KR20120053797A - Electrode for electrochemical biosensor and biosensor including the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An electrode for an electrochemical biosensor and a bio sensor having the same are provided to effectively living things and biomaterials by selectively controlling a density, a height, a diameter, an area, a shape, an arrangement shape of a carbon nano tube. CONSTITUTION: An electrode for an electrochemical biosensor comprises a substrate(10), a first layer(20), a carbon nano tube(30), and a second layer(40). The first layer comprises a grapheme formed on the substrate. The carbon nano tube is formed on the first layer. The second layer is arranged on the upper part of the carbon nano tube and specific biomaterials are fixed on the second layer.

Description

전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서{Electrode for electrochemical biosensor and biosensor including the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical biosensor,

본 발명은 전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 그래핀(graphene)을 포함하는 제1층 상부에 탄소나노튜브가 수직으로 형성되고 이러한 탄소나노튜브의 밀도, 높이, 직경, 면적, 모양 및 배열 형태를 선택적으로 조절함으로써, 생물 또는 생체 물질을 보다 효과적으로 측정할 수 있으며 그리고 다양한 센서로서의 응용 분야를 보다 확대할 수 있는 전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to an electrode for an electrochemical biosensor and a biosensor including the electrode. More particularly, the present invention relates to an electrode for an electrochemical biosensor, and more particularly to a biosensor comprising a carbon nanotube An electrode for an electrochemical biosensor capable of more effectively measuring biological or biomolecules by selectively controlling the density, height, diameter, area, shape, and arrangement of the electrodes and further expanding the application fields as various sensors To a biosensor.

일반적으로 바이오 센서는 분석하고자 하는 생물 또는 생체 물질이 갖추고 있는 반응계를 이용하여 물질, 특히 유기 화합물의 상태나 농도를 측정하는 측정 장치이다. 이러한 바이오 센서는 생체 감지막과 신호 변환기 등으로 구성되어 측정된 정보를 인식 가능한 신호로 변환이 가능하도록 구성된다. Generally, a biosensor is a measuring device for measuring the state or concentration of a substance, especially an organic compound, using a reaction system equipped with a biological or biological substance to be analyzed. Such a biosensor is constituted by a bio-sensing membrane and a signal transducer so that the measured information can be converted into a recognizable signal.

바이오 센서의 메커니즘은 효소 등을 막 모양으로 고정시키고, 이에 전극을 붙여 그 반응을 컴퓨터가 판독하도록 되어 있으며, 용액 중의 화학 물질에 효소 등이 반응하면 바이오 센서 내에 준비된 화학 물질의 양이 변화하며, 그 변화량을 전기 신호로 바꿔 측정하는 것이다. The mechanism of the biosensor is such that the enzyme is fixed in a film shape, the electrode is attached to the electrode, and the reaction is read by a computer. When an enzyme or the like is reacted with a chemical substance in the solution, the amount of chemical substance prepared in the biosensor changes, And the change amount is converted into an electric signal to be measured.

예를 들어, 바이오 센서에는 효소, 항원, 항원체, 호르몬, 미생물 등을 고정시킨 막을 사용할 수 있으며, 이를 효소 센서, 글루코스 센서 등으로 부르기도 한다. 또한, 이러한 바이오 센서는 의료, 발효공업, 식품공업, 농림수산업, 환경보존 등 폭넓은 응용이 기대되는 전자 소자이다. For example, a biosensor may be a membrane in which an enzyme, an antigen, an antigen, a hormone, or a microorganism is immobilized, and may be referred to as an enzyme sensor or a glucose sensor. In addition, such biosensors are electronic devices that are expected to have a wide range of applications such as medical, fermentation industry, food industry, agriculture, forestry and fisheries industry, and environment preservation.

이러한 바이오 센서의 장점은 기타 다른 분석 방법들과는 달리 분석하고자 하는 생물 또는 생체 물질과 반응하여 신속하고 정확하게 분석 대상 물질을 분석할 수 있다는 것이다. The advantage of such a biosensor is that, unlike other analytical methods, the biosensor can rapidly and accurately analyze the analyte by reacting with the biological or biomaterial to be analyzed.

특히, 전기화학적 바이오 센서(electrochemical biosensor)의 경우 별도의 트랜스듀서(transducer)가 필요 없다는 점에서, 바이오 센서의 작동 원리가 매우 간단하며 바이오 센서의 구조를 단순화할 수 있고 그로 인해 소형화 및 휴대화가 가능하다는 장점을 갖는다. In particular, in the case of an electrochemical biosensor, since a separate transducer is not necessary, the operation principle of the biosensor is very simple, and the structure of the biosensor can be simplified, thereby making it possible to miniaturize and portable .

한편, 전기화학적 바이오 센서에 있어서 생체 내에서 미량으로 존재하는 생체 물질에 대한 정확하고 신속한 분석을 위해서는, 기본적으로 화학적 반응의 결과를 전기 신호로 변환시키는 전극의 전기촉매(electrocatalyst) 특성이 매우 중요하게 된다. 따라서, 전기화학적 바이오 센서용 전극으로는 일반적으로 전기촉매 특성이 양호한 백금 또는 금과 같은 귀금속류나 유리탄소(glassy carbon)와 같은 탄소 전극이 사용되는 것이 일반적이었다. On the other hand, in an electrochemical biosensor, an electrocatalyst characteristic of an electrode that basically converts the result of a chemical reaction into an electric signal is very important for accurate and rapid analysis of a biomaterial existing in a living body in a trace amount do. Therefore, as the electrode for an electrochemical biosensor, generally, a carbon electrode such as a noble metal such as platinum or gold or a glassy carbon having a good electrocatalytic property is generally used.

그러나, 백금 또는 금과 같은 귀금속류는 그 가격이 비싸다는 단점을 가지며, 유리탄소와 같은 탄소 전극은 전기촉매 특성이 떨어지고 배경 전류가 크다는 단점이 있다. 따라서, 가격이 저렴하면서도 전기촉매 특성이 우수한 새로운 전극 물질 개발이 필수적이라고 할 수 있다. However, precious metals such as platinum or gold have a disadvantage in that they are expensive, and carbon electrodes such as glass carbon have a disadvantage in that the electrocatalytic properties are poor and the background current is large. Therefore, it is essential to develop a new electrode material having a low cost and excellent electrocatalytic characteristics.

또한, 대표적인 바이오 센서로서 개인용 혈당 측정기의 경우, 가공의 편이성을 위해 스크린 프린팅(screen printing) 방법을 이용하거나 금 증착 등을 통해 평판형 전극 시스템을 제작하여 일회용 스트립 형태를 사용하는 것이 일반적인 방법이었다. As a typical biosensor, it has been a common practice to use a disposable strip form by using a screen printing method or a gold deposition to fabricate a flat electrode system for ease of processing.

그러나, 일반적인 일회용 스트립 형태는 혈액이나 체액 등의 분석물을 시료주입구에 인위적으로 주입시켜야만 작동이 가능한 형태이므로 그 응용분야가 매우 한정된다는 단점이 있다. 즉, 생체로부터 직접적인 샘플 또는 시료를 채취하고 이와 동시에 생체 내에서 미량으로 존재하는 생체 물질을 분석할 수 있는 다양한 시스템으로의 응용이 어렵다는 단점이 있다. However, the general disposable strip form is disadvantageous in that it can be operated only by artificially injecting analytes such as blood or body fluids into a sample injection port, and thus its application field is very limited. That is, it has a disadvantage that it is difficult to apply to various systems capable of collecting a sample or a sample directly from a living body and simultaneously analyzing a living body in a trace amount.

따라서 1) 바이오 센서에 사용될 수 있는 새로운 전극 물질 개발과 함께, 2) 이러한 전극 물질의 입체적인 구조나 배열의 변경을 통하여 센서로서의 응용 분야를 보다 확대할 수 있는 바이오 센서용 전극에 대한 필요성이 대두되게 되었다.Therefore, there is a need for 1) a new electrode material that can be used in a biosensor, 2) an electrode for a biosensor capable of expanding the application field as a sensor by changing the three-dimensional structure or arrangement of the electrode material .

즉, 저렴하면서도 기존의 전극 물질보다 뛰어난 전기 촉매 특성을 가지면서, 일반적인 평판형 구조뿐 아니라 대면적으로 휘는 형태, 코일 형태 등 다양한 입체 구조로 변형이 가능하여 기존의 주사기와 융합되어 혈액 채취와 동시에 다양한 생체물질을 감지할 수 있을 뿐 아니라 새로운 형태의 샘플링 도구와 일체화된 형태의 센서 시스템으로의 응용이 가능한 새로운 전극 개발의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
In other words, it can be transformed into a variety of three-dimensional structures such as a bent shape and a coil shape as well as a general flat-type structure while having an electrocatalytic characteristic that is lower than that of conventional electrode materials, and is inexpensive. There is an increasing need to develop new electrodes capable of sensing various biomaterials as well as being applicable to a new type of sampling tool and an integrated sensor system.

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 그래핀 위에 탄소나노튜브를 수직으로 형성하여 유효 전극 면적이 증가됨으로써 전기 촉매 특성이 향상될 뿐만 아니라, 그래핀의 특성으로 인해 평면형, 대면적으로 휘는 형태, 코일 형태 등 다양한 입체 구조로 변형이 가능하여 생체 물질 샘플링 도구와 일체화된 형태의 센서로 응용이 가능한 전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a method of forming a carbon nanotube on a graphene by vertically forming a carbon nanotube on the graphene, An electrode for an electrochemical biosensor that can be applied to a sensor integrated with a biomaterial sampling tool by being deformable into various three-dimensional structures such as a flat shape, a large-bend shape, a coil shape, etc., and a biosensor including the same will be.

또한 본 발명의 목적은, 그래핀 위에 탄소나노튜브를 수직으로 형성함으로써, 1) 유효 전극 면적이 향상되고, 2) 바이오 센서 시스템 맞춤형 전극 구조를 형성할 수 있으며, 3) 탄소나노튜브 합성 조건을 조절하여 반응 특성을 제어할 수 있으며, 4) 기존에 사용되던 귀금속 등(금, 은, 백금 등)과 비교했을 때, 비용적인 측면에서 매우 우수한 전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서를 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a carbon nanotube composite material which can be obtained by vertically forming carbon nanotubes on graphene, 1) improving effective electrode area, 2) capable of forming a custom electrode structure of a biosensor system, and 3) And 4) an electrode for an electrochemical biosensor which is superior in terms of cost as compared with conventional noble metals (gold, silver, platinum, etc.), and a biosensor containing the same .

또한 본 발명의 목적은, 증착되는 탄소나노튜브의 밀도, 길이, 모양, 직경 및 배열 형태를 조절함으로써, 전극의 검출 특성을 제어할 수 있으며 다양한 바이오 물질 특성을 검출할 수 있는 전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서를 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide an electrochemical biosensor capable of controlling the detection characteristics of electrodes and controlling various bio material characteristics by controlling the density, length, shape, diameter, and arrangement shape of the carbon nanotubes to be deposited Electrode and a biosensor including the same.

더욱이, 본 발명의 목적은, 유연한 형태의 다층 그래핀을 사용함으로써, 1) 바이오센서용 전극의 그 크기와 모양을 용이하게 제어할 수 있으며, 2) 최소면적부터 대면적에까지 그 이용이 가능하도록 전극을 형성할 수 있으며, 3) 구부러진 형태의 굴곡률을 조절하여 다양한 크기의 원통형, 코일형 등의 바이오센서를 제조할 수 있는 전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서를 제공하는 것이다.
Further, the object of the present invention is to provide a biosensor for a biosensor, which is capable of easily controlling the size and shape of the electrode for a biosensor, and 2) And 3) an electrode for an electrochemical biosensor capable of manufacturing a biosensor of a cylindrical shape or a coil shape of various sizes by controlling the bending rate of the bent shape, and a biosensor including the same.

본 발명에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 그래핀(graphene)을 포함하는 제1층; 상기 제1층 상에 형성되는 탄소나노튜브; 및 상기 탄소나노튜브 상부에 위치하며, 특정한 바이오물질이 고정 또는 담지된 제2층;를 포함하는 것을 특징으로 한다. An electrode for an electrochemical biosensor according to the present invention comprises a substrate; A first layer comprising a graphene formed on the substrate; Carbon nanotubes formed on the first layer; And a second layer positioned on the carbon nanotube and having a specific bio material fixed or supported thereon.

바람직하게는, 상기 제1층은 하나 이상의 다층 그래핀(multilayer graphene, MLG)인 것을 특징으로 한다. Preferably, the first layer is at least one multilayer graphene (MLG).

바람직하게는, 상기 제1층은 플렉시블한 평면형, 원통형, 원기둥형, 사각기둥형, 코일형 및 이의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the first layer is selected from the group consisting of a flexible planar, cylindrical, cylindrical, square columnar, coiled, and combinations thereof.

바람직하게는, 상기 제1층은 50 내지 500㎛ 두께 범위인 것을 특징으로 한다. Preferably, the first layer is characterized by a thickness in the range of 50 to 500 mu m.

바람직하게는, 상기 탄소나노튜브는 상기 제1층에 수직으로 형성되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the carbon nanotubes are formed perpendicular to the first layer.

바람직하게는, 상기 탄소나노튜브는 밀도, 높이, 직경 및 배열 형태 중 어느 하나 이상이 조절됨으로써 상기 전극의 검출 특성이 제어되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the carbon nanotubes are controlled in at least one of density, height, diameter, and arrangement thereof so that the detection characteristics of the electrodes are controlled.

바람직하게는, 상기 바이오물질은 항체, 효소, 압타머, 단백질, 핵산, 미생물, 세포, 지질, 호르몬, DNA, PNA, RNA 및 이의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the biomaterial is selected from the group consisting of an antibody, an enzyme, an extramammer, a protein, a nucleic acid, a microorganism, a cell, a lipid, a hormone, DNA, PNA, RNA and a mixture thereof.

또한, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오 센서는 상술된 전기화학적 바이오 센서용 전극; 보조 전극; 및 기준 전극을 포함하고, 전기화학적 반응에 의해 바이오물질을 검출할 수 있는 것을 특징으로 한다.
The electrochemical biosensor according to the present invention may further comprise: an electrode for an electrochemical biosensor; An auxiliary electrode; And a reference electrode, characterized in that the biomaterial can be detected by an electrochemical reaction.

본 발명에 따르면, 그래핀 위에 탄소나노튜브를 수직으로 형성하여 유효 전극 면적이 증가됨으로써 전기 촉매 특성이 향상될 뿐만 아니라, 그래핀의 특성으로 인해 평면형, 대면적으로 휘는 형태, 코일 형태 등 다양한 입체 구조로 변형이 가능하여 생체 물질 샘플링 도구와 일체화된 형태의 센서로 응용이 가능하다는 효과가 발생한다.According to the present invention, since the carbon nanotubes are vertically formed on the graphene to increase the effective electrode area, the electrocatalytic properties are improved. In addition, due to the characteristics of the graphene, various shapes such as a flat shape, It can be applied to a sensor integrated with a biomaterial sampling tool.

또한 본 발명에 따르면, 1) 유효 전극 면적이 향상되고, 2) 바이오 센서 시스템 맞춤형 전극 구조를 형성할 수 있으며, 3) 탄소나노튜브 합성 조건을 조절하여 반응 특성을 제어할 수 있으며, 4) 기존에 사용되던 귀금속 등(금, 은, 백금 등)과 비교했을 때, 비용적인 측면에서 매우 우수하다는 효과가 발생한다.According to the present invention, 1) the effective electrode area can be improved, 2) a customized electrode structure can be formed in the biosensor system, 3) the reaction characteristics can be controlled by adjusting the carbon nanotube synthesis conditions, and 4) (Gold, silver, platinum, and the like) used in the present invention, it is very excellent in terms of cost.

또한 본 발명에 따르면, 증착되는 탄소나노튜브의 밀도, 길이, 모양, 직경 및 배열 형태를 조절함으로써, 전극의 검출 특성을 제어할 수 있으며 다양한 바이오 물질 특성을 검출할 수 있다는 효과가 발생한다.Also, according to the present invention, by controlling the density, length, shape, diameter, and arrangement of carbon nanotubes to be deposited, it is possible to control the detection characteristics of the electrodes and to detect various bio material characteristics.

더욱이, 본 발명에 따르면, 유연한 형태의 다층 그래핀을 사용함으로써, 1) 바이오센서용 전극의 그 크기와 모양을 용이하게 제어할 수 있으며, 2) 최소면적부터 대면적에까지 그 이용이 가능하도록 전극을 형성할 수 있으며, 3) 구부러진 형태의 굴곡률을 조절하여 다양한 크기의 원통형, 코일형 등의 바이오센서를 제조할 수 있게 된다.
Further, according to the present invention, by using the flexible multi-layer graphene, 1) the size and shape of the electrode for the biosensor can be easily controlled, and 2) the electrode 3) It is possible to manufacture a biosensor of various sizes such as a cylindrical shape and a coil shape by controlling the bending rate of the bent shape.

도 1의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극을 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명에서 사용되는 그래핀을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)을 통하여 나타낸 사진이며,
도 3은 본 발명에서 그래핀 상부에 증착된 탄소나노튜브를 주사전자현미경을 통하여 나타낸 사진이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극에 있어서, 다층 그래핀 위에 탄소나노튜브가 수직으로 형성된 모습을 주사전자현미경에 의해 나타낸 사진이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극을 원기둥 형태의 구조물에 적용한 상태의 모습을 주사전자현미경에 의해 나타낸 사진이다.
1 (a), 1 (b) and 1 (c) schematically show an electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention,
2 is a photograph showing a graphene used in the present invention through a scanning electron microscope (SEM)
FIG. 3 is a photograph showing carbon nanotubes deposited on graphene through a scanning electron microscope in the present invention,
4 is a scanning electron microscope (SEM) image of an electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention in which carbon nanotubes are vertically formed on a multi-layer graphene,
FIG. 5 is a photograph showing a state in which an electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention is applied to a columnar structure by a scanning electron microscope. FIG.

이하, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of an electrode for an electrochemical biosensor and a biosensor including the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of the lines and the sizes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user, the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.

<실시예> <Examples>

도 1의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명에서 사용되는 그래핀을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)을 통하여 나타낸 사진이다. 도 3은 본 발명에서 그래핀 상부에 증착된 탄소나노튜브를 주사전자현미경을 통하여 나타낸 사진이다. 1 (a), 1 (b) and 1 (c) are schematic views of an electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention. 2 is a photograph showing a graphene used in the present invention through a scanning electron microscope (SEM). FIG. 3 is a photograph showing carbon nanotubes deposited on graphene through a scanning electron microscope in the present invention. FIG.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극(100)은 기판(10); 상기 기판(10) 상에 형성되는 그래핀(graphene)을 포함하는 제1층(20); 상기 제1층(20) 상에 형성되는 탄소나노튜브(30); 및 상기 탄소나노튜브 상부에 위치하는 제2층(40);를 포함한다. 그리고 상기 제2층(40)에는 바이오물질(50)이 다양한 방식으로 담지되거나 고정된다. Referring to FIG. 1, an electrode 100 for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention includes a substrate 10; A first layer (20) comprising graphene formed on the substrate (10); A carbon nanotube 30 formed on the first layer 20; And a second layer (40) located on the carbon nanotubes. The biomaterial 50 is supported or fixed in the second layer 40 in various ways.

기판(10)은 그 상부에 그래핀이 증착 또는 형성될 수 있는 모든 종류의 판을 의미하는 것으로서, 구체적으로는 유리, 플라스틱, 금속, 세라믹 및 실리콘으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있으나, 기판의 종류는 그 상부에 그래핀이 증착 또는 형성될 수 있는 한 특별히 제한되지 않음을 유의한다. The substrate 10 may be selected from the group consisting of glass, plastic, metal, ceramic, and silicon. However, the type of substrate Is not particularly limited as long as graphene can be deposited or formed thereon.

제1층(20)은 그래핀을 포함하거나 그래핀 자체로 이루어지는 층이다. 이러한 그래핀은 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm 정도로 매우 얇으면서 물리적 및 화학적 안정성이 높다는 특징을 가진다. 또한, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 사용되는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 더욱이, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다는 특징을 갖는다. The first layer 20 is a layer containing graphene or of graphene itself. These graphenes have a two-dimensional planar shape and are characterized by a very thin thickness of about 0.2 nm and high physical and chemical stability. In addition, it is able to move electrons 100 times or more faster than monocrystalline silicon, which is mainly used for semiconductors. Strength is more than 200 times stronger than steel, and has twice the thermal conductivity than diamonds with the highest thermal conductivity. Moreover, it has a feature that it is excellent in elasticity and does not lose its electrical properties even if stretched or bent.

도 2를 참조하면, 이러한 제1층(20)은 단층 그래핀층이거나 하나 이상의 다층 그래핀(multilayer graphene, MLG)층일 수 있으며, 사용하고자 하는 바이오센서의 종류에 따라 선택적으로 그래핀층의 높이를 조절할 수 있음을 유의한다. Referring to FIG. 2, the first layer 20 may be a single-layer graphene layer or at least one multilayer graphene (MLG) layer. The height of the graphene layer may be selectively controlled according to the type of the biosensor to be used .

더욱이, 이러한 제1층(20)의 형상은 그래핀의 유연한 특성으로 인하여 플렉시블한 평면형, 원통형, 원기둥형, 사각기둥형, 코일형 및 이의 조합으로 이루어지는 군 등에서 선택될 수 있음을 유의한다. 그로 인해, 본 발명에 따른 바이오센서용 전극은 기존의 주사기와 융합되어 혈액 채취와 동시에 다양한 생체물질을 감지할 수 있을 뿐 아니라 새로운 형태의 샘플링 도구와 일체화된 형태의 센서 시스템으로의 응용이 가능하게 된다. Furthermore, it should be noted that the shape of this first layer 20 may be selected from flexible, planar, cylindrical, cylindrical, rectangular columnar, coiled, and combinations thereof, owing to the flexible nature of the graphene. Accordingly, the electrode for a biosensor according to the present invention is capable of sensing various biomaterials simultaneously with blood collection by fusing with an existing syringe, and can be applied to a new type of sampling tool and an integrated sensor system do.

한편, 이러한 제1층(20)은 50 내지 500㎛ 두께 범위를 갖는 것이 바람직하며, 이러한 이유는 제1층(20)이 상기 범위의 두께를 갖는 경우에 보다 효과적으로 바이오센서용 전극에 적용될 수 있기 때문이다.On the other hand, it is preferable that the first layer 20 has a thickness in the range of 50 to 500 mu m, and this is because the first layer 20 can be applied to the electrode for biosensor more effectively when the first layer 20 has the thickness in the above range Because.

탄소나노튜브(30)는 상기 제1층(20)의 상부에 수직 방향으로 형성된다. 탄소나노튜브(30)는 탄소로 이루어진 탄소 동소체이며, 하나의 탄소 원자가 다른 탄소 원자와 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있으며, 우수한 기계적 특성과 전기적 특성 및 전계 방출 특성을 갖는다. The carbon nanotubes 30 are vertically formed on the first layer 20. The carbon nanotubes 30 are carbon isotopes, each having a carbon atom bonded to another carbon atom in an hexagonal honeycomb pattern to form a tube shape, and have excellent mechanical characteristics, electrical characteristics, and field emission characteristics.

탄소나노튜브(30)를 상기 제1층(20)의 상부에 수직으로 형성하기 위해서는 다양한 방법이 사용될 수 있는데, 그 중에서도 본 발명자의 등록 특허(제10-0851950호, 발명의 명칭 : 선택적 위치 제어를 이용한 전자방출 소자 형성방법)를 이용하여 수직으로 형성하는 경우에는 선택적으로 위치가 제어 가능하다는 장점을 갖는다. Various methods can be used to vertically form the carbon nanotubes 30 on the first layer 20. Among them, the inventors of the present invention (Patent No. 10-0851950, entitled: A method of forming an electron-emitting device using the electron-emitting device) is advantageous in that the position can be selectively controlled.

탄소나노튜브 상부에는 제2층(40)이 형성될 수 있으며, 이러한 제2층(40)에는 바이오물질(50)이 다양한 방식으로 담지되거나 고정될 수 있다. 이때, 바이오물질(50)로서 효소, 압타머, 단백질, 핵산, 미생물, 세포, 지질, 호르몬, DNA, PNA, RNA 및 이의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 바이오물질들이 사용될 수 있으며, 본 명세서에서 언급되지 않은 다양한 바이오물질들이 사용될 수 있음을 유의한다. A second layer 40 may be formed on the carbon nanotube. The bio-material 50 may be supported or fixed on the second layer 40 in various manners. Biomaterials selected from the group consisting of enzymes, platamers, proteins, nucleic acids, microorganisms, cells, lipids, hormones, DNA, PNAs, RNAs and mixtures thereof may be used as the biomaterial 50, &Lt; / RTI &gt; may be used.

예를 들어, 도 1의 (a)를 참조하면, 바이오물질(50)로서 특정 효소가 사용되며 제2층(40)은 이러한 특정 효소가 담지되거나 고정된 막이 사용되는 바이오센서용 전극을 개시한다. 한편, 도 1의 (a)에서는 특정 효소가 막 내부에 담지되거나 고정된 것으로 도시하였으나, 특정 효소의 위치는 이에 제한되지 않으며 일부 또는 전부가 막 상부에 돌출되어 있을 수도 있음을 유의한다. 이러한 구성에 의하는 경우, 효소는 기질 특이성이 뛰어나 혼합물 속에서도 특정 분자하고만 선택적으로 반응하는 특성을 가지기 때문에, 특정 효소에 반응하는 분석 물질(예를 들면, 혈당 등)을 선택적으로 감지할 수 있게 된다. For example, referring to FIG. 1 (a), a specific enzyme is used as the biomaterial 50, and the second layer 40 discloses an electrode for a biosensor in which such a specific enzyme is supported or a fixed membrane is used . In FIG. 1 (a), a specific enzyme is shown to be immobilized or immobilized within the membrane. However, it should be noted that the position of the specific enzyme is not limited to this, and some or all of the enzyme may protrude above the membrane. According to this structure, since the enzyme is excellent in substrate specificity and has a characteristic of selectively reacting only with a specific molecule even in a mixture, it is possible to selectively detect an analyte (for example, blood glucose) do.

도 1의 (b)를 참조하면, 바이오물질(50)은 포함되지 않고 제2층(40')은 효소가 포함되지 않는 선택투과성 막이 사용되는 바이오센서용 전극을 개시한다. 이러한 구성에 의하는 경우, 생체내 질병 관련 가스 물질(예를 들면 산화질소 등)을 선택적으로 감지할 수 있게 된다. Referring to FIG. 1 (b), an electrode for a biosensor in which a biosensor 50 is not included and the second layer 40 'uses a selective permeable membrane containing no enzyme. With this configuration, it becomes possible to selectively detect disease-related gaseous substances in the living body (for example, nitrogen oxide and the like).

도 1의 (c)를 참조하면, 바이오물질(50')로서 항체, 압타머 또는 세포가 직접적으로 탄소나노튜브(30)에 담지 또는 고정되고 제2층(40)이 사용되지 않는 바이오센서용 전극을 개시한다. 이러한 구성에 의하는 경우, 탄소나노튜브 밀도를 조절함으로써 고정시키는 압타머나 항체의 양이나 배열을 최적화 시킴으로써 미량 분석에 대한 감도를 크게 향상시킬 수 있게 된다. Referring to FIG. 1 (c), a biosensor 50 'is used in which a biosensor, a platemater, or a cell is directly supported or fixed on the carbon nanotube 30 and the second layer 40 is not used Electrode. With this configuration, sensitivity to trace analysis can be greatly improved by optimizing the amount and arrangement of the aptamer or antibody to be fixed by controlling the density of carbon nanotubes.

즉, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극의 경우, 탄소나노튜브(30)의 밀도, 높이, 직경 및 배열 형태 중 어느 하나 이상이 조절됨으로써 전기화학적 바이오 센서용 전극의 검출 특성이 제어될 수 있게 된다. That is, in the case of the electrode for an electrochemical biosensor according to the present invention, the detection characteristics of the electrode for an electrochemical biosensor can be controlled by controlling at least one of the density, height, diameter and arrangement of the carbon nanotubes .

한편, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극은 바이오 센서에 적용될 수 있음은 물론이며, 이 경우 공지된 보조 전극; 및 기준 전극을 포함함으로써 다양한 형태의 바이오센서를 제조할 수 있게 된다.
Meanwhile, the electrode for an electrochemical biosensor according to the present invention can be applied to a biosensor. And a reference electrode so that various types of biosensors can be manufactured.

<제조예> <Production Example>

다층 그래핀 위에 탄소나노튜브 성장을 위한 촉매 금속으로 니켈을 이용하고, 열처리를 통하여 뭉쳐진 니켈 그레인을 형성한다. 그 후 다층 그래핀 상부에 탄소나노튜브를 수직으로 형성한다. 이때, 탄소나노튜브는 약 150 내지 800℃의 내부 온도 및 2 Torr의 내부 압력를 갖는 플라즈마 반응로에서 상부 전극을 0V, 기판을 -600V 로 고정하고, 투과제어전극의 전압을 +300V로 공급하면서, 아세틸렌(C2H2) 30sccm 및 암모니아(NH3) 70sccm 를 동시에 공급함으로써 형성한다. On the multilayer graphene, nickel is used as a catalyst metal for growth of carbon nanotubes, and heat treatment is performed to form a rolled nickel grain. Thereafter, carbon nanotubes are vertically formed on the multi-layer graphene. At this time, in the plasma reactor having the internal temperature of about 150 to 800 ° C. and the internal pressure of 2 Torr, the carbon nanotube was fixed at 0 V and the substrate was set at -600 V and the voltage of the transmission control electrode was supplied at + 30 sccm of acetylene (C 2 H 2 ) and 70 sccm of ammonia (NH 3 ).

이러한 방식으로 제조된 그래핀; 및 탄소나노튜브가 형성된 바이오센서용 전극을 도 4에 도시하였다. 또한, 상기 제조예에서 제조된 바이오센서용 전극을 원기둥 형태의 구조물에 적용한 상태의 사진을 도 5에 도시하였다. Graphene produced in this manner; And an electrode for a biosensor in which carbon nanotubes are formed are shown in Fig. FIG. 5 shows a photograph of a state in which the electrode for a biosensor manufactured in the above production example is applied to a cylindrical structure.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극에 있어서, 다층 그래핀 위에 탄소나노튜브가 수직으로 형성된 모습을 주사전자현미경에 의해 나타낸 사진이다.FIG. 4 is a photograph of an electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention, in which a carbon nanotube is vertically formed on a multi-layer graphene by a scanning electron microscope.

도 4를 참조하면, 가운데 영역은 다층 그래핀이 형성되어 있음을 알 수 있으며, 다층 그래핀 상부에는 탄소나노튜브가 균일하게 수직 방향으로 형성되어 있음을 알 수 있다. 즉, 탄소나노튜브가 균일하게 수직 방향으로 형성됨으로써 전극의 표면적이 매우 증가되며, 유효 전극 면적이 증가됨으로써 전기 촉매 특성이 향상될 수 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that multi-layer graphenes are formed in the middle region, and carbon nanotubes are formed uniformly in the vertical direction on the multi-layer graphenes. That is, it can be seen that the carbon nanotubes are uniformly formed in the vertical direction so that the surface area of the electrode is greatly increased, and the effective electrode area is increased, thereby improving the electrocatalytic property.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극을 원기둥 형태의 구조물에 적용한 상태의 모습을 주사전자현미경에 의해 나타낸 사진이다.FIG. 5 is a photograph showing a state in which an electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention is applied to a columnar structure by a scanning electron microscope. FIG.

도 5를 참조하면, 약 8mm 크기를 갖는 원기둥 형태의 구조물에 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극이 효과적으로 접착되어 있음을 알 수 있다. 즉, 그래핀은 플렉시블한 특성으로 인하여 바이오센서용 전극의 그 크기와 모양을 용이하게 제어할 수 있으며, 구부러진 형태의 굴곡률을 조절하여 다양한 크기의 원통형, 코일형 등 다양하고 사용자가 원하는 형태의 바이오센서용 전극 구조물을 제작할 수 있음을 알 수 있다.
Referring to FIG. 5, it can be seen that an electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention is effectively bonded to a cylindrical structure having a size of about 8 mm. That is, due to the flexible nature of graphene, the size and shape of the electrode for a biosensor can be easily controlled, and the bending rate of the bent shape can be controlled to provide various shapes such as a cylindrical shape and a coil shape, It can be seen that an electrode structure for a biosensor can be manufactured.

<실험예> <Experimental Example>

본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극의 전기촉매 특성 평가를 위하여 하기의 기재된 5가지 전극을 이용하여 전기 촉매 특성 평가를 수행하였다. In order to evaluate the electrocatalytic properties of the electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention, the electrocatalytic property was evaluated using the five electrodes described below.

전극 1 : 탄소나노튜브가 형성되지 않은 다층 그래핀 전극Electrode 1: Multi-layered graphene electrode without carbon nanotubes

전극 2 : 상기 제조예에서 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극(CNT on graphene)Electrode 2: An electrode for an electrochemical biosensor (CNT on graphene) according to an embodiment of the present invention manufactured in the above-

전극 3 : BAS사의 유리탄소로 구성된 디스크 타입 전극(지름 3mm, MF-2012)Electrode 3: Disc type electrode (diameter 3 mm, MF-2012) made of glass carbon made by BAS Corporation

전극 4 : DROPSENS사의 평판형 carbon 전극(지름 4mm, DROPSENS C220AT)Electrode 4: Plate type carbon electrode of DROPSENS (diameter 4mm, DROPSENS C220AT)

전극 5 : DROPSENS사의 평판형 gold 전극(지름 4mm, DROPSENS 110)Electrode 5: Plate type gold electrode of DROPSENS (Diameter 4mm, DROPSENS 110)

구체적으로, 기준 전극으로서 은/염화은 전극을 사용하였고, 보조 전극으로서 직경이 약 250㎛인 백금선(Pt wire)을 사용하였고, 전해질로서 1mM K3Fe(CN)6 용액과 0.1M KCl을 포함하는 0.1M PBS 용액에서, 일정 전위주사속도 100mV/sec와, 전위주사속도를 다양하게 변화시키면서 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV)법을 시행하였다. Specifically, a silver / silver chloride electrode was used as a reference electrode, a Pt wire having a diameter of about 250 μm was used as an auxiliary electrode, and a solution containing 1 mM K 3 Fe (CN) 6 solution and 0.1 M KCl Cyclic voltammetry (CV) was performed in a 0.1M PBS solution at a constant potential scanning speed of 100 mV / sec and varying potential scanning speeds.

페리시안 화합물(Ferricyanide)의 산화 환원반응에 대한 CV 다이어그램을 분석해 본 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극의 경우 전위주사속도와 봉우리 전압 차이(peak potential separation)는 서로 독립적이며, 또한 그 값도 이론 값인 56.5mV에 가장 근사한 값을 보임을 알 수 있었다. As a result of analyzing the CV diagram of the redox reaction of the ferricyanide compound (Ferricyanide), the potential scan rate and the peak potential separation of the electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention are independent of each other And the value is also close to the theoretical value of 56.5 mV.

즉, 표 1에 기재된 바와 같이, 전극 1의 경우에는 Epa - Epc(mV) 값이 80mV로 측정되었으며, 전극 2의 경우에는 Epa - Epc(mV) 값이 75mV로 측정되었으며, 전극 3의 경우에는 Epa - Epc(mV) 값이 465mV로 측정되었으며, 전극 4의 경우에는 Epa - Epc(mV) 값이 165mV로 측정되었으며, 전극 5의 경우에는 Epa - Epc(mV) 값이 80mV로 측정되었다.That is, as shown in Table 1, the value of Epa - Epc (mV) was measured to be 80 mV in the case of the electrode 1, and the value of Epa - Epc (mV) in the case of the electrode 2 was measured to be 75 mV. The Epa - Epc (mV) value was measured at 465 mV. For electrode 4, the Epa - Epc (mV) value was measured at 165 mV. For electrode 5, the Epa - Epc (mV) value was measured at 80 mV.

이러한 결과를 토대로 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극이 전극 반응의 가역성이 가장 우수하다고 할 수 있으며, 동일한 탄소류의 전극들에 비해 전기 촉매 특성이 월등히 우수할 뿐 아니라 금으로 구성된 전극보다도 가역성이 더 우수한 것을 알 수 있었다. Based on these results, it can be said that the electrode for an electrochemical biosensor according to an embodiment of the present invention has the best reversibility of the electrode reaction, and the electrocatalytic property is remarkably excellent as compared with the electrodes of the same carbon type It was found that the reversibility is better than that of the electrode composed of gold.

이러한 이유는 다층의 그래핀 위에 탄소나노튜브를 수직으로 형성함으로써 유효 전극 면적이 증가되기 때문에 전기 촉매 특성이 우수해지는 것으로 파악된다.
This is because the effective electrode area is increased by forming the carbon nanotubes vertically on the multi-layered graphenes, so that the electrocatalytic properties are improved.

산화 Oxidation 환원restoration Epa - Epc(mV)Epa - Epc (mV) Epa(V)Epa (V) I(㎂)I (㎂) Epc(V)Epc (V) I(㎂)I (㎂) 전극 1
(graphene)
Electrode 1
(graphene)
0.2750.275 44.031344.0313 0.1950.195 -49.6688-49.6688 8080
전극 2
(CNT on graphene)
Electrode 2
(CNT on graphene)
0.2750.275 61.912561.9125 0.20.2 -71.9938-71.9938 7575
전극 3
(유리탄소)
Electrode 3
(Free carbon)
0.110.11 6.00756.0075 -0.355-0.355 -9.26938-9.26938 465465
전극 4
(carbon_SPE)
Electrode 4
(carbon_SPE)
0.270.27 14.350614.3506 0.1050.105 -18.3438-18.3438 165165
전극 5
(gold_SPE)
Electrode 5
(gold_SPE)
0.2250.225 17.268817.2688 0.1450.145 -20.75-20.75 8080

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be readily apparent to those skilled in the art that the present invention can be modified and changed without departing from the scope of the present invention.

Claims (8)

기판;
상기 기판 상에 형성되는 그래핀(graphene)을 포함하는 제1층;
상기 제1층 상에 형성되는 탄소나노튜브; 및
상기 탄소나노튜브 상부에 위치하며, 특정한 바이오물질이 고정 또는 담지된 제2층;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서용 전극.
Board;
A first layer comprising a graphene formed on the substrate;
Carbon nanotubes formed on the first layer; And
And a second layer located on the carbon nanotube and having a specific bio material fixed or supported thereon.
Electrochemical electrodes for biosensors.
제1항에 있어서,
상기 제1층은 하나 이상의 다층 그래핀(multilayer graphene, MLG)인 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서용 전극.
The method according to claim 1,
Characterized in that the first layer is at least one multilayer graphene (MLG)
Electrochemical electrodes for biosensors.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1층은 플렉시블한 평면형, 원통형, 원기둥형, 사각기둥형, 코일형 및 이의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서용 전극.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first layer is selected from the group consisting of a flexible planar, cylindrical, cylindrical, quadratic, coiled, and combinations thereof.
Electrochemical electrodes for biosensors.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1층은 50 내지 500㎛ 두께 범위인 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서용 전극.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first layer is in a thickness range of 50 to 500 mu m.
Electrochemical electrodes for biosensors.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 상기 제1층에 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서용 전극.
3. The method according to claim 1 or 2,
Characterized in that the carbon nanotubes are formed perpendicular to the first layer.
Electrochemical electrodes for biosensors.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 밀도, 높이, 직경 및 배열 형태 중 어느 하나 이상이 조절됨으로써 상기 전극의 검출 특성이 제어되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서용 전극.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the carbon nanotubes are controlled in at least one of density, height, diameter, and arrangement thereof,
Electrochemical electrodes for biosensors.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 바이오물질은 항체, 효소, 압타머, 단백질, 핵산, 미생물, 세포, 지질, 호르몬, DNA, PNA, RNA 및 이의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서용 전극.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the bio material is selected from the group consisting of an antibody, an enzyme, an extramamer, a protein, a nucleic acid, a microorganism, a cell, a lipid, a hormone, DNA, PNA, RNA,
Electrochemical electrodes for biosensors.
제1항 또는 제2항에 따른 전기화학적 바이오 센서용 전극;
보조 전극; 및
기준 전극을 포함하고, 전기화학적 반응에 의해 바이오물질을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 바이오 센서.
An electrode for an electrochemical biosensor according to claim 1 or 2;
An auxiliary electrode; And
Characterized in that it comprises a reference electrode and is capable of detecting biomaterials by an electrochemical reaction.
Electrochemical biosensor.
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