KR20000000791A - Sensor for measuring l-glutamic acid - Google Patents

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    • G01N27/308Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon

Abstract

PURPOSE: A sensor for measuring L-glutamic acid is provided to quickly and exactly measure the consistency of L-glutamic acid secreted from a synapse part inside a brain tissue. CONSTITUTION: The sensor for measuring L-glutamic acid using the carbon fiber handling the surface by an enzymatic film as an electrode material comprises steps of:pre-processing a carbon fiber electrode in electric chemical; forming an enzyme and a shared union film of a nonconductive high polymer polymeric film in the surface of the carbon fiber electrode pre-processed in electric chemical.

Description

글루타메이트 측정용 센서Glutamate Measuring Sensor

본 발명은 글루타메이트 측정용 센서로서, 보다 상세하게는 뇌조직내 시냅스부위에서 분비되는 글루타메이트의 농도를 측정할 수 있는 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor for measuring glutamate, and more particularly, to a sensor capable of measuring the concentration of glutamate secreted at synaptic sites in brain tissue.

최근 21세기 미개척분야인 두뇌과학을 공학적, 과학적으로 접근하려는 노력이 활발히 전개되고 있는 데, 이 경우 그 기초적 분석도구로서 신경전달물질을 생체내 상태(in vivo)에서 직접 측정할 수 있는 센서기술은 대단히 중요하므로 뇌조직에 직접 삽입할 수 있는 센서에 대한 연구가 최근 활발히 진행중이다.Recently, efforts are being actively made to approach brain science, an unexplored field in the 21st century, and in this case, as a basic analysis tool, a sensor technology that can directly measure neurotransmitters in vivo The importance of sensors that can be inserted directly into brain tissue is very active.

특히 글루타메이트 센서의 경우 두뇌손상과 관련한 신경장애등 신경과학분야에서 중요성이 매우 높아 생체내에서 측정가능한 글루타메이트 센서에 대한 요구가 증대되고 있다. 필수 아미노산중의 하나로 알려진 글루타메이트(L-glutamic acid)는 뇌속에 존재하는 대표적인 신경전달물질중의 하나로서 시냅스에서의 자극전달과정에 주요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 특히 시냅스 부위에서의 항상성(plasticity) 및 단위 신경세포인 뉴론(neuron)의 성장과 퇴화 등에 깊은 관련이 있다.In particular, the glutamate sensor is very important in the field of neuroscience, such as neurological disorders related to brain damage, and the demand for a glutamate sensor that can be measured in vivo is increasing. Glutamate (L-glutamic acid), which is known as one of the essential amino acids, is one of the representative neurotransmitters in the brain and is known to play a major role in the stimulation process at synapses. In particular, the homeostasis (plasticity) at the synaptic region and the growth and degeneration of neurons (neuron) unit neurons are deeply involved.

최근, 글루타메이트는 NMDA (N-methyl-D-aspartic acid)리셉터와 결합하여 체내의 칼슘이온(Ca2+)농도를 증가시켜 결국 NO(nitric oxide)을 생성시키는 효소인 NO 합성효소(NO syntase)의 활성화와 관계된다는 연구 결과가 보고된 바 있다.Recently, glutamate binds with N-methyl-D-aspartic acid (NMDA) receptors to increase the calcium ion (Ca 2+ ) concentration in the body, eventually producing NO (nitric oxide), a NO syntase. Research has been reported to be related to the activation of.

NO는 포유동물의 몸에 편재되어있는 자유라디칼로서 발견되며 아르기닌( arginine)으로부터 합성되는 분자이다. 상기 NO는 뉴로트랜스미션(neurotransmission), 혈관확장, 마크로파지의 세포내 독소에 의한 세포파괴와 혈소판 응집의 억제 등의 다양하면서 많은 생물학적 활성에 참여하는 분자로서, 결과적으로는 신경장애를 일으킬 수 있는 물질이다.NO is found as a free radical ubiquitous in the mammal's body and is a molecule synthesized from arginine. The NO is a molecule that participates in various biological activities such as neurotransmission, vasodilation, inhibition of cell disruption and platelet aggregation by intracellular toxins of macrophages, and is a substance that can cause neuropathy. .

이와 같이 두뇌손상과 관련된 신경장애에 글루타메이트가 깊게 관계되고 있어 신경과학(neuroscience)분야를 중심으로 뇌속에 존재하는 글루타메이트의 농도를 측정하려는 많은 노력이 기울여 왔다.Since glutamate is deeply involved in neurological disorders related to brain damage, many efforts have been made to measure the concentration of glutamate in the brain, particularly in the field of neuroscience.

이와 관련한 대표적인 노력으로 마이크로다이알리시스(microdialysis)를 사용하여 체외에서 고성능 액체 크로마토그래피(High performance liquid chromatograpy ;HPLC)등과 같은 분석기기로서 글루타메이트를 정량하는 방법이 있다. 그러나 마이크로다이알리시스 방법을 이용하여 채취한 시료의 경우 실시간적으로 글루타메이트의 농도 변화를 추적하기는 어려운 단점이 있다. 일반적으로 글루타메이트와 같은 신경전달물질의 경우 그 농도변화가 미비하고 측정이 까다로운 어려움이 존재한다.A representative effort in this regard is a method of quantifying glutamate as an analyzer such as high performance liquid chromatograpy (HPLC) in vitro using microdialysis. However, it is difficult to track the concentration change of glutamate in real time in the case of samples collected using the microdialissis method. In general, neurotransmitters such as glutamate have inadequate concentration changes and difficult measurement.

한편, 다른 신경전달물질인 카테콜아민(catecholamine)류, 즉 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 에피네프린(epinephrine)과 비교하면 글루타메이트는 그 자체적으로는 전기화학적으로 산화/환원될 수 없는 물질이다.Meanwhile, glutamate is a substance that cannot be oxidized / reduced by itself compared with other neurotransmitters such as catecholamines, that is, dopamine, norepinephrine, and epinephrine.

따라서 일반적으로는 글루타메이트의 농도 변화를 측정하기 위해서는 다음과 같은 효소반응을 이용할 수 있다.Therefore, in general, the following enzyme reaction can be used to measure the concentration change of glutamate.

글루타메이트의 농도 변화 측정에 이용가능한 효소로서는 글루타메이트산화효소(glutamate oxidase), 글루타메이트탈수소효소(glutamate dehydrogense), 글루타메이트탈탄산효소(glutamate decarboxylase) 그리고 글루타민합성효소(glutamine syntase)가 있으며 이들이 촉매로서 사용되는 글루타메이트의 생화학 반응을 이용하여 글루타메이트를 정량한다.The enzymes available for measuring changes in glutamate concentrations include glutamate oxidase, glutamate dehydrogense, glutamate decarboxylase, and glutamine syntase, which are used as catalysts. Glutamate is quantified using the biochemical reaction of.

글루타메이트를 정량하는 방법으로서,As a method of quantifying glutamate,

그 하나가 글루타메이트산화효소가 이용되는 하기의 반응식 1에 의한 반응에 의해 생성되는 과산화수소(H2O2) 혹은 소모되는 산소(O2)의 농도를 측정하므로써 글루타메이트의 양을 측정하는 것이 있다.One of them is to measure the amount of glutamate by measuring the concentration of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) or oxygen (O 2 ) produced by the reaction according to Scheme 1 below, wherein glutamate oxidase is used.

L-글루타메이트 + O2+ H2O --------->α- 케토글루타레이트 + NH3+ H2O2 L-glutamate + O 2 + H 2 O ---------> α- ketoglutarate + NH 3 + H 2 O 2

글루타메이트산화효소Glutamate oxidase

또한, 위와 같은 글루타메이트산화효소 반응에 의해 생성된 α-케토글루타레이트(α-ketoglutarate)에서 연쇄적으로 글루타메이트탈수소효소(glutamate dehydrogenase)를 촉매로 사용한 반응식 2에 따른 반응을 이용하여 글루타메이트를 다시 생성시킴으로 인해 결과적으로 글루타메이트 정량의 측정감도를 높이는 연구도 보고된 바 있다.(타란타(Talanta ; 논문명) 38(1): 49-55, 1991)In addition, in the α-ketoglutarate produced by the glutamate oxidase reaction as described above, glutamate is regenerated by using a reaction according to Scheme 2 using a glutamate dehydrogenase as a catalyst. As a result, studies have been reported to increase the measurement sensitivity of glutamate quantification (Talanta; Article 38) (49): 49-55, 1991).

L-글루타메이트+NAD(P)++H2O<---------------->α-케토글루타레이트+NH4 ++NAD(P)H 글루타메이트탈수소효소L-glutamate + NAD (P) + + H 2 O <----------------> α-ketoglutarate + NH 4 + + NAD (P) H glutamate dehydrogenase

한편, 글루타메이트탈탄산효소(glutamate decarboxylase) 반응식 3에 의한 반응을 통하여 생성되는 이산화탄소의 양을 광섬유프로브를 이용하여 측정하고, 그 측정양을 통하여 글루타메이트를 정량하는 방법이 있다.On the other hand, there is a method of measuring the amount of carbon dioxide generated through the reaction according to the glutamate decarboxylase reaction scheme 3 using an optical fiber probe, and quantifying glutamate through the measured amount.

L-글루타메이트 ---------------->γ-아미노부티레이트(aminobutyrate) + CO2글루타메이트탈탄산효소L-glutamate ----------------> γ-aminobutyrate + CO 2 glutamate decarboxylase

또다른 방법으로, pH전극이나 ISFET(ion-selective field effect transistor)상에 글루타민합성효소(glutamine syntase)를 고정하여 글루타메이트를 정량하는 기술이 보고된 바 있다.As another method, a technique for quantifying glutamate by fixing glutamine syntase on a pH electrode or an ion-selective field effect transistor (ISFET) has been reported.

이와 같은 글루타메이트 정량법을 이용한 글루타메이트 측정용 센서의 개발연구는 간의 손상 및 간염 또는 간기능 저하를 판별해내는 임상진단용 센서나,또는 글루타메이트가 식품의 풍미를 증진시켜주는 대표적인 식품첨가제로서 사용되므로 이에 관련하여 식품관리용 센서에 주로 치중되어 왔다.The development of the sensor for measuring glutamate using the glutamate quantitative method is a clinical diagnostic sensor for discriminating liver damage and hepatitis or hepatic function, or glutamate is used as a representative food additive to enhance the flavor of food. It has been mainly focused on food control sensors.

임상용이나 식품용으로 개발된 글루타메이트 센서의 경우, 플라티눔(platinum) 전극 또는 용존산소전극, ISFET 등을 트랜스듀서로 활용하여 이들 트랜스듀서의 감응부위에 상술한 글루타메이트산화효소, 글루타메이트탈수소효소, 글루타메이트탈탄산효소 그리고 글루타민합성효소 등을 고정화한 막을 부착시킨 형태로 개발되었다.In the case of glutamate sensors developed for clinical use or food use, glutamate oxidase, glutamate dehydrogenase, glutamatetal, etc. are described in the sensitive areas of these transducers by using a platinum electrode, a dissolved oxygen electrode, or an ISFET as a transducer. It was developed in the form of a membrane attached with immobilized carbonate and glutamine synthetase.

상기 임상용이나 식품용으로 개발된 센서의 경우 그 외형상 전극 크기가 너무 커서 뇌조직에 직접 삽입할 수 없으므로 뇌연구용으로는 적합하지 않다.The sensor developed for clinical or food use is not suitable for brain research because its shape electrode size is too large to be inserted directly into brain tissue.

따라서, 상기 센서와 마이크로다이알리시스를 접목하여 체외에서 글루타메이트의 농도를 검출하고자 하는 노력도 기울여지고 있으나, 근본적으로 체외에서 측정되는 글루타메이트의 농도는 실제 체내에서 분비되는 글루타메이트의 빠른 농도변화를 대별해주지 못하는 단점이 있다. 더우기 다이얼리시스 튜빙(dialysis tubing)을 통한 완충용액의 농도 등은 글루타메이트의 실제 농도에 영향을 미쳐 정확한 농도 측정을 방해한다.Therefore, efforts have been made to detect glutamate concentrations in vitro by incorporating the sensor and microdialis- tion, but the concentrations of glutamate that are measured in vitro can not distinguish the rapid concentration change of glutamate actually released in the body. There is a disadvantage. Moreover, the concentration of the buffer solution through dialysis tubing affects the actual concentration of glutamate, which prevents accurate concentration measurement.

따라서 뇌연구용 센서의 경우, 보다 마이크로한 전극물질의 사용이 요구된다고 할 것이나 이로 인한 적은 양의 효소 사용에 대한 문제와 함께 전극간섭물질의 배제, 전극물질의 생체 적합성(生體 適合性, biocompatibility) 및 그 사용기간 등에 대한 문제가 발생할 수 있다.Therefore, in the case of the sensor for brain research, the use of micro electrode material is required, but the problem of using a small amount of enzyme, the exclusion of electrode interference material, the biocompatibility of electrode material And problems with the period of use thereof may occur.

뇌조직에 직접 삽입할 수 있는 센서로 개발된 일례로는 미국 칸사스 대학에서는 글루타메이트산화효소와 아스코베이트산화효소(ascorbate oxidase)를 직경 250μm인 백금/이리디움(Pt/Ir)전선상에 고정화 시킨 마이크로전극이 있다.(Brain Research 659 : 117-125, 1994) 그러나 상기 센서의 경우 두가지 효소반응을 이용해야 하는 번거로움과 트랜스듀서로 사용한 백금/이리디움(Pt/Ir) 전극의 생체 적합성(生體 適合性, biocompatibility) 정도가 아직 검증되지 못하여 그 단점으로 지적되고 있다.An example of a sensor that can be inserted directly into brain tissue is at the University of Kansas, USA, where glutamate oxidase and ascorbate oxidase are immobilized on a platinum / iridium (Pt / Ir) wire with a diameter of 250 μm. (Brain Research 659: 117-125, 1994) However, the sensor is bothersome to use two enzymatic reactions and biocompatibility of Pt / Ir electrodes used as transducers. The degree of biocompatibility has not been verified and is pointed out as a disadvantage.

생체시료의 신경전달물질을 측정하는 데 사용되는 전극물질로는 카본화이버가 많이 연구되고 있는 데, 카본화이버 전극은 전극특성이 우수하고 생체삽입이 용이하며 생체 적합성(生體 適合性, biocompatibility)이 좋다. 따라서 카본화이버 전극의 표면을 나피온(nafion)으로 처리하여 도파민과 같은 카테콜아민류의 신경전달물질의 측정에 사용되고 있으나, 글루타메이트의 경우에는 몇몇 대학을 중심으로 연구가 진행중인 실정이다.Carbon fibers have been studied as electrode materials for measuring neurotransmitters in biological samples. Carbon fiber electrodes have excellent electrode characteristics, easy bioinsertion, and biocompatibility. good. Therefore, the surface of the carbon fiber electrode is treated with nafion (nafion), but it is used for the measurement of neurotransmitters of catecholamines such as dopamine, but in the case of glutamate, research is being conducted in several universities.

상기 카본화이버 전극을 이용하여 글루타메이트를 측정하는 데에는 다음과 같은 문제점이 있다.The measurement of glutamate using the carbon fiber electrode has the following problems.

첫째, 글루타메이트 농도 측정의 경우 전술한 바와 같이 글루타메이트산화효소 등의 효소를 카본화이버 전극의 표면에 고정화시켜야 하는 데 이러한 효소의 고정화가 어렵다.First, in the case of measuring the glutamate concentration, as described above, an enzyme such as glutamate oxidase must be immobilized on the surface of the carbon fiber electrode.

둘째, 생체시료중에 존재하는 다른 전극활성물질에 의한 신호간섭효과를 배제시켜야 한다. 왜냐하면 카본화이버 전극은 뇌조직과 같은 생체관련 시료에 많이 존재하는 아스코빅산이나 도파민과 같은 물질과도 반응하는 데, 이러한 반응으로 글루타메이트 양의 정확한 측정이 이루어지지 않게 되기 때문이다.Second, the signal interference effect by other electrode active materials present in the biological sample should be excluded. Because carbon fiber electrodes also react with substances such as ascorbic acid and dopamine, which are present in many biological samples such as brain tissue, these reactions do not allow accurate measurement of glutamate levels.

셋째, 글루타메이트산화효소 반응을 이용하여 글루타메이트의 농도를 측정하는 경우, 전술한 반응에서 생성되는 과산화수소(H2O2)에 대한 응답특성을 높이는 것이 요구된다. 상기 과산화수소에 대한 응답특성은 글루타메이트센서의 감도를 높이는 데 가장 중요한 기본 요소기술이나, 카본화이버전극이 아스코빅산이나 도파민과 같은 카테콜아민류등에는 잘 반응하지만 과산화수소에 대한 응답은 상대적으로 좋지 않으므로 과산화수소에 대한 응답특성을 향상시킬 필요가 있다.Third, when measuring the concentration of glutamate using a glutamate oxidase reaction, it is required to increase the response characteristics for the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) generated in the above-described reaction. The response characteristic to hydrogen peroxide is the most important element for improving the sensitivity of glutamate sensor, but the carbon fiber electrode responds well to catecholamines such as ascorbic acid or dopamine, but the response to hydrogen peroxide is relatively good. It is necessary to improve the response characteristics.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 뇌조직내 시냅스부위에서 분비되는 글루타메이트의 농도를 신속, 정확히 측정할 수 있는 글루타메이트 측정용 센서를 제공하는 것이다.The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a sensor for measuring glutamate that can quickly and accurately measure the concentration of glutamate secreted from synaptic sites in brain tissue.

도 1은 본 발명에 의한 글루타메이트 측정용 센서의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a sensor for measuring glutamate according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

1...커넥터1.Connector

3...유리피펫3 ... glass pipette

5...구리선5.Copper ship

7...절연성 에폭시7.insulating epoxy

9...카본화이버9.Carbon Fiber

11...효소/고분자중합막으로 이루어진 감지부위11 ... Sense site consisting of enzyme / polymer polymer membrane

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 글루타메이트 측정용 센서는 전기화학적 전처리가 되있고, 또한 효소와 비전도성 고분자 중합막을 공유결합시킨 효소막으로 표면이 처리되어 있는 카본화이버를 전극물질로 사용한다.In order to achieve the above object, the glutamate measuring sensor of the present invention is an electrochemical pretreatment, and also uses carbon fiber whose surface is treated with an enzyme membrane covalently bonded to an enzyme and a nonconductive polymer polymerization membrane. .

이때, 상기 카본화이버는 푸루시안블루를 사용하여 전기화학적으로 수식될 수 있다.In this case, the carbon fiber may be electrochemically modified using the Prussian blue.

상기 효소는 글루타메이트산화효소일 수 있다.The enzyme may be glutamate oxidase.

상기 비전도성 고분자 중합막은 m-페닐렌디아민(m-phenylenediamine)과 레조시놀(resorcinol)로 이루어진 중합막으로 구성된 중합막일 수 있다.The non-conductive polymer polymer membrane may be a polymer membrane composed of a polymer membrane composed of m-phenylenediamine and resorcinol.

또한, 상기 글루타메이트 측정용 센서의 제조방법은 다음과 같다.In addition, the manufacturing method of the sensor for glutamate measurement is as follows.

즉, (a)카본화이버전극을 전기화학적으로 전처리하는 단계와;That is, (a) electrochemically pretreating the carbon fiber electrode;

(b)상기 전기화학적으로 전처리된 카본화이버전극의 표면에 효소와 비전도성고분자 중합막의 공유결합막을 형성시키는 단계;(b) forming a covalent bond film of an enzyme and a non-conductive polymer polymer film on the surface of the electrochemically pretreated carbon fiber electrode;

로 이루어진 제조방법이다.It is made of a manufacturing method.

이때, 상기 제조방법에는, 전술한 전기화학적으로 전처리된 카본화이버전극을 푸루시안블루를 사용하여 전기화학적으로 수식하는 단계를 더욱 포함할 수 있으며, 상기 효소는 글루타메이트산화효소일 수 있으며, 또한 상기 비전도성 고분자 중합막은 m-페닐렌디아민과 레조시놀의 중합막일 수 있다.At this time, the manufacturing method may further include the step of electrochemically modifying the electrochemically pretreated carbon fiber electrode using the Prussian blue, the enzyme may be glutamate oxidase, the vision The conductive polymer polymer film may be a polymer film of m-phenylenediamine and resorcinol.

이하, 본 발명의 구성에 대한 작용을 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the configuration of the present invention will be described in detail.

생체시료중의 글루타메이트는 글루타메이트산화효소반응에 의해 알파케토글루타레이트(α-ketoglutarate)를 생성함과 동시에 시료중에 녹아 있는 산소가 과산환수소(H2O2)로 전환되는 반응이 일어난다.Glutamate in the biological sample produces alpha-ketoglutarate by glutamate oxidase reaction and simultaneously converts oxygen dissolved in the sample into hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).

이때 글루타메이트의 정량은 일정 전압이 인가되어 있는 전극상에서 글루타메이트 산화효소에 의해 생성된 과산화수소가 산화될 때 변하는 전류를 측정하므로써 가능하게 된다.At this time, the quantification of glutamate is possible by measuring a current that changes when hydrogen peroxide produced by glutamate oxidase is oxidized on an electrode to which a constant voltage is applied.

따라서, 적절한 글루타메이트의 측정을 위해서는 글루타메이트산화효소를 카본화이버의 표면에 고정시키고, 뇌조직 등의 생체관련 시료에 존재하는 아스코빅산이나 도파민과 같은 글루타메이트 이외의 전극활성물질에 의한 간섭을 없애야 한다. 또한 전술한 바와 같이 글루타메이트의 정량이 상기 반응에 의해 생성된 과산화수소가 산화 혹은 환원될 때의 전류변화 측정을 통하여 이루어지므로, 전극물질의 과산화수소에 대한 응답특성을 높이는 것이 필요하다.Therefore, in order to measure the appropriate glutamate, glutamate oxidase should be immobilized on the surface of the carbon fiber, and interference by an electrode active material other than glutamate, such as ascorbic acid or dopamine, present in biological samples such as brain tissue should be eliminated. In addition, as described above, since the quantification of glutamate is performed through the measurement of the current change when the hydrogen peroxide produced by the reaction is oxidized or reduced, it is necessary to increase the response characteristic of the electrode material to hydrogen peroxide.

본 발명은 비전도성고분자(non-conducting polymer)인 m-페닐렌디아민과 레조시놀이 카본화이버 표면에서 전기화학적으로 중합될 때 일정량의 글루타메이트산화효소를 함께 첨가하여, 상기 효소분자가 m-페닐렌디아민과 레조시놀의 고분자중합막에 공유결합되어진 미세전극(microelectrode)을 제공함으로써 상기와 같은 문제를 해결한다.The present invention adds a certain amount of glutamate oxidase together when m-phenylenediamine, a non-conducting polymer, and resorcinol are electrochemically polymerized on a carbon fiber surface, and the enzyme molecule is m-phenylene. The above problem is solved by providing a microelectrode covalently bonded to a polymer film of diamine and resorcinol.

상기 m-페닐렌디아민과 레조시놀의 고분자중합막은 카본화이버전극에서 효소를 고정시키는 결합체의 역할을 한다.The polymer polymerization membrane of m-phenylenediamine and resorcinol serves as a binder for fixing the enzyme in the carbon fiber electrode.

또한 상기 고분자중합막은 고분자막의 특성상 분자량이 작은 물질만 선택적으로 투과시킬 수 있다. 실험에 의하면 분자량이 비교적 큰 아스코빅산이나 도파민과 같은 카테콜아민류의 투과가 감소하였다. 따라서 m-페닐렌디아민과 레조시놀의 고분자중합막은 전기화학적으로 전처리시킨 카본화이버 전극이 아스코빅산이나 도파민과 같은 카테콜아민류 등에 잘 반응하는 반면. 과산화수소에 대한 응답은 상대적으로 좋지 않았던 종래의 단점을 해소할 수 있도록 전극간섭물질을 제거해주는 기능을 제공해줄 수 있다.In addition, the polymer polymerization membrane can selectively permeate only a material having a small molecular weight due to the characteristics of the polymer membrane. According to the experiment, permeation of catecholamines such as ascorbic acid or dopamine with a relatively high molecular weight decreased. Therefore, the polymer membrane of m-phenylenediamine and resorcinol responds well to catecholamines such as ascorbic acid or dopamine, while the electrochemically pretreated carbon fiber electrode. The response to hydrogen peroxide may provide a function to remove the electrode interference material to solve the conventional disadvantages that were relatively poor.

또한 본 발명에서는 상기 전극물질의 과산화수소 그 자체에 대한 응답특성을 향상시키기 위해 전극물질인 카본화이버를 푸루시안블루(prussian blue)로서 수식하였다. 이러한 수식은 또한, 적정한 측정전압(polarizing voltage)을 결정하는 데에도 도움을 준다.In addition, in the present invention, in order to improve the response characteristics of the electrode material to the hydrogen peroxide itself, carbon fiber, an electrode material, was modified as prussian blue. This equation also helps to determine the proper polarizing voltage.

본 발명의 m-페닐렌디아민과 레조시놀의 고분자중합막의 사용은, 나아가 종래의 신경전달물질 측정용 센서에서 생체시료를 오랜시간 측정하는 동안 시료중에 존재하는 단백질이나 전극생성물질에 의하여 전극표면이 오염되었던 문제점을 해소시킬 수 있게 하였다.The use of the polymer membrane of m-phenylenediamine and resorcinol of the present invention further provides an electrode surface by a protein or an electrode generating material present in a sample during a long time measurement of a biological sample in a conventional sensor for neurotransmitter measurement. This problem can be solved.

이하에서, 본 발명의 실시예를 통하여 글루타메이트 측정용 센서의 제조방법을 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 것이며 본 발명의 범위가 그에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the manufacturing method of the sensor for glutamate measurement through an embodiment of the present invention. The following examples are provided to illustrate the present invention in more detail, but the scope of the present invention is not limited thereto.

(실시예)(Example)

카본화이버 전극의 제작Fabrication of Carbon Fiber Electrodes

직경 8-30μm의 카본화이버를 5cm정도의 크기로 잘라서 본 발명의 기본전극으로 사용하였다. 전극지지대로 사용된 유리관(외경 : 1.5mm, 내경 : 1mm)은 마이크로파이펫 풀러(micropipette puller)를 사용하여 미세가공한 후 카본화이버 외경보다 약간 크게 조절하였다.A carbon fiber having a diameter of 8-30 μm was cut into a size of about 5 cm and used as a basic electrode of the present invention. The glass tube (outer diameter: 1.5mm, inner diameter: 1mm) used as the electrode support was adjusted slightly larger than the outer diameter of the carbon fiber after microfabrication using a micropipette puller.

카본화이버 한쪽 끝은 전도성 은(Ag)페이스트를 이용하여 전도성 구리선과 연결하여 측정장치와 연결될 수 있는 커넥터를 형성하고 100℃에서 10분간 소결하였다. 다음으로, 카본화이버를 미리 형성시켜 놓은 유리미세관에 삽입시키고 유리관 안쪽을 적당량의 에폭시(epoxy)로서 처리하여 소결, 절연시켰다. 유리미세관 끝에 외부로 노출된 카본화이버는 그 팁(tip)의 길이가 약 100-500μm정도가 되도록 현미경하에서 절단해서 카본화이버전극을 완성하였다.(제1도참조)One end of the carbon fiber was connected to a conductive copper wire using a conductive silver paste to form a connector that can be connected to a measuring device, and then sintered at 100 ° C. for 10 minutes. Next, carbon fibers were inserted into glass microtubes formed in advance, and the inside of the glass tube was treated with an appropriate amount of epoxy to be sintered and insulated. The carbon fiber exposed to the outside of the glass microtubule was cut under a microscope so that the tip length was about 100-500 μm to complete the carbon fiber electrode (see FIG. 1).

완성된 카본화이버 전극은 불순물이 그 표면에 존재할 수 있기 때문에 전기화학적으로 산화시켜 그 표면을 전처리하였다. 즉, 아세톤과 증류수로 전극표면을 번갈아 세척시킨 다음, 기준전극(Ag/AgCl), 백금선(platinum wire)으로 된 대전극(counter electrode), 그리고 카본화이버 전극을 지시전극(working electrode)으로하여 구성한 삼전극계를 사용하여 pH 7.4 인산완충용액(0.1M phosphate buffered saline)에서 Ag/AgCl 기준전극 대비 +3V에서 20초간, +2.4V에서 15초간, 마지막으로 +1.8V에서 10초간 70Hz 의 전원을 연속적으로 인가하여 전기화학적으로 전처리하였다. 전처리된 카본화이버전극은 전기화학적으로 안정하고, 재현성있는 전극특성을 얻을 수 있었다.The finished carbon fiber electrode was electrochemically oxidized to pretreat the surface because impurities may be present on the surface. In other words, the surface of the electrode is alternately washed with acetone and distilled water, and then a reference electrode (Ag / AgCl), a counter electrode made of platinum wire, and a carbon fiber electrode are formed as working electrodes. Using a three-electrode system, 70 Hz power was continuously applied at + 3V for 20 seconds, + 2.4V for 15 seconds, and finally at + 1.8V for 10 seconds in a pH 7.4 phosphate buffered saline (0.1M phosphate buffered saline). Was applied electrochemically. The pretreated carbon fiber electrode was able to obtain electrochemically stable and reproducible electrode characteristics.

푸루시안블루(prussian blue)를 사용한 카본화이버 전극수식Carbon fiber electrode formula using prussian blue

과산화수소에 대한 응답 특성을 향상시키기 위하여 카본화이버를 푸루시안블루로서 다음과 같이 수식하였다.In order to improve the response characteristics to hydrogen peroxide, carbon fibers were modified as Prussian blue as follows.

기준전극(Ag/AgCl), 백금선으로 된 대전극 그리고 카본화이버전극을 지시전극으로 하여 구성한 삼전극계를 사용하여 1mM K3[Fe(CN)6]와 1mM HCl에 녹인 Fe(NO3)3가 1mM이 되도록 녹인 용액을 섞은 용액상에서 0~+2V가지 스캔 율(scan rate) 50mV/s로서 전압을 인가하여 시클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 수행한 후, 3mM HCl이 함유된 0.1M KCl 전해질 하에서 0~+0.4V 까지 스캔 율 50mV/s로서 전압을 인가하여 푸루시안블루 막을 형성하였다.Using a three-electrode system consisting of a reference electrode (Ag / AgCl), a counter electrode made of platinum wire, and a carbon fiber electrode as an indicator electrode, Fe (NO 3 ) 3 dissolved in 1 mM K 3 [Fe (CN) 6 ] and 1 mM HCl Cyclic voltammetry was performed by applying a voltage of 0mV to + 2V scan rate of 50mV / s in a solution of the solution dissolved to 1mM, and then 0.1M KCl containing 3mM HCl. Under the electrolyte, a voltage was applied at a scan rate of 50 mV / s from 0 to +0.4 V to form a Purutian blue film.

푸르시안블루가 수식된 카본화이버 전극은 +0.2V정도에서 과산화수소의 환원반응이, 그리고 +0.9V정도에서 과산화수소의 산화반응이 일어남을 알 수 있었다.The blue fiber-modified carbon fiber electrode produced hydrogen peroxide reduction at + 0.2V and hydrogen peroxide oxidation at + 0.9V.

전기화학적 중합반응을 사용한 글루타메이트 산화효소의 고정화Immobilization of Glutamate Oxidase Using Electrochemical Polymerization

효소는 스트렙토마이시스(streptomyces)에서 추출한 글루타메이트 산화효소(glutamate oxidase EC 1.4.3.11)를 사용한다. 글루타메이트 산화효소200mg을 인산완충용액 1ml에 녹인 후 여기에 카본화이버 전극을 이용하여 전기화학적으로 5mA/cm2의 전류원으로서 효소를 푸루시안블루가 수식된 카본화이버 표면에 흡착시킨다. 다음, 전기화학중합반응을 위한 고분자용액으로 m-페닐렌디아민과 레조시놀을 각각 3mM이 되도록 미리 용존산소를 제거시킨 인산완충용액상에서 제조한 후 이를 1:1로 섞은 후, 효소가 흡착된 카본화이버 전극을 고분자 용액에 담가 전기화학적 중합반응을 시켜 고분자-효소간의 공유결합층을 형성한다. 전기화학 중합반응은 Ag/AgCl 기준전극 대비 +900mV를 10분간 카본화이버 전극에 인가하므로서 이루어진다.The enzyme uses glutamate oxidase EC 1.4.3.11 extracted from streptomyces. After dissolving 200 mg of glutamate oxidase in 1 ml of a phosphate buffer solution, the enzyme is adsorbed onto the surface of a carbon fiber modified with a blue light, which is electrochemically used as a current source of 5 mA / cm 2 using a carbon fiber electrode. Next, as a polymer solution for electrochemical polymerization, m-phenylenediamine and resorcinol were prepared in a phosphate buffer solution in which dissolved oxygen was removed in advance so as to be 3 mM each, and then mixed 1: 1. The carbon fiber electrode is immersed in a polymer solution to undergo an electrochemical polymerization to form a covalent bond layer between the polymer and the enzyme. The electrochemical polymerization is performed by applying +900 mV to the carbon fiber electrode for 10 minutes compared to the Ag / AgCl reference electrode.

효소고정화의 다른 방법으로 효소의 흡착반응없이 일정용액의 효소액과 고분자 혼합액을 동시에 섞은 상태에서 같은 조건으로 전기화학 중합반응을 할 수 있다. 단, 이 경우 효소의 농도를 조절하는 것이 매우 중요하다.As another method of enzyme immobilization, the electrochemical polymerization can be carried out under the same conditions under the condition that the enzyme solution and the polymer mixture solution are mixed at the same time without the enzyme adsorption reaction. In this case, however, it is very important to control the concentration of the enzyme.

또다른 방법으로는 상기에서 제조한 글루타메이트산화효소액을 0.1% 나피온(Nafion)용액과 함께 푸루시안블루가 수식된 카본화이버 표면에 흡착시킨 다음 역시 같은 방법으로 전기화학적 중합반응을 시켜 고분자-효소간의 공유결합층을 형성할 수 있다.In another method, the glutamate oxidase solution prepared above is adsorbed on the surface of a carbon fiber modified with Prussian blue with 0.1% Nafion solution, and then subjected to an electrochemical polymerization reaction in the same manner. A covalent bond layer can be formed.

전기화학중합반응이 끝난 전극은 증류수로 두세번 세척한 후 +4℃에서 보관하면서 글루타메이트 측정실험에 사용한다.After the electrochemical polymerization, the electrode is washed two or three times with distilled water and stored at + 4 ℃.

글루타메이트의 측정에 있어, 과산화수소의 환원반응을 이용하는 경우는 pH 7.4 인산완충용액(0.1M phosphate buffered saline)을 사용하여 37℃ 글루타메이트 표준용액의 센서표준검정곡선을 구할 수 있는 데, 기준전극 대비 +0.2V 정도의 전압하에서 과산화수소의 환원반응을 측정함으로서 글루타메이트의 농도를 구할 수 있다.In the measurement of glutamate, in the case of using the reduction reaction of hydrogen peroxide, the sensor standard calibration curve of the glutamate standard solution at 37 ° C. can be obtained by using pH 7.4 phosphate buffered saline, which is +0.2 compared to the reference electrode. The concentration of glutamate can be determined by measuring the reduction reaction of hydrogen peroxide under a voltage of about V.

또한, 과산화수소의 산화반응을 이용하는 경우는 기준전극 대비 +0.9V 정도의 전압하에서 과산환수소의 산화반응을 측정함으로서 글루타메이트의 농도를 구할 수 있다.In addition, when the oxidation reaction of hydrogen peroxide is used, the concentration of glutamate can be obtained by measuring the oxidation reaction of hydrogen peroxide at a voltage of about + 0.9V with respect to the reference electrode.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 전기화학적 측정방법을 이용한 글루타메이트 측정용 센서에 있어서 전극물질에 효소를 적절히 고정시키고, 다른 전극활성물질에 의한 신호간섭효과를 배제하며, 전극의 과산화수소에 대한 응답특성을 높여 결과적으로 글루타메이트센서의 감도를 높일 수 있다.As described above, according to the present invention, in the sensor for glutamate measurement using the electrochemical measurement method, the enzyme is properly fixed to the electrode material, the signal interference effect by other electrode active materials is excluded, and the response to the hydrogen peroxide of the electrode As a result, the sensitivity of the glutamate sensor can be increased.

Claims (8)

전기화학적 전처리가 되있고, 또한 효소와 비전도성 고분자 중합막을 공유결합시킨 효소막으로 표면이 처리되어 있는 카본화이버를 전극물질로 사용한 글루타메이트 측정용 센서.A sensor for glutamate measurement using electrochemical pretreatment and carbon fiber whose surface is treated with an enzyme membrane in which an enzyme and a nonconductive polymer polymerized membrane are covalently bonded. 제1항에 있어서, 상기 카본화이버는 푸루시안블루를 사용하여 전기화학적으로 수식된 카본화이버 전극임을 특징으로 하는 글루타메이트 측정용 센서.The sensor for glutamate measurement according to claim 1, wherein the carbon fiber is a carbon fiber electrode which is electrochemically modified by using Prussian blue. 제1항에 있어서, 상기 효소는 글루타메이트산화효소임을 특징으로 하는 글루타메이트 측정용 센서.The sensor for measuring glutamate according to claim 1, wherein the enzyme is glutamate oxidase. 제1항에 있어서, 상기 비전도성 고분자 중합막이 m-페닐렌디아민과 레조시놀로 이루어진 중합막임을 특징으로 하는 글루타메이트 측정용 센서.The sensor for measuring glutamate according to claim 1, wherein the non-conductive polymer polymer film is a polymer film made of m-phenylenediamine and resorcinol. (a)카본화이버전극을 전기화학적으로 전처리하는 단계와;(a) electrochemically pretreating the carbon fiber electrode; (b)상기 전기화학적으로 전처리된 카본화이버전극의 표면에 효소와 비전도성고분자 중합막의 공유결합막을 형성시키는 단계;(b) forming a covalent bond film of an enzyme and a non-conductive polymer polymer film on the surface of the electrochemically pretreated carbon fiber electrode; 로 이루어진 글루타메이트 측정용 센서의 제조방법.Method for producing a sensor for measuring glutamate consisting of. 제5항에 있어서, 상기 전기화학적으로 전처리된 카본화이버전극에 푸루시안블루를 사용하여 전기화학적으로 수식하는 단계를 더욱 포함하는 글루타메이트 측정용 제조방법.6. The method of claim 5, further comprising electrochemically modifying the electrochemically pretreated carbon fiber electrode by using Prussian blue. 제5항에 있어서, 상기 효소는 글루타메이트산화효소인 것을 특징으로 하는 글루타메이트 측정용 센서의 제조방법.The method of claim 5, wherein the enzyme is a glutamate oxidase. 제5항에 있어서, 상기 비전도성 고분자 중합막은 m-페닐렌디아민과 레조시놀의 중합막임을 특징으로 하는 글루타메이트 측정용 센서의 제조방법.The method of claim 5, wherein the non-conductive polymer polymer film is a polymer film of m-phenylenediamine and resorcinol.
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