KR20090004674A - 효소 전극 및 효소 센서 - Google Patents

효소 전극 및 효소 센서 Download PDF

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KR20090004674A
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carbon nanotubes
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다케시 시모무라
도루 스미야
유이치로 마스다
마사토시 오노
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후나이 일렉트릭 어드밴스드 어플라이드 테크놀로지 리서치 인스티튜트 인코포레이티드
후나이 덴키 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은, 표적물질을 고감도로 그리고 고속으로 검출할 수 있으며 우수한 안정성을 구비하고 또한 긴 수명의 효소 전극 및 당해 효소 전극을 사용한 효소 센서를 제공하기 위한 것이다.
이를 위하여, 효소 전극(1)을, 전극(2)과, 전극(2) 및/또는 전극(2) 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브(3)를 구비하는 카본나노튜브층(L)과, 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 끼워짐으로써 카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4)를 구비하여 구성한다.

Description

효소 전극 및 효소 센서{ENZYME ELECTRODE AND ENZYME SENSOR}
본 발명은, 효소 전극(酵素電極) 및 효소 전극을 사용한 효소 센서(酵素 sensor)에 관한 것이다.
종래에, 환경문제/의료분야에 대한 응용이라고 하는 관점으로부터, 특정한 미량물질(微量物質)을 검출하는 바이오센서(biosensor)의 연구/개발이 활발히 이루어지고 있다.
특히, 효소 센서는, 예를 들면 표면에 효소를 고정시킨 전극을 사용하여 표적물질(標的物質)을 전기화학적(電氣化學的)으로 검출하는 것이다. 효소 센서는, 효소가 표적물질과 특이하게 반응하기 때문에, 혼합물 안에서 표적물질을 선택적으로 그리고 비교적 고감도로 검출할 수 있다고 하는 특징을 구비한다. 효소 센서로서는, 현재까지 예를 들면 당뇨병 검사(糖尿病 檢査)를 위한 글루코오스 센서(glucose sensor), 통풍검사(痛風檢査)를 위한 요산 센서(尿酸sensor), 신장기능(腎臟機能) 검사를 위한 요소 센서(尿素 sensor) 등이 의료분야에서 실용화에 이르고 있다.
최근, 안전하고 안심할 수 있는 쾌적한 사회의 실현이라고 하는 관점으로부터, 예를 들면 포름알데히드(formaldehyde)나 톨루엔(toluene) 등의 주거환경 오염물질, TNT 화약 등의 폭발물류(爆發物類), 코카인(cocaine)이나 헤로인(heroin) 등의 마약류 등을 고속/고감도로 검출하는 기술이 요구되고 있다. 이들 물질은, 기상(氣相)이나 액상(液相) 중에 극저농도(極低濃度)로 존재하기 때문에, 검출에는 서브 ppb 레벨의 검출감도(檢出感度)가 요구되고 있어, 센서의 더한층의 고속/고감도화가 요구되고 있다.
효소는 고분자(高分子)의 단백질(蛋白質)로서, 그 입체구조(立體構造)에 의거하여 활성을 나타내므로 여러가지 외적요인에 의하여 쉽게 활성을 잃는다고 하는 결점을 가지고 있다. 거기에서, 종래부터 이 불안정성을 제거하기 위해서, 적당한 담체(擔體)에 효소를 실어 담체와 효소의 상호작용을 통하여 효소를 안정시키는 방법(효소 고정화법(酵素固定化法))이 개발되어 왔다(예를 들면 비특허문헌1 참조).
효소 센서에 있어서는, 상기 효소 고정화법에 의하여 전극 표면에 효소를 물리적 또는 화학적으로 고정시킨 효소 전극을 사용하여 전기화학적으로 출력 전류치를 계측하게 되어 있다.
효소 전극에 있어서의 효소의 고정량을 증가시킴으로써 고감도의 효소 센서를 얻는 것이 가능하다. 그러나 효소 전극에 있어서의 효소의 고정량은, 전극의 실효 표면적에 크게 의존한다.
그런데, 종래에 카본나노튜브(carbon nano tube)가 반도체(半導體) 특성을 나타내는 것으로부터, 카본나노튜브를 전자 디바이스(電子 device)로서 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 카본나노튜브는 화학적으로 안정적이고 전기 전도도(電氣傳導度)가 매우 높기 때문에, 전자소자(電子素子)로서 사용하는 데에도 적합하다. 또한 카본나노튜브의 지름은 1nm ~ 20nm 정도이기 때문에 미세한 회로의 소자나 전극으로서 이용하는 데에도 적합하다.
또한 카본나노튜브의 전기화학적 특성으로서는, 촉매활성(觸媒活性)이 다른 전극재료(電極材料)보다도 높은 것을 들 수 있다. 따라서 카본나노튜브를 전극으로서 사용하면, 다른 전극재료를 사용하는 경우와 비교하여 동일 전위(電位)에 있어서 산화전류(酸化電流)나 환원전류(還元電流)가 커지게 되기 때문에, 검출감도의 향상으로 연결된다(예를 들면 비특허문헌2 참조).
또한 카본나노튜브의 특징으로서는, 높은 애스펙트비(aspect ration)를 구비하는 것을 들 수 있다. 카본나노튜브는, 지름이 수nm인 것에 대하여 길이는 수μm 정도로서, 1000배 이상의 애스펙트비를 구비하기 때문에 비표면적(比表面積)을 증가시킬 수 있다. 따라서 카본나노튜브를 효소 고정화 담체(酵素 固定化 擔體)로서 이용하면, 평면에 대한 효소의 고정과 비교하여 보다 큰 흡착량에 의하여 고농도의 효소의 고정을 기대할 수 있다. 또한 카본나노튜브를 전극으로서 사용하면, 카본나노튜브는 표면 전체에서 반응하기 때문에 감도나 응답속도의 향상에도 연결된다(예를 들면 비특허문헌3 참조).
그래서, 카본나노튜브를 이용한 효소 센서가 제안되어 있다.
구체적으로는, 예를 들면 미네랄 오일(mineral oil; 鑛油)에 카본나노튜브나 효소를 혼합하여 그것을 전극에 도포한 효소 전극을 사용한 효소 센서가 제안되어 있다(예를 들면 비특허문헌4 참조).
또한 기판 상의 미세한 금속촉매 어레이(金屬觸媒 array) 상에 카본나노튜브를 수직방향으로 성장(成長)시켜, 그 카본나노튜브의 말단에 효소를 고정시킨 효소 센서도 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌1 참조).
비특허문헌1 효소공학개론(코로나사) p.16~p.100(1995)
비특허문헌2 Nature, 354, 56(1991)
비특허문헌3 Science, 287, 622(2000)
비특허문헌4 Electroanalysis, 14, 1609(2002)
특허문헌1 일본국 공개특허 특개2005-1105호 공보
그러나 비특허문헌4에 기재되어 있는 효소 센서에 있어서는, 카본나노튜브를 전극 상에 도포하기 때문에, 카본나노튜브와 전극의 사이에 쇼트키 장벽(Schottky Barrier; schottky 障壁)이 형성되어 큰 저항치가 계측되어 버린다. 이래서는, 카본나노튜브의 특성을 살릴 수 없어 충분한 검출감도와 응답속도를 얻을 수 없다.
또, 특허문헌1에 기재되어 있는 효소 센서에 있어서는, 카본나노튜브의 말단에밖에, 즉 카본나노튜브층의 표면에밖에 효소가 고정되지 않기 때문에, 카본나노튜브의 특성을 살릴 수 없어 효소의 고밀도 고정을 도모할 수 없다. 또한 특허문헌1에 기재되어 있는 효소 센서에 있어서는, 효소의 입체구조를 유지하는 것이 없기 때문에, 외부환경의 변화에 따라 효소의 입체구조의 변화가 발생하여, 효소의 활성을 잃어버리게 되어 안정성이 부족하고 수명이 짧다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 과제는, 표적물질을 고감도로 그리고 고속으로 검출할 수 있고, 우수한 안정성을 구비하고 또한 긴 수명의 효소 전극 및 당해 효소 전극을 사용한 효소 센서를 제공하고자 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 청구항1에 기재되어 있는 발명은, 효 소 전극에 있어서, 전극과, 상기 전극 및/또는 상기 전극 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브를 구비하는 카본나노튜브층과, 상기 카본나노튜브 상호간에 끼워짐으로써 상기 카본나노튜브층에 고정되는 효소를 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항2에 기재되어 있는 발명은, 청구항1에 기재되어 있는 효소 전극에 있어서, 상기 카본나노튜브층에 고정된 효소의 유출을 방지하기 위한 유출방지수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항3에 기재되어 있는 발명은, 청구항2에 기재되어 있는 효소 전극에 있어서, 상기 유출방지수단은, 상기 카본나노튜브층을 덮는 소정의 층인 것을 특징으로 한다.
청구항4에 기재되어 있는 발명은, 청구항2에 기재되어 있는 효소 전극에 있어서, 상기 유출방지수단은, 상기 카본나노튜브층에 유입된 소정의 가교제인 것을 특징으로 한다.
청구항5에 기재되어 있는 발명은, 청구항2에 기재되어 있는 효소 전극에 있어서, 상기 유출방지수단은, 상기 카본나노튜브의 말단에 유입되며 상기 효소의 아민기와 반응하여 아미드 결합을 형성하는 카르복실기인 것을 특징으로 한다.
청구항6에 기재되어 있는 발명은, 청구항1에 기재되어 있는 효소 전극에 있어서, 상기 카본나노튜브층에는, 상기 효소와 상기 전극 또는 상기 카본나노튜브의 사이의 전자의 반송을 촉진하기 위한 전자 전달체 및/ 또는 상기 효소의 활성의 발현을 촉매하는 보조효소가 유입되는 것을 특징으로 한다.
청구항7에 기재되어 있는 발명은, 청구항1에 기재되어 있는 효소 전극에 있어서, 상기 전극의 주위에 형성되는 소수성 절연부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항8에 기재되어 있는 발명은, 효소 전극에 있어서, 전극과, 상기 전극 및/또는 상기 전극 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브를 구비하는 카본나노튜브층과, 상기 카본나노튜브 상호간에 끼워짐으로써 상기 카본나노튜브층에 고정되는 효소와, 상기 카본나노튜브층에 고정된 효소의 유출을 방지하기 위한 유출방지수단과, 상기 카본나노튜브층에 유입되며 상기 효소와 상기 전극 또는 상기 카본나노튜브의 사이의 전자의 반송을 촉진하기 위한 전자 전달체 및/또는 상기 효소의 활성의 발현을 촉매하는 보조효소와, 상기 전극의 주위에 형성되는 소수성 절연부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항9에 기재되어 있는 발명은, 효소 센서에 있어서, 청구항1 또는 청구항8에 기재되어 있는 효소 전극을 사용하여 전기화학적 계측법에 의하여 표적물질을 검출하는 것을 특징으로 한다.
청구항10에 기재되어 있는 발명은, 청구항9에 기재되어 있는 효소 센서에 있어서, 기판과, 상기 기판의 상면에 설치된 분석부를 구비하고, 상기 효소 전극은, 상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 내부에 배 치되는 것을 특징으로 한다.
청구항11에 기재되어 있는 발명은, 청구항10에 기재되어 있는 효소 센서에 있어서, 상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 주위에 형성되는 소수성 절연막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항12에 기재되어 있는 발명은, 청구항10에 기재되어 있는 효소 센서에 있어서, 상기 분석부의 상면은 개구부로 되어 있고, 상기 개구부를 덮으며 액체의 투과를 억제하고 또한 기체분자를 투과시키기 위한 소정의 막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항13에 기재되어 있는 발명은, 청구항1 또는 청구항8에 기재되어 있는 효소 전극을 사용하여 전기화학적 계측법에 의하여 표적물질을 검출하는 효소 센서에 있어서, 기판과, 상기 기판의 상면에 설치되며 상면에 개구부를 구비하는 분석부와, 상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 주위에 형성되는 소수성 절연막과, 상기 개구부를 덮으며 액체의 투과를 억제하고 또한 기체분자를 투과시키기 위한 소정의 막을 구비하고, 상기 효소 전극은, 상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 내부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 효소 전극 및 당해 효소 전극을 사용한 효소 센서에 있어서, 효소 전극은, 전극과, 전극 및/또는 전극 상에 고정된 금속 촉매로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브를 구비하는 카본나노튜브층과, 카본나노튜브 상호간에 끼워짐으로써 카본나노튜브층에 고정되는 효소를 구비하고 있다.
즉 효소를 카본나노튜브 상호간에 삽입함으로써 카본나노튜브층 내에 효소를 확실히 고정시킬 수 있기 때문에 효소의 입체구조의 변화가 방지되어, 우수한 안정성을 구비하고 또한 긴 수명의 효소 전극 및 당해 효소 전극을 사용한 효소 센서를 제공할 수 있다.
또한 카본나노튜브층은 비표면적이 매우 크기 때문에, 큰 흡착량으로 고농도로 효소를 고정시킬 수 있을 뿐만 아니라, 카본나노튜브가 전극 및/또는 전극 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되고 있기 때문에, 카본나노튜브와 전극 사이에 쇼트키 장벽이 형성되지 않는다고 하는 특징을 구비함으로써, 표적물질을 고감도로 검출할 수 있는 효소 전극 및 당해 효소 전극을 사용한 효소 센서를 제공할 수 있다.
또한 카본나노튜브는 전극으로서의 역할도 담당하지만, 이에 따라 효소는 카본나노튜브 전극(카본나노튜브) 상호간에 끼워져 있게 되기 때문에, 효소와 카본나노튜브 전극(카본나노튜브) 사이의 전자의 반송이 효율적으로 이루어지고, 표적물질을 고속으로 검출할 수 있는 효소 전극 및 당해 효소 전극을 사용한 효소 센서를 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 효소 전극 및 당해 효소 전극을 사용한 효소 센서의 최선의 형태를 상세하게 설명한다. 여기에서 발명의 범위는, 도면에 나타나 있는 예에 한정되지 않는다.
본 발명에 관한 효소 전극(1)은, 예를 들면 도1에 나타나 있는 바와 같이, 전극(2)과, 전극(2) 및/또는 전극(2) 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브(3…)를 구비하는 카본나노튜브층(L)과, 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 끼워짐으로써 카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4…) 등을 구비하여 구성된다.
효소(4)는, 예를 들면 산화환원효소(酸化還元酵素)이다.
그러나 효소(4)는 산화환원효소에 한정되는 것이 아니라, 효소(효소 단백질)라면 어느 것이라도 좋아, 예를 들면 가수분해 효소(加水分解酵素), 전이 효소(轉移酵素), 이성화 효소(異性化 酵素) 등이더라도 좋다.
또한 효소(4)는, 예를 들면 원래부터 효소분자(酵素分子)이어도 좋고, 활성부위(活性部位)를 포함하는 효소의 단편(斷片)이더라도 좋다. 당해 효소분자 또는 당해 활성부위를 포함하는 효소의 단편은, 예를 들면 동식물이나 미생물로부터 추출한 것이라도 좋고, 필요에 따라 그것을 절단한 것이라도 좋고, 유전자 공학적으로 또는 화학적으로 합성(合成)한 것이라도 좋다.
구체적으로는 산화환원효소로서는, 예를 들면 글루코오스 옥시다제(glucose oxidase), 유산 옥시다제(乳酸 oxidase), 콜레스테롤 옥시다 제(cholesterol oxidase), 알콜 옥시다제(alcohol oxidase), 포름알데히드 옥시다제(formaldehyde oxidase), 소르비톨 옥시다제(sorbitol oxidase), 프룩토오스 옥시다제(fructose oxidase), 사르코신 옥시다제(sarcosine oxidase), 프룩토실아민 옥시다제(fructosylamine oxidase), 피루브산 옥시다제(pyruvic acid oxidase), 크산틴 옥시다제(xanthin oxidase), 아스코르빈산 옥시다제(ascorbic acid oxidase), 콜린 옥시다제(choline oxidase), 아민 옥시다제(amine oxidase), 글루코오스 디히드로게나아제(glucose dehydrogenase), 유산 디히드로게나아제(乳酸 dehydrogenase), 콜레스테롤 디히드로게나아제(cholesterol dehydrogenase), 알콜 디히드로게나아제(alcohol dehydrogenase), 포름알데히드 디히드로게나아제(formaldehyde dehydrogenase), 소르비톨 디히드로게나아제(sorbitol dehydrogenase), 프룩토오스 디히드로게나아제(fructose dehydrogenase), 히드록시 브티르산 디히드로게나아제(hydroxy butryc acid dehydrogenase), 글리세롤 디히드로게나아제(glycerol dehydrogenase), 글루타메이트 디히드로게나아제(glutamate dehydrogenase), 피루브산 디히드로게나아제(pyruvic acid dehydrogenase), 사과산 디히드로게나아제(malic acid dehydrogenase), 글루타민산 디히드로게나아제(glutamic acid dehydrogenase), 카탈라아제(catalase), 페록시다제(peroxidase), 우리카아제(uricase) 등을 사용할 수 있다. 그 밖에, 콜레스테롤 에스테라아제(cholesterol esterase), 크레아티니나아제(cretininase), 크레아티나아제(creatinase), DNA 폴리머라아제(DNA polymerase), 또한 이들 효소의 뮤턴트(mutant) 등을 사용할 수 있 다.
가수분해 효소로서는, 예를 들면 프로테아제(protease), 리파제(lipase), 아밀라아제(amylase), 인베르타아제(invertase), 말타아제(maltase), β-갈락토시다아제(β-galactosidase), 리조팀(lysoteam), 우레아제(Urease), 에스테라아제(esterase), 뉴클레아제군(nuclease group), 포스파타아제군(phosphatase group) 등을 사용할 수 있다.
전이 효소로서는, 예를 들면 각종 아실(acyl) 전이 효소, 키나제군(Kinase group), 아미노 트랜스퍼라제군(amino transferase group) 등을 사용할 수 있다.
이성화 효소로서는, 예를 들면 라세마제군(racemase group), 포스포글리세린산포스폼타제(phosphoglycerine酸 phosphomutase), 글루코오스6-인산이소메라아제(glucose6-燐酸isomerase) 등을 사용할 수 있다.
카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4)는, 1종류의 효소라도 좋고, 2종류 이상의 효소라도 좋다.
구체적으로는, 카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4)는, 예를 들면 1종류의 효소라도 좋고, 분자량 및/또는 사이즈(지름)가 대략 동일한 2종류 이상의 효소라도 좋고, 분자량 및/또는 사이즈가 서로 다른 2종류 이상의 효소라도 좋다. 또한 카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4)가 2종류 이상일 경우에, 효소(4)는, 예를 들면 동종(同種)의 표적물질(기질(基質))에 작용하는 2종류 이상의 효소라도 좋고, 이종(移種)의 표적물질에 작용하는 2 종류 이상의 효소라도 좋고, 동종 및/또는 이종의 표적물질에 작용하는 2종류 이상의 효소라도 좋다.
또한 카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4)가 2종류 이상일 경우에, 그 2종류 이상의 효소는, .카본나노튜브층(L)에 있어서의 별개의 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 끼워져 있어도 좋고, 동일한 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 끼워져 있어도 좋다.
여기에서 특히, 카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4)가 2종류 이상이고 그 2종류 이상의 효소가 이종의 표적물질에 작용하는 경우에, 효소 센서(100)는, 그 이종의 표적물질(2종류 이상의 표적물질)을 동시에 검출할 수 있다.
본 발명에 관한 효소 센서(100)는, 예를 들면 효소 전극(1)을 사용하여 전기화학적 계측법에 의하여 표적물질을 검출하는 센서이다.
구체적으로는, 효소 센서(100)는, 예를 들면 도2에 나타나 있는 바와 같이, 기판(200)과, 기판(200)의 상면에 설치되며 상면에 개구부를 구비하는 분석부(200a)와, 기판(200)의 상면에 있어서의 분석부(200a)의 주위에 형성되는 소수성 절연막(200b)과, 기판(200)의 상면에 있어서의 분석부(200a)의 내부에 배치된 작용 전극(효소 전극(1)), 쌍전극(對電極)(300) 및 참조 전극(參照電極)(400)과, 작용 전극(효소 전극(1)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)과 배선을 통하여 접속되는 패드(500, 500, 500) 등을 구비하여 구성된다.
<효소 센서의 제조방법>
효소 센서(100)의 제조방법에 대하여 도3을 참조하여 설명한다.
우선, 예를 들면 도3(a)에 나타나 있는 바와 같이 기판(200) 상에, 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조(3極構造)의 패턴을 형성한다.
구체적으로는, 예를 들면 공지의 포토 리소그래피법(photo lithography method)과 리프트 오프(lift-off method) 또는 에칭법(etching method)에 의하여, 기판(200) 상에 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 패턴을 형성한다.
더 구체적으로는, 예를 들면 기판(200) 상에 스핀 코터(spin coater) 등을 사용하여 포토레지스트(photo resist)를 적당량 도포한다. 계속하여 자외노광장치에 의하여 수초간 노광시키고, 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 포토마스크 패턴을 전사(轉寫)한다. 계속하여 포스트 베이크(post bake) 처리를 하고, 그 후에 현상액으로 현상을 하여 포토레지스트의 패턴을 형성한다. 계속하여 스퍼터법(sputter method)에 의하여 예를 들면 막두께가 수백 nm 정도의 금속박막(金屬薄膜)을 성막하고, 그 후에 리프트 오프법에 의하여 레지스트를 벗겨서 3극전극을 형성한다.
여기에서 기판(200)은, 예를 들면 절연성(絶緣性)이라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 카본나노튜브(3)의 합성을 하는 것을 고려하여 예를 들면 내열 글라스(耐熱 glass), 실리콘(silicone), 석영(石英), 사파이 어(sapphire) 등의 내열성이 있는 평활(平活)한 기판인 것이 바람직하다.
또한 스퍼터법에 의하여 성막되는 금속박막으로서는, 예를 들면 금(金), 백금(白金), 구리(銅) 등의 귀금속(貴金屬)을 들 수 있다.
또, 기판(200) 상에 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 패턴을 제작하는 방법은, 상기한 방법에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 금속박막(金屬薄膜)의 성막법(成膜法)은, 스퍼터법(sputter法)에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 증착법(蒸着法)을 사용하여도 좋다.
다음에 예를 들면 도3(b)에 나타나 있는 바와 같이, 작용 전극(전극(2)) 상에 복수의 카본나노튜브(3…)를 구비하는 카본나노튜브층(L)을 형성한다.
여기에서 카본나노튜브(3)는, 전극(2) 상에 및/또는 전극(2) 상에 형성된 금속촉매 상에 직접 합성(合成)된다. 이에 따라 효소 전극(1)은, 전극(2)과 카본나노튜브(3)의 사이에 쇼트키 장벽을 가지지 않게 되어 접촉 저항이 작다고 하는 특징을 구비하게 된다.
또한 카본나노튜브(3)의 간격은 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 효소(4)를 삽입할 수 있는 크기로 설정되어 있다. 즉 카본나노튜브(3)의 간격은, 효소(4)의 사이즈(지름)에 따라 제어하게 되어 있다. 구체적으로는 카본나노튜브(3)는, 예를 들면 1nm으로부터 100nm의 범위 내에 있는 원하는 간격(고정되는 효소(4)의 사이즈(지름)에 따른 간격)으로 밀도가 제어되고 있다. 여기에서 효소(4)가 다량체(多量體)를 형성하는 경우에는, 고정되는 효소(4)의 사이즈(지름)를 다량체의 사이즈(지름)로 할 수 있다. 여기에서 다량체라고 함은, 2이상의 효소(단백질)가 직접적으로 또는 물 등의 저분자를 통하여 결합하여 이루어지는 화합물을 말하고, 결합에는, 공유결합(共有結合), 이온결합(ion結合), 수소결합(水素結合), 배위결합(配位結合)이 포함된다. 그러나 이들 결합의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
또한 카본나노튜브층(L)은 단층이어도 좋고, 다층이어도 좋고 또는 양자가 혼재되더라도 좋다.
구체적으로는, 예를 들면 포토 리소그래피법이나 나노임프린트법(nanoimprint method) 등에 의하여 작용 전극(전극(2)) 상에 원하는 미소 패턴(微小 pattern)을 형성하고, 그 패턴에 함침법(含浸法) 등에 의하여 금속촉매 패턴(金屬觸媒 pattern)을 담지(擔持)시킨다. 이어서, 이 금속촉매 패턴을 기점(起點)으로 하여 화학증착법(化學蒸着法)CVD법) 등에 의하여 카본나노튜브(3)를 성장(成長)시킨다.
여기에서 금속촉매로서는, 예를 들면 철, 코발트, 니켈 등의 활성금속이 바람직하다. 또, 작용 전극(전극(2)) 상에 복수의 카본나노튜브(3…)를 구비하는 카본나노튜브층(L)을 형성하는 방법은, 상기한 방법에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 금속촉매로부터의 카본나노튜브(3)의 성장방법은, 프로세스의 온도 등을 고려하여 가능하면 열화학증착법(熱化學蒸着法)(열CVD법)인 것이 바람직하지만, 특별히 이것에 한정되는 것은 아니다.
또한 카본나노튜브(3)를, 작용 전극(전극(2)) 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장시키도록 하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 전극(2)으로부터 직접 연장시키도록 하여도 좋고, 금속촉매로부터 직접 연장된 카본나노튜브(3)와 전극(2)으로부터 직접 연장된 카본나노튜브(3)가 혼재하고 있어도 좋다.
카본나노튜브(3)를 전극(2)으로부터 직접 연장시키는 방법으로서는, 예를 들면 작용 전극(전극(2))을 금속촉매로서 기능하는 금속으로 형성하는 방법이 생각된다.
구체적으로는, 예를 들면 철, 코발트, 니켈 등의 철족금속(鐵族金屬), 이들 철족금속을 적어도 1종류 이상 함유하는 합금 또는 이들의 철족금속 또는 당해 합금에 대하여 바람직하게는 열에 의한 강산화(强酸化)를 함으로써 산화시킨 금속 산화물을 기판(200)으로서 사용하고, 그리고 기판(200) 상에 있어서 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400) 이외의 영역을 스퍼터법 등을 사용하여 실리콘이나 글라스 등의 절연막(絶緣膜)으로 코팅(coating) 함으로써 3극전극이 형성된 기판(200)을 제작한다. 그리고 금속촉매로서 기능하는 금속(철족금속, 당해 합금 또는 철족금속 또는 당해 합금을 산화시킨 금속 산화물)으로 형성된 작용 전극(전극(2))을 기점으로 하여, 화학증착법(CVD법) 등에 의하여 카본나노튜브(3)를 성장시킴으로써 카본나노튜브(3)를 전극(2)으로부터 직접 연장시킨다.
또한 작용 전극(전극(2)) 상에 카본나노튜브(3) 만을 형성하도록 했지 만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 도4에 나타나 있는 바와 같이 알루미늄이나 실리콘 등의 양극산화(陽極酸化)에 의하여 작용 전극(전극(2)) 상에 세공(細孔)을 구비하는 양극 산화막(21)을 형성하고, 그 세공의 내부에 있어서의 작용 전극(전극(2)) 상에 카본나노튜브(3)를 형성하더라도 좋다.
구체적으로는, 예를 들면 알루미늄이나 실리콘 등의 양극산화에 의하여 작용 전극(전극(2)) 상에 세공을 구비하는 양극 산화막(21)을 형성하고, 그 세공에 금속촉매를 충전(充塡)하고, 이 금속촉매를 기점으로 하여 카본나노튜브(3)를 성장시킴으로써 세공의 내부에 있어서의 작용 전극(전극(2)) 상에 카본나노튜브(3)를 형성하여도 좋다.
또한 예를 들면 백금 등의 금속박막으로 이루어지는 작용 전극(전극(2)) 상에 금속촉매로 이루어지는 금속 촉매층을 형성하고, 그 금속촉매층 상에 알루미늄이나 실리콘 등의 막을 형성하고, 계속하여 그 막을 양극산화 시킴으로써 그 막의 표면으로부터 금속촉매층의 표면까지 관통하는 세공을 형성하고, 작용 전극(전극(2)) 상에 세공을 구비하는 양극 산화막(21)을 형성한다. 그리고 그 세공에 의하여 노출된 금속촉매층을 기점으로 하여 카본나노튜브(3)를 성장시킴으로써 세공의 내부에 있어서의 작용 전극(전극(2)) 상에 카본나노튜브(3)를 형성하여도 좋다.
또한 예를 들면, 작용 전극(전극(2)) 상에 양극 산화막(21)의 표면으로부터 금속촉매층의 표면까지 관통하는 세공을 구비하는 양극 산화막(21)을 형성하고, 그 양극 산화막(21) 상에 금속촉매로 이루어지는 금속촉매층을 형성한다. 그리고 예를 들면 기판(200)을 가열하여 금속촉매를 확산시켜서 금속촉매를 양극 산화막(21)의 표면으로부터 소실(消失)시켜, 세공의 내부에 있어서의 작용 전극(전극(2))의 표면에만 섬(島) 모양으로 응집한 금속촉매 입자(粒子)가 형성되도록 하고, 그 금속촉매입자를 기점으로 하여 카본나노튜브(3)를 성장시킴으로써 세공의 내부에 있어서의 작용 전극(전극(2)) 상에 카본나노튜브(3)를 형성하여도 좋다.
또, 양극 산화막(21)의 세공의 내부에 있어서의 작용 전극(전극(2)) 상에 형성된 카본나노튜브(3)는, 도4에 나타나 있는 바와 같이 양극 산화막(21)의 세공의 바닥으로부터 상방을 향하여 성장하게 되어 있다. 그리고 카본나노튜브(3)는, 그 성장시간에 의하여 2종류의 서로 다른 형상을 채용하는 것도 생각된다. 즉 불충분한 성장단계에서 카본나노튜브(3)의 성장을 중단시키면, 예를 들면 도4(a)에 나타나 있는 바와 같이 양극 산화막(21)의 세공의 내부에 양극 산화막(21)의 세공과 평행하게 형성된 배향성(配向性)이 좋은 카본나노튜브(3)가 얻어진다. 한편 충분한 성장을 함으로써, 예를 들면 도4(b)에 나타나 있는 바와 같이, 양극 산화막(21)의 세공의 내부에 있어서는 양극 산화막(21)의 세공과 평행하게 형성되고, 양극 산화막(21)의 세공의 외부에 있어서는 임의로 형성된 카본나노튜브(3)가 얻어진다.
또한 양극 산화막(21)의 두께에 의하여 양극 산화막(21)의 세공의 내 부에 배치되는 카본나노튜브(3)의 길이를 제어할 수도 있다.
여기에서 효소(4)는, 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 끼워져 있는 경우도 있고, 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 끼워져 있는 것과 카본나노튜브(3)에 얽혀 있는 것이 혼재하고 있는 경우도 있다.
또한 양극 산화막(21)의 세공의 외부에 있어서의 카본나노튜브(3)는, 각각이 얽혀 있는 경우도 있고, 예를 들면 도4(b)에 나타나 있는 바와 같이 각각이 얽혀 있지 않은 경우도 있고, 각각이 얽혀 있는 것과 각각이 얽혀 있지 않은 것이 혼재하고 있는 경우도 있다.
다음에 스퍼터법 등에 의하여, 예를 들면 도3(c)에 나타나 있는 바와 같이 작용 전극(전극(2))의 주위 및 분석부(200a)의 주위에 예를 들면 SiO 등의 소수성 박막(疏水性 薄膜)을 형성한다. 이하, 작용 전극(전극(2))의 주위에 형성된 소수성 박막을 소수성 절연부(2a)라고 하고, 분석부(200a)의 주위에 형성된 소수성 박막을 소수성 절연막(200b)이라고 한다.
또한 상기에서 형성된 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 패턴 중에서, 참조 전극(400)의 패턴에 예를 들면 은(銀)/염화은(鹽化銀) 잉크를 도포하여 베이킹(baking) 함으로써 은/염화은 전극(銀/鹽化銀 電極)인 참조 전극(400)을 형성한다.
다음에 카본나노튜브층(L)에 효소(4)를 고정시킨다.
구체적으로는, 예를 들면 도3(d)에 나타나 있는 바와 같이 작용 전극(전극(2)) 상에 형성되거나 또는 작용 전극(전극(2)) 상에 형성된 양극 산화막(21)의 세공의 내부에 형성된 카본나노튜브층(L) 상에, 효소 용액(S)을 피펫(pipette)이나 디스펜서(dispenser) 등에 의하여 적하(滴下)한다. 이에 따라 효소(4)는 카본나노튜브층에 물리적으로 고정된다.
이 때에, 작용 전극(전극(2))의 주위에 형성된 소수성 절연부(2a)의 영향에 의하여 피펫이나 디스펜서 등에 의하여 적하된 효소 용액(S)은 작용 전극(전극(2))에만 접촉하여 구형(球形)을 유지하면서 증발한다. 그리고 효소(4)는, 작용 전극(전극(2)) 상의 카본나노튜브층(L)에 고농도로 농축된다. 이에 따라 작용 전극(전극(2)) 상의 카본나노튜브층(L)에만 고밀도의 효소(4)의 고정을 실현할 수 있다.
또, 효소(4)가 고정된 카본나노튜브층(L)은, 고정 후에 건조처리를 하는 것이 바람직하다.
다음에 예를 들면, 도3(e)에 나타나 있는 바와 같이, 카본나노튜브층(L)에 고정된 효소(4)의 유출을 방지하기 위한 유출방지수단으로서 기능하는 소정의 층(이하, 고정화층(固定化層)(11)이라고 한다)을, 카본나노튜브층(L)을 덮도록 형성하는 것이 바람직하다.
여기에서 고정화층(11)은, 예를 들면 카본나노튜브층(L)에 고정된 효소(4)의 유출을 방지하고 또한 표적물질이 투과하는 층이라면 특별하게 한정되는 것은 아니다. 구체적으로는, 예를 들면 고정화층 (11)은 친수성(親水性)이라도 좋고, 소수성(疏水性)이라도 좋고, 무기물(無機物)이라도 좋고, 유기물(有機物)이라도 좋고, 다공체(多孔體)라도 좋고, 섬유질 물질(纖維質 物 質)이라도 좋고, 고분자 겔(高分子 gel)을 사용하여도 좋고, 광가교성 수지(光架橋性 樹脂)를 사용하여도 좋고, 그 이외의 공지의 고정화층을 사용하여도 좋다.
또한 단백질인 효소(4)가 구비하는 아민기(amine基)와 반응하여 아미드 결합(amide 結合)을 형성하는 카르복실기(유출방지수단)를 카본나노튜브(3)의 말단에 유입시켜, 효소(4)를 카본나노튜브층(L)에 화학결합적(化學結合的)으로 고정시켜 카본나노튜브층(L)에 고정된 효소(4)의 유출을 방지하여도 좋다.
또한 공지의 효소 고정화법을 사용하여 카본나노튜브층(L)에 고정된 효소(4)의 유출을 방지하여도 좋다. 구체적으로는, 예를 들면 소정의 가교제(架橋劑; cross-linking agent)(유출방지수단)를 카본나노튜브층(L)에 유입시키더라도 좋다. 즉 예를 들면 카본나노튜브에 도전성 고분자를 유입시켜 도전성 고분자의 가교(架橋)에 의하여 효소(4)를 고정시키더라도 좋고, 글루타알데히드(glutaraldehyde) 등의 가교에 의하여 효소(4)를 고정시켜도 좋고, 광가교성 수지 등의 가교에 의하여 효소(4)를 고정시켜도 좋다.
예를 들면 폴리아닐린(polyaniline) 등의 도전성 고분자를 사용하여 카본나노튜브(3)를 효소(4)와 함께 가교(架橋)하면, 복수의 카본나노튜브(3…)가 복수의 가교 부위를 사이에 두고 그물코 구조의 상태가 되어, 카본나노튜브(3)의 전극구조를 물리적으로 보다 견고하게 할 수 있음과 아울러 비표면적을 증가시킬 수 있기 때문에 감도의 향상, 응답 속도의 향상 을 더 한층 기대할 수 있다.
여기에서 카본나노튜브층(L)에 고정된 효소(4)의 유출을 방지하기 위해서, 고정화층(11)으로 카본나노튜브층(L)을 덮어도 좋고, 카본나노튜브(3)의 말단에 카르복실기를 유입시키더라도 좋고, 소정의 가교제를 카본나노튜브층(L)에 유입시키더라도 좋다. 또한 카본나노튜브층(L)을 덮는 고정화층(11), 카본나노튜브(3)의 말단에 유입된 카르복실기 및 카본나노튜브층(L)에 유입된 소정의 가교제 중에서 어느 2개 또는 3개의 수단을 병용하여 카본나노튜브층(L)에 고정된 효소(4)의 유출을 방지하여도 좋다.
또한 유출방지수단은, 고정화층(11)을 사용하는 수단, 카르복실기를 사용하는 수단 및 소정의 가교제를 사용하는 수단에 한정되는 것은 아니고, 카본나노튜브층(L)에 고정된 효소(4)의 유출을 방지할 수 있는 수단이면 어느 것이라도 좋다.
그런데 효소(4)는 분자량이 1만~20만 정도인 단백질로서, 효소분자 내의 활성 중심이 전극(2) 또는 카본나노튜브(3)와 빠른 전자이동을 하는 것이 어려운 경우가 있다. 그래서, 효소(4)와 전극(2) 또는 카본나노튜브(3)의 사이의 전자의 반송을 촉진하기 위한 전자 전달체(電子傳達體)를 카본나노튜브층(L)에 유입시키는 것이 바람직하다. 또한 반응이 용존산소농도(溶存酸素濃度)에 의하여 율속(律速)되어 저농도의 시료 밖에 측정할 수 없는 경우에도, 검출범위의 확대를 목적으로 하여 카본나노튜브층(L)에 전자 전달체를 유입시키는 것이 효과적이다.
구체적으로는 전자 전달체로서는, 예를 들면 페리시안화 칼륨(ferricyanide化 potassium), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체(ferrocene 誘導體), 벤조 퀴논(benzone quinone), 퀴논 유도체(quinone 誘導體), 오스뮴 착물(osmium 錯物) 등이 사용된다.
또 카본나노튜브층(L)에 예를 들면 효소(4)의 활성의 발현을 촉매하는 보조효소(補助酵素)를 유입시키는 것도 바람직하다.
예를 들면 효소(4)와 표적물질의 반응이 불안전한 중간체(中間體)를 경유하는 반응 등 효소(4)의 아미노산 측쇄(amino酸 側鎖)의 촉매작용으로는 용이하게 진행되지 않는 반응의 경우에는, 적절한 구조를 구비하고 효소반응의 발현에 관여하는 저분자량의 유기 화합물인 보조효소를 사용하는 경우가 많다. 특히 효소(4)로서 보조효소 의존형 효소를 사용하는 경우에, 카본나노튜브층(L)의 보조효소를 유입시킴으로써 효소반응을 효율적으로 이루어지게 할 수 있다.
보조효소는, 효소(4)(보조효소 의존형 효소)의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 구체적으로는 보조효소로서는, 예를 들면 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드(NAD+; nicotinamide adenine dinucleotide), 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드 인산(NADP+; nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), 보조효소I, 보조효소II, 플라빈모노뉴클레오티드(FMN; flavin mononucleotide), 플라빈아데닌디뉴클레오티드(FAD; flavin adenine dinucleotide), 리포산(lipoic acid), 보조효소Q 등의 1종 또는 2종 이상의 조합을 들 수 있다. 그중에서도, 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드(NAD+), 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드 인산(NADP+) 등의 NAD계의 보조효소가 사용된다.
카본나노튜브층(L)에 전자 전달체나 보조효소를 유입시키는 경우에, 예를 들면 글루타알데히드(glutaraldehyde)나 광가교성 수지 등의 가교제를 사용하여 전자 전달체나 보조효소를 카본나노튜브층(L)에 고정시켜도 좋고, 효소 용액(S) 안에 전자 전달체나 보조효소를 용해시켜서 효소(4)와 함께 전자 전달체나 보조효소를 카본나노튜브층(L)에 고정시켜도 좋고, 전자 전달체나 보조효소를 도전성 고분자로서 카본나노튜브(3)에 물리적 또는 화학적으로 결합시켜 고정시켜도 좋다. 또한 전자 전달체나 보조효소를 전해액 중에 용해/분산시켜서, 그것을, 효소 전극(1)을 사용할 때에 분석부(200a) 내에 적하 등을 하여 배치하더라도 좋다.
그런데, 효소 센서(100)에 의한 전기화학적 계측법으로서는, 예를 들면 산화 전류 또는 환원 전류를 측정하는 크로노암페로메트리법(chronoamperometry法), 쿨로메트리법(coulometry 法), 사이클릭볼탐메트리법(cyclic voltammetry) 등의 공지의 계측법을 사용할 수 있다. 측정방식으로서는, 디스포저블방식(disposable 方式), 배치 방식(batch 方式), 플로우인젝션 방식(flow injection 方式) 등 어느 것이라도 좋다.
측정 시에, 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)를 부착하는 측정기 본체는, 예를 들면 데이터를 PC에 유선 또는 무선으로 송신할 수 있는 기능을 구비하고, 리얼타임(real-time)으로 측정치를 확인할 수 있는 것이 바람직하다. 또한 복수 종류의 효소 센서(100)가 부착 가능하게 구성되어, 복수 종류의 효소 센서(100)에 의한 검출결과를 동시에 계측하여 데이터를 서로 비교하거나 검토하거나 할 수 있는 기능을 구비하는 것이 바람직하다.
다음에 본 발명의 효소 전극(1)을 사용하는 효소 센서(100)에 의하여 전기화학적 계측법에 의하여 시료 중의 표적물질의 농도를 측정하는 원리에 대하여, 도5를 참조하여 설명한다.
도5에 있어서는, 예를 들면 산화형 효소(효소(4))가 카본나노튜브(3)에 끼워져 카본나노튜브층(L)에 고정되어 있는 것으로 한다. 고정되어 있는 산화형 효소는, 선택적 촉매작용에 의하여 시료 중의 표적물질인 기질을 산화시키고 환원형 효소가 된다. 계속하여 작용 전극(전극(2))을 정(正)으로 하여 작용 전극과 참조 전극(400)의 사이에 전압을 인가하면, 환원형 효소는, 직접적으로 또는 전자 전달체를 통하여 간접적으로 전자(e-)를, 작용 전극(전극(2)) 또는 작용 전극(전극(2)) 상에 형성된 카본나노튜브 전극(카본나노튜브(3))에 건네주고 산화형 효소로 되돌아간다. 이 때에, 작용 전극(전극(2))과 참조 전극(400)의 사이에는 환원형 효소 또는 환원형 전자 전달체를 재산화(再酸化)시키는 전류가 흐른다. 이 전류치는, 효소반응의 속도 즉 시료(試料) 중에 포함되는 기질 농도에 비례하기 때문에, 이 전류치로부터 시료 중에 포함되어 있는 표적물질의 농도를 산출할 수 있다.
구체적으로는, 예를 들면 글루코오스를 표적물질로 하고 그 농도를 측정하는 경우에, 효소(4)로서 글루코오스 옥시다제 효소를, 전자 전달체로서 페리시안화 칼륨을 사용할 수 있다. 하기의 식(1)에 나타나 있는 바와 같이 글루코오스(C6H12O6)는 효소(4)에 의하여 글루콘산(gluconic acid)(C6H12O7)으로 변경되지만, 동시에 전자 전달체인 페리시안 이온([Fe(III)(CN)6]3-)에 전자(e-)를 주고 페로시안 이온(ferrocyan ion)([Fe(II)(CN)6]4-)으로 환원한다. 효소(4)에 의하여 환원된 페로시안 이온은, 하기의 식(2)에 나타나 있는 바와 같이 계속하여 전극(2) 또는 카본나노튜브(3)에 의하여 페리시안 이온으로 산화된다. 한편 쌍전극(300)에서는, 하기의 식(3)에 나타나 있는 바와 같이 수소 이온(H+)이 전자를 받아서 산소(O2)와 함께 물(H2O)을 생성한다. 이 때의 전류치를 측정함으로써, 간접적으로 글루코오스 농도를 측정할 수 있다.
식(1) C6H12O6 + 2[Fe(CN)6]3- + H2O → C6H12O7 + 2[Fe(CN)6]4- + 2H+
식(2) 2[Fe(CN)6]4- → 2[Fe(CN)6]3- + 2e-
식(3) 2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O
또한 측정에 있어서는, 참조 전극(400)에 대한 작용 전극(전극(2))의 전압을 특정한 전압으로 설정함으로써, 측정 방해 물질의 영향을 피하여 표적물질을 고감도로 또한 선택적으로 측정할 수 있다. 이 설정전압은 표적물질에 의하여 다르게 된다.
또한 본 발명의 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)에서는, 표적물질에 의하여 효소(4)의 종류를 변경하는 것이 필요하다. 구체적으로는, 효소(4)로서는, 예를 들면 표적물질이 글루코오스인 경우에는 글루코오스 옥시다제 또는 글루코오스 디히드로게나아제가, 표적물질이 에탄올인 경우에는 알콜 옥시다제 또는 알콜 디히드로게나아제가, 표적물질이 포름알데히드인 경우에는 포름알데히드 옥시다제 또는 포름알데히드 디히드로게나아제가, 표적물질이 총콜레스테롤(總 cholesterol)인 경우에는 콜레스테롤 에스테라아제와 콜레스테롤옥시다제의 혼합물 등이 사용될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예에 의하여 본 발명에 관하여 설명한다.
[실시예 1]
실시예1에서는, 기초 기판을 작성하고 기초 기판에 효소(4)를 고정시킴으로써 효소 전극(1)을 형성하여 효소 센서(100)를 작성한다. 그리고 효소 센서(100)의 평가를 한다.
(1)기초 기판의 작성
우선, 기초 기판을 작성한다.
(1-1)전극의 형성
기판(200) 상에 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 패턴을 형성한다.
구체적으로는, 예를 들면 석영 유리로 만든 기판(200)을, 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 95℃에서 90초간 프리 베이크(pre bake) 한다. 그 후에 스핀 코터(spin coater)를 사용하여 네거티브형 레지스트(negative resist)를 50μL 도포하고, 자외선 노광장치를 사용하여 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 포토마스크 패턴을 전사한다. 이어서 120℃에서 60초간 포스트 베이크(post bake) 하고, 그 후에 현상액(現像液)으로 70초간 현상하고 증류수(蒸溜水)로 세정한다. 계속하여 스퍼터법에 의하여 막두께가 800nm인 금속박막(백금 박막)을 성막하고, 그 후에 리프트 오프법에 의하여 기판(200)을 아세톤(acetone)에 담가서 초음파(超音波)로 30분간 세정하고, 레지스트를 벗겨서 백금 전극을 형성한다. 백금층의 성막 조건은, 진공도를 10-5Pa, 기판 온도를 60℃, 아르곤 가스의 유량(流量)을 40sccm으로 하였다.
(1-2)양극 산화막의 형성
다음에 작용 전극(전극(2)) 상에, 세공을 구비하는 다공질체의 양극 산화막(21)을 형성한다.
구체적으로는, 예를 들면 스퍼터법에 의하여 작용 전극(전극(2))상에 막두께가 100nm인 Ti층을 바탕으로 하여 성막하고, 그 위에 500nm의 Al층을 성막한다. 계속하여 17℃의 수산 수용액(蓚酸 水溶液; 옥살산 수용액)(0.3M)에 침지시키고 작용 전극(전극(2))에 DC40V를 인가 함으로써 양극산화 처리를 한다. 양극산화 처리의 사이에, 양극산화가 Ti막까지 진행된 것을 감지하기 위하여 양극산화 전류를 모니터 한다. 양극산화 처리에 의하여 Al이 산화되어 절연층의 알루미나로 됨과 동시에, 관통 나노홀(貫通 nano-hole)(세공)이 형성된다. 그리고 양극산화 처리의 뒤에, 증류수 및 이소프로필알콜(isopropyl alcohol)에 의하여 세정한다. 작용 전극(전극(2)) 상에 형성된 양극 산화막(21)의 표면을, TEM(Transmission Electro Microscope)을 사용하여 관찰한 바, 지름이 약60nm인 세공이 약300nm의 간격으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
(1-3)카본나노튜브의 형성
다음에 작용 전극(전극(2)) 상에 카본나노튜브(3)를 형성한다.
구체적으로는, 예를 들면 기판(200)을 질산 코발트 수용액(窒酸 cobalt 水溶液)(0.2M)에 10분간 침지시킨다. 기판(200)을 꺼낸 후에, 400℃에서 3시간 공기 중에서 기판(200)을 가열하고, 양극 산화막(21)의 세공의 내부에 있어서의 작용 전극(전극(2))의 표면 상에 코발트 입자를 담지시켜 금속촉매 패턴을 형성한다. 그 후에 열화학 기상성장 로(熱化學氣相成長爐)를 사용하여 열화학 증착반응(열CVD법)을 하여 작용 전극(전극(2)) 상에 코발트를 촉매로 하여 직접 카본나노튜브(3)를 형성한다. 공급 가스는, 유량 360sccm의 아르곤 가스, 유량 120sccm의 탄소원(炭素源)으로서의 프로필렌(propylene)이며, 반응온도 700℃, 반응시간 8분간, 압력 0.1MPa로 하였다. 반응에 의하여 작용 전극(전극(2)) 상에 직접 형성된 카본나노튜브는, 지름 약10nm이며 약8nm의 간격으로 패턴화되어 형성되었다.
(1-4)기초 기판의 마무리
다음에 기초 기판에 대한 마무리를 한다.
구체적으로는, 스퍼터법에 의하여 작용 전극(전극(2))의 주위와 분석부(200a)의 주위에 막두께가 500nm인 SiO 박막을 형성함으로써, 작용 전극(전극(2))의 주위에 소수성 절연부(2a)를 형성함과 아울러 분석부(200a)의 주위에 소수성 절연막(200b)을 형성한다. 계속하여 참조 전극(400)의 패턴에 은/염화은 잉크(BAS사 제품)를 도포하고 120도에서 소결(燒結)하여 은/염화은 전극인 참조 전극(400)을 형성한다.
이상과 같이 하여 기초 기판을 작성한다.
(2)효소 센서(400)의 형성
다음에 기초 기판이 구비하는 카본나노튜브층(L)에 효소(4)를 고정시킴으로써 효소 전극(1)을 형성하고 효소 센서(400)를 형성한다.
효소(4)로서는, 보조효소(NAD+) 의존형 효소인 포름알데히드 탈수소 효소(formaldehyde 脫水素 酵素)를 사용한다.
구체적으로는, 예를 들면 우선 10μmol의 나프타 퀴논(naphtha quinone)을 1000μl의 인산 완충액(燐酸緩衝液)(pH7.5) 중에 용해하여 용액(A)을 형성한다. 또한 0.25μmol의 NAD+ 및 0.5U의 포름알데히드 탈수소 효소를 100μL의 인산 완충액(pH7.5) 중에 혼합하고, 4℃에서 30분간 교반/용해시켜서 용액(B)을 만든다. 또한 50mL의 광가교성 수지(동양합성(東洋合成) 제품)를 50mL의 인산 완충액 중에 용해하여pH=7.5로 조정하여 용액(C)을 만든다.
그리고 용액(A)을 20μL 마이크로 피펫(Micro Pipette)으로 채취하여 작용 전극(카본나노튜브층(L)) 상에 적하하고, 실온(25℃)에서 3시간 자연건조 시킨다. 계속하여 용액(B)을 20μL 마이크로 피펫으로 채취하여 작용 전극(카본나노튜브층(L)) 상에 적하하고, 실온(25℃)에서 3시간 자연건조 시킨다. 적하된 용액은 작용 전극(전극(2)) 주위의 소수성 절연부(2a)에 의하여 작용 전극(카본나노튜브층(L)) 상에만 접촉하여 구형을 유지하면서 증발한다. 또한 용액(C)을 10μL 마이크로 피펫으로 채취하여 작용 전극(카본나노튜브층(L)) 상에 적하하고, 파장360nm의 자외선 조사에 의하여 광가교 하고 실온(25℃)에서 2시간 동안 조용히 방치한다. 이렇게 하여 효소 전극(1)을 형성하여 효소 센서(100)를 얻는다.
또, 용액(C)을 10μL 마이크로 피펫으로 채취하여 작용 전극(카본나노튜브층(L)) 상에 적하하는 대신에, 2%(v/v) 글루타알데히드(glutaraldehyde) 용액을 1μL 마이크로 피펫으로 채취하여 작용 전극(카본나노튜브층(L)) 상에 도포하더라도 좋다.
(3)효소 센서(100)의 평가
다음에 대조실험(對照實驗)을 하여 효소 센서(100)를 평가한다.
우선, 대조실험을 위하여 미네랄 오일(mineral oil)에 카본나노튜브와 효소(포름알데히드 탈수소 효소)를 혼합하여 백금 전극(작용 전극)에 도포함으로써 효소를 고정시킨 종래의 효소 센서[1]와, 효소(포름알데히드 탈수소 효소) 만을 백금 전극(작용 전극)에 도포함으로써 효소를 고정시킨 종래의 효소 센서[2]를 작성한다.
구체적으로는, 종래의 효소 센서[1]는, 예를 들면 10mg의 카본나노튜브, 1μmol의 나프타 퀴논(naphtha quinone), 0.25μmol의 NAD+, 0.5U의 포름알데히드 탈수소 효소를, 50μL의 미네랄 오일을 첨가한 100μL의 인산 완충액(pH7.5) 중에서 혼합하고, 4℃에서 30분간 교반/용해 시킨다. 이 용액을 20μL 마이크로 피펫으로 채취하고, 상기 「(1-1)전극의 형성」에서 형성된 작용 전극(전극(2)) 상에 적하하여 작용 전극 상에 농축시켜 고정시킨다. 또한 용액(C)을 10μL 마이크로 피펫으로 채취하여 작용 전극 상에 적하하고, 파장 360nm의 자외선 조사에 의하여 광가교 한다. 이렇게 하여, 종래 의 효소 센서[1]를 얻는다.
또한, 종래의 효소 센서[2]는, 예를 들면 1μmol의 나프타 퀴논, 0.25μmol의 NAD+, 0.5U의 포름알데히드 탈수소 효소를 100μL의 인산 완충액(pH7.5) 중에서 혼합하고, 4℃에서 30분간 교반/용해 시킨다. 이 용액을 20μL 마이크로 피펫으로 채취하고, 상기 「(1-1)전극의 형성」에서 형성된 작용 전극(전극(2)) 상에 적하하여 작용 전극 상에 농축시켜 고정시킨다. 또한 용액(C)을 10μL 마이크로 피펫으로 채취하여 작용 전극 상에 적하하고, 파장 360nm의 자외선 조사에 의하여 광가교 한다. 이렇게 하여, 종래의 효소 센서[2]를 얻는다.
다음에 본 발명의 효소 센서(100)와 종래의 효소 센서[1]와 종래의 효소 센서[2]를 평가하는 측정장치(D)에 대하여, 도6을 참조하여 설명한다.
측정장치(D)는, 예를 들면 표준 공기 생성기(標準空氣生成器)(D1)와, 가스 생성기(gas 生成器)(D2)와, 수증기 버블러(水蒸氣 bubbler)(D3)와, 마이크로 챔버(micro chamber)(D4)와, 포텐티오스택(potentiostat)(D5)과, A/D 변환기(D6)와, 컴퓨터(D7) 등을 구비하여 구성된다.
마이크로 챔버(D4)는, 소수성 다공질막(疏水性 多孔質膜)을 사이에 두고 액상용 마이크로셀(液相用 micro-cell)(D41)과 기상용 마이크로셀(氣相用 micro-cell)(D42)을 구비하고 있다.
액상용 마이크로셀(D41)의 사이즈는 분석부(200a)의 상면에 형성된 개 구부의 사이즈와 합치하고 있고, 효소 센서(100)(효소 센서(100), 종래의 효소 센서[1] 및 종래의 효소 센서[21])는, 분석부(200a)의 상방이 O링을 사이에 두고 액상용 마이크로셀(D41)의 하측에 배치되도록 설치되어 있다.
기상용 마이크로셀(D42)에는, 가스 생성기(D2)로부터 규정 농도의 포름알데히드 기체가 유입되도록 되어 있다.
이에 따라 효소(4)(포름알데히드 탈수소 효소)의 기질(표적물질)인 포름알데히드가, 기상용 마이크로셀(D42)로부터 소수성 다공질막 및 액상용 마이크로셀(D41)을 통하여 분석부(200a)의 내부로 공급된다.
작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)은, 각각 대응하는 패드(500)로부터 리드선에 의하여 포텐티오스택(D5)(BAS 제품인 BAS-100B)에 접속되어 있다.
측정장치(D)에 있어서, 액상용 마이크로셀(D41)에 30μL의 인산 완충액(0.1mM, pH7.5)을 전해액으로서 적하하고, 참조 전극(400)에 대하여 작용 전극에 +100mV의 전위를 인가한다. 그리고 실온(25℃)에서 가스 생성기(D2)에 의하여 연속적으로 농도를 변화시킨 포름알데히드 기체를 기상용 마이크로셀(D42)에 유입시키고, 암페로메트리법에 의한 전류계측에 의하여 측정을 한다. 그 결과를, 도7∼도9에 나타낸다.
도7에 있어서는, 가로축에 포름알데히드 농도, 세로축에 응답전류(應答電流)를 각각 나타내고, 실선 및 4각 플롯(■)으로 본 발명의 효소 센서(100)를, 파선 및 다이아몬드형 플롯(◆)으로 종래의 효소 센서[1]를, 1점 쇄선 및 삼각형 플롯(▲)으로 종래의 효소 센서[2]를 각각 나타낸다.
도7에 의하면, 본 발명의 효소 센서(100)는, 포름알데히드 농도가 0.5ppm인 경우에, 종래의 효소 센서[1]와 비교하여 15배의 검출감도를 구비하고, 종래의 효소 센서[2]와 비교하여 117배의 검출감도를 구비하는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 효소 센서(100)는, 종래의 효소 센서[1] 및 종래의 효소 센서[2]와 비교하여 대폭적으로 검출감도가 향상되는 것을 알 수 있다. 또한 고농도 영역(高濃度 領域)에서의 선형응답 영역(線型應答領域)도 현저하게 향상되고 있는 것을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명의 효소 센서(100)는, 표적물질을 고감도로 검출할 수 있는 것을 알 수 있다.
도8에 있어서는, 가로축에 시간, 세로축에 응답전류를 각각 나타내고, 실선으로 본 발명의 효소 센서(100)를, 파선으로 종래의 효소 센서[1]를, 1점 쇄선으로 종래의 효소 센서[2]를 각각 나타내는 것으로서, 50초의 시점에서 1ppm의 포름알데히드를 유입시켰을 때에 출력된 응답전류의 변화를 나타낸다.
도8에 의하면, 종래의 효소 센서[1]는, 포름알데히드를 유입시키고 나서 100초 후에 응답을 나타내고, 종래의 효소 센서[2]는, 포름알데히드를 유입시키고 나서 150초 후에 응답을 나타내는 것에 대하여, 본 발명의 효소 센서(100)는, 포름알데히드를 유입시키고 나서 30초 후에는 응답을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 효소 센서(100)는, 종래의 효소 센서[1] 및 종래의 효소 센서[2]와 비교하여 대폭적으로 응답시간이 짧은 것을 알 수 있다. 또한 본 발명의 효소 센서(100)는, 종래의 효소 센서[1] 및 종래의 효소 센서[2]와 비교하여 출력 응답전류의 경사도 큰 것을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명의 효소 센서(100)가 표적물질을 고속으로 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도9에 있어서는, 가로축에 시간, 세로축에 상대응답(相對應答)(즉, 첫날의 응답전류를 100%로 하였을 경우의 응답전류)을 나타내는 것으로서, 실선 및 4각 플롯(■)으로 본 발명의 효소 센서(100)를, 파선 및 다이아몬드형 플롯(◆)으로 종래의 효소 센서[1]를, 1점 쇄선 및 삼각형 플롯(▲)으로 종래의 효소 센서[2]를 각각 나타낸다.
도9에 의하면, 본 발명의 효소 센서(100)는, 종래의 효소 센서[1] 및 종래의 효소 센서[2]와 비교하여 응답전류의 시간에 따른 변화가 극히 작아, 20일 후에도 상대응답이 90%이었다. 이에 따라 본 발명의 효소 센서(100)는, 우수한 안정성을 구비하고 또한 긴 수명을 갖는다는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 효소 전극(1) 및 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)에 의하면, 효소 전극(1)은, 전극(2)과, 전극(2) 및/또는 전극(2) 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브(3…)를 구비하는 카본나노튜브층(L)과, 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 끼워짐으로써 카본나노튜브층(L)에 고정되는 효소(4)를 구비하고 있다.
즉 효소(4)를 카본나노튜브(3) 상호간의 사이에 삽입함으로써 카본나 노튜브층(L) 내에 효소(4)를 확실하게 고정시키는 것이 가능하기 때문에, 효소(4)의 입체구조의 변화가 방지되어 우수한 안정성을 구비하고, 또한 긴 수명의 효소 전극(1) 및 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)를 제공할 수 있다(예를 들면 도9의 결과 참조).
또한 카본나노튜브층(L)은 비표면적이 매우 크기 때문에 큰 흡착량으로 고농도로 효소(4)를 고정시킬 수 있을 뿐만 아니라, 카본나노튜브(3)가 전극(2) 및/또는 전극(2) 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되고 있기 때문에, 카본나노튜브(3)와 전극(2)의 사이에 쇼트키 장벽이 형성되지 않는다고 하는 특징을 구비하게 되어, 표적물질을 고감도로 검출할 수 있는 효소 전극(1) 및 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)를 제공할 수 있다(예를 들면 도7의 결과 참조).
또한 예를 들면 도7의 결과로부터, 본 발명의 효소 센서(100)는 저농도 영역에서도 고농도 영역에서도 극히 고감도로 표적물질을 검출할 수 있는, 즉 폭넓은 검출 영역을 구비하는 센서인 것을 알 수 있다.
또한 카본나노튜브(3)는 전극(2)으로서의 역할도 담당하지만, 이에 따라 효소(4)는 카본나노튜브 전극(카본나노튜브(3)) 상호간의 사이에 끼워져 있기 때문에, 효소(4)와 카본나노튜브 전극(카본나노튜브(3))의 사이의 전자의 반송이 효율적으로 이루어질 수 있어, 표적물질을 고속으로 검출할 수 있는 효소 전극(1) 및 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)를 제공할 수 있다(예를 들면 도8의 결과 참조).
또한, 예를 들면 전자 전달체로서 퀴논(quinone)을 사용하고, 전극(2)으로서 금전극(金電極)을 사용하는 경우에, 효소 전극(1) 및 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)는 더 좋은 효과를 구비한다.
구체적으로는, 퀴논계의 전자 전달체는 금전극으로는 전혀 환원되지 않아 전자 전달체로서 기능하지 않는다. 그러나 금전극(전극(2)) 상에 형성된 카본나노튜브층(L)에 전자 전달체로서 퀴논을 유입시키면, 퀴논은 신속하게 하이드로 퀴논으로 환원된다. 즉 퀴논은 우수한 전자 전달체로서 작동하게 된다.
따라서, 본 발명의 효소 전극(1) 및 효소 전극(1)을 사용한 효소 센서(100)를 사용하면, 전극(2)이 금전극이라도 퀴논계의 전자 전달체는 충분한 기능을 발휘하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 적절하게 변경할 수 있다.
예를 들면 실시예1에서는, 전극(2) 상에 양극 산화막(21)을 형성하고, 그 양극 산화막(21)의 세공의 내부에 있어서의 전극(2) 상에 카본나노튜브(3)를 형성하도록 했지만, 반드시 전극(2) 상에 양극 산화막(21)을 형성할 필요는 없다.
이 경우의 구체적인 기초 기판의 작성 방법에 대해서, 이하에 예시한다.
(A)전극의 형성
우선, 기판(200) 상에 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 패턴을 형성한다.
구체적으로는, 예를 들면 석영 유리로 만든 기판(200)을, 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 95℃에서 90초간 프리 베이크(pre bake) 한다. 그 후에 스핀 코터(spin coater)를 사용하여 네거티브형 레지스트를 50μL 도포하고, 자외노광장치(紫外露光裝置)를 사용하여 작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 3극구조의 포토마스크 패턴을 전사(轉寫)한다. 계속하여 120℃에서 60초간 포스트 베이크(post bake) 하고, 그 후에 현상액으로 70초간 현상하고 증류수로 세정한다. 계속하여 스퍼터법에 의하여 막두께가 800nm인 금속박막(백금 박막)을 성막(成膜)하고, 그 후에 리프트 오프법에 의하여 기판(200)을 아세톤에 담구어 초음파에 의하여 30분간 세정하고 레지스트를 벗겨서 백금전극을 형성한다. 백금층의 성막 조건은, 진공도를 10-5Pa, 기판 온도를 60℃, 아르곤 가스의 유량을 40sccm으로 한다.
(B)카본나노튜브의 형성
다음에 작용 전극(전극(2)) 상에 카본나노튜브(3)를 형성한다.
구체적으로는, 작용 전극(전극(2)) 상에 스핀 코터를 사용하여 50μL의 네거티브형 레지스트를 도포하고, 자외노광장치를 사용하여 작용 전극(전극(2)) 상에 금속촉매 패턴이 되는 형상의 포토마스크 패턴을 전사한다(예를 들면 패턴의 사이즈는, 구멍의 지름이 2μm, 구멍 간격이 4μm). 그 다음에, 120℃에서 60초간 포스트 베이크를 하고, 그 후에 현상액으로 70초간 현상하고 증류수로 세정한다.
다음에 진공증착장치(眞空蒸着裝置)를 사용하여 막두께가 100nm인 니켈 박막을 성막하고, 그 후에 리프트 오프법에 의하여 기판(200)을 아세톤에 담구어서 초음파에 의하여 30분간 세정하고, 레지스트를 벗겨서 작용 전극(전극(2)) 상에 니켈 박막의 금속촉매 패턴을 형성한다. 성막 조건은, 진공도를 10-5Pa, 기판 온도를 600℃, 아르곤 가스의 유량을 40sccm로 한다.
다음에 열화학 기상성장로를 사용하여 열화학 증착반응(열CVD법)을 하고, 니켈을 금속촉매로 하여 작용 전극(전극(2)) 상에 직접 카본나노튜브(3)를 형성한다.
(C)기초 기판의 마무리
다음에 기초 기판의 마무리를 한다.
구체적으로는 스퍼터법에 의하여 작용 전극(전극(2))의 주위와 분석부(200a)의 주위에 막두께가 500nm인 SiO 박막을 형성함으로써, 작용 전극(전극(2))의 주위에 소수성 절연부(2a)를 형성함과 아울러 분석부(200a)의 주위에 소수성 절연막(200b)을 형성한다. 계속하여 참조 전극(400)의 패턴에 은/염화은 잉크(BAS사 제품)를 도포하고 120도에서 소결하여, 은/염화은 전극(銀/鹽化銀 電極)인 참조 전극(400)을 형성한다.
이상과 같이 하여 전극(2) 상에 카본나노튜브층(L) 만이 형성된 기초 기판을 형성한다. 이 기초 기판이 구비하는 카본나노튜브층(L)에 효소(4)를 고정시킴으로써 효소 센서(400)가 형성된다.
또한 본 발명의 효소 센서에는, 예를 들면 도10에 나타나 있는 효소 센서(100A)와 같이, 분석부(200a)의 개구부를 덮어 액체의 투과를 억제하고 또한 기체 분자를 투과시키기 위한 소정의 막으로서의 기체 투과막(100a)을 구비하여도 좋다.
기체 투과막(100a)을 구비함으로써 분석부(200a)에 쌓여 있는 전해액의 투과(분석부(200a) 내부로부터 분석부(200a) 외부로의 투과)를 억제하면서, 기체 분자(가스 분자) 만을 효소 전극(1) 측으로 투과(분석부(200a) 외부로부터 분석부(200a) 내부로의 투과)시켜서, 효소 전극(1)에 있어서 그 기체 분자를 검출할 수 있게 된다.
작용 전극(전극(2)), 쌍전극(300) 및 참조 전극(400)의 일례로서, 예를 들면 도1 등에 나타나 있는 바와 같이 포토 리소그래피에 의하여 제작된 미소 전극(微小電極)을 사용하지만, 이들 전극은 그 크기, 형상, 구성이 특별히 한정되는 것은 아니다.
구체적으로는, 예를 들면 이들 전극은, 시판되는 전해셀(電解 cell), 측정셀(測定 cell) 등에서 사용하는 큰 전극이라도 좋고, 디스크 전극(disc 電極), 회전링 디스크 전극(回轉 ring disc 電極), 파이버 전극(fiber 電極) 등이더라도 좋고, 예를 들면 포토리소그래피 등의 공지의 미세가공기술(微細 加工技術)에 의하여 제작한 미소 전극(원반전극(圓盤電極), 원통전극(圓筒電極), 대상전극(帶狀電極), 배열대상전극(配列帶狀電極), 배열원반전극(配列圓盤電極), 링전극(ring 電極), 구상전극(球狀電極), 빗 모양 전극, 페어 전극(pair 電極) 등)이라도 좋다.
도1은, 본 발명의 효소 전극의 요부를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도2는, 본 발명의 효소 센서의 평면도(a)와, 측면 단면도(b)를 나타내는 도면이다.
도3은, 본 발명의 효소 센서의 제작방법을 설명하기 위한 도면이다.
도4는, 양극 산화막을 구비하는 경우의 본 발명의 효소 전극의 측면 단면도다.
도5는, 본 발명의 효소 전극을 사용한 효소 센서에 의하여 전기화학적 계측법에 의하여 시료 중의 표적물질의 농도를 측정하는 원리에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도6은, 실시예1의 효소 센서를 평가하기 위한 측정장치를 나타내는 모식도이다.
도7은, 실시예1의 효소 센서를 사용하여 측정하여 얻은 결과(포름알데히드 농도에 대한 응답전류)를 나타내는 도면이다.
도8은, 실시예1의 효소 센서를 사용하여 측정하여 얻은 결과(포름알데히드 유입에 따른 응답전류의 변화)를 나타내는 도면이다.
도9는, 실시예1의 효소 센서를 사용하여 측정하여 얻은 결과(시간에 대한 상대응답)를 나타내는 도면이다.
도10은, 기체 투과막을 구비하는 경우의 본 발명의 효소 센서의 측면 단면도이다.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
1 효소 전극 2 전극
2a 소수성 절연부 3 카본나노튜브
4 효소 11 고정화층(유출방지수단, 소정의 층)
100, 100A 효소 센서 100a 기체 투과막(소정의 막)
200 기판 200a 분석부
200b 소수성 절연막 L 카본나노튜브층

Claims (13)

  1. 전극(電極)과,
    상기 전극 및/또는 상기 전극 상에 고정된 금속촉매(金屬觸媒)로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브(carbon nano tube)를 구비하는 카본나노튜브층(carbon nano tube層)과,
    상기 카본나노튜브 상호간에 끼워짐으로써 상기 카본나노튜브층에 고정되는 효소(酵素)를
    구비하는 것을 특징으로 하는 효소 전극(酵素電極).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층에 고정된 효소의 유출을 방지하기 위한 유출방지수단(流出防止手段)을 구비하는 것을 특징으로 하는 효소 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유출방지수단은, 상기 카본나노튜브층을 덮는 소정의 층(層)인 것을 특징으로 하는 효소 전극.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유출방지수단은, 상기 카본나노튜브층에 유입된 소정의 가교제(架橋劑; cross-linking agent)인 것을 특징으로 하는 효소 전극.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유출방지수단은, 상기 카본나노튜브의 말단(末端)에 유입되며 상기 효소의 아민기(amine基)와 반응하여 아미드 결합(amide 結合)을 형성하는 카르복실기(carboxyl基)인 것을 특징으로 하는 효소 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층에는, 상기 효소와 상기 전극 또는 상기 카본나노튜브의 사이의 전자의 반송을 촉진하기 위한 전자 전달체(電子 傳達體) 및/또는 상기 효소의 활성(活性)의 발현(發現)을 촉매(觸媒)하는 보조효소(補助酵素)가 유입되는 것을 특징으로 하는 효소 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극의 주위에 형성되는 소수성 절연부(疏水性 絶緣部)를 구비하는 것을 특징으로 하는 효소 전극.
  8. 전극과,
    상기 전극 및/또는 상기 전극 상에 고정된 금속촉매로부터 직접 연장되는 복수의 카본나노튜브를 구비하는 카본나노튜브층과,
    상기 카본나노튜브 상호간에 끼워짐으로써 상기 카본나노튜브층에 고정되는 효소와,
    상기 카본나노튜브층에 고정된 효소의 유출을 방지하기 위한 유출방지수단과,
    상기 카본나노튜브층에 유입되며 상기 효소와 상기 전극 또는 상기 카본나노튜브의 사이의 전자의 반송을 촉진하기 위한 전자 전달체 및/또는 상기 효소의 활성의 발현을 촉매하는 보조효소와,
    상기 전극의 주위에 형성되는 소수성 절연부를
    구비하는 것을 특징으로 하는 효소 전극.
  9. 제1항 또는 제8항의 효소 전극을 사용하여 전기화학적 계측법(電氣化學的 計測法)에 의하여 표적물질(標的物質)을 검출하는 것을 특징으로 하는 효소 센서(酵素 sensor).
  10. 제9항에 있어서,
    기판(基板)과,
    상기 기판의 상면에 설치되는 분석부(分析部)를
    구비하고,
    상기 효소 전극은, 상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 효소 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 주위에 형성되는 소수성 절연막을 구비하는 것을 특징으로 하는 효소 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 분석부의 상면은 개구부로 되어 있고,
    상기 개구부를 덮으며 액체(液體)의 투과(透過)를 억제하고 또한 기체분자(氣體分子)를 투과시키기 위한 소정의 막을 구비하는 것을 특징으로 하는 효소 센서.
  13. 제1항 또는 제8항의 효소 전극을 사용하여 전기화학적 계측법에 의하여 표적물질을 검출하는 효소 센서에 있어서,
    기판과,
    상기 기판의 상면에 설치되며 상면에 개구부를 구비하는 분석부와,
    상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 주위에 형성되는 소수성 절연막과,
    상기 개구부를 덮으며 액체의 투과를 억제하고 또한 기체분자를 투과시키기 위한 소정의 막을
    구비하고,
    상기 효소 전극은, 상기 기판의 상면에 있어서의 상기 분석부의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 효소 센서.
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