Development of non-equilibrium based biosensor and its portable analyzer for the ultra-fast detection of phthalates

Abstract

지난 수십년 동안, 프탈레이트 (Phthalic Acid Esters, PAEs)는 폴리염화 비닐 (Polyvinyl chloride, PVC)의 가소제(plasticizer)로 널리 사용되어왔다. 모든 플라스틱 제품에 첨가되는 프탈레이트는 원재료와 화학적으로 결합하지 않기 때문에 쉽게 분리되어 환경에 유출된다. 이후, 피부 및 호흡기, 음식 섭취 등을 통해 체내에 흡수되면 신체의 호르몬계를 교란시켜 심각한 건강 문제가 야기된다. 따라서, 본 연구에서는 가소제로 주로 사용되었던 7종의 프탈레이트 (PA, DMP, DEP, DBP, DiBP, BBP, DEHP)를 선정하여 환경 내 존재하는 다양한 프탈레이트를 지속적으로 모니터링 할뿐만 아니라 높은 민감도로 빠르고 간편하게 감지할 수 있는 검출 센서 및 휴대용 검출 장치를 개발하였다. 기개발된 프탈레이트 검출용 압타머(aptamer)와 DNA 삽입(intercalation) 형광물질을 이용하여 센서를 구축하였고, 개발한 센서는 우수한 민감도 (LOQ 0.1 μg/L PAEs)와 우수한 선택도를 보여주었다. 또한, 압타머와 형광물질, 프탈레이트 간의 반응에 대해 비평형상태에서 형광도 측정을 하여 기존 센서들에 비해 빠른 속도로 프탈레이트를 검출하였다. 더 나아가, 일상생활에 실제로 사용되는 플라스틱 제품에서 프탈레이트를 추출하여 농도를 정량하였으며, 이는 가스크로마토그래피-질량분석기를 통한 분석과 비교함으로써 센서의 정량 능력을 검증하였다. 마지막으로, 센서의 현장 적용성을 높이기 위하여 휴대용 검출 장치를 제작하였다. 본 장치는 농도별로 프탈레이트를 정량하였을 때, 높은 선형성(R2 = 0.94)을 보였으며, 1~100 μg/L 범위의 프탈레이트 혼합물을 매우 빠르게 검출할 수 있음(30초)을 확인하였다.;In this study, a non-equilibrium rapid replacement aptamer (NERRA) assay and a portable custom analyzer were developed, which performed ultrafast (in 30 s) quantitative detection of phthalic acid esters (PAEs) without waiting for the reaction to reach equilibrium. The NERRA assay employed fluorescence PoPo3 dye intercalated in an ssDNA aptamer to selectively detect and quantify the PAEs in water. As the intercalated dye was replaced by the PAEs and quenched in the water, the rate of fluorescence change became proportional to PAEs concentration. The sensitivity of NERRA assay was first evaluated with a commercial spectrofluorometer. The selectivity for PAE mixture, individual PAEs, and non-phthalate compounds were also investigated. The NERRA assay was also able to quantitatively detect the PAEs in a common plastic product (picnic mat), and the results were compared with those of gas chromatography mass spectrometry. Finally, a custom analyzer (8.5 cm × 8.5 cm × 16.5 cm) was built to demonstrate the portability of the NERRA assay. Using a commercial spectrofluorometer, NERRA assay was able to quantitatively detect a PAE mixture in 30 min with an LOQ of 0.1 μg/L. Using the portable custom analyzer, the detection time was shortened to 30 s with a tradeoff in the LOQ (1 μg/L). In both cases, the LOQs remain within the environmentally relevant PAE concentrations of 0.1–1472 μg/L.