Horseradish peroxidase가 변성된 탄소복합 바이오센서 개발 및 전기화학적 H2O2분석 Development of HRP-modified Carbon Composite Biosensor and Electrochemical Analysis of H2O2원문보기
Horseradish peroxidase (HRP), alkoxysilane인 TEOS의 겔 용액과 graphite를 혼합하여, 전기전도성을 나타내고 재사용이 가능하며 안정성을 향상시킨 carbon composite electrodes (CCEs) 바이오센서를 제작하였다. TEOS의 졸-겔 전이반응을 이용하여 HRP를 silicate gel network포획시킨 바이오센서는 -0.2 V에서 $H_2O_2$의 환원이 시작되었으며, HRP의 함량과 pH를 변화시켜 최적 분석 조건을 구하였다. 분석 최적 조건에서 검량선 및 검출한계를 구한 결과, 0.2~2.2 mM의 $H_2O_2$ 농도 범위에서 직선적인 감응을 나타내며 검출한계는 0.035 mM이었다. ascorbic acid, acetaminophene, uric acid의 방해작용을 조사한 결과 $H_2O_2$의 전기화학적 분석에 영향을 주지 않았다.
Horseradish peroxidase (HRP), alkoxysilane인 TEOS의 겔 용액과 graphite를 혼합하여, 전기전도성을 나타내고 재사용이 가능하며 안정성을 향상시킨 carbon composite electrodes (CCEs) 바이오센서를 제작하였다. TEOS의 졸-겔 전이반응을 이용하여 HRP를 silicate gel network포획시킨 바이오센서는 -0.2 V에서 $H_2O_2$의 환원이 시작되었으며, HRP의 함량과 pH를 변화시켜 최적 분석 조건을 구하였다. 분석 최적 조건에서 검량선 및 검출한계를 구한 결과, 0.2~2.2 mM의 $H_2O_2$ 농도 범위에서 직선적인 감응을 나타내며 검출한계는 0.035 mM이었다. ascorbic acid, acetaminophene, uric acid의 방해작용을 조사한 결과 $H_2O_2$의 전기화학적 분석에 영향을 주지 않았다.
A sol-gel derived carbon composite electrodes (CCEs) were fabricated by mixing horseradish peroxidase (HRP), sol of tetraethoxysilane (TESO), and graphite powder. The HRP solution was added to the sol solution of TEOS, and then graphite powder was added to this mixture. The resulting carbon ceramic ...
A sol-gel derived carbon composite electrodes (CCEs) were fabricated by mixing horseradish peroxidase (HRP), sol of tetraethoxysilane (TESO), and graphite powder. The HRP solution was added to the sol solution of TEOS, and then graphite powder was added to this mixture. The resulting carbon ceramic network effectively encapsulated HRP and shows a catalytic reduction starting at -0.2 V for $H_2O_2$. The optimum conditions for $H_2O_2$determination have been characterized with respect to the enzyme loading ratio and pH. The linear range and detection limit of $H_2O_2$ detection were from 0.2 mM to 2.2 mM and 0.035 mM, respectively. The common electroactive interferences such as ascorbic acid, acetaminophene, and uric acid were not affected upon the response to $H_2O_2$ at the HRP biosensor due to low detection potential.
A sol-gel derived carbon composite electrodes (CCEs) were fabricated by mixing horseradish peroxidase (HRP), sol of tetraethoxysilane (TESO), and graphite powder. The HRP solution was added to the sol solution of TEOS, and then graphite powder was added to this mixture. The resulting carbon ceramic network effectively encapsulated HRP and shows a catalytic reduction starting at -0.2 V for $H_2O_2$. The optimum conditions for $H_2O_2$determination have been characterized with respect to the enzyme loading ratio and pH. The linear range and detection limit of $H_2O_2$ detection were from 0.2 mM to 2.2 mM and 0.035 mM, respectively. The common electroactive interferences such as ascorbic acid, acetaminophene, and uric acid were not affected upon the response to $H_2O_2$ at the HRP biosensor due to low detection potential.
본 연구에서는 Horseradish peroxidase (HRP), alkoxysilane 인 TEOS의 겔 용액과 graphite를 혼합하여 전기전도성을 나타내고 재사용이 가능하며 안정성을 향상시킨 carbon composite electrodes (CCEs) 바이오센서를 제작하였다. TEOS의 졸-겔 전이반응을 이용하여 HRP를 silicate gel network포획시킨 후, graphite와 혼합하여 유리관에 채운 후H2O2를 전기화학적으로 검출하였다.
가설 설정
이를 보완하기 위해 alkoxysilane의 gel용액과 graphite를 혼합하여, 전기전도성을 나타내고 재사용이 가능하고 안정성을 향상시킨 carbon composite electrodes (CCEs)가 연구되고 있다. CCEs는 효소가 포획된 silica gel 과 graphite가 잉크형태로 균일하게 반죽을 형성하여, 전도성 고체 표면에 막 형태로 입혀진 silica gel보다 안정성이 향상되어 바이오센서 전극재료로 적합하다. Lev에 의해 개발된 CCEs는 전극의 전도성 유지와 변성제(modifier)의 포획을 동시에 할 수 있어, 전기화학의 지시전극, 전기화학적 방법을 이용한 화학/바이오센서 연구에 응용되고 있다.
제안 방법
본 연구에서는 alkoxysilane인 tetraethoxysilane(TEOS)을 사용한 졸-겔 전이반응을 통하여 HRP를 silicate 유리 network에 포획 시킨 후, graphite와 혼합하여 CCEs형태의 HRP 바이오센서를 제작하였다. 제작한 HRP 바이오센서의 전기화학적 특성을 조사하고, H2O2 검출 시 HRP의 함량, pH, 방해작용 등에 따른 분석 최적조건을 조사하고 검량선을 작성하였다.
본 연구에서는 alkoxysilane인 tetraethoxysilane(TEOS)을 사용한 졸-겔 전이반응을 통하여 HRP를 silicate 유리 network에 포획 시킨 후, graphite와 혼합하여 CCEs형태의 HRP 바이오센서를 제작하였다. 제작한 HRP 바이오센서의 전기화학적 특성을 조사하고, H2O2 검출 시 HRP의 함량, pH, 방해작용 등에 따른 분석 최적조건을 조사하고 검량선을 작성하였다.
대상 데이터
TEOS는 물의 가수분해(hydrolysis)에 의해 silanol groups (Si-OH)이 생기고, 축합반응(condensation)을 통해 siloxane (-Si-O-Si-) 고분자 형태의 3차원 silicate 유리 gel network 가 생성된다. HRP는 silicate 유리 network 내에 포획되어 고정된다. 포획되어 있는 HRP의 촉매작용에 의해 H2O2는 다음과 같이 반응한다.
TEOS는 물의 가수분해(hydrolysis)에 의해 silanol groups (Si-OH)이 생기고, 축합반응(condensation)을 통해 siloxane (-Si-O-Si-) 고분자 형태의 3차원 silicate 유리 gel network 가 생성된다. HRP는 silicate 유리 network 내에 포획되어 고정된다.
이론/모형
H2O2 환원에 대한 HRP 바이오센서의 특성을 알아보기 위해, 순환전압전류법(cyclic voltammetry) 및 전류법(amperometry)을 이용하여 전기화학적 특성을 조사하였다. phosphate 완충용액(0.
성능/효과
035 mM 이었다. H2O2 표준물을 이용하여 recovery test를 실시하여 바이오 센서의 성능을 평가하고, ascorbic acid, acetaminophene, uric acid의 방해작용을 조사한 결과 H2O2의 전기화학적 분석에 영향을 주지 않았다.
2 V부터 환원전류가 나타났으며, HRP의 함량 및 pH에 따른 바이오센서의 감응 특성을 조사하여 H2O2분석 최적 조건을 구하고 검량선 및 검출한계를 구하였다. 전류법으로 H2O2를 분석할 경우 측정전압 -0.30V, HRP의 함량 1.6 wt% 및 pH 7.0을 최적조건으로 하여 전류를 측정하였고, 0.2 mM~2.2 mM의 H2O2 농도 범위에서 직선적인 감응을 나타내며 최적조건에서 검출한계는 0.035 mM 이었다. H2O2 표준물을 이용하여 recovery test를 실시하여 바이오 센서의 성능을 평가하고, ascorbic acid, acetaminophene, uric acid의 방해작용을 조사한 결과 H2O2의 전기화학적 분석에 영향을 주지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 H2O2의 기기적 분석 방법에는 어떤 것들이 사용되는가?
H2O2가 참여하는 대표적인 효소로는 glucose를 산화시키는 glucose oxidase (GOx)가 있으며, 이외에 alcohol oxidase (AlOx), lactate oxidase (LOx), cholesterol oxidase (ChOx) 등 여러 가지 효소가 있다. H2O2를 분석하는 기기적인 방법은 fluorimetry, chemiluminescence, fluorescence, spectrophotometry가 사용되고 있으나,1-4 분석과정이 복잡하고 선택성이 떨어지는 단점이 있어 전기화학적인 분석법이 많이 연구되고 있다. 전기화학적 방법은 전극에 전압을 가하여 H2O2의 산화/환원 시 흐르는 전류를 측정하는 원리를 사용하며 전류법 센서 형태로 제작하여 구조가 간단하고, 반도체기술과 미세가공 공정을 통하여 집적화/소형화 시킬 수 있으며, 전기적 신호를 직접 측정하므로 감도 및 비용 측면에서 유리하다.
H2O2가 참여하는 효소는 어떤 것들이 있는가?
특히 각종 효소반응의 결과로 체액 또는 세포내외에서 발생되는 H2O2는 특정질병진단을 위한 중요 생체대사물로 활용되고 있다. H2O2가 참여하는 대표적인 효소로는 glucose를 산화시키는 glucose oxidase (GOx)가 있으며, 이외에 alcohol oxidase (AlOx), lactate oxidase (LOx), cholesterol oxidase (ChOx) 등 여러 가지 효소가 있다. H2O2를 분석하는 기기적인 방법은 fluorimetry, chemiluminescence, fluorescence, spectrophotometry가 사용되고 있으나,1-4 분석과정이 복잡하고 선택성이 떨어지는 단점이 있어 전기화학적인 분석법이 많이 연구되고 있다.
CCEs는 어떤 문제점을 해결하기 위해 연구되는가?
Alkoxysilane의 silica gel은 전기전도성을 가지지 않으므로 alkoxysilane의 silica gel에 포획된 HRP바이오센서는 주로 전도성 고체(glassy carbon, Pt, Au, ITO glass, carbon paste) 표면에 얇은 막 형태로 gel을 입혀 사용하고 있다.28-32 얇은 막에 고정된 HRP 바이오센서는 막의 안정성을 향상시키기 위해 전도성고분자, chitosan 등을 혼합하여 사용하고 있으나 장기적인 안정성이 떨어져 재사용이 어려운 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 alkoxysilane의 gel용액과 graphite를 혼합하여, 전기전도성을 나타내고 재사용이 가능하고 안정성을 향상시킨 carbon composite electrodes(CCEs)가 연구되고 있다.
참고문헌 (36)
Lee, J. H.; Tang, I. N.; Weinstein-Lloyd, J. B. Anal. Chem. 1990, 62, 2381.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.