KR102071507B1 - Hydrogel structure for a biosensor, biosensor including the same, method of preparing the hydrogel structure for the biosensor - Google Patents
Hydrogel structure for a biosensor, biosensor including the same, method of preparing the hydrogel structure for the biosensor Download PDFInfo
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Abstract
제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어; 및 제2 광가교성 아크릴계 고분자, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자, 및 미생물 검출가능한 색변화 염료;를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법이 개시된다. A core comprising a first photocrosslinkable acrylic polymer; And a shell comprising a second photocrosslinkable acrylic polymer, a third photocrosslinkable acrylic polymer including a cationic functional group, and a microorganism detectable color change dye; a hydrogel structure for a biosensor comprising a core / shell structure. A biosensor comprising, and a method of manufacturing the hydrogel structure for the biosensor is disclosed.
Description
바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a hydrogel structure for a biosensor, a biosensor comprising the same, and a method for producing the hydrogel structure for the biosensor.
바이오센서는 효소, 항체, 항원 등의 생화학적 수용체가 측정하고자 하는 물질과 결합하여 나타내는 상호작용으로 그 물질을 분석하는 소자이다.A biosensor is a device that analyzes a substance by an interaction represented by a biochemical receptor such as an enzyme, an antibody, an antigen, and the like to be measured.
식품용 바이오센서는 주로 음식물의 부패에 따른 병원균 또는 잔류농약, 기타 독성 화학물질 등을 검출하여 식품의 안정성을 확인하는데 이용된다.Food biosensors are mainly used to check the stability of foods by detecting pathogens, residual pesticides, and other toxic chemicals.
이러한 식품 안정성을 확인하기 위하여 휴대가 용이하고 빠른 시간 내에 식품 유해균의 존재를 경제적으로 확인할 수 있으며 대중화된 신규한 구조체가 요구되고 있다.In order to confirm such food stability, there is a need for a novel structure that is easy to carry and economically confirms the presence of food harmful bacteria in a short time.
일 측면은 휴대가 간편하고 빠른 시간 내에 식품 유해균의 감지가 가능하고 경제적인 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a hydrogel structure for biosensors that is easy to carry and detects harmful foods in a short time and is economical.
다른 측면은 상기 하이드로겔 구조체를 포함하는 바이오센서를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a biosensor comprising the hydrogel structure.
또다른 측면은 저비용으로 대량생산이 가능한 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a method of manufacturing a hydrogel structure for a biosensor capable of mass production at low cost.
일 측면에 따르면, According to one aspect,
제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어; 및A core comprising a first photocrosslinkable acrylic polymer; And
제2 광가교성 아크릴계 고분자, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자, 및 미생물 검출가능한 색변화 염료;를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체가 제공된다.Provided is a hydrogel structure for a biosensor comprising a core / shell structure comprising a second photocrosslinkable acrylic polymer, a third photocrosslinkable acrylic polymer including a cationic functional group, and a microorganism detectable color change dye. .
다른 측면에 따르면, According to another aspect,
전술한 하이드로겔 구조체를 포함하는 바이오센서가 제공된다.There is provided a biosensor comprising the hydrogel structure described above.
다른 측면에 따르면,According to another aspect,
제1 광가교성 아크릴계 단량체, 제1 광개시제, 제1 광가교제, 및 유기용매를 포함하는 코어 용액을 준비하는 단계; Preparing a core solution including a first photocrosslinkable acrylic monomer, a first photoinitiator, a first photocrosslinker, and an organic solvent;
제2 광가교성 아크릴계 단량체, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비하는 단계; 및Preparing a shell aqueous solution including a second photocrosslinkable acrylic monomer, a third photocrosslinkable acrylic monomer including a cationic functional group, a second photoinitiator, a second photocrosslinker, and water; And
상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 코어/쉘 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계; 및Contacting the core solution and the shell aqueous solution with an organic medium and performing a photopolymerization reaction to obtain a core / shell hydrogel structure; And
상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체를 미생물 검출가능한 색변화 염료 용액에 함침하고 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체의 쉘에 미생물 검출 가능한 색변화 염료를 흡착시켜 전술한 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법이 제공된다.Preparing the hydrogel structure for the biosensor by impregnating the core / shell hydrogel structure into a microorganism detectable color change dye solution and adsorbing the microorganism detectable color change dye to the shell of the core / shell hydrogel structure; There is provided a method of manufacturing a hydrogel structure for a biosensor comprising a.
일 측면에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 코어/쉘 구조체를 포함하고, 상기 코어/쉘 구조체는 쉘에 미생물 검출가능한 색변화 염료가 선택적으로 위치하여 상기 염료의 확산에 의해 유해균의 세포막이 염색될 수 있다. 이로 인해, 상기 쉘의 색의 변화만으로도 경제적으로 유해균을 감지할 수 있다. Hydrogel structure for a biosensor according to one aspect comprises a core / shell structure, the core / shell structure is a microorganism detectable color change dye is selectively located in the shell to stain the cell membrane of harmful bacteria by the diffusion of the dye. Can be. For this reason, it is possible to economically detect harmful bacteria only by changing the color of the shell.
또한 상기 쉘에 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자가 집중적으로 배치되어 음전하를 나타내는 미생물과 정전기적 인력을 통해 높은 친화성을 나타낼 수 있다. 또한 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 저비용으로 대량생산이 가능하다. In addition, the third photocrosslinkable acrylic polymer including a cationic functional group may be concentrated in the shell, thereby exhibiting high affinity through microorganisms that exhibit negative charges and electrostatic attraction. In addition, the production method of the hydrogel structure for the biosensor can be mass-produced at low cost.
도 1은 일 구현예에 따른 바이오센서용 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드)를 이용하여 식품 부패의 감지가 가능한 메커니즘을 나타내는 모식도이다.
도 2는 양전하를 갖는 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체 표면과 음전하를 갖는 박테리아 사이에 개선된 친화도를 나타내는 모식도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드)를 전기 분무 장치를 이용하여 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 4는 실시예 1의 코어/쉘 하이드로겔 비드의 제조과정 중 쉘 수용액에 박테리아를 2시간 동안 함침시킨 후 상기 비드의 단면을 카메라로 관찰한 사진이다.
도 5는 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드를 박테리아 용액에 6시간 동안 함침시킨 후 상기 비드를 카메라로 관찰한 사진이다.1 is a schematic diagram showing a mechanism capable of detecting food corruption using a biosensor core / shell hydrogel structure (bead) according to one embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram showing improved affinity between the surface of the core / shell hydrogel structure with positive charge and the bacteria with negative charge.
3 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a core / shell hydrogel structure (bead) using an electrospray apparatus according to one embodiment.
Figure 4 is a photograph of the cross-section of the beads after the impregnation of bacteria in the shell aqueous solution for 2 hours during the manufacturing process of the core / shell hydrogel beads of Example 1 with a camera.
FIG. 5 is a photograph of the core / shell hydrogel beads prepared according to Example 1 after immersing the bacterial solution in the bacterial solution for 6 hours.
이하에 첨부된 도면을 참조하면서, 예시적인 일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 이하는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. With reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a hydrogel structure for a biosensor, a biosensor comprising the same, and a method for producing the hydrogel structure for the biosensor according to an exemplary embodiment. The following is presented by way of example, and the present invention is not limited thereto. The present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.
본 명세서에 사용된 "~ 아크릴계 고분자(단량체)"라는 용어는 "~ 아크릴 고분자(단량체)", 및 "~ 아크릴 고분자(단량체)의 유도체"를 포함하는 개념으로 사용된다.As used herein, the term " ~ acrylic polymer (monomer) " is used in a concept including " ~ acrylic polymer (monomer) ", and " derivatives of ~ acrylic polymer (monomer) ".
본 명세서에서, "하이드로겔 구조체"는 "고분자의 망목 구조(network structure)에 물이 유입된 구조체"를 의미하며, 투과성이 높고 내부에 수용액을 포함하여 팽윤되어 있는 구조를 나타낸다.As used herein, the term "hydrogel structure" refers to a "structure in which water flows into a polymer network structure," and refers to a structure having high permeability and swelling including an aqueous solution therein.
본 명세서에서, "코어/쉘 구조체"는 내부에 서로 다른 이종의 상 분리로 인해 계면이 형성된 구조체를 의미하며, 계면으로부터 구조체의 중심부 측을 코어로서 그리고 계면으로부터 구조체의 바깥 측을 쉘로서 정의한다.As used herein, "core / shell structure" means a structure in which an interface is formed due to different heterogeneous phase separation therein, and defines a central side of the structure as a core from the interface and a outer side of the structure as a shell from the interface. .
식품분야에서, 농촌진흥청 농업공학연구소는 2006년 임피던스 바이오센서를 이용한 살모넬라 엔테르티스를 검출하는 기술을 개발하였다. 이 기술은 해당 물질을 3분 만에 10,000 마리/ml까지 검출할 수 있는 기술이지만 물질을 검출하고 분석하기 위해 복잡한 형태의 소자 및 분석 장비가 필요하므로 대중화되기에 힘든 문제가 있다.In the food sector, the Rural Development Institute for Agricultural Engineering developed a technique for detecting Salmonella enterosis using impedance biosensors in 2006. This technology can detect up to 10,000 grains / ml in 3 minutes, but it is difficult to popularize because complex devices and analysis equipment are required to detect and analyze the substance.
이후 대안으로서, 측정할 물질을 감지했을 때 포함되어 있는 물질과의 상호작용으로 인해 변하는 색상을 감지하는 색 변환 센서가 개발되었다. 상기 색 변환 센서는 감도 특성이 낮기 때문에 감도 특성을 높이기 위하여 이후 페로센 등의 레독스 화합물을 사용하여 기체의 산화환원반응을 촉진시키는 방법 등이 개발되었다. 그러나 레독스 화합물의 경우 그 자체로 유해성이 있어 식품용 센서로 사용함에 한계가 있다.As an alternative, color conversion sensors have been developed that detect colors that change due to interactions with the materials they contain when they detect a material to be measured. Since the color conversion sensor has a low sensitivity characteristic, a method of promoting redox reaction of gas using a redox compound such as ferrocene has been developed in order to increase the sensitivity characteristic. However, in the case of the redox compound itself is harmful, there is a limit to use as a sensor for food.
이를 해결하고자 본 발명의 발명자들은 하기와 같은 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법을 제안하고자 한다.In order to solve this problem, the inventors of the present invention intend to propose a hydrogel structure for a biosensor as follows, a biosensor comprising the same, and a method of manufacturing the hydrogel structure for the biosensor.
일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어; 및 제2 광가교성 아크릴계 고분자, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자, 및 미생물 검출가능한 색변화 염료;를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함할 수 있다.Hydrogel structure for a biosensor according to an embodiment includes a core comprising a first photocrosslinkable acrylic polymer; And a shell including a second photocrosslinkable acrylic polymer, a third photocrosslinkable acrylic polymer including a cationic functional group, and a microorganism detectable color change dye.
상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 코어/쉘 구조체를 포함할 수 있다. 이러한 코어/쉘 구조체를 포함하는 하이드로겔 구조체는 일반적인 하이드로겔 구조체와 비교하여 미생물 검출가능한 색변화 염료가 쉘에 위치하여 상기 염료의 확산에 의해 유해균의 세포막이 염색될 수 있다. 또한 상기 쉘에 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자가 집중적으로 배치되어 음전하를 나타내는 미생물과 정전기적 인력을 통하여 높은 친화성을 나타낼 수 있다. 또한 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 휴대가 간편하다.The biosensor hydrogel structure may include a core / shell structure. In the hydrogel structure including the core / shell structure, the microbe detectable color change dye is located in the shell as compared to the general hydrogel structure, and the cell membranes of harmful bacteria may be dyed by diffusion of the dye. In addition, the third photocrosslinkable acrylic polymer including a cationic functional group may be concentrated in the shell, thereby exhibiting high affinity through microorganisms exhibiting a negative charge and electrostatic attraction. In addition, the biosensor hydrogel structure is easy to carry.
상기 코어/쉘 구조체는 그 표면에 수막층(water layer)를 더 포함할 수 있다. 수막층을 포함하는 양전하를 띤 쉘 표면에 음전하를 나타내는 대장균(Escherichia coli, E. coli), 살모넬라균(Salmonella) 등과 같은 음전하를 갖는 식품 유해균이 부착될 수 있다.The core / shell structure may further include a water layer on its surface. On the surface of the positively charged shell including the water film layer, food harmful bacteria having negative charges such as Escherichia coli, E. coli, Salmonella, etc., which have negative charges, may be attached.
예를 들어, 상기 제1 광가교성 아크릴계 고분자 및 상기 제2 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 고분자를 포함할 수 있다:For example, the first photocrosslinkable acrylic polymer and the second photocrosslinkable acrylic polymer may include a polymer represented by Formula 1 below:
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있으며; R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 may be each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a combination thereof;
m, n, l, k는 각각 5 내지 100,000의 정수일 수 있다.m, n, l, k may each be an integer of 5 to 100,000.
예를 들어, 상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기일 수 있다.For example, in
상기 양이온성 관능기는 4급 암모늄 라디칼 양이온을 포함할 수 있다. 상기 4급 암모늄 라디칼 양이온은 하이드로겔 구조체의 표면에 양전하를 띠게 한다. 또한 상기 4급 암모늄 라디칼 양이온은 암모늄염에 치환된 관능기의 사슬의 갯수 또는 극성 여부에 따라 물에 대한 용해도가 달라질 수 있다. The cationic functional group may comprise a quaternary ammonium radical cation. The quaternary ammonium radical cation causes a positive charge on the surface of the hydrogel structure. In addition, the quaternary ammonium radical cation may have different solubility in water depending on the number or polarity of the chains of the functional groups substituted in the ammonium salt.
예를 들어, 상기 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 고분자를 포함할 수 있다:For example, the third photocrosslinkable acrylic polymer including the cationic functional group may include a polymer represented by Formula 2 below:
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In Chemical Formula 2,
R'1, R'2, R'3, R'4, R'5, R'6, R'7, R'8, R'9, R'10, R'11, R'12, R'13, R'14, R'15, R'16, R'17, R'18, R'19, R'20, R'21, R'22, R'23, R'24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있으며; R ' 1 , R' 2 , R ' 3 , R' 4 , R ' 5 , R' 6 , R ' 7 , R' 8 , R ' 9 , R' 10 , R '11 , R' 12 , R ' 13 , R '14 , R' 15 , R '16 , R' 17 , R '18 , R' 19 , R '20 , R' 21 , R '22 , R' 23 , R '24 are each independently hydrogen An atom, a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a combination thereof;
R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합일 수 있으며;R ′ 25 , R ′ 26 , R ′ 27 may be independently a substituted or
p, q, r, v는 각각 5 내지 100,000의 정수일 수 있다.p, q, r, and v may each be an integer of 5 to 100,000.
예를 들어, 상기 화학식 2에서, R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기일 수 있다.For example, in Formula 2, R '25 , R' 26 , R '27 may be a substituted or unsubstituted C1 to C5 alkyl group independently of each other.
상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) 또는 레자주린(7-Hydroxy-3 H -phenoxazin-3-one 10-oxide)으로부터 선택된 염료일 수 있다. 예를 들어, 상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide)일 수 있다. 그러나 상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 이에 제한되지 않고, 당해 기술분야에서 사용 가능한 모든 미생물 검출가능한 색변화 염료의 사용이 가능하다.The microorganism detectable color change dye is MTT (3- (4,5-Dimethylthiazol-2-yl) -2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) or Rezazurin (7-Hydroxy-3 H -phenoxazin-3-one 10-oxide It can be a dye selected from). For example, the microorganism detectable color change dye may be MTT (3- (4,5-Dimethylthiazol-2-yl) -2,5-Diphenyltetrazolium Bromide). However, the microorganism detectable color change dye is not limited thereto, and any microorganism detectable color change dye available in the art is possible.
상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead), 섬유, 부직포, 필름, 또는 이들 조합 형태인 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead) 또는 섬유일 수 있다. 상기 비드의 형태는 구형, 타원형, 또는 막대형 등일 수 있고, 예를 들어, 구형일 수 있다.The hydrogel structure may include beads, fibers, nonwovens, films, or a combination thereof. For example, the hydrogel structure may be beads or fibers. The beads may be spherical, elliptical, rod-shaped, or the like, for example, spherical.
상기 비드 또는 섬유는 200 ㎛ 내지 3 mm의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 500 ㎛ 내지 3 mm의 직경, 예를 들어 1 mm 내지 3 mm의 직경을 가질 수 있다. 상기 비드 또는 섬유 형태의 하이드로겔 구조체는 필름 형태에 비해 표면적이 넓어 식품 유해균의 감지능력이 개선될 수 있다. The beads or fibers may have a diameter of 200 μm to 3 mm, for example a diameter of 500 μm to 3 mm, for example a diameter of 1 mm to 3 mm. The bead or fiber-type hydrogel structure may have a wider surface area than the film form, and thus may detect food harmful bacteria.
상기 코어/쉘 구조체는 그 표면에 유해균이 부착될 때 쉘에 위치한 미생물 검출가능한 색변화 염료의 확산에 의해 상기 유해균의 세포막이 염색되어 상기 쉘의 색이 변화되어 코어의 색과 구별될 수 있다.The core / shell structure may stain the cell membrane of the harmful bacteria by diffusion of a microorganism detectable color change dye located in the shell when the harmful bacteria adhere to the surface thereof, thereby changing the color of the shell to be distinguished from the color of the core.
상기 유해균은 대장균(Escherichia coli, E. coli), 살모넬라균(Salmonella), 황색포도상 구균(Staphylococcus aureus),장염 비브리오균(Vibrio parahaemolyticus), 바실러스 세레우스균(Bacillus cereus), 또는 이들 조합으로부터 선택된 것일 수 있다.The harmful bacterium is selected from Escherichia coli, E. coli, Salmonella, Staphylococcus aureus, enteritis Vibrio parahaemolyticus, Bacillus cereus, or a combination thereof. Can be.
도 1은 일 구현예에 따른 바이오센서용 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드)를 이용하여 식품 부패의 감지가 가능한 메커니즘을 나타내는 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a mechanism capable of detecting food corruption using a biosensor core / shell hydrogel structure (bead) according to one embodiment.
도 1을 참조하면, 바이오센서용 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드, 2)는 코어(5)와 쉘(6)로 구성된 하이드로겔 구조체이다. 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체는 쉘(6)에 미생물 검출가능한 색변화 염료 입자(1)를 포함하고 있고, 코어/쉘 하이드로겔 구조체의 표면에 수막층(water layer, 3)이 배치되어 있다. 식품 부패시, 식품 유해균인 예를 들어, 박테리아(4)가 상기 수막층(3) 표면에 부착되며, 쉘 수용액에서 양이온 부분과 음이온 부분으로 나뉘는 미생물 검출가능한 색변화 염료 입자(1)는 양이온의 확산에 의해 박테리아(4) 세포막 내부의 원형질막(plasma membrane)의 음전하를 나타내는 물질과 결합하여 염색된다. 이 때, 박테리아(4)는 색 변화된 박테리아(4')로 변하게 되고 바이오센서용 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드, 2)의 쉘의 색이 변하게 된다.Referring to FIG. 1, a core / shell hydrogel structure (bead, 2) for a biosensor is a hydrogel structure composed of a
도 2는 양전하를 갖는 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체 표면과 음전하를 갖는 박테리아 사이에 개선된 친화도를 나타내는 모식도이다.FIG. 2 is a schematic diagram showing improved affinity between the surface of the core / shell hydrogel structure with positive charge and the bacteria with negative charge.
도 2를 참조하면, 코어/쉘 하이드로겔 구조체의 쉘에 제2 광가교성 아크릴계 고분자의 단량체로 중합된 사슬부분(11)과 양이온성 관능기를 갖는 제3 광가교성 아크릴계 고분자의 단량체로 중합된 사슬부분(12)이 광가교제(13)로 연결되어 있다. 식품 부패시, 박테리아(14)는 상기 쉘에 배치된 양이온 관능기를 갖는 광가교성 고분자 단량체로 중합된 사슬부분(12)의 양전하를 나타내는 물질과 음전하를 나타내는 물질을 갖는 박테리아(14)가 서로 정전기적 인력으로 친화성(affinity)이 향상되어 박테리아(14)가 용이하게 부착될 수 있으며 부착된 박테리아(14)를 경제적으로 감지할 수 있다.Referring to FIG. 2, a
상기 하이드로겔 구조체는 식품 보관용 포장재 또는 식품 보관 용기 표면에 패치 형태 또는 투과성이 높은 포장재 또는 식품 보관 용기라면 그 내부에 포함될 수 있다. 따라서 상기 하이드로겔 구조체는 소형화 및 휴대성이 확보될 수 있다.The hydrogel structure may be included in the food storage package or food storage container surface if the patch or high permeability packaging material or food storage container. Therefore, the hydrogel structure can be miniaturized and portable.
다른 일 구현예에 따른 바이오센서는 전술한 하이드로겔 구조체를 포함할 수 있다.Biosensor according to another embodiment may include the aforementioned hydrogel structure.
또다른 일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은, 제1 광가교성 아크릴계 단량체, 제1 광개시제, 제1 광가교제, 및 유기용매를 포함하는 코어 용액을 준비하는 단계; 제2 광가교성 아크릴계 단량체, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비하는 단계; 상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 코어/쉘 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계; 및 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체를 미생물 검출가능한 색변화 염료 용액에 함침하고 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체의 쉘에 미생물 검출 가능한 색변화 염료를 흡착시켜 전술한 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.According to another embodiment, a method of manufacturing a hydrogel structure for a biosensor includes preparing a core solution including a first photocrosslinkable acrylic monomer, a first photoinitiator, a first photocrosslinker, and an organic solvent; Preparing a shell aqueous solution including a second photocrosslinkable acrylic monomer, a third photocrosslinkable acrylic monomer including a cationic functional group, a second photoinitiator, a second photocrosslinker, and water; Contacting the core solution and the shell aqueous solution with an organic medium and performing a photopolymerization reaction to obtain a core / shell hydrogel structure; And impregnating the core / shell hydrogel structure into a microorganism detectable color change dye solution and adsorbing the microorganism detectable color change dye to the shell of the core / shell hydrogel structure to prepare the hydrogel structure for the biosensor. It can include;
상기 유기 매질에 접촉은 전기 분무 장치의 이중 노즐을 통한 분무를 포함할 수 있다.Contacting the organic medium may comprise spraying through a double nozzle of the electrospray device.
도 3은 일 구현예에 따른 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드)를 전기 분무 장치를 이용하여 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다. 전기 분무 장치는 실린지(22) 및 이중 노즐(23)을 갖추고 있으며 전원 공급원(21)에 연결되어 있다. 이중 노즐(23)을 통해 액적이 분무(24)되고 있다. 하이드로겔 구조체(비드)의 직경은 노즐의 니들 크기, 수집부와 방사 노즐팁 사이의 거리, 용액 주입 속도, 또는 작동 전압에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 노즐의 니들 크기는 18G 내지 27G의 범위에서, 수집부와 방사 노즐팁 사이의 거리는 1cm 내지 10cm의 범위에서, 작동 전압은 5 내지 20kV의 범위에서 각각 조절될 수 있다. 용액 주입 속도는 1 내지 5ml/h의 범위 내에서 코어와 쉘의 용액 주입 속도를 다르게 하여 조절될 수 있다.3 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a core / shell hydrogel structure (bead) using an electrospray apparatus according to one embodiment. The electrospray device has a
일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 하기와 같다.Method for producing a hydrogel structure for a biosensor according to an embodiment is as follows.
우선, 제1 광가교성 아크릴계 단량체, 제1 광개시제, 제1 광가교제, 및 유기용매를 포함하는 코어 용액을 준비할 수 있다. 다음으로, 제2 광가교성 아크릴계 단량체, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비할 수 있다.First, a core solution including a first photocrosslinkable acrylic monomer, a first photoinitiator, a first photocrosslinker, and an organic solvent may be prepared. Next, a shell aqueous solution including a second photocrosslinkable acrylic monomer, a third photocrosslinkable acrylic monomer including a cationic functional group, a second photoinitiator, a second photocrosslinker, and water may be prepared.
상기 제1 광가교성 아크릴계 단량체 및 상기 제2 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체를 각각 포함할 수 있다:The first photocrosslinkable acrylic monomer and the second photocrosslinkable acrylic monomer may each include a monomer represented by
[화학식 3][Formula 3]
상기 화학식 3에서,In
R25 또는 R26은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있다.R 25 or R 26 may be independently of each other a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a combination thereof.
상기 제3 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 4로 표시되는 단량체를 포함할 수 있다:The third photocrosslinkable acrylic monomer may include a monomer represented by
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에서,In
R'30, R'31은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있으며;R '30 , R' 31 may be independently of each other a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a combination thereof;
R'32, R'33, R'34는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합일 수 있다.R ′ 32 , R ′ 33 and R ′ 34 may be each independently a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryl group, or a combination thereof.
상기 제1 광개시제 및 상기 제2 광개시제는 서로 독립적으로 2, 2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2-메톡시-2-페닐아세토페논, 2-히드록시-1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온, 아세토페논 유도체, 캄포퀴논 및 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The first photoinitiator and the second photoinitiator independently of each other 2, 2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 2-methoxy-2-phenylacetophenone, 2-hydroxy-1- [4- (2- Hydroxyethoxy) phenyl] -2-methyl-1-propanone, acetophenone derivatives, camphorquinone and mixtures thereof.
상기 제1 광가교제 및 상기 제2 광가교제는 서로 독립적으로 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 3-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 6-헥산디올 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디비닐 벤젠, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 이소포론 디이소시아네이트, 글리시딜메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트, 또는 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The first photocrosslinker and the second photocrosslinker are independently of each other ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,3-butanediol diacrylate, 1,4-butanediol dimethacrylate , 1, 4-butanediol diacrylate, 1, 6-hexanediol diacrylate, pentaerythritol triacrylate, tetraethylene glycol dimethacrylate, divinyl benzene, trimethylolpropane triacrylate, isophorone diisocyanate It may be at least one selected from glycidyl methacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, or a mixture thereof.
상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 스티렌, 자일렌, 에탄올, 에테르로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The organic solvent may be at least one selected from benzene, toluene, styrene, xylene, ethanol and ether.
다음으로, 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 코어/쉘 하이드로겔 구조체를 수득한다.Next, the core solution and the shell aqueous solution are contacted with an organic medium and subjected to photopolymerization to obtain a core / shell hydrogel structure.
구체적으로, 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체는 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 실린지(22)에 넣고 이를 이중 노즐(23)에 주입한 후 분무한 액적(24)을 유기 매질에 떨어뜨린다. 상기 분무 액적(24)은 오일상(oil phase)과 수상(water) 사이의 계면 형성으로 인해 상(phase) 분리되고 상기 유기 매질에서 분무 액적(24)이 분리되면서 그 내부에서 UV 공급원을 이용한 광중합 반응을 수행하여 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드, 26)를 수득한다. 상기 UV 공급원을 이용한 광중합 반응은 UV 공급원으로 인해 제1 광개시제 또는 제2 광개시제의 라디칼이 형성되고 제1 광가교제 또는 제2 광가교제를 포함한 제1 광가교성 아크릴계 단량체, 또는 제2 광가교성 아크릴계 단량체 및 제3 광가교성 아크릴계 단량체의 탄소 이중결합(=CH2) 간에 가교 결합이 진행되는 것이다. In detail, the core / shell hydrogel structure inserts the core solution and the shell aqueous solution into the
다음으로, 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드, 26)를 미생물 검출가능한 색변화 염료 용액에 함침하고 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드, 26)의 쉘에 미생물 검출 가능한 색변화 염료를 흡착시켜 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조한다. 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 비용을 절감하여 대량생산이 가능하다. Next, the core / shell hydrogel structure (bead, 26) is impregnated with a microorganism detectable color change dye solution, and the microorganism detectable color change dye is adsorbed on the shell of the core / shell hydrogel structure (bead, 26). To prepare a hydrogel structure for a biosensor. The production method of the hydrogel structure for the biosensor is possible to mass production by reducing the cost.
상기 유기 매질은 미네랄 오일을 포함할 수 있다. 상기 유기 매질은 미네랄 오일 외에 당해 기술분야에서 사용 가능한 유기 매질의 이용이 가능하다.The organic medium may comprise mineral oil. The organic medium may be used in addition to the mineral oil, an organic medium usable in the art.
본 명세서의 화학식에 사용된 치환(기)의 정의에 대하여 살펴보면 다음과 같다.Looking at the definition of the substitution (group) used in the formula of the present specification are as follows.
상기 알킬기 또는 아릴기가 갖는 “치환”은 할로겐 원자, 할로겐 원자로 치환된 C1 내지 C10의 알킬기(예: CCF3, CHCF2, CH2F, CCl3 등), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1 내지 C10의 알킬기, C2 내지 C10의 알케닐기, C2 내지 C10의 알키닐기, C1 내지 C20의 헤테로알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C6 내지 C20의 아릴알킬기, C6 내지 C20의 헤테로아릴기, 또는 C6 내지 C20의 헤테로아릴알킬기로 치환된 것을 의미한다.The "substituted" having an alkyl group or an aryl group includes a halogen atom, a C1 to C10 alkyl group substituted with a halogen atom (eg, CCF 3 , CHCF 2 , CH 2 F, CCl 3, etc.), a hydroxy group, a nitro group, a cyano group, an amino group, Amidino groups, hydrazines, hydrazones, carboxyl groups or salts thereof, sulfonic acid groups or salts thereof, phosphoric acid or salts thereof, alkyl groups of C1 to C10, alkenyl groups of C2 to C10, alkynyl groups of C2 to C10, heteros of C1 to C20 It means substituted with an alkyl group, a C6 to C20 aryl group, a C6 to C20 arylalkyl group, a C6 to C20 heteroaryl group, or a C6 to C20 heteroarylalkyl group.
화학식에서 사용되는 C1 내지 C10의 알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, ter-부틸, neo-부틸, iso-아밀, 또는 헥실 등을 들 수 있고, 상기 알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 "치환"에서 정의한 바와 같은 치환기로 치환가능하다.Specific examples of the C1 to C10 alkyl group used in the formula include methyl, ethyl, propyl, isobutyl, sec-butyl, ter-butyl, neo-butyl, iso-amyl, or hexyl, and the like. The above hydrogen atoms may be substituted with substituents as defined in the above-mentioned "substitution".
화학식에서 사용되는 C6 내지 C20의 아릴기의 구체적인 예로는 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등을 들 수 있고, 상기 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 "치환"에서 정의한 바와 같은 치환기로 치환가능하다.Specific examples of the C6 to C20 aryl group used in the formula include phenyl, naphthyl, tetrahydronaphthyl and the like, and at least one hydrogen atom of the aryl group is substituted with a substituent as defined in the aforementioned "substitution". It is possible.
상기 "치환"에서 사용되는 C2-C10의 알케닐기의 구체적인 예로는 비닐렌, 알릴렌 등을 들 수 있다.Specific examples of the C2-C10 alkenyl group used in the "substitution" include vinylene, allylene and the like.
상기 "치환"에서 사용되는 C2-C10의 알키닐기의 구체적인 예로는 아세틸렌 등을 들 수 있다.Specific examples of the C2-C10 alkynyl group used in the "substitution" include acetylene and the like.
상기 "치환"에서 사용되는 C1 내지 C20의 헤테로알킬기 또는 아릴알킬기는 알킬기를 구성하는 탄소원자 중 하나 이상이 N, O, S, 또는 P와 같은 헤테로원자 또는 페닐 등과 같은 아릴기로 대체된 것을 의미한다.C1 to C20 heteroalkyl group or arylalkyl group used in the "substituted" means that one or more of the carbon atoms constituting the alkyl group is replaced with a hetero atom such as N, O, S, or P or an aryl group such as phenyl .
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있고 하나 이상의 고리를 포함하는 방향족 시스템인 것을 의미하며, 예를 들어 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등을 들 수 있다.The aryl group of C6 to C20 used in the "substitution" is used alone or in combination, and means an aromatic system containing one or more rings, for example phenyl, naphthyl, tetrahydronaphthyl and the like. .
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 탄소인 유기 화합물인 것을 의미하며, 예를 들어 피리딜 등을 들 수 있다.The C6 to C20 heteroaryl group used in the "substituted" means one or more heteroatoms selected from N, O, P or S, and means that the remaining ring atom is an organic compound of carbon, for example pyridyl and the like Can be mentioned.
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 헤테로아릴알킬기는 알킬기를 구성하는 탄소원자 중 하나 이상이 전술한 헤테로아릴기로 대체된 것을 의미한다.C6 to C20 heteroarylalkyl group used in the above "substituted" means that one or more of the carbon atoms constituting the alkyl group is replaced with the aforementioned heteroaryl group.
이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the following examples are only examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
[실시예]EXAMPLE
실시예Example 1: 코어/쉘 1: core / shell 하이드로겔Hydrogel 비드의Bead 제조 Produce
하기 화학식 3-1로 표시되는 제1 광가교성 아크릴계 단량체(HEMA), 제1 광가교제로서 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 제1 광개시제로서 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA), 및 톨루엔을 각각 100:1:1:1의 몰비로 코어 용액을 준비하였다. A first photocrosslinkable acrylic monomer (HEMA) represented by the following formula (3-1), ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as the first photocrosslinker, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (first photoinitiator) DMPA), and toluene were prepared in a core solution in a molar ratio of 100: 1: 1: 1 respectively.
하기 화학식 3-1로 표시되는 제2 광가교성 아크릴계 단량체(HEMA)와 하기 화학식 4-1로 표시되는 제3 광가교성 아크릴계 단량체(MAETC) (여기에서, MAETC의 농도를 HEMA 대비 50몰%로 고정), 제2 광가교제로서 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 제2 광개시제로서 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA), 및 물을 각각 100: 1: 1: 1의 몰비로 쉘 수용액을 준비하였다. A second photocrosslinkable acrylic monomer (HEMA) represented by the following formula (3-1) and a third photocrosslinkable acrylic monomer (MAETC) represented by the following formula (4-1), wherein the concentration of MAETC is fixed at 50 mol% relative to the HEMA ), Ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as the second photocrosslinker, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA) as the second photoinitiator, and water, respectively, in a molar ratio of 100: 1: 1: 1. Aqueous shell solution was prepared.
상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 변압기(230 High Voltage Power Supply,Spellman사 제조)와 실린지 펌프(KDS100, KD Scientific사 제조)를 갖춘 전기분무장치(수집부와 방사 노즐팁 사이의 거리: 5 cm)의 이중 노즐(내부 직경: 400 ㎛, 외부 직경: 900 ㎛)에 각각 주입(코어의 주입속도: 1 ml/h, 쉘의 주입속도: 2 ml/h)하여 상온에서 10 kV의 전압으로 미네랄 오일에 분무하였고, UV 공급원(파장: 365 nm)을 이용한 광중합 반응을 수행하여 하기 화학식 1-1로 표시되는 제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어, 및 하기 화학식 1-1로 표시되는 제2 광가교성 아크릴계 고분자와 하기 2-1로 표시되는 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 쉘로 구성된 코어/쉘 하이드로겔 비드를 제조하였다.The core solution and the shell aqueous solution were supplied with a transformer (230 High Voltage Power Supply, manufactured by Spellman) and a syringe pump (KDS100, manufactured by KD Scientific, Inc.) (distance between collector and spinning nozzle tip: 5 cm Injection into the dual nozzles (inner diameter: 400 μm, outer diameter: 900 μm) (core injection rate: 1 ml / h, shell injection rate: 2 ml / h) Sprayed to oil, performing a photopolymerization reaction using a UV source (wavelength: 365 nm) to a core comprising a first photocrosslinkable acrylic polymer represented by the formula (1-1), and a second represented by the formula (1-1) A core / shell hydrogel bead consisting of a shell comprising a photocrosslinkable acrylic polymer and a third photocrosslinkable acrylic polymer including a cationic functional group represented by 2-1 below was prepared.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에서,In Chemical Formula 1-1,
a, b, c, d는 각각 약 100 ~ 1,000이다.a, b, c and d are each about 100 to 1,000.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
상기 화학식 2-1에서,In Chemical Formula 2-1,
a1, b1, c1, d1는 각각 약 100 ~ 1,000이다.a 1 , b 1 , c 1 , and d 1 are each about 100 to 1,000.
[화학식 3-1] [Formula 3-1]
[화학식 4-1][Formula 4-1]
분석예Analysis example 1: 코어/쉘 구조 확인 1: Check core / shell structure
실시예 1의 코어/쉘 하이드로겔 비드의 제조과정 중 쉘 수용액에 박테리아를 2시간 동안 함침시켰고 카메라(Nikon사 제조, VH-310G2)를 이용하여 상기 비드의 단면을 관찰하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. During the preparation of the core / shell hydrogel beads of Example 1, the aqueous solution of the shell was impregnated with bacteria for 2 hours, and the cross section of the beads was observed using a camera (VH-310G2, manufactured by Nikon). The results are shown in FIG.
박테리아로는 식품 부패시 생성되는 대장균(Escherichia coli, E. coli)이 사용되었다. 쉘에 포함된 대장균(Escherichia coli, E. coli) 함유 용액은 600 nm 파장에서 OD값을 1로 고정하였고, OD값이 1일 때 대장균(Escherichia coli, E. coli) 함유 용액의 농도는 약 0.6 ~ 2x109 (cells/mL) 이었다. 상기 하이드로겔 비드 표면에 박테리아가 부착되었는지 여부는 MTT 용액을 이용한 어세이(assay)를 통하여 확인하였다. 이때 사용된 MTT 용액은 트리아졸 블루 테트라졸륨 브로마이드 분말을 phosphage buffersaline(PBS) 부유액에 5mg/mL 농도로 용해한 용액이었다.As bacteria, Escherichia coli (E. coli) produced during food decay was used. The solution containing Escherichia coli (E. coli) contained in the shell fixed the OD value to 1 at 600 nm wavelength, and the concentration of the solution containing Escherichia coli (E. coli) was about 0.6 at an OD value of 1. ˜2 × 10 9 (cells / mL). Whether bacteria were attached to the surface of the hydrogel beads was confirmed by an assay using an MTT solution. The MTT solution used was a solution in which triazole blue tetrazolium bromide powder was dissolved in phosphage buffer saline (PBS) suspension at a concentration of 5 mg / mL.
도 4를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 하이드로겔 비드의 코어의 색은 노란색에서 변화가 없었으나, 쉘의 색은 노란색에서 보라색으로 변화하였다. Referring to FIG. 4, the color of the core of the hydrogel beads prepared in Example 1 was not changed from yellow, but the color of the shell was changed from yellow to purple.
이로부터 실시예 1의 코어/쉘 하이드로겔 비드는 상기 하이드로겔 비드의 쉘에 식품 부패시 발생하는 박테리아로서 유해균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)이 부착되었음을 확인할 수 있다. 이는 박테리아로서 유해균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)의 대사활동으로 인해 대장균 세포의 미토콘드리아에 있는 탈수소 효소에 의한 테트라졸륨염의 환원으로 포르마잔 결정(formazan crystal)이 생성됨에 기인하는 것으로 여겨진다.From this, it can be confirmed that the core / shell hydrogel bead of Example 1 is attached to the shell of the hydrogel bead when Escherichia coli (Escherichia coli, E. coli) is a harmful bacterium. This is believed to be due to the formation of formazan crystals by reduction of tetrazolium salts by dehydrogenase in the mitochondria of Escherichia coli cells due to the metabolism of Escherichia coli (E. coli), a harmful bacterium.
실시예 1의 코어/쉘 하이드로겔 비드의 쉘의 색은 코어의 색과 구별됨을 나타냄으로써 상기 하이드로겔 비드가 코어/쉘 구조임을 확인할 수 있다. The color of the shell of the core / shell hydrogel beads of Example 1 is distinguished from the color of the core, thereby confirming that the hydrogel beads have a core / shell structure.
평가예Evaluation example 1: 유해균 감지 평가 1: Evaluation of harmful bacteria detection
실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드를 박테리아 용액에 6시간 동안 함침시킨 후 카메라(Nikon사 제조, VH-310G2)로 관찰하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. The core / shell hydrogel beads prepared in Example 1 were impregnated with the bacterial solution for 6 hours and then observed with a camera (VH-310G2, manufactured by Nikon). The results are shown in FIG.
박테리아로는 식품 부패시 생성되는 대장균(Escherichia coli, E. coli)이 사용되었다. 박테리아 용액은 600nm 파장에서 OD값을 1로 고정하였고, OD값이 1일 때 대장균(Escherichia coli, E. coli) 용액의 농도는 약 0.6~2x109 (cells/mL) 이었다. 상기 하이드로겔 비드 표면에 박테리아가 부착되었는지 여부는 MTT 용액을 이용한 어세이(assay)를 통해 확인하였다. 이때 사용된 MTT 용액은 트리아졸 블루 테트라졸륨 브로마이드 분말을 phosphage buffersaline(PBS) 부유액에 5mg/mL 농도로 용해한 용액이었다.As bacteria, Escherichia coli (E. coli) produced during food decay was used. The bacterial solution was fixed at an OD value of 1 at 600 nm wavelength, and the concentration of E. coli (Escherichia coli) solution was about 0.6-2 × 10 9 (cells / mL) when the OD value was 1. Whether bacteria were attached to the surface of the hydrogel beads was confirmed by an assay using an MTT solution. The MTT solution used was a solution in which triazole blue tetrazolium bromide powder was dissolved in phosphage buffer saline (PBS) suspension at a concentration of 5 mg / mL.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드의 색은 노란색에서 보라색으로 변화하였다. 이로부터 상기 코어/쉘 하이드로겔 비드 표면에 식품 부패시 발생하는 박테리아로서 유해균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)이 부착되었음을 확인할 수 있다. 이는 박테리아로서 유해균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)의 대사활동으로 인해 대장균 세포의 미토콘드리아에 있는 탈수소 효소에 의한 테트라졸륨염의 환원으로 포르마잔 결정(formazan crystal)이 생성됨에 기인하는 것으로 여겨진다.Referring to FIG. 5, the color of the core / shell hydrogel beads prepared by Example 1 changed from yellow to purple. From this, it can be confirmed that Escherichia coli (Escherichia coli, E. coli), which is a harmful bacterium, is attached to the surface of the core / shell hydrogel bead during food decay. This is believed to be due to the formation of formazan crystals by reduction of tetrazolium salts by dehydrogenase in the mitochondria of Escherichia coli cells due to the metabolism of Escherichia coli (E. coli), a harmful bacterium.
1: 미생물 검출가능한 색변화 염료 입자,
2: 바이오센서용 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드),
3: 수막층(water layer), 4: 박테리아, 4': 색 변화된 박테리아,
5, 15: 코어, 6, 16: 쉘, 11: 제2 광가교성 아크릴계 고분자의 단량체로 중합된 사슬부분, 12: 양이온성 관능기를 갖는 제3 광가교성 아크릴계 고분자의 단량체로 중합된 사슬부분,
13: 광가교제, 14: 박테리아, 21: 전원 공급원,
22:실린지, 23 : 이중 노즐, 24: 분무 액적,
25: 유기 매질, 26: 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드) 1: microbe detectable color change dye particles,
2: core / shell hydrogel structure (bead) for biosensor,
3: water layer, 4: bacteria, 4 ': color changed bacteria,
5, 15: core, 6, 16: shell, 11: chain portion polymerized with the monomer of the second photocrosslinkable acrylic polymer, 12: chain portion polymerized with the monomer of the third photocrosslinkable acrylic polymer having a cationic functional group,
13: photocrosslinker, 14: bacteria, 21: power source,
22: syringe, 23: double nozzle, 24: spray droplets,
25: organic medium, 26: core / shell hydrogel structure (bead)
Claims (23)
제2 광가교성 아크릴계 고분자, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자, 및 미생물 검출가능한 색변화 염료;를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함하고,
상기 코어/쉘 구조체는 그 표면에 유해균이 부착될 때 쉘에 위치한 미생물 검출가능한 색변화 염료의 확산에 의해 상기 유해균의 세포막이 염색되어 상기 쉘의 색이 변화되어 코어의 색과 구별되는, 바이오센서용 하이드로겔 구조체.A core comprising a first photocrosslinkable acrylic polymer; And
And a core / shell structure consisting of a second photocrosslinkable acrylic polymer, a third photocrosslinkable acrylic polymer including a cationic functional group, and a microbial detectable color change dye;
The core / shell structure is a biosensor, in which the cell membrane of the harmful bacterium is stained by the diffusion of the microorganism detectable color change dye located in the shell when the harmful bacterium is attached to the surface, and the color of the shell is changed to distinguish the color of the core. Hydrogel structure for.
상기 코어/쉘 구조체는 그 표면에 수막층(water layer)를 더 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 1,
The core / shell structure is a hydrogel structure for a biosensor further comprising a water layer (water layer) on the surface.
상기 제1 광가교성 아크릴계 고분자 및 상기 제2 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 고분자를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이며;
m, n, l, k는 각각 5 내지 100,000의 정수이다.The method of claim 1,
The first photocrosslinkable acrylic polymer and the second photocrosslinkable acrylic polymer are hydrogel structures for biosensors comprising a polymer represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
In Chemical Formula 1,
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 are independently of each other a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a combination thereof;
m, n, l, k are integers of 5-100,000, respectively.
상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 3,
In Formula 1, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 are each independently a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted C1 to C5 alkyl group. Structure.
상기 양이온성 관능기는 4급 암모늄 라디칼 양이온을 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 1,
The cationic functional group is a hydrogel structure for a biosensor comprising a quaternary ammonium radical cation.
상기 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 고분자를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체:
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R'1, R'2, R'3, R'4, R'5, R'6, R'7, R'8, R'9, R'10, R'11, R'12, R'13, R'14, R'15, R'16, R'17, R'18, R'19, R'20, R'21, R'22, R'23, R'24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이며;
R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합이며;
p, q, r, v는 각각 5 내지 100,000의 정수이다.The method of claim 1,
The third photocrosslinkable acrylic polymer including the cationic functional group is a hydrogel structure for a biosensor comprising a polymer represented by the following formula (2):
[Formula 2]
In Chemical Formula 2,
R ' 1 , R' 2 , R ' 3 , R' 4 , R ' 5 , R' 6 , R ' 7 , R' 8 , R ' 9 , R' 10 , R '11 , R' 12 , R ' 13 , R '14 , R' 15 , R '16 , R' 17 , R '18 , R' 19 , R '20 , R' 21 , R '22 , R' 23 , R '24 are each independently hydrogen An atom, a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a combination thereof;
R ′ 25 , R ′ 26 , R ′ 27 are each independently a substituted or unsubstituted C 1 to C 10 alkyl group, or a substituted or unsubstituted C 6 to C 20 aryl group, or a combination thereof;
p, q, r, and v are each an integer of 5 to 100,000.
상기 화학식 2에서, R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 6,
In Formula 2, R '25 , R' 26 , R '27 are independently substituted or unsubstituted C1 to C5 alkyl group of the biosensor hydrogel structure.
상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) 또는 레자주린(7-Hydroxy-3 H -phenoxazin-3-one 10-oxide)으로부터 선택된 1종 이상의 염료인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 1,
The microorganism detectable color change dye is MTT (3- (4,5-Dimethylthiazol-2-yl) -2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) or Rezazurin (7-Hydroxy-3 H -phenoxazin-3-one 10-oxide Hydrogel structure for biosensor which is at least one dye selected from).
상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead)를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 1,
The hydrogel structure is a hydrogel structure for a biosensor comprising a bead (bead).
상기 비드 또는 섬유는 200 ㎛ 내지 3 mm의 직경을 갖는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 9,
The bead or fiber is a hydrogel structure for a biosensor having a diameter of 200 ㎛ to 3 mm.
상기 유해균은 대장균(Escherichia coli, E. coli), 살모넬라균(Salmonella), 황색포도상 구균(Staphylococcus aureus), 장염 비브리오균(Vibrio parahaemolyticus), 바실러스 세레우스균(Bacillus cereus), 또는 이들 조합으로부터 선택된 것인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.The method of claim 1,
The harmful bacterium is selected from Escherichia coli, E. coli, Salmonella, Staphylococcus aureus, Vibrio parahaemolyticus, Bacillus cereus, or a combination thereof. Hydrogel structure for phosphorus biosensor.
제2 광가교성 아크릴계 단량체, 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비하는 단계;
상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 코어/쉘 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계; 및
상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체를 미생물 검출가능한 색변화 염료 용액에 함침하고 상기 코어/쉘 하이드로겔 구조체의 쉘에 미생물 검출 가능한 색변화 염료를 흡착시켜 제1항 내지 제10항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.Preparing a core solution including a first photocrosslinkable acrylic monomer, a first photoinitiator, a first photocrosslinker, and an organic solvent;
Preparing a shell aqueous solution including a second photocrosslinkable acrylic monomer, a third photocrosslinkable acrylic monomer including a cationic functional group, a second photoinitiator, a second photocrosslinker, and water;
Contacting the core solution and the shell aqueous solution with an organic medium and performing a photopolymerization reaction to obtain a core / shell hydrogel structure; And
The method of claim 1, wherein the core / shell hydrogel structure is impregnated with a microorganism detectable color change dye solution and the microorganism detectable color change dye is adsorbed to the shell of the core / shell hydrogel structure. A method for producing a hydrogel structure for a biosensor, comprising the steps of: preparing a hydrogel structure for a biosensor according to claim 1.
상기 유기 매질에 접촉은 전기 분무 장치의 이중 노즐을 통한 분무를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.The method of claim 14,
Contacting the organic medium comprises spraying through a double nozzle of an electrospray device.
상기 제1 광가교성 아크릴계 단량체 및 상기 제2 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체를 각각 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법:
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
R25 또는 R26은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이다.The method of claim 14,
The first photocrosslinkable acrylic monomer and the second photocrosslinkable acrylic monomer is a method for producing a hydrogel structure for a biosensor, each comprising a monomer represented by the following formula (3):
[Formula 3]
In Chemical Formula 3,
R 25 or R 26 are independently of each other a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a combination thereof.
상기 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 4로 표시되는 단량체를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법:
[화학식 4]
상기 화학식 4에서,
R'30, R'31은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이며;
R'32, R'33, R'34는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합이다.The method of claim 14,
Method for producing a hydrogel structure for a biosensor comprising the monomer represented by the third photocrosslinkable acrylic monomer comprising the cationic functional group:
[Formula 4]
In Chemical Formula 4,
R ′ 30 , R ′ 31 are independently of each other a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted C 1 to C 10 alkyl group, or a combination thereof;
R '32 , R' 33 and R '34 are each independently a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group, or a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryl group, or a combination thereof.
상기 양이온성 관능기를 포함한 제3 광가교성 아크릴계 단량체는 쉘 수용액에서 제2 광가교성 아크릴계 단량체에 대하여 몰분율이 10몰% 내지 70몰%인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.The method of claim 14,
The third photocrosslinkable acrylic monomer containing the cationic functional group is a method of producing a hydrogel structure for a biosensor for which the mole fraction is 10 mol% to 70 mol% with respect to the second photocrosslinkable acrylic monomer in a shell aqueous solution.
상기 제1 광개시제 및 상기 제2 광개시제는 서로 독립적으로 2, 2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2-메톡시-2-페닐아세토페논, 2-히드록시-1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온, 아세토페논 유도체, 캄포퀴논 및 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.The method of claim 14,
The first photoinitiator and the second photoinitiator independently of each other 2, 2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 2-methoxy-2-phenylacetophenone, 2-hydroxy-1- [4- (2- Hydroxyethoxy) phenyl] -2-methyl-1-propanone, acetophenone derivative, camphorquinone and a method for producing a hydrogel structure for a biosensor which is at least one selected from these mixtures.
상기 제1 광가교제 및 상기 제2 광가교제는 서로 독립적으로 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 3-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 6-헥산디올 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디비닐 벤젠, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 이소포론 디이소시아네이트, 글리시딜메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트, 또는 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.The method of claim 14,
The first photocrosslinker and the second photocrosslinker are independently of each other ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,3-butanediol diacrylate, 1,4-butanediol dimethacrylate , 1, 4-butanediol diacrylate, 1, 6-hexanediol diacrylate, pentaerythritol triacrylate, tetraethylene glycol dimethacrylate, divinyl benzene, trimethylolpropane triacrylate, isophorone diisocyanate A method for producing a hydrogel structure for a biosensor which is at least one selected from glycidyl methacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, or mixtures thereof.
상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 스티렌, 자일렌, 에탄올, 에테르로부터 선택된 1종 이상인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.The method of claim 14,
The organic solvent is at least one selected from benzene, toluene, styrene, xylene, ethanol, ether.
상기 유기 매질에 접촉 이후 오일상(oil phase)과 수상(water) 사이의 계면 형성으로 인해 상(phase) 분리되고 광중합 반응을 수행하여 코어/쉘 구조체를 제조하는 공정을 더 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.The method of claim 14,
Bio-sensor for biosensor further comprising a step of producing a core / shell structure by performing phase polymerization and photopolymerization reaction due to the interface between the oil phase and the water after contacting the organic medium Method for producing a gel structure.
상기 유기 매질은 미네랄 오일을 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.The method of claim 14,
The organic medium is a method for producing a hydrogel structure for a biosensor comprising a mineral oil.
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