KR102312299B1 - 카다베린 후각 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 필름 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 카다베린 후각 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재, 기판; 상기 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함하는 그래핀 트랜지스터, 및 이를 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.

Description

카다베린 후각 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서 {Graphene Channel Member Comprising the Cadaverine Olfactory Receptor and Sensor Comprising the Same}
본 발명은 카다베린 후각 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.
기존의 육류 신선도 판별 플랫폼은 메탈옥사이드 박막 혹은 나노 물질에 기반을 둔 물리적 흡착에 의한 전기저항 변화를 모니터링하는 방식으로, 저분자 화합물(small molecules: 수소, 에탄올, 암모니아, 메탄올, 톨루엔 등)을 검출하는데 적합한 구조이나, 이들이 현재 가지고 있는 한계점은 다음과 같다.
1. 선택성 - 물리적 흡착에 의한 전기저항 변화를 모니터링하기 때문에 가령 같은 농도에서 A물질과 B물질이 모두 반응하지만, A물질이 상대적으로 민감도가 더 높다 하더라도 농도가 다른 상태(B물질이 과량인 경우)에서는 B물질의 반응성이 커지게 모니터링된다.
2. 간접적인 육류 신선도 판별 - 실제 육류가 부패되는 경우, 발생하는 가스는 카다베린(cadaverine)과 푸트레신(putrescine)이지만, 이들은 초분자(supramolecular)로써, 기존의 물리적 흡착에 기반한 플랫폼에는 절대 반응이 오지 않는다. 따라서, 기존 플랫폼은 간접적인 척도로 암모니아 및 톨루엔 등을 검출할 수 밖에 없는 한계점을 가지고 있었다.
기존의 카베다린 검출을 위한 선행연구는 카다베린 리셉터가 결합된 카본나노튜브가 처음으로 본 공동연구진에 의해서 보고 되었다 (박태현 외, ACS Nano, 2017, 11, 11847-11855). 카본나노튜브에 의한 검출한계는 10 pM인데 반하여, 카본나노튜브가 전극 위에 올라가는 양이 일정하지 않아 실험 결과의 재현성이 부족하여 상용화에 걸림돌이 되고 있었다. 따라서, 이와 같은 문제를 극복하기 위하여 카본나노튜브를 대체할 수 있는 차세대 나노소재가 필요한 실정이다.
본 발명은 위와 같은 기존 육류 신선도 검출기의 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로서, 그래핀 필름 및 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 카다베린 후각 수용체(Taar13c)를 포함하는 그래핀 채널 부재를 이용하여 재현성이 있으며, 높은 민감도를 가진 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 그래핀 필름 및 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 카다베린 후각 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재를 제공한다.
또한 본 발명은 기판; 상기 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 그래핀 필름 및 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 카다베린(Cadaverine) 후각 수용체(trace amine-associated receptor 13c(Taar13c))를 포함하는 그래핀 채널 부재를 그래핀 트랜지스터로 이용하는 경우에는, 육류가 부패될 때 발생되는 카다베린의 검출 한계를 향상시켜서 높은 민감도와 재현성을 가지는 검출이 가능한 효과가 있다.
특히, 기존의 카다베린 리셉터를 카본나노튜브에 결합하여 이용하는 센서에 비하여 검출 효율, 검출 한계 및 재현성이 뛰어나고, 액상의 카다베린뿐만 아니라 기상의 카다베린까지도 동시에 검출해 낼 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 그래핀 채널 부재를 포함하는 그래핀 트랜지스터는 유심칩 형태로 제작이 되어서 소형화된 바이오 센서(휴대용 전자식 가스 센서 등)에 적용시킬 수 있어서, 육류의 신선도를 매우 간편하고 정확하게 실시간으로 판별해 낼 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 트랜지스터를 나타낸 도시이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 미세 패턴화된 그래핀 필름을 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에 따라 발현 및 정제시킨 카다베린 후각 수용체를 젤염색(Gel staining) 및 웨스턴 블랏(Western blot)으로 분석한 결과를 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따라 실시예 2의 그래핀 트랜지스터의 카다베린 검출 한계를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2에 따른 소고기 부패도를 육안으로 관찰한 사진을 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 소고기로부터 발생되는 카다베린 검출 결과를 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 2의 그래핀 트랜지스터의 카다베린 선택성을 평가한 결과를 나타낸 도시이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서에 상용화될 수 있는 NO2, VBN, VOC 검출기에서 나타난 결과를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 나타낸 도시이다.
도 10은 제조예 2에 따른 카벤 화합물 1의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 11은 제조예 3에 따른 카벤 화합물 2의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 12는 제조예 4에 따른 카벤 화합물 3의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 13은 제조예 5에 따른 카벤 화합물 4의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 14는 제조예 6에 따른 카벤 화합물 5의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 15는 비교실험예 1에 따라 비교예 1의 그래핀 트랜지스터를 이용한 카다베린 검출 한계를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 그래핀 채널 부재
본 발명은 그래핀 필름 및 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 카다베린 후각 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재를 제공한다.
상기 카다베린 후각 수용체는 액상의 카다베린 및/또는 기상의 카다베린과 반응할 수 있다.
상기 카다베린 후각 수용체는 trace amine-associated receptor 13c(Taar13c)를 포함할 수 있다. 상기 Taar13c는 제브라 피시(Zebrafish)의 미량 아민 관련 수용체 중 하나로서, 카다베린에 매우 민감하게 반응한다.
상기 카다베린 후각 수용체는 상기 그래핀 필름의 표면에 물리적인 결합으로 고정화되어 있는 형태일 수 있고, 또는 화학적인 결합으로 고정화되어 있는 형태일 수도 있다.
구체적으로는 상기 카다베린 후각 수용체가 상기 그래핀 필름의 표면에 물리적 결합으로 고정화되어 있는 것은 물리적 흡착을 통해 고정화되어 있는 것일 수 있다. 이 경우 상기 카다베린 후각 수용체는 별도의 링커가 없더라도 상기 그래핀 필름의 표면에 물리적 흡착을 통해 고정화될 수 있다. 예를 들어, 상기 카다베린 후각 수용체를 상기 그래핀 필름의 표면에 처리한 후에, 약 1 내지 10℃의 온도 조건에서 12 내지 48 시간 동안 반응시켜서 물리적으로 흡착시키는 방법을 통해 고정화될 수 있다.
또는 상기 카다베린 후각 수용체는 상기 그래핀 필름의 표면에 화학적인 결합으로 고정화되어 있는 것은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 링커로 포함하여 결합(고정화)되어 있는 것일 수 있다. 즉 상기 카벤 화합물은 상기 카다베린 후각 수용체를 상기 그래핀 필름에 화학적으로 고정화시키기 위한 매개체의 역할을 할 수 있다. 상기와 같은 카벤 화합물을 링커로 이용하는 경우에는, 상기 카다베린 후각 수용체가 그래핀 필름에 고정화될 때 외부 환경 변화에 대한 안정성이 우수한 장점이 있다.
[화학식 1]
Figure 112019134364139-pat00001
[화학식 2]
Figure 112019134364139-pat00002
상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이거나,
R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,
R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,
R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,
[화학식 3]
Figure 112021028831942-pat00027
상기 화학식 3에 있어서,
n은 괄호 내 단위의 반복 수로 1 내지 30의 정수이고,
A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 10의 아릴기일 수 있다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기일 수 있다.
상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 이소프로필 또는 벤질일 수 있다.
상기 R1 및 R2 중 적어도 하나 및 상기 R5 및 R6 중 적어도 하나는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.
상기 R1 및 R2 중 적어도 하나 및 상기 R5 및 R6 중 적어도 하나는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 이소프로필 또는 벤질일 수 있다.
상기 R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성할 수 있다.
상기 R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소 또는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성할 수 있다.
상기 R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환될 수 있다.
상기 R3 및 R4 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조일 수 있다. 또한, 상기 R7 내지 R10 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조일 수 있다.
상기 n은 괄호 내 단위의 반복 수로 1 내지 30의 정수일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10일 수 있다. 더 바람직하게는 1 내지 3일 수 있다.
상기 A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이다. 구체적으로 상기 A는 아자이드(azide), 프탈이미드(phthalimide), 또는 아민(amine)일 수 있다.
본 발명에 있어서, "인접한" 기는 해당 치환기가 치환된 원자와 직접 연결된 원자에 치환된 치환기, 해당 치환기와 입체구조적으로 가장 가깝게 위치한 치환기, 또는 해당 치환기가 치환된 원자에 치환된 다른 치환기를 의미할 수 있다. 예컨대, 벤젠고리에서 오쏘(ortho)위치로 치환된 2개의 치환기 및 지방족 고리에서 동일 탄소에 치환된 2개의 치환기는 서로 "인접한"기로 해석될 수 있다.
상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수 1 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 10일 수 있다. 더 바람직하게는 탄소수 1 내지 6일 수 있다. 상기 알킬기의 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, n-프로필기, 이소프로필기, 부틸기, n-부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, sec-부틸기, 1-메틸부틸기, 1-에틸부틸기, 펜틸기, n-펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 헥실기, n-헥실기, 1-메틸펜틸기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸-2-펜틸기, 3,3-디메틸 부틸기, 2-에틸부틸기, 헵틸기, n-헵틸기, 1-메틸헥실기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥실메틸기, 옥틸기, n-옥틸기, tert-옥틸기, 1-메틸헵틸기, 2-에틸헥실기, 2-프로필펜틸기, n-노닐기, 2,2-디메틸헵틸기, 1-에틸프로필기, 1,1-디메틸프로필기, 이소헥실기, 4-메틸헥실기, 5-메틸헥실기, 또는 벤질기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 시클로알킬기는 탄소수 3 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 3 내지 10일 수 있다. 상기 시클로알킬기의 구체적인 예로는 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 3-메틸시클로펜틸기, 2,3-디메틸시클로펜틸기, 시클로헥실기, 3-메틸시클로헥실기, 4-메틸시클로헥실기, 2,3-디메틸시클로헥실기, 3,4,5-트리메틸시클로헥실기, 4-tert-부틸시클로헥실기, 시클로헵틸기, 또는 시클로옥틸기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴기는 탄소수 6 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 6 내지 10일 수 있다. 상기 아릴기는 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 단환식 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 바이페닐기, 또는 터페닐기 등이 있고, 상기 다환식 아릴기의 구체적인 예로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 또는 트리페닐렌기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 헤테로아릴기는 이종원자로 N, O, P, S, Si 및 Se 중 선택되는 1개 이상을 포함하는 방향족 고리기로서, 탄소수는 2 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 2 내지 20일 수 있다. 상기 헤테로아릴기의 구체적인 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 또는 벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기 또는 탄화수소 고리는 다시 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 또는 헤테로아릴기로 치환 또는 비치환될 수 있다.
상기 카벤 화합물은 상기 그래핀 필름에 상기 카벤 화합물을 처리한 후에 100℃ 이상의 온도를 가하여 상기 카벤 화합물의 비공유전자쌍이 상기 그래핀 필름과 화학적 결합(공유결합)되어 있을 수 있다.
상기 카다베린 후각 수용체는 상기 카벤 화합물에 화학적으로 결합할 수 있고, 예를 들어 상기 카벤 화합물의 말단기의 기능기와 상기 카다베린 후각 수용체의 기능기가 커플링제(예를 들어, DMTMM(4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium tetrafluoroborate), EDC-NHS(N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride and N-hydroxysuccinimide), glutaraldehyde 등)에 의해 화학적으로 결합할 수 있다.
특히 기존의 카다베린 리셉터를 카본나노튜브에 결합하여 이용하는 센서는 10 pM의 검출한계를 가지고 있었으며, 카본나노튜브가 전극 상에 올라가는 양이 일정하지 않아 그래핀 트랜지스터의 실험 결과의 재현성에 문제가 있었으나, 본 발명의 그래핀 채널 부재는 카다베린 후각 수용체를 높은 전하이동도를 가진 그래핀 필름에 물리적 또는 화학적 결합시켜서, 카본나노튜브 기반의 센서에 비하여 약 1,000 배 이상, 구체적으로는 10,000배 이상, 더 구체적으로는 100,000배 이상 향상된 검출 효율을 보여주며, 검출 한계가 0.1 fM로서 기존의 카본나노튜브를 이용하는 경우에 비하여 훨씬 더 민감한 센서 성능을 가져서 액상의 카다베린뿐만 아니라 기상의 카다베린까지도 동시에 검출해 낼 수 있는 장점이 있다.
상기 그래핀 필름은 단층 또는 이층(bi-layer)일 수 있다. 이층의 그래핀 필름을 사용하면 표면저항의 감소로 인해 그래핀 트랜지스터의 민감도가 저하될 수 있는 점에서, 단층의 그래핀 필름을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
상기 그래핀 필름은 패턴화될 수 있고, 구체적으로는 미세 패턴화될 수 있다. 상기 패턴화된 그래핀 필름의 표면에 상기 카다베린 후각 수용체가 결합(고정화)되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필름을 원 또는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형(허니콤(honeycomb)) 등의 다각형의 형태로 다양하게 패턴화시킬 수 있다. 상기와 같이 그래핀 필름을 패턴화하는 경우에는, 다양한 형태의 그래핀 필름의 패턴을 제공할 수 있기 때문에, 바이오 센서가 소형화되어 휴대가 간편해지고 그에 따른 다양한 형태의 그래핀 트랜지스터 디자인의 요구에 부합할 수 있다.
상기 패턴화된 그래핀 필름의 표면에는 상기 카다베린 후각 수용체가 결합되어 있을 수 있다. 이 때 전술한 것과 같이 상기 카다베린 후각 수용체가 물리적 흡착에 의하여 그래핀 필름의 표면에 물리적 결합으로 고정화되어 있을 수 있으며, 또는 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 링커로 하여서 그래핀 필름에 화학적 결합으로 고정화되어 있을 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 그래핀 채널 부재는 그래핀 필름을 포함하는데, 위와 같이 채널 부재로 그래핀을 이용하는 경우 게이트에 전압이 가해지지 않은 오프 상태에서도 높은 전류가 흘러 작동 전류의 온/오프 비율이 매우 낮으므로 고성능의 트랜지스터를 제조할 수 있는 장점이 있다.
이 때 상기 그래핀 필름의 두께는 0.1 내지 1 ㎚일 수 있고, 이는 단층의 그래핀 필름의 두께를 의미할 수 있다. 상기 그래핀 필름의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우에는 높은 전도도 및 높은 전하 이동도의 성질을 가져서, 고 민감도의 그래핀 트랜지스터를 제조할 수 있게 된다.
2. 그래핀 트랜지스터
또한 본 발명은 상기 그래핀 채널 부재를 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 그래핀 트랜지스터는, 기판; 전술한 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함한다.
상기 기판은 본 발명의 그래핀 트랜지스터의 구성들이 지지되는 지지대로서의 역할을 하는 것으로서, Si 기판, 유리 기판, GaN 기판, 실리카(SiO2) 기판 등의 절연성 무기물 기판, Ni, Cu, W 등의 금속 기판 또는 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있으며, 절연성 기판을 사용하는 경우, 그래핀 채널 부재와의 친화력이 우수한 점에서, 실리카(SiO2) 기판, 또는 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판은 그래핀의 증착이 가능한 다양한 물질 중에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 실리콘-게르마늄, 실리콘 카바이드(SiC) 등의 물질로 구성될 수 있고, 에피택셜(epitaxial) 층, 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator) 층, 반도체-온-절연체(semiconductor-on-insulator) 층 등을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 채널 부재는 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
구체적으로는 상기 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 화학 기상 증착법으로 그래핀을 성장시켜 그래핀 필름을 형성하는 것일 수 있다.
상기 그래핀 필름은 예를 들면, 화학 기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있으며, 이를 이용하면 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있다. 상기 화학 기상 증착법은 기판 표면에 높은 운동 에너지를 갖는 기체 또는 증기 형태의 탄소 전구체를 흡착, 분해 또는 반응시켜 탄소 원자로 분리시키고, 해당 탄소 원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다.
상기 화학 기상 증착법은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) 및 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 넓은 면적에 결점을 최소화하여 증착이 가능한 점에서 상기 화학 기상 증착법은 LPCVD인 것이 바람직하다.
상기 화학 기상 증착의 구체적인 방법으로서, 예를 들면 니켈, 구리, 알루미늄, 철 등의 금속 촉매를 스퍼터링 장치 및 전자빔 증발 장치를 이용하여 산화 실리콘층을 가지는 웨이퍼 상에 증착시켜 금속 촉매층을 형성하고, 이를 CH4, C2H2 등의 탄소를 포함하는 가스와 함께 반응기에 넣고 가열하여, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 하고, 이를 냉각하여 상기 금속 촉매층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시킨 후, 최종적으로 상기 금속 촉매층을 제거함으로써 그래핀 필름을 형성할 수 있다.
다만, 상기 그래핀 필름을 형성하는 방법은 화학 기상 증착법에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 방법을 이용하여 그래핀 필름을 형성할 수 있다.
예를 들어, 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 물리적 박리법, 산화-환원 특성을 활용한 화학적 박리법 또는 SiC와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 1,500℃의 고온 상태에서 열처리하는 에피텍셜 합성법을 이용하여 그래핀 필름을 형성시킬 수 있다.
상기 한 쌍의 전극은 그래핀 채널 부재에 전압을 인가하기 위해 상기 그래핀 필름 상에서 서로 이격되어 형성되는 소스 전극과 드레인 전극일 수 있다.
이러한 소스 전극과 드레인 전극은 상기 그래핀 필름을 통하여 전기적으로 연결될 수 있고, 도전성을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 금속 합금, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다.
상기 소스 전극과 드레인 전극은 각각 독립적으로 Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그래핀과의 접촉성 및 식각의 용이성 측면에서, Au, 또는 Cr/Au 합금인 것이 바람직하다.
상기 한 쌍의 전극은 당업계에 공지된 방법으로 형성할 수 있으나, 예를 들어, 포토리소그라피(photolithography), 열증착 공정(Thermal Deposition), 이빔증착 공정(E-beam Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 증착 방법에 의하여 형성할 수 있다.
상기 그래핀 채널 부재는 상기 그래핀 필름 상에 카다베린 후각 수용체가 물리적인 흡착에 의하여 직접 결합(고정화)되어 있는 것일 수 있고, 또는 카다베린 후각 수용체가 상기 카벤 화합물을 매개로 결합(고정화)되어 있는 것일 수 있다. 상기 그래핀 채널 부재, 카다베린 후각 수용체, 카벤 화합물, 그래핀 필름에 관해서는 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 카다베린 후각 수용체가 상기 카벤 화합물을 링커로서 포함하여 그래핀 필름에 결합(고정화)되는 경우, 상기 그래핀 필름 상에 결합된 카벤 화합물은 단일층의 형태로 링커층을 형성할 수 있고, 상기 카벤 화합물에 고정된 카다베린 후각 수용체 역시 단일층의 형태로 수용체층을 형성할 수 있다.
상기 링커층이 단일층으로 형성되는 경우, 그래핀 본연의 우수한 전하 이동도, 투명도 및/또는 유연성을 가질 뿐만 아니라, 외부의 비특이적 전하들의 접근에 의한 노이즈 신호를 차단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 링커층은 그 두께가 0.1 내지 2 ㎚일 수 있다. 상기 링커층의 두께가 0.1 ㎚보다 얇은 경우 저항이 증가하는 문제점이 있고, 2 ㎚보다 두꺼운 경우 투명도가 감소하는 문제가 있다.
3. 바이오 센서
본 발명의 또 다른 측면은, 전술한 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 바이오 센서는, 전기장 효과에 의해 소스 및 드레인 전극 사이의 그래핀 필름에 흐르는 전류가 변하는 반도체 특성을 이용한 것이다.
구체적으로, 그래핀 필름의 표면에 형성된 카다베린 후각 수용체가 카다베린과 반응하면, 주변의 전기장에 변화가 일어나며, 이로 인해 소스 전극과 드레인 전극 사이의 그래핀 필름에 흐르는 전류 값이 함께 변하고, 이러한 전류의 변화를 측정하는 방식으로 표적물을 검출할 수 있다.
이러한 바이오 센서는, 위와 같은 그래핀 트랜지스터를 이용함으로써 민감도, 특이성, 신속성 및/또는 휴대성이 우수하며, 특히, 그래핀 필름을 채널층으로 사용함으로써 그래핀의 높은 전하 캐리어 이동도와 전도도 특성으로 인하여 우수한 민감도와 실시간 감지 성능을 가지고, 이에 따라 육류가 부패될 때 발생되는 카다베린의 검출 한계를 향상시켜서 높은 민감도와 재현성을 가지는 검출이 가능한 효과가 있다.
또한, 위와 같이 링커층을 그래핀 트랜지스터 내의 그래핀 필름에 형성시켜 이에 결합된 카다베린 후각 수용체층을 그래핀 트랜지스터의 채널 영역에 존재시키는 경우에는 센서의 민감도가 더욱 향상될 뿐만 아니라, 도핑 처리와 카다베린 후각 수용체의 부착을 동시에 실시할 수 있게 되어 공정이 간소화되는 효과가 있다.
나아가 전술한 그래핀 트랜지스터는 유심칩 형태로 제작이 되어서 소형화된 바이오 센서(휴대용 전자식 가스 센서 등)에 적용시킬 수 있어서, 육류의 신선도를 매우 간편하고 정확하게 실시간으로 판별할 수 있고, 이를 다양한 식품 산업 및 환경 평가 산업 등에 활용할 수 있다.
이하에서, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1>
1. ApoA-I 및 Taar13c의 유전자 클로닝
대장균으로부터 ApoA-I 및 Taar13c 단백질을 발현시키기 위하여, 먼저 ApoA-I 및 Taar13c의 유전자를 클로닝하였다.
구체적으로, ApoA-I 유전자는 6xHis 및 정지 코돈 유전자를 포함하도록 디자인 되었으며, 인간 게놈 DNA를 이용하여 PCR을 통해 증폭시켰다 (primer 서열: 5' CAC CAG GAG ATA TAC ATA TGA AAG CTG CGG TGC TGA CC 3', 5' CTA GTG GTG GTG GTG GTG GTG CTG GGT GTT GAG CTT CTT AGT GTA 3').
Taar13c 유전자는 zebrafish cDNA를 이용하여 PCR을 통해 증폭시켰다 (primer 서열: 5'-CAC CAG GAG ATA TAC ATA TGA TGC CCT TTT GCC ACA AT 3', 5' TGA ACT CAA TTC CAA AAA TAA TTT ACA C-3'). 증폭된 PCR 산물은 게이트웨이(gateway) 클로닝 시스템(Invitrogen, USA)을 이용하여 pET-DEST42 벡터(Invitrogen, USA)로 삽입하였다.
Taar13c 유전자는 또한 증폭된 PCR 산물 (primer; 5' ATG AAT TCA TGG ATT TAT CAT CAC AAG AAT 3', 5' ATC TCG AGT CAA ACC GTA AAT AAA TTG ATA 3')을 이용하여 pcDNA3 포유류의 발현 벡터에 복제하였다.
2. 대장균 내에서의 ApoA-I의 발현 및 정제
pET-DEST42/ApoA-I 구조를 갖는 BL21(DE3) 대장균 세포를 37℃에서 1L의 Luria-Bertani (LB) 배지(+50 μg/mL ampicillin)에 배양한 다음, 세포의 OD600 값이 0.5에 도달할 때까지 성장시켰다. 또한, 1 nM의 최종 농도로 isopropyl thiogalactoside(IPTG)를 첨가하여 ApoA-I의 과발현을 유도하였다.
3시간 후에, 세포를 원심분리를 하고(7000 g, 20 min, 4℃), 용해버퍼(20 mM Tris-HCl, 0.5M NaCl, 20 mM imidazole, pH 8.0)로 재부유시킨 다음, 음파처리(sonication)(5 s on/off, 5 min)하여 세포를 파괴하였다.
파괴한 세포 용해물은 4℃에서 30 분 동안 12,000 g으로 원심분리 한 다음, 상층액에 있는 ApoA-I을 수집하고 FPLC(GE Healthcare)를 통해 HisTrap HP column (GE Healthcare, Sweden)에 로딩하였다.
그 다음, 컬럼을 세척버퍼(20 mM Tris-HCl, 50 mM imidazole, 0.5 M NaCl, pH 8.0)에 세척하고, ApoA-I는 분리버퍼(20 mM Tris-HCl, 400 mM imidazole, 0.5 M NaCl, pH 8.0)를 이용하여 분리한 후, HiTrap HP desalting column (GE Healthcare, Sweden)을 이용하여 HEPES buffer I (20 mM HEPES-NaOH, 100 mM NaCl, 20 mM cholate, 1 mM EDTA, pH 8.0)에 투석하였다. 투석한 단백질은 사용할 때까지 4℃에서 보관한다.
3. Taar13c의 발현 및 정제
pET-DEST42/Taar13c vector로 형질 전환된 BL21 (DE3) 세포는 세포의 OD600 값이 0.5에 도달할 때까지 37℃에서 LB 배지(+50 μg/mL ampicillin)에 배양시킨다. Taar13c의 발현은 1mM IPTG을 첨가하여 유도하였으며, 세포는 4시간 동안 배양한다.
배양 후, 세포를 원심분리하고(7000 g, 20 min, 4℃), 원심분리를 통해 얻은 펠렛은 2 mM EDTA를 포함하는 PBS에 재부유시켰다. 그 다음, 세포를 음파처리(sonication) (5 s on/off, 5 min)하여 세포를 용혈시키고, 다시 원심분리 하였다(12000 g, 4℃, 20 min).
음파처리 및 원심분리를 반복한 후, 샘플의 펠렛은 25℃에서 용해버퍼 (0.1 M Tris-HCl, 20 mM sodium dodecyl sulfate (SDS), 100 mM dithiothreitol (DTT), 1 mM EDTA, pH 8.0)로 용해한다. 용해된 단백질은 10K MWCO dialysis cassette (Thermo Scientific, USA)를 이용하여 10 mM SDS 가 포함된 완충용액 0.1 M sodium phosphate로 투석 시킨다.
그 다음, 0.2 μm bottle top filter(Thermo Scientific, USA)를 이용하여 필터한 후, 10mM SDS를 포함하는 0.1 M sodium phosphate (pH 8.0)에서 평형화된 HisTrap HP column에 적용시킨다. 컬럼은 세척버퍼(0.1 M sodium phosphate, 10 mM SDS)를 이용하여 pH 8.0 에서 pH 7.0까지 도달할 때까지 연속적으로 세척한다. 그 다음, Taar13c는 pH 6.0의 동일한 버퍼로 녹여서 분리하였다.
녹아서 분리된 단백질은 HEPES buffer II (20 mM HEPES-NaOH, 100 mM NaCl, 25 mM cholate, 1mM EDTA, pH 8.0)로 투석하였다. 투석하여 정제된 Taar13c는 SDS-PAGE 및 western blot analysis를 이용하여 분석하였다.
<제조예 2>
Figure 112019134364139-pat00004
위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 1을 제조하였다.
도 10에 상기 카벤 화합물 1의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다.
<제조예 3>
Figure 112019134364139-pat00005
위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 2를 제조하였다.
도 11에 상기 카벤 화합물 2의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다.
<제조예 4>
Figure 112019134364139-pat00006
위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 3을 제조하였다.
도 12에 상기 카벤 화합물 3의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다.
<제조예 5>
Figure 112019134364139-pat00007
위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 4를 제조하였다.
도 13에 상기 카벤 화합물 4의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다.
<제조예 6>
Figure 112019134364139-pat00008
위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 5를 제조하였다.
도 14에 상기 카벤 화합물 5의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다.
<실시예 1> 그래핀 트랜지스터 제조
1-1. 기판 상에 그래핀 필름의 형성
구리 호일을 챔버 내에 위치시키고, 이를 1,000℃까지 가열하고, 이를 H2 90 mTorr 및 8 sccm으로 30분(20분의 프리 어닐링과 10분의 안정화) 동안 유지한 후, CH4를 20 sccm으로 40분 동안 총 압력이 560 mTorr인 상태로 가한 다음, 이를 35℃/min로 200℃까지 냉각시키고, 로(furnace)를 상온까지 냉각하여 상기 구리 호일 상에 단일층의 그래핀 필름(그래핀층)을 형성하였다.
다음으로, 상기 구리 호일 상에 형성된 그래핀 필름 상에 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, MicroChem Corp, 950 PMMA A4, 4% in anisole) 용액을 분당 6,000 rpm의 속도로 스핀 코팅하고, 에천트(etchant)를 이용하여 상기 PMMA가 코팅된 그래핀 필름을 상기 구리 호일로부터 분리하였고, 상기와 같이 구리 호일로부티 분리된 그래핀 필름을 10분 동안 탈이온 증류수에 침지하여 상기 그래핀 필름에 남아 있는 잔여 에천트 이온들을 제거하였다.
상기와 같이 세척된 그래핀 필름을 기판인 실리콘 웨이퍼로 전사한 다음, 상기 그래핀 필름 상에 PMMA 용액을 투하하여 상기 그래핀 필름을 코팅하고 있던 PMMA를 제거함으로써, 기판 상에 그래핀 필름을 형성하였다. 이 때 투명성은 97.8%로 유지되었다.
상기 기판 상에 형성된 그래핀 필름에, 포지티브 포토레지스트(AZ5214, Clariant Corp)를 스핀 코팅한 다음, UV 노광, 베이킹 및 현상 과정을 거쳐 통해 그래핀 필름을 패턴화하였다.
1-2. 전극 형성
상기와 같이 패턴화되어 정렬된 그래핀 필름의 양 말단에 RIE(oxygen plasma treatment) 방법을 통해 패턴 전극(폭/길이=W/L=1, L=100 μm 채널 길이)을 형성한 다음, 이미지 반전, 열 증착 및 리프트-오프(Lift-off)의 공정을 통해 상기 그래핀 필름의 일부에 전극(W/L=5, L=100 μm 채널 길이)이 형성된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
1-3. 카다베린 후각 수용체(Taar13c) 고정
상기 그래핀 필름에 제조예 1의 Taar13c를 첨가하여 4℃에서 12 시간 이상 반응시켜 Taar13c를 상기 그래핀 필름에 고정화 시켜 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 2> 그래핀 트랜지스터 제조
1-1. 기판 상에 그래핀 필름의 형성
구리 호일을 챔버 내에 위치시키고, 이를 1,000℃까지 가열하고, 이를 H2 90 mTorr 및 8 sccm으로 30분(20분의 프리 어닐링과 10분의 안정화) 동안 유지한 후, CH4를 20 sccm으로 40분 동안 총 압력이 560 mTorr인 상태로 가한 다음, 이를 35℃/min로 200℃까지 냉각시키고, 로(furnace)를 상온까지 냉각하여 상기 구리 호일 상에 단일층의 그래핀 필름(그래핀층)을 형성하였다.
다음으로, 상기 구리 호일 상에 형성된 그래핀 필름 상에 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, MicroChem Corp, 950 PMMA A4, 4% in anisole) 용액을 분당 6,000 rpm의 속도로 스핀 코팅하고, 에천트(etchant)를 이용하여 상기 PMMA가 코팅된 그래핀 필름을 상기 구리 호일로부터 분리하였고, 상기와 같이 구리 호일로부티 분리된 그래핀 필름을 10분 동안 탈이온 증류수에 침지하여 상기 그래핀 필름에 남아 있는 잔여 에천트 이온들을 제거하였다.
상기와 같이 세척된 그래핀 필름을 기판인 실리콘 웨이퍼로 전사한 다음, 상기 그래핀 필름 상에 PMMA 용액을 투하하여 상기 그래핀 필름을 코팅하고 있던 PMMA를 제거함으로써, 기판 상에 그래핀 필름을 형성하였다. 이 때 투명성은 97.8%로 유지되었다.
상기 기판 상에 형성된 그래핀 필름에, 포지티브 포토레지스트(AZ5214, Clariant Corp)를 스핀 코팅한 다음, UV 노광, 베이킹 및 현상 과정을 거쳐 통해 그래핀 필름을 패턴화하였다.
1-2. 전극 형성
상기와 같이 패턴화되어 정렬된 그래핀 필름의 양 말단에 RIE(oxygen plasma treatment) 방법을 통해 패턴 전극(폭/길이=W/L=1, L=100 μm 채널 길이)을 형성한 다음, 이미지 반전, 열 증착 및 리프트-오프(Lift-off)의 공정을 통해 상기 그래핀 필름의 일부에 전극(W/L=5, L=100 μm 채널 길이)이 형성된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
1-3. 링커층의 형성
제조예 1의 카벤 화합물 1 (50 mg)을 THF 용매 (10mL)에 녹이고 그래핀 필름에 첨가하고 2 mM 플루오르화 테트라부틸암모늄을 혼합한 후 상온에서 30분 동안 반응시켰다. 이어서 THF로 씻어주고 용매를 제거하여 링커층을 형성하였다.
1-4. 카다베린 후각 수용체(Taar13c) 고정
상기 링커층에 제조예 1의 Taar13c와 3 wt%의 DMTMM를 1:1의 부피비로 혼합한 혼합용액을 10 ㎕ 처리 후 4℃에서 5 시간 이상 반응시키고, 버퍼 용액으로 세척하여 Taar13c를 상기 링커층에 고정화시켜 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 2에서 그래핀 필름 대신에 탄소나노튜브를 이용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
<실험예 1> 카다베린 농도별 측정 결과
상기 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 준비하고, 0.1 fM, 1 fM, 10 fM, 100 fM, 1 pM, 10 pM, 100 pM의 농도의 카다베린을 투입하여 검출 실험을 실시하고 그 결과를 도 4에 나타내었다.
상기 실험예 1 및 도 4에 따르면 본 발명의 그래핀 트랜지스터는 카다베린의 농도 0.1 fM까지도 전기적 신호가 감지되는 것을 확인할 수 있어서, 매우 높은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 시간에 따른 소고기 부패에 따른 카다베린 실시간 검출 결과
1.8 L의 소고기를 온도 21℃, 습도 30%에서에서 방치한 후 0 시간부터 60 시간 동안 관찰한 결과를 도 5에 나타내었고, 상기 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 이용하여, 검출한 결과를 도 6에 나타내었다.
상기 실험예 2 및 도 6에 따르면 소고기로부터 발생되는 카다베린이 약 15분(900분)이 지난 후 저항의 변화가 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3> 다양한 물질에 대한 그래핀 트랜지스터 검출 결과
상기 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 준비하고, 순서대로 암모니아, 글루타민, 푸트레신, 카다베린을 접촉시켰을 때의 그래핀 트랜지스터의 검출 결과를 도 7에 나타내었다.
상기 실험예 3 및 도 7에 따르면, 본 발명의 그래핀 트랜지스터는 카다베린에만 선택성이 있는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 4> 그래핀 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 검출 결과
상기 실시예 2의 그래핀 트랜지스터와 바이오 센서에 상용되는 NO2, VBN, VOC 검출기를 포함하는 도 9와 같이 제조한 바이오 센서를 이용하여, 상기 실험예 2의 소고기 부패시에 발생하는 NO2, VBN, VOC에 대해서도 실시간 검출한 결과를 도 8에 나타내었다.
<비교실험예 1>
비교예 1의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 카다베린 검출 한계를 평가한 결과를 도 15에 나타내었다.
상기 비교실험예 1 및 도 15에 따르면 비교예 1의 그래핀 트랜지스터를 이용하는 경우에 비하여, 본 발명의 그래핀 트랜지스터를 이용하는 경우에 비하여 검출한계가 약 100,000배 이상 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (12)

  1. 그래핀 필름 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 카다베린 후각 수용체를 포함하고,
    상기 카다베린 후각 수용체는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물을 링커로 하여서 상기 그래핀 필름에 화학적 결합으로 고정화되어 있는, 그래핀 채널 부재.
    [화학식 1]
    Figure 112021028831942-pat00028

    [화학식 2]
    Figure 112021028831942-pat00029

    상기 화학식 1 및 2에 있어서,
    R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기; 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기; 또는 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 및 헤테로아릴기 중에서 선택되는 적어도 하나로 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이거나,
    R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,
    R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,
    R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,
    [화학식 3]
    Figure 112021028831942-pat00030

    상기 화학식 3에 있어서,
    n은 괄호 내 단위의 반복 수로 1 내지 30의 정수이고,
    A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 카다베린 후각 수용체는 액상의 카다베린 또는 기상의 카다베린과 반응하는 것인, 그래핀 채널 부재.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 카다베린 후각 수용체는 trace amine-associated receptor 13c(Taar13c)를 포함하는 것인, 그래핀 채널 부재.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 단층 또는 이층(bi-layer)인 것인, 그래핀 채널 부재.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 패턴화된 것인, 그래핀 채널 부재.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 두께가 0.1 내지 1 ㎚인 것인, 그래핀 채널 부재.
  11. 기판;
    청구항 1, 청구항 6 내지 청구항 10 중 어느 한 항의 그래핀 채널 부재; 및
    한 쌍의 전극;
    을 포함하는, 그래핀 트랜지스터.
  12. 청구항 11의 그래핀 트랜지스터를 포함하는, 바이오 센서.
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