[논문]TiO2/GOD 혼합물 기반의 글루코스 바이오 센서의 제작과 표면 처리를 통한 감도개선

이준엽; 정동건; 이재용; 김재건; 정대웅; 공성호

doi:10.5369/jsst.2018.27.3.170

TiO2/GOD 혼합물 기반의 글루코스 바이오 센서의 제작과 표면 처리를 통한 감도개선
Fabrication and Improved Sensitivity with Surface Treatment of TiO2/GOD Mixture based Glucose Biosensor 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.27 no.3, 2018년, pp.170 - 174

이준엽 (경북대학교 전자공학부) , 정동건 (경북대학교 전자공학부) , 이재용 (경북대학교 전자공학부) , 김재건 (한국생산기술연구원, 항공시스템기술그룹) , 정대웅 (한국생산기술연구원, 항공시스템기술그룹) , 공성호 (경북대학교 전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the $TiO_2$/glucose oxidase (GOD) mixture has synthesized through simple and low-cost fabrication methods. The physical properties of the mixture were proved using an FT-IR/NIR spectrometer, an X-Ray diffractometer, and a Raman spectrometer. GOD maintained its bioactivity during all fabrication process. The current characteristics of the glucose biosensor were proportional to the glucose concentration and effective surface area of square pyramid on a silicon substrate. The maximum current change was measured in a pH 7.0 buffer solution. The simple and low-cost fabrication process and surface treatment can be used widely in previous research for improvements in effective surface area.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 간단한 제조 방법을 이용하여 TiO₂/GOD 혼합물을 합성하였다. 합성된 혼합물을 FT-IR 분광법, 라만 분광법, XRD를 통해 분석한 결과 합성 과정에서 GOD의 생물 작용(bioactivity) 특성이 변성되지 않고 유지되었음을 확인할 수 있었다.

제안 방법

는 뛰어난 생체적합성(biological compatibility)을 띄는 금속산화물로서 다양한 단백질(protein)의 고정화에 널리 쓰이고 있다[6]. 본 논문에서는 TiO₂와 GOD를 합성하여 혼합물을 형성 하였으며 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 표면에 백금(Pt) 전극을 형성하고 TiO₂/GOD 혼합물을 스핀코팅(spin coating)함으로써 전극과 GOD간의 즉각적인 전자의 이동을 가능하게 하였으며 글루코스-단백질 효소간 반응을 일으키는 유효 표면적을 증가시켜 감도가 향상된 글루코스 바이오센서를 제작하였다.

데이터처리

글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOD) 내의 아미드 그룹의 존재를 FT-IR 분광법 (fourier-transform infrared spectroscopy), 라만 분광법 (raman spectroscopy), XRD(x-ray diffraction)를 이용하여 조사하였다.
또한 정사각뿔이 형성된 실리콘 기판 위에 스핀코팅을 이용하여 TiO₂/GOD 혼합물을 균일하게 코팅 하였으며 이를 전계방사형 주사현미경(FESEM)을 통해 확인할 수 있었다. 제작된 글루코스 바이오센서는 전기화학적 분석을 통해 글루코스 농도와 실리콘 기판의 유효 표면적 및 완충용액의 pH 정도에 따라서 특성을 평가하였다. 글루코스 농도와 실리콘 기판의 유효 표면적에 대해서는 선형적으로 증가하는 전류 특성을 나타내었으며, 완충용액의 pH에 대해서는 pH7.

성능/효과

제작된 글루코스 바이오센서는 전기화학적 분석을 통해 글루코스 농도와 실리콘 기판의 유효 표면적 및 완충용액의 pH 정도에 따라서 특성을 평가하였다. 글루코스 농도와 실리콘 기판의 유효 표면적에 대해서는 선형적으로 증가하는 전류 특성을 나타내었으며, 완충용액의 pH에 대해서는 pH7.0 에서 가장 큰 전류변화 특성을 보였다. 본 논문의 연구에서 수행한 마이크로 스케일의 표면 처리는 기존의 나노 입자를 이용한바이오 센서에 대해서 범용적으로 적용될 수 있으므로 비교적 간단한 MEMS 공정을 통해 효과적으로 감도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
합성된 혼합물을 FT-IR 분광법, 라만 분광법, XRD를 통해 분석한 결과 합성 과정에서 GOD의 생물 작용(bioactivity) 특성이 변성되지 않고 유지되었음을 확인할 수 있었다. 또한 정사각뿔이 형성된 실리콘 기판 위에 스핀코팅을 이용하여 TiO₂/GOD 혼합물을 균일하게 코팅 하였으며 이를 전계방사형 주사현미경(FESEM)을 통해 확인할 수 있었다. 제작된 글루코스 바이오센서는 전기화학적 분석을 통해 글루코스 농도와 실리콘 기판의 유효 표면적 및 완충용액의 pH 정도에 따라서 특성을 평가하였다.
/GOD 혼합물을 합성하였다. 합성된 혼합물을 FT-IR 분광법, 라만 분광법, XRD를 통해 분석한 결과 합성 과정에서 GOD의 생물 작용(bioactivity) 특성이 변성되지 않고 유지되었음을 확인할 수 있었다. 또한 정사각뿔이 형성된 실리콘 기판 위에 스핀코팅을 이용하여 TiO₂/GOD 혼합물을 균일하게 코팅 하였으며 이를 전계방사형 주사현미경(FESEM)을 통해 확인할 수 있었다.

후속연구

0 에서 가장 큰 전류변화 특성을 보였다. 본 논문의 연구에서 수행한 마이크로 스케일의 표면 처리는 기존의 나노 입자를 이용한바이오 센서에 대해서 범용적으로 적용될 수 있으므로 비교적 간단한 MEMS 공정을 통해 효과적으로 감도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	글루코스란 무엇인가?	글루코스(glucose)는 모든 살아있는 유기체의 필수 대사 산물이다. 혈액 속의 글루코스 수치의 정상 범위는 4.
	글루코스 산화효소의 장점은?	글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOD)는 글루코스에 대한 선택도가 매우 높은 효소(enzyme)이며 이 효소를 다양한 물질의 표면에 고정화(immobilization)할 경우 랩온어칩(Labon-a-chip, LOC)과 같은 바이오 센서 활용 분야에 널리 쓰일 수 있다.
	글루코스 바이오센서의 동작원리는?	전기화학적(electrochemical) 방식의 글루코스 바이오센서는 산화-환원이 일어날 때 전자의 이동이 일어나는 원리를 이용한다. 글루코스와 단백질 효소(enzyme)가 결합할 때 과산화수소(H2O2)가 생성되고 생성된 과산화수소는 전극 표면에서 분해되어 전자를 내어놓는다. 이 과정에서의 전자 이동을 감지함으로써 글루코스의 농도를 측정한다. 단백질 효소는 글루코스와 전극 사이의 전자 이동을 가능하게 하는 매개체(mediator)역할을 한다.

참고문헌 (6)

J. Wang, "Electrochemical glucose biosensors", Chem. Rev., Vol.108(2), pp. 814-825, 2007.
A. Heller, "Electrical connection of enzyme redox centers to electrodes", J. Phys. Chem., Vol. 96(9), pp. 3578-3587, 1992.
L Gorton, "Carbon paste electrodes modified with enzymes, tissues, and cells", Electroanalysis, Vol. 7(1), pp. 23-45, 1995.

상세보기
P. N. Bartlett, P. Tebbutt, and R. G. Whitaker, Kinetic aspects of the use of modified electrodes and mediators in bioelectrochemistry, Pergamon Press, New York, pp. 1-101, 1991.
M. Viticoli, A. Curulli, A. Cusma, S. Nunziante, L. Pandolfi, F. Valentini, and G. Padeletti, "Third-generation biosensors based on TiO2 nanostructured films", Mater. Sci. Eng. C, Vol. 26(5-7), pp. 947-951, 2006.

상세보기
E. Topoglidis, A. E. G. Cass, G. Gilardi, S. Sadeghi, N. Beaumont, and J. R. Durrant, "Protein Adsorption on Nanocrystalline $TiO_2$ Films: An Immobilization Strategy for Bioanalytical Devices", Anal. Chem., Vol. 70(23), pp. 5111-5113, 1998.

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