KR20100012731A - 나노섬유막을 포함하는 포도당 감지 조성물 및 이를 이용한무효소 포도당 바이오 센서 제조방법 - Google Patents

나노섬유막을 포함하는 포도당 감지 조성물 및 이를 이용한무효소 포도당 바이오 센서 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)을 포함하는 혼합물을 전기방사하여 얻은 나노섬유 막을 아세톤 등의 용매에 분산시켜 얻은 포도당 감지 조성물 및 상기 조성물을 전극에 증착시켜 전기방사 나노섬유막 기저의 무효소 포도당 바이오 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
무효소 포도당센서, 나노섬유, 포도당감지 조성물, 전기방사, 전기화학방법

Description

나노섬유막을 포함하는 포도당 감지 조성물 및 이를 이용한 무효소 포도당 바이오 센서 제조방법 {Composition for glucose sensing comprising of nanofibrous membrane and method for manufacturing non-enzymatic glucose biosensor using the same}
본 발명의 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)을 포함하는 혼합물을 전기방사하여 얻은 나노섬유 막을 아세톤 등의 용매에 분산시켜 얻은 포도당 감지 조성물과 이를 이용하여 나노섬유막 기저의 무효소 포도당 바이오 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
당뇨병 (diabetes mellitus)은 인슐린 결핍으로부터 유래한 대사 질환으로, 혈액내 정상 범위 80-120 mg/ dL (4.4-6.6 mM) [Ann. Intern. Med. 2007, 146, ITC1-15.] 보다 높거나 낮은 혈중 포도당 농도로 나타난다. 당뇨병은 심장질환, 신장 신부전등 또는 야맹을 각각 초래하는 신경장애(neuropathy), 신장병(nephropathy), 망막증과 같은 합병증을 초래한다 [Klonoff DC. Noninvasive blood glucose monitoring Diabetes Care 1997; 20 : 433-437]. 따라서, 당뇨병을 치료하기 위하여, 하루에 여러번 혈중 포도당 수치를 자아-모니터링하면서 조절하는 것은 중요하다. 실제, 포도당 바이오센서는 전체 바이오센서의 약 85%를 차지한다. 시장에서의 이런 엄청난 수요로 인해 당뇨병은 새로운 바이오센싱 개념 개발을 위한 모델질환이 되고 있다.
포도당 분석 방법에 대한, 전기화학법, 적외선 분광기, 광학반응 등을 포함한 광범위한 방법들이 논문에서 발표되고 있다 [Yokowama, K., Sode, K., Tamiya, E., Karube, I. Anal. Chim. Acta 1989, 218, 137 ;Rabinovitch, B., March, W. F., Adams, R. L. Diabetes Care 1982, 5, 254; G. M., Moses, R. G., Gan, I. E. T., Blair, S. C. Diabetes Res. Clin. Pract. 1988, 4, 177; D_Auria, S., Dicesare, N., Gryczynski, Z., Gryczynski, I.; Rossi, M.; Lakowicz, J. R. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2000, 274, 727] 혈액의 포도당 측정을 위해 가장 일반적으로 사용되는 기술은 효소-기반 방법이다.
전기화학적 포도당 측정법은 당뇨병 환자의 삶을 개선하는데 크게 기여하였다. 전기화학적 포도당 바이오센서의 인상적인 발전에도 불구하고, 고도로 안정하고, 신뢰성 있는 무효소 포도당 검출 디바이스를 개발하기 위한 여전히 많은 도전과 장애가 있다. 지난 50년간의 발전은 최근의 리뷰에서 요약되었다 [J.Wnag, Chem. Rev. 2008, 108, 814]
일반적으로, 전기화학적 바이오센서의 포도당 검출은 애노딕 전위에서 (>+0.6 V vs. Ag/AgCl), 포도당의 효소-촉매적 산화에 의해 생성된 과산화수 소(hydrogen peroxide)의 전기화학적 산화에 기반하고 있다 [J. Wang, N. Naser, L. Anges, W. Hui, L. Chen,, Anal. Chem., 1992, 64, 1285]. 그러나, 이런 상대적으로 높은 전위에서는, 아스코르빈산, 요산 및 아세타미노펜 등과 같은 산화가능한 물질로부터 간섭이 있을 수 있다. 글루코즈 옥시다제 (glucose oxidase: GOx) 기반의 포도당 디바이스는 생리적 전자 수용체로서 산소의 이용에 의존하고, 산소분압 및 산소의 화학량적 제한에 의한 변동에서 기반한 오차에 의존하게 된다. 산소 결핍을 회피하기 위한 약간의 전략들이 있었다 [Wang, J., Mo, J. W., Li, S. F., Porter, J. Anal. Chim. Acta 2001, 441, 183; D'Costa, E.; Higgins, I., Turner, A. P. Biosensors 1986, 2, 71]. 또한, 전자 전달을 개선하기 위하여 GOx의 레독스 센터와 전극 표면 사이에 전기 접촉을 개선하고 맞추기 위한 혁신적인 방법들이 고안되었다 [Pishko, M. V., Katakis, I., Lindquist, S. E., Ye, L., Gregg, B. A., Heller, A. Angew. Chem., Int. Ed. 1990, 29, 82,; Riklin, A., Katz, E., Willner, I., Stocker, A., Buckmann, A. F. Nature 1995, 376, 672].
최근에, 연구들은 매개체를 제거하고, 효소의 레독스 전위에 근접한 낮은 작동 전위를 가지는 무-시약 포도당 바이오센서의 개발에 집중되었다. 이 경우에, 전자는 포도당에서 전극으로 효소의 활성 부위를 통하여 직접적으로 전달된다. 매개체의 부재는 이러한 제3세대 바이오센서의 주요한 이점이며, 높은 선택성을 제공하게 된다 (아주 낮은 작동 전위 때문에). 나노기술의 발전은 바이오분석화학에서의 나노물질의 적용을 고무하였다.
바이오센서의 고효율을 달성하기 위해서는, 감지 물질을 분산시키기 위한 기 질의 선택이 센서 성능을 결정한다. 높은 표면적, 적정 공극률, 고도의 열 안정성, 화학적 불활성, 및 수용성과 비-수용성 용액에서 최소 또는 무시할만한 팽창을 가지는 호스트 재료가 가장 적절하다. 전기방사 섬유막은 센서전극에 대하여 개선된 성능을 달성하기 위하여 많은 요건을 충족한다. 섬유성 재료는 디자인 탄력성, 섬유 다발을 통한 기체 및 액체의 유동에 대한 안정성, 높은 표면적, 안정한 작동, 쉬운 크기 조절 및 재사용 등의 이점을 가진다. 전기방사 나노섬유성 재료는 높은 표면적 대 부피 비를 가지고 있는 것으로 기대되며, 이는 바이오센서의 특성을 개선시키기에 적절한 것이다. 생물학적 물질은 전기방사 막의 표면에 고정화될 수 있다. 그러나, 섬유성 매트가 용액에 두어질 때, 전기방사 섬유 표면의 분자는 침출되기 쉽다. 따라서, 섬유성 매트 내에 생물학적 분자/효소에 결합할 수 있는 추가의 기능적 재료를 가지고 바이오분자/효소의 침출을 최소화하는 것은 중요하다.
포도당은 페리시늄 캐타이온(ferricinium cation)의 페로센(ferrocene)으로의 GOx- 전기환원에 의해 전류 측정으로 분석되었고, 이는 스트립의 스크린 프린트 탄소-페이스트 전극에서 전기산화되었다 [Kyvik, K. O., Traulsen, J.. Reinholdt, B., Froland, A. Diabetes Res. Clin. Pract. 1990, 10, 8590.]. 가정용 혈액-포도당 모티터는 전기화학적 셀을 포함하는 플라스틱 또는 페이퍼 스트립을 사용하고, PQQGDH, NAD-GDH, FAD-GDH, 또는 GOx 및 레독스 매개체를 포함한다. 이의 측정법은 전류법(amperometry), 대시간전류법(chronoamperometry) 또는 전량분석(coulometry)이 될 수 있다.
효소 기반 포도당 센서는 효소의 안정성, 산소 의존 또는 매개체의 역할, 효소 침출 면에서 많은 문제점이 있다. GOx는 pH 2 이하 및 pH 8 이상에서 빠르게 그 활성을 상실하고 40℃ 이상에서 빠르게 변성된다 [R. Wilson, A.P.F. Turner, Biosens. Bioelectron., 1992, 7, 165]. 고 습도 및 저 습도는 센서의 저장 뿐만 아니라 사용에도 유해하다. 이러한 문제점으로 인해 무효소 포도당 센서의 개발이 요구된다.
실용적인 비-효소 포도당 센서의 개발을 위하여, 적절한 전극촉매(electrocatalysts)가 사용되었다. Tl, Pb, Bi, 또는 WO3 과 같은 중금속으로 개질된 백금 표면은 [G. Kokkinidis, N. Xonoglou, Bioelectrochem. Bioenerg. 1985, 14, 375; G. Wittstock, A. Strubing, R. Szargan, G. Werner, J. Electroanal. Chem. 1998,444,61; X. Zhang, K.-Y. Chan, J.-K. You, Z.-G. Lin, A.C.C. Tseung, J. Electroanal. Chem., 1997,430 147] 포도당 산화에 촉매 활성을 보였다. 그러나, 촉매적 산화는 산성 또는 염기성 조건으로 제한되었다. 비-효소 포도당 센서는 나노다공성 부직포를 이용하여 제작되었다 [S. Park, T.D. Chung, H.C. Kim, Anal. Chem., 2003, 75, 3046; H. Boo, S. Park, B. Ku, Y. Kim, J.H. Park, H.C. Kim, T.D. Chung, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 4524]. 지금까지 제안된 대부분의 비-효소 포도당 센서는 포도당 인식 유닛을 가지고 있지 않다.
최근, 본 발명자는 비-효소 포도당 센서에 기반한 전기방사 나노기공성 기능 막의 효능을 증명하였다 [K.M. Manesh, P. Santhosh, A. Gopalan, Kwang-Pill Lee, Analytical Biochemistry, 2007, 360, 189]. 폴리(비닐리덴플루오라이드) (poly(vinylidene fluoride): PVdF) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)( poly(aminophenylboronic acid): PAPBA) 의 전기방사 나노섬유 복합체를 기저로 한신규 센서 전극을 ITO(indium tin oxide) 코팅된 클래스 플레이트 상에 제작되었다. 나노섬유막의 포도당 감지 능력을 측정한 결과, PVdF/PAPBA-NFM은 6초 이내의 응답 시간내에 1내지 15 mM 농도 범위 내의 포도당 감지에 우수한 선형적 반응을 보였다. 전기방사 공정으로 제조된 PVdF/PAPBA-NFM은 다른 카보하이드레이트 존재에도 선택적으로 포도당을 민감하게 검출하였으며 무시할만한 간섭, 재현성 및 저장 안정성을 보였다. 나노필름 막의 우수한 성능은 높은 표면적 및 포도당 감지에 적절한 활성 부위 때문이다. 전기방사 막 포도당 센서는 움직임이 있는 조건에서 포도당 감지에 이상적으로 적절하다. 그러나, 전기방사 PVdF/PAPBA-NFM를 전극 표면(ITO)에 직접 수집하는 방법으로 바이오센서를 제작하는 공정은, 표면의 굵기와 균일성을 조절하기가 어려운 등의 제조 공정상의 어려움이 있었다.
따라서, 민감성, 선택성 및 안정성이 우수한 포도당 감지 재료로 알려진, 전기방사된 PVdF/PAPBA를 이용하여 무효소 포도당 센서를 제작하는 보다 간편하면서도 효율적인 방법이 요구된다.
이를 위하여, PVdF/PAPBA-NFM 혼합물을 전기방사를 수행하는 동안에 전극 표면에 직접 침전되도록 하는 방법으로 증착 제조하는 것이 아니라, 전기방사 PVdF/PAPBA-NFM를 아세톤 등의 용매에 분산시키고, 상기 용액을 전극에 증착시키는 방법으로 제조 공정을 효과적으로 개선하였다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
하나의 양태로서, 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)을 포함하는 혼합물을 전기방사하여 얻은 나노섬유 막을 용매에 분산시켜 얻은 물질을 포함하는, 포도당 감지용 조성물에 관한 것이다. 이 때, 용매는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 포도당 감지용 조성물은 무효소 포도당 바이오 센서에 유용하게 사용될 수 있는 조성물이며, 포도당을 감지하는 활성 물질로서, 본 발명자의 이전 연구에서 포도당 검출의 민감성, 선택성 및 안정성 면에서 그 효과를 인정받은, 전기방사된 폴리(비닐리덴플루오라이드)(poly(vinylidene fluoride): PVdF) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)(poly(aminophenylboronic acid): PAPBA)를 이용하여 제조된 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는, PVdF 및 PAPBA이 90-99 wt% : 10-1 wt% 의 비율로 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 조성물은 전기방사 PVdF/PABA를 이용하므로, 전기방사 방식을 통해 제조된 나노섬유 막이 가지는 일반적인 특성, 예를 들어, 높은 표면적 을 가지므로, 바이오 센서로서의 적용에 유리하다.
본 발명의 조성물은, 전기 방사하여 얻은 PVdF/PABA 나노섬유 막을 적절한 용매에 분산시킨 것을 특징으로 하며, 상기 용매는, 염산, 황산, 디메틸포름아미드, 디에틸 에테르, 아세톤, 클로르포름, 메탄올, 이소프로필 알콜, 메틸에틸 키톤, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 벤젠 및 자일렌으로 이루어진 군에서 선택된 단일 성분, 또는 1 종 이상 선택된 성분이 혼합된 혼합물일 수 있으나, 이로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 용매는 아세톤이다.
상기 전기방사 나노섬유 막 분산에 사용되는 용매는 다양한 목적, 예를 들어, 조성물 내 나노섬유 막의 내열성, 내화학성 등을 개선시키기 위한 목적, 또는 바이오센서 제조 공정에서의 성능을 개선시키기 위한 목적으로, 당업계에서 알려진 다양한 종류의 필림형성 고분자물질을 첨가제로 포함할 수 있다.
또 다른 양태로서, 본 발명은 (i) 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)을 포함하는 혼합물을 전기방사하여 나노섬유 막을 제조하는 공정; (ii) 공정 (i)에서 수득한 전기방사 나노섬유막을 용매에 분산시켜서 포도당 감지용 조성물을 제조하는 단계; 및 (iii) 공정 (ii)에서 수득한 포도당 감지용 조성물을 전극에 증착시키는 단계를 포함하는, 전기방사 나노섬유막 기저의 무효소 포도당 바이오 센서의 제조방법에 관한 것이다. 이 때, 상기 공정(i)에서 용매는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 공정 (i) 및 (ii)는 적절한 용매에 용해되어 포도당 바이오센서 제작에 바로 사용될 수 있는 본 발명의 포도당 감지용 조성물을 제조하는 공정이다.
구체적으로, 상기 제 (1) 공정은 전기방사 PVdF/PABA 나노섬유 막을 제조하는 공정, 낮은 점도 상태의 고분자를 순간적으로 섬유형태로 방사하는 당업계의 일반적 공정으로 제조할 수 있다. 고분자를 용매에 녹여 점성을 가지는 방사 용액을 제조하는 공정과 상기 방사 용액를 일정 전압과 방사거리에서 전기방사를 실시하는 공정에서 용매종류, 용매농도, 방사거리, 방사전압, 방사방법 등은 목적에 맞게 적절하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 다양하게 응용을 가할 수도 있다. 공정 (ii)에서 사용가능한 용매 및 첨가제는 상기한 바와 같다.
상기 (i)과 (ii)의 공정으로 수득된 포도당 감지용 조성물의 전극에 증착시키는 방법은 당업계에서 공지된 방법을 사용할 수 있다. 구체적으로, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 롤코팅(roll coating), 스크린 코팅(screen coating), 분무코팅(spray coating), 스핀 캐스팅(spin casting), 흐름코팅(flow coating), 스크린 인쇄(screen printing), 잉크젯(ink jet) 및 드롭캐스팅(drop casting) 방법 등을 예시할 수 있다.
본 발명의 바이오센서 제작에 사용될 수 있는 전극은 전류측정을 위한 전극으로, 전통적 또는 스크린-프린트형 전극일 수 있다. 구체적으로, ITO 전극, ZnO/ITO 전극 등을 예로 들 수 있으나, 이로 제한되지 않는다.
상기한 본 발명의 전기방사 나노섬유막 기저의 무효소 포도당 바이오 센서 제조 공정은 도 1에 도식화하여 나타내었다.
전기방사된 PVdF/PAPBA를 용매에서 분산시켜 제조한 조성물은 포도당 감지에 대한 우수한 민감성, 선택성 및 안정성을 유지하므로, 바이오센서 제작에 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 포도당 바이오센서 제조방법은 기존의 PVdF/PAPBA-FM은 전기방사를 수행하는 동안에 전극에 직접적으로 침전하는 불편하고 까다로운 공정을 개선하여, 간단하면서도 효율적으로 바이오센서를 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 제조방법에 의하면 목적에 적합한 정교한 바이오 센서를 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정에서 재현성과 상용화가 우수하다는 장점을 가진다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이하의 실시예에 의해 제한되지 않는다.
실시예 1: 화합물
3-아미노페닐보론산, PVdF 및 포도당은 분석 등급이며 바로 사용하였다. 포도당의 수용액은 전류측정 실험을 수행할 때 인산염 버퍼 (pH 7)에서 신선하게 준비하였다. 실험을 수행하기 전에, ITO-코팅된 플레이트의 표면은 아세톤으로 분해되고 증류수로 더 세척하였다. 2번 증류한 물을 모든 실험에 사용하였다.
실시예 2: 전기방사 PVdF - PAPBA 복합체 막
2-1 PAPBA 준비
폴리 (3-아미노페닐브론산) (Poly (3-Aminophenylboronic acid): PAPBA) 는 산화제로 암모늄 퍼설페이트 (ammonium persulfate)를 이용하여 3-아미노페닐브론산 (1 M HCl 내 50 mM)를 5℃에서 산화 중합하여 제조하였다. 거무스름한 초록색 침전물, PAPBA를 여과하고 물로 세척하고 건조하였다.
2-2 전기방사 PVdF-PAPBA 다공성 막의 제조
복합체 용액을 얻기 위하여 적절한 양의 PVdF (8 g) 및 PAPBA (0.25 g)을 N,N-디메틸포름아미드/아세톤 혼합물 (v/v)에 용해하였다. 복합체 용액의 전기방사를 25 kV의 전위차에서 1 mL/h 의 유속으로 수행하였다. 알루미늄 호일을 컬렉터 드럼(collector drum) 표면에 감쌌다. 복합체 막을 알루미늄 호일에서 수집하였다.
2-3 전기방사 PVdF-PAPBA 센서 전극의 제조
전기 방사 PVdF-PAPBA 막을 아세톤에 분산시키고 적절한 전극 (ITO 또는 그라시 탄소카본 등) 표면에 고분자 용액으로 드롭-코팅하였다.
2-4 포도당 검출을 위한 전류측정 연구
Iviumstat Electrochemical interface(Netherland)를 이용하여 전기화학적 실험을 수행하였다. 전기화학적 실험을 위하여, 작동 전극으로 전기방사 PVdF-PAPBA를 포함하는 기본 단일-구획 전기화학 셀(standard single-compartment electrochemical cell), 기준 및 보조 전극으로 각각 Ag/AgCl 및 백금을 사용하였다.
전류 측정 연구를 다양한 포도당 농도에 대하여 전기방사 PVdF-PAPBA 개질된 전극에서 수행하였다. 전위를 0.30 V에 맞추고 50 μL의 포도당 (0.1 M PBS, pH=7.0)의 연속적으로 첨가 후에 전류-시간 곡선을 기록하였다. 센서 전극의 배경 전류 반응이 안정한 상태(steady state) 도달하도록 하였다. 배경 전류가 안정화되었을 때, 포도당 용액을 전해조(electrolytic cell)에 주입하고 그 반응을 측정하였다.
실시예 3: PVdF / PAPBA 및 포도당 센서 제작
좋은 센서 특징을 가지기 위한 재료의 3가지 불가결한 요건으로, 민감성, 선택성 및 기계적 안정성이다. 전기화학적 센서 전극의 제작에 선택된 구성성분들은 이러한 3가지 요건을 가져야 한다. 나아가, 센서 전극 제작 공정은 재현성 및 상용화가 간단하여야 한다.
본 경우에는, 포도당을 위한 전기방사 PVdF/PAPBA 섬유막 (PVdF/PAPBA-FM) 전극을 제조하였다. 센서 전극이 효소나 추가적 매개체 없이 제조되었다는 것은 중요하다. 궁극적으로, 과학적들은 매개체를 제거하고 효소의 레독스 전위와 근접 한 저 작동 전위를 가진 무-시약(reagent-less) 포도당 바이오센서를 개발하고자 하는 것을 목표로 한다. 이 경우에, 전자는 포도당에서 전극으로 효소의 활성 부위를 통하여 직접적으로 이동한다. 어떤 매개체의 부재는 3 세대 바이오센서의 주요한 이점이며, 매우 높은 민감성(낮은 작동 전위로 인하여)을 제공한다.
인간 혈액에서 작용하는 비-효소 포도당 센서의 상용화는 지금까지 도전하고 있는 과제이다. 비-효소 포도당 센서에 대한 앞으로의 연구는 인간 혈액 포도당 수준을 측정할 수 있는 3세대 비-효소 포도당 센서에 기반한 일회용 스트립을 필요로 한다. 게다가, 정교하게 설계된 미세유체 칩(microfluidic chip)으로 조합되도록, 센서 재료는 간단한 공정으로 디바이스내로 로딩되어야 한다. 궁극적으로, 센서 재료로 다회 사용의 휴대용 글루코메터(glucometer)를 제조하는 것이다.
금속 또는 합금 기반의 비-효소 포도당 센서의 제작에 요구되는 복잡한 공정과 비교하여 간단한 방법들이 비-효소 포도당 센서의 제작에 적용되었다 [C.D. Garcia, C.S. Henry, Anal. Chem., 2003, 75, 4778; J.-S. Ye, Y. Wen, W.D. Zhang, L.M. Gan, G.Q. Xu, F.-S. Shen, Electrochem. Commun., 2004, 6,66; H. Boo, S. Park, B. Ku, Y. Kim, J.H. Park, H.C. Kim, T.D. Chung, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4524; Y. Sun, H. Buck, T.E. Mallouk, Anal. Chem., 2001, 73, 1599]. 나노다공성 금속 전극이 산성화된 조건에서 비합금화에 의하여 제조되었고, 센서 재료를 준비하였다. 본 발명자의 이전의 연구 보고에서, 전기방사 PVdF/PAPBA-FM 전극에서 포도당 검출에 대한 우수한 민감성, 선택성 및 안정성을 달성하였다. 그러나, 상기 PVdF/PAPBA-FM은 전기방사를 수행하는 동안에 전극에 직접적으로 침전하는 방법의 전극 제작은 귀찮고 까다로운 공정이다.
본 연구에서, 포도당 검출의 민감성, 선택성 및 안정성에 시험되어진 센서 재료, 전기방사된 PVdF/PAPBA을 사용하고, 전기방사된 PVdF/PAPBA-FM를 적절한 용매에서 분산시키고 첨가제를 혼합하였다. PVdF/PAPBA-FM 용액은 전통적 또는 스크린-프린트형 전극의 표면으로 캐스트하기에 적절하다.
염산(hydrochloric acid), 황산(sulphuric acid) 과 같은 수성 용매 및 DMF, 디에틸 에테르 (diethyl ether), 아세톤, 클로르포름, 메탄올, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 벤젠, 자일렌(xylene) 등과 같은 비수성 용매 등을 시도하였다. 이들 용매중에서, PVdF-PAPBA 부직포 섬유의 용해에 가장 효과적인 것으로 아세톤이 선택되었다. 용해된 섬유를 ITO 표면에 걸쳐 얇은 필름으로 캐스트하였다. PVdF/PAPBA-FM 필름 포도당 센서 전극 제작 공정을 도 1에 도식화하였다. 제작된 센서 전극은 안정하였다.
폴리머 코팅을 이용하는 전압측정형에 기반한 비-효소 포도당 센서가 개발되었다 [E. Shoji, M.S. Freund, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 3383.; E. Shoji, M.S. Freund, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 12486.]. 고분자 막을 가로질러 생성된 전기화학적 전위는 보로닉산-디올 복합체형성 (boronic acid-diol complexation) 의 결과인 전도성 고분자(conducting polymer)의 pKa에 민감하였다. 이 시스템은 예측한 바와 같이 작동하였고 효소가 수반되지 않는 전위차 포도당 센서의 새로운 기회를 제공하였다. 그러나, 포도당에 대한 선택성의 부족이 실제 적용을 제한하였다. 일반적으로, 포도당 분자의 수산화 결합을 위하여, 아미노페 닐보로닉산(aminophenylboronic acid)에 존재하는 sp3 혼성의 보로네이트 그룹을 sp2 혼성으로 변환시키고자, 플루오라이드 이온을 아미노페닐 보로닉산과 함께 첨가하였다. 그러나, 이런 공정은 포도당 또는 헐청 분석에 요구되는 수성 버퍼 조건에서 안정화된 전극의 제작에는 적절하지 않다. 포도당 감지시의 동적 조건하에서는, PAPBA 필름에서 F- 이온이 제거될 가능성이 있다. 센서 매트릭스에서 F- 이온이 침출된 결과로 인하여 장기간 이용하면 포도당 센서의 민감성은 현저하게 낮아지게 된다. 플루오라이드 이온은 수성 시스템에서 분석하는 동안에 센서 환경에서 침출될 것이다.
PVdF/PAPBA-FM 필름 센서는 안정화된 조건을 가지고 있으며, 플루오라이드 이온의 침출과 관련된 문제에서도 자유롭다. PVdF/PAPBA-FM에서, PAPBA 쇄들은 PVdF의 기계적으로 안정한 매트릭스와 연결되어 있다. 전기방사 조건들은 이러한 분자적 상호작용에 유리하다. 포도당에 대한 민감성은 PAPBA의 아민 또는 이민 유닛과 PVdF의 C-F 그룹의 상호작용에서 발생한다. 본 경우에는, PVdF는 C-F 그룹을 가지고 있으며, 복합체에서 상호연결된 형태는, 궁극적으로 포도당과 복합화를 이룰, 보론 원자로 접근이 가능하도록, 플루오린 원자에 대하여 근접성을 제공한다. 따라서, 센서 매트릭스에서 플루오린의 침출과 관련된 문제는 본 경우와 관련이 없다.
도 2a는 ITO 표면에 직접적으로 침전된 전기방사 PVdF/PAPBA 섬유의 FESEM 이미지이고, 전기방사된 PVdF/PAPBA 필름은 전기방사된 PVdF/PAPBA 섬유가 적절 한 용매 하에서 분산되어 캐스트되었다. 중요하게, 전기방사 PVdF/PAPBA 필름은 섬유에 폴리머층과 상호연결된 섬유를 가지고 있다 (도 2b). 전기방사된 PVdF/PAPBA 섬유는 상호연결된 형태(도 2a)를 가지고 있다. 섬유는 꼬여져 있으며 상호 연결되어 있다. 원래의 PVdF 직경(약 300 nm)과 비교하여 섬유는 감소된 직경(약 100nm) 으로 모양이 평평하다. ITO 표면에 직접적으로 침전된 전기방사된 PVdF/PAPBA 섬유와 적절한 용매에서 전기방사 PVdF/PAPBA 섬유를 분산시켜 캐스팅된 전기방사 PVdF/PAPBA 필름의 FESEM 이미지를 비교한 결과, 전기방사 PVdF/PAPBA 필름에서 섬유상 형태가 유지되었음을 알려준다. 그러나, 전기방사 PVdF 섬유는 무시할만한 섬유간 꼬임을 가지며, 단단하고 직선이다. 재료에 캐스트되는 드롭(drop)에서 관찰되는 섬유성 구조의 직경은 100 nm 였다.
전기방사 PVdF/PAPBA 필름의 나노섬유상의 형태는 높은 표면적과 포도당에 대한 감지 특징을 제공한다. 전기방사 PVdF/PAPBA 복합체의 상호연결된 네트워크 형태는 PAPBA의 NH2 그룹 및 PVdF의 CF 그룹사이의 분자 상호작용에서 발생하였다. PVdF 및 PAPBA의 분자적 상호작용은 CF2 스트레칭 (stretching) 위치에서의 이동(shift) 및 단일 PVdF에서의 밴드에 대하여 CF2 웨이징(wagging) 밴드로부터 분명히 알수 있다. PVdF/PAPBA-NFM의 FT-IR 스펙트럼에서 퀴노이드 이민 스트레칭(~1600 cm-1)에 대응하는 밴드의 존재는 PAPBA가 셀프-도프 상태(self-doped state)에 존재한다는 것을 의미한다.
전기방사 PVdF/PAPBA 필름에 PABA의 존재는 UV-자외선 스펙트로스코피 (UV- Visible spectroscopy)로 증명된다. 전기방사 PVdF-PAPBA 필름의 UV-자외선 스펙트럼은 도 3에 나타내었다. PVdF-PAPBA 필름의 UV-자외선 스펙트럼은 310nm 및 530nm 근처에서 2개의 피크를 보여준다. 이들 피크는 파이-파이 전이 (pi-pi* transition) 및 PAPBA의 폴라로닉 밴드 (polaronic band)에서 기인한다. 이는 원래의 PABA와 PVdF의 UV-자외선 스펙트럼으로부터 추가로 확인된다. 원래의 PVdF은 UV-자외선 영역에서 어떤 피크도 나타내지 않았다. PAPBA의 UV-자외선 스펙트럼은 310 nm 및 530 nm 주변에서 밴드를 보여준다. 비슷한 스펙트럼 특징이 전기방사 PVdF/PAPBA와 원래의 PAPBA에서 발견되었다.
전류법은 용액에서 검출체(analyte)에 비례하는 반응 전류를 측정하기 위한 전류 전기화학적 기술 중의 하나로, 용액의 농도를 측정하기에 중요한 기술이다. 또한, 이는 빠르고, 단순하고 신뢰성이 있는 기술이다.
도 4는 PVdF/PAPBA-FM로 획득한 0.30 V의 작동 전위에 대하여 인산염 버퍼 (pH=7) 내 1 mM 포도당의 연속적 첨가에 대한 전류-시간 곡선을 나타낸다. 배경 전류가 안정화되었을때, 포도당을 전해질 (인삼염 버퍼)에 첨가하였다. 포도당의 연속적 첨가에 대한 전류 반응을 측정하였다. 포도당의 연속적 첨가에 대한 증가하는 전류 반응을 측정하였다 (도 4). PVdF/PAPBA-FM 전극에서의 전류는 연속적으로 증가하고 15 mM의 포도당 용액 농도에서 안정한 값에 도달하였다. 반응 시간은 단지 6초였으며, 이는 공지된 다른 포도당 센서보다 낮은 값이다. 도 4 (삽입)은 전류에 대한 포도당 농도의 검량 곡선을 보여준다. 포도당 농도 1-15 mM의 농도 범위에서 전류 반응은 1.84 mAmM-1의 민감도로 선형적인 것으로 나타났다. 따라서, 섬유막은 다른 포도당 센서와 비교하여 포도당에 대하여 높은 민감성을 보여준다.
본 발명의 전기방사 나노섬유막 기저의 무효소 포도당 바이오 센서를 제조하는 효과적인 방법을 제공하므로, 임상적 진단을 위한 의료 분야에서 다양하게 이용될 수 있다.
도 1은 PVdF/PAPBA-NFM 필름 포도당 센서 전극 제작 공정을 보여준다.
도 (a)는 ITO 표면에 직접 증착된 전기방사 PVdF/PAPBA의 FESEM 이미지이고, (b)와 (c)는 다른 영역에서 기록된 전기방사 PVdF/PAPBA 필름의 FESEM 이미지이다.
도 3은 (a) 전기방사 PVdF/PAPBA 필름 및 (b) 원래의 PAPBA의 UV-자외선 스펙트로스코피를 나타낸다.
도 4는 포도당에 대한 PVdF/PABA-FM 필름의 전류반응을 나타내는 결과이고, 삽입된 도면은 전극의 전류 곡선이다.

Claims (8)

  1. 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)을 포함하는 혼합물을 전기방사하여 얻은 나노섬유 막을 용매에 분산시켜 얻은 물질을 포함하는, 포도당 감지용 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)이 90-99 wt% : 10-1 wt% 의 비율로 포함된 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 용매는 첨가제를 추가로 포함하는 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 용매는 염산, 황산, 디메틸포름아미드, 디에틸 에테르, 아세톤, 클로르포름, 메탄올,이소프로필 알콜, 메틸에틸 키톤, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 벤젠 및 자일렌으로 이루어진 군에서 1 성분 이상 선택되는 것인 조성물.
  5. (i) 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)을 포함하는 혼합물을 전기방사하여 나노섬유 막을 제조하는 공정;
    (ii) 공정 (i)에서 수득한 전기방사 나노섬유막을 용매에 분산시켜서 포도당 감지용 조성물을 제조하는 단계; 및
    (iii) 공정 (ii)에서 수득한 포도당 감지용 조성물을 전극에 증착시키는 단계를 포함하는, 전기방사 나노섬유막 기저의 무효소 포도당 바이오 센서의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 공정 (i)에서 폴리(비닐리덴플루오라이드) 및 폴리(아미노페닐보로닉산)이 90-99 wt% : 10-1 wt% 의 비율로 포함된 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서, 공정 (ii)에서 용매는 첨가제를 추가로 포함하는 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서, 공정 (ii)에서 용매는 염산, 황산, 디메틸포름아미드, 디에틸 에테르, 아세톤, 클로르포름, 메탄올,이소프로필 알콜, 메틸에틸 키톤, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 벤젠 및 자일렌으로 이루어진 군에서 1 성분 이상 선택 되는 것인 제조방법.
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