의최신연구동향 Heavy Metal Ion Sensors 사람이납, 캐드뮴, 은, 수은등의중금속에노출되면건강에치명적인위험을끼칠수있다. 이런이유때문에중금속들의농도를검출할수있는감도가우수하면서도빠르고편리하게분석하는방법의필요성이증가하고있다 [1]. 특히, 중금속이온의검출은환경과음식의안정성을확보하는데매우중요하다 [2]. 지금까지보고된방법들은 atomic absorption or inductively coupled plasma (ICP) atomic emission spectroscopy, ICP-mass spectrometry, electrochemical (EC) techniques 등이다. 그러나분광학방법은복잡한장치들로인하여 in-situ로분석하기는어렵다. 이에반하여전기화학적방법은고감도, 저렴한가격과편리한휴대성등의장점을가지기때문에 in-situ 중금속농도를측정하기에적당하다. 최근에보고된 graphene 전극을이용하여전기화학적방법으로중금속이온검출결과와 ssdna-go(graphene oxide) 을이용하여다양한중금속이온들을동시에검출할수있는시스템에대하여살펴보자. 1. Nafion-graphene composite film을이용한납과캐드뮴이온검출 [3] 그래핀나노쉬트 (nanotsheets) 가 1wt.% Nafion-isopropyl-alcohol에분산된용액을 in situ plated bismuth film electrode (BME) 와결합하여전기화학방법으로중금속이온들 (Pb 2+ & Cd 2+ ) 을검출할수있다. 이렇게제작된 nafion-graphene(nafion-g) composite film은 differential pulse anodic stripping voltammetry (DPASV) 을측정함으로써고감도의센서로작동하는것을확인할수있다. 우선그래핀나노쉬트의구조를확인하기위하여마이카위에증착하여 AFM으로분석한것이아래의그림이다. 나노쉬트의한층의평균두께가 1 nm이하임을알수있다. 이러한나노구조는전기화학적방법을이용하여이온들을검출하는데유리할것이다.
아래그림은 in situ plated Nafion-G-BFE 전극에서 Pb 2+ 과 Cd 2+ 이온의농도변화에따른 stripping current를보여주고있다. 이온검출에대한 linearity 영역은 Pb 2+ 은 0.5 µg L -1 ~ 50 µg L -1 이고 Cd 2+ 은 1.5 µg L -1 ~ 30 µg L -1 이었다. 또한, 검출한계 (S/N = 3) 는두이온 (Pb 2+ & Cd 2+ ) 모두 0.02 µg L -1 이다. 이러한검출한계는그래핀을포함하지않은 Nafion film modified BME와 Nafion/CNT coated BME 전극에비하여매우우수한결과이다. 이러한검출한계의증가는그래핀의독특한특성들 (nanosized graphene sheet, nano-scale thickness of these sheets, high conductivity) 이타켓이온들을강하게잡 을수있는능력을증가시키기때문이다. 2. ssdna graphene oxide (ssdna GO) 을이용한다종중금속이온들의동시검출 [4] Molecular beacons (MBs) 은 Tyagi와 Kramer에의해 1996년개발된것으로태그된 fluorophore (donor) 와 quencher (acceptor) 사이의거리가가까워짐에따라형광세기가감소한두개로레이블링된헤파린구조의 oligonucleotides을말한다. MBs는다양한응용성을가지고있지만다음과같은한계를지니고있다. 즉, false-positive signals, insufficient sensitivity, high-cost synthesis, difficult selection of dye-quencher pair in certain cases 등이다. 이러한단점을극복하고자산화그래핀 (GO) 에 MBs을적용함으로써위에서언급된단점을극복할수있다.
위의그림은 ssdna GO 구조체를이용하여다종타켓검출을위한대략적인방법을보여준다. P1, P3, P4/P5는형광물질이달린 ssdna을나타내고 T3는 P1의 ssdna와결합할수있는 ssdna를나타낸다. 그림 a는 P3 ssdna가산화그래핀에결합되면형광이감소한상태 ( 즉, off) 임을보여준다. 여기에타켓 DNA, T3을넣어주게되면 DNA hybridization에의한결합에의해산화그래핀에서 P3 ssdna가탈착하면서형과세기가증가한상태 ( 즉, on) 로변하게된다. 이러한원리를 thrombin 검출에이용된경우가그림 b이고그림 c는 Ag + 과 Hg 2+ 이온의검출에적용한것을보여주고있다. 산화그래핀에 P4/P5 ssdna가결합된상태에서는형광이감소했다가 Ag + 과 Hg 2+ 이온을넣어주면 ssdna에들어있는 C-C와 T-T 염기쌍들에 Ag + 과 Hg 2+ 이온들이결합하여 C Ag + C 구조체나 T Hg 2+ T 구조체를형성한다. 이과정에 서 P4/P5 ssdna이산화그래핀에서탈착하면서형광이증가하게된다. 또한, 이렇게결합된구조체에 cysteine을넣어주면 C Ag + C와 T Hg 2+ T 구조체가 Ag S 또는 Hg S 결합에의해깨지면서다시 P4/P5 ssdna가산화그래핀에결합함으로써형광세기가감소하게된다. 즉, 형광세기에따른 on-off switching라검출시스템이가능해진다. 다음그림은 P4/P5 ssdna GO 구조체를이용하여실제 Ag + 과 Hg 2+ 이온을검출한결과로써민감도와여러이온들중에선택도를보여준다. 그림 A는 Ag + 이온의농도에따른형광세기의증가를볼수있는데검출한계는약 20 nm이다. 이결과는 DNAzym 바이오센서검출한계인 64 nm[5] 보다우수하다. 그림 B는 Hg 2+ 이온의결과로검출한계는약 5.7 nm로 DNAzyme catalytic beacon의결과인 2.4 nm[6] 에필적한다. 그림 C, D는알칼리, 알카라인, 전이금속들 (Mn 2+, Pb 2+, Mg 2+, Fe 3+, Ca 2+, Cu 2+, Ni 2+, Zn 2+, Co 2+, Cd 2+, Al 3+ ) 이포함된혼합용액중에서두가지이온들이매우선택적으로검출될수있음을보여주고있다.
Ag + 이온과강한결합력을가진 cysteine를검출하기위하여 ssdna GO 구조체를이용할수있다. Ag + 이온은 ssdna에존재하는 C-C 염기쌍에삽입되어 C-Ag + -C 결합하여산화그래핀전극에서탈착됨으로써형광이증가함으로써센서로작동한다. 아래그림은 Ag + 이온에대한 P4와 cysteine 사이의경쟁반응을이용하여분석한결과이다. 그림 A는 P1, P3, P4-GO에 10 µm의 Ag + 이온을반응시킨용액에 cysteine 농도를조절하면서분석한것으로 cysteine의농도가증가할때형광의크기가감소하고있음을보여준다. 즉, 농도가증가함에따라형광이 off 상태로변한다. 이는 P4와결합했던 Ag + 이온이 cysteine 농도가증가함에따라 Ag + 이 cysteine 에결합하여 P4에서떨어져나감으로써 P4 ssdna는다시산화그래핀에증착하여형광이세기가점점작아지고있다. 이때의검출한계는 60 nm로써다른색전이방법들을이용한센서들의검출한계에필적한다 (40 ~ 100 nm). 아미노산중에서 cysteine의선택성을증명하기위하여다른 19가지의특수아미노산들 (10 µm) 을 P1/P3/P4-GO에섞은 10 µm의 Ag + 이온이포함된용액에반응시킨결과가그림 B 이다. 형광세기의감소는선택적으로 cysteine에서만일어났다. 즉, 20가지아미노산중에서 cystiene만이선택적으로검출할수있음을보여준다. 이러한결과는산화그래핀 (GO) 에 MBs 을적용한 platform 이중금속이온, cysteine, thrombin 등에다양하게적용될수있는우수한시스템임을확인할수있다. References [1] Y. Shai, J. Wang, H. Wu, J. Liu, I. A. Aksay, and Y. Lin, Graphene Based Electrochemical Sensors and Biosensors: A Review, Electroanalysis, 22, 1027, 2010. [2] T. Kuila, S. Bose, P. Khanra, A. K. Mishra, N. H. Kim, and J. H. Lee, Recent advances in graphene-based biosensors, Biosensors and Bioelectronics, 26, 4637, 2009.
[3] J. Li, S. Guo, Y. Zhai, and E. Wang, High-sensitivity determination of lead and cadmium based on the Nafion-graphene composite film, Analytica Chimica Acta, 649, 196, 2009. [4] M. Zhang, B. C. Yin, W. Tan, and B. C. Ye, A versatile graphene-based fluorescence on/off switch for multiplex detection of various targets, Biosens. Bioelectron., 26, 3260, 2011. [5] X. H. Zhou, D. M. Kong, and H. X. Shen, Ag + and Cysteine Quantitation Based on G-Quadruplex Hemin DNAzymes Disruption by Ag +, Anal. Chem., 82, 789, 2010. [6] J. Liu and Y. Lu, Rational Design of Turn-On Allosteric DNAzyme Catalytic Beacons for Aqueous Mercury Ions with Ultrahigh Sensitivity and Selectivity, Angew. Chem. Int. Ed., 46, 7587, 2007.