[논문]글루타알데하이드에 의해 결합된 효소촉매를 이용한 글루코스 센서의 성능향상

안연주; 정용진; 이규빈; 권용재

doi:10.7316/khnes.2016.27.4.378

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we synthesized a biocatalyst consisting of glucose oxidase (GOx), polyethyleneimine (PEI) and carbon nanotube (CNT) with addition of glutaraldehyde (GA)(GA/[GOx/PEI/CNT])for fabrication of glucose sensor. Main bonding of the GA/[GOx/PEI/CNT] catalyst was formed by crosslinking of func...

In this study, we synthesized a biocatalyst consisting of glucose oxidase (GOx), polyethyleneimine (PEI) and carbon nanotube (CNT) with addition of glutaraldehyde (GA)(GA/[GOx/PEI/CNT])for fabrication of glucose sensor. Main bonding of the GA/[GOx/PEI/CNT] catalyst was formed by crosslinking of functional end groups between GOx/PEI and GA. Catalytic activity of GA/[GOx/PEI/CNT] was quantified by UV-Vis and electrochemical measurements. As a result of that, high immobilization ratio of 199% than other catalyst (with only physical adsorption) and large sensitivity value of $13.4{\mu}A/cm^2/mM$ was gained. With estimation of the biosensor stability, it was found that the GA/[GOx/PEI/CNT] kept about 88% of its initial activity even after three weeks. It shows GA minimized the loss of GOx and improved sensing ability and stability compared with that using other biocatalysts.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전자전달 매개체를 이용하지 않고도 우수한 안정성과 감도를 갖는 글루코스 감지용 전기화학적 바이오센서를 만들기 위해, 물리적 흡착을 이용하여 GOx를 담지체에 최대한 군집시킨 후, GA를 이용하여 담지체 및 효소를 서로 화학적으로 결합시킨 촉매를 개발하고 이의 특성을 기존의 방식과 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서는 정전기적 인력을 통한 물리적 흡착과 가교제를 통한 공유결합을 이용하여 GOx를 안정적으로 고정화한 글루코스 바이오센서를 제작하였다. CNT, PEI, GOx와 GA를 순차적으로 혼합하여 교반하는 단순한 과정으로 GOx를 고정하였다.
시료 성능 평가를 위해 정전위기를 이용한 전기화학적인 측정을 진행하였다.
촉매의 안정성 평가의 경우, 합성한 촉매로부터 GOx가 탈락되는 지를 확인하기 위해, 이 방법을 통해 주기적으로 피크전류밀도 측정함으로써 확인하였다.

대상 데이터

117을 사용하였다. 선택성 확인을 위한 실험에서는 아스코빅산(Ascorbic acid, BioXtra, ≥99.0 wt%, crystalline, AA)과 요산(Uric acid, BioXtra, ≥99.0 wt%(HPLC), UA)을 사용했고, 분광분석법(UV-vis spectroscopy)에는 완충용액인 Sodium acetate trihydrate (ReagentPlus^®, ≥99.0 wt%)와 Peroxidase (from horseradish, Type I, 146 U/g Solid), O-dianisidine dihydrochloride (≥95 wt%)를 사용하였다. CNT와 증류수를 제외한 모든 시약은 Sigma Aldrich에서 구매하였다.
촉매의 담지체로 전기전도성이 높고 표면적이 큰 탄소나노튜브(Carbon nanotube, MR99, Carbon Nano-Material Technology, CNT)를 사용했고, CNT와 GOx의 물리적 흡착을 유도하기 위한 물질로 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, 50 wt% solution in water, MW 750,000, PEI)을 사용했다. 글루코스(Glucose, ACS reagent)를 감지하기 위한 효소로 글루코스 산화효소(Glucose oxidase, Type X-S, 138370 U/g Solid, GOx)를, 가교제로는 글루타알데하이드(Glutaraldehyde solution, 25% in H₂O, GA)를 사용하였다.
촉매의 담지체로 전기전도성이 높고 표면적이 큰 탄소나노튜브(Carbon nanotube, MR99, Carbon Nano-Material Technology, CNT)를 사용했고, CNT와 GOx의 물리적 흡착을 유도하기 위한 물질로 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, 50 wt% solution in water, MW 750,000, PEI)을 사용했다. 글루코스(Glucose, ACS reagent)를 감지하기 위한 효소로 글루코스 산화효소(Glucose oxidase, Type X-S, 138370 U/g Solid, GOx)를, 가교제로는 글루타알데하이드(Glutaraldehyde solution, 25% in H₂O, GA)를 사용하였다.

이론/모형

GOx와 글루코스의 산화반응을 통해 생성된 H₂O₂가 O-dianisidine dihydrochloride 등의 분석시료와 반응하면서 변화하는 흡광을 측정하는 비색법에 의한 정량법을 사용하였으며, UV-Vis에서 400 nm부근의 피크가 담지된 GOx의 양(효소 활성도)과 비례하여 증가한다⁸⁾. 이의 측정을 위하여 글루코스 용액과 촉매를 반응 시킨 후, 촉매 및 지지체의 흡광간섭을 막기 위하여 촉매를 침전시킨 상층액의 흡광도를 분석하였다.
5에 나타냈으며, 이를 기반으로 각 촉매의 센서로서의 성능을 비교하기 위하여, Michaelis–Menten 상수(K_m,app)를 계산하였다. K_m,app는 효소-물질 반응의 지표로서 고정화된 효소의 생물학적 활성도를 평가하는데 사용되며, 라인위버-버크(Lineweaver–Burk) 식을 이용해 계산할 수 있으며 그 식은 다음과 같다.

성능/효과

CNT, PEI, GOx와 GA를 순차적으로 혼합하여 교반하는 단순한 과정으로 GOx를 고정하였다. 13.4µA/mM/cm²라는 높은 감도와 3 주간 약 88%의 안정성을 유지함을 확인하였다. GA를 이용한 고정화 방법이 GOx가 담지체로부터 떨어져 나가는 것을 방지하며 센서의 감도를 향상시키기에 효과적인 방법임을 확인하였으며 또한 이를 이용한 전극이 체내 글루코스를 감지할 수 있는 바이오센서로서의 가능성이 있음을 확인했다.
4µA/mM/cm²라는 높은 감도와 3 주간 약 88%의 안정성을 유지함을 확인하였다. GA를 이용한 고정화 방법이 GOx가 담지체로부터 떨어져 나가는 것을 방지하며 센서의 감도를 향상시키기에 효과적인 방법임을 확인하였으며 또한 이를 이용한 전극이 체내 글루코스를 감지할 수 있는 바이오센서로서의 가능성이 있음을 확인했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GOx를 안정적으로 고정화한 글루코스 바이오센서 개발의 의의는 무엇인가?	4µA/mM/cm2라는 높은 감도와 3 주간 약 88%의 안정성을 유지함을 확인하였다. GA를 이용한 고정화 방법이 GOx가 담지체로부터 떨어져 나가는 것을 방지하며 센서의 감도를 향상시키기에 효과적인 방법임을 확인하였으며 또한 이를 이용한 전극이 체내 글루코스를 감지할 수 있는 바이오센서로서의 가능성이 있음을 확인했다.
	물리적 흡착 방법의 장단점은 무엇인가?	특히, 글루코스 산화효소는1962년, Clark와 Lyon에 의해 처음 글루코스 효소 전극의 컨셉을 제안한 이래로 이를 이용한 많은 연구가 진행되어 왔는데, 센서 구성이 상대적으로 단순하고 효소 생산비용이 저렴하여 각광받고 있으나, 센서표면에 글루코스 산화효소(Glucose oxidase, GOx)를 안정적으로 고정시키기 어려워, 실적용에 큰 걸림돌이 되고 있다. 효소 고정화 방법으로는 물리적 흡착과 공유결합, 가교결합 등의 화학적 결합이 있는데 흡착은 전처리나 개질이 필요하지 않아 제조가 간단한 반면, 효소가 쉽게 탈락되어 바이오센서의 안정성이 떨어진다는 단점이 있으며, 공유결합의 경우 효소를 강하게 고정할 수 있으나 담지체의 표면의 개질이 필요한 단점이 있다4). 가교결합은 글루타알데하이드(Glutaraldehyde, GA)와 같은 가교제(crosslinker)를 이용해 효소 분자를 상호 간 결합시켜 안정적 담지를 유도하는 방법으로서, 최근에는 가교제를 이용하여 효소군집(Cross Linked Enzyme Aggregates, CLEA)을 생성하여 효소 고정화량을 극대화하는 방법이 연구되고 있다5).
	당뇨병이란 무엇인가?	당뇨병은 혈당 조절에 관여하는 호르몬인 인슐린의 문제로 인해 발생하는 만성질환으로, 세계적인 건강문제로 꼽히는 질병이다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO)에 따르면 2014년 기준으로 전세계의 약 4억 2천여 명이 당뇨병을 앓고 있으며, 향후 20년간 두 배 이상으로 증가할 것으로 예상되고 있다1).

참고문헌 (16)

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