Research

Chemiluminescence and Electrogenerated Chemiluminescnece

화학발광(Chemiluminescence, CL)은 화학반응을 통해 빛을 생성하는 과정이다. 반응물 A와 B가 반응해서 들뜬 상태의 중간체가 생기고 이 중간체가 안정한 상태가 될 때 빛을 생성하는 것이다. 대표적 화학발광물질인 Luminol의 CL반응은 다음과 같다.

이러한 화학발광을 이용한 분석 방법은 많이 사용되고 있는 형광법(Fluorescence)에 비해 광원에 기인한 바탕신호가 작을 뿐만 아니라 단순한 측정 시스템을 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구실은 다양한 화학발광 시스템에 대한 기본적인 이해에 대해 연구하고 있으며 이를 바탕으로 생물학적으로 혹은 임상학적으로 중요한 화합물과 생체 분자의 농도를 결정하는 연구를 수행하고 있다.

뿐만 아니라 본 연구실에서는 이러한 화학발광에서 더 나아가서 화학반응을 전기 화학적으로 유도하는 전기화학발광(Electrogenerated chemiluminescence, ECL)에 대해 연구를 진행하고 있다. 전기화학발광은 화학 반응의 속도와 반응 장소를 제어할 수 있는 장점이 있다. 본 연구실에서는 특히 ECL 대표 물질인 tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium(II) [Ru(bpy)₃²⁺] 에 관심을 가지고 있으며 이러한 착물을 나노구조체에 고정화한 ECL 센서의 개발에 대해 연구하고 있다. 연구하고 있는 나노구조물로는 sol-gel metal oxide/이온교환성 고분자 Nafion의 나노다공성 복합막, 탄소나노튜브, 나노자성체, 그리고 나노다공성 백금전극등이 있다. 이렇게 개발된 ECL 전극은 바이오센서, 바이오칩 혹은 HPLC, capillary electrophoresis, lab-on-a-chip등의 검출기로 응용하는 연구를 수행하고 있다.

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Chemiluminescence (CL) is emission of light as a result of a chemical reaction.
As reactant A reacts with reactant B, an excited intermediate is formed. Light is emitted when the excited intermediate is stabilized.
For example, luminol is a well-known chemical that exhibits chemiluminescence.

One of the strength of chemiluminescence analysis is its low background signal from the light source compared to fluorescence analysis. In addition, analytical system is quite simple. Our research is focused on fundamental understanding of the various CL system and their applications to the determination of biologically and clinically important chemicals and biomolecules.
One step further from CL, we have been working on the electrogenerated chemiluminescence (ECL). ECL can be temporally and spatially controlled by controlling the potential of the electrode. We are specially interested in the tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium(II) [Ru(bpy)₃²⁺] ECL system. In this work, we are developing the ECL sensor by immobilizing the metal complex within a variety of nanostructured materials such as mesoporous composite films of sol-gel metal oxides and cation-exchange polymer Nafion, magnetic nanoparticles, and carbon nanotubes. The developed ECL sensors are applied as the transducer in biosensors, biochips and flowing streams such as HPLC, capillary electrophoresis, and lab-on-a-chip.

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Lectin-carbohydrate study

단백질은 생명체의 주요 구성 성분 중 하나로서 바이러스, 박테리아에서부터 동·식물에 이르기까지 넓은 범위의 유기체에 존재한다. 특히 단백질은 생체 내에서 지질, 탄수화물, 다른 단백질 등과 상호 작용을 한다. 이 중 탄수화물과 특이적인 결합을 하는 단백질을 일컬어 렉틴(Lectin)이라고 하는데, 렉틴과 탄수화물 간의 상호 작용은 생명체의 발생, 성장, 노화, 발병과 같은 현상에 직접적으로 관련되어 있는 것으로 알려져 있으나 아직 커다란 미지의 영역으로 남아있다. 따라서 이들 간의 상호작용에 대한 연구를 통해 생명 현상을 이해하는 데 기본적인 정보 뿐만 아니라 신약 개발 및 바이오센서 개발에 있어서 필요한 정보까지 얻을 수 있다.

기존에 렉틴과 탄수화물 간의 상호작용에 대해서 연구하기 위해 Isothermal Titration Calorimetry (ITC), Frontal Affinity Chromatography (FAC), Carbohydrate Array, Mass Spectrometry (MS)와 같이 다양한 방법들을 사용할 수 있었다. 하지만 이러한 방법에는 가격, 측정 시간, 측정 물질의 양, 측정 물질의 상(像, phase) 등에서 한계를 가지고 있다. 때문에 간편하고 저렴하며 빠른 측정이 가능한 전기화학적 방법을 이용한다면 렉틴과 탄수화물 간의 상호작용을 연구함에 있어 적은 시료의 양으로도 효과적으로 접근할 수 있게 된다. 따라서 본 연구실에서는 Cyclic Voltammetry (CV), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Quartz Crystal Microbalance (QCM) 등을 통해 렉틴과 탄수화물 간의 상호작용에 대한 연구를 진행하고 있다.

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Lectin, is a kind of proteins that bind with specific carbohydrates, can be found in many organisms; from virus and bacteria to plants and animals. Lectin plays an important role in a biological system, such as development, growth, aging and illness, but still remains as a huge unpioneered area to chemists and biologists. Therefore, studying lectin-carbohydrate interaction will provide us important data to understand biological phenomena, biosensor development, and drug discovery.

Existing researches regarding lectin-carbohydrate interaction have been heavily dependent on Isothermal Titration Calorimetry (ITC), Frontal Affinity Chromatography (FAC), Carbohydrate Array, Mass Spectrometry (MS), and so the forth. However, when it comes to cost, measuring time, and minimum amount of substances required, their innate limitations cannot be ignored. Thus we are investigating the lectin-carbohydrate interaction with electrochemical methods, such as Cyclic Voltammetry (CV), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Quartz Crystal Microbalance (QCM), which are expected to show higher efficiency and easiness.

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Gold glyconanoparticle-based competitive colorimetric assay

금 나노입자는 지난 수년간 크기 조절의 용이성과 뛰어난 장시간 안정성, 그리고 항원·항체 단백질, DNA, RNA와의 뛰어난 생체 적합성 등의 장점으로 말미암아 여러 가지 면역 검정(Immunoassay) 방법에 응용되어왔다. 또한, 금 나노입자는 특정파장의 빛과 금 나노입자 표면의 자유전자들 사이의 상호작용 때문에 전자들의 집단적인 진동이 발생하는 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)이라는 독특한 광학적 성질을 가지고 있다. 이때 전자들이 빛을 흡수함으로써 들뜨게 되는데 이때 흡수되는 영역을 표면 플라즈몬 흡수대(Surface Plasmon Absorption Band)라고 한다. 이는 빛의 파장보다 작은 나노물질에서 빛의 흡수는 좁은 파장 영역에 국한되며, 표면 플라즈몬의 흡수 때문에 나타난 흡수 최대치의 파장은 물질의 크기와 모양 그리고 물질 주변의 절연체에 따라 달라진다. 또한, 표면 플라즈몬 흡수대는 나노입자 사이의 거리에도 영향을 받는다. 나노입자가 모여 있으면 상호작용에 의해 각각의 진동의 합이 되는 진동을 하게 되고, 표면 플라즈몬 흡수대의 위치도 변하게 된다. 이와 같은 나노입자의 환경에 따른 민감한 색깔 변화는 나노입자를 센서 분야에서 활용할 가능성을 보여주고 있다. 본 연구실에서는 연구목적에 알맞은 탄수화물을 표면에 고정한 금 나노입자를 사용하여 특정 분석 대상물질의 정성, 정량 분석에 응용하고자 시도하고 있다.

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Gold nanoparticles have been applied to various immunoassay methods because of the advantages as like easily controllable size distribution, long-term stability, friendly biocompatibility with antibodies, antigen proteins, DNA, and RNA. Besides, gold nanoparticle has specific optical property. The interaction of light with free electrons in a gold nanoparticle can give rise to collective oscillations commonly known as ‘surface plasmons (SPs)’. And the absorption band is known as ‘surface plasmon absorption band’. This surface plasmon absorption band depend on nanoparticle size, structure, and distance among nanoparticles, etc. Therefore, when goldnanoparticles aggregate, surface plasmon absorption band is shift and gold nanoparticle colloid color change in some cases. This sensitive color change shows possibility of gold nanoparticle as a sensor. We are trying to develop novel analytical method using carbohydrate stabilized gold nanoparticles.