KR20130015587A - Method of the multi-functionalized biosensor materials and the high-sensitive biosensor thereof - Google Patents

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최성호
이유진
정다정
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한남대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a multifunctional biosensor material and a high efficiency biosensor are provided to obtain the biosensor with storage stability regardless of temperature and humidity. CONSTITUTION: A method for manufacturing a multifunctional biosensor material comprises: a step of dispersing biomaterial affinity vinyl monomers and vinyl ferrocene throughout a methanol solution; a step of irradiating the methanol solution by radiation and generating radical; and a step of grafting a biomaterial affinity functional group and an electron transport function to the surface of a carbon nanotube. The biomaterial affinity vinyl monomer is acrylic acid, methacrylic acid, glycidyl methacrylate, maleic anhydride, 2-hydroxy methacrylate, 4-vinylphenylboronic acid, sodium styrenesulfonate, imidazolate containing a vinyl group, vinyl pyrrolidone, or an amino acid containing the vinyl group.

Description

다기능 바이오센서 재료의 제조 방법 및 이를 이용한 고효율 바이오센서 {Method of the multi-functionalized biosensor materials and the high-sensitive biosensor thereof}Method of manufacturing multifunctional biosensor materials and high efficiency biosensors using the same {Method of the multi-functionalized biosensor materials and the high-sensitive biosensor etc}

본 발명은 다기능성 바이오센서 재료의 제조 방법 및 이를 이용한 고효율 바이오센서에 관한 것으로, 구체적으로 바이오 물질 친화성 기능기와 전자전달 기능성을 동시에 그래프트 시켜 기능성기와 전자전달 매개체 기능을 동시에 갖는 것을 특징으로 하는, 다기능성 바이오센서에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a multifunctional biosensor material and a high efficiency biosensor using the same, and in particular, by simultaneously grafting a biomaterial affinity functional group and an electron transfer functionality, having a functional group and an electron transfer medium at the same time, It relates to a multifunctional biosensor.

카본 패스트 전극 상에서 폴리페놀 중합과정에 전자전달 매개체인 페로센 (ferrocene)를 도입한 후, 여기에 효소를 고정화하여 효소센서의 제작에 관한 활발히 연구되어온 분야 중에 하나이다 (Y. Nakabashi et al. 1998). 왜냐하면, 페로센은 산화/환원 반응을 통하여 전자를 증폭하여 전류밀도를 증폭하여 고효율 바이오센서를 만들 수 있기 때문이다. 그러나, 이 경우 폴리머 사슬 사이어 물리적으로 고정된 페로센의 경우, 바이오센서를 동작시키는 과정 중에 전해질 상에 탈리되어 전해질을 오염시킬 뿐 아니라, 전류밀도를 급격히 감소시켜 바이오센서의 효율을 떨어뜨리는 단점을 가지고 있다. The introduction of ferrocene, an electron transfer mediator, into the polyphenol polymerization process on a carbon fast electrode, and one of the active researches on the fabrication of enzyme sensors by immobilizing enzymes therein (Y. Nakabashi et al. 1998). This is because ferrocene can amplify electrons through oxidation / reduction reactions to amplify the current density to make a highly efficient biosensor. However, in this case, the ferrocene physically immobilized between the polymer chains has a disadvantage of desorbing onto the electrolyte during the operation of the biosensor, contaminating the electrolyte, and rapidly decreasing the current density to reduce the efficiency of the biosensor. have.

그 이외에 다양한 전자전달 매개체인 페로센 유도체를 다양한 고분자 담지체에 물리적 흡착을 통한 바이오센서가 제작 되었다 (J. Razumiene et al., 2000; H. Chena et al., 2008; Y. M. Yan et al., 2008; R.K. Nagarale et al., 2009; L. Zheng et al. 2008).In addition, biosensors have been fabricated by physically adsorbing ferrocene derivatives, which are various mediators, to various polymer carriers (J. Razumiene et al., 2000; H. Chena et al., 2008; YM Yan et al., 2008). RK Nagarale et al., 2009; L. Zheng et al. 2008).

한편, 전자전달 매개체의 탈리 현상을 방어하기 위하여 몇 가지 공유결합형 바이오센서 재료가 개발되었다. O. Azzaroni et al. (2008)은 전자전달 매개체인 페로센 화합물을 효소에 고정화 시키고 avidin-biotin 결합을 통하여 금 전극에 고정화 하였다. 그러나, 이 경우에 있어서 전자전달 매개체인 페로센 화합물을 효소에 고정화 하므로 효소의 삼차원 구조가 변화가 생겨 효율을 급격히 저하될 우려가 있다. J.-D. Qiu et al. (2009)은 탄소나노튜브를 산 처리하여 탄소나노튜브 절단면에 카르복실산을 제조하고 SOCl2와 반응시켜 카르복실산 크로라이드를 제조후, 디아민과 반응시켜 아민기를 갖은 탄소나노튜브를 제조하였다. 그 후, 알데히드기를 갖은 페로센 화합물과 공유 결합하여 전자전달 매개체를 갖은 카본나노튜브를 제조하였다. 그러나 이 경우, 전자전달 매개체를 카본나노튜브에 공유결합으로 도입할 수 있었으나, 바이오물질인 효소, 단백질 및 미생물들이 고정화 할 수 있는 친수성 기능기를 도입할 수 없는 단점을 가지고 있었다. 따라서 이 센서 재료에 바이오 물질인 효소, 단백질, 또는 미생물 등을 고정화 시키는 경우, 상분리가 일어나 센서의 감도능력을 급격히 저하시킬 뿐 아니라 바이오 물질을 안정하게 고정화 할 수 없어 센서의 보존 능력을 급격히 감퇴 시키는 단점을 가지고 있다. 또한, 전자전달 매개체인 페로센 화합물을 카본나노튜브에 도입하기 위하여 많은 반응단계를 가지고 있어, 반응단계마다 부산물이 다량 발생하는 단점을 가지고 있다. 따라서 반응 중에 부산물이 전혀 발생하지 않는 단일공정으로, 공유결합형이며, 전자전달 매개체인 페로센 화합물과 바이오물질인 효소, 단백질, 및 미생물에 친화력이 큰 기능성 기를 동시에 갖은 다기능성 바이오센서 재료의 개발을 필요로 한다.On the other hand, some covalently bonded biosensor materials have been developed to defend against dissociation of electron transfer mediators. O. Azzaroni et al. (2008) immobilized the ferrocene compound, an electron transfer mediator, on the gold electrode through avidin-biotin binding. However, in this case, since the ferrocene compound as an electron transfer medium is immobilized on the enzyme, there is a fear that the three-dimensional structure of the enzyme is changed and the efficiency is drastically lowered. J.-D. Qiu et al. (2009) prepared a carboxylic acid on the cut surface of carbon nanotubes by acid treatment of carbon nanotubes and reacted with SOCl 2 to prepare carboxylic acid chromide, and then reacted with diamine to produce carbon nanotubes having amine groups. Thereafter, carbon nanotubes having an electron transfer mediator were prepared by covalently bonding the ferrocene compound having an aldehyde group. In this case, however, electron transfer mediators could be introduced into the carbon nanotubes as covalent bonds, but they had disadvantages in that they could not introduce hydrophilic functional groups that could be immobilized by biomaterials such as enzymes, proteins and microorganisms. Therefore, when immobilizing biomaterials such as enzymes, proteins, or microorganisms to the sensor material, phase separation occurs, which not only degrades the sensor's sensitivity ability rapidly, but also prevents the biomaterials from being immobilized stably. It has a disadvantage. In addition, in order to introduce the ferrocene compound, which is an electron transporting medium, into carbon nanotubes, it has a number of reaction steps. Therefore, it is a single process that does not generate any by-products during the reaction, and it is possible to develop a multifunctional biosensor material which is covalently bonded, ferrocene compound as an electron transfer medium, enzyme, protein, and microorganism which have a high affinity for microorganisms. in need.

이러한 배경에 기초하여, 본 발명자들은 본 발명에서 반응 중에 부산물이 전혀 발생하지 않는 단일공정으로, 공유결합형이며, 전자전달 매개체인 페로센 화합물과 바이오물질인 효소, 단백질, 및 미생물에 친화력이 큰 기능성 기를 동시에 가진 다기능성 바이오센서 재료를 개발하고, 나아가 바이오센서로서의 가능성을 알아보고자 하였다.Based on this background, the present inventors are a single process in which no by-products are generated during the reaction in the present invention. We developed a multifunctional biosensor material with simultaneous grouping, and further explored its potential as a biosensor.

본 발명자들은 환경, 식품 및 의료 측면에서 유용한 바이오센서를 연구하던 중, 바이오센서의 감지효율을 높이기 위해서는 센서재료에 전자전달 매개체의 도입이 매우 유용한 방법임을 알 수 있었다. 전자전달 매개체의 도입은 물리적인 방법과 공유결합 방법이 있으나, 물리적 방법의 경우에는 측정과정에서 전자전달 매개체가 탈리하므로 이를 극복하여야만 한다. 따라서 공유결합형으로 전자전달 매개체를 고정화 하여야 하며, 또 하나의 중요인자는 바이오 물질과 친화력 혹은 공유결합 할 수 있는 기능기도 동시에 도입하여야 한다. 즉, 두 가지의 기능을 동시에 도입하여야 하며, 반응은 단일공정으로서, 반응과정 중에 부산물이 발생하지 않도록 하여야 산업화에 유리하다.The inventors of the present invention, while studying biosensors useful in the environment, food and medical aspects, it was found that the introduction of an electron transfer medium in the sensor material is a very useful method to increase the detection efficiency of the biosensors. The introduction of the electron transport mediator has a physical method and a covalent bond method, but in the case of the physical method, the electron transport mediator detaches during the measurement process and thus must be overcome. Therefore, the electron transfer mediator should be immobilized in a covalent type, and another important factor should be the introduction of affinity or covalent bonds with biomaterials. That is, the two functions must be introduced at the same time, and the reaction is a single process, so that by-products are not generated during the reaction process, which is advantageous for industrialization.

따라서 본 발명은 전자전달 매개체의 공유결합, 바이오물질 친화성 기능기 공유결합, 및 단일공정 반응을 통한 부산물의 발생의 제어를 통한 다기능성 바이오센서의 재료를 개발하는 것을 목적으로 하고 있다.Accordingly, an object of the present invention is to develop a multifunctional biosensor material by controlling cogeneration of electron transfer mediators, biomaterial affinity functional group covalent bonds, and by-product generation through a single process reaction.

본 발명자들은 본 발명에서 반응 중에 부산물이 전혀 발생하지 않는 단일공정으로, 공유결합형이며, 전자전달 매개체인 페로센 화합물과 바이오물질인 효소, 단백질, 및 미생물에 친화력이 큰 기능성 기를 동시에 갖은 다기능성 바이오센서 재료를 개발하고자 하여 본 발명에 이르게 되었다. 따라서 본 발명의 목적은 바이오물질을 안정하게 고정화 시킬 수 있는 기능기와 바이오물질의 화학반응으로 생성된 전자를 증폭시켜 전달할 수 있는 기능기를 동시에 갖는 것을 특징으로 하는, 다기능성 바이오센서 재료 제조방법, 제조되는 바이오센서 재료, 및 바이오센서 재료를 이용하여 제조되는 바이오센서 등을 제공하는 것이다.In the present invention, the present invention is a single process in which no by-products are generated during the reaction, and is a covalently bonded, multifunctional bio-covalent ferrocene compound and a biomaterial enzyme, protein, and a functional group having a high affinity for microorganisms. The development of sensor materials has led to the present invention. Therefore, an object of the present invention is characterized by having a functional group capable of stably immobilizing a biomaterial and a functional group capable of amplifying and delivering electrons generated by a chemical reaction of the biomaterial, a multifunctional biosensor material manufacturing method, manufacturing It is to provide a biosensor material, and a biosensor manufactured using the biosensor material.

본 발명은 탄소나노튜브에 바이오 물질 친화성 비닐단량체와 전자전달 매개체인 비닐 페로센을 메탄올용액에 분산시키는 단계; 상기 메탄올 용액에, 방사선을 조사하여 비닐 단량체의 비닐기 및 탄소나노튜브의 카본-카본 이중결합에 라디칼을 발생시켜 탄소나노튜브 표면에 바이오 물질 친화성 기능기와 전자전달 기능성을 동시에 그래프트 시키는 단계를 포함하는 다기능성 바이오센서 재료의 제조 방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of dispersing a biomaterial affinity vinyl monomer and carbon ferrocene, an electron transfer medium in a carbon nanotube in a methanol solution; Irradiating the methanol solution with radiation to generate a radical on the vinyl group of the vinyl monomer and the carbon-carbon double bond of the carbon nanotube to simultaneously graf the biomaterial affinity functional group and the electron transfer functionality on the carbon nanotube surface It provides a method for producing a multifunctional biosensor material.

본 발명의 일 구현예로, 상기 바이오 물질 친화성 비닐단량체는 아크릴산(acrylic acid), 메타크릴산(methacrylic acid), 그리시딜 메타크리레이트(glycidyl methacrylate), 말레익 안하이드로(maleic anhydride), 2-하이드록시 메타크리레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 4-비닐페닐보로닉산(4-vinylphenylboronic acid), 소디윰스틸렌셀페이트(sodium styrenesulfonate), 비닐기를 포함하는 이미다좀염, 비닐피롤리돈(vinyl pyrrolidone), 및 비닐기를 갖는 아미노산으로 이루어 진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the invention, the biomaterial affinity vinyl monomer is acrylic acid (acrylic acid), methacrylic acid (methacrylic acid), glycidyl methacrylate (glycidyl methacrylate), maleic anhydride (maleic anhydride), 2 2-hydroxyethyl methacrylate, 4-vinylphenylboronic acid, sodium styrenesulfonate, imidasome salt containing vinyl groups, vinylpyrrolidone ( vinyl pyrrolidone) and an amino acid having a vinyl group.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 전자전달 매개체는 비닐 페로센 또는 헤모글로빈인 것을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, the electron transport medium is characterized in that the vinyl ferrocene or hemoglobin.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 다기능성 바이오센서 재료를 제공한다.The present invention also provides a multifunctional biosensor material produced by the above method.

또한, 본 발명은 상기 다기능성 바이오센서 재료를 이용하여 제조되는 다기능성 바이오센서를 제공한다.The present invention also provides a multifunctional biosensor manufactured using the multifunctional biosensor material.

본 발명은 다기능성 바이오센서 재료의 제조 방법 및 이를 이용한 고효율 바이오센서에 관한 것으로, 본 발명의 다기능성 바이오센서 재료를 이용하여 제조되는 다기능성 바이오센서의 경우, 페놀의 측정에 있어서, 감지 효율이 우수하며, 온도 및 습도 등의 환경 영향을 받지 않고 재현가능 및 저장 안정성을 보인다. 다기능성을 넓은 표면적과 우수한 전도성을 가지는 탄소나노튜브에 도입함으로서 바이오 물질을 안정하게 고정화 시킬 뿐 아니라, 바이오 물질인 효소의 반응으로부터 생성된 전자를 증폭하여 센서에 전달하기 때문이다. 궁극적으로 본 발명의 다기능성 바이오센서 재료는 산업상 이용 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.The present invention relates to a method for producing a multifunctional biosensor material and a high efficiency biosensor using the same. In the case of a multifunctional biosensor manufactured using the multifunctional biosensor material of the present invention, in the measurement of phenol, the detection efficiency is increased. It is excellent and shows reproducible and storage stability without being influenced by environment such as temperature and humidity. This is because the introduction of versatility into carbon nanotubes having a large surface area and excellent conductivity not only stably fixes the biomaterial but also amplifies the electrons generated from the reaction of the biomaterial enzyme and transfers them to the sensor. Ultimately, the multifunctional biosensor material of the present invention is expected to have a high industrial applicability.

도 1은 본 발명에 사용된 다양한 바이오물질 친화성 비닐단량체의 구조 및 전자전달 기능을 증폭하는 전자전달 매개체로 사용되는 비닐단량체 (L)의 구조이다.
도 2는 다기능성 바이오센서 재료 및 페놀 측정용 바이오센서 제작과정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 다기능성 바이오센서 재료의 TEM 이미지 결과이다.
도 4는 다기능성 바이오센서 재료의 XPS분석 결과이다.
도 5는 다기능성 바이오센서 재료의 열분석도이다.
도 6은 다기능성 바이오센서 재료의 CV결과이다.
도 7은 효소기반 바이오센서의 농도에 따른 검량곡선(a) 및 효소기반 바이오센서의 감지결과를 나타낸 CV결과(b)이다.1 is a structure of a vinyl monomer (L) used as an electron transfer medium for amplifying the structure and electron transfer function of various biomaterial affinity vinyl monomers used in the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the multi-functional biosensor material and biosensor for phenol measurement.
3 is a TEM image result of a multifunctional biosensor material.
4 is an XPS analysis result of the multifunctional biosensor material.
5 is a thermal analysis of a multifunctional biosensor material.
6 is a CV result of a multifunctional biosensor material.
7 is a calibration curve (a) according to the concentration of the enzyme-based biosensors and CV results (b) showing the detection results of the enzyme-based biosensors.

본 발명자들은 본 발명에서 반응 중에 부산물이 전혀 발생하지 않은 단일공정으로 하며, 공유결합형이며, 전자전달 매개체인 페로센 화합물과 바이오물질인 효소, 단백질, 및 미생물에 친화력이 큰 기능성 기를 동시에 가진 다기능성 바이오센서 재료를 개발하고자 하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 따라서, 본 발명은 바이오물질을 안정하게 고정화 시킬 수 있는 기능기와 바이오물질의 화학반응으로 생성된 전자를 증폭시켜 전달할 수 있는 기능기를 동시에 갖는 것을 특징으로 하는, 다기능성 바이오센서 재료 제조방법, 제조되는 바이오센서 재료, 및 바이오센서 재료를 이용하여 제조되는 바이오센서 등을 제공한다.The present inventors have a single process in which no by-products are generated during the reaction in the present invention, and are covalently bonded, multifunctional, having a functional group having a high affinity for ferrocene compounds, electron transfer mediators, enzymes, proteins, and microorganisms. In order to develop a biosensor material, the present invention has been completed. Therefore, the present invention is characterized in that it has a functional group capable of stably immobilizing a biomaterial and a functional group capable of amplifying and delivering electrons generated by a chemical reaction of the biomaterial, the method of producing a multifunctional biosensor material, A biosensor material, a biosensor manufactured using the biosensor material, and the like are provided.

본 발명은 메탄올 용매에서 정제 탄소나노튜브, 도 1의 비닐페로센 (도 1L) 및 기능성 비닐단량체 (도 1C)를 단일공정으로 탄소나노튜브에 공중합 그래프트를 시키는 것이다.The present invention is to copolymerize the grafted carbon nanotubes in a single process in a purified carbon nanotube, a vinyl ferrocene (FIG. 1L) and a functional vinyl monomer (FIG. 1C) in a methanol solvent.

본 발명에 사용되는 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)이며, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않고 시판되는 제품을 구입하여 사용하거나 통상적인 방법으로 제조하여 사용할 수 있다. The carbon nanotubes used in the present invention are multi-walled carbon nanotubes (MWNT) or single-walled carbon nanotubes (SWNT), and are not particularly limited and may be purchased and used commercially or without limitation unless the object of the present invention is impaired. It can manufacture and use by a phosphorus method.

본 발명의 일 실시예로서 정제 탄소나노튜브 (0.2 g), 그리시딜 메타크리레이트 (도 1C, 0.56 mmol), 및 비닐페로센 (도 1L, 0.56 mmol)을 메탄올 (350 mL)에 분산 시켰다. 분산시킨 후, 분산 시킨 반응용매를 질소 버블링을 약 30분 동안 수행한 다음, 방사선, 바람직하게는 γ-선을 총량 25 내지 35 kGy, 바람직하게는 총량 30 kGy 조사하여 탄소나노튜브 표면에 비닐단량체의 비닐기에 라디칼과 탄소나노튜브 외벽의 탄소-탄소 이중결합에 라디칼을 발생시켜 다기능성기가 그래프트 된 탄소나노튜브를 제조하였다.As an embodiment of the present invention, purified carbon nanotubes (0.2 g), glycidyl methacrylate (FIG. 1C, 0.56 mmol), and vinyl ferrocene (FIG. 1L, 0.56 mmol) were dispersed in methanol (350 mL). After dispersing, the dispersed reaction solvent was subjected to nitrogen bubbling for about 30 minutes, and then irradiated with radiation, preferably γ-rays in a total amount of 25 to 35 kGy, preferably 30 kGy in total, to the carbon nanotube surface. Radicals were generated in the vinyl group of the monomer and the carbon-carbon double bond of the outer wall of the carbon nanotube to prepare a carbon nanotube grafted with a multifunctional group.

본 발명에 따른 다기능성기를 갖은 탄소나노튜브의 제조 공정은 단일공정으로 대량합성이 가능하며, 부산물이 전혀 발생하지 않은 장점을 가지고 있다. 본 발명에 따른 기능성 비닐단량체, 전자전달 매개체가 공중합 그래프트 된 탄소나노튜브는 바이오센서 등에 유용하게 이용될 수 있다.
The manufacturing process of the carbon nanotubes having the multifunctional group according to the present invention has the advantage that mass synthesis is possible in a single process, and no by-products are generated. Functional vinyl monomers and carbon nanotubes copolymerized with the electron transfer mediator according to the present invention can be usefully used in biosensors and the like.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제시한다. 그러나 하기의 실시 예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시 예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.

실시 예 1 : Example 1: 탄소나노튜브에On carbon nanotubes 바이오물질  Bio material 친화성기를Affinity group 갖는  Have 글리시딜Glycidyl 메타크릴레이트Methacrylate 및 전자전이 매개체를 갖은 비닐  And vinyl with electron transfer medium 페로센을Ferrocene 공중합  Copolymerization 그래프트Graft 시켜  Let 제조하는 바Manufactured Bar 이오센서 재료Ion sensor material

정제 탄소나노튜브(MWNT) 0.2 g을 메탄올 350 ml에 초음파 분산기로 30분간 분산시킨 후, 글리시딜 메타크릴레이트(도 1C), 전자전달 매개체인 비닐 페로센(도 1L)을 각각 0.56 g, 0.56 g을 첨가하여 30분간 분산시켰다. 그리고, 질소 버블링을 약 30분 동안 수행한 다음, γ-선을 총량 30 kGy으로 조사하였다. 이 과정을 통해, 글리시딜 메타크릴레이트와 비닐 페로센이 그래프트 된 탄소나노튜브를 제조하였다 (도 2 참조).0.2 g of purified carbon nanotubes (MWNT) were dispersed in 350 ml of methanol for 30 minutes with an ultrasonic disperser, and then 0.56 g and 0.56 of glycidyl methacrylate (Fig. 1C) and vinyl ferrocene (Fig. g was added and dispersed for 30 minutes. Then, nitrogen bubbling was performed for about 30 minutes, and then γ-rays were irradiated with a total amount of 30 kGy. Through this process, glycidyl methacrylate and vinyl ferrocene grafted carbon nanotubes were prepared (see FIG. 2).

또한, 상기 방법으로 바이오물질 친화성 기를 갖은 비닐 단량체와 전자전달 매개체로 사용되는 비닐 페로센의 몰 비율을 달리하여 바이오센서 재료를 제조하였다. 다양한 바이오센서 재료의 제조 조건 등은 표 1에 나타내고 있다. In addition, the biosensor material was prepared by varying the molar ratio of the vinyl monomer having a biomaterial affinity group and the vinyl ferrocene used as an electron transfer medium. Table 1 shows the manufacturing conditions of various biosensor materials.

또한, 표 1에서는 기능성 비닐단량체인 그리시딜 메타크리레이트와 비닐 페로센의 몰 비율에 따른 바이오센서 재료의 그래프트 수율(graft yield) 및 전류밀도를 나타내고 있다. 그리시딜 메타크리레이트(Glycidyl methacrylate, GMA)와 비닐 페로센(Vinyl ferrocene, VF)의 몰 비율을 1:0, 4:1, 3:2, 2:3, 1:4, 0:1 의 몰 비율로 분류하였고, 그래프트 수율은 열분석도로 기재하였다. 철 함량은 XPS 분석 결과이다. 또한, 전류 밀도는 CV(Cyclo voltametry) 결과에 따른 최대 전류 값을 기재하였다. 그 결과, 전자전달 매개체인 비닐 페로센의 함량이 높을수록 전류밀도 또한 높아짐을 알 수 있었다 (표 1 참조). 또한 이 결과를 통해 비닐 페로센에 존재하는 Fe2 +/3+반응에 의해 전자전달 효율을 증폭되는 것을 알 수 있다.Table 1 also shows the graft yield and the current density of the biosensor material according to the molar ratio of the functional vinyl monomer glycidyl methacrylate and vinyl ferrocene. The molar ratio of glycidyl methacrylate (GMA) to vinyl ferrocene (VF) is 1: 0, 4: 1, 3: 2, 2: 3, 1: 4, and 0: 1. The graft yield is described by thermal analysis. Iron content is the result of XPS analysis. In addition, the current density described the maximum current value according to the CV (Cyclo voltametry) results. As a result, it was found that the higher the content of vinyl ferrocene, an electron transfer medium, the higher the current density (see Table 1). In addition, the results show that the electron transfer efficiency is amplified by the Fe 2 + / 3 + reaction present in the vinyl ferrocene.

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실시 예 2 : 다기능성 바이오재료의 평가Example 2 Evaluation of Multifunctional Biomaterials

상기 실시 예 1에서 제조한 다기능성 바이오센서 재료가 성공적으로 제조되었음을 확인하기 위하여 분석평가를 수행하였다.Analytical evaluation was performed to confirm that the multifunctional biosensor material prepared in Example 1 was successfully manufactured.

도 3은 TEM(Transmission electron microscopy) 이미지 분석 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로 TEM은 고 에너지를 가진 전자가 얇은 시편에 입사되어 투과된 전자의 위상과 강도에 의하여 영상이 형성되는 현상이다. 도 3A는 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)이고, 도 3B는 다기능성 기를 갖는 탄소나노튜브이다. 다기능성 기를 갖는 탄소나노튜브의 지름이 더 넓어진 것으로 보아 성공적으로 제조되었음을 확인 할 수 있다. Figure 3 shows the transmission electron microscopy (TEM) image analysis results. Specifically, the TEM is a phenomenon in which an image having a high energy is formed by the phase and intensity of electrons incident on a thin specimen. 3A is a multi-walled carbon nanotube (MWNT), and FIG. 3B is a carbon nanotube having a multifunctional group. The diameter of the carbon nanotubes having a multifunctional group can be seen to be wider than that of successful manufacture.

또한, 도 4는 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로 XPS는 고체표면과 계면의 구성원소나 그의 화학결합 상태를 밝혀내는 전자분광법의 하나로, 금속, 촉매 등의 시료표면층에 분포되어 있는 원소를 정성 및 정량분석 하는 것이다. 표 1에서 나타낸 그리시딜 메타크리레이트와 비닐 페로센의 몰 비율에 따른 다기능성 기를 갖는 탄소나노튜브(No. 1 내지 6)를 측정한 결과를 도 4에 나타내었으며 철 함량은 표 1에 기재하였다.4 shows the results of x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. Specifically, XPS is an electron spectroscopy method that reveals the element and the chemical bonding state of the solid surface and the interface, and qualitatively and quantitatively analyzes elements distributed in sample surface layers such as metals and catalysts. The results of measuring the carbon nanotubes (No. 1 to 6) having a multifunctional group according to the molar ratio of glycidyl methacrylate and vinyl ferrocene shown in Table 1 are shown in FIG. 4 and iron contents are shown in Table 1.

이에 더하여, 도 5는 TGA(Thermogravimetric Analysis) 열분석 결과이다. 구체적으로 TGA는 온도변화에 따른 시료의 무게변화를 측정하여 분석하는 방법이다. 표 1에서 나타낸 그리시딜 메타크리레이트와 비닐 페로센의 몰 비율에 따른 다기능성 기를 갖는 탄소나노튜브(No. 1 내지 6)를 측정한 결과를 도 5에 나타내었으며, 그래프트 수율은 표 1에 기재하였다.In addition, FIG. 5 is a result of thermogravimetric analysis (TGA) thermal analysis. Specifically, TGA is a method of measuring and analyzing the weight change of a sample according to temperature change. The results of measuring the carbon nanotubes (No. 1 to 6) having a multifunctional group according to the molar ratio of glycidyl methacrylate and vinyl ferrocene shown in Table 1 are shown in FIG. 5, and the graft yield is shown in Table 1. .

도 3 내지 5에 나타난 바와 같이, 단일공정으로 다기능성 바이오센서 재료가 성공적으로 제조됨을 확인 할 수 있었다.
As shown in Figures 3 to 5, it could be confirmed that the multifunctional biosensor material was successfully manufactured in a single process.

실시 예 3 : 다기능성 바이오센서 재료의 전자전달 능력 평가Example 3 Evaluation of Electron Transfer Capability of Multifunctional Biosensor Material

본 발명자들은 전자전달 매개체인 비닐 페로센의 함량이 증가하면서 전자전달 능력이 향상되는지를 알아보기 위하여, 하기와 같이 전극을 제조하였다.The present inventors prepared the electrode as follows to determine whether the electron transfer ability is improved while increasing the content of the vinyl ferrocene, an electron transfer medium.

구체적으로, 실시예 1의 방법으로 제조된 다기능성 바이오센서 재료 (3.0 mg)를 N,N'-디메틸포름아미드(1 ml), 물(1 ml)에 용해시켜 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리 용액을 피펫으로 (7.0 ㎕)취하여 GC전극에 코팅한 후, 전해질인 포스페이트 버퍼에서 전자전달 능력을 평가하고 그 결과를 도 6에 나타내었다.Specifically, a slurry was prepared by dissolving the multifunctional biosensor material (3.0 mg) prepared by the method of Example 1 in N, N'-dimethylformamide (1 ml) and water (1 ml). The slurry solution was pipetted (7.0 μl), coated on a GC electrode, and then the electron transfer ability was evaluated in an electrolyte phosphate buffer, and the results are shown in FIG. 6.

그 결과, 도 6에 나타난바와 같이, 표 1에서 나타낸 그리시딜 메타크리레이트와 비닐 페로센의 몰 비율에 따른 다기능성 기를 갖는 탄소나노튜브(No. 2 내지 5)의 전자전달 매개체인 비닐 페로센의 함량이 증가함에 따라 전자전달 능력이 향상됨을 알 수 있었다.
As a result, as shown in Figure 6, the content of vinyl ferrocene, an electron transfer medium of carbon nanotubes (No. 2 to 5) having a multi-functional group according to the molar ratio of the glycidyl methacrylate and vinyl ferrocene shown in Table 1 As this increased, the electron transfer ability was improved.

실시 예 4 : Example 4: 다기능성Multifunctional 바이오센서 재료의 바이오 물질 친화성 능력 평가  Evaluation of Biomaterial Affinity of Biosensor Materials

본 발명자들은 다기능성 바이오센서재료의 바이오 물질인 효소의 친화성을 알아보기 위하여, 상기 실시 예 3의 방법으로 다기능성 전극을 제작하고, 그 표면에 하기의 방법으로 페놀산화 효소인 티로시나아제를 담지 시켰다. The present inventors fabricated a multifunctional electrode by the method of Example 3 in order to determine the affinity of the enzyme, a biomaterial of the multifunctional biosensor material, and the tyrosinase as a phenol oxidase by the following method on the surface thereof. It was supported.

구체적으로 티로시나아제 (2.0 mg)를 포스페이트 버퍼 (1.0 ml)에 용해시킨 후, 이 용액에 상기 실시 예 3의 방법으로 제조된 다기능성 전극을 4℃, 24시간 동안 담지 시켜 페놀 감지용 바이오센서를 제작하고 센싱한 결과를 도 7에 나타내었다.Specifically, after dissolving tyrosinase (2.0 mg) in phosphate buffer (1.0 ml), a multifunctional electrode prepared by the method of Example 3 was loaded on this solution for 4 hours at 24 ° C. to detect phenol. 7 shows the results of sensing and sensing.

도 7에 나타난 바와 같이, 제조된 바이오센서의 센싱 범위는 0.1 내지 20 mM 이었다 (도 7A). 또한, 페놀 감지용 바이오센서의 센싱 범위를 CV결과로 나타내고 있으며, 페놀 농도가 증가 될수록 전류 값이 일정하게 증가됨을 보여주고 있다 (도 7B). 또한 이 결과를 통해 바이오 물질인 효소, 단백질, 미생물 등이 바이오 물질 친화성 기능기에 안정하게 고정화시킬 수 있음을 보여주고 있다.
As shown in FIG. 7, the sensing range of the manufactured biosensor was 0.1 to 20 mM (FIG. 7A). In addition, the sensing range of the phenol sensing biosensor is represented by the CV result, and it shows that the current value is constantly increased as the phenol concentration is increased (FIG. 7B). The results also show that biomaterials such as enzymes, proteins and microorganisms can be immobilized stably in biomaterial affinity functional groups.

실시 예 5 : Example 5: 다기능성Multifunctional 바이오센서 재료의 산업상 이용가능성 평가 Industrial Applicability Assessment of Biosensor Materials

본 발명자들은, 상기 실시 예 1의 방법으로 제조되는 다기능성 바이오센서 재료를 이용하여 제작된 바이오센서를 이용, 적포도주에서 폴리페놀 함량을 분석하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. The present inventors analyzed the polyphenol content in red wine using a biosensor manufactured using the multifunctional biosensor material prepared by the method of Example 1, and the results are shown in Table 2.

또한, 한국산 주스 속에 포함된 폴리페놀 함량을 분석하여 그 결과를 표 3 및 4에 나타내었다. In addition, the results of analyzing the polyphenol content contained in Korean juices are shown in Tables 3 and 4.

Figure pat00002
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표 2 내지 4에 나타난 바와 같이, 상기 실시 예 1의 방법으로 제조되는 다기능성 바이오센서 재료를 이용하여 제작된 바이오센서는 산업상 이용 가능성이 매우 높다는 것을 확인하였다.As shown in Tables 2 to 4, it was confirmed that a biosensor manufactured using the multifunctional biosensor material manufactured by the method of Example 1 has a high industrial applicability.

Claims (5)

(1) 탄소나노튜브에 바이오 물질 친화성 비닐단량체와 전자전달 매개체인 비닐 페로센을 메탄올용액에 분산시키는 단계;
(2) 상기 메탄올 용액에, 방사선을 조사하여 비닐 단량체의 비닐기 및 탄소나노튜브의 카본-카본 이중결합에 라디칼을 발생시켜 탄소나노튜브 표면에 바이오 물질 친화성 기능기와 전자전달 기능성을 동시에 그래프트 시키는 단계를 포함하는, 다기능성 바이오센서 재료의 제조 방법.
(1) dispersing a biomaterial affinity vinyl monomer and carbon ferrocene as an electron transfer medium in a carbon nanotube in a methanol solution;
(2) irradiating the methanol solution with radiation to generate radicals on the vinyl group of the vinyl monomer and the carbon-carbon double bond of the carbon nanotube to simultaneously graft the biomaterial affinity functional group and the electron transfer functionality on the carbon nanotube surface; Comprising the steps of: producing a multifunctional biosensor material.
제 1항에 있어서,
상기 바이오 물질 친화성 비닐단량체는 아크릴산(acrylic acid), 메타크릴산(methacrylic acid), 그리시딜 메타크리레이트(glycidyl methacrylate), 말레익 안하이드로(maleic anhydride), 2-하이드록시 메타크리레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 4-비닐페닐보로닉산(4-vinylphenylboronic acid), 소디윰스틸렌셀페이트(sodium styrenesulfonate), 비닐기를 포함하는 이미다좀염, 비닐피롤리돈(vinyl pyrrolidone), 및 비닐기를 갖는 아미노산으로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 다기능성 바이오센서 재료의 제조 방법.The method of claim 1,
The biomaterial affinity vinyl monomer is acrylic acid, methacrylic acid, glycidyl methacrylate, maleic anhydride, 2-hydroxy methacrylate (2). -hydroxyethyl methacrylate), 4-vinylphenylboronic acid, sodium styrenesulfonate, imidasome salt containing vinyl group, vinylpyrrolidone, and vinyl group The method for producing a multifunctional biosensor material, which is selected from the group consisting of amino acids. 제 1항에 있어서,
상기 전자전달 매개체는 비닐 페로센 또는 헤모글로빈인 것인, 다기능성 바이오센서 재료의 제조 방법.The method of claim 1,
Wherein said electron transfer medium is vinyl ferrocene or hemoglobin. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 다기능성 바이오센서 재료.A multifunctional biosensor material prepared according to the method of claim 1. 제 4항의 다기능성 바이오센서 재료를 이용하여 제조되는 다기능성 바이오센서.A multifunctional biosensor manufactured using the multifunctional biosensor material of claim 4.
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