초록 ▼

본 연구에서는 농약성분 중의 유기인화합물과 캡탄에 저해를 받는 효소인Acetylcholinesterase(AChE), Glutathione-s-transferase(GST)를 선정하였고이 효소를 최적의 상태로 고정화시킨 후에 측정대상인 농약성분을 측정하는광바이오센서를 제작하였다.
1차 연도에서는 선택된 효소에 반응 특이성을 갖는 반응물로 acetyl thiocholin iodide, 1-chloro-2,4-dinitrobenzene(CDNB), glutathione(GSH)을 선정하였고 생물소재인 효소를 LB 기법으로 고정화하

본 연구에서는 농약성분 중의 유기인화합물과 캡탄에 저해를 받는 효소인Acetylcholinesterase(AChE), Glutathione-s-transferase(GST)를 선정하였고이 효소를 최적의 상태로 고정화시킨 후에 측정대상인 농약성분을 측정하는광바이오센서를 제작하였다.
1차 연도에서는 선택된 효소에 반응 특이성을 갖는 반응물로 acetyl thiocholin iodide, 1-chloro-2,4-dinitrobenzene(CDNB), glutathione(GSH)을 선정하였고 생물소재인 효소를 LB 기법으로 고정화하였다. 고정화 대상물질에 대한표면압-면적 곡선(Surface Pressure-Area Isotherm)을 기초로한 효소활성 자료와 Atomic Force Microscopy(AFM)을 통하여 최적의 고정화 조건을 확립하였다. 제시된 효소의 고정화방법은 효소나 다른 생체물질의 특성을 이용하는 바이오센서 개발을 위한 생체물질의 고정화 방법으로 응용 가능함을 보여주었고, LB기법을 통한 효소 고정화방법을 연구함으로써 수준의 제어가가능한 고정화 기법을 센서에 활용할 수 있음을 증명하였다.
2차 연도에서는 효소를 고정화하여 고정화상태 효소의 반응을 속도론적으로 분석하고 측정목적 물질의 고정화 효소에 대한 저해특성을 속도론적으로규명하였다. 또한 잔류농약 검출용 광바이오센서를 설계, 제작하였고 농약잔류 성분중 측정대상물질인 유기인화합물과 캡탄에 대하여 ppm단위이하의 저농도 측정 가능성을 검증하였다. 이를 통하여 생물소재 고정화막을 구성요소로 한 광바이오센서의 개발은 농작물(특히 사과, 배 등)내 잔류농약의 성분을신속하고 정확하며 간단하게 측정할 수 있는 새로운 분석방법으로 쓰일 수있다는 것을 제시하였다.
3차 연도에서는 측정대상물질에 대해 최대의 센서신호를 얻기 위한 광 바이오센서의 최적의 제작조건 및 조작 조건을 탐색하였으며 분석 표준화를 위하여 농도에 따른 표준검량선을 작성하였다. 또한 농산물을 이용한 실제 적용실험을 통하여 현장 사용가능성을 검증하였다. 3년간에 걸쳐 수행된 본 연구과제의 결과는 실제 농작물에 잔류하는 다양한 잔류농약 성분을 동시에 모두측정할 수 있는 다성분 동시측정용 광바이오센서의 구축을 위한 기반 기술로활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.

Abstract ▼

The objective of this study is to design and develop a optical biosensorfor rapid, sensitive, and accurate detection of pesticides residues inagricultural products.Through the review of the articles and patents related with biosensor,the enzymes were selected for proper detection of target materials

The objective of this study is to design and develop a optical biosensorfor rapid, sensitive, and accurate detection of pesticides residues inagricultural products.Through the review of the articles and patents related with biosensor,the enzymes were selected for proper detection of target materials. Theinhibition characteristics of the selected enzymes for the target materials(organo-phosphorus compounds and captan) were investigated through theenzyme-inhibition reaction. The proper substrate with the reactivity for theselected enzymes is selected. By using the enzyme reaction kinetics, theenzyme inhibition was kinetically examined, and the immobilizationtechnique was developed using the Langmuir-Blodgett (LB) method. Forthe investigation of immobilized enzyme, atomic force microscopy (AFM)was applied to the immobilized enzyme surface, in which the optimalmmobilization condition was determined.By using the substrate reactive to the selected enzymes, the kineticanalyses of the immobilized enzymes were carried out. The effect ofimmobilization method on the diffusion and steric hindrance is surveyedand the inhibition characteristics of target materials (organo-phosphorus compounds and captan) were kinetically examined. By the determination ofoptimal detection time and range, biosensor system was setup for themeasurement of photoelectric characteristics.For the acquisition of maximum sensor signal, the optimal configurationand operating condition was surveyed and the photoelectric characteristicsof biosensor were observed. For the analytical standardization, a standardcalibration curve with respect to the concentration is acquired. Aapplicability of the proposed optical biosensor is investigated through themimic experiment to the agricultural products such as pepper, apple, andpear.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 요약문 ...3
• SUMMARY ...7
• CONTENTS ...11
• 목차 ...15
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ...19
• 제 1 절 연구개발의 필요성 ...19
• 제 2 절 연구개발 목표 및 범위 ...21
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ...25
• 제 1 절 국내ㆍ외 관련기술의 현황과 문제점 ...25
• 제 2 절 앞으로의 전망 ...27
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ...28
• 제 1 절 측정대상에 적절한 효소의 선정 ...28
• 1. 농약의 특성 및 주요 구성 성분 조사 ...28
• 가. 피부의 독성 ...28
• 나. 호흡기관에 대한 독성 ...29
• 다. 위장관의 독성 ...29
• 라. 순환기계의 독성 ...29
• 마. 간장의 독성 ...29
• 바. 신경학적인 중독 ...30
• 사. 신장의 독성 ...30
• 2. 생물소재선정 ...31
• 3. 효소. 반응 메카니즘 ...34
• 가. Acetyl cholinesterase (AChE) ...34
• 나. Glutathione-s-transferase (GST) ...40
• 다. Mixed enzyme (AChE+GST) ...43
• 제 2 절 생물소재의 고정화 방법 개발 ...45
• 1. Langmuir-Blodgett (LB) 박막 제작 ...45
• 가. LB기법의 기본지식 ...46
• 나. LB film의 π- A isotherm ...50
• 다. 고정화 효소의 표면 분석 ...51
• 제 3 절 최적의 고정화 조건 확립 ...52
• 1. 효소고정화의 최적 조건 - 누적 표면압의 영향 ...52
• 제 4 절 고정화 효소의 반응특성 분석 ...54
• 1. 고정화 효소반응 (AChE와 GST의 혼합고정화상태) ...54
• 2. 고정화방법의 최적화 ...55
• 가. 효소의 고정화상태 관찰 (고정화된 효소의 AFM 분석) ...55
• 나. 고정화 방법의 최적화 ...56
• 다. 효소의 stability 결정 ...59
• 3. 잔류농약성분의 저농도 측정 ...59
• 가. 저농도 측정을 위한 시스템 구성 ...59
• 나. ppb 농도의 측정을 위한 센서의 반응시간 결정 ...61
• 다. ppb농도의 농약잔류 성분에 대한 광바이오센서에서의 신호 측정 ...62
• 제 5 절 광바이오센서 제작 및 광전특성 측정 ...63
• 1. 광바이오센서의 최적 측정 시간 및 조건 ...63
• 가. 효소의 최적농도 분석 ...63
• 나. 고정화된 효소를 이용한 반응의 최적 pH 결정 ...63
• 다. 최적측정시간 결정 ...65
• 2. 광바이오센서시스템의 설계와 제작 ...66
• 가. 광바이오센서시스템의 설계 및 제작 ...66
• 나. 효소반응 및 저해반응의 원리 ...67
• 제 6 절 광바이오 센서의 광전특성 검증 ...69
• 1. 광바이오센서의 광전특성 검증 ...69
• 가. 광바이오센서장치 구성 ...69
• 나. 광바이오센서 신호 분석 ...70
• 다. 측정물질에 대한 광바이오센서의 광전특성 분석 ...71
• (1) captan에 의해서 저해되는 GST의 감지신호 ...71
• (2) captan과 paraoxon에 의해 저해되는 AChE의 감지신호 ...73
• 제 7 절 정량적 분석을 위한 표준화 ...74
• 1. 측정대상물질의 분석 표준화를 위한 농도에 따른 표준검량선 작성 ...74
• 가. 광바이오센서 신호와 잔류농약성분 농도의 관계식 정립 ...74
• 1) 오염수에 paraoxon만 존재하는 경우 ...75
• 2) 오염수에 captan만 존재하는 경우 ...76
• 3) 오염수에 captan과 paraoxon이 둘 다 존재하는 경우 ...77
• 제 8 절 고정화 효소의 저장 안전성 ...79
• 1. 생물분자 저장 안전성 향상을 위한 첨가물 검토 ...79
• 제 9 절 농산물을 이용한 현장적용가능성 ...80
• 1. 농산물(과일이나 채소)에 따라 추출물질이나 고유의 색소에 의한 신호간섭의 최소화 ...80
• 2. 농산물을 이용한 실제 적용실험을 통하여 현장 사용가능성 검증과광바이오센서의 prototype제작 ...81
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...85
• 제 1 절 광바이오센서의 기초연구 ...85
• 1. 기본자료조사 ...85
• 2. 국내외 전문가와 협의를 통한 연구방향 정립 ...85
• 제 2 절 생물소재 선정 및 고정화기법 개발 ...85
• 1. 측정대상에 적절한 효소의 선정 ...86
• 2. 생물소재의 고정화 방법 개발 ...86
• 3. 최적의 고정화 조건 확립 ...87
• 4. 고정화 효소의 반응특성 분석 ...87
• 제 3 절 광전특성 검출 및 광바이오센서를 이용한 표준물질 검출 ...88
• 1. 광바이오센서 제작 및 광전특성 측정을 위한 시스템 구성 ...88
• 2. 잔류농약 성분의 저농도 측정 ...88
• 3. 광바이오센서의 광전특성 검증 ...89
• 4. 측정대상물질의 정량적 분석을 위한 분석표준화 ...89
• 5. 농산물을 이용한 현장적용 가능성 검증 ...89
• 제 5 장 연구개발성과의 활용계획 ...91
• 제 1 절 연구결과의 기대효과 ...91
• 1. 기술적 ...91
• 2. 경제적(산업적) ...91
• 제 2 절 연구성과의 활용방안 ...92
• 제 6 장 참고문헌 ...94