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문제 정의
- 본 연구에서 탄소 나노튜브를 이용한 바이오센서를 제작하여 탄소 나노튜브를 사용하지 않은 바이오센서와 비교해보았다. 바이오센서에 이용된 탄소나노튜브는 효소와의 반응성을 향상시키기 위해 화학적으로 처리하였고, 이러한 탄소 나노튜브를 이용하여 바이오센서를 제작하였다.
제안 방법
- 로딩하는 방법으로 체작되었다.(그림 3) 소 고정을 위한 반응 용액은 pH 7의 0.1M potassium phosphate buffer 10ml에 potassium ferricyanide(K3[Fe(CN)6]) 0.78g, 18500U/g의 GOD 0.5405g, Natrasol 0.03g, Triton X-100 20ul 을 넣고 stirring 하여 제작하였으며, 탄소 나노튜브를 넣어 stirring 한 후 이 용액의 일정량을 SPE에 dropping 하여 전극의 표면에 탄소 나노튜브와 효소를 동시에 loading 하였다. 이렇게 만들어진 바이오센서 전극 하나에 고정화된 효소의 양은 1 unit 으로 일정하다.
- 6V로 하였고, 스드립 형태로 만들어진 전국에 glucose용액을 dropping한 후 30초 후의 전류 값을 취하였다. 각각의 센서 전국에 반응시킨 glucose의 농도는 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 mM였으며, 탄소 나노튜브를 이용한 바이오센서의 감도 향상 효과를 비교하기 위해 기존의 방법으로 제작된 혈당 센서 스트립에서도 동일한 방법으로 감도를 측정하였다.
- 직경이 10~L5nm이고 길이가 10~20um인 MWNT를 70%의 질산에 넣고 30 분간 sonication 한 후, 12 시간동안 90C의 oven에서 incubation 하였다. 다음으로 DI water 와 메탄올로 번갈아 가며 여러 번 세척한 후 lOOtdry oven에서 건조하여 분말상태로 만들었다. 말단과 측벽(sidewall)에 유도된 작용기를 확인하기 위해, 화학 처리된 MWNT을 KBr pellet을 만들어 FT-IR을 측정하였다.
- 바이오센서 전극의 감도를 측정하기 위해서는 분석물질로서 glucose를, 따라서 고정화하는 효소로는 glucose oxidase(GOx)를 이용하였다. 또한, 감도 향상 효과를 확인하기 위해 탄소나노튜브를 이용하지 않고 기존의 방법대로 제작한 전극을 제작하여 비교하였다.
- 다음으로 DI water 와 메탄올로 번갈아 가며 여러 번 세척한 후 lOOtdry oven에서 건조하여 분말상태로 만들었다. 말단과 측벽(sidewall)에 유도된 작용기를 확인하기 위해, 화학 처리된 MWNT을 KBr pellet을 만들어 FT-IR을 측정하였다.
- 사용하지 않은 바이오센서와 비교해보았다. 바이오센서에 이용된 탄소나노튜브는 효소와의 반응성을 향상시키기 위해 화학적으로 처리하였고, 이러한 탄소 나노튜브를 이용하여 바이오센서를 제작하였다. 탄소 나노튜브와 효소 용액을 혼합한 형태로 스크린 프린팅 전극 표면에 고정화 하였는데 탄소 나노튜브를 사용하지 않고 제작된 기존의 혈당 센서 스트립보다 큰 감도를 나타내었고 선형성도 더 좋은 결과를 나타내었다.
- 그 후 작업 전극과 상대전극의 부분을 탄소 페이스트로 인쇄한 후 90C오븐에서 1시간 curing 한 후 절연 페이스트로 working area를 제외한 나머지 부분을 passivation 하였다. 본 연구에서 제작된 바이오센서는 기존에 상용화된 센서 스트립과 같이 2상전극계로 상대전극이 기준전극의 역할을 동시에 수행하도록 고안되었다. 작업전극의 working area는 0.
- 이 방법은 작업전극와 상대천극에 일정한 전압을 가해주면서 전류의 변화를 측정하는 방법으로, 전극 표면에서 반응이 일어남에 따라 두 전극에 흐르는 전류의 크기가 달라짐을 이용하여 전기적 신호를 검출한다. 본 연구에서는 가해주는 전압(분석 전압)은 0.6V로 하였고, 스드립 형태로 만들어진 전국에 glucose용액을 dropping한 후 30초 후의 전류 값을 취하였다. 각각의 센서 전국에 반응시킨 glucose의 농도는 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 mM였으며, 탄소 나노튜브를 이용한 바이오센서의 감도 향상 효과를 비교하기 위해 기존의 방법으로 제작된 혈당 센서 스트립에서도 동일한 방법으로 감도를 측정하였다.
- 본 연구에서는, 바이오센서의 감도를 높이기 위해 탄소 나노튜브를 이용한바 이오 센서를 제작하였고 탄소 나노튜브를 이용하지 않고 기존의 방법대로 제작된 센서의 감도와 각각 비교하였다. 바이오센서 전극의 감도를 측정하기 위해서는 분석물질로서 glucose를, 따라서 고정화하는 효소로는 glucose oxidase(GOx)를 이용하였다.
- 본 연구에서도 이러한 반응성 향상의 효과를 위해 그림 1과 같이 탄소 나노튜브를 화학적으로 처리하여 바이오센서에 이용하였다.
대상 데이터
- 기판으로는 생체 반응에 참여하지 않으며 가격이 싸면서도 사용이 용이한 폴리에스터(polyester) 계열의 기판을 이용하였다. 스크린 프린팅 전극의 제작순서는 다음과 같다.
- 센서의 감도와 각각 비교하였다. 바이오센서 전극의 감도를 측정하기 위해서는 분석물질로서 glucose를, 따라서 고정화하는 효소로는 glucose oxidase(GOx)를 이용하였다. 또한, 감도 향상 효과를 확인하기 위해 탄소나노튜브를 이용하지 않고 기존의 방법대로 제작한 전극을 제작하여 비교하였다.
이론/모형
- 바이오센서 제작을 위한 전극은 스크린 프린팅 방법으로 제작하였다. 기판으로는 생체 반응에 참여하지 않으며 가격이 싸면서도 사용이 용이한 폴리에스터(polyester) 계열의 기판을 이용하였다.
- 바이오센서의 전기화학 분석은 시간에 따른 전류차법(chronoamperometry) 법으로 진행하였다. 이 방법은 작업전극와 상대천극에 일정한 전압을 가해주면서 전류의 변화를 측정하는 방법으로, 전극 표면에서 반응이 일어남에 따라 두 전극에 흐르는 전류의 크기가 달라짐을 이용하여 전기적 신호를 검출한다.
성능/효과
- 탄소 나노튜브를 이용함으로써 glucose와 효소 반응결과 생성된 전자가 전극 표면에 전달하는 과정을 촉진시켜 얻어진 결과이다. 또한, 탄소 나노튜브를 이용할 때 효소와 먼저 반응시킨 후 스크린 프린팅 전극에 고정화함으로써 효소의 안정성을 높인 결과이다. 카르복실기가 유도된 탄소 나노튜브를 이용한 감도 향상 효과는 저 농도의 물질을 검출하기 위해 높은 감도가 요구되는 다양한 종류의 전기화학 센서 제작에 응용될 수 있을 것이다.
- 한편, 탄소 나노튜브를 산 처리 한 후 그 길이가 짧아지고 측벽에 부분적인 결함이 생겼다 하더라도, 원통형의 본래 형태를 유지하여 전자 전달을 촉진시키는 탄소 나노튜브의 특성도 유지할 수 있어 최종적으로 바이오센서의 감도를 높이는 효과를 얻을 수 있다. 실제로 본 연구에서 제작된 탄소 나노튜브를 이용한바 이오 센서도 이러한 효과로 기존의 센서 스트립보다 높은 감도를 나타내었다.
- 전기화학 측정 결과 나타난 결과토부터 탄소 나노튜브를 이용한 전극에서 감도와 직선성 모두 좋은 값을 나타냄을 알 수 있었다. 탄소 나노튜브를 이용함으로써 효소의 고정화가 보다 안정적으로 될 수 있었고 전자 전달을 촉진하여 보다 쫗은 감도를 나타내게 된 것이다.
- 그림 2는 FT-IR spectrum 측정결과이다. 카르복실기 (-COOH )의사 laracterization 은 OH, C=O의 확인으로 알아 볼 수 있는데, 1740cn에서 C=O의 stretch band가, 3000cm '에서 OH stretch band로부디 화학적 처리된 MWNT에 카르복실기가 유도되었음을 확인하였다.
- 9673을 나타내었다. 탄소 나노튜브를 이용한 센서가 거의 세배 정도의 감도 중가를 나타내었고 직선성도 보다 우수하였다.
- 직선성 모두 좋은 값을 나타냄을 알 수 있었다. 탄소 나노튜브를 이용함으로써 효소의 고정화가 보다 안정적으로 될 수 있었고 전자 전달을 촉진하여 보다 쫗은 감도를 나타내게 된 것이다.
- 바이오센서에 이용된 탄소나노튜브는 효소와의 반응성을 향상시키기 위해 화학적으로 처리하였고, 이러한 탄소 나노튜브를 이용하여 바이오센서를 제작하였다. 탄소 나노튜브와 효소 용액을 혼합한 형태로 스크린 프린팅 전극 표면에 고정화 하였는데 탄소 나노튜브를 사용하지 않고 제작된 기존의 혈당 센서 스트립보다 큰 감도를 나타내었고 선형성도 더 좋은 결과를 나타내었다. 탄소 나노튜브를 이용함으로써 glucose와 효소 반응결과 생성된 전자가 전극 표면에 전달하는 과정을 촉진시켜 얻어진 결과이다.
후속연구
- 또한, 탄소 나노튜브를 이용할 때 효소와 먼저 반응시킨 후 스크린 프린팅 전극에 고정화함으로써 효소의 안정성을 높인 결과이다. 카르복실기가 유도된 탄소 나노튜브를 이용한 감도 향상 효과는 저 농도의 물질을 검출하기 위해 높은 감도가 요구되는 다양한 종류의 전기화학 센서 제작에 응용될 수 있을 것이다.
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