KR102144082B1 - Enzyme-based Dissolved Carbon Monoxide Sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는 용존 일산화탄소 센서를 제공한다. 이때, 상기 용존 일산화탄소 센서는 전극 및 상기 전극 상에 고정된 일산화탄소 탈수소효소를 포함할 수 있다. 이때, 상기 용존 일산화탄소 센서는 상기 일산화탄소 탈수소효소의 효소반응을 통해 용액 내 용존 일산화탄소 농도를 직접 검출하는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the present invention provides a dissolved carbon monoxide sensor. In this case, the dissolved carbon monoxide sensor may include an electrode and a carbon monoxide dehydrogenase fixed on the electrode. In this case, the dissolved carbon monoxide sensor is characterized in that it directly detects the dissolved carbon monoxide concentration in the solution through an enzymatic reaction of the carbon monoxide dehydrogenase.
Description
본 발명은 일산화탄소 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 효소 기반 일산화탄소 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon monoxide sensor, and more particularly, to an enzyme-based carbon monoxide sensor.
화력 발전소의 배기가스 혹은 바이오 매스 및 도시 고형 폐기물의 가스화를 통해 생성 된 합성 가스는 일차적으로 일산화탄소 (CO), 수소 (H2) 및 이산화탄소 (CO2) 로 구성되며 생물학적 촉매를 사용하여 발효시켜 다양한 연료와 부가가치를 창출 할 수 있다. 합성가스 유기산 및 알코올과 같은 고부가 화학 물질의 생산을 위해 특별히 설계된 미생물을 사용하기 때문에 더 매력적이며 결과적으로 높은 제품 선택성을 가질 수 있다. 또한, 가스 탄소를 연료 및 화학 물질로 전환하면 폐기물 처분의 환경문제 영향을 줄일 수 있다.Synthetic gas generated through gasification of the exhaust gas of thermal power plants or biomass and municipal solid waste is primarily composed of carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ), and is fermented using a biological catalyst. It can create fuel and added value. Syngas is more attractive because it uses microorganisms specifically designed for the production of high value-added chemicals such as organic acids and alcohols, which can result in high product selectivity. In addition, the conversion of gaseous carbon into fuels and chemicals can reduce the environmental impact of waste disposal.
합성 가스 발효의 상업화의 주요 장애물 중 하나는 미생물 배양 발효액에서 낮은 용존 가스의 농도, 특히 CO의 낮은 용해도에 기인 한 기체 - 액체 물질 전달 제한이다. 반응기 내 미생물의 활성은 용존 가스의 농도에 따라 변화한다. 따라서 실제 용해 된 CO 농도는 생물 반응기 운전에 대한 기질 소모율, 산물 생산성 파악, 예측 및 최적화하기 위해 중요한 정보이다.One of the main obstacles to the commercialization of syngas fermentation is the restriction of gas-liquid mass transfer due to the low concentration of dissolved gases in the microbial culture fermentation broth, especially the low solubility of CO. The activity of microorganisms in the reactor changes according to the concentration of dissolved gas. Therefore, the actual dissolved CO concentration is important information to understand, predict, and optimize the substrate consumption rate and product productivity for the operation of the bioreactor.
합성 가스 발효 연구에서 용존 CO 농도를 측정하는 데 사용되는 기존의 기술은 가스 크로마토 그래피를 기반으로 한다. 이는 헨리의 법칙과 헤드 스페이스의 CO 분압을 이용하여 수성 단계에서 분해 된 CO를 간접적으로 계산하는 방법으로, 실시간 용존 CO 농도 측정이 어렵다. 수성 샘플에서 CO 농도를 직접 측정하는 덜 일반적인 방법으로 미오글로빈 - 단백질 생물 분석법이 있다. 그러나 이러한 방법의 사용은 오프 라인이며, 수행하기가 어렵고 부정확하게 수행 될 경우 오류가 발생하기 때문에 제한적이다. 따라서, 실시간 용존 CO 농도 검출을 위한 기술 개발이 요구되고 있다.The existing technique used to measure dissolved CO concentration in synthesis gas fermentation studies is based on gas chromatography. This is a method of indirectly calculating the CO decomposed in the aqueous phase using Henry's law and the partial pressure of CO in the headspace, and it is difficult to measure the dissolved CO concentration in real time. A less common method of directly measuring CO concentration in aqueous samples is the myoglobin-protein bioassay. However, the use of this method is limited because it is offline, it is difficult to perform, and errors occur if performed incorrectly. Therefore, there is a need to develop a technology for real-time dissolved CO concentration detection.
또한, 합성 가스 발효 시스템 내 낮은 용존 CO농도는 효소전극으로의 기질전달 제한을 유발할 수 있다. 효소전극표면상 효소필름의 두께와 고정화된 효소의 기질에 대한 접근성은 기질전달 효율에 영향을 주는 주요 인자이므로 효소필름의 두께가 단일효소분자크기와 유사하고 고정화된 효소가 기질수용액과 쉽게 접촉될 수 있는 전극구조상 효소가 고정된 효소기반 용존일산화탄소 센서의 개발이 요구된다.In addition, the low dissolved CO concentration in the synthesis gas fermentation system may lead to restriction of substrate transfer to the enzyme electrode. The thickness of the enzyme film on the surface of the enzyme electrode and the accessibility of the immobilized enzyme to the substrate are the main factors affecting the substrate transfer efficiency, so the thickness of the enzyme film is similar to the size of a single enzyme molecule, and the immobilized enzyme can easily contact the aqueous substrate solution. Due to the possible electrode structure, the development of an enzyme-based dissolved carbon monoxide sensor with an enzyme immobilized thereon is required.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액체 내 용존 일산화탄소 직접 검출이 가능한 센서를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a sensor capable of directly detecting dissolved carbon monoxide in a liquid.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액체 내 용존 일산화탄소의 실시간 검출이 가능한 센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a sensor capable of real-time detection of dissolved carbon monoxide in a liquid.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 용존 일산화탄소 센서를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a dissolved carbon monoxide sensor.
이때, 상기 용존 일산화탄소 센서는 나노패턴전극 및 상기 나노패턴전극 상에 고정된 일산화탄소 탈수소효소를 포함할 수 있다.In this case, the dissolved carbon monoxide sensor may include a nanopattern electrode and a carbon monoxide dehydrogenase fixed on the nanopattern electrode.
이때, 상기 용존 일산화탄소 센서는 상기 일산화탄소 탈수소효소의 효소반응을 통해 용액 내 용존 일산화탄소 농도를 직접 검출하는 것을 특징으로 한다.In this case, the dissolved carbon monoxide sensor is characterized in that it directly detects the dissolved carbon monoxide concentration in the solution through an enzymatic reaction of the carbon monoxide dehydrogenase.
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소는 상기 효소반응을 통해 생성된 전자를 상기 전극에 직접 전달하는 것을 특징으로 한다.At this time, the carbon monoxide dehydrogenase is characterized in that it directly transfers electrons generated through the enzymatic reaction to the electrode.
이때, 상기 전극은 Pt, Cu, Zn, Fe, Ni, Co, Mn, Au, Ag, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그라파이트를 포함할 수 있다.In this case, the electrode may include Pt, Cu, Zn, Fe, Ni, Co, Mn, Au, Ag, carbon fiber, carbon nanotubes, graphene, or graphite.
이때, 상기 나노패턴전극은 자체 마스크 건식 식각 기술을 이용한 서브파장 나노구조를 가지는 것을 특징으로 한다.In this case, the nanopattern electrode is characterized in that it has a sub-wavelength nanostructure using a self-mask dry etching technique.
이때, 상기 나노패턴전극은 피라미드 형태의 패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.At this time, the nano-patterned electrode is characterized in that it has a pyramid-shaped pattern.
이때, 상기 피라미드 형태의 패턴의 높이는 10nm 내지 200nm인 것을 특징으로 한다.At this time, the height of the pyramid-shaped pattern is characterized in that 10nm to 200nm.
이때, 상기 피라미드 형태의 패턴의 간격은 10nm 내지 200nm인 것을 특징으로 한다.At this time, the interval of the pyramid-shaped pattern is characterized in that 10nm to 200nm.
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소는 활성자리가 위치하는L단위 및 상기 L단위와 연결된 M단위 그리고 상기 M 단위와 연결된 S단위를 포함할 수 있다.In this case, the carbon monoxide dehydrogenase may include an L unit in which an active site is located, an M unit connected to the L unit, and an S unit connected to the M unit.
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소는 상기 L단위, 상기 M단위 또는 상기 S단위에 발현된 금속 고정화 펩타이드에 의해 상기 나노패턴전극에 고정되는 것을 특징으로 한다.At this time, the carbon monoxide dehydrogenase is characterized in that it is immobilized on the nanopattern electrode by the metal-immobilized peptide expressed in the L unit, the M unit, or the S unit.
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소는 프린팅, 침액(Dipping) 또는 침적법을 통해 상기 전극 상에 고정시키는 것을 특징으로 한다.At this time, the carbon monoxide dehydrogenase is fixed on the electrode through printing, dipping or dipping.
이때, 상기 용존 일산화탄소 센서는 상기 효소반응에 의해 하기 식(1)의 반응이 일어나는 것을 특징으로 한다.At this time, the dissolved carbon monoxide sensor is characterized in that the reaction of the following formula (1) occurs by the enzymatic reaction.
CO + H2O →CO2 + 2H+ + 2e- 식(1)CO + H 2 O →CO 2 + 2H + + 2e - Equation (1)
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 용존 일산화탄소 검출방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a method for detecting dissolved carbon monoxide.
이때, 상기 용존 일산화탄소 검출방법는 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 전류값 검출기에 전기적으로 연결하는 단계, 상기 검출기에 연결된 상기 용존 일산화탄소 센서를 분석대상 액체 내에 침지하는 단계, 상기 액체 내에 침지된 용존 일산화탄소 센서에 전압을 인가하는 단계 및 상기 용존 일산화탄소 센서의 효소반응에 의해 발생하는 전류변화를 상기 검출기로 검출하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, the dissolved carbon monoxide detection method includes the steps of electrically connecting the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention to a current value detector, immersing the dissolved carbon monoxide sensor connected to the detector in the liquid to be analyzed, and immersing in the liquid. It may include applying a voltage to the dissolved carbon monoxide sensor and detecting a change in current generated by the enzymatic reaction of the dissolved carbon monoxide sensor with the detector.
이때, 상기 용존 일산화탄소 검출방법은 상기 분석대상 액체 내의 용존 일산화탄소를 실시간 검출하는 것을 특징으로 한다.In this case, the dissolved carbon monoxide detection method is characterized in that the dissolved carbon monoxide in the liquid to be analyzed is detected in real time.
이때, 용존 일산화탄소 검출방법은 상기 효소반응에 의해 하기 식(1)의 반응이 일어나는 것을 특징으로 한다.At this time, the dissolved carbon monoxide detection method is characterized in that the reaction of the following formula (1) occurs by the enzymatic reaction.
CO + H2O →CO2 + 2H+ + 2e- 식(1)CO + H 2 O →CO 2 + 2H + + 2e - Equation (1)
이때, 상기 분석대상 액체의 pH는 6.5 내지 7.5인 것을 특징으로 한다.At this time, the pH of the liquid to be analyzed is characterized in that it is 6.5 to 7.5.
본 발명의 실시예에 따르면, 액체 내 용존 일산화탄소 직접 검출이 가능한 센서를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a sensor capable of directly detecting dissolved carbon monoxide in a liquid can be provided.
본 발명의 실시예에 따르면, 액체 내 용존 일산화탄소의 실시간 검출이 가능한 센서를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a sensor capable of real-time detection of dissolved carbon monoxide in a liquid can be provided.
본 발명의 실시예에 따르면, 기질전달 제한에 따른 저항 감소를 통해 측정가능 농도의 범위가 넓은 용존 일산화탄소 센서를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a dissolved carbon monoxide sensor having a wide range of measurable concentrations through a reduction in resistance due to substrate transfer restriction.
본 발명의 실시예에 따르면, 정확도 높은 용존 일산화탄소 센서를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a dissolved carbon monoxide sensor with high accuracy.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 나타낸 그림이다.
도4는 자체 마스크 건식 식각기술을 이용한 서브파장 나노구조의 나노패턴전극의 제작 과정을 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서의 순환전압전류 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서의 스캔속도-전류 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 센서의 순환전압전류 그래프와 스캔속도-전류 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법을 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법에 따라 검출한 효소 로딩량-전류 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법에 따라 검출한 일산화탄소 부분압-전류 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법에 따라 검출한 용존 일산화탄소 농도-전류 그래프이다.1 is a diagram showing a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram showing a manufacturing process of a nanopattern electrode having a sub-wavelength nanostructure using a self-mask dry etching technique.
5 is a graph of circulating voltage and current of a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a scan rate-current graph of a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a circulating voltage current graph and a scan rate-current graph of a carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of detecting dissolved carbon monoxide according to another embodiment of the present invention.
9 is an enzyme loading amount-current graph detected according to a method for detecting dissolved carbon monoxide according to another embodiment of the present invention.
10 is a partial pressure-current graph of carbon monoxide detected according to a method for detecting dissolved carbon monoxide according to another exemplary embodiment of the present invention.
11 is a dissolved carbon monoxide concentration-current graph detected according to a method for detecting dissolved carbon monoxide according to another embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in a number of different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in the middle. "Including the case. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further provided, not excluding other components unless otherwise specified.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 설명한다.A dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 나타낸 그림이다.1 is a diagram showing a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 상기 용존 일산화탄소 센서는 나노패턴전극(100) 및 상기 나노패턴전극(100) 상에 고정된 일산화탄소 탈수소효소(200)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the dissolved carbon monoxide sensor may include a
이때, 상기 용존 일산화탄소 센서는 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)의 효소반응을 통해 용액 내 용존 일산화탄소 농도를 직접 검출하는 것을 특징으로 한다.In this case, the dissolved carbon monoxide sensor is characterized in that it directly detects the dissolved carbon monoxide concentration in the solution through the enzymatic reaction of the
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)는 상기 효소반응을 통해 생성된 전자를 상기 전극에 직접 전달하는 것을 특징으로 한다.At this time, the
이때, 상기 전극(100)은 Pt, Cu, Zn, Fe, Ni, Co, Mn, Au, Ag, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그라파이트를 포함할 수 있다.At this time, the
이때, 상기 나노패턴전극은 자체 마스크 건식 식각 기술을 이용한 서브파장 나노구조를 가지는 것을 특징으로 한다.In this case, the nanopattern electrode is characterized in that it has a sub-wavelength nanostructure using a self-mask dry etching technique.
이때, 상기 서브파장 나노구조는 주파동 및 보조파동이 함께 존재하는 파장 형태의 구조를 말한다.In this case, the sub-wavelength nanostructure refers to a structure in the form of a wavelength in which a main wave and an auxiliary wave exist together.
이때, 상기 나노패턴전극은 피라미드 형태의 패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.At this time, the nano-patterned electrode is characterized in that it has a pyramid-shaped pattern.
이때, 상기 나노패턴전극이 피라미드 형태의 패턴을 가지는 자체 마스크 건식 식각 기술을 이용한 서브파장 나노구조를 가짐으로써, 상기 패턴 사이에 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 안착하여 효소의 뭉침을 방지하고 기질 전달성을 향상시킬 수 있다.At this time, the nanopattern electrode has a sub-wavelength nanostructure using a self-mask dry etching technology having a pyramid-shaped pattern, so that carbon dioxide dehydrogenase is evenly settled between the patterns to prevent aggregation of enzymes and improve substrate transferability. I can make it.
이때, 상기 나노패턴의 높이 및 간격이 상기 이산화탄소 탈수소효소와 비슷한 것이 바람직하다. 상기 나노패턴의 높이 및 간격이 상기 이산화탄소 탈수소효소와 비슷한 경우, 상기 나노패턴 사이에 상기 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 도포될 수 있으며, 이를 통해 원활한 기질전달을 유도할 수 있다.At this time, it is preferable that the height and spacing of the nanopatterns are similar to the carbon dioxide dehydrogenase. When the height and spacing of the nanopatterns are similar to the carbon dioxide dehydrogenase, the carbon dioxide dehydrogenase may be evenly applied between the nanopatterns, thereby inducing smooth substrate transfer.
바람직하게는, 상기 피라미드 형태의 패턴의 높이는 10nm 내지 200nm인 것을 특징으로 한다.Preferably, the pyramid-shaped pattern has a height of 10 nm to 200 nm.
이때, 상기 피라미드 형태의 패턴의 높이가 10nm 미만인 경우, 상기 나노패턴전극 상에 상기 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 도포되지 못하고 뭉침현상이 발생할 수 있다.In this case, when the height of the pyramid-shaped pattern is less than 10 nm, the carbon dioxide dehydrogenase may not be evenly applied on the nanopattern electrode, and agglomeration may occur.
이때, 상기 피라미드 형태의 패턴의 높이가 200nm 초과인 경우, 상기 나노패턴전극 상에 상기 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 도포되지 못하고 뭉침현상이 발생할 수 있다.In this case, when the height of the pyramid-shaped pattern exceeds 200 nm, the carbon dioxide dehydrogenase may not be evenly applied on the nanopattern electrode, and agglomeration may occur.
바람직하게는, 상기 피라미드 형태의 패턴의 간격은 10nm 내지 200nm인 것을 특징으로 한다.Preferably, the interval of the pyramid-shaped pattern is characterized in that 10nm to 200nm.
이때, 상기 피라미드 형태의 패턴의 간격이 10nm 미만인 경우, 상기 나노패턴전극 상에 상기 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 도포되지 못하고 뭉침현상이 발생할 수 있다.In this case, when the interval of the pyramid-shaped pattern is less than 10 nm, the carbon dioxide dehydrogenase may not be evenly applied on the nanopatterned electrode, and agglomeration may occur.
이때, 상기 피라미드 형태의 패턴의 간격이 200nm 초과인 경우, 상기 나노패턴전극 상에 상기 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 도포되지 못하고 뭉침현상이 발생할 수 있다.In this case, when the interval of the pyramid-shaped pattern is more than 200 nm, the carbon dioxide dehydrogenase may not be evenly applied on the nanopattern electrode, and agglomeration phenomenon may occur.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 피라미드 형태의 패턴은 상기 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 도포되는 것을 도울 수 있다. 일반적인 효소의 직경은 50nm 내지200nm인데, 상기 피라미드 형태의 패턴에 상기 이산화탄소 탈수소효소가 고르게 도포되기 위해서는 상기 피라미드 형태의 패턴의 높이 및 간격이 효소의 크기와 유사한 것이 바람직하다. 패턴의 높이 및 간격이 효소의 크기와 유사할 경우, 패턴 사이사이에 효소가 안착되어 상기 효소가 패턴 전극 상에 고르게 도포되는 것이 가능하기 때문이다. 따라서 상기 패턴의 높이 또는 간격이 효소의 크기범위보다 지나치게 작거나 클 경우, 패턴 사이에 효소가 각각 안착하기 어렵고, 효소끼리 뭉치는 현상이 발생할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the pyramid-shaped pattern may help the carbon dioxide dehydrogenase to be evenly applied. A typical enzyme has a diameter of 50 nm to 200 nm. In order for the carbon dioxide dehydrogenase to be evenly applied to the pyramidal pattern, it is preferable that the height and spacing of the pyramidal pattern are similar to the size of the enzyme. This is because if the height and spacing of the patterns are similar to the size of the enzyme, the enzyme is settled between the patterns, so that the enzyme can be evenly applied on the pattern electrode. Therefore, when the height or interval of the pattern is too small or larger than the size range of the enzyme, it is difficult for the enzymes to settle between the patterns, and a phenomenon in which the enzymes are clustered may occur.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 나타낸 그림이다.2 is a diagram showing a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 기재(10), 상기 기재(10) 상에 위치하는 전극(100), 상기 전극(100) 상에 고정된 일산화탄소 탈수소효소(200)를 포함할 수 있다.2, the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention includes a
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)은 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)에 발현된 금속 고정화 펩타이드(210)에 의해 상기 전극(100) 상에 고정된 것을 특징으로 한다.At this time, the
이때, 상기 전극(100)은 패턴이 형성된 전극일 수 있다.In this case, the
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 나타낸 그림이다.3 is a diagram showing a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 기재(10), 상기 기재(10) 상에 위치하는 전극(100), 상기 전극(100) 상에 고정된 일산화탄소 탈수소효소(200)를 포함할 수 있다.3, the dissolved carbon monoxide sensor according to the embodiment of the present invention includes a
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)은 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)에 발현된 금속 고정화 펩타이드(210)에 의해 상기 전극(100) 상에 고정된 것을 특징으로 한다.At this time, the
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)는 활성자리가 위치하는L단위(220) 및 상기 L단위(220)와 연결된 M단위(230)를 포함할 수 있다.In this case, the
이때, 상기 금속 고정화 펩타이드(210)는 상기 L단위(220) 또는 M단위(230) 중 어느 하나에 발현되는 것을 특징으로 한다.In this case, the metal-immobilized
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)는 활성자리가 위치하는L단위(220)에 코팩터(240)를 더 포함할 수 있다.In this case, the
이때, 상기 코팩터(240)은 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)의 효소반응을 촉진하기 위해 추가된 것일 수 있다.In this case, the
본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 효소의 활성자리에서 일어나는 화학반응에 의해 발생하는 전자에 의한 전류 변화를 통해 용존 일산화탄소를 검출한다. 이때, 상기 용존 일산화탄소 센서의 성능을 향상시키기 위해서는 상기 효소의 활성자리에서 발생한 전자를 전극에 효과적으로 전달하는 것이 중요하다. 이때, 상기 효소의 활성자리에서 생성된 전자를 효과적으로 전극에 전달하기 위해서는 상기 효소의 활성자리와 전극 사이의 거리를 단축하는 것이 중요하다.The dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention detects dissolved carbon monoxide through a change in electric current caused by electrons generated by a chemical reaction occurring at the active site of an enzyme. At this time, in order to improve the performance of the dissolved carbon monoxide sensor, it is important to effectively transfer electrons generated at the active site of the enzyme to the electrode. At this time, it is important to shorten the distance between the active site of the enzyme and the electrode in order to effectively transfer the electrons generated at the active site of the enzyme to the electrode.
본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 상기 효소의 활성자리가 위치하는 L 서브유닛 또는 M서브유닛 또는 S서브유닛에 상기 금속 고정화 펩타이드를 발현시켜 전극에 직접 고정함으로써, 상기 활성자리와 전극의 거리를 가깝게 고정하였다.The dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention expresses the metal-immobilized peptide in the L subunit, the M subunit, or the S subunit where the active site of the enzyme is located, and directly immobilized on the electrode. The distance was fixed close.
효소가 전극으로 전자를 전달하는 방식은 MET(Mediated electron transfer)와 DET(Direct electron transfer)로 나눌 수 있는데, MET에서는 중간 매개체로 인하여 전자 포텐셜이 낮아지는 문제가 발생한다. 효율적인 전자 전달을 위해서는 전자 전달 거리가 매우 중요한데, MET에서는 중간 매개체로 인하여 전자 전달 거리가 멀어지기 때문에 발생하는 문제이다. 본 발명에서는 일산화탄소 탈수소효소에 발현된 금속 고정화 펩타이드를 직접 금속 전극패턴에 고정시키므로 일산화탄소 탈수소효소가 금속 전극패턴에 매우 가깝게 고정될 수 있고, 따라서 DET가 가능해지며, 전자 포텐셜을 높게 유지할 수 있다. 전자 전달 거리에 따른 전자 전달 효율은 하기 식 (1)에 의해 정해질 수 있다.Enzymes transfer electrons to an electrode can be divided into mediated electron transfer (MET) and direct electron transfer (DET). In MET, the electron potential is lowered due to an intermediate medium. For efficient electron transfer, the electron transfer distance is very important. In MET, this is a problem that occurs because the electron transfer distance increases due to an intermediate medium. In the present invention, since the metal-immobilized peptide expressed in carbon monoxide dehydrogenase is directly immobilized on the metal electrode pattern, the carbon monoxide dehydrogenase can be immobilized very close to the metal electrode pattern, thus enabling DET and maintaining a high electron potential. The electron transfer efficiency according to the electron transfer distance can be determined by the following equation (1).
(상기 식 (1)에서 
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 일산화탄소 탈수소효소를 상기 일산화탄소 탈수소효소에 발현된 금속 고정화 펩타이드를 이용하여 전극에 직접 고정함으로써, 상기 효소의 활성자리와 전극 간의 거리를 단축하여 상기 용존 일산화탄소 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention directly fixes the carbon monoxide dehydrogenase to the electrode using a metal-immobilized peptide expressed in the carbon monoxide dehydrogenase, thereby shortening the distance between the active site of the enzyme and the electrode, It can improve the performance of the carbon monoxide sensor.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 금속 고정화 펩타이드를 통해 효소의 활성자리와 전극을 가깝게 고정함으로써, 전자 전달 효율을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention can improve electron transfer efficiency by closely fixing the active site of the enzyme and the electrode through the metal-immobilized peptide.
이때, 상기 일산화탄소 탈수소효소(200)는 프린팅, 침액(Dipping) 또는 침적법을 통해 상기 전극 상에 고정시키는 것을 특징으로 한다.At this time, the
이때, 상기 용존 일산화탄소 센서는 상기 효소반응에 의해 하기 식(1)의 반응이 일어나는 것을 특징으로 한다.At this time, the dissolved carbon monoxide sensor is characterized in that the reaction of the following formula (1) occurs by the enzymatic reaction.
CO + H2O →CO2 + 2H+ + 2e- 식(1)CO + H 2 O →CO 2 + 2H + + 2e - Equation (1)
도4는 자체 마스크 건식 식각기술을 이용한 서브파장 나노구조의 나노패턴전극의 제작 과정을 도시한 모식도이다.4 is a schematic diagram showing a manufacturing process of a nanopattern electrode having a sub-wavelength nanostructure using a self-mask dry etching technique.
도 4를 참조하면, 먼저 실리콘 기판(Si substrate) 상에 은 나노입자(Ag nanoparticles)로 패턴을 형성하였다(S100).Referring to FIG. 4, first, a pattern was formed with silver nanoparticles on a silicon substrate (S100).
다음, 건식 식각을 통해 상기 실리콘 기판을 식각하여 서브파장 나노구조 패턴이 형성된 실리콘 기판을 형성하였다(S200).Next, the silicon substrate was etched through dry etching to form a silicon substrate having a sub-wavelength nanostructure pattern (S200).
그 다음, 서브파장 나노구조 패턴이 형성된 실리콘 기판 상에 금(Au)을 증착하여 서브파장 나노구조의 나노패턴전극을 형성하였다(S300).Then, gold (Au) was deposited on the silicon substrate on which the sub-wavelength nanostructure pattern was formed to form a sub-wavelength nanostructured nanopattern electrode (S300).
실시예 1Example 1
CODH효소 200㎕를 함유한 3ml의 50mM PB 버퍼에 1cm2의 금 패턴전극을 교반하며 1시간동안 침지하여 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 제조하였다.A dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention was prepared by immersing a 1 cm 2 gold pattern electrode in 3 ml of 50 mM PB buffer containing 200 μl of CODH enzyme while stirring for 1 hour.
실험예 1Experimental Example 1
먼저, 탈 이온수를 실온에서 30 분 동안 CO로 버블링하여 CO 포화 표준용액을 제조하였으며, CO 함량은 포화 용해도로부터 계산하여 0.95 mM이었다.First, deionized water was bubbled with CO at room temperature for 30 minutes to prepare a CO saturated standard solution, and the CO content was 0.95 mM, calculated from saturated solubility.
상기 실시예1에 의해 제조된 용존 일산화탄소 센서, 백금(Pt)와이어 및 Ag/AgCl로 구성된 3전극 시스템을 이용하여 전위차계를 통해 순환전압-전류를 측정하였다.Cyclic voltage-current was measured through a potentiometer using a three-electrode system composed of a dissolved carbon monoxide sensor, a platinum (Pt) wire, and Ag/AgCl prepared according to Example 1 above.
이때, CO 포화 된 표준용액의 분액을 용액에 연속적으로 첨가 하였다.At this time, an aliquot of the CO saturated standard solution was continuously added to the solution.
이때, 상기 순환전압-전류는 30°C 및 50mM PB(pH 7.2) 조건에서 가스 기밀 전기 화학전지에서 수행되었다.At this time, the circulating voltage-current was performed in a gas-tight electrochemical cell at 30°C and 50mM PB (pH 7.2).
전류 측정에 있어서, 정상 상태 전류가 달성 된 후에 실시간 데이터를 기록되었다.In the current measurement, real-time data was recorded after the steady state current was achieved.
실험예 2Experimental Example 2
먼저, 탈 이온수를 실온에서 30 분 동안 CO로 버블링하여 CO 포화 표준용액을 제조하였으며, CO 함량은 포화 용해도로부터 계산하여 0.95 mM이었다.First, deionized water was bubbled with CO at room temperature for 30 minutes to prepare a CO saturated standard solution, and the CO content was 0.95 mM, calculated from saturated solubility.
금전극, 백금(Pt)와이어 및 Ag/AgCl로 구성된 3전극 시스템을 이용하여 전위차계를 통해 순환전압-전류를 측정하였다.Cyclic voltage-current was measured through a potentiometer using a three-electrode system composed of a gold electrode, a platinum (Pt) wire, and Ag/AgCl.
이때, CO 포화 된 표준용액의 분액을 용액에 연속적으로 첨가 하였다.At this time, an aliquot of the CO saturated standard solution was continuously added to the solution.
이때, 상기 순환전압-전류는 30°C 및 50mM PB(pH 7.2) 조건에서 가스 기밀 전기 화학전지에서 수행되었다.At this time, the circulating voltage-current was performed in a gas-tight electrochemical cell at 30°C and 50mM PB (pH 7.2).
전류 측정에 있어서, 정상 상태 전류가 달성 된 후에 실시간 데이터를 기록되었다.In the current measurement, real-time data was recorded after the steady state current was achieved.
실험예 3Experimental Example 3
상기 실험예 1에서 CO 표준용액의 분액을 첨가하지 않은 점을 제외하고는 실험예1과 동일하게 순환전압-전류를 측정하였다.In Experimental Example 1, the circulating voltage-current was measured in the same manner as in Experimental Example 1, except that an aliquot of the CO standard solution was not added.
실험예 4Experimental Example 4
상기 실험예 2에서 CO 표준용액의 분액을 첨가하지 않은 점을 제외하고는 실험예1과 동일하게 순환전압-전류를 측정하였다.In Experimental Example 2, the circulating voltage-current was measured in the same manner as in Experimental Example 1, except that an aliquot of the CO standard solution was not added.
실험예 1내지 4에 대한 결과를 도 5의 그래프로 나타내었다.The results for Experimental Examples 1 to 4 are shown in the graph of FIG. 5.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서의 순환전압전류 그래프이다.5 is a graph of circulating voltage and current of a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
도 5의 (a)는 상기 실험예 1 내지 5의 순환전압-전류 그래프이다. 이때, CO/CODH/Au는 실험예 1, CO/ Au는 실험예 2, CODH/Au는 실험예 3 그리고 Bare Au는 실험예 4의 결과값을 나타낸다. 도 5의 (a)를 참조하면, CO가 없는 경우 또는 본 발명의 일실시예에 따라 효소를 구비한 용존 일산화탄소 센서가 없는 경우에는 전위 범위에서 산화환원 피크를 나타내지 않음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 실험예 1의 경우 100㎂ 이상의 산화환원 피크가 나타남을 확인하였다.5A is a circulating voltage-current graph of Experimental Examples 1 to 5. At this time, CO/CODH/Au represents Experimental Example 1, CO/Au represents Experimental Example 2, CODH/Au represents Experimental Example 3, and Bare Au represents the result of Experimental Example 4. Referring to FIG. 5A, it can be seen that in the absence of CO or in the absence of a dissolved carbon monoxide sensor equipped with an enzyme according to an embodiment of the present invention, the redox peak does not appear in the potential range. In addition, it was confirmed that in the case of Experimental Example 1 according to an embodiment of the present invention, a redox peak of 100 ㎂ or more appears.
도 5의 (b)는 상기 실험예 1의 실험을 50mVs-1의 스캔속도로 5사이클동안 반복 측정한 그래프이다. 도 4의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 센서를 이용한 경우 반복측정을 수행하더라도 상대표준편차가 8%미만을 갖는 양극 피크 전류를 나타내므로 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서의 안정성이 확인되었다.FIG. 5B is a graph in which the experiment of Experimental Example 1 was repeatedly measured for 5 cycles at a scan speed of 50mVs -1 . Referring to Figure 4 (b), in the case of using the sensor according to an embodiment of the present invention, even if repeated measurement is performed, since the anode peak current having a relative standard deviation of less than 8% is shown, according to an embodiment of the present invention The stability of the dissolved carbon monoxide sensor was confirmed.
실험예 5Experimental Example 5
전류 스캔속도에 따른 영향을 알아보기 위해 상기 실험예 1의 실험을 10mVs-1 내지 100 mVs-1의 범위 안에서 스캔 속도를 달리하여 수행하였다.To investigate the impact of the current scanning speed was carried out by changing the scanning speed of the experiment in Experimental Example 1 in the range of -1 to
이에 대한 결과를 도 5에 나타내었다.The results are shown in FIG. 5.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서의 스캔속도-전류 그래프이다.6 is a scan rate-current graph of a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
도 6의 (a)는 다양한 스캔속도에서의 순환전압-전류 그래프이다. 도 5의 (b)는 스캔속도에 따른 최대 전류값에 대한 양극 전류 피크의 플롯 그래프이다.6A is a circulating voltage-current graph at various scan rates. 5B is a plot graph of the anode current peak versus the maximum current value according to the scan speed.
도 6을 참조하면, 산화 환원 전류 피크, 최대전류값 및 스캔 속도는 선형 관계를 나타냄을 알 수 있다. 이는 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 효소-전극간 전자 직접전달 시스템이 표면 제어 공정에 의해 지배됨을 나타낸다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the redox current peak, the maximum current value, and the scan speed have a linear relationship. This indicates that the enzyme-electrode electron transfer system of the sensor according to an embodiment of the present invention is governed by the surface control process.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 센서의 순환전압전류 그래프와 스캔속도-전류 그래프이다.7 is a circulating voltage current graph and a scan rate-current graph of a carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 효소 기반 바이오 센서로, 용존 일산화탄소 농도에 따라 달라지는 전류값을 측정하여 용존 일산화탄소를 검출한다.The dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention is an enzyme-based biosensor, and detects dissolved carbon monoxide by measuring a current value that varies according to the dissolved carbon monoxide concentration.
효소 기반 바이오 센서는 효소의 기질 특이성으로 인한 고민감성, 고선택성 및 소형화 및 대량 생산 가능성 때문에 많은 주목을 받고 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 일산화탄소를 기질로 하여 전자를 생성하는 효소를 이용하여 일산화탄소에 대한 선택성이 높은 센서를 제공할 수 있다.Enzyme-based biosensors are attracting a lot of attention because of high sensitivity, high selectivity, and potential for miniaturization and mass production due to the substrate specificity of the enzyme. Accordingly, the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention can provide a sensor having high selectivity for carbon monoxide by using an enzyme that generates electrons using carbon monoxide as a substrate.
전류값 측정 효소 바이오 센서의 검출 원리는 효소의 활성자리(active site)와 작동 전위에 도달하는 전극 표면 사이의 전자전달 (ET, electron transfer)을 기반으로 한다. 이러한 효소 기반 센서의 전자전달 방식은 크게 직접전자전달(DET, direct electron transfer)과 매개전자전달(MET, mediated electron transfer)가 있다. 이중 직접전자전달은 매개전자전달보다 전자 이동경로가 단순하며 빠른 응답속도를 가진다.The detection principle of the enzyme biosensor is based on electron transfer (ET) between the active site of the enzyme and the electrode surface reaching the operating potential. The electron transfer methods of this enzyme-based sensor are largely divided into direct electron transfer (DET) and mediated electron transfer (MET). Among them, the direct electron transfer has a simpler electron movement path and a faster response speed than the intermediate electron transfer.
효소 활성자리와 전극 표면 사이의 전자전달 효율은 생체 전기 화학 장치, 효소 연료 전지, 바이오 센서 및 광합성 장치의 성능에 상당한 영향을 미친다. 따라서 높은 전자전달 효율을 가지는 효소 기반 센서를 제공하기 위해서는 직접전자전달이 가능한 효소를 이용하는 것이 바람직하다. The efficiency of electron transfer between the enzyme active site and the electrode surface has a significant impact on the performance of bioelectrochemical devices, enzyme fuel cells, biosensors and photosynthetic devices. Therefore, in order to provide an enzyme-based sensor having high electron transfer efficiency, it is preferable to use an enzyme capable of direct electron transfer.
따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 효소반응에 의해 액체 내 용존 일산화탄소 직접 검출이 가능한 센서를 제공할 수 있다.Accordingly, according to an embodiment of the present invention, a sensor capable of directly detecting dissolved carbon monoxide in a liquid by an enzymatic reaction can be provided.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 전극에 직접전자전달이 가능한 효소를 이용하여 빠른 응답속도를 가지는 용존 일산화탄소 센서를 제공할 수 있다.In addition, the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention may provide a dissolved carbon monoxide sensor having a fast response speed by using an enzyme capable of direct electron transfer to an electrode.
나아가, 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 액체 내 용해된 일산화탄소(CO) 농도의 실시간 모니터링이 가능하다.Further, the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention enables real-time monitoring of the dissolved carbon monoxide (CO) concentration in a liquid.
본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법을 설명한다.A method of detecting dissolved carbon monoxide according to another embodiment of the present invention will be described.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법을 도시한 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a method of detecting dissolved carbon monoxide according to another embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 상기 용존 일산화탄소 검출방법은 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 전류값 검출기에 전기적으로 연결하는 단계(S100), 상기 검출기에 연결된 상기 용존 일산화탄소 센서를 분석대상 액체 내에 침지하는 단계(S200), 상기 액체 내에 침지된 용존 일산화탄소 센서에 전압을 인가하는 단계(S300) 및 상기 용존 일산화탄소 센서의 효소반응에 의해 발생하는 전류변화를 상기 검출기로 검출하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, the dissolved carbon monoxide detection method comprises the steps of electrically connecting a dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention to a current value detector (S100), and inserting the dissolved carbon monoxide sensor connected to the detector into a liquid to be analyzed. Immersing (S200), applying a voltage to the dissolved carbon monoxide sensor immersed in the liquid (S300), and detecting a current change generated by the enzymatic reaction of the dissolved carbon monoxide sensor with the detector (S400) can do.
이때, 상기 용존 일산화탄소 검출방법은 상기 분석대상 액체 내의 용존 일산화탄소를 실시간 검출하는 것을 특징으로 한다.In this case, the dissolved carbon monoxide detection method is characterized in that the dissolved carbon monoxide in the liquid to be analyzed is detected in real time.
이때, 용존 일산화탄소 검출방법은 상기 효소반응에 의해 하기 식(1)의 반응이 일어나는 것을 특징으로 한다.At this time, the dissolved carbon monoxide detection method is characterized in that the reaction of the following formula (1) occurs by the enzymatic reaction.
CO + H2O →CO2 + 2H+ + 2e- 식(1)CO + H 2 O →CO 2 + 2H + + 2e - Equation (1)
이때, 상기 분석대상 액체의 pH는 6.5 내지 7.5인 것을 특징으로 한다.At this time, the pH of the liquid to be analyzed is characterized in that it is 6.5 to 7.5.
실험예 6Experimental Example 6
용존 일산화탄소 검출시 센서가 함유하는 효소의 양에 의한 영향을 평가하였다.When detecting dissolved carbon monoxide, the effect of the amount of enzyme contained in the sensor was evaluated.
먼저, 전극 표면에 각각 100㎕, 200㎕, 400㎕의 CODH를 로딩하여 용존 일산화탄소 센서를 제조하였다. 이때, 효소는 각각 0.147mU, 0.293mU, 0.586mU의 농도로 금(Au)전극 상에 고정되었다.First, a dissolved carbon monoxide sensor was prepared by loading 100µl, 200µl and 400µl of CODH on the electrode surface, respectively. At this time, the enzyme was immobilized on the gold (Au) electrode at concentrations of 0.147mU, 0.293mU, and 0.586mU, respectively.
다음, 각각 -0.8V 내지 +0.2 V 전위 (pH 7.2)에서 CV 측정을 실시하였다. 이때, 전기 화학 셀의 PB는 CO 함량 그 포화 용해도로부터 계산하여 0.95 mM이었다. Next, CV measurement was performed at a potential of -0.8V to +0.2V (pH 7.2), respectively. At this time, PB of the electrochemical cell was 0.95 mM, calculated from the saturated solubility of the CO content.
이에 대한 결과를 도 8에 나타내었다.The results are shown in FIG. 8.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법에 따라 검출한 효소 로딩량-전류 그래프이다.9 is an enzyme loading amount-current graph detected according to a method for detecting dissolved carbon monoxide according to another embodiment of the present invention.
도 9의 (a)는 각각의 효소 로딩량에 따른 순환전압-전류 그래프이고, 도 9의 (b)는 효소의 양에 따른 최대전류값을 나타낸 그래프이다.FIG. 9(a) is a circulating voltage-current graph according to each enzyme loading amount, and FIG. 9(b) is a graph showing the maximum current value according to the amount of enzyme.
도 9를 참조하면, 효소의 양에 따라 산화환원 전류 피크가 증가함을 알 수 있다. 이는 산화환원 반응이 효소의 양에 의존한다는 것을 의미한다. 또한, 로딩량이 100㎕에서 200㎕으로 증가함에 따라 최대 전류값이 크게 증가한 반면, 200㎕에서 400㎕으로 증가할 경우에는 최대 전류값의 증가량이 작음을 확인할 수 있다. 이는 400㎕를 넘는 효소 로딩은 크게 유의미하지 않다는 것을 뜻한다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the redox current peak increases with the amount of enzyme. This means that the redox reaction depends on the amount of enzyme. In addition, as the loading amount increases from 100 µl to 200 µl, the maximum current value increases significantly, whereas when the amount increases from 200 µl to 400 µl, the increase in the maximum current value is small. This means that enzyme loading over 400 μl is not significantly significant.
실험예 7Experimental Example 7
본발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 이용한 검출방법의 분석능을 평가하였다.The analytical performance of the detection method using the dissolved carbon monoxide sensor according to the embodiment of the present invention was evaluated.
이를 위해 각각 0, 5psi, 10psi, 15psi의 일산화탄소(CO)분압에서 순환전압-전류(CV)를 측정하였다.For this, circulating voltage-current (CV) was measured at partial pressures of carbon monoxide (CO) of 0, 5 psi, 10 psi, and 15 psi, respectively.
헨리의 법칙에 따르면, 용액 내의 용질 가스의 농도는 용액 위의 가스의 분압에 직접 비례한다. 따라서 CO 분압을 증가 시키면 용해 된 CO의 농도가 증가한다. 따라서, 용해 된 일산화탄소에 대한 바이오 센서의 분석 성능은 상이한 일산화탄소 분압에서 CV를 수행함으로써 평가되었다. 이에 대한 결과는 도 8에 나타내었다.According to Henry's Law, the concentration of a solute gas in a solution is directly proportional to the partial pressure of the gas above the solution. Therefore, increasing the CO partial pressure increases the concentration of dissolved CO. Therefore, the analytical performance of the biosensor for dissolved carbon monoxide was evaluated by performing CV at different carbon monoxide partial pressures. The results are shown in FIG. 8.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법에 따라 검출한 일산화탄소 부분압-전류 그래프이다.10 is a partial pressure-current graph of carbon monoxide detected according to a method for detecting dissolved carbon monoxide according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 10의 (a)는 다양한 CO 부분압에서의 순환전압-전류를 나타낸 그래프이고, 도 10의 (b)는 CO 부분압에 따른 최대 전류를 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, CO 부분압이 상이하더라도 CV 패턴은 유사하나, 피크 산화 전류는 특정 전위 범위에서 CO 분압과 선형 적으로 관련이 있음을 알 수 있다. 이는 효소의 산화환원 반응 수준이 용존 이산화탄소의 농도에 비례함을 의미한다..FIG. 10(a) is a graph showing the circulating voltage-current at various CO partial pressures, and FIG. 10(b) is a graph showing the maximum current according to the CO partial pressure. Referring to FIG. 10, although the CO partial pressure is different, the CV pattern is similar, but it can be seen that the peak oxidation current is linearly related to the CO partial pressure in a specific potential range. This means that the level of redox reaction of the enzyme is proportional to the concentration of dissolved carbon dioxide.
실험예 8Experimental Example 8
본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법의 일산화탄소 농도에 대한 전류 측정 성능을 시험하였다.The current measurement performance for the carbon monoxide concentration of the dissolved carbon monoxide detection method according to the embodiment of the present invention was tested.
이때, 전류 측정은 상기 실험예 1의 방법과 같았으며, 50mVs-1의 스캔 속도에서 -0.02V의 인가 전압을 사용하였다.At this time, the current measurement was the same as the method of Experimental Example 1, and an applied voltage of -0.02V was used at a scan speed of 50mVs -1 .
이때, 일산화탄소의 농도는 23 μM 내지 335 μM의 CO 포화 표준용액(PB)의 순차적 첨가에 의해 조절되었으며, 각각의 경우 5초 이내에 정상상태 신호를 생성하였다. 이에 대한 결과는 도 9에 나타내었다.At this time, the concentration of carbon monoxide was controlled by sequential addition of a CO saturated standard solution (PB) of 23 μM to 335 μM, and in each case, a steady state signal was generated within 5 seconds. The results for this are shown in FIG. 9.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법에 따라 검출한 용존 일산화탄소 농도-전류 그래프이다.11 is a dissolved carbon monoxide concentration-current graph detected according to a method for detecting dissolved carbon monoxide according to another embodiment of the present invention.
도 11의 (a)는 CO 포화 표준 용액 스파이크 (↓로 표시)를 표시한 연속적인 용존 일산화탄소 센서의 전류 전류 응답그래프이고, 도 11의 (b)는 용존 CO 농도에 따른 전류값을 나타낸 그래프이다. 도 11을 참조하면, 23μM 내지 190μM의 용존 일산화탄소 농도 범위에서 전류값과 일산화탄소 농도가 선형 비례를 이루는 것을 알 수 있다. 이때의 상관계수는 0.937로 신뢰도가 높음을 확인하였으며, 센서의 민감도를 나타내는 기울기값은 250 μAmM-1cm-2로 확인되었다. 이를 통해 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서를 이용한 용존 일산화탄소 검출방법의 반응 속도 및 신뢰도가 높음을 알 수 있다.FIG. 11(a) is a current-current response graph of a continuous dissolved carbon monoxide sensor displaying a CO saturated standard solution spike (indicated by ↓), and FIG. 11(b) is a graph showing a current value according to the dissolved CO concentration. . Referring to FIG. 11, it can be seen that the current value and the carbon monoxide concentration are in a linear proportion in the dissolved carbon monoxide concentration range of 23 μM to 190 μM. The correlation coefficient at this time was confirmed to have high reliability as 0.937, and the slope value indicating the sensitivity of the sensor was confirmed to be 250 μAmM -1 cm -2 . Through this, it can be seen that the reaction rate and reliability of the dissolved carbon monoxide detection method using the dissolved carbon monoxide sensor according to the embodiment of the present invention are high.
본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법은 효소 기반 바이오 센서를 이용하여, 용존 일산화탄소 농도에 따라 달라지는 전류값을 측정하여 용존 일산화탄소를 검출한다.The dissolved carbon monoxide detection method according to an embodiment of the present invention uses an enzyme-based biosensor to detect dissolved carbon monoxide by measuring a current value that varies depending on the dissolved carbon monoxide concentration.
효소 기반 바이오 센서는 효소의 기질 특이성으로 인한 고민감성, 고선택성 및 소형화 및 대량 생산 가능성 때문에 많은 주목을 받고 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 용존 일산화탄소 센서는 일산화탄소를 기질로 하여 전자를 생성하는 효소를 이용하여 일산화탄소에 대한 선택성이 높은 센서를 제공할 수 있다.Enzyme-based biosensors are attracting a lot of attention because of high sensitivity, high selectivity, and potential for miniaturization and mass production due to the substrate specificity of the enzyme. Accordingly, the dissolved carbon monoxide sensor according to an embodiment of the present invention can provide a sensor having high selectivity for carbon monoxide by using an enzyme that generates electrons using carbon monoxide as a substrate.
전류값 측정 효소 바이오 센서의 검출 원리는 효소의 활성자리(active site)와 작동 전위에 도달하는 전극 표면 사이의 전자전달 (ET, electron transfer)을 기반으로 한다. 이러한 효소 기반 센서의 전자전달 방식은 크게 직접전자전달(DET, direct electron transfer)과 매개전자전달(MET, mediated electron transfer)가 있다. 이중 직접전자전달은 매개전자전달보다 전자 이동경로가 단순하며 빠른 응답속도를 가진다.The detection principle of the enzyme biosensor is based on electron transfer (ET) between the active site of the enzyme and the electrode surface reaching the operating potential. The electron transfer methods of this enzyme-based sensor are largely divided into direct electron transfer (DET) and mediated electron transfer (MET). Among them, the direct electron transfer has a simpler electron movement path and a faster response speed than the intermediate electron transfer.
효소 활성자리와 전극 표면 사이의 전자전달 효율은 생체 전기 화학 장치, 효소 연료 전지, 바이오 센서 및 광합성 장치의 성능에 상당한 영향을 미친다. 따라서 높은 전자전달 효율을 가지는 효소 기반 센서를 제공하기 위해서는 직접전자전달이 가능한 효소를 이용하는 것이 바람직하다. The efficiency of electron transfer between the enzyme active site and the electrode surface has a significant impact on the performance of bioelectrochemical devices, enzyme fuel cells, biosensors and photosynthetic devices. Therefore, in order to provide an enzyme-based sensor having high electron transfer efficiency, it is preferable to use an enzyme capable of direct electron transfer.
따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 효소반응에 의해 액체 내 용존 일산화탄소 직접 검출이 가능하다.Therefore, according to an embodiment of the present invention, it is possible to directly detect dissolved carbon monoxide in a liquid by an enzymatic reaction.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법은 전극에 직접전자전달이 가능한 효소를 이용하여 빠른 응답속도를 가질 수 있다.In addition, the method for detecting dissolved carbon monoxide according to an embodiment of the present invention may have a fast response speed by using an enzyme capable of direct electron transfer to an electrode.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 용존 일산화탄소 검출방법은 액체 내 용해된 일산화탄소(CO) 농도의 실시간 모니터링이 가능하다.Further, the dissolved carbon monoxide detection method according to an embodiment of the present invention enables real-time monitoring of the dissolved carbon monoxide (CO) concentration in a liquid.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
10 : 기재
100 : 전극
200 : 일산화탄소 탈수소효소
210 : 금속 고정화 펩타이드
220 : L단위
230 : M단위
240 : 코팩터10: description
100: electrode
200: carbon monoxide dehydrogenase
210: metal immobilized peptide
220: L unit
230: M unit
240: nose factor
Claims (13)
상기 나노패턴전극 상에 고정된 일산화탄소 탈수소효소; 및
상기 일산화탄소 탈수소효소에 발현된 금속 고정화 펩타이드를 포함하고,
상기 일산화탄소 탈수소효소는 활성자리가 위치하는 L단위, 상기 L단위와 연결된 M단위, 및 상기 M단위와 연결된 S단위를 포함하며, 상기 L단위, 상기 M단위 또는 상기 S단위에 발현된 금속 고정화 펩타이드에 의해 상기 나노패턴전극에 고정되는 것을 특징으로 하고,
상기 일산화탄소 탈수소효소의 효소반응을 통해 용액 내 용존 일산화탄소 농도를 직접 검출하는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센서.Nano pattern electrode;
Carbon monoxide dehydrogenase fixed on the nanopatterned electrode; And
Including a metal-immobilized peptide expressed in the carbon monoxide dehydrogenase,
The carbon monoxide dehydrogenase comprises an L unit in which an active site is located, an M unit connected to the L unit, and an S unit connected to the M unit, and is a metal-immobilized peptide expressed in the L unit, the M unit, or the S unit. It characterized in that it is fixed to the nano-pattern electrode by,
Dissolved carbon monoxide sensor, characterized in that directly detecting the dissolved carbon monoxide concentration in the solution through the enzymatic reaction of the carbon monoxide dehydrogenase.
상기 일산화탄소 탈수소효소는 상기 효소반응을 통해 생성된 전자를 상기 전극에 직접 전달하는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센서.The method of claim 1,
The carbon monoxide dehydrogenase is a dissolved carbon monoxide sensor, characterized in that the electrons generated through the enzymatic reaction are directly transferred to the electrode.
상기 나노패턴전극은 Pt, Cu, Zn, Fe, Ni, Co, Mn, Au, Ag, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그라파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센서.The method of claim 1,
The nano-patterned electrode is a dissolved carbon monoxide sensor comprising Pt, Cu, Zn, Fe, Ni, Co, Mn, Au, Ag, carbon fiber, carbon nanotubes, graphene or graphite.
상기 나노패턴전극은 자체 마스크 건식 식각 기술을 이용한 서브파장 나노구조를 가지고,
상기 나노패턴전극은 피라미드 형태의 패턴을 가지며,
상기 피라미드 형태의 패턴의 높이 및 간격은 10nm 내지 200nm인 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센서.The method of claim 1,
The nanopattern electrode has a sub-wavelength nanostructure using a self-mask dry etching technology,
The nano-pattern electrode has a pyramid-shaped pattern,
Dissolved carbon monoxide sensor, characterized in that the height and spacing of the pyramid-shaped pattern is 10nm to 200nm.
상기 일산화탄소 탈수소효소는 프린팅, 침액(Dipping) 또는 침적법을 통해 상기 나노패턴전극 상에 고정시키는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센서.The method of claim 1,
The carbon monoxide dehydrogenase is a dissolved carbon monoxide sensor, wherein the carbon monoxide dehydrogenase is fixed on the nanopattern electrode through printing, dipping or dipping.
상기 효소반응에 의해 하기 식(1)의 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센서.
CO + H2O →CO2 + 2H+ + 2e- 식(1)The method of claim 1,
Dissolved carbon monoxide sensor, characterized in that the reaction of the following formula (1) occurs by the enzymatic reaction.
CO + H 2 O →CO 2 + 2H + + 2e - Equation (1)
상기 검출기에 연결된 상기 용존 일산화탄소 센서를 분석대상 액체 내에 침지하는 단계;
상기 액체 내에 침지된 용존 일산화탄소 센서에 전압을 인가하는 단계;
상기 용존 일산화탄소 센서의 효소반응에 의해 발생하는 전류변화를 상기 검출기로 검출하는 단계를 포함하고,
상기 분석대상 액체 내의 용존 일산화탄소를 실시간 검출하는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 검출방법.Electrically connecting the dissolved carbon monoxide sensor of claim 1 to a current value detector;
Immersing the dissolved carbon monoxide sensor connected to the detector in the liquid to be analyzed;
Applying a voltage to a dissolved carbon monoxide sensor immersed in the liquid;
Including the step of detecting a change in current generated by the enzymatic reaction of the dissolved carbon monoxide sensor with the detector,
Dissolved carbon monoxide detection method, characterized in that the dissolved carbon monoxide in the liquid to be analyzed is detected in real time.
상기 효소반응에 의해 하기 식(1)의 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 검출방법.
CO + H2O →CO2 + 2H+ + 2e- 식(1)
The method of claim 11,
Dissolved carbon monoxide detection method, characterized in that the reaction of the following formula (1) occurs by the enzymatic reaction.
CO + H 2 O →CO 2 + 2H + + 2e - Equation (1)
상기 분석대상 액체의 pH가 6.5 내지 7.5인 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 검출방법.
The method of claim 11,
Dissolved carbon monoxide detection method, characterized in that the pH of the liquid to be analyzed is 6.5 to 7.5.
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