KR101328485B1 - 당 검출을 위한 바이오 센서소자 제조방법, 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법 - Google Patents

당 검출을 위한 바이오 센서소자 제조방법, 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법 Download PDF

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Abstract

바이오 센서소자 제조방법 및 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법을 제공된다. 본 바이오 센서소자 제조방법에 따르면, 메탈로이드 폴리머 나노복합물 상에 친수성 분자막을 고정화시키고, 산화 그래핀의 공유결합을 유도하여 화합물을 생성하며, 화합물 상에 포도당 산화 효소를 수식(修飾, modification)하여 바이오 센서 소자를 제조할 수 있게 되어, 혈당 검출의 수율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

당 검출을 위한 바이오 센서소자 제조방법, 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법{Method for making bio sensor element to detect glucose, bio sensor element and method for detecting glucose}
본 발명은 바이오 센서소자 제조방법, 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전기화학 방식을 이용한 바이오 센서소자 제조방법, 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법에 관한 것이다.
혈당 바이오센서는 전체 바이오센서 시장의 80%를 차지하고 있어, 기술개발의 중요성이 매우 높다. 혈당센서는 포도당을 산화시키는 포도당 산화효소(GOx)를 폴리아크릴아미드 겔 막에 포괄 고정화시켜 이 막을 격막 센서 전극 위에 부착시켜서 만든 최초의 센서를 바탕으로 현재까지 끊임없이 발전해 왔다.
포도당을 측정하기 위해, GOx가 반응과 관련하여 소모된 산소, 글루코닉산(gluconic acid) 생성에 의한 pH 변화, H2O2를 측정하는 방식이 있다. 혈당센서에 사용되는 효소인 GOx는 쉽고 값싸게 구할 수 있으며, 다른 효소에 비하여 pH, 이온강도, 온도에 대해 안정하며, 포도당을 산화시키는 최적조건이 사람 혈액 속의 포도당 농도와 일치한다는 이유 때문에 이를 이용한 혈당센서가 산업적으로 크게 성공했다.
혈당측정기술은 혈구와 혈장을 분리하여 측정해야 했던 1세대 기술에서 발전하여 혈액을 닦아내거나 혈구를 제거할 필요가 없는 2세대 기술로 발전해 왔다. 2세대 혈당측정기술은 크게 전기화학법(electrochemical method)과 광도법(photometric method)으로 나눌 수 있다. 전기화학법과 광도법 모두 기본적으로 포도당과 반응하여 포도당을 산화시킬 수 있는 산화효소를 사용하고 있다.
광도법 혈당 바이오센서는 포도당이 산화될 때 색의 변화를 가져오는 색소원을 사용하여 색의 변화 정도를 광도계를 사용하여 빛의 반사도 또는 투과도를 측적하여 정량한다. 광도법을 이용한 바이오센서는 전기화학법에 비해 상대적으로 많은 양의 혈액을 필요로 하여, 전기화학법에 비해 경쟁력이 떨어지고 있는 추세이다.
전기화학 방식 혈당 바이오센서는 포도당이 산화될 때 산소 또는 산화된 매개체가 과산화수소 또는 환원된 매개체로 바뀌고 다시 산화되어 원래의 산화된 형태로 되돌아 올 때 발생하는 전자를 전극을 이용하여 흐르는 전류를 측정하여 포도당을 정량한다. 광도법과 비교하여 부가가치가 높고, 적은 혈액으로도 혈당을 측정할 수 있는 장점이 있어 대부분의 기업들이 전기화학적 바이오센서 개발에 주력하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 메탈로이드 폴리머 나노복합물(MPNC : Metalloid Polymer NanoComposites) 상에 친수성 분자막을 고정화시키고, 산화 그래핀(GO : Graphene Oxide)의 공유결합을 유도하여 화합물을 생성하며, 화합물 상에 포도당 산화 효소(GOX : Glucose Oxidase)를 수식(修飾, modification)하는 바이오 센서소자 제조방법 및 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오 센서소자 제조방법은, 메탈로이드 폴리머 나노복합물(MPNC : Metalloid Polymer NanoComposites) 상에 친수성 분자막을 고정화시키는 단계; 상기 친수성 분자막이 고정된 메탈로이드 폴리머 나노복합물과 산화 그래핀(GO : Graphene Oxide)의 공유결합을 유도하여 화합물을 생성하는 단계; 및 상기 화합물 상에 포도당 산화 효소(GOX : Glucose Oxidase)를 수식(修飾, modification)하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 메탈로이드 폴리머 나노복합물은, PEG(PolyEthylene Glycol)-SiO2@Ag 일 수도 있다.
또한, 상기 친수성 분자막은 3-APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane)이고, 상기 고정화 단계는, 상기 PEG-SiO2@Ag 상에 3-APTES를 고정화시켜 PEG-SiO2@Ag/APTES를 생성할 수도 있다.
그리고, 상기 화합물 생성단계는, 상기 PEG-SiO2@Ag/APTES과 산화 그래핀(GO : Graphene Oxide)의 공유결합을 유도하여 PEG-SiO2@Ag-GO 화합물을 생성할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른, 당 검출방법은 상술된 제조방법으로 제조된 바이오 센서소자를 이용하여 포도당 또는 뇨당을 검출한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오 센서소자는 상술된 제조방법으로 제조된 포도당 또는 뇨당을 검출한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 메탈로이드 폴리머 나노복합물 상에 친수성 분자막을 고정화시키고, 산화 그래핀의 공유결합을 유도하여 화합물을 생성하며, 화합물 상에 포도당 산화 효소를 수식(修飾, modification)하는 바이오 센서소자 제조방법 및 이를 이용한 바이오 센서 소자 및 당 검출방법을 제공할 수 있게 되어, 혈당 검출의 수율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본발명의 일 실시예에 따른, 바이오 센서소자 제조방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, PEG-SiO2@Ag/APTES를 생성하는 과정에 대해 도시된 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PEG-SiO2@Ag-GO 화합물(A-GO 화합물)을 생성하는 과정에 대해 도시된 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, PEG-SiO2@Ag-GO 화합물을 이용하여 제조된 바이오 센서를 이용하여 포도당을 검출한 과정과 기존의 GO를 이용하여 제조된 바이오 센서를 이용하여 포도당을 검출한 결과를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른, 전기화학식 센싱을 이용한 결과를 표시한 그래프를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, Au-PCB/A-GO/GOX 를 사용하여 조건 별 전류 변화 특성을 살펴본 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, A-GO/GOX 소자를 이용하여 배뇨 내의 당의 농도를 측정한 결과 그래프를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본발명의 일 실시예에 따른, 바이오 센서소자 제조방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
먼저, 메탈로이드 폴리머 나노복합물(MPNC : Metalloid Polymer NanoComposites) 상에 친수성 분자막을 고정화시킨다(S110). 이 때, 메탈로이드 폴리머 나노복합물은 PEG(PolyEthylene Glycol)-SiO2@Ag(이하에서, A로 표시)가 될 수 있다. 그리고, 친수성 분자막은 3-APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane)이다.
구체적으로, PEG-SiO2@Ag 상에 3-APTES를 고정화시킴으로써 PEG-SiO2@Ag/APTES를 생성하게 된다.
이와 같은 과정은 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, PEG-SiO2@Ag/APTES를 생성하는 과정에 대해 도시된 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, PEG-SiO2@Ag 상에 3-APTES를 고정화시킴으로써 PEG-SiO2@Ag/APTES가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
그 후에, 친수성 분자막이 고정된 메탈로이드 폴리머 나노복합물과 산화 그래핀(GO : Graphene Oxide)의 공유결합을 유도하여 화합물을 생성한다(S120). 구체적으로, PEG-SiO2@Ag/APTES과 산화 그래핀(GO : Graphene Oxide)의 공유결합을 유도함으로써 PEG-SiO2@Ag-GO 화합물(A-GO 화합물)을 생성하게 된다.
이와 같은 A-GO 화합물의 생성 과정은 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PEG-SiO2@Ag-GO 화합물(A-GO 화합물)을 생성하는 과정에 대해 도시된 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, PEG-SiO2@Ag/APTES과 산화 그래핀(GO : Graphene Oxide)의 공유결합을 유도함으로써 PEG-SiO2@Ag-GO 화합물을 생성할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 도 3에는 PEG-SiO2@Ag-GO 화합물의 분자구조가 표시된 사진을 확인할 수 있다.
그 후에, A-GO 화합물 상에 포도당 산화 효소(GOX : Glucose Oxidase)를 수식(修飾, modification)한다(S130).
이와 같은 과정을 통해, 당 검출을 위한 바이오 센서소자를 제조할 수 있게 된다. 그리고, 이와 같은 제조방법으로 제조된 바이오 센서소자를 이용하여 포도당 또는 뇨당을 검출할 수 있게 된다. 또한, 이와 같은 제조방법으로 제조된 바이오 센서소자를 이용하여 포도당 또는 뇨당을 검출할 수 있게 된다.
이와 같이, A-GO 화합물을 이용하여 당 검출을 위한 바이오 센서소자를 제조할 경우, 높은 수율로 당을 검출할 수 있게 된다. 이하에서는, 이와 같은 효과에 대해 다양한 실험 결과를 참고하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, PEG-SiO2@Ag-GO 화합물을 이용하여 제조된 바이오 센서를 이용하여 포도당을 검출한 과정과 기존의 GO를 이용하여 제조된 바이오 센서를 이용하여 포도당을 검출한 결과를 도시한 도면이다.
도 4에서 위쪽에 도시된 과정은 기존의 GO를 이용하여 당 검출을 위한 바이오 센서소자를 제조하는 과정을 도시한 것이다. 그리고, 도 4에서 아래쪽에 도시된 과정이 본 발명의 일 실시예에 따른, A-GO 화합물을 이용하여 당 검출을 위한 바이오 센서소자를 제조하는 과정을 도시한 결과이다.
도 4의 오른쪽에 도시된 그래프와 같이, 검출된 포도당의 농도 정량에 있어서 서로 차이가 있음을 확인할 수 있으며, 본 실시예에 따른 A-GO 화합물을 이용하여 생성된 바이오센서를 이용하는 경우 전류 변화가 뚜렷한 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른, 전기화학식 센싱을 이용한 결과를 표시한 그래프를 도시한 도면이다.
도 5의 (a)는 PBS 용액 내에서 Au-PCB, GO, A-GO 화합물의 CV 전류 특성을 도시한 도면이다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, A-GO 화합물이 피크가 명확하고 cyclic 특성이 나오는 것을 확인할 수 있다.
도 5의 (b)는 A-GO 화합물의 전압별 전류 특성을 도시한 도면이다. 그리고, 도 5의 (c)는 그래프 (b)의 전압별 피크값이 선형임을 나타내는 그래프이다. 그리고, 도 5의 (d)는 Au-PCB, GO, A-GO 화합물에 GOx를 수식한 후의 전류특성을 도시한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, Au-PCB, GO를 이용하는 경우에 비하여, A-GO를 이용하였을 때 cyclic 특성이 가장 잘 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, A-GO를 이용한 경우가 cyclic 특성을 이용하여 당 검출의 수율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, Au-PCB/A-GO/GOX 를 사용하여 조건 별 전류 변화 특성을 살펴본 그래프이다. 도 6의 (a)는 전압에 따른 변화값을 (b)는 PBS 내에서 20mM 농도의 포도당에 대한 변화값, 마지막으로 (c)는 글루코오스 농도별 전류 변화값과 calibration 값 (d)를 보여주고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, A-GO/GOX 소자를 이용하여 배뇨 내의 당의 농도를 측정한 결과 그래프를 도시한 도면이다. 도 7의 그래프는 실제 환자 샘플을 이용하여 측정하였다. 도 7의 (a) ~ (e)는 5명의 환자 샘플에 적용한 결과를 도시하고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 농도가 증가할 수록 (10, 60, 160 uL) 전류값이 상대적으로 감소하는 것을 관찰할 수 있다.
이와 같은 특헝을 통해, A-GO를 이용한 바이오 센서 소자는 당 농도를 측정할 수 있게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (6)

  1. 나노복합물 상에 친수성 분자막을 고정화시키는 단계;
    상기 친수성 분자막이 고정된 나노복합물과 그래핀의 공유결합을 유도하여 화합물을 생성하는 단계; 및
    상기 화합물 상에 당 산화 효소를 수식(修飾, modification)하는 단계;를 포함하는 바이오 센서소자 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노복합물은,
    PEG(PolyEthylene Glycol)-SiO2@Ag 인 것을 특징으로 하는 바이오 센서소자 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 친수성 분자막은 3-APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane)이고,
    상기 고정화 단계는,
    상기 PEG-SiO2@Ag 상에 3-APTES를 고정화시켜 PEG-SiO2@Ag/APTES를 생성하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서소자 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 화합물 생성단계는,
    상기 PEG-SiO2@Ag/APTES과 산화 그래핀(GO : Graphene Oxide)의 공유결합을 유도하여 PEG-SiO2@Ag-GO 화합물을 생성하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서소자 제조방법.
  6. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 바이오 센서소자.
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