Sol-Gel 법으로 제조된 Metal oxide/Nafion/CNT 복합막을 이용한 글루코스 바이오센서 Amperometric glucose biosensor based on sol-gel derived metal oxide/Nafion/CNT composite films원문보기
널리 알려져 있는 성인병인 당뇨병의 진단 및 예방으로 혈중 포도당 (glucose)의 양을 측정하는 방법은 매우 중요하며, 실제로 고감도의 글루코스 바이오센서를 제작하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 그 중에서 전기화학을 이용한 검출방법은 크기가 작고 어디서나 간편하게 사용할 수 있다는 장점 때문에 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 전극의 표면을 변형시켜 선택적이고 안정적이면서도 고감도의 화학 수식 전극(CME, chemically modified electrode)를 만드는 것을 기본으로 하고있다. 본 연구에서는 각각 ...
널리 알려져 있는 성인병인 당뇨병의 진단 및 예방으로 혈중 포도당 (glucose)의 양을 측정하는 방법은 매우 중요하며, 실제로 고감도의 글루코스 바이오센서를 제작하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 그 중에서 전기화학을 이용한 검출방법은 크기가 작고 어디서나 간편하게 사용할 수 있다는 장점 때문에 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 전극의 표면을 변형시켜 선택적이고 안정적이면서도 고감도의 화학 수식 전극(CME, chemically modified electrode)를 만드는 것을 기본으로 하고있다. 본 연구에서는 각각 졸-겔 법으로 만들어진 Titanium oxide와 Zirconium oxideNafion composite막에 효소를 고정시킴으로써 글루코스를 검출하는 전류측정식(amperometry) 바이오센서를 개발하였다. 또한, 최근 나노 과학 분야가 큰 각광을 받고 많은 연구가 진행됨에 따라 바이오센서로의 적용에 대한 관심도 높아지고 있다. 1991년 처음 개발된 CNT(carbon nanotube)는 표면적이 넓고 전도도가 매우 높은 성질을 갖고 있어 전자전달반응을 빠르고 용이하게 해주는 효과를 기대할 수 있다. Nafion에 CNT가 분산된다는 연구 보고가 있었기에 Nafion이 포함된 metal oxide 복합막을 바이오센서에 응용해 보았으며 감도가 매우 좋은 바이오센서 제작의 가능성을 볼 수 있었다.유리탄소전극 위의 ZirconiaNafion 박막에 고정된 글루코스 산화 효소는 글루코스를 gluconolactone으로 바꾸면서 수용액상의 산소가 전자를 전달 받아 과산화수소로 변하게 된다. 이때 0.5 V를 가해 전극 표면에서 과산화수소를 산화시켜 글루코스를 정량 분석하였다. 바이오센서는 pH나 작업 전위, Nafion의 비율 등에 많은 영향을 받으므로 최적의 분석 결과를 얻기 위해 다양한 실험 조건을 최적화하였다. 이렇게 만들어진 글루코스 바이오센서는 5초 이내에 95% 의 정류상태 전류를 나타내는 빠른 감응 시간을 나타냈다. 또한, 0.03~15.08 mM까지의 선형성을 보였으며, 3.40 μAmM의 좋은 감도를 보였다. 검출 한계도 0.037 mM로 매우 낮은 결과를 보였다.또 다른 방식의 센서로서 글루코스 산화효소의 활성 자리가 작고 안쪽으로 깊숙이 숨어있어 전자전달이 용이하지 않다는 단점을 보완하는 센서를 제작하였다. 이 단점을 해결하기 위해 DMAFc(dimethylaminomethyl ferrocene) 매개체를 이용하여 효소를 대신하여 효소와 전극 사이에 직접적인 전자 전달을 수행함으로서 전자 전달 속도를 빠르게 하여 감응 시간을 단축시키도록 하였고, 또한 작업전위를 낮춤으로서 혈중 글루코스 이외의 물질들에 의한 방해 효과를 줄이는 것을 목표로 본 실험에 적용하였다. 여기에 CNT를 첨가함으로서 더욱더 감도를 높였으며, 기존의 TitaniaNafion composite 보다 뛰어난 안정성과 감도를 얻을 수 있었다.본 연구를 통해 두 종류의 metal oxide를 이용한 글루코스 바이오센서를 제작하였으며, CNT를 이용하여 더욱더 글루코스를 효율적으로 검출할 수 있었다. 이러한 과정을 통해 개발된 전류 측정식 바이오센서는 고정화 된 효소를 다양화시킴으로써 여러 가지 물질에 대한 검출이 가능하며 나아가서는 실시간 측정식 바이오센서의 개발이 기대된다.
널리 알려져 있는 성인병인 당뇨병의 진단 및 예방으로 혈중 포도당 (glucose)의 양을 측정하는 방법은 매우 중요하며, 실제로 고감도의 글루코스 바이오센서를 제작하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 그 중에서 전기화학을 이용한 검출방법은 크기가 작고 어디서나 간편하게 사용할 수 있다는 장점 때문에 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 전극의 표면을 변형시켜 선택적이고 안정적이면서도 고감도의 화학 수식 전극(CME, chemically modified electrode)를 만드는 것을 기본으로 하고있다. 본 연구에서는 각각 졸-겔 법으로 만들어진 Titanium oxide와 Zirconium oxideNafion composite막에 효소를 고정시킴으로써 글루코스를 검출하는 전류측정식(amperometry) 바이오센서를 개발하였다. 또한, 최근 나노 과학 분야가 큰 각광을 받고 많은 연구가 진행됨에 따라 바이오센서로의 적용에 대한 관심도 높아지고 있다. 1991년 처음 개발된 CNT(carbon nanotube)는 표면적이 넓고 전도도가 매우 높은 성질을 갖고 있어 전자전달반응을 빠르고 용이하게 해주는 효과를 기대할 수 있다. Nafion에 CNT가 분산된다는 연구 보고가 있었기에 Nafion이 포함된 metal oxide 복합막을 바이오센서에 응용해 보았으며 감도가 매우 좋은 바이오센서 제작의 가능성을 볼 수 있었다.유리탄소전극 위의 ZirconiaNafion 박막에 고정된 글루코스 산화 효소는 글루코스를 gluconolactone으로 바꾸면서 수용액상의 산소가 전자를 전달 받아 과산화수소로 변하게 된다. 이때 0.5 V를 가해 전극 표면에서 과산화수소를 산화시켜 글루코스를 정량 분석하였다. 바이오센서는 pH나 작업 전위, Nafion의 비율 등에 많은 영향을 받으므로 최적의 분석 결과를 얻기 위해 다양한 실험 조건을 최적화하였다. 이렇게 만들어진 글루코스 바이오센서는 5초 이내에 95% 의 정류상태 전류를 나타내는 빠른 감응 시간을 나타냈다. 또한, 0.03~15.08 mM까지의 선형성을 보였으며, 3.40 μAmM의 좋은 감도를 보였다. 검출 한계도 0.037 mM로 매우 낮은 결과를 보였다.또 다른 방식의 센서로서 글루코스 산화효소의 활성 자리가 작고 안쪽으로 깊숙이 숨어있어 전자전달이 용이하지 않다는 단점을 보완하는 센서를 제작하였다. 이 단점을 해결하기 위해 DMAFc(dimethylaminomethyl ferrocene) 매개체를 이용하여 효소를 대신하여 효소와 전극 사이에 직접적인 전자 전달을 수행함으로서 전자 전달 속도를 빠르게 하여 감응 시간을 단축시키도록 하였고, 또한 작업전위를 낮춤으로서 혈중 글루코스 이외의 물질들에 의한 방해 효과를 줄이는 것을 목표로 본 실험에 적용하였다. 여기에 CNT를 첨가함으로서 더욱더 감도를 높였으며, 기존의 TitaniaNafion composite 보다 뛰어난 안정성과 감도를 얻을 수 있었다.본 연구를 통해 두 종류의 metal oxide를 이용한 글루코스 바이오센서를 제작하였으며, CNT를 이용하여 더욱더 글루코스를 효율적으로 검출할 수 있었다. 이러한 과정을 통해 개발된 전류 측정식 바이오센서는 고정화 된 효소를 다양화시킴으로써 여러 가지 물질에 대한 검출이 가능하며 나아가서는 실시간 측정식 바이오센서의 개발이 기대된다.
An amperometric glucose biosensor has been developed based on the use of the nanoporous composite film of sol-gel-derived zirconia, carbon nano tube(CNT) and perfluorosulfonated ionomer, Nafion, for the encapsulation of glucose oxidase (GOx) on a platinized glassy carbon electrode. Zirconium isoprop...
An amperometric glucose biosensor has been developed based on the use of the nanoporous composite film of sol-gel-derived zirconia, carbon nano tube(CNT) and perfluorosulfonated ionomer, Nafion, for the encapsulation of glucose oxidase (GOx) on a platinized glassy carbon electrode. Zirconium isopropoxide (ZrOPr) was used as a sol-gel precursor for the preparation of zirconiaNafion composite film and the performance of the resulting glucose biosensor was tuned by controlling the water content in the acid-catalyzed hydrolysis of sol-gel stock solution. The presence of Nafion polymer in the sol-gel-derived zirconia in the biosensor resulted in faster response time and higher sensitivity compared to those obtained at the pure zirconia- and pure Nafion-based biosensors. Because of the nanoporous nature of the composite film, the glucose biosensor based on the zirconiaNafion composite film can reach 95% of steady-state current less than 5 s. In addition, the biosensor responds to glucose linearly in the range of 0.03~15.08 mM with a sensitivity of 3.40 AmM and the detection limit of 0.037 mM (SN = 3). Moreover, the biosensor exhibited good sensor-to-sensor reproducibility (~5%) and long-term stability (90% of its original activity retained after 1 month) when stored in 50 mM phosphate buffer at pH 7.0 at 4 oC.Similarily, zirconiaNafionCNT composite film responds to glucose linearly in the range of 0.17~15.44 mM with a sensitivity of 3.50 AmM and the detection limit of 0.17 mM (SN = 3). ZirconiaNafionCNT biosensor showed 4.36 mM of apparent Michaelis-Menten (Km) from Lineweaver-Bulk plot (1i vs 1conc.).Another glucose biosensor using mediator DMAFc was fabricated with titaniaNafionCNT composite film. Wide surface area of CNT resuts great improvement in the biosensor performance. The biosensor responds to glucose linearly in the range of 2.02~9.14 mM with a sensitivity of 0.441 mAmM and the detection limit of 0.54 mM (SN = 3) at 0.5 V of working potential. Unstability of the film caused by leaching of the mediator is still remained to solve.
An amperometric glucose biosensor has been developed based on the use of the nanoporous composite film of sol-gel-derived zirconia, carbon nano tube(CNT) and perfluorosulfonated ionomer, Nafion, for the encapsulation of glucose oxidase (GOx) on a platinized glassy carbon electrode. Zirconium isopropoxide (ZrOPr) was used as a sol-gel precursor for the preparation of zirconiaNafion composite film and the performance of the resulting glucose biosensor was tuned by controlling the water content in the acid-catalyzed hydrolysis of sol-gel stock solution. The presence of Nafion polymer in the sol-gel-derived zirconia in the biosensor resulted in faster response time and higher sensitivity compared to those obtained at the pure zirconia- and pure Nafion-based biosensors. Because of the nanoporous nature of the composite film, the glucose biosensor based on the zirconiaNafion composite film can reach 95% of steady-state current less than 5 s. In addition, the biosensor responds to glucose linearly in the range of 0.03~15.08 mM with a sensitivity of 3.40 AmM and the detection limit of 0.037 mM (SN = 3). Moreover, the biosensor exhibited good sensor-to-sensor reproducibility (~5%) and long-term stability (90% of its original activity retained after 1 month) when stored in 50 mM phosphate buffer at pH 7.0 at 4 oC.Similarily, zirconiaNafionCNT composite film responds to glucose linearly in the range of 0.17~15.44 mM with a sensitivity of 3.50 AmM and the detection limit of 0.17 mM (SN = 3). ZirconiaNafionCNT biosensor showed 4.36 mM of apparent Michaelis-Menten (Km) from Lineweaver-Bulk plot (1i vs 1conc.).Another glucose biosensor using mediator DMAFc was fabricated with titaniaNafionCNT composite film. Wide surface area of CNT resuts great improvement in the biosensor performance. The biosensor responds to glucose linearly in the range of 2.02~9.14 mM with a sensitivity of 0.441 mAmM and the detection limit of 0.54 mM (SN = 3) at 0.5 V of working potential. Unstability of the film caused by leaching of the mediator is still remained to solve.
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