[논문]고감도 나노-바이오센서를 위한 나노로드 전극 표면 개질에 관한 연구

이승준

doi:10.14478/ace.2016.1009

고감도 나노-바이오센서를 위한 나노로드 전극 표면 개질에 관한 연구
A Study on Surface Modification of Nanorod Electrodes for Highly Sensitive Nano-biosensor 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.2, 2016년, pp.185 - 189

이승준 (조지아대학교)

초록
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많은 생체 친화적인 센서들 중에서 avidin-biotin system은 높은 상호 특이적인 친화성으로 인하여 많은 생물학적인 응용 연구에 이용되어 왔다. 효과적인 avidin-biotin 바이오센서 개발을 위해 avidin-biotin 간의 상호 반응성을 증대시키기 위해서는 높은 표면적을 가지는 전극이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 목적을 위해 gold nanorods electrode를 사용하였다. 전기화학적인 특성은 cyclic voltammetry (CV)와 electrochemical impedance spectroscopy (EIS)를 가지고 redox couple $[Fe(CN)_6]^{3-/4-}$를 사용하여 다양한 biotin의 농도에 따라 분석되었다. 결론적으로 nanorod의 전극은 1 ng/mL보다 낮은 biotin의 농도도 감지할 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Among many kinds of bioaffinity sensors, the avidin-biotin system has been widely used in a variety of biological applications due to the specific and high affinity interaction of the system. In this work, gold nanorods with high surface area were explored as electrodes in order to amplify the signal response from the avidin-biotin interaction which can be further utilized for avidin-biotin biosensors. Electrochemical performance of electrodes modified with nanorods and functionalized with avidin in response to interactions with biotin at various concentrations using $[Fe(CN)_6]^{3-/4-}$ couple as the redox probe were investigated using cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). A very low biotin concentration of less than 1 ng/mL could be detected using the electrodes modified with nanorods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고감도 나노-바이오센서의 응용을 위한 나노 구조의 전극의 제작 공정 및 실험적 검증에 관한 연구로 electro-chemical deposition 방법을 이용하여 수 마이크로의 크기를 가지는 gold-nanorods를 제작하고, gold-nanorods의 표면을 카르복실기 말단과 알킬 사실구조를 가지는 물질을 이용하여 gold-nanorod의 표면에 고정화한 이후, protein를 그 위에 재고정화 하여 개질된 gold-nanorod protein 전극을 제작하고, 초미량의 protein-ligand가 인식되는지를 확인하였고, 제작된 gold-nanorod 전극의 높은 감도(sensitivity)를 실험적으로 검증함과 동시에 감도(sensitivity) 증가에 기인한 이유에 관하여 연구를 진행하였다.

제안 방법

본 연구를 통해 수 마이크로의 크기를 가지는 gold-nanorods를 제작하고, gold-nanorods의 표면을 개질하여 Avidin-modified된 gold-nanorod 전극을 제작하고, 초미량의 protein-ligand인 biotin이 인식되는지를 확인하였고, 전기화학적인 특성은 cyclic voltammetry (CV)와 electrochemical impedance spectroscopy (EIS)를 가지고 redox couple[Fe(CN)₆]^3-/4-를 사용하여 다양한 biotin의 농도에 따라 분석되었다. 결론적으로 nanorod의 전극은 1 ng/mL보다 낮은 biotin의 농도도 감지할 수 있음을 보였다.

대상 데이터

으로부터 제공받아 사용하였다(GA, USA). 11-Mercaptoundecanoic acid (MUA), 1-[3-(Dimethy-lamino)propyl]-3-ethyl carbodiimide hydrochloride (EDC), N-hydroxysuccinimide (NHS), Biotin, 그리고 Avidin 등은 Sigma-Aldrich로부터 구입하여 사용하였다. avidin과 biotin 용액을 제조하기 위해 Phosphate buffered saline (PBS, 0.
표면 개질되지 않은 bare gold nanorod 전극시편은 University of Georgia의 Micro/Nano Bioengineering Lab.으로부터 제공받아 사용하였다(GA, USA). 11-Mercaptoundecanoic acid (MUA), 1-[3-(Dimethy-lamino)propyl]-3-ethyl carbodiimide hydrochloride (EDC), N-hydroxysuccinimide (NHS), Biotin, 그리고 Avidin 등은 Sigma-Aldrich로부터 구입하여 사용하였다.

이론/모형

수용액 상에서 electro-chemical deposition 방법을 통하여 4 µm-5 µm 높이를 가지는 bare gold nanorod가 제작되었다. 간략히 설명하면 commercial porous anodic alumina disc (PAA, d = 25 mm; Whatman Inc, Maidstone, England)를 gold plate 수용액상에 immerse한 이후 three-electrode system (gold-coated PAA (working 전극), platinum wire gauze (counter 전극), Ag/AgCl (reference 전극))를 통해 5mA/cm²의 current density와, 65 ℃ 환경하에서 전기화학적인 방법을 통해 일정하게 배열된 bare gold nanorods를 제작하였다.

성능/효과

를 사용하여 다양한 biotin의 농도에 따라 분석되었다. 결론적으로 nanorod의 전극은 1 ng/mL보다 낮은 biotin의 농도도 감지할 수 있음을 보였다. 또한 nanorod의 높이가 증가됨에 따라 전체적인 표면적의 증가로 인한 더 높은 감도(sensitivity)를 가질 수 있음을 확인할 수가 있었다.
결론적으로 nanorod의 전극은 1 ng/mL보다 낮은 biotin의 농도도 감지할 수 있음을 보였다. 또한 nanorod의 높이가 증가됨에 따라 전체적인 표면적의 증가로 인한 더 높은 감도(sensitivity)를 가질 수 있음을 확인할 수가 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노-바이오세서를 위한 nanorod는 높이 증가됨에 따라 어떠한 성능변화가 일어나는가?	결론적으로 nanorod의 전극은 1 ng/mL보다 낮은 biotin의 농도도 감지할 수 있음을 보였다. 또한 nanorod의 높이가 증가됨에 따라 전체적인 표면적의 증가로 인한 더 높은 감도(sensitivity)를 가질 수 있음을 확인할 수가 있었다.
	나노 구조화된 나노 제작 기술로 무엇이 있는가?	기존 바이오센서의 한계를 극복하여 현장진단, 실시간 분석이 가능한 개선된 나노-바이오센서의 개발을 실현하기 위해서는 센서매트릭스(sensor matrix)가 되는 나노 구조화된 기능성 지지체(substrate) 매트릭스(matrix)의 연구 개발이 요구되어 진다. 나노 구조화된 나노 제작 기술로는 MEMS(micro electro mechanical system), 자기조립(self-assembly)기술, DPN(dip-pen nanolithography), 스마트 나노입자(smart nanoparticles), 나노 임프린트(nano-imprinting)기술, 그리고 nanocarpet, nanopillar, nanorod와 같은 nano-array 제작기술 등이 대표적이다. 특히, 소형화된 초소형 나노-바이오센서는 정확한 분석을 위해 극미량의 물질에도 높은 민감성을 가져야 한다.
	유전체 및 단백질체 연구와 신약 개발을 위해 미세 바이오 분석 시스템 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	최근 바이오산업에서 미세 바이오 분석 시스템 개발의 필요성은 유전체 및 단백질체 연구와 신약 개발 등에 있어 큰 의미를 갖고 있다. 분석, 진단 및 신약 개발 시 소요되는 비용의 절감과 대량검색의 고효율성이라는 장점을 제공해 줄 수 있기 때문이다. 최근의 바이오 분석 시스템은 다량의 시료를 처리할 수 있도록 어레이(array)화 및 소형화(miniaturization) 되어 가고 있는 것이 지금의 큰 흐름이다[1-3].

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