초록 ▼

나노 바이오 센서란 나노기술이 성능의 핵심적 차별성을 담보하는 바이오 센서를 의미한다. 이러한 개념의 나노 바이오 센서는 아직까지 상품화된 제품이 나오지 않았고, 성능을 평가하기 위한 일관된 기준이 요구되고 있다. 본 과제는 나노 바이오 센서의 사례로서 나노기술이 접목된 무효소 혈당 센서를 자체 제작하여 기존의 효소 기반 바이오 센서와 일대일 안정성 비교를 실시하였다. 효소는 3차원 구조에 의해 활성도가 결정되는 생체 단백질이기 때문에 온도와 습도에 의해 안정성이 크게 손상될 수 있다. 여러 가지 부수적인 방법들을 동원하여 이러한

나노 바이오 센서란 나노기술이 성능의 핵심적 차별성을 담보하는 바이오 센서를 의미한다. 이러한 개념의 나노 바이오 센서는 아직까지 상품화된 제품이 나오지 않았고, 성능을 평가하기 위한 일관된 기준이 요구되고 있다. 본 과제는 나노 바이오 센서의 사례로서 나노기술이 접목된 무효소 혈당 센서를 자체 제작하여 기존의 효소 기반 바이오 센서와 일대일 안정성 비교를 실시하였다. 효소는 3차원 구조에 의해 활성도가 결정되는 생체 단백질이기 때문에 온도와 습도에 의해 안정성이 크게 손상될 수 있다. 여러 가지 부수적인 방법들을 동원하여 이러한 문제점들을 최소화하여 상품화한 것이 현재 널리 시판되고 있는 효소 기반 혈당 센서이다. 본 과제에서 나노 바이오 센서의 모델로 사용한 나노 다공체로 이루어진 전극은 효소가 없이도 글루코즈의 선택적인 흡착과 산화 반응에 의하여 혈당량에 비례하는 전류 신호를 만들어 낸다. 또한 나로 미터 크기의 동공이라는 구조적인 특징 때문에 방해 물질들의 영향도 자동적으로 억제할 수 있으며 일정한 외부막을 사용하면 직접 혈당량 측정이 가능하다 효소가 없기 때문에 성능이 온도에 크게 영향 받지 않으며, 습도도 거의 영향을 주지 않는다 20일 간의 고온, 저온, 다습, 건조 조건에서 세계 최고 수준의 성능을 검증 받고 있는 국내 효소 기반 혈당 센서는 극심한 성능 저하를 보인 반면, 나노 다공성 백금 센서는 최대 7% 이하의 성능 변화만이 관찰되었다. 기존의 바이오 센서들의 경우 효소의 근본적인 한계를 고려하여 섭씨 80도 수준의 고온, 영하 15도 수준의 저온을 겪은 센서의 안정성에 관한 실험 결과를 요구하지 않고 있으나, 나노기술의 접목을 통해 안정성이 향상되었다고 주장되는 나노 바이오 센서의 경우에는 이 정도의 온도 범위가 테스트 되어야함을 알 수 있다. 특히 식품 관련 산업과 같이 센서의 사전 소독이 요구되는 용도로 바이오 센서가 사용될 때에는 고온 및 저온 소독, 보관이 검증되어야 할 것으로 판단된다. 또한 상품화되어 있는 효소 기반 혈당 센서는 습도 15%이하, 90%이상에서 센서로서의 기능이 거의 완전히 사라졌다. 고온 다습한 하절기와 한랭 건조한 동절기가 동시에 나타나고, 유통 기한 중 급격한 온도 및 습도 변화에 노출될 가능성이 높은 국내 기후 및 판매 조건을 고러할 때 기존의 바이오 센서는 충분한 안정성을 가지고 있지 못하며, 혈당 측정 이외의 용도로도 미흡한 안정성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 이러한 안정성 평가 기준은 본 과제가 활용한 나노 바이오 센서에 모두 적용 가능하였다.

Abstract ▼

Nanobiosensor is defined as the biosensor offering discriminative functions provided by introducing nanotechnology Such a sensor has not been commercialized yet, requiring consistent criteria to evaluate its functions. This project, a model study on nanobiosensors, fabricated enzymeless glucose sens

Nanobiosensor is defined as the biosensor offering discriminative functions provided by introducing nanotechnology Such a sensor has not been commercialized yet, requiring consistent criteria to evaluate its functions. This project, a model study on nanobiosensors, fabricated enzymeless glucose sensors and compared those with a commercial enzyme-based sensor. Enzyme is a kind of proteins that intrinsically have structural dependence on temperature and humidity, resulting in unstable activities. The existing glucometers in the market are all based on enzymes, the problems of which are minimized by numerous tactics. By virtue of nanotechnology, the nanoporous sensors in this study produced electric currents proportional to the blood glucose levels without any enzyme. The unique structural feature of nanoporosity suppresses the interferences effectively and enables direct determination of blood glucose levels by use of certain outer membrane. The absence of enzymes benefits the independence of temperature and humidity. The enzyme-based glucose sensor, which was evaluated to be one of the best sensors, was employed as a control for comparison study. In the conditions of low/high temperature and heavily humid/dry environment, the control suffered from serious malfunctions while decrease in sensitivity was found within 7% for the nanoporous sensors tested. Considering the inherent limitations of enzymes, the stability data with a temperature history down to $-15^{\circ}C$ and up to $80^{\circ}C$ are not currently required for conventional biosensors. Commercial biosensors should fulfill this conditions to be used more widely. For instance, applications for food industry, which need sterilization processes by applying temperature or chemical vapor, are demanding the experimental results from high temperature treatments. Storage In winter also requires the robustness to the low temperature. In addition to temperature, humidity is a key factor affecting the sensor functionality. The control sensors lost their sensitivity to glucose after exposure to the air with 15% or 90% humidity. These results showed that the existing enzyme-based biosensors are not good enough to work In the domestic climate featuring humid summer and dry winter, and in storage conditions at severely fluctuating temperature and humidity. On the other hand the employed nanobiosensor exhibited only a limited functional degradation in the extreme conditions applied in this study.

목차 Contents

• 표지...1
• 용역연구개발사업 연구결과보고서...2
• 제출문...3
• 연구결과보고서 요약문...4
• Project Summary...5
• 목차...6
• 제1장 서론...7
• 1. 연구목적 및 필용성...7
• 2. 연구내용 및 방법...7
• 제2장 국내.외 기술개발 현황...13
• 1. 질병진단용 나노바이오센서의 종류 및 개발 현황 분석...13
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...20
• 1. 전통적 개념의 바이오 센서에 적용되어온 평가 방법 및 기준...20
• 2. 비효소형 나노바이오 센서의 안정성 평가...23
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...30
• 제5장 연구개발길과의 활용성과 및 계획...31
• 가. 계량적 성과...31
• 나. 발표내용...31
• 다. 활용계획...31
• 제6장 기타 중요변경사항...32
• 제7장 참고문헌...33
• 제8장 부록...34
• 총괄 연구과제 요약...49