KR102337896B1 - Electrode of Biosensor for Glucose Detection and Method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 체액 내 포도당 농도를 전기화학적으로 측정가능한 바이오센서에 사용되는 전극 및 이의 제조방법, 상기 전극을 포함하는 포도당 검출 센서에 관한 것으로, 상기 포도당 검출용 전극은 전기 전도성이 우수한 나노섬유 상에 포도당 검출에 필요한 금속 나노입자 및 효소 나노입자 복합체가 위치함으로써 선택성 및 민감도가 높아, 체액 내 미량의 포도당을 검출하는 포도당 검출 센서에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to an electrode used in a biosensor capable of electrochemically measuring the concentration of glucose in a body fluid, a method for manufacturing the same, and a glucose detection sensor comprising the electrode, wherein the electrode for glucose detection is formed on a nanofiber having excellent electrical conductivity. Since the metal nanoparticle and enzyme nanoparticle complex required for glucose detection is located, selectivity and sensitivity are high, and thus it can be usefully used in a glucose detection sensor that detects a trace amount of glucose in a body fluid.

Description

포도당 검출을 위한 바이오센서의 전극 및 이의 제조방법{Electrode of Biosensor for Glucose Detection and Method thereof}Electrode of biosensor for glucose detection and manufacturing method thereof

본 발명은 체액 내 포도당 농도를 전기화학적으로 측정가능한 바이오센서에 사용되는 전극 및 이의 제조방법, 상기 전극을 포함하는 포도당 검출 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode used in a biosensor capable of electrochemically measuring the concentration of glucose in a body fluid, a method for manufacturing the same, and a glucose detection sensor including the electrode.

포도당(glucose)은 ATP(adenosine triphosphate)를 생산하는 인간의 수많은 대사 경로에서 필수적인 역할을 한다. 그러나, 체액 내 비정상적으로 높은 포도당 수치는 실명, 심장병, 고혈압, 신부전과 같은 여러 심각한 합병증을 유발한다. 그러므로, 체액 내 포도당 수치를 모니터링하는 것은 당뇨병을 예방하고 제어하기 위한 의생명(biomedical) 연구의 중요성을 보여준다. 포도당 산화효소(glucose oxidase)를 이용한 체액 내 포도당 수치의 모니터링은 선택성, 용이성 및 신속성과 같은 여러 이점 덕분에 많은 관심을 끌었다. 이러한 관점에서, 포도당 산화효소는 생물시료에서 포도당 검출을 위해 양자점 기반 형광(quantum dots-based fluorescence) 센서, 전기화학(electrochemical) 센서, 광학(optical) 센서, 화학발광(chemiluminescence) 센서, 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance)을 포함한 다양한 분석적 접근법의 개발에 사용되어 왔다. 이러한 기술들 중 전기화학 센서는 다양한 시료 매트릭스 내 포도당을 검출하기 위해 높은 감도, 신속성, 가성비(cost-effcitiveness), 선택성과 같은 놀라운 장점을 갖는다. 또한, 휴대용 전기화학 장치가 최소한의 시료(sample)로 숙련되지 않은 사람이 조작가능하도록 생물검정(bioassay)을 위해 제작되었다는 것을 나타낸다. 중요한 것은, 포도당 효소 반응에 기초한 전기화학 바이오센서가 개인 포도당측정기(glucometer)에서 포도당 수치를 지속적으로 모니터링하는데 큰 역할을 했다는 점이다.Glucose plays an essential role in numerous metabolic pathways in humans that produce adenosine triphosphate (ATP). However, abnormally high glucose levels in body fluids lead to several serious complications such as blindness, heart disease, high blood pressure, and kidney failure. Therefore, monitoring glucose levels in body fluids shows the importance of biomedical research to prevent and control diabetes. Monitoring of glucose levels in body fluids using glucose oxidase has attracted much attention due to several advantages such as selectivity, ease and speed. In this respect, glucose oxidase is a quantum dot-based fluorescence sensor, an electrochemical sensor, an optical sensor, a chemiluminescence sensor, and a surface plasmon for glucose detection in biological samples. It has been used in the development of various analytical approaches, including surface plasmon resonance. Among these technologies, the electrochemical sensor has surprising advantages such as high sensitivity, rapidity, cost-effcitiveness, and selectivity to detect glucose in various sample matrices. It also indicates that the portable electrochemical device is designed for bioassays so that it can be operated by unskilled persons with minimal samples. Importantly, electrochemical biosensors based on glucose enzymatic reactions played a major role in the continuous monitoring of glucose levels in personal glucometers.

효소적 전기화학 센서는 높은 감도, 양호한 선택성, 수용해성, 낮은 독성 덕분에 임상적으로 중요한 분자를 분석하는 유망 도구(promising tool)인 것으로 밝혀졌다. 전기촉매 활성 및 선택성을 향상시키기 위해, 많은 연구들에서는 복합 시료로부터 폭넓게 다양한 분자들을 검출하기 위한 효소 코팅 전기화학 센서를 사용하였다 [Adv. Funct. Mater. 18 (2008) 591-599]. 동시에, 자유로운 효소(free enzyme)는 pH, 온도와 같은 특정 조건에서 재현성이 떨어지고, 작동 안정성이 낮으며 신뢰성(responsibility)이 불안정한 전기화학 센서를 생산한다는 한계가 있다. 그러나, 이러한 한계는 고형 지지체에 효소를 고정시킴으로써 성공적으로 극복되는데, 높은 효소 대 기질(enzyme-to-substrate)의 비율, 큰 효소 안정성, 재사용성 및 양호한 진단과 같은 여러 장점을 제공하며, 현저하게 진단 시간을 줄이는 것 또한 가능하게 하였다. 최근, 다양한 나노구조 물질 (나노입자, 유기 또는 무기 합성물 및 3차원 물질)에서의 효소 고정화는 선택된 대상 분석체에 대한 선택성 및 효소 활성도를 향상시키기 때문에 전기화학 센서에서 상당한 주목을 받았다. 게다가, 단백질-무기 하이브리드 나노플라워(protein-inorganic hybrid nanoflower)은 다양한 분자의 민감한 분석을 위한 효율적인 전기화학 센서로 밝혀졌다 [ACS Appl. Mater. Interfaces 6 (2014) 10775-10782]. 나노플라워에서의 효소 고정화는 나노플라워의 넓은 표면 대 부피(surface-to-volume) 비율로 효소 활성도, 안정성, 내구성 및 재사용성 향상과 같은 이점을 두드러지게 나타낸다. 중요한 것은, 효소 고정 나노소재(enzyme-immobilized nanomaterial) 기반의 전기화학 센서가 순수 효소(pure enzyme) 기반의 전기화학 센서보다 더 나은 분석적 특성을 보였다는 점이다 [Nanoscale 6 (2014) 255-262; Nanoscale 9 (2017) 5658-5663]. 그러므로, 새로운 유기-무기 나노구조 물질과 전극의 통합은 상당한 분석적 특징을 갖는 바이오센서를 확립하는 가장 간단한 방법을 제공할 수 있다.Enzymatic electrochemical sensors have been shown to be promising tools for the analysis of clinically important molecules due to their high sensitivity, good selectivity, water solubility and low toxicity. To improve electrocatalytic activity and selectivity, many studies have used enzyme-coated electrochemical sensors to detect a wide variety of molecules from complex samples [Adv. Funct. Mater. 18 (2008) 591-599]. At the same time, the free enzyme has limitations in producing an electrochemical sensor with poor reproducibility, low operational stability, and unstable reliability under specific conditions such as pH and temperature. However, this limitation is successfully overcome by immobilizing the enzyme on a solid support, which offers several advantages such as high enzyme-to-substrate ratio, large enzyme stability, reusability and good diagnostics, and remarkably It also made it possible to reduce the diagnosis time. Recently, enzyme immobilization in various nanostructured materials (nanoparticles, organic or inorganic composites and three-dimensional materials) has received considerable attention in electrochemical sensors because it improves selectivity and enzyme activity for selected analytes of interest. Furthermore, protein-inorganic hybrid nanoflowers have been shown to be efficient electrochemical sensors for the sensitive analysis of various molecules [ACS Appl. Mater. Interfaces 6 (2014) 10775-10782]. Enzyme immobilization in nanoflowers markedly exhibits advantages such as improved enzyme activity, stability, durability and reusability with the large surface-to-volume ratio of nanoflowers. Importantly, the enzyme-immobilized nanomaterial-based electrochemical sensor showed better analytical properties than the pure enzyme-based electrochemical sensor [Nanoscale 6 (2014) 255-262; Nanoscale 9 (2017) 5658-5663]. Therefore, the integration of novel organic-inorganic nanostructured materials and electrodes may provide the simplest way to establish biosensors with significant analytical characteristics.

전기방사(electrospinning)는 다양한 폴리머(polymer)로부터 나노미터에서 마이크로미터의 범위를 갖는 섬유성 나노구조 물질을 제작하기 위한 간단하고 새로운 기술이다 [Anal. Methods 2 (2010) 202-211]. 특별한 바이오응용(bioapplication)을 위해 형태 및 표면적을 변화시켜 수율을 산출하는 무기 나노소재를 형성하는 간단한 과정이다. 최근 몇 년 새, 나노섬유(nanofiber; NF)는 긴 저장 안정성, 유연성 및 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 대상 분석체의 정성적, 정량적 분석을 위해 형광, 전기화학 장치, UV 가시 분광분석(UV-visible spectrometry) 및 약물전달/추적과 같은 다양한 분석 기법과 통합 가능한 유망 소재로 주목받았다. 많은 폴리머 중에서, 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol); PVA)은 수용성 폴리머로, 히드록시기(hydroxyl group)에 의해 나타나는 비독성, 저비용, 친환경성, 화학 저항성 및 생물학적 호환성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. PVA를 이용한 NF를 제작하기 위해, 조사(irradiation), 가열 및 화학 처리를 포함하는 다양한 가교(crosslinking) 방법이 불용성 NF를 제조하는데 사용되었다. 그러나, 이들은 전기 전도성이 낮기 때문에, 전기화학 센서를 개발하는데 사용하는 것이 어려울 수 있다. 최근, PVA는 키토산 및 그래핀 산화물(graphene oxide)과 결합되어, ATDC5 세포에 대한 생체적합성이 연구된 바 있었다 [Sci. Eng. C 79 (2017) 697-701].Electrospinning is a simple and novel technique for fabricating fibrous nanostructured materials in the nanometer to micrometer range from various polymers [Anal. Methods 2 (2010) 202-211]. It is a simple process to form inorganic nanomaterials that yield yields by changing the shape and surface area for special bioapplications. In recent years, because nanofibers (NFs) have long storage stability, flexibility and large surface area, fluorescence, electrochemical devices, and UV-visible spectroscopy (UV-visible) have been used for qualitative and quantitative analysis of various target analytes. It has attracted attention as a promising material that can be integrated with various analytical techniques such as spectrometry) and drug delivery/tracking. Among many polymers, poly(vinyl alcohol) (PVA) is a water-soluble polymer, which is widely used in various industries due to its non-toxic, low-cost, eco-friendly, chemical resistance and biological compatibility exhibited by a hydroxyl group. have. To prepare NFs using PVA, various crosslinking methods including irradiation, heating and chemical treatment were used to prepare insoluble NFs. However, because of their low electrical conductivity, they can be difficult to use in developing electrochemical sensors. Recently, PVA has been combined with chitosan and graphene oxide, and its biocompatibility for ATDC5 cells has been studied [Sci. Eng. C 79 (2017) 697-701].

이에, 본 발명자들은 전기방사를 이용하여 지지체로 전도성 물질과 폴리머로 이루어진 나노섬유를 형성하고, 그 위에 금속 나노입자 및 포도당 측정에 필요한 효소로 이루어진 효소 나노입자 복합체를 위치시킴으로써 포도당 검출용 전극을 개발하였다. 이러한 포도당 검출용 전극이 포도당과 포도당 산화효소 및 페록시다아제에 의해 발생된 전류의 변화를 높은 민감도로 감지하는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors developed an electrode for glucose detection by forming nanofibers composed of a conductive material and a polymer as a support using electrospinning, and placing an enzyme nanoparticle complex composed of metal nanoparticles and an enzyme required for glucose measurement thereon did The present invention was completed by confirming that such an electrode for glucose detection sensed with high sensitivity a change in current generated by glucose and glucose oxidase and peroxidase.

본 발명의 일 양상은 금속칩, 나노섬유, 금속 나노입자 및 효소 나노입자 복합체가 순차적으로 적층된 포도당 검출용 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.One aspect of the present invention aims to provide an electrode for glucose detection in which a metal chip, a nanofiber, a metal nanoparticle, and an enzyme nanoparticle complex are sequentially stacked.

또한, 본 발명의 다른 일 양상은 상기 포도당 검출용 전극을 포함하는 포도당 검출 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a glucose detection sensor including the electrode for glucose detection.

또한, 본 발명의 다른 일 양상은 a) 금속칩 상에 전기방사를 이용하여 나노섬유를 형성하는 단계; b) 상기 나노섬유 상에 금속 나노입자를 코팅하는 단계; 및 c) 상기 금속 나노입자 상에 효소 나노입자 복합체를 점적하는 단계를 포함하는 포도당 검출용 전극의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, another aspect of the present invention comprises the steps of: a) forming a nanofiber on a metal chip using electrospinning; b) coating the metal nanoparticles on the nanofibers; And c) it aims to provide a method of manufacturing an electrode for glucose detection comprising the step of dripping the enzyme nanoparticle complex on the metal nanoparticles.

<포도당 검출용 전극><Electrode for glucose detection>

일 구체예에 따르면, 본 발명은 도 1을 참조하여, 금속칩(10), 나노섬유(20), 금속 나노입자(30) 및 효소 나노입자 복합체(40)가 순차적으로 적층된 포도당 검출용 전극(100)을 제공한다.According to one embodiment, the present invention with reference to FIG. 1 , a metal chip 10 , a nanofiber 20 , a metal nanoparticle 30 and an enzyme nanoparticle complex 40 are sequentially stacked electrode for glucose detection (100) is given.

상기 금속칩은 내구성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있으며, 일례로 백금(platinum; Pt), 금(gold; Au), 은(silver; Ag), 팔라듐(palladium; Pd) 등의 귀금속일 수 있다.The metal chip may be made of a metal having excellent durability, and for example, may be a noble metal such as platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), or palladium (Pd).

상기 나노섬유는 금속칩 상에 위치하며, 포도당 검출에 사용되는 금속 나노입자 및 효소 나노입자 복합체를 고정시키는 지지체 역할을 한다. 이러한 나노섬유는 우수한 전기 전도성을 갖는 전도성 물질과 폴리머가 가교결합된 불용성 나노섬유이다. 이때, 나노섬유의 우수한 전기 전도성을 나타내기 위해, 전도성 물질 및 폴리머를 1:1 ~ 30의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 전도성 물질은 그래핀 산화물, 이온성 물질 등일 수 있으며, 상기 폴리머는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리비닐알코올, 폴리에테르이미드(polyether imide), 폴리에틸렌글라이콜(polyethylene glycol) 등일 수 있다.The nanofiber is positioned on a metal chip, and serves as a support for fixing the metal nanoparticle and enzyme nanoparticle complex used for glucose detection. These nanofibers are insoluble nanofibers in which a polymer and a conductive material having excellent electrical conductivity are crosslinked. In this case, in order to exhibit excellent electrical conductivity of the nanofiber, a conductive material and a polymer may be included in a weight ratio of 1:1 to 30. The conductive material may be graphene oxide or an ionic material, and the polymer may be polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyether imide, polyethylene glycol, or the like.

상기 금속 나노입자(nanoparticle; NP)는 물질을 산화시키는 반응을 촉매하는 것으로, 포도당의 산화물인 글루콘산(gluconic acid)을 산화시켜 과산화수소로 분해하는 역할을 한다. 이때, 금속 나노입자는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등일 수 있다. 이러한 금속 나노입자는 정전기적 인력 또는 공유결합을 통해 나노섬유 표면에 결합될 수 있는 것으로, 나노섬유의 전도성 및 포도당 검출의 민감도가 향상될 수 있다. 따라서, 금속 나노입자가 도포된 나노섬유는 열저항, 기계적 강도 및 전기적 특성이 향상되어, 바이오센서에 적용 가능하다.The metal nanoparticles (NP) catalyze a reaction for oxidizing a substance, and serves to oxidize gluconic acid, an oxide of glucose, to decompose it into hydrogen peroxide. In this case, the metal nanoparticles may be platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or the like. These metal nanoparticles can be bonded to the surface of the nanofiber through electrostatic attraction or covalent bonding, and thus the conductivity of the nanofiber and the sensitivity of glucose detection can be improved. Therefore, nanofibers coated with metal nanoparticles have improved thermal resistance, mechanical strength and electrical properties, and are applicable to biosensors.

상기 효소 나노입자 복합체는 금속 나노입자가 도포된 나노섬유 상에 점적 형태로 균일하게 위치하며, 포도당을 검출하는데 필요한 효소를 포함하는 나노입자이다. 이러한 효소 나노입자 복합체는 포도당을 산화시켜 글루콘산을 생성하는 포도당 산화효소(glucose oxidase), 과산화수소를 이용해 기질을 탈수소화시키는 페록시다아제(peroxidase) 등의 효소를 포함할 수 있으며, 구리 등의 금속을 핵으로 하여 효소가 결합된 꽃 형상일 수 있다.The enzyme nanoparticle complex is uniformly positioned in the form of droplets on the nanofiber coated with metal nanoparticles, and is a nanoparticle containing an enzyme necessary for detecting glucose. Such an enzyme nanoparticle complex may include enzymes such as glucose oxidase that oxidizes glucose to produce gluconic acid, and peroxidase that dehydrogenates a substrate using hydrogen peroxide, and a metal such as copper It may be in the form of a flower in which enzymes are bound with the nucleus.

이와 같은 포도당 검출용 전극은 금속칩, 나노섬유 및 금속 나노입자가 순차적으로 적층되며, 상기 금속 나노입자 상에 효소 나노입자 복합체가 균일하게 분포된 상태로 존재하는 구조를 갖으며, 이때 금속칩과 금속 나노입자 및 효소 나노입자 복합체가 도포된 나노섬유는 결합제를 이용하여 화학적으로 결합될 수 있다.Such an electrode for glucose detection has a structure in which metal chips, nanofibers, and metal nanoparticles are sequentially stacked, and an enzyme nanoparticle complex is uniformly distributed on the metal nanoparticles, in which case the metal chip and The metal nanoparticles and the nanofibers coated with the enzyme nanoparticle complex may be chemically bonded using a binder.

<포도당 검출 센서><Glucose detection sensor>

다른 일 구체예에 따르면, 본 발명은 상기 포도당 검출용 전극을 포함하는 포도당 검출 센서를 제공한다.According to another embodiment, the present invention provides a glucose detection sensor including the electrode for glucose detection.

상기 포도당 검출 센서는 도 2를 참조하여, Au 칩 상에 효소 나노입자 복합체 및 금 나노입자가 도포된 그래핀 산화물 나노섬유가 형성된 포도당 검출용 전극(구리-나노플라워@AuNPs-GO NFs)을 포함할 수 있다. 포도당 검출 센서에 포도당이 주입되면, 포도당 검출용 전극에서 산소(O2)와 반응하여 효소 촉매 반응을 통해 과산화수소(H2O2)가 생성되고, 전기 흐름이 증가하게 된다. 결과적으로, 포도당 검출용 전극은 포도당 농도에 대한 전기화학 반응을 나타내므로, 이를 포함하는 포도당 검출 센서는 선택성 및 민감도가 높으며, 체액 내 포도당을 전기화학적으로 검출할 수 있다.The glucose detection sensor includes an electrode for glucose detection (copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs) in which graphene oxide nanofibers coated with an enzyme nanoparticle complex and gold nanoparticles are formed on an Au chip with reference to FIG. 2 . can do. When glucose is injected into the glucose detection sensor, it reacts with oxygen (O 2 ) at the glucose detection electrode to generate hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) through an enzyme-catalyzed reaction, and the electric flow increases. As a result, since the electrode for glucose detection exhibits an electrochemical reaction with respect to the glucose concentration, a glucose detection sensor including the same has high selectivity and sensitivity, and can electrochemically detect glucose in a body fluid.

<포도당 검출용 전극의 제조방법><Method for manufacturing an electrode for glucose detection>

다른 일 구체예에 따르면, 본 발명은 도 3을 참조하여, a) 금속칩 상에 전기방사를 이용하여 나노섬유를 형성하는 단계; b) 상기 나노섬유 상에 금속 나노입자를 코팅하는 단계; 및 c) 상기 금속 나노입자 상에 효소 나노입자 복합체를 점적하는 단계를 포함하는 포도당 검출용 전극의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment, the present invention with reference to Figure 3, a) forming a nanofiber on a metal chip using electrospinning; b) coating the metal nanoparticles on the nanofibers; And c) provides a method of manufacturing an electrode for glucose detection comprising the step of dripping the enzyme nanoparticle complex on the metal nanoparticles.

상기 a) 내지 c) 단계를 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.Steps a) to c) will be described in detail as follows.

상기 a) 단계는 금속칩 상에 전기방사를 이용하여 지지체인 나노섬유를 형성하는 과정이다.Step a) is a process of forming a nanofiber as a support on a metal chip by using electrospinning.

상기 금속칩은 내구성이 우수한 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd) 등의 귀금속으로 이루어진 것일 수 있다.The metal chip may be made of a noble metal such as platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), or palladium (Pd) having excellent durability.

상기 나노섬유는 나노섬유의 골격을 형성하는 폴리머와 나노섬유의 전도성을 향상시킬 수 있는 전도성 물질을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 전도성 물질은 그래핀 산화물, 이온성 물질 등일 수 있으며, 바람직하게는 그래핀 산화물일 수 있다. 상기 폴리머는 폴리염화비닐, 폴리비닐알코올, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌글라이콜 등일 수 있으며, 바람직하게는 폴리비닐알코올일 수 있다. 이러한 폴리머 또는 전도성 물질은 용매에 용해되어 전기방사될 수 있다. 이때, 전도성 물질 및 폴리머의 혼합 비율은 1:1 ~ 30의 중량비, 바람직하게는 1:5 ~ 15의 중량비일 수 있다.The nanofiber may be prepared by mixing a polymer forming the backbone of the nanofiber and a conductive material capable of improving the conductivity of the nanofiber. The conductive material may be graphene oxide or an ionic material, preferably graphene oxide. The polymer may be polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyetherimide, polyethylene glycol, or the like, preferably polyvinyl alcohol. These polymers or conductive materials can be dissolved in a solvent and electrospun. In this case, the mixing ratio of the conductive material and the polymer may be a weight ratio of 1:1 to 30, preferably 1:5 to 15 by weight.

예를 들면, 폴리비닐알코올(PVA) 용액과 그래핀 산화물(GO) 용액을 1:1 ~ 30 (v/v)의 비율로 혼합하여 분사액을 제조한 후 10 ~ 30 kV의 압력, 0.5 ~ 3.0 mL/h의 주사기 펌프 유량으로 Au 칩 상에 전기방사하고 150 ~ 200℃의 건조 오븐에서 소성함으로써 Au 칩 상에 불용성의 그래핀 산화물 나노섬유(GO NFs)를 제조할 수 있다. For example, a spray solution is prepared by mixing a polyvinyl alcohol (PVA) solution and a graphene oxide (GO) solution in a ratio of 1:1 ~ 30 (v/v), and then a pressure of 10 ~ 30 kV, 0.5 ~ Insoluble graphene oxide nanofibers (GO NFs) can be prepared on the Au chip by electrospinning on the Au chip at a syringe pump flow rate of 3.0 mL/h and firing in a drying oven at 150 ~ 200 °C.

상기 b) 단계는 나노섬유가 형성된 금속칩 상에 금속 나노입자를 코팅하는 과정이다.Step b) is a process of coating the metal nanoparticles on the metal chip on which the nanofibers are formed.

상기 금속 나노입자는 물질을 산화시키는 반응의 촉매 역할을 하며, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 나노입자일 수 있다.The metal nanoparticles serve as catalysts for oxidizing a material, and may be nanoparticles of platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or the like.

예를 들면, 금 나노입자(AuNPs) 용액을 그래핀 산화물 나노섬유 상에 점적(drop)하고 건조시켜 금 나노입자가 도포된 그래핀 산화물 나노섬유(AuNP-GO NFs)를 제조할 수 있다. 이때, 금 나노입자는 그래핀 산화물 나노섬유 표면에 정전기적 결합으로 부착될 수 있다. For example, gold nanoparticles (AuNPs) solution may be dropped on graphene oxide nanofibers and dried to prepare graphene oxide nanofibers (AuNP-GO NFs) coated with gold nanoparticles. In this case, the gold nanoparticles may be attached to the surface of the graphene oxide nanofiber by electrostatic bonding.

상기 c) 단계는 포도당 검출에 사용되는 효소 나노입자 복합체를 코팅하는 과정이다.Step c) is a process of coating the enzyme nanoparticle complex used for glucose detection.

상기 효소 나노입자 복합체는 포도당 산화효소, 페록시다아제 등의 효소를 포함하는 나노입자로, 넓은 표면적이 갖기 때문에 포도당과 효소들 간의 반응을 향상시킬 수 있다. 이러한 효소 나노입자 복합체를 금속 나노입자 표면에 점적 형태로 균일하게 위치시킬 수 있다. The enzyme nanoparticle complex is a nanoparticle containing enzymes such as glucose oxidase and peroxidase, and since it has a large surface area, it is possible to improve the reaction between glucose and enzymes. Such an enzyme nanoparticle complex can be uniformly positioned in the form of droplets on the surface of the metal nanoparticle.

예를 들면, 포도당 산화효소 용액, 페록시다아제 용액 및 구리 함유 용액을 혼합하여 반응시켜 꽃 형상을 갖는 효소 나노입자 복합체(구리-나노플라워)를 형성한 후 이를 금 나노입자가 도포된 그래핀 산화물 나노섬유 상에 점적하여 건조시킬 수 있다. 이때, 효소 나노입자 복합체는 금 나노입자 표면에 위치할 수 있다.For example, a glucose oxidase solution, a peroxidase solution, and a copper-containing solution are mixed and reacted to form a flower-shaped enzyme nanoparticle complex (copper-nanoflower), which is then mixed with graphene coated with gold nanoparticles. It can be dried by dripping onto the oxide nanofiber. In this case, the enzyme nanoparticle complex may be located on the surface of the gold nanoparticles.

또한, 상기 c) 단계 이후, 화학적 결합제를 사용하여 금속칩과 그 표면에 형성된 금속 나노입자 및 효소 나노입자 복합체가 도포된 나노섬유를 서로 고정시킬 수 있다.In addition, after step c), the metal chip and the nanofibers coated with the metal nanoparticles and the enzyme nanoparticle complex formed on the surface may be fixed to each other using a chemical binder.

본 발명에 따른 포도당 검출용 전극은 전기 전도성이 우수한 나노섬유 상에 포도당 검출에 필요한 금속 나노입자 및 효소 나노입자 복합체가 위치함으로써 선택성 및 민감도가 높아, 체액 내 미량의 포도당을 검출하는 포도당 검출 센서에 유용하게 사용될 수 있다.The electrode for glucose detection according to the present invention has high selectivity and sensitivity as metal nanoparticles and enzyme nanoparticle complexes required for glucose detection are located on nanofibers with excellent electrical conductivity, so it is suitable for a glucose detection sensor that detects a small amount of glucose in body fluid. It can be useful.

도 1은 전기화학 포도당 검출용 전극의 측면도이다; 10: 금속칩, 20: 나노섬유, 30: 금속 나노입자, 40: 효소 나노입자 복합체, 100: 바이오센서 전극.
도 2는 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF 기반으로 하는 전기화학 센서를 이용한 체액 내 포도당 검출 방법이다.
도 3은 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF 기반으로 하는 전기화학 포도당 검출용 전극의 제조 흐름도이다.
도 4는 GO NF의 특성분석에 대한 그래프 및 이미지이다; (a)는 다양한 GO 농도 (0 ~ 2.0 mg/mL)에 대한 PVA NF의 전기화학 임피던스 값이다. (b)는 GO NFs 및 PVA NFs의 FT-IR 분광분석 결과이다. 소성된 GO NFs 의 특성으로, 소성 (c) 전/(d) 후의 FE-SEM 이미지이다.
도 5는 다양한 반응 시간에 대한 AuNPs-GO NF의 FE-SEM 이미지이다; 반응 시간은 (a) 10분, (b) 30분, (c) 60분, (d) 90분, (e) 120분 및 (f) 150분이다.
도 6은 다양한 GOx 농도에서 구리-나노플라워의 최적 조건을 확인한 이미지이다; GOx 농도는 (a) 0.3 mg/mL, (b) 0.5 mg/mL, (c) 0.7 mg/mL 및 (d) 1.0 mg/mL이다. 각 나노플라워는 GOx 농도를 제외하고는, 동일한 조건에서 합성되었다 (Cu2+ 이온 및 HRP의 농도는 각각 120 mM 및 0.05 mg/mL임).
도 7은 구리-나노플라워@AuNPs-GO NFs의 포도당 검출 조건을 확인한 그래프이다; (a)는 20 mV/s의 검출 속도, 30 μM 의 포도당 조건에서 측정된 GO NFs, Cu-나노플라워, Cu-나노플라워@GO NF 및 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF 전극에 대한 순환 전압 전류 곡선이다. 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF에 대한 작동 전극의 최적화 결과로, (b) 구리-나노플라워의 다양한 농도 (0 ~ 60 μg/mL) 또는 (c) 다양한 pH (pH 5 ~ 9) 환경에서 50 μM의 포도당 내 효소 전극의 전류를 측정하였다.
도 8은 구리-나노플라워@AuNPs-GO NFs의 포도당 검출 성능을 확인한 그래프이다; (a)는 다양한 포도당 농도 (0 ~ 0.1 mM)에서의 CV 전류 측정값이고, (b)는 검정 곡선(calibration curve)이다. (c) 50 μM의 포도당 및 다양한 방해제(interference)에 대한 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF의 의존적 전류 반응이다. (d)는 안정성 시험을 위해 20일 동안 측정된 상대적 활성 값이다.
1 is a side view of an electrode for electrochemical glucose detection; 10: metal chip, 20: nanofibers, 30: metal nanoparticles, 40: enzyme nanoparticle complex, 100: biosensor electrode.
2 is a method for detecting glucose in body fluid using an electrochemical sensor based on copper-nanoflower@AuNPs-GO NF.
Fig. 3 is a manufacturing flow diagram of an electrode for electrochemical glucose detection based on copper-nanoflower@AuNPs-GO NF.
Figure 4 is a graph and images for the characterization of GO NFs; (a) Electrochemical impedance values of PVA NFs for various GO concentrations (0 to 2.0 mg/mL). (b) shows the results of FT-IR spectroscopy of GO NFs and PVA NFs. Characteristics of calcined GO NFs. These are FE-SEM images before and after calcination (c) and (d).
Figure 5 is an FE-SEM image of AuNPs-GO NFs for various reaction times; The reaction times are (a) 10 minutes, (b) 30 minutes, (c) 60 minutes, (d) 90 minutes, (e) 120 minutes and (f) 150 minutes.
6 is an image confirming the optimal conditions for copper-nanoflower at various GOx concentrations; GOx concentrations are (a) 0.3 mg/mL, (b) 0.5 mg/mL, (c) 0.7 mg/mL and (d) 1.0 mg/mL. Each nanoflower was synthesized under the same conditions except for the concentration of GOx (concentrations of Cu 2+ ions and HRP were 120 mM and 0.05 mg/mL, respectively).
7 is a graph confirming the glucose detection conditions of copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs; (a) Cyclic voltages for GO NFs, Cu-nanoflower, Cu-nanoflower@GO NF and copper-nanoflower@AuNPs-GO NF electrodes measured at a detection rate of 20 mV/s and a glucose condition of 30 μM. is the current curve. As a result of the optimization of the working electrode for copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs, (b) copper-nanoflower at various concentrations (0 to 60 µg/mL) or (c) at various pH (pH 5 to 9) environments. The current of the enzyme electrode in 50 μM glucose was measured.
8 is a graph confirming the glucose detection performance of copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs; (a) is the measured CV current at various glucose concentrations (0 ~ 0.1 mM), and (b) is a calibration curve. (c) Current-dependent current response of copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs to 50 μM glucose and various interferences. (d) is the relative activity value measured for 20 days for the stability test.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기재된 것으로서 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되지 아니한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the following examples are described for the purpose of illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited by the following examples.

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

1-1. 물질1-1. matter

폴리비닐알코올[(-CH3CHOH-)n, MW 22,000], D(+)-포도당 (98%) 및 수크로스 (C12H22O11)를 준세이(Junsei) (일본)에서 구매하였다. 황산구리 5수화물(copper (II) sulfate pentahydrate; CuSO5H2O, 99.9%), 염화칼슘(CaCl2, anhydrous, 96.0%), L(+)-아스코르브산, D(+)-수크로스 (사카로스), 요소 및 과산화수소(H2O2)를 삼천 (한국)으로부터 입수하였다. 염화칼륨(KCl) 및 염화나트륨(NaCl)를 덕산 (한국)으로부터 입수하였다. HRP(horseradish peroxidase), 염화금 3수화물(gold (III) chloride trihydrate; HAuCl4·3H2O), 과망간산염(KMnO4), 과황화칼륨(K2S2O8), 오산화인(P2O5), 진한 황산(Conc. H2SO4), 시스테아민 염산염(cysteamine hydrochloride) 및 검정곰팡이(Aspergillus niger) 유래 포도당 산화효소(glucose oxidase)를 Sigma-Aldrich (미국)에서 구매하여 추가 정제 없이 사용하였다. 수소화 붕소나트륨(NaBH4)을 대정화금 (한국)에서 구매하였다. 소 혈청 알부민(BSA)를 GenDEPOT (미국)에서, 소 태아 혈청(FBS)을 Gibco (미국)에서 구매하였다. 흑연(graphite) 파우더를 칸토 화학(Kanto Chemical) (일본)에서 구매하였다. Polyvinyl alcohol [(-CH 3 CHOH-)n, MW 22,000], D(+)-glucose (98%) and sucrose (C 12 H 22 O 11 ) were purchased from Junsei (Japan). Copper (II) sulfate pentahydrate (CuSO 4 5H 2 O, 99.9%), calcium chloride (CaC l2 , anhydrous, 96.0%), L(+)-ascorbic acid, D(+)-sucrose Ross), urea and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) were obtained from Samcheon (Korea). Potassium chloride (KCl) and sodium chloride (NaCl) were obtained from Deoksan (Korea). HRP (horseradish peroxidase), gold (III) chloride trihydrate (HAuCl 4 · 3H 2 O), permanganate (KMnO 4 ), potassium persulfide (K 2 S 2 O 8 ), phosphorus pentoxide (P 2 O) 5 ), concentrated sulfuric acid (Conc. H 2 SO 4 ), cysteamine hydrochloride, and glucose oxidase derived from Aspergillus niger were purchased from Sigma-Aldrich (USA) without further purification. was used. Sodium borohydride (NaBH 4 ) was purchased from Daejeong Chemical (Korea). Bovine serum albumin (BSA) was purchased from GenDEPOT (USA) and fetal bovine serum (FBS) was purchased from Gibco (USA). Graphite powder was purchased from Kanto Chemical (Japan).

1-2. AuNPs-GO NF의 제조1-2. Preparation of AuNPs-GO NFs

25 wt% 폴리비닐알코올(PVA) 용액을 만들기 위해, PVA (25 g)를 초순수정제수(DI water) (100 mL)에서 80℃로 6시간 동안 계속 저어 용해하였다. 그래핀 산화물(GO) (1 mg)를 정제수 (1 mL)에 넣고 GO 용액을 균일화하기 위해 30분 동안 초음파 처리하였다. 이후, 1:10 (v/v)의 비율로 1.0 mg/mL의 GO 용액을 25 wt% 의 PVA 용액에 넣고, 실온에서 3시간 동안 저었다. Au 칩 상에 적재하기 위해, 고압 (15 kV) 조건에서 1.0 mL/h로 주사기 펌프 유량을 사용하여 전기방사를 통해 PVA/GO 용액을 22-G 바늘로 분사하였다. 이때, 바늘 끝과 집전기(needle tip-to-collector)의 거리를 15 cm로 하여 10 분 동안 Au 칩 상에 GO NF를 전기방사하였다. 전기방사 후, 그래핀 산화물 나노섬유(GO NF)를 180℃의 건조 오븐에서 1시간 동안 소성하여 NF를 불용성 상태로 만들었다. 이후, 200 μL의 시스테아민-AuNP 용액 (9 nM)을 GO NF의 표면 위에 떨어뜨려 1시간 동안 실온에 놔두었다. 제조된 AuNPs-GO NF를 정제수로 3회 세척하여 부착되지 않은 AuNP를 제거하고, 60℃에서 건조하였다.To prepare a 25 wt% polyvinyl alcohol (PVA) solution, PVA (25 g) was dissolved in ultrapure purified water (DI water) (100 mL) at 80° C. for 6 hours under continuous stirring. Graphene oxide (GO) (1 mg) was added to purified water (1 mL) and sonicated for 30 min to homogenize the GO solution. Thereafter, a GO solution of 1.0 mg/mL at a ratio of 1:10 (v/v) was added to a 25 wt% PVA solution, and stirred at room temperature for 3 hours. For loading on Au chips, PVA/GO solution was sprayed with a 22-G needle via electrospinning using a syringe pump flow rate of 1.0 mL/h under high pressure (15 kV) conditions. At this time, the distance between the needle tip and the collector (needle tip-to-collector) was 15 cm, and GO NF was electrospun on the Au chip for 10 minutes. After electrospinning, graphene oxide nanofibers (GO NF) were calcined in a drying oven at 180° C. for 1 hour to make NF insoluble. Then, 200 μL of cysteamine-AuNP solution (9 nM) was dropped on the surface of GO NFs and left at room temperature for 1 hour. The prepared AuNPs-GO NFs were washed 3 times with purified water to remove unattached AuNPs, and dried at 60°C.

1-3. 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF(Cu-nanoflower@AuNPs-GO NFs)의 제조1-3. Preparation of Cu-nanoflower@AuNPs-GO NFs (Cu-nanoflower@AuNPs-GO NFs)

구리-나노플라워는 다음과 같은 절차에 따라 합성되었다. 간략하게는, 1.0 mg/mL의 포도당 산화효소(GOx)와 0.05 mg/mL의 HRP를 PBS(phosphate-buffered saline)에 첨가하였다. 여기에 120 mM의 CuSO4 용액 (20 μL)을 첨가하고서 실온에서 3시간 동안 저어 주었다. 이후, 용액을 실온에서 72시간 동안 반응시켜서 PBS로 5회 세척하였다. 합성된 구리-나노플라워를 다음에 사용하기 위해 4℃에서 보관하였다.Copper-nanoflowers were synthesized according to the following procedure. Briefly, 1.0 mg/mL of glucose oxidase (GOx) and 0.05 mg/mL of HRP were added to PBS (phosphate-buffered saline). 120 mM CuSO 4 solution (20 μL) was added thereto and stirred at room temperature for 3 hours. Then, the solution was reacted at room temperature for 72 hours and washed 5 times with PBS. The synthesized copper-nanoflowers were stored at 4°C for next use.

전기화학 바이오센서인 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF를 제조하기 위해, 40 μg/mL의 나노플라워 용액 (10 μL)을 AuNP-GO NFs 위에 떨어뜨리고 실온에서 건조하였다. 2-프로판올 내 1%의 내피온(nafion) (3 μL)을 결합제로 사용하여 포도당 감지를 위한 작동 전극으로 사용되는 구리-나노플라워@AuNPs-GO NFs과 Au 칩을 결합하였다. To prepare the electrochemical biosensor, copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs, 40 μg/mL nanoflower solution (10 μL) was dropped on AuNP-GO NFs and dried at room temperature. Copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs used as working electrodes for glucose sensing and Au chips were bound using 1% nafion (3 μL) in 2-propanol as the binding agent.

1-4. 구리-나노플라워@AuNPs-GO NFs를 이용한 전기화학적 포도당 검출1-4. Electrochemical glucose detection using copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs

구리-나노플라워@AuNPs-GO NF 기반 전기화학 바이오센서는 다음과 같은 절차에 따라 확인되었다. 소량 (보통 50 μL)의 포도당 용액 (0.001 ~ 0.1 mM)을 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF Au-칩 전극 및 작동 전해질로서 0.1 M의 PBS (pH 5.0)를 포함하는 전기화학 셀(cell) 5 mL에 주입하고, 통상적인 3-전극 셀을 이용한 CHI 750E 장비 (CH Instruments, Austin, TX) (미국)를 통해 전기화학 측정을 수행하였다. 기준전극(reference electrode)은 Ag/AgCl이며, 대전극(counter electrode)은 백금(Pt)이였다. 시간대전류법(chronoamperometry) 및 CV 유속 측정(current measurement)을 0.1 M의 PBS 용액 (pH 5.0)에서 수행하였다. CV는 스윕 속도(sweep speed) 0.02 V/s에서, -0.8 V ~ +0.6 V로 기록되었다. 시간대전류법 측정은 적용 전위 -0.25 V (vs. Ag/AgCl)에서 기록되었다. 추가로, 다양한 농도의 포도당을 지속적으로 주입하여 중복(redundancy) 측정 및 교정(calibration)을 수행하였으며, 총 추가량은 전해질 조성 내 큰 변화를 피하기 위해 500 μL를 초과하지 않았다.The copper-nanoflower@AuNPs-GO NF-based electrochemical biosensor was identified according to the following procedure. A small amount (usually 50 μL) of glucose solution (0.001 to 0.1 mM) was added to an electrochemical cell containing copper-nanoflower@AuNPs-GO NF Au-chip electrodes and 0.1 M PBS (pH 5.0) as working electrolyte. It was injected into 5 mL, and electrochemical measurements were performed through a CHI 750E instrument (CH Instruments, Austin, TX) (USA) using a conventional 3-electrode cell. The reference electrode was Ag/AgCl, and the counter electrode was platinum (Pt). Chronoamperometry and CV current measurement were performed in 0.1 M PBS solution (pH 5.0). CV was recorded from -0.8 V to +0.6 V at a sweep speed of 0.02 V/s. Chronoamperometric measurements were recorded at an applied potential of −0.25 V (vs. Ag/AgCl). In addition, redundancy measurements and calibrations were performed by continuously injecting various concentrations of glucose, and the total addition amount did not exceed 500 μL to avoid large changes in the electrolyte composition.

1-5. 특성분석(characterization)1-5. Characterization

UV-가시 흡광 분광분석은 JASCO 670 분광광도계 (일본)로 측정하였다. FE-SEM(field emission scanning electron microscope) 이미지는 SIGMA 장비 (Carl Zeiss) (영국) 또는 JEM-F200 (JEOL) (일본)를 사용하여 획득하였다. FT-IR(fourier transform infrared) 분광분석은 JASCO 6660FV (일본)으로 기록하였다. 시료의 XRD(X-ray diffraction) 패턴은 실온에서 Cu Kα를 조사하는 (40 kV, 40 mA) D8-Advance 장비 (Bruker AXS) (독일)로 측정하였다. 라만 분광분석(Raman spectra)은 Kaiser optical system (Raman Rxn 1) (미국)으로 수행하였다. 전기방사 처리는 전기방사 시스템 (NNC-ESDR) (한국)으로 수행하였다.UV-visible absorption spectroscopy was measured with a JASCO 670 spectrophotometer (Japan). Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) images were acquired using a SIGMA instrument (Carl Zeiss) (UK) or JEM-F200 (JEOL) (Japan). FT-IR (fourier transform infrared) spectroscopic analysis was recorded with JASCO 6660FV (Japan). The XRD (X-ray diffraction) pattern of the sample was measured with a D8-Advance equipment (Bruker AXS) (Germany) that irradiates Cu Kα at room temperature (40 kV, 40 mA). Raman spectra analysis was performed with a Kaiser optical system (Raman Rxn 1) (USA). Electrospinning treatment was performed with an electrospinning system (NNC-ESDR) (Korea).

2. 결과2. Results

2-1. GO NF의 최적화 및 특성분석2-1. Optimization and Characterization of GO NFs

GO의 농도에 따른 GO NF의 임피던스(impedance) 값을 확인하였다. 그 결과, GO 농도를 최대 1.0 mg/mL까지 증가시키면 임피던스 값이 감소되어 안정기(plateau)에 접어들며, GO가 PVA 기반 NF의 전기 전도도(electric conductivity)를 크게 향상시킨 것을 알 수 있었다 (도 4a). 따라서, GO NF를 제조하는데 GO의 최적 농도로 1.0 mg/mL를 선택하였다. The impedance value of GO NF according to the concentration of GO was confirmed. As a result, when the GO concentration was increased to a maximum of 1.0 mg/mL, the impedance value decreased and entered a plateau, and it was found that GO significantly improved the electrical conductivity of the PVA-based NF (Fig. 4a). ). Therefore, 1.0 mg/mL was selected as the optimal concentration of GO to prepare GO NFs.

PVA NF과 GO NF에 대해 FT-IR 분광분석을 수행하였다. 그 결과, PVA NF에서는 피크가 나타나지 않은 반면, GO NF에서는 히드록시, 카르복시 및 에폭시드와 같은 기능기에 대한 피크가 나타났으며, 이를 통해 GO NF의 형성을 확인할 수 있었다 (도 4b).FT-IR spectroscopy was performed on PVA NF and GO NF. As a result, while no peak appeared in PVA NF, peaks for functional groups such as hydroxy, carboxy and epoxide appeared in GO NF, confirming the formation of GO NF (Fig. 4b).

PVA는 수용성 폴리머이기 때문에, 내수성(water stable)을 갖는 GO NF 기반 전기화학 센서를 개발하기 위해서는 전기방사 가교 과정이 필요하다. 내수성 GO NF를 제조하기 위해, GO NFs를 180℃에서 1시간 동안 소성하였다(calcinated). 그 결과, 소성 후 PVA 체인이 재배열되어 PVA의 결정도(crystallinity)가 증가하였다. 소성된 PVA는 화학적으로 가교된 PVA에 비해 건조 및 습식 상태에서 양호한 기계적 특성을 갖는다. 결과적으로, 형태적 변화 없이 불수용성 GO NF를 얻었다 (도 4c, d).Since PVA is a water-soluble polymer, an electrospinning crosslinking process is required to develop a GO NF-based electrochemical sensor with water stability. To prepare water-resistant GO NFs, GO NFs were calcinated at 180 °C for 1 h. As a result, the PVA chain was rearranged after firing to increase the crystallinity of PVA. Calcined PVA has better mechanical properties in dry and wet conditions compared to chemically crosslinked PVA. As a result, water-insoluble GO NFs were obtained without morphological changes (Fig. 4c, d).

2-2. AuNP를 갖는 GO NF의 구조2-2. Structure of GO NFs with AuNPs

포도당 감지를 위한 민감도를 증가시키기 위해, GO NF의 표면 위에 AuNP를 점적하였다. GO NF는 음전하를, AuNP는 양전하를 나타내므로, 강한 정전기력이 발생하여 GO NF의 표면에 AuNP가 위치하게 된다.To increase the sensitivity for glucose sensing, AuNPs were deposited on the surface of GO NFs. Since GO NFs have negative charges and AuNPs have positive charges, a strong electrostatic force is generated and AuNPs are located on the surface of GO NFs.

AuNP의 도핑은 다양한 시간 간격 (10, 30, 60, 90, 120, 150 분)으로 GO NF 표면에 시스테아민-AuNP 용액을 떨어뜨려 수행되었다. GO NF 위에 AuNP를 도핑하는데 최적의 시간을 찾기 위해, FE-SEM을 수행하였다. 그 결과, 시스테아민-AuNP은 정전기력을 통해 GO NF의 표면 위에 잘 도핑되었다 (도 5).Doping of AuNPs was performed by dropping a cysteamine-AuNP solution on the GO NF surface at various time intervals (10, 30, 60, 90, 120, 150 min). To find the optimal time for doping AuNPs on GO NFs, FE-SEM was performed. As a result, cysteamine-AuNPs were well doped on the surface of GO NFs through electrostatic force (Fig. 5).

2-3. 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF의 제조2-3. Preparation of copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs

구리-나노플라워의 형성 기전은 핵 성장 과정을 따른다. 초기 단계에서, Cu2+ 이온은 PBS 용액에서 인산염 음이온과 상호작용하여 구리 인산염(copper phosphate) 결정을 형성하고, 단백질 (GOx 및 HRP) 내 아미드 골격(amide backbone)은 구리 인산염 결정과 조직화되어 구리-단백질 복합체를 형성한다. 복합체는 나노플라워의 씨앗 역할을 하며, 이를 핵으로 하여 반응 시간에 따라 자라나 나노플라워의 꽃잎을 형성한다. 이러한 순차적인 반응에 따라, 나노플라워의 다층 구조가 형성될 수 있다.The formation mechanism of copper-nanoflower follows the nuclear growth process. In the initial stage, Cu 2+ ions interact with phosphate anions in PBS solution to form copper phosphate crystals, and the amide backbone in proteins (GOx and HRP) organizes with copper phosphate crystals to form copper phosphate crystals. -forms protein complexes The complex acts as the seed of the nanoflower, and using it as the nucleus, it grows according to the reaction time to form the petals of the nanoflower. According to this sequential reaction, a multi-layered structure of nanoflowers can be formed.

FE-SEM을 통해 GOx 농도에 따른 구리-나노플라워의 형성을 관찰하였다. 그 결과, GOx가 1.0 mg/mL일 때, 균일한 크기로 구리-나노플라워가 제조되는 것을 알 수 있었다 (도 6). The formation of copper-nanoflowers according to the GOx concentration was observed through FE-SEM. As a result, when GOx was 1.0 mg/mL, it was found that copper-nanoflowers with a uniform size were prepared ( FIG. 6 ).

2-4. 구리-나노플라워@AuNPs-GO NFs를 이용한 전기화학적 포도당 검출2-4. Electrochemical glucose detection using copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs

제조된 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF가 구리-나노플라워에 비해 더 나은 성능을 나타내는지 확인하기 위해, 30 μM의 포도당 존재 하에서 순환 전압 전류 기법(cyclic voltammetry technique)을 통해 각 전극을 분석하였다. 그 결과, 모든 전극에 대한 전압 전류 곡선(voltammogram)은 Au 산화환원과 관련된 레독스 피크(peak I/peak II)가 -0.26/-0.028 V인 것으로 나타났다. 반면, 초기 함수성 금 산화물(hydrous gold oxides) [Au+(H2O)n]ads로 이루어진 예비단층의 형성과 Au 흡착원자(adatom)에 대한 Au(I) 함수성 산화물의 감소에 관련이 있는 피크(peak I'/peak II")는 포도당 산화효소의 부재로 인해 AuNPs-GO NF를 제외하고 나타났다 (도 7a). 구리-나노플라워는 포도당에 반응하여 소량의 레독스 피크를 나타내지만, AuNPs-GO NF는 포도당에 대해 명확한 반응을 나타내지 않았다. 구리-나노플라워@GO NF의 합성에 있어서, GO NF가 Au 칩 및 구리-나노플라워와 결합하여 구리-나노플라워의 신호를 더욱 강화할 수 있었다. 게다가, 구리-나노플라워@GO NF를 갖는 AuNP는 페록시다아제에 의한 활성을 통해 구리-나노플라워@GO NF의 레독스 피크를 향상시킨다. 구리-나노플라워는 GO NF와 결합한 포도당에 반응하여 AuNP는 더 많은 상승효과를 나타낸다. 또한, 지지체인 GO NF에 의해 안정성이 강화되었다. 3D 구조인 AuNP의 표면적을 확장시켜, 내재성 페록시다아제와 같은 활성은 전기화학 활성을 강화하도록 HRP를 도울 수 있다. 레독스 피크가 나타내 전극들 중 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF은 동일한 양의 포도당에서 다른 시료들에 비해 가장 높은 음극 전류를 나타냈다. To confirm that the prepared copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs showed better performance compared to copper-nanoflowers, each electrode was analyzed in the presence of 30 μM glucose by cyclic voltammetry technique. . As a result, the voltammogram for all electrodes showed that the redox peak (peak I/peak II) related to Au redox was -0.26/-0.028 V. On the other hand, it is related to the formation of a preliminary monolayer consisting of initial hydrous gold oxides [Au + (H 2 O)n] ads and the reduction of Au(I) functional oxides for Au adsorption atoms (adatom). A peak (peak I'/peak II") appeared except for AuNPs-GO NF due to the absence of glucose oxidase (Fig. 7a). Copper-nanoflower showed a small amount of redox peak in response to glucose, AuNPs-GO NFs did not show a clear response to glucose In the synthesis of copper-nanoflower@GO NFs, GO NFs could be combined with Au chips and copper-nanoflowers to further enhance the signal of copper-nanoflowers. Furthermore, AuNPs with copper-nanoflower@GO NFs enhance the redox peak of copper-nanoflower@GO NFs through peroxidase-induced activity.Copper-nanoflowers respond to glucose bound to GO NFs. Thus, AuNPs show more synergistic effects. In addition, stability was enhanced by the support GO NF. By expanding the surface area of AuNPs, which are 3D structures, the endogenous peroxidase-like activity of HRP to enhance electrochemical activity. Among the electrodes, copper-nanoflower@AuNPs-GO NF exhibited the highest cathodic current at the same amount of glucose compared to other samples.

포도당에 대한 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF의 전기화학 성능을 측정하기 전에, 다음과 같은 실험 조건을 확인하였다. 먼저, 고정된 양의 포도당 (50 μM)을 사용하여 AuNPs-GO NF 내 구리-나노플라워의 농도에 의한 영향을 확인하였다. 그 결과, 구리-나노플라워의 농도가 최대 40 μg/mL까지 증가함에 따라 점차 전류가 증가한 후 절연 효과로 인해 감소되었다. 비록 구리-나노플라워가 포도당을 인식하는 핵심 소재이지만, 절연체(insulator)로 작용하는 생물소재(biomaterial)를 포함하기 때문에 구리-나노플라워의 농도를 40 μg/mL로 선택하였다 (도 7b). Before measuring the electrochemical performance of copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs on glucose, the following experimental conditions were checked. First, the effect of copper-nanoflower concentration in AuNPs-GO NFs was confirmed using a fixed amount of glucose (50 μM). As a result, as the concentration of copper-nanoflower increased up to 40 μg/mL, the current gradually increased and then decreased due to the insulating effect. Although copper-nanoflower is a key material for recognizing glucose, since it contains a biomaterial that acts as an insulator, the concentration of copper-nanoflower was selected to be 40 μg/mL ( FIG. 7b ).

효소는 관측 환경에 따라 활성도의 영향을 많이 받으므로, 우선 다양한 pH 조건에서의 전류값을 관측했다. 그 결과, GOx는 약산성 조건 (~ pH 5.0)에서 최상의 성능을 나타내며, HRP에 의해 전자를 생성하는 과산화수소는 기본 조건에서 탈양자(deprotonation)가 발생하기 때문에 낮은 PH에서 더 안정적으로 유지되고, 이를 통해 낮은 pH에서 전류가 증가한 것을 알 수 있었다 (도 7c). 따라서, 전기화학 센서로 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF를 사용할 때, 포도당의 전기화학 감지를 위한 최적으로 pH로 pH 5.0가 선택되었다.Since enzyme activity is greatly affected by the observation environment, current values under various pH conditions were first observed. As a result, GOx shows the best performance under weakly acidic conditions (~ pH 5.0), and hydrogen peroxide, which generates electrons by HRP, is more stable at low pH because deprotonation occurs under basic conditions, and through this It was found that the current increased at low pH (Fig. 7c). Therefore, when using copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs as electrochemical sensors, pH 5.0 was chosen as the optimal pH for the electrochemical sensing of glucose.

최적 조건 하에서, 분석 성능을 판단하기 위해 전기화학 분석으로 제조된 포도당 센서를 평가하였다. 그 결과, 음극 전류는 Cu-나노플라워@AuNPs-GO NF와 포도당 간의 반응에 의해 생성되는 전자의 양과 관련이 있기 때문에, 전기 화학적 신호 (피크 II) 강도는 포도당의 양이 증가함에 따라 점차 증가하였다 (도 8a). 저농도 범위 (0 ~ 0.01 mM)의 선형 회귀식(linear regression equation)은 μA = 3656.4933x + 0.6867으로, 상관계수가 0.9618 (n=3)이며, 고농도 범위 (0.03 ~ 0.1 mM)의 선형회귀식은 μA = 636.3007x + 19.9981으로, 상관계수가 0.9903 (n=3)이다. 검출 한계는 3σ-rule에 의해 계산된 0.018 μM 이었다 (도 8b). Under optimal conditions, the prepared glucose sensor was evaluated by electrochemical analysis to judge the assay performance. As a result, since the cathodic current is related to the amount of electrons generated by the reaction between Cu-nanoflower@AuNPs-GO NFs and glucose, the electrochemical signal (peak II) intensity gradually increased with the increase of the amount of glucose. (Fig. 8a). The linear regression equation in the low concentration range (0 ~ 0.01 mM) is μA = 3656.4933x + 0.6867, with a correlation coefficient of 0.9618 (n=3), and the linear regression equation in the high concentration range (0.03 ~ 0.1 mM) is μA = 636.3007x + 19.9981, and the correlation coefficient is 0.9903 (n=3). The detection limit was 0.018 μM calculated by 3σ-rule (Fig. 8b).

제조된 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF 기반 포도당 센서의 선택성을 검증하기 위해, 상호간의 대상 및 센서의 상호작용을 방해할 수 있는 다양한 성분 조건에서 시간대전류법 분석을 수행하였다. 그 결과, 아스코르브산, 사카로스, 요소, NaCl, KCl 및 BSA와 같은 다른 간섭 물질을 첨가하더라도 전류가 변하지 않은 것을 알 수 있었다 (도 8c). 반면, 전류는 포도당을 주입한 경우에만 현저하게 증가한 것으로, 구리-나노플라워@AuNPs-GO NF가 미량의 포도당에 대해 선택적인 포도당 센서로 작용했다는 것을 나타낸다. To verify the selectivity of the prepared copper-nanoflower@AuNPs-GO NF-based glucose sensor, chronoamperometric analysis was performed under various component conditions that could interfere with the interaction of the target and the sensor. As a result, it was found that the current did not change even when other interfering substances such as ascorbic acid, saccharose, urea, NaCl, KCl and BSA were added ( FIG. 8c ). On the other hand, the current was significantly increased only when glucose was injected, indicating that copper-nanoflower@AuNPs-GO NFs acted as a selective glucose sensor for trace glucose.

구리-나노플라워@AuNPs-GO NF 전극의 시간 의존적 안정성을 평가하기 위해, 20일 동안 30 μM의 포도당 용액을 분석하였다. 그 결과, 첫째날과 비교하여, 전류 값은 16일까지 95%를 유지하였으며, 20일 후에도 91% 이상을 나타냈다 (도 8d).To evaluate the time-dependent stability of copper-nanoflower@AuNPs-GO NF electrodes, a 30 μM glucose solution was analyzed for 20 days. As a result, compared with the first day, the current value was maintained at 95% until the 16th day, and showed more than 91% even after 20 days (FIG. 8d).

10: 금속칩
20: 나노섬유
30: 금속 나노입자
40: 효소 나노입자 복합체
100: 바이오센서 전극
10: metal chip
20: nanofiber
30: metal nanoparticles
40: enzyme nanoparticle complex
100: biosensor electrode

Claims (13)

포도당 검출용 전극으로서,
상기 전극은 금속칩, 나노섬유, 금속 나노입자 및 효소 나노입자 복합체가 순차적으로 적층된 것이며,
상기 금속칩은 금(Au)으로 이루어진 것이고,
상기 나노섬유는 전도성 물질 및 폴리머로 구성되며, 소성을 통해 불용성인 것이고,
상기 효소 나노입자 복합체는 포도당 산화효소, 페록시다아제 및 구리를 포함하는 것인, 전극.
An electrode for glucose detection, comprising:
The electrode is a metal chip, nanofiber, metal nanoparticles and enzyme nanoparticle complex are sequentially stacked,
The metal chip is made of gold (Au),
The nanofiber is composed of a conductive material and a polymer, and is insoluble through firing,
The enzyme nanoparticle complex will include glucose oxidase, peroxidase and copper, the electrode.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 나노섬유는 전도성 물질 및 폴리머를 1:1 ~ 30의 부피비로 포함하는 것인, 전극.
The method according to claim 1,
The nanofiber is an electrode comprising a conductive material and a polymer in a volume ratio of 1:1 to 30.
청구항 1에 있어서,
상기 전도성 물질은 그래핀 산화물 및/또는 이온성 물질인 것인, 전극.
The method according to claim 1,
The conductive material is graphene oxide and/or an ionic material, the electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 폴리머는 폴리염화비닐, 폴리비닐알코올, 폴리에테르이미드 및 폴리에틸렌글라이콜로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인, 전극.
The method according to claim 1,
The polymer is one or more selected from the group consisting of polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyetherimide and polyethylene glycol, the electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 금속 나노입자는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인, 전극.
The method according to claim 1,
The metal nanoparticles are one or more selected from the group consisting of platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag) and copper (Cu), the electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 금속 나노입자는 나노섬유 표면에 정전기적 인력 또는 공유결합으로 결합되는 것인, 전극.
The method according to claim 1,
The metal nanoparticles are bonded to the surface of the nanofiber by electrostatic attraction or covalent bonding, the electrode.
삭제delete 청구항 1, 및 3 내지 7 중 어느 한 항의 포도당 검출용 전극을 포함하는 포도당 검출 센서.
A glucose detection sensor comprising the electrode for glucose detection of any one of claims 1, 3 to 7.
a) 금속칩 상에 전기방사를 이용하여 나노섬유를 형성하고 소성하는 단계;
b) 상기 소성된 나노섬유 상에 금속 나노입자를 코팅하는 단계; 및
c) 상기 코팅된 금속 나노입자 상에 효소 나노입자 복합체를 점적하는 단계
를 포함하며,
상기 a) 단계의 금속칩은 금(Au)으로 이루어진 것이고,
상기 b) 단계의 나노섬유는 전도성 물질 및 폴리머로 구성되며, 소성을 통해 불용성인 것이고,
상기 효소 나노입자 복합체는 포도당 산화효소, 페록시다아제 및 구리를 포함하는 것인 포도당 검출용 전극의 제조방법.
a) forming and firing nanofibers on a metal chip using electrospinning;
b) coating the metal nanoparticles on the fired nanofibers; and
c) dripping the enzyme nanoparticle complex on the coated metal nanoparticles
includes,
The metal chip of step a) is made of gold (Au),
The nanofiber of step b) is composed of a conductive material and a polymer, and is insoluble through firing,
The method for manufacturing an electrode for glucose detection, wherein the enzyme nanoparticle complex comprises glucose oxidase, peroxidase and copper.
삭제delete 청구항 10에 있어서,
상기 a) 단계의 나노섬유는 전도성 물질 및 폴리머의 혼합 비율이 1:1 ~ 30의 부피비인 것인, 방법.
11. The method of claim 10,
In the nanofiber of step a), the mixing ratio of the conductive material and the polymer is a volume ratio of 1:1 to 30, the method.
삭제delete
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