Magnetoresistance Properties of Magnetic Nanoparticles and Magnetic Beads Immersed in Physiological Saline Solution and Deionized Distilled Water

Vol. 69, No. 9, September 2019, pp. 883∼888 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.69.883

Magnetoresistance Properties of Magnetic Nanoparticles and Magnetic Beads Immersed in Physiological Saline Solution and Deionized Distilled Water

Jong-Gu Choi · Byeong-Uk Kang · Sang-Suk Lee

Department of Oriental Biomedical Engineering, Sangji University, Wonju 26339, Korea (Received 09 July 2019 : revised 22 July 2019 : accepted 22 July 2019)

Magnetic nanoparticles (MNPs) and magnetic beads (MBs) were distinguished from each other and mixed with red blood cells (RBCs) and physiological saline solution (PBS). The dependence of the resistance on the structure of and the existence of an external magnetic field were investigated.

The MNPs had a diameter of 460 nm in which the carboxyl group (−COOH) was attached to the core Fe, and the MBs had an average diameter of about 1 µm with the Si−OH group in the core Fe3O4. Four different types of RBCs combined with 7 to 9 MBs were found to be located at the center and the edge with normal round and abnormal RBC membranes. We observed the appearance of cluster flow in the shape of a swirling cluster when we used a permanent magnet with large amounts of MNPs and MBs combined with RBCs contained in PBS. The resistance values measured for 30 min in a 2.5 cc PBS solution containing 0.5 cc of a solution containing MNPs and MBs showed a different rates of increase that depended on the influence of the external magnetic field. On the other hand, the magnetoresistance ratio (MR) of MBs evenly mixed in deionized distilled water (ddH2O) was changed to about−36% in range of ±1200 Oe.

PACS numbers: 61.46.Df, 75.47.De

Keywords: Magnetic nanoparticles, Magnetic beads, Physiological saline solution(PBS), Deionized distilled water(ddH2O)

생리식염수와 증류수에 담긴 자성나노입자와 자성비드들의 자기저항 특성 연구

최종구 · 강병욱 · 이상석

상지대학교 한방의료공학과, 원주시 26339, 대한민국

(2019년 7월 9일 받음, 2019년 7월 22일 수정본 받음, 2019년 7월 22일 게재 확정)

자성나노입자와 자성비드를 구별하여 적혈구와 생리식염수(PBS)와 증류수(ddH2O)에 각각 혼합한 후 구조의 차이와 외부자기장의 유무에 의존하는 저항 변화를 조사하였다. 카르복시기 (Carboxyl,−COOH) 으로 구성되어 있는 자성입자의 평균 직경은 약 460 nm, 실라놀기(Si−OH)으로 구성되어 있는 자성비드의 평균 직경이 약 1 µm이었다. 7–9 개의 자성비드와 결합된 4가지 상이한 유형에 따라 적혈구(RBC)는 정 상적인 원형 또는 비정상적인 타원형으로 변형되는 적혈구 막은 중앙과 가장자리에서 등방적으로 붙여있는 형태에 대해 조사하였다. PBS 용액 내 RBC들과 결합된 다량의 자성나노입자들과 자성비드들에 영구자 석을 사용해 클러스터 흐름의 모양이 굽이굽이 나타나는 모습을 관찰하였다. 자성나노입자와 자성비드가 담긴 용액 0.5 cc를 각각 혼합한 2.5 cc의 PBS 용액을 30분 동안 측정한 저항값들은 외부자기장의 영향에

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새로운 단백질의 기능을 연구하기 위해서는 기존의 단백 질 정제 소재의 특성상 많은 종류의 시료를 빠른 시간에 정제하여야 한다. 따라서, 차세대 단백질분리 정제 키트의 다양한 소재가 개발되어 왔으며 그 기본 소재로 물리적 강 도와 단백질의 비특이적 흡착성이 큰 폴리머 및 실리카 젤 계열이 있다. 현재 다양한 종류의 단백질의 기능 연구를 위해 차세대 단백질 분리정제 소재로서 각광 받고 있는 것 은 자성비드 (magnetic bead, MB) 를 이용한 소재가 있다.

목적 단백질을 다시 원심력이나 중력을 이용하여 분리정제 시간과 공정을 대폭 개선할 수 있다는 장점을 갖고 있다 [1].

고감도 자성센싱 바이오 소자를 제작하여 자성나노입자 (magnetic nanopaticle, MNP) 와 MB의 유무를 출력신호 변화로 DNA 분석용 바이오센서뿐만 아니라 Fe가 포함된 적혈구 (red blood cell, RBC) 내 헤모글로빈을 분석하는 등 나노 단위의 바이오센서가 앞으로 크게 발전할 것으로 예상된다 [2]. 철분자를 고르게 함유하는 적혈구는 1 µm 크 기의 MB들과 자기쌍극자 모멘트의 배열에 의존함이 광학 현미경으로 관찰한 결과, 적혈구의 중앙과 가장자리에 MB 들이 등방적으로 붙여있는 형태를 띠고 있음이 보고되었다 [3].

본 연구에서는 자성입자들과 자성을 띠고 있는 적혈구의 물성을 광학현미경 (SZ-7XT; Sam-won, Seoul, Republic of Korea) 과 자기저항시스템으로 관찰하였다 [4,5]. 외부 자장감응도의 조건, 미세 리소 공정 후 변화된 자기저항 특성의 한계 영역, 그리고 MB가 결합된 적혈구의 포획과 검출 결과가 헤모글로빈 이외의 인체내 생체분자들을 MB 와 결합시켜 그 운동성 관찰 및 기초물성인 자기적 특성 규 명연구로 이어 지고 있다 [6]. 적혈구의 변형 가능성이 여러 혈액 질환의 잠재적인 바이오 마커가 된 이후로 혈액 세포의 변형을 측정하기 위한 다양한 실험 기술이 개발되었다 [7].

본 연구는 적혈구와 생리식염수(physiological saline so- lution, PBS) 그리고 증류수 (deionized distilled water, ddH2O)에 따라 별도로 혼합한 후 MNP와 MB를 구별하여

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들에 대한 자기저항곡선의 특성을 조사하여 자성소자로서 활용가능성을 살펴보았다.

II. 생리식염수 용액 내 자성나노입자와 자성비드의 외부자기장 존재에 따른 저항 및

형상구조 변화 관찰

MNP나 MB에 존재하는 자철석 (magnetite, Fe3O4) 은 역스피넬 (inverse spinel) 구조로 이뤄져있다. 역스피넬 구 조에서 산소 팔면체 자리 (octahedral site) 의 절반은 Fe²⁺

이온으로, 이의 나머지 절반과 산소 사면체 자리 (tetrahe- dral site) 는 Fe³⁺ 이온으로 산소 이온들이 입방밀집 구조 (cubic close packing structure)를 이루고 있다 [8]. 자성나 노입자는 광범위한 분석 및 응용분야에서 생체 분자의 분리 및 친화성 정제 중에 활용되고 있다. 또한 핵산, 펩티드, 단 백질 또는 다른 표적 분자의 1차 아미노기와 결합되어 있다 [9–11]. MB는 DNA, RNA 및 단백질에 대한 결합성에 영향 을 미치는 다양한 표면 전하 및 전하 분포를 제공하게 된다 [12]. 이러한 초상자성체 비드 (superparamagnetic beads) 는 바이오크로마토그래피(biochromatography) 분야의 광 범위한 응용 분야인 DNA/RNA의 정제, 생체 분자의 흡착 또는 염기성 단백질의 분리에 적용 가능하다.

MNP와 MB는 생체신호를 검출하기 위한 생물학적 인지 시스템과 물리화학적 신호변환기(transducer)를 조합하여 선택적으로 반응하는 특이한 분자 종을 분석하는데 활용하 고 있다 [9]. 1 µm 이하 미세크기로 바이오센서가 활용되는 나노바이오 융합기술은 생명공학 미래기술 뿐만 아니라 국 민건강 및 의료산업 발전에 기여할 것으로 전망되며 신소 재를 기반으로 한 나노바이오센서 개발의 기술적 측면에서 매우 중요하다 [13,14].

본 실험에서의 형광형 MNPs 는 Spherotech(Illinois, USA) 의 SPHEROTM(FCM-0552-2H) 으로, 카르복시기 (Carboxyl,−COOH)가 붙어있는 자성입자의 평균 직경은 약 460 nm이다 [10]. 자성나노입자를 SEM 영상으로 촬영

Fig. 1. (Color online) (a) SEM photo of Spherotech Cat.

No. FCMseries (Carboxyl Magnetic Particles, concen- tration of 0.5% w/v, mean magnetic nanoparticle size of 0.46 µm, total liquid volume of 2 mL, and storage buffer of deionized water with 0.05% sodium azide). Structure of one fluorescent (green, yellow, pink, or nile red color) carboxyl (−COOH) magnetic particle composed of with one high Iron (Fe). (Dia. ≥ 100 nm) [9,10]. (b) SEM photo of SiMAG-Silanol beads have an unmodified silica surface with terminal negatively charged silanol groups [15].

한 Fig. 1(a) 에서−COOH는 중심의 탄소 원자에 하나의 산소 원자가 이중 결합으로 연결되어 있고, 하나의 하이드 록시기가 단일 결합으로 연결되어 있다. 2.5 cc의 PBS 용액 내 MNP의 농도는 0.5%w/v이며 버퍼 (buffer) 로는 0.05%

의 아지드화나트륨 (Sodium Azide) 이 포함된 증류수로 상 온에서 유지하도록 설정하였다. Figure 1(b) 에서의 MBs 는 chemicell GmbH(Berlin, Germany) 의 SiMAG-Silanol 으로, 음으로 하전된 실라놀기 (Si−OH)를 갖는 실리카 표 면에서 자성비드의 평균 직경은 약 1 µm이었다 [15,16].

본 실험에서는 형광형 MNPs와 MBs를 적혈구와 PBS 에 1:10의 비율로 혼합시킨 후 또 다시 1:100의 비율로 묽게 합성한 것을 사용하였다 [5,6]. Figure 2는 각각 MNP와 MB를 혼합시킨 후 PBS 용액 내 변화를 관찰할 수 있도록 아크릴 수조의 실제 모양과 원통형 영구자석을 이용하여 2단자 구리 전극봉에 연결된 저항값을 측정할 디지털 멀 티미터 (DMM) 의 모습을 보여준 것이다. 아크릴 판재를 가공하여 3.0 cc의 PBS 용액을 담을 수 있는 수조를 만들고 PBS 용액과 연결되어 있는 전극용 구리봉이 직경 3 mm 길이 5 mm 로 수조 중앙에 위치해 있다. PBS 용액 내 각각 MNP와 MB를 10:1의 비율로 혼합시킨 후 20 m 동안에 따른 저항변화를 관찰하였다. PBS 용액 내 MNPs와 MBs

Fig. 2. (Color online) The Cu rod electrodes and 3.0 cc container with a concentration of 0.5% w/v of magnetic nanoparticles and with a distilled water containing 0.05%

sodium azide as a buffer of magnetic beads. Digital mul- timeter(DMM) measuring for two-probe resistance value and permanent magnets applying to external magnetic field.

들은 각각의 무게에 의하여 아래로 가라앉게 되어 저항의 변화를 가져오게 된다. 또한 골고루 섞은 상태에서 Fig. 2에 서와 같이 아크릴 수조 가깝게 표면 자기장세기가 3.0 kOe 가 되는 영구자석을 붙여 놓은 후, 영구자석 쪽으로 MNPs 와 MBs들이 움직이는 현상을 보이게 됨으로써 저항변화를 관찰하였다.

Figure 3은 광학현미경으로 150 배 크기로 관찰한 다량의 MNP들과 자성비드들이 외부자기장의 효과에 의해 클러스 터들의 모양을 보인 것이다. Figure 1(a) 에서 보인 형광형 MNP들을 슬라이드 위에 뿌린 후 관찰한 상태를 관찰한 것 이 Fig. 3(a)이다. Figure 3(b)는 Fig. 2에서 사용된 영구자 석을 형광형 MNP들에 가깝게 또는 멀게 하면서 클러스터 (cluster) 형태의 흐름모양이 굽이굽이 나타나 있는 모습을 보였다. Figure 3(c) 는 1 µm 직경의 SiMAG-Silanol MB 들로써 Fig. 2(b)처럼 중심에는 Fe3O4이 있으며 ddH2O에 현탁된 고압 증기 멸균된 상태로 있다. 농도는 50 mg/ml이 다. 형광형 MNP들과 마찬가지로 자성입자들을 슬라이드 위에 뿌린 후 관찰한 상태가 Fig. 3(c)이다. Figure 3(d)는 Fig. 2에서 사용된 영구자석을 MB들에 가깝게 또는 멀게 하면서 클러스터의 흐름모양이 굽이굽이 나타나 있는 모습 이 Fig. 2(b) 와 다르게 다량의 군들이 여러 군데로 뭉쳐서 외부자기장에 세기에 따라 떠다니는 모습을 보였다.

III. 생리식염수 용액 내 적혈구와 자성나노입자 및 자성비드의 외부자기장 인가에 따른 저항변화

특성

Fig. 3. (Color online) Optical microscope images of the fluorescent magnetic nanoparticle (a) without and (b) with an external applied magnetic field, and the mag- netic beads (c) without and (d) with an external applied magnetic field.

Fig. 4. (Color online) The four different types of RBCs, combined with MBs with diameters of about 1 µm, in a solution of 50 mg of Co-Si−OH/ml and PBS. The 7–

9 MBs were positioned at the edge part and the center part of one RBC by organic chemical binding, such as the four features of the common RBCs in (a) and (c) and the deformed RBCs with MBs in (b) and (d).

자성 실리카 입자의 수성 분산 물로 구성된 MB의 자기 코어에는 일반적으로 강자성 특성을 지닌 Fe3O4으로 구성 되어있다 [8]. 실제로, 인체의 혈액을 원심 분리하여 정제 된 적혈구만을 추출하여 PBS에 혼합시켰다. 즉, MBs를 적혈구와 PBS에 1:10의 비율로 혼합시킨 후 또 다시 1:100 의 비율로 묽게 합성한 것을 사용하였다. 균등하게 분포된 철 입자를 함유하는 적혈구는 쌍극자 모멘트를 갖는 MB의 배열로 인해 RBC 및 중앙 부분의 가장자리에 등방성으로 결합 된 형태로 존재할 것으로 예상되었다 [3,4]. Figure 4는 인간 적혈구의 표면 흡착력에 의해 1 µm 크기의 7–9 MBs 가 유기 화학 결합에 의해 정상 원형의 적혈구의 중앙과 볼록한 모서리 부분에 위치한다는 것을 보인 광학현미경 사 진이다. 즉, 약 1 µm의 직경을 갖는 초상자성 체 MBs에 두

Fig. 5. (Color online) Optical microscope images of the fluorescent magnetic nanoparticle(MNPs) coupled to RBCs (a) without and (b) with an external applied mag- netic field, and the magnetic beads(MBs) coupled to RBCs (c) without and (d) with an external applied mag- netic field.

종류의 적혈구가 결합되었다. 변형된 적혈구 막일 경우도 마찬가지로 타원형의 중앙과 모서리 위치에 7–9개의 MBs 가 결합된 것을 Fig. 4에 보였다. 특히, 이러한 결과는 RBC 의 산화 농도에 따라 헤모글로빈 사슬 구조의 색 변화 및 분자 결합과 함께 변형 된 막을 감지 할 수 있음을 시사한다 [3–5].

Figure 5는 광학현미경으로 150배 크기로 관찰한 PBS 용액 내 RBC들과 결합된 다량의 MNP들과 MB들이 외 부자기장의 크기에 따라 클러스터들의 군집운동 모양들을 나타내고 있는 것이다. Figure 5(a) 처럼 중앙부분에는 Fe 가 있고 그 옆에−COOH가 붙어있으며 나일적색을 띠는 형광형 MNP들을 RBC들에게 결합한 것을 슬라이드 위에 뿌린 후 관찰한 상태가 Fig. 5(a) 이다. Figure 5(b) 는 Fig.

2에서 사용된 영구자석을 형광형 MNP들에 가깝게 또는 멀게 하면서 RBC와 결합된 MNP들의 클러스터 흐름이 굽 이굽이 움직임을 보인 것이다. Figure 5(c)는 1 µm 직경의 SiMAG-Silanol MB들이 RBC들과 4가지 결합된 상태에 서 슬라이드 위에 뿌린 후 관찰된 모습이다. Figure 5(d)는 Fig. 2에서 사용된 영구자석을 MB들에 가깝게 또는 멀게 하면서 RBC와 결합된 클러스터들이 Fig. 2(b) 와 다르게 나타난 군집운동 모습이다.

Figure 6(a) 는 9 mg/cc의 염화나트륨 농도를 갖으며 2.5 cc의 PBS 용액 내 각각 0.5 cc의 MNP와 MB를 혼합 시킨 후 2 min 간격으로 30 min 동안 2단자 저항값 변화를 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 먼저 순수한 PBS만 담겨있 는 용액 내 시간에 따라 변화되는 저항값은 Fig. 6(a) 에서 보여준 바와 같이 5 kΩ에서 16 kΩ까지 0.37 kΩ/m의 비율

Fig. 6. Resistance versus measuring time of minutes for the MNPs and MBs immersed in PBS without (a) and with (b) external magnetic fields by using permanent magnet.

로 단조롭게 증가함을 알 수 있었다. 그리고 PBS 용액 내 형광형 MNP를 6:1의 비율로 혼합시킨 후 시간에 따라 변 화되는 저항값은 순수한 PBS만 유지하고 있을 때 증가하는 경향과 유사하였다. 5 kΩ 에서 18.5 kΩ 까지 0.45 kΩ/m의 비율로 단조롭게 증가함을 보였다. 한편 PBS 용액 내 MB 를 혼합시킨 경우에는 초기 저항값이 15 kΩ 에서 시작하며 6분 동안 21 kΩ 으로 증가하였다. 24 kΩ 까지 0.13 kΩ/m 의 비율로 완만하게 증가하는 경향성을 보였다.

Figure 6(b)는 2.5 cc의 PBS 용액 내 각각 0.5 cc의 MNP 와 MB를 담긴 후, 3 kOe 정도의 표면 자기장의 세기를 갖는 영구자석을 수조에 200 Oe의 자기장의 영향을 주어 MNP 와 MB 용액을 넣은 후 2 min 간격으로 30 min 동안 2단자 저항값 변화를 나타낸 것이다. Figure 6(a) 에서 보인 시간 에 따른 저항 변화와 달리 Fig. 6(b)처럼 15 kΩ에서 29 kΩ 까지 범위에서 시간에 따른 저항값이 변화하였다. 특히 MNP가 섞인 경우, 외부자기장의 존재에 따라 자기장이 센 쪽으로 이동을 유발시켜 한곳으로 모이게 되어 저항값이 20 min 동안 단조롭게 0.3 kΩ/m 비율로 증가하다가 24 kΩ 으로 일정한 값을 유지하였다. MB가 섞인 경우, MNP와 비슷하게 외부자기장의 존재에 따라 자기장이 센 쪽으로 이 동을 유발시켜 한곳으로 모이게 되어 저항값이 10 min 동안 단조롭게 0.6 kΩ/m 비율로 증가하다가 22 kΩ으로 일정한 값을 유지하였다. 따라서, MNP와 MB의 클러스터 움직임 현상은 외부자기장의 변화에 따라 뚜렷한 차이를 보였다.

또한, MNPs와 MBs들의 군집 운동은 외부 자기장에 따른 자기저항 곡선이 민감하게 변화하는 다양한 특성을 가질 것 으로 예상되기 때문에 정량적으로 분석하여 외부자기장에 대한 민감도의 특성을 활용할 수 있음을 제시하였다.

Fig. 7. (Color online) (a) Real photograph for the mag- netic beads evenly mixed in ddH2O, which is set on the center of the electromagnetic core in 2-probe magnetore- sistance measurement system. (b) The magnetoresis- tance curve for the magnetic beads in ddH2O measured by condition f = 3.7 mHz during 270.2 s of one cycle.

IV. 증류수에 균일하게 혼합된 자성비드의 자기저항 특성

Figure 7(a) 의 중심부는 이온이 없는 증류수 (ddH2O) 에 50 mg/ml의 농도로 부피 50 cc 프라스틱 용기 중앙에 직경 1 mm의 구리 봉 (rod) 으로 된 2단자 전극을 나타낸 것이다. 2단자 전극 사이의 거리는 약 5 mm이었다. MB 용액의 자기저항 곡선을 얻기 위하여 균일한 외부자기장이 인가되는 직경 150 mm의 코아를 갖는 전자석 중심부분에 Fig. 7(a)처럼 2-단자 자기저항 측정 시스템에 놓아져 있다.

초기에 측정된 저항값은 R0= 4.309 M Ω이었다. 외부자기 장의 최대 크기는± 1200 Oe로 하였다. 자기저항 곡선을 얻기 위한 외부자기장의 주파수는 3.7 mHz로 주기 270 s 동안 +1200 Oe에서 시작하여 0 Oe을 지나−1200 Oe까지 되돌아 와서 다시 0 Oe을 지나 +1200 Oe에 도달하였다.

외부자기장이 변하는 동안 측정되는 자기저항비 (MR(%)) 의 변화의존성을 Fig. 7(b)에 나타내었다. 자기저항 곡선의 중심에서 대칭적인 모양의 나비형 모양은 약 300 Oe의 보자 력 (coercivity, Hc) 을 띤 히스테리시스 (hysteresis) 자기이 력곡선과 대응됨을 알 수 있다. 외부자기장이−123 Oe일 때 자기저항값은 2.740 MΩ 이며, MR는 −36.41%이었다.

또한 외부자기장이 +127 Oe일 때 자기저항값은 2.748 MΩ 으로 MR는−36.22%로 음의 값을 가졌다. 이러한 특성은 MB의 농도의 변화에 크기 의존하는 자기저항특성 효과를 활용할 수 있는 고감도 자성소자 개발 가능성을 보여주었다.

V. 결 론

본 연구에서 사용한 카르복시기(Carboxyl,−COOH)가 붙어있는 MNP의 평균 직경은 약 460 nm이고, Fe3O4에

세기를 갖는 영구자석을 수조에 200 Oe의 자기장의 영향을 주어 2 min 간격으로 30 min 동안 2단자 저항값이 증가하 는 정도가 각각 다른 값들을 유지하였다. 이로써, MNP와 MB가 외부 자기장에 따라 움직이는 군집 운동이 자기저항 특성이 민감하게 변화할 수 있음을 보였다. 무이온 증류수 에 골고루 섞인 MB들에 자기저항곡선으로부터 얻은 자기 저항비 (MR) 는±120 Oe 근방에서 초기 자기저항 값보다 훨씬 줄어들어 약−36%이었다.

감사의 글

이 논문은 교육부의 재원으로 한국연구재단 (NRF) 의 기초연구 사업 지원을 받아 수행된 연구 (No. NRF- 2016R1D1A1B03936289의 결과입니다.

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