KR20130084377A - Method of enzyme immobilization on electrode surface, enzyme sensor thereof and biosensor comprising the same - Google Patents

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KR20130084377A KR1020120005099A KR20120005099A KR20130084377A KR 20130084377 A KR20130084377 A KR 20130084377A KR 1020120005099 A KR1020120005099 A KR 1020120005099A KR 20120005099 A KR20120005099 A KR 20120005099A KR 20130084377 A KR20130084377 A KR 20130084377A
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Abstract

PURPOSE: An enzyme fixation method is provided to fix biocatalysts such as an enzyme on the surface of an electrode by simple and effective electrodeposition (ED) and to have long-term enzyme activity and stability on the surface of the electrode. CONSTITUTION: An enzyme fixation method comprises the steps of: applying predetermined applied voltage to a mixture solution containing chitosan, an electron carrier, an enzyme, and a buffer solution; and electrodeposition by forming a complex layer of the chitosan and the enzyme on an electrode. The method also comprises the step of fixing the complex layer through adsorption by providing a predetermined quiet time before electrodeposition. An enzyme electrode is prepared by fixing the enzyme on the electrode and comprises the complex layer fixed in a thickness of 100-1000 nm. A biosensor contains the enzyme electrode on the electrode.

Description

효소 고정 방법, 이에 의한 효소 센서 및 이를 포함하는 바이오센서{Method of enzyme immobilization on electrode surface, Enzyme sensor thereof and Biosensor comprising the same} Enzyme immobilization method, enzymatic sensor and biosensor comprising the same {Method of enzyme immobilization on electrode surface, Enzyme sensor about and Biosensor comprising the same}

본 발명은 효소 고정 방법, 이에 의한 효소 센서 및 이를 포함하는 바이오센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극표면에 간단한 방법으로 다량의 효소를 고정하는 효소 고정 방법, 이에 의한 효소 센서 및 이를 포함하는 바이오센서에 관한 것이다.The present invention relates to an enzyme fixation method, an enzyme sensor and a biosensor comprising the same. More specifically, the enzyme fixation method for fixing a large amount of enzyme to the electrode surface by a simple method, an enzyme sensor and a bio-containing device Relates to a sensor.

바이오 전극소자의 기본특징은 전도체나 반도체 전극상에 바이오물질의 고정이나 생체 매트릭스와 결합된 생체 기능기의 전자전달 메카니즘을 이용한 것이다. 전극표면 상에 산화환원 효소와 같은 바이오물질의 고정화는 간단한 화학 물리 흡착, 고분자 용액 캐스팅, 졸 겔 기법, 공유결합, 가교 등이 있다. The basic feature of the bioelectrode device is the use of an electron transfer mechanism of a biofunctional group bonded to a biomatrix or a biomaterial fixed on a conductor or a semiconductor electrode. Immobilization of biomaterials such as redox enzymes on the electrode surface includes simple chemical physisorption, polymer solution casting, sol gel technique, covalent bonding, and crosslinking.

최근에는 높은 선택성과 감도를 가지며 시료가 혼탁하더라도 시료를 별도 전처리 없이 사용 가능하며 단시간 내에 정확한 측정이 가능한 전착(Electrodeposition, ED) 원리에 기초한 바이오센서가 도입되었다. 이러한 바이오센서는 전자전달체로서 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염(organic conducting salt), 또는 비오로겐(viologen) 등을 사용하는 것이 일반적이다. Recently, biosensors based on the Electrodeposition (ED) principle have been introduced, which have high selectivity and sensitivity and can be used without any pretreatment even if the sample is turbid and can accurately measure within a short time. Such biosensors generally use ferrocene, ferrocene derivatives, quinones, quinone derivatives, organic conducting salts, or viologens as electron transporters.

바이오센서의 전기화학적 원리는 다음과 같다. The electrochemical principle of the biosensor is as follows.

글루코오스 + GOx -FAD 글루코산 + GOx -FADH2Glucose + GOx -FAD Glucose + GOx -FADH2

GOx -FADH2+ 전자전달체(산화상태) GOx -FAD + 전자전달매개체(환원상태)GOx -FADH2 + electron transporter (oxidized state) GOx -FAD + electron transporter (reduced state)

위의 반응식에서, GOx는 글루코오스 산화효소를 나타내고, GOX-FAD 및 GOX-FADH2 는 각각 글루코오스 산화효소의 활성부위인 FAD(flavin adeninedi nucleotide)의 산화상태 및 환원상태를 나타낸다. In the above scheme, GOx represents glucose oxidase, and GOX-FAD and GOX-FADH2 represent the oxidation state and reduction state of FAD (flavin adeninedi nucleotide), which are active sites of glucose oxidase, respectively.

글루코오스 산화효소의 촉매작용에 의해서 글루코오스는 글루코산으로 산화된다. 이때 글루코오스 산화효소의 활성 부위인 FAD가 환원되어 FADH2 로 된다. 환원된 FADH2 는 전자전달체와의 산화환원반응을 하여 FADH2 는 FAD로 산화되고, 전자전달체는 환원된다. 환원상태의 전자전달체는 전극표면까지 확산되는데, 이때 전극표면에서 환원상태의 전자전달체의 산화전위를 인가하여 생성되는 전류를 측정한다.By the catalysis of glucose oxidase, glucose is oxidized to glucose acid. At this time, FAD which is an active site of glucose oxidase is reduced to FADH2. The reduced FADH2 undergoes a redox reaction with the electron transporter, whereby the FADH2 is oxidized to FAD and the electron transporter is reduced. The reduced electron carrier diffuses to the surface of the electrode. At this time, the current generated by applying the oxidation potential of the reduced electron carrier is measured.

이러한 바이오센서의 작동에 있어서, 산화효소를 전극표면에 다량으로 균일하게 분포시켜 고정화하는 방법이 연구되고 있다. 하지만, 보다 간단한 공정에 의해 효율적/안정적으로 효소를 전극표면에 고정화한 바이오센서 제조방법이 여전히 요구된다. In the operation of such a biosensor, a method of uniformly distributing a large amount of oxidase on the electrode surface and immobilizing has been studied. However, there is still a need for a biosensor manufacturing method in which an enzyme is immobilized on an electrode surface efficiently and stably by a simpler process.

본 발명은 간단한 공정에 의해 효율적/안정적으로 효소를 전극표면에 전착을 이용하여 고정하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for immobilizing an enzyme on an electrode surface efficiently and stably by a simple process.

본 발명은 효소가 전극표면에 다량으로 장시간 유지되어 민감도가 향상된 효소전극 및 바이오센서를 제공하는 것이다. The present invention is to provide an enzyme electrode and a biosensor, the enzyme is maintained at a large amount on the electrode surface for a long time to improve the sensitivity.

본 발명의 하나의 양상은 키토산, 전자전달체, 효소, 완충액을 포함하는 혼합용액에 소정의 인가전압을 가하여 키토산과 효소의 복합층을 전극 상에 형성하는 전착단계를 포함하되, One aspect of the present invention includes an electrodeposition step of forming a complex layer of chitosan and enzyme on an electrode by applying a predetermined applied voltage to a mixed solution containing chitosan, an electron carrier, an enzyme, a buffer solution,

상기 방법은 상기 전착단계 전에 소정의 대기시간(quiet time)을 제공하여 상기 전극 상에 키토산과 효소의 복합층을 흡착으로 고정하는 단계를 포함하는 전극 상에 형성하는 효소 고정 방법에 관계한다.The method relates to an enzyme fixation method for forming on an electrode comprising providing a predetermined wait time prior to the electrodeposition step to immobilize a complex layer of chitosan and enzyme on the electrode by adsorption.

본 발명의 다른 양상은 작동전극 상에 100~1000nm의 두께로 고정된 키토산-산화환원효소 복합층을 포함하는 효소전극 및 바이오센서에 관계한다.Another aspect of the invention relates to an enzyme electrode and a biosensor comprising a chitosan-redox enzyme complex layer fixed at a thickness of 100-1000 nm on a working electrode.

본 발명에 의한 제조방법은 효소와 같은 생촉매들을 간편하고 효과적인 전착 방법에 의해 전극 표면에 고정할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 다량의 효소가 균일하게 고정되고, 전극표면에서의 효소 활성, 안정성이 장기가 유지되기 때문에 반복적으로 사용이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의해 제조된 바이오센서는 센서의 안정성, 민감성이 향상될 수 있다.The production method according to the present invention can fix biocatalysts such as enzymes to the electrode surface by a simple and effective electrodeposition method. In addition, according to the present invention, since a large amount of enzyme is fixed uniformly, and enzyme activity and stability on the electrode surface are maintained for a long time, it can be used repeatedly. Therefore, the biosensor manufactured by the present invention can improve the stability and sensitivity of the sensor.

도 1은 하나의 기판 위에 스크린 프린팅으로 형성된 전극시스템이 반응부에 설치된 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의해 전극 상에 효소가 고정된 SEM이미지이다.
도 3은 키토산의 농도에 따른 (촉매)전류 흐름의 분포 값을 나타내는 그래프이다.
도 4는 GOx 농도 증가에 따른 (촉매)전류흐름의 분포 값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 인산염 완충액 농도에 따른 전류흐름의 분포 값을 나타내는 그래프이다.
도 6은 McIlvaine 완충액의 pH를 3-6으로 변경시키면서 혼합용액의 pH 변화에 따른 전착 후의 전류 흐름을 각각 나타낸 그래프이다.
도 7은 대기시간에 따른 전류 흐름을 나타내는 곡선이다.
도 8은 인가전압에 따른 전류 흐름을 나타내는 그래프이다.
도 9는 각각의 전착시간에 따라 효소(GOx)가 고정된 전극들의 촉매 전류흐름을 나타내는 그래프이다.
도 10의 (a)는 글루코스를 주입하지 않은 경우 (b)는 30mM 글루코스를 주입한 경우, (c)는 효소를 고정하지 않은 SPCE 전극에 GOx수용액을 넣은 후 여기에 30mM 글루코스를 주입한 경우에 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다.
도 11의 (a)는 H2O2를 주입하지 않은 경우 (b)는 0.15mM H2O2를 주입한 경우에 대해 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다.
도 12는 NiR이 고정된 SPCE전극에 (a)아질산염(Nitrite)를 주입하지 않은 경우 (b)0.1mM 아질산염을 주입한 경우, (c)0.5mM의 아질산염(Nitrite)을 주입한 후 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다.
도 13은 실시예 11에서 수득한 NiR과 CHIT-V이 고정된 SPCE전극에 (a)아질산염(Nitrite)를 주입하지 않은 경우 (b)0.5mM 아질산염을 주입한 경우에 대해 각각 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다.
1 is a schematic diagram of an electrode system formed by screen printing on a substrate in a reaction unit.
Figure 2 is a SEM image of the enzyme fixed on the electrode by the present invention.
3 is a graph showing the distribution value of the (catalyst) current flow according to the concentration of chitosan.
Figure 4 is a graph showing the distribution value of the (catalyst) current flow with increasing GOx concentration.
5 is a graph showing the distribution value of the current flow according to the phosphate buffer concentration.
6 is a graph showing the current flow after electrodeposition according to the pH change of the mixed solution while changing the pH of McIlvaine buffer to 3-6, respectively.
7 is a curve showing the current flow according to the waiting time.
8 is a graph illustrating a current flow according to an applied voltage.
9 is a graph showing the catalytic current flow of the electrodes (GOx) is fixed with each electrodeposition time.
Figure 10 (a) is not injected with glucose (b) is injected with 30mM glucose, (c) is a case of injecting 30mM glucose into the GOx aqueous solution to the SPCE electrode does not fix the enzyme Cyclic voltammograms are measured.
(A) of FIG. 11 is a graph in which cyclic voltammograms are measured when 0.12 mM H2O2 is injected when (b) is not injected.
12 shows (a) when nitrite (Nitrite) is not injected into a NiC-fixed SPCE electrode (b) when 0.1mM nitrite is injected, and (c) circulating voltage current after injection of 0.5mM nitrite (Nitrite) (Cyclic voltammograms) is a graph measured.
FIG. 13 shows cyclic voltage currents (Cyclic) for the case where (a) nitrite was not injected into the SPCE electrode fixed with NiR and CHIT-V obtained in Example 11, and (b) 0.5 mM nitrite was injected. voltammograms)

본 발명은 키토산, 전자전달체, 효소, 완충액을 포함하는 혼합용액에 소정의 인가전압을 가하여 키토산과 효소의 복합층을 전극 상에 형성하는 전착단계를 포함하는 효소고정 방법이다. The present invention is an enzyme fixation method comprising an electrodeposition step of forming a complex layer of chitosan and enzyme on an electrode by applying a predetermined applied voltage to a mixed solution containing chitosan, an electron carrier, an enzyme, a buffer.

본 발명은 종래 공지된 전착시스템을 사용할 수 있다. 전극시스템에 대해 특별한 제한이 없으나 작동전극, 상대전극, 기준전극을 포함하는 3전극 시스템을 사용할 수 있다. 상기 전극시스템은 상기 전극들이 하나의 기판 위에 형성될 수 있으며, 또한, 두 개 내지 세 개의 기판위에 각각 형성될 수 있다. The present invention can use a conventionally known electrodeposition system. There is no particular limitation on the electrode system, but a three-electrode system including a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode may be used. In the electrode system, the electrodes may be formed on one substrate and may be formed on two to three substrates, respectively.

도 1은 하나의 기판 위에 스크린 프린팅으로 형성된 전극시스템이 반응부에 설치된 개략도이다. 도 1을 참조하면, 상기 전극시스템(1)은 스트립상의 절연성 기판 위에 SPCE(screen-printed carbon paste electrode) 전극을 스크린-프린팅(screen-printing)으로 작동전극(working electrode, WE), 상대전극(counter electrode, CE), 기준전극(reference electrode, RE)을 형성할 수 있다.1 is a schematic diagram of an electrode system formed by screen printing on a substrate in a reaction unit. Referring to FIG. 1, the electrode system 1 is a screening-printing screen-printed carbon paste electrode (SPCE) electrode on an insulating substrate on a strip. counter electrode (CE), reference electrode (RE) can be formed.

상기 작동 전극은 효소가 고정되어 환원반응에 의한 전류를 감지하는 역할을 하며, 재질에 대해 특별한 제한이 없으나, 탄소 전극으로서 탄소 페이스트(carbon paste) 전극 또는 변형된 탄소 페이스트(modified carbon paste) 전극이 바람직하다. 탄소 페이스트는 가격이 저렴하여 1회용으로 사용할 수 있고, 대량생산이 가능하며, 여기에 고정된 효소가 상대적으로 안정한 장점이 있다.The working electrode serves to sense an electric current by a reduction reaction by fixing an enzyme, and there is no particular limitation on the material, but as a carbon electrode, a carbon paste electrode or a modified carbon paste electrode is used. desirable. Carbon paste is inexpensive and can be used for single use, mass production is possible, and the enzyme immobilized there is a relatively stable advantage.

상기 작동전극은 친수성 표면처리된 것을 사용할 수 있다. 친수성 표면처리는 공지된 방법으로 할 수 있으며, 일예로, 작동전극 표면을 산소 플라즈마 처리를 하여 친수성 표면개질을 할 수 있다. The working electrode may be a hydrophilic surface treatment. The hydrophilic surface treatment can be performed by a known method. For example, the surface of the working electrode can be subjected to oxygen plasma treatment to perform hydrophilic surface modification.

상기 상대전극은 작동 전극과 짝지어서 전류가 흐르게 하는 역할을 하며, 재질은 작동전극과 유사한 전극을 사용할 수 있다. The counter electrode pairs with the working electrode to flow a current, and a material similar to that of the working electrode may be used.

또한, 상기 기준전극은 전류가 흐르지 않고 작동전극과 상대전극사이에 일정한 작동전압이 유지되도록 하는 기능을 하며, 재질은 주로 Ag/AgCl 이 많이 사용된다.In addition, the reference electrode functions to maintain a constant operating voltage between the working electrode and the counter electrode without a current flowing, and the material is mainly used Ag / AgCl.

기준전극을 만들기 위해 은 페이스트(Ag paste)층을 염화철 (FeCl3) 포화용액으로 산화시킨 다음, 증류수로 세척 후 공기 중에서 건조시킬 수 있다. In order to make the reference electrode, the silver paste layer may be oxidized with a saturated solution of iron chloride (FeCl 3), washed with distilled water, and dried in air.

상기 반응부(2)는 효소고정을 위한 전기화학 반응이 일어나는 공간을 제공한다. The reaction unit 2 provides a space in which an electrochemical reaction for fixing the enzyme occurs.

본 발명에서는 키토산 또는 키토산-전자전달체의 화합물을 사용할 수 있다. 다만, 키토산-전자전달체의 화합물을 사용하는 경우에는 전극 상에 효소가 고정된 후 표적물질을 검출하기 위한 전기화학 테스트시에 전자전달체를 별도로 넣어줄 필요가 없어 편리한 측면이 있다. In the present invention, a compound of chitosan or chitosan-electron transporter can be used. However, in the case of using a compound of chitosan-electron transporter, there is a convenient side because it is not necessary to put the electron transporter separately in the electrochemical test for detecting a target substance after the enzyme is immobilized on the electrode.

본 발명의 전극 상에 효소를 고정하는 방법에 있어서는 키토산 단독이나 키토산-전자전달체의 화합물을 사용하는 경우에 동일하므로 이하에서 키토산을 언급한 경우에 특별한 경우를 제외하고는 키토산-전자전달체도 같이 언급한 것으로 본다. Since the method of immobilizing the enzyme on the electrode of the present invention is the same when using chitosan alone or a compound of chitosan-electron transporter, the chitosan-electron transporter is also referred to the same except in the case where chitosan is mentioned below. Seen as one.

상기 키토산은 생체적합성, 단백질과의 높은 친화성, 항균성이 있어 효소를 고정하는 물질로서 적합하다. 또한, Electrodeposition법에 의해 제조된 키토산 필름은 고정화된 생체 활성체를 잘 보유할 수 있다. The chitosan has biocompatibility, high affinity with proteins, and antimicrobial properties and is suitable as a substance for fixing enzymes. In addition, the chitosan film produced by the electrodeposition method can hold well the immobilized bioactive agent.

키틴은 N-아세틸-D-글루코사민 단위체가 무수히 결합하여 이루어진 다당류 고분자 물질이고, 키토산은 키틴의 탈아셀틸화에 의해 얻어진다. 그러나, 탈아세틸화는 완전하지 못해 일반적으로 키토산은 키틴과 탈아세틸레이트된 키틴이 혼합된 고분자이다. 글루코사민 잔기의 C-2자리에서 1차 아민은 키토산의 반응성, 용해전이성에 중요한 기능을 한다. 강산 조건에서 아민은 프로톤화되어 키토산 수용액에 용해성을 가지며, 염기조건에서 아민은 탈프로톤화되어 키토산은 불용성을 나타내게 된다. 용해-불용성의 전이는 ~pH6.3에서 발생한다. 따라서, 전극(캐소우드) 부근에서 국부적으로 pH를 증가시켜 전극 상에 키토산을 전착시킬 수 있다. Chitin is a polysaccharide high molecular material formed by a myriad of N-acetyl-D-glucosamine units, and chitosan is obtained by deacetylation of chitin. However, deacetylation is not complete and chitosan is generally a polymer in which chitin and deacetylated chitin are mixed. The primary amine at the C-2 site of the glucosamine residue plays an important role in the reactivity and dissolution metastasis of chitosan. Under strong acid conditions, the amine is protonated to have solubility in aqueous chitosan solution, and under basic conditions, the amine is deprotonated to make chitosan insoluble. Dissolution-insoluble transition occurs at ~ pH6.3. Therefore, it is possible to electrodeposit chitosan on the electrode by locally increasing the pH near the electrode (cathode).

본 발명에서 사용가능한 키토산의 중량평균 분자량은 150,000~360,000 이 될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 상기 키토산의 탈아세틸화 정도는 70~90%, 바람직하게는 75~85%이다.The weight average molecular weight of chitosan usable in the present invention may be 150,000 to 360,000. The degree of deacetylation of the chitosan which can be used in the present invention is 70 to 90%, preferably 75 to 85%.

본 발명에서는 전자전달체를 별도로 사용하거나 키토산에 전자전달체를 결합시킨 화합물(이하, 키토산-전자전달체)을 사용할 수 있다. 상기 화합물은 바람직하게는 키토산의 백본(backbone)에 전자전달체를 공유결합, 이온결합, 수소결합, 배위결합으로 합성할 수 있으며, 공유결합으로 보다 용이하게 합성할 수 있다. In the present invention, an electron transporter may be used separately, or a compound (hereinafter, chitosan-electron transporter) in which an electron transporter is coupled to chitosan may be used. Preferably, the compound may synthesize an electron carrier in a backbone of chitosan by covalent bonds, ionic bonds, hydrogen bonds, or coordinative bonds, and may be more easily synthesized by covalent bonds.

상기 전자전달체로는 효소의 환원산화를 촉진시키는 무기 또는 유기의 미세 분말상 화합물로서, 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염(organic conducting salt) 및 비오로겐(viologen)으로 구성된 군에서 선택된 것을 사용할 수 있다. 좀 더 구체적인 전자전달체의 예로는 페리시안화 알칼리 금속염(특히 칼륨 금속염이 바람직하다), 페로센 또는 그의 알킬 치환체, p-벤조퀴논, 메틸렌블루(MB), β-나프토퀴논 4-술폰산 칼륨, 페나진메토술페이트, 2,6-디클로로페놀인도페놀, 메틸 비오르겐(MV, methyl viologen)등을 들 수 있다.The electron transporter is an inorganic or organic fine powdery compound which promotes the reduction and oxidation of enzymes, and includes ferrocene, ferrocene derivatives, quinones, quinone derivatives, organic conducting salts, and biorogen ( viologen) can be selected from the group consisting of. More specific examples of electron transporters include ferricyanated alkali metal salts (preferably potassium metal salts), ferrocene or alkyl substituents thereof, p-benzoquinone, methylene blue (MB), β-naphthoquinone 4-sulfonic acid potassium, phenazineme Tosulfate, 2, 6- dichloro phenol indophenol, methyl viologen (MV), etc. are mentioned.

본 발명에서는 상기 키토산과 전자전달체를 바람직하게는 공유결합하여 사용할 수 있는데, 전자전달체가 아민기, 카르복실기와 같은 기능기를 갖는 경우에는 키토산에 용이하게 공유결합될 수 있어 유리하다.In the present invention, the chitosan and the electron transporter may be preferably covalently used. When the electron transporter has a functional group such as an amine group or a carboxyl group, the chitosan may be easily covalently bonded to the chitosan.

상기 효소로는 산화환원효소, 가수분해 효소, 전이 효소, 이성화 효소 등을 사용할 수 있으며 이에 대한 특별한 제한이 있는 것은 아니다. The enzyme may be an oxidoreductase, a hydrolase, a transfer enzyme, an isomerase, and the like, but there is no particular limitation thereto.

상기 산화환원 효소의 일예로는 글루코스 옥시다제, HRP(horseradish peroxidase), NiR(nitrite reductase), 콜레스테롤 옥시다제, 글루타믹 옥살아세틱 트랜스미나아제(Glutamic Oxaloacetic Transaminase; GOT) 및 글루타믹 피루빅 트랜스미나아제(Glutamic Pyruvic Transaminase; GPT)등을 들 수 있다. Examples of the redox enzymes include glucose oxidase, horseradish peroxidase (HRP), nitrite reductase (NiR), cholesterol oxidase, glutamic oxalacetic transaminase (GOT) and glutamic pyruvic And Glutamic Pyruvic Transaminase (GPT).

상기 혼합용액은 인산염(phosphate), MOPS(3-(N-morpholino)propanesulfonic acid), MES (2-(Nmorpholino)ethanesulfonic acid), McIlvaine 등의 완충액(buffer)을 사용할 수 있으며, 인산염이 보다 바람직하다. The mixed solution may be used a buffer such as phosphate, MOPS (3- (N-morpholino) propanesulfonic acid), MES (2- (Nmorpholino) ethanesulfonic acid), McIlvaine, and more preferably phosphate. .

본 발명의 효소고정 방법은 반응부 내에 강한 pH변화가 발생하므로 완충액이 중요하다. 즉, 전착 반응 중에 pH 구배가 전극표면에서 벌크용액까지 발생하고, 이러한 pH 변화는 키토산의 용해도에 영향을 끼친다. In the enzyme fixation method of the present invention, since a strong pH change occurs in the reaction part, a buffer is important. That is, during the electrodeposition reaction, a pH gradient occurs from the electrode surface to the bulk solution, and this change in pH affects the solubility of chitosan.

본 발명에서 완충액의 농도는 5 ~ 20 mM, 바람직하게는 10 mM 내외가 좋다 너무 약한 버퍼링은 순간적인 전착을 유도하여 덜 조직화된 층을 생성하고, 너무 강한 버퍼링은 전극 근처에서의 pH 증가를 방해하게 되어 키토산층의 견고하지 못한 고정을 유도하기 때문이다. In the present invention, the concentration of the buffer solution is about 5-20 mM, preferably about 10 mM. Too weak buffering induces instantaneous electrodeposition, resulting in a less organized layer, and too strong buffering prevents the increase of pH near the electrode. This is because it induces a firm fixation of the chitosan layer.

상기 효소 고정방법은 혼합용액의 pH를 4~6, 바람직하게는 pH가 5~5.5로 조절하는 것이 바람직하다. 상기 혼합용액의 pH는 상기 완충용액의 pH로 조절할 수 있다. In the enzyme fixation method, it is preferable to adjust the pH of the mixed solution to 4 to 6, preferably 5 to 5.5. The pH of the mixed solution can be adjusted to the pH of the buffer solution.

낮은 pH농도에서 전착된 효소 전극은 촉매 전류량이 적은데, 이것은 혼합용액의 낮은 pH 값이 전극부근의 국부 pH 증가를 방해하여 키토산과 효소의 고정량이 적어지게 된다. 반면, pH 5~6에서 전착된 효소 전극은 촉매 전류량이 거의 변화가 없는데, 이들 pH값들은 키토산의 용해전이점인 pH 6.3에 근접하게 되어 pH 변화에 대한 영향이 상대적으로 작기 때문이다. The enzyme electrode electrodeposited at a low pH concentration has a small amount of catalytic current, which results in a low pH value of the mixed solution that prevents the increase of the local pH near the electrode, resulting in a small fixed amount of chitosan and enzyme. On the other hand, the enzyme electrode electrodeposited at pH 5-6 has almost no change in the amount of catalyst current, because these pH values are close to pH 6.3, the dissolution transition point of chitosan, and the effect on pH change is relatively small.

본 발명에서는 키토산, 전자전달체 또는 키토산-전자전달체의 화합물과 효소를 소정의 비율로 완충액에 넣어 혼합용액을 만든다. In the present invention, a mixture of chitosan, an electron transporter or a compound of chitosan-electron transporter and an enzyme is added to a buffer at a predetermined ratio to form a mixed solution.

상기 혼합용액은 상기 키토산 혹은 키토산-전자전달체 화합물 0.5~10mg/mL, 전자전달체 0.1~5mM, 효소 2~10mg/mL, 5~20mM 완충액을 포함한다. The mixed solution includes 0.5 to 10 mg / mL of the chitosan or chitosan-electron transporter compound, 0.1 to 5 mM of electron transporter, 2 to 10 mg / mL of enzyme, and 5 to 20 mM buffer.

상기 용액에서 키토산 또는 키토산-전자전달체 화합물은 0.5~10mg/mL, 바람직하게는 1~5mg/mL, 가장 바람직하게는 1~3mg/mL의 범위일 수 있다.The chitosan or chitosan-electron transporter compound in the solution may be in the range of 0.5 to 10 mg / mL, preferably 1 to 5 mg / mL, and most preferably 1 to 3 mg / mL.

예를 들면, 상기 혼합용액은 인산염 완충용액 5~20mM에 상기 키토산 또는 키토산-전자전달체의 화합물 1~3mg/mL, 효소 2~10mg/mL를 포함하여 형성할 수 있다. 키토산의 농도가 너무 높은 키토산 농도는 층의 뭉침 현상이 발생하여 효소를 포획하거나 전달하는 데 불리하고, 너무 낮은 농도는 불안정한 효소층을 형성시킬 수 있기 때문이다.For example, the mixed solution may be formed by including 1 to 3 mg / mL of the compound of chitosan or chitosan-electron transporter and 2 to 10 mg / mL of the chitosan or chitosan-electron transporter in 5 to 20 mM of phosphate buffer. This is because chitosan concentrations with too high a concentration of chitosan are disadvantageous in that layer aggregation occurs to trap or transfer enzymes, and too low a concentration can form an unstable enzyme layer.

효소 농도 특히 GOx농도 범위가 2~10mg/mL, 바람직하게는 6~10mg/mL 범위로서, 효소의 양이 너무 작으면 고정되는 함량이 작아지고, 너무 많으면 키토산의 매트릭스로서 고정기능을 방해할 수 있기 때문이다.Enzyme concentration, especially GOx concentration, ranges from 2 to 10 mg / mL, preferably from 6 to 10 mg / mL, where the amount of enzyme is too small, the amount of fixation is small, and too much can interfere with the fixation function as a matrix of chitosan. Because there is.

상기 효소가 글루코스 옥시다제, HRP(horseradish peroxidase) 및 NiR(nitrite reductase)의 군에서 선택된 하나인 것이 좋다. The enzyme is preferably one selected from the group consisting of glucose oxidase, horseradish peroxidase (HRP) and nitrite reductase (NiR).

한편, 상기 GOx농도 범위에 있어서도 두 개의 전류 흐름 기울기를 가진다. 즉, 6-10mg/mL의 고농도(기울기 ; 0.192)는 2-6mg/mL의 저농도(기울기 ; 0.0298)범위의 6.6배 정도 높은 전류 흐름을 보여준다.On the other hand, it also has two current flow slopes in the GOx concentration range. In other words, a high concentration (tilt; 0.192) of 6-10 mg / mL shows a current flow about 6.6 times higher than the low concentration (tilt; 0.0298) range of 2-6 mg / mL.

본 발명은 전착에 앞서 대기시간 동안 키토산 또는 키토산-전자전달체의 화합물과 효소의 복합층을 흡착에 의해 형성하는 단계(이하, 흡착단계)를 포함한다. The present invention includes a step (hereinafter, an adsorption step) of forming a complex layer of chitosan or a compound of the chitosan-electron transporter and an enzyme by adsorption for a waiting time prior to electrodeposition.

본 발명에서 사용되는 용어인 대기시간(quiet time)은 혼합용액을 전극이 설치된 반응부에 주입한 후 전착이 시작될 때의 시간을 말한다. The term "quiet time" used in the present invention refers to a time when electrodeposition is started after injecting a mixed solution into a reaction part provided with an electrode.

다만, 본 발명에서 사용하는 용어인 복합층은 키토산 또는 키토산-전자전달체의 화합물과 효소가 앞에서 상술한 바와 같은 복합구조(composite state)를 형성하는데, 이러한 복합구조가 전극상에 흡착되거나 전착되어 형성된 층을 모두 지칭한다. However, the compound layer used in the present invention is a compound of chitosan or chitosan-electron transporter and an enzyme to form a composite state as described above, which is formed by adsorption or electrodeposition on the electrode. Refers to all layers.

상기 대기시간은 3분 이내, 즉, 0분 초과 3분 이내이거나, 바람직하게는 30초 이상 2분 이내, 가장 바람직하게는 1분 정도가 좋다.The waiting time is less than 3 minutes, that is, more than 0 minutes and less than 3 minutes, preferably 30 seconds or more and less than 2 minutes, most preferably about 1 minute.

1분의 대기시간을 가진 후 키토선-효소가 전착된 전극의 촉매전류가 대기시간 없이 곧바로 전착을 한 경우보다 4배나 높다. 이것은 대기시간 동안 전극상에 미리 흡착된 키토산-효소 복합층이 뒤에 전착되는 키토산-효소에 강한 친화도를 가지기 때문이다. After one minute of waiting time, the catalytic current of the electrode with the chito-enzyme electrodeposited is four times higher than that of electrodeposition immediately without waiting time. This is because the chitosan-enzyme complex layer previously adsorbed on the electrode during the waiting time has a strong affinity for the chitosan-enzyme that is subsequently electrodeposited.

다만, 너무 많은 대기시간을 가지면 전착 전극의 촉매전류가 천천히 감소하는데, 이것은 대기시간이 길어 더 두껍게 선 흡착된 키토산-효소 복합층이 뒤이은 전착을 방해하기 때문이다.
However, too much waiting time decreases the catalytic current of the electrode electrode slowly, because the longer waiting time prevents the thicker preadsorbed chitosan-enzyme complex layer from following electrodeposition.

본 발명은 흡착에 의한 고정단계 후에 전착에 의해 복합층을 연속하여 형성하는 전착단계를 포함한다. The present invention includes an electrodeposition step of continuously forming a composite layer by electrodeposition after the fixing step by adsorption.

상기 전극시스템에 전압을 가하면 작동전극 근처에서 수소가 발생하고 그 결과 작동전극 근처에서 국부적으로 pH가 증가하게 된다. 키토산의 용해-불용성의 전이는 pH6.3 부근에서 발생하므로 작동전극(캐소우드) 부근에서 국부적으로 pH를 6.3이상으로 증가시킴으로서 작동전극 상에 키토산을 전착시킬 수 있다.Applying a voltage to the electrode system generates hydrogen near the working electrode, resulting in a locally increased pH near the working electrode. Since the dissolution-insoluble transition of chitosan occurs around pH6.3, it is possible to electrodeposit chitosan on the working electrode by locally increasing the pH to above 6.3 near the working electrode (cathode).

상기 제 2 고정단계는 전착에 의해 복합층을 전극상에 형성하는 단계로서, 전압을 -1.8 내지 -2.2V, 바람직하게는 -1.9 내지 2.1V 범위, 가장 바람직하게는 약 -2.0V를 가할 수 있다.The second fixing step is to form a composite layer on the electrode by electrodeposition, the voltage can be applied in the range of -1.8 to -2.2V, preferably -1.9 to 2.1V, most preferably about -2.0V have.

너무 높은 인가전압은 과도한 수소 흐름을 발생시켜 전극표면에서 키토산의 전착을 방해할 수 있으며, 너무 낮은 인가전압은 전극 표면 근처에 국부 pH를 증가시키기 어렵다.Too high an applied voltage may cause excessive hydrogen flow and interfere with the deposition of chitosan on the electrode surface, while too low an applied voltage is difficult to increase the local pH near the electrode surface.

상기 전착단계는 전압의 인가시간을 3분 이내, 바람직하게는 30초에서 3분, 더욱 바람직하게는 30초에서 2분, 가장 바람직하게는 1분에서 2분 사이가 좋다. In the electrodeposition step, the voltage application time may be within 3 minutes, preferably between 30 seconds and 3 minutes, more preferably between 30 seconds and 2 minutes, and most preferably between 1 minute and 2 minutes.

상기 범위가 바람직한 것은 시간이 증가할수록 전착된 GOx의 양이 증가하지만, 반면에 키토산 층의 두께가 동시에 증가하여 이것이 물질전달의 방해요인으로 작용하기 때문이다.
This range is preferred because the amount of GOx electrodeposited increases with time, while the thickness of the chitosan layer increases simultaneously, which acts as a barrier to mass transfer.

다른 양상에서 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 전극상에 효소가 고정된 전극에 관계한다. 상기 효소전극은 작동전극 상에 100~1,000nm, 바람직하게는 150~200nm의 두께로 전착된 키토산 또는 키토산-전자전달체의 화합물과 효소의 복합층을 포함할 수 있다. 상기 복합층은 macroporous 구조의 불균일한 표면을 가진다In another aspect, the present invention relates to an electrode in which an enzyme is immobilized on an electrode produced by the above method. The enzyme electrode may include a complex layer of a compound of chitosan or chitosan-electron transporter and an enzyme electrodeposited to a thickness of 100 ~ 1,000nm, preferably 150 ~ 200nm on the working electrode. The composite layer has a non-uniform surface of macroporous structure.

도 2는 본 발명에 의해 전극 상에 효소가 고정된 SEM이미지이다. Figure 2 is a SEM image of the enzyme fixed on the electrode by the present invention.

도 2를 참조하면, 상기 복합층은 전착 중의 격렬한 수소가스의 발생으로 매크로포러스(macroporous) 구조를 가지고, 그 층의 표면도 불균일하다. 또한, 상기 복합층의 평균 두께가 150~200nm정도이다. 상기 두께는 키토산만이 전착된 층보다 두꺼운데(비슷한 조건에서 40nm 내외), 이것은 2 단계의 고정 메카니즘을 거치고, GOx의 크기가 키토산보다 크기 때문이다.
Referring to FIG. 2, the composite layer has a macroporous structure due to the generation of intense hydrogen gas during electrodeposition, and the surface of the layer is also uneven. Moreover, the average thickness of the said composite layer is about 150-200 nm. The thickness is thicker than that of the electrodeposited layer (about 40 nm in similar conditions), since it undergoes a two-step fixing mechanism and the size of GOx is larger than that of chitosan.

다른 양상에서 본 발명은 상기 방법에 의해 효소가 고정된 전극을 포함하는 바이오센서에 관계한다. 상기 바이오센서는 효소가 고정된 전극을 작용전극으로 하고, 상기 작용전극은 표적물질과 접촉한다. 또한, 상기 바이오센서는 대전극과 기준전극을 구비한다. 상기 바이오센서는 상기 효소 전극을 사용하여 전기화학적 계측법에 의해 표적물질을 검출할 수 있다. In another aspect the invention relates to a biosensor comprising an electrode to which an enzyme is immobilized by the method. The biosensor uses an electrode having an enzyme fixed therein as a working electrode, and the working electrode contacts the target material. In addition, the biosensor includes a counter electrode and a reference electrode. The biosensor can detect a target substance by electrochemical measurement using the enzyme electrode.

바이오센서에 의한 전기화학적 계측법으로서는, 예를 들면 산화 전류 또는 환원 전류를 측정하는 크로노암페로메트리법(chronoamperometry法), 쿨로메트리법(coulometry 法), 순환전압전류법(cyclic voltammetry) 등의 공지의 계측법을 사용할 수 있다. 측정방식으로서는, 디스포저블방식(disposable 方式), 배치 방식(batch 方式), 플로우인젝션 방식(flow injection 方式) 등 어느 것이라도 좋다.
As an electrochemical measurement by a biosensor, for example, the chronoamperometry method, the coulometry method, the cyclic voltammetry, etc. which measure oxidation current or a reduction current, etc. A well-known measuring method can be used. As a measuring method, any of a disposable method, a batch method, a flow injection method, etc. may be used.

이하에서 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이러한 실시예들은 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples should not be construed as limiting the protection scope of the present invention.

실시예 1 Example 1

스크린 프린트된 탄소 페이스트 전극(SPCE ; Screen printed carbon paste electrode, TE100-EK, Zensor R&D Co., Twiwan)을 준비하였다. (SPCE는 3전극 시스템으로서, 탄소 작동전극(r=0.15cm), 탄소 대전극, 기준전극(Ag/AgCl)으로 구성됨). 이어서, SPCE 전극표면을 10분 동안 산소플라즈마로 전처리하여 작동전극의 표면을 친수성으로 개질시켰다. A screen printed carbon paste electrode (SPCE; TE100-EK, Zensor R & D Co., Twiwan) was prepared. (SPCE is a three-electrode system consisting of a carbon working electrode (r = 0.15 cm), a carbon counter electrode, and a reference electrode (Ag / AgCl). The surface of the SPCE electrode was then pretreated with oxygen plasma for 10 minutes to modify the surface of the working electrode to be hydrophilic.

(1)키토산(분자량 190,000~310,000, 75~85% 탈아세틸화된 것)(1 wt%, 0.2 ml) (2)GOx(EC 1.1.3.4, Aspergillusniger,100-250U/mg)(2 mg/ml), (3)1,1'-ferrocenedimethanol (Fc-dmol, 98%)(1 mM), (4)McIlvaine buffer(Citric acid + Na2HPO4)(10 mM)를 0.25mL Eppendorf tube에서 격렬히 볼텍스시켜 균일 혼합하고, (5)혼합용액의 pH를 5.5로 유지하였다. (1) Chitosan (molecular weight 190,000-310,000, 75-85% deacetylated) (1 wt%, 0.2 ml) (2) GOx (EC 1.1.3.4, Aspergillusniger, 100-250 U / mg) (2 mg / ml), (3) 1,1'-ferrocenedimethanol (Fc-dmol, 98%) (1 mM) and (4) McIlvaine buffer (Citric acid + Na 2 HPO 4 ) (10 mM) in vigorous 0.25 mL Eppendorf tubes The mixture was vortexed and uniformly mixed, and (5) the pH of the mixed solution was maintained at 5.5.

이어서 (6)대기시간(quiet time) 1분을 제공하여 상기 작동전극 상에 키토산과 효소의 복합층을 흡착에 의해 형성하였다. (6) A 1 minute standby time was then provided to form a composite layer of chitosan and enzyme on the working electrode by adsorption.

계속해서, SPCE 전극에 (7) -2 V vs Ag/AgCl(기준전압임)을 (8) 1분 동안 인가하여 전착을 수행하였다. 전착 수행 후 SPCE 표면을 PB 용액으로 세척하여 건조시켜 복합층이 형성된 SPCE 전극을 수득하였다.
Subsequently, electrodeposition was performed by applying (7) -2 V vs Ag / AgCl (which is a reference voltage) to the SPCE electrode (8) for 1 minute. After performing electrodeposition, the SPCE surface was washed with PB solution and dried to obtain an SPCE electrode having a composite layer.

실시예 2 Example 2

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (1) 키토산의 농도(mg/mL)만을 변화시켜 전류의 변화값을 측정하여 이를 도 3에 나타내었다.
While maintaining the rest of the conditions in the above embodiment (1) by changing only the concentration of chitosan (mg / mL) to measure the change in the current is shown in Figure 3 this.

실시예Example 3 3

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (2) GOx 농도(mg/mL)만을 변화시켜 촉매전류의 변화 값을 측정하여 이를 도 4에 나타내었다.
While maintaining the rest of the conditions in the above Example (2) by changing only the GOx concentration (mg / mL) to measure the change in the catalyst current is shown in Figure 4 this.

실시예Example 4 4

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (4) McIlvaine buffer 함량만을만을 변화시켜 촉매전류의 변화 값을 측정하여 이를 도 5에 나타내었다.
While maintaining the rest of the conditions in the above embodiment (4) only by changing the McIlvaine buffer content was measured to change the catalyst current value is shown in FIG.

실시예Example 5 5

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (5) 혼합용액의 pH를 변화시켜 촉매전류의 변화 값을 측정하여 이를 도 6에 나타내었다.
In the above embodiment while maintaining the rest of the conditions (5) by changing the pH of the mixed solution to measure the change value of the catalyst current is shown in Figure 6 this.

실시예Example 6 6

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (5)대기시간만을 변화시켜 촉매전류의 변화 값을 측정하여 이를 도 7에 나타내었다.
In the above example, the change value of the catalyst current was measured by changing only the waiting time (5) while maintaining the remaining conditions, and the results are shown in FIG. 7.

실시예Example 7 7

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (6)인가전압만을 변화시켜 촉매전류의 변화 값을 측정하여 이를 도 8에 나타내었다.
In the above example, the change value of the catalyst current was measured by changing only the applied voltage (6) while maintaining the rest of the conditions, and the results are shown in FIG. 8.

실시예Example 8 8

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (7)전착시 인가시간만을 변화시켜 촉매전류의 변화 값을 측정하여 이를 도 9에 나타내었다.
In the above embodiment while maintaining the rest of the conditions (7) by changing only the application time during electrodeposition, the change in the catalyst current was measured and shown in FIG.

실시예Example 9 9

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (2)GOx 대신에 HRP(EC 1.11.1.7, 200-300U/mg) 4 mg / mL를 사용하여 SPCE 전극을 수득하였다.
The SPCE electrode was obtained using 4 mg / mL of HRP (EC 1.11.1.7, 200-300 U / mg) instead of (2) GOx while maintaining the rest of the conditions in the above example.

실시예Example 10 10

위의 실시예에서 나머지 조건을 유지한 채 (2)GOx 대신에 Cu-NiR(Copper containing nitrite reductase, EC 1.7.2.1, denitrificans, 2U/mg) 3 mg / ml를 사용하여 SPCE 전극을 수득하였다.
In the above example while maintaining the rest of the conditions (2) instead of GOx Cu-NiR (Copper containing nitrite reductase, EC 1.7.2.1, denitrificans, 2U / mg) 3 mg / ml to obtain a SPCE electrode.

실시예Example 11 11

1wt% 키토산 용액 0.2mL 에 0.7mL 물을 첨가한 후 50mg의 1-aminopropyl-1'-methyl-4,4'-bipyridinium를 넣었다. 묽은 NaOH 용액을 사용하여 pH를 7정도 조절한 후 글루타르 알데히드(~25%) 0.1mL를 첨가하였다. 이 혼합물을 60도에서 4시간동안 반응시켜 제조된 Schiff’s base를 sodium cyanoborohydride로 환원시킨 후 원심분리기(microcon, Utracel YM-3, 3000 MWCO)로 정제하여 CHIT-V를 수득하였다. 수득한 CHIT-V(0.3 wt%), Cu-NiR(Copper containing nitrite reductase, EC 1.7.2.1, denitrificans, 2U/mg) 3mg/ml, McIlvaine buffer(Citric acid + Na2HPO4)(10mM)를 0.25mL Eppendorf tube에서 격렬히 볼텍스시켜 균일 혼합하였다(괄호 안은 최종 농도임). 이어서 실시예 1과 동일 조건에서 대기시간과 전착조건을 주어 CHIT-V와 NiR이 고정된 SPCE 전극을 수득하였다.
0.7 mL of water was added to 0.2 mL of a 1 wt% chitosan solution and 50 mg of 1-aminopropyl-1'-methyl-4,4'-bipyridinium was added thereto. The pH was adjusted to about 7 using dilute NaOH solution, and then 0.1 mL of glutaraldehyde (~ 25%) was added. The mixture was reacted at 60 ° C. for 4 hours to reduce Schiff's base to sodium cyanoborohydride, and then purified by centrifuge (microcon, Utracel YM-3, 3000 MWCO) to obtain CHIT-V. Obtained CHIT-V (0.3 wt%), Cu-NiR (Copper containing nitrite reductase, EC 1.7.2.1, denitrificans, 2U / mg) 3mg / ml, McIvavaine buffer (Citric acid + Na 2 HPO 4 ) (10 mM) Vortex vigorously and mix uniformly in 0.25 mL Eppendorf tubes (indicated final concentration in parentheses). Subsequently, under the same conditions as in Example 1, given the waiting time and electrodeposition conditions, an SPCE electrode fixed with CHIT-V and NiR was obtained.

실험예Experimental Example 1 One

실시예 1에서 수득한 SPCE전극에 (a)글루코스를 주입하지 않은 경우 (b)30mM 글루코스를 주입한 경우, 한편 (c)효소를 고정하지 않은 SPCE 전극에 GOx수용액을 넣은 후 여기에 30mM 글루코스를 주입한 경우에 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정하였다. 실험은 5mL 셀(cell)에서 0.1M 인산염 완충액, pH 6.5, 전자전달체로 Fc-dmol 1mM, 주사속도 0.002V/s로 수행하여 이를 도 10에 나타내었다.
When (a) glucose was not injected into the SPCE electrode obtained in Example 1, (b) 30 mM glucose was injected, and (c) 30 mM glucose was added to the SPCE electrode without the enzyme immobilization therein, followed by adding GOx aqueous solution. In the case of injection, cyclic voltammograms were measured. The experiment was performed in 0.1 mL phosphate buffer, pH 6.5, electron carrier in a 5 mL cell at 1 mM Fc-dmol, scanning rate 0.002V / s and shown in Figure 10.

실험예Experimental Example 2 2

실시예 9에서 수득한 HRP가 고정된 SPCE전극에 (a) H2O2를 주입하지 않은 경우 (b) 0.15mM H2O2를 주입한 경우, 각각에 대해 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정하였다. 실험은 5mL 셀(cell)에서 0.1M 인산염 완충액, pH 6.5, 전자전달체로 MV 0.2mM, 주사속도 0.002V/s로 수행하여 이를 도 11에 나타내었다.(A) When H2O2 was not injected into the SPCE electrode fixed in the HRP obtained in Example 9 (b) When 0.15 mM H2O2 was injected, cyclic voltammograms were measured for each. The experiment was performed at 0.1 M phosphate buffer, pH 6.5, MV 0.2 mM in an electron carrier, and a scanning rate of 0.002 V / s in a 5 mL cell, which is shown in FIG. 11.

실험예Experimental Example 3 3

실시예 10에서 수득한 NiR이 고정된 SPCE전극에 (a)아질산염(Nitrite)를 주입하지 않은 경우 (b)0.1mM 아질산염을 주입한 경우, (c)0.5mM의 아질산염(Nitrite)을 주입한 후 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정하였다. 실험은 0.1M 인산염 완충액, pH 6.5, 전자전달체로 MV 1mM, 주사속도 0.002V/s로 수행하여 이를 도 12에 나타내었다.
(A) When nitrite (Nitrite) was not injected into the NiC-fixed SPCE electrode obtained in Example 10, (b) When 0.1mM nitrite was injected, (c) After injecting 0.5mM nitrite (Nitrite) Cyclic voltammograms were measured. The experiment was performed at 0.1 M phosphate buffer, pH 6.5, MV 1 mM with an electron transporter, and a scanning rate of 0.002 V / s.

실험예Experimental Example 4 4

실시예 11에서 수득한 NiR과 CHIT-V이 고정된 SPCE전극에 (a)아질산염(Nitrite)를 주입하지 않은 경우 (b)0.5mM 아질산염을 주입한 경우에 대해 각각 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정하였다. 실험은 0.1M 인산염 완충액, pH 6.5, 주사속도 0.002V/s로 수행하여 이를 도 13에 나타내었다.
(A) When nitrite was not injected into the SPCE electrode having NiR and CHIT-V fixed in Example 11, and (b) Cyclic voltammograms were respectively applied to the case where 0.5 mM nitrite was injected. Measured. The experiment was performed in 0.1 M phosphate buffer, pH 6.5, scanning rate 0.002V / s and shown in FIG.

도 3은 키토산의 농도에 따른 (촉매)전류 흐름의 분포 값이다. 도 3을 참조하면, 키토산의 농도가 1~3mg/mL 범위인 것이 바람직하고, 함량이 2mg/mL일 때 최적화를 보임을 확인할 수 있다. 3 is a distribution value of the (catalyst) current flow according to the concentration of chitosan. Referring to Figure 3, the concentration of chitosan is preferably in the range of 1 ~ 3mg / mL, it can be seen that the optimization is shown when the content is 2mg / mL.

도 4는 GOx 농도 증가에 따른 (촉매)전류흐름의 분포 값이다. 도 4를 참조하면, 6-10mg/mL의 고농도(기울기 ; 0.192)는 2-6mg/mL의 저농도(기울기 ; 0.0298)범위의 6.6배 정도 전류 흐름을 보여줌을 확인 할 수 있다.4 is a distribution value of (catalyst) current flow with increasing GOx concentration. Referring to Figure 4, it can be seen that the high concentration (tilt; 0.192) of 6-10mg / mL shows a current flow of about 6.6 times the low concentration (tilt; 0.0298) range of 2-6mg / mL.

도 5는 인산염 완충액 농도에 따른 전류흐름의 분포 값이다. 도 5를 참조하면, 인산염의 농도가 10mM일때 최적화를 보이는 벨 타입의 곡선을 얻을 수 있다.5 is a distribution value of the current flow according to the phosphate buffer concentration. Referring to FIG. 5, a bell type curve showing an optimization when the concentration of phosphate is 10 mM can be obtained.

도 6은 McIlvaine 완충액의 pH를 3-6으로 변경시키면서 혼합용액의 pH 변화에 따른 전착 후의 전류 흐름을 각각 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 낮은 pH농도에서 키토산과 효소의 고정량이 적고, 반면, pH 5~6에서 키토산의 용해전이점인 pH 6.3에 근접하게 되어 pH 변화에 대한 영향이 상대적으로 작음을 알 수 있다.6 is a graph showing the current flow after electrodeposition according to the pH change of the mixed solution while changing the pH of McIlvaine buffer to 3-6, respectively. Referring to FIG. 6, the fixed amount of chitosan and enzyme is small at low pH, while the pH 5 to 6 is close to pH 6.3, which is the dissolution transition point of chitosan, and thus the effect on pH change is relatively small. .

도 7은 대기시간에 따른 전류 흐름을 나타내는 곡선이다. 도 7을 참조하면, 최대점을 1분으로 벨(bell) 타입의 곡선을 얻을 수 있다. 1분의 대기시간을 가진 후 키토선-효소가 전착된 전극의 촉매전류가 대기시간 없이 곧바로 전착을 한 경우보다 4배나 높음을 확인할 수 있다. 7 is a curve showing the current flow according to the waiting time. Referring to FIG. 7, a bell type curve may be obtained with a maximum point of 1 minute. After one minute of waiting time, the catalytic current of the electrode with the chito-enzyme electrodeposited was four times higher than that of electrodeposition immediately without waiting time.

도 8은 인가전압에 따른 전류 흐름을 나타내는 그래프이다. 도 8을 참고하면 벨 형상의 프로파일이 얻어졌고 -2.0에서 최대치를 보여줌을 확인 할 수 있다.8 is a graph illustrating a current flow according to an applied voltage. Referring to FIG. 8, a bell-shaped profile was obtained, showing a maximum value at -2.0.

도 9는 각각의 전착시간에 따라 효소(GOx)가 고정된 전극들의 촉매 전류흐름을 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 시간이 증가할수록 전착된 GOx의 양이 증가하지만, 반면, 키토산 층의 두께가 동시에 증가하여 이것이 물질전달의 방해요인으로 작용함을 알 수 있다. 9 is a graph showing the catalytic current flow of the electrodes (GOx) is fixed with each electrodeposition time. Referring to FIG. 9, it can be seen that as time increases, the amount of GOx electrodeposited increases, while the thickness of the chitosan layer simultaneously increases, which acts as a barrier to mass transfer.

도 10의 (a)는 글루코스를 주입하지 않은 경우 (b)는 30mM 글루코스를 주입한 경우, (c)는 효소를 고정하지 않은 SPCE 전극에 GOx수용액을 넣은 후 여기에 30mM 글루코스를 주입한 경우에 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다. 도 10을 참조하면, (a), (b)를 비교하면, 본 발명에 의한 GOx가 고정된 전극이 글루코스를 주입한 경우에 높은 전류 흐름 변화를 발생시킴을 확인할 수 있다. 또는, (c)와 (b)를 비교하여 보아도 효소가 용액상으로 제공되는 경우와 전류 흐름 변화가 거의 유사하므로 본 발명에 의한 방법이 간단한 방법으로 다량의 효소를 전극에 고정할 수 있음을 확인할 수 있다. Figure 10 (a) is not injected with glucose (b) is injected with 30mM glucose, (c) is a case of injecting 30mM glucose into the GOx aqueous solution to the SPCE electrode does not fix the enzyme Cyclic voltammograms are measured. Referring to Figure 10, comparing (a), (b), it can be seen that the GOx-fixed electrode according to the present invention generates a high current flow change when the glucose is injected. Alternatively, comparing (c) and (b) shows that the current flow change is almost similar to the case where the enzyme is provided in solution, and thus the method according to the present invention can confirm that a large amount of enzyme can be immobilized on the electrode by a simple method. Can be.

도 11의 (a)는 H2O2를 주입하지 않은 경우 (b)는 0.15mM H2O2를 주입한 경우에 대해 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다. 도 11의 (a), (b)를 비교하면, 본 발명에 의한 HRP가 고정된 전극이 H2O2를 주입한 경우에 높은 전류 흐름 변화를 발생시킴을 확인할 수 있다.(A) of FIG. 11 is a graph in which cyclic voltammograms are measured when 0.12 mM H2O2 is injected when (b) is not injected. Comparing FIGS. 11A and 11B, it can be seen that the HRP-fixed electrode according to the present invention generates a high current flow change when H 2 O 2 is injected.

도 12는 NiR이 고정된 SPCE전극에 (a)아질산염(Nitrite)를 주입하지 않은 경우 (b)0.1mM 아질산염을 주입한 경우, (c)0.5mM의 아질산염(Nitrite)을 주입한 후 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다. 도 12의 (b)를 참조하면, 미량의 아질산염을 주입한 경우에도 민감하게 반응하므로 본 발명의 의해 고정된 효소 전극의 우수성을 확인할 수 있다.12 shows (a) when nitrite (Nitrite) is not injected into a NiC-fixed SPCE electrode (b) when 0.1mM nitrite is injected, and (c) circulating voltage current after injection of 0.5mM nitrite (Nitrite) (Cyclic voltammograms) is a graph measured. Referring to Figure 12 (b), it is sensitive even when a small amount of nitrite is injected, it can be confirmed the superiority of the fixed enzyme electrode of the present invention.

도 13은 실시예 11에서 수득한 NiR과 CHIT-V이 고정된 SPCE전극에 (a)아질산염(Nitrite)를 주입하지 않은 경우 (b)0.5mM 아질산염을 주입한 경우에 대해 각각 순환전압전류(Cyclic voltammograms)를 측정한 그래프이다.FIG. 13 shows cyclic voltage currents (Cyclic) for the case where (a) nitrite was not injected into the SPCE electrode fixed with NiR and CHIT-V obtained in Example 11, and (b) 0.5 mM nitrite was injected. voltammograms)

도 13의 (a), (b)를 비교하면, 본 발명에 의한 NiR과 CHIT-V이 고정된 전극이 아질산염을 주입한 경우에 높은 전류 흐름 변화를 발생시킴을 확인할 수 있다.
Comparing FIGS. 13A and 13B, it can be seen that the NiR and CHIT-V-fixed electrodes according to the present invention generate a high current flow change when nitrite is injected.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (13)

키토산, 전자전달체, 효소, 완충액을 포함하는 혼합용액에 소정의 인가전압을 가하여 키토산과 효소의 복합층을 전극 상에 형성하는 전착단계를 포함하되,
상기 방법은 상기 전착단계 전에 소정의 대기시간(quiet time)을 제공하여 상기 전극 상에 키토산과 효소의 복합층을 흡착으로 고정하는 단계를 포함하는 효소 고정 방법.
It includes an electrodeposition step of forming a complex layer of chitosan and enzyme on the electrode by applying a predetermined applied voltage to a mixed solution containing chitosan, electron transporter, enzyme, buffer,
The method comprises the step of immobilizing a complex layer of chitosan and enzyme on the electrode by adsorption by providing a predetermined wait time before the electrodeposition step.
제 1항에 있어서, 상기 대기시간(quiet time)은 3분 이내인 것을 특징으로 하는 효소 고정 방법.2. The method of claim 1, wherein said wait time is within 3 minutes. 제 1항에 있어서, 상기 전착단계는 인가전압을 -1.8 내지 -2.2V 범위, 인가시간을 3분 이내로 가하는 것을 특징으로 하는 효소 고정 방법.The method of claim 1, wherein the electrodeposition step is an enzyme fixation method, characterized in that the applied voltage within the range of -1.8 to -2.2V, the application time within 3 minutes. 제 1항에 있어서, 상기 혼합용액은 키토산 0.5~10mg/mL, 전자전달체 0.1~5mM, 효소 2~10mg/mL 및 완충액 5~20mM를 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 고정 방법. The method of claim 1, wherein the mixed solution comprises 0.5 to 10 mg / mL chitosan, 0.1 to 5 mM electron carrier, 2 to 10 mg / mL enzyme and 5 to 20 mM buffer. 제 1항에 있어서, 상기 키토산과 전자전달체는 키토산-전자전달체의 화합물로 존재하는 것을 특징으로 하는 효소 고정 방법.The method of claim 1, wherein the chitosan and the electron transporter are present as a compound of the chitosan-electron transporter. 제 5항에 있어서, 상기 혼합용액은 상기 키토산-전자전달체의 화합물 0.5~10mg/mL, 효소 2~10mg/mL 및 완충액 5~20mM 을 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 고정 방법.The method of claim 5, wherein the mixed solution comprises 0.5-10 mg / mL of the compound of the chitosan-electron transporter, 2-10 mg / mL of enzyme, and 5-20 mM of buffer. 제 1항에 있어서, 상기 혼합용액의 pH가 4~6인 것을 특징으로 하는 효소 고정 방법.The method of claim 1, wherein the pH of the mixed solution is 4 to 6, characterized in that the enzyme immobilization method. 제 1항에 있어서, 상기 전자전달체가 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염(organic conducting salt) 및 비오로겐(viologen)으로 구성된 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 효소 고정 방법.The method of claim 1, wherein the electron transporter is selected from the group consisting of ferrocene (ferrocene), ferrocene derivatives, quinones (quinones), quinone derivatives, organic conducting salts and biologen (viologen) Enzyme Fixation Method. 제 1항에 있어서, 상기 효소가 글루코스 옥시다제, HRP(horseradish peroxidase), NiR(nitrite reductase), 콜레스테롤 옥시다제, 글루타믹 옥살아세틱 트랜스미나아제(Glutamic Oxaloacetic Transaminase; GOT) 및 글루타믹 피루빅 트랜스미나아제(Glutamic Pyruvic Transaminase; GPT)으로 구성된 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 효소 고정 방법.2. The enzyme of claim 1 wherein the enzyme is glucose oxidase, horseradish peroxidase (HRP), nitrite reductase (NiR), cholesterol oxidase, glutamic oxalacetic transaminase (GOT) and glutamic pi Enzyme fixation method, characterized in that selected from the group consisting of Glutamic Pyruvic Transaminase (GPT). 제 1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극 상에 효소가 고정된 효소전극으로서, 상기 효소전극은 작동전극 상에 100~1000nm의 두께로 고정된 전착된 키토산과 효소의 복합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 효소전극. An enzyme electrode immobilized on an electrode prepared according to any one of claims 1 to 9, wherein the enzyme electrode is a composite layer of electrodeposited chitosan and enzyme immobilized at a thickness of 100 to 1000 nm on a working electrode. Enzyme electrode comprising a. 제 10항에 있어서, 상기 복합층은 macroporous 구조를 가지는 불균일 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 효소전극.The enzyme electrode according to claim 10, wherein the composite layer comprises a non-uniform surface having a macroporous structure. 제 1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극 상에 효소가 고정된 효소전극을 포함하는 바이오센서.A biosensor comprising an enzyme electrode immobilized on an electrode manufactured according to any one of claims 1 to 9. 제 12항에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 효소 전극을 사용하여 전기화학적 계측법에 의해 표적물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.The biosensor of claim 12, wherein the biosensor detects a target substance by electrochemical measurement using the enzyme electrode.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150124610A (en) * 2014-04-29 2015-11-06 재단법인 전라북도생물산업진흥원 Method for immobilization of enzyme and immobilized enzyme using the method
KR20160023483A (en) * 2014-08-22 2016-03-03 삼성전자주식회사 An electrochemical biosensor
KR20190139758A (en) * 2018-06-08 2019-12-18 주식회사 아이센스 Crosslinking agent for preparation of sensing layer or diffusion layer of electrochemical sensor comprising genipin

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