KR101636695B1 - 3차원 그래핀-실크 복합체를 이용한 바이오 센서 및 센싱 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 센서 제조시, 3차원 그래핀-실크 복합체를 바이오 센서용 전극으로 이용하는 것으로, 상기 3차원 그래핀-실크 복합체를 전극으로 이용시 전기전도성이 우수하며, 실크의 환원력으로 그래핀의 자연산화를 막고, 전해질 용액의 pH에 상관없이 안정적으로 바이오 물질을 생존시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

3차원 그래핀-실크 복합체를 이용한 바이오 센서 및 센싱 시스템{BIO SENSOR USING THREE-DIMENSIONAL GRAPHENE-SILK COMPLEX AND SENSING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 3차원 그래핀-실크 복합체를 이용한 바이오 센서 및 센싱 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 복합물질을 구성하는 경우에도 우수한 전기전도성을 갖는 3차원 그래핀과 양쪽 친매성 그룹을 가지고 있어 바이오 물질과 잘 결합하는 실크를 이용하는 초 고감도 바이오 센서 및 센싱 시스템에 관한 것이다.
바이오 센서란 특정한 생물학적 물질의 존재 유무 및 그 양을 측정할 수 있도록 제조된 것으로서, 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 생체감지물질(bio-receptor)과 이를 측정할 수 있는 신호로 전환하는 신호변환기(signal-transducers)가 포함되는 장치이다.
생체감지물질에는 효소, 항체, 세포, DNA 등이 있으며, 신호변환기로는 생물학적 요소를 이용하여 분석대상물질과의 반응에서 나타나는 전기화학, 열에너지, 형광 및 색의 변화 등을 인식 가능한 신호로 변환시켜주는 장치들이 있다.
이때, 바이오 센서는 검출하고자 하는 물질에 대한 선택성, 극미량 물질을 검출할 수 있는 민감성, 센싱 기능에 있어서의 재현성, 측정에 소요되는 반응시간 및 생체감지물질의 수명과 같은 요소들이 중요하며, 상기 요소들을 더욱 발달시키기 위하여 바이오 센서의 새로운 소재나 장치에 관한 연구가 진행 중이다. 그 중에서도 그래핀과 같은 나노 탄소물질을 이용하여 만든 바이오 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
나노 탄소물질은 높은 다공성, 넓은 비표면적 및 전도성이 우수하다는 전기적 특성이 있다. 따라서 나노 탄소물질을 이용한 바이오 센서에서 생물분자와 반응할 때 기존의 바이오 센서에서는 찾아볼 수 없는 고감도 신호 변환이 가능할 뿐만 아니라, 나노 탄소물질의 구조체 크기가 생물분자 크기와 거의 흡사하므로 나노 탄소물질의 표면적과 크기조절에 따라 바이오 물질을 선택적으로 검출할 수 있는 센서의 개발이 가능하다.
특히, 그래핀(graphene)은 탄소 원자가 2차원 격자 내에 채워진 평면 단일층으로 육각형 형태를 띠는 구조를 의미하며, sp2 혼성 오비탈 구조를 통하여 높은 전기전도성을 나타낸다.
이러한 종래의 그래핀을 사용한 기술로는 공개특허공보 제0060813호(2010.01.06. 공개)에 그래핀 필름의 표면에 검출하고자 하는 바이오 물질을 결합시키고, 결합 전후의 전기적 성질을 이용하여 표적 바이오 물질을 검출하는 방법이 제시되어 있다. 또한, 등록특허공보 제1338168호(2013.11.06. 공개)에는 전기화학적으로 환원된 그래핀 산화물의 전기촉매현상을 이용하여 항원항체의 면역반응을 통해 바이오 물질의 센싱 방법이 제시되어 있으며, 등록특허공보 제1355933(2013.04.29. 공개)호에는 그래핀 표면에 바이오 물질을 흡착시키기 위하여 방법이 제시되어 있다.
하지만 종래의 그래핀은 이차원적 그래핀으로, 외부 물질과 결합하여 복합체를 형성할 경우 전기전도성이 급격히 감소한다는 한계가 있어, 생체감지물질과 결합하여 바이 오센서를 만드는 데 어려움이 있다. 또한 그대로 둘 경우 자연 산화되며, 산화 및 환원 반응을 조절하기 위하여 매우 높거나 낮은 pH의 전해 용액을 이용하는 경우 검출하고자 하는 바이오 물질의 생존에 좋지 못한 영향을 미칠 수 있는 문제점이 존재한다.
공개특허공보 제0060813호("전도성 그라핀을 이용한 바이오 센서 및 그 제조방법", 2010.01.06. 공개) 등록특허공보 제1355933호("화학적으로 개질된 그래핀에 다양한 바이오 물질을 흡착시키는 방법", 2013.04.29. 공개) 등록특허공보 제1338168호("전기화학적으로 환원된 그래핀 산화물의 전기촉매현상을 이용한 전기화학 바이오 센서, 이의 제조방법 및 센싱방법", 2013.11.06. 공개)
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 2차원 그래핀을 보완한 3차원 그래핀 및 상기 3차원 그래핀과 실크를 결합한 3차원 그래핀-실크 복합체를 이용한 바이오 센서를 제공하는 데 있다.
좀 더 구체적으로는, 바이오 센서의 주요 요소인 검출하고자 하는 물질에 대한 선택성, 극미량 물질을 검출할 수 있는 민감성, 센싱 기능에 있어서의 재현성, 측정에 소요되는 반응시간 및 생체감지물질의 수명 등을 보완하는 데 있다.
또한 2차원 그래핀의 문제점인 외부 물질과 결합시 전기전도성이 저하되며, 그대로 둘 경우 공기 중에서 자연 산화되고, 산화 및 환원 반응을 조절하기 위하여 매우 높거나 낮은 pH의 전해 용액을 이용하는 경우 검출하고자 하는 바이오 물질의 생존에 좋지 못한 영향을 미칠 수 있는 점을 보완하고자 3차원 그래핀 및 3차원 그래핀과 실크의 복합체를 이용한 전극을 개발하여 이를 이용한 바이오 센서 기술을 제공하는 데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 전기적 신호 변화를 감지하여 시료용액 내 바이오 물질을 검출하기 위한 바이오 센서용 전극과 이의 제조방법 및 상기 전극을 이용한 센서를 제공한다.
바이오 센서용 전극은 3차원 그래핀 발포체의 표면에 복수의 실크피브로인 체인(silk fibroin chain)이 부착되어 형성된 3차원 그래핀-실크 복합체(10)와 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)를 고정시키는 지지대(20) 및 외부 전원(40)과 연결되어 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)에 전압을 인가하는 전극 연결부를 포함한다.
상기 3차원 그래핀 발포체 기공의 평균 직경은 100~200㎛이고, 상기 실크피브로인 체인은 에폭시 처리되며, 3차원 그래핀-실크 복합체(10)와 지지대(20)를 고정하는 접착물질은 카본 테이프, 수지 접착제, 아크릴 본드 및 핫멜트 접착제로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 카본 테이프일 수 있다.
한편, 바이오 센서용 전극(A)은, 3차원 구조를 갖는 주형 발포체 상에 그래핀을 성장시킨 후, 주형 성분을 용해시켜 3차원 그래핀 발포체를 형성하는 단계(S10); 누에고치(Cocoons of Bombyx mori)로부터 추출된 실크피브로인이 포함된 용액을 투석을 통해 정제하고 원심분리를 통해 상기 실크피브로인의 함량비(wt%)를 조절하여 실크 용액을 준비하는 단계(S20); 및 상기 실크 용액에 상기 3차원 그래핀 발포체를 함침시켜, 표면에 복수의 실크피브로인 체인이 부착된 3차원 그래핀-실크 복합체(10)를 형성하는 단계(S30);를 포함하는 방법으로 제조된다. 이때, 상기 3차원 그래핀 발포체를 형성하는 단계(S10)는, 챔버 내에 기공의 평균 직경이 100~200㎛인 니켈(Ni) 발포체 및 그래핀의 전구체 물질을 투입하고, 800~1500℃의 온도로 열처리하여 상기 니켈 발포체 상에 그래핀을 성장시키는 단계(S11); 제조된 그래핀-니켈 발포체를 메타크릴 수지 용액에 침지시킨 후 건조하는 단계(S12); 및 건조된 그래핀-니켈 발포체를 FeCl3/HCl 용액에 침지시켜 니켈 성분을 용해시키는 단계(S13);를 포함한다.
또한, 상기 실크 용액을 준비하는 단계(S20)에서, 상기 실크 피브로인의 함량비(wt%)는 원심분리 과정에서의 회전수(rpm) 제어에 의해 조절된다.
한편, 상기 바이오 센서는 3차원 그래핀-실크 복합체(10)가 장착된 전극(A)과 상기 전극(A)에 연결되어 전압을 인가하는 외부 전원(40) 및 상기 전극(A)에서의 전기적 신호 변화를 감지하여 이를 분석하는 분석부(50)를 포함하며, 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)는 3차원 그래핀 발포체의 표면에 복수의 실크피브로인 체인(silk fibroin chain)이 부착되어 형성되고, 상기 분석부(50)는 상기 시료용액 내 바이오 물질이 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)의 표면에 부착된 상기 실크피브로인 체인에 결합되어 상기 전극(A)으로부터 측정되는 전류 값이 감소하는 정도를 측정함으로써, 상기 시료용액 내 바이오 물질을 정성적 및 정량적으로 검출한다. 이때, 상기 분석부(50)는 상기 시료용액 내 바이오 물질의 존재 유무에 대한 시각 정보 및 상기 시료용액 내 바이오 물질의 농도에 대한 시각 정보를 표시하는 디스플레이부(60)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 바이오 물질은 바람직하게는 박테리아(bacteria)일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 바이오 센서용 전극으로 3차원 그래핀-실크 복합체를 이용함으로써, 전기전도성을 높이고, 안정화된 전극을 만들 수 있다는 장점이 있다.
더욱 상세하게는 3차원 그래핀의 표면적과 크기조절에 따라 분석하고자 하는 바이오 물질을 선택적으로 검출할 수 있으며, 실크와 바이오 물질과의 뛰어난 반응성으로 극미량의 바이오 물질을 잘 검출할 수 있다. 또한 시스템의 안정화로 인해 센싱 기능의 재현성이 확보되고, 외부물질과 결합하여도 전기전도성이 여전히 우수하며, 바이오 물질이 결합하는 즉시 전류의 변화가 나타나 신속한 측정이 가능하다.
한편 기존의 생체감지물질인 효소, 항체, 세포, DNA는 비용이 많이 들며 그 사용이 일회성인 것에 비해 본 발명의 실크는 반영구적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 실크를 박테리아와 결합하는 항체로 이용하여, pH가 매우 높거나 낮은 실험조건에서도 안정적으로 박테리아를 생존시켜, 살아있는 박테리아의 농도를 측정할 수 있으며, 전해용액에 박테리아를 추가시킬 경우, 3차원 그래핀-실크 전극 복합체 전극 내에 실크가 박테리아를 흡착시켜, 박테리아의 생존기간을 증가시킨다. 또한 실크는 환원제로 작용하여 산화 그래핀 표면을 줄여 전기적 신호를 증가시킴으로써, 높은 성능을 갖는 생체 호환적 센서 시스템을 제시한다.
도 1은 그래핀 위에 결합한 실크 및 실크에 접착된 박테리아를 나타낸다.
도 2는 3차원 그래핀의 제조과정을 나타낸다.
도 3은 3차원 그래핀의 SEM 이미지이다.
도 4은 3차원 그래핀과 실크의 복합체를 이용한 바이오 센서용 전극을 나타낸다.
도 5는 3차원 그래핀 표면에 결합된 실크와 박테리아가 전자 이동을 방해하는 현상을 나타낸다.
도 6는 3차원 그래핀과 실크의 복합체를 이용한 바이오 센서를 나타낸다.
도 7는 박테리아 농도에 따른 순환전압 전류법의 결과이다.
도 8은 E. coli 농도에 따른 정점의 전류량을 나타낸다.
도 9은 도파민 주입 유무에 따른 전위 대비 전류밀도를 나타낸다.
도 10은 도파민 농도에 따른 전류량을 나타낸다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
먼저 본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 3차원 그래핀과 실크 복합체(10)로 구성된 바이오 센서용 전극(A)과 이의 제조방법 및 상기 바이오 센서용 전극(A)을 이용한 바이오 센서(B)에 대하여 상세히 설명한다.
최근 신소재로 부각되고 있는 그래핀(graphene)은 1~5 층의 흑연 육각벌집무늬의 판상으로 이루어진 흑연 구조체를 말하는데, 원자 한 개의 두께로 이 세상에서 가장 얇은 두께를 가진 2차원 탄소 구조체이다. 이러한 그래핀은 탄소나노튜브보다 더 뛰어난 물성을 갖는 것으로 알려져 있으며, 특히 매우 우수한 전기적 특성을 가지고 있다.
부피에 비해 표면적이 매우 넓어 우수한 전기 전도도로 인하여 전기적 성능을 매우 향상시킬 수 있으며, 다른 물질에 비하여 흑연 판을 통해 전자의 이동이 쉽다는 성질 때문에, 그래핀은 향후 전자 소자에 대해 가장 적합한 물질 중 하나로 부상하고 있다.
그러나, 그래핀의 이용도(availability)와 공정처리(processability)가 쉽지 않아서 전 세계적인 주목을 받고 있는 것에 비해 쉽게 응용 연구를 못하고 있는 실정이다. 이에 본 발명자들은 3차원 주형 발포체를 이용하여 간접적으로 3차원 그래핀 발포체를 제조하고, 이에 전이금속 수산화물을 흡착시킴으로써 이용도와 공정처리의 어려움을 극복하고 경제성이 있으면서도 높은 전기전도도를 가지는 물질을 고안하고자 한다.
주형 발포체를 이용하여 최적의 비표면적을 갖는 3차원 그래핀 발포체를 제조하기 위해서는 화학적 기상증착법의 방식으로 그래핀을 주형 발포체 상에 성장시키는 것이 바람직하다. 더욱 자세하게는 반응 챔버에 니켈 발포체와 함께 그래핀의 전구체 물질, 바람직하게는 메탄(CH4)가스, 수소(H2)가스 및 아르곤(Ar)가스를 투입하고, 이러한 전구체 물질의 최적의 활성화 온도 범위인 800~1500℃의 온도 범위로 열 처리하여 니켈 발포체 상에 그래핀을 성장시키는 단계(S11)를 수행한다.
성장된 그래핀을 확실히 고정시키기 위하여 메타크릴 수지, 바람직하게는 폴리메타크릴산 메틸(PMMA) 용액에 침지 후 건조시킨 다음(S12), 건조된 그래핀-니켈 발포체 중에 니켈 성분을 제거하기 위하여 FeCl3/HCl 용액을 이용하여 습식 식각(wet eching)의 방식으로 용해시켜(S13) 최적의 비표면적을 갖는 3차원 그래핀 발포체를 제조한다.
한편, 누에고치의 실크는 피브로인과 세리신이라는 두 종류의 단백질로 구성되어 있다. 여기서 생체막의 재료로 사용되는 것은 피브로인 단백질이다. 피브로인 단백질은 생체 적합성, 생분해성, 통기성, 기계적 특성이 우수하여 조직 공학적 지지체와 의료용품으로 이용된다.
실크는 매우 유연성 있는 재료이며, 매우 높은 강도 값을 가진다. 실크는 짧은 아미노기 체인을 가지며, 소수성이 지배적으로 나타나게 되는 베타 시트 구조를 가진다. 따라서 지배적인 소수성 도메인은 실크의 강도와 탄성을 강화한다. 실크는 파단 없이 자신의 원래 길이에 20~25%까지 늘려 질 수 있어, 여러 하중 속에서도 자신의 모양을 유지하는 장점을 가진다. 실크에 에폭시 처리를 하게 되면 실크 분자들 사이의 교차 결합이 형성되어 더 높은 강도를 형성할 수 있다.
실크는 바이오 물질로서, 생체적 합성 특성이 있다. 실크 필름(SF)은 인간의 세포와 잘 부착되어 세포의 성장을 도울 수 있으며, 이것을 기반으로 하여 만들어진 물질은 인간의 혈관 주위의 결합 조직에 부착될 경우 잘 적응할 뿐만 아니라 새로운 결합 조직을 생성할 수 있다. 또한 몇 개월이 경과 되면, 더 이상 생체 분해가 일어나지 않으며, 자연스럽게 신체의 일부가 되어 결합조직과 자연스럽게 결합된다. 또한, 실크는 양쪽 친매성 그룹이 있어, 파이 결합 등을 통하여 세포를 잘 접착시킬 수 있다.
또한, 실크는 신경 조직에도 이용될 수 있다. 신경조직의 결함으로 인하여, 신경들 간의 틈이 발생할 경우, 정상적으로 기능을 하기 위해서 이 틈새 부분을 보완해야 한다. 많은 물질들이 신경에 이식되었지만, 면역 억제와 낮은 성공률의 문제점을 보여 왔다. 하지만 실크는 신경세포의 성장을 도울 뿐만 아니라 세포의 형질과 기능에 유해한 효과를 주지 않는다. 따라서 신경에 대한 이식물로도 이용되고 있다. 더불어 실크에 대한 염증 반응에 대한 연구도 진행되고 있는데, 실크와 콜라겐에 각각 줄기 세포를 부착하여 성장시킬 경우, 실크에서의 성장 능력이 더욱 탁월하며, 염증반응 또한 덜 발생한다. 따라서 세포와의 환경에 실크가 콜라겐에 비해 더욱 잘 적응함을 알 수 있다.
본 발명은 3차원 그래핀-실크를 형성하여, 도 1의 그림과 같이 실크를 박테리아와 결합하는 항체로 이용한다. 또한, pH가 매우 높거나 낮은 실험조건에서도, 안정적으로 박테리아를 생존시켜, 살아있는 박테리아의 농도를 전기화학적인 방법으로 측정할 수 있도록 하고, 전해 용액에 박테리아를 추가시킬 경우, 실크가 박테리아를 흡착시켜, 박테리아의 생존기간을 증가시킨다. 또한 실크의 다양한 아미노산 그룹들이 환원제로 작용하여 산화 그래핀 표면을 줄여 전기적 신호를 증가시킴으로써, 높은 성능을 갖는 생체 호환적 바이오 센서용 전극을 제시한다.
상기 바이오 센서용 전극은 3차원 그래핀 발포체 표면에 실크피브로인 체인이 결합된 3차원 그래핀-실크 복합체(10)를 중심으로, 3차원 그래핀-실크 복합체(10)를 고정시키는 지지대(20) 및 외부 전원(40)과 연결되어 3차원 그래핀-실크 복합체(10)에 전압을 인가하는 전극 연결부(30)로 구성될 수 있다. (도 4 참조) 또한, 투입되는 실크 피브로인 체인은 사전에 에폭시 처리될 수 있는데, 이를 통해 실크 분자들 사이의 크로스-링크(cross-links)가 형성되어 더 높은 강도의 실크를 형성할 수 있게 된다.
이때, 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)는 상기 지지대에 카본 테이프, 수지 접착제, 아크릴 본드 및 핫멜트 접착제로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 접착물질로 고정될 수 있다.
또한, 3차원 그래핀 발포체의 기공의 직경은 제조 공정상 100~600㎛의 범위 안에서 조절할 수 있는데, 기공의 직경이 200㎛를 초과하는 경우에는 검출하고자 하는 바이오 물질이 흡착되지 못하고 기공 사이로 빠져나갈 수 있기에, 상기 3차원 그래핀 발포체의 기공의 평균 직경은 100~200㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 바이오 센싱 시스템은 전기화학적 방법인 순환전압 전류법에 의한 것으로, 작업전극과 상대전극 사이의 전류 변화로 진행된다. 더욱 상세하게는 작업전극에 전압이 걸리면 전자들이 도선을 통하여 반복적으로 이동하면서, 수용액 속의 이온을 생성 및 제거하고, 이를 통하여 전해질 용액 속에 이온 농도가 변화하면, 전류의 값이 변하게 된다.
더욱 상세하게는 3차원 그래핀-실크 복합체 전극과 상대 전극 사이에 전압이 걸리면, 산화 환원 반응이 발생하며, 전자들이 복합체 전극으로 이동하고, 복합체 전극 표면에 있던 이온들은 이동하는 전자와 결합한다. 하지만 그래핀 표면에 실크와 박테리아가 존재한다면, 전자의 이동이 원활하지 못하게 된다. 그림 5는 이를 나타내는 것으로, 산화 반응을 통해 발생한 전자들이 3차원 그래핀-실크 복합체 전극에 도달했을 때, 전자는 수용액의 이온과 결합하여 반응한다.
수용액 속에서 박테리아가 주입되어, 실크에 부착될 경우, 3차원 그래핀 표면에 절연물질인 박테리아와 실크가 존재하게 된다. 이 물질들은 전자의 이동을 어렵게 하는 일종의 방어막 역할을 하게 된다. 따라서 박테리아가 결합하지 않는 상태에서의 전류 흐름과 비교를 통하여, 투입된 박테리아 양에 대한 전류 흐름의 변화를 알 수 있다.
이때, 상대적으로 주입된 박테리아의 수가 많아질수록 실크 표면에 더 많은 박테리아가 부착되며, 블락킹 효과는 더욱 커지게 된다. 이 원리를 이용하여, 투입된 박테리아 양에 대한 전류의 흐름이 얼마나 변했는지를 확인할 수 있으며, 이러한 변화를 작업전극과 상대전극 사이의 분석부를 통하여 확인하고 기록할 수 있다.
이때, 3차원 그래핀-실크 복합체가 장착된 전극이 작업전극으로 사용되고, 상기 작업전극과 상대전극에 전압을 인가하는 외부 전원, 상기 전극에서의 전기적 신호 변화를 감지하여 분석하는 분석부 및 시료 내 박테리아와 같은 바이오 물질의 존재 유무와 농도에 대한 시각 정보를 표시하는 디스플레이부를 포함하여 3차원 그래핀-실크 복합체를 이용한 바이오 센싱 시스템이 구성될 수 있다. (도 6 참조)
한편, 상기 바이오 센싱 시스템은 3차원 그래핀의 표면적과 크기조절에 따라 분석하고자 하는 바이오 물질을 선택적으로 검출할 수 있으며, 실크와 바이오 물질과의 뛰어난 반응성으로 극미량의 바이오 물질을 잘 검출할 수 있다. 또한 시스템의 안정화로 인해 센싱 기능의 재현성이 확보되고, 바이오 물질이 결합하는 즉시 전류의 변화가 나타나 신속한 측정이 가능하다. 그리고 기존의 생체감지물질인 효소, 항체, 세포, DNA는 비용이 많이 들며 그 사용이 일회성인 것에 비해 본 발명의 실크는 반영구적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
이하 본 발명의 3차원 그래핀-실크 복합체를 이용한 바이오 센서 및 센싱 시스템에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
3차원 그래핀 - 실크 복합체의 제조
(1) 3차원 그래핀 발포체의 제조
2 cm × 3 cm 크기의 니켈 발포체를 튜브형 퍼니스 안에 투입하고, 이에 CH4, H2 및 Ar 가스를 투입한 후 1000℃ 까지 승온시켜 3시간 동안 열처리를 가하여 니켈 발포체 상에 그래핀을 성장시킨다. 이후 그래핀-니켈 발포체를 소량의 PMMA 용액에 10초 가량 침지시킨 후 3시간 가량 자연 건조시킨다.
그래핀-니켈 발포체 중 니켈 성분을 제거하기 위하여 FeCl3/HCl 용액에 그래핀-니켈 발포체를 침지시키고 나흘 정도 정치시켜 발포체에 함유된 니켈이 용액에 충분히 용해되도록 한다.
FeCl3/HCl 잔여물을 제거하기 위해 pH가 중성이 될 때까지 증류수로 발포체를 충분히 세척하고 건조시킨 후, 상온에서 아세톤 증기를 사흘 이상 쬐어 잔여물인 PMMA를 발포체 상에서 완전히 제거함으로써 3차원 구조를 가지는 그래핀 발포체를 제조한다.(도 2 참조)
(2) 실크 수용액의 제조
누에고치(Cocoons of Bombyx mori)를 0.02 M 탄산나트륨 수용액에서 약 45분간 끓여 세리신(sericin)을 제거한 후 탈이온수(deionized water)를 이용하여 세척 및 건조시켜 탈고무화 섬유(de-gummed fiber)를 수득한다. 상기 탈고무화 섬유를 9.3M의 브롬화리튬 용액을 이용하여 40℃에서 1시간 용해시킨 후 3일 동안 투석하여 불순물을 제거한다. 이후 원심분리를 하여 실크 피브로인 용액을 얻는데, 이때 원심분리 회전수를 증가시킬수록 높은 피브로인 함량비의 실크 용액이 생성된다.
(3) 3차원 그래핀 - 실크 복합체의 제조
상기 (2)의 실크 용액에 상기 (1)의 3차원 그래핀 발포체를 함침시켜 표면에 복수의 실크피브로인 체인이 부착된 3차원 그래핀-실크 복합체를 제조한다.
카본나노튜브를 이용한 박테리아 센싱
카본나노튜브를 전극으로 이용하는 바이오 센싱 시스템에서 검출하려는 물질로 박테리아인 E. Coli O157:H7을 사용한다. E. Coli는 광범위하고 다양한 세균군으로 대부분은 해가 없으나 일부 질병을 유발한다. 이 중 E. Coli O157:H7은 병원성 박테리아로 설사, 요로감염증, 패혈증 및 신생아 뇌막염을 일으킨다.
923K 온도 하에서, 촉매금속으로 Fe, Mo, Al2O3 가 사용되고, 반응기체로 C2H4와 Ar, H2가 함께 사용되어 합성된 카본나노튜브를 작업전극 이용하며, 기준 전극으로는 Ag/AgCl을, 상대전극으로는 Pt 전극을 각각 사용한다. 이때의 카본나노튜브 표면의 카르복실 그룹과 IgG 항체는 공유 결합을 이루며, 박테리아는 IgG 항체와 반응하여 결합하게 된다. 이때, 박테리아의 결합 전 후의 전류량이 변하게 되고 이에 따라 박테리아의 농도 예측이 가능하다.
도 7은 박테리아의 농도에 따른 측정의 결과로, 양극 및 음극의 정점의 값과 그 값들의 상대적인 거리를 통해 박테리아의 농도를 구할 수 있음을 알 수 있고, 도 8과 같이 박테리아의 농도에 따라서 정점 전류량이 달라지는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 본 발명은 카본나노튜브의 재료인 나노 탄소물질로 만든 3차원 그래핀과 그 표면에 실크를 부착시킨 복합체를 전극으로 이용하는 바이오 센싱 시스템에 관한 것으로, 단편적 구조를 가진 카본나노튜브에 비해 입체적인 구조의 3차원 그래핀을 사용하여, 여전히 우수한 전기전도성을 지니면서도 전해 용액과의 접촉면적을 넓혔으며, 상기 3차원 그래핀 표면에 실크를 부착하여 바이오 물질이 더욱 잘 흡착하고, 생존할 수 있도록 하였다. 또한 실크의 환원성으로 인해 산화 그래핀의 표면을 줄여 전기적 신호를 증가시키는 효과도 있다. 따라서 본 발명은 카본나노튜브를 이용한 박테리아 센싱 방법을 응용할 수 있을 뿐만 아니라 나아가 더욱 우수한 효과를 나타내는 바이오 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
3차원 그래핀을 이용한 도파민 센싱
3차원 그래핀 발포체를 작업전극으로 하고, 기준 전극으로는 Ag/AgCl을, 상대전극으로는 Pt 전극을 각각 사용하며, 0.1M의 PBS를 전해액으로 이용하여 도파민의 양을 측정한다.
도 9를 보면, Ⅰ는 도파민을 주입했을 때의 그래프이고, Ⅱ는 도파민을 주입하였을 때의 농도이며, 도파민의 주입 여부에 따라 전류밀도(current density) 값이 달라짐을 알 수 있다. 또한 도 10은 순환전압 전류법을 통해 도파민 농도에 따른 전류량을 나타낸 것이며, 다양한 농도 범위 도파민을 탐지할 수 있음을 보여준다.
상기 실시예 2 및 실시예 3을 볼 때, 3차원 그래핀으로 박테리아와 같은 바이오 물질뿐만 아니라 도파민과 같은 신경전달물질도 검출가능하며, 또한 그의 농도까지 정량적으로 측정할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 본 발명은 3차원 그래핀-실크 복합체를 전극으로 활용하는 것으로, 3차원 그래핀이 갖는 장점 이외에 실크의 생체 호환성, 환원제로 작용, 양쪽 친매성 그룹을 갖는 등의 장점을 지니고 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
A : 바이오 센서용 전극
B : 바이오 센서
10 : 3차원 그래핀-실크 복합체
20 : 지지대
30 : 전극 연결부
40 : 외부 전원
50 : 분석부
60 : 디스플레이부

Claims (13)

  1. 전기적 신호 변화를 감지하여 시료용액 내 바이오 물질을 검출하기 위한 바이오 센서용 전극(A)에 있어서,
    상기 전극(A)은 3차원 그래핀-실크 복합체(10), 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)를 고정시키는 지지대(20) 및 외부 전원(40)과 연결되어 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)에 전압을 인가하는 전극 연결부(30)를 포함하며,
    상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)는 평균 직경 100~200㎛의 기공을 가진 3차원 그래핀 발포체의 표면에 복수의 실크피브로인 체인(silk fibroin chain)이 부착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서용 전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실크피브로인 체인은 에폭시 처리된 것임을 특징으로 바이오 센서용 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)는 상기 지지대(20)에 카본 테이프, 수지 접착제, 아크릴 본드 및 핫멜트 접착제로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 접착물질로 고정되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서용 전극.
  5. 전기적 신호 변화를 감지하여 시료용액 내 바이오 물질을 검출하기 위한 바이오 센서(B)에 있어서,
    3차원 그래핀-실크 복합체(10)가 장착된 전극(A), 상기 전극(A)에 연결되어 상기 전극(A)에 전압을 인가하는 외부 전원(40) 및 상기 전극(A)에서의 전기적 신호 변화를 감지하여 이를 분석하는 분석부(50)를 포함하며,
    상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)는 평균 직경 100~200㎛의 기공을 가진 3차원 그래핀 발포체의 표면에 복수의 실크피브로인 체인(silk fibroin chain)이 부착되어 형성되고,
    상기 분석부(50)는 상기 시료용액 내 바이오 물질이 상기 3차원 그래핀-실크 복합체(10)의 표면에 부착된 상기 실크피브로인 체인에 결합되어 상기 전극(A)으로부터 측정되는 전류 값이 감소하는 정도를 측정함으로써, 상기 시료용액 내 바이오 물질을 정성적 및 정량적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 실크피브로인 체인은 에폭시 처리된 것임을 특징으로 바이오 센서.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 바이오 물질은 박테리아(bacteria)인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 분석부(50)는 상기 시료용액 내 바이오 물질의 존재 유무에 대한 시각 정보 및 상기 시료용액 내 바이오 물질의 농도에 대한 시각 정보를 표시하는 디스플레이부(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  10. 전기적 신호 변화를 감지하여 시료 내 바이오 물질을 검출하기 위한 바이오 센서용 전극(A)의 제조방법에 있어서,
    3차원 구조를 갖는 주형 발포체 상에 그래핀을 성장시킨 후, 주형 성분을 용해시켜 3차원 그래핀 발포체를 형성하는 단계(S10);
    누에고치(Cocoons of Bombyx mori)로부터 추출된 실크피브로인이 포함된 용액을 투석을 통해 정제하고 원심분리를 통해 상기 실크피브로인의 함량비(wt%)를 조절하여 실크 용액을 준비하는 단계(S20); 및
    상기 실크 용액에 상기 3차원 그래핀 발포체를 함침시켜, 표면에 복수의 실크피브로인 체인이 부착된 3차원 그래핀-실크 복합체(10)를 형성하는 단계(S30);
    를 포함하되,
    상기 3차원 그래핀 발포체를 형성하는 단계(S10)는,
    챔버 내에 기공의 평균 직경이 100~200㎛인 니켈(Ni) 발포체 및 그래핀의 전구체 물질을 투입하고, 800~1500℃의 온도로 열처리하여 상기 니켈 발포체 상에 그래핀을 성장시키는 단계(S11);
    제조된 그래핀-니켈 발포체를 메타크릴 수지 용액에 침지시킨 후 건조하는 단계(S12); 및
    건조된 그래핀-니켈 발포체를 FeCl3/HCl 용액에 침지시켜 니켈 성분을 용해시키는 단계(S13);를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서용 전극의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 실크 용액을 준비하는 단계(S20)에서,
    상기 실크 피브로인의 함량비(wt%)가 원심분리 과정에서의 회전수(rpm) 제어에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서용 전극의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 실크 용액을 준비하는 단계(S20)에서,
    제조된 상기 실크 용액을 에폭시 처리하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서용 전극의 제조방법.
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