KR102208108B1 - Apparatus and Method for On-line Monitoring of Metabolic Products from Bioconversion via Surface Enhanced Raman Spectroscopy using Electrostatic Interaction of Metallic Nanostructure - Google Patents
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Abstract
금속 나노 구조체를 포함하는 대사산물 농축 및 검출부;를 포함하는 생물전환 대사산물 검출 장치이고, 상기 대사산물 농축 및 검출부에 제공된 금속 나노 구조체가 부착된 생물전환 대사산물을 표면증강 라만 산란 신호로 검출하는, 생물전환 대사산물 검출 장치와 이를 이용하여 생물전환 대사산물을 효과적으로 농축하고 초고속으로 검출하는 방법이 제공된다.A bioconversion metabolite detection device comprising a metabolite enrichment and detection unit including a metal nanostructure, and detecting a bioconversion metabolite attached to the metal nanostructure provided in the metabolite enrichment and detection unit as a surface-enhanced Raman scattering signal. , A biotransformation metabolite detection device and a method for effectively concentrating and ultrafast detection of biotransformation metabolites using the same are provided.
Description
본 명세서는 금속 나노 구조체의 정전기적 인력을 활용한 표면증강라만산란법 기반 생물전환 대사산물 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.The present specification relates to a method and apparatus for detecting biotransformation metabolites based on a surface-enhanced Raman scattering method using the electrostatic attraction of a metal nanostructure.
생물전환 반응(bioconversion)이란 원료 물질을 미생물이나 효소의 기능을 활용하여 유용한 소재나 에너지원 등으로 전환시키는 기술을 의미한다. 생물전환 반응은 미생물이나 효소를 이용하기 때문에 화학반응과는 달리 고온이나 고압을 필요로 하지 않는 안전한 조건에서 반응이 진행된다. 또한, 유기용매 등의 독성 물질을 사용하지 않기 때문에 친환경적 공정 개발이 가능하다. 뿐만 아니라, 효소의 기질 특이성으로 인해 특정 대사산물의 생산 수율을 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 의약품, 건강기능식품, 화장품, 에너지 원료 등의 생산에서 생물전환 반응은 기존의 화학 반응의 대체제로 각광받고 있다.Bioconversion refers to a technology that converts raw materials into useful materials or energy sources by utilizing the functions of microorganisms or enzymes. Since biotransformation reactions use microorganisms or enzymes, unlike chemical reactions, the reaction proceeds under safe conditions that do not require high temperature or high pressure. In addition, since it does not use toxic substances such as organic solvents, it is possible to develop eco-friendly processes. In addition, the substrate specificity of the enzyme can increase the yield of production of specific metabolites. For this reason, bioconversion reactions in the production of pharmaceuticals, health functional foods, cosmetics, and energy raw materials are in the spotlight as a substitute for existing chemical reactions.
기존의 화학 공정을 생물전환 공정으로 대체하기 위해서는 생물전환 공정이 일반적으로 화학 공정에 비해서 수율이 낮다는 문제점을 해결해야 한다. 이를 위해 생물전환 반응을 통한 대사산물 생산 효율을 증대시키기 위해 유전자 조작을 통해 대사 효율이 높은 미생물 또는 효소의 개발이 이루어지고 있으며, 생물전환 공정의 반응 조건(pH나 온도, 배지 등)을 최적화하는 연구 또한 활발하게 진행되고 있다. 따라서 생물전환 공정을 최적화하고 대사산물의 수율을 증대시키기 위해서는 생물 반응기 내 대사산물의 농도를 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술이 필요하다.In order to replace the existing chemical process with the bioconversion process, it is necessary to solve the problem that the bioconversion process generally has a lower yield than the chemical process. To this end, in order to increase the production efficiency of metabolites through bioconversion reactions, microorganisms or enzymes with high metabolic efficiency are being developed through genetic manipulation, and the reaction conditions (pH, temperature, medium, etc.) of the bioconversion process are optimized. Research is also actively progressing. Therefore, in order to optimize the bioconversion process and increase the yield of metabolites, a technology capable of monitoring the concentration of metabolites in the bioreactor in real time is required.
기존에는 반응기 내 대사산물의 농도를 측정하기 위해 질량분석기(mass spectrometer)나 광다이오드 배열 검출기(photo-diode array detector)가 결합된 고성능 액체 크로마토그래피(high-performance liquid chromatography, HPLC)에 의존하고 있다. 하지만 크로마토그래피를 이용한 검출법은 응답 시간이 20분 이상이 소요되어 실시간 모니터링에 적합하지 않을 뿐만 아니라 반응기 내부 수용액의 일부를 채취하는 오프라인 샘플링 과정에서 반응기가 외부 환경과 접촉하여 오염될 위험성에 노출되어 있다.Previously, to measure the concentration of metabolites in the reactor, high-performance liquid chromatography (HPLC) was relied on in combination with a mass spectrometer or photo-diode array detector. . However, the detection method using chromatography is not suitable for real-time monitoring because the response time takes more than 20 minutes, and the reactor is exposed to the risk of contamination due to contact with the external environment during the offline sampling process that collects a part of the aqueous solution inside the reactor. .
이러한 문제점을 개선하기 위해 반응기 내 용액의 분자들을 라만분광법(Raman spectroscopy)를 활용하여 분석하는 방법이 제시되었다. (특허문헌 1, 비특허문헌 1) 라만분광법은 레이저를 조사해주었을 때 분자의 화학 결합에 의해 발생하는 라만 산란을 이용하여 분자 결합의 진동수를 측정하는 광학적 검출 방법이다. 라만분광법은 분자의 화학 결합에 대한 정보를 제공하기 때문에 각 분자를 선택적으로 구별 가능하며 비파괴적으로 실시간 검출이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 라만분광법은 민감도가 낮기 때문에 생물전환 반응기에 활용되기에 어렵다는 문제점이 있다.In order to improve this problem, a method of analyzing the molecules of a solution in a reactor using Raman spectroscopy has been proposed. (
본 발명의 일 측면에서, 온라인으로 생물전환 반응기 내 대사산물을 모니터링할 수 있는 표면증강라만산란법 기반 분자검출 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In one aspect of the present invention, to provide a surface-enhanced Raman scattering method-based molecular detection method and apparatus capable of monitoring metabolites in a bioconversion reactor online.
본 발명의 다른 측면에서, 기존 크로마토그래피 기술로 검출이 어려웠던 생물전환 반응기 내 대사산물을 검출할 수 있는 표면증강라만산란법 기반 분자검출 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In another aspect of the present invention, it is intended to provide a method and apparatus for molecular detection based on a surface-enhanced Raman scattering method capable of detecting metabolites in a bioconversion reactor, which was difficult to detect with conventional chromatography techniques.
본 발명의 또 다른 측면에서, 강한 전자기장 증폭 및 정전기적 인력을 지닌 이종 금속 나노구조체를 활용함으로써 검출 민감도를 향상시킬 수 있는 표면증강라만산란법 기반 분자검출 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In another aspect of the present invention, it is intended to provide a method and apparatus for detecting a molecule based on a surface-enhanced Raman scattering method that can improve detection sensitivity by utilizing a heterogeneous metal nanostructure having strong electromagnetic field amplification and electrostatic attraction.
본 발명의 예시적인 구현예들은, 금속 나노 구조체를 포함하는 대사산물 농축 및 검출부;를 포함하는 생물전환 대사산물 검출 장치이고, 상기 대사산물 농축 및 검출부에 제공된 금속 나노 구조체가 부착된 생물전환 대사산물을 표면증강 라만 산란 신호로 검출하는 생물전환 대사산물 검출 장치를 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention are a bioconversion metabolite detection device including a metabolite enrichment and detection unit including a metal nanostructure, and a bioconversion metabolite with a metal nanostructure provided in the metabolite enrichment and detection unit It provides a bioconversion metabolite detection device for detecting a surface-enhanced Raman scattering signal.
본 발명의 예시적인 구현예들은, 생물전환 대사산물을 농축 및 검출하는 방법으로서, 생물전환 대사산물을 금속 나노 구조체에 부착시켜 농축하는 단계; 상기 금속 나노 구조체에 광원을 조사하여 방출되는 표면증강라만산란 신호로부터 생물전환 대사산물을 검출하는 단계;를 포함하는 생물전환 대사산물 검출 방법을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention provide a method for concentrating and detecting a biotransformation metabolite, comprising: attaching the biotransformation metabolite to a metal nanostructure and concentrating; It provides a method for detecting a bioconversion metabolite comprising; detecting a bioconversion metabolite from the surface-enhanced Raman scattering signal emitted by irradiating the metal nanostructure with a light source.
본 발명의 예시적인 구현예들에 따르면, 높은 신뢰성과 특이성을 가지면서 초고속으로 생물전환 대사산물을 검출할 수 있다. 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 화학적 흡착을 통해 반응기 내 생물전환 대사산물을 선택적으로 금속 나노 구조체 표면에 농축하므로, 특히 용액 내 매우 낮은 농도로 존재하는 생물전환 대사산물을 민감하게 검출할 수 있다는 장점이 있다.According to exemplary embodiments of the present invention, it is possible to detect biotransformation metabolites at ultra-high speed while having high reliability and specificity. In exemplary embodiments of the present invention, since bioconversion metabolites in the reactor are selectively concentrated on the surface of metal nanostructures through chemical adsorption, it is possible to sensitively detect bioconversion metabolites present in a very low concentration in a solution. There is an advantage.
또한 본 발명의 예시적인 구현예들에 따르면, 반응기 내 수용액을 외부로 채취하여 분석하는 오프라인 샘플링 기술과는 달리 생물전환 대사산물 검출 장치를 직접 반응기 내부에 채용할 수 있으므로 반응기 오염의 위험성을 줄일 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to exemplary embodiments of the present invention, unlike off-line sampling technology in which an aqueous solution in the reactor is collected and analyzed outside, a bioconversion metabolite detection device can be directly employed inside the reactor, thereby reducing the risk of reactor contamination. There is an advantage that there is.
또한 본 발명의 예시적인 구현예들에 따르면, 생물전환 대사산물 검출 장치 및 방법은 다양한 금속 나노 구조체를 도입함으로써, 다양한 생물 전환 반응기의 피드와 생산물의 실시간 모니터링에 폭넓게 활용될 수 있다.In addition, according to exemplary embodiments of the present invention, the apparatus and method for detecting bioconversion metabolites may be widely used for real-time monitoring of feeds and products of various bioconversion reactors by introducing various metal nanostructures.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 구현예에서, 생물전환 반응기에 금속 나노 구조체와 레이저가 결합된 광학적 센서를 도입하여 정전기적 인력을 통해 금속 나노 구조체 주변에 대사산물을 농축시키고 이를 표면증강라만산란법으로 실시간 모니터링하는 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에서, 물-유기용매 간 계면에 막대 형태의 금 나노입자 단일층을 형성하고, 유기용매를 증발시킨 뒤 이를 고체 기판에 전이한 후 측정한 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 물-유기용매 간 계면에 막대 형태의 은 나노입자 단일층을 형성하고, 유기용매를 증발시킨 뒤 이를 투명한 고분자 기판(PDMS, polydimethylsiloxane)에 전이한 후 표면증강라만산란법을 통해 아세테이트(acetate)를 검출한 결과를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에서, 물-유기용매 간 계면에 막대 형태의 은 나노입자 단일층을 형성하고, 유기용매를 증발시킨 뒤 이를 투명한 고분자 기판에 전이한 후 표면증강라만산란법을 통해 부티레이트(butyrate)를 검출한 결과를 도시한다.
도 5는 물-유기용매 간 계면에 막대 형태의 금 나노입자 단일층을 형성하고, 유기용매를 증발시킨 뒤 이를 미세유체 시스템에 도입하고 표면증강라만산란법을 통해 아세테이트(acetate)의 농도 변화를 실시간 관찰한 결과를 도시한다.1 is an exemplary embodiment of the present invention, by introducing an optical sensor in which a metal nanostructure and a laser are combined in a bioconversion reactor to concentrate metabolites around the metal nanostructure through electrostatic attraction, and surface-enhanced Raman scattering thereof. A schematic diagram of real-time monitoring by law is shown.
Figure 2 is, in the embodiment of the present invention, a single layer of gold nanoparticles in the form of a rod was formed at the interface between the water-organic solvent, and the organic solvent was evaporated and then transferred to a solid substrate and observed with a scanning electron microscope. The results are shown.
3 is a surface enhancement after forming a single layer of silver nanoparticles in the form of a rod at the interface between the water-organic solvent, evaporating the organic solvent, and transferring it to a transparent polymer substrate (PDMS, polydimethylsiloxane) in an embodiment of the present invention. It shows the result of detecting acetate (acetate) through the Raman scattering method.
Figure 4 is, in an embodiment of the present invention, a single layer of silver nanoparticles in the form of a rod is formed at the interface between the water-organic solvent, the organic solvent is evaporated, and then transferred to a transparent polymer substrate, through a surface-enhanced Raman scattering method. The result of detecting butyrate is shown.
5 shows a single layer of gold nanoparticles in the form of a rod at the water-organic solvent interface, evaporating the organic solvent, and introducing it into a microfluidic system, and changing the concentration of acetate through a surface-enhanced Raman scattering method. Real-time observation results are shown.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
본 명세서에서, "생물전환 대사산물"는 미생물의 대사과정에서 생산되는 물질을 의미한다. In the present specification, "biotransformation metabolite" refers to a substance produced in the process of metabolism of microorganisms.
본 명세서에서, "나노"란 1000nm 이하를 의미한다.In the present specification, "nano" means 1000 nm or less.
생물전환 대사산물 검출 장치Bioconversion metabolite detection device
본 발명의 예시적인 구현예는 금속 나노 구조체를 포함하는 대사산물 농축 및 검출부;를 포함하는 생물전환 대사산물 검출 장치이고, 상기 대사산물 농축 및 검출부에 제공된 금속 나노 구조체가 부착된 생물전환 대사산물을 표면증강 라만 산란 신호로 검출하는, 생물전환 대사산물 검출 장치를 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention is a bioconversion metabolite detection device including a metabolite concentration and detection unit including a metal nanostructure, and a bioconversion metabolite to which a metal nanostructure provided in the metabolite concentration and detection unit is attached. It provides a bioconversion metabolite detection device that detects with a surface-enhanced Raman scattering signal.
예시적인 구현예에서, 상기 생물전환 대사산물 검출 장치는 생물 전환 반응기에 직접 도입될 수 있으며, 때문에 반응기 내 수용액을 외부로 채취하여 분석하는 오프라인 샘플링 기술과는 달리 생물전환 대사산물 검출 장치를 직접 반응기 내부에 채용할 수 있으므로 반응기 오염의 위험성을 줄일 수 있다.In an exemplary embodiment, the bioconversion metabolite detection device can be directly introduced into the bioconversion reactor, so unlike the offline sampling technology in which an aqueous solution in the reactor is collected and analyzed outside, the bioconversion metabolite detection device is directly used as a reactor. Since it can be employed inside, the risk of reactor contamination can be reduced.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 구조체는 기판 및 상기 기판 상에 형성된 금속 나노 입자 층을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal nanostructure may include a substrate and a metal nanoparticle layer formed on the substrate.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 입자 층은 복수의 금속 나노 입자를 포함하고, 상기 금속 나노 입자는 정전기적 인력을 통해 반응기 내 대사산물을 선택적으로 금속 나노 구조체 표면에 농축할 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal nanoparticle layer may include a plurality of metal nanoparticles, and the metal nanoparticles may selectively concentrate metabolites in the reactor on the surface of the metal nanostructure through electrostatic attraction.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 입자 층은 양전하 영역 및 음전하 영역 중 하나 이상을 포함하며, 상기 양전하 영역은 양전하를 띠는 제1 금속 나노 입자를 포함하고, 상기 음전하 영역은 음전하를 띠는 제2 금속 나노 입자를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal nanoparticle layer includes one or more of a positive charge region and a negative charge region, the positive charge region includes first metal nanoparticles having a positive charge, and the negative charge region is a negative charge region. It may contain 2 metal nanoparticles.
도 1을 참조로 이를 설명하면, 상기 금속 나노 입자는 양전하를 띠는 제1 금속 나노 입자 또는 음전하를 띠는 제2 금속 나노 입자일 수 있으며, 금속 나노 입자가 띠는 전하에 따라서, 선택적으로 생물전환 대사산물을 부착할 수 있다. Referring to FIG. 1, the metal nanoparticles may be positively charged first metal nanoparticles or negatively charged second metal nanoparticles, and depending on the electric charge of the metal nanoparticles, selectively biological Conversion metabolites can be attached.
예를 들어, 금속 나노 구조체의 일부분은 양전하 영역일 수 있으며, 상기 양전하 영역에서는 음전하를 띠는 생물전환 대사산물과의 사이에서 정전기적 인력을 형성할 수 있고, 따라서, 양전하 영역에 음전하를 띠는 생물전환 대사산물이 부착될 수 있다. 또한, 예를 들어 금속 나노 구조체의 일부분은 음전하 영역일 수 있으며, 상기 음전하 영역에서는 양전하를 띠는 생물전환 대사산물과의 사이에서 정전기적 인력을 형성할 수 있고, 따라서, 음전하 영역에 양전하를 띠는 생물전환 대사산물이 부착될 수 있다.For example, a part of the metal nanostructure may be a positively charged region, and in the positively charged region, an electrostatic attraction may be formed between a biotransformation metabolite carrying a negative charge, and thus, a negatively charged region in the positively charged region. Biotransformation metabolites can be attached. In addition, for example, a part of the metal nanostructure may be a negatively charged region, and in the negatively charged region, an electrostatic attraction may be formed between a bioconversion metabolite having a positive charge, and thus, a positive charge may be obtained in the negatively charged region. Biotransformation metabolites can be attached.
결과적으로, 금속 나노 구조체의 일부 영역에는 음전하를 띠는 생물전환 대사산물이 정전기적 인력으로 부착될 수 있고, 금속 나노 구조체의 다른 일부 영역에는 양전하를 띠는 생물전환 대사산물이 정전기적 인력으로 부착될 수 있다.As a result, negatively charged biotransformation metabolites can be attached to some areas of the metal nanostructure by electrostatic attraction, and positively charged bioconversion metabolites are attached to other areas of the metal nanostructure by electrostatic attraction. Can be.
여기서, 생물전환 대사산물은 그 분자의 크기가 작고 라만 단면적이 작아 검출이 어려운 물질일 수 있으나, 본 발명의 구현예에 따른 생물전환 대사산물 검출 장치는 정전기적 인력을 통하여 반응기 내 생물전환 대사산물을 선택적으로 금속 나노 구조체 표면에 농축하므로, 수용액 내 매우 낮은 농도로 존재하는 생물전환 대사산물을 표면증강라만산란법을 통해 민감하게 검출할 수 있다.Here, the bioconversion metabolite may be a material that is difficult to detect due to its small molecule size and Raman cross-sectional area. However, the bioconversion metabolite detection device according to the embodiment of the present invention is a bioconversion metabolite in the reactor through electrostatic attraction. Since is selectively concentrated on the surface of the metal nanostructure, bioconversion metabolites present at a very low concentration in the aqueous solution can be sensitively detected through the surface-enhanced Raman scattering method.
예시적인 구현예에서, 상기 생물전화 대사산물은 미생물의 대사 과정에서 생산된 대사산물일 수 있으며, 미생물의 대사 과정에서 생산된 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 비제한적 예시로서, 아세테이트, 부티레이트, 3-프로피오네이트, 2,3-부탄디올, 에탄올, 및 메탄올로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the bioconversion metabolite may be a metabolite produced in a metabolic process of a microorganism, and is not particularly limited as long as it is produced in a metabolic process of a microorganism. As a non-limiting example, it may include one or more selected from the group consisting of acetate, butyrate, 3-propionate, 2,3-butanediol, ethanol, and methanol.
예를 들어, 아세테이트는 합성가스를 원료로 사용하고 미생물의 대사를 통해 생성되는 대표적인 대사산물의 일종으로, 분자의 크기가 작고 라만 단면적(Raman cross-section)이 작아 검출이 어려운 물질 중 하나이다. 또한, 아세테이트 분자는 수용액상에서 음전하를 띠는 것일 수 있다.For example, acetate is a type of metabolite that uses syngas as a raw material and is produced through the metabolism of microorganisms, and is one of the substances that is difficult to detect due to its small molecule size and Raman cross-section. Further, the acetate molecule may have a negative charge in the aqueous solution.
예시적인 구현예에서, 상기 기판은 금속 나노 입자 층을 전이시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 비제한적 예시로서, 상기 기판은 투명 기판이고, 투명 기판은 고분자, 유리, 및 ITO로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 것이고, 상기 고분자는 PDMS, PMMA, 및 hydrogel로구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the substrate is not particularly limited as long as it is capable of transferring the metal nanoparticle layer. As a non-limiting example, the substrate is a transparent substrate, the transparent substrate is one or more selected from the group consisting of polymer, glass, and ITO, and the polymer may be one or more selected from the group consisting of PDMS, PMMA, and hydrogel have.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 입자는 구, 막대, 타원체, 덴드리머, 사면체, 육면체, 팔면체, 2차원 사각형, 및 2차원 삼각형 형상으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 형상을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal nanoparticles may have one or more shapes selected from the group consisting of a sphere, a rod, an ellipsoid, a dendrimer, a tetrahedron, a hexahedron, an octahedron, a two-dimensional square, and a two-dimensional triangular shape.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 구조체는 Au, Ag, Pd, Pt, Al, Cu, Co, Cr, Mn, Ni, 및 Fe로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 둘 이상의 금속의 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 아세테이트 또는 부티레이트는 은의 표면에 정전기적 인력에 의하여 부착될 수 있으며, 이를 이용하면 금속 나노 구조체 표면에 이들 분자를 농축시킬 수 있다. 예를 들어, 은(Ag)은 표면이 양전하를 띠는 것일 수 있다. 이에 은 나노 입자를 사용하여 음전하를 띠는 아세테이트를 검출할 수 있다. 또한 예를 들어, 생물전환 대사산물 중 하나인 부티레이트 분자 역시 수용액상에서 음전하를 띠므로, 은 나노 입자를 사용하여 검출할 수 있다. 여기서, 아세테이트와 부티레이트는 모두 미생물의 대사 과정에서 생성되는 대표적인 대사산물의 일종이며, 분자의 크기가 작고 라만 단면적이 작아 검출이 어려운 물질 중 하나이다. In an exemplary embodiment, the metal nanostructure includes one or more metals selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, Pt, Al, Cu, Co, Cr, Mn, Ni, and Fe, or an alloy of two or more metals. can do. For example, acetate or butyrate may be attached to the surface of silver by electrostatic attraction, and by using this, these molecules may be concentrated on the surface of the metal nanostructure. For example, silver (Ag) may have a positively charged surface. Accordingly, it is possible to detect negatively charged acetate using silver nanoparticles. In addition, for example, a molecule of butyrate, which is one of the bioconversion metabolites, is also negatively charged in an aqueous solution, so it can be detected using silver nanoparticles. Here, both acetate and butyrate are one of representative metabolites produced in the metabolic process of microorganisms, and are one of the substances that are difficult to detect due to the small size of the molecule and the small Raman cross-sectional area.
특히, 용액 상에 미량 존재하는 생물전환 대사산물, 예컨대 아세테이트 또는 부티레이트와 같은 생물전환 대사산물을 금속 나노 입자를 포함하는 금속 나노 구조체를 이용하여 농축 및 부착하고, 금속 나노 입자에 생물전환 대사산물을 부착시킴으로써, 표면에서 금속 나노 입자 상호간에 강한 전자기장 증폭이 일어나도록 할 수 있다.In particular, bioconversion metabolites, such as acetate or butyrate, that are present in a solution in trace amounts are concentrated and attached using a metal nanostructure including metal nanoparticles, and the bioconversion metabolites are added to the metal nanoparticles. By attaching, strong electromagnetic field amplification can occur between metal nanoparticles on the surface.
생물전환 대사산물은 일반적으로 약한 라만 신호를 보이지만, 상술한 방법에 의하여 약한 신호인 생물전환 대사산물의 라만 신호를 증폭할 수 있으며, 이와 같이 증폭된 라만 신호의 위치를 분석하여 생물전환 대사산물을 검출할 수 있다. 이에 따라 높은 신뢰도와 특이성, 민감성을 가지고 초고속으로 생물전환 대사산물을 검출할 수 있다.Biotransformation metabolites generally show a weak Raman signal, but the Raman signal of the biotransformation metabolite, which is a weak signal, can be amplified by the method described above, and the position of the amplified Raman signal is analyzed to determine the biotransformation metabolite. Can be detected. Accordingly, it is possible to detect biotransformation metabolites with high reliability, specificity, and sensitivity at high speed.
예시적인 일 구현예에서, 상기 금속 나노 입자의 직경은 5 - 200 nm일 수 있다.In an exemplary embodiment, the diameter of the metal nanoparticles may be 5 to 200 nm.
예시적인 구현예에서, 상기 생물전환 대사산물 검출 장치는 광조사부;를 더 포함하며, 상기 광조사부는 광원을 상기 금속 나노 구조체에 조사하는 것일 수 있다. 상기 광원은 광학적 센서 금속 나노 구조체에 광원, 예컨대 레이저를 조사하여 생물전환 대사산물을 검출할 수 있다.In an exemplary embodiment, the apparatus for detecting bioconversion metabolites may further include a light irradiation unit, and the light irradiation unit may be to irradiate a light source onto the metal nanostructure. The light source may detect bioconversion metabolites by irradiating the optical sensor metal nanostructure with a light source such as a laser.
예시적 구현예에서, 상기 금속 나노 입자 층은 생물전환 대사산물과 접촉하여, 상기 기판을 통하여 표면증강 라만 산란 신호를 검출하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal nanoparticle layer may be in contact with a bioconversion metabolite to detect a surface-enhanced Raman scattering signal through the substrate.
예시적 구현예에서, 상기 검출 장치는 생물전환 대사산물이 부착된 금속 나노 입자를 검출부에 제공하도록 구성된 마이크로 플루이드 채널을 더 포함할 수 있다. 마이크로 플루이드 채널을 사용하게 되면, 다량의 샘플을 빠르게 처리할 수 있다. 비제한적인 예시에서, 마이크로 플루이드 채널은 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다.In an exemplary embodiment, the detection device may further include a microfluidic channel configured to provide a metal nanoparticle to which a bioconversion metabolite is attached to the detection unit. With the use of microfluidic channels, large volumes of samples can be processed quickly. In a non-limiting example, a microfluidic channel can be implemented, for example as shown in FIG. 5.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 구현예에서, 생물전환 반응기에 금속 나노 구조체와 레이저가 결합된 광학적 센서를 도입하여 정전기적 인력을 통해 금속 나노 구조체 주변에 대사산물을 농축시키고 이를 표면증강라만산란법으로 실시간 모니터링하는 개략도이다. 라만 신호가 증폭이 되는 금속 나노 구조체 주변에 대사산물이 정전기적 인력에 의해 농축이 되기 때문에 매우 낮은 농도로 존재하는 대사산물의 실시간 모니터링이 가능하다.1 is an exemplary embodiment of the present invention, by introducing an optical sensor in which a metal nanostructure and a laser are combined in a bioconversion reactor to concentrate metabolites around the metal nanostructure through electrostatic attraction, and surface-enhanced Raman scattering thereof. It is a schematic diagram of real-time monitoring by law. Since metabolites are concentrated by electrostatic attraction around metal nanostructures where Raman signals are amplified, real-time monitoring of metabolites present at very low concentrations is possible.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 금속 나노 구조체에 생물전환 대사산물을 함유하는 용액을 제공하여 생물전환 대사산물을 금속 나노 입자에 부착한다. 이어서, 생물전환 대사산물이 부착된 생물전환 대사산물 농축 및 검출부에 광원, 예컨대 레이저를 조사할 수 있다.As shown in FIG. 1, a solution containing a bioconversion metabolite is provided to the metal nanostructure to attach the bioconversion metabolite to the metal nanoparticle. Subsequently, a light source, such as a laser, may be irradiated to the bioconversion metabolite concentration and detection unit to which the bioconversion metabolite is attached.
상기 생물전환 대사산물 농축 및 검출부에 포함되는 금속 나노 입자는 생물전환 대사산물을 효과적으로 농축시키는 역할을 수행할 수 있다.The metal nanoparticles included in the bioconversion metabolite concentration and detection unit may effectively concentrate the bioconversion metabolite.
상기 생물전환 대사산물 농축 및 검출부에 레이저를 조사하여 금속 나노 입자에 농축된 생물전환 대사산물을 표면증강라만산란 신호로 검출할 수 있다. By irradiating a laser to the bioconversion metabolite concentration and detection unit, the bioconversion metabolite concentrated in the metal nanoparticles may be detected as a surface-enhanced Raman scattering signal.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 입자 층은 생물전환 대사산물과 접촉하고, 상기 투명 기판을 통하여 표면증강 라만 산란 신호를 검출하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal nanoparticle layer may contact a bioconversion metabolite and detect a surface-enhanced Raman scattering signal through the transparent substrate.
예시적인 구현예에서, 상기 검출부에서는 생물전환 대사산물이 금속 나노 구조체 상에 부착된 위치에 따라서 생물전환 대사산물의 종류 및/또는 농도를 정량화 하는 것을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the detection unit may include quantifying the type and/or concentration of the bioconversion metabolite according to the position at which the bioconversion metabolite is attached to the metal nanostructure.
생물전환 대사산물 검출 방법Biotransformation metabolite detection method
본 발명의 예시적인 구현예는 생물전환 대사산물을 농축 및 검출하는 방법으로서, 생물전환 대사산물을 금속 나노 구조체에 부착시켜 농축하는 단계; 상기 금속 나노 구조체에 광원을 조사하여 방출되는 표면증강라만산란 신호로부터 생물전환 대사산물을 검출하는 단계;를 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 방법이 제공된다.An exemplary embodiment of the present invention is a method of concentrating and detecting a biotransformation metabolite, comprising: attaching the bioconversion metabolite to a metal nanostructure and concentrating; A method for detecting a bioconversion metabolite comprising; detecting a bioconversion metabolite from the surface-enhanced Raman scattering signal emitted by irradiating the metal nanostructure with a light source is provided.
예시적인 일 구현예에서, 상기 검출 방법은 금속 나노 구조체 주변 분자의 라만 신호의 측정을 통해 생물전환 대사산물을 검출할 수 있다.In an exemplary embodiment, the detection method may detect a bioconversion metabolite by measuring a Raman signal of a molecule surrounding a metal nanostructure.
예시적인 구현예에서, 상기 농축 단계는 정전기적 인력을 통하여 생물전환 대사산물을 상기 금속 나노 구조체의 적어도 일부분에 선택적으로 농축하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the concentrating step may be selectively concentrating a bioconversion metabolite to at least a portion of the metal nanostructure through electrostatic attraction.
예시적인 구현예에서, 금속 나노 구조체를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 금속 나노 구조체를 형성하는 단계는, 제1물질 및 제2물질의 계면에 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 금속 나노입자 층을 기판에 전이하는 단계;를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the step of forming a metal nanostructure further includes, wherein the forming of the metal nanostructure includes: forming a metal nanoparticle layer at an interface between the first material and the second material; And transferring the formed metal nanoparticle layer to a substrate.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계는, 제1물질 및 제2물질의 액상-액상 계면에서 금속 나노 입자의 자가 조립을 통하여 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계; 상기 제2물질을 상변화 시켜 액상-기상 계면을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the forming of the metal nanoparticle layer may include forming a metal nanoparticle layer through self-assembly of the metal nanoparticles at a liquid-liquid interface of the first material and the second material; It may include a step of forming a liquid-phase interface by changing the phase of the second material.
한편, 금속 나노 입자는 자가 조립될 수 있는데, 여기서, 자가 배열이란 배열을 시키기 위해 별도로 가해주는 외부 힘 없이 해당 구성 요소들이 특정 배턴으로 배열되거나 구조체를 형성할 수 있는 것을 말한다.On the other hand, metal nanoparticles may be self-assembled. Here, self-arrangement means that the corresponding components can be arranged in a specific baton or can form a structure without an external force applied separately to perform the arrangement.
일 구현예에서, 제1물질 및 제2물질의 액상-액상 계면에서 금속 나노 입자는 자기 조립을 통하여 금속 나노입자 단일층을 형성할 수 있다. 단일층을 형성함으로써, 우수한 검출 성능을 가질 수 있다.In one embodiment, the metal nanoparticles at the liquid-liquid interface of the first material and the second material may form a single layer of metal nanoparticles through self-assembly. By forming a single layer, it is possible to have excellent detection performance.
한편, 금속 나노 입자의 자기 조립을 위하여 액상-액상 계면에 알코올을 첨가할 수 있다. 예컨대, 액상-액상 계면에 에탄올을 첨가할 수 있다.Meanwhile, alcohol may be added to the liquid-liquid interface for self-assembly of the metal nanoparticles. For example, ethanol can be added to the liquid-liquid interface.
예를 들어, 핵산은 수용액과 계면을 형성하기 위해서 첨가되는 것일 수 있다. 금속 나노 입자는 표면장력에 의한 에너지 때문에 계면에 존재하는 것이 안정한 것이 일반적이지만, 핵산만 첨가했을 경우에 금속 나노입자끼리의 정전기적 반발력이 더 강해 자기조립 현상이 발생하지 않게 된다. 에탄올은 나노입자 표면을 둘러싸고 있는 분자의 전하를 약화시키기 때문에, 정전기적 반발력을 줄여 자기조립을 유도할 수 있다. For example, the nucleic acid may be added to form an interface with an aqueous solution. Metal nanoparticles are generally stable to exist at the interface due to the energy caused by the surface tension, but when only nucleic acids are added, the electrostatic repulsion between the metal nanoparticles is stronger and self-assembly does not occur. Since ethanol weakens the charge of molecules surrounding the nanoparticle surface, it can induce self-assembly by reducing electrostatic repulsion.
그런 뒤, 상기 제2물질은 상변화될 수 있다. 예컨대, 액상에서 기상으로 상변화시킬 수 있다. 상변화에 사용되는 수단은 본 발명의 목적 내에서 제한되지 않는다. 이러한 상변화 과정을 통하여 제1물질 및 제2물질은 액상-기상 계면 상에 금속 나노 입자 층을 형성할 수 있다.Then, the second material may be phase-changed. For example, the phase change can be made from liquid to gaseous. The means used for the phase change are not limited within the purpose of the present invention. Through this phase change process, the first material and the second material may form a metal nanoparticle layer on the liquid-vapor interface.
일 구현예에서, 상기 형성된 금속 나노입자 층을 기판에 전이할 수 있으며, 구체적으로 제1물질 및 제2물질의 액상-기상 계면에서 기상 측 계면을 통하여 기판에 전이할 수 있다.In one embodiment, the formed metal nanoparticle layer may be transferred to the substrate, and specifically, the first material and the second material may be transferred from the liquid-vapor interface to the substrate through the vapor-phase interface.
예를 들어, 액상-액상 계면에 형성된 금속 나노 입자 층의 경우에는 상층(예컨대, 제2물질)에 존재하는 액체상을 증발시킨 뒤, 형성된 액체-기체 계면에 존재하는 금속 나노 입자 층을 전이시킬 수 있다. 일 실시예에서, 물과 핵산 계면 상에 금속 나노 입자 층을 형성시키고 상기 핵산을 증발시킨 뒤, 형성된 금속 나노 입자 층을 기판에 전이시킬 수 있다.For example, in the case of a metal nanoparticle layer formed at a liquid-liquid interface, the liquid phase present in the upper layer (eg, a second material) is evaporated, and then the metal nanoparticle layer present at the formed liquid-gas interface can be transferred. have. In an embodiment, after forming a metal nanoparticle layer on the water-nucleic acid interface and evaporating the nucleic acid, the formed metal nanoparticle layer may be transferred to a substrate.
또한 일 구현예에서, 상기 전이 단계는 형성된 계면과 투명기판과 같은 기판의 면이 서로 평행이 되도록 상기 계면과 기판을 접촉시킨 후 분리시킴으로써 계면 상에서 금속 나노 입자 층을 기판에 전이시킬 수 있다.In addition, in one embodiment, in the transfer step, the metal nanoparticle layer may be transferred to the substrate by contacting the interface and the substrate so that the formed interface and the surface of the substrate, such as the transparent substrate, are parallel to each other and then separated.
예시적인 구현예에서, 상기 제1물질이 물(액상)인 경우, 상기 제1물질과 함께 계면을 형성하기 위하여 제2물질은 유기용매일 수 있으며, 예를 들어 상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 클로로포름, 핵산, 올레산 등 지방산 계열, 올레일아민 등 지방족 아민 계열 등의 유기 용매일 수 있다.In an exemplary embodiment, when the first material is water (liquid), the second material may be an organic solvent to form an interface with the first material. For example, the organic solvent is benzene, toluene, It may be an organic solvent such as a fatty acid series such as chloroform, a nucleic acid, or oleic acid, or an aliphatic amine series such as oleylamine.
예시적인 구현예에서, 제1물질 및 제2물질의 액상-기상 계면을 직접 형성시킬 수 있으며, 이러한 경우 제2물질은 공기, 제1물질은 벤젠, 톨루엔, 핵산, 클로로포름 등의 유기용매를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the liquid phase interface between the first material and the second material can be directly formed, and in this case, the second material includes air and the first material includes an organic solvent such as benzene, toluene, nucleic acid, chloroform, etc. can do.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노 구조체와 정전기적 인력이 작용하는 생물전환 대사산물이 함유된 용액에 금속 나노 구조체를 제공하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, it may be to provide a metal nanostructure to a solution containing a bioconversion metabolite in which the metal nanostructure and electrostatic attraction act.
예시적인 구현예에서, 상기 생물전환 대사산물을 검출하는 단계는 검출된 생물전환 대사산물의 농도를 정량화 하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 표면증강라만산란 신호로부터 생물전환 대사산물을 검출한 결과를 일정한 기준으로 정규화 하는 것을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the step of detecting the biotransformation metabolite may include quantifying the concentration of the detected biotransformation metabolite. For example, it may include normalizing the result of detecting the biotransformation metabolite from the surface-enhanced Raman scattering signal to a certain standard.
예시적인 구현예에서, 상기 생물전환 대사산물을 검출하는 단계는 상기 금속 나노 구조체 상에 부착된 위치에 따라서 생물전환 대사산물의 농도를 정량화 하는 것을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, detecting the biotransformation metabolite may include quantifying the concentration of the biotransformation metabolite according to the position attached to the metal nanostructure.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다. Hereinafter, specific embodiments according to exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited to the following examples, and various types of examples may be implemented within the scope of the appended claims, and only the following examples are common in the art to complete the disclosure of the present invention. It will be understood that it is intended to facilitate the implementation of the invention to those of skill.
[제조예 1] 금속 나노 구조체 제조[Production Example 1] Preparation of metal nanostructures
액체-기체 계면에 금속 나노입자 단일층을 형성Forming a single layer of metal nanoparticles at the liquid-gas interface
막대 형태의 은 나노 입자를 함유하는 수용액 9ml 상에 n-헥산 3ml를 조심스럽게 첨가하여 액체-액체 계면을 형성한 후 나노입자 용액 내에 에탄올을 4.5ml를 첨가한 후 6 시간 동안 상온에서 방치함으로써 n-헥세인(n-hexane)을 모두 증발시켰다.After forming a liquid-liquid interface by carefully adding 3 ml of n-hexane to 9 ml of an aqueous solution containing rod-shaped silver nanoparticles, 4.5 ml of ethanol was added to the nanoparticle solution, and then allowed to stand at room temperature for 6 hours. -All of the hexane (n-hexane) was evaporated.
고체 기판에 나노입자 단일층을 전이Transfer of a single layer of nanoparticles to a solid substrate
한 변의 길이가 1cm인 PDMS기판을 나노입자 단일층이 존재하는 계면에 수평으로 접촉시킨 뒤 떼어내어 금속 나노 구조체를 제조하였다.A PDMS substrate with a length of 1 cm on one side was horizontally brought into contact with the interface where a single layer of nanoparticles exists, and then removed to prepare a metal nanostructure.
도2는 본 발명의 실시예에 있어서, 물-공기 계면에 존재하는 막대 형태의 금 나노입자 단일층을 한 변의 길이가 1cm인 PDMS 기판에 전이시킨 후 측정한 주사전자현미경 이미지를 나타낸 것이다.FIG. 2 shows a scanning electron microscope image measured after transferring a single layer of gold nanoparticles in the form of a rod existing at a water-air interface to a PDMS substrate having a side length of 1 cm in an embodiment of the present invention.
[실시예 1] 표면증강라만산란법을 통한 아세테이트 검출[Example 1] Acetate detection through surface-enhanced Raman scattering method
제조예 1의 금속 나노 구조체에 아세테이트 수용액을 30μL 떨어뜨린 후 785nm 파장의 레이저를 3초간 노출시켜 라만 신호를 측정하였다.A Raman signal was measured by dropping 30 μL of an aqueous acetate solution onto the metal nanostructure of Preparation Example 1 and then exposing a laser having a wavelength of 785 nm for 3 seconds.
도 3은 본 발명의 예시적인 일 실시예에서, PDMS 기판에 전이시킨 막대 형태의 은 나노입자 단일층을 활용하여 표면증강라만산란법(Surface-enhanced Raman spectroscopy)을 통해 아세테이트를 검출한 결과를 나타낸다. FIG. 3 shows the result of detecting acetate through a surface-enhanced Raman spectroscopy method using a single layer of silver nanoparticles in the form of a rod transferred to a PDMS substrate in an exemplary embodiment of the present invention. .
도 3으로부터, 아세테이트의 C-C결합으로부터 나타나는 928cm-1 영역에서 특징적인 라만 피크가 나타났으며, 검출 하한은 10μM로 측정된 것을 확인할 수 있다. From FIG. 3, it can be seen that a characteristic Raman peak appeared in the region of 928cm -1 appearing from the CC binding of acetate, and the lower limit of detection was measured as 10 μM.
[실시예 2] 표면증강라만산란법을 통한 부티레이트 검출[Example 2] Butyrate detection through surface-enhanced Raman scattering method
제조예 1의 금속 나노 구조체에 부티레이트 수용액을 30μL 떨어뜨린 후 785nm 파장의 레이저를 3초간 조사하여 라만 신호를 측정하였다.After 30 μL of an aqueous butyrate solution was dropped onto the metal nanostructure of Preparation Example 1, a laser having a wavelength of 785 nm was irradiated for 3 seconds to measure a Raman signal.
도 4는 본 발명의 예시적인 일 실시예에서, PDMS 기판에 전이시킨 막대 형태의 은 나노입자 단일층을 활용하여 표면증강라만산란법을 통해 부티레이트를 검출한 결과이다. FIG. 4 is a result of detecting butyrate through a surface-enhanced Raman scattering method using a single layer of silver nanoparticles in the form of a rod transferred to a PDMS substrate in an exemplary embodiment of the present invention.
도 4로부터, 부티레이트의 C-O결합으로부터 나타나는 877cm-1 영역에서 특징적인 라만 피크가 나타났으며, 검출 하한은 1mM로 측정된 것을 확인할 수 있다.From FIG. 4, it can be seen that a characteristic Raman peak appeared in the region of 877cm -1 appearing from CO bonding of butyrate, and the lower limit of detection was measured as 1mM.
이상에서와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들의 경우, 정전기적 인력을 통해 생물전환 반응기 내 대사산물을 선택적으로 금속 나노 구조체 표면에 농축하므로, 수용액 내 매우 낮은 농도로 존재하며 라만 단면적이 작은 대사산물을 민감하게 검출할 수 있다.As described above, in the case of exemplary embodiments of the present invention, since metabolites in the biotransformation reactor are selectively concentrated on the surface of the metal nanostructure through electrostatic attraction, metabolism exists at a very low concentration in the aqueous solution and has a small Raman cross-sectional area. Products can be sensitively detected.
또한, 생물전환 대사산물을 분석하던 크로마토그래피 기술은 검출에 20분 이상이 걸리지만, 본 발명은, 예시적인 구현예들에 의하면, 검출하는 데에 광학적 센서를 용액에 노출시키고 레이저를 조사시키는 수 초만 요구하여 실시간 연속 검출이 가능하다.In addition, the chromatography technique used to analyze bioconversion metabolites takes more than 20 minutes to detect, but according to exemplary embodiments, the present invention is capable of exposing an optical sensor to a solution and irradiating a laser to detect it. Real time continuous detection is possible by requiring only seconds
또한 반응기 내 수용액을 외부로 채취하여 분석하는 오프라인 샘플링 기술과는 달리 금속 나노 구조체와 레이저가 결합된 광학적 센서는 반응기 내부에 함께 결합될 수 있으므로 반응기 오염의 위험성을 줄일 수 있다.In addition, unlike the offline sampling technology in which the aqueous solution in the reactor is collected and analyzed outside, the optical sensor in which the metal nanostructure and the laser are combined can be combined together inside the reactor, thereby reducing the risk of reactor contamination.
결과적으로 본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면, 반응기에 다양한 금속 나노 구조체를 도입함으로써, 각종 생물전환 반응기의 피드와 생산물의 실시간 모니터링에 폭넓게 활용될 수 있다.As a result, according to exemplary embodiments of the present invention, by introducing various metal nanostructures into the reactor, it can be widely used for real-time monitoring of feeds and products of various bioconversion reactors.
Claims (19)
상기 대사산물 농축 및 검출부에 제공된 금속 나노 구조체에 부착된 생물전환 대사산물을 표면증강 라만 산란 신호로 검출하는 것이며,
상기 금속 나노 구조체는 기판 및 상기 기판 상에 형성된 금속 나노 입자 층을 포함하고,
상기 금속 나노 입자 층은 복수의 금속 나노 입자를 포함하고, 상기 금속 나노 입자는 정전기적 인력을 통해 생물전환 대사산물을 선택적으로 금속 나노 구조체 표면에 농축하는 것이며,
상기 금속 나노 입자 층은 양전하 영역 및 음전하 영역 중 하나 이상을 포함하고, 상기 양전하 영역은 양전하를 띠는 제1 금속 나노 입자를 포함하고, 상기 음전하 영역은 음전하를 띠는 제2 금속 나노 입자를 포함하며,
상기 제1 금속 나노 입자는 음전하를 띠는 생물전환 대사산물을 농축하고,
상기 제2 금속 나노 입자는 양전하를 띠는 생물전환 대사산물을 농축하는, 생물전환 대사산물 검출 장치.It is a bioconversion metabolite detection device comprising a; metabolite concentration and detection unit including a metal nanostructure,
The bioconversion metabolite attached to the metal nanostructure provided in the metabolite concentration and detection unit is detected as a surface-enhanced Raman scattering signal,
The metal nanostructure includes a substrate and a metal nanoparticle layer formed on the substrate,
The metal nanoparticle layer includes a plurality of metal nanoparticles, and the metal nanoparticle selectively concentrates bioconversion metabolites on the surface of the metal nanostructure through electrostatic attraction,
The metal nanoparticle layer includes at least one of a positively charged region and a negatively charged region, the positively charged region includes first metal nanoparticles having a positive charge, and the negatively charged region includes second metal nanoparticles having a negative charge And
The first metal nanoparticles concentrate a biotransformation metabolite carrying a negative charge,
The second metal nanoparticles are bioconversion metabolites detection device for concentrating biotransformation metabolites having a positive charge.
상기 생물전환 대사산물은 아세테이트, 부티레이트, 3-프로피오네이트, 2,3-부탄디올, 에탄올, 및 메탄올로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 장치.The method of claim 1,
The biotransformation metabolite comprises at least one selected from the group consisting of acetate, butyrate, 3-propionate, 2,3-butanediol, ethanol, and methanol.
상기 기판은 투명 기판이고, 투명 기판은 고분자, 유리, 및 ITO로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 것이고, 상기 고분자는 PDMS, PMMA, 및 hydrogel로구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 것인, 생물전환 대사산물 검출 장치.The method of claim 1,
The substrate is a transparent substrate, the transparent substrate is one or more selected from the group consisting of polymers, glass, and ITO, and the polymer is one or more selected from the group consisting of PDMS, PMMA, and hydrogel, bioconversion metabolites Detection device.
상기 금속 나노 입자는 구, 막대, 타원체, 덴드리머, 사면체, 육면체, 팔면체, 2차원 사각형, 및 2차원 삼각형 형상으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 형상을 갖는, 생물전환 대사산물 검출 장치.The method of claim 1,
The metal nanoparticles have at least one shape selected from the group consisting of a sphere, a rod, an ellipsoid, a dendrimer, a tetrahedron, a hexahedron, an octahedron, a two-dimensional square, and a two-dimensional triangular shape.
상기 금속 나노 구조체는 Au, Ag, Pd, Pt, Al, Cu, Co, Cr, Mn, Ni, 및 Fe로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 둘 이상의 금속의 합금을 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 장치.The method of claim 1,
The metal nanostructure is a biotransformation metabolite comprising at least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, Pt, Al, Cu, Co, Cr, Mn, Ni, and Fe or an alloy of two or more metals Detection device.
상기 금속 나노 입자의 직경은 5 - 200 nm인, 생물전환 대사산물 검출 장치.The method of claim 1,
The diameter of the metal nanoparticles is 5-200 nm, bioconversion metabolite detection device.
상기 생물전환 대사산물 검출 장치는 광조사부;를 더 포함하며,
상기 광조사부는 광원을 상기 금속 나노 구조체에 조사하는 것인, 생물전환 대사산물 검출 장치.The method of claim 1,
The bioconversion metabolite detection device further includes a light irradiation unit,
The light irradiation unit to irradiate a light source to the metal nanostructure, bioconversion metabolite detection device.
상기 금속 나노 입자 층은 생물전환 대사산물과 접촉하여, 상기 기판을 통하여 표면증강 라만 산란 신호를 검출하는, 생물전환 대사산물 검출 장치.The method of claim 1,
The metal nanoparticle layer is in contact with the bioconversion metabolite and detects a surface-enhanced Raman scattering signal through the substrate.
상기 검출 장치는 생물전환 대사산물이 부착된 금속 나노 입자를 검출부에 제공하도록 구성된 마이크로 플루이드 채널을 더 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 장치.
The method of claim 1,
The detection device further comprises a microfluid channel configured to provide a metal nanoparticle to which a biotransformation metabolite is attached to the detection unit.
생물전환 대사산물을 금속 나노 구조체에 부착시켜 농축하는 단계;
상기 금속 나노 구조체에 광원을 조사하여 방출되는 표면증강라만산란 신호로부터 생물전환 대사산물을 검출하는 단계;를 포함하는 것이고,
상기 금속 나노 구조체는 기판 및 상기 기판 상에 형성된 금속 나노 입자 층을 포함하고,
상기 금속 나노 입자 층은 복수의 금속 나노 입자를 포함하고, 상기 금속 나노 입자는 정전기적 인력을 통해 생물전환 대사산물을 선택적으로 금속 나노 구조체 표면에 농축하는 것이며,
상기 금속 나노 입자 층은 양전하 영역 및 음전하 영역 중 하나 이상을 포함하고, 상기 양전하 영역은 양전하를 띠는 제1 금속 나노 입자를 포함하고, 상기 음전하 영역은 음전하를 띠는 제2 금속 나노 입자를 포함하며,
상기 제1 금속 나노 입자는 음전하를 띠는 생물전환 대사산물을 농축하고,
상기 제2 금속 나노 입자는 양전하를 띠는 생물전환 대사산물을 농축하는, 생물전환 대사산물 검출 방법.As a method for concentrating and detecting biotransformation metabolites,
Attaching the biotransformation metabolite to the metal nanostructure and concentrating;
Including; detecting bioconversion metabolites from the surface-enhanced Raman scattering signal emitted by irradiating the metal nanostructure with a light source,
The metal nanostructure includes a substrate and a metal nanoparticle layer formed on the substrate,
The metal nanoparticle layer includes a plurality of metal nanoparticles, and the metal nanoparticle selectively concentrates bioconversion metabolites on the surface of the metal nanostructure through electrostatic attraction,
The metal nanoparticle layer includes at least one of a positively charged region and a negatively charged region, the positively charged region includes first metal nanoparticles having a positive charge, and the negatively charged region includes second metal nanoparticles having a negative charge And
The first metal nanoparticles concentrate a biotransformation metabolite carrying a negative charge,
The second metal nanoparticles are bioconversion metabolites detection method for concentrating a biotransformation metabolite bearing a positive charge.
금속 나노 구조체를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 금속 나노 구조체를 형성하는 단계는,
제1물질 및 제2물질의 계면에 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계; 및
상기 형성된 금속 나노입자 층을 기판에 전이하는 단계;를 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 방법.The method of claim 13,
Further comprising the step of forming a metal nano structure, the step of forming the metal nano structure,
Forming a metal nanoparticle layer at the interface between the first material and the second material; And
Transforming the formed metal nanoparticle layer to a substrate; containing, bioconversion metabolite detection method.
상기 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계는,
제1물질 및 제2물질의 액상-액상 계면에서 금속 나노 입자의 자가 조립을 통하여 금속 나노 입자 층을 형성하는 단계;
상기 제2물질을 상변화 시켜 액상-기상 계면을 형성하는 단계;를 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 방법.The method of claim 15,
The step of forming the metal nanoparticle layer,
Forming a metal nanoparticle layer through self-assembly of the metal nanoparticles at the liquid-liquid interface of the first material and the second material;
Forming a liquid-phase interface by phase-changing the second material; comprising, bioconversion metabolite detection method.
상기 금속 나노 구조체와 정전기적 인력이 작용하는 생물전환 대사산물이 함유된 용액에 금속 나노 구조체를 제공하는, 생물전환 대사산물 검출 방법.The method of claim 13,
A method for detecting a biotransformation metabolite to provide a metal nanostructure to a solution containing a bioconversion metabolite in which the metal nanostructure and electrostatic attraction act.
상기 생물전환 대사산물을 검출하는 단계는 검출된 생물전환 대사산물의 농도를 정량화 하는 것을 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 방법.The method of claim 13,
The step of detecting the biotransformation metabolite comprises quantifying the concentration of the detected biotransformation metabolite.
상기 생물전환 대사산물을 검출하는 단계는 상기 금속 나노 구조체 상에 부착된 위치에 따라서 생물전환 대사산물의 농도를 정량화 하는 것을 포함하는, 생물전환 대사산물 검출 방법.The method of claim 18,
The step of detecting the biotransformation metabolite comprises quantifying the concentration of the biotransformation metabolite according to the position attached to the metal nanostructure.
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