콜레스테롤은 동물에서 발견되는 대표적인 스테로이드 지질이며, 동물 내에 존재하는 다른 스테로이드들의 전구체이다. 콜레스테롤은 혈액 내의 지단백질 복합체의 구성 성분이며, 융합된 고리 구조에 극성의 알코올 작용기를 가지고 있기 때문에 원형질막의 특성에 중요한 영향을 미치며 ...
1-1. 콜레스테롤 검출 센서들
콜레스테롤은 동물에서 발견되는 대표적인 스테로이드 지질이며, 동물 내에 존재하는 다른 스테로이드들의 전구체이다. 콜레스테롤은 혈액 내의 지단백질 복합체의 구성 성분이며, 융합된 고리 구조에 극성의 알코올 작용기를 가지고 있기 때문에 원형질막의 특성에 중요한 영향을 미치며 동물 세포 원형질막의 주요 구성성분이다. 체내 콜레스테롤의 양을 의미하는 총 콜레스테롤은 에스터화 되지 않은 유리 콜레스테롤 (free cholesterol) 과 콜레스테릴 에스터 (cholesteryl ester)의 합으로, 콜레스테릴 에스터는 유리 콜레스테롤이 간에서 ACAT (acyl-CoA- cholesterol acyl transferase) 에 의해 에스터화된 형태로 콜레스테롤의 체내 순환 형태이다. 흔히 좋은 콜레스테롤과 나쁜 콜레스테롤로 잘 알려져 있는 HDL (high-density lipoprotein)과 LDL (low-density lipoprotein)은 지단백질 복합체 (lipoprotein complex)의 일종으로, 콜레스테롤 및 콜레스테릴 에스터 (cholesteryl ester)가 혈액 내에서 이동할 때 이러한 지단백질 복합체 형태로 이동하게 된다. HDL과 LDL 모두 단백질, 인지질, 콜레스테롤, 중성 지방으로 구성되어 있으며, 차이점은 LDL이 HDL에 비해 콜레스테롤과 중성지방의 함량이 높으며 단백질의 함량은 낮다는 것이다. 즉 단백질이 지질에 비해 밀도가 높기 때문에 HDL은 고밀도, LDL은 저밀도 지단백질 복합체가 되는 것이다. 또한 HDL과 LDL 내에 함유된 콜레스테롤 역시 유리 콜레스테롤과 콜레스테릴 에스터로 나뉘며, 두 물질 모두 LDL에서의 비율이 HDL 내의 비율보다 더 크다.[1] 건강 검진 시 표시되는 총 콜레스테롤의 양은 HDL콜레스테롤의 양 + LDL콜레스테롤의 양 + (중성 지방의 양÷2.2)를 말하며, 혈청 지질로부터 총 콜레스테롤의 양과 HDL콜레스테롤 및 중성지방의 양을 측정한 다음 이로부터 LDL콜레스테롤의 양을 계산한다.[2] 콜레스테롤은 체내 필수 구성 요소이기도 하지만, 혈액 내 콜레스테롤 농도가 높아질수록 고혈압 (hypertension), 관동맥성 심장병 (coronary heart disease), 동맥 경화증 (arteriosclerosis), 지질대사장애 (lipid metabolism dysfunction) 등의 많은 질병들의 위험이 높아진다.[3] 혈액 내의 콜레스테롤의 양이 각종 질병을 진단하고 예방할 수 있는 지표로 작용하기 때문에, 콜레스테롤을 검출할 수 있는 새로운 바이오센서를 개발하기 위한 연구에 대한 관심이 집중되고 있다. 다양한 분석법들로부터 human serum 내의 콜레스테롤을 분석한 최근 2년 내의 연구 결과들에대하여 정리한 내용을 표 1-1에 나타내었다.[4-7] 실제 사람의 혈액 내의 평균 총 콜레스테롤 농도가 130~250 mg/dL (3.36∼6.47 mM)인 것에 반하여 훨씬 더 적은 농도의 콜레스테롤을 검출할 수 있는 다양한 고감도 센서들이 개발되고 있다.[8]
1-2. 그래핀의 활용
그래핀 (grephene) 은 sp2 탄소 원자들의 단일 층으로 구성된 2차원의 결정 구조를 가진 물질로, 벌집 모양의 6각형의 고리 구조로 배열되어 있다. 그래핀은 표면적이 넓고, 전자 전달 효율이 좋으며, 강도가 강하며 열적 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 생체 적합성도 우수하여 고 효율 에너지 저장 장치 및 촉매 등의 다양한 분야에서 각광받고 있는 물질이다.[3] 이러한 그래핀을 응용하여 새로운 분석 플랫폼을 개발하는 사례들이 늘어나고 있다. 주로 형광 (fluorescent) 이나 비색법 (colorimetric) 혹은 전기화학 (electrochemical) 분석법, 전기화학 발광 (electrochemiluminescence, ECL) 혹은 화학 발광 (chemiluminescence, CL) 등이 그러한 예이다. 그래핀 양자점 (graphene quantum dot)에서 방출되는 형광을 이용하여 특정 바이오 물질의 발현 지점을 찾아내는 bio-imaging에 관한 연구,[9] 그래핀을 기반으로 특정 바이오 물질을 검출할 수 있는 field-effect transistor (FET) 센서의 개발,[10] graphene의 과산화 효소 유사 거동 및 촉매성을 이용한 바이오 물질 검출을 비롯하여,[11] 최근에도 그래핀을 활용한 다양한 연구 결과들이 보고되고 있다. 다양한 분석 방법들 중에서도 특히 ECL은 experimental setup이 간단하고, 특정 포텐셜 범위에서의 전기화학 반응에 의해서만 빛이 방출되므로 광원에 의존하는 다른 발광에 비해 민감하다는 장점을 가지고 있다.[12] 또한 그래핀은 고효율의 전자 전달이 가능하며 투명성을 가지고 있기 때문에, 표면에 그래핀이 도입된 전극을 이용할 경우 전극 표면에서의 산화 환원 반응에 의한 ECL 방출을 관찰하기에 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 내용을 바탕으로 그래핀을 이용하여 ECL 기반의 분석 플랫폼을 제작하고 이로부터 콜레스테롤을 검출한 연구 결과에 대하여 제 2장에서 설명하고자 한다, 본 연구에서는 수용액 상에서 pyrene derivative에 의해 안정화된 그래핀을 표면에 도입한 인듐-산화 주석물 (indium tin oxide, ITO) 투명 전극에 최종적으로 백금 나노 입자를 도입하여 ECL을 더욱 향상시켰으며, 이를 ECL 기반의 분석 플랫폼으로 이용함으로써 콜레스테롤을 검출하였다. 제 3장에서는 비색법을 통하여 그래핀-백금 나노입자 복합체의 과산화효소 유사 거동을 확인함으로써, 이로부터 콜레스테롤을 검출할 수 있는 새로운 물질로의 응용 가능성을 확인한 실험 내용에 대하여 소개하고자 한다.
1-1. 콜레스테롤 검출 센서들
콜레스테롤은 동물에서 발견되는 대표적인 스테로이드 지질이며, 동물 내에 존재하는 다른 스테로이드들의 전구체이다. 콜레스테롤은 혈액 내의 지단백질 복합체의 구성 성분이며, 융합된 고리 구조에 극성의 알코올 작용기를 가지고 있기 때문에 원형질막의 특성에 중요한 영향을 미치며 동물 세포 원형질막의 주요 구성성분이다. 체내 콜레스테롤의 양을 의미하는 총 콜레스테롤은 에스터화 되지 않은 유리 콜레스테롤 (free cholesterol) 과 콜레스테릴 에스터 (cholesteryl ester)의 합으로, 콜레스테릴 에스터는 유리 콜레스테롤이 간에서 ACAT (acyl-CoA- cholesterol acyl transferase) 에 의해 에스터화된 형태로 콜레스테롤의 체내 순환 형태이다. 흔히 좋은 콜레스테롤과 나쁜 콜레스테롤로 잘 알려져 있는 HDL (high-density lipoprotein)과 LDL (low-density lipoprotein)은 지단백질 복합체 (lipoprotein complex)의 일종으로, 콜레스테롤 및 콜레스테릴 에스터 (cholesteryl ester)가 혈액 내에서 이동할 때 이러한 지단백질 복합체 형태로 이동하게 된다. HDL과 LDL 모두 단백질, 인지질, 콜레스테롤, 중성 지방으로 구성되어 있으며, 차이점은 LDL이 HDL에 비해 콜레스테롤과 중성지방의 함량이 높으며 단백질의 함량은 낮다는 것이다. 즉 단백질이 지질에 비해 밀도가 높기 때문에 HDL은 고밀도, LDL은 저밀도 지단백질 복합체가 되는 것이다. 또한 HDL과 LDL 내에 함유된 콜레스테롤 역시 유리 콜레스테롤과 콜레스테릴 에스터로 나뉘며, 두 물질 모두 LDL에서의 비율이 HDL 내의 비율보다 더 크다.[1] 건강 검진 시 표시되는 총 콜레스테롤의 양은 HDL콜레스테롤의 양 + LDL콜레스테롤의 양 + (중성 지방의 양÷2.2)를 말하며, 혈청 지질로부터 총 콜레스테롤의 양과 HDL콜레스테롤 및 중성지방의 양을 측정한 다음 이로부터 LDL콜레스테롤의 양을 계산한다.[2] 콜레스테롤은 체내 필수 구성 요소이기도 하지만, 혈액 내 콜레스테롤 농도가 높아질수록 고혈압 (hypertension), 관동맥성 심장병 (coronary heart disease), 동맥 경화증 (arteriosclerosis), 지질대사장애 (lipid metabolism dysfunction) 등의 많은 질병들의 위험이 높아진다.[3] 혈액 내의 콜레스테롤의 양이 각종 질병을 진단하고 예방할 수 있는 지표로 작용하기 때문에, 콜레스테롤을 검출할 수 있는 새로운 바이오센서를 개발하기 위한 연구에 대한 관심이 집중되고 있다. 다양한 분석법들로부터 human serum 내의 콜레스테롤을 분석한 최근 2년 내의 연구 결과들에대하여 정리한 내용을 표 1-1에 나타내었다.[4-7] 실제 사람의 혈액 내의 평균 총 콜레스테롤 농도가 130~250 mg/dL (3.36∼6.47 mM)인 것에 반하여 훨씬 더 적은 농도의 콜레스테롤을 검출할 수 있는 다양한 고감도 센서들이 개발되고 있다.[8]
1-2. 그래핀의 활용
그래핀 (grephene) 은 sp2 탄소 원자들의 단일 층으로 구성된 2차원의 결정 구조를 가진 물질로, 벌집 모양의 6각형의 고리 구조로 배열되어 있다. 그래핀은 표면적이 넓고, 전자 전달 효율이 좋으며, 강도가 강하며 열적 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 생체 적합성도 우수하여 고 효율 에너지 저장 장치 및 촉매 등의 다양한 분야에서 각광받고 있는 물질이다.[3] 이러한 그래핀을 응용하여 새로운 분석 플랫폼을 개발하는 사례들이 늘어나고 있다. 주로 형광 (fluorescent) 이나 비색법 (colorimetric) 혹은 전기화학 (electrochemical) 분석법, 전기화학 발광 (electrochemiluminescence, ECL) 혹은 화학 발광 (chemiluminescence, CL) 등이 그러한 예이다. 그래핀 양자점 (graphene quantum dot)에서 방출되는 형광을 이용하여 특정 바이오 물질의 발현 지점을 찾아내는 bio-imaging에 관한 연구,[9] 그래핀을 기반으로 특정 바이오 물질을 검출할 수 있는 field-effect transistor (FET) 센서의 개발,[10] graphene의 과산화 효소 유사 거동 및 촉매성을 이용한 바이오 물질 검출을 비롯하여,[11] 최근에도 그래핀을 활용한 다양한 연구 결과들이 보고되고 있다. 다양한 분석 방법들 중에서도 특히 ECL은 experimental setup이 간단하고, 특정 포텐셜 범위에서의 전기화학 반응에 의해서만 빛이 방출되므로 광원에 의존하는 다른 발광에 비해 민감하다는 장점을 가지고 있다.[12] 또한 그래핀은 고효율의 전자 전달이 가능하며 투명성을 가지고 있기 때문에, 표면에 그래핀이 도입된 전극을 이용할 경우 전극 표면에서의 산화 환원 반응에 의한 ECL 방출을 관찰하기에 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 내용을 바탕으로 그래핀을 이용하여 ECL 기반의 분석 플랫폼을 제작하고 이로부터 콜레스테롤을 검출한 연구 결과에 대하여 제 2장에서 설명하고자 한다, 본 연구에서는 수용액 상에서 pyrene derivative에 의해 안정화된 그래핀을 표면에 도입한 인듐-산화 주석물 (indium tin oxide, ITO) 투명 전극에 최종적으로 백금 나노 입자를 도입하여 ECL을 더욱 향상시켰으며, 이를 ECL 기반의 분석 플랫폼으로 이용함으로써 콜레스테롤을 검출하였다. 제 3장에서는 비색법을 통하여 그래핀-백금 나노입자 복합체의 과산화효소 유사 거동을 확인함으로써, 이로부터 콜레스테롤을 검출할 수 있는 새로운 물질로의 응용 가능성을 확인한 실험 내용에 대하여 소개하고자 한다.
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