KR20100001062A

KR20100001062A - 전도성 그라핀을 이용한 바이오센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100001062A
Application number: KR1020080060813A
Authority: KR
Inventors: 이상엽; 박태정; 홍원희; 정희태; 박호석; 최봉길
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-06
Also published as: WO2009157739A3; KR101440542B1; WO2009157739A2

Abstract

본 발명은 전도성 그라핀(graphene)을 이용한 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학작용기를 이용하여 제조된 전도성 그라핀 또는 상기 전도성 그라핀을 기질상에 높은 표면 밀도를 가지도록 반복 적층시킨 전도성 그라핀 필름에 표적 바이오물질과 선택적으로 결합하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 전도성 그라핀을 이용하는 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전도성 그라핀 바이오센서는 표면적이 넓고, 전기전도도 성질이 우수하여 DNA와 같은 생물분자의 고정화 양을 높일 수 있고, 생물분자에 대한 검출 민감도를 증대시키는 것이 가능하다. 또한, 다양한 표적 바이오분자들을 직접 검출하거나, 전기화학적 신호를 측정함으로써, 바이오 물질과 바이오 리셉터의 반응을 정확히 한번에 대량으로 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 소량의 원료(source)만으로도 정확한 측정치를 얻을 수 있는 검출법을 도입하는 것이 가능하다.

그라핀, 흑연, 바이오센서, 검출방법, 전도성, 전기화학

Description

전도성 그라핀을 이용한 바이오센서 및 그 제조방법 {Biosensor Using the Conductive Graphene and Manufacturing Method Thereof}

그라핀(graphene)은 탄소원자 한 층으로 만들어진 벌집구조의 2차원 박막을 말한다. 탄소원자는 sp² 혼성궤도에 의해 화학 결합하면 이차원으로 퍼진 탄소 육각망면을 형성한다. 이 평면 구조를 가지는 탄소 원자의 집합체가 그라핀인데, 그 두께가 단지 탄소 원자 한개에 불과한 0.3nm로서, 2004년 영국 Manchester University의 Novoselov와 Geim에 의해 처음으로 발견되었다(Novoselor K et al ., Science, 306:666, 2004). 특히, 그라핀은 강도와 전도도를 포함하는 대부분의 특성이 탄소나노튜브와 유사하나, 시트형태로 회로와 같이 실리콘 웨이퍼상에서 에칭을 할 수 있으며, 하나의 시트로부터 회로를 형성하는 것이 탄소나노튜브의 조각들로부터 회로를 형성하는 것보다 쉽게 형성할 수 있다고 알려져 있다(Berger et al ., Science , 312:1191, 2006).

기존의 실리콘 기반 반도체 공정기술로는 30nm급 이하의 고집적도를 갖는 반도체소자를 제조할 수 없다. 이는 기판에 증착된 금이나 알루미늄과 같은 금속 원자층의 두께가 30nm 이하에서는 열역학적으로 불안정해서 금속원자들이 서로 엉겨붙어 균일한 박막을 얻을 수 없기 때문이며, 또한 실리콘에 도핑된 불순물의 농도가 이와 같은 나노 크기에서는 불균일해 지기 때문이다. 하지만, 그라핀은 이러한 실리콘 기반 반도체 소자기술의 집적도한계를 극복할 수 있는 가능성을 갖고 있다.

또한, 그라핀은 그 특성이 금속성이면서도 그 두께가 전자차폐 두께(screening length) 에 해당하는 수 nm이하로 매우 얇아서, 게이트 전압에 따라 전하밀도가 바뀜으로 인해 전기저항이 변하는 특성을 가진다. 이를 이용해 금속트랜지스터를 구현할 수 있으며, 전하수송체의 모빌리티가 커서 고속 전자소자를 구현할 수 있고, 또한 게이트 전압의 극성에 따라 전하수송체의 전하를 전자에서 정공으로 변화시킬 수 있기 때문에 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대된다.

그 예로, 그라핀은 각종 장치의 전자방출원(electron emitter), VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display), 리튬이온 2차전지전극, 수소저장 연료전지, 나노와이어, 나노캡슐, 나노 핀셋, AFM/STM 팁(tip), 단 전자 소자, 가스센서, 의공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용 가능성을 보여주고 있다. 그라핀은 이처럼 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 가지며, 직경이 작고 길이가 긴 특성 때문에, 평판표시소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 등의 소재로서 뛰어난 성질을 보이고, 나노 크기의 각종 전자소자로서의 응용성이 매우 크다.

이와 같이 전술된 특성들을 다양하게 응용하기 위해 그라핀들을 잘게 자르기 시작했다. 이렇게 잘라진 그라핀들은 잘라진 단면(ends) 및 옆면(sidewall)의 일부에 주로 -COOH 화학 작용기를 가지게 된다. 이러한 화학적 작용기를 이용하여 다양한 물질들을 화학적으로 붙이기 시작하여 그라핀의 성질을 개질하기도 하였다 (Hashimoto et al ., Nature , 430:870, 2004). 더 나아가 화학적 기작에 의해 그라핀의 작용기를 -SH기로 치환한 후에 금 표면에 미세접촉 인쇄(micro contact printing) 기법을 이용하여 표면에 패턴화한 보고(Nan, X. et al ., J. Colloid Interface Sci ., 245: 311, 2002)와 정전기적 방법(electrostatic method)을 이용하여 그라핀을 표면에 다중막으로 고착시킨 보고가 있었다(Rouse, J.H. et al ., Nano Lett ., 3:59-62, 2003). 그러나, 전자는 그라핀의 표면 밀도가 낮고, 결합력이 약하다는 단점이 있으며, 후자는 선택적으로 표면에 고정하는 패터닝 방법을 적용할 수 없다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 따라서 새로운 형태의 표면 고정법 개발이 절실히 요구되고 있다.

한편, 대부분의 질병은 유전자 수준이 아닌 단백질 수준에서 유발되기 때문에 현재까지 개발되었거나 개발 중에 있는 의약품의 95% 이상이 단백질을 타겟으로 하고 있다. 이에, 특정 단백질 및 리간드에 상호작용하는 생체분자의 기능을 밝히고, 단백질 기능 분석 및 네트워크 분석을 통하여 얻어진 자료를 바탕으로, 고전적인 방법으로는 불가능하였던, 질병에 대한 치료 및 예방법을 개발하는 연구에 필수적인 것이 효율적인 단백질-단백질 및 단백질-리간드 간의 반응 검출 기술이다. 그외에도 DNA-DNA hybridization을 이용한 검출기술이 병행되어 오고 있다.

지금까지 진행되어온 단백질-단백질 간의 반응 검출 기술은 단백질 칩 기술이며, 목적 단백질에 친화성 태그를 이용하여 생체분자의 배향성을 분자수준에서 조절하여, 균일하고 안정된 단백질의 단일층을 지지체 표면에 특이적으로 고정한 다음, 단백질-단백질 간의 상호작용을 분석하는 기술이라 할 수 있다(Hergenrother, P.J. et al ., JACS, 122:7849-7850, 2000; Vijayendran, R.J., A. et al ., Anal . Chem ., 73:471-480, 2001; Benjamin, T. et al ., Tibtech ., 20:279-281, 2002). 최근, 탄소나노튜브에 바이오물질을 고정한 다음, 탄소나노튜브의 전기화학적인 변화를 이용하여 단백질-단백질 및 단백질-리간드 간의 반응을 검출하는 연구가 진행되고 있다(Dai, H. et al ., ACC . Chem . Res ., 35:1035-44, 2002; Sotiropoulou, S. et al ., Anal . Bioanal . Chem ., 375:103-5, 2003; Erlanger, B.F. et al ., Nano Lett ., 1:465-7, 2001; Azamian, B.R. et al ., JACS, 124:12664-5, 2002). 단백질-리간드 반응으로써 대표적인 예로, 아비딘(avidin)-바이오틴(biotin) 반응을 들 수 있는데, Star 등은 고분자로 처리된 기질 위에 고분자 채널을 형성한 다음, 반도체소자에서 전기화학적인 방법을 통하여 스트렙트아비딘의 결합을 측정하였다(Star, A. et al ., Nano Lett ., 3:459-63, 2003).

또한, DNA-DNA 검출 기술은 DNA 칩 기술이며, 목적 DNA가 칩 표면에 결합되어 있는 리셉터 DNA와 수소결합되어 나타나는 신호를 검출하여 대상물질의 반응 유무를 검출하는 기술이라 할 수 있다. 고밀도의 탄소나노튜브 멀티레이어(multilayer)를 만들어 그 위에 DNA를 부착한 다음, 상보적으로 결합하는 DNA를 검출하는 방법은 게놈분석(genotyping), 돌연변이 검색(mutation detection), 병원성 균 진단(pathogen identification) 등에 유용하다. PNA(peptide nucleic acid: DNA 유사체)를 단일벽(single walled) 탄소나노튜브에 위치 특이적으로 고정하고, 목적 DNA와 상보적으로 결합하는 것을 검출한 보고가 있다(Williams, K.A. et al., Nature, 420:761, 2001). 또한, 전기화학적인 방법을 통해 올리고뉴클레오티드를 탄소나노튜브 어레이에 고정하고, 구아니딘 산화(guanidine oxidation) 방법을 통해 DNA를 검출한 예도 있다(Li, J. et al., Nano Lett., 3:597-602, 2003). 그러나 이것들은 비교적 전기전도도가 약하여 정확하게 분석하기 어려운 단점을 가진다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 개선하고자 예의 노력한 결과, 화학적 작용기를 이용하여 전도성 그라핀을 제조하고, 상기 제조된 전도성 그라핀을 기질상에 높은 표면밀도를 가지도록 반복하여 적층시켜 전도성 그라핀 필름을 제조한 다음, 상기 전도성 그라핀 또는 전도성 그라핀 필름에 표적 바이오물질과 선택적으로 결합하는 바이오 리셉터를 부착시킨 경우, 다양한 표적 바이오물질을 직접 또는 전기화학적 신호를 이용하여 정확히 한번에 대량으로 검출할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 전기전도도가 우수한 전도성 그라핀 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 그라핀을 기질 상에 적층하여 전도성 그라핀 패턴을 형성방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 표면밀도와 우수한 전기전도도를 가지는 그라핀 필름 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전도성 그라핀 또는 필름에 다양한 종류의 바이오 리셉터가 부착되어 있는 전도성 그라핀 바이오센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 카르복실기를 갖는 그라핀을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 그라핀의 카르복실기를 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질의 아미노기와 결합시켜 티올기로 개질된 그라핀을 제조하는 단계를 포함하는 전도성 그라핀을 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조되고, 그라핀-(CONH-R₁-S)r(여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)의 형태를 가지는 전도성 그라핀을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제조하는 단계; (b) 상기 기질 표면의 티올기에 상기 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계; 및 (c) 상기 기질에 부착된 전도성 그라핀에 상기 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계를 포함하는 전도성 그라핀 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제공하는 단계; (b) 상기 기질 표면의 티올기에 상기 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계; (c) 상기 기질에 부착된 전도성 그라핀에 상기 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 반복하여 전도성 그라핀의 밀도를 높이는 단계를 포함하는 전도성 그라핀 필름을 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조되고, 기질-[(CONH-R₂-S-그라핀-(S-R₃-S-그라핀)p]q(여기서, p와 q는 1 이상의 자연수이고, R₂와 R₃는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)의 형태를 가지는 전도성 그라핀 필름을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조되는 전도성 그라핀 또는 전도성 그라핀 필름에 표적 바이오 물질과 결합하거나, 반응하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀 바이오센서를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 전도성 그라핀 바이오센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 표적 바이오 물질의 검출방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 그라핀-(CONH-R₁-S)r(여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)의 형태를 가지는 전도성 그라핀에 핵산이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀-핵산 복합체를 제공한다.

본 발명은 또한, 아민 및/또는 라이신 기가 표면에 부착되어 있는 기질에, 상기 전도성 그라핀 핵산 복합체를 고정시키는 것을 특징으로 하는 핵산 칩의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 전도성 그라핀-DNA 복합체가 아민 및/또는 라이신 기가 표면에 부착되어 있는 기질에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 DNA 칩 및 이용하는 것을 특징으로 하는 DNA 혼성화 반응의 검출방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 그라핀-(CONH-R₁-S)r(여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)의 형태를 가지는 전도성 그라핀에 효소 기질이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀 효소기질 복합체를 제공한다.

본 발명에 따른 전도성 그라핀 바이오센서는 표면적이 넓고, 전기전도도 성질이 우수하여 DNA와 같은 생물분자의 고정화 양을 높일 수 있고, 생물분자에 대한 검출 민감도를 증대시키는 것이 가능하다. 또한, 다양한 표적 바이오분자들을 직접 검출하거나, 전기화학적 신호를 측정함으로써, 바이오 물질과 바이오 리셉터의 반응을 정확히 한번에 대량으로 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 바이오물질의 특성상 액상에서 측정해야하는 특수한 상황을 극복하고, 소량의 원료(source)만으로도 정확한 측정치를 얻을 수 있는 검출법을 도입하는 것이 가능하다.

본 발명은 일 관점에서, (a) 카르복실기를 갖는 그라핀을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 그라핀의 카르복실기를 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질의 아미노기와 결합시켜 티올기로 개질된 그라핀을 제조하는 단계를 포함하는 전도성 그라핀을 제조하는 방법에 관한 것이다.

구체적으로, 그라핀은 산에 의해 잘려 카르복실기(-COOH)를 가지게 되고, 상기 그라핀의 카르복실기(-COOH)는 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질의 아미노기와 결합되어 티올기로 개질된 그라핀을 제조할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질은 NH₂-R₁-SH인 것이 바람직하고, 여기서, R₁은 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다. 또한, 상기 (a) 단계는 그라핀을 염산, 황산 등과 같은 강산으로 처리하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은, 다른 관점에서 그라핀-(CONH-R₁-S)r의 형태를 가지는 전도성 그라핀에 관한 것이다. 여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 C₁ _-20인 포화탄화수소 류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다.

본 발명에 있어서, 전도성 그라핀은 레이블링이 필요 없고, 단백질의 변형 없이 수용액 상에서 반응을 진행시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정이 용이하여 대량 생산 시스템으로의 도입이 충분히 가능하고, 탄소나노튜브가 가지고 있는 반도체의 특성과 전기화학적 응용확장성을 동시에 만족하면서 생산비용이 저렴하다는 장점을 동시에 살려 바이오센서의 기본 구성물질로서 활용될 수 있다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제조하는 단계; (b) 상기 기질 표면의 티올기에 상기 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 기질에 부착시키는 단계; 및 (c) 상기 기질에 부착된 전도성 그라핀에 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계를 포함하는 전도성 그라핀 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제조하는 단계; (b) 상기 기질 표면의 티올기에 상기 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 기질에 부착시키는 단계; (c) 상기 기질에 부착된 전도성 그라핀에 또 다른 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 반복하여 전도성 그라핀의 밀도를 높이는 단계를 포함하는 전도성 그라핀 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전도성 그라핀 패턴 또는 필름은 표면에 티올기가 노출된 기질의 티올기와 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 기질에 부착시킨 다음, 상기 기질에 적층된 전도성 그라핀에 다른 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라 핀들을 적층시켜 전도성 그라핀 패턴을 형성시킬 수 있고, 기질-[CONH-R₂-S-그라핀-(S-R₃-S-그라핀)p]q의 구조를 가지는 전도성 그라핀 패턴을 형성시킬 수 있다. 여기서, p와 q는 1 이상의 자연수를 의미하고, R₂와 R₃는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기를 의미한다.

한편, 상기와 같은 전도성 그라핀의 적층과정을 반복함으로써, 고밀도의 전도성 그라핀 필름을 제조할 수 있다. 상기 전도성 그라핀 필름은 기질-[CONH-R₂-S-그라핀-(S-R₃-S-그라핀)p]q의 구조를 가질 수 있고, 여기서 p와 q는 1 이상의 자연수이며, R₂ 및 R₃은 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기를 의미한다.

본 발명에 있어서, 표면에 티올기가 노출된 기질은 표면에 아미노 작용기가 노출된 기질을 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질로 처리하여 상기 기질상의 아미노기와 상기 화학물질의 카르복실기 간에 아미드 결합을 형성시킴으로써, 표면에 티올기가 노출된 기질을 제조할 수 있다. 상기 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질은 HOOC-R₂-SH의 물질이 바람직하고, 여기서, R₂는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기를 의미한다.

또한, 상기 표면에 아미노 작용기가 노출된 기질은 기질을 아미노알킬옥시실란으로 처리하여 제조할 수 있고, 아미노기와 카르복실기의 결합시에 커플링제와 베이스(base)를 사용할 수 있으며, 기질 표면의 티올기에 전도성 그라핀을 결합시 켜 전도성 그라핀을 기질에 부착시킬 경우에는 이중 티올 작용기를 가진 링커를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 이중 티올 작용기를 가진 링커는 HS-R₃-SH인 것이 바람직하고, 여기서, R₃는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다.

본 발명에 있어서, 기질은 원하는 위치에 전도성 그라핀을 부착시키기 위해 포토레지스트 또는 고분자 패턴이 형성되어 있고, 유리, 실리콘, 용융실리카, 플라스틱 및 PDMS(polydimethylsiloxane)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 그라핀-(CONH-R₁-S)r(여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)의 형태를 가지는 전도성 그라핀 또는 기질-[CONH-R₂-S-그라핀-(S-R₃-S-그라핀)p]q(여기서, p와 q는 1 이상의 자연수이고, R₂와 R₃는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)의 구조를 가지는 전도성 그라핀 필름에 표적 바이오 물질과 결합하거나, 반응하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀 바이오센서에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 표적 바이오물질은 바이오 리셉터와 반응하거나 결합하여 검출되는 표적 역할을 할 수 있는 물질로서, 바람직하게는 단백질, 핵산, 항체, 효소, 탄수화물, 지질 또는 기타 생체 유래의 생물분자이며, 더욱 바람직하게는 질병 에 관련된 단백질인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 바이오 리셉터는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질, 코펙터 또는 탄수화물인 것을 특징으로 할 수 있고, 또한 이들은 티올기를 가지는 것임을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 '전도성 그라핀'은 그라핀에 화학작용기가 부착되어 있는 것을 포괄하는 개념이고, '전도성 그라핀-바이오센서'는 전도성 그라핀에 바이오물질과 반응하는 리셉터가 부착되어 있는 것을 포괄하는 개념으로, 전도성 그라핀에 결합되어 있는 바이오칩을 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 또한, '효소기질'은 효소반응에 관여하는 반응원료를 총칭하는 것을 정의될 수 있다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 상기 전도성 그라핀-바이오센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나, 반응하는 표적 바이오 물질의 검출 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 그라핀-(CONH-R₁-S)r(여기서, R₁과 r은 전술한 바와 같음)의 형태를 가지는 전도성 그라핀에 핵산이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀-핵산 복합체 및 상기 핵산 복합체를 아민 및/또는 라이신 기가 표면에 부착되어 있는 기질에 결합시키는 것을 특징으로 하는 핵산 칩의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 기질상에 그라핀-핵산의 결합은 자외선(UV) 조사에 의한 가교결합(crosslinking)을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 핵산은 DNA인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 전도성 그라핀-DNA 복합체가 고체 기질에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 DNA 칩 및 상기 DNA 칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 DNA 혼성화 반응의 검출방법에 관한 것으로, 상기 검출은 전기적 신호를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 그라핀-(CONH-R₁-S)r(여기서, R₁과 r은 전술한 바와 같음)의 형태를 가지는 전도성 그라핀에 효소기질이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀-효소기질 복합체에 관한 것으로, 상기 효소기질은 카이나제의 기질 펩티드(S^P)인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은, 또 다른 관점에서 상기 전도성 그라핀-S^P 복합체를 이용하는 것을 특징으로 하는 카이나제가 관여하는 효소반응의 검출방법에 관한 것으로, 상기 검출은 전기적 신호를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서는 그라핀을 화학적 작용기가 코팅된 고체 기질 위에 화학적 결합을 통하여 반복적으로 적층하여 높은 표면 밀도를 갖는 전도성 그라핀 패턴(또는 필름)을 제작하였다. 또한 고밀도 그라핀 패턴에 존재하는 작용기를 지닌 다양한 바이오 리셉터들을 상기 그라핀 패턴 또는 필름에 부착하여 다양한 종류의 표적 바이오물질들을 직접 검출하거나, 전기화학적 신호를 이용하여 검출할 수 있는 바이오센서를 제작하였다.

본 발명에 의하면, 그라핀을 일정한 위치에 배치된 촉매로부터 성장시켜서 완성했던 종래 기술의 한계에서 벗어나, 원하는 위치에 원하는 모양의 패턴을 상온에서 형성할 수 있다. 즉, 그라핀을 기질에 부착하는 방법으로는 크게 전기적인 방법과 화학적인 방법이 있다. 전기적인 방법이 그라핀의 위치를 비교적 자유롭게 조절할 수 있는데 반해, 화학적인 방법은 기질을 특정 작용기로 수정한 후에 그라핀이 부유된 용액에 일정시간 담그는 방식을 택하므로 전체의 기질에서 특별히 원하는 부분에만 부착시킨다는 것은 매우 곤란하다.

또한, 그라핀을 원하는 위치에 그라핀을 결합시켜 다양한 패턴을 형성하기 위해서는 기질의 특정부분만 노출시키고, 그라핀이 분산된 용액에서 장시간 견딜 수 있어야 하며, 그라핀을 증착시킨 후에는 깨끗이 제거되어 PDMS와 같은 기질에 쉽게 부착시킬 수 있어야 한다.

이에, 본 발명은 화학적인 방법의 장점을 최대한 이용할 수 있도록 고분자를 이용하여 기질의 패턴을 형성하여 상기 종래 기술의 단점을 개선하였다. 또한 지금까지 플라즈마 화학기상증착법, 열 화학기상증착법 등과 같은 고온 기작으로 인한 고분자 패터닝 등의 어려움과 강산에서의 절단과정에서 얻어지는 -COOH 등 화학작용기의 부재 등과 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 바이오센서를 이용할 경우, 소량의 반응물만으로도 정확한 값을 측정할 수 있고, 표면에 증착된 이온물질의 농도를 액상에서 전기적으로 측정할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.

1. 그라핀 -( CONH - R ₁ -S)r의 구조를 가지는 전도성 그라핀의 제조

도 1은 강산에서 잘려진 그라핀에 산화환원 방법을 이용하여 카르복실 작용기(-COOH)를 디펙트(defect)로 갖는 그라핀의 제조과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 그라핀의 카르복실 작용기를 아미노(-NH₂) 작용기와 티올(-SH) 작용기를 동시에 가진 링커의 아미노 작용기와 결합시켰다. 이때, 상기 결합반응의 커플링제로써 DCC(1,3-dicyclohexyl carbodiimide), HATU(O-(7-azabenzotriazol-1-yl)-1,1:3,3-tetramethyl uronium hexafluorophosphate), HBTU(O-(benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3- tetramethyluronium hexafluorophosphate), HAPyU(O-(7-azabenzotriazol -1-yl)-1,1:3,3-bis(tetramethylene)uronium hexafluorophosphate), HAMDU(O-(7-azabenzotriazol-1-yl)-1,3-dimethyl-1,3-dimethyleneuronium hexafluorophosphate), HBMDU(O-(benzotriazol-1-yl)-1,3-dimethyl-1,3-dimethyleneuronium hexafluorophosphate) 등과 베이스(base)로 DIEA(diisopropylethylamine), TMP(2,4,6-trimethylpyridine), NMI(N-methylimidazole) 등을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 물을 용매로 사용할 때 커플링제로서 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylamini-propyl) arbodiimide hydrochloride)를 사용하고, 커플링제의 보조제로서 NHS(N-hydroxysuccinimide), NHSS(N-hydroxysulfosuccinimide) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 커플링제는 -COOH 작용기와 -NH₂ 작용기가 아미드 결합(- CONH-)을 형성하는 역할을 하며, 상기 베이스와 보조제는 커플링제가 아미드 결합을 형성할 때 효율을 높일 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

상기 아미노 작용기와 티올 작용기를 동시에 가지는 링커는 NH₂-R₁-SH로 표시되는 화학물질이 바람직하다. 여기서, R₁은 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기를 의미한다. 최종적으로 ‘그라핀-(CONH-R₁-S)r의 형태를 가지는 전도성 그라핀이 얻어지며, 여기서 r은 1 이상의 자연수이다.

2. 기질 상에 그라핀 층을 적층하여 그라핀 필름을 형성하는 방법

본 발명에서는 유리, 실리콘 웨이퍼, 플라스틱 등의 기질 상에 고분자나 포토레지스트 패턴을 형성한 다음, 상기 패턴을 마스크로 하여 아미노알킬옥시실란을 표면에 고정하여 아미노기를 기질 표면에 노출시키는 방법을 사용하였다. 상기 아미노알킬옥시실란으로는 아미노프로필트리에톡시실란을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 아미노기가 고정된 표면에 티올 작용기를 노출시키기 위하여, 상기 아미노기를 HOOC-R₂-SH(여기서, R₂는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)와 같은 티올 작용기와 카르복실 작용기를 동시에 가진 화학물질의 카르복실 작용기와 아미드 결합으로 연결시킨다. 결국, 기질 표면에 티올기가 노출된 '기질-CONH-R₂-SH' 형태의 구조가 형성된다.

이때, 상기 아미드 결합의 커플링제로 DCC, HATU, HBTU, HAPyU, HAMDU, HBMDU 등과 베이스(base)로써 DIEA, TMP, NMI 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 물을 용매로 사용할 때 커플링제로서 EDC를, 커플링 보조제로서 NHS, NHSS 등을 사용하는 것이 바람직하다.

도 2에서 나타난 바와 같이, 금 입자가 점재된 전도성 그라핀은 티올 작용기가 노출된 기질, '기질-CONH-X-SH'에 결합시킨다. 이때 기질 표면의 티올 작용기와 그라핀에 점재된 금 결정 사이에 Au-S 링크가 형성되어 기질 상에 그라핀이 결합하게 되어 '기질-CONH-X-S-Au-그라핀-Au'형태의 구조가 형성된다(도 2a).

다음으로, 기질에 선택적으로 부착된 그라핀에 점재되어 있는 금과 이중 티올 작용기를 가진 링커인 HS-R₃-SH로 표시되는 화학물질을 반응시키고, 금이 점재된 전도성 그라핀을 상기 링커의 다른 한쪽 티올 작용기와 반응시킨다. 이 반응으로 '기질-[CONH-X-S-Au-그라핀-Au-S-R₃-S-Au-그라핀-Au]' 형태의 구조가 형성된다 (도 2b).

그 다음으로, 금이 점재된 전도성 그라핀과 상기 이중 티올 작용기를 가진 화학물질과의 화학반응을 반복적으로 수행하여 표면에 전도성 그라핀의 표면밀도를 높인다. 최종적으로 '기질-[CONH-X-S-Au-그라핀-Au-(S-R3-S-Au-그라핀-Au)p]q'의 구조를 갖는 전도성 그라핀 패턴 또는 전도성 그라핀 필름이 형성된다(도 2c, 도 2d). 여기서 p와 q는 1이상의 자연수이다.

현존하는 그라핀을 이용한 바이오칩의 경우, 그라핀을 일정부분에서 성장시켜 전기적, 광학적 결과를 측정하였으나, 본 발명에서는 그라핀을 원하는 위치에 부착 또는 증착시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.

상기에서 서술한 바와 같이 그라핀이 배열된 기질에 부착된 바이오물질을 전기적으로 검출하기 위해서는 액상을 유지해야 하는데, 이때 필요한 상판은 수㎜ ~ 수㎛의 유체가 포함될 공간을 확보해 두어야 한다. 여기에 사용할 수 있는 기질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene) 등과 같은 다양한 고분자 재료가 이용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 그라핀은 각각 전하가 인가될 수 있도록 적어도 하나의 전도성 나노와이어(nanowires)를 통해 전원에 연결될 수 있으며, 여기서 전도성 나노와이어는 종래기술을 이용하여 단일원자로 형성할 수 있으며(Science, 275:1896-97, 1997), 전도성 금속으로 일정한 패턴을 형성한 후 이온 주입(implantation)이나 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 전류가 흐를 수 있는 도선을 증착시킬 수 있다.

3. 기질 상에 티올 작용기(- SH ) 제조

상기 아미노기가 고정된 표면에 티올 작용기를 노출시키기 위하여, 상기 아 미노기를 HOOC-R₂-SH(여기서, R₂는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다)와 같은 티올 작용기와 카르복실 작용기를 동시에 가진 화학물질의 카르복실 작용기와 아미드 결합으로 연결시킨다. 결국, 기질 표면에 티올기가 노출된 '기질-CONH-R₂-SH'형태의 구조가 형성된다.

이때, 상기 아미드 결합의 커플링제로써 DCC, HATU, HBTU, HAPyU, HAMDU, HBMDU 등과 베이스(base)로써 DIEA, TMP, NMI 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 물을 용매로 사용할 때 커플링제로서 EDC를, 커플링 보조제로서 NHS, NHSS 등을 사용하는 것이 바람직하다.

4. 전도성 그라핀에 리셉터를 결합시키는 방법

본 발명에 있어서, 바이오 리셉터(receptor)는 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 물질로서, 상기 결합 또는 반응을 검출할 수 있는 프로브 역할을 하는 물질이 바람직하다. 이러한 바이오 리셉터로는 핵산(nucleic acids), 단백질 (proteins), 펩티드(peptides), 아미노산(amino acids), 리간드(ligands), 효소 기질(enzyme substrates), 코펙터(cofactors) 등이 있다. 본 발명에 있어서, 표적 바이오물질은 리셉터와 결합하거나 반응하여 검출되는 표적 역할을 할 수 있는 물질로서, 단백질, 핵산, 효소 또는 기타 바이오 분자가 있다.

도 3은 전도성 그라핀의 표면에 금과 결합하거나 반응하는 작용기를 지닌 다양한 리셉터들이 부착된 후, 다양한 종류의 표적 바이오물질들과 선택적으로 상호 작용하는 것을 보여주는 개략도이다. 금 나노 결정과 반응하는 작용기로는 티올기를 함유하는 것이 바람직하다. 도 3에서, 1과 2는 표적 바이오물질과 반응할 수 있는 바이오 리셉터를 나타내고, 4는 상기 바이오 리셉터와 반응할 수 있는 표적 바이오물질을 나타낸다. 3은 바이오 리셉터 중에서 올리고뉴클레오티드를 나타내고, 5는 전도성 그라핀의 금속에 고정된 상기 올리고뉴클레오티드와 혼성화 반응할 수 있는 상보적 핵산을 나타내며, 6은 반응성이 없는 일반 바이오물질을 나타낸다.

도 4는 카이나제 효소반응을 위하여 전도성 그라핀에 티올 작용기를 가진 카이나제의 기질 펩티드(S^P)를 고정시킨 그라핀-Au-기질펩티드 복합체를 나타낸다. 이를 다양한 카이나아제 효소에 의한 인산화 반응에 적용하여, 그라핀의 전기화학적 변화를 측정할 수 있다.

상기 바이오 리셉터와 바이오물질 간의 반응 검출방법으로는 내장형 검출 시스템으로서 당업계에 잘 알려진 전기적 검출법, 공진법 (resonance) 또는 형광체를 이용한 방법 등을 사용할 수 있다. 전기적 신호에 의해 검출하는 방법을 사용하는 것이 바람직하며, 이 경우 바이오 리셉터와 표적 바이오물질의 반응시 그라핀에서 발생하는 미세한 전위차의 변화를 적당한 회로를 통해 모니터하여 검출할 수 있다

5. 결합 검출 시스템

바이오센서의 전기적 특성 측정용도의 프로브 스테이션과 바이오센서에서 발생되는 형광물질을 검출하는 형광 현미경을 이용하여 반응결과를 측정할 수 있다. 또한 반응물에 방사선 동위원소를 부착시켜 반응 후에 일정면에서 계측기를 이용하여 방사선을 측정하는 기존의 방법을 이용할 수도 있다.

본 발명에서는 그라핀의 민감한 전기적 성질을 활용한다는 취지에서, 상기 방법 중 전기적인 성질을 이용한 방법을 구체화하였다. 바이오물질의 특성상 액상에서 측정해야하는 경우가 많으므로, 본 발명에서는 액상에서 그라핀의 전기적 수치를 계측하는데 초점을 맞추었다. 그라핀의 표면에 부착된 바이오물질의 이온농도를 측정하기 위하여 본 발명에서는 세 가지 방법을 이용하였다.

첫 번째는 특수 용질을 이용하여 산화환원반응을 유도한 후 포텐티오스태트(potentio stat)와 같은 장비를 사용하여 측정하는 것이고, 두 번째는 축전기의 개념을 사용하여 축전판 내부의 이온량을 전기적 조절을 통해 측정하는 것이며, 세 번째는 대전체의 원리를 이용하여 주변의 이온의 세기에 따라 대전판의 박막이 벌어지는 정도를 측정하는 것이다.

첫 번째의 산화환원반응은 현재 보편화된 전기화학적 검출법으로, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltametry)와 포텐티오메트리(potentiometry) 그리고 암퍼로메트리(amperometry) 등을 이용한 장치 (Potentiostat/ Galbanostat, Ametech co.)를 사용하여, 도 4에 나타난 바와 같이, 그라핀에 연결된 도선과 바이오물질을 감싸고 있는 특정 용질을 포함한 액체에 전극을 담궈 반응 전후의 결과를 측정하는 것이다.

구체적으로는 그라핀 표면에 카이나제 효소의 기질펩티드가 결합되어 있는 도 5에 따른 그라핀-Au-기질펩티드 복합체를 카이나제 효소반응에 적용하여 상기 반응결과로 발생하는 이온농도는 하기 3가지 방법으로 측정하는 것이 가능하다.

도 6은 본 발명에 따른 전도성 그라핀에 티올 작용기 또는 금 결합단백질과 융합된 형태의 AChE를 고정시킨 전도성 그라핀-효소 복합체를 이용하여 농약의 저해작용을 검출하는 것을 나타낸 개략도로, 본 발명은 그라핀위에 고정된 효소를 이용하여 기질을 반응 물질로 전환하는 효소반응에 의해 발생되는 전자의 이동을 유도시켜 효소반응을 측정할 수 있고 또한, 아세틸콜린의 가수분해반응을 유도하는 AChE가 유기인계 혹은 카바메이트계 농약에 의해 활성을 저해받게 되는데 이온 및 전자의 이동도 함께 저해받게 되므로 저해 정도를 측정하는 방법을 이용하여 잔류농약 센서로서 이용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 전도성 그라핀에 티올 작용기 또는 금 결합단백질과 융합된 형태의 GOx를 고정시킨 전도성 그라핀-효소 복합체를 이용한 바이오센서를 나타낸 개략도로, 상기 바이오센서는 그라핀 위에 고정된 효소를 이용하여 기질을 산화시키는 반응에 의해 발생하는 이온/전자의 이동을 유도시켜 산화환원반응을 측정하여, 모든 산화 및 환원에 관여하는 효소반응에 적용할 수 있고, 이때 발생하는 산화력 및 환원력에 의해 이온 및 전자의 이동을 전기화학적으로 신호를 변화하여 센서로서 활용할 수 있다.

도 1은 그라핀을 아민 또는 티올기로 기능화하기 위한 과정을 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전도성 그라핀 패턴의 집적화 과정을 보여주는 공정도로, (a)는 패턴이 형성된 기질 표면에 티올기(-SH)를 노출시키고, 금 입자가 점재된 그라핀 단층을 고정하는 개략도이고, (b)는 상기 (a)에서 형성된 그라핀 단층에 두개의 티올기를 가지는 화학물질을 이용하여 또 다른 금 입자가 점재된 그라핀을 고정하는 개략도이며, (c)는 상기(b)의 방법을 반복하여 표면에 금 입자가 점재된 그라핀의 표면 밀도를 높이는 것을 나타낸 개략도 이고, (d)는 상기 (c)의 방법을 반복하여 금 입자가 점재된 그라핀을 고밀도로 적층하는 방법을 보여주는 공정도이다.

도 3은 전도성 그라핀 표면의 작용기를 지닌 다양한 리셉터들이 부착된 후, 다양한 종류의 표적 바이오 물질들과 선택적으로 상호작용하는 것을 보여주는 개략도이다. 1과 2는 표적 바이오물질과 반응할 수 있는 바이오 리셉터를 나타내고, 4는 상기 바이오 리셉터와 반응할 수 있는 표적 바이오물질을 나타낸다. 3은 바이오 리셉터 중에서 올리고뉴클레오티드를 나타내고, 5는 전도성 그라핀의 금속에 고정된 상기 올리고뉴클레오티드와 혼성화 반응할 수 있는 상보적 핵산을 나타내며, 6은 반응성이 없는 일반 바이오물질을 나타낸다.

도 4는 전도성 그라핀에 DNA가 결합할 수 있도록 스트렙트아비딘이 결합된 융합단백질로 그라핀을 기능화하여 비오틴-DNA 복합체를 이용하여 그라핀 벽면에 DNA가 위치 특이적으로 결합되도록 이용하기 위한 개략도이다.

도 5는 본 발명에 따른 전도성 그라핀에 티올 작용기 또는 금 결합단백질과 융합된 형태의 카이나제의 기질 펩티드를 고정시킨 전도성 그라핀-펩티드 기질 복합체를 이용한 바이오센서를 나타낸 개략도이다.

도 6은 본 발명에 따른 전도성 탄소나노튜브에 티올 작용기 또는 금 결합단백질과 융합된 형태의 AChE를 고정시킨 전도성 탄소나노튜브-효소 복합체를 이용하여 농약의 저해작용을 검출하는 것을 나타낸 개략도이다.

도 7은 본 발명에 따른 전도성 탄소나노튜브에 티올 작용기 또는 금 결합단백질과 융합된 형태의 GOx를 고정시킨 전도성 탄소나노튜브-효소 복합체를 이용한 바이오센서를 나타낸 개략도이다.

Claims

다음 단계를 포함하는 전도성 그라핀을 제조하는 방법:

(a) 카르복실기를 갖는 그라핀을 제조하는 단계; 및

(b) 상기 그라핀의 카르복실기를 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질의 아미노기와 결합시켜 티올기로 개질된 그라핀을 제조하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질은 NH₂-R₁-SH(여기서, R₁은 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 그라핀을 산으로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되고, 그라핀-(CONH-R₁-S)r의 형태를 가지는 전도성 그라핀(여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 제2항 에서 정의된 바와 같음).
다음 단계를 포함하는 전도성 그라핀 패턴을 형성시키는 방법:

(a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제조하는 단계;

(b) 상기 기질 표면의 티올기에 제4항의 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 기질에 부착시키는 단계; 및

(c) 상기 기질에 부착된 전도성 그라핀에 제4항의 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계.
다음 단계를 포함하는 전도성 그라핀 필름을 제조하는 방법:

(a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제조하는 단계;

(b) 상기 기질 표면의 티올기에 제4항의 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 기질에 부착시키는 단계;

(c) 상기 기질에 부착된 전도성 그라핀에 제4항의 전도성 그라핀을 결합시켜 전도성 그라핀을 적층시키는 단계; 및

(d) 상기 (c) 단계를 반복하여 전도성 그라핀의 밀도를 높이는 단계.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 (a) 단계는 그라핀을 적층시킬 기질 표면에 아미노 작용기를 노출시킨 다음, 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질로 처리하여, 상기 기질상의 아미노기와 상기 화학물질의 카르복실기 간에 아미드 결합을 형성시키는 것임을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질은 HOOC-R₂-SH(여기서, R₂는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임)인 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 표면에 아미노 작용기가 노출된 기질은 기질을 아미노알킬옥시실란으로 처리하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 (c) 단계는 이중 티올 작용기를 가진 링커를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 이중 티올 작용기를 가진 링커는 HS-R₃-SH로 표시되는 화학물질인 것을 특징으로 하는 방법(여기서, R₃는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임).
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 기질은 원하는 위치에 전도성 그라핀을 부착하기 위하여 포토레지스트 또는 고분자 패턴이 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 기질은 유리, 실리콘, 용융실리카, 플라스틱 및 PDMS로 구성된 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 방법.
제6항의 방법에 의해 제조되고, 기질-[(CONH-R₂-S-그라핀-(S-R₃-S-그라핀)p]q의 구조를 가지는 전도성 그라핀 필름(여기서, p와 q는 1 이상의 자연수이고, R₂와 R₃는 C₁ _-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기임).
제4항의 전도성 그라핀 또는 제14항의 전도성 그라핀 필름에 표적 바이오 물질과 결합하거나, 반응하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀 바이오센서.
제15항에 있어서, 상기 바이오 리셉터는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 핵산, 지질, 코펙터 및 탄수화물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀 바이오센서.
제15항에 있어서, 상기 바이오 리셉터는 티올기를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀 바이오센서.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항의 전도성 그라핀 바이오센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 표적 바이오 물질의 검출방법.
제18항에 있어서, 상기 표적 바이오 물질은 효소, 단백질, 핵산 및 상기 리 셉터와 반응하는 바이오 분자로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 검출은 전기적 신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
그라핀-(CONH-R₁-S)r의 형태를 가지는 전도성 그라핀에 핵산이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀-핵산 복합체(여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 제2항에서 정의된 바와 같음).
제21항에 있어서, 상기 핵산은 DNA인 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀-DNA 복합체.
아민 및/또는 라이신 기가 표면에 부착되어 있는 기질에, 제21항 또는 제22항의 전도성 그라핀 핵산 복합체를 고정시키는 것을 특징으로 하는 핵산 칩의 제조방법.
제23항에 있어서, 상기 고정은 자외선 조사를 통한 가교결합을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제24항의 방법에 의해 제조되고, 제22항의 전도성 그라핀-DNA 복합체가 아민 및/또는 라이신 기가 표면에 부착되어 있는 기질에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 DNA 칩.
제25항의 DNA 칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 DNA 혼성화 반응의 검출방법.
그라핀-(CONH-R₁-S)r의 형태를 가지는 전도성 그라핀에 효소 기질이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 그라핀 효소기질 복합체(여기서, r은 1 이상의 자연수이며, R₁은 제2항에서 정의된 바와 같음).
제27항에 있어서, 상기 효소기질은 카이나제의 기질 펩티드(S^p)인 것을 특징으로 하는 복합체.
제28항의 전도성 그라핀-S^p를 이용하는 것을 특징으로 하는 카이나제가 관여하는 효소반응의 검출방법.
제29항에 있어서, 상기 검출은 전기적 신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.