하여 많은 센서 시스템이 개발되어왔다. 금나노입자는 일반적인 유기 염료에 비하여 103-105정도 큰 extinction coefficient를 가지고 있으며 나노입자간의 거리에 따라 색깔 변화가 급격히 일어난다. 또한 특정 물질로 활성화 시킨 금나노입자는 주변 조건에 따라 금나노입자간의 거리를 매우 효과적으로 조절함으로써 금 나노입자의 색깔을 효과적으로 조절 할 수 있다. 특히 Adenosine triphosphate(ATP)로 안정화된 금 나노입자는 일반적인 금나노입자와는 달리 넓은 pH 영역과 높은 염 농도의 수용액 상에서도 안정하며 티올 화합 물 존재 시 티올 화합물과 매우 빠른 속도로 반응하여 뭉치화가 일어나고 이로 인해 붉은색에서 파란색으로 급격한 색깔 변화가 유도된다. 하지만 trimethyl silyl기, acetyl기와 같은 다양한 작용기로 protecting된 티올 화합물은 금나노입자와 반응할 수 없다. 생체촉매, 시안 음이온, 수은 양이온 등의 특정조건에 의해 protecting된 티올 화합물을 티올 화합물로 변환시킬 수 있다. 그러므로 특정 조건에서 특정 물질로 protecting된 티올 화합물 을 티올 화합물로 변환시킴으로써 생성시킨 티올 화합물과 금 나노입자간의 반응을 유도시킴으로써 색깔의 변화를 유도 시킬 수 있을 것이다. 그러므 로 이러한 색깔의 변화를 이용해서 다양한 물질을 검출할 수 있을 것이다. |
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