In this study, we have developed a novel fluorescent strategy to detect silver ion ($Ag^{+}$) by utilizing $Ag^{+}$-mediated formation of C-C mismatched base pairs. In this system, the single stranded (ss) trigger DNA is designed to hybridize with the first hairpin probe through the formation of C-C mismatched base pairs only in the presence of $Ag^{+}$, consequently opening the hairpin probe. The exposed ss region within the first hairpin probe subsequently opens the second hairpin probe, forming complex and displacing the $Ag^{+}$ and ss trigger DNA from the first hairpin probe. Released $Ag^{+}$ and ss trigger DNA are recycled to initiate the next cycle of hairpin assembly and produce many copies of short double stranded (ds) DNA complexes, which would be resistant to the adsorption and quenching by graphene oxide (GO) and consequently produce highly enhanced fluorescence signal from ds specific fluorescent dye, SYBR green I. On the other hand, in the absence of $Ag^{+}$, the ss trigger DNA cannot promote the hairpin assembly and consequently leads to the low fluorescence signal, which is attributed to the adsorption of DNA probes and SYBR Green I and consequent quenching of fluorescence signal by GO. Importantly, GO contributes to the reduction of background signal from intact or intercalated SYBR green I, which enable the highly sensitive detection of $Ag^{+}$. The present detection system exhibits high sensitivity and selectivity toward Ag+ as expected. In addition, present strategy has a potential for applications of other metal ion biosensors by rational design of the probe sequences.
은 이온은 제약, 의료 분야를 포함해 다양한 산업 분야에서 광범위하게 이용되어 왔다. 그러나 은 이온은 독성을 갖는 금속 이온의 한 종류로서, 혈관 내로 침투하고, 세포 내에 축적되어 다양한 효소들의 활성을 억제할 뿐만 아니라, 심하게는 은 중독을 야기한다. 따라서, 세계보건기구, 미국 환경보호국을 비롯한 각종 국가 기관에서는 식수에 포함된 은 이온의 함유량을 엄격히 제한하고 있다. 종래의 은 이온 검출 방식은, 원자 흡수 분광법이나 유도결합플라즈마 질량분석법을 이용하여 은 이온을 검출하는 방식이었으나, 이러한 분석법은 복잡한 샘플 준비 과정과 기기 조작 과정을 필요로 하며, 특정 물질의 선택적 검출 감도가 뛰어나지 않다는 단점이 있다.
본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위해, 표적물질에 의해 유도된 헤어핀의 자가조립법을 기반으로 하는 은 이온의 형광 분석 기술을 개발하였다. 은 이온이 C-C 염기쌍의 형성을 매개한다는 사실을 기반으로, 단일 가닥 trigger DNA와 첫 번째 헤어핀 가닥에 C 염기를 배열하였다. 따라서, 은 이온이 존재할 때, trigger와 헤어핀 사이에 C-C 염기쌍이 형성되고, 이러한 반응은 헤어핀의 구조를 변형시켜 두 번째 헤어핀 가닥과의 결합을 유도 한다. 이 과정에서, trigger는 첫 번째 헤어핀 가닥에서 분리되어, 또 다른 헤어핀 자가조립 반응을 일으키는 한편, 두 번째 헤어핀은 첫 번째 헤어핀 가닥과 결합하여 짧은 이중 가닥 DNA를 형성한다. 생성된 이중 가닥 DNA는 산화 그래핀에 의해 잘 흡착되지 않으므로, 이중 가닥 DNA에 특이적인 형광물질인 SYBR Green I 은 이중 가닥 DNA 생성물에 결합하여 높은 형광 신호를 나타낸다.
헤어핀 자가조립법에 의한 신호 증폭 및 산화 그래핀에 의한 background 신호 감소로 인해, 본 연구에서는 0.87nM 수준의 낮은 LOD로 은 이온을 검출해낼 수 있었으며, 이는 기존의 은 이온 검출 기술들과 비교할만한 민감도 결과이다. 또한, 은 이온의 선택적인 검출이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 은 이온 검출 시스템은 향후, real sample 테스트를 거쳐 실제 은 이온의 검출에 적용될 수 있는 잠재력을 갖게 될 것으로 예측된다. 더 나아가, 다른 금속 이온과 상호작용할 수 있는 염기서열을 DNA probe에 적절하게 도입함으로써, 새로운 금속 이온 검출 센서 개발에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
