[논문]탄소나노튜브로 개질된 탄소종이 기반 젖산산화효소 - 카탈레이즈 전극 제작 및 특성 분석

시키; 셀바라잔 바르시니; 양영일; 김혁한; 김창준

doi:10.9713/kcer.2023.61.4.576

탄소나노튜브로 개질된 탄소종이 기반 젖산산화효소 - 카탈레이즈 전극 제작 및 특성 분석
Fabrication and Characterization of Carbon Nanotube-modified Carbon Paper-based Lactate Oxidase-catalase Electrode 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.61 no.4, 2023년, pp.576 - 583

시키 (경상국립대학교 화학공학과 및 그린에너지 연구소) , 셀바라잔 바르시니 (경상국립대학교 화학공학과 및 그린에너지 연구소) , 양영일 (경상국립대학교 반도체공학과) , 김혁한 (단국대학교 과학기술대학 화학과) , 김창준 (경상국립대학교 화학공학과 및 그린에너지 연구소)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 전극의 전기 전도도 증대와 젖산 산화반응의 부산물인 과산화수소 생성 완화가 젖산 산화효소 전극 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 유연성 있는 탄소종이 표면을 단일벽 탄소나노튜브로 개질하여 전극의 전기 전도도를 향상시켰다. 카탈라아제를 도입하여 젖산 산화반응에서 발생하는 과산화수소를 제거하였다. 젖산 산화효소와 카탈라아제가 동시에 고정화된 탄소종이 전극은 젖산 산화효소만 고정화된 탄소종이 전극보다 1.7배 많은 전류를 생성하였다. 단일벽 탄소나노튜브로 개질된 탄소종이 표면에 젖산 산화효소와 카탈라아제가 동시에 고정화된 전극은 171 µA의 전류를 생산하였는데, 이는 탄소종이 표면에 젖산 산화효소만 고정화된 전극이 생산하는 전류보다 2배 높은 값이다. 최적화된 전극은 젖산 농도가 20 mM까지 선형반응을 보여 센서용 전극으로 사용 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to investigate the impact of enhancing the electrode conductivity and mitigating the production of hydrogen peroxide - a by-product arising from lactate oxidation - on the performance of lactate electrodes. The electrical conductivity of the electrode was improved by modifying the surface of carbon paper with single-walled carbon nanotubes. Catalase was introduced to effectively eliminate the hydrogen peroxide produced during the lactate oxidation reaction. The carbon paper electrode, with simultaneous immobilization of both lactate oxidase and catalase, yielded a current 1.7 times greater than the electrode where only lactate oxidase was immobilized. The electrode in which lactate oxidase and catalase were co-immobilized on the surface of carbon paper modified with single-walled carbon nanotubes, produced a current of 171 µA, which was more than twice as much current as the carbon paper with only lactate oxidase immobilized. The optimized electrode showed a linear response up to lactate concentration of 20 mM, confirming that it can be used as a sensor electrode.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic illustration for the modification of carbon paper with SWCNTs and enzymes.
그림 Fig. 2. (a) SEM images and (b) EDS mapping of bare, SWCNT-modified, and lactate oxdiase-modified carbon paper.
그림 Fig. 3. Cyclic voltammograms for CP and CP modified with SWCNTs in PBS (10 mM, pH 7.0) recorded at the scan rate of 20 mV/s.
그림 Fig. 4. Cyclic voltammograms for (a) LOx electrode and (b) LOx-Cat electrode in PBS (10 mM, pH 7.0) with or without sodium-L-lactate (20 mM) recorded at the scan rate of 20 mV/s. The LOx or Cat was immobilized on carbon paper (CP).
그림 Fig. 5. Cyclic voltammograms for (a) LOx electrode and (b) LOx-Cat electrode in PBS (10 mM, pH 7.0) with or without sodium-L-lactate (20 mM) recorded at the scan rate of 20 mV/s. The LOx or Cat was immobilized on carbon paper modified with SWCNTs (CP-SWCNTs).
그림 Fig. 6. Magnitude of anodic current at 0.3 V (vs. Ag/AgCl), extracted from cyclic voltammograms for four kinds of electrodes.
그림 Fig. 7. Chronoamperometic measurements obtained at 0.3 V (vs. Ag/AgCl) of CP-SWCNTs-LOx-Cat by increasing lactate concentration in (a) 10 mM PBS (pH 7.0), (b) artificial sweat and (c) corresponding curves for (a)&(b).

참고문헌 (29)

Rathee, K., Dhull, V., Dhull, R., Singh, S., "Biosensors Based on Electrochemical Lactate Detection: A Comprehensive Review," Biochem. Biophys. Rep., 5, 35-54(2016).？
Madden, J., Vaughan, E., Thompson, M., Riordan, A.O., Galvin, P., Lacopino, D. and Teixeira, S.R., "Electrochemical Sensor for Enzymatic Lactate Detection Based on Laser-scribed Graphitic Carbon Modified with Platinum, Chitosan and Lactate Oxidase," Talanta, 246, 123492(2022).？

상세보기
Derbyshire, P. J., Barr, H., Davis, F. and Higson, S. P., "Lactate in Human Sweat: A Critical Review of Research to the Present Day," J. Physiol. Sci., 62, 429-440(2012).？

상세보기
Chung, M., Fortunato, G. and Radacsi, N., "Wearable Flexible Sweat Sensors for Healthcare Monitoring; A Review," J. R. Soc. Interface, 16, 20190217(2019).？

상세보기
Kim, H. H., Yoo, J. and Choi, M. K., "Non-invasive Wearable Continuous Monitoring Sensors," Polym. Sci. Technol., 31, 286-290(2020).？
Nagamine, K., Mano, T., Nomura, A., Ichimura, Y., Izawa, R., Furusawa, H., Matsui, H., Kumaki, D. and Tokito, S., "Noninvasive Sweat-Lactate Biosensor Employing a Hydrogel-Based Touch Pad," Sci. Rep., 9, 10102(2019).？
He, W., Wang, C., Wang, H., Jian, M., Lu, W., Liang, X., Zhang, X., Yang, F. and Zhang, Y., "Integrated Textile Sensor Patch for Real-time and Multiplex Sweat Analysis," Sci. Adv., 5, eaax0649(2019).？

상세보기
Hoovels, K. V., Xuan, X., Cuartero, M., Gijssel, M., Swaren, M. and Crespo, G. A., "Can Wearable Sweat Lactate Sensors Contrivute to Sports Physiology?," ACS Sens., 6, 3496-3508(2021).？
Rahman, M. M., Shiddiky, M. J. A., Rahman, M. A. and Shim, Y.-B., "A Lactate Biosensor Based on Lactate Dehydrogenase/Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Oxidized Form) Immobilized on A Conducting Polymer/Multiwall Carbon Nanotube Composite Film," Anal Biochem., 384, 159-165(2009).？
Hiraka, K., Tsugawa, W., Asano, R., Yokus, M. A., Ikebukuro, K., Daniele, M. A. and Sode, K., "Rational Design of Direct Electron Transfer Type L-Lactate Dehydrogenase for The Development of Multiplexed Biosensor," Biosens. Bioelectron., 176, 112933(2021).？
Gamero, M., Pariente, F., Lorenzo, E. and Alonso, C., "Nanostructured Rough Gold Electrodes for the Development of Lactate Oxidase-Based Biosensors," Biosens. Bioelectron., 25, 2038-2044(2010).？

상세보기
Choi, H., Yeo, M., Kang, Y., Kim, H. J., Park, S. G., Jang, E., Park, S. H., Kim, E. and Kang, S., "Lactate Oxidase/Catalase-Displaying Nanopaticles Efficiently Consume Lactate in The Tumor Microenvironment to Effectively Suppress Tumor Growth," J. Nanobiotechnol., 21, 5(2023).？
Andrus, L. P., Unruh, R., Wisniewski, N. A. and McShane, M. J., "Characterization of Lactate Sensors Based on Lactate Oxidase and Palladium Benzoporphyrin Immobilized in Hydrogels," Biosensors, 5, 398-416(2015).？

상세보기
Pichardo, S., Gutierrez-Praena, D., Puerto, M., Sanchez, E., Grilo, A., Camean, A. M. and Jos, A., "Oxidative Stress Response to Carboxylic Acid Functionalized Single Wall Carbon Nanotubes on the Human Intestinal Cell Line Caco-2," Toxicol In Vitro, 26, 672-677(2012).？
Heller, A., "Electrical Connection of Enzyme Redox Centers to Electrodes," J. Phys. Chem., 96, 3579-3587(1992).？

상세보기
Ammam, M. and Fransaer, J., "AC-Electrophoretic Deposition of Metalloenzymes: Catalase As A Case Study for The Sensitive and Selective Detection of H2O2," Sens. Actuators B: Chem., 160, 1063-1069(2011).？

상세보기
Zamocky, M., Regelsberger, G., Jakopitsh, C. and Obinger, C., "The Molecular Peculiarities of Catalase-Peroxidases," FEBS Lett., 492, 177-182(2001).？

상세보기
Quyang, T., Feldman, B. J. and Chen, K., "Stabilized Lactate Responsive Enzymes, Electrodes and Sensors, and Methods for Making and Using the Same," European Patent No. EP 3 307 164 B1(2016).？
Quyang, T., Feldman, B. J. and Chen, K., "Stabilized Lactate Responsive Enzymes, Electrodes and Sensors, and Methods for Making and Using the Same," U.S. Patent No. US2016/0362716 A1(2016).？
Koposova, E., Shumilova, G., Ermolenko, Y., Kisner, A., Offen-hausser, A. and Mourzina, Y., "Direct Electrochemistry of cyt C and Hydrogen Peroxide Biosensing on Oleylamine-And Citrate-Stabilized Gold Nanostructures," Sens. Actuators B: Chem., 207, 1045-1052(2015).？

상세보기
Voitko, K., Toth, A., Demianenko, E., Dobos, G., Berke, B., Bakalinska, O., Grebenyuk, A., Tombacz, E., Kuts, V., Tarasenko, Y., Kartel, M. and Laszlo, K., "Catalytic Performance of Carbon Nanotubes in H2O2 Decomposition: Experimental and Quantum Chemical Study," J. Colloid Interface Sci., 437, 283-290(2015).？

상세보기
Moreno, J., Kasai, K., David, M., Nakanishi, H. and Kasai, H., "Hydrogen Peroxide and Adsorption on Fe-Filled Single-Walled Carbon Nanotubes: A Theoretical Study," J. Phys.: Condens. Matter, 21, 064219(2009).？
Engel, P. S., Billups, W. E., Abmayr Jr, D. W., Tsvaygboym, K. and Wang, R., "Reaction of Single-Walled Carbon Nanotubes with Organic Peroxides," J. Phys. Chem. C, 112, 695-700(2008).？

상세보기
Willey, J. M., Sherwood, L. M. and Woolverton, C. J., Prescott, Harley, and Klein's Microbiology, 7th ed., McGraw-Hill, New York, NY(2008).？
Payne, M. E., Zamarayeva, A., Pister, V. I., Yamamoto, N. A. D. and Arias, A. C., "Printed, Flexible Lactate Sensors: Design Considerations Before Performing On-Body Measurements," Sci. Rep., 9, 13720(2019).？

상세보기
Bhalla, N., Jolly, P., Formisano, N. and Estrela, P., "Introduction to Biosensors," Essays Biochem., 60, 1-8(2016).？

상세보기
Ibupoto, Z. H., Shah, S. M. U. A., Khun, K. and Willander, M., "Electrochemical L-Lactic Acid Sensor Based on Immobilized ZnO Nanorods with Lactate Oxidase," Sensors, 12, 2456-2466(2012).？
Cunha-Silva, H. and Arcos-Martinez, M. J., "Dual Range Lactate Oxidase-Based Screen Printed Amperometric Biosensor for Analysis of Lactate in Diversified Samples," Talanta, 188, 779-787(2018).？

상세보기
Jiang, D., Xu, C., Zhang, Q., Ye, Y., Cai, Y., Li, K., Li, Y., Huang, X. and Wang, Y., "In-Situ Preparation of Lactate-Sensing Membrane for The Noninvasive And Wearable Analysis of Sweat," Biosens. Bioelectron., 210, 114303(2022).

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증