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센서는 물리적, 화학적 그리고 생물학적 상태를 나타내는 지표를 측정하는 측정 장치와 이를 인간이 판독할 수 있는 신호로 바꾸어주는 신호처리 장치가 통합된 작은 크기의 장치를 의미한다. 본 연구에서는 Ru(bpy)32+의 전기화학발광(electrochemiluminesence, ECL)특성과 산화와 환원이 가역적으로 이루어지는 장점을 이용하여 Ru(bpy)32+를 전극표면에 안정적으로 고정 시킴으로써, 2 차 또는 3차 아민기를 포함하는 생물학적 물질을 높은 감도로 선택적으로 그리고 오랫동안 재사용하여 검출할 수 있는 센서를 제작하였다. 또한 글루코오스 산화효소(...

센서는 물리적, 화학적 그리고 생물학적 상태를 나타내는 지표를 측정하는 측정 장치와 이를 인간이 판독할 수 있는 신호로 바꾸어주는 신호처리 장치가 통합된 작은 크기의 장치를 의미한다. 본 연구에서는 Ru(bpy)32+의 전기화학발광(electrochemiluminesence, ECL)특성과 산화와 환원이 가역적으로 이루어지는 장점을 이용하여 Ru(bpy)32+를 전극표면에 안정적으로 고정 시킴으로써, 2 차 또는 3차 아민기를 포함하는 생물학적 물질을 높은 감도로 선택적으로 그리고 오랫동안 재사용하여 검출할 수 있는 센서를 제작하였다. 또한 글루코오스 산화효소(glucose oxidase, GOD)와 알코올 탈 수소효소(alcohol dehydrogenase, ADH)를 전극표면에 고정시킴으로 특정 생물학적 물질인 글루코오스와 에탄올을 재현성 있게, 낮은 검출한계를 가지며, 방해효과를 최소화 시키면서, 오랫동안 재사용이 가능하며, 선택적으로 검출할 수 있는 전류 측정식(amperometry) 바이오센서를 제작하였다. 그리고 이 두 가지 센서를 접목한 전기화학발광 바이오센서를 제작하여 기존의 센서와 다른 검출방법을 이용하여 보다 효율적으로 에탄올을 검출하는 방법을 모색하였다.전기화학발광 센서의 경우 Ru(bpy)32+가 막 안으로 쉽게 이동하여 안정적으로 고정되면서 확산이 용이하기 때문에 용액 안에 포함되어 있는 Ru(bpy)32+보다 약 9배 정도의 전류 증가를 보이며, 아민기가 포함된 분석물질이 전극표면으로 잘 확산될 수 있으므로 고정되어 있는 Ru(bpy)32+와의 반응의 효율성을 증가시킬 수 있으며, Nafion의 특성으로 인하여 전하의 성격에 따라 선택성을 가지게 되며, 안정적인 구조체가 형성됨으로 센서의 지속성(long-term stability)이 오랜 시간 유지될 수 있다.바이오센서의 경우 복합막의 친수성 부분에 의하여 효소와의 친화성이 증가되며 분석하고자 하는 생체대사 물질이 막 안으로 쉽게 확산되어 질 수 있기 때문에 막에 고정되어 있는 효소의 활성자리와 쉽게 반응하여 10초 이내에 95% 의 정류상태 전류를 나타내는 빠른 감응 시간을 나타내며, pH 7 phosphate 완충용액에 담가 냉장 보관하면 2달 후에 초기 감도의 80% 신호가 유지되는 뛰어난 지속성을 보인다. 글루코오스 바이오센서의 경우 500 mV의 낮은 전위와 Nafion의 특성에 의하여 아스코르빈산이나 글루탐산등의 방해물질에 대해 뛰어난 선택성을 그리고 알코올 센서의 경우 효소의 특성에 의하여 메탄올을 제외한 일차알코올에 대해서만 선택성을 보여준다.이러한 센서의 제작에 있어서 가장 중요한 것은 전극 표면에 Ru(bpy)32+나 효소를 안정적으로 고정시키는 복합막을 제조하는 것이다. 졸-겔(Sol-Gel)법으로 만들어진 금속산화물과 양이온 교환체 특성을 지닌 Nafion을 혼합하여 복합막을 제조함으로써 Ru(bpy)32+나 효소를 유리탄소전극표면에 효과적으로 고정시킬 수 있는 안정적인 다공성 구조체를 형성할 수 있다. 본 연구에 사용한 metal oxide는 titania (TiO2), silica (SiO2) 그리고 vanadium pentaoxide (V2O5)이다. 이 중에서 titania는 역학적으로 안정하며, 깨지지 않으며, 센서의 지속성이 뛰어나며, Nafion 고분자에 비해 다공성 구조를 지니며 기공크기가 크기 때문에 Ru(bpy)32+의 고정속도가 빠르며 분석물질의 감응도 빠르게 이루어지는 장점을 지니고 있어 전기화학발광 및 바이오센서에 널리 응용 가능함을 알 수 있다.이렇게 형성된 복합막의 특성을 더욱 향상시키기 위하여 최근에 나노물질로 크게 각광받고 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 섞어 복합막을 제작하였다. CNT는 기계적으로 단단하며, 전기전도성이 있으며 그리고 화학적으로 안정한 장점을 지니고 있어서 나노장치, 초고강도 물질, 센서, 나노크기의 전기적 장치 그리고 촉매지지체 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다. CNT는 일반적으로 쓰이는 용매에 잘 분산되지 않는 단점을 지니고 있으나 고분자 Nafion에는 잘 분산된다는 기존의 연구결과를 바탕으로, 본 연구에서는 금속산화물Nafion 복합막에 CNT가 잘 분산됨을 확인한 후 이를 바탕으로 제조된 CNT금속산화물-Nafion 복합막을 전기화학 발광 및 바이오센서의 고정 기질로 사용하여 더욱더 효율적인 센서를 제작할 수 있음을 확인 하였다.본 연구를 통해 금속산화물-Nafion과 CNT금속산화물-Nafion 복합막이 전기화학 발광 및 바이오센서의 기질로서 효과적임을 확인하였다. 이러한 복합막을 다층막 형태로 배열한 후 Ru(bpy)32+를 고정시키면 아민 기능기를 가진 여러 가지 생물학적 물질들을 동시에 검출 할 수 있는 전기화학적 발광 칩을 제작할 수 있다. 이와 더불어 여러 가지 생체물질에 선택적으로 반응하는 다양한 효소들이 고정화된 복합막을 하나의 기판위에 동시에 배열하여 플라즈마 한 방울 안에 들어 있는 여러 가지 분석물질을 한 번에 검출해내는 바이오칩을 만들어 실용화 할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Biosensor is a compact analytical device incorporating a biological or biologically-derived sensing element either integrated within or intimately associated with a physicochemical transducer. Ruthenium (II) complex-based ECL has rapidly gained importance as a sensitive and selective detection metho...

Biosensor is a compact analytical device incorporating a biological or biologically-derived sensing element either integrated within or intimately associated with a physicochemical transducer. Ruthenium (II) complex-based ECL has rapidly gained importance as a sensitive and selective detection method for the analysis of a wide range of compounds such as oxalate, alkylamines, amino acids, NADH, organic acids, and pharmaceutical compounds. In this research, the Ru(bpy)32+-immobilized ECL sensor detecting the secondary or tertiary amine with good long-term stability, selectivity, and sensitivity has been fabricated and characterized. This work describes the sol-gel encapsulation of enzymes such as glucose oxidase (GOx) or alcohol dehydrogenase (ADH) on the electrode surface for the development of an amperometric glucose or ethanol biosensor with good reproducibility, low detection limit, low interference effect, high selectivity, and good long-term stability. ECL biosensor based on the combination of selectivity of enzyme with the sensitivity of ECL detection can efficiently quantitate clinically important analytes, such as glucose, ethanol, and cholesterol.In ECL sensor, the uptake rate of Ru(bpy)32+ into the sol-gel derived metal oxides-Nafion composite films has been increased relatively to the pure Nafion films in the present study. And this is possibly due to the greater accessibility of the ion-exchange sites, SO3-, in the composites. Therefore it leaded to a faster diffusion of Ru(bpy)32+ in the composite films and, finally, leading to a 9-fold increase in anodic current. Because the composite film with greater open structure might be leading to the faster diffusion of TPA into the film and the increased charge transport, much greater ECL response was obtained. Sulfonate ion-exchange sites of the Nafion in the composite films prevent anionic analytes from entering the metal oxides-Nafion composite films, resulting in the reduced ECL intensities as compared to the results obtained at the bare electrode.In amperometric biosensor, due to the increased pore size of the organic-inorganic sol-gel metal oxides-Nafion composite films, the enzyme electrode exhibited remarkably fast response time less than 10 s. In addition, bio-compatible TiO2 and Nafion polymer in the composite film increased the sensitivity and long-term stability of the biosensor. The biosensor retained 80% of its initial activity after 4 months of storage in 0.05 M phosphate buffer at pH 7. The current response of the biosensor to 1.0 mM glucose under the existence of ascorbic acid and glutamic acid increased by about 15%, which is small compared to that obtained with the previous biosensor based on pure sol-gel metal oxide because of ion-exchange sites of the Nafion.Also, the biosensors based on carbon nanotubes (CNTs) dispersed in TiO2-Nafion composite films have been studied. Those CNT-based biosensors have coupled those advantages of sol-gel TiO2-Nafion nanoporous composite films with the striking properties of the CNTs such as high conductivity and improved electrocatalytic activity. The present ECL sensors and biosensors based on CNT-TiO2-Nafion composite films has been evaluated in terms of sensitivity, detection limits, and long-term stability relative to those obtained with pure Nafion-based, TiO2-Nafion-based, as well as CNT-Nafion-based ECL and biosensors for the detection of glucose and ethanol.Overall, the composite films based on metal oxides-Nafion and CNTs dispersed in metal oxides-Nafion were effectively used as matrixes for the fabrication of ECL sensor, biosensor, and ECL-biosensor. The present study could be extended to the development of ECL biochip, which can simultaneously detect various analytes included in blood or plasma.

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