나노구조를 이용한 바이오 센서에 대한 관심이 증 가하면서 탄소나노튜브를 기반으로 한 바이오센서 관 련 연구는 많이 진행되어 왔다. 최근 Boston College 의 Cai 연구팀은 좀 더 특별한 분자각인(molecular
imprinting, MI) 기술을 이용한 탄소나노튜브 바이오 센서를 선보였다. 분자각인은 특정한 분자를 인식하 여 특정결합 site를 제공하는 기술이다. 즉, 단백질과 같은 고유의 구조를 지닌 고분자 주변을 단량체 분자
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 28, No. 5, 2010…529 절되는 모델을 개발하였다[그림 1, 2].
이 연구팀의 모델은 alkane amine과 광전환이 가능 한 azobenzene을 꼬리로 갖는 alkane thiol의 혼합물 로 둘러싸인 금 나노입자를 기반으로 한다. 빛이 존재 하지 않을 때, 나노입자는 응집하지 않은 채로 넓은 표면적을 노출시킨 채 효과적으로 hydrosilylation 반 응의 촉매 역할을 한다. 하지만 자외선 빛이 조사되면, 나노입자들은 응집되고 용매에 노출된 표면적이 줄어 듦으로써 촉매가 비활성화된다. 촉매는 가시광선 조 사시 다시 활성화 되고, 나노입자는 분산된다. 또한 UV에 의해 촉매가 응집되면 다시 비활성화된다. 지 금까지 보고된 광전환 촉매 시스템의 가장 큰 한계는 이 시스템들이 온-오프 사이클을 한번 이상은 수행하 지 못한다는 점이다. Grzybowski 연구팀의 모델에서
는 최소 세번의 UV-가시광선 사이클 동안 촉매 활성 이 효과적으로 광조절(photomodulation) 되었다. 하 지만 실제적인 응용을 위해서는 사이클 수를 더욱 증 가시킬 필요가 있는데, 나노입자 위의 흡착/촉매반응 위치에 대해 광전환 리간드와 기질(substrate)이나 생성물(product)이 서로 경쟁하지 않는 반응을 이용 한다면 사이클 수를 더욱 증가시킬 수 있을 것으로 보 인다. Grzybowski 연구팀이 개발한 광전환 촉매반응 은 사이클 수를 더욱 증가시켜야 한다는 단점이 있긴 하지만, 그 성능이 이전의 연구들에 비해 뛰어나며 앞 으로 약물전달시스템을 포함하여 여러 방면에 유용하 게 적용시킬 수 있을 것으로 보인다 [J. Am. Chem.
Soc., Vol. 132, p. 11018(2010)].
그림 2. 365nm의 UV(i → ii)와 가시광선(ii → i)이 조사된 반응 혼합물의 색변화. TEM 이미지는 각각 분산된 금 나노입자와 응집된 나노입자에 해당함.
A Molecular-Imprint Nanosensor for
Detection of Proteins
들로 둘러쌓고 가교제를 이용하여 조립한 다음 단백 질을 제거하여 얻은 구조들을 분자체로 활용하는 기 술이다. 나노구조 표면 위에 분자각인된 고분자 (molecular imprinting polymer, MIP)의 증착이 기 존의 센서에 비해 단백질을 좀 더 민감하게 인식할 지 라도, 여전히 센서는 단백질을 인식하는데 어려움이 있다. 왜냐하면 MIP 박막은 두꺼운 두께 때문에 주형 (template) 결합에 의해 발생된 신호를 약화시키고, 검출 메커니즘은 주형 분자(template molecular) 결 합의 효과적인 신호 전환을 쉽게 허용하지 않는다. 또 한 센서 플랫폼은 굉장히 민감한 검출을 하지 못한다.
이 연구팀은 나노튜브 집합체(array) 끝에 비전도 성 고분자(nonconductive polymer)로 코팅한 각인을 이용하여 기존의 한계점을 극복할 수 있음을 찾아내 었다. 연구팀은 리터 당 picogram 이하의 감도로 단 백질을 인지할 수 있는 비전도성 고분자로 코팅된 나 노튜브 집합체를 센서 물질로 사용했다[그림 1]. 기존 의 MI-based 센서와 비교하였을 때 구조적 향상의 비결은 나노튜브 끝의 비전도성 PPn 나노코팅 (nonconductive polyphenol (PPn) nanocoating)이 다. 탐지수준은 기존 MI 센서에 의해 제공되는 수준 을 뛰어넘었고, 바이오분자 인식을 기반으로 한 나노 센서와 비교할 수 있을 정도이다. 기존 탄소나노튜브 바이오센서는 며칠이나 몇 주 동안의 실험실 분석 대 신에 실시간으로 검출할 수 있게 하는데, 이 나노튜브 분자 각인 기술이 현재의 진단 기술보다 훨씬 빠르게 인간 유두종 바이러스(human papillomavirus) 또는 다른 바이러스를 검출할 수 있는 바이오센서를 개발 하게 할 수 있다는 것을 의미한다. 초기 감염 후의 HPV 항체 또는 세포 매개성 임민(immine) 반응의 검출과는 반대로, 나노튜브 센서는 직접적으로 HPV 단백질을 추적할 수 있다. 또한 어떤 화학적 표지 (marker)도 라벨-프리(라벨이 필요하지 않는 분석 법) 전기화학적 검출 방법에서는 필요하지 않았다.
현재의 기술로는 환자의 혈청 항체를 모두 검출할 수는 없다. 그래서 한 번에 진단을 하는 것이 중요하 지만 모든 바이러스를 한 번에 추적할 수는 없다. 이 번 연구에서 발표된 분자 각인을 통한 바이러스의 표 면 단백질 검출은 이것을 가능하게 하는데 단초를 제 공할 것으로 기대한다 [Nature nanotechnology, Vol.
5, No. 8, p. 597(2010)].
530…NICE, 제28권 제5호, 2010
신기술 소개
그림 1. 나노센서 구성물과 단백질 검출의 개념도.
