KR102571252B1 - 폴리도파민을 포함하는 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서 및 그 제조방법 - Google Patents

폴리도파민을 포함하는 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 폴리도파민, 전도성 고분자 및 포도당, 젖산 등과 선택적으로 반응하는 산화효소를 포함하는 감지대상물질 감지층을 포함하는 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 민감도 및 장기 안정성이 향상된 고성능 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서 및 복잡한 공정 없이 one-pot 전기 화학 증착법을 통한 간단하고 재현성 높은 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

폴리도파민을 포함하는 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서 및 그 제조방법{ELECTROCHEMICAL OXIDASE ENZYME BASED BIOSENSOR CONTAINING POLYDOPAMINE AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 포도당, 젖산, 요산, 그리고 빌리루빈 등을 감지할 수 있는 산화효소 기반 바이오센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리도파민을 이용하여 전극-효소 간 부착성을 높임으로써 센서의 민감도 및 장기 안정성을 향상시킨 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서에 관한 것이다.
당뇨 환자의 경우 정확한 약물 투여를 위해 혈당 수준을 실시간으로 모니터링 하여 이로 인한 합병증을 예방하는 것이 필수적이다. 이를 위하여 전기화학적, 광학적, 열 측정 또는 압력 측정 방식을 이용한 다양한 유형의 간편한 포도당 바이오센서들이 광범위하게 연구되고 있다.
그 중에서도, 준수한 민감도 및 재현성을 갖는 효소를 기반으로 하는 전기화학적 포도당 바이오센서에 대한 연구가 활발하다. 전기화학적 바이오센서는, 전극에서의 포도당의 효소 촉매적 산화에 의해 생성된 과산화수소의 전기화학적 산화에 기반하여 포도당을 검출하는 것을 기본 원리로 한다.
따라서, 고성능의 전기화학적 포도당 바이오센서를 제작하기 위해서는, (1) 포도당 산화효소의 고정성 (2) 효율적인 과산화수소 산화-환원 중간층 형성 및 (3) 선택적 투과성 층 형성이 핵심적 기술 요소가 될 것이다.
최근, 효소의 부착 플랫폼 및 산화-환원 중간층으로 전도성고분자가 유용한 것으로 입증되었다. 다양한 전도성고분자 중에서도 특히 전도성과 생체적합성이 좋은 폴리피롤(polypyrrole, PPy)이 광범위하게 이용되고 있다.
그러나, 종래의 폴리피롤을 효소고정 매체로 하는 전극은, 기본적으로 전극에 대한 폴리피롤의 낮은 부착성으로 인하여 센서의 기계적 안정성을 저하시켜 결국 센서의 감지 능력을 감소시킬 수 있다는 문제점이 있었다. 또한, 포도당 산화효소와의 친화력 및 고정력이 낮아 효소의 유출 가능성이 높으며 많은 양의 포도당 산화효소를 고정하기에는 적합하지 않다는 한계가 있었다.
이를 해결하기 위하여, 센서의 안정성 및 성능 향상을 위한 다른 물질들을 폴리피롤에 혼입하려는 여러 시도들이 있었다. 대표적으로, 센서의 감도 향상을 위하여 전기촉매 특성을 갖는 금속나노입자 또는 탄소나노물질의 첨가 등이 시도되었다. 그러나, 일부 물질들은 생체 친화적이지 않았으며 제조과정 또한 복잡하고 그의 제어 및 재생산이 어렵다는 문제점이 여전히 남아있었다.
대한민국 등록특허 제10-2087038호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 부착성 및 생체 친화성이 높은 폴리도파민을 도입함으로써 센서의 장기 안정성 및 민감성을 향상시킨 고성능의 생체 친화적 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, one-pot 전기화학 증착법을 통한 간단하고 재현성 높은 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 기준전극; 상대전극; 및 작용전극을 포함하고, 상기 작용전극은, 금속전극 및 상기 금속전극 상에 증착되며 감지대상물질을 감지하는 감지대상물질 감지층을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 감지대상물질 감지층은, 폴리도파민, 전도성고분자 및 감지대상물질 산화효소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 감지대상물질은, 상기 감지대상물질은, 당류 물질 또는 유기산 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
이때, 상기 당류 물질은 포도당을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
이때, 상기 유기산 물질은 젖산 또는 요산을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전도성고분자는, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오핀, PEDOT, 폴리페닐렌비닐렌 및 폴리아세틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 폴리도파민 및 상기 전도성고분자는, 각각 독립적으로 몰비가 0.1 내지 0.3인 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속전극은, 백금전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 작용전극은, 상기 감지대상물질 감지층 상에 증착되며 감지대상물질을 선택적으로 투과시키는 선택적 투과층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
이때, 상기 선택적 투과층은, 폴리페놀, 폴리(3,3'-디아미노벤지딘), 폴리-o-페닐렌디아민, 폴리-m-페닐렌디아민, 폴리-p-페닐린디아민, 폴리-1,5-디아미노나프탈렌, 폴리-1,8-디아미노나프탈렌 및 나피온으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
이때, 상기 선택적 투과층은, 폴리페놀 코팅층인 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 도파민단량체, 피롤단량체, 감지대상물질 산화효소 및 인산염 완충용액을 포함하는 증착용액을 준비하는 단계; 상기 증착용액을 교반하는 단계; 상기 교반된 증착용액에 질소를 투입하여 용액 내 잔존 산소를 제거하는 단계; 상기 산소가 제거된 증착용액에 금속전극을 담지하고 소정의 전류밀도 및 전하밀도를 가하여, 감지대상물질 감지층을 증착하는 단계; 및 상기 감지대상물질 감지층이 증착된 금속전극을 세척하여 미반응물 및 반응부산물을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 감지대상물질은, 당류 물질 또는 유기산 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
이때, 상기 당류 물질은, 포도당을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
이때, 상기 유기산 물질은 젖산 또는 요산을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 인산염 완충용액의 몰농도는 5mM 내지 10mM인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 피롤단량체 및 상기 도파민단량체의 몰비는, 0.1 내지 0.2인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전하밀도의 최종 증착전하밀도는, 70mCcm-2 내지 80mCcm-2인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 페놀단량체 및 인산염 완충용액을 포함하는 제2증착용액을 준비하는 단계; 상기 제2증착용액에 질소를 투입하여 용액 내 잔존산소를 제거하는 단계; 상기 증착용액에 상기 감지대상물질 감지층이 증착된 전극을 담지하고 소정의 전압을 가하여 선택적 투과층을 증착하는 단계; 및 상기 선택적 투과층이 증착된 전극을 세척하여 미반응물 및 반응부산물을 제거하는 단계를 더 포함하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
이때, 상기 페놀단량체의 몰농도는, 0.06M 내지 0.08M인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 포도당 또는 젖산 등의 산화효소의 활성도 증가, 높은 과산화수소 반응성 및 전자 전달 효율 향상으로 인한 민감도가 향상된 고성능 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 감지대상물질 감지층의 전극에 대한 높은 부착성으로 인한 박리 방지 및 장기 안정성이 향상된 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 친환경 소재인 폴리도파민을 이용함으로써 생체친화적인 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 간섭 물질로부터의 감지 방해를 차단하고 우수한 선택적 감지성능을 가진 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복잡한 공정 없이 one-pot 전기화학 증착법을 통한 간단하고 재현성 높은 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화환원효소 기반 전기화학적 바이오센서의 작용전극 표면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화환원효소 기반 전기화학적 바이오센서의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도3은 제조예 1에 따른 PDA/PPy/GOx 센서 및 비교예1에 따른 PPy/GOx 센서의 Nyquist plot 및 CV 그래프이다.
도4는 제조예 1 및 제조예3 내지 제조예5에 따라 제조된 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
도5는 제조예 1 및 제조예6 내지 제조예9에 따라 제조된 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
도6은 제조예1 및 제조예10 내지 제조예12에 따라 제조된 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
도7은 제조예1 및 비교예1에 따른 센서에 포도당을 주입하며 이에 따른 전류 변화를 측정한 그래프 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
도8은 제조예1 및 비교예1에 따른 센서의 포도당 산화효소의 활성도 및 과산화수소 반응성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도9는 제조예2 및 비교예2에 따른 센서에 포도당을 주입하며 이에 따른 전류 변화를 측정한 그래프 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
도10은 제조예2에 따른 센서에 간섭 물질 및 포도당을 연속적으로 주입하며 시간에 따른 전류변화를 측정한 그래프이다.
도11은 제조예2, 제조예13 및 제조예14에 따른 센서의 정확도를 측정하여 나타낸 표이다.
도12는 제조예2 및 비교예2에 따라 제조된 센서의 포도당 주입 시의 전류 변화를 90일 간 측정하여 초기 전류 반응과 비교한 상대값으로 나타낸 그래프이다.
도13 은 제조예15 및 비교예3에 따른 센서에 젖산을 주입하며 이에 따른 전류 변화를 측정한 그래프 및 민감도를 나타내는 그래프이다
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오센서를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오센서는, 기준전극; 상대전극; 및 작용전극을 포함할 수 있다.
이때, 상기 작용전극은, 금속전극 및 상기 금속전극 상에 증착되며 감지대상물질을 감지하는 감지대상물질 감지층을 포함할 수 있다.
이때, 상기 감지대상물질 감지층은, 폴리도파민, 전도성고분자 및 감지대상물질 산화효소를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오센서의 작용전극 표면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오센서의 작용전극은, 금속전극(20) 및 상기 금속전극 상에 증착되며 감지대상물질을 감지하는 감지대상물질 감지층(10)을 포함할 수 있으며, 이때, 상기 감지대상물질 감지층(10)은, 폴리도파민(11), 전도성고분자(12) 및 산화효소(13)를 포함할 수 있다.
상기 폴리도파민(11)은 중합체 형태의 도파민으로, 상기 도파민은 자연계의 홍합에서 볼 수 있는 접착성 물질을 모방한 생체친화적 고분자 물질이다. 도파민은 접착단백질에서 접착력을 나타내는 중요한 화학적 작용기인 카테콜(catechol)과 아민(amine)을 모두 가지고 있어 높은 접착력을 가지는 것을 특징으로 한다.
이에 착안하여, 본 발명의 발명자들은, 상기의 부착성 높은 생체 친화적 물질인 폴리도파민을 이용하여, 산화효소의 고정력을 높이고 이를 통해 센서의 민감도 및 장기 안정성을 향상시킨 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 발명하기에 이르렀다.
상기 폴리도파민은, 크게 세 가지 측면에서 센서의 민감도 향상에 기여한다.
첫째로, 상기 폴리도파민은 산화효소 활성도를 증가시킨다. 상기 폴리도파민은 생체 친화성이 높아 산화효소의 활성상태 유지를 도울 뿐 아니라, 높은 부착성으로 인하여 상기 감지대상물질 감지층이 더 많은 산화효소를 고정할 수 있도록 한다. 따라서 종래의 전극보다 산화효소 활성도가 높아 전극 표면에서 더 많은 과산화수소 생산을 초래하게 되므로 이는 곧 센서의 민감도를 향상시킨다.
둘째로, 상기 폴리도파민은, 효소의 활성부위에서 생산된 전자의 효율적인 이동을 돕는다. 폴리도파민의 전기화학적 촉매 역할에 의한 효율적인 전도성고분자 형성으로 인해, 그 자체로도 뛰어난 전도성을 가질 뿐만 아니라, 폴리도파민의 높은 부착성으로 인하여, 산화효소는 폴리도파민-전도성고분자 사슬에 단단히 고정되므로, 효소의 활성부위에서 생성된 과산화수소는 불필요한 확산 없이 가까이에 위치하는 전도성 폴리도파민-전도성고분자 사슬에 의해 즉시 산화된다. 이때 생성된 전자가 곧바로 금속전극으로 전달됨으로써 낮은 전하 전달 저항에 기여한다. 상기와 같은 높은 과산화수소 반응성 및 전자 전달 효율 향상은 센서의 민감도 향상에 기여한다.
셋째로, 상기 과산화수소의 산화로 생성된 산소는 밀접하게 위치한 포도당 산화효소의 반응물로 효율적으로 재사용되어 과산화수소를 연속적으로 재생산할 수 있으며, 이는 곧 산화-환원 사이클을 위한 positive feedback 모드를 유발하며 이 또한 센서의 민감도 향상에 기여한다.
뿐만 아니라, 상기 폴리도파민은, 상기 감지대상물질 감지층(10)의 금속전극(20)에의 부착력을 강화시킴으로써 감지대상물질 감지층의 박리를 방지하고 센서의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기와 같은 구성으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 센서의 민감도 및 장기 안정성을 향상시킨 고성능의 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
상기 전도성고분자(12)는, 폴리피롤(polypyrrole, PPy), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리티오핀(polythiopehene, PT), PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 폴리페닐렌비닐렌(Poly(p-phenylene vinylene, PPV) 및 폴리아세틸렌(Poly(acetylene)s, PAC)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
가장 바람직하게는, 상기 전도성고분자는, 합성 공정이 단순하고 생체 친화적이므로 보편적으로 사용되는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)일 수 있다.
이때, 상기 폴리도파민(11) 및 상기 폴리피롤은 몰비 0.1 내지 0.3의 비율로 구성될 수 있다.
적절한 몰비의 상기 폴리도파민은, 폴리도파민-폴리피롤 전기중합 시 랜덤 α-β 피롤 커플링을 감소시켜 폴리피롤 백본 상에 공액 된 π-π 결합의 형성을 손상시키고, 결과적으로 전도성 α-α 피롤 커플링을 유도할 수 있을 것이다.
상기 몰비가 0.1 미만이면, 전기중합 시 상기와 같은 전기전도도 향상의 효과가 충분하지 않아 바람직하지 않다.
상기 몰비가 0.3 초과이면, 전기중합 시 짧은 폴리피롤 사슬 및 비전도성 폴리도파민 사슬의 우세한 형성을 유발하여, 전도도 및 감지 능력을 저하시킬 수 있어 바람직하지 않다.
가장 바람직하게는, 상기 폴리도파민(11) 및 상기 폴리피롤은 몰비 0.2의 비율을 가지는 것이 가장 높은 전기전도도를 나타내어 가장 바람직하다.
상기 금속전극(20)은, 백금 전극을 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 센서에 사용되는 공지의 금속전극이라면 제한 없이 이용될 수 있을 것이다.
상기 작용전극은, 상기 감지대상물질 감지층 상에 증착되며 감지대상물질을 선택적으로 투과시키는 선택적 투과층을 더 포함할 수 있다.
상기 선택적 투과층은, 분자의 크기에 따른 선택적 불투과성을 가짐으로써, 실제 인간 혈청 내 존재하는 아스코르빈산, 요산 및 아세트 아미노펜 등의 전기 활성물질의 전극으로의 접근을 제한함으로써, 상기 물질로부터의 간섭을 방지하고 감지대상물질(포도당과 같은 당류, 젖산 등의 유기산)의 선택적 감지가 가능하도록 한다.
상기 선택적 투과층은, 폴리페놀(polyphenol, PPh), 폴리(3,3'-디아미노벤지딘)(poly(3,3'-diaminobenzidine)), 폴리-o-페닐렌디아민(poly-ophenylenediamine), 폴리-m-페닐렌디아민(poly-m-phenylenediamine), 폴리-p-페닐린디아민(poly-pphenylenediamine), 폴리-1,5-디아미노나프탈렌(poly-1,5-diaminonaphthalene), 폴리-1,8-디아미노나프탈렌(poly-1,8-diaminonaphthalene) 및 나피온(Nafion)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 분자의 크기에 따른 상대적 불투과성을 가지는 공지의 전해질 막이라면 제한 없이 이용될 수 있을 것이다.
이때, 상기 전도성고분자는 폴리피롤이고, 상기 선택적 투과층은 폴리페놀 코팅층 일 수 있다.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 포도당과 같은 당류의 산화효소, 또는, 젖산과 같은 유기산의 산화효소의 활성도 증가, 높은 과산화수소 반응성 및 전자 전달 효율 향상으로 인한 민감도가 향상된 고성능 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 감지대상물질 감지층의 전극에 대한 높은 부착성으로 인한 박리 방지 및 장기 안정성이 향상된 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 친환경 소재인 폴리도파민을 이용함으로써 생체친화적인 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 간섭 물질로부터의 감지 방해를 차단하고 우수한 선택적 감지 성능을 가진 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법은, 도파민단량체, 피롤단량체, 산화효소 및 완충용액을 포함하는 증착용액을 준비하는 단계(S100), 상기 증착용액을 교반하는 단계(S200), 상기 교반된 증착용액에 질소를 투입하여 용액 내 잔존 산소를 제거하는 단계(S300), 상기 산소가 제거된 증착용액에 금속전극을 담지하고 소정의 전류 및 전하밀도를 가하여, 폴리도파민, 폴리피롤 및 산화효소를 포함하는 감지대상물질 감지층을 증착하는 단계(S400) 및 상기 감지대상물질 감지층이 증착된 금속전극을 세척하여 미반응물을 제거하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 완충용액은 인산염 완충용액이고, 상기 인산염 완충용액의 몰농도는 5mM 내지 10mM일 수 있다.
상기 피롤 및 상기 도파민의 몰비는, 0.1 내지 0.2가 되도록 첨가될 수 있다.
상기 전하밀도는, 70mCcm-2 내지 80mCcm-2로 가해질 수 있다.
상기 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법은, 페놀단량체 및 완충용액을 포함하는 제2증착용액을 준비하는 단계; 상기 제2증착용액을 교반하는 단계; 상기 교반된 제2증착용액에 질소를 투입하여 용액 내 잔존 산소를 제거하는 단계; 상기 증착용액에 상기 감지대상물질 감지층이 증착된 전극을 담지하고 소정의 전류 및 전하밀도를 가하여, 선택적 투과층을 증착하는 단계; 및 상기 선택적 투과층이 증착된 전극을 세척하여 미반응물 및 반응부산물을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 페놀단량체의 몰농도는, 0.06 내지 0.08M일 수 있다.
상기 몰농도가 0.06M 미만이면, 상기 선택적 투과로 인한 간섭 차단 효과가 충분하지 않을 수 있어 바람직하지 않다.
상기 몰농도가 0.08M 초과이면, 상기 간섭 물질의 투과뿐만 아니라, 감지대상물질(포도당, 젖산, 요산, 빌리루빈, 등)의 투과에도 영향을 미치게 되어 바람직하지 않다.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복잡한 공정 없이, one-pot 전기화학 증착법을 통한 간단하고 재현성 높은 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 제조예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
제조예1
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조를 위하여, 본 제조예1에서는, 폴리도파민(PDA), 폴리피롤(PPy) 및 포도당 산화효소(GOx)를 포함하는 포도당 감지층을 갖는 백금 작용 전극을 제조하였다. 구체적인 제조과정은 하기 순서와 같다.
(1) 피롤(Py)단량체 및 도파민(DA)단량체의 몰비가 0.2가 되도록, 0.2M의 피롤단량체, 0.04M의 도파민단량체 및 300Uml-1의 포도당 산화효소를 10mM의 인산염 완충용액에 혼합하여 증착용액을 제조
(2) 상기 증착용액을 20℃에서 60rpm으로 15분동안 교반하고, 10분동안 질소 가스를 불어넣어 용액 속 잔존산소를 제거
(3) 상기 증착용액에, Pt전극을 담지하고, 상기 Pt전극을 작용전극으로, 다른 Pt wire를 상대전극으로, 포화칼로멜전극(saturated calomel electrode, SCE)를 기준전극으로 하여, 3전극시스템을 설치
(4) 상기 전극에 전류밀도는 0.05mAcm-2로 일정하게, 전하밀도는 최종 증착 전하밀도가 75mCcm-2가 되도록 하여, PDA/PPy/GOx 포도당 감지층을 증착
(5) 상기 전극을 증류수에서 60rpm 으로 1분동안 교반 및 세척하여 미반응물 및 반응부산물을 제거
(6) 상기와 같이 제조된 전극을 작용전극으로 하는 PDA/PPy/GOx 센서를 제조
상기 제조과정을 거쳐, 폴리도파민(PDA), 폴리피롤(PPy) 및 포도당 산화효소(GOx)를 포함하는 포도당 감지층을 갖는 백금 작용 전극을 제조하였다.
제조예2
본 제조예 2에서는, 상기 제조예1에 따라 제조된 PDA/PPy/GOx 전극에 선택적 투과층인 폴리페놀(PPh)층을 추가로 증착한 PPh-PDA/PPy/GOx 센서를 제조하였다. 구체적인 제조과정은 하기 순서와 같다.
(1) 60mM의 페놀을 50mM의 인산염 완충용액에 혼합하여 증착용액을 제조
(2) 상기 증착용액에 10분 동안 질소 가스를 불어넣어 용액 속 잔존 산소를 제거
(3) 상기 증착용액에, 상기 제조예 1에서 제조된 PDA/PPy/GOx 전극을 담지하고, 상기 PDA/PPy/GOx 전극을 작용전극으로, 다른 Pt wire를 상대전극으로, 포화칼로멜전극(saturated calomel electrode, SCE)를 기준전극으로 하여 3전극시스템을 설치
(4) 상기 전극에 0.9V의 일정한 전위를 가하여 폴리페놀(PPh) 선택적 투과층을 증착
(5) 상기 선택적 투과층이 증착된 전극을 증류수에서 60rpm 으로 1분 동안 교반 및 세척하여 미반응물 및 반응부산물을 제거
(6) 상기와 같이 제조된 전극을 작용전극으로 하는 PPh-PDA/PPy/GOx 센서를 제조
상기 제조과정을 거쳐, 상기 제조예1에 따라 제조된 PDA/PPy/GOx 전극에 선택적 투과층인 폴리페놀(PPh)층을 추가로 증착한 PPh-PDA/PPy/GOx 센서를 제조하였다.
제조예3 내지 제조예5
상기 제조예 1에서 인산염 완충용액을 각각 5mM, 25mM, 50mM으로 제조한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방식으로 제조예3 내지 제조예5를 제조하였다.
제조예6 내지 제조예9
상기 제조예1에서 최종 증착 전하밀도가 각각 50mCcm-2, 100mCcm-2, 125mCcm-2, 150mCcm-2이 되도록 제조한 것을 제외하고는, 상기 제조예1과 동일한 방식으로 제조예6 내지 제조예9를 제조하였다.
제조예10 내지 제조예12
상기 제조예1에서 피롤단량체 및 도파민단량체의 몰비가 각각 0.05, 0.1, 0.4가 되도록, 도파민단량체를 각각 0.01M, 0.02M, 0.08M을 이용하여 제조한 것을 제외하고는, 상기 제조예1과 동일한 방식으로 제조예10 내지 제조예12를 제조하였다.
제조예13 및 제조예14
상기 제조예2에서 페놀단량체를 각각 40mM, 80mM을 이용하여 제조한 것을 제외하고는, 상기 제조예2와 동일한 방식으로 제조예13 및 제조예14를 제조하였다.
제조예15
본 제조예15에서는, PDA/PPy/LOx 센서의 제조하였다.
구체적인 제조과정으로는, 상기 제조예1에서 포도당 산화효소(GOx)을 젖산 산화효소(LOx)로 제조한 것을 제외하고는, 상기 제조예1과 동일한 방식으로 제조예15를 제조하였다.
비교예1
본 비교예1에서는, PPy/GOx 센서를 제조하였다.
그 구체적인 제조과정은, 상기 제조예 1에서 도파민을 제외하고 피롤 및 포도당 산화효소(GOx)만을 이용하여 Py/GOx 포도당 감지층을 증착한 것을 제외하고는, 상기 제조예1과 동일한 방식으로 PPy/GOx 센서를 제조하였다.
비교예2
본 비교예2에서는, PPh-PPy/GOx 전극을 제조하였다.
그 구체적인 제조과정은, 상기 제조예2에서 도파민을 제외하고 피롤 및 포도당 산화효소(GOx)만을 이용하여 Py/GOx 포도당 감지층을 증착한 것을 제외하고는, 상기 제조예2와 동일한 방식으로 PPh-PPy/GOx 센서를 제조하였다.
비교예3
본 비교예3에서는, PPy/LOx 센서를 제조하였다.
그 구체적인 제조과정은, 상기 제조예15에서 도파민을 제외하고 피롤 및 젖산 산화효소(LOx)만을 이용하여 Py/LOx 포도당 감지층을 증착한 것을 제외하고는, 상기 제조예15와 동일한 방식으로 PPy/LOx 센서를 제조하였다.
실험예1
본 실험예1에서는, PDA/PPy/GOx 센서의 전기화학적 특성 분석 및 비교실험을 진행하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포도당 바이오센서의 전기화학적 특성 분석을 위하여, 제조예1 에 따라 제조된 PDA/PPy/GOx 센서 및 비교예1에 따라 제조된 PPy/GOx 센서를 각 작용전극으로 하여 0.1M PBS 하에서의 Nyquist plot 및 CV 그래프를 측정하였다.
도3의 (a)는, 제조예1에 따른 PDA/PPy/GOx 센서 및 비교예1에 따른 PPy/GOx 센서의 Nyquist plot을 나타내는 그래프이다. 이때, 그래프의 반원의 지금은 전하이동저항을 의미한다.
도3의 (a)를 참조하면, 비교예1과 비교하였을 때, 제조예1이 더 낮은 전하이동저항을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도3의 (b)는 제조예1에 따른 PDA/PPy/GOx 센서의 CV 그래프이다.
도3의 (C)는 비교예1에 따른 PPy/GOx 센서의 CV 그래프이다.
도3의 (b), (C)를 참조하면, 포도당 농도가 높아질수록 산화전류의 피크의 변화가 더 크게 관찰되며, 0.7V에서 최대의 전류 변화폭을 보임을 확인할 수 있다. 따라서, 포도당 검출시 인가전압은 0.7V이 가장 바람직할 것임을 확인할 수 있다.
실험예2
본 실험예2에서는, 고감도 포도당 바이오센서 제조를 위한 최적의 합성 파라미터를 탐색하는 실험을 진행하였다.
실험예2.1
본 실험예2.1에서는, 고감도의 포도당 바이오센서의 제조를 위한 최적 합성 파라미터의 탐색을 위하여, 인산염 완충용액의 농도조건을 탐색하는 실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 제조예1 및 인산염 완충용액의 농도를 달리하여, 제조예3 내지 제조예5에 따라 제조된 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화 및 민감도를 측정하였다. 이때, 상기 전류 변화는 인가 전압 0.7V 및 0.1M PBS에서 포도당을 연속으로 주입하며 측정되었다.
도4의 (a)는 제조예1 및 제조예3 내지 제조예5에 따라 제조된 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도4의 (b)는 제조예1 및 제조예3 내지 제조예5에 따라 제조된 센서의 민감도를 나타내는 그래프이다.
도4를 참조하면, 인산염 완충용액의 몰농도 5mM 내지 10mM에서 센서의 민감도가 높으므로, 고성능의 포도당 바이오센서의 제조를 위한 인산염 완충용액의 몰농도는 상기 농도범위인 5mM 내지 10mM의 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 몰농도는 10mM 조건이 가장 바람직할 것임을 확인할 수 있다.
실험예2.2
본 실험예2.2에서는, 고감도의 포도당 바이오센서의 제조를 위한 최적 합성 파라미터의 탐색을 위하여, 증착 전하밀도의 조건을 탐색하는 실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 제조예1 및 최종 증착 전하밀도를 달리하여 제조된 제조예6 내지 제조예9 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화 및 민감도를 측정하였다. 이때, 상기 전류 변화는 인가 전압 0.7V 및 0.1M PBS에서 포도당을 연속으로 주입하며 측정되었다.
도5의 (a)는 제조예1 및 제조예6 내지 제조예9에 따라 제조된 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도5의 (b)는 제조예1 및 제조예6 내지 제조예9에 따라 제조된 센서의 민감도를 나타내는 그래프이다.
도5를 참조하면, 최종 증착 전하밀도는 70mCcm-2 내지 80mCcm-2에서 센서 민감도가 높으므로, 고성능의 포도당 바이오센서의 제조를 위한 최종 증착 전하밀도는 70mCcm-2 내지 80mCcm-2의 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 75mCcm-2 조건이 가장 바람직할 것임을 확인할 수 있다.
실험예2.3
본 실험예2.3에서는, 고감도의 포도당 바이오센서의 제조를 위한 최적 합성 파라미터의 탐색을 위하여, 도파민/피롤 몰비 조건을 탐색하는 실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 제조예1 및 DP/Py 몰비를 달리하여 제조된 제조예10 내지 제조예12에 따른 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화 및 민감도를 측정하였다. 이때, 상기 전류 변화는 인가 전압 0.7V 및 0.1M PBS에서 포도당을 연속으로 주입하며 측정되었다.
도6의 (a)는 제조예1 및 제조예10 내지 제조예12에 따라 제조된 센서의 포도당 농도에 따른 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도6의 (b)는 제조예1 및 제조예10 내지 제조예12에 따라 제조된 센서의 민감도를 나타내는 그래프이다.
도6을 참조하면, DP/Py의 몰비 0.1 내지 0.3에서 센서 민감도가 높으므로, 고성능의 포도당 바이오센서의 제조를 위한 DP/Py의 몰비는 0.1 내지 0.3의 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 몰비 0.2 조건이 가장 바람직할 것임을 확인할 수 있다.
실험예3
본 실험예3에서는, PDA/PPy/GOx 센서의 민감도를 측정하는 실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 상기 실험예2를 통해 탐색된 최적 조건으로 제조된 제조예1에 따른 PDA/PPy/GOx 센서 및 비교예1에 따른 PPy/GOx 센서를 이용하여, 포도당을 연속적으로 주입하며 시간에 따른 전류변화를 측정하였다. 이때, 상기 측정은 0.7V하에서 측정되었다.
도7의 (a)는 제조예1 및 비교예1에 따른 센서에 연속적으로 포도당을 주입하며 시간에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이다.
도7의 (b)는 제조예1 및 비교예1에 따른 센서의 포도당 농도에 따른 전류변화를 측정한 그래프이다.
도7의 (c)는 제조예1 및 비교예1에 따른 센서의 민감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PDA/PPy/GOx 센서는, PDA를 포함하지 않는 PPy/GOx 센서와 비교하여 포도당 농도에 따른 전류 상승폭이 큰 것을 확인할 수 있으며, 민감도는 약 28배 향상되었음을 확인할 수 있다.
실험예4
본 실험예4에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 PDA/PPy/GOx 전극의 민감도를 향상하는 메커니즘의 분석실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 포도당 산화효소 활성도 측정 키트를 이용한 비색법을 이용하여 본 발명의 포도당 산화효소의 활성도를 정량화하였다. 또한, 과산화수소의 산화와 전자이동의 효율성을 설명하기 위하여 과산화수소의 주입 동안 전극의 전류 변화를 측정하였다. 이때, 0-0.8mM의 과산화수소 농도가 사용되었는데, 이는 포도당 센서로 측정한 전류변화 범위(0-8μA)에 해당하기 때문에 사용되었다.
도8의 (a)는 제조예 1 및 비교예 1에 따른 센서의 포도당 산화효소의 활성도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도8의 (b)는 제조예 1 및 비교예 1에 따른 센서의 과산화수소 반응성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PDA/PPy/GOx 센서는, PPy/GOx 센서와 비교하여 포도당 산화효소 활성도가 약 1.78배 높으며, 과산화수소 반응성은 약 4.13배 높음을 확인할 수 있으며, 이러한 메커니즘이 곧 센서 전체의 민감도 향상에 기여한 것임을 알 수 있다.
실험예5
본 실험예5에서는, PPh-PDA/PPy/GOx 센서의 민감도를 측정하는 실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 제조예2에 따른 PPh-PDA/PPy/GOx 센서 및 비교예2에 따른 PPh-PPy/GOx 센서를 이용하여 포도당을 연속적으로 주입하며 시간에 따른 전류 변화를 측정하였다. 이때, 상기 측정은 0.7V 하에서 측정되었다.
도9의 (a)는 제조예 2 및 비교예 2에 따른 센서에 연속적으로 포도당을 주입하며 시간에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이다.
도9의 (b)는 제조예 2 및 비교예 2에 따른 센서의 포도당 농도에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이다.
도9의 (c)는 제조예 2 및 비교예 2에 따른 센서의 민감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PPh-PDA/PPy/GOx 센서는 높은 상관계수(R2=0.95)로 포도당 농도 0.2-5.0mM에서의 전류 변화의 선형 증가를 보이며, 22.15μAmM-1cm-2의 감도를 갖는다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 PPh-PPY/GOx 보다 여전히 약 25배 높은 것을 확인할 수 있다.
따라서, PPh 선택적 투과층의 증착은 센서의 감도 저하를 거의 나타내지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
실험예6
본 실험예6에서는, PPh-PDA/PPy/GOx 센서의 간섭 물질 배제능 및 포도당 선택성을 확인하는 실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 제조예 2에 따른 PPh-PDA/PPy/GOx 센서에 간섭 물질인 아스코르브산(AA), 요산(UA), 아세트아미노펜(AP) 및 감지대상물질인 포도당을 연속적으로 주입하며 시간에 따른 전류변화를 측정하였다.
도10은 제조예2에 따른 센서에 간섭 물질 및 포도당을 연속적으로 주입하며 시간에 따른 전류변화를 측정한 그래프이다.
도10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PPh-PDA/PPy/GOx 센서는 간섭 물질인 아스코르브산(AA), 요산(UA) 및 아세트아미노펜(AP)을 주입하였을 때는 전류변화가 거의 일어나지 않으며, 포도당을 주입하였을 때에만 높은 전류변화를 보이므로, 뛰어난 포도당 선택성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
실험예7
본 실험예7에서는, PPh-PDA/PPy/GOx 센서의 실사용 적합성을 판단하는 실험을 진행하였다.
구체적인 실험과정으로는, 인간의 혈청을 시료로 이용하여 혈청 내 포도당 농도를 측정하는 실험을 진행하였다. 실제 혈청 내의 포도당 농도는 1mM이었으며, 상기 실제 포도당 농도와 본 발명의 일 실시예에 따른 포도당 바이오센서의 측정값을 비교하여 그 정확도를 측정하였다.
도11은 제조예2, 제조예13 및 제조예14에 따른 센서의 정확도를 측정하여 나타낸 표이다.
도11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PPh-PDA/PPy/GOx 센서의 정확도는, Ph 농도 60mM 내지 80mM(Ph/Py 몰비 0.3 내지 0.4)에서 약 96% 내지 103%의 일치도를 보이며 가장 높은 정확도를 보였음을 확인할 수 있으며, 이를 통해 센서의 실제 사용 적합성 및 고성능 센서의 제조를 위한 바람직한 Ph 농도는 60mM 내지 80mM임을 확인할 수 있다.
실험예8
본 실험예8에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 포도당 바이오센서의 장기 안정성을 측정 및 비교하는 실험을 진행하였다.
이를 위하여, 제조예2 및 비교예2에 따라 제조된 센서에 90일 동안 0.5mM의 포도당 주입 후 전류 반응을 측정하여, 초기 전류 반응과 비교해보는 실험을 진행하였다. 실험을 진행하는 동안, 각 시료는 4°C, 0.1M PBS에서 보관되었다.
도12는 제조예2 및 비교예2에 따라 제조된 센서의 포도당 주입 시의 전류 변화를 90일 간 측정하여 초기 전류 반응과 비교한 상대값으로 나타낸 그래프이다.
도12를 참조하면, 90일이 지난 후, PPh-PPy/GOx 센서는 초기 포도당 감지 능력의 65.2 ± 6.1%에 불과한 반면, PPh-PDA/PPy/GOx 센서는 93.9 ± 4.6%으로 높은 장기 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
실험예9
본 실험예9에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화효소를 이용한 바이오센서의 젖산 등 다양한 종류의 산화효소 적용가능성을 검증하기 위하여, PDA/PPy/LOx 센서의 민감도를 측정하는 실험을 진행하였다.
이를 위하여, 상기 실험예2를 통해 탐색된 최적 조건으로 제조된 제조예15에 따른 PDA/PPy/LOx 센서 및 비교예3에 따른 PPy/LOx센서를 이용하여 젖산을 연속적으로 주입하며 시간에 따른 전류변화를 측정하였다. 이때, 상기 측정은 0.7V 하에서 측정되었다.
도13의 (a)는 제조예15 및 비교예3에 따른 센서에 연속적으로 젖산을 주입하며 시간에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이다.
도13의 (b)는 제조예15 및 비교예3에 따른 센서의 젖산 농도에 따른 전류변화를 측정한 그래프이다.
도13의 (c)는 제조예15 및 비교예3에 따른 센서의 민감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PDA/PPy/LOx 센서는, PDA를 포함하지 않는 PPy/LOx 센서와 비교할때, 젖산농도에 따라 전류 상승폭이 큰 것을 확인할 수 있으며, 센서의 민감도는 약 11배 향상되었음을 확인할 수 있었으며, 다양한 산화효소에 적용되어 높은 민감도를 가질 수 있음을 검증하였다.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 포도당 산화효소의 활성도 증가, 높은 과산화수소 반응성 및 전자 전달 효율 향상으로 인한 민감도가 향상된 고성능 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 포도당 감지층의 전극에 대한 높은 부착성으로 인한 박리방지 및 장기 안정성이 향상된 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 친환경 소재인 폴리도파민을 이용함으로써 생체친화적인 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 간섭 물질로부터의 감지 방해를 차단하고 우수한 선택적 감지 성능을 가진 전기화학적 포도당 바이오센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복잡한 공정 없이 one-pot 전기 화학 증착법을 통한 간단하고 재현성 높은 전기화학적 산화효소 기반 바이오센서의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 감지층
11: 폴리도파민
12: 전도성 고분자
13: 산화효소
20: 금속전극

Claims (19)

  1. 기준전극;
    상대전극; 및
    작용전극;
    을 포함하고,
    상기 작용전극은, 금속전극 및 상기 금속전극 상에 증착되며 감지대상물질을 감지하는 감지대상물질 감지층을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 감지대상물질 감지층은, 폴리도파민, 전도성고분자 및 감지대상물질 산화효소를 포함하되,
    상기 전도성고분자 1몰에 대해 상기 폴리도파민이 0.1몰 내지 0.3몰의 비율로 존재하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감지대상물질은, 당류 물질 또는 유기산 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 당류 물질은 포도당을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유기산 물질은 젖산 또는 요산을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성고분자는, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오핀, PEDOT, 폴리페닐렌비닐렌 및 폴리아세틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속전극은, 백금전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작용전극은, 상기 감지대상물질 감지층 상에 증착되며 감지대상물질을 선택적으로 투과시키는 선택적 투과층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선택적 투과층은, 폴리페놀, 폴리(3,3'-디아미노벤지딘), 폴리-o-페닐렌디아민, 폴리-m-페닐렌디아민, 폴리-p-페닐린디아민, 폴리-1,5-디아미노나프탈렌, 폴리-1,8-디아미노나프탈렌 및 나피온으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 선택적 투과층은, 폴리페놀 코팅층인 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서.
  11. 도파민단량체, 피롤단량체, 감지대상물질 산화효소 및 인산염 완충용액을 포함하는 증착용액을 준비하는 단계;
    상기 증착용액을 교반하는 단계;
    상기 교반된 증착용액에 질소를 투입하여 용액 내 잔존 산소를 제거하는 단계;
    상기 산소가 제거된 증착용액에 금속전극을 담지하고 소정의 전류밀도 및 전하밀도를 가하여, 감지대상물질 감지층을 증착하는 단계; 및
    상기 감지대상물질 감지층이 증착된 금속전극을 세척하여 미반응물 및 반응부산물을 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 증착용액은 상기 피롤단량체 1몰에 대해 상기 도파민단량체가 0.1몰 내지 0.3몰의 비율로 존재하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 감지대상물질은, 당류 물질 또는 유기산 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 당류 물질은, 포도당을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유기산 물질은 젖산 또는 요산을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 인산염 완충용액의 몰농도는 5mM 내지 10mM인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
  16. 삭제
  17. 제11항에 있어서,
    상기 전하밀도의 최종 증착전하밀도는, 70mCcm-2 내지 80mCcm-2인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    페놀단량체 및 인산염 완충용액을 포함하는 제2증착용액을 준비하는 단계;
    상기 제2증착용액에 질소를 투입하여 용액 내 잔존산소를 제거하는 단계;
    상기 증착용액에 상기 감지대상물질 감지층이 증착된 전극을 담지하고 소정의 전압을 가하여 선택적 투과층을 증착하는 단계; 및
    상기 선택적 투과층이 증착된 전극을 세척하여 미반응물 및 반응부산물을 제거하는 단계;
    를 더 포함하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 페놀단량체의 몰농도는, 0.06M 내지 0.08M인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서의 제조방법.
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