KR101694942B1 - 하이브리드 전자 시트를 포함하는 바이오 센서 및 생체 정보 검출용 웨어러블 디바이스 - Google Patents

Abstract

하이브리드 전자 시트를 포함하는 바이오 센서 및 생체 정보 검출용 웨어러블 디바이스에 관한 것이다. 상기 바이오 센서는 전기 화학적인 활성도가 높고, DET 기반의 시료 내 분석물의 검출이 가능하며, 인체에 무해한 전극을 사용하여 고감도, 고선택성으로 분석물의 검출이 가능하여 생체 정보 검출용 웨어러블 디바이스에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

하이브리드 전자 시트를 포함하는 바이오 센서 및 생체 정보 검출용 웨어러블 디바이스{Biosensor and wearable device for detecting information of living bodies comprising hybrid electronic sheets}

하이브리드 전자 시트를 포함하는 바이오 센서 및 생체 정보 검출용 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.

삶의 질 향상과 의료 기술의 발달로 인해 인간의 기대 수명은 꾸준히 증가하고 있는 추세이며 노령 인구 증가에 따른 건강 상태의 자가 진단에 대한 관심 및 투자가 활발히 이루어지고 있다.

자가 진단을 위한 바이오 센서 분야에서 침습형으로 피를 뽑아내는 방식이 아닌 환자에게 착용된 센서가 스스로 환자의 체액 (침, 땀, 눈물 등)을 이용하여 글루코오스 농도를 지속적으로 측정하고 이를 분석한 정보가 무선통신 등을 통해 외부 기기로 전달 가능한 웨어러블 바이오 센서(wearable biosensor)가 주목을 받고 있다. 눈물 등의 체액상에 있는 글루코오스 농도는 일반 혈액상의 농도보다 10~20배 낮기 때문에, 낮은 농도의 글루코오스 레벨을 효과적으로 측정하는 웨어러블 바이오 센서를 개발하기 위해서는 혈액상의 글루코오스 농도를 측정하는 센서보다 높은 감도를 지닌 센서가 요구된다. 또한, 사람의 신체에 부착되어야 하기 때문에 패터닝이 가능한 물질을 이용하여 센서의 크기를 대폭 축소하여야 하며, 휘어짐 (flexibility), 투명도 (transparency), 표면 부착성 (surface adhesion) 측면에서도 특성이 향상되어야 한다.

향상된 특성을 갖는 바이오 센서를 제작하기 위한 노력으로서, 센서 표면 상에 고정된 시약의 산화 환원 상태의 변화를 매개체 없이 직접적으로 감지하는 3세대 바이오 센서 (3rd generation biosensor)가 주목을 받고 있다. 3세대 바이오 센서 개념을 이용한 글루코오스 센서의 경우 직접적 전자 이동(Direct electron transfer, DET)이 일어남에 따라 방해물질인 AA 와 UA를 효과적으로 배제할 수 있다. 또한, 글루코오스 옥시다아제가 글루코오스와 일어나는 반응을 어떠한 매개체 없이 직접적으로 DET에 의해 바로 전극상으로 전달할 수 있기 때문에 센서의 효과나 정확도 면에서도 발전될 수 있다.

하지만 이러한 DET 기반의 3세대 바이오 센서를 제작하려면, 복잡한 공정을 요구하는 나노 물질 등을 이용하여 센서 플랫폼을 구축하여야 하기 때문에, 재현성이 떨어지고, 센서의 감도 조절이 어려워 센서의 제작 공정에 많은 비용을 필요로 한다. 또한, 인체에 부착 가능한 형태로 DET 기반의 3세대 바이오 센서를 구현하기 위해서는 나노 물질이 패터닝이 가능한 형태로 구현되어야 한다. 또한, 측정방법에 있어서도 체액에 녹아 나올 수 있는 기준전극이 아닌 인체에 무해한 전극을 이용한 기준전극 상에서도 작동이 가능하여야 한다. 따라서, 제작 과정에서 비용이 절감되고, 패터닝이 가능하며, 센서의 감도가 향상된 바이오 센서에 대한 요구가 존재한다.

일 양상은 기판; 상기 기판 상에 형성된 전자 시트; 및 상기 전자 시트 상에 고정화된 분석물 결합 물질을 포함하고, 상기 전자 시트는 그래피틱 물질 및 상기 그래피틱 물질에 결합된 파지를 포함하고, 상기 그래피틱 물질 및 상기 파지의 결합은 상기 파지의 외피 단백질 또는 그 단편에 디스플레이된 펩티드와 상기 그래피틱 물질 사이에 이루어진 것을 포함하는 것인 바이오 센서를 제공한다.

다른 양상은 상기 바이오 센서를 포함하는 생체 정보 검출용 웨어러블 디바이스를 제공한다.

일 양상은 기판; 상기 기판 상에 형성된 전자 시트; 및 상기 전자 시트 상에 고정화된 분석물 결합 물질을 포함하고, 상기 전자 시트는 그래피틱 물질 및 상기 그래피틱 물질에 결합된 파지를 포함하고, 상기 그래피틱 물질 및 상기 파지의 결합은 상기 파지의 외피 단백질 또는 그 단편에 디스플레이된 펩티드와 상기 그래피틱 물질 사이에 이루어진 것을 포함하는 것인 바이오 센서를 제공한다.

도 1을 참조하여 설명하면, 기판 및 상기 기판 상에 형성된 전자 시트가 바이오 센서에 포함된다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, 전자 시트(20)는 기판(10) 상에 전사될 수 있으며, 도 1b 및 도 1c에 나타낸 바와 같이, 기판(10) 상에 전사된 전자 시트(20)는 패턴이 형성된 것일 수 있다. 상기 전자 시트(20)는 화학적 에칭 과정 없이 패턴이 형성될 수 있다. 기판은 전도성 기판 또는 절연 기판일 수 있으며, 도 1d에 나타낸 바와 같이, 적어도 하나 이상의 전극(200)이 배치된 절연 기판일 수 있다. 상기 기판은 전도성 기판 또는 절연 기판일 수 있으며, 적어도 하나 이상의 전극이 배치된 절연 기판일 수 있다. 상기 하나 이상의 전극은 제1 전극, 제2 전극, 또는 제3 전극일 수 있고, 작업 전극, 상대 전극, 또는 기준 전극일 수 있다. 또한 상기 전극은 상기 작업 전극, 상대 전극, 또는 기준 전극에 더하여, 보조 전극 및 인식 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 시트가 하나 이상의 전극이 배치된 절연 기판 상에 형성될 때, 상기 전자 시트는 제1 전극, 또는 작업 전극, 또는 그들의 일부에 배치될 수 있다.

또한, 바이오 센서는 상기 기판과 마주보게 배치된 제2 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 기판은 상기 기판과 동일하거나 다른 것일 수 있다. 상기 제2 기판을 더 포함하는 경우, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 마주보는 배치일 수 있다.

상기 기판의 예는 은, 은에폭시, 팔라듐, 구리, 금, 백금, 은/염화은, 은/은이온, 수은/산화수은, 전도성 탄소, 반도체 기판, 산화물 기판, 폴리머 기판을 포함할 수 있다. 상기 전극의 예는 은, 은에폭시, 팔라듐, 구리, 금, 백금, 은/염화은, 은/은이온, 또는 수은/산화수은일 수 있다.

또한, 상기 기판은 투명 유연 기판일 수 있다. 투명 유연 기판의 예는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate)), 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄(polyurethane),　폴리에스테르(polyester), 퍼플루오로폴리에테르(Perfluoropolyether, PFPE), 폴리카보네이트(polycarbonate), 또는 상기 고분자의 조합으로부터 제조된 기판일 수 있다.

상기 전자 시트는 그래피틱 물질 및 상기 그래피틱 물질에 결합된 파지를 포함하고, 상기 결합은 상기 파지의 외피 단백질 또는 그 단편에 디스플레이된 펩티드와 상기 그래피틱 물질 사이에 이루어진 것을 포함하는 것일 수 있다.

본 명세서에서 용어 "시트"라 함은 일정한 폭과 두께를 갖는 물질을 의미할 수 있으며, 예를 들면, 필름, 웹, 막, 또는 이들의 복합 구성체를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.

또한, 상기 전자 시트는 기판 또는 마스크를 사용하여 패턴화된 것일 수 있으며, 통상의 기술자는 목적하는 용도에 따라, 상기 전자 시트에 패턴을 형성시킬 수 있다.

상기 전자 시트의 면적은 예를 들면, 0.0001 내지 1000 cm², 0.0001 내지 100 cm², 또는 1 내지 20 cm²일 수 있으며, 두께는 예를 들면, 20 내지 400 nm, 40 내지 200, 또는 40 내지 100 nm 일 수 있다. 또한, 상기 그래피틱 물질의 내부 구조는 퍼콜레이트 네트워크(percolated network) 구조를 갖는 것일 수 있다. 본 발명에서 용어 "퍼콜레이트 네트워크(percolated network)"는 무작위적 전도성 또는 비전도성 연결로 구성된 격자 구조를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 용어 "그래피틱 물질(graphitic materials)"은, 탄소원자가 육각형 모양으로 배열되어 있는 표면, 즉 그래피틱 표면(graphitic surface)을 지니는 물질을 의미할 수 있으며, 그래피틱 표면을 포함하는 물질이라면 물리적, 화학적 성질, 구조적 특성에 상관없이 그래피틱 물질에 포함될 수 있다. 상기 그래피틱 물질은 예를 들면 그래핀 시트, 고배향성 열분해흑연(HOPG) 시트, 단겹 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube) 및 이겹 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotubes), 다겹탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 등의 탄소나노튜브 또는 풀러린(fullerene)을 포함할 수 있다. 상기 그래피틱 물질은 금속성, 반도체성 혹은 혼성되어 있는 물질일 수 있으며, 예를 들면 그래핀 시트 및 단겹 탄소나노튜브의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 그래피틱 물질에 특이적으로 결합능을 갖는 펩티드는 X₂SX₁AAX₂X₃P(서열번호 1), X₂X₂PX₃X₂AX₃P(서열번호 2), SX₁AAX₂X₃P(서열번호 3) 및 X₂PX₃X₂AX₃P(서열번호 4)의 아미노산 서열로로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 펩티드 또는 펩티드 세트일 수 있다. 또한, 상기 펩티드는 서열번호 5 내지 8의 아미노산 서열로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 펩티드 또는 펩티드 세트일 수 있다. 상기 펩티드 또는 펩티드 세트의 아미노산 서열의 N-말단 또는 C-말단에는 파지의 외피 단백질의 연속되는 아미노산 서열이 연결될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 상기 펩티드 또는 펩티드 세트는 길이가 5 내지 60 개의 아미노산 서열, 7 내지 55개의 아미노산 서열, 7 내지 40 개의 아미노산 서열, 7 내지 30개의 아미노산 서열, 7 내지 20개의 아미노산 서열, 또는 7 내지 10개의 아미노산 서열일 수 있다.

상기 펩티드는 개시된 펩티드의 보존적 치환(conservative substitution)을 포함하는 것일 수 있다. 본 발명에서 용어 "보존적 치환(conservative substitution)" 이란 제1 아미노산 잔기가 제2의 상이한 아미노산 잔기로 치환되는 것으로서, 여기서, 제1 및 제2 아미노산 잔기는 생물물리학적 특징이 유사한 곁사슬을 가지는 것을 의미할 수 있다. 유사한 생물물리학적 특징으로는 소수성, 전하, 극성, 또는 수소 결합을 제공 또는 수용할 수 있는 능력을 포함할 수 있다. 보존적 치환의 예들은 염기성 아미노산(아르기닌, 리신 및 히스티딘), 산성 아미노산(글루탐산 및 아스파르트산), 극성 아미노산(글루타민 및 아스파라긴), 소수성 아미노산(루신, 이소로이신, 발린 및 메티오닌), 친수성 아미노산(아스파르트산, 글루탐산, 아스파라긴 및 글루타민), 방향족 아미노산(페닐알라닌, 트립토판 ,티로신 및 히스티딘), 및 작은 아미노산(글리신, 알라닌, 세린 및 트레오닌)의 군의 범위 내에 있을 수 있다. 일반적으로 특이적 활성을 변경시키지 않는 아미노산 치환은 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 따라서, 예를 들면, 상기 펩티드에서 X₁은 W, Y, F 또는 H이고, X₂는 D, E, N 또는 Q이고, X₃는 I, L 또는 V일 수 있다.

상기 그래피틱 물질에 결합하는 펩티드는 펩티드의 라이브러리를 통해 선별될 수 있으며, 예를 들면, 파지 디스플레이 기법을 통해 선별될 수 있다. 파지 디스플레이 기법을 통해 펩티드가 유전적으로 파지의 외피 단백질에 연결, 삽입 또는 치환되어 파지의 외부에 디스플레이되고, 펩티드는 비리온 내의 유전 정보에 의해 암호화될 수 있다. 디스플레이된 단백질 및 그를 암호화하는 DNA에 의해 다양한 변이체의 단백질을 스크리닝하여 선별할 수 있으며, 그를 "바이오패닝(biopanning)"이라고 부른다. 요약하여 바이오패닝 기법은 다양한 변이체가 디스플레이된 파지를 고정화된 타겟(예를 들면, 그래피틱 물질)과 반응시키고, 결합하지 않은 파지를 세척한 후, 파지와 타겟 사이의 결합 상호작용을 파괴하여 특이적으로 결합된 파지를 용리(elution)하는 방법을 포함한다. 용리된 파지의 일부는 DNA 시퀀싱 및 펩티드 식별을 위하여 남겨두고, 나머지는 인 비보(in vivo)상에서 증폭하고 다음 라운드를 위한 서브 라이브러리를 만들어 상기 과정을 반복할 수 있다.

용어 "파지(phage)" 또는 "박테리오파지(bacteriophage)"는 호환적으로 사용되며, 박테리아를 감염시키고, 박테리아 내에서 복제되는 바이러스를 의미할 수 있다. 파지 또는 박테리오파지는 그래피틱 물질 또는 휘발성 유기화합물과 선택적 또는 특이적으로 결합하는 펩티드를 디스플레이(display)하기 위해 사용될 수 있다. 상기 파지는 그래피틱 물질에 결합능을 갖는 펩티드가 파지의 외피 단백질 또는 그의 단편에 디스플레이되도록 유전적으로 조작된 것일 수 있다. 본 발명에서 용어 "유전적 조작 (genetic engineering)" 또는 "유전적으로 조작된 (genetically engineered)"은 그래피틱 물질에 결합능을 갖는 펩티드를 파지의 외피 단백질 또는 그의 단편에 디스플레이하기 위해 파지에 대하여 하나 이상의 유전적 변형 (genetic modification)을 도입하는 행위 또는 그에 의하여 만들어진 파지를 의미할 수 있다. 상기 유전적 변형은 상기 펩티드를 코딩하는 외래 유전자가 도입되는 것을 포함한다. 또한, 상기 파지는 필라멘트성 파지(Filamentous phage)일 수 있으며, 예를 들면, M13 파지, F1 파지, Fd 파지, If1 파지, Ike 파지, Zj/Z 파지, Ff 파지, Xf 파지, Pf1 파지 또는 Pf3 파지일 수 있다.

본 발명에서 용어 "파지 디스플레이(phage display)"는 파지 또는 파지미드(phagemid) 입자의 표면에 기능적 외래 펩티드 또는 단백질의 표시(display)를 의미할 수 있다. 상기 파지의 표면은 파지의 외피 단백질 또는 그의 단편를 의미할 수 있다. 또한 상기 파지는 상기 기능적 외래 펩티드의 C-말단이 파지의 외피 단백질의 N-말단에 연결되거나, 또는 상기 펩티드가 파지의 외피 단백질의 연속되는 아미노산 서열 사이에 삽입되거나 또는 외피 단백질의 연속되는 아미노산 서열의 일 부분을 치환한 것인 파지일 수 있다. 상기 펩티드가 외피 단백질에 삽입 또는 치환되는 연속되는 아미노산 서열의 위치는 외피 단백질의 N-말단으로부터 1 내지 50번 위치, 1 내지 40번 위치, 1 내지 30번 위치, 1 내지 20번 위치, 1 내지 10번 위치, 2 내지 8번 위치, 2 내지 4번 위치, 2 내지 3번 위치, 3 내지 4번 위치, 또는 2번 위치일 수 있다. 또한, 상기 외피 단백질은 p3, p6, p8 또는 p9 일 수 있다. 예를 들면, 상기 서열번호 1 내지 서열번호 8 중 어느 하나의 펩티드의 C-말단이 M13 파지의 몸통에 존재하는 50개의 아미노산 길이의 p8(서열번호 14)의 N-말단에 연결된 것일 수 있다. 또한, 예를 들면, 상기 서열번호 1 내지 서열번호 8 중 어느 하나의 펩티드가 M13 파지의 외피 단백질 p8의 2 내지 4번 위치의 아미노산 서열(즉, EGD), 2 내지 3번 위치, 3 내지 4번 위치, 또는 2번 위치의 아미노산 서열을 대신하여 연결된 것일 수 있다.

일 구체예에 있어서, 상기 하이브리드 전자 시트는 비파괴적인 결합능을 갖는 펩티드가 디스플레이된 파지를 결합시킴으로써 전기적인 특성이 우수하면서도 필요에 따라 그의 특성은 적절하게 제어가능할 뿐만 아니라, 반도체성 특성을 갖는다.

다른 구체예에 있어서, 상기 하이브리드 전자 시트는 구조적으로 안정하고, 투명하며, 유연하여 다양한 기판 또는 일반적이지 않은 (non-conventional) 기판에도 전사될 수 있을 뿐만 아니라, 기판 또는 마스크를 사용하여 다양한 패터닝을 형성할 수 있다.

또 다른 구체예에 있어서, 상기 하이브리드 전자 시트는 파지로 하이브리드화되어 있어 바이오 물질과의 친화성이 좋으며, 추가적으로 다른 바이오 물질(예를 들면, 분석물 결합 물질)로 기능화하는 것이 가능하다.

또한, 도 2a를 참조하여 설명하면, 일 구체예에 따른 바이오 센서는 상기 전자 시트 상에 고정화된 분석물 결합 물질(100)을 포함한다.

본 발명에서 용어 "분석물 결합 물질(analyte binding materials)" 또는 분석물 결합 시약(analyte binding reagents)"은 호환적으로 사용되고, 전자 시트에 기능화를 부여할 수 있는 물질 또는 분석물-특이적으로 결합하는 물질을 의미할 수 있다. 상기 분석물 결합 물질은 산화 환원 효소(redox enzyme)를 포함할 수 있다. 상기 산화 환원 효소는 기질을 산화 또는 환원시키는 효소를 의미할 수 있으며, 예를 들면, 옥시다아제, 퍼옥시다아제, 리덕타아제, 카탈라아제 또는 디히드로게나아제를 포함할 수 있다. 상기 산화 환원 효소의 예는 혈당 옥시다아제, 락테이트 옥시다아제, 콜레스테롤 옥시다아제, 글루타메이트 옥시다아제, HRP(horseradish peroxidase), 알코올 옥시다아제, 글루코오스 옥시다아제(glucose oxidase; GOx), 글루코오스 디히드로게나아제(glucose dehydrogenase; GDH), 콜레스테롤 에스테르게나아제, 아스코르브산 옥시다아제(ascorbic acid oxidase), 알코올 디히드로게나아제, 락카아제(laccase), 티로시나아제(tyrosinase), 갈락토오스 옥시다아제(galactose oxidase) 또는 빌리루빈 옥시다아제(bilirubin oxidase)를 포함할 수 있다. 상기 분석물 결합 물질은 전자 시트 상에 고정화된 것일 수 있으며, 용어 "고정화된(immobilized)"은 분석물 결합 물질과 전자 시트 사이의 화학적 또는 물리적 결합을 의미할 수 있다.

본 발명에서 용어 "분석물(analyte)"은 시료 중에 존재할 수 있는 대상 물질(material of interest)을 의미할 수 있다. 검출할 수 있는 분석물은 샌드위치, 경쟁 또는 치환 분석법 배치(configuration)에 참여할 수 있는 하나 이상의 분석물 결합 물질과의 특이적-결합 상호 작용에 관련될 수 있는 것들을 포함할 수 있다. 상기 시료의 예는 혈액, 체액, 뇌척수액, 뇨, 분뇨, 침, 눈물, 또는 땀 등을 포함할 수 있다. 분석물의 예는 펩티드(예를 들어, 호르몬)와 같은 항원 또는 햅텐, 단백질(예를 들어, 효소), 탄수화물, 단백질, 약물, 농약, 미생물, 항체, 및 상보적인 서열과 서열 특이적 혼성화 반응에 참여할 수 있는 핵산을 포함할 수 있다. 상기 분석물의 보다 상세한 예는 글루코오스, 콜레스테롤, 락테이트, 과산화수소, 카테콜, 티로신 또는 갈락토오스를 포함할 수 있다.

도 2b를 참조하여 설명하면, 바이오 센서는 상기 고정화된 분석물 결합 물질 상(100)에 형성된 보호층(50)을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 보호층(50)은 바이오 센서의 보호를 위해 사용될 수 있는 것으로 통상의 기술자에게 알려진 것이거나 당업계의 일반 지식으로부터 자명한 것이라면 무엇이든 사용될 수 있다. 예컨대, 보호층(50)은 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 기반 공중합체, 나피온(Nafion^®) 또는 제2 전자 시트일 수 있다.

또한, 상기 전자 시트 또는 보호층은 분석물 결합 물질과 접촉하는 표면이 상기 분석물 결합 물질과 반대의 전하인 양전하 또는 음전하를 띠도록 개질된 것일 수 있다.

도 2c를 참조하여 설명하면, 도 2c는 상기 전자 시트(20) 또는 보호층(50)의 표면이 양전하 또는 음전하를 띠도록 양전하 고분자 또는 음전하 고분자(30)로 개질된 것을 나타낸다. 상기 분석물 결합 물질(100)의 성향이 음전하인 경우, 양전하 고분자(30)를 사용하여 전자 시트(20) 또는 보호층(50)의 분석물 결합 물질(100) 접촉 표면을 양전하로 개질할 수 있으며, 상기 분석물 결합 물질(100)의 성향이 양전하인 경우, 음전하 고분자(30)를 사용하여 전자 시트(20) 또는 보호층(50)의 표면을 음전하로 개질할 수 있다. 또한 상기 분석물 결합 물질(100)의 성향이 양전하인 경우, 전자 시트(20) 또는 보호층(50)의 표면을 양전하 고분자(30)로 개질한 후에, 다시 음전하 고분자(30)로 개질하여, 양전하 성향을 띠는 분석물 결합 물질(100)을 전자 시트(20) 상에 고정화 또는 결합시킬 수 있다.

상기 양전하 고분자의 예는 PAH (Poly(allyamine)), PDDA (Polydiallyldimethylammonium)), PEI (Poly(ethyleneimine)), 또는 PAMPDDA (Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 음전하 고분자의 예는 PSS (Poly (4-styrenesulfonate), PAA (Poly(acrylic acid)), PAM (Poly(acryl amide)), Poly(vinylphosphonic acid), PAAMP (Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid), PATS (Poly(anetholesulfonic acid)), 또는 PVS (Poly(vinyl sulfate))를 포함할 수 있다.

또한, 도 2d를 참조하여 설명하면, 바이오 센서는 전자 시트(20) 및 분석물 결합 물질(100) 또는 분석물 결합층(40)을 포함하는 반복 유닛이 복수개 적층된 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 반복 유닛은 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 5개 이상, 6개 이상, 7개 이상 또는 8개 이상일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 반복 유닛이 복수개 적층된 구조를 포함하는 바이오 센서는 단층 구조에 비해 센서의 감도를 높일 수 있다.

도 2e를 참조하여 설명하면, 도 2e는 분석물 결합 물질이 고정화된 전자 시트가 도 1d에 나타낸 바와 같이 적어도 하나 이상의 전극이 배치된 절연 기판 상에 형성된 것을 설명하는 도면이다. 상기 하나 이상의 전극은 제1 전극, 제2 전극, 또는 제3 전극일 수 있고, 작업 전극, 상대 전극, 또는 기준 전극일 수 있다. 또한 상기 전극은 상기 작업 전극, 상대 전극, 또는 기준 전극에 더하여, 보조 전극 및 인식 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 시트가 하나 이상의 전극이 배치된 절연 기판 상에 형성될 때, 상기 전자 시트는 제1 전극, 또는 작업 전극, 또는 그들의 일부에 배치될 수 있다.

상기 바이오 센서는 시료, 전자 시트 및 분석물 결합 물질을 수용하기 위한 테스트 셀을 더 포함하고, 상기 테스트 셀은 시료의 주입 또는 배출을 위한 입구 또는 출구를 포함하는 채널이 구비된 것일 수 있다.

도 3 내지 8을 참조하여 설명하면, 일 구체예에 따른 바이오 센서(60)는 작업 전극(WE), 상대 전극(CE) 및 기준 전극(RE)이 배치된 기판(10) 상에 형성된 채널이 구비된 테스트 셀(610)을 포함할 수 있다. 상기 테스트 셀(610)은 커버(60)로 덮여질 수 있다. 상기 테스트 셀(610)은 시료가 주입되는 입구(611) 또는 시료가 배출되는 출구(612)를 갖는다. 시료가 상기 입구(611)를 통해 들어오게 되고, 시료 내 존재하는 분석물은 분석물 결합 물질(100)과 산화 환원 반응을 일으켜 테스트 셀 내에 화학적 전위 기울기를 일으킨다. 용어 "화학적 전위 기울기(chemical potential gradient)"는 산화 환원 활성종의 농도 기울기를 의미할 수 있다. 그러한 기울기가 2개의 전극 사이에 존재할 때, 전위차는 회로가 열리면 검출될 수 있을 것이고, 상기 회로가 닫히는 경우 기울기가 없어질 때까지 전류는 흐를 것이다. 화학적 전위 기울기는 상기 산화 환원 효소(예를 들면, 분석물 결합 물질)의 분포의 비대칭으로부터 생겨나는 이러한 상기 전극 사이의 전위차 또는 전류 흐름의 인가로부터 생겨나는 어떠한 전위 기울기를 의미할 수 있다. 일 구체예에 따른 바이오 센서에 있어서, 상기 전자 시트(20)가 전사된 작업 전극에서는 강한 산화 환원 반응의 피크가 나타나고, 그렇지 않은 전극에서는 산화 환원 피크가 거의 또는 전혀 나타나지 않는다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 일 구체예에 따른 바이오 센서에 있어서, 분석물과 분석물 결합 물질(100)의 산화 환원 반응에 의한 전자의 이동은 상기 전자 시트가 전사된 작업 전극에서 매개체 없이 직접적으로 일어나는 것(DET)일 수 있다.

상기 테스트 셀 내의 채널은 시료의 모세관 작용이 촉진되기 위해 개질된 것일 수 있다. 상기 개질은 소수성 물질로 개질된 것일 수 있다. 소수성 물질의 예는 글리세라이드, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐클로라이트(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 규소 화합물, 왁스, 왁스 에멀젼, 지방족 폴리에스테르계 고분자로서, 폴리(L-락트산)(PLLA), 폴리(D,L-락트산）(PDLLA), 폴리(글리콜산)(PGA), 폴리(카프로락톤)(PCL), 폴리(하이드록시알카노에이트), 폴리다이옥산온(PDS), 또는 폴리트라이메틸렌카보네이트, 또는 이들 단위들의 공중합체인 폴리(락트산-co-글리콜산)(PLGA), 폴리(L-락트산-co-카프로락톤)(PLCL), 또는 폴리(글리콜산-co-카프로락톤)(PGCL)를 포함할 수 있다.

일 구체예에 따른 바이오 센서는 분석물의 결정을 위한 측정기를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 용어 "분석물의 결정(determination of an analyte)"은 시료를 평가하기 위한 정성적, 반-정량적 및 정량적 과정을 의미할 수 있다. 정성적 평가에서, 결과는 시료 중에 분석물이 검출되는지 여부를 나타낸다. 반-정량적 평가에서, 결과는 분석물이 미리 정의된 어떤 경계값 이상 존재하는지 여부를 나타낸다. 정량적 평가에서, 결과는 존재하는 분석물의 양의 수치적 표시이다.

상기 측정기는 시료의 도입 후 정해진 시간에서 전위차 또는 전류를 측정하고, 측정된 수치를 표시된 수치로 변환하기 위한 전자 장치를 포함할 수 있다. 상기 전위차 또는 전류의 측정은 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 사용하여 산화전류반응 전압 값을 결정하는 것일 수 있다. 상기 순환전압전류법은 상기 제1 전극(예를 들면, 작업 전극)의 전위를 일정속도로 순환시켜 전류를 측정하는 것일 수 있다. 또한 상기 측정된 수치의 변환은 전류 또는 전위의 특이적 수치를 특이적 장치 구조 및 분석물에 대한 보정 수치에 의존한 분석물의 수치로 변환시키는 룩업 테이블(look-up table)을 사용할 수 있다. 또한, 상기 측정기는 결과를 표시하는 디스플레이 및 하나 이상의 조절 인터페이스(예를 들어, 전원 버튼, 또는 스크롤 휠 등)를 갖는 틀을 더 포함할 수 있다. 상기 틀은 바이오 센서를 수신하기 위한 슬롯을 포함할 수 있다. 틀의 내부에는 시료가 제공되었을 때 바이오 센서의 전극에 전위 또는 전류를 인가하기 위한 회로가 있을 수 있다. 상기 측정기에 사용될 수 있는 적절한 회로는 예를 들어 상기 전극을 가로지르는 상기 전위를 측정할 수 있는 이상적인 전압 측정기일 수 있다. 상기 전위가 측정될 때 열리거나 또는 전류의 측정을 위해 닫히는 스위치가 또한 제공된다. 상기 스위치는 기계적인 스위치(예를 들어, 릴레이) 또는 FET(전계-효과 트랜지스터) 스위치, 또는 고상(solid-state) 스위치일 수 있다. 이러한 회로는 전위차 또는 전류차를 측정하는데 사용될 수 있다. 당업자에게 이해될 수 있는 것과 같이, 더 간단하고 더 복잡한 회로를 포함하는, 다른 회로들이 전위차 또는 전류 또는 양쪽 모두의 인가를 달성하는데 사용될 수 있다.

다른 양상은 기판; 상기 기판 상에 형성된 전자 시트; 및 상기 전자 시트 상에 고정화된 분석물 결합 물질을 포함하고, 상기 전자 시트는 그래피틱 물질 및 상기 그래피틱 물질에 결합된 파지를 포함하고, 상기 그래피틱 물질 및 상기 파지의 결합은 상기 파지의 외피 단백질 또는 그 단편에 디스플레이된 펩티드와 상기 그래피틱 물질 사이에 이루어진 것을 포함하는 것인 바이오 센서를 포함하는 웨어러블 디바이스를 제공한다.

바이오 센서에 대해서는 상기한 바와 같다.

상기 웨어러블 디바이스는 생체 정보 검출용인 것일 수 있다. 상기 웨어러블 디바이스는 패치, 워치(watch) 또는 콘택트 렌즈 등일 수 있다.

용어 "콘택트 렌즈(contact lens)"는 눈 안에 또는 눈 위에 존재할 수 있는 임의의 안과용 또는 미용 디바이스를 의미할 수 있다. 예를 들면, 콘택트 렌즈는 안구내 렌즈, 오버레이 렌즈, 안구 삽입물(ocular insert), 눈물점 마개, 또는 시력이 교정 또는 수정될 수 있는, 눈의 상태가 향상 또는 예방될 수 있는, 및/또는 눈의 생리학이 미용적으로 향상될 수 있는(예를 들면, 홍채 색깔) 기타 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 상기 콘택트 렌즈는 실리콘 탄성 중합체 또는 하이드로겔(예를 들면 실리콘 하이드로겔) 및 플루오로하이드로겔로 이루어진 소프트 콘택트 렌즈를 포함할 수 있다.

일 구체예에 따른 생체 정보 검출용 콘택는 렌즈는 상기 바이오 센서와 논리적 통신을 하고 상기 바이오 센서의 제어에 관련된 데이터를 출력하기 위해 상기 바이오 센서로부터 발생된 신호 데이터를 수신하고 처리하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

상기 생체 정보 검출용 콘택트 렌즈 내의 상기 바이오 센서는 상기 컨트롤러에 의해 제어되어, 상기 컨트롤러는 일정 시간 간격으로, 또는 특정 이벤트(예를 들면, 누액 내 글루코오스의 현저한 감소 또는 증가)에 반응하여 바이오 센서가 검출한 생체 정보를 수신하고 처리할 수 있다.

또한, 상기 생체 정보 검출용 콘택트 렌즈는 컨트롤러의 동작을 위한 프로세서를 저장할 수 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들면, 생체 정보)을 임시 저장할 수 있는 메모리를 더 포함할 수 있다. 상기 메모리는 상기 바이오 센서로부터 검출된 누액 내의 분석물(예를 들면, 글루코오스)에 대한 정보를 저장할 수 있다.

또한 상기 생체 정보 검출용 콘택트 렌즈는 상기 콘트롤러에서 처리된 정보 또는 상기 메모리에 저장된 정보를 무선 통신 시스템을 가지고 있는 콘택트 렌즈 착용자 또는 다른 사용자(예를 들면, 의사, 병원, 착용자의 가족 등)에게 전달하기 위한 무선 통신부를 더 포함할 수 있다. 예를 들면 무선 통신부는 방송 수신 모듈, 이동 통신 모듈, 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈을 포함할 수 있다. 상기 바이오 센서로부터 검출된 누액 내의 분석물에 대한 정보는 무선 통신부를 통해 착용자 또는 다른 사용자에게 전달될 수 있다.

생체 정보 검출용 콘택트 렌즈는 에너지를 공급할 수 있거나 장치를 가동상태에 둘 수 있는 에너지 공급원을 더 포함할 수 있다. 에너지 공급원은 예를 들면 리튬 이온 전지 일 수 있다.

또한, 상기 바이오 센서, 상기 컨트롤러, 상기 메모리, 상기 무선 통신부, 또는 상기 에너지 공급원 매체 삽입물을 통해 컨택트 렌즈에 내장되거나, 또는 컨택트 렌즈의 표면 상에 부착될 수 있다.

일 구체예에 따른 웨어러블 디바이스에 있어서, 상기 바이오 센서는 투명하고 유연한 기판 및 인체에 무해한 전극 상에서도 현저한 전기화학적 특성을 갖는다. 또한, 상기 바이오 센서는 인체에 유해한 매개체가 필요 없고, 시료 내 적은 양의 분석물을 검출할 수 있을 정도로 감도가 현저하여 웨어러블 디바이스(예를 들면, 생체 정보 검출용 콘택트 렌즈)에 유용하게 사용될 수 있다.

일 양상에 따른 바이오 센서는 전기 화학적인 활성도가 높고, DET 기반의 시료 내 분석물의 검출이 가능하다.

일 양상에 따른 웨어러블 디바이스는 인체에 무해하면서 분석물에 대한 고감도, 고선택성을 가져 비침습적인 방법으로 시료 내 적은 양의 분석물의 검출이 가능하다.

도 1은 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트를 포함하는 전극을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 2는 일 구체예에 따른 분석물 결합 물질이 고정화된 하이브리드 전자 시트를 포함하는 전극을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 일 구체예에 따른 바이오 센서를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 4는 일 구체예에 따른 바이오 센서의 Y축 단면도를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 5는 일 구체예에 따른 바이오 센서의 X 축 단면도를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 6은 일 구체예에 따른 바이오 센서의 커버의 사시도를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 7은 일 구체예에 따른 바이오 센서의 단면도를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 8은 일 구체예에 따른 바이오 센서의 커버의 단면 사시도를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 9는 일 구체예에 따른 분석물 결합 물질의 하이브리드 전자 시트 상에서 DET 반응 원리를 나타낸 개념도이다.
도 10a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트의 제조과정 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 10b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트의 형성 원리를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 10c는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트의 형성 원리 중 농도 분극 현상을 나타낸 그래프이다.
도 11은 일 구체예에 따른 대면적 프리스탠딩 하이브리드 전자 시트의 이미지를 나타낸 도면이다.
도 12는 파지가 결합되지 않은 단겹 탄소나노튜브만 있는 샘플의 이미지를 나타낸 도면이다.
도 13은 일 구체예에 따른 파지가 결합된 하이브리드 전자 시트 및 파지가 결합되지 않은 전자 시트의 나노 구조를 보여주는 SEM(scanning electron microscopy) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 14는 일 구체예에 따른 하이브리드 전극의 전기화학적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연 바이오 센서 제작 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 16은 일 구체예에 따른 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 직접 전자 이동(DET) 반응을 하이브리드 전자 시트 없이 금 전극 위에 구성된 GOx 전극과의 비교하여 나타낸 CV 그래프이다.
도 17은 일 구체예에 따른 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 글루코오스에 대한 전류의 반응과, 글루코오스에 아스코르브산 및 요산을 혼합한 혼합액 상에 대한 전류의 반응을 비교한 그래프이다.
도 18은 일 구체예에 따른 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 전압 주사 속도에 따른 순수한 DET 전류 반응 변화를 나타낸 그래프이다.
도 19a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트 상에 다른 농도의 GOx를 고정화할 때, 고정화된 GOx 농도가 증가함에 따라 GOx의 DET 산화 환원 반응의 정도가 증가함을 나타낸 그래프이다.
도 19b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트 상에 고정화된 GOx의 농도가 증가할수록 글루코오스 농도 변화에 대한 전류의 반응이 증가함으로써, 센서의 감도가 증가할 수 있음을 나타내는 그래프이다.
도 20a는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서가 단층 구조에 비해 높은 DET 환원 전류가 증가함을 나타내는 그래프이다.
도 20b는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서가 단층 구조에 비해 글루코오스 농도 변화에 대한 감도가 증가함으로써, 다중 적층시 센서의 감도가 증가할 수 있음을 나타낸 그래프이다.
도 21은 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 감도를 인체에 무해한 기준 전극에서 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 22는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서의 감도 및 유연성을 나타낸 도면이다.
도 23a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-콜레스테롤 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 23b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-락테이트 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 24a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-HRP 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 24b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-카탈라아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 25a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-갈락토오스 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 25b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-티로시나아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 25c는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-락카아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 바이오 센서 제조 및 특성 분석

1. 하이브리드 전자 시트를 갖는 전극의 제조

1.1. 콜로이드 용액의 제조

먼저, 증류수에 계면 활성제인 소듐 콜레이트(sodium-cholate)를 2% w/v의 농도로 첨가한 수용액을 제조한 다음, 탄소나노튜브(제조사:Nanointegris, SuperPure SWNTs, solution형태, 농도: 250 ㎍/ml)를 48시간 동안 투석하여 단겹탄소나노튜브를 소듐 콜레이트로 안정화시킨 콜로이드 용액을 제조하였다.

이때 탄소나노튜브(CNT)의 평균 길이를 1μm, 평균 지름을 1.4 nm로 가정했을 때, 상기 콜로이드 용액에 포함된 단겹탄소나노튜브 개수의 계산식은 다음과 같다.

[수학식 1]

단겹탄소나노튜브 개수(개/ml) = 농도 ㎍/ml X 3 X 10¹¹ CNT

상기 수학식에 의하면 상기 콜로이드 용액에 포함된 단겹탄소나노튜브 개수는 (7.5 × 10¹³)개/ml임을 알 수 있다.

1.2. 그래피틱 물질에 결합능을 갖는 펩티드가 디스플레이된 파지의 제조

그래피틱 표면과 강한 결합력을 지닌 M13 파지인 그래피틱 표면과 강한 결합력을 갖는 펩티드인 DSWAADIP(서열번호 5)이 디스플레이된 파지(P8GB#1), DNPIQAVP(서열번호 6)가 디스플레이된 파지(p8GB#5), SWAADIP(서열번호 7), 및 NPIQAVP(서열번호 8)이 디스플레이된 파지를 하기의 방법으로 제조하였다.

우선, M13KE 벡터(NEB, product#N0316S)(서열번호 9)의 1381번째 염기쌍(base pair)인 C의 G로의 부위특이적 변이(site-directed mutation)를 위하여, 서열번호 10 및 11의 올리고뉴클레오티드를 사용하여 M13HK 벡터를 제작하였다. 상기 제작된 M13HK 벡터는 제한효소 BspHI (NEB, product# R0517S) 및 BamHI 제한효소(NEB, product#R3136T)를 사용하여 이중 절단(double-digested)되었고, 남극 포스파타아제(Antarctic phosphatase)를 사용하여 탈인산화시켰다. 탈인산화된 벡터를 이중-절단 DNA 두플렉스(duplex)로 16℃에서 하룻밤 동안 인큐베이션하여 연결시켰다. 이후 산물을 정제하고, 농축하였다. 전기컴피턴트 세포(electorcompetent cell) (XL-1 Blue, Stratagene)를 18 kV/cml에서 2 ㎕의 농축된 연결된 벡터 용액으로 전기천공법으로 형질전환하였고, 총 5개의 형질전환을 라이브러리 구축을 위해 수행하였다. 이후, 형질전환된 세포는 60분 동안 배양되었고, 다수의 형질전환체의 분획은 X-갈/이소프로필-β-D-1-티오갈락토피라노사이드(IPTG)/테트라사이클린(Tet)을 함유하는 아가 플레이트에 플레이팅되어 라이브러리의 다양성을 결정하였다. 남아있는 세포는 진탕 배양기에서 8시간 동안 증폭되었다. 상기 파지 디스플레이 p8 펩티드 라이브러리의 제작에는 서열번호 12 및 13의 올리고뉴클리오티드를 사용하였다.

일 구체예에 따라 제조된 파지 디스플레이 p8 펩티드 라이브러리의 염기서열은 4.8×10⁷ pfu(plaque form unit)가지의 다양성을 가지며 각각의 서열당 1.3×10⁵개 정도의 복제수(copy number)를 지녔다.

그 다음, 직경이 1cm 인 HOPG (highly ordered pyrolytic graphite) 기판(제조사: SPI product#439HP-AB)을 준비하였다. 이때 HOPG 기판은 입자크기(grain size)가 100μm 이하의 비교적 큰 HOPG 기판을 사용하였다. 기존에는 그래피틱 표면으로ㅅ써 생산과정에서 대부분 표면이 손상되는 탄소나노튜브필름 표면 등을 사용하였기 때문에, 결합력이 높은 펩티드를 도출하기 어렵다는 단점이 있었다. 이에 그를 보완화기 위하여, 그래피틱 표면을 갖는 물질인 HOPG를 실험 전에 기판으로부터 테이프로 떼어내어 깨끗한(fresh) 표면을 얻어 샘플 표면의 산화 등으로 인한 결함을 최소화시켰다. 그 다음, 상기에서 제조한 4.8×10¹⁰ pfu(4.8×10 ⁷ 가지 다양성, 각 서열마다 복제수 1000개)의 파지 디스플레이 p8 펩티드 라이브러리를 100μL의 TBS(Tris-buffered Saline) 완충액에 준비한 다음 HOPG 표면과 1시간 동안 100rpm으로 진탕배양기에서 반응(conjugating)시켰다. 1 시간 후 용액을 제거한 다음, TBS에서 10번 반복 세척하였다. 세척된 HOPG 표면에 산성 완충액으로서 pH 2.2의 Tris-HCl을 8분 동안 반응시켜 비선택적으로 반응하는 펩티드를 용리(elution)한 후, 미드-로그(mid-log) 상태인 XL-1 blue E. coli 배양물(culture)로 30분 동안 용리시켰다. 용리된 배양물의 일부는 DNA 시퀀싱(DNA sequencing) 및 펩티드 식별(peptide identification)을 위하여 남겨두고 나머지는 증폭(amplification)해서 다음 라운드를 위한 서브 라이브러리(sub-library)를 만들었다. 이때 만들어진 서브 라이브러리를 이용하여 상기의 과정을 반복하였다. 한편, 남겨둔 플라크는 DNA를 분석하여 p8 펩티드 서열을 구하고, 이때 얻어진 서열을 분석하여 그래피틱 물질에 강한 결합능을 갖는 펩티드 서열인 DSWAADIP(서열번호 5)이 디스플레이된 파지(P8GB#1), DNPIQAVP(서열번호 6)가 디스플레이된 파지(p8GB#5), SWAADIP(서열번호 7), 및 NPIQAVP(서열번호 8)이 디스플레이된 파지를 얻었다.

1.3 하이브리드 전자 시트를 갖는 전극의 제조

상기 제조한 콜로이드 용액과 상기 그래피틱 표면과 강한 결합력을 지닌 M13 파지(p8GB#1)를 포함하는 파지용액을 4:1의 몰비율로 혼합하였다. 그 다음, 투석을 위하여 반투과성 멤브레인(semipermeable dialysis membrane; SpectrumLab, MWCO 12,000~14,000, product # 132 700) 튜브 안에 상기 혼합물을 각각 넣은 다음, 상기 각 멤브레인 튜브를 3차 증류수에 대하여 투석을 진행하였다. 투석 시작 후 약 16시간이 지나자 상기 멤브레인 튜브 면을 따라서 얇은 전자 시트가 형성되었다. 그 다음, 상기 각 멤브레인 튜브를 3차 증류수에 옮겨 넣고 멤브레인 튜브의 멤브레인을 비틀어 전자 시트를 떼어내어 건조하였다. 상기 제조된 전자 시트의 두께는 약 100 nm이었다. 형성된 전자 시트 중 4:1의 몰비율로 혼합한 전자 시트의 이미지를 도 11에 나타내었다. 이후, 상기 제조된 프리스탠딩 하이브리드 전자 시트 필름을 원하는 4 mm 지름의 패턴을 가지고 있는 스탠실 마스크 (stencil mask)를 사용해 상용화된 4mm 지름의 금 전극 (SPE 250BT, DropSens) 상에 올린 후, 1시간 동안 공기중에 건조시켰다. 금 전극 위에 전사된 하이브리드 필름은 스탠실 마스크를 제거한 후 탈이온수를 사용해 세척한 후, 질소 가스를 사용해 건조시켰다. 이렇게 제작된 하이브리드 필름의 두께는 약 200 nm 정도였다.

또한, 본 발명의 비교예로서, 파지를 포함하지 않는 전자 시트를 다음과 같이 제조하였다. 먼저, 증류수에 계면 활성제인 소듐 콜레이트를 2% w/v의 농도로 첨가한 수용액을 제조한 다음, 그래피틱 물질인 단겹 탄소나노튜브(제조사: Nanointegris, SuperPure SWNTs, solution 형태, 농도: 250 μg/ml)를 48시간 동안 투석하여 단겹탄소나노튜브를 소듐 콜레이트로 안정화시켜 콜로이드 용액을 제조하였다. 그 다음, 투석을 위하여 반투과성 멤브레인(semipermeable dialysis membrane; SpectrumLab, MWCO 12,000~14,000, product # 132 700) 튜브 안에 상기 콜로이드 용액 0.4 ml를 10 ml 1% w/v 소듐 콜레이트 수용액에 희석하여 잘 섞은 다음, 상기 멤브레인 튜브를 상기 3차 증류수에 넣고 대하여 투석을 진행하였다. 투석 시작 후 약 24시간이 지나자 상기 멤브레인 튜브 면을 따라서 전자 시트가 형성되었다. 그 다음, 상기 멤브레인 튜브를 3차 증류수에 옮겨 넣고 멤브레인 튜브의 멤브레인을 비틀어 전자 시트를 떼어내었다. 이때 떼어낸 전자 시트의 사진 및 주사 전자 현미경 이미지를 도 12에 나타내었고, 파지가 결합된 하이브리드 전자 시트인 도 11과 비교하였다. 또한, 파지가 결합된 하이브리드 전자 시트 및 파지가 결합되지 않은 전자 시트의 나노 구조를 주사 전자 현미경으로 촬영하여 비교하였고, 그 결과를 도 13에 나타내었다.

도 10a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트의 제조과정 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 10a에 나타낸 바와 같이, 계면활성제가 포함된 용액에 첨가시켜 안정화된 콜로이드 물질에 탄소나노뷰브가 분산 또는 용해되어 있음을 알 수 있다. 단겹탄소나노튜브와 약 1개의 M13 파지가 결합하여 최종적으로는 탄소나노뷰브와 M13 파지가 퍼콜레이트 네트워크(percolated network)의 구조를 갖는 시트가 형성됨을 확인할 수 있다.

도 10b은 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트의 형성 원리를 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 10c는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트의 형성 원리 중 농도 분극(concentration polarization) 현상을 나타낸 그래프이다.

도 10b 및 10c에 나타낸 바와 같이, 일 구체예에 따른 펩티드가 디스플레이된 M13 파지가 결합된 탄소나노튜브의 형성은 멤브레인 튜브 안에 파지 용액 및 콜로이드 용액의 혼합물을 넣고 투석 용액에 대하여 투석함으로써 형성됨을 알 수 있다. 투석이 진행되는 동안 멤브레인 안과 바깥의 농도차에 의한 확산 효과로 인하여 콜로이드 물질 내의 탄소나노튜브의 표면에 붙어서 탄소 물질을 안정화시켰던 계면 활성제의 튜브 내의 농도가 낮아지게 되는데 이러한 확산에 의한 묽힘 현상은 멤브레인 근처가 가장 크다. 한편, 탄소나노튜브와 강한 결합력을 갖는 펩티드가 디스플레이된 M13 파지는 탄소나노뷰브를 둘러싼 계면 활성제의 농도가 낮아져야 탄소타나노튜브와 반응을 시작할 수 있게 되므로, 투석이 일정 시간 진행되면 이러한 결합은 묽힘 현상이 가장 활발한 멤브레인 근처에서 일어나게 된다. 이러한 원리로 투석 방법을 사용하여 시트를 형성할 수 있다.

도 11은 일 구체예에 따른 대면적 프리스탠딩 하이브리드 전자 시트의 이미지를 나타낸 도면이다.

도 12는 파지가 결합되지 않은 단겹 탄소나노튜브만 있는 샘플의 이미지를 나타낸 도면이다.

도 13은 일 구체예에 따른 파지가 결합된 하이브리드 전자 시트 및 파지가 결합되지 않은 전자 시트의 나노 구조를 보여주는 SEM(scanning electron microscopy) 이미지를 나타낸 도면이다.

상기 도면에 나타낸 바와 같이, 일 구체예에 따른 파지가 결합된 하이브리드 전자 시트는 탄소나노튜브와 파지의 결합에 의해 전자 시트가 넓은 면적으로 안정적으로 형성되고, 탄소나노튜브가 고르게 분산되어있는 나노 구조를 가지게 됨을 확인할 수 있다. 그에 반해, 파지가 결합되지 않은 전자 시트는 제조과정에서 잘게 부셔졌음을 확인할 수 있고, 또한 번들을 갖는 형태의 미세구조를 가지게 됨을 알 수 있다. 상기의 결과로, 일 구체예에 따른 파지가 결합된 하이브리드 전자 시트인 프리스탠딩 전자 시트는 탄소나노튜브와 파지의 강한 결합력에 의하여 그 형태가 유지되면서도 고르게 분포된 나노 구조를 갖는 반면, 파지를 넣지 않고 투석을 진행하는 경우 멤브레인 근처에서 전자 시트는 형성되나 잘 부서지게 되어 응용에 한계가 있음을 알 수 있다.

1.4. 하이브리드 전자 시트를 갖는 전극의 전기 화학적 특성 분석

상기 실시예 1의 1.1.3.에서 제조한 전극의 전기화학적 특성을 분석하기 위해, 비교예로서, 금 콜랙터를 포함한 전극(SPE 250BT, DropSens)을 구매하여, 표면 개질 없이 사용하였다.

구체적으로, 상기 실시예 1의 1.1.3.에서 제조한 전극 및 비교예 전극을 작업 전극 (Working electrode, WE)으로 사용하고 Pt가 코팅된 티타늄 챔버(titanium chamber)를 상대 전극 (Counter electrode, CE)으로, 그리고 Ag/AgCl (3M KCl saturated, PAR, K0260)을 기준전극 (reference electrode, RE)으로 사용하여, 10mM K₃[Fe(CN)₆] (244023, Sigma Aldrich)를 10mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질로 사용한 용액에 섞어 산화 환원 반응을 cyclic voltammetry (CV) 방식으로 진행하였다. 측정 전압은 기준 전극 대비 -0.2 V ~ 0.6 V 사이로 인가하였으며, 주사 속도 (scan rate)는 200mV/s으로 하였고, 측정 결과를 도 14a에 나타내었다. 또한, 상기 전극들에 대해 100,000 Hz ~ 0.1 Hz 범위 내에서 10 mV AC를 전가하여 전기화학 시스템 셀의 개방 회로 전위(open circuit potential) (OCP) 상에서 전기화학적 임피던스(Electrochemical impedance)를 측정하였고, 그 결과를 도 14b에 나타내었다.

도 14는 일 구체예에 따른 하이브리드 전극의 전기화학적 특성을 나타낸 그래프이다.

도 14a에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 전자 시트가 전사된 전극의 산화 환원 전류가 비교예의 금 전극에 비해 약 50% 증가되었음을 확인할 수 있다.

또한, 도 14b 에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 전자 시트가 전사된 전극 상에서 측정된 전하 이동 저항(Charge transfer resistance) (Rct)이 비교예의 금전극보다 약 80% 감소한 것으로 나타났음을 확인할 수 있다.

상기의 결과로, 일 구체예에 따른 하이브리드 전극의 전기 화학적 활성이 일반적으로 전기 화학 실험에서 많이 사용되는 금 전극보다 높음을 알 수 있으며, 이러한 결과는 하이브리드 전자 시트의 두께가 약 200 nm이라는 사실과 함께, 일 구체예에 따른 하이브리드 전극이 고성능 바이오 센서로 사용될 수 있음을 의미한다.

2. 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 제작 및 특성 분석

2.1. 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 제작

2.1.1. 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서 1의 제작 및 특성 분석

상기 실시예 1의 1.3.에서 제조된 음전하 성향을 띠는 하이브리드 전극 상에 양전하 성향을 띄는 6 mg의 poly-allyamine hydrochloride (PAH, 43092, MW: 120000~200000, Alfa Aesar)의 용액을 10 ㎕를 적하 후, 1시간 동안 공기 중에서 건조하고, 건조 후 탈이온수를 사용하여 세척하고 질소가스를 사용해 건조하였다. 이 위에 30 mg의 GOx(Glucose oxidase)를 1 mL의 PBS 버퍼 용액에 녹인 후, 20 ㎕를 적하하고 4℃ 냉장고에서 12시간 고정화하였다. 고정화 후 10mM PBS 버퍼 로 조심스럽게 세척하고, 10 ㎕ PAH를 다시 적하하여 한 시간 동안 공기 중에서 건조하고, 건조 후 탈이온수를 사용하여 다시 세척한 후, 질소 가스를 이용하여 건조시켰다. 고정화된 GOx층을 보호하기 위에 1 ㎕의 5% Nafion (70160, Sigma Aldrich)이나 또 다른 하이브리드 전자 시트를 보호층으로 사용하여 다시 한번 코팅하였다.

2.1.2. 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서 2 내지 5의 제작

고정화된 GOx의 농도에 따른 감도 특성을 분석하기 위해, GOx의 농도를 10 mg/mL, 25 mg/mL, 50 mg/mL 또는 100 mg/mL로 달리한 것만을 제외하고는, 상기 2.1.1.과 동일한 방법으로 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서 4개를 추가적으로 더 제작하였다.

2.1.3. 비교예의 제작

또한, 상기 1.3.에서 제작한 하이브리드 전자 시트를 전사시키지 않은 것만 제외하고는 상기 2.1.1.과 동일한 방법으로 GOx가 고정화된 바이오 센서를 제작하였고, 그를 일 구체예에 따른 바이오 센서의 비교예로 사용하였다.

2.2. 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 제작

상기 실시예 2.1.1의 과정을 한번 더 반복하여 Gold-(hybrid film/PAH/GOx/PAH)₂ 구조를 형성하였다. 마지막 PAH 층 위에 1 ㎕의 5% Nafion (70160, Sigma Aldrich)이나 또 다른 하이브리드 전자 시트를 보호층으로 사용하여 다시 한번 코팅하여, 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서를 제작하였다.

2.3. 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연 바이오 센서 제작

다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서를 제작하기 위하여, 도 15에 도시된 공정으로 제작하였다.

구체적으로, 100nm 두께의 2 mm x 2mm 크기 백금전극은 스퍼터링법을 통하여 스텐실 마스크가 씌워진 5 cm x 2.5 cm 크기의 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane, PDMS) 필름에 증착하였다. 3개의 백금 전극 중 가운데 전극은 작업 전극 (WE) 로 사용하며, 좌 우의 전극은 각각 보조 전극 (CE)와 pseudo-기준 전극 (RE) 로 사용되었다. 또한, 상기 실시예 1.1.3의 전자 시트를 스텐실 마스크를 사용하여 상기 작업 전극에 연결하였다. 이후, 상기 전자 시트에 양전하 (positive charge) 성향을 띄는 PEI(폴리에틸렌이민)를 적하한 후, 2 ㎕의 100 mg/ml GOx를 고정화하였다. 상기 과정을 한번 더 반복하여, PDMS 상의 백금 작업 전극이 (GOx/PEI/SWNT film)₂/Pt의 구조를 갖도록 제작하였다. 한편, 실리콘 웨이퍼 상에 포토 리소그래피 공정을 이용하여 제작된 SU-8 기반의 유동성 채널 마스터(fluidic channel master) (1.5mm (L) x 2.5 mm (W) x 200um (T)) 에 PDMS 적하하고 열을 가하여 PDMS 커버를 만든 후, 채널의 양단에 약 0.5 mm 지름으로 입구(inlet)와 출구(outlet)를 제작하였다. 상기와 같이 제작된 PDMS 유동성 커버를 앞에서 제작된 이층구조의 작업 전극과 각각의 기준전극과 보조 전극을 갖는 PDMS 필름 상에 포개어 미세유동(microfluidic) 기반의 투명한 유연 글루코오스 센서를 제작하였다. 또한, 채널 내의 분석물의 모세관 작용을 촉진하기 위해 상기 SU-8 기판을 소수성 물질로 처리할 수도 있다.

도 15는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연 바이오 센서 제작 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

2.4. 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 전기화학적 특성 비교 1

상기 실시예 2.1.1에서 제조한 전극과 2.1.3.에서 제작한 비교예 전극을 작업 전극으로 사용하고 Pt가 코팅된 티타늄 챔버를 상대 전극으로, 그리고 Ag/AgCl (3M KCl saturated, PAR, K0260)을 기준전극으로 사용하여, 10mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질로 사용한 용액을 사용하여 CV 방식으로 실험을 진행하였다. 측정 전압은 GOx의 DET를 관찰하기 위해 Ag/AgCl 기준 전극 대비 -0.6 V ~ 0.6 V 사이로 인가하였으며, 주사 속도는 200mV/s이었다. 상기의 결과는 도 16에 나타내었다.

도 16은 일 구체예에 따른 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 직접 전자 이동(DET) 반응을 하이브리드 전자 시트 없이 금 전극 위에 구성된 GOx 전극과의 비교하여 나타낸 CV 그래프이다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 일 구체예에 따른 단층 구조의 하이브리드 전자 시트 전사된 GOx 전극의 경우 -0.4 V 영역에서 강한 산화 환원 반응의 피크가 관찰됨을 알 수 있다. 그에 반해 하이브리드 전자 시트가 전사되지 않은 전극에서는 어떠한 산화 환원 피크도 -0.4 V 영역에서 관찰되지 않았다. 상기의 결과로, 하이브리드 전자 시트가 높은 전기 화학적 활성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 하이브리드 전자 시트가 사용되지 않은 금 전극에 비해 더욱 더 가까운 위치에서 GOx와 전자의 주고 받음 (DET)을 효과적으로 야기시킨다는 것을 알 수 있다. 특히 GOx의 경우 FAD 환원 센터(FAD redox center)가 두꺼운 단백질 벽에 가로 막혀 있음으로, 효과적 DET가 진행되기 위해서는 전극에 1~2 nm 이내로 가깝게 위치하여 있어야 하는데, 하이브리드 전자 시트를 사용시 효과적으로 단순 layer-by-layer 공법으로 GOx가 DET가 일어날 수 있는 아주 가까운 범위 내에서 하이브리드 전자 시트에 고정화되었음을 보여준다. 또한 -0.6 V ~ 0.6 V 전압 영역에서 비교예 전극에 비해 높은 진상 전류(capacitive current)가 관찰 되었으며, 상기의 결과로 하이브리드 전자 시트가 비교예 전극보다 더욱 높은 전기 화학적 반응성뿐만 아니라, 넓은 표면적을 가지고 있음을 알 수 있다.

2.5. 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 전기화학적 특성 비교 2

상기 실시예 2.1.1에서 제조한 전극이 효과적으로 아스코르브산 및 요산을 스크리닝할 수 있는지를 측정하기 위해, 상기 2.4.에서 언급된 방식으로 3 전극 시스템을 사용하고 10mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 10 mM 글루코오스(G7528, Sigma Aldrich)를 제조하였으며, 같은 농도의 용액 (10 mM glucose in 10mM PBS 버퍼)에 1mM의 아스코르브산 (A5963, Sigma Aldrich) 및 요산(U0881, Sigma Aldrich)을 섞어 비교 용액을 만들었다. 측정 전압은 GOx의 DET를 관찰하기 위해 Ag/AgCl 기준 전극 대비 -0.6 V ~ 0.6 V 사이로 인가하였으며, 주사 속도 (scan rate)는 200mV/s이었다. 상기의 결과는 도 17에 나타내었다.

도 17은 일 구체예에 따른 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 글루코오스에 대한 전류의 반응과, 글루코오스에 아스코르브산 및 요산을 혼합한 혼합액 상에 대한 전류의 반응을 비교한 그래프이다.

도 17에 나타낸 바와 같이, 1 mM이나 10mM 글루코오스 용액을 전해질로 주입하한 경우에 10mM PBS를 사용 (0 mM Glucose)한 결과에 비해 환원 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 상기의 결과로, 전극 상에서의 GOx의 FAD-FADH₂의 평형 반응이 0 mM 글루코오스에서는 진행되다가, 전해질에 글루코오스의 첨가로 효소 반응에 의해 FAD가 FADH₂로 진행되고, 이에 따라 전극상의 환원 반응 시 소모되어야 하는 FAD의 양이 줄어들어 글루코오스 첨가 시의 환원 전류가 0 mM 글루코오스 상의 환원 전류보다 감소하게 됨을 알 수 있다. 또한 10 mM 글루코오스를 첨가하였을 때의 결과와 10 mM 글루코오스 상에 1mM의 아스코르브산 또는 요산을 첨가하였을 때의 결과를 비교하면, 0.2 V와 0.4 V 범위에서 아스코르브산 및 요산의 산화 반응이 진행되어 두 개의 산화 전류가 검출되는 것에 반해, DET 범위 내에서는 순수한 10 mM 글루코오스를 첨가하였을 때와 비교하여 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 상기의 결과로, 음의 전압 (-0.4 V)에서 검출되는 GOx의 DET 반응은 양 전압 (0.2 V 나 0.4 V)에서 전기 화학 반응이 일어나는 방해물질들인 아스코르브산 또는 요산에 영향을 받지 않음으로 글루코오스에 대한 선택성이 높음을 알 수 있다.

2.6. 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 전기화학적 특성 비교 3

상기 실시예 2.1.1에서 제조한 전극 상에 GOx의 DET 반응이 전극상에서 효과적으로 고정화되어 흡착되어 있는지를 알아보기 위해, 상기 2.4.에서 언급된 방식으로 3 전극 시스템을 사용하고 10mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 다양한 범주의 주사속도 (50, 100, 200, 400, 600, 800 그리고 1000 mV/s)를 인가하여 전극의 특성을 실험하였다. 측정 전압은 순수하게 GOx의 DET만을 측정하기 위해 Ag/AgCl 기준 전극 대비 -0.1 V ~ 0.6 V 사이로 제한하였다. 상기의 결과는 도 18에 나타내었다.

도 18은 일 구체예에 따른 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 바이오 센서의 전압 주사 속도에 따른 순수한 DET 전류 반응 변화를 나타낸 그래프이다.

도 18a에 나타낸 바와 같이, 0 mM의 글루코오스 조건, 즉, 순수하게 전극의 GOx의 FAD-FADH₂ 의 평형 반응이 유지되는 상태에서, 주사 속도를 변화 시 DET의 산화 환원 전류가 증가함을 알 수 있다. 또한, 도 18b에 나타낸 바와 같이, 산화 전류나 환원 전류 모두 주사 속도에 아주 선형적으로 비례함을 알 수 있다 (R²~0.99). 상기의 결과로, 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트 상에 GOx가 아주 근접한 거리에 흡착/고정화되어 있음을 알 수 있다.

2.7. 단층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 감도 (Sensitivity) 특성 분석

상기 실시예 2.1.2에서 제조한 4개의 전극의 특성을 확인하기 위해, 상기 2.4.에서 언급된 3 전극 시스템을 사용하고 10mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 200 mV/s의 주사 속도로 전극의 특성을 실험하였다. 측정 전압은 순수하게 GOx의 DET만을 측정하기 위해 Ag/AgCl 기준 전극 대비 -0.1 V ~ -0.6 V 사이로 제한하였다. 상기의 결과는 도 19에 나타내었다.

도 19a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트 상에 다른 농도의 GOx를 고정화할 때, 고정화된 GOx 농도가 증가함에 따라 GOx의 DET 산화 환원 반응의 정도가 증가함을 나타낸 그래프이다.

도 19b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트 상에 고정화된 GOx의 농도가 증가할수록 글루코오스 농도 변화에 대한 전류의 반응이 증가함으로써, 센서의 감도가 증가할 수 있음을 나타내는 그래프이다.

도 19a에 나타낸 바와 같이, 0 mM의 글루코오스 조건, 즉, 순수하게 전극의 GOx의 FAD-FADH₂의 평형 반응이 유지되는 상태에서, 4개의 전극을 동일 조건에서 실험하였을 때, GOx의 집적이 많을수록 하이브리드 전자 시트 상에 고정화된 GOx의 DET 산화 환원 전류가 증가함을 알 수 있다.

또한, 도 19b에 나타낸 바와 같이, 25 mg/mL농도의 GOx와 100mg/mL GOx가 고정화된 전극에 다양한 농도 (0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1 mM)의 글루코오스를 첨가하였을 때, 고농도 (100 mg/mL)의 GOx가 고정화된 전극의 감도가 약 66 uA/mM cm²를 보이는데 반해, 저농도 (25 mg/mL)의 GOx가 고정화된 전극의 감도 약 38 uA/mM cm²를 보임으로서, 고농도의 GOx를 SWNT 기반의 나노 물질을 사용하여 제작된 높은 표면적을 갖는 하이브리드 전자 시트에 고정화시켜 센서의 감도를 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

2.8. 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 감도 (Sensitivity) 특성 분석

상기 실시예 2.2.에서 제조한 바이오 센서의 감도를 측정하기 위해, 상기 2.4.에서 언급된 3 전극 시스템을 사용하고 10 mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 200 mV/s의 주사 속도로 전극의 특성을 실험하였다. 측정 전압은 순수하게 GOx의 DET만을 측정하기 위해 Ag/AgCl 기준 전극 대비 -0.1 V ~ -0.6 V 사이로 제한하였다. 상기의 결과는 도 20에 나타내었다.

또한, 인체에의 적용 가능성을 확인하기 위해, 기준 전극으로 Ag/AgCl 대신에 SPE 250BT상에 있는 13 mm² 면적의 Pt를 무독성 가상 전극(biocompatible pseudo-Pt reference electrode)으로 사용하여 상기와 동일한 방법으로 전극의 특성을 실험하였으며, 상기의 결과는 도 21에 나타내었다.

도 20a는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서가 단층 구조에 비해 높은 DET 환원 전류가 증가함을 나타내는 그래프이다.

도 20b는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서가 단층 구조에 비해 글루코오스 농도 변화에 대한 감도가 증가함으로써, 다중 적층시 센서의 감도가 증가할 수 있음을 나타낸다.

도 20a에 나타낸 바와 같이, 0 mM의 glucose 조건에서, GOx의 DET 반응이 단층 구조에 비해 약 140% 증가하였음을 알 수 있다.

또한, 도 20b에 나타낸 바와 같이, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 또는 1 mM 범위의 글루코오스를 첨가하였을 때, 다층 구조의 바이오 센서의 감도가 약 81 uA/mM cm²를 보이는데 반해, 단층 구조의 바이오 센서의 감도는 약 38 uA/mM cm²를 보임으로서, 약 100% 정도 상승했음을 알 수 있다. 상기의 결과로, 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서는 낮은 농도의 글루코오스 레벨을 갖는 눈물 등의 체액 상에서도 글루코오스의 농도를 높은 감도로 측정할 수 있음을 알 수 있다.

도 21은 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 감도를 인체에 무해한 기준 전극에서 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 21a에 나타낸 바와 같이, 글루코오스 농도가 증가함에 따라 환원 전류의 값이 순차적으로 감소함을 확인할 수 있고, 또한, 도 21b에 나타낸 바와 같이, 감도가 약 85 uA/mM cm² 로 Ag/AgCl을 사용했을 때 측정값인 81 uA/mM cm² 와 거의 비슷함을 알 수 있다. 또한 1 mM 글루코오스 상에 0.1 mM의 아스코르브산 또는 요산 첨가 시 측정 값도 순수하게 1 mM 글루코오스 상에서 측정된 결과와 비교하여, 오직 1% 이하의 오차 값을 보임으로써 Pt 가상 기준 전극을 사용하였어도 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반 바이오 센서의 DET 반응은 효과적으로 아스코르브산과 요산에 방해 없이 작동함을 알 수 있다.

2.9. 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서의 감도 및 유연성 분석

상기 실시예 2.3.에서 제작된 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서의 감도를 측정하기 위해, 상기 실시예 2.4.에 언급된 3 전극 시스템을 사용하고 10 mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 200 mV/s의 주사 속도로 전극의 특성을 실험하였다. 측정 전압은 순수하게 GOx의 DET만을 측정하기 위해 가상-Pt 기준 전극 대비 -0.9 V ~ -0.2 V 사이로 제한하였다.

또한, 상기 바이오 센서의 유연성 분석을 위해 상기 바이오 센서를 폴리이미드 필름(Polyimide film) 상에 올린 후, 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 약 50^o의 각도로 구부린 후, CV를 측정하여 구부리기 전의 CV와 비교하였다.

상기의 결과는 도 22에 나타내었다.

도 22는 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서의 감도 및 유연성을 나타낸 도면이다.

도 22a에 나타낸 바와 같이, 50의 각도로 구부렸을 때의 CV는 평평하게 놓였을 때 측정된 CV와 변화가 없음을 확인할 수 있다. 상기의 결과로, 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서가 웨어러블 디바이스(wearable device)로 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 22b에 나타낸 바와 같이, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 또는 1 mM 범위의 글루코오스를 첨가하였을 때, 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서가 미세유체 시스템(microfluidic system) 환경 속에서도 선형적으로 환원 전류가 감소하였고, 이렇게 측정된 전극의 감도가 약 113 uA/mM cm²임을 확인할 수 있다. 상기의 결과로, 낮은 농도의 글루코오스 레벨을 갖는 눈물 등의 체액 상에서 글루코오스의 농도를 측정 시에 일 구체예에 따른 다층 구조의 하이브리드 전자 시트-GOx 기반의 투명하고 유연한 바이오 센서를 유연소자로 사용하여 높은 감도로 측정할 수 있음을 알 수 있다.

3. 하이브리드 전자 시트-콜레스테롤 옥시다아제 또는 락테이트 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 제작 및 특성 분석

3.1. 하이브리드 전자 시트-콜레스테롤 옥시다아제 또는 락테이트 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 제작

10 mg/ml의 콜레스테롤 옥시다아제 (CholOx) 또는 50 mg/ml의 락테이트 옥시다아제 (LOx)의 5 ㎕를 100mM PBS 버퍼 용액과 섞어, 양전하를 띄고 있는 전극에 각각 고정화시킨 것만을 제외하고는 상기 실시에 2.1.1.과 동일한 방법으로 바이오 센서를 제작하였다.

3.2. 하이브리드 전자 시트-콜레스테롤 옥시다아제 또는 락테이트 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도 분석

하이브리드 전자 시트-콜레스테롤 옥시다아제 또는 락테이트 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 측정하기 위해, 상기 실시예 2.4.에 언급된 3 전극 시스템을 사용하고 10 mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 200 mV/s의 주사 속도로 전극의 특성을 실험하였다. 측정 전압은 순수하게 FAD 기반의 효소들의 DET만을 측정하기 위해 Ag/AgCl 기준 전극 대비 -0.1 V ~ -0.6 V 사이로 제한하였다. 상기의 결과는 도 23에 나타내었다.

도 23a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-콜레스테롤 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

도 23b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-락테이트 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

도 23a에 나타낸 바와 같이, 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 또는 2.5 mM 범위의 콜레스테롤을 첨가하였을 때 콜레스테롤의 농도가 증가함에 따라, 기준 전극 대비 -0.4 V 범위에서 환원 전류가 감소하고, 전극의 감도는 0~1 mM 범위에서 약 28 uA/mM cm²의 감도를 보임을 확인할 수 있다.

또한, 도 23b에 나타낸 바와 같이, 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 또는 2.5 mM 범위의 L-락테이트를 첨가하였을 때 환원 전류가 감소하고, 0~0.5 mM 범위에서 약 143 uA/mM cm²의 감도를 보임을 확인할 수 있다.

4. 하이브리드 전자 시트-HRP 또는 카탈라아제 기반의 바이오 센서의 제작 및 특성 분석

4.1. 하이브리드 전자 시트-HRP 또는 카탈라아제 기반의 바이오 센서의 제작

10 mg/ml의 카탈라아제(catalase)의 5 ㎕를 100 mM PBS 버퍼 용액과 섞어, 양전하를 띄고 있는 전극에 고정화시킨 것만을 제외하고는 상기 실시에 2.1.1.과 동일한 방법으로 하이브리드 전자 시트-카탈라아제 기반의 바이오 센서를 제작하였다.

또한, PAH 코팅된 전극상에 5 ㎕의 6 mg/ml 폴리스티렌 설포네이트 (polystyrene sulfonate) (PSS)를 사용하여 전극 표면을 음전하로 개질 하고, 10 mg/ml의 HRP의 5 ㎕를 100 mM PBS 버퍼 용액과 섞어, 음전하로 개질된 전극에 고정화시킨 것만을 제외하고는 상기 실시에 2.1.1.과 동일한 방법으로 하이브리드 전자 시트-HRP 기반의 바이오 센서를 제작하였다.

4.2. 하이브리드 전자 시트-HRP 또는 카탈라아제 기반의 바이오 센서의 감도 분석

하이브리드 전자 시트-HRP 또는 카탈라아제 기반의 바이오 센서의 감도를 측정하기 위해, 상기 실시예 2.4.에 언급된 3 전극 시스템을 사용하고 10 mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 200 mV/s의 주사 속도로 전극의 특성을 실험하였다. 측정 전압은 순수하게 헴(Heme) 기반의 DET만을 측정하기 위해 Ag/AgCl 기준 전극 대비 -0.1 V ~ -0.6 V 사이로 제한하였다. 상기의 결과는 도 24에 나타내었다.

도 24a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-HRP 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

도 24b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-카탈라아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

도 24a에 나타낸 바와 같이, 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 또는 2.5 mM 범위의 H₂O₂를 첨가하였을 때 H₂O₂의 농도가 증가함에 따라, 기준 전극 대비 -0.4 V 범위에서 환원 전류가 증가하고, 전극의 감도는 0~5 mM 범위에서 약 230 uA/mM cm²의 감도를 보임을 확인할 수 있다.

도 24b에 나타낸 바와 같이, 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 또는 2.5 mM 범위의 H₂O₂를 첨가하였을 때 H₂O₂의 농도가 증가함에 따라, 기준 전극 대비 -0.4 V 범위에서 환원 전류가 증가하고, 전극의 감도는 0~5 mM 범위에서 약 334 uA/mM cm²의 감도를 보임을 확인할 수 있다.

상기의 결과로 환원 전류의 증가는 H₂O₂ 농도 증가시에, 효소 내의 헴 환원 센터(Heme redox center)가 H₂O₂에 의해 산화되고, 이렇게 산화된 헴의 양이 증가함에 따라, 전기 화학적 반응에 의해 다시 환원되면서 환원 전류가 증가한다는 것을 알 수 있다.

5. 하이브리드 전자 시트-락카아제, 티로시나아제 또는 갈락토오스 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 제작 및 특성 분석

5.1. 하이브리드 전자 시트-락카아제, 티로시나아제 또는 갈락토오스 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 제작

50 mg/ml의 락카아제(laccase) 또는 20 mg/ml의 티로시나아제(tyrosinase)의 5 ㎕를 100mM PBS 버퍼 용액과 섞어, 양전하를 띄고 있는 전극에 고정화시킨 것만을 제외하고는 상기 실시에 2.1.1.과 동일한 방법으로 하이브리드 전자 시트-락카아제 또는 티로시나아제 기반의 바이오 센서를 제작하였다.

또한, PAH 코팅된 전극상에 5 ㎕의 6 mg/ml 폴리스티렌 설포네이트(PSS)를 사용하여 전극 표면을 음전하로 개질 하고, 3 mg/ml의 갈락토오스 옥시다아제(galactose oxidase) (GalOx)의 5 ㎕를 100 mM PBS 버퍼 용액과 섞어, 음전하로 개질된 전극에 고정화시킨 것만을 제외하고는 상기 실시에 2.1.1.과 동일한 방법으로 하이브리드 전자 시트-GalOx 기반의 바이오 센서를 제작하였다.

5.2. 하이브리드 전자 시트-락카아제, 티로시나아제 또는 갈락토오스 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도 분석

하이브리드 전자 시트-락카아제, 티로시나아제 또는 갈락토오스 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 측정하기 위해, 상기 실시예 2.4.에 언급된 3 전극 시스템을 사용하고 10 mM PBS 버퍼 (pH = 7.4, 79383, Sigma Aldrich) 전해질에 200 mV/s의 주사 속도로 전극의 특성을 실험하였다. 상기의 결과는 도 25에 나타내었다.

도 25a는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-갈락토오스 옥시다아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

도 25b는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-티로시나아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

도 25c는 일 구체예에 따른 하이브리드 전자 시트-락카아제 기반의 바이오 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.

도 25a에 나타낸 바와 같이, 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 또는 2.5 mM 범위의 갈락토오스를 첨가하였을 때 갈락토오스의 농도가 증가함에 따라, 기준 전극 대비 -0.4 V 범위에서 환원 전류가 감소하고, 전극의 감도는 0~1 mM 범위에서 약 40 uA/mM cm²의 감도를 보임을 확인할 수 있다.

도 25b에 나타낸 바와 같이, 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 또는 2.5 mM 범위의 카테콜(catechol)을 첨가하였을 때 카테콜의 농도가 증가함에 따라, 기준 전극 대비 -0.35 V 범위에서 환원 전류가 증가하고, 전극의 감도는 0~1 mM 범위에서 약 326 uA/mM cm²의 감도를 보임을 확인할 수 있다.

도 25c에 나타낸 바와 같이, 0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 또는 2.5 mM 범위의 카테콜(catechol)을 첨가하였을 때 카테콜의 농도가 증가함에 따라, 기준 전극 대비 -0.35 V 범위에서 환원 전류가 증가하고, 전극의 감도는 0~1 mM 범위에서 약 541 uA/mM cm²의 감도를 보임을 확인할 수 있다.

1: 전극 2: 바이오 센서
10: 기판 20: 하이브리드 전자 시트 층
30: 고분자층 40: 분석물 결합층
50: 보호층 100: 분석물 결합 물질
200: 전극 610: 테스트 셀
611: 입구(inlet) 612: 출구(outlet)

<110> Korea Institute of Science and Technology <120> Biosensor and wearable device for detecting information of living bodies comprising hybrid electronic sheets <130> PN109041 <150> KR 2014-0136992 <151> 2014-10-10 <160> 14 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 8 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <220> <221> VARIANT <222> (3) <223> X is W, Y, F or H <220> <221> VARIANT <222> (1) <223> X is D, E, N, or Q <220> <221> VARIANT <222> (6) <223> X is D, E, N or Q <220> <221> VARIANT <222> (7) <223> X is I, L, or V <400> 1 Xaa Ser Xaa Ala Ala Xaa Xaa Pro 1 5 <210> 2 <211> 8 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <220> <221> VARIANT <222> (1) <223> X is D, E, N, or Q <220> <221> VARIANT <222> (2) <223> X is D, E, N, or Q <220> <221> VARIANT <222> (4) <223> X is I, L, or V <220> <221> VARIANT <222> (5) <223> X is D, E, N, or Q <220> <221> VARIANT <222> (7) <223> X is I, L, or V <400> 2 Xaa Xaa Pro Xaa Xaa Ala Xaa Pro 1 5 <210> 3 <211> 7 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <220> <221> VARIANT <222> (2) <223> X is W, Y, F, or H <220> <221> VARIANT <222> (5) <223> X is D, E, N, or Q <220> <221> VARIANT <222> (6) <223> X is I, L, or V <400> 3 Ser Xaa Ala Ala Xaa Xaa Pro 1 5 <210> 4 <211> 7 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <220> <221> VARIANT <222> (1) <223> X is D, E, N, or Q <220> <221> VARIANT <222> (3) <223> X is I, L, or V <220> <221> VARIANT <222> (4) <223> X is D, E, N, or Q <220> <221> VARIANT <222> (6) <223> X is I, L, or V <400> 4 Xaa Pro Xaa Xaa Ala Xaa Pro 1 5 <210> 5 <211> 8 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <400> 5 Asp Ser Trp Ala Ala Asp Ile Pro 1 5 <210> 6 <211> 8 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <400> 6 Asp Asn Pro Ile Gln Ala Val Pro 1 5 <210> 7 <211> 7 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <400> 7 Ser Trp Ala Ala Asp Ile Pro 1 5 <210> 8 <211> 7 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> peptide selectively binding to graphitic materials and volatile organic compounds <400> 8 Asn Pro Ile Gln Ala Val Pro 1 5 <210> 9 <211> 7222 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> cloning vector M13KE <400> 9 aatgctacta ctattagtag aattgatgcc accttttcag ctcgcgcccc aaatgaaaat 60 atagctaaac aggttattga ccatttgcga aatgtatcta atggtcaaac taaatctact 120 cgttcgcaga attgggaatc aactgttata tggaatgaaa cttccagaca ccgtacttta 180 gttgcatatt taaaacatgt tgagctacag cattatattc agcaattaag ctctaagcca 240 tccgcaaaaa tgacctctta tcaaaaggag caattaaagg tactctctaa tcctgacctg 300 ttggagtttg cttccggtct ggttcgcttt gaagctcgaa ttaaaacgcg atatttgaag 360 tctttcgggc ttcctcttaa tctttttgat gcaatccgct ttgcttctga ctataatagt 420 cagggtaaag acctgatttt tgatttatgg tcattctcgt tttctgaact gtttaaagca 480 tttgaggggg attcaatgaa tatttatgac gattccgcag tattggacgc tatccagtct 540 aaacatttta ctattacccc ctctggcaaa acttcttttg caaaagcctc tcgctatttt 600 ggtttttatc gtcgtctggt aaacgagggt tatgatagtg ttgctcttac tatgcctcgt 660 aattcctttt ggcgttatgt atctgcatta gttgaatgtg gtattcctaa atctcaactg 720 atgaatcttt ctacctgtaa taatgttgtt ccgttagttc gttttattaa cgtagatttt 780 tcttcccaac gtcctgactg gtataatgag ccagttctta aaatcgcata aggtaattca 840 caatgattaa agttgaaatt aaaccatctc aagcccaatt tactactcgt tctggtgttt 900 ctcgtcaggg caagccttat tcactgaatg agcagctttg ttacgttgat ttgggtaatg 960 aatatccggt tcttgtcaag attactcttg atgaaggtca gccagcctat gcgcctggtc 1020 tgtacaccgt tcatctgtcc tctttcaaag ttggtcagtt cggttccctt atgattgacc 1080 gtctgcgcct cgttccggct aagtaacatg gagcaggtcg cggatttcga cacaatttat 1140 caggcgatga tacaaatctc cgttgtactt tgtttcgcgc ttggtataat cgctgggggt 1200 caaagatgag tgttttagtg tattcttttg cctctttcgt tttaggttgg tgccttcgta 1260 gtggcattac gtattttacc cgtttaatgg aaacttcctc atgaaaaagt ctttagtcct 1320 caaagcctct gtagccgttg ctaccctcgt tccgatgctg tctttcgctg ctgagggtga 1380 cgatcccgca aaagcggcct ttaactccct gcaagcctca gcgaccgaat atatcggtta 1440 tgcgtgggcg atggttgttg tcattgtcgg cgcaactatc ggtatcaagc tgtttaagaa 1500 attcacctcg aaagcaagct gataaaccga tacaattaaa ggctcctttt ggagcctttt 1560 ttttggagat tttcaacgtg aaaaaattat tattcgcaat tcctttagtg gtacctttct 1620 attctcactc ggccgaaact gttgaaagtt gtttagcaaa atcccataca gaaaattcat 1680 ttactaacgt ctggaaagac gacaaaactt tagatcgtta cgctaactat gagggctgtc 1740 tgtggaatgc tacaggcgtt gtagtttgta ctggtgacga aactcagtgt tacggtacat 1800 gggttcctat tgggcttgct atccctgaaa atgagggtgg tggctctgag ggtggcggtt 1860 ctgagggtgg cggttctgag ggtggcggta ctaaacctcc tgagtacggt gatacaccta 1920 ttccgggcta tacttatatc aaccctctcg acggcactta tccgcctggt actgagcaaa 1980 accccgctaa tcctaatcct tctcttgagg agtctcagcc tcttaatact ttcatgtttc 2040 agaataatag gttccgaaat aggcaggggg cattaactgt ttatacgggc actgttactc 2100 aaggcactga ccccgttaaa acttattacc agtacactcc tgtatcatca aaagccatgt 2160 atgacgctta ctggaacggt aaattcagag actgcgcttt ccattctggc tttaatgagg 2220 atttatttgt ttgtgaatat caaggccaat cgtctgacct gcctcaacct cctgtcaatg 2280 ctggcggcgg ctctggtggt ggttctggtg gcggctctga gggtggtggc tctgagggtg 2340 gcggttctga gggtggcggc tctgagggag gcggttccgg tggtggctct ggttccggtg 2400 attttgatta tgaaaagatg gcaaacgcta ataagggggc tatgaccgaa aatgccgatg 2460 aaaacgcgct acagtctgac gctaaaggca aacttgattc tgtcgctact gattacggtg 2520 ctgctatcga tggtttcatt ggtgacgttt ccggccttgc taatggtaat ggtgctactg 2580 gtgattttgc tggctctaat tcccaaatgg ctcaagtcgg tgacggtgat aattcacctt 2640 taatgaataa tttccgtcaa tatttacctt ccctccctca atcggttgaa tgtcgccctt 2700 ttgtctttgg cgctggtaaa ccatatgaat tttctattga ttgtgacaaa ataaacttat 2760 tccgtggtgt ctttgcgttt cttttatatg ttgccacctt tatgtatgta ttttctacgt 2820 ttgctaacat actgcgtaat aaggagtctt aatcatgcca gttcttttgg gtattccgtt 2880 attattgcgt ttcctcggtt tccttctggt aactttgttc ggctatctgc ttacttttct 2940 taaaaagggc ttcggtaaga tagctattgc tatttcattg tttcttgctc ttattattgg 3000 gcttaactca attcttgtgg gttatctctc tgatattagc gctcaattac cctctgactt 3060 tgttcagggt gttcagttaa ttctcccgtc taatgcgctt ccctgttttt atgttattct 3120 ctctgtaaag gctgctattt tcatttttga cgttaaacaa aaaatcgttt cttatttgga 3180 ttgggataaa taatatggct gtttattttg taactggcaa attaggctct ggaaagacgc 3240 tcgttagcgt tggtaagatt caggataaaa ttgtagctgg gtgcaaaata gcaactaatc 3300 ttgatttaag gcttcaaaac ctcccgcaag tcgggaggtt cgctaaaacg cctcgcgttc 3360 ttagaatacc ggataagcct tctatatctg atttgcttgc tattgggcgc ggtaatgatt 3420 cctacgatga aaataaaaac ggcttgcttg ttctcgatga gtgcggtact tggtttaata 3480 cccgttcttg gaatgataag gaaagacagc cgattattga ttggtttcta catgctcgta 3540 aattaggatg ggatattatt tttcttgttc aggacttatc tattgttgat aaacaggcgc 3600 gttctgcatt agctgaacat gttgtttatt gtcgtcgtct ggacagaatt actttacctt 3660 ttgtcggtac tttatattct cttattactg gctcgaaaat gcctctgcct aaattacatg 3720 ttggcgttgt taaatatggc gattctcaat taagccctac tgttgagcgt tggctttata 3780 ctggtaagaa tttgtataac gcatatgata ctaaacaggc tttttctagt aattatgatt 3840 ccggtgttta ttcttattta acgccttatt tatcacacgg tcggtatttc aaaccattaa 3900 atttaggtca gaagatgaaa ttaactaaaa tatatttgaa aaagttttct cgcgttcttt 3960 gtcttgcgat tggatttgca tcagcattta catatagtta tataacccaa cctaagccgg 4020 aggttaaaaa ggtagtctct cagacctatg attttgataa attcactatt gactcttctc 4080 agcgtcttaa tctaagctat cgctatgttt tcaaggattc taagggaaaa ttaattaata 4140 gcgacgattt acagaagcaa ggttattcac tcacatatat tgatttatgt actgtttcca 4200 ttaaaaaagg taattcaaat gaaattgtta aatgtaatta attttgtttt cttgatgttt 4260 gtttcatcat cttcttttgc tcaggtaatt gaaatgaata attcgcctct gcgcgatttt 4320 gtaacttggt attcaaagca atcaggcgaa tccgttattg tttctcccga tgtaaaaggt 4380 actgttactg tatattcatc tgacgttaaa cctgaaaatc tacgcaattt ctttatttct 4440 gttttacgtg caaataattt tgatatggta ggttctaacc cttccattat tcagaagtat 4500 aatccaaaca atcaggatta tattgatgaa ttgccatcat ctgataatca ggaatatgat 4560 gataattccg ctccttctgg tggtttcttt gttccgcaaa atgataatgt tactcaaact 4620 tttaaaatta ataacgttcg ggcaaaggat ttaatacgag ttgtcgaatt gtttgtaaag 4680 tctaatactt ctaaatcctc aaatgtatta tctattgacg gctctaatct attagttgtt 4740 agtgctccta aagatatttt agataacctt cctcaattcc tttcaactgt tgatttgcca 4800 actgaccaga tattgattga gggtttgata tttgaggttc agcaaggtga tgctttagat 4860 ttttcatttg ctgctggctc tcagcgtggc actgttgcag gcggtgttaa tactgaccgc 4920 ctcacctctg ttttatcttc tgctggtggt tcgttcggta tttttaatgg cgatgtttta 4980 gggctatcag ttcgcgcatt aaagactaat agccattcaa aaatattgtc tgtgccacgt 5040 attcttacgc tttcaggtca gaagggttct atctctgttg gccagaatgt tccttttatt 5100 actggtcgtg tgactggtga atctgccaat gtaaataatc catttcagac gattgagcgt 5160 caaaatgtag gtatttccat gagcgttttt cctgttgcaa tggctggcgg taatattgtt 5220 ctggatatta ccagcaaggc cgatagtttg agttcttcta ctcaggcaag tgatgttatt 5280 actaatcaaa gaagtattgc tacaacggtt aatttgcgtg atggacagac tcttttactc 5340 ggtggcctca ctgattataa aaacacttct caggattctg gcgtaccgtt cctgtctaaa 5400 atccctttaa tcggcctcct gtttagctcc cgctctgatt ctaacgagga aagcacgtta 5460 tacgtgctcg tcaaagcaac catagtacgc gccctgtagc ggcgcattaa gcgcggcggg 5520 tgtggtggtt acgcgcagcg tgaccgctac acttgccagc gccctagcgc ccgctccttt 5580 cgctttcttc ccttcctttc tcgccacgtt cgccggcttt ccccgtcaag ctctaaatcg 5640 ggggctccct ttagggttcc gatttagtgc tttacggcac ctcgacccca aaaaacttga 5700 tttgggtgat ggttcacgta gtgggccatc gccctgatag acggtttttc gccctttgac 5760 gttggagtcc acgttcttta atagtggact cttgttccaa actggaacaa cactcaaccc 5820 tatctcgggc tattcttttg atttataagg gattttgccg atttcggaac caccatcaaa 5880 caggattttc gcctgctggg gcaaaccagc gtggaccgct tgctgcaact ctctcagggc 5940 caggcggtga agggcaatca gctgttgccc gtctcactgg tgaaaagaaa aaccaccctg 6000 gcgcccaata cgcaaaccgc ctctccccgc gcgttggccg attcattaat gcagctggca 6060 cgacaggttt cccgactgga aagcgggcag tgagcgcaac gcaattaatg tgagttagct 6120 cactcattag gcaccccagg ctttacactt tatgcttccg gctcgtatgt tgtgtggaat 6180 tgtgagcgga taacaatttc acacaggaaa cagctatgac catgattacg ccaagcttgc 6240 atgcctgcag gtcctcgaat tcactggccg tcgttttaca acgtcgtgac tgggaaaacc 6300 ctggcgttac ccaacttaat cgccttgcag cacatccccc tttcgccagc tggcgtaata 6360 gcgaagaggc ccgcaccgat cgcccttccc aacagttgcg cagcctgaat ggcgaatggc 6420 gctttgcctg gtttccggca ccagaagcgg tgccggaaag ctggctggag tgcgatcttc 6480 ctgaggccga tactgtcgtc gtcccctcaa actggcagat gcacggttac gatgcgccca 6540 tctacaccaa cgtgacctat cccattacgg tcaatccgcc gtttgttccc acggagaatc 6600 cgacgggttg ttactcgctc acatttaatg ttgatgaaag ctggctacag gaaggccaga 6660 cgcgaattat ttttgatggc gttcctattg gttaaaaaat gagctgattt aacaaaaatt 6720 taatgcgaat tttaacaaaa tattaacgtt tacaatttaa atatttgctt atacaatctt 6780 cctgtttttg gggcttttct gattatcaac cggggtacat atgattgaca tgctagtttt 6840 acgattaccg ttcatcgatt ctcttgtttg ctccagactc tcaggcaatg acctgatagc 6900 ctttgtagat ctctcaaaaa tagctaccct ctccggcatt aatttatcag ctagaacggt 6960 tgaatatcat attgatggtg atttgactgt ctccggcctt tctcaccctt ttgaatcttt 7020 acctacacat tactcaggca ttgcatttaa aatatatgag ggttctaaaa atttttatcc 7080 ttgcgttgaa ataaaggctt ctcccgcaaa agtattacag ggtcataatg tttttggtac 7140 aaccgattta gctttatgct ctgaggcttt attgcttaat tttgctaatt ctttgccttg 7200 cctgtatgat ttattggatg tt 7222 <210> 10 <211> 41 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> BamH I_SM_upper which is a primer used for site-directed mutation <400> 10 aaggccgctt ttgcgggatc ctcaccctca gcagcgaaag a 41 <210> 11 <211> 41 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> BamH I_SM_lower which is a primer used for site-directed mutation <400> 11 tctttcgctg ctgagggtga ggatcccgca aaagcggcct t 41 <210> 12 <211> 90 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> BamM13HK_P8_primer which is an extension primer used for preparation <400> 12 ttaatggaaa cttcctcatg aaaaagtctt tagtcctcaa agcctctgta gccgttgcta 60 ccctcgttcc gatgctgtct ttcgctgctg 90 <210> 13 <211> 95 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> M13HK_P8 which is a library oligonucleotide used for preparation <220> <221> variation <222> (1)..(95) <223> n is a, g, c or t <220> <221> variation <222> (1)..(95) <223> m is a or c <400> 13 aaggccgctt ttgcgggatc cnnmnnmnnm nnmnnmnnmn nmncagcagc gaaagacagc 60 atcggaacga gggtagcaac ggctacagag gcttt 95 <210> 14 <211> 50 <212> PRT <213> P8 protein of M13 phage <400> 14 Ala Glu Gly Asp Asp Pro Ala Lys Ala Ala Phe Asn Ser Leu Gln Ala 1 5 10 15 Ser Ala Thr Glu Tyr Ile Gly Tyr Ala Trp Ala Met Val Val Val Ile 20 25 30 Val Gly Ala Thr Ile Gly Ile Lys Leu Phe Lys Lys Phe Thr Ser Lys 35 40 45 Ala Ser 50

Claims (17)

1. 기판;
   상기 기판 상에 형성된 전자 시트; 및
   상기 전자 시트 상에 고정화된 분석물 결합 물질을 포함하고,
   상기 전자 시트는 그래피틱 물질 및 상기 그래피틱 물질에 결합된 파지를 포함하고, 상기 그래피틱 물질 및 상기 파지의 결합은 상기 파지의 외피 단백질 또는 그 단편에 디스플레이된 펩티드와 상기 그래피틱 물질 사이에 이루어진 것을 포함하는 것인 바이오 센서.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 하나 이상의 전극이 배치된 절연 기판인 것인 바이오 센서.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 하나 이상의 전극은 제1 전극, 및 제2 전극인 것인 바이오 센서.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 전자 시트는 상기 기판 상의 제1 전극 또는 그의 일부에 배치된 것인 바이오 센서.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 투명 유연 기판인 것인 바이오 센서.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 전자 시트는 기판 상에서 패턴화된 것인 바이오 센서.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 그래피틱 물질은 그래핀 시트, 고배향성 열분해흑연(HOPG) 시트, 단겹 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube), 이겹 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotubes), 다겹탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 및 풀러린(fullerene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것인 바이오 센서.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 그래피틱 물질은 그래핀 시트 및 단겹 탄소나노튜브의 혼합물인 것인 바이오 센서.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 펩티드는 서열번호 1 내지 8의 아미노산 서열로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 센서.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 파지는 M13 파지, F1 파지, Fd 파지, If1 파지, Ike 파지, Zj/Z 파지, Ff 파지, Xf 파지, Pf1 파지 또는 Pf3 파지인 것인 바이오 센서.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 분석물 결합 물질은 옥시다아제, 퍼옥시다아제, 리덕타아제, 카탈라아제 또는 디히드로게나아제인 것인 바이오 센서.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 고정화된 분석물 결합 물질 상에 형성된 보호층을 더 포함하는 것인 바이오 센서.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 전자 시트는 분석물 결합 물질과 접촉하는 표면이 상기 분석물 결합 물질과 반대의 전하인 양전하 또는 음전하를 띠도록 개질된 것인 바이오 센서.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오 센서는, 전자 시트 및 분석물 결합 물질을 포함하는 반복 유닛이 복수개 적층된 것인 바이오 센서.
15. 청구항 1에 있어서, 시료, 상기 전자 시트 및 분석물 결합 물질을 수용하기 위한 테스트 셀을 더 포함하고, 상기 테스트 셀은 시료의 주입 및 배출을 위한 입구 및 출구를 포함하는 채널이 구비된 것인 바이오 센서.
16. 청구항 1의 바이오 센서를 포함하는 생체 정보 검출용 웨어러블 디바이스(wearable device).
17. 청구항 16에 있어서, 상기 웨어러블 디바이스는 콘택트 렌즈인 것인 웨어러블 디바이스.

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