KR101188172B1 - Electrochemical biosensor and method of fabricating the same - Google Patents

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송민정
황성우
황동목
임대순
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 금속 나노입자가 증착된 그래핀 시트의 다이아몬드 박막 전극을 이용한 전기화학적 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오센서는, 기판; 효소 반응이 발생되는 작업전극 및 상기 작업전극과의 전기적 출력 차이를 검출하기 위한 상대전극을 포함하는 전기화학적 바이오센서로서, 상기 작업전극은, 불순물 도핑된 다이아몬드층; 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 형성된 그래핀층; 및 상기 그래핀층 상에 형성된 금속 나노입자층을 포함하는 것이 특징이다.The present invention relates to an electrochemical biosensor using a diamond thin film electrode of a graphene sheet on which metal nanoparticles are deposited, and a method of manufacturing the same. Biosensor according to the invention, the substrate; An electrochemical biosensor comprising a working electrode for generating an enzyme reaction and a counter electrode for detecting a difference in electrical output from the working electrode, wherein the working electrode comprises: an impurity doped diamond layer; A graphene layer formed on the impurity doped diamond layer; And a metal nanoparticle layer formed on the graphene layer.

Description

전기화학적 바이오센서 및 그 제조방법{Electrochemical biosensor and method of fabricating the same}Electrochemical biosensor and method of fabricating the same

본 발명은 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작업전극의 감도가 향상되도록 전극 물질을 개선한 전기화학적 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an electrochemical biosensor and a method of manufacturing the electrode material improved to improve the sensitivity of the working electrode.

종래의 바이오센서에는 기판에 특정한 물질을 고정하고, 그에 특이적으로 결합하는 표적 물질을 결합시킴으로써 표적 물질을 검출 또는 분석하는 다양한 바이오센서들이 알려져 있었다. 특히, 이러한 바이오센서 중에서도 효소(enzyme)를 사용하여 효소-기질 간의 전기화학적 반응으로부터 야기되는 전기적 신호를 검출하기 위한 여러 가지 전기화학적 바이오센서들이 알려져 있으며, 이는 혈중 포도당 농도 및 혈중 콜레스테롤 농도와 같은 수치들을 비교적 정밀하게 측정하는 것을 가능하게 한다.In the conventional biosensors, various biosensors are known that detect or analyze a target substance by fixing a specific substance to a substrate and binding a target substance that specifically binds to the substrate. In particular, among these biosensors, a variety of electrochemical biosensors are known for detecting electrical signals resulting from an electrochemical reaction between enzymes and substrates using enzymes, such as blood glucose levels and blood cholesterol levels. Makes it possible to measure them relatively precisely.

특히, 혈중 포도당 농도를 측정하기 위한 바이오센서에 대한 연구가 광범위하게 수행되고 있으며, 이는 하기와 같은 원리에 의해서 혈중 포도당 농도를 측정하게 된다. 즉, 작업전극 상에 포도당을 산화시킬 수 있는 효소인 글루코오스 산화효소(glucose oxidase, GOx)를 고정시키고, 상기 글루코오스 산화효소는 측정 시료 중의 포도당을 글루콘산(gluconic acid)으로 전환시키면서 그 자신은 환원형 글루코오스 산화효소로 변화하게 된다. 상기 환원된 글루코오스 산화효소는 다시 산소와 반응하여 과산화수소를 발생시키거나 또는 전자전달 매개체를 환원형으로 전환시키게 되는데, 이러한 과산화수소 또는 환원형 전자전달 매개체의 재산화 과정에서 측정되는 산화 전류 등을 측정함으로써 혈중 포도당 농도를 측정할 수 있게 된다. In particular, research on a biosensor for measuring blood glucose concentration has been extensively performed, which measures blood glucose concentration according to the following principle. That is, glucose oxidase (GOx), which is an enzyme capable of oxidizing glucose, is immobilized on the working electrode, and the glucose oxidase converts glucose in the measurement sample into gluconic acid and reduces itself. To glucose glucose oxidase. The reduced glucose oxidase again reacts with oxygen to generate hydrogen peroxide or to convert the electron transfer mediator to a reduced type, by measuring the oxidation current measured during the reoxidation of the hydrogen peroxide or the reduced electron transfer mediator. Blood glucose levels can be measured.

기존의 바이오센서는 전극 표면 처리를 통한 감도 향상에 중점을 두고 개발되고 있다. 그러나, 암과 같이 질환들 중에는 단분자 물질까지도 검출이 불가피한 경우도 있다. 따라서, 다양한 질병에 대한 정확한 진단을 위해서는 고감도 못지않게 미량의 농도 검출과 재현성도 센서 개발에 있어 중요한 요소들이다. Existing biosensors have been developed with an emphasis on sensitivity improvement through electrode surface treatment. However, in some diseases such as cancer, even a single molecule substance is unavoidable. Therefore, for the accurate diagnosis of various diseases, the detection of trace concentrations and reproducibility, as well as high sensitivity, are important factors in the development of the sensor.

보론이 도핑된 다이아몬드 박막을 센서 전극으로 이용하는 연구가 시도되고 있다. 다이아몬드는 생체 적합성 뿐 아니라, 화학 안정성, 열 전도성, 견고성, 광학적 특성이 우수하다. 그러나 다이아몬드 자체는 전기적 전류 전도가 안 되는 절연체이기 때문에, 보론을 도핑함으로써 반도체의 특성을 보인다. 보론이 도핑된 다이아몬드 박막 전극은 높은 신호-잡음비와 오랜 안정성, 높은 감도, 좋은 재현성을 보이기 때문에, 기존 금이나 백금 등의 전극을 사용할 때보다 더 낮은 농도까지 검출이 가능하다. 그런데, 보론이 도핑된 다이아몬드 박막은 소수성을 띄므로, 친수성의 생체 물질과 결합이 쉽지 않아 그에 따른 표면 처리 기술이 요구된다. Research using a boron-doped diamond thin film as a sensor electrode has been attempted. In addition to biocompatibility, diamond has excellent chemical stability, thermal conductivity, robustness and optical properties. However, because diamond itself is an insulator that does not conduct electrical current, it exhibits the characteristics of a semiconductor by doping boron. The boron-doped diamond thin film electrode has high signal-to-noise ratio, long-term stability, high sensitivity, and good reproducibility, so it can detect a lower concentration than using an electrode such as gold or platinum. However, since the boron-doped diamond thin film is hydrophobic, it is not easy to be combined with a hydrophilic biomaterial and thus requires a surface treatment technique.

현재까지 주로 연구된 표면 처리 방법은 대부분 화학 물질을 이용하는 방법으로, 복잡하고 제한적이며 처리 시간이 길다. 이러한 이유 때문에 아직까지 보론이 도핑된 다이아몬드 박막을 바이오센서에 적용한 사례는 많지 않다. 따라서 쉽고 보편적인 표면 처리 기술이 요구된다. Most of the surface treatment methods studied so far are mostly chemicals, which are complicated, limited, and have a long processing time. For this reason, there are not many cases where boron-doped diamond thin films have been applied to biosensors. Therefore, there is a need for an easy and universal surface treatment technique.

또한, 전극 표면에 고정화되는 바이오물질의 양은 바이오센서의 감도에 영향을 미치는 중요한 요인들 중에 하나로, 이러한 물질들을 고정화할 수 있는 유효 면적 또한 고감도 센서 개발에 중요한 인자이다. 이러한 문제점들을 극복하고자 우수한 물성의 나노 물질들의 개발과 이들을 이용한 센서 개발이 요구되고 있다.In addition, the amount of biomaterials immobilized on the electrode surface is one of the important factors affecting the sensitivity of the biosensor, and the effective area to immobilize these materials is also an important factor in the development of high sensitivity sensors. In order to overcome these problems, development of nanomaterials having excellent physical properties and development of sensors using them are required.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 고감도이면서 저농도 물질까지 검출이 가능하고 좋은 재현성을 갖는 바이오센서 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a biosensor capable of detecting high sensitivity and low concentrations of substances and having good reproducibility, and a method of manufacturing the same.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 바이오센서는, 기판; 효소 반응이 발생되는 작업전극 및 상기 작업전극과의 전기적 출력 차이를 검출하기 위한 상대전극을 포함하는 전기화학적 바이오센서로서, 상기 작업전극은, 불순물 도핑된 다이아몬드층; 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 형성된 그래핀층; 및 상기 그래핀층 상에 형성된 금속 나노입자층을 포함하는 것이 특징이다.In order to solve the above technical problem, the biosensor according to the present invention, the substrate; An electrochemical biosensor comprising a working electrode for generating an enzyme reaction and a counter electrode for detecting a difference in electrical output from the working electrode, wherein the working electrode comprises: an impurity doped diamond layer; A graphene layer formed on the impurity doped diamond layer; And a metal nanoparticle layer formed on the graphene layer.

본 발명에 따른 바이오센서는, 상기 금속 나노입자층 상에 글루코오스 산화효소(glucose oxidase)를 포함하는 효소 반응 물질층을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속 나노입자층은 백금 나노입자층인 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 그래핀층과 금속 나노입자층은 금속 나노입자가 증착된 그래핀 시트(sheet)이다.The biosensor according to the present invention may further include an enzyme reaction material layer including glucose oxidase on the metal nanoparticle layer, and the metal nanoparticle layer is preferably a platinum nanoparticle layer. Preferably, the graphene layer and the metal nanoparticle layer are graphene sheets on which metal nanoparticles are deposited.

본 발명에 따른 바이오센서 제조방법에서는 불순물 도핑된 다이아몬드층을 형성하는 단계; 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀층 상에 금속 나노입자층을 형성하는 단계를 포함하여 작업전극을 형성하게 된다.In the biosensor manufacturing method according to the present invention, the method comprises: forming an impurity doped diamond layer; Forming a graphene layer on the impurity doped diamond layer; And forming a metal nanoparticle layer on the graphene layer to form a working electrode.

특히, 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층을 형성하는 단계는, 기판 상에 다이아몬드 나노결정 씨드를 코팅하는 단계; 및 B2H6, CH4 및 H2 가스를 이용해 상기 기판 상에 보론 도핑된 다이아몬드층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 다이아몬드 나노결정 씨드를 코팅하는 단계는, 다이아몬드 나노결정을 PSS[poly sodium 4-styrene sulfonate] 수용액에 분산시키는 단계; 상기 기판으로 열산화된 실리콘 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판을 상기 다이아몬드 나노결정이 분산된 수용액 중에 침지한 후 세척하는 단계를 포함할 수 있다. In particular, forming the impurity doped diamond layer comprises coating a diamond nanocrystalline seed on a substrate; And depositing a boron doped diamond layer on the substrate using B 2 H 6 , CH 4, and H 2 gases. In this case, coating the diamond nanocrystal seed may include dispersing the diamond nanocrystals in an aqueous poly sodium 4-styrene sulfonate] solution; Preparing a silicon substrate thermally oxidized to the substrate; And immersing the substrate in an aqueous solution in which the diamond nanocrystals are dispersed, and then washing the substrate.

상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 그래핀층을 형성하는 단계는, 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 그래핀 시트를 부착하는 것일 수 있고, 상기 그래핀층 상에 금속 나노입자층을 형성하는 단계는, 상기 그래핀층이 형성된 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층을 타겟 금속의 수용액 속에 침지하여 전기화학적인 방법으로 상기 그래핀층 상에 상기 금속의 나노입자를 증착하는 것임이 바람직하다. 특히, 상기 그래핀층이 형성된 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층을 K2PtCl6을 포함하는 수용액 속에 침지하여 -0.6V의 정전위를 가하는 전기화학적인 방법으로 상기 그래핀층 상에 백금 나노입자를 증착하는 것이 바람직하다.The forming of the graphene layer on the impurity doped diamond layer may include attaching a graphene sheet on the impurity doped diamond layer, and the forming of the metal nanoparticle layer on the graphene layer may include: Preferably, the impurity doped diamond layer having the pinned layer is immersed in an aqueous solution of the target metal to deposit nanoparticles of the metal on the graphene layer by an electrochemical method. In particular, depositing platinum nanoparticles on the graphene layer by an electrochemical method of immersing the impurity-doped diamond layer on which the graphene layer is formed in an aqueous solution containing K 2 PtCl 6 and applying a potential of -0.6V. desirable.

본 발명에 따른 바이오센서는 작업전극의 표면적이 넓고, 전기전도도 성질이 우수하여 효소 물질의 고정화 양을 높일 수 있고, 검출 민감도를 증대시키는 것이 가능하다. 소량의 원료만으로도 정확한 측정치를 얻을 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 저농도까지 검출할 수 있는 빠른 감응시간을 갖는 고감도의 전기화학적 바이오센서를 높은 재현성으로 제조할 수 있다. The biosensor according to the present invention has a large surface area of the working electrode, excellent electrical conductivity, and can increase the amount of immobilization of the enzyme material and increase the detection sensitivity. Accurate measurements can be obtained with only a small amount of raw material. In addition, according to the present invention, a highly sensitive electrochemical biosensor having a fast response time capable of detecting low concentrations can be manufactured with high reproducibility.

특히 본 발명에 따라 제조하는 백금 나노입자가 증착된 그래핀 시트의 다이아몬드 박막 전극의 유효 전극 면적은 1.463 cm2으로, 표면 처리 전 전극의 유효면적(0.415 cm2)에 비하여 약 3.53 배 증가되었다. 감도는 17.1 μA/mM로, 1.98 μM - 1.95 mM의 비교적 넓은 농도 범위에서 선형성을 보이며, 0.14 μM의 검출한계로 상당히 낮은 농도에서도 검출이 가능하였다. 그래핀 시트가 없는 보론이 도핑된 다이아몬드 박막 위에 백금 나노입자를 분산시킨 경우의 감도는 4.94 μA/mM에 불과하여, 본 발명에 따른 바이오센서에서의 그래핀층의 효과를 확인할 수 있다. In particular, the effective electrode area of the diamond thin film electrode of the graphene sheet on which the platinum nanoparticles prepared according to the present invention is 1.463 cm 2 , which is about 3.53 times higher than the effective area (0.415 cm 2 ) of the electrode before the surface treatment. The sensitivity was 17.1 μA / mM, showing linearity over a relatively wide concentration range of 1.98 μM to 1.95 mM, and detection at a significantly lower concentration with a detection limit of 0.14 μM. When the platinum nanoparticles are dispersed on a boron-doped diamond thin film without a graphene sheet, the sensitivity is only 4.94 μA / mM, and thus the effect of the graphene layer on the biosensor according to the present invention can be confirmed.

뿐만 아니라, 기존 다이아몬드 전극을 이용한 글루코오스 센서들은 단지 다이아몬드 전극에 약품 처리로 표면 기능화한 후 효소를 고정화한 형태로, 본 발명에 따른 바이오센서는 이들보다 약 171배 정도의 감도 향상을 보였다. In addition, glucose sensors using the conventional diamond electrode is a form in which the enzyme is immobilized after surface functionalization by chemical treatment only on the diamond electrode, the biosensor according to the present invention showed a sensitivity improvement of about 171 times.

즉, 본 발명에서는 보론이 도핑된 다이아몬드 박막과 백금 나노입자가 증착된 그래핀 시트를 접목함으로써 시너지 효과로 전극 면적 증가, 감도 향상, 낮은 검출 한계 등 센서의 성능을 향상시킨다. 백금 나노입자는 표면적을 증가시키고 그래핀은 전기 전도도가 높아 센서의 감도를 높이고 산화환원 효소와 전극 표면간의 직접적인 전자 이동을 촉진한다. 또한 다이아몬드 박막은 용량성 전류가 낮으므로 이를 이용한 바이오센서는 저농도의 분석물질도 검출할 수 있다. That is, in the present invention, by synthesizing the graphene sheet on which the boron-doped diamond thin film and the platinum nanoparticles are deposited, the synergy effect improves the performance of the sensor such as an electrode area increase, sensitivity improvement, and low detection limit. Platinum nanoparticles increase the surface area and graphene has high electrical conductivity, which increases the sensitivity of the sensor and promotes direct electron transfer between the redox enzyme and the electrode surface. In addition, the diamond thin film has a low capacitive current, so the biosensor using the same can detect low concentrations of analytes.

도 1은 본 발명에 따른 바이오센서에 대한 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오센서의 작업전극 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 개선된 작업전극을 만드는 과정의 개략도이다.
도 4는 본 발명 실험예에 따라 다양한 전위에서 그래핀층 위에 전기증착되는 백금 나노입자들의 SEM 사진들이다.
도 5는 본 발명과 비교예에 따른 바이오센서에 대한 상대적인 CV 응답 특성을 보인다.
도 6은 본 발명과 비교예에 따른 바이오센서에 대한 I p (피크전류)와 v 1/2(스캔 속도1/2)의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명과 비교예에 따른 바이오센서에서 전류 변화와 글루코오스 농도의 상관관계를 보여주는 그래프이다.
1 is a plan view of a biosensor according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of the working electrode of the biosensor according to the present invention.
3 is a schematic diagram of a process for making an improved working electrode according to the present invention.
4 are SEM images of platinum nanoparticles electrodeposited on a graphene layer at various potentials according to the experimental example of the present invention.
Figure 5 shows the relative CV response characteristics for the biosensor according to the present invention and the comparative example.
6 is a graph showing the relationship between I p (peak current) and v 1/2 (scan rate 1/2 ) for the biosensor according to the present invention and the comparative example.
7 is a graph showing the correlation between the current change and the glucose concentration in the biosensor according to the present invention and the comparative example.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 층이 개재되어질 수 있다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the biosensor according to the present invention and a method for manufacturing the same. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Therefore, the shapes and the like of the elements in the drawings are exaggerated in order to emphasize a clearer description, and elements denoted by the same symbols in the drawings denote the same elements. In addition, where a layer is described as being "on" another layer or substrate, the layer may exist in direct contact with the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. Can be.

도 1에는 본 발명에 따른 바이오센서에 대한 평면도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오센서(100)는 기판(10), 작업전극(20), 기준전극(30) 및 상대전극(40)을 포함한다. 1 is a plan view of a biosensor according to the present invention. Referring to FIG. 1, the biosensor 100 according to the present invention includes a substrate 10, a working electrode 20, a reference electrode 30, and a counter electrode 40.

본 발명에서 사용하는 기판(10)은 유리(glass), 석영(quartz), Al2O3 , SiC 등의 투명한 무기물 기판, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PS(폴리스티렌), PI(폴리이미드), PVC(폴리염화비닐), PVP(poly vinyl pyrrolidone), PE(폴리에틸렌) 등의 투명한 유기물 기판 또는 Si, GaAs, InP, InSb, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, CdSe, CdSb, GaP 등의 반도체용 기판을 사용할 수 있다. 공정상, 기판(10) 위에 고온의 증착 방법으로 전극 등을 형성하는 경우에는 고온에도 견딜 수 있는 반도체용 기판이 바람직하다. The substrate 10 used in the present invention is a transparent inorganic substrate such as glass, quartz, Al 2 O 3 , SiC, PET (polyethylene terephthalate), PS (polystyrene), PI (polyimide), Transparent organic substrates such as PVC (polyvinyl chloride), PVP (poly vinyl pyrrolidone) and PE (polyethylene) A substrate for use can be used. In the case of forming an electrode or the like on the substrate 10 by a high temperature deposition method on the substrate 10, a semiconductor substrate that can withstand high temperatures is preferable.

작업전극(20)은 검출 대상이 되는 물질과의 효소 반응을 수행한다. 상대전극 (40)은 상기 작업전극(20)과의 전기적 출력 차이를 검출한다. 전기화학적 측정을 위해 기준전극(30)도 구비될 수 있다. 기준전극(30)은 염화은전극, 칼로멜전극(SCE), 황산수은(I) 전극일 수 있다. 기준전극(30)과 작업전극(20), 또는 기준전극(30)과 상대전극(40)으로 셀을 구성하여 그 기전력을 측정하면, 기준전극(30)의 전위는 이미 알고 있으므로 측정하는 다른 전극의 전위를 알 수 있다. The working electrode 20 performs an enzyme reaction with a substance to be detected. The counter electrode 40 detects a difference in electrical output from the working electrode 20. Reference electrode 30 may also be provided for electrochemical measurement. The reference electrode 30 may be a silver chloride electrode, a calomel electrode (SCE), or a mercury sulfate (I) electrode. When the cell is composed of the reference electrode 30 and the working electrode 20, or the reference electrode 30 and the counter electrode 40, and the electromotive force is measured, the potential of the reference electrode 30 is already known. The potential of is known.

작업전극(20), 기준전극(30) 및 상대전극(40)은 각각의 전극 패드(27, 37, 47)와 도선(25, 35, 45)으로 연결되어 있다. 실질적으로 전극 패드(27, 37, 47)는 도선(25, 35, 45)과 일체형이어서 도선(25, 35, 45)의 연장 부분이 되므로, 그 재질 및 두께는 서로 동일할 수 있다. 전극 패드(27, 37, 47) 반대편의 도선(25, 35, 45) 연장부는 각각 작업전극(20), 기준전극(30) 및 상대전극(40)의 일부를 이루는 것으로 구성할 수도 있다. 도선(25, 35, 45)의 재료로는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등의 희귀금속(noble metal)을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 희귀금속은 전극 표면 영역에 있어 안정성 및 재현성이 우수하고 산화되기 어려운 성질 등, 전기화학적 성질이 우수하기 때문이다. 상기 도선(25, 35, 45)의 두께는 기판(10)과의 접착성 및 경제성 등을 고려하여 적절하게 조절될 수 있으며, 대략 100nm 내외의 두께로 할 수 있다. The working electrode 20, the reference electrode 30, and the counter electrode 40 are connected to the electrode pads 27, 37, 47 and the conductive wires 25, 35, and 45, respectively. Since the electrode pads 27, 37, 47 are substantially integrated with the conductive wires 25, 35, and 45 to be extended portions of the conductive wires 25, 35, and 45, the materials and thicknesses thereof may be the same. The extension portions 25, 35, and 45 opposite the electrode pads 27, 37, and 47 may form part of the working electrode 20, the reference electrode 30, and the counter electrode 40, respectively. It is preferable to use noble metals such as palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au) and silver (Ag) as materials for the conductive wires 25, 35 and 45. This is because the electrochemical properties such as stability and reproducibility are excellent in the electrode surface region and properties that are difficult to oxidize are excellent. The conductive wires 25, 35, and 45 may be appropriately adjusted in consideration of adhesion to the substrate 10 and economical efficiency, and may be approximately 100 nm thick.

본 발명은 특히 작업전극(20) 물질을 개선한다. 도 2는 작업전극(20)의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 작업전극(20)은 불순물 도핑된 다이아몬드층(12), 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층(12) 상에 형성된 그래핀층(14), 상기 그래핀층(14) 상에 형성된 금속 나노입자층(16), 그리고 효소 반응 물질층(18)을 포함한다. The present invention particularly improves the working electrode 20 material. 2 is a cross-sectional view of the working electrode 20. Referring to FIG. 2, the working electrode 20 includes an impurity doped diamond layer 12, a graphene layer 14 formed on the impurity doped diamond layer 12, and a metal nano formed on the graphene layer 14. A particle layer 16, and an enzyme reactant layer 18.

불순물 도핑된 다이아몬드층(12)은 기존의 금이나 은 등의 금속 전극에 비하여 높은 신호-잡음비와 오랜 안정성, 높은 감도, 좋은 재현성을 보인다. 그리고, 불순물 도핑된 다이아몬드층(12)은 용량성 전류가 낮으므로 이를 이용한 바이오센서(100)는 저농도의 분석물질도 검출할 수 있다. 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층(12)은 도전성, 접착성 및 경제성 등을 고려하여 적당한 두께로 적층된다. The impurity doped diamond layer 12 exhibits a high signal-to-noise ratio, long-term stability, high sensitivity, and good reproducibility compared to conventional metal electrodes such as gold and silver. In addition, since the impurity doped diamond layer 12 has a low capacitive current, the biosensor 100 using the same may detect a low concentration of analyte. The impurity doped diamond layer 12 is laminated to an appropriate thickness in consideration of conductivity, adhesion, and economics.

본 발명에서는 다이아몬드 박막만을 전극으로 사용할 경우에 대해 표면 처리와 전극 면적을 개선하기 위하여 불순물 도핑된 다이아몬드층(12) 상에 그래핀층(14)과 금속 나노입자층(16)을 형성한다. 바람직하게, 그래핀층(14)과 금속 나노입자층(16)은 금속 나노입자가 증착된 그래핀 시트(sheet)이다. In the present invention, the graphene layer 14 and the metal nanoparticle layer 16 are formed on the impurity doped diamond layer 12 in order to improve the surface treatment and the electrode area when only the diamond thin film is used as the electrode. Preferably, the graphene layer 14 and the metal nanoparticle layer 16 are graphene sheets on which metal nanoparticles are deposited.

그래핀은 탄소원자 한 층으로 만들어진 벌집구조의 2차원 박막을 말한다. 탄소원자는 sp2 혼성궤도에 의해 화학 결합하면 이차원으로 퍼진 탄소 육각망면을 형성한다. 이 평면 구조를 가지는 탄소 원자의 집합체가 그래핀이다. 그래핀은 유연하고 전기 전도도가 매우 높으며 넓은 표면적을 가진다. 그러나, 표면 처리 방법이 복잡하고 제한적이라 바이오센서에 이용하기가 어렵다. Graphene is a honeycomb two-dimensional thin film made of a layer of carbon atoms. When carbon atoms are chemically bonded by sp2 hybrid orbits, carbon atoms form a carbon hexagonal network spread in two dimensions. Graphene is an aggregate of carbon atoms having this planar structure. Graphene is flexible, has very high electrical conductivity and has a large surface area. However, the surface treatment method is complicated and limited, making it difficult to use in biosensors.

본 발명에서는 표면 처리 방법을 보다 쉽고 효과적으로 개선하기 위하여 그래핀층(14) 위에 금속 나노입자층(16)을 형성한다. 일반적으로 금속막 자체는 쉽게 바이오물질들을 변이시켜 그의 활성을 저하시킨다고 알려져 있지만, 본 발명에서 이용하는 금속 나노입자에서는 쉽게 흡착된 바이오물질의 변성이 일어나지 않는다. 따라서, 흡착을 통하여 금속 나노입자층(16) 표면에 많은 양의 바이오물질들을 고정화시킬 수 있다. 금속 나노입자층(16)은 전극 면적과 화학 반응에 의해 생성된 전자 전달을 극대화시킨다. In the present invention, the metal nanoparticle layer 16 is formed on the graphene layer 14 to improve the surface treatment method more easily and effectively. In general, the metal film itself is known to easily change the biomaterials to reduce the activity, but the metal nanoparticles used in the present invention does not change the easily adsorbed biomaterial. Therefore, a large amount of biomaterials may be immobilized on the surface of the metal nanoparticle layer 16 through adsorption. The metal nanoparticle layer 16 maximizes the electron transfer generated by the electrode area and the chemical reaction.

이와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서(100)는 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층(12) 상에 그래핀층(14)과 금속 나노입자층(16)을 형성함으로써, 검출 대상 물질에 대한 감도 향상 및 검출 대상 물질을 산화시키는 효소의 활성 극대화를 도모할 수 있다. 이는 금속 나노입자층(16)이 효소를 보다 안정적으로 고정하며, 그래핀층(14)은 효소 반응 결과물로서 생성된 전자 전달의 속도를 증가시키기 때문에 야기되는 효과인 것으로 판단된다.As described above, the biosensor 100 according to the present invention forms the graphene layer 14 and the metal nanoparticle layer 16 on the impurity doped diamond layer 12, thereby improving sensitivity and detecting the target material. Maximize the activity of enzymes that oxidize substances. This is believed to be the effect caused because the metal nanoparticle layer 16 more stably fixes the enzyme, and the graphene layer 14 increases the rate of electron transfer generated as a result of the enzyme reaction.

효소 반응 물질층(18)은 검출 대상이 되는 시료와 반응하는 효소를 포함한다. 사용되는 효소는 검출하고자 하는 시료에 따라 다양하게 선택될 수 있으며, 예를 들어 글루코오스 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소, 콜레스테롤 산화 효소 등을 검출하고자 하는 시료에 따라 적절히 사용할 수 있다. 특히, 혈중 포도당 또는 글루코오스를 검출하고자 하는 경우에는 글루코오스 산화효소가 사용될 수 있다. The enzyme reactant layer 18 contains an enzyme that reacts with a sample to be detected. The enzyme to be used may be variously selected according to a sample to be detected, and for example, it may be appropriately used according to a sample to detect glucose oxidase, lactic acid oxidase, alcohol oxidase, cholesterol oxidase and the like. In particular, glucose oxidase may be used when blood glucose or glucose is to be detected.

이와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서(100)는 빠른 감응 속도와 저농도까지 감지할 수 있는 고감도의 바이오센서이다.As such, the biosensor 100 according to the present invention is a high sensitivity biosensor capable of detecting fast response speed and low concentration.

이하에서는 이러한 바이오센서를 제조하는 방법과 구체적인 실험 평가 결과에 대해 도면 및 실험예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and experimental examples for a method of manufacturing such a biosensor and specific experimental evaluation results.

도 3은 본 발명에 따라 개선된 작업전극을 만드는 과정의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a process for making an improved working electrode according to the present invention.

우선, 도 3의 (a)에서와 같이 기판(10)을 준비한다. 본 실험예에서 기판(10)은 열산화시킨 실리콘 웨이퍼였다. (100)면을 가지는 실리콘 웨이퍼를 준비하여 열산화 방법으로 1mm 정도 두께의 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하였다. First, the substrate 10 is prepared as shown in FIG. In the present experimental example, the substrate 10 was a silicon wafer thermally oxidized. A silicon wafer having a (100) plane was prepared to form a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of about 1 mm by a thermal oxidation method.

다음에 도 3의 (b)에서와 같이 기판(10) 위에 불순물 도핑된 다이아몬드층(12)으로서 보론 도핑된 다이아몬드 박막(BDD)을 증착한다. 이를 위해, 먼저 기판(10) 위에 다이아몬드 나노결정을 막 증착을 위한 씨드(seed)로 사용하기 위해 고밀도로 코팅한다. 그런 다음, 그 위에 보론 도핑된 다이아몬드 박막을 성장시킨다. Next, as shown in FIG. 3B, a boron-doped diamond thin film BDD is deposited on the substrate 10 as the impurity-doped diamond layer 12. To this end, first, diamond nanocrystals are coated on the substrate 10 in a high density to be used as a seed for film deposition. Then, a boron doped diamond thin film is grown thereon.

구체적으로 다음과 같이 수행되었다. 먼저 1000 rpm으로 5 시간 동안 어트리션 밀(attrition mill)을 이용해 다이아몬드 나노결정을 10 % (v/v) PSS[poly sodium 4-styrene sulfonate(MW: 70,000)] 수용액에 분산시켰다. 사용한 다이아몬드 나노결정은 평균 입자 크기가 3.2nm이었다.Specifically, it was performed as follows. First, diamond nanocrystals were dispersed in an aqueous solution of 10% (v / v) poly sodium 4-styrene sulfonate (MW: 70,000)] using an attrition mill at 1000 rpm for 5 hours. The diamond nanocrystals used had an average particle size of 3.2 nm.

이렇게 하면 음이온성 PSS 사슬로 코팅된 양이온성 다이아몬드 나노결정이 얻어진다. 도 3의 (a)와 같이 준비된 기판(10)을 10% (v/v) PDDA[poly diallyldimethyl ammonium chloride(MW: 400,000~500,000)] 수용액에 30분간 침지한 후 탈이온수로 세척하면 기판(10) 위에 얇은 양이온성 폴리머막을 입힐 수 있다. 이 과정에서 양이온성 폴리머막의 대부분은 기판(10) 위의 산화막에 녹아 기판(10)과 직접적인 정전기적 접합을 하게 된다. 이것과 동일하게, 음이온성 PSS 폴리머로 코팅된 다이아몬드 나노결정은 양이온성 기판(10) 표면에 고밀도로 부착된다.This yields cationic diamond nanocrystals coated with anionic PSS chains. The substrate 10 prepared as shown in FIG. 3 (a) is immersed in 10% (v / v) PDDA [poly diallyldimethyl ammonium chloride (MW: 400,000-500,000)] aqueous solution for 30 minutes, and then washed with deionized water to obtain a substrate (10). ) A thin cationic polymer film can be coated over. In this process, most of the cationic polymer film is dissolved in the oxide film on the substrate 10 to be in direct electrostatic bonding with the substrate 10. Similarly, diamond nanocrystals coated with anionic PSS polymer adhere to the surface of the cationic substrate 10 at high density.

이와 같이 기판(10) 위에 다이아몬드 나노결정을 코팅하여 고밀도 씨드층을 형성한 다음에는 핫 필라멘트 화학기상증착(hot-filament chemical vapor deposition : HFCVD) 방법을 이용해서 보론 도핑된 다이아몬드 박막을 성장시켜 불순물 도핑된 다이아몬드층(12)을 형성한다. 원료 가스인 B2H6, CH4 및 H2 가스의 유량은 각각 0.05sccm, 1sccm, 및 100sccm으로 하였다. 증착은 90 torr 압력과 800℃ 온도 조건에서 5시간 동안 수행하였다. 바로 증착된 상태의 다이아몬드 박막 두께(as-grown thickness)는 약 1 mm이었다. As described above, after the diamond nanocrystals are coated on the substrate 10 to form a high density seed layer, the doped impurities are grown by growing a boron doped diamond thin film using a hot-filament chemical vapor deposition (HFCVD) method. Formed diamond layer 12 is formed. The flow rates of the B 2 H 6 , CH 4, and H 2 gases that are the source gases were 0.05 sccm, 1 sccm, and 100 sccm, respectively. The deposition was carried out for 5 hours at 90 torr pressure and 800 ℃ temperature conditions. The as-grown thickness of the deposited film was about 1 mm.

다음에 도 3의 (c)에서와 같이 불순물 도핑된 다이아몬드층(12) 위에 그래핀층(14)을 형성한다. 본 발명에서는 시트 형상의 그래핀 박막을 불순물 도핑된 다이아몬드층(12) 위에 부착하는 방법을 취한다. Next, the graphene layer 14 is formed on the impurity doped diamond layer 12 as shown in FIG. In the present invention, a method of attaching a sheet-like graphene thin film on the impurity doped diamond layer 12 is adopted.

시트 형상의 그래핀 박막은 다음과 같은 방법으로 얻어졌다. 먼저 실리콘 산화막이 형성된 실리콘 기판 위에 300 nm 이하의 두께를 갖는 니켈층을 이-빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용해 형성하였다. 니켈층은 기상 탄소 공급원으로부터 그래핀을 석출하는 데 촉매 역할을 하게 된다. The sheet-like graphene thin film was obtained by the following method. First, a nickel layer having a thickness of 300 nm or less was formed on a silicon substrate on which a silicon oxide film was formed using an electron-beam evaporator. The nickel layer serves as a catalyst for the precipitation of graphene from the gaseous carbon source.

그런 다음, 아르곤 분위기의 쿼츠 튜브 안에서 기판 온도를 1000℃로 올렸다. 기상 탄소 공급원으로는 메탄(CH4)을 사용하였다. CH4, H2, 및 Ar의 혼합 가스를 50sccm : 65 sccm: 600 sccm의 비로 공급하였다. 이후 상온(25℃)까지 아르곤 스트림(stream)을 이용해 급랭하였다. 냉각 속도는 약 10℃s-1 이다. 이 과정에서 그래핀 박막이 니켈층 위에 성장하였다. 다음에 그래핀 박막을 실리콘 기판으로부터 분리하였다. 1 M FeCl3 용액에 수분간 침지한 후 탈이온수로 린스하면 니켈층이 녹아 그래핀 박막이 분리되면서 용액 위에 부유한다. 이렇게 만든 시트 형상의 그래핀 박막을 불순물 도핑된 다이아몬드층(12) 위로 옮기면 정전기적인 힘에 의해 서로간에 비교적 강한 결합을 하게 된다. Then, the substrate temperature was raised to 1000 ° C. in an argon atmosphere quartz tube. Methane (CH 4 ) was used as the gaseous carbon source. A mixed gas of CH 4 , H 2 , and Ar was fed at a ratio of 50 sccm: 65 sccm: 600 sccm. It was then quenched using an argon stream to room temperature (25 ° C.). The cooling rate is about 10 ° C. −1 . In this process, a graphene thin film was grown on the nickel layer. The graphene thin film was then separated from the silicon substrate. After immersing in 1 M FeCl 3 solution for several minutes and rinsing with deionized water, the nickel layer melts and the graphene thin film is separated and suspended on the solution. When the sheet-like graphene thin film thus formed is transferred onto the impurity doped diamond layer 12, a relatively strong bond is formed between each other by an electrostatic force.

다음, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이, 그래핀층(14) 위에 금속 나노입자층(16)을 형성한다. 본 발명에서는 그래핀층(14)까지 형성된 기판(10)을 20 mM K2PtCl6와 0.5 M H2SO4를 포함하는 3mL 용액 속에서 -0.6V의 정전위를 720초동안 가하여 전기화학적인 방법으로 백금 나노입자를 그래핀층(14) 위에 석출 및 증착하였다.Next, as shown in FIG. 3D, the metal nanoparticle layer 16 is formed on the graphene layer 14. In the present invention, the substrate 10 formed up to the graphene layer 14 is subjected to an electrochemical method by applying a potential of −0.6 V for 720 seconds in a 3 mL solution containing 20 mM K 2 PtCl 6 and 0.5 MH 2 SO 4 . Platinum nanoparticles were deposited and deposited on the graphene layer 14.

이렇게 하여 도 1 바이오센서(100)의 작업전극(20)이 형성된다. 다음에 도 1과 같은 전극 구조를 만들기 위해 기준전극(30), 상대전극(40), 도선(25, 35, 45) 및 전극 패드(27, 37, 47)를 구성한다. 글루코오스 산화효소(GOx)를 포함하는 용액 속에 작업전극(20)을 침지하면 글루코오스 산화효소가 직접적으로 백금 나노입자의 표면에 흡착된다. 이렇게 하여 효소 반응 물질층(18)까지 형성한 다음, 인산 완충용액(phosphate buffer (PB) solution)으로 헹구어 잔류하는 모노머 또는 약하게 결합된 효소 분자를 제거한다. D-글루코오스와 글루코오스 산화효소(GOx; E.C. 1.1.3.4, 200 U/mg)는 pH 7의 0.05M 인산 완충용액에 혼합하여 사용하였다. In this way, the working electrode 20 of the biosensor 100 of FIG. 1 is formed. Next, the reference electrode 30, the counter electrode 40, the conductive wires 25, 35, and 45 and the electrode pads 27, 37, and 47 are formed to form the electrode structure shown in FIG. 1. When the working electrode 20 is immersed in a solution containing glucose oxidase (GOx), the glucose oxidase is directly adsorbed on the surface of the platinum nanoparticles. This forms up to the enzyme reaction material layer 18, followed by rinsing with phosphate buffer (PB) solution to remove residual monomer or weakly bound enzyme molecules. D-glucose and glucose oxidase (GOx; E.C. 1.1.3.4, 200 U / mg) were used in a mixture of 0.05 M phosphate buffer at pH 7.

(실험예 1)(Experimental Example 1)

도 3의 (d)와 같이 그래핀층(14) 위에 금속 나노입자층(16)을 형성할 때에, 전위를 변화시켜가며 실험하였다. 도 4는 다양한 전위에서 그래핀층(14) 위에 전기증착되는 백금 나노입자들의 SEM 사진들이다. When forming the metal nanoparticle layer 16 on the graphene layer 14 as shown in Figure 3 (d), it was experimented by changing the potential. 4 are SEM images of platinum nanoparticles electrodeposited onto graphene layer 14 at various potentials.

음의 전압을 증가시켜 -0.6V에 도달하는 경우인 도 4의 (a)-(c)를 참조하면, 백금 나노입자들은 전위 증가에 따라 보다 밀집되면서 넓게 퍼지는 것으로 확인할 수 있다. Referring to (a)-(c) of FIG. 4, when the negative voltage is increased to reach -0.6V, the platinum nanoparticles can be found to spread more densely and broadly with increasing potential.

-0.6V보다 큰 전압을 가하면 도 4의 (d)-(f)에서 보는 바와 같이 오히려 밀도가 현저하게 감소되었다. 이러한 결과로부터, 백금 나노입자를 그래핀층(14) 위에 증착할 경우에는 20 mM K2PtCl6와 0.5 M H2SO4를 포함하는 3mL 용액 속에서 -0.6V의 정전위를 가하는 것이 바람직하다는 결론을 얻었다.Applying a voltage greater than -0.6V significantly reduced the density, as shown in (d)-(f) of FIG. From these results, it is concluded that when platinum nanoparticles are deposited on the graphene layer 14, it is desirable to apply a potential of -0.6 V in a 3 mL solution containing 20 mM K 2 PtCl 6 and 0.5 MH 2 SO 4 . Got it.

(실험예2)Experimental Example 2

본 발명에 따른 바이오센서(100)를 위에 상술한 방법으로 제조하되, 상대전극(40)은 백금 와이어로, 기준전극(30)은 SCE를 이용해 3-전극 시스템을 구성하였다. 도핑된 다이아몬드층(BDD)/그래핀/백금(Pt)-나노입자로 구성된 본 발명에 따른 바이오센서(100)의 작업전극(20)과의 비교를 위하여 도핑된 다이아몬드 전극만을 사용한 경우(비교예1 _ BDD)와 도핑된 다이아몬드 박막 위에 그래핀 박막을 적층한 전극을 사용한 경우(비교예2 _ BDD/그래핀)에 대해서도 실험하였다. The biosensor 100 according to the present invention was manufactured by the above-described method, but the counter electrode 40 was made of platinum wire, and the reference electrode 30 was composed of a three-electrode system using SCE. When only the doped diamond electrode is used for comparison with the working electrode 20 of the biosensor 100 according to the present invention composed of doped diamond layer (BDD) / graphene / platinum (Pt) -nanoparticles (comparative example) 1_BDD) and the case where an electrode in which a graphene thin film was stacked on a doped diamond thin film (Comparative Example 2_BDD / graphene) were also tested.

도 5는 본 발명과 비교예에 따른 바이오센서의 서로 다른 세가지 전극에 대한 상대적인 CV 응답 특성을 보인다. 세가지 다른 전극은 10 mM의 Fe(CN)6 3-/4- 을 함유하는 3M KCl 용액 속에서 측정하였다. 5 shows relative CV response characteristics of three different electrodes of a biosensor according to the present invention and a comparative example. Three different electrodes were measured in 3M KCl solution containing 10 mM Fe (CN) 6 3- / 4- .

도핑된 다이아몬드 박막만을 전극으로 사용한 비교예 1의 경우, 음이온성 피크(전류 : 0.494mA, 전위 : 0.395V)와 양이온성 피크(전류 : -0.664mA, 전위 : 0.114V)가 관찰되었다. 피크 전위차 간격(ΔEp)은 약 0.281V이었다. In Comparative Example 1 using only a doped diamond thin film as an electrode, anionic peaks (current: 0.494 mA, potential: 0.395 V) and cationic peaks (current: -0.664 mA, potential: 0.114 V) were observed. The peak potential difference interval ΔE p was about 0.281V.

도핑된 다이아몬드 박막 위에 그래핀 박막을 적층한 전극을 사용한 비교예 2의 경우, 음이온성 전위 피크(Epa)는 0.338V(전류 : 0.716mA)이고, 양이온성 전위 피크(Epc)는 0.177V(전류 : -0.823mA)이어서, 피크 전위차 간격(ΔEp)은 약 0.161V이었다. In Comparative Example 2 using an electrode in which a graphene thin film was stacked on a doped diamond thin film, the anionic potential peak E pa was 0.338 V (current: 0.716 mA), and the cationic potential peak E pc was 0.177 V. (Current: -0.823 mA), the peak potential difference interval ΔE p was about 0.161V.

주목할만하게 본 발명의 경우에는 산화 피크 전류가 ~1.08mA(Epa 0.332V)로 증가하고 피크 전류는 -1.25mA로 감소하여 ΔEp는 약 0.136V이었다. 이러한 전극의 전기화학적 응답 크기는 본 발명의 경우가 가장 크고 그 다음이 비교예2, 가장 작은 것이 비교예1이었다. Notably, in the case of the present invention, the oxidation peak current increased to ˜1.08 mA (E pa 0.332 V) and the peak current decreased to −1.25 mA, ΔE p was about 0.136 V. The magnitude of the electrochemical response of this electrode was the largest in the case of the present invention, followed by Comparative Example 2 and the smallest.

본 발명에서 피크 전류가 증가한 것은 유효 표면적이 증가했기 때문이다. 잘 정의되고 의사가역적인(quasi-reversible) 산화환원 피크는 전극과 산화환원종간의 직접적인 전자 전이를 제시해준다. 도핑된 다이아몬드층(BDD)/그래핀/백금(Pt)-나노입자로 구성된 본 발명에 따른 바이오센서(100)의 작업전극(20)에서 눈에 띄게 증가한 신호는 그래핀 박막과 백금 나노입자의 시너지적인 효과 때문이다. 이러한 결과로부터, 그래핀 박막과 백금 나노입자가 전자 전이를 가속하여 신호를 증가시킨다는 것이 명확해졌다. In the present invention, the peak current is increased because the effective surface area is increased. Well-defined and quasi-reversible redox peaks suggest direct electron transitions between electrodes and redox species. Significantly increased signal in the working electrode 20 of the biosensor 100 according to the present invention composed of a doped diamond layer (BDD) / graphene / platinum (Pt) -nanoparticles is a graphene thin film and platinum nanoparticles. This is because of the synergistic effect. From these results, it became clear that the graphene thin film and platinum nanoparticles accelerated the electron transition to increase the signal.

(실험예 3) Experimental Example 3

각 전극의 유효 표면적은 Randles-Sevcik 방정식을 이용해 측정하였다. 이 방정식에 의하면 유효 표면적(A)은 I p /v 1/2에 비례한다(Ip : 피크 전류, v: 스캔 속도). 본 발명에 따른 바이오센서와 비교예1, 2의 바이오센서를 10 mM K3Fe(CN)6를 포함하는 3 M KCl 용액 안에서 다양한 스캔 속도를 가지고 연속 순환전위를 측정하였다. The effective surface area of each electrode was measured using the Randles-Sevcik equation. According to this equation, the effective surface area A is proportional to I p / v 1/2 (Ip: peak current, v: scan rate). The biosensor according to the present invention and the biosensors of Comparative Examples 1 and 2 were measured in a continuous circulation potential with various scan rates in a 3 M KCl solution containing 10 mM K 3 Fe (CN) 6 .

도 6은 본 발명에 따른 전극에 대해 I p v 1/2의 선형적인 관계를 보여준다. 이것은 전극에서 일어나는 반응이 거의 가역적이고 이중층 영역에서의 질량 전이 현상은 주로 확산에 의해 제어된다는 것을 보여준다. 6 shows a linear relationship between I p and v 1/2 for the electrode according to the invention. This shows that the reaction occurring at the electrode is almost reversible and that the mass transfer phenomenon in the bilayer region is largely controlled by diffusion.

다음 표 1에 그 결과를 정리하였다.Table 1 summarizes the results.

Figure 112010033557480-pat00001
Figure 112010033557480-pat00001

비교예 1에 비하여 비교예 2는 표면적이 1.95배 증가하고, 본 발명의 경우에는 3.53배 증가하였다. Compared with Comparative Example 1, Comparative Example 2 increased the surface area by 1.95 times, and in the case of the present invention, increased by 3.53 times.

세 가지 전극의 계면 특성은 임피던스 분광분석법을 이용해 측정하였다. 비교예1의 경우 전자 전이 저항은 750Ω으로 측정되었는데 이것은 본 발명 경우에 비하여 매우 큰 값이었다. 따라서, 본 발명 전극에서와 같이 그래핀과 금속 나노입자가 함께 있는 경우에 전자 전이를 촉진한다는 것을 알 수 있다. The interfacial properties of the three electrodes were measured using impedance spectroscopy. In the case of Comparative Example 1, the electron transition resistance was measured as 750 Ω, which was very large compared to the present invention. Accordingly, it can be seen that as in the electrode of the present invention, when graphene and metal nanoparticles are present together, they promote electron transfer.

(실험예 4)Experimental Example 4

그래핀 박막의 유용성을 검증하기 위해 다이아몬드 박막에 그래핀층이 없이 백금 나노입자를 부착한 전극의 경우인 비교예3과 본 발명에 대해 SCE 기준 전극에 대해 0.6V를 가하면서 50 mM 인산 완충용액에 준비한 글루코오스 샘플을 전기적 측정하였다. In order to verify the usefulness of the graphene thin film in a 50 mM phosphate buffer solution while adding 0.6V to the SCE reference electrode for Comparative Example 3 and the present invention, which is the case of the electrode with platinum nanoparticles attached to the diamond thin film without the graphene layer, Prepared glucose samples were measured electrically.

도 7은 전류 변화와 글루코오스 농도의 상관관계를 보여주는 그래프이다. 도 7의 (a)를 참조하면, 비교예3의 경우 선형 구간은 4.94 μA/mM (R = 0.9916)의 기울기를 가지고 글루코오스 농도가 2.76 μM부터 8.9 mM까지 이어진다. 반면, 도 7(b)에서 보는 바와 같이 본 발명의 경우 선형 구간은 1.98 μM 부터 1.95 mM이고 감도는 17.1 μA/mM (R = 0.9969)이다. 검출 한계는 0.14 μM이고 신호-잡음비는 3.00이다. 일반적으로 글루코오스 산화효소의 활성적인 산화환원 중심은 보호 단백질 껍질 안에 깊이 박혀 있어 전극과의 직접적인 전자 교환이 매우 어렵다는 것으로 알려져 있다. 그래핀은 전기전도도가 굉장히 높고 비표면적이 넓다. 이러한 장점 때문에 본 발명에서 작업전극에 이용하는 그래핀은 전자 전이를 촉진할 수 있고 글루코오스 산화효소와 전극간의 직접적인 전자 전이를 가능하게 한다. 7 is a graph showing the correlation between the change of current and glucose concentration. Referring to FIG. 7A, in Comparative Example 3, the linear section has a slope of 4.94 μA / mM (R = 0.916) and the glucose concentration is from 2.76 μM to 8.9 mM. On the other hand, as shown in Figure 7 (b) in the case of the present invention, the linear range is 1.98 μM to 1.95 mM and the sensitivity is 17.1 μA / mM (R = 0.969). The detection limit is 0.14 μM and the signal-to-noise ratio is 3.00. In general, the active redox center of glucose oxidase is deeply embedded in the protective protein shell, so that direct electron exchange with the electrode is very difficult. Graphene has a very high electrical conductivity and a large specific surface area. Because of these advantages, the graphene used in the working electrode in the present invention can promote electron transfer and enable direct electron transfer between glucose oxidase and the electrode.

문헌 조사 결과, 종래의 전극들을 이용한 바이오센서의 감도는 0.428 ~ 10 μA/mM 정도의 수준이었으나, 본 발명의 경우는 17.1μA/mM이므로 획기적인 감도 향상인 것으로 평가된다. 또한 본 발명의 경우가 종래의 전극들에 비하여 선형 구간이 넓고 검출 한계가 낮은 것으로 평가된다. As a result of the literature investigation, the sensitivity of the biosensor using the conventional electrodes was about 0.428 to 10 μA / mM, but in the case of the present invention, since it is 17.1 μA / mM, it is evaluated as a significant sensitivity improvement. In addition, the case of the present invention is evaluated as having a wider linear section and a lower detection limit than conventional electrodes.

특히 본 발명의 경우 KM app(Michaelis-Menten constant)가 10.28 mM으로 낮게 측정되었는데 이것은 글루코오스와 전극에 고정된 글루코오스 산화효소간 높은 친화도를 대변한다. 재현성도 검증하였다. In particular, in the case of the present invention, K M app (Michaelis-Menten constant) was measured as low as 10.28 mM, which represents a high affinity between glucose and glucose oxidase immobilized on the electrode. Reproducibility was also verified.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is directed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.

Claims (10)

기판;
효소 반응이 발생되는 작업전극 및 상기 작업전극과의 전기적 출력 차이를 검출하기 위한 상대전극을 포함하는 전기화학적 바이오센서로서,
상기 작업전극은, 불순물 도핑된 다이아몬드층;
상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 형성된 그래핀층; 및
상기 그래핀층 상에 형성된 금속 나노입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
Board;
An electrochemical biosensor comprising a working electrode for generating an enzyme reaction and a counter electrode for detecting a difference in electrical output from the working electrode,
The working electrode includes an impurity doped diamond layer;
A graphene layer formed on the impurity doped diamond layer; And
Biosensor comprising a metal nanoparticle layer formed on the graphene layer.
제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자층 상에 글루코오스 산화효소(glucose oxidase)를 포함하는 효소 반응 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor of claim 1, further comprising an enzymatic reactive material layer comprising glucose oxidase on the metal nanoparticle layer. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자층은 백금 나노입자층인 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor of claim 1, wherein the metal nanoparticle layer is a platinum nanoparticle layer. 제1항에 있어서, 상기 그래핀층과 금속 나노입자층은 금속 나노입자가 증착된 그래핀 시트(sheet)인 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor of claim 1, wherein the graphene layer and the metal nanoparticle layer are graphene sheets on which metal nanoparticles are deposited. 기판;
효소 반응이 발생되는 작업전극 및 상기 작업전극과의 전기적 출력 차이를 검출하기 위한 상대전극을 포함하는 전기화학적 바이오센서 제조방법으로서,
상기 작업전극을 형성하는 단계는,
불순물 도핑된 다이아몬드층을 형성하는 단계;
상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀층 상에 금속 나노입자층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
Board;
An electrochemical biosensor manufacturing method comprising a working electrode in which an enzyme reaction occurs and a counter electrode for detecting a difference in electrical output from the working electrode,
Forming the working electrode,
Forming an impurity doped diamond layer;
Forming a graphene layer on the impurity doped diamond layer; And
Biosensor manufacturing method comprising the step of forming a metal nanoparticle layer on the graphene layer.
제5항에 있어서, 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층을 형성하는 단계는,
기판 상에 다이아몬드 나노결정 씨드를 코팅하는 단계; 및
B2H6, CH4 및 H2 가스를 이용해 상기 기판 상에 보론 도핑된 다이아몬드층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
The method of claim 5, wherein the forming the impurity doped diamond layer,
Coating the diamond nanocrystal seed on the substrate; And
And depositing a boron doped diamond layer on the substrate using B 2 H 6 , CH 4 and H 2 gases.
제6항에 있어서, 상기 다이아몬드 나노결정 씨드를 코팅하는 단계는,
다이아몬드 나노결정을 PSS[poly sodium 4-styrene sulfonate] 수용액에 분산시키는 단계;
상기 기판으로 열산화된 실리콘 기판을 준비하는 단계; 및
상기 기판을 상기 다이아몬드 나노결정이 분산된 수용액 중에 침지한 후 세척하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
The method of claim 6, wherein the coating of the diamond nanocrystalline seed,
Dispersing the diamond nanocrystals in an aqueous solution of poly sodium 4-styrene sulfonate [PSS];
Preparing a silicon substrate thermally oxidized to the substrate; And
And immersing the substrate in an aqueous solution in which the diamond nanocrystals are dispersed, and then washing the substrate.
제5항에 있어서, 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 그래핀층을 형성하는 단계는,
상기 불순물 도핑된 다이아몬드층 상에 그래핀 시트를 부착하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
The method of claim 5, wherein the forming of the graphene layer on the impurity doped diamond layer,
Biosensor manufacturing method characterized in that to attach a graphene sheet on the impurity doped diamond layer.
제5항에 있어서, 상기 그래핀층 상에 금속 나노입자층을 형성하는 단계는,
상기 그래핀층이 형성된 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층을 타겟 금속의 수용액 속에 침지하여 전기화학적인 방법으로 상기 그래핀층 상에 상기 금속의 나노입자를 증착하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
The method of claim 5, wherein the forming of the metal nanoparticle layer on the graphene layer,
And impregnating the impurity-doped diamond layer having the graphene layer in an aqueous solution of a target metal to deposit nanoparticles of the metal on the graphene layer by an electrochemical method.
제5항에 있어서, 상기 그래핀층 상에 금속 나노입자층을 형성하는 단계는,
상기 그래핀층이 형성된 상기 불순물 도핑된 다이아몬드층을 K2PtCl6을 포함하는 수용액 속에 침지하여 -0.6V의 정전위를 가하는 전기화학적인 방법으로 상기 그래핀층 상에 백금 나노입자를 증착하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
The method of claim 5, wherein the forming of the metal nanoparticle layer on the graphene layer,
Depositing platinum nanoparticles on the graphene layer by an electrochemical method in which the impurity-doped diamond layer having the graphene layer formed thereon is immersed in an aqueous solution containing K 2 PtCl 6 to apply a potential of −0.6 V. Biosensor manufacturing method.
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