KR102381031B1 - Electrochemical Biosensing Platform for Detection of Rheumatoid Arthritis Biomarker - Google Patents

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Abstract

According to the present disclosure, in performing early diagnosis of rheumatoid arthritis through the detection of anti-cyclic citrullinated peptide (aCCP) antibody, which is a biomarker of rheumatoid arthritis, an autoimmune disease, disclosed is a biosensing platform for self-diagnosis capable of simply detecting or diagnosing the aCCP antibody in a sample without the help of an expert.

Description

류마티스 관절염의 바이오마커 검출용 전기화학적 바이오센싱 플랫폼{Electrochemical Biosensing Platform for Detection of Rheumatoid Arthritis Biomarker}Electrochemical Biosensing Platform for Detection of Rheumatoid Arthritis Biomarker

본 개시 내용은 류마티스 관절염의 바이오마커 검출용 전기화학적 바이오센싱 플랫폼에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 자가면역 질환인 류마티스성 관절염의 바이오마커인 aCCP(anti-cyclic citrullinated peptide) 항체 검출을 통하여 류마티스성 관절염의 조기 진단을 수행함에 있어서, 전문가의 도움 없이도 시료 내 aCCP 항체를 간편하게 검출 또는 진단할 수 있는 자가진단용 바이오센싱 플랫폼에 관한 것이다.The present disclosure relates to an electrochemical biosensing platform for biomarker detection of rheumatoid arthritis. More specifically, the present disclosure provides an early diagnosis of rheumatoid arthritis through detection of aCCP (anti-cyclic citrullinated peptide) antibody, a biomarker of rheumatoid arthritis, an autoimmune disease. It relates to a biosensing platform for self-diagnosis that can easily detect or diagnose.

류마티스 관절염(Rheumatoid Arthritis)은 관절 주위를 둘러싸는 조직의 염증으로 인하여 발병하며 국내 전체 인구 중 약 1%가 환자군으로 추정되고 있는 만성 자가면역 질환으로서, 점진적인 염증 반응을 생성하여 손 및 다리의 관절 부위에 심각한 만성고통, 비가역적 관절 손상, 부기(swelling) 및 강직을 일으킨다. 류마티스 관절염의 발병 원인으로 흡연, 출산 후나 폐경기, 기타 신체적/정신적 스트레스 등이 알려져 있다. 류마티스의 발병을 조기에 발견하지 못하고 방치할 경우 점진적으로 관절이 파괴되어 발병 환자의 90%에서 발생 1년 내에 관절 변형이 일어나, 결국에는 일상적인 생활이 곤란할 정도의 장애가 발생하며, 때로는 자가면역 이상으로 인한 합병증으로 인하여 환자가 사망할 수도 있다.Rheumatoid Arthritis is a chronic autoimmune disease that occurs due to inflammation of the tissues surrounding the joints and is estimated to account for about 1% of the total population in Korea. It causes severe chronic pain, irreversible joint damage, swelling and stiffness. Smoking, postpartum or menopause, and other physical/mental stress are known causes of rheumatoid arthritis. If the onset of rheumatism is not detected early and left unattended, the joint is progressively destroyed and joint deformation occurs within 90% of onset patients within one year, eventually resulting in a disability that makes daily life difficult, and sometimes autoimmune abnormalities Complications may result in death of the patient.

이처럼, 류마티스 관절염의 조기 진단이 필요하나, 진단은 1차적으로 임상 증상에 의존하고 있고, 이미 관절 손상이 상당히 진행된 다음에야 진단이 이루어지는 경우가 다수이다. 또한, 자각증상은 무기력증, 근육통 등으로 미미하기 때문에 일반인의 경우에는 다른 관절염과의 구분이 곤란하여 방치하는 경향이 있어 조기 진단 및 대처가 어렵다. 류마티스 관절염 질환은 조기에 치료받지 못할 경우, 관절 변형이 유도된 이후에는 완치가 사실상 불가능하고 단순 염증 치료만 가능하며, 통증, 피로감, 우울증으로 인하여 삶의 질이 저하된다. 특히, 25세에서 55세에서 가장 발병률이 높아 사회경제적으로 막대한 손실을 발생시킨다. As such, although early diagnosis of rheumatoid arthritis is necessary, the diagnosis is primarily dependent on clinical symptoms, and in many cases, diagnosis is made only after the joint damage has already progressed considerably. In addition, since the subjective symptoms are insignificant due to lethargy, muscle pain, etc., in the case of the general public, it is difficult to distinguish from other arthritis and tends to leave it unattended, so it is difficult to diagnose and cope with it early. If rheumatoid arthritis disease is not treated early, it is virtually impossible to cure after joint deformation is induced, and only simple inflammation treatment is possible, and the quality of life is reduced due to pain, fatigue, and depression. In particular, the incidence rate is highest among those aged 25 to 55, causing enormous social and economic loss.

이와 관련하여, 자가면역 항체의 생성에 대한 정확한 원인은 밝혀진 바 없으나, 자가는 유전 및 환경 요인에 의하여 야기되는 유발 메커니즘이 자신의 세포를 공격하는 것으로 판단된다. 현재 류마티스 질환은 일반적으로 전혈구계산(CBC), 적혈구침강반응 속도(ESR)의 증가 여부, C-반응성 단백질(CRP) 등을 이용하여 진단되며, 최근에는 류마티스 유사인자(Rheumatoid factor, RF), 혈소판 수의 증가 여부, 면역 검사(ANA: 항핵항체 검사), 관절 초음파 검사 등을 통한 염증 수치 변화 측정을 통한 진단이 이루어지고 있다. 전술한 진단 방법 중 IgM 류마티스 유사인자(RF)를 바이오마커로 사용하여 진단하는 방법이 유력한 방안으로 알려져 있는데, RF가 생성될 경우, 염증을 갖는 관절에서 축적되는 특이적 항체와 면역 복합체를 형성하게 된다. 그러나, 국제적 진단 기준에 따르면, RF는 류마티스 관절염 환자의 20%에서 병의 진행과정 내내 음성을 보여 낮은 민감도를 나타낸다.In this regard, although the exact cause of the production of autoimmune antibodies has not been revealed, it is determined that the autoimmune mechanism induced by genetic and environmental factors attacks one's own cells. Currently, rheumatic diseases are generally diagnosed using complete blood count (CBC), increase in ESR, and C-reactive protein (CRP). Recently, rheumatoid factor (RF), Diagnosis is being made by measuring changes in inflammation levels through an increase in platelet count, an immune test (ANA: antinuclear antibody test), and joint ultrasound. Among the above-mentioned diagnostic methods, a method of diagnosing using IgM rheumatoid-like factor (RF) as a biomarker is known as a promising method. do. However, according to international diagnostic standards, RF is negative throughout the course of the disease in 20% of rheumatoid arthritis patients, indicating low sensitivity.

한편, 류마티스 관절염 환자의 관절 내에서 시트룰린화 과정이 촉진되어 단백질의 항원성이 증가됨으로써 자가 항체인 항-시트룰린화된 단백질(anti-citrullinated protein, aCCP) 항체의 생성을 유도하는 것으로 알려져 있다. 혈청 내 aCCP 항체 양성인 환자의 약 70%가 5년 내에 류마티스 관절염으로 진단될 확률이 있는 것으로 보고된 바 있다. 이처럼, 류마티스 관절염 치료의 효과는 RF와 함께 aCCP 항체의 레벨을 측정하여 평가할 수 있다. 예를 들면, 정상적인 aCCP 레벨은 <20 IU/mL인 것으로 고려될 수 있고, 류마티스 관절염에 대한 aCCP 항체의 컷-오프 값은 20 UI/mL이다. 이와 관련하여, 시트룰린화(citrullination)는 단백질의 번역 후 변형 과정에서 아미노산 잔기 중 아르기닌이 펩티딜아르기닌 탈이미노화효소에 의하여 탈이미노화되어 시트룰린으로 변환되는 과정을 의미한다. 류마티스 관절염 환자의 관절 내 시트룰린화 과정이 촉진되어 단백질의 항원성이 증가되어 자가 항체인 aCCP 항체의 생성을 유도하는 것으로 알려져 있으며, aCCP 항체는 류마티스 관절염의 진단을 위한 바이오마커로 활용될 수 있다. On the other hand, it is known that the autoantibody, anti-citrullinated protein (aCCP) antibody is produced by promoting the citrullination process in the joint of a rheumatoid arthritis patient and increasing the antigenicity of the protein. It has been reported that about 70% of patients with serum aCCP antibody positive have a chance of being diagnosed with rheumatoid arthritis within 5 years. As such, the effectiveness of treatment for rheumatoid arthritis can be evaluated by measuring the level of aCCP antibody together with RF. For example, a normal aCCP level can be considered to be <20 IU/mL, and the cut-off value of an aCCP antibody to rheumatoid arthritis is 20 UI/mL. In this regard, citrullination refers to a process in which arginine among amino acid residues is deiminated by peptidyl arginine deiminase and converted into citrulline in the post-translational modification of a protein. It is known that the citrulline process in the joints of rheumatoid arthritis patients is accelerated and the antigenicity of the protein is increased to induce the production of an autoantibody, aCCP antibody, and the aCCP antibody can be used as a biomarker for diagnosing rheumatoid arthritis.

이와 관련하여, 시트룰린화된 단백질에 특이적으로 결합하는 단클론 항체를 이용하여 류마티스 관절염과 같은 시트룰린화-관련 질환을 진단하는 방안이 개발된 바 있다(국내특허번호 제1237002호 등). In this regard, a method for diagnosing a citrulline-related disease such as rheumatoid arthritis using a monoclonal antibody that specifically binds to a citrullated protein has been developed (Korean Patent No. 1237002, etc.).

상술한 기술에서는 항원-항체의 결합을 측정하는 방식, 즉 면역 측정에 의하여 정량적으로 진단하는데, 웨스턴블롯, ELISA, 표면-증강 라만 산란법, 방사선 면역분석법, 방사면역 확산법, 면역형광 분석법, 면역 블롯 등을 이용한다. 그러나, 전술한 방식 중 ELISA의 경우, 인큐베이션 시간이 길고 다량의 시료가 사용되며, 중간 시료 제조 단계의 수가 많다. 또한, 표면-증가 라만 산란 기반의 검출 방법은 높은 비용과 많은 시간이 요구된다. 따라서, aCCP 항체의 검출 시 시료 체적이 작고, 감도가 높으며, 또한 저렴하면서 특별한 기술을 요하지 않는 전기화학적 바이오센싱 플랫폼이 요구되고 있다. In the above technique, antigen-antibody binding is quantitatively diagnosed, that is, by immunoassay, Western blot, ELISA, surface-enhanced Raman scattering, radioimmunoassay, radioimmunodiffusion, immunofluorescence, and immunoblot. use etc. However, in the case of ELISA among the above methods, the incubation time is long, a large amount of samples are used, and the number of intermediate sample preparation steps is large. In addition, the detection method based on surface-increased Raman scattering is expensive and time-consuming. Therefore, there is a need for an electrochemical biosensing platform that has a small sample volume, high sensitivity, inexpensive and does not require special technology when detecting aCCP antibody.

본 개시 내용에 따른 일 구체예에서는 종래기술의 문제점을 해결하고 간편하면서 전문가의 도움 없이도 류마티스 관절염의 바이오마커인 aCCP 항체를 정량적/정성적으로 검출 또는 진단할 수 있는 고감도의 바이오센싱 플랫폼을 제공하고자 한다.In one embodiment according to the present disclosure, to solve the problems of the prior art and provide a high-sensitivity biosensing platform capable of quantitatively/qualitatively detecting or diagnosing aCCP antibody, a biomarker of rheumatoid arthritis, without the help of a simple and expert. do.

본 개시 내용에 따른 다른 구체예에서는 aCCP 항체에 대한 높은 감도를 갖는 검출 신규 플랫폼을 이용하여 시료 내 aCCP 항체를 검출하는 방법을 제공하고자 한다.Another embodiment according to the present disclosure provides a method for detecting aCCP antibody in a sample using a novel platform for detection having high sensitivity for aCCP antibody.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면,According to the first aspect of the present disclosure,

전이금속 디칼코게나이드 및 전도성 고분자로 개질된 전극을 포함하는 베이스 매트릭스;a base matrix comprising an electrode modified with a transition metal dichalcogenide and a conductive polymer;

상기 베이스 매트릭스에 고정되고, aCCP 항체에 대한 바인딩능을 갖는 CCP; 및CCP fixed to the base matrix and having binding ability to aCCP antibody; and

aCCP 항체에 대한 포획능을 갖는, (i) 전도성 고분자와 (ii) 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 나노입자를 포함하는 나노매트릭스;At least one selected from the group consisting of (i) a conductive polymer and (ii) gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), copper (Cu) and platinum (Pt) having a capture ability for aCCP antibody Nanomatrix containing metal nanoparticles of;

를 포함하고,including,

시료 내에 aCCP 항체가 함유된 경우, 나노매트릭스에 결합된 aCCP 항체가 상기 베이스 매트릭스에 고정된 CCP와 바인딩됨에 따른 전기화학적 응답특성에 기반하여 시료 내 aCCP 항체를 정량적 및/또는 정성적으로 검출하는 전기화학적 센싱 플랫폼이 제공된다.When the aCCP antibody is contained in the sample, the aCCP antibody bound to the nanomatrix is quantitatively and/or qualitatively detecting the aCCP antibody in the sample based on the electrochemical response characteristics of binding to the CCP immobilized on the base matrix. A chemical sensing platform is provided.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면,According to a second aspect of the present disclosure,

a) aCCP 항체에 대한 바인딩능을 갖는 CCP가 고정된 베이스 매트릭스를 제공하는 단계, 상기 베이스 매트릭스는 전이금속 디칼코게나이드 및 전도성 고분자로 개질된 전극을 포함함;a) providing a base matrix to which CCP having binding ability to aCCP antibody is immobilized, wherein the base matrix includes an electrode modified with a transition metal dichalcogenide and a conductive polymer;

b) aCCP 항체에 대한 포획능을 갖는, (i) 전도성 고분자와 (ii) 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 나노입자를 포함하는 나노매트릭스가 첨가된 액상 시료를 제공하는 단계; 및b) having a capture ability for aCCP antibody, (i) a conductive polymer and (ii) gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), copper (Cu) and platinum (Pt) selected from the group consisting of providing a liquid sample to which a nanomatrix including at least one metal nanoparticle is added; and

c) 상기 CCP가 고정된 베이스 매트릭스와 상기 나노매트릭스가 첨가된 액상 시료를 접촉시켜 전기화학적 응답특성을 측정하는 단계;c) measuring the electrochemical response characteristics by bringing the CCP-fixed base matrix into contact with the liquid sample to which the nano-matrix is added;

를 포함하는, 액상 시료 내 aCCP 항체를 정량적 및/또는 정성적으로 검출하는 방법이 제공된다.A method for quantitatively and/or qualitatively detecting aCCP antibody in a liquid sample is provided, comprising:

본 개시 내용의 구체예에 따라 제공되는 바이오센싱 플랫폼은 종래의 방식과 대비하면, 전문적인 기술을 요하지 않으면서 짧은 시간 내에 간편하게 고감도로 시료(액상 시료) 내 aCCP 항체를 전기화학적 센싱에 의하여 정성적 및/또는 정량적으로 검출 또는 진단할 수 있는 장점을 제공한다. 특히, 극미량의 시료 내에 저농도로 존재하는 aCCP 항체 대하여도 신뢰성 있는 검출 감도를 달성할 수 있고, 종래 방식에 비하여 낮은 검출 한계를 가질 뿐만 아니라, 저렴한 검출 또는 진단 비용으로 구현할 수 있는 등, 상용화에 적합하다. 따라서, 향후 광범위한 활용이 기대된다.Compared to the conventional method, the biosensing platform provided according to an embodiment of the present disclosure qualitatively detects aCCP antibody in a sample (liquid sample) with high sensitivity in a short time without requiring specialized skills by electrochemical sensing. and/or quantitatively detects or diagnoses. In particular, reliable detection sensitivity can be achieved even with respect to aCCP antibody present at a low concentration in a trace amount of a sample, and it has a lower detection limit compared to the conventional method, and can be implemented at low detection or diagnostic cost, making it suitable for commercialization Do. Therefore, it is expected to be widely used in the future.

도 1은 예시적 구체예에 있어서, (a) PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE를 이용하여 시료 내 aCCP를 검출하는 개략적인 순서를 나타내는 도면, (b) CCP와 aCCP-바인딩된 PANI-Au 나노매트릭스(X는 시트룰라인임) 간의 상호작용을 예시적으로 도시하는 도면, 및 (c) 레독스 프로브 또는 매개체(mediator)로 Fe(CN)6 3-/4-를 사용하여 aCCP를 검출하는 aCCP 면역센싱 메커니즘을 보여주는 도면이고;
도 2는 PANI/MoS2/SPE 상에 EDC-NHS 표면 화학을 통하여 CCP를 고정하는 과정을 보여주는 도면이고;
도 3은 (a) 베어(bare) SPE, (b) MoS2/SPE, (c) PANI/MoS2/SPE 및 (d) PANI-Au 나노매트릭스의 SEM 사진, (e) MoS2의 TEM 사진, (f) MoS2의 격자 프린지 사진(삽입 도면은 MoS2의 SAED 패턴을 나타냄), (g) PANI-Au의 TEM 사진, (h) PANI 나노와이어 내 Au의 HR-TEM 사진, (i) 1 M HCl에 용해된 0.1 M 아닐린의 존재 하에서 50 mV/s의 주사 속도로 CV 10 사이클을 수행하는 경우, PANI 전기증착층의 CV 응답을 보여주는 그래프, 그리고 (j) MoS2, PANI, PANI/MoS2 및 PANI-Au 각각의 XRD 패턴이고;
도 4는 (a) SPE 및 (b) PANI/MoS2/SPE의 단면 SEM 사진이고;
도 5는 (a) PANI/MoS2/SPE의 EDX 스펙트럼, 그리고 PANI/MoS2/SPE에서 (b) 탄소, (c) 질소, (d) 염소, (e) 몰리브덴 및 (f) 황의 원소 맵핑이고;
도 6은 (a) PANI-Au 나노매트릭스의 EDX 스펙트럼, 그리고 PANI-Au 나노매트릭스에서 (b) 탄소, (c) 질소, (d) 염소, 및 (e) 금의 원소 맵핑이고;
도 7은 (a) PANI/MoS2 및 PANI-Au의 전범위 스펙트럼, PANI/MoS2의 디컨벌루션된 스펙트럼에서 (b) Mo 3d, (c) S 2p 및 (d) N 1s, 그리고 PANI-Au의 디컨벌루션된 스펙트럼에서 (e) Au 4f 및 (f) N 1s이고;
도 8은 (a) PANI/MoS2의 디컨벌루션된 C 1s 스펙트럼, 및 (b) PANI-Au의 디컨벌루션된 C 1s 스펙트럼이고;
도 9는 (a) 5 mM Fe(CN)6 3-/4- 존재 하에서 50 mV/s의 주사 속도로 SPE의 다른 개질층(베어 SPE, MoS2/SPE, PANI/SPE, PANI/MoS2/SPE, CCP/PANI/MoS2/SPE, BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE, 및 PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE)의 CV 응답, (b) 다른 개질층을 갖는 aCCP 면역센서 및 이에 대응하는 CV 응답 중 Ipa의 바 차트, (c) 5 mM Fe(CN)6 3-/4-을 함유하는 0.1 M KCl 내에서 1 Hz에서 10 MHz까지의 주파수 대역을 이용하여 얻어진, 다른 개질층의 SPE에 대한 Nyquist 플롯(베어 SPE, MoS2/SPE, PANI/SPE, PANI/MoS2/SPE, CCP/PANI/MoS2/SPE, BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE, 및 PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE), 그리고 (d) aCCP 면역센서의 개별 층 및 이에 대응하는 Rct 값의 바 차트이고;
도 10은 50 IU/mL의 aCCP 항체의 존재 하에서 (a) CCP의 농도, (b) pH, (c) PANI의 로딩 체적 및 (d) 인큐베이션 시간이 aCCP 면역센서의 촉매 전류 응답에 미치는 영향을 보여주는 그래프이고;
도 11은 (a) 상이한 농도의 aCCP(0.25 IU/mL, 5.0 IU/mL. 25.0 IU/mL, 50.0 IU/mL, 250.0 IU/mL, 500.0 IU/mL, 및 1,500.0 IU/mL)의 검출을 위하여, PANI-Au 나노매트릭스를 이용한 BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 면역센서의 SWV 응답, (b) SWV로부터 얻은 aCCP의 로그 농도 대 전류 응답 간의 선형 관계, (c) 인체 혈청 알부민(HSA; 10 mg/mL), immunoglobulin M (IgM) RF (500 ng/mL) 및 CRP (1,000 ng/mL)와 같은 간섭물질(interferents)을 사용하고, 나노프로브로서 Au-PANI를 사용한 BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 면역센서의 50.0 IU/mL aCCP에 대한 SWV 응답, 그리고 (d) 간섭물질의 존재 및 부존재 하에서 전류 응답 변화를 나타내는 바 차트이고;
도 12는 (a) 50.0 IU/mL aCCP의 존재 하에서 aCCP 면역센서의 4주 저장(4℃) 안정성 측정 결과를 나타내는 그래프, (b) 50.0 IU/mL aCCP 및 레독스 프로브로서 5 mM Fe(CN)6 3-/4-의 존재 하에서 5개의 상이한 PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 면역센서의 SWV 응답을 나타내는 그래프, 그리고 (c) 5개의 상이한 전극의 SWV 전류 응답을 나타내는 바 차트(에러 바는 3개의 독립적인 측정의 표준 편차를 의미함)이고; 그리고
도 13은 (a) aCCP를 스파이킹한 인체 혈청(0.25 IU/mL, 5.0 IU/mL. 25.0 IU/mL, 50.0 IU/mL, 250.0 IU/mL, 500.0 IU/mL, 및 1,500.0 IU/mL)의 검출을 위하여 나노프로브로서 PANI-Au를 이용한 BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 면역센서의 SWV 응답, 그리고 (b) log CHS-aCCP 대 전류 응답 변화 간의 선형 관계를 나타내는 그래프이다.
1 is a diagram showing a schematic sequence of detecting aCCP in a sample using (a) PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE in an exemplary embodiment, (b) CCP and Figures exemplarily showing the interaction between aCCP-bound PANI-Au nanomatrices (X is citrulline), and (c) Fe(CN) 6 3- / 4 as redox probe or mediator - It is a diagram showing the aCCP immunosensing mechanism to detect aCCP using;
2 is a diagram showing the process of immobilizing CCP through EDC-NHS surface chemistry on PANI/MoS 2 /SPE;
3 is a SEM photograph of (a) bare SPE, (b) MoS 2 /SPE, (c) PANI/MoS 2 /SPE, and (d) PANI-Au nanomatrix, (e) TEM photograph of MoS 2 , (f) lattice fringe photograph of MoS 2 (inset shows SAED pattern of MoS 2 ), (g) TEM photograph of PANI-Au, (h) HR-TEM photograph of Au in PANI nanowire, (i) A graph showing the CV response of the PANI electrodeposition layer when CV 10 cycles were performed at a scan rate of 50 mV/s in the presence of 0.1 M aniline dissolved in 1 M HCl, and (j) MoS 2 , PANI, PANI/ XRD patterns of MoS 2 and PANI-Au, respectively;
4 is a cross-sectional SEM photograph of (a) SPE and (b) PANI/MoS 2 /SPE;
5 shows (a) EDX spectrum of PANI/MoS 2 /SPE, and elemental mapping of (b) carbon, (c) nitrogen, (d) chlorine, (e) molybdenum and (f) sulfur in PANI/MoS 2 /SPE. ego;
6 is (a) EDX spectrum of PANI-Au nanomatrix, and elemental mapping of (b) carbon, (c) nitrogen, (d) chlorine, and (e) gold in PANI-Au nanomatrix;
7 shows (a) the full spectrum spectrum of PANI/MoS 2 and PANI-Au, (b) Mo 3d, (c) S 2p and (d) N 1s, and PANI- in the deconvolved spectrum of PANI/MoS 2 (e) Au 4f and (f) N 1s in the deconvolved spectrum of Au;
8 is (a) the deconvolved C 1s spectrum of PANI/MoS 2 , and (b) the deconvolved C 1s spectrum of PANI-Au;
9 shows (a) different modified layers of SPE (bare SPE, MoS 2 /SPE, PANI/SPE, PANI/MoS 2 ) in the presence of 5 mM Fe(CN) 6 3- / 4- at a scanning rate of 50 mV/s. CV responses of /SPE, CCP/PANI/MoS 2 /SPE, BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE, and PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE), (b) different modifications Bar chart of I pa in aCCP immunosensor with layers and corresponding CV response, (c) frequencies from 1 Hz to 10 MHz in 0.1 M KCl containing 5 mM Fe(CN) 6 3- / 4- Nyquist plots (bare SPE, MoS 2 /SPE, PANI/SPE, PANI/MoS 2 /SPE, CCP/PANI/MoS 2 /SPE, BSA/CCP/PANI/ MoS 2 /SPE, and PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE), and (d) bar charts of individual layers of aCCP immunosensors and their corresponding R ct values;
Figure 10 shows the effect of (a) CCP concentration, (b) pH, (c) PANI loading volume and (d) incubation time on the catalytic current response of aCCP immunosensor in the presence of 50 IU/mL of aCCP antibody. It is a graph showing;
11 shows (a) the detection of different concentrations of aCCP (0.25 IU/mL, 5.0 IU/mL. 25.0 IU/mL, 50.0 IU/mL, 250.0 IU/mL, 500.0 IU/mL, and 150.0 IU/mL). For this purpose, SWV response of BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE immunosensor using PANI-Au nanomatrix, (b) linear relationship between log concentration versus current response of aCCP obtained from SWV, (c) human serum albumin (HSA) ; 10 mg/mL), immunoglobulin M (IgM), RF (500 ng/mL) and CRP (1,000 ng/mL), and BSA/CCP/BSA/CCP/ using Au-PANI as nanoprobes, such as CRP (1,000 ng/mL). SWV response of PANI/MoS 2 /SPE immunosensor to 50.0 IU/mL aCCP, and (d) bar chart showing changes in current response in the presence and absence of interfering substances;
12 is (a) a graph showing the results of 4 weeks storage (4° C.) stability measurement of aCCP immunosensor in the presence of 50.0 IU/mL aCCP, (b) 50.0 IU/mL aCCP and 5 mM Fe (CN) as a redox probe ) a graph showing the SWV response of 5 different PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE immunosensors in the presence of 6 3- / 4 , and (c) SWV current response of 5 different electrodes is a bar chart (error bars mean standard deviation of three independent measurements); And
13 shows (a) human serum spiked with aCCP (0.25 IU/mL, 5.0 IU/mL. 25.0 IU/mL, 50.0 IU/mL, 250.0 IU/mL, 500.0 IU/mL, and 150.0 IU/mL). SWV response of the BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE immunosensor using PANI-Au as a nanoprobe for the detection of , and (b) a graph showing the linear relationship between log C HS-aCCP versus current response change.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. It is to be understood that the following description describes preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are provided to aid understanding, and the present invention is not limited thereto, and details regarding individual configurations may be properly understood by the specific purpose of the related description to be described later.

본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.Terms used herein may be defined as follows.

"면역센서"는 타겟 분자(항원)를 검출하고 정량화하기 위하여 타겟 분자와 특이적으로 바인딩되는 항체를 사용하는 센서를 의미할 수 있으며, 이때 항체는 대응되는 항원과 복합체(complex)를 형성할 수 있다."Immune sensor" may refer to a sensor using an antibody that specifically binds to a target molecule in order to detect and quantify a target molecule (antigen), wherein the antibody can form a complex with the corresponding antigen. there is.

"전이금속 디칼코게나이드"는 일반식 MX2(M은 임의의 전이금속이고, X는 칼코겐 원소임)를 의미할 수 있으며, MX2의 단일 분자층은 원자의 3개 층(atomic trilayer)에 의하여 형성되는 바, 2개의 인접하는 칼코겐 원자(X) 및 이와 공유 결합된 전이금속 원자(M)의 층으로 구성되어 X-M-X 층 구조를 형성할 수 있다. "Transition metal dichalcogenide" may refer to the general formula MX 2 (M is any transition metal and X is a chalcogen element), wherein a single molecular layer of MX 2 is an atomic trilayer As it is formed by, it is composed of a layer of two adjacent chalcogen atoms (X) and a transition metal atom (M) covalently bonded thereto to form an XMX layer structure.

"칼코겐"은 6가지 원소를 포함할 수 있는 바, 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 폴로늄(Po) 및 리버모륨(Lv)을 의미할 수 있다."Chalcogen" may refer to a bar that may contain six elements, oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), polonium (Po), and libermorium (Lv). there is.

"몰리브덴 디설파이드(MoS2)"는 2차원 구조의 전이금속 디칼코게나이드에 속하며, 벌크 상의 MoS2는 약한 반 데르발스 상호작용에 의하여 결합된 샌드위치 형태의 S-Mo-S 단일층으로 구성되어 있다. 특히, Mo 원자와 결합되는 6개의 황(S) 원자의 배열에 따라 2개의 전형적인 MoS2 상이 존재하며, 3면 구조의 프리즘 형태로 배위된 황 원자를 갖는 2H 상(phase) 및 8면 구조로 배위된 1T 상(phase)을 포함할 수 있다."Molybdenum disulfide (MoS 2 )" belongs to a transition metal dichalcogenide with a two-dimensional structure, and MoS 2 in bulk is composed of a single layer of S-Mo-S in the form of a sandwich bonded by weak van der Waals interaction. . In particular, there are two typical MoS 2 phases according to the arrangement of 6 sulfur (S) atoms bonded to Mo atoms, 2H phase having sulfur atoms coordinated in the form of a prism of a 3-sided structure, and an 8-sided structure It may include a coordinated 1T phase.

"나노시트"는 단일 또는 수개의 단일 층 두께를 가질 수 있는 2차원 재료와 유사할 수 있으며, 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터의 횡 치수를 가질 수 있다.A “nanosheet” may resemble a two-dimensional material, which may have a single or several single layer thicknesses, and may have transverse dimensions of hundreds of nanometers to tens of micrometers.

"전도성 고분자"는 전도성을 나타내는 고분자를 의미할 수 있다. 전도성 고분자는, 예를 들면 아닐린, 아미노페놀, 디아미노페놀, 피롤, 티오펜, 파라페닐렌, 플루오렌, 퓨란, 아세틸렌 혹은 이들의 유도체를 구성 단위로 하는 단일 모노머 또는 2종 이상의 모노머의 중합체일 수 있다. "Conductive polymer" may mean a polymer exhibiting conductivity. The conductive polymer may be, for example, a single monomer or a polymer of two or more monomers comprising, for example, aniline, aminophenol, diaminophenol, pyrrole, thiophene, paraphenylene, fluorene, furan, acetylene, or derivatives thereof. can

"계면 중합(interfacial polymerization)"은 2개의 비혼화성 용액의 계면 또는 이의 근처에서 일어나는 중합 반응을 의미할 수 있다."Interfacial polymerization" may refer to a polymerization reaction that occurs at or near the interface of two immiscible solutions.

"바인딩(binding)"은 표면에 공유 또는 비공유 방식으로 결합 또는 연결되는 것을 의미할 수 있다.“Binding” may mean binding or linking to a surface in a covalent or non-covalent manner.

"고정(immobilization)"은 임의의 물질 또는 생활성제가 기재에 공유적 또는 비공유적으로 직접 또는 간접 방식에 의하여 바인딩되는 것을 의미할 수 있다. "Immobilization" may mean that any substance or bioactive agent is bound, either covalently or non-covalently, to a substrate in a direct or indirect manner.

"폴리아닐린"은 선택적 음이온 투과능을 갖는 고분자 양이온으로서, 산화 상태에서 프로톤화된다. "Polyaniline" is a polymeric cation having selective anion permeability, and is protonated in an oxidized state.

"시료" 또는 "액상 시료"는 검출하고자 하는 타겟 병원체를 함유할 수 있는 한, 특정 종류 또는 형태로 한정되는 것은 아니다. 예시적으로, 시료는 생물학적 시료, 예를 들면 생물학적 유체(fluid) 또는 생물학적 조직일 수 있다. 생물학적 유체의 예로서, 뇨, 혈액, 혈장, 혈청, 타액, 정액, 대변, 가래, 뇌척수액, 눈물, 점액, 양수 등을 들 수 있다. 생물학적 조직은 세포의 집합으로서, 대체적으로 인간, 동물, 식물, 세균, 진균 또는 바이러스 구조물의 구조적 물질의 하나를 형성하는 세포 내 물질들과 특정 종류의 집합으로서 연결 조직, 상피 조직, 근육 조직 및 신경 조직 등이 이에 해당될 수 있다. 또한, 생물학적 조직의 예에는 장기, 종양, 림프절, 동맥 및 개별적인 세포(들)도 포함될 수 있다. 이외에도, 시료는 바이오물질을 저농도로 함유하는 환경 시료(environmental sample)를 포함할 수 있으며, 예를 들면 식수, 음식물 등과 같이 다양한 형태 및 종류를 포함할 수 있다."Sample" or "liquid sample" is not limited to a specific type or form as long as it can contain the target pathogen to be detected. Illustratively, the sample may be a biological sample, for example, a biological fluid or biological tissue. Examples of biological fluids include urine, blood, plasma, serum, saliva, semen, feces, sputum, cerebrospinal fluid, tears, mucus, amniotic fluid, and the like. A biological tissue is a collection of cells, usually a specific kind of collection of intracellular substances that form one of the structural substances of human, animal, plant, bacterial, fungal or viral structures, such as connective tissue, epithelial tissue, muscle tissue, and nerve. This may be an organization or the like. Examples of biological tissue may also include organs, tumors, lymph nodes, arteries, and individual cell(s). In addition, the sample may include an environmental sample containing the biomaterial in a low concentration, for example, may include various types and types such as drinking water and food.

"항체"는 면역학적으로 특정 항원과 반응성을 갖는 면역글로불린 분자를 포함하는, 항원을 특이적으로 인식하는 수용체 역할을 하는 단백질 분자를 의미할 수 있으며, 단클론 항체, 다클론 항체, 전장항체(full-length antibody), 항체 단편 및 재조합 항체를 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있다."Antibody" may refer to a protein molecule serving as a receptor that specifically recognizes an antigen, including immunoglobulin molecules having immunological reactivity with a specific antigen, monoclonal antibody, polyclonal antibody, full-length antibody -length antibody), antibody fragments, and recombinant antibodies can be understood as concepts including all of them.

"진단"은 병리 상태의 존재 또는 특성을 확인하는 것을 의미할 수 있으며, 본 개시 내용에서는 류마티스 관절염의 발병 여부를 확인하거나, 나아가 질환의 진행 여부 또는 심화 여부를 확인하는 과정을 의미할 수 있다."Diagnosing" may mean confirming the presence or characteristics of a pathological condition, and in the present disclosure, it may refer to a process of confirming whether rheumatoid arthritis develops or whether a disease has progressed or deepened.

"바이오마커"는 류마티스 관절염을 류마티스 관절염이 아닌 상태와 구분할 수 있도록 지시하는 물질을 지칭할 수 있다.A “biomarker” may refer to a substance that indicates that rheumatoid arthritis can be distinguished from a non-rheumatoid arthritis condition.

"작업 전극"은 특정(관심) 반응이 일어나는 전기화학 시스템 내 전극을 의미할 수 있고, "기준 전극"은 안정적이고 공지된 전극 전위를 갖는 전극을 의미할 수 있다.A “working electrode” may mean an electrode in an electrochemical system in which a specific (interesting) reaction occurs, and a “reference electrode” may mean an electrode having a stable and known electrode potential.

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 적어도 하나의 다른 층(중간층 또는 개재층)이 존재하거나, 또는 추가 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다. It may be understood that the expressions “on” and “on” are used to refer to the concept of relative position. Accordingly, not only the case where other components or layers are directly present in the mentioned layers, but also at least one other layer (intermediate layer or intervening layer) may be present between them, or additional components may be interposed or present. Similarly, the expressions “under”, “under” and “below” and “between” may also be understood as relative concepts with respect to location. Also, the expression “sequentially” may be understood as a concept of relative position.

"접촉한다"는 용어의 경우, 협의로는 2개의 대상 간의 직접적인 접촉을 의미하기는 하나, 광의로는 임의의 추가 구성 요소가 개재될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.In the case of the term "contacting", although narrowly it means direct contact between two objects, it can be understood that any additional element may be interposed in a broad sense.

본 명세서에 있어서 임의의 구성 요소 또는 부재가 다른 구성 요소 또는 부재와 "연결된다" 또는 "연통된다"고 기재되어 있는 경우, 달리 언급되지 않는 한, 상기 다른 구성 요소 또는 부재와 직접 연결 또는 연통되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성 요소 또는 부재의 개재 하에서 연결 또는 연통되어 있는 경우도 포함되는 것으로 이해될 수 있다.In the present specification, when it is described that any component or member is “connected” or “communicated” with another component or member, unless otherwise stated, it is directly connected or communicated with the other component or member. It can be understood that not only the case where there is, but also the case where it is connected or communicated under the intervening of other components or members.

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 시료 내 류마티스성 관절염의 바이오마커인 aCCP 항체 검출을 통하여 류마티스성 관절염의 조기 진단을 수행할 수 있는 바이오센싱 플랫폼이 제공된다.According to one embodiment of the present disclosure, a biosensing platform capable of performing early diagnosis of rheumatoid arthritis by detecting aCCP antibody, which is a biomarker of rheumatoid arthritis, in a sample is provided.

이를 위하여, 베이스 매트릭스에서는 전극 표면을 전이금속 칼코게나이드 및 전도성 고분자로 개질하고, 그 위에 타겟 바이오물질인 aCCP 항체와 바인딩(선택적 바인딩)할 수 있는 CCP가 고정된다. 이와 별도로, 시료 내에 존재하는 aCCP 항체를 포획하기 위한 나노매트릭스 프로브로서 전도성 고분자-금속나노입자의 나노매트릭스를 사용한다. 이와 같이, 시료 내에 aCCP 항체가 존재하고, 해당 시료가 CCP-고정된 베이스 매트릭스와 접촉할 경우, 시료 내에서 나노매트릭스(특히, 나노매트릭스 내 금속 나노입자)에 결합된 aCCP 항체가 베이스 매트릭스 상에 고정된 CCP와 바인딩하게 된다. 그 결과, CCP-aCCP 항체 간에 면역복합체(immunocomplex)가 형성되고, 이는 베이스 매트릭스의 전극으로부터 생성되는 전기화학적 신호를 변화시키게 된다. 이러한 전기화학적 신호의 변화를 모니터링 또는 관찰함으로써 시료 내 aCCP 항체를 정성적 및/또는 정량적으로 검출 또는 진단할 수 있다.To this end, in the base matrix, the electrode surface is modified with a transition metal chalcogenide and a conductive polymer, and CCP capable of binding (selective binding) to the aCCP antibody, a target biomaterial, is fixed thereon. Separately, a nanomatrix of conductive polymer-metal nanoparticles is used as a nanomatrix probe for capturing the aCCP antibody present in the sample. As such, when the aCCP antibody is present in the sample and the sample is in contact with the CCP-immobilized base matrix, the aCCP antibody bound to the nanomatrix (in particular, the metal nanoparticles in the nanomatrix) in the sample is transferred onto the base matrix. It binds to the fixed CCP. As a result, an immunocomplex is formed between the CCP-aCCP antibodies, which changes the electrochemical signal generated from the electrode of the base matrix. By monitoring or observing the change in the electrochemical signal, it is possible to qualitatively and/or quantitatively detect or diagnose the aCCP antibody in the sample.

바이오센싱 플랫폼Biosensing Platform

- 베이스 매트릭스- base matrix

일 구체예에 따르면, 베이스 매트릭스는 전이금속 디칼코게나이드 및 전도성 고분자로 개질된 전극을 포함한다. 예시적으로, 전극 상에 전이금속 디칼코게나이드 층이 형성되고, 그 위에 전도성 고분자 층이 순차적으로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 전극은 당업계에서 공지된 타입을 사용할 수 있는 바, 구체적으로 스크린 인쇄 전극(screen-printed electrode; SPE)를 사용하는 것이 유리할 수 있다. SPE는 전기화학 센서의 소형화 측면에서 바람직하고, 시료의 요구량을 저감할 수 있어 진단 시스템의 전체 사이즈를 감소시킬 수 있다. 또한, SPE의 표면은 다양한 검체를 분석할 수 있도록 개질하는데 용이하며, 메모리 효과, 번거로운 세척 프로세스와 같은 통상의 고상 전극이 갖는 공통적인 문제점을 회피할 수 있다. 더 나아가, SPE를 면역센서에 적용할 경우, SPE는 기계적 완결성이 높은 전기화학적 트랜스듀서로서 동일 칩 내에 작업 전극 및 기준 전극을 통합할 수 있는 장점이 있다.According to one embodiment, the base matrix includes an electrode modified with a transition metal dichalcogenide and a conductive polymer. Illustratively, a transition metal dichalcogenide layer is formed on the electrode, and a conductive polymer layer may be sequentially formed thereon. In this regard, the electrode may use a type known in the art, specifically, it may be advantageous to use a screen-printed electrode (SPE). SPE is preferable in terms of miniaturization of the electrochemical sensor, and it is possible to reduce the amount of sample required, thereby reducing the overall size of the diagnostic system. In addition, the surface of SPE is easy to modify so that various samples can be analyzed, and common problems of conventional solid-state electrodes such as memory effect and cumbersome cleaning process can be avoided. Furthermore, when SPE is applied to an immune sensor, SPE is an electrochemical transducer with high mechanical integrity, and has the advantage of integrating a working electrode and a reference electrode in the same chip.

예시적 구체예에 따르면, SPE(screen-printed electrode)로서, 탄소(C), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질일 수 있다. SPE는 일반적으로 스크린 또는 메쉬를 이용하여 고상의 기판 상에 잉크를 적층(layer-by-layer deposition)시키는 방식으로 형성되며, 작업 전극으로 기능할 수 있다. 특정 구체예에 있어서, SPE는 탄소질 물질로 구성될 수 있는 바, 예를 들면 흑연(graphite), 활성탄, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 탄소섬유, 탄소 나노튜브(CNT) 등으로부터 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 또한, SPE는 3 전극 및 2 전극 조합의 디스크 형상, 링 형상, 또는 빗살 형상을 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment, as a screen-printed electrode (SPE), at least one selected from carbon (C), gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), and the like. It may be a single material. SPE is generally formed by layer-by-layer deposition of ink on a solid substrate using a screen or mesh, and can function as a working electrode. In certain embodiments, the SPE may be composed of a carbonaceous material, for example alone from graphite, activated carbon, carbon black, acetylene black, furnace black, carbon fibers, carbon nanotubes (CNT), and the like. Or they can be used in combination. In addition, the SPE may have a disk shape, a ring shape, or a comb shape of a three-electrode and two-electrode combination.

예시적 구체예에 따르면, 베이스 매트릭스에서 전이금속 디칼코게나이드는 높은 전도도 및 고유의 전기화학적 특성에 의하여 센서의 전기적 촉매 활성도를 강화시키는 성분으로서, 이때 전이금속은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 또한, 전이금속 디칼코게나이드 내 칼코겐 원소는 황(S)일 수 있다. 일 예로서, 전이금속 디칼코게나이트는 몰리브덴 디설파이드(MoS2), 텅스텐 디설파이드(WS2), 티타늄 디설파이드(TiS2), 탄탈륨 디설파이드(TaS2), 지르코늄 디설파이드(ZrS2) 등으로부터 선택될 수 있고, 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 전이금속 디칼코게나이드는 몰리브덴 디설파이드(MoS2)일 수 있는 바, 이러한 물질은 층상 구조를 갖는 2차원의 나노시트 형태일 수 있고, 특히 높은 용해도를 갖고 있어 전도성 고분자와의 조합을 통하여 우수한 전도도 및 기능성을 제공할 수 있기 때문에 유리하다.According to an exemplary embodiment, the transition metal dichalcogenide in the base matrix is a component that enhances the electrocatalytic activity of the sensor by high conductivity and intrinsic electrochemical properties, wherein the transition metal is molybdenum (Mo), tungsten (W) , titanium (Ti), tantalum (Ta), and may be at least one selected from the group consisting of zirconium (Zr). In addition, the chalcogen element in the transition metal dichalcogenide may be sulfur (S). As an example, the transition metal dichalcogenite may be selected from molybdenum disulfide (MoS 2 ), tungsten disulfide (WS 2 ), titanium disulfide (TiS 2 ), tantalum disulfide (TaS 2 ), zirconium disulfide (ZrS 2 ), etc. , can be used alone or in combination. According to a specific embodiment, the transition metal dichalcogenide may be molybdenum disulfide (MoS 2 ). Such a material may be in the form of a two-dimensional nanosheet having a layered structure, and has particularly high solubility with a conductive polymer. It is advantageous because the combination can provide excellent conductivity and functionality.

예시적 구체예에 따르면, 전극 상에 전이금속 디칼코게나이드 층을 형성하기 위하여 당업계에 알려진 코팅 방식을 이용할 수 있는 바, 예를 들면 ACS Appl. Bio Mater. 2018, 1, 4, 1184 등에 언급되어 있다 상기 문헌은 본 명세서의 참고자료로 포함된다.. 구체적으로, 전이금속 디칼코게나이드를 용매(분산매)에 첨가하여 전이금속 디칼코게나이드-함유 잉크를 제조하고, 이를 전극 표면에 드롭핑(dropping)하여 코팅을 수행할 수 있다. 이때, 용매는 알코올계 용매, 에테르계 용매, 아미드계 용매, 케톤계 용매, 방향족계 용매, 에스테르계 용매 등일 수 있는 바, 예를 들면 알코올계 용매로서 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 2-부탄올, t-부탄올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,6-헥산디올, 사이클로헥산디올, 소르비톨, 자일리톨, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올 등으로부터 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 아미드계 용매로서 예를 들면 N,N-디메틸포름아마이드, 1-메틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, ε-카프로락탐, 포름아마이드, N-메틸포름아마이드, 아세트아마이드, N-메틸아세트아마이드, N,N-디메틸아세트아마이드, N-메틸프로판 아마이드 등으로부터 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 코팅액(코팅 분산액) 내에 전극 표면에 대한 부착성을 강화하기 위하여, 선택적으로(optionally) Nafion, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 등을 단독으로 또는 조합하여 혼입하는 방식으로 사용할 수도 있다.According to an exemplary embodiment, a coating method known in the art may be used to form a transition metal dichalcogenide layer on the electrode, for example, ACS Appl. Bio Mater. 2018, 1, 4, 1184, etc. These documents are incorporated herein by reference. Specifically, a transition metal dichalcogenide-containing ink is prepared by adding a transition metal dichalcogenide to a solvent (dispersion medium). And, it can be coated by dropping it on the electrode surface. In this case, the solvent may be an alcohol-based solvent, an ether-based solvent, an amide-based solvent, a ketone-based solvent, an aromatic solvent, an ester-based solvent, etc. For example, as an alcohol-based solvent, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol , 2-butanol, t-butanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1,6-hexanediol, cyclohexanediol, sorbitol, xylitol, 2-methyl-2,4-pentanediol, 1,3-butanediol, 1,4 -It can be used individually or in combination from butanediol etc. Further, examples of the amide solvent include N,N-dimethylformamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, 2-pyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, ε-caprolactam. , formamide, N-methylformamide, acetamide, N-methylacetamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpropanamide and the like can be used alone or in combination. In order to enhance the adhesion to the electrode surface in the coating solution (coating dispersion), optionally, Nafion, polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. may be used singly or in combination.

예시적 구체예에 따르면, 전극(구체적으로 SPE) 상에 형성되는 전이금속 디칼코게나이드의 로딩 량은, 예를 들면 약 250 내지 500 ㎍/㎠, 구체적으로 약 300 내지 450 ㎍/㎠, 보다 구체적으로 약 350 내지 420 ㎍/㎠의 범위에서 조절될 수 있다. 전이금속 디칼코게나이드의 로딩 량은 한정된 전극 면적에서 표면 개질의 최적화에 영향을 미치는 만큼, 전술한 범위에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 전이금속 디칼코게나이드 층은 나노시트, 구체적으로 나노시트로 이루어질 수 있으며, 음의 전하를 나타낼 수 있다(구체적으로, MoS2 나노시트의 경우). According to an exemplary embodiment, the loading amount of the transition metal dichalcogenide formed on the electrode (specifically SPE) is, for example, about 250 to 500 μg/cm 2 , specifically about 300 to 450 μg/cm 2 , more specifically It can be adjusted in the range of about 350 to 420 μg/cm 2 . Since the loading amount of transition metal dichalcogenide affects the optimization of surface modification in a limited electrode area, it may be advantageous to appropriately control it within the above-mentioned range. In addition, the transition metal dichalcogenide layer may be formed of a nanosheet, specifically, a nanosheet, and may exhibit a negative charge (specifically, in the case of MoS 2 nanosheet).

한편, 예시적 구체예에 따르면, 전이금속 디칼코게나이드 층이 형성된 전극 상에 전도성 고분자 층이 위치하는 방식으로 전극의 개질 복합체를 형성한다. 이때, 전도성 고분자 층은 기저의(underlying) 전이금속 디칼코게나이드/전극의 전기화학적 성능(전도도 등)을 개선하고, 또한 응집을 유도하여 전극 물질이 침출 또는 용출(leaching)되는 현상을 억제하며, 그리고 검출 대상을 포집할 수 있는 분자와의 안정적인 화학 결합능을 제공할 수 있다. On the other hand, according to an exemplary embodiment, the modified composite of the electrode is formed in such a way that the conductive polymer layer is positioned on the electrode on which the transition metal dichalcogenide layer is formed. At this time, the conductive polymer layer improves the electrochemical performance (conductivity, etc.) of the underlying transition metal dichalcogenide/electrode, and also induces aggregation to inhibit the leaching or leaching of the electrode material, In addition, it is possible to provide a stable chemical binding ability with a molecule capable of capturing a detection target.

일 예로서, 전도성 고분자는, 전형적으로 아민기를 함유하는 전도성 고분자(특히, 주쇄 내에 공액 결합을 함유할 수 있음)로부터 선정될 수 있는 바, 예를 들면 폴리아닐린(PANI), 폴리에틸렌디아민, 폴리피롤, 폴리아미노 페놀, 폴리디아미노페놀로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 전도성 고분자의 분자량(Mw)은, 예를 들면 약 1,000 내지 100,000, 구체적으로 약 3,000 내지 50,000, 보다 구체적으로 약 5,000 내지 20,000의 범위일 수 있다. 전도성 고분자의 분자량은 센서 표면 복합체의 성상에 영향을 미치는 만큼, 전술한 범위에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.As an example, the conductive polymer may be selected from a conductive polymer that typically contains an amine group (in particular, may contain a conjugated bond in the main chain), for example, polyaniline (PANI), polyethylenediamine, polypyrrole, poly It may be at least one selected from the group consisting of aminophenol and polydiaminophenol. According to an exemplary embodiment, the molecular weight (M w ) of the conductive polymer may be, for example, about 1,000 to 100,000, specifically about 3,000 to 50,000, and more specifically about 5,000 to 20,000. Since the molecular weight of the conductive polymer affects the properties of the sensor surface complex, it may be advantageous to appropriately control it within the above-mentioned range.

특정 구체예에 따르면, 전도성 고분자는 폴리아닐린(PANI)일 수 있는 바, 폴리아닐린은 나노입자들과 원활하게 결합할 수 있고, 구조적 내구성을 갖고 있기 때문에 나노구조의 복합체 형성에 유리하다. 폴리아닐린은 아닐린의 산화 중합에 의하여 합성되는데, 모노머인 아닐린의 산화 방법인 화학적 중합(chemical polymerization) 및 전기화학적 중합(electrochemical polymerization) 중 전기화학적 중합 방식을 통하여 전도성 고분자 층을 형성하는 것이 원하는 전도성을 갖는 폴리아닐린을 생성하는데 유리할 수 있다. According to a specific embodiment, the conductive polymer may be polyaniline (PANI), which is advantageous for forming a complex of nanostructures because polyaniline can be smoothly combined with nanoparticles and has structural durability. Polyaniline is synthesized by oxidative polymerization of aniline. Forming a conductive polymer layer through an electrochemical polymerization method among chemical polymerization and electrochemical polymerization, which is an oxidation method of aniline as a monomer, has desired conductivity. It can be advantageous for producing polyaniline.

예시적 구체예에서 전도층으로 적용 가능한 전도성 고분자 중 폴리아닐린은 고리 및 질소의 위치에서 여러 관능기의 치환 및 산화 상태의 조절에 따라 다양한 조성으로 존재가 가능한 화합물의 총칭으로 하기 일반식 1로 표시되는 기본 구조를 갖는다. Among the conductive polymers applicable as a conductive layer in an exemplary embodiment, polyaniline is a generic term for compounds that can exist in various compositions according to the substitution of various functional groups at the positions of rings and nitrogen and control of oxidation states, and the basic represented by the following general formula 1 have a structure

[일반식 1][General formula 1]

Figure 112021062354423-pat00001
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또한, 폴리아닐린은 산화상태(1-y)에 따라 leucoemeraldine(1-y=0; 완전 환원형), emeraldine(1-y=0.5; 중간 산화형), emerldine 염 및 perniganiline(1-y=1; 완전 산화형)으로 구분되는 바, 하기 일반식 2로 표시된다. In addition, polyaniline is leucoemeraldine (1-y=0; fully reduced form), emeraldine (1-y=0.5; intermediate oxidation form), emerldine salt and perniganiline (1-y=1; completely oxidized), and is represented by the following general formula (2).

[일반식 2][General formula 2]

Figure 112021062354423-pat00002
Figure 112021062354423-pat00002

특히, 폴리아닐린의 전기화학적 중합 반응 메커니즘은 하기 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다. In particular, the electrochemical polymerization reaction mechanism of polyaniline can be represented as in Scheme 1 below.

[반응식 1] [Scheme 1]

Figure 112021062354423-pat00003
Figure 112021062354423-pat00003

전도성 고분자로서 폴리아닐린을 사용하는 경우, 응답 메커니즘은 emeraldine 염(부분산화되고 양성자화되어 전도성을 갖는 형태)으로부터 emeraldine 베이스로의 전이에 의존한다. 상술한 바를 고려하여, 예시적 구체예에서는 전도성 고분자 층을 형성하기 위하여 전기화학적 중합 반응, 즉 전기부착(electrodeposition)을 수행할 수 있다. 전기화학적 중합방법은 전해질 용액 내 모노머가 전기장 내에서 라디컬을 형성하여 한쪽 전극으로 이동하면서 중합되는 방식으로 기저의 표면(구체적으로, 전이금속 디칼코게나이드 층)의 형태학적 특성을 유지하면서 고분자 층을 형성하는데 적합하다. 특히, 균일한 표면을 얻을 수 있고 전압을 제어하기 용이할 뿐만 아니라, 중합과 동시에 치밀한 박막을 형성할 수 있는 장점을 갖는다.In the case of using polyaniline as a conductive polymer, the response mechanism depends on the transition from the emeraldine salt (partially oxidized and protonated to have conductivity) to the emeraldine base. In consideration of the above, in an exemplary embodiment, an electrochemical polymerization reaction, ie, electrodeposition, may be performed to form a conductive polymer layer. In the electrochemical polymerization method, the monomer in the electrolyte solution forms radicals in an electric field and polymerizes while moving to one electrode. suitable for forming In particular, it has the advantage that a uniform surface can be obtained and voltage can be easily controlled, and a dense thin film can be formed simultaneously with polymerization.

전기화학적 중합 반응은 통상적으로 강산의 전해질 수용액 내에서 수행될 수 있는 바, 예를 들면 염산, 황산, 질산, p-톨루엔설폰산, 과염소산 등의 다양한 산 성분을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 황산을 사용할 수 있다. 전해질 수용액 내 강산의 농도는, 예를 들면 약 0.2 내지 1.8 M, 구체적으로 약 0.3 내지 1.5 M, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 1.2 M 범위일 수 있다. 전도성 고분자로서 폴리아닐린을 사용하는 경우, 아닐린 모노머는 치환되거나(예를 들면, p-CH3, p-OCH3, o-CF3, m-CF3, p-COOH, o-NH2, p-NH2 등으로 치환 가능함), 치환되지 않은 아닐린, 구체적으로 치환되지 않은 아닐린일 수 있고, 수용액 전해질 내에, 예를 들면 약 0.05 내지 0.5 M, 구체적으로 약 0.07 내지 0.4 M, 보다 구체적으로 약 0.08 내지 0.2 M의 농도로 함유될 수 있다. 이때, 전해질 수용액 내 강산/아닐린 모노머의 몰 비는, 예를 들면 약 3 내지 20, 구체적으로 약 5 내지 15, 보다 구체적으로 약 8 내지 12의 범위에서 조절될 수 있다. 또한, 전해질 수용액의 pH 범위는, 예를 들면 약 0.1 내지 1.5, 구체적으로 약 0.5 내지 1.3, 보다 구체적으로 약 0.7 내지 1.1 범위일 수 있다. 상술한 폴리아닐린의 중합 반응 조건은 예시적인 것으로서, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것이 아니다.The electrochemical polymerization reaction can usually be carried out in an aqueous electrolyte solution of a strong acid, for example, various acid components such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, p-toluenesulfonic acid, perchloric acid, etc. can be used alone or in combination, More specifically, sulfuric acid may be used. The concentration of the strong acid in the aqueous electrolyte solution may be, for example, in the range of about 0.2 to 1.8 M, specifically about 0.3 to 1.5 M, and more specifically about 0.5 to 1.2 M. When polyaniline is used as the conductive polymer, the aniline monomer may be substituted (eg, p-CH 3 , p-OCH 3 , o-CF 3 , m-CF 3 , p-COOH, o-NH 2 , p- NH 2 etc.), unsubstituted aniline, specifically unsubstituted aniline, and in an aqueous electrolyte, for example, about 0.05 to 0.5 M, specifically about 0.07 to 0.4 M, more specifically about 0.08 to about 0.08 M It may be contained in a concentration of 0.2 M. In this case, the molar ratio of the strong acid/aniline monomer in the aqueous electrolyte solution may be adjusted, for example, in the range of about 3 to 20, specifically about 5 to 15, and more specifically about 8 to 12. Also, the pH range of the aqueous electrolyte solution may be, for example, about 0.1 to 1.5, specifically about 0.5 to 1.3, and more specifically about 0.7 to 1.1. The polymerization reaction conditions of polyaniline described above are exemplary, and the present invention is not necessarily limited thereto.

한편, 전기화학 중합 반응에서 작업 전극에 해당되는 부재는 앞서 제작된 전이금속 디칼코게나이드로 개질된 전극일 수 있고, 기준 전극은 통상적으로 사용되는 Hg2SO4, Ag/AgCl, Ag/Ag+, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, KCl 포화된 칼로멜 반전지(SCE), 염다리백금 필라멘트 기준 전극 등일 수 있다. 이외에도, 3전극 시스템을 사용할 경우, 상대 전극(counter electrode)으로서, 예를 들면 백금 전극(백금 필라멘트 전극, 백금 링 전극 등), 금 전극, 은 전극(또는 은 네트 전극) 등과 같은 전도성 금속 재질 또는 이의 조합(백금/금 전극)으로 이루어진 전극; 전도성 입자가 코팅된 유리, 석영, 플라스틱 필름, 마이카 및 알루미늄 판; 티타늄 전극; 은/수은 필름 전극 등을 사용할 수 있다.On the other hand, the member corresponding to the working electrode in the electrochemical polymerization reaction may be an electrode modified with the transition metal dichalcogenide prepared above, and the reference electrode is Hg 2 SO 4 , Ag/AgCl, Ag/Ag + , Hg/Hg 2 SO 4 , RE-6H, Hg/HgO, KCl saturated calomel half cell (SCE), platinum salt bridge platinum filament reference electrode, and the like. In addition, when using a three-electrode system, as a counter electrode, for example, a conductive metal material such as a platinum electrode (platinum filament electrode, platinum ring electrode, etc.), a gold electrode, a silver electrode (or silver net electrode), or electrodes made of a combination thereof (platinum/gold electrodes); glass, quartz, plastic film, mica and aluminum plates coated with conductive particles; titanium electrode; A silver/mercury film electrode or the like can be used.

예시적인 전기화학적 반응은 순환 전압 전위법(cyclic voltammetry) 또는 전류법(amperometry)을 이용할 수 있는 바, 상기 방식 각각의 기본적 원리는 당업계에 알려져 있다. 전자의 경우에는 사이클이 증가할수록 중합되는 전도성 고분자 층의 두께가 증가하는 한편, 후자의 경우에는 시간이 증가할수록 중합되는 전도성 고분자 층의 두께 역시 증가하게 된다. 또한, 전기화학적 반응을 통하여 전도성 고분자 층을 형성하는 경우, 인가되는 전압은, 예를 들면 약 -1 내지 1.5 V, 구체적으로 약 -0.5 내지 1.3 V, 보다 구체적으로 약 -0.4 V 내지 1.2 V 범위에서 선택될 수 있다. 순환전압 전위법의 경우, 인가되는 전압뿐만 아니라 전류의 세기도 조절할 수 있는 바, 예를 들면 약 10-6 내지 10-1 A의 범위 내에서 선택할 수 있다. 또한, 순환전압 전위법에서 전압을 인가할 경우, 주사속도는 약 5 내지 500 mV/s 범위에서 적절히 조절할 수 있는 바, 산화-환원반응에서 산화 피크 및 환원 피크를 통하여 분극 현상 및 전기 전도 저항을 관찰할 수 있고 고분자 층이 형성되는지 확인할 수 있다. 전도성 고분자로서 폴리아닐린의 로딩량의 경우, 순환전압 전위법에서는 사이클 회수, 그리고 전류법에서는 중합 시간에 따라 조절 가능하다.An exemplary electrochemical reaction may use cyclic voltammetry or amperometry, and the basic principle of each of the methods is known in the art. In the former case, the thickness of the conductive polymer layer to be polymerized increases as the cycle increases, while in the latter case, the thickness of the conductive polymer layer to be polymerized increases as time increases. In addition, when the conductive polymer layer is formed through an electrochemical reaction, the applied voltage is, for example, about -1 to 1.5 V, specifically about -0.5 to 1.3 V, and more specifically about -0.4 V to 1.2 V range. can be selected from In the case of the cyclic voltage potential method, not only the applied voltage but also the intensity of the current can be adjusted, for example, it can be selected within the range of about 10 -6 to 10 -1 A. In addition, when a voltage is applied in the cyclic voltage potential method, the scanning speed can be appropriately adjusted in the range of about 5 to 500 mV/s, and the polarization phenomenon and electrical conduction resistance through the oxidation and reduction peaks in the oxidation-reduction reaction are reduced. It can be observed and it can be confirmed that a polymer layer is formed. The loading amount of polyaniline as a conductive polymer can be controlled according to the number of cycles in the cyclic voltammetry and polymerization time in the amperometric method.

이와 같이 형성된 전도성 고분자 층은 나노섬유 또는 나노와이어 구조를 가질 수 있고, 이때 나노섬유 또는 나노와이어의 직경은, 예를 들면 약 1 내지 100 nm, 구체적으로 약 3 내지 50 nm, 보다 구체적으로 약 5 내지 20 nm의 범위일 수 있다. 또한, 전도성 고분자 층은 다공성을 나타내어 개질되지 않은 전극에 비하여 높은 부착 경향(adhesive tendency)을 제공할 수 있다. 더욱이, 아민기-함유 전도성 고분자, 구체적으로 폴리아닐린 층은 양의 하전을 나타낼 수 있어 기저의 전이금속 디칼코게나이드 층, 구체적으로 음의 전하를 띄는 MoS2 층과 정전기적으로 상호작용하여 강한 상호작용을 유도할 수 있다. The conductive polymer layer thus formed may have a nanofiber or nanowire structure, wherein the diameter of the nanofiber or nanowire is, for example, about 1 to 100 nm, specifically about 3 to 50 nm, more specifically about 5 to 20 nm. In addition, the conductive polymer layer exhibits porosity and may provide a higher adhesive tendency compared to an unmodified electrode. Moreover, the amine group-containing conductive polymer, specifically the polyaniline layer, can exhibit a positive charge and thus electrostatically interact with the underlying transition metal dichalcogenide layer, specifically the negatively charged MoS 2 layer, resulting in a strong interaction can induce

특히, 전이금속 디칼코게나이드는 양호한 전도도를 갖고 있으며, 또한 도전성 고분자로 이를 기능화할 경우에는 용해능이 개선될 수 있다. 더 나아가, 전도성 고분자 층과 전이금속 디칼코게나이드 층 간의 상호 작용에 의하여 전극(베이스 매트릭스)의 전기화학적 활성이 현저히 증가할 수 있다.In particular, the transition metal dichalcogenide has good conductivity, and when it is functionalized with a conductive polymer, its solubility can be improved. Furthermore, the electrochemical activity of the electrode (base matrix) may be significantly increased by the interaction between the conductive polymer layer and the transition metal dichalcogenide layer.

- CCP의 고정- Fixation of CCP

일 구체예에 따르면, 추후 aCCP 항체를 함유하는 시료와 접촉할 경우에 aCCP 항체와 선택적으로 바인딩될 수 있는 CCP가 베이스 매트릭스에 고정된다. CCP의 고정을 위하여 당업계에서 알려진 표면 화학 루트, 예를 들면 공유결합의 커플링 고정(구체적으로 교차결합제(crosslinker)를 이용한 고정) 방식을 적용할 수 있다. 일 예로서, EDC/NHS 반응에 의한 카르복시기와 아민기 결합을 통하여 CCP를 전도성 고분자/전이금속 디칼코게나이드/전극 상에 고정시킬 수 있다. 이 경우, CCP의 카르복시기가 EDC와 반응하여 불안정한 아민 반응성 에스테르 중간체를 형성하고, NHS 또는 sulfo-NHS가 CCP의 카르복시기에 부착되어 준안정한 활성 에스테르 중간체를 형성한 다음, 전도성 고분자 내 아민기와 상호작용하여 CCP와 안정적인 아미드 결합을 형성하게 된다. According to one embodiment, when the sample containing the aCCP antibody is subsequently contacted, CCP that can be selectively bound to the aCCP antibody is immobilized on the base matrix. For immobilization of CCP, a surface chemical route known in the art, for example, a coupling immobilization of a covalent bond (specifically immobilization using a crosslinker) may be applied. As an example, the CCP may be immobilized on the conductive polymer/transition metal dichalcogenide/electrode through bonding of the carboxyl group and the amine group by the EDC/NHS reaction. In this case, the carboxyl group of CCP reacts with EDC to form an unstable amine-reactive ester intermediate, and NHS or sulfo-NHS is attached to the carboxyl group of CCP to form a metastable active ester intermediate, and then interacts with the amine group in the conductive polymer It forms a stable amide bond with CCP.

한편, 전술한 EDC/NHS 루트 이외에 글루타르알데히드(Glutaraldehyde), N,N'-디클로로 헥실 카르보디이미드(N,N'-Dichloro hexyl carbodiimide), 디티올-비스-숙신이미딜 프로피오네이트(Dithiobis Succinimidyl Propionate), 디이소프로필카르보디이미드(Diisopropylcarbodiimide), 또는 1-cyclohexyl-3-(2-morpholinoethyl)carbodiimide and N,N'-carbonyldiimidazole 등을 활용한 방식을 적용할 수 있다.On the other hand, in addition to the EDC / NHS route described above, glutaraldehyde, N,N'-dichlorohexyl carbodiimide, dithiol-bis-succinimidyl propionate (Dithiobis) Succinimidyl Propionate), diisopropylcarbodiimide, or 1-cyclohexyl-3-(2-morpholinoethyl)carbodiimide and N,N'-carbonyldiimidazole may be used.

예시적 구체예에 따르면, 베이스 매트릭스와 CCP 함유 용액을 접촉시켜 베이스 매트릭스에 CCP를 고정할 수 있다. 이때, CCP-함유 용액의 농도는, 전극 면적 및 센서의 측정 민감도 최적화를 고려하여, 예를 들면 약 10 내지 200 μg/ml, 구체적으로 약 60 내지 140 μg/ml, 보다 구체적으로 약 80 내지 120 μg/ml 범위에서 조절될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the CCP may be immobilized on the base matrix by contacting the base matrix with a solution containing CCP. In this case, the concentration of the CCP-containing solution is, for example, about 10 to 200 μg/ml, specifically about 60 to 140 μg/ml, more specifically about 80 to 120, in consideration of the electrode area and measurement sensitivity optimization of the sensor. It can be adjusted in the μg/ml range.

- 나노매트릭스- Nanomatrix

일 구체예에 따르면, 전술한 베이스 매트릭스와 별도로, 액상 시료 내 aCCP 항체를 포획하기 위한 프로브(나노프로브)로서 전도성 고분자 및 금속 나노입자를 포함하는 나노매트릭스가 별도로 제공된다.According to one embodiment, apart from the above-described base matrix, a nanomatrix including a conductive polymer and metal nanoparticles as a probe (nanoprobe) for capturing aCCP antibody in a liquid sample is provided separately.

이와 관련하여, 전도성 고분자는 앞서 베이스 매트릭스에 포함된 전도성 고분자, 구체적으로 아민기를 함유하는 전도성 고분자의 범위에서 선정될 수 있고, 베이스 매트릭스 내 전도성 고분자와 동일하거나 상이한 종류일 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 나노매트릭스 내 전도성 고분자로서 폴리아닐린을 사용할 수 있는 바, 폴리아닐린은 나노입자들과 원활히 결합할 수 있고, 양호한 구조적 내구성을 갖고 있어 나노구조 복합체 형성에 유리한 특성을 갖고 있기 때문에 aCCP 항체의 포획에 유리할 수 있다.In this regard, the conductive polymer may be selected from the range of the conductive polymers previously included in the base matrix, specifically, the conductive polymers containing an amine group, and may be the same as or different from the conductive polymer in the base matrix. According to a specific embodiment, polyaniline can be used as a conductive polymer in the nanomatrix. Since polyaniline can be smoothly combined with nanoparticles and has good structural durability, it has advantageous properties for forming a nanostructured complex. may be advantageous for the capture of

또한, 금속 나노입자는, 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질일 수 있으며, 보다 구체적으로는 금(Au)일 수 있다. 금(Au)은 높은 전도도 및 생체접합성을 갖고 있고, 특히 신호 증폭에 유리한 특성을 갖기 때문에 나노매트릭스 내 금속 성분으로 사용하는 것이 유리할 수 있다.In addition, the metal nanoparticles may be at least one material selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), copper (Cu) and platinum (Pt), and more specifically, gold (Au). Gold (Au) has high conductivity and biocompatibility, and in particular has advantageous properties for signal amplification, so it may be advantageous to use it as a metal component in a nanomatrix.

한편, 전도성 고분자, 구체적으로 폴리아닐린은 전술한 베이스 매트릭스 형성 시 채택 가능한 전기중합 방식과는 상이한 방식, 예를 들면 계면 중합 방식에 의하여 제조될 수 있고, 계면 중합 시 금속 나노입자 역시 합성하여 전도성 고분자-금속 나노입자를 함유하는 나노복합체를 제조할 수 있다. 일 예로서, 전도성 고분자가 폴리아닐린인 경우, 아닐린 모노머를 유기 용매, 예를 들면 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등으로부터 선택되는 적어도 하나에 용해시키는 한편, 수계 매질(구체적으로 산 용액, 보다 구체적으로 HCl 등의 강산 용액) 내에 금속 전구체를 용해시켜 중합 반응을 수행할 수 있다. 예시적으로, 나노매트릭스용 전도성 고분자의 분자량(Mw)은, 예를 들면 약 1,000 내지 100,000, 구체적으로 약 3,000 내지 50,000, 보다 구체적으로 약 5,000 내지 20,000의 범위일 수 있는 바, 분자량이 센서 표면의 복합체 성상에 영향을 미치는 점을 고려하면 전술한 범위에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.On the other hand, the conductive polymer, specifically polyaniline, can be prepared by a method different from the electropolymerization method that can be adopted when forming the above-described base matrix, for example, by an interfacial polymerization method, and metal nanoparticles are also synthesized during interfacial polymerization to synthesize the conductive polymer- Nanocomposites containing metal nanoparticles can be prepared. As an example, when the conductive polymer is polyaniline, the aniline monomer is dissolved in an organic solvent, for example, at least one selected from benzene, toluene, xylene, and the like, while an aqueous medium (specifically an acid solution, more specifically HCl, etc.) The polymerization reaction can be performed by dissolving the metal precursor in a strong acid solution of Illustratively, the molecular weight (M w ) of the conductive polymer for a nanomatrix may be, for example, about 1,000 to 100,000, specifically about 3,000 to 50,000, and more specifically about 5,000 to 20,000, as the molecular weight is in the range of the sensor surface. Considering that it affects the properties of the composite, it may be advantageous to appropriately control it within the above-mentioned range.

나노매트릭스 중 금속 나노입자를 합성할 경우, 금속 전구체로서 전형적으로 Au(III) 이온을 함유하는 화합물을 사용할 수 있는 바, 보다 전형적으로 금(III) 염화물을 사용할 수 있다. 일 예로서, 금(Au) 전구체는 HAuCl4, AuCl, AuCl2, AuCl3, Na2Au2Cl8, NaAuCl2, 및 이의 수화물로 이루어진 군으로부터 1 또는 2 이상이 선택될 수 있으며, 보다 구체적으로는 HAuCl4일 수 있다. 예시적 구체예에서, 수계 매질 내 금속 전구체의 농도는, 약 1 내지 10 mM, 구체적으로 약 2 내지 5 mM 범위일 수 있고, 유기 용매 내 전도성 고분자의 모노머(특히, 아닐린)의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 1 M, 구체적으로 약 0.3 내지 0.7 M 범위일 수 있으나, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있다.When synthesizing metal nanoparticles in a nanomatrix, a compound containing typically Au(III) ions may be used as a metal precursor, and gold(III) chloride may be more typically used. As an example, the gold (Au) precursor may be 1 or 2 or more selected from the group consisting of HAuCl 4 , AuCl, AuCl 2 , AuCl 3 , Na 2 Au 2 Cl 8 , NaAuCl 2 , and hydrates thereof, more specifically As such, it may be HAuCl 4 . In an exemplary embodiment, the concentration of the metal precursor in the aqueous medium may range from about 1 to 10 mM, specifically about 2 to 5 mM, and the concentration of the monomer (particularly aniline) of the conductive polymer in the organic solvent is, for example, For example, it may be in the range of about 0.1 to 1 M, specifically, about 0.3 to 0.7 M, but this may be understood as an example.

예시적 구체예에 따르면, 제조된 나노매트릭스 내 전도성 고분자는 나노섬유 또는 나노와이어 형태일 수 있고, 이러한 나노섬유 또는 나노와이어 매트릭스에 금속 나노입자가 부착되거나 매립되어 있는 형태일 수 있다. 이때, 금속 나노입자의 사이즈(직경)는, 예를 들면 약 3 내지 20 nm, 구체적으로 약 4 내지 18 nm, 보다 구체적으로 약 6 내지 14 nm 범위일 수 있다. 금속 나노입자의 사이즈가 전도성 고분자 및/또는 단백질과의 결합에 영향을 미치는 만큼, 이를 고려하여 전술한 범위에서 조절되는 것이 유리할 수 있다. 또한, 나노매트릭스 내 금속 나노입자(구체적으로 Au 나노입자)는, 예를 들면 약 0.1 내지 0.4 nm, 구체적으로 약 0.15 내지 0.3 nm, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.25 nm의 격자 프린지(lattice fringe)를 가질 수 있다. 이외에도, 나노매트릭스 내 나노섬유 또는 나노와이어 형태의 전도성 고분자의 경우, 이의 직경은, 예를 들면 약 1 내지 100 nm, 구체적으로 약 3 내지 50 nm, 보다 구체적으로 약 5 내지 20 nm의 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the conductive polymer in the prepared nanomatrix may be in the form of nanofibers or nanowires, and may be in the form in which metal nanoparticles are attached or embedded in the nanofiber or nanowire matrix. In this case, the size (diameter) of the metal nanoparticles may be, for example, about 3 to 20 nm, specifically about 4 to 18 nm, more specifically about 6 to 14 nm. As the size of the metal nanoparticles affects the binding to the conductive polymer and/or protein, it may be advantageous to be adjusted in the above-described range in consideration of this. In addition, the metal nanoparticles (specifically Au nanoparticles) in the nanomatrix, for example, about 0.1 to 0.4 nm, specifically about 0.15 to 0.3 nm, more specifically about 0.2 to 0.25 nm of a lattice fringe (lattice fringe) can have In addition, in the case of a conductive polymer in the form of nanofibers or nanowires in the nanomatrix, the diameter thereof may be, for example, about 1 to 100 nm, specifically about 3 to 50 nm, more specifically about 5 to 20 nm. there is.

상술한 바와 같이, 전도성 고분자-금속 나노입자를 함유하는 나노매트릭스는 액상 시료에 첨가 또는 접촉하는데, 시료 내에 aCCP 항체가 함유될 경우(즉, 양성인 경우), aCCP 항체는 나노매트릭스에 포획되는 바, 구체적으로 나노매트릭스 내 금속 나노입자에 결합될 수 있다. 구체적으로, 금속 나노입자와 aCCP 항체 간의 물리적 흡착 및 정전기적 상호작용에 의하여 aCCP 항체에 대한 높은 로딩 용량을 제공할 수 있다.As described above, the nanomatrix containing the conductive polymer-metal nanoparticles is added to or contacted with the liquid sample. Specifically, it may be bound to the metal nanoparticles in the nanomatrix. Specifically, it is possible to provide a high loading capacity for the aCCP antibody by physical adsorption and electrostatic interaction between the metal nanoparticles and the aCCP antibody.

나노매트릭스 내 전도성고분자와 금속 나노입자의 함량은 사용되는 전도성 고분자 및 금속 각각의 종류에 따라 변화하므로 일률적으로 특정하기 곤란하다. 다만 금속 나노입자의 함량이 지나치게 적은 경우에는 시료 내 aCCP 항체에 대한 포획량이 감소하여 검출 감도를 저하시키는 반면, 금속 나노입자의 함량이 지나치게 높은 경우에는 오히려 센서 응답 특성(예를 들면, 전류 변화)이 감소되는 문제점이 유발될 수 있는 만큼, 이점을 고려하여 정하여질 수 있다.The content of conductive polymers and metal nanoparticles in the nanomatrix varies according to the types of conductive polymers and metals used, so it is difficult to uniformly specify them. However, when the content of metal nanoparticles is too small, the amount of capture for the aCCP antibody in the sample decreases, thereby lowering the detection sensitivity, whereas when the content of metal nanoparticles is too high, the sensor response characteristics (e.g., change in current) To the extent that this reduced problem can be induced, it can be determined in consideration of the advantages.

예시적 구체예에 있어서, 나노매트릭스와 액상 시료는 교반(stirring) 또는 쉐이킹(shaking) 조건 하에서 접촉할 수 있다. 이때, 액상 시료는 체액 또는 혈액일 수 있다. 이와 같이, 나노매트릭스-aCCP 항체가 형성된 후에는 나노매트릭스의 잔여 활성 부위(active site)가 외부 성분 등에 의하여 오염되는 등의 현상을 억제할 목적으로, 선택적으로(optionally) BSA 등에 의하여 블로킹 처리할 수 있다.In an exemplary embodiment, the nanomatrix and the liquid sample may be contacted under stirring or shaking conditions. In this case, the liquid sample may be a body fluid or blood. In this way, after the nanomatrix-aCCP antibody is formed, for the purpose of suppressing a phenomenon such as contamination of the remaining active site of the nanomatrix by an external component, it can be optionally blocked by BSA or the like. there is.

바이오센싱 플랫폼을 이용한 시료 내 aCCP 항체의 검출(진단)Detection (diagnosis) of aCCP antibody in a sample using a biosensing platform

일 구체예에 따르면, 앞서 제작된 바이오센싱 플랫폼(또는 면역센서 플랫폼)에 있어서, CCP-고정된 베이스 매트릭스는 나노매트릭스(음성인 경우) 또는 aCCP 항체가 결합된 나노매트릭스(양성인 경우)가 첨가된 시료(액상 시료)와 접촉한다. 예시적 구체예에 따르면, 액상 시료와의 접촉에 앞서, 개질된 전극(베이스 매트릭스)에서의 활성 부위가 노출되는 것을 방지하기 위하여 바이오센서 분야에서 알려진 시약을 이용하여 블로킹 층을 형성시킬 수 있다. 이와 관련하여, 블로킹 층으로서, 예를 들면 BSA(bovine serum albumin) 및 젤라틴(예를 들면, 개질된 가수분해 돼지 젤라틴(modified hydroyzed porcine gelatin, 구체적으로 상품명 Prionex)으로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 물질을 이용할 수 있는 바, CCP-고정된 베이스 매트릭스 표면을 블로킹 처리할 수 있고, 추가적으로 인큐베이션을 수행할 수도 있다. According to one embodiment, in the biosensing platform (or immunosensor platform) prepared above, the CCP-immobilized base matrix is a nanomatrix (if negative) or a nanomatrix to which aCCP antibody is bound (if positive) is added It comes into contact with the sample (liquid sample). According to an exemplary embodiment, prior to contact with the liquid sample, a blocking layer may be formed using a reagent known in the biosensor field in order to prevent exposure of the active site in the modified electrode (base matrix). In this regard, as the blocking layer, for example, at least one selected from the group consisting of bovine serum albumin (BSA) and gelatin (for example modified hydroyzed porcine gelatin, specifically trade name Prionex® ) Since the material used is available, the surface of the CCP-immobilized base matrix may be subjected to blocking treatment, and incubation may be additionally performed.

또한, 접촉 과정에서 베이스 매트릭스에 고정된 CCP와 나노매트릭스에 포획된 aCCP 항체 간의 면역복합체 형성에 적합한 pH는, 예를 들면 약 6 내지 8.5, 구체적으로 약 7 내지 8, 보다 구체적으로 약 7.2 내지 7.5의 범위에서 조절될 수 있다. 이외에도, 접촉 시간 또는 인큐베이션 시간은, 예를 들면 약 10 내지 120분, 구체적으로 약 20 내지 100분, 보다 구체적으로 약 40 내지 80분의 범위에서 조절될 수 있다. 상술한 조건은 예시적 취지로 이해되며, 바이오센싱 플랫폼을 구성하는 물질들의 종류 등에 따라 변경될 수 있다. In addition, a suitable pH for the formation of an immunocomplex between the CCP immobilized on the base matrix and the aCCP antibody captured on the nanomatrix during the contacting process is, for example, about 6 to 8.5, specifically about 7 to 8, more specifically about 7.2 to 7.5 can be adjusted in the range of In addition, the contact time or the incubation time may be adjusted in the range of, for example, about 10 to 120 minutes, specifically about 20 to 100 minutes, and more specifically about 40 to 80 minutes. The above-described conditions are understood as illustrative, and may be changed according to the types of materials constituting the biosensing platform.

일 구체예에 따르면, CCP-고정된 베이스 매트릭스와 나노매트릭스-함유 액상 시료가 접촉하여 CCP-aCCP 항체의 면역복합체가 형성되면, 전기화학적 신호를 통한 응답 특성을 측정하여 시료 내 aCCP 항체를 정성적/정량적으로 검출 또는 진단할 수 있다. 이때, 전기화학적 신호는 전기화학적 측정장치에 의하여 검출될 수 있는 신호, 구체적으로 바이오센서 내 검출부인 작업 전극(베이스 매트릭스에 대응됨)에 의하여 검출 가능한 신호를 의미할 수 있다. 이러한 신호는 전류, 전압(전류로부터 변환된 전압), 이에 대응하는 디지털 신호 등을 포함할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 전기화학적 응답 특성은, 예를 들면 사각파 전압전류법(Square wave voltammetry), 순환전압전류법(Cyclic voltammetry), 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry), 시차 펄스 전압전류법(Differential pulse voltammetry), 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy) 등으로부터 적어도 하나를 선택하여 측정될 수 있다.According to one embodiment, when the CCP-immobilized base matrix and the nanomatrix-containing liquid sample come into contact to form an immunocomplex of the CCP-aCCP antibody, the response characteristic through the electrochemical signal is measured to qualitatively evaluate the aCCP antibody in the sample. /Can be quantitatively detected or diagnosed. In this case, the electrochemical signal may mean a signal detectable by an electrochemical measuring device, specifically, a signal detectable by a working electrode (corresponding to the base matrix) that is a detection unit in the biosensor. Such signals may include currents, voltages (voltages converted from currents), and digital signals corresponding thereto. According to an exemplary embodiment, the electrochemical response characteristics are, for example, square wave voltammetry, cyclic voltammetry, linear sweep voltammetry, differential pulse voltammetry. Method (differential pulse voltammetry), electrochemical impedance spectroscopy (Electrochemical impedance spectroscopy), etc. can be measured by selecting at least one.

예시적 구체예에 따르면, 전기화학적 응답 특성은 레독스 프로브의 존재 하에서 측정될 수 있다. 이와 관련하여, 레독스 프로브는 산화환원쌍 페로/페리시아나이드, 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘(TMB), 1-히드록시-3-메톡시카르보닐-2,2,5,5-테트라메틸피롤리돈(CMH), 메틸렌 블루(MB) 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로는 산화환원쌍 페로/페리시아나이드(Fe(CN)6 3-/4-)일 수 있다. 특히, 레독스 프로브(매개체)는 SPE와 함께 사용될 경우, 타겟의 촉매 반응을 촉진할 수 있는 장점을 갖는다. 일 예로서, 시료 내에 aCCP 항체가 함유되어 aCCP 항체가 고정된 나노매트릭스가 형성되고, 이를 CCP-고정된 베이스 매트릭스에 첨가할 경우, aCCP 항체와 CCP 간의 친화성 상호 작용에 의하여 전자전달을 제한하게 되는데, 이는 시료 내에 aCCP 항체가 존재하지 않는 경우에 비하여 낮은 전류 응답 특성을 나타낸다.According to an exemplary embodiment, the electrochemical response characteristic may be measured in the presence of a redox probe. In this regard, the redox probe is a redox pair ferro/ferricyanide, 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (TMB), 1-hydroxy-3-methoxycarbonyl-2,2, It may be at least one selected from 5,5-tetramethylpyrrolidone (CMH), methylene blue (MB), and the like, and more specifically, a redox pair ferro/ferricyanide (Fe(CN) 6 3- / 4 - ) can be In particular, when the redox probe (mediator) is used together with SPE, it has the advantage of accelerating the catalytic reaction of the target. As an example, when the aCCP antibody is contained in the sample to form a nanomatrix to which the aCCP antibody is immobilized, and this is added to the CCP-immobilized base matrix, electron transfer is restricted by affinity interaction between the aCCP antibody and CCP. However, it shows a lower current response characteristic than the case in which the aCCP antibody is not present in the sample.

예시적 구체예에 따르면, 레독스 프로브는 염 용액 내에 함유된 형태로 제공될 수 있는 바, 이때 염 용액은 KCl, NaCl, PBS 및/또는 혈청(Serum)을 포함할 수 있다. 또한, 레독스 프로브의 농도는, 예를 들면 약 2 내지 10 mM, 구체적으로 약 3 내지 8 mM, 보다 구체적으로 약 4 내지 6 mM의 범위에서 정하여질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment, the redox probe may be provided in a form contained in a salt solution, wherein the salt solution may include KCl, NaCl, PBS and/or serum. Also, the concentration of the redox probe may be, for example, about 2 to 10 mM, specifically about 3 to 8 mM, more specifically about 4 to 6 mM, but is not limited thereto.

본 구체예에 따라 제공되는 바이오센싱 플랫폼(또는 면역센서)는 종래기술에 비하여 낮은 검출 한계(LOD)를 갖는 바, 일 예로서 예를 들면 약 1 IU/mL 이하, 구체적으로 약 0.1 내지 0.5 IU/mL, 보다 구체적으로 약 0.15 내지 0.25 IU/mL 범위일 수 있으나, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있다. 이와 같이, 본 구체예에 따른 바이오센싱 플랫폼은 기존의 검출 플랫폼에 비하여 유의미한 수준으로 낮은 검출 한계를 나타낼 수 있다.The biosensing platform (or immunosensor) provided according to this embodiment has a lower limit of detection (LOD) compared to the prior art, for example, about 1 IU/mL or less, specifically about 0.1 to 0.5 IU /mL, more specifically about 0.15 to 0.25 IU/mL, but this should be understood as illustrative. As such, the biosensing platform according to the present embodiment may exhibit a significantly lower detection limit compared to a conventional detection platform.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

본 실시예에서 사용된 물질 및 장치는 하기와 같다.Materials and devices used in this example are as follows.

사용 물질substance used

- MoS2, HAuCl4.3H2O, 톨루엔, 포타슘 페리시아나이드([K3Fe(CN)6]), 포타늄 페로시아나이드([K4Fe(CN)6]), KCl, 아닐린, N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC), N-hydroxysulfosuccinimide (NHS), BSA, Nafion, 이소프로필 알코올 및 HCl 각각은 Sigma-Aldrich사로부터 구입하였다. - MoS 2 , HAuCl 4.3H 2 O , toluene, potassium ferricyanide ([K 3 Fe(CN) 6 ]), potassium ferrocyanide ([K 4 Fe(CN) 6 ]), KCl, aniline, N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC), N-hydroxysulfosuccinimide (NHS), BSA, Nafion, isopropyl alcohol and HCl were each purchased from Sigma-Aldrich.

- 21-mer cyclic filaggrin peptide 및 aCCP는 Peptron사으로부터 구입하였다.- 21-mer cyclic filaggrin peptide and aCCP were purchased from Peptron.

- 인체 혈청 및 인체 혈청 알부민은 Sigma-Aldrich사로부터 구입하였다. - Human serum and human serum albumin were purchased from Sigma-Aldrich.

- 면역글로블린 M(IgM) RF는 EastCoast Bio로부터 구입하였다.- Immunoglobulin M (IgM) RF was purchased from EastCoast Bio.

- CRP(C-reactive protein)는 Abcam으로부터 구입하였다. - C-reactive protein (CRP) was purchased from Abcam.

분석장치analysis device

- 표면 몰폴로지는 SEM(Hitachi S-4700; 작동 가속 전압: 15 kV, 에너지 분산 X-선) 및 TEM((TEM-FEI Tecnai, 300 kV 전압)을 이용하여 분석하였다.- The surface morphology was analyzed using SEM (Hitachi S-4700; operating acceleration voltage: 15 kV, energy dispersive X-ray) and TEM ((TEM-FEI Tecnai, voltage 300 kV).

- 결정상은 SmartLab X-선 회절분석기(Rigaku)를 이용하여 분석하였다.- The crystalline phase was analyzed using SmartLab X-ray diffractometer (Rigaku).

- UV 스펙트럼은 Varian Cary (1㎝ 경로 길이, 석영 셀 함유)를 이용하여 기록하였다.- UV spectra were recorded using a Varian Cary (1 cm path length, containing quartz cells).

- 전기화학 측정 및 특성화는 Ivium CompactStat 전위가변기(potentiostat)를 이용하여 수행하였다.- Electrochemical measurements and characterization were performed using an Ivium CompactStat potentiostat.

- 탄소질 스크린 인쇄 전극(작업 및 상대 전극은 탄소 재질이고, 기준 전극은 Ag/AgCl임)은 Metrohm Dropsens로부터 구입하였다.- Carbonaceous screen-printed electrodes (working and counter electrodes are made of carbon and reference electrodes are of Ag/AgCl) were purchased from Metrohm Dropsens.

- XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 원소 표면 분석은 PHI 5000 Versa Probe (Ulvac-PHI) 스렉트로미터(monochromator A1 Kα (1486.6 eV) 구비함)를 이용하여 수행하였다.- X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) elemental surface analysis was performed using a PHI 5000 Versa Probe (Ulvac-PHI) spectrometer (equipped with monochromator Al Kα (1486.6 eV)).

- FTIR(Fourier transform infrared) 스펙트로스코피 분석은 Jasco-4600 FTIR 스펙트로미터를 이용하여 수행하였다.- FTIR (Fourier transform infrared) spectroscopy analysis was performed using a Jasco-4600 FTIR spectrometer.

- MoS2 나노시트를 박리하기 위하여, 티타늄 프로브를 구비한 sonics VCX 130을 사용하였다.- To peel the MoS 2 nanosheet, sonics VCX 130 equipped with a titanium probe was used.

-pH 분석은 Thermo Fisher Scientific pH 미터를 이용하여 수행하였다.-pH analysis was performed using a Thermo Fisher Scientific pH meter.

A. 바이오센싱 플랫폼 제작A. Biosensing platform production

본 실시예에서는 시료 내 aCCP 항체를 검출하기 위하여, 도 1에 도시된 단계에 따라 바이오센싱 플랫폼을 제작하였다.In this example, in order to detect aCCP antibody in a sample, a biosensing platform was manufactured according to the steps shown in FIG. 1 .

Au-PANI 나노매트릭스의 제조Preparation of Au-PANI nanomatrix

계면 중합에 의하여 PANI-Au 나노복합체를 제조하였다. 0.1 M HCl에 3 mM HAuCl4가 용해된 수용액을 0.5 M의 아닐린이 용해된 톨루엔(유기 상)에 도입하여 계면 중합을 개시하였으며, PANI 나노섬유가 용액의 수용액 상에서 서서히 형성되었다. 이와 동시에, 중합 반응 중 Au 나노입자 역시 합성되어 PANI 나노섬유 내에 혼입되었다. 제조된 PANI-Au 용액을 상온에서 원심분리하였고, 정제를 위하여 물로 3회에 걸쳐 확산시켰다. 정제된 PANI-Au 용액을 4℃에서 저장하였다.A PANI-Au nanocomposite was prepared by interfacial polymerization. Interfacial polymerization was initiated by introducing an aqueous solution in which 3 mM HAuCl 4 was dissolved in 0.1 M HCl into toluene (organic phase) in which 0.5 M aniline was dissolved, and PANI nanofibers were slowly formed in the aqueous phase of the solution. At the same time, during the polymerization reaction, Au nanoparticles were also synthesized and incorporated into the PANI nanofibers. The prepared PANI-Au solution was centrifuged at room temperature, and was diffused three times with water for purification. The purified PANI-Au solution was stored at 4°C.

PANI-Au-aCCP의 제조Preparation of PANI-Au-aCCP

표준검정곡선을 얻기 위하여, 7개의 상이한 aCCP 농도를 이용하여 캘리브레이션하였다. 캘리브레이션 표준을 IU/mL로 나타내었다. 제조된 PANI-Au 나노프로브 5 ㎕를 쉐이킹 조건 하에서 1 시간 동안 aCCP로 혼합한 다음, 0.5% BSA를 첨가하여 PANI-Au 나노프로브 상의 잔여 활성 부위를 블로킹하였다. 그 다음, PANI-Au-aCCP를 4℃에서 1 시간 동안 인큐베이션시켰다.To obtain a standard calibration curve, 7 different concentrations of aCCP were calibrated. Calibration standards are expressed in IU/mL. 5 μl of the prepared PANI-Au nanoprobe was mixed with aCCP under shaking conditions for 1 hour, and then 0.5% BSA was added to block the remaining active sites on the PANI-Au nanoprobe. Then, PANI-Au-aCCP was incubated at 4° C. for 1 hour.

PANI/MoSPANI/MoS 22 -개질된 SPE 제조-Manufacture of modified SPE

MoS2 NS (5 mg)을 1 mL의 이소프로필 알코올에 분산시킨 다음 50 ㎕의 Nafion에 첨가하였다. 제조된 용액을 45% 진폭(amplitude)에서 5 분동안 프로브를 이용하여 초음파 처리하였다. 제조된 MoS2 잉크 10 ㎕를 SPE 상에 떨어뜨려 50 ㎍을 로딩하였다(약 398.1 ㎍/㎠). MoS2/SPE 전기활성 매트릭스의 전기화학적 성능을 높이기 위하여, 미세한 PANI 박막 필름층을 MoS2/SPE 상에 전기화학적으로 부착하였다. 아닐린의 전기화학적 중합 반응은 10 사이클에 걸쳐 -0.4 내지 1.0 V의 전위 범위에서 0.1 M 아닐린을 함유하는 1 M HCl에서 수행하였다. leucoemeraldine이 emeraldine 및 emerldine을 거쳐 perniganiline으로 레독스 전환되는 것은 0.25 V, 0.54 V, 및 0.92 V의 전위에서의 대응하는 특성 피크로 확인하였다. 전기중합된 PANI-개질된 MoS2/SPE를 흐르는 물로 세척하여 비활성화 흡착된 아닐린 모노머를 전극 표면에서 제거하였다. 전기합성된 PANI는 다공성 물질이므로 베어 SPE에 비하여 높은 접착도를 나타내는 경향을 갖기 때문에 MoS2/SPE 상에서 강하게 부착되었다.MoS 2 NS (5 mg) was dispersed in 1 mL of isopropyl alcohol and then added to 50 μl of Nafion. The prepared solution was sonicated using a probe at 45% amplitude for 5 minutes. 10 μl of the prepared MoS 2 ink was dropped on the SPE to load 50 μg (about 398.1 μg/cm 2 ). To improve the electrochemical performance of the MoS 2 /SPE electroactive matrix, a fine PANI thin film layer was electrochemically attached on the MoS 2 /SPE. The electrochemical polymerization of aniline was carried out in 1 M HCl containing 0.1 M aniline at a potential range of -0.4 to 1.0 V over 10 cycles. The redox conversion of leucoemeraldine to perniganiline via emeraldine and emerldine was confirmed by corresponding characteristic peaks at potentials of 0.25 V, 0.54 V, and 0.92 V. The electropolymerized PANI-modified MoS 2 /SPE was washed with running water to remove the inactivated adsorbed aniline monomer from the electrode surface. As the electrosynthesized PANI is a porous material, it strongly adhered on MoS 2 /SPE because it has a tendency to exhibit high adhesion compared to bare SPE.

BSA/CCP/PANI/MoSBSA/CCP/PANI/MoS 22 /SPE 제조/SPE manufacturing

생물학적 인식 메커니즘의 선택은 바이오센서의 제작에 중요한 사항인 바, 본 실시예에서는 aCCP 항체를 인식하기 위하여 시트룰린-함유 사이클릭 필라그린 펩타이드(21량체)를 사용하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, EDC-NHS 표면 화학을 이용하여 PANI/MoS2/SPE 상에 CCP를 고정하였다. 이를 위하여, 교반 하에서 30분 동안 CCP(100 ㎍/mL, 1X PBS)의 카르복시기가 EDC(0.4 M)과 반응하여 불안정한 아민-반응성 O-아실 이소우레아 에스테르 중간체를 형성하였다. 0.1 M sulfo-NHS를 상기 합성 용액에 첨가하였을 때, NHS는 CCP의 카르복시기에 부착되어 준-안정성의 활성 에스테르 중간체를 형성하도록 하였다. 최종적으로, 제조된 용액을 PANI/MoS2/SPE 상에 떨어뜨렸을 때, PANI 내 아민기가 CCP와의 안정한 아미드 결합을 촉진하였다. PANI/MoS2/SPE에서의 활성 부위 노출을 방지하기 위하여 0.5% BSA 5.0 ㎕를 CCP/PANI/MoS2/SPE 상에 떨어뜨려 4 ℃에서 인큐베이션하였다. 인큐베이션을 수행한 다음, 제작된 BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE를 1X PBS 10 ㎕로 2회 세정하였다.The selection of a biological recognition mechanism is an important matter in the manufacture of a biosensor, and in this example, a citrulline-containing cyclic filaggrin peptide (21 mer) was used to recognize the aCCP antibody. As shown in Figure 2, CCP was immobilized on PANI/MoS 2 /SPE using EDC-NHS surface chemistry. To this end, the carboxyl group of CCP (100 μg/mL, 1X PBS) was reacted with EDC (0.4 M) for 30 min under stirring to form an unstable amine-reactive O-acyl isourea ester intermediate. When 0.1 M sulfo-NHS was added to the synthesis solution, NHS was attached to the carboxy group of CCP to form a meta-stable active ester intermediate. Finally, when the prepared solution was dropped on PANI/MoS 2 /SPE, amine groups in PANI promoted stable amide bond with CCP. To prevent exposure of active sites in PANI/MoS 2 /SPE, 5.0 μl of 0.5% BSA was dropped onto CCP/PANI/MoS 2 /SPE and incubated at 4°C. After incubation, the prepared BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE was washed twice with 10 μl of 1X PBS.

B. 결과 및 토의B. Results and Discussion

PANI/MoSPANI/MoS 22 및 PANI-Au의 특성화 and characterization of PANI-Au.

SEM을 이용하여 표면 개질된 SPE의 구조 특성을 확인하였고, 이의 개별 층의 차이점을 분석하였다. 먼저, 베어(bare) SPE는 탄소 고유의 특성으로 인하여 높은 표면 조도를 갖고 있다(도 3a). MoS2 잉크를 SPE 상에 떨어뜨린 후, MoS2의 시트-유사한 특성뿐만 아니라, MoS2 나노시트가 형성되는 점을 확인하였다(도 3b). MoS2/SPE 상에서 전기중합된 PANI 층은 나노와이어 구조를 갖고 있음을 알 수 있다(도 3c). PANI/MoS2/SPE의 단면 SEM 사진은 개별 MoS2 나노시트 및 전기부착된 PANI 층과 구별되었다(도 4a 및 도 4b). Structural properties of the surface-modified SPE were confirmed using SEM, and differences between individual layers thereof were analyzed. First, the bare SPE has a high surface roughness due to the intrinsic property of carbon (FIG. 3a). After the MoS 2 ink was dropped on the SPE, it was confirmed that MoS 2 nanosheets were formed as well as the sheet-like properties of MoS 2 ( FIG. 3b ). It can be seen that the PANI layer electropolymerized on MoS 2 /SPE has a nanowire structure (Fig. 3c). Cross-sectional SEM pictures of PANI/MoS 2 /SPE were distinguished from individual MoS 2 nanosheets and electrodeposited PANI layers ( FIGS. 4a and 4b ).

도 3d를 참조하면, Au 나노입자(NP)가 PANI 나노와이어 매트릭스 내에 매립된(embedded) 형태임을 알 수 있다. 원소 분산 X-선 및 원소 맵핑 분석 결과, PANI/MoS2 샘플 내 C, N, Cl 및 Au와 같은 개별 원소의 존재(도 5a 내지 도 5f), 그리고 PANI-Au 나노매트릭스 내 C, N, Cl 및 Au와 같은 개별 원소의 존재를 확인할 수 있었다(도 6a 내지 도 6e). MoS2 나노시트 및 PANI-Au 나노매트릭스의 형태학적 및 구조적 분석은 TEM을 이용하여 수행하였다. 도 3e를 참조하면, 박막의 시트 형태를 갖고 양호한 결정성을 갖는 2D 구조의 MoS2 나노시트가 형성됨을 알 수 있다. 삽입 사진에서 6방형 격자 및 특성 격자 프린지(0.62 nm)는 MoS2의 (002) 면의 존재를 지시한다(도 3f). 도 3g에 따르면, 다량의 Au NP-로딩된 PANI 나노와이어가 관찰되었고, PANI 나노와이어 내에 분산된 Au NP의 사이즈 범위는 대략 6-14 nm이었다. PANI 내 다량의 Au NP의 존재는 정전기적 상호작용을 통한 다량의 aCCP 항체의 포획을 촉진할 수 있다. 고해상도 TEM 사진(도 3h)으로부터 0.24 nm의 격자 프린지를 갖는 Au NP의 존재를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3D , it can be seen that Au nanoparticles (NP) are embedded in the PANI nanowire matrix. As a result of elemental dispersion X-ray and elemental mapping analysis, the presence of individual elements such as C, N, Cl and Au in the PANI/MoS 2 sample ( FIGS. 5A to 5F ) and C, N, Cl in the PANI-Au nanomatrix and the presence of individual elements such as Au ( FIGS. 6a to 6e ). Morphological and structural analyzes of MoS 2 nanosheets and PANI-Au nanomatrices were performed using TEM. Referring to FIG. 3e , it can be seen that MoS 2 nanosheets having a 2D structure having a thin sheet shape and good crystallinity are formed. The hexagonal lattice and characteristic lattice fringes (0.62 nm) in the inset indicate the presence of the (002) plane of MoS 2 (Fig. 3f). According to Fig. 3g, a large amount of Au NP-loaded PANI nanowires were observed, and the size range of Au NPs dispersed in the PANI nanowires was approximately 6-14 nm. The presence of large amounts of Au NPs in PANI can facilitate the capture of large amounts of aCCP antibodies through electrostatic interactions. The presence of Au NPs with a lattice fringe of 0.24 nm can be confirmed from the high-resolution TEM photograph (FIG. 3h).

XRD를 이용하여 MoS2, PANI, PANI/MoS2, 및 PANI-Au 층의 결정 상을 분석하였다(도 3j). MoS2 나노시트에 대한 14.4°에서의 강한 특성 피크의 존재는 MoS2 나노시트가 양호한 결정성을 갖고 있음을 뒷받침한다. 전기중합된 PANI 샘플의 경우, 24°에서 넓은 피크가 관찰되었는 바, 이는 PANI가 비정질 특성을 갖고 있음을 지시한다. PANI/MoS2 XRD 패턴은 MoS2의 특성 피크(14.4°) 및 PANI의 특성 피크(24.0°)를 나타내었다. 이로부터 MoS2 층 상에서 PANI를 전기중합하는 과정 중 결정 상은 변화하지 않고, PANI/MoS2 나노복합 층 내에 PANI 및 MoS2가 존재함을 확인할 수 있다. 계면 중합된 PANI-Au 샘플은 24.9ㅀ에서 넓은 비정질 특성 피크를 나타내었다. Au 나노입자에 대응하는 Au (111), Au (200), Au (220), 및 Au (311) 특성 피크는 38.2°, 44.4°, 64.7° 및 77.6°에서 각각 관찰되었는 바, 이는 Au NP의 면-중심 입방 구조를 지시하며, 특히 가장 높은 피크 강도는 Au (111) 면에서 관찰되었다. PANI/MoS2 및 PANI-Au 나노복합체의 원소 조성을 XPS를 이용하여 분석하였다. full survey 스펙트럼은 PANI/MoS2 내 Mo, S, C, O, 및 N 원소, 그리고 PANI-Au 나노복합체 내 Au, C, O, 및 N 원소가 공존함을 보여준다(도 7a). PANI/MoS2는 Mo 3d, S 2p, C 1s, O 1s, 및 N 1s 스펙트럼을 나타내었고, 확장된 Mo 3d 스펙트럼 구역은 S 2s, Mo 3d5/2, 및 Mo 3d3/2를 함유한다(도 7b). S 2s 스펙트럼은 226.7 eV에서 캡쳐되는 하편, 디컨볼루션된 Mo 3d5/2 피크 및 Mo 3d3/2 피크는 각각 229.4 eV 및 232.5 eV에서 기록되었다. S 2p 스펙트럼은 162.1 eV, 163.3 eV 및 164.2 eV에서 각각 S 2p3/2, S 2p1/2, 및 S2 피크를 함유한다(도 7c). PANI/MoS2 내 PANI의 존재로 인하여 C 1s 디컨볼루션된 구역은 284.8 eV 및 286.3 eV에서 각각 C-C/C-H 피크 및 C-N 피크를 나타내었고(도 8a), 그리고 N 1s 디컨볼루션된 스펙트럼은 퀴노이드(quinoid) 아민 구조(-N=) (398.7 eV), 벤제노이드(benzenoid) 아민 구조(-NH-) (399.6 eV), 및 질소 양이온 라디컬(-N+-) (401.5 eV)의 존재를 나타내었다(도 7d). PANI-Au 나노복합체는 Au 4f, C 1s, O 1s, 및 N 1s 전자 산화 상태를 함유하는 바, 도 7e에서는 Au 4f 디컨볼루션 스펙트럼은 Au 4f7/2 (84.7 eV) 및 Au 4f5/2 (86.7 eV)에 대응하는 2개의 피크를 함유한다. PANI-Au의 C 1s 스펙트럼은 285.0 eV 및 286.8 eV에서 각각 C-C/C-H 피크 및 C-N 피크를 나타내었다(도 8b). PANI-Au의 디컨볼루션된 N 1s 피크는 (-N=) (398.6 eV), (-NH-) (399.6 eV), 및 (-N+-) (401.6 eV)에 대응하는 3종의 질소로부터 기인한다(도 7f).The crystal phases of MoS 2 , PANI, PANI/MoS 2 , and PANI-Au layers were analyzed using XRD ( FIG. 3j ). The presence of a strong characteristic peak at 14.4° for MoS 2 nanosheets supports that MoS 2 nanosheets have good crystallinity. In the case of the electropolymerized PANI sample, a broad peak was observed at 24°, indicating that PANI has amorphous properties. The PANI/MoS 2 XRD pattern showed a characteristic peak of MoS 2 (14.4°) and a characteristic peak of PANI (24.0°). From this, the crystal phase does not change during the electropolymerization of PANI on the MoS 2 layer, and it can be confirmed that PANI and MoS 2 are present in the PANI/MoS 2 nanocomposite layer. The interfacially polymerized PANI-Au sample showed a broad amorphous characteristic peak at 24.9°C. Au (111), Au (200), Au (220), and Au (311) characteristic peaks corresponding to Au nanoparticles were observed at 38.2°, 44.4°, 64.7°, and 77.6°, respectively, which is a bar of Au NPs. Indicating a face-centered cubic structure, especially the highest peak intensity was observed in the Au (111) plane. Elemental compositions of PANI/MoS 2 and PANI-Au nanocomposites were analyzed using XPS. The full survey spectrum shows the coexistence of Mo, S, C, O, and N elements in PANI/MoS 2 and Au, C, O, and N elements in the PANI-Au nanocomposite ( FIG. 7a ). PANI/MoS 2 exhibited Mo 3d, S 2p, C 1s, O 1s, and N 1s spectra, and the extended Mo 3d spectral region contains S 2s, Mo 3d 5/2 , and Mo 3d 3/2 . (Fig. 7b). The S 2s spectrum was captured at 226.7 eV, and the deconvolved Mo 3d 5/2 peak and Mo 3d 3/2 peak were recorded at 229.4 eV and 232.5 eV, respectively. The S 2p spectrum contains S 2p 3/2 , S 2p 1/2 , and S2 peaks at 162.1 eV, 163.3 eV and 164.2 eV, respectively ( FIG. 7c ). Due to the presence of PANI in PANI/MoS 2 , the C 1s deconvolved region showed a CC/CH peak and a CN peak at 284.8 eV and 286.3 eV, respectively ( FIG. 8a ), and the N 1s deconvolved spectrum was Presence of quinoid amine structure (-N=) (398.7 eV), benzenoid amine structure (-NH-) (399.6 eV), and nitrogen cation radicals (-N + -) (401.5 eV) was shown (Fig. 7d). The PANI-Au nanocomposite contains Au 4f, C 1s, O 1s, and N 1s electron oxidation states. In Fig. 7e, the Au 4f deconvolution spectra are Au 4f7/2 (84.7 eV) and Au 4f5/2 ( 86.7 eV). The C 1s spectrum of PANI-Au showed a CC/CH peak and a CN peak at 285.0 eV and 286.8 eV, respectively ( FIG. 8b ). The deconvolved N 1s peaks of PANI-Au are three nitrogens corresponding to (-N=) (398.6 eV), (-NH-) (399.6 eV), and (-N + -) (401.6 eV). from (Fig. 7f).

PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoSPANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 22 /SPE 면역센서의 전기화학적 특성화Electrochemical characterization of /SPE immunosensors

- 순환전위법(CV)- Cyclic potential method (CV)

aCCP 검출에 앞서, 0.1 M KCl 내 5 mM Fe(CN)6 3-/4-의 존재 하에서 CV를 이용하여 개질된 SPE의 개별 층의 전기화학적 특성을 분석하였다. 도 9a로부터 관찰되는 바와 같이, 베어 SPE는 바람직하지 않은 전기화학적 거동으로 인하여 낮은 전류 응답(Ipa=123.6 μA, Ipc=104.1 μA)을 생성하였다. 전기화학적 전류 응답(Ipa=41.6 μA, Ipc=34.0 μA)의 소모는 전극 표면이 MoS2 잉크로 개질된 후에도 관찰되었다. 이는 전극 계면에서 MoS2/SPE와 Fe(CN)6 3-/4- 이온 간의 전자-블로킹 층의 형성으로부터 기인한다.Prior to aCCP detection, the electrochemical properties of individual layers of modified SPE were analyzed using CV in the presence of 5 mM Fe(CN) 6 3- / 4- in 0.1 M KCl. As observed from Figure 9a, bare SPE produced a low current response (I pa =123.6 μA, I pc =104.1 μA) due to undesirable electrochemical behavior. Consumption of the electrochemical current response (I pa =41.6 μA, I pc =34.0 μA) was observed even after the electrode surface was modified with MoS 2 ink. This results from the formation of an electron-blocking layer between MoS 2 /SPE and Fe(CN) 6 3- / 4 ions at the electrode interface.

PANI-개질된 전극은 PANI의 아민기와 Fe(CN)6 3-/4- 간의 강한 상호작용으로 인하여 보다 높은 전류 응답(Ipa=703.8 μA, Ipc=609.1 μA)을 나타내었다. PANI가 MoS2/SPE 상에서 전기중합되기 때문에 MoS2/SPE의 전기음성도는 완전히 중화되었고, PANI/MoS2/SPE의 경우에는 높은 전류 응답(Ipa=950.2 μA, Ipc=838.5 μA)이 캡쳐되었다. 이처럼, MoS2와 PANI 간의 상호작용으로 인하여 PANI/MoS2/SPE의 전기화학적 활성이 증가하는 것으로 결론내릴 수 있다. PANI/MoS2/SPE 상에 CCP를 고정할 경우, 절연층이 형성되어 전자전달을 제한함으로써 레독스 피크 전류의 급격한 감소(Ipa=320.4 μA, Ipc=208.6 μA)를 유도하였다. CCP/PANI/MoS2/SPE의 남아 있는 비흡착 부위는 0.5% BSA 고정 시 블로킹되었다.The PANI-modified electrode showed a higher current response (I pa =703.8 μA, I pc =609.1 μA) due to the strong interaction between the amine group of PANI and Fe(CN) 6 3- / 4- . Since PANI was electropolymerized on MoS 2 /SPE, the electronegativity of MoS 2 /SPE was completely neutralized, and in the case of PANI/MoS 2 /SPE, a high current response (I pa = 950.2 μA, I pc =838.5 μA) was obtained. was captured As such, it can be concluded that the electrochemical activity of PANI/MoS 2 /SPE increases due to the interaction between MoS 2 and PANI. When CCP was immobilized on PANI/MoS 2 /SPE, an insulating layer was formed to limit electron transport, thereby induced a sharp decrease in the redox peak current (I pa =320.4 μA, I pc =208.6 μA). The remaining non-adsorbed sites of CCP/PANI/MoS 2 /SPE were blocked upon fixation with 0.5% BSA.

BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE의 CV 응답은 감소된 전류 응답(Ipa=256.8 μA, Ipc=198.9 μA)을 뒷받침한다. 최종적으로, PANI-Au-aCCP의 첨가 시, 제한된 전자 전달(aCCP와 CCP 간의 친화성 상호작용으로부터 기인함)은 낮은 전류 응답(Ipa=216.9 μA, Ipc=151.7 μA)을 생성하였다(도 1c). The CV response of BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE supports the reduced current response (I pa =256.8 μA, I pc =198.9 μA). Finally, upon addition of PANI-Au-aCCP, limited electron transfer (resulting from the affinity interaction between aCCP and CCP) produced a low current response (I pa =216.9 μA, I pc =151.7 μA) (Fig. 1c).

PANI-Au 내 aCCP의 포획의 중요성은 PANI-Au 나노매트릭스의 존재 및 부존재 하에서 aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE의 CV 응답에 의하여 특성화되었다. 이때, PANI-Au의 부존재 하에서 소모된 전류 응답(Ipa=95.8 μA, Ipc=100.3 μA)이 관찰되었다. 반면, aCCP 항체가 포획된 PANI-Au 나노복합체가 첨가될 경우, 강화된 전류 응답(Ipa=216.9 μA, Ipc=151.7 μA)이 관찰되었는 바, 이는 PANI-Au 나노복합체의 높은 전도도가 SWV를 통한 aCCP의 검출을 용이하게 하기 때문이다. 도 9b의 바 차트는 SPE의 개질을 구성하는 개별 레벨에서의 Ipa 변화를 보여준다. 상기 결과는 aCCP 면역센서가 BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 면역검출 플랫폼을 이용하고 aCCP 항체를 포획하기 위한 PANI-Au 나노매트릭스에 의하여 성공적으로 구현됨을 시사한다.The importance of capture of aCCP in PANI-Au was characterized by the CV response of aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE in the presence and absence of PANI-Au nanomatrices. At this time, the consumed current response (I pa =95.8 μA, I pc =100.3 μA) was observed in the absence of PANI-Au. On the other hand, when the PANI-Au nanocomposite in which the aCCP antibody was captured was added, an enhanced current response (I pa =216.9 μA, I pc =151.7 μA) was observed, indicating that the high conductivity of the PANI-Au nanocomposite was SWV This is because it facilitates the detection of aCCP through The bar chart in FIG. 9b shows the change in I pa at individual levels constituting the modification of SPE. The above results suggest that the aCCP immunosensor was successfully implemented using the BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE immunodetection platform and the PANI-Au nanomatrix for capturing the aCCP antibody.

- 전기화학적 임피던스 스펙트로스코피- Electrochemical impedance spectroscopy

베어 SPE, MoS2/SPE, PANI/SPE, PANI/MoS2/SPE, CCP/PANI/MoS2/SPE, BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE, 및 PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE와 같은 특정 전극층의 전기화학적 전하 전달 저항(Rct) 기여는 EIS Nyquist 플롯을 이용하여 특성화되었다. 주파수는 1 Hz에서 1 MHz까지 범위에서 설정되었고, Nyquist 프롯은 가장 알맞은 등가 회로를 이용하여 피팅되었다. 전극 표면의 전하 전달 특성은 벌크 용액 저항(Rs), 전극 계면에서 이온에 의하여 형성된 이중층 커패시턴스(Cdl), 및 전하 전달 저항(Rct)에 의하여 정하여지는 바, 이는 전극-전해질 계면에서 레독스 특성 전류 흐름 및 Zw(Warburg 임피던스를 지시함) 때문이다. 도 9c에서, Nyquist 플롯의 반원 부분은 전극 게면에서 Rct를 의미하고, 선형 부위는 전극 표면에서 전자의 확산을 지시한다. 적절한 등가 회로를 이용한 피팅 후, 베어 SPE, MoS2/SPE, PANI/SPE, 및 PANI/MoS2/SPE에 대하여 수득된 Rct 값은 각각 159.1 Ω, 293.9 Ω, 20.6 Ω, 및 15.6 Ω이었다. 도 9c에 나타낸 바와 같이, 베어 SPE는 낮은 전기화학적 활성으로 인하여 바람직하지 않은 전기화학적 응답을 나타내는 한편, MoS2/SPE는 MoS2/SPE의 표면에서 축적된 전기음성 전하가 보다 높은 Rct를 유도하였다. 가장 낮은 Rct는 PANI/MoS2/SPE (15.6 Ω)에서 얻어졌는 바, 이는 PANI/MoS2/SPE의 높은 전도도를 의미한다. CCP의 고정은 증가된 Rct (342.1 Ω)에 의하여 확인되었다. BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE에서 증가된 Rct (582.1 Ω)는 CCP/PANI/MoS2/SPE에서 바인딩되지 않은 CCP 활성 부위가 블로킹되었음을 의미한다. 마지막으로, PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE의 가장 높은 Rct (928.7 Ω)는 전극 계면에서 전자전달을 제한적으로 블로킹하는 aCCP와 CCP 간의 상호작용을 뒷받침한다. 전체적으로 얻어진 결과(도 9d)는 aCCP에 대한 면역센서가 성공적으로 제작되었음을 시사한다.Bare SPE, MoS 2 /SPE, PANI/SPE, PANI/MoS 2 /SPE, CCP/PANI/MoS 2 /SPE, BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE, and PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/ The electrochemical charge transfer resistance (R ct ) contribution of specific electrode layers, such as PANI/MoS 2 /SPE, was characterized using EIS Nyquist plots. The frequency was set in the range of 1 Hz to 1 MHz, and the Nyquist plot was fitted using the most suitable equivalent circuit. The charge transfer properties of the electrode surface are determined by the bulk solution resistance (R s ), the double-layer capacitance formed by ions at the electrode interface (C dl ), and the charge transfer resistance (R ct ), which is the ratio at the electrode-electrolyte interface. This is due to the Dox characteristic current flow and Z w (indicating Warburg impedance). In Fig. 9c, the semicircular part of the Nyquist plot means R ct at the electrode face, and the linear region indicates the diffusion of electrons at the electrode surface. After fitting with an appropriate equivalent circuit, the R ct values obtained for bare SPE, MoS 2 /SPE, PANI/SPE, and PANI/MoS 2 /SPE were 159.1 Ω, 293.9 Ω, 20.6 Ω, and 15.6 Ω, respectively. As shown in Fig. 9c, bare SPE exhibits an undesirable electrochemical response due to low electrochemical activity, while MoS 2 /SPE induces a higher R ct due to the electronegative charge accumulated on the surface of MoS 2 /SPE. did The lowest R ct was obtained for PANI/MoS 2 /SPE (15.6 Ω), indicating high conductivity of PANI/MoS 2 /SPE. The fixation of CCP was confirmed by increased R ct (342.1 Ω). The increased R ct (582.1 Ω) in BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE means that the unbound CCP active site was blocked in CCP/PANI/MoS 2 /SPE. Finally, the highest R ct (928.7 Ω) of PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE supports the interaction between aCCP and CCP, which restrictively blocks electron transport at the electrode interface. The overall results (Fig. 9d) suggest that the immunosensor for aCCP was successfully fabricated.

바이오센서의 최적화Optimization of biosensors

먼저, 제작된 면역센서에서 aCCP-부착된 PANI-Au 나노매트릭스 50.0 IU/mL에 대하여 CCP의 농도(25.0-150.0 μg/mL)를 변화시켜 테스트하였다. CCP 의 농도를 25.0 내지 50.0 μg/mL로 변화시킴에 따라, 촉매 전류 응답 변화(ΔI)는 점차적으로 증가하였고, 가장 높은 ΔI는 100.0 μg/mL의 CCP에서 관찰되었다. CCP의 농도가 125.0 내지 150.0 μg/mL인 경우, ΔI는 감소하기 시작하였다(도 10a).First, it was tested by varying the concentration of CCP (25.0-150.0 μg/mL) with respect to 50.0 IU/mL of the aCCP-attached PANI-Au nanomatrix in the manufactured immune sensor. As the concentration of CCP was changed from 25.0 to 50.0 μg/mL, the change in catalytic current response (ΔI) gradually increased, and the highest ΔI was observed for CCP of 100.0 μg/mL. When the concentration of CCP was 125.0 to 150.0 μg/mL, ΔI started to decrease ( FIG. 10A ).

구획된 전극 표면에서 100 μg/mL를 초과하는 CCP 단백질을 로딩할 경우, CCP가 응집될 수 있고, 시트룰린 항체 바인딩 부위를 블로킹하여 PANI-Au-aCCP 첨가 시 CCP-aCCP 면역복합체 형성을 방해할 수 있다. 따라서, CCP-aCCP 면역복합체의 형성 억제는 ΔI의 감소를 유도하는, 구획된 전극 표면의 전자 블로킹 층(면역복합체로부터 기인함)을 약화시킨 결과일 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 검출 시스템의 경우, 최적 농도는 100.0 μg/mL의 CCP로 선정될 수 있다. When CCP protein in excess of 100 μg/mL is loaded on the compartmentalized electrode surface, CCP may aggregate and block the citrulline antibody binding site, thereby interfering with CCP-aCCP immunocomplex formation upon addition of PANI-Au-aCCP. there is. Therefore, inhibition of the formation of CCP-aCCP immunocomplexes may be the result of weakening the electron-blocking layer (derived from the immunocomplexes) on the compartmentalized electrode surface, leading to a decrease in ΔI. Therefore, in the case of the detection system according to the present embodiment, the optimal concentration may be selected as CCP of 100.0 μg/mL.

또한, 50.0 IU/mL의 aCCP 항체의 존재 하에 PANI-Au를 이용한 aCCP 면역센서에 대한 ΔI를 pH 레벨(6.0-8.2)을 변화시키면서 측정하였다. ΔI는 pH 6.0 내지 7.0에서 점차적으로 증가하였으며, pH 7.4에서 최대 ΔI 응답을 얻었다(도 10b). CCP와 aCCP 항체 간의 생물학적 활성은 중성의 pH 부근(7.4)에서 높은 친화성을 나타내면서 유지되었는 바, 이는 높은 전기촉매적 전류 응답으로부터 비롯된 것일 수 있다.In addition, ΔI for the aCCP immunosensor using PANI-Au in the presence of 50.0 IU/mL of aCCP antibody was measured while changing the pH level (6.0-8.2). ΔI gradually increased from pH 6.0 to 7.0, and the maximum ΔI response was obtained at pH 7.4 ( FIG. 10b ). The biological activity between CCP and aCCP antibody was maintained with high affinity near neutral pH (7.4), which may be due to the high electrocatalytic current response.

aCCP 항체는 aCCP 항체와 PANI-Au 간의 정전기적 상호작용을 통하여 PANI-Au 나노매트릭스에서 흡수될 수 있기 때문에, PANI-Au의 로딩 체적이 검출 시스템의 성능에 중요한 역할을 한다. PANI-Au 나노복합체의 로딩 체적은 0 내지 10 ㎕의 범위에서 변화시켰다(도 10c). PANI-Au의 로딩 체적을 변화시키면서(0 μL, 0.5 μL, 2.5 μL, 5.0 μL, 7.5 μL, 및 10.0 μL) 얻은 SWV 전류 응답은 0-5.0 μL의 PANI-Au에서 높은 전류 응답을 얻을 수 있고, 특히 5.0 μL에서 최대 전류 응답이 도출되었다. 또한, 7.5-10.0 μL의 PANI-Au에서는 전류 응답이 감소하였는 바, 이는 전극 계면에서의 입체 장애 때문이다.Since the aCCP antibody can be absorbed in the PANI-Au nanomatrix through the electrostatic interaction between the aCCP antibody and PANI-Au, the loading volume of PANI-Au plays an important role in the performance of the detection system. The loading volume of the PANI-Au nanocomposite varied in the range of 0 to 10 μl (Fig. 10c). SWV current responses obtained by varying the loading volumes of PANI-Au (0 µL, 0.5 µL, 2.5 µL, 5.0 µL, 7.5 µL, and 10.0 µL) can be obtained with high current responses from 0-5.0 µL of PANI-Au and , especially at 5.0 μL, the maximum current response was elicited. In addition, the current response decreased in 7.5-10.0 μL of PANI-Au, which is due to steric hindrance at the electrode interface.

인큐베이션 시간이 aCCP 면역센서의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 50.0 IU/mL의 aCCP 항체의 존재 하에서 PANI-Au를 이용한 aCCP 면역센서를 상이한 인큐베이션 시간(0-90분)에서 평가하였다(도 10d). 최대 SWV 피크 전류 변화는 60분에서 관찰되었다.To analyze the effect of incubation time on the electrochemical performance of the aCCP immunosensor, the aCCP immunosensor using PANI-Au in the presence of 50.0 IU/mL of aCCP antibody was evaluated at different incubation times (0-90 min) ( Fig. 10d). The maximum SWV peak current change was observed at 60 min.

PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoSPANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 22 /SPE 면역센서의 SWV 응답 특성화Characterization of SWV Response of the /SPE Immunosensor

증가된 분석 조건 하에서, SWV 전기분석 테크닉을 이용하고, 레독스 매개체로서 5 mM Fe(CN)6 3-/4-의 존재 하에 BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 면역센서의 분석 성능을 조사하였다. 전체 분석은 40 ㎕의 전해질(1X PBS, pH = 7.4)의 존재 하에서 수행되었다.Under the increased assay conditions, using the SWV electroanalysis technique, the assay performance of BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE immunosensor was investigated in the presence of 5 mM Fe(CN) 6 3- / 4 as a redox mediator. did The entire assay was performed in the presence of 40 μl of electrolyte (1X PBS, pH = 7.4).

aCCP를 연속적으로 첨가한 후, 0.37 V에서 피크 전류 응답은 점차적으로 감소하였고, aCCP의 동적 검출 범위를 분석하였다(도 11a). 센서의 피크 전류 응답의 변화는 0.25에서 1500 IU/mL aCCP의 로그 농도와 선형 관계에 있음을 보여준다(도 11b). ΔI는 aCCP 농도에 대응되는 피크 전류 감소를 의미하며, 하기 수학식 1에 의하여 계산될 수 있다.After continuous addition of aCCP, the peak current response at 0.37 V gradually decreased, and the dynamic detection range of aCCP was analyzed (Fig. 11a). It shows that the change in the peak current response of the sensor is linearly related to the log concentration of 0.25 to 1500 IU/mL aCCP (Fig. 11b). ΔI means a decrease in peak current corresponding to the aCCP concentration, and may be calculated by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

ΔI = Ino aCCP-IaCCP ΔI = I no aCCP -I aCCP

상기 식에서, Ino aCCP는 aCCP의 부존재 하에서 면역센서의 피크 전류이고, IaCCP는 aCCP 첨가 후에 관찰된 피크 전류에 상당한다.In the above equation, I no aCCP is the peak current of the immunosensor in the absence of aCCP, and I aCCP corresponds to the peak current observed after addition of aCCP.

얻어진 식은 ΔI(μA) = 4.4713log CaCCP(IU/mL)+3.962 (R2 = 0.9974)이었고, IUPAC에서 제시된 표준방법을 이용하여 면역센서의 검출 한계를 산출하였다. LOD는 하기 수학식 2에 의하여 표현될 수 있다.The obtained formula was ΔI(μA) = 4.4713log C aCCP (IU/mL)+3.962 (R 2 = 0.9974), and the detection limit of the immune sensor was calculated using the standard method presented by IUPAC. LOD can be expressed by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

LOD = 3SD/SLOD = 3S D /S

상기 식에서, SD는 aCCP의 부재 하에서 10개의 블랭크의 표준 편차이고, S는 검정곡선의 기울기이다.where S D is the standard deviation of 10 blanks in the absence of aCCP, and S is the slope of the calibration curve.

이처럼, aCCP 면역센서는 0.25-1500 IU/mL의 로그 동적 범위로 aCCP 항체를 검출하였으며, LOD는 1X PBS 내에서 0.16 IU/mL이었다(S/N=3). 앞서 보고된 문헌에서 제시된 aCCP 검출 한계와 비교한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.As such, the aCCP immunosensor detected aCCP antibody with a log dynamic range of 0.25-1500 IU/mL, and the LOD was 0.16 IU/mL in 1X PBS (S/N=3). The results compared with the aCCP detection limit presented in the previously reported literature are shown in Table 1 below.

구분division 동적범위
(IU/mL)
dynamic range
(IU/mL)
검출한계
(IU/mL)
detection limit
(IU/mL)
샘플 타입sample type 비고note
전기화학적
전류측정법
electrochemical
amperometric method
10-1000.010-1000.0 2.52.5 PBSPBS Analyst. 145 (2020) 4680-4687Analyst. 145 (2020) 4680-4687
형광 면역분석
(BioPlexTM 2200)
Fluorescence Immunoassay
(BioPlex TM 2200)

3-300.0

3-300.0
0.20.2 HSHS RSC Adv. 4 (2014) 32924-32927RSC Adv. 4 (2014) 32924-32927
ELISA
(ImmunLisaTM CCP)
ELISA
(ImmunLisa TM CCP)
25-3200.025-3200.0 1.61.6 HSHS RSC Adv. 4 (2014) 32924-32927RSC Adv. 4 (2014) 32924-32927
전기화학적 SWVelectrochemical SWV 0.25-1500.00.25-1500.0 0.160.16
PBS

PBS
본 발명the present invention
전기화학적 SWVelectrochemical SWV 0.25-1500.00.25-1500.0 0.220.22 10% HS10% HS 본 발명the present invention

. .

실시예에 따른 면역센서가 보다 높은 검출한계를 갖는 것은 PANI-Au 나노매트릭스 상에 aCCP 항체의 로딩 용량이 증가되었기 때문으로 볼 수 있다. 또한, PANI/MoS2/SPE 전극(베이스 매트릭스)의 전기촉매적 활성이 전기촉매 활성에 중대한 개선을 유도한 것으로 판단된다. PANI 베이스 매트릭스는 전기화학적 성능을 개선할 뿐만 아니라, EDC-NHS 표면 화학을 경유한 CCP와 PANI 간 안정적인 아미드 결합 형성을 통하여 PANI/MoS2/SPE 상에 CCP가 용이하게 고정될 수 있도록 한다. 도출된 실험 결과는 PANI/MoS2 나노복합체의 베이스 매트릭스 및 PANI-Au NP 나노매트릭스가 광범위한 동적 범위 및 보다 우수한 검출 한계를 제공할 수 있는 잠재적 후보군임을 시사한다.The reason that the immunosensor according to the embodiment has a higher detection limit can be considered because the loading capacity of the aCCP antibody on the PANI-Au nanomatrix is increased. In addition, it is considered that the electrocatalytic activity of the PANI/MoS 2 /SPE electrode (base matrix) induced a significant improvement in the electrocatalytic activity. The PANI base matrix not only improves the electrochemical performance, but also facilitates the immobilization of CCP on PANI/MoS 2 /SPE through stable amide bond formation between CCP and PANI via EDC-NHS surface chemistry. The derived experimental results suggest that the base matrix of the PANI/MoS 2 nanocomposite and the PANI-Au NP nanomatrix are potential candidates for providing a broad dynamic range and better detection limits.

aCCP 면역 센서의 원리Principle of aCCP Immune Sensor

도 1b을 참조하면, aCCP 면역센서에서 표면 개질된 전극 상에 고정된 CCP로 인하여, CCP-고정된 SPE는 보다 높은 친화도로 aCCP 항체를 인식할 수 있다. Fe(CN)6 3-/4-의 레독스 프로브를 이용하는 실험에서, aCCP 항체의 부존재 하에서는 보다 높은 SWV 응답을 얻을 수 있는 반면, aCCP 항체의 존재 하에서는 전류 응답의 감소가 관찰되었다. 또한, PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE가 0.5% BSA를 이용하여 완전히 단리될 경우, 전류 응답의 변화는 aCCP 농도에 의존하였다.Referring to FIG. 1B , due to the CCP immobilized on the surface-modified electrode in the aCCP immunosensor, the CCP-immobilized SPE can recognize the aCCP antibody with higher affinity. In an experiment using a redox probe of Fe(CN) 6 3- / 4- , a higher SWV response could be obtained in the absence of the aCCP antibody, whereas a decrease in the current response was observed in the presence of the aCCP antibody. In addition, when PANI-Au-aCCP/BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE was completely isolated using 0.5% BSA, the change in current response was dependent on the aCCP concentration.

바이오센서의 응용Applications of biosensors

혈청 샘플 내에 특정 단백질이 함께 존재하는 경우, 50.0 IU/mL aCCP 항체의 존재 하에서 면역센서의 SWV 응답을 확인하여 간섭물질에 대한 연구를 수행하였다. 인체 혈청 알부민(HSA; 10 mg/mL), 면역글로불린 M (IgM) RF (100 ng/mL), 및 CRP ab (염증성 항체) (1,000 ng/mL)가 50 IU/mL aCCP에 대하여 테스트되었다. 최적화된 조건 하에서, 간섭물질이 첨가된 후에 분석물질은 4℃에서 60분 동안 인큐베이션한 다음, 40 ㎕의 1X PBS로 2회 세척하였다. 이후, 1X PBS(pH=7.4) 내 5 mM Fe(CN)6 3-/4-의 존재 하에서 SWV 연구를 수행하였다. 도 11c는 전술한 간섭물질과 함께 aCCP를 포획하기 위하여 제조된 PANI-Au 나노매트릭스를 이용하여 BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 상에서 aCCP 50.0 IU/mL에 대하여 기록된 SWV 응답을 나타낸다. SWV 응답의 바 차트(도 11d)는 전류 응답(ΔI)에 있어서 거의 편차가 없었음을 나타내고, 또한 얻어진 % 상대 표준 편차(RSD)는 4.67%이었는 바, 이는 5% 미만이었다. 에러 바는 3개의 독립적인 측정에서 aCCP 전류 응답을 의미한다(n=3). 이처럼, 실시예에 따른 aCCP 면역센서는 높은 선택도로 aCCP 항체를 검출할 수 있다.When a specific protein is present together in a serum sample, the SWV response of the immune sensor was checked in the presence of 50.0 IU/mL aCCP antibody, and a study on interfering substances was performed. Human serum albumin (HSA; 10 mg/mL), immunoglobulin M (IgM) RF (100 ng/mL), and CRP ab (inflammatory antibody) (1,000 ng/mL) were tested against 50 IU/mL aCCP. Under optimized conditions, analytes were incubated at 4° C. for 60 minutes after the addition of interfering substances, and then washed twice with 40 μl of IX PBS. Then, SWV studies were performed in the presence of 5 mM Fe(CN) 6 3- / 4- in 1X PBS (pH=7.4). 11C shows the recorded SWV response to aCCP 50.0 IU/mL on BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE using a PANI-Au nanomatrix prepared to capture aCCP together with the aforementioned interfering material. The bar chart of the SWV response ( FIG. 11D ) shows little deviation in the current response (ΔI), and the % relative standard deviation (RSD) obtained was 4.67%, which was less than 5%. Error bars mean aCCP current response in three independent measurements (n=3). As such, the aCCP immunosensor according to the embodiment can detect the aCCP antibody with high selectivity.

안정성 및 정확도Stability and Accuracy

4℃에서 4주간 저장한 후에 성능을 측정함으로써 aCCP 면역센서의 저장 안정성을 평가하였다. 50.0 IU/mL의 aCCP의 존재 하에서 SWV 응답을 기록하였다(도 12a). 센서는 4주 경과 후에도 초기 피크 전류의 92.3%를 보유하였다. 더욱이, ΔI의 계산된 % RSD는 2.92%이었는 바, 이는 5% 미만이었다. 이처럼, aCCP 면역센서는 3주 동안 저장될 수 있었고, 여전히 효율적인 결과를 나타내었다. 면역센서에 대하여 50.0 IU/mL의 aCCP의 존재 하에서 aCCP 검출의 재현성을 평가하였다. 도 12b는 5개의 상이한 전극에 대하여 얻어진 SWV 응답을 나타내며, 바 차트는 5개의 상이한 전극 및 이의 대응하는 ΔI 값을 나타낸다(도 12c). 3회의 측정에서 표준 편차를 에러 바(n=3)로 나타내었으며, 재현성의 계산된 % RSD는 3.32%이었다. 동일한 전극에 대하여 8회의 실험을 통하여 재현성을 측정하였고, 정밀도 실험(intra-assay)의 계산된 % RSD는 3.49%이었다.The storage stability of the aCCP immunosensor was evaluated by measuring its performance after storage at 4°C for 4 weeks. SWV responses were recorded in the presence of 50.0 IU/mL of aCCP ( FIG. 12A ). The sensor retained 92.3% of the initial peak current even after 4 weeks. Moreover, the calculated % RSD of ΔI was 2.92%, which was less than 5%. As such, the aCCP immunosensor could be stored for 3 weeks and still showed efficient results. The reproducibility of aCCP detection in the presence of 50.0 IU/mL of aCCP for the immunosensor was evaluated. Fig. 12b shows the SWV response obtained for five different electrodes, and the bar chart shows the five different electrodes and their corresponding ΔI values (Fig. 12c). The standard deviation from the three measurements was expressed as error bars (n=3), and the calculated % RSD of reproducibility was 3.32%. Reproducibility was measured through 8 experiments for the same electrode, and the calculated % RSD of the precision experiment (intra-assay) was 3.49%.

인체 혈청 샘플 내 실시간 분석Real-time analysis in human serum samples

센서를 aCCP 항체가 스파이크된 인체 혈청 샘플에 적용하여 최적화된 조건 하에서 센서의 실시간 적용성을 평가하였다. 인체 혈청의 복잡성 때문에 혈청 샘플을 1X PBS(pH=7.4)로 10%(v/v)까지 희석하였다. 그러나, aCCP 항체가 스파이크된 혈청 샘플을 분석하기에 앞서, 희석된 혈청에 대한 SWV를 기록하여 블랭크 값으로 고려하였다. 1X PBS(pH=7.4) 내에서 레독스 프로브인 5 mM Fe(CN)6 3-/4-의 존재 하에 aCCP 항체-스파이크된 혈청 샘플(0.25 IU/mL, 1.0 IU/mL, 10.0 IU/mL, 100.0 IU/mL, 500.0 IU/mL, 1,000.0 IU/mL, 및 1500.0 IU/mL)을 최적화된 조건 하에서 분석하였다. aCCP 항체로 스파이크된 혈청 샘플의 SWV 기록값은 블랭크 값에서 차감하여 인체 혈청의 매트릭스 영향을 제거하였다. 기록된 SWV 응답을 도 13a에 플로팅하였으며, aCCP의 농도를 증가시킬 경우, 0.29 V에서 전류 응답은 서서히 감소하였다. 도 13a를 참조하면, 인체 혈청에 대한 면역센서의 원리는 1X PBS에서 관찰된 바와 동일한 메커니즘 및 경향을 따르는 것으로 파악되었다. 그러나, 산화 전위는 인체 혈청 내 매트릭스 효과때문에 음의 방향으로 약간 시프트되었다. 얻어진 SWV 피크 전류는 10% 인체 혈청의 피크 전류로부터 차감되었으며, 이에 대하여 산출된 값을 도 13b에서 플로팅하였다. logCHS-aCCP vs ΔI의 선형 식은 하기 수학식 3으로 표현될 수 있다.The sensor was applied to human serum samples spiked with aCCP antibody to evaluate the real-time applicability of the sensor under optimized conditions. Due to the complexity of human serum, serum samples were diluted to 10% (v/v) in IX PBS (pH=7.4). However, prior to analyzing the serum samples spiked with aCCP antibody, the SWV for the diluted serum was recorded and considered as a blank value. aCCP antibody-spiked serum samples (0.25 IU/mL, 1.0 IU/mL, 10.0 IU/mL) in the presence of redox probe, 5 mM Fe(CN) 6 3- / 4- in 1X PBS (pH=7.4) , 100.0 IU/mL, 500.0 IU/mL, 100.0 IU/mL, and 1500.0 IU/mL) were analyzed under optimized conditions. The SWV readings of serum samples spiked with aCCP antibody were subtracted from the blank value to eliminate the matrix effect of human serum. The recorded SWV response is plotted in FIG. 13A , and when the concentration of aCCP is increased, the current response at 0.29 V gradually decreased. Referring to FIG. 13A , the principle of the immune sensor for human serum was found to follow the same mechanism and tendency as observed in 1X PBS. However, the oxidation potential was slightly shifted in the negative direction due to the matrix effect in human serum. The obtained SWV peak current was subtracted from the peak current of 10% human serum, and the calculated value is plotted in FIG. 13B . A linear equation of logC HS-aCCP vs ΔI may be expressed by Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

ΔI (μA) = 2.8695logCHS-aCCP (IU/mL)+2.1503 (R2=0.9944)ΔI (μA) = 2.8695 logC HS-aCCP (IU/mL)+2.1503 (R 2 =0.9944)

상기 식에서, 에러 바는 3개의 독립적인 측정의 표준 편차를 의미한다.In the above equation, the error bar means the standard deviation of three independent measurements.

aCCP-스파이크된 인체 혈청 내 aCCP 검출의 계산된 LOD는 0.22 IU/mL이었고, 로그 동적 선형 범위는 0.25-1500 IU/mL (S/N = 3)이었다. 더욱이, 100% 혈청 내에서 2.5-15000 IU/mL의 aCCP 항체 검출의 동적 범위는 인체 혈청 내 실제 aCCP 항체 농도와 매칭되었다. The calculated LOD of detection of aCCP in aCCP-spiked human serum was 0.22 IU/mL, and the log dynamic linear range was 0.25-1500 IU/mL (S/N = 3). Moreover, the dynamic range of detection of 2.5-15000 IU/mL of aCCP antibody in 100% serum matched the actual concentration of aCCP antibody in human serum.

상술한 결과를 고려하면, PANI-Au 나노매트릭스는 aCCP 항체의 로딩량을 증가시켜 aCCP 면역센서의 감도를 높일 수 있다. BSA/CCP/PANI/MoS2/SPE 면역센서를 적용함에 있어서, aCCP 검출을 1X PBS 내에서 수행할 경우, LOD는 0.16 IU/mL이었고, 10% 인체 혈청에서 수행할 경우, LOD는 0.22 IU/mL이었다(로그 동적 범위는 0.25-1500.0 IU/mL임). 또한, 실시예에 따른 aCCP 면역 센서는 aCCP를 인체의 다른 단백질과 구별할 수 있었고, CCP 고정으로 인하여 우수한 선택도를 나타내었다. 더 나아가, aCCP 면역센서는 4℃에서 저장될 수 있고, 3주 동안은 저장 안정성을 유지하였다. 본 실시예에서 aCCP 검출에 요구되는 전체 시간(CCP 고정 및 PANI-Au-aCCP 첨가 포함)은 2 시간 이내이었다. 이처럼, 실시예에 따른 센서는 종래에 연구된 결과에 비하여 장점을 제공할 수 있는 바, 예를 들면 검출 절차가 간단하고, 요구되는 샘플 용량(10 ㎕)은 상용화된 ELISA 키트 대비 10배 더 적은 량의 용량이다.Considering the above results, the PANI-Au nanomatrix can increase the loading amount of the aCCP antibody, thereby increasing the sensitivity of the aCCP immune sensor. In applying the BSA/CCP/PANI/MoS 2 /SPE immunosensor, when the aCCP detection was performed in 1X PBS, the LOD was 0.16 IU/mL, and when performed in 10% human serum, the LOD was 0.22 IU/ mL (log dynamic range is 0.25-1500.0 IU/mL). In addition, the aCCP immune sensor according to the embodiment was able to distinguish aCCP from other proteins in the human body, and exhibited excellent selectivity due to CCP fixation. Furthermore, the aCCP immunosensor can be stored at 4° C. and maintained storage stability for 3 weeks. In this example, the total time required for aCCP detection (including CCP fixation and PANI-Au-aCCP addition) was within 2 hours. As such, the sensor according to the embodiment can provide advantages compared to the results of conventional studies. For example, the detection procedure is simple, and the required sample volume (10 μl) is 10 times smaller than that of a commercial ELISA kit. is the amount of capacity.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily used by those of ordinary skill in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (21)

전극 상에 전이금속 디칼코게나이드 층 및 아민기-함유 전도성 고분자 층이 순차적으로 로딩된 개질 전극을 포함하는 베이스 매트릭스, 상기 전이금속 디칼코게나이드 내 전이금속은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나임;
상기 베이스 매트릭스에 고정되고, aCCP 항체에 대한 바인딩능을 갖는 CCP; 및
aCCP 항체에 대한 포획능을 갖는, (i) 아민기-함유 전도성 고분자와 (ii) 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 나노입자를 포함하는 나노매트릭스;
를 포함하고,
시료 내에 aCCP 항체가 함유된 경우, 나노매트릭스에 결합된 aCCP 항체가 상기 베이스 매트릭스에 고정된 CCP와 바인딩됨에 따른 전기화학적 응답특성에 기반하여 시료 내 aCCP 항체를 정량적 및/또는 정성적으로 검출하는 전기화학적 센싱 플랫폼.
A base matrix comprising a modified electrode in which a transition metal dichalcogenide layer and an amine group-containing conductive polymer layer are sequentially loaded on the electrode, the transition metal in the transition metal dichalcogenide is molybdenum (Mo), tungsten (W), at least one selected from the group consisting of titanium (Ti), tantalum (Ta) and zirconium (Zr);
CCP fixed to the base matrix and having binding ability to aCCP antibody; and
From the group consisting of (i) an amine group-containing conductive polymer and (ii) gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), copper (Cu) and platinum (Pt) having capture ability for aCCP antibody a nanomatrix comprising at least one selected metal nanoparticle;
including,
When the aCCP antibody is contained in the sample, the aCCP antibody bound to the nanomatrix is quantitatively and/or qualitatively detecting the aCCP antibody in the sample based on the electrochemical response characteristics of binding to the CCP immobilized on the base matrix. Chemical sensing platform.
제1항에 있어서, 상기 베이스 매트릭스 및 상기 나노매트릭스 각각에 함유된 전도성 고분자는 같거나 상이한 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform according to claim 1, wherein the conductive polymer contained in each of the base matrix and the nanomatrix is the same or different. 제2항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PANI), 폴리에틸렌디아민, 폴리피롤, 폴리아미노 페놀 및 폴리디아미노페놀로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼. The electrochemical sensing platform according to claim 2, wherein the conductive polymer is at least one selected from the group consisting of polyaniline (PANI), polyethylenediamine, polypyrrole, polyaminophenol, and polydiaminophenol. 제1항에 있어서, 상기 베이스 매트릭스에 함유된 전도성 고분자의 분자량(Mw) 및 상기 나노매트릭스에 함유된 전도성 고분자의 분자량(Mw) 각각은 1,000 내지 100,000의 범위에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.According to claim 1, wherein each of the molecular weight (M w ) of the conductive polymer contained in the base matrix and the molecular weight (M w ) of the conductive polymer contained in the nano-matrix is determined in the range of 1,000 to 100,000 electricity, characterized in that Chemical sensing platform. 제1항에 있어서, 상기 전이금속 디칼코게나이드 내 칼코겐 원소는 황인 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform of claim 1, wherein the chalcogen element in the transition metal dichalcogenide is sulfur. 제1항에 있어서, CCP는 EDC-NHS 표면 화학에 의하여 베이스 매트릭스에 고정된 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform of claim 1, wherein the CCP is immobilized on the base matrix by EDC-NHS surface chemistry. 제1항에 있어서, 상기 나노매트릭스 내 금속 나노입자의 사이즈는 3 내지 20 nm 범위인 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform according to claim 1, wherein the size of the metal nanoparticles in the nanomatrix is in the range of 3 to 20 nm. 제1항에 있어서, 상기 베이스 매트릭스 및 상기 나노매트릭스 내 전도성 고분자는 나노섬유 또는 나노와이어 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform of claim 1, wherein the conductive polymer in the base matrix and the nanomatrix has a nanofiber or nanowire shape. 제1항에 있어서, 상기 나노매트릭스는 계면 중합에 의하여 형성된 것이고, 그리고 상기 베이스 매트릭스 내 전도성 고분자는 전기중합에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform according to claim 1, wherein the nanomatrix is formed by interfacial polymerization, and the conductive polymer in the base matrix is formed by electropolymerization. 제1항에 있어서, 상기 전극은 스크린 인쇄 전극(SPE)인 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform of claim 1, wherein the electrode is a screen printed electrode (SPE). 제10항에 있어서, 상기 스크린 인쇄 전극은 탄소(C), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.11. The method of claim 10, wherein the screen printing electrode is at least one material selected from the group consisting of carbon (C), gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), copper (Cu) and nickel (Ni) Electrochemical sensing platform, characterized in that consisting of. 제1항에 있어서, 상기 전이금속 디칼코게나이드의 로딩량은 250 내지 500 ㎍/㎠의 범위에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform according to claim 1, wherein the loading amount of the transition metal dichalcogenide is set in the range of 250 to 500 μg/cm 2 . 제1항에 있어서, 상기 CCP가 고정된 베이스 매트릭스 상에 활성 부위의 노출을 방지하기 위하여, 상기 CCP가 고정된 베이스 매트릭스 표면에 블로킹 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 센싱 플랫폼.The electrochemical sensing platform according to claim 1, further comprising a blocking layer on the surface of the base matrix to which the CCP is immobilized in order to prevent exposure of the active site on the base matrix to which the CCP is immobilized. a) aCCP 항체에 대한 바인딩능을 갖는 CCP가 고정된 베이스 매트릭스를 제공하는 단계, 상기 베이스 매트릭스는 전극 상에 전이금속 디칼코게나이드 층 및 아민기-함유 전도성 고분자 층이 순차적으로 로딩된 개질 전극을 포함하고, 상기 전이금속 디칼코게나이드 내 전이금속은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나임;
b) aCCP 항체에 대한 포획능을 갖는, (i) 아민기-함유 전도성 고분자와 (ii) 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 나노입자를 포함하는 나노매트릭스가 첨가된 액상 시료를 제공하는 단계; 및
c) 상기 CCP가 고정된 베이스 매트릭스와 상기 나노매트릭스가 첨가된 액상 시료를 접촉시켜 전기화학적 응답특성을 측정하는 단계;
를 포함하는, 액상 시료 내 aCCP 항체를 정량적 및/또는 정성적으로 검출하는 방법.
a) providing a base matrix to which CCP having binding ability to aCCP antibody is immobilized, wherein the base matrix is a modified electrode in which a transition metal dichalcogenide layer and an amine group-containing conductive polymer layer are sequentially loaded on the electrode Including, wherein the transition metal in the transition metal dichalcogenide is at least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), titanium (Ti), tantalum (Ta) and zirconium (Zr);
b) having a capture ability for aCCP antibody, (i) an amine group-containing conductive polymer and (ii) gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), copper (Cu) and platinum (Pt) consisting of providing a liquid sample to which a nanomatrix including at least one metal nanoparticle selected from the group is added; and
c) measuring the electrochemical response characteristics by bringing the CCP-fixed base matrix into contact with the liquid sample to which the nano-matrix is added;
A method for quantitatively and/or qualitatively detecting aCCP antibody in a liquid sample, comprising:
제14항에 있어서, 상기 단계 c)에 앞서 상기 CCP가 고정된 베이스 매트릭스 표면을 블로킹 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, further comprising the step of blocking the surface of the base matrix to which the CCP is fixed prior to step c). 제14항에 있어서, 상기 단계 c)는 pH 6 내지 8.5의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method according to claim 14, wherein step c) is performed under conditions of pH 6 to 8.5. 제14항에 있어서, 상기 CCP가 고정된 베이스 매트릭스는 베이스 매트릭스와 CCP 함유 용액을 접촉시켜 형성되며, 이때 CCP-함유 용액의 농도는 10 내지 200 μg/ml의 범위에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, wherein the CCP-immobilized base matrix is formed by contacting the base matrix with a CCP-containing solution, wherein the concentration of the CCP-containing solution is set in the range of 10 to 200 μg/ml. . 제14항에 있어서, 상기 전기화학적 응답특성은 사각파 전압전류법(Square wave voltammetry), 순환전압전류법(Cyclic voltammetry), 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry), 시차 펄스 전압전류법(Differential pulse voltammetry) 및 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 수단에 의하여 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, wherein the electrochemical response characteristic is square wave voltammetry, cyclic voltammetry, linear sweep voltammetry, differential pulse voltammetry (Differential pulse voltammetry) voltammetry) and electrochemical impedance spectroscopy (Electrochemical impedance spectroscopy), characterized in that the measurement by at least one means selected from the group consisting of. 제14항에 있어서, 상기 액상 시료는 체액 또는 혈액인 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, wherein the liquid sample is a bodily fluid or blood. 제14항에 있어서, 상기 단계 c)는 산화환원쌍 페로/페리시아나이드, 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘(TMB), 1-히드록시-3-메톡시카르보닐-2,2,5,5-테트라메틸피롤리돈(CMH) 및 메틸렌 블루(MB)로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 레독스 프로브의 존재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, wherein step c) is a redox pair ferro/ferricyanide, 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (TMB), 1-hydroxy-3-methoxycarbonyl-2 , 2,5,5-tetramethylpyrrolidone (CMH) and methylene blue (MB), characterized in that the method is carried out in the presence of a redox probe at least one selected from the group consisting of. 제20항에 있어서, 상기 레독스 프로브는 염 용액 내에 함유된 형태로 제공되며, 이때 레독스 프로브의 농도는 2 내지 10 mM의 범위에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 방법. The method according to claim 20, wherein the redox probe is provided in a form contained in a salt solution, wherein the concentration of the redox probe is set in the range of 2 to 10 mM.
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