Development of fluorescence aptamer sensors for phthalic acid esters detection and elucidation of efficacy and inhibition factors for application

Abstract

Phthalic acid esters (PAEs) or phthalates are substances that are included in products such as PVC, medical supplies, and packaging materials to make them flexible and durable. However, they have been designated as endocrine disruptors, leading to restrictions on their use in countries like the United States and Europe. Despite the efforts to find alternatives, their use remains unavoidable. Consequently, research on analytical techniques for detecting PAEs is actively underway. In the first study, an aptasensor employing 7-AAD fluorescent dye was developed to detect multiple PAEs. Total 13 PAES were classified to four groups with unique chemical structures and subjected to investigating detection trends and the linearity range of quantification (0.001–50 ng/mL for linear alkyl, iso-alkyl, and ethyl-hexyl side chain PAEs; 0.001–10 ng/mL for carbon ring side chain PAEs) and its limit of detection (LOD) of ~1.4 ng/L. Furthermore, the effectiveness of the aptasensor was validated through its high correlation (r = 0.985) with gas chromatograph-mass spectrometer (GC-MS) results. In the second study, a fluorescent aptasensor was developed by combining aptamers and SYBR Green I dye to detect dibutyl phthalate (DBP) as a representative of PAEs for clarifying inhibition factors and effects. As a result, its quantification range of DBP was 0.1–100 ng/L with a LOD of 0.08 ng/L. Consequently, factors that could interfere with the aptasensor function when analyzing environmental samples were investigated. Experimental factors (incubation time, temperature, pH, and ion strength of the buffer) and environmental factors (magnesium, calcium, copper ions, and humic acids) were designated as interfering factors and tested. The research results identified factors causing inhibitory mechanisms and effects on the aptasensor. Through both studies, aptasensors were developed utilizing truncated aptamers and fluorescent substances. These studies suggest that it is possible to detect multiple or individual PAEs, with improved detection performance. Based on the results of the inhibition factors studies, guidelines for analyzing complex environmental samples were proposed and it would promote practical applications in the future.;프탈레이트는 제품을 유연하고 내구성 있게 만들어주어 PVC, 의료용품, 포장 용기 등에 함유되어 있지만 내분비계를 교란하는 물질로 지정되어 미국, 유럽 등의 국가에서 사용이 제한되고 있다. 그럼에도 불구하고 대체할 수 있는 물질이 없어 사용이 불가피한 실정이다. 따라서 프탈레이트를 검출하는 분석 기술에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 첫째로, 다중 프탈레이트 그룹을 검출하기 위해 7-AAD 형광물질을 접합시킨 압타센서를 개발하였다. 해당 센서를 통해 13가지 프탈레이트를 4가지 화학구조 (linear alkyl, iso-alkyl, ethyl-hexyl, and carbon ring side chain)로 분류하여 검출 경향성을 알아보았다. 또한 GC-MS 기기와 검출결과의 높은 상관성(r= 0.985)을 통해 센서의 유효성을 검증해보았다. 두번째 연구에서는 dibutyl phthalate(DBP)를 검출하기 위해 압타머와 SYBR Green I 형광물질을 결합하여 형광 압타센서를 개발하였다. 더불어, 해당 센서를 통해 환경 시료를 분석할 경우 발생할 수 있는 센서 기능을 저해시키는 요인들을 연구했다. 저해 요인으로는 실험적 요인(배양 시간, 배양 온도, 버퍼의 pH와 이온강도)과 환경적 요인(마그네슘, 칼슘, 구리 이온 및 휴믹산)을 지정하여 실험했다. 연구 결과를 통해 센서에 저해 기작을 일으키는 요소와 저해 영향을 확인할 수 있었다. 두 연구를 통해 기존에 사용하던 압타머에서 경제성있는 압타머로 변형시켰을 때도 센서로 작용할 수 있음을 발견했고, 각 형광 물질의 특성을 이용하여 센서를 개발하였다. 해당 연구들은 검출감도 (Sensitivity) 및 선택성 (Selectivity) 결과를 통해 향상된 검출 성능을 확인할 수 있었다. 센서의 정밀성 검토와 저해요인 연구를 통해 밝혀진 결과를 바탕으로 추후 복잡하고 다양한 환경 시료를 분석하는데 가이드라인을 제시하여 실용화를 도모할 수 있을 것으로 기대한다.