직접 광신호 감지를 위한 분자인식 고분자 센서

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-16

분자인식 고분자(Molecularly imprinted polymer, MIPs)는, 다양한 분석기법에 활용되고 있는 항체와 같은 생물학적인 친화성 물질을 대체할 수 있는 유망한 물질로 떠오르고 있다. 분자인식 고분자는 민감하고 신속하게, 그리고 비용 효과적으로 현대사회의 다양한 분야에서 중요한 저분자량의 물질을 분석할 수 있는 매력적인 수단을 제공한다. 분자인식 고분자는 보통 합성고분자로부터 제조되며, 액체 샘플로부터 목표로 하는 분자를 선택적으로 포획하기 위한 성분을 제공하기 위해 센서 표면에 부착시킨다. 생물체의 물질을 기반으로 하는 재료와 비교해 볼 때, 분자인식 고분자는 내구성과 견고성이 뛰어나다. 분자인식 고분자 합성에서 현재의 기술진보는, 고분자 나노입자의 형태 및 친화성(affinity)을 갖도록 제조했을 때 affinity binding constants의 관점에서 항체와 경쟁할 수 있을 정도의 성능을 보여주고 수준에 도달해 있다. 오스트리아, 체코 공화국, 독일, 그리스 및 싱가포르 과학자들로 이루어진 연구팀은 광학 센서용으로 사용할 수 있는 새로운 종류의 분자인식 기반의 물질을 개발하였다. 이 물질은 빛에 의해 가교결합된 하이드로겔 고분자 네트워크 상에 분자인식 고분자 나노입자를 분산시킨 복합재료 필름 아키텍처로 이루어져 있다. 복합재료 필름은 액체 환경에서는 팽윤(swell)되어 목표 분자를 포획할 수 있는 많은 3차원적인 열린 공간을 제공해 주게 된다. 게다가, 복합재료 필름은 목표 분자의 결합을 광학적으로 매우 정확하게 탐침하기 위한 광학 도파관(optical waveguide)의 역할을 수행할 수 있다. 복합재료 분자인식 고분자 필름은 딥 코팅(dip-coating) 혹은 인젝션 프린팅(injection printing)과 같은 단순한 기법을 통해 제조할 수 있으며, 표준적인 광리소그래피(photo-lithography) 수단을 이용해 구조화할 수 있다. 광학 도파관 모드 분광기(optical waveguide mode spectroscopy, OWS)를 사용한 분석은 크레슈만 형태(kretschmann configuration)를 기반으로 하여 시행하였으며, 복합재료 필름의 분자 결합을 확인하기 위한 감쇠 전반사(attenuated total reflection) 기법을 활용한 것이다. 이 방법은 결합에 의한 굴절률의 변화를 직접 측정하는 것을 기반으로 하는 표지자가 없이 해독할 수 있는 장점을 제공해 준다. 본 방법의 잠재성은, L-Boc-phenylalanine-anilide(L-BFA는 불용성 아미노산 유도체임)와 결합되고 합성 poly(N-isopropylacrylamide) 기반의 하이드로겔에 포획된 상태의 잘 규명된 분자인식 고분자 나노입자를 통해 확인해 볼 수 있다. 센서의 뛰어난 특이성(specificity)과 2 μM의 검출한계가 달성되었으며 분석에 소요되는 시간은 단지 10분이었다. 본 연구결과는 다수의 물질을 분석하고 측정할 수 있는 차세대 분자인식 고분자 센서 개발의 새로운 장을 열어주고 있다. 그림 1> nanoMIP가 포함된 복합재료 층을 이용한 화학적 구조 그림 2> (a) Cpp = 1 wt% 및 CNP = 3∼6 wt%가 포함된 용액으로부터 제조된 nanoMIP 복합재료 필름의 SEM 단면영상. (b) 좌측은 nanoMIP, 우측은 nanoNIP 구조이다. Cpp: 광 가교결합 pNIPAAm 고분자의 농도, CNP: nanoMIP 혹은 nanoNIP(대조군)의 농도 그림 3> 표면플라즈몬 공명분광기(surface plasmon resonance spectrometer)를 이용하는 광학 도파관 분광기를 사용하기 위한 센서 표면 아키텍처의 개략도. 원문정보> Molecularly Imprinted Polymer Waveguides for Direct Optical Detection of Low-Molecular-Weight Analytes, Macromolecular Chemistry and Physics, Volume 215, Issue 23, pages 2295–2304, December 2014, DOI: 10.1002/macp.201400260 1-MIP.jpg 2-SEM.jpg 3-sensor.jpg http://www.materialsviews.com/mip-sensors-direct-optical-detection/