[논문]레이저 유도 그래핀 기반의 고성능 웨어러블 포도당 패치센서

나중산; 윤효상; 선성; 김지영; 박재영

doi:10.5369/jsst.2019.28.1.47

레이저 유도 그래핀 기반의 고성능 웨어러블 포도당 패치센서
Laser-induced Graphene Based Wearable Glucose Patch Sensor with Ultra-low Detection Limit 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.28 no.1, 2019년, pp.47 - 51

나중산 (광운대학교 전자공학과) , 윤효상 (광운대학교 전자공학과) , 선성 (광운대학교 전자공학과) , 김지영 (광운대학교 전자공학과) , 박재영 (광운대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Sweat-based glucose sensors are being widely investigated and researched as they facilitate painless and continuous measurement. However, because the concentration of sweat glucose is almost a hundred times lower than that of blood glucose, it is important to develop electrochemical sensing electrode materials that are highly sensitive to glucose molecules for the detection of low concentrations of glucose. The preparation of a flexible and ultra-sensitive sensor for detection of sweat glucose is presented in this study. Oxygen and nitrogen are removed from the surface of a polyimide film by exposure to a CO2 laser; hence, laser-induced graphene (LIG) is formed. The fabricated LIG electrode showed favorable properties of high roughness and good stability, flexibility, and conductivity. After the laser scanning, Pt nanoparticles (PtNP) with good catalytic behavior were electrodeposited and the glucose sensor thus developed, with a LIG/PtNP hybrid electrode, exhibited a high order of sensitivity and detection limit for sweat glucose.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. fabrication of laser-induced graphene-based flexible biosensors with ultra-low detection.
그림 Fig. 2. Optical image of the fabricated enzymatic glucose sensor
그림 Fig. 3. FE-SEM images of laser-induced graphene after electroplating Pt nanoparticles ; (a) 2000 times magnification, (b) 5000 times magnification, (c) 10000 times magnification, and (d) 50000 times magnification.
그림 Fig. 4. Graph of cyclic voltammetry curves before and after electroplating of Pt nanoparticles on laser induced graphene.
그림 Fig. 5. Graph of change in current with injection of glucose.
그림 Fig. 6. Linear Regression Analysis of Current Response to Glucose Concentration Change.
그림 Fig. 7. Comparison of amperometric response between glucose and disturbance species.
표 Table 1. Comparison with Previous Studies

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 포도당의 농도가 낮은 땀에서 포도당을 효과적으로 측정하기 위해 레이저 유도 그래핀 상에 백금 나노입자를 전기증착하고 EDC/NHS커플링을 통하여 포도당 산화효소를 고정화함으로써 매우 낮은 검출한계를 갖는 웨어러블 포도당 패치센서를 개발하였다. 제작된 센서는 매우 간편하고 쉬운 방법으로 공정이 가능하며, 우수한 전기적 특성 갖는 그래핀과 뛰어난 촉매 효과를 갖는 백금 나노입자를 이용하여, 1 µM 수준의 낮은 포도당 검출한계를 보여줬을 뿐만 아니라, 2.
본 연구에서는 땀에 있는 낮은 농도의 포도당을 검출 및 측정하기 위하여 그래핀 기반 전극 및 포도당 패치센서를 개발하였다. 폴리이미드 필름에 이산화탄소 레이저를 조사하여 전극을 만들고 낮은 검출 한계를 얻기 위해 전기증착을 통하여 백금 나노입자(Pt nanoparticles, PtNP)를 증착했으며, 작업전극에 포도당산화효소를

제안 방법

고정하여 레이저 유도 그래핀 기반의 매우 낮은 검출 한계를 갖는 포도당 패치센서를 제작하였다.
그 다음 10.6 µm의 파장을 갖는 이산화탄소 레이저를 폴리이미드 상에 5 W의 출력으로 조사하여, 폴리이미드 필름에 포함되어 있는 산소와 질소 원자를 제거하고 90% 이상의 높은 순도의 탄소로 이루어진 레이저 유도 그래핀 전극을 제작하였다[15].
그리고, K₂PtCl₄ 와 H₂SO₄ 혼합용액에 제작된 레이저 유도 그래핀을 넣고, 순환 전류전압법을 통하여 작업전극 및 상대전극 상에 백금 나노입자를 전기증착했다. 그 후 기준전극 상에 Ag/AgCl 페이스트를 프린팅 방법을 통하여 코팅했다. 마지막으로, 작업 전극의 카르복실기(-COOH)에 EDC/NHS 커플링 방법을 통해 포도당 산화효소를 고정화 시켰고, 4℃ 에서 24 시간 이상 인큐베이션하여 레이저 유도 그래핀 기반의 초고감도 웨어러블 포도당 센서를 제작 하였다.
6 µm의 파장을 갖는 이산화탄소 레이저를 폴리이미드 상에 5 W의 출력으로 조사하여, 폴리이미드 필름에 포함되어 있는 산소와 질소 원자를 제거하고 90% 이상의 높은 순도의 탄소로 이루어진 레이저 유도 그래핀 전극을 제작하였다[15]. 그리고, K₂PtCl₄ 와 H₂SO₄ 혼합용액에 제작된 레이저 유도 그래핀을 넣고, 순환 전류전압법을 통하여 작업전극 및 상대전극 상에 백금 나노입자를 전기증착했다. 그 후 기준전극 상에 Ag/AgCl 페이스트를 프린팅 방법을 통하여 코팅했다.
레이저 유도 그래핀에 백금 나노입자가 전기 증착된 후 전계방사형 주사전자현미경 (field emission-scanning electronmicroscopy, FE-SEM)을 이용하여 백금 나노입자가 얼마나 증착되어 있는지를 확인하였다. 백금 나노입자의 전기 증착 전과 후의 레이저 유도 그래핀의 산화·환원 특성의 변화를 관찰하기 위해 순환 전압전류법을 사용하였다.
마지막으로 땀에는 포도당 농도 측정에 영향을 줄 수 있는 방해종들과 제안된 포도당센서의 상관관계를 알아보기 위해 각 방해종에 따른 전류변화을 측정 했다. Fig.
그 후 기준전극 상에 Ag/AgCl 페이스트를 프린팅 방법을 통하여 코팅했다. 마지막으로, 작업 전극의 카르복실기(-COOH)에 EDC/NHS 커플링 방법을 통해 포도당 산화효소를 고정화 시켰고, 4℃ 에서 24 시간 이상 인큐베이션하여 레이저 유도 그래핀 기반의 초고감도 웨어러블 포도당 센서를 제작 하였다.
완성된 포도당 센서의 검출한계와 민감도를 관찰하기 위해 시간대전류법을 사용하였다. 시간대전류법은 농도가 0.1 M이고 pH 7.4인 PBS 수용액에서 0.4V의 전압을 인가하고 포도당을 소량씩 주입해가며, 전류를 측정하는 방식으로 진행 되었다.
완성된 포도당센서의 성능을 측정하기 위해 시간대전류법을 이용하여 주입되는 포도당의 변화에 따른 전류의 변화를 관찰하였다. Fig.
포도당 센서의 민감도와 선택성을 측정할 때 사용한 포도당, 아스코르크산, 아세트아미노펜 그리고 요산은 모두 시판 되는 물질을 PBS로 희석하여 사용 했다. 전기화학 측정은electrochemical workstation (CHI 660E, CHInstruments Inc., USA)을 사용하여 진행했다.
제안된 센서를 제작하기 위하여 먼저, 아세톤과 메탄올을 이용하여 125 µm 두께의 폴리이미드 필름을 깨끗하게 클리닝하였다.

대상 데이터

포도당센서의 기판으로 두께가 125 µm 인 폴리이미드 필름을 사용하였다. 백금 나노입자를 전기 증착하기 위해서 사용한 용액은 K₂PtCl₄와 H₂SO₄를 1 : 48 의 비율로 혼합 용액이다. 기준전극의 Ag/AgCl코팅은 Ag/AgCl 페이스트를 사용하였다.
포도당산화효소는 시판되는 것을 사용 했으며 포도당산화효소 고정화에 사용된 1-Ethyl-3-(3-dimethyllaminopropyl)-carbodiimide(EDC)와 N-hydroxysuccinimide (NHS)는 1 : 2 의 비율로 혼합하여 사용하였다. 전압전류법에서 사용된 용액은 5 mM 의 [Fe(CN)₆]이고 시간대전류법에서는 0.1 mM 의 phosphate buffersaline (PBS)을 사용 했다. 포도당 센서의 민감도와 선택성을 측정할 때 사용한 포도당, 아스코르크산, 아세트아미노펜 그리고 요산은 모두 시판 되는 물질을 PBS로 희석하여 사용 했다.
2는 완성된 센서의 광학적인 이미지를 보여주고 있다. 제작된 센서의 작업 전극의 직경은 3 mm이며, 상대전극 및 기준전극과 작업 전극간의 거리는 2.5 mm 로 디자인하였다. Fig.
1 mM 의 phosphate buffersaline (PBS)을 사용 했다. 포도당 센서의 민감도와 선택성을 측정할 때 사용한 포도당, 아스코르크산, 아세트아미노펜 그리고 요산은 모두 시판 되는 물질을 PBS로 희석하여 사용 했다. 전기화학 측정은electrochemical workstation (CHI 660E, CHInstruments Inc.
기준전극의 Ag/AgCl코팅은 Ag/AgCl 페이스트를 사용하였다. 포도당산화효소는 시판되는 것을 사용 했으며 포도당산화효소 고정화에 사용된 1-Ethyl-3-(3-dimethyllaminopropyl)-carbodiimide(EDC)와 N-hydroxysuccinimide (NHS)는 1 : 2 의 비율로 혼합하여 사용하였다. 전압전류법에서 사용된 용액은 5 mM 의 [Fe(CN)₆]이고 시간대전류법에서는 0.
포도당센서의 기판으로 두께가 125 µm 인 폴리이미드 필름을 사용하였다.

이론/모형

백금 나노입자의 전기 증착 전과 후의 레이저 유도 그래핀의 산화·환원 특성의 변화를 관찰하기 위해 순환 전압전류법을 사용하였다.
8 V까지의 구간에서 진행되었다. 완성된 포도당 센서의 검출한계와 민감도를 관찰하기 위해 시간대전류법을 사용하였다. 시간대전류법은 농도가 0.

성능/효과

그 결과, 백금 나노입자가 증착된 센서가 증착되지 않은 센서보다 산화·환원 피크 전류가 증가하였음을 확인할 수 있다.
이는 제작된 센서가 1µM 의 낮은 검출한계 갖고 있음을 의미한다. 그 후 첨가하는 포도당의 농도를 3.018 mM 까지 꾸준히 증가시키면서 측정하였으며, 그 결과 전류값도 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
7은 땀에 존재하는 여러 가지 방해종의 최소 농도를 고려하여 각각의 전류응답 특성을 비교한 그래프를 보여준다. 농도비교를 위하여, 0.2 mM의 포도당, 0.001 mM 의 아스코르크산과 아세트아미노펜, 0.01mM 의 요산을 주입하였고, 그 결과 약 0.2 mM 의 포도당 응답 대비 10 % 이하의 응답을 나타내었으며, 우수한 선택성을 갖는 것을 확인하였다.
이를 통해, 백금나노입자가 증착된 전극의 산화·환원 특성이 향상되었음을 확인할 수 있으며, 작은 포도당 농도의 변화에도 많은 산화 환원 반응이 일어나 전류의 변화가 커짐을 기대할 수 있다.
제작된 센서는 매우 간편하고 쉬운 방법으로 공정이 가능하며, 우수한 전기적 특성 갖는 그래핀과 뛰어난 촉매 효과를 갖는 백금 나노입자를 이용하여, 1 µM 수준의 낮은 포도당 검출한계를 보여줬을 뿐만 아니라, 2.6 µA/mM 의 높은 민감도와 땀에 있는 여러 방해종에 대해서도 뛰어난 선택성을 보여주었다.

후속연구

6 µA/mM 의 높은 민감도와 땀에 있는 여러 방해종에 대해서도 뛰어난 선택성을 보여주었다. 본 연구를 통해 개발된 전극이 가지는 낮은 검출한계를 이용하여 땀에 녹아있는 포도당을 농도 별로 검출 할 수 있는 비침습형 웨어러블 패치센서를 기반으로 하는 스마트 당뇨병 모니터링 및 관리에 크게 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	당뇨병이란?	당뇨병은 인슐린의 작용과 분비가 원활하지 못하여 혈당이 정상적인 수치를 벗어나는 질병으로, 당뇨병으로 인한 혈당 수치의 이상은 신경계와 혈관계에 손상을 주어 많은 합병증을 유발한다. 이를 예방하기 위해서는 지속적이고 엄격한 혈당 조절이 필요하다[1].
	소재 기반의 전극의 문제점을 해결하기 위한 방안은?	대표적으로 사용되는 소재로는 rGO(reduced graphene oxide), CNT(carbonnanotube), 그래핀 등이 있으며, 이러한 소재 기반의 전극을 제작하기 위해서는 복잡하고 까다로운 과정을 거처야 한다는 문제점을 가지고 있다[12]. 이를 해결하기 위하여, 최근에는 기존에 연구된 탄소 계열 소재들의 대안으로 폴리이미드 필름에 이산화탄소 레이저를 조사하여 간단히 만들 수 있는 레이저 유도그래핀이 소개되었다. 레이저 유도 그래핀은 간단하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 전기적인 특성도 뛰어나 여러 분야에서 레이저 유도 그래핀을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다[13,14].
	채혈 기반 혈당 측정 방법의 단점은?	가장 일반적인 혈당 측정기는 혈당을 측정하기 위해 끝이 뾰족한 바늘을 침습시킨 뒤 채혈하여 센서 위에 피를 직접 접촉시켜 혈당을 확인하는 측정방식을 사용하고 있다[2]. 이러한 채혈 기반 혈당 측정 방법은 사용자에게 고통으로 인한 스트레스를 줄 뿐만 아니라 채혈 부위가 감염될 수 있는 문제를 가지고있다. 뿐만 아니라, 측정 빈도가 낮기 때문에, 혈당 관리를 하는데 많은 어려움을 갖고 있다. 따라서, 최근 수 분 간격의 지속적인 혈당 측정을 할 수 있는 연속 혈당 모니터링(continuousglucose monitoring, CGM) 시스템이 개발되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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