In 2004, Chernogolovka discovered graphene planes detached by Scotch tape and improved its high electric conductivity. The isolated atomic plane of graphite is a 2-dimensional nanomaterial with extraordinary electronic, thermal, and mechanical properties. Since then, graphene has stimulated intense interest and has been extensively studied theoretically and experimentally in various fileds. Recently, graphene was utilized as a matrix for the analysis of low molecular weight compounds using laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (LDI-TOF MS). Because it can greatly simplify sample preparation, eliminate interference of matrix background ions, and improve shot-to-shot reproducibility when used instead of organic matrix in MALDI-TOF MS. Moreover, graphene has been immobilized on chip by spin-coating, electrostatic interaction for improvement of LDI system. In 2009, Guo-Nan Chen has demonstrated that GO can act collectively as nano-quenchers as well as carbon nanotube, through energy-transfer or electron-transfer processes. He showed that graphene can be used as a platform for fast, sensitive, and selective detection of biomolecules and this platform is cost-effective compared to platform based on carbon nanotube. Most recently, many studies using graphene as nanoquencher have been published in the field of biosensing such as probing biomolecular interaction, enzymatic assay.
Firstly, we describe a new phospholipase assay method made of the new substrate based on carbon materials and laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. This assay allows the detection of amount of reactant as well as product through only one step of phospholipase reaction. Based on the results, initial velocity and IC50 can be proposed by easy calculation. These results lead us to conclude that this new platform based on LDI is notable assay method and it can be applied in any other enzyme assay extensively.
Secondly, A new endonuclease/methyltransferase activity assay method based on graphene oxide (GO) is developed. Substrate DNA is designed to possess a double-stranded part to serve as a nuclease substrate and a single-stranded part for anchoring the DNA to the GO surface via strong noncovalent binding. Nuclease-mediated DNA hydrolysis induces the recovery of fluorescence intensity of the dye attached to the end of the double-stranded DNA region. This GO-based method allows real-time measurement and quantitative assay for endonuclease/ methyltransferase activities in short time.
그래핀 옥사이드는 여러 층의 탄소막으로 이루어진 그래파이트를 산화시킴으로써 한층의 탄소막만을 떼어낸 나노물질이다. 두께는 약 1-2nm인 이차원평면형태로 탄소원자들이 6각 벌집모양을 이루고 있는 sp2 도메인을 가지고 있으며 산화로 형성된 여러 작용기에 의해 물에 안정하게 분산될 수 있으므로 바이오등 다양한 분야에서 응용이 이루어지고 있다. 그 한 예로 desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (LDI-TOF MS) 에서의 기존 matrix를 대체할 수 있는 물질로 이용할 수 있다. 이는 그래핀옥사이드가 열 전도율이 좋으며 UV 파장의 빛을 흡수하여 에너지를 전달하는 능력이 뛰어나고, 자체에서 나오는 간섭 peak이 나오지 않는 다는 점에 기반 된 것이다. 또한 용액 내에서 그래핀 옥사이드를 이용하여 핵산, 단백질등 다양한 바이오물질을 검출할 수 있다. sp2 도메인에 다양한 바이오물질이 흡착가능하며 이때 바이오물질에 형광 dye가 달려있는 경우 dye로부터 발산되는 에너지를 그래핀 옥사이드가 흡수해 소광을 시킬 수 있다는 점에 기반된 것이다.
이러한 특성을 바탕으로 첫 번째로 탄소물질로 이루어진 필름을 이용해 LDI에 기반한 phospholipase 활성분석 플랫폼을 개발하였다. 이는 그래핀 옥사이드와 탄소나노튜브를 이용하여 효소의 기질이 되는 인지질의 분석을 하였으며 반응물과 생성물의 양을 질량분석을 통해 상대적으로 알아내어 효소의 활성을 분석하였다. 두번째로는 물에 분산된 그래핀 옥사이드를 이용하여 fluorescence resonance energy transfer에 기반하여 endonuclease/methyltransferase 의 활성을 분석하는 플랫폼을 개발하였다. 사용된 DNA 기질의 끝에는 dye가 달려있으며 단일가닥의 DNA가 그래핀옥사이드와 흡착되는 경우 소광되는 원리를 이용하였다.
이 플랫폼들은 기존 분석방법에 비해서 비용, 시간을 절약할 수 있고 많은 수의 시료를 쉽고 간단하게 분석할 수 있어 신속한 high throughput screening이 가능하다.
