KR101991563B1

KR101991563B1 - 도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101991563B1
Application number: KR1020170074039A
Authority: KR
Inventors: 김태형; 추성식; 강이슬
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2019-06-20
Also published as: KR20180135668A

Abstract

본 발명에 따른 도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법에서, 도파민 검출용 센서는 투명 전극층이 형성된 베이스 기재; 투명 전극층 상에 배치된 금속 나노입자들; 및 금속 나노입자들과 투명 전극층 각각의 적어도 일부의 표면을 직접적으로 커버하고, 다수의 다공성 산화그래핀 시트들로 이루어진 다공성 산화그래핀층을 포함한다.

Description

도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법{SENSOR FOR DETECTING DOPAMINE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SENSOR}

본 발명은 도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 감도 및 선택성이 향상된 도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

도파민(Dopamine)은 뇌의 도파민성 뉴런에 의해 생성되는 카테콜아민(catecholamine) 계통의 일부로서, 도파민이 모터 제어, 보상, 동기 부여 및 인지 기능과 같은 중요한 인체 기능의 대부분과 관련되어 있기 때문에 뉴런 사이의 중요한 신호 전달 요소로 알려져 있다. 혈액 내 도파민 수치가 불충분하거나 뇌의 도파민성 신경원이 소실되면 파킨슨 병, 약물 중독, 정신병, 주의 결핍 충동 장애 (ADHD)등과 같은 심각한 신경계 질환이 발생할 수 있다고 보고되어 있다.

이러한 도파민에 의한 문제를 해결하기 위해, 많은 연구에서 도파민 관련 신경 질환의 조기 진단을 위해 매우 민감하고 선택적으로 도파민을 검출하는 다양한 방법이 보고되고 있다. ELISA, 비색 방법(colorimetric method), 라만(Raman), HPLC 등과 같은 현재 이용 가능한 방법들 중에서, 전기화학-검출 기술은 편의성, 빠른 검출 시간 및 비용 효율성 때문에 도파인 검출을 위한 효과적인 도구로 고려되고 있다.

도파민은 특정한 알려진 전위(electrical potential)에서 환원되거나 산화될 수 있는 레독스-활성 물질(redox-active material)이고, 그것은 전기적 특성은 샘플(일반적으로 사람의 피)에서의 도파민 존재를 검출하기 위한 지표(indicator)로서 사용되고 있다.

그러나 이러한 전기화학적 도파민-센싱 방법의 사용에서의 중요한 장벽은 다른 생물학적 분자(예를 들어, 요산(uric acid, UA), 아스코르브산(ascorbic acid, AA), 카테콜아민(catecholamine))로부터의 신호 간섭이다. 상기 신호 간섭은 도파민의 검출 감도를 현저하게 저하시킬 수 있는데, 이는 이들 생물학적 분자의 환원 전위 및 산화 전위가 도파민의 환원 전위와 중첩되기 때문이다. 또한, 도파민의 전기화학적 민감도는 HPLC와 ELISA 같은 통상의 다른 방법들에 비해서 여전히 낮고, 이는, 정확한 도파민 검출을 위한 방법의 실용적인 사용을 구현하기 전에 극복해야할 중요한 장애로 남아 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 센서의 전극의 표면을 기능화하거나 다른 유형의 전도성 재료를 통합함으로써 선택성 및 감도 문제를 극복하기 위한 많은 시도가 있으나, 아직까지는 한계가 있는 실정이다.

본 발명의 일 목적은 구조적으로 안정하면서 감도 및 선택성이 향상된 도파민 검출용 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 도파민 검출용 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 위한 도파민 검출용 센서는 투명 전극층이 형성된 베이스 기재; 상기 투명 전극층 상에 배치된 금속 나노입자들; 및 상기 금속 나노입자들과 상기 투명 전극층 각각의 적어도 일부의 표면을 직접적으로 커버하고, 다수의 다공성 산화그래핀 시트들로 이루어진 다공성 산화그래핀층을 포함한다.

일 실시예에서, 상기 다공성 산화그래핀층에 포함된 다공성 산화그래핀 시트들 각각은 2차원 평면 구조를 갖고, 이를 관통하는 다수의 관통홀들이 형성된다.

일 실시예에서, 상기 투명 전극층은 인듐 주석 산화물로 형성되고, 상기 금속 나노입자들은 금 나노입자들일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 투명 전극층과 상기 금속 나노입자들 사이에는 상기 금속 나노입자의 고정화를 위한 아미노알킬 알콕시실란으로 기능화될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 금속 나노입자들의 표면에는 티올기를 포함하는 아민 화합물로 처리되어 상기 다공성 산화그래핀층과 정전기적 인력으로 결합될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 투명 전극층은 상기 금속 나노입자들과 상기 다공성 산화그래핀층이 형성하는 3차원 구조체에 의해 개질된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 위한 도파민 검출용 센서의 제조 방법은 베이스 기재 상의 투명 전극층의 표면에 금속 나노입자들을 고정화시키는 단계; 및 금속 나노입자들이 고정화된 상태에서 상기 금속 나노입자들과 상기 투명 전극층 각각의 적어도 일부의 표면을 직접적으로 커버하고, 다수의 다공성 산화그래핀 시트들로 이루어진 다공성 산화그래핀층을 형성하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 금속 나노입자들을 고정화시키는 단계는 상기 투명 전극층의 표면을 아미노알킬 알콕시실란계 화합물로 기능화시키는 단계; 및 기능화된 투명 전극층의 표면에 금속 나노입자들을 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제조 방법은 상기 금속 나노입자들을 고정화시키는 단계 후 다공성 산화그래핀층을 형성하기 전에, 티올기를 갖는 아민계 화합물로 상기 금속 나노입자들이 투명 전극층 상에 고정된 상태의 베이스 기재 표면 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 다공성 산화그래핀 시트들 각각은 2차원 평면 구조를 갖고, 이를 관통하는 다수의 관통홀들이 형성된다. 이때, 상기 다공성 산화그래핀 시트들은 산화그래핀 시트들에 대하여 초음파 처리를 통해 관통홀들을 형성함으로써 제조될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 다공성 산화그래핀층은 상기 금속 나노입자들이 고정화된 베이스 기재와 정전기적 인력으로 결합될 수 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법에 따르면, 다공성 산화그래핀시트로 이루어진 다공성 산화그래핀층과 금속 나노입자를 투명전극층과 함께 하이브리드하여 도파민 검출용 센서로 이용함으로써 전기화학적으로 도파민 검출능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에서 이용하는 다공성 산화그래핀 시트를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 합성된 다공성 산화그래핀 시트와 통상의 산화그래핀 시트의 TEM 사진들을 나타낸 도면이다.
도 4는 substrate A 내지 D의 SEM 이미지들과 substrate C 및 D의 라만 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 substrate A 내지 D의 CV 커브 및 도파민 농도별 피크 전류 강도 그래프를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 substrate D의 도파민 농도별 CV 커브 및 전류값 특성 평가 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 substrate D에 대한 선택도 시험 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 도파민 검출용 센서 및 이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에서 이용하는 다공성 산화그래핀 시트를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 도파민 검출용 센서는, 베이스 기재, 투명 전극층, 금속 나노입자들 및 다공성 산화그래핀층을 포함한다. 도파민 검출용 센서는 도파민에 노출되어 반응하여 도파민-o-퀴논(dopamine-o-quinone)으로 변형됨으로써 발생되는 전기화학적 신호를 통해서 도파민의 존재 여부, 도파민의 농도 등을 검출할 수 있다.

상기 베이스 기재는 유리 기판, 쿼츠 기판 등일 수 있다.

상기 투명 전극층은 상기 베이스 기재 상에 배치되는 투명한 전도성을 갖는 박막이다. 일례로, 상기 투명 전극층은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)로 형성될 수 있다. 상기 투명 전극층은 상기 베이스 기재에 증착되어 형성될 수 있다.

이때, 상기 투명 전극층은 금속 나노입자들이 상기 투명 전극층의 표면에 안정적으로 배치될 수 있도록 표면처리된 투명 전극층일 수 있다. 투명 전극층의 표면 처리는 투명 전극과 친화력이 있거나 안정적인 화학 결합을 이룰 수 있는 동시에 금속 나노입자들을 고정화시킬 수 있는 화합물을 코팅하여 기능화시킴으로써 수행할 수 있다. 투명 전극층의 표면 처리는 아미노알킬 알콕시실란을 이용하여 수행할 수 있고, 예를 들어, 아미노프로필 트리에톡시실란(APTES)를 이용하여 수행할 수 있다. 투명 전극층의 표면 처리에 의해서 투명 전극층과 코팅된 물질의 작용기 사이에 안정화된 공유결합이 유도될 수 있다.

상기 투명 전극층 상에 다수의 금속 나노입자들이 배치되는데, 금속 나노입자는 금(Au)으로 형성된 금 나노입자일 수 있다. 금속 나노입자들의 직경은 30 nm 내지 90 nm일 수 있다.

다공성 산화그래핀층은 금속 나노입자들 표면의 적어도 일부를 커버하는 동시에 투명 전극층의 표면을 커버하도록 금속 나노입자들이 투명전극층 상에 배치된 상태에서 그 위에 다공성 산화그래핀 시트들을 포함하는 용액을 코팅함으로써 형성한다.

다공성 산화그래핀층과 금속 나노입자들이 투명 전극층 상에서 3차원 구조체를 형성하는데, 다공성 산화그래핀층을 구성하는 다공성 산화그래핀 시트들이 금속 나노입자들 각각의 표면을 적어도 일부 커버하도록 코팅된 상태가 되고, 동시에 다공성 산화그래핀 시트들은 투명 전극층과도 접촉하도록 배치된다. 상기와 같은 3차원 구조체에 의해서 투명 전극층이 개질(modify)되며, 3차원 구조체에 의해 개질된 투명 전극층이 도파민 검출을 위한 플랫폼이 된다. 본 발명에서, 다공성 산화그래핀층이 금속 나노입자들이 배치되어 있는 투명 전극층 상에 형성됨에 따라, 예를 들어, 다공성 산화그래핀 시트들을 포함하는 용액을 금속 나노입자들이 배치되어 있는 투명 전극층 상에 코팅하게 되면 상기와 같은 3차원 구조체가 투명 전극층 상에 형성되는 것으로 볼 수 있다.

도 2를 도 1과 함께 참조하면, 다공성 산화그래핀층에서 다수의 다공성 산화그래핀 시트들이 균일하게 분산되어 코팅된 형태이고, 다공성 산화그래핀층을 구성하는 다공성 산화그래핀 시트들 각각은 2차원 시트이되, 이를 관통하도록 다수의 관통홀들이 형성된 구조를 갖는다. 즉, 2차원 시트인 산화그래핀 시트에 형성된 관통홀들은 인위적으로 형성된 산화그래핀의 결함(defect)에 해당하고, 다공성 산화그래핀 시트는 이러한 결함들을 포함한다. 인위적으로 관통홀들을 형성하기 위해서는 산화그래핀 시트에 대해서 강렬한 초음파 공정을 수행할 수 있다. 초음파 공정을 수행하는 시간이 길수록, 산화그래핀 시트에 형성되는 결함도 많아져 도파민 검출용 센서에 구비되는 다공성 산화그래핀층으로 우수한 특성을 나타낼 수 있다.

도 2의 (a)와 같이 일반적인 산화그래핀 시트로 구성된 산화그래핀층과 달리, 도 2의 (b)와 같이 모식화할 수 있는 본 발명에서 이용하는 다공성 산화그래핀층의 표면에는 풍부한 OH기와 전자가 자유롭게 통과할 수 있는 나노크기의 관통홀들이 형성되어 있기 때문에 다공성 산화그래핀 시트들이 금속 나노입자들 각각에서 표면의 적어도 일부를 커버하도록 금속 나노입자들 각각을 감싸는 동시에, 투명 전극층을 커버하도록 배치됨으로써, 다공성 산화그래핀층과 투명 전극층 사이에서 금속 나노입자들이 개재된 구조를 가지고, 도파민 검출용 센서가 도파민의 존재에 노출된 경우에 도파민의 전기화학적-레독스 신호를 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 산화그래핀 시트의 크기는 500 nm 내지 1 ㎛일 수 있고, 여기에 형성된 관통홀들의 크기는 10 내지 50 nm일 수 있다.

그래핀은 다양한 기술 분야에서 광범위한 적용을 가진 2차원 재료이고, 그래핀보다 산화그래핀에 대한 접근성이 높은 편이기는 하지만 산화그래핀은 표면에 많은 OH기를 갖고 있기 때문에 전도성이 매우 낮다. 하지만 상대적으로 낮은 전기적 전도도에도 불구하고, 산화그래핀은 그 자체로 금, 은, 백금 등과는 또 다른 전기적 촉매 특성을 갖고 실질적인 전기화학 검출 특성 또한 갖는다.

다공성 산화그래핀층이 안정적으로 금속 나노입자들 상에 코팅될 수 있도록 하기 위해서, 다공성 산화그래핀층을 형성하기 전에 금속 나노입자들을 투명 전극층 상에 분산시킨 후에 금속 나노입자의 표면처리를 수행할 수 있다. 이때, 금속 나노입자의 표면처리는 금속 나노입자의 표면에 금속 나노입자와 친화성을 갖는 작용기와 정전기적으로 양전하를 나타내는 작용기를 포함하는 화합물을 처리하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 금속 나노입자가 투명 전극층 상에 배치된 상태에서 금속 나노입자가 금 나노입자인 경우에 금 나노입자와 안정적으로 화학 결합을 하는 티올기를 포함하고 아민기를 갖는 시스테아민 하이드로클로라이드를 처리하고, 이에 대해서 다공성 산화그래핀 시트들이 분산된 용액을 코팅함으로써 다공성 산화그래핀층을 형성할 수 있다.

다공성 산화그래핀 시트들은 정전기적으로 음전하를 나타내기 때문에(산화그래핀의 표면 및/또는 관통홀 주변에 존재하는 O^2-와 같은 작용기에 의한) APTES와 같은 화합물로 표면처리된 투명전극층에 대해서 시스테아민 하이드로클로라이드와 같은 화합물로 금속 나노입자들이 배치된 상태에서 다시 표면처리를 수행함으로써 용이하게 다공성 산화그래핀층을 형성할 수 있다.

상기에서 설명한 바에 따르면, 다공성 산화그래핀시트로 이루어진 다공성 산화그래핀층과 금속 나노입자를 투명전극층과 함께 하이브리드하여 도파민 검출용 센서로 이용함으로써 전기화학적으로 도파민 검출능을 향상시킬 수 있다.

이하에서는, 실제 제조예 및 제조된 샘플의 특성 평가를 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 이하에서 이용한 재료의 입수 방법은 다음과 같다.

ITO 전극은 U.I.D(회사명, 한국(청주))에서 구입하였고, 직경이 60 nm인 금 나노입자는 BB Solution(회사명, 영국(Cardiff))에서 구입하였다. 물에 분산된 형태의 단층 산화그래핀(275 mg/L)은 Graphene Supermarket(회사명, 미국(Calverton, NY))에서 구입하였으며, PDMS(polydimethylsiloxane)는 다우코닝사(Dow Corning사)에서 구입하였다. 또한, APTES((3-Aminopropyl)triethoxysilane), DPBS(Dulbecco's phosphate-buffered saline), 시스테아민 하이드로클로라이드(cysteamine hydrochloride), 도파민(dophamine) 및 AA(ascorbic acid)와 글루코오스(dextrose)를 포함하는 선택성 실험을 위해 사용된 간섭 물질들은 모두 Sigma Aldrich로부터 구입하였다.

다공성 산화그래핀(pGO)의 합성

다공성 산화그래핀(pGO)의 합성을 위해, 먼저, 증류수(DW)에 용해된 산화그래핀(GO)을 30분 동안 초음파 처리하여 응집된 산화그래핀(GO) 입자를 분산시켜 산화그래핀 용액(GO 용액)을 제조하였다. 그후에, GO 용액의 20 mL(200 ㎍/mL)를 날카로운 초음파 프로브(직경: 5 mm)를 이용하여 12시간동안 초음파 균질기에 적용시켰다. 초음파 처리 중에 온도를 높이기 위해 냉각 장치는 사용되지 않았다. GO 용액은 1.5 mL 원뿔 튜브에 분배하고 10분간 원심분리(12,000 rpm)하였다. pGO를 포함하는 pGO 용액인 상등액을 수집하여 TEM 이미징과 전기화학적 분석에 이용하였다.

다공성 산화그래핀(pGO)의 구조 확인: TEM

상기와 같이 제조한 pGO에 대해서 TEM을 얻었다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 합성된 다공성 산화그래핀 시트와 통상의 산화그래핀 시트의 TEM 사진들을 나타낸 도면이다.

도 3에서 왼쪽 TEM 사진이 통상의 산화그래핀 시트에 대한 것이고, 오른쪽 TEM 사진이 다공성 산화그래핀 시트에 대한 것으로, 스케일 바(scale bar)는 100 nm이다.

도 3을 참조하면, GO의 경우 표면이 매끈하게 나타나는 반면, pGO의 경우에는 다수의 기공들에 의한 미세한 조직들을 확인할 수 있다. 즉, 상기와 같은 강렬한 초음파 처리 및 열처리를 통해서 pGO가 제조되었음을 확인할 수 있다.

비교 전극들의 준비: substrate A 내지 C

제1 비교 전극으로서 ITO가 형성된 글라스를 substrate A로서 준비하였다.

제2 비교 전극으로서, ITO가 형성된 글라스의 표면에 금 나노입자들이 분포되도록 하여 substrate B로서 준비하였다.

또한, 제3 비교 전극으로서, ITO가 형성된 그라스의 표면에 pGO 용액을 이용하여 코팅한 코팅층을 형성하여 substrate C로서 준비하였다.

전극의 제조: substrate D의 제조

작동 전극(working electrode)의 준비를 위해, 먼저 1% Trion x-100 용액, 증류수 및 에탄올을 이용한 연속 초음파 공정을 통해서, ITO가 형성된 글라스(10 Ω/㎠, 0.5 mm 두께)를 세정하였다.

그후, 전극은 APTES의 효과적인 부착을 위해서 산소 플라즈마 처리를 수행하였고, 이어서 5% APTES 용액을 15분 동안 코팅하였다. 에탄올을 이용하여 잔류하는 APTES 용액을 제거한 후에, 개선된 어닐링을 위해서 전극을 80℃의 오븐에서 2시간동안 베이킹 하였고, ITO 전극과 실리콘 산화 그룹(silicon oxide group)의 OH기 사이에 안정된 공유 결합을 유도하였다.

그러나, 검출을 위한 소량의 용액을 포함하는 전극을 위해서 챔버가 필요하고, 그러한 상기 챔버는 접착제로서 PDMS와 1 cm 직경을 갖는 상업적으로 이용가능한 원형 플라스틱 챔버를 사용하여 전극의 표면에 형성되었다. 이어서, 금 나노입자를 챔버에 분배하고, 전극을 냉장고(4℃)에서 밤새 방치하였다. 그 다음 금 나노입자를 증류수로 씻어내고, 전극을 시스테아민 하이드로클로라이드로 1시간, pGO 용액으로 2시간동안 순차적으로 코팅하였다.

잘 알려진 바와 같이, 시스테아민의 티올기는 자기 조립 공정을 통해 금 나노입자의 표면에서 안정한 Au-S 결합을 형성할 수 있어, 금 나노입자의 고정화에 효과적인 자유 아민기(free amine group)를 남긴다. ITO 기판은 시스테아민 변형 전에 금 나노입자 고정화를 위해 APTES로 기능화 되었기 때문에, 자유 아민기의 존재로 인해 ITO와 금 나노입자 모두 수정 매질에서 양전하를 나타내어 정전기적 상호작용을 통해 음으로 하전된 pGO를 유인할 수 있다. 마지막으로, 시스테아민 하이드로클로라이드와 GO 용액은 코팅 공정 후에 증류수로 씻어내었다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 substrate D를 얻었다.

구조 분석 및 결과

상기와 같이 준비된 substrate A 내지 D 각각에 대해서, SEM 이미지를 얻었다. 또한, substrate C와 D에 대해서는 Raman 분석을 수행하였다. 그 결과를 도 4에 나타낸다.

도 4는 substrate A 내지 D의 SEM 이미지들과 substrate C 및 D의 라만 분석 결과를 나타낸 도면으로서, (a)에서 SEM 이미지들을 나타태고, (b)에서 라만 분석 결과를 나타낸다.

도 4를 참조하면, substrate A는 전형적인 ITO 증착된 위상학적 특성을 나타내지만, substrate C에서는 ITO 기판 상부에 pGO층이 존재하기 때문에 ITO 특성이 나타나지 않는다. substrate B의 SEM 사진을 통해서 금 나노입자의 크기가 200 nm 내지 300 nm인 것을 확인할 수 있다.

또한, substrate C는 링클-유사 구조(wrinkle-like structure)를 나타내는데, 이는 그래핀-개질된 표면의 전형적인 모폴로지이다. 그러나 도 3의 오른쪽 TEM 사진에서 나타난 나노화된 홀들의 존재를 substrate C에서는 확인할 수 없다. substrate B는 ITO의 표면에서 금 나노입자들이 고정화된 구조를 나타내는데, 금 나노입자들의 직경이 200 nm 내지 300 nm 정도인 것을 확인할 수 있다.

substrate C와 substrate D 상에 pGO가 존재하기 때문에, substrate A와 B와는 대조적으로, 두 기판 모두에서 투명한 D 밴드(1350 cm^-1)와 G 밴드(1580 cm^-1)를 확인할 수 있다.

일반적으로, G 밴드는 sp2-결합 탄소 원자들의 일반적인 진동을 나타내는 것인 반면, D 밴드는 (구조적 결함) 면외 진동(out-of-plane vibration)을 나타낸다. substrate C와 substrate D의 I값(D/G)은 각각 0.98 및 0.96으로 계산되었고, 이는 pGO의 구조가 GO의 구조와 유사한 것을 나타내주는 결과이다. 따라서 TEM 이미지와 SEM 이미지, 그리고 Raman 분석 결과를 통해서는, pGO가 ITO-금 나노입자 기판의 표면에서 성공적으로 합성되고 변형되어 전기 화학적 도파민 검출에 대한 적용 가능성이 높음을 확인할 수 있는 것이다.

전기화학적 검출 실험 방법 및 통계 분석

CV(Cyclic voltammetry)와 전류 검출( amperometric detection)은 DY2000 시리즈 Multi-Channel Potentiostat(Digi-Ivy)를 사용하여 수행하였다. ITO 작동 전극이 도파민 검출 플랫폼으로 사용되는 동안, Ag/AgCl (1M KCl) 및 백금 와이어는 각각 기준 전극(reference electrode) 및 상대 전극(counter electrode)으로 사용되었다. CV를 위해서, 다양한 도파민 용액 농도를 준비하고, 검출을 위해 칩 챔버에 두었다. 스캔 속도 및 범위는 각각 0.05 V/s 및 -0.1 내지 0.6이었다.

CV에서 음극 피크(cathodic peaks, Ipc)의 높이를 정량 분석에 사용하였다. 전산화된 통계 프로그램 Origin 8이나 Microsoft Excel 2013을 이용하여 데이터를 분석하였다. 데이터는 평균ㅁSE(N=3)으로 나타내었다. 중요한 차이는 p<0.05로 결정되었다.

상기와 같이 준비된 substrate A 내지 D 각각에 대해서, 완충 식염수(DPBS; pH 7.4)를 전해질로 사용하여 도파민의 존재 하에서 CV에 적용하였고, 피크 전류 강도를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.

도 5는 substrate A 내지 D의 CV 커브 및 도파민 농도별 피크 전류 강도 그래프를 나타낸 도면이다.

도 5에서, (a)는 10 μM의 도파민에 대한 substrate A 내지 D의 CV 커브를 나타낸 그래프이고, (b)는 도파민 농도가 10 μM인 경우와 1 μM인 경우의 substrate A 내지 D 각각의 피크 전류 강도를 나타낸 그래프이다(n= 3, unpaired student's t-test, * p< 0.05, control group: Substrate B with 1 μM of dopamine, ** p< 0.01, control group: Substrate B with 10 μM of dopamine).

도 5의 (a)를 참조하면, 계산된 I_pa/I_pc 값이 substrate A 내지 D 각각에 대해서 1.22, 0.33, 0.96 및 1.03으로 나타난 반면, |E_pa-E_pc| 값(peak-to-peak-separation)은 substrate A 내지 D 각각에 대해서 0.47 V, 0.24 V, 0.176 V 및 0.066 V으로 나타난 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 이 값들을 통해서 전극에서 도파민의 레독스 반응이 준-가역적(quasi-reversible)임을 확인할 수 있다.

그러나 substrate A 내지 D 중에서, substrate D의 도파민 CV 커브가 이상적인 가역적 레독스 반응(|E_pa-E_pc|=0, I_pa/I_pc=1)과 가장 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 10 μM 도파민의 존재 하에서, substrate D의 I_p값은 substrate A, B 및 C 각각과 비교하여 42.8, 6.88 및 1.67 배이고, 이는 substrate D가 전기화학적으로 가장 적합한 후보 물질이라는 것을 확인할 수 있는 데이터이다.

도 5의 (b)를 (a)와 함께 참조하면, substrate D는 도파민 1 μM의 존재 하에서 매우 향상된 환원 전류를 나타내지만, 다른 substrate에서는 도파민의 존재를 검출하지 못하거나, 동일한 조건 하에서 작은 수준의 전기 화학적 신호를 생성하는 것을 확인할 수 있다.

substrate D의 활성 표면적은 레독스 커플로 K₃Fe(CN)₆을 이용하고 하기 식 1로 나타내는 Randles-Sevcik 방정식을 이용하여 얻은 voltammogram에 기초하여 0.2927 ㎠로 계산되었다(하기 식 1에서, i_p는 피크 전류, n은 관련된 전자 수, A는 전극 면적(㎡), D는 확산계수(㎡/s), v는 스캔속도(V/s), 그리고 C는 분석대상물의 농도(mol/L)를 나타낸다).

[식 1]

이러한 활성 표면적 결과 또한, 다른 기판들에 비해서 substrate D가 도파민의 화학적 검출을 위한 가장 유력한 후보 물질이라는 것을 확인할 수 있다.

도파민 농도별 감지 특성 평가: substrate D

substrate D에 대해서 도파민 농도별로 CV 커브를 얻었고, 전류값 특성 또한 측정하였다. 그 결과를 도 6에 나타낸다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 substrate D의 도파민 농도별 CV 커브 및 전류값 특성 평가 그래프를 나타낸 도면이다.

도 6에서, (a)는 도파민의 농도가 0.1 μM 내지 30 μM인 경우의 CV 커브를 나타낸 그래프이고, (b)는 도파민 농도에 따른 전류값 변화를 선형화하여 나타낸 그래프이다(n=3, 전해질 DPBS(pH 7.4)).

도 6의 (a)를 참조하면, 0.1 μM의 도파민조차도 대조군 (도파민 없는 DPBS)과 구별 할 수 있을만한 약한 레독스 피크를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 도파민의 농도가 0.1 μM에서 50 μM으로 증가함에 따라 CV의 산화 피크와 환원 피크가 명확하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 환원 피크(E_pc)는 도파민 농도 변화 (0.1 μM ~ 50 μM)에서 약 240 mV ± 10 mV이며, 이를 통해서 도파민 검출을 위해서 발명된 본 발명의 일 실시예에 따른 substrate D의 신호 안정성을 증명하는 것으로 볼 수 있다.

검출을 위한 플랫폼 개발에서 가장 중요한 매개 변수 중 하나는 신호 강도의 선형성과 대상 분석물의 농도인데, 본 발명에서도 이러한 상관관계를 계산함으로써 도파민에 의해 얻어진 레독스 피크인 신호 강도가 원하는 도파민 농도로 변환될 수 있다.

표 1은 종래의 도파민 감지 플랫폼과 본 발명에 따른 전극 구조의 특성을 비교하여 정리한 표이다.

전극	Methods	Linear Range (μM)	LOD (μM)
GO/GCE	CV¹, EIS², DPV³	1-15	0.27
GR/GCE	CV, DPV	4-100	2.64
GR-AuNP/GCE	CV, DPV	5-1000	1.86
Chitosan-GR/GCE	CV, DPV	1-24	1
TiO2-GR/GCE	CV, DPV	5-200	2
Au/RGO/GCE	CV, DPV	6.8-41	1.4
본 발명에 따른 전극구조	CV, AM⁴	0.1-30	1.28

CV: cyclic voltammetry, EIS: Electrochemical impedance spectrocopy, DPV: Differential pulse voltammetry, AM: Amperometry

표 1을 참조하면, 개발 된 센서의 LOD(limit of detection)는 이전에 보고되어 있는 도파민 감지 플랫폼보다 우수하거나 유사한 0.1 μM ~ 30 μM의 선형 범위에서 1.28 μM인 것을 확인할 수 있다.

선택도 시험 및 결과

간섭 분자로서 전류 측정 도파민 검출을 위해 AA 및 포도당(glucose)이 선택되었다. 선택도 시험을 위해, 10 μM 도파민 20 μL, AA 및 글루코오스를 DPBS 충진 전극 챔버에 첨가 한 후에 전류 측정 검출을 완료 하였다. 샘플링 시간, 초기 전압 및 감도는 각각 0.05 초, 0.3 V 및 10^-6 A이었다. 모든 실험은 25℃의 온도에서 수행되었다. 그 결과를 도 7에 나타낸다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 substrate D에 대한 선택도 시험 결과를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 도파민(DA, 10μM)의 첨가는 전류(8.1 nA 및 6.0 nA)에서 현저한 변화를 나타내지만, AA 및 포도당의 동일한 농도의 첨가는 각각 어떠한 현저한 신호 변화도 나타내지 않는 것을 확인할 수 있다. 도파민의 첨가에 의해 유도된 신호 변화는 voltammogram으로 나타났으며, 이는 개발된 본 발명에 따른 도파민 검출용 센서가 도파민 검출에 대한 선택성 측면에서 우수함을 확인할 수 있다. 즉, 일반적으로 도파민은 AA, UA, 포도당 및 단백질을 비롯한 혈장 내의 다른 분자와 공존하기 때문에 개발 된 전극의 도파민 검출에 대한 선택성을 확인하는 것이 중요한데, 도 7에서 나타난 결과를 통해서 본 발명에 따른 도파민 검출용 센서가 감도와 선택성 측면에서 가장 중요한 신경 전달 물질 중 하나 인 도파민의 전기 화학적 검출에 효과적이라는 결론을 내릴 수 있다.

상기에서 설명한 바에 따르면, 투명 전극층, 금속 나노입자들 및 다공성 산화그래핀을 포함하여 구비된 도파민 검출용 센서는 도파민의 전기 화학적 검출에 대한 적합성을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

특히, 다공성 산화그래핀(pGO)을 이용함으로써 전형적인 산화그래핀을 이용한 도파민의 검출보다 현저하게 높은 효율을 나타냈으며, 향상된 특이성은 낮은 농도의 도파민(10 μM)에서도 유지될 수 있다. 또한, substrate D와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 도파민 검출용 센서에서 얻은 환원 피크는 노출된 ITO, ITO-pGO 및 ITO-금 나노입자 전극보다 각각 42.8, 6.88 및 1.67 배 높게 나타나는 것을 확인할 수 있고, 다공성 산화그래핀(pGO)의 평면상의 많은 수산기의 존재가 도파민 분자와 다공성 산화그래핀(pGO) 사이의 수소 결합 형성을 촉진할 수 있다. 또한, 다공성 산화그래핀(pGO)의 평면상의 나노사이즈의 관통홀이 도파민 분자에서 금 나노입자의 표면으로 전자 전달을 돕는 것으로 가정 할 수 있는데, 이는 전기화학적-레독스 신호의 향상에 기여할 수 있다.

도파민 검출에 대한 본 발명에 따른 구조체의 선택성은 10 μM의 AA 및 포도당을 포함하는 다른 간섭 분자의 존재 하에서 전류계 분석으로 추가로 확인되었다.

결론적으로, 본 발명에 따른 도파민 검출용 센서는 도파민 검출에 탁월하며 다양한 신경계 질환의 조기 진단에 도움이 될 수 있을 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

투명 전극층이 형성된 베이스 기재;
상기 투명 전극층 상에 배치된 금속 나노입자들; 및
상기 금속 나노입자들과 상기 투명 전극층 각각의 적어도 일부의 표면을 직접적으로 커버하고, 다수의 다공성 산화그래핀 시트들로 이루어진 다공성 산화그래핀층을 포함하고,
상기 다공성 산화 그래핀층과 상기 금속 나노입자들은 상기 투명 전극층 상에서 3차원 구조체를 형성하여 상기 투명 전극층이 개질되며,
상기 다공성 산화 그래핀 층에 포함된 다공성 산화그래핀 시트들 각각은 2차원 평면 구조를 가지며 이를 관통하는 다수의 관통홀을 포함하고 있고, 상기 관통홀의 크기는 10 내지 50nm이며,
상기 다공성 산화그래핀층의 표면에는 풍부한 OH기와 전자가 자유롭게 통과할 수 있는 나노크기의 관통홀들이 형성되어 있어서 상기 다공성 산화그래핀 시트들이 금속 나노입자들 각각에서 적어도 일부의 표면을 커버하도록 금속 나노입자들 각각을 감싸는 동시에 상기 투명 전극층을 커버하도록 배치됨으로써, 상기 다공성 산화그래핀층과 상기 투명 전극층 사이에서 상기 금속 나노입자들이 개재된 구조를 이루고, 이에 의해 도파민의 존재에 노출된 경우에만 도파민의 전기화학적-레독스 신호를 향상시키는,
도파민 검출용 센서.
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제1항에 있어서,
상기 투명 전극층은 인듐 주석 산화물로 형성되고,
상기 금속 나노입자들은 금 나노입자들인 것을 특징으로 하는,
도파민 검출용 센서.
제1항에 있어서,
상기 투명 전극층과 상기 금속 나노입자들 사이에는 상기 금속 나노입자의 고정화를 위한 아미노알킬 알콕시실란으로 기능화된 것을 특징으로 하는,
도파민 검출용 센서.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자들의 표면에는 티올기를 포함하는 아민 화합물로 처리되어 상기 다공성 산화그래핀층과 정전기적 인력으로 결합된 것을 특징으로 하는,
도파민 검출용 센서.
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