KR20100121969A - Fabrication of high-performance transducers for fet-type bioelectronic noses using polypyrrole nanotubes conjugated with human olfactory receptors - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of an olfactory sense nano biosensor which combines the human olfactory receptor protein and a conductivity polymer nanofiber is provided to attach the human olfactory receptor protein which applies to the receptor to the 1D conductive polymer nano material, thereby providing unlabelled FET olfactory nano bio sensor. CONSTITUTION: An electrode substrate is a surface modified to amine radical. The conductivity polymer nanomaterial having functional group uses condensation reaction and is fixed to the electrode substrate which is surface-modified. As the olfactory receptor protein uses the condensation reaction, the conductive polymer nano material having the functional group fixed to the electrode substrates is attached. An electric signal according to the chemical/electrical characteristic change between a first and a second transistor uses a FET(Field Effect Transistor) array utilizing the nano biosensor medium and is detected.

Description

인간 후각 수용체 단백질과 전도성 고분자 나노섬유가 결합 된 후각 나노바이오센서의 제조방법 {Fabrication of High-Performance Transducers for FET-Type Bioelectronic Noses Using Polypyrrole Nanotubes conjugated with Human Olfactory Receptors}Fabrication of Olfactory Nanobiosensors incorporating Human Olfactory Receptor Proteins and Conductive Polymer Nanofibers {Fabrication of High-Performance Transducers for FET-Type Bioelectronic Noses Using Polypyrrole Nanotubes conjugated with Human Olfactory Receptors}

본 발명은 후각 수용체 단백질이 부착된 일차원적 전도성 고분자 나노재료를 이용한 비표지식 전계효과 트랜지스터 인공 후각 센서 제작에 관한 것으로, 1차 트랜스듀서(transducer)인 후각 수용체 단백질에서 발생한 화학적 신호를 전기신호로 변환 시키는 2차 트랜스듀서로서 전도성 고분자 복합재를 활용하였다. 특정 타겟 (target) 냄새 미립자에 높은 친화력을 가지는 후각 수용체 단백질이 공유결합된 고분자 나노재료를 전극 기판상에 고정화 시킴으로써, 높은 감도와 선택도를 갖는 초소형 나노바이오센서 매트릭스를 개발하고자 한다. The present invention relates to the fabrication of an unlabeled field effect transistor artificial olfactory sensor using a one-dimensional conductive polymer nanomaterial with olfactory receptor protein. A conductive polymer composite was used as the secondary transducer. By immobilizing a polymer nanomaterial covalently bonded to an olfactory receptor protein having a high affinity to specific target odor microparticles on an electrode substrate, an ultra-small nanobiosensor matrix having high sensitivity and selectivity will be developed.

후각 분야는 인간의 감각 가운데 그 복잡성으로 인하여 가장 알려지지 않은 영역이다. 1991년 Buck과 Axel이 쥐의 후각 상피 조직으로부터 후각 수용체 유전자를 보고하면서 척추동물의 후각 시스템에 관한 본격적인 연구가 시작되었으며(Buck and Axel, Cell, vol. 66, pp. 175-187), 현재에 이르러 산업화의 다양화로 (의학 적 진단, 품질평가, 환경 모니터링) 향과 관련한 산업들이 증가하고 있다. 따라서 이와 관련한 기반기술의 개발이 필요한 실정이며, 다양한 냄새와 관련된 냄새 미립자의 정성적. 정량적 분석을 위한 장치의 개발이 요구되고 있다. 특히, 소형, 고 신뢰성, 고감도 차세대 센서 개발이 국제적으로 요구되고 있다. The olfactory field is the least known of human senses due to its complexity. In 1991, Buck and Axel reported olfactory receptor genes from rat olfactory epithelial tissue, and a full-fledged study of vertebrate olfactory systems began (Buck and Axel, Cell, vol. 66, pp. 175-187). Industrial diversification (medical diagnostics, quality assessment, environmental monitoring) has led to an increasing number of industries. Therefore, the development of the base technology related to this situation is necessary, qualitative of the odor particulates associated with various odors. Development of devices for quantitative analysis is required. In particular, the development of small size, high reliability, high sensitivity next generation sensor is required internationally.

현재 차세대 센서용 소재관련 연구는 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 금속 및 무기반도체 나노재료를 중심으로 활발히 진행되고 있다. 탄소 나노튜브는 다양한 합성 방법의 개발을 통해 꾸준히 연구가 진행중이나 값비싼 제조비용과 키랄성 (chiral)에 의존적인 물성, 비활성 표면 등의 단점으로 인해 실용화에 제약을 받고 있다. 이에 반해 전도성 고분자는 공액이중결합(conjugate double bond) 구조에 의한 가역적인 산화/환원 반응 때문에 특정 분석물에 대해 전도도, 무게, 부피, 색깔 등에서 주목할 만한 변화를 나타내며, 분자설계의 다양성, 가공의 용이성, 저중량, 유연성 등과 같은 다양한 장점을 갖고 있다(고분자 과학과 기술, vol. 18, pp. 306-310, 2007). 또한, 나노막대, 나노섬유 및 나노튜브와 같은 일차원적 전도성 고분자 나노구조물들은 상대적으로 높은 표면적을 지니고 있기 때문에 분석물과의 증가된 상호작용을 통해 증폭된 감도 및 실시간 반응을 제공할 수 있다(Nano Lett., vol. 4, pp. 491-496). Currently, research on next-generation sensor materials is being actively conducted on carbon nanotube, metal and inorganic semiconductor nanomaterials. Carbon nanotubes are under continuous research through the development of various synthetic methods, but are limited in practical use due to the high manufacturing cost, chiral-dependent physical properties, and inert surface. In contrast, conductive polymers exhibit remarkable changes in conductivity, weight, volume, and color for specific analytes due to reversible oxidation / reduction reactions due to conjugated double bond structures. , Low weight, flexibility, etc. (Polymer Science and Technology, vol. 18, pp. 306-310, 2007). In addition, one-dimensional conductive polymer nanostructures, such as nanorods, nanofibers, and nanotubes, have a relatively high surface area, which can provide increased sensitivity and real-time response through increased interaction with analytes. Lett., Vol. 4, pp. 491-496).

일반적으로 바이오센서를 이용하여 타겟 물질에 대한 선택적인 반응을 유도하기 위하여 신호감지부(transducer)에 다양한 종류의 수용체(receptor)를 흡착, 포획, 및 공유결합을 통하여 부착한다. 이 중에서 공유결합을 통한 후각 수용체 단백질의 고정화 방법은 매우 우수한 화학적/물리적 안정성을 제공하는 장점을 갖는 다. 그러나 고분자 나노재료를 비롯한 대부분의 금속, 무기반도체, 및 탄소나노튜브들은 비활성 표면을 갖고 있기 때문에, 이들 표면에 관능기를 도입하기 위한 부차적인 표면처리 단계들이 요구된다.In general, in order to induce a selective response to a target material using a biosensor, a variety of receptors are attached to a signal transducer through adsorption, capture, and covalent bonds. Among them, the method of immobilizing olfactory receptor proteins through covalent bonds has the advantage of providing very good chemical / physical stability. However, since most metals, inorganic semiconductors, and carbon nanotubes, including polymeric nanomaterials, have inert surfaces, additional surface treatment steps are required to introduce functional groups to these surfaces.

생체물질의 탐지 및 인식은 통상적으로 용액 상에서 진행된다. 따라서 탄소 나노튜브를 비롯한 무기반도체 나노재료는 포토 리소그래피(photolithography) 또는 전자 빔 리소그래피(electron beam lithography)를 통해 전극 기판상에 직접적으로 고정되었다. 그러나 전도성 고분자 나노재료의 경우, 발생 가능한 화학적, 물리적 손상 때문에 리소그래피 공정에 부적합하다는 단점을 지니고 있다. 또한 대부분의 전도성 고분자는 실리콘, 유리, 금속 등으로 구성된 전극 기판에 대해 낮은 점착력을 나타낸다. 이와 같은 문제점들로 인해 전도성 고분자 나노구조물을 이용한 바이오센서 개발은 상당히 제한되어 왔다.Detection and recognition of biomaterials typically proceeds in solution. Thus, inorganic semiconductor nanomaterials, including carbon nanotubes, were fixed directly on the electrode substrate through photolithography or electron beam lithography. However, conductive polymer nanomaterials have the disadvantage of being unsuitable for lithography processes due to possible chemical and physical damage. Most conductive polymers also exhibit low adhesion to electrode substrates made of silicon, glass, metal, and the like. Due to these problems, the development of biosensors using conductive polymer nanostructures has been considerably limited.

따라서, 표면에 화학적 관능기를 지닌 일차원적 전도성 나노입자를 제조하여, 이를 바탕으로 한 고성능 센서 제작 기술의 개발은 제반 기술의 산업적 응용을 위해 강력히 요구되고 있다.Therefore, the production of high-performance sensor manufacturing technology based on the production of one-dimensional conductive nanoparticles having a chemical functional group on the surface is strongly required for industrial applications of all technologies.

본 발명의 목적은 이러한 종래의 문제점을 일거에 해결하고자, 역상에멀젼상에서 전도성 고분자 단량체와 기능성 단량체의 공중합을 통해 제어된 표면 관능기 (functional group)를 지닌 일차원적 전도성 고분자 나노재료를 제조하고, 그 표면 관능기를 이용해서 나노재료를 전극 기판에 고정시키고, 후각 수용체를 나노재료 표면에 공유적으로 부착시킴으로써, 후각 수용체와 선택적으로 결합하는 냄새 물질들의 검출이 가능한 비표지식 전계효과 트랜지스터 후각 나노바이오센서의 제조 및 이를 통하여 냄새 미립자의 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a one-dimensional conductive polymer nanomaterial having a controlled surface functional group through copolymerization of a conductive polymer monomer and a functional monomer in an inverse phase emulsion to solve such a conventional problem at once. Fabrication of non-labeled field effect transistor olfactory nanobiosensors capable of detecting odorous substances selectively binding to olfactory receptors by immobilizing nanomaterials on electrode substrates using functional groups and covalently attaching olfactory receptors to nanomaterial surfaces And it aims to provide a detection method of odor microparticles through this.

본 발명자들은 수많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 지금까지와는 전혀 다른 방법, 즉 공중합을 통해 도입된 표면 관능기를 이용하여 표면개질 (surface modification)된 전극기판에 일차원적 나노재료를 화학적 결합을 통해 고정하고, 후각 수용체 또한 그 나노재료 표면에 공유결합을 통해 부착함으로써 용액 상에서 안정한 형태의 전계효과 트랜지스터 배열을 구현할 수 있음을 확인하였다. 제조된 전계효과 트랜지스터 센서는 타겟 냄새 미립자에 대해 선택적이고 현저히 향상된 감응성(fM 단위)을 나타낼 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다. After numerous experiments and in-depth studies, the inventors have chemically bonded one-dimensional nanomaterials to an electrode substrate surface-modified using surface functional groups introduced through copolymerization, which is a completely different method. In addition, the olfactory receptor is also covalently attached to the surface of the nanomaterial to realize a stable field effect transistor array in solution. It has been found that the fabricated field effect transistor sensor can exhibit a selective and significantly improved sensitivity (in fM units) to the target odor particulates, thus leading to the present invention.

본 발명은 후각 수용체가 부착된 일차원적 전도성 고분자 나노재료를 이용하여 전계효과 트랜지스터 채널영역을 구성하고, 이를 이용하여 후각 수용체에 선택 적으로 반응하는 냄새 미립자들을 검출하는 것을 내용으로 한다.The present invention is to construct a field effect transistor channel region by using a one-dimensional conductive polymer nano-material attached to the olfactory receptor, and to detect the odor microparticles that selectively react with the olfactory receptor.

본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터 후각 나노바이오센서 제조 단계는,The field effect transistor olfactory nanobiosensor manufacturing step according to the present invention,

(A) 전극 기판을 아민기(-NH2)로 표면개질(surface modification)화 하는 단계;(A) surface modification of the electrode substrate with an amine group (-NH 2 );

(B) 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료를 축합반응을 이용하여 상기에서 제조한 표면개질화된 전극 기판상에 고정시키는 단계; 및(B) fixing the conductive polymer nanomaterial having a functional group on the surface modified electrode substrate prepared above using a condensation reaction; And

(C) 축합반응을 이용하여 후각 수용체를 전극 기판상에 고정된 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료에 부착시킴으로써 후각 나노바이오센서를 제조하는 단계; 및(C) preparing an olfactory nanobiosensor by attaching an olfactory receptor to a conductive polymer nanomaterial having a functional group fixed on an electrode substrate using a condensation reaction; And

(D) 상기 제조된 나노바이오센서 매질을 활용한 전계효과 트랜지스터 배열을 이용하여 1, 2차 트랜지스터 사이의 화학적/전기적 특성변화에 따른 전기신호를 센싱하는 수단을 제공하는 단계를 포함하는 것으로 구성되어 있다.(D) providing a means for sensing an electrical signal according to a change in chemical and electrical properties between the primary and secondary transistors using a field effect transistor array utilizing the prepared nanobiosensor medium. have.

본 발명에 따르면 일차원적 전도성 고분자 나노재료를 전극 기판상에 공유결합을 시킴으로써 높은 표면적(surface area)과 비등방성 전기적 특성 때문에, 타겟 분자들과 증가 된 상호작용을 유발할 수 있으며, 나아가 후각 수용체를 부착함으로써 이를 후각 나노바이오센서인 인공 전자코(electronic nose)로써의 역할을 완벽히 재현할 수 있으며, 이제껏 보고된 바가 전혀 없는 새로운 고분자 나노재료 인공 전자코 방식이다.According to the present invention, covalent bonding of one-dimensional conductive polymer nanomaterials on an electrode substrate can cause increased interactions with target molecules due to the high surface area and anisotropic electrical properties, and furthermore attach olfactory receptors. This completely reproduces the role as an artificial nose (electronic nose), an olfactory nanobiosensor, and is a new polymer nanomaterial artificial electronic nose method that has not been reported at all.

바이오센서 실험은 일반적으로 용액 속에서 진행되며, 이로 인해 안정적인 전기적 접촉을 유지하기 위한 장치가 필요하지만 고분자 나노재료와 전극 간에 공유결합으로 고정함으로써 별다른 장치가 요구되지 않는다. 특히 제조된 비표지식 전계효과 트랜지스터 고분자 후각 나노바이오센서는 냄새 미립자에 대해 우수한 선택성 및 나노 몰(nM) 단위를 넘어선 펨토 몰(fM) 단위에서의 뛰어난 감응성을 나타내었다. Biosensor experiments are generally conducted in solution, which requires a device to maintain stable electrical contact, but does not require a separate device by covalently fixing the polymer nanomaterial and the electrode. In particular, the prepared unlabeled field effect transistor polymer olfactory nanobiosensor showed excellent selectivity for odor particles and excellent sensitivity in femtomol (fM) units beyond nanomolar (nM) units.

본 명세서에서 특별히 명시되지 않는 한, 온도, 함량, 크기 등의 수치 범위는 본 발명의 제조방법을 최적화 할 수 있는 범위를 의미한다. Unless specifically stated in the specification, the numerical range of temperature, content, size, etc. means a range capable of optimizing the manufacturing method of the present invention.

단계 (A)에서 도입된 전극 기판은 10 μm의 너비, 3500 μm의 길이, 20 nm의 두께, 그리고 10 μm의 간격을 지닌 100핑거 쌍의 배열을 포함한다. 이 전극 기판은 일차원적 전도성 고분자 나노재료의 관능기(-COOH)와 반응을 하기 위하여 1 wt% 3-아민프로필트리에톡시실란 수용액 400 mL을 이용하여 표면개질화(-NH2) 되었다.The electrode substrate introduced in step (A) comprises an array of 100 finger pairs with a width of 10 μm, a length of 3500 μm, a thickness of 20 nm, and a gap of 10 μm. The electrode substrate was surface modified (-NH 2 ) using 400 mL of 1 wt% 3-aminepropyltriethoxysilane aqueous solution to react with the functional group (-COOH) of the one-dimensional conductive polymer nanomaterial.

상기 실란 커플링제의 종류는 한정되어 있는 것이 아니라, 아민기(-NH2)를 도입할 수 있는 3-아민프로필트리에톡시실란 (3-aminoproyltrimethoxysilane), 3-아민프로필트리에톡시실란 (3-aminopropyltriethoxysilane)을 사용하는 것이 바람직하다. The kind of the silane coupling agent is not limited, and 3-aminepropyltriethoxysilane (3-aminoproyltrimethoxysilane) and 3-aminepropyltriethoxysilane (3-3-propyl) may introduce an amine group (-NH 2 ). aminopropyltriethoxysilane).

단계 (B)에서 사용된 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료의 제조는 본 연구실에서 발표한 논문을 참고하여 제작하는 것이 바람직하나, 특별히 제한되는 것은 아니다.(참고문헌: Chem Com. 2003, pp. 720~721) 전도성 고분자의 형태는 나노튜브(nanotube), 나노라드(nanorod), 나노엘립소이달(nanoellipsoidal)들이 바람직하나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 나노재료의 직경은 10 에서 1000 나노미터가 바람직하다. 상기 나노재료에 있어서 관능기는 카르복실기가(-COOH)가 바람직하며, 이와 함께 중합을 하기 위하여, 전극 표면은 아민기(-NH2)로 표면개질화 시키는 것이 바람직하다. 커플링에이젠트(coupleing agent)를 함께 사용하면, 카르복실기와 아민기사이에 축합반응을 쉽게 유도하여 간편하게 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료를 전극 기판에 고정시킬 수 있다.The preparation of the conductive polymer nanomaterial having the functional group used in step (B) is preferably made with reference to the paper published in the laboratory, but is not particularly limited. (Reference: Chem Com. 2003, pp. 720 721) The form of the conductive polymer is preferably nanotubes (nanotube), nanorod (nanorod), nano ellipsoidal (nanoellipsoidal), but is not particularly limited. The diameter of the nanomaterial is preferably 10 to 1000 nanometers. In the nanomaterial, the functional group is preferably a carboxyl group (-COOH), and in order to perform polymerization together, the electrode surface is preferably surface-modified with an amine group (-NH 2 ). When a coupling agent is used together, the condensation reaction can be easily induced between the carboxyl group and the amine group, and the conductive polymer nanomaterial having the functional group can be fixed to the electrode substrate.

상기 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료의 농도 비는 0.01 wt%에서 10 wt%의 범위가 바람직하다.The concentration ratio of the conductive polymer nanomaterial having the functional group is preferably in the range of 0.01 wt% to 10 wt%.

상기 사용된 커플링에이젠트로는 4-(4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)- 4-methylmorpholinium(DMT-MM)가 사용되었으며, DMT-MM의 농도는 0.1 wt%에서 10 wt% 범위가 적합하나, 상기 범위보다 높거나 낮을 수 있다.As the coupling agent used, 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl) -4-methylmorpholinium (DMT-MM) was used, and the concentration of DMT-MM was 0.1 wt. A range of% to 10 wt% is suitable, but may be higher or lower than this range.

상기 커플링 반응을 위하여 6시간에서 12시간 동안 상온에 방치하는 것이 바람직하다. It is preferable to leave at room temperature for 6 to 12 hours for the coupling reaction.

인간 코의 후각 상피세포에는 기능을 갖는 후각 수용체가 약 380여 가지가 존재하며, 본 발명의 후각 나노바이오센서 제조 단계 (C)에서 도입된 후각 수용체 단백질은 대장균에서 인위적으로 발현된 것이며 후각 수용체 단백질의 경우 N 말단에 아민기(-NH2)를 포함한다. 후각 수용체 3.31 μL를 카르복실화(-COOH)된 관능기 를 지닌 전도성 고분자 나노재료(0.1 wt%) 40 μL와 혼합한 후 커플링에이젼트(coupling agent)(1 wt%) 40 μL를 주입하여 상온에서 12시간 방치하여 축합반응을 유도하였다. 상기 방법을 통하여 전극 기판에 화학적으로 고정된 후각 수용체 나노바이오센서 매질을 손쉽게 제조할 수 있다. 이 나노바이오센서 매질은 전극의 양 끝 2곳이 각각 소스와 드레인이며 (source and drain), 후각 수용체 단백질이 부착된 전도성 고분자 나노재료가 채널영역을 구성한다.There are about 380 olfactory receptors that have a function in human nose olfactory epithelial cells, and the olfactory receptor protein introduced in the olfactory nanobiosensor manufacturing step (C) of the present invention is artificially expressed in Escherichia coli and is an olfactory receptor protein. In the case of the N terminal includes an amine group (-NH 2 ). 3.31 μL of olfactory receptors were mixed with 40 μL of conductive polymer nanomaterial (0.1 wt%) with carboxylated (-COOH) functional groups, and then injected with 40 μL of coupling agent (1 wt%) at room temperature. The condensation reaction was induced by standing for 12 hours. Through this method, olfactory receptor nanobiosensor media chemically fixed to an electrode substrate can be easily prepared. The nanobiosensor medium is a source and a drain at each of the two ends of the electrode, and a conductive polymer nanomaterial to which the olfactory receptor protein is attached constitutes a channel region.

상기 후각 수용체 단백질의 함량은 고분자 나노재료 함량 대비 1:15에서 1:30 범위가 바람직하다.The content of the olfactory receptor protein is preferably 1:15 to 1:30 compared to the content of the polymer nanomaterial.

상기 축합반응을 위하여 사용된 에이젠트는 특별히 제한되지 않지만, 4-(4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium(DMT-MM)을 사용하는 것이 바람직하다.The agent used for the condensation reaction is not particularly limited, but 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl) -4-methylmorpholinium (DMT-MM) is preferably used. Do.

단계 (D)에서는 제조된 나노바이오센서 매질을 활용하여 타켓 미립자들을 검출하는 단계이다. 타겟 분자와 후각 수용체와의 화학반응에 의해 일어난 화학신호를 전기 신호로 바꾸는 센서 트랜스듀서용 매트릭스는 소스 및 드레인 전극과 전기신호를 전달하는 채널로 구성되어 있다. 그리고 액체-이온 게이트가 사용되고, 레퍼런스(reference)전극 및 카운터(counter)전극을 통해 게이트 전위 조절이 가능하다. 전계효과 트랜지스터 배열에서 후각 수용체 단백질과 냄새 미립자 간의 생화학적 반응이 1차 트랜스듀서로 사용되며, 1차 트랜스듀서의 신호를 전기 신호로 변환시키는 2차 트랜스듀서로서는 고분자 나노재료가 사용된다. 이들 1, 2차 트랜스듀서들을 통하여 전류의 변화를 알 수 있으며, 또한, 고분자 전도성 나노입자 내에 생기는 전하 운반체들의 축적이나 감소를 통해 소스와 드레인 사이 전류 흐름을 실시간 모니터링한다.In step (D), target microparticles are detected using the prepared nanobiosensor medium. The matrix for sensor transducers, which convert chemical signals generated by chemical reactions between target molecules and olfactory receptors into electrical signals, consists of source and drain electrodes and channels that carry electrical signals. The liquid-ion gate is used, and the gate potential can be adjusted through the reference electrode and the counter electrode. Biochemical reactions between olfactory receptor proteins and odor particulates in field effect transistor arrays are used as primary transducers, and polymer nanomaterials are used as secondary transducers that convert signals from primary transducers to electrical signals. Through these primary and secondary transducers, current changes can be seen, and real-time monitoring of current flow between the source and drain is achieved through the accumulation or reduction of charge carriers in the polymer conductive nanoparticles.

상기 후각 수용체 나노바이오센서의 감응성을 검증하기 위하여, 타겟 냄새 미립자로써 아밀부틸레이트(amyl butyrate)를 사용하였으며, 이를 후각 수용체 나노바이오센서에 일정 간격으로 2 μL씩 주입하였다. 이때 나타나는 전류변화를 측정하였다. 또한 이 후각 수용체 나노바이오센서의 선택성을 검증하기 위하여 비 타겟 냄새 미립자인 부틸부틸레이트(butyl butyrate), 프로필부틸레이트(propyl butyrate), 헥실부틸레이트(hexyl bytyrate)를 사용하였으며, 위와 같은 방법으로 실험을 실시하였다.In order to verify the sensitivity of the olfactory receptor nanobiosensor, amyl butyrate was used as the target odor microparticles, and 2 μL of the olfactory receptor nanobiosensor was injected at regular intervals. The change in current appearing at this time was measured. In addition, butyl butyrate, propyl butyrate, and hexyl bytyrate, which are non-target odor particulates, were used to verify the selectivity of the olfactory receptor nanobiosensor. Was carried out.

상기 후각 수용체 단백질의 역할을 조사하기 위하여 컨트롤 실험을 실시하였다. 이는 후각 수용체 단백질을 포함하지 않는 대장균의 지질막 층을 이용한 것으로 타겟 냄새 미립자와는 화학적/물리적 반응이 없었다.Control experiments were conducted to investigate the role of the olfactory receptor protein. It used a lipid membrane layer of Escherichia coli that does not contain olfactory receptor proteins, and there was no chemical / physical reaction with the target odor particulate.

상기 후각 수용체 단백질의 함량에 따라 제조된 나노 바이오센서의 정전압에 따른 전류 값을 측정한 결과, 함량이 증가할수록 소스-드레인 전류변화 값이 감소함을 확인할 수 있었다.As a result of measuring the current value according to the constant voltage of the nano biosensor prepared according to the content of the olfactory receptor protein, it was confirmed that the source-drain current change value decreases as the content increases.

기능을 하는 인간 후각 수용체 단백질은 약 380여 가지가 알려져 있으며, 각각의 단백질은 다른 종류의 타겟 냄새 미립자들과 특이적 결합을 한다.About 380 human olfactory receptor proteins are known, each of which binds specifically to different types of target odor particles.

상기 매트릭스의 정전압은 재료가 고분자임을 감안하여 5 mV에서 50 mV 범위가 바람직하다. The constant voltage of the matrix is preferably in the range of 5 mV to 50 mV considering that the material is a polymer.

[실시예][Example]

이하 실시예를 참조하여 본 발명의 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Although specific examples of the present invention will be described with reference to the following Examples, the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

관능기가 도입된 고분자 나노튜브를 전극 기판에 공유결합 시키기 위하여, 먼저 전극 기판을 3-아민프로필트리메톡시실란(3-aminopropyltrimethoxysilane) (5 wt%) 500 mL 용액이 담긴 비이커에 넣고 교반을 RPM 600에서 6시간 방치하여 전극 표면을 아민 작용기(-NH2)로 개질화하였다. 그 결과 아민기가 도입된 전극 기판을 얻을 수 있었다.In order to covalently bond the functional polymer nanotubes to the electrode substrate, the electrode substrate was first placed in a beaker containing 500 mL of 3-aminopropyltrimethoxysilane (5 wt%) solution and the stirring was performed at RPM 600. The electrode surface was modified with an amine functional group (-NH 2 ) by standing for 6 hours at. As a result, an electrode substrate into which an amine group was introduced was obtained.

[실시예 2][Example 2]

실시예1 과 동일한 방법으로 실험하되, 전극 기판에 아민 작용기를 개질화하기 위한 표면개질제를 3-아민프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane)을 이용하여 실험을 실시하였다. 그 결과 실시예 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다. The experiment was carried out in the same manner as in Example 1, but the surface modifier for modifying the amine functional group on the electrode substrate was carried out using 3-aminopropyltriethoxysilane. As a result, the same result as in Example 1 was obtained.

[실시예 3]Example 3

실시예1 과 동일한 방법으로 실험하되, 전극 기판에 아민 작용기를 개질화하기 위한 표면개질제를 비닐트리메톡시실란(vinyltrimethoxysilane)을 이용하여 실험을 실시하였다. 그 결과 실시예 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다. The experiment was carried out in the same manner as in Example 1, but the surface modifier for modifying the amine functional group on the electrode substrate was carried out using vinyltrimethoxysilane. As a result, the same result as in Example 1 was obtained.

[실시예 4]Example 4

관능기가 부착된 고분자 나노재료를 얻기 위하여 관능기가 부착되지 않은 고분자 단량체 량을 관능기가 부착된 고분자 단량체 양 대비 0.15 중량부를 넣어 역 상에멜젼 중합방법을 통하여 직경이 100 나노미터이며 전도도가 60 S/m인 카르복실화된 나노재료를 얻을 수 있었다.In order to obtain the polymer nanomaterial with functional group, 0.15 parts by weight of the polymer monomer without functional group is added to the amount of the polymer monomer with functional group, and 100 nm in diameter and 60 S / conductivity through the melt polymerization method. A carboxylated nanomaterial, m, could be obtained.

[실시예 5]Example 5

실시예 4와 동일한 방법으로 실험하되, 0.3 중량비를 넣어 역상에멜젼 중합방법을 통하여 직경이 200 나노미터이며 전도도가 8 S/m인 카르복실화된 나노재료를 얻을 수 있었다.The experiment was carried out in the same manner as in Example 4, but the carboxylated nanomaterial having a diameter of 200 nanometers and a conductivity of 8 S / m was obtained through a reverse polymerization process by adding 0.3 weight ratio.

[실시예 6] Example 6

실시예 5에서 제조된 고분자 나노튜브(0.01 wt%) 40 μL 와 1 wt% 커플링 에이젼트( 4-(4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium (DMT-MM)) 40 μL를 전극 기판 위에 떨어뜨린 후, 6시간 동안 상온에서 축합반응을 진행하였다. 그 결과 고분자 나노재료를 전극 기판 위에 공유결합으로 고정할 수 있었다. (도 1,2)40 μL of the polymer nanotubes prepared in Example 5 (0.01 wt%) and 1 wt% coupling agent (4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl) -4-methylmorpholinium ( DMT-MM)) 40 μL was dropped on the electrode substrate, and then condensation reaction was performed at room temperature for 6 hours. As a result, the polymer nanomaterial could be covalently fixed on the electrode substrate. (Fig. 1,2)

[실시예 7]Example 7

실시예 6과 동일한 방법으로 실험하되, 제조된 100 나노미터의 카르복실화 폴리피롤 나노라드(rod)를 이용하였다. 그 결과 고분자 나노라드가 전극 기판 위에 공유결합된 것을 확인할 수 있었다.The experiment was carried out in the same manner as in Example 6, but using the prepared 100 nanometer carboxylated polypyrrole nanorod (rod). As a result, it was confirmed that the polymer nanorad was covalently bonded on the electrode substrate.

[실시예 8]Example 8

실시예 6과 동일한 방법으로 실험하되, 제조된 100 나노미터 카르복실화 폴리피롤 나노엘립소이달(ellipsoidal)을 이용하였다. 그 결과 고분자 나노엘립소이달이 전극 기판 위에 공유결합된 것을 확인할 수 있었다. The experiment was carried out in the same manner as in Example 6, but the prepared 100 nanometer carboxylated polypyrrole nano ellipsoidal (ellipsoidal) was used. As a result, it was confirmed that the polymer nanoellipsoid was covalently bonded on the electrode substrate.

[실시예 9]Example 9

후각 수용체 단백질 3.31 μL를 상기 실시예 4에서 제조된 전극 기판 위에 떨어 뜨린 후, 10시간 상온에서 방치한다. 그 결과 후각 수용체 나노바이오센서 매질이 제조된 것을 확인할 수 있었다. (도 3)3.31 μL of the olfactory receptor protein is dropped on the electrode substrate prepared in Example 4, and left at room temperature for 10 hours. As a result, it was confirmed that the olfactory receptor nanobiosensor medium was prepared. (Fig. 3)

[실시예 10] Example 10

실시예 9와 동일한 방법으로 실험하되, 후각 수용체 단백질을 6.61 μL를 이용하였다. 그 결과 후각 수용체 나노바이오센서 매질이 제조된 것을 확인할 수 있었다. 그리고 감응성 테스트에서 실시예 9 보다 매우 향상된 것을 확인할 수 있었다. The experiment was carried out in the same manner as in Example 9, except that 6.61 μL of the olfactory receptor protein was used. As a result, it was confirmed that the olfactory receptor nanobiosensor medium was prepared. And it was confirmed that much improved than the example 9 in the sensitivity test.

[실시예 11]Example 11

실시예 9와 동일한 방법으로 실험하되, 후각 수용체 단백질을 13.24 μL를 이용하였다. 그 결과 후각 수용체 나노바이오센서 매질이 제조된 것을 확인할 수 있었다. 그리고 감응성 테스트에서 실시예 9과 10보다 더욱 향상된 것을 확인할 수 있었다.The experiment was carried out in the same manner as in Example 9, except that 13.24 μL of the olfactory receptor protein was used. As a result, it was confirmed that the olfactory receptor nanobiosensor medium was prepared. And it was confirmed that the sensitivity test was further improved than Examples 9 and 10.

[실시예 12]Example 12

실시예 10과 동일한 방법으로 실험하되, 컨트롤 실험을 실시하기 위하여 후각 수용체 단백질을 발현하지 않는 대장균의 지질막 층을 분리하여 사용하였다. 그 결과 향후 감응성 결과에서 아무런 화학적/물리적 반응이 나타나지 않았다.The experiment was performed in the same manner as in Example 10, but in order to perform a control experiment, a lipid membrane layer of Escherichia coli which did not express an olfactory receptor protein was separated and used. As a result, no chemical or physical reactions were seen in future sensitivity results.

[실시예 13]Example 13

실시예 9, 10, 11에서 제조된 후각 수용체 나노바이오센서 매질을 정전압(5 mV/s)에 따라 전류 값을 측정한 결과, 후각 수용체 단백질의 함량이 증가함에 따라 소스-드레인 전류변화 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.As a result of measuring the current value of the olfactory receptor nanobiosensor medium prepared in Examples 9, 10, and 11 according to the constant voltage (5 mV / s), the source-drain current change value decreased as the content of the olfactory receptor protein was increased. I could confirm that.

[실시예 14]Example 14

실시예 9, 10, 11에서 제작된 후각 수용체 나노바이오센서에 대한 타겟 냄새 미립자의 감응성을 조사하기 위하여 아밀부틸레이트(amyl butrate, AB) 1 pM에서 100 μM범위에서 차례로 2 μL씩 주입하였다. 그 결과 감응성을 확인할 수 있었으며, 가장 큰 감응성을 나타낸 것은 실시예 11에서 제조된 후각 수용체 나노바이오센서인 것을 확인할 수 있었다.In order to investigate the sensitivity of the target odor microparticles to the olfactory receptor nanobiosensors prepared in Examples 9, 10, and 11, 2 μL was sequentially injected from 1 pM to 100 μM of amyl butrate (AB). As a result, it was confirmed that the sensitivity, the highest sensitivity was confirmed that the olfactory receptor nanobiosensor prepared in Example 11.

[실시예 15]Example 15

실시예 14와 동일한 방법으로 실험하되, 부틸부틸레이트(butyl butyrate, BB)를 이용하였다. 그 결과 감응성이 AB에 비해 현저히 떨어짐을 확인 하였다.The experiment was carried out in the same manner as in Example 14, but butyl butyrate (BB) was used. As a result, it was confirmed that the sensitivity is significantly lower than the AB.

[실시예 16]Example 16

실시예 14와 동일한 방법으로 실험하되, 프로필부틸레이트(propyl butyrate, PB)를 이용하였다. 그 결과 감응성이 AB에 비해 현저히 떨어짐을 확인 하였다.The experiment was carried out in the same manner as in Example 14, but propyl butyrate (PB) was used. As a result, it was confirmed that the sensitivity is significantly lower than the AB.

[실시예 17]Example 17

실시예 14와 동일한 방법으로 실험하되, 헥실부틸레이트(hexyl butyrate, HB)를 이용하였다. 그 결과 감응성이 HB에 비해 현저히 떨어짐을 확인하였다.The experiment was carried out in the same manner as in Example 14, but using hexyl butyrate (HB). As a result, it was confirmed that the sensitivity is significantly lower than the HB.

본 발명에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

도 1은 본 발명의 실시예 6에서 제작된 소스-드레인 게이트 전계효과 트랜지스터 바이오센서의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a source-drain gate field effect transistor biosensor fabricated in Example 6 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 6에서 제조된 카르복실화 폴리피롤 나노튜브가 전극 기판 위에 놓여진 주사전자현미경 사진이다.2 is a scanning electron micrograph of the carboxylated polypyrrole nanotube prepared in Example 6 of the present invention placed on an electrode substrate.

도 3은 본 발명의 실시예 9를 통하여 제작된 카르복실화 폴리피롤 나노튜브와 후각 수용체가 공유결합된 200나노미터 폴리피롤 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다. FIG. 3 is a scanning electron micrograph of a 200 nanometer polypyrrole nanotube covalently bonded to a carboxylated polypyrrole nanotube and an olfactory receptor prepared through Example 9 of the present invention.

Claims (10)

전극 기판을 아민기(-NH2)로 표면개질화 하는 단계;Surface-modifying the electrode substrate with an amine group (-NH 2 ); 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료를 축합반응을 이용하여 상기에서 제조한 표면 개질화된 전극 기판상에 고정시키는 단계; 및Immobilizing a conductive polymer nanomaterial having a functional group on the surface modified electrode substrate prepared above using a condensation reaction; And 후각 수용체 단백질을 축합반응을 이용하여 전극 기판상에 고정된 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료에 부착시킴으로써 후각 나노바이오센서를 제조하는 단계; 및Preparing an olfactory nanobiosensor by attaching an olfactory receptor protein to a conductive polymer nanomaterial having a functional group fixed on an electrode substrate using a condensation reaction; And 상기 제조된 나노바이오센서 매질을 활용한 전계효과 트랜지스터 배열을 이용하여 1, 2차 트랜지스터 사이의 화학적/전기적 특성변화에 따른 전기신호를 센싱하며 특정 냄새 미립자를 효과적으로 감지할 수 있는 후각 나노바이오센서 제조방법.Manufacture of olfactory nanobiosensors that sense electric signals according to chemical / electrical property changes between primary and secondary transistors using field effect transistor arrays using the prepared nanobiosensor media and can effectively detect specific odor particles Way. 제 1항에 있어서, 전극 기판의 표면개질화시, 사용되는 물질이 3-아민프로필트리메톡시실란(3-aminopropyltrimethoxysilane), 3-아민프로필트리에톡시실란 (3-aminopropyltriethoxysilane), 비닐트리메톡시실란(vinyltrimethoxysilane)들을 이용한 후각 나노바이오센서의 제조방법.The method of claim 1, wherein during the surface modification of the electrode substrate, the material used is 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminepropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxy Method for producing olfactory nanobiosensors using vinyltrimethoxysilanes. 제 1항에 있어서, 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료의 전도도가 0.001 에서 100 S/m 인 것을 특징으로 하는 후각 나노바이오센서의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the conductivity of the conductive polymer nanomaterial having a functional group is 0.001 to 100 S / m. 제 1항에 있어서, 관능기를 가진 전도성 고분자 나노재료의 직경이 10에서 1000 나노미터인 것을 특징으로 하는 후각 나노바이오센서의 제조방법.The method of manufacturing a olfactory nanobiosensor according to claim 1, wherein the conductive polymer nanomaterial having a functional group has a diameter of 10 to 1000 nanometers. 제 1항에 있어서, 관능기를 가진 고분자 나노재료의 형태가 나노라드(nanorod), 나노튜브(nanotube), 나노엘립소이달(nanoellisoidal)인 것을 특징으로 하는 후각 나노바이오센서의 제조방법.According to claim 1, wherein the polymer nanomaterial having a functional group of the nanorod (nanorod), nanotubes (nanotube), nanoellipsoidal (nanoellisoidal) manufacturing method of the olfactory nanobiosensor. 제 1항에 있어서, 전도성 고분자에 생성된 카르복실(-COOH) 관능기의 비율을 고분자 대비 0.05에서 0.5의 중량부 범위인 것을 특징으로 하는 후각 나노바이오센서의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the ratio of the carboxyl (-COOH) functional groups generated in the conductive polymer is in the range of 0.05 to 0.5 parts by weight relative to the polymer. 제 1항에 있어서, 관능기를 가진 고분자 나노재료를 표면개질화된 전극 기판에 고정시, 축합반응 시간이 1시간에서 24시간 범위인 것을 특징으로 하는 후각 나노바이오센서의 제조방법.The method of manufacturing a olfactory nanobiosensor according to claim 1, wherein the condensation reaction time ranges from 1 hour to 24 hours when the polymer nanomaterial having the functional group is fixed to the surface-modified electrode substrate. 제 1항에 있어서, 지질막에 포함된 후각 수용체 단백질의 아민기를 이용하여 고분자 나노재료 표면의 카르복실기와 선택적 고정화가 가능함을 특징으로 하는 나노바이오센서의 제조방법.       The method of claim 1, wherein the amine group of the olfactory receptor protein included in the lipid membrane enables selective immobilization of carboxyl groups on the surface of the polymer nanomaterial. 제 1항에 있어서, 후각 수용체 리셉터의 축합반응 시간이 1시간에서 24시간인 것을 특징으로 하는 후각 나노바이오센서의 제조방법.       The method of claim 1, wherein the condensation reaction time of the olfactory receptor receptor is 1 hour to 24 hours. 제 1항에 있어서, 제조된 후각 수용체 나노바이오센서의 우수한 감응성과 선택성을 검증하기 위하여 냄새 미립자들을 아밀 부틸레이트(amyl butyrate), 부틸 부틸레이트 (butyl butyrate), 프로필부틸레이트(propyl butyrate), 헥실 부틸레이트 (hexyl butrate)들을 사용하는 것을 특징으로 하는 후각 나노바이센서의 검출방법.       According to claim 1, in order to verify the excellent sensitivity and selectivity of the manufactured olfactory receptor nanobiosensor odor particles are amyl butyrate, butyl butyrate, propyl butyrate, hexyl Method for detecting the olfactory nanobi sensor, characterized in that using butyl (hexyl butrate).
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