Optical Detection of Copper (II) with a Fluorescent Chemosensor in a Copper Chelating Bead-Packed Microfluidic Device

Abstract

미세유체소자의 개발로 생물학 연구에 점차적으로 변화가 일어나고 있다. 미세유체소자로 인해 시료의 양과 반응시간이 줄었다. 또한 여러 가지 반응을 동시에 하나의 미세유체 소자 내에서 수행할 수 있게 되었다. 따라서 미세유체소자 내에서 일어나는 반응을 어떠한 방법으로 검출하는가가 중요한 문제로 대두되었다. 먼저 첫 번째 단락에서는 미세유체소자의 광학적 검출방법에 대해 소개하고자 한다. 광학적 검출방법 중에서도 형광, 흡광 및 화학발광에 대해 설명한다. 구리는 알츠하이머나 윌슨병 유발에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 최근에 베타아밀로이드, 사람과 소의 혈청 및 트랜스페린이 구리이온과 결합한다는 결과들이 보고되고 있다. 두 번째 단락에서는 새로운 형광 물질을 포함하고 구리2가 이온을 수 나노 몰 까지 검출할 수 있는 형광화학센서를 개발하였다. 또한, 구리2가 이온이 베타아밀로이드 펩타이드와 트랜스페린과 결합한다는 사실을 형광화학센서로 확인하였다. 이 형광화학센서를 이용해 버퍼나 다른 생물학적 시료에서 구리이온 검출이 가능할 것이다. 구리는 신체의 골격을 유지하고 생식 및 신경기능을 건강하게 유지 시켜주는 필수 요소이다. 그러나 음용수에 구리의 농도가 4~6mg/L 이상이 되면 위장장애를 일으켜 복통, 구토 및 설사를 유발 시킨다. 따라서 음용수의 구리농도를 제한하는 (WHO 2mg/L) 것은 필수불가결한 것이며 환경학적으로도 그 검출방법이 중요하다 할 수 있다. 마지막 단락에서는 위의 형광화학센서를 응용해 미세유체 소자를 제작하여 구리이온을 ppm 범주내에서 검출하고자 한다. PDMS로 제작된 미세유체소자에 구리농축입자를 채운 후 입자에 구리이온을 농축시키기 위해 다른 농도의 구리용액을 흘린다. 마지막으로 산, 염기 및 형광화학센서를 동시에 흘려주며 형광현미경과 형광기기를 이용하여 광학적으로 구리를 검출한다. 그 결과 0.1에서 1ppm까지의 구리이온이 칩안에서 성공적으로 검출하였다. 따라서 이 미세유체소자는 수중이나 환경 시료의 구리검출에 사용 될 수 있을 것이다.;Microfluidics has the potential to significantly change the way modern biology is performed. Microfluidic devices offer the ability to work with smaller reagent volumes, shorter reaction times and the possibility of parallel operation. In addition, the necessity for high-performance detection has never been more significant. Therefore, first chapter is an overview for optical detection methods of microfluidic devices. Optical detections such as fluorescence, absorbance and chemiluminescence were available for analytical devices. In the second chapter, a fluorescent chemosensor was synthesized through a Mannich reaction and hydrolysis. A new fluorescent chemosensor based on the fluorescein derivative effectively recognizes copper (II) ion in nanomolar range at pH 7.4. The copper (II) ion uptake by proteins such as bovine serum albumin, transferrin and amyloid precursor protein was monitored using the title fluorescent chemosensor. Hence, a fluorescent chemosensor can effectively sense Cu2+ in solutions of transferrin and amyloid precursor protein (0.5-50μM). Based on the results, it has been suggested that the chemosensor is also ready to develop for detecting other biological samples. In the last chapter, for the practical applications of the fluorescent chemosensor, a microfluidic platform has been developed for the fluorescent detection of copper (II) in the ppm range. In detail, a microfluidic system was fabricated with soft lithography and copper-chelating alginate beads (50~90μm, BioScicence) which were immobilized in the microfabricated weir structures of the device. The beads in the device were used to preconcentrate copper (II) ions and the preconcentrated copper (II) ions were later optically detected by eluting the preconcentrated metal ions with the fluorescent chemosensor. Hence, we successfully detected Cu2+(0.1~1ppm) in the microfluidic system.