KR20220031523A - Graphene Channel Member for Detecting Anti-stress Hormone and Sensor Comprising the Same - Google Patents

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KR20220031523A
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Abstract

The present invention relates to: a graphene channel member comprising a graphene film and a bioprobe specifically binding to the anti-stress hormone immobilized on the graphene film; a graphene transistor including a substrate, the graphene channel member, and a pair of electrodes; and a biosensor including the same.

Description

항-스트레스 호르몬 검출용 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서{Graphene Channel Member for Detecting Anti-stress Hormone and Sensor Comprising the Same}Graphene Channel Member for Detecting Anti-stress Hormone and Sensor Comprising the Same

본 발명은 항-스트레스 호르몬의 검출에 이용되는 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene channel member used for detection of an anti-stress hormone and a sensor comprising the same.

현대사회에서의 무한한 경쟁과 취업, 생활방식으로 인해 증가하는 정신적인 스트레스는 점차 심각한 사회문제로 대두되고 있으며, 우울증, 심장마비 등과 같은 생명과 직접적으로 연관된 병을 초래하는 것으로 알려져 점차 관심이 높아져가는 추세이다.In modern society, increasing mental stress due to unlimited competition, employment, and lifestyle is gradually emerging as a serious social problem, and it is known that it causes diseases directly related to life such as depression and heart attack. is the trend

코티졸(cortisol)은 당질 코르티코이드계 호르몬으로서, 부신피질에서 생성된다. 스트레스 상황에 처하였을 때, 부신피질은 코티졸을 분비하게 되며, 스트레스를 잘 이겨내고 적응하도록 도와주는 호르몬 중 하나이다. 또한 세로토닌(serotonin)은 뇌의 시상하부 중추에 존재하는 신경전달물질로 기능하는 화학물질의 하나로서, 식용, 수면, 기분, 위장관 운동, 통증에 관여하고, 일반적으로 우울증에 깊이 관여되어 있는 호르몬이다.Cortisol is a glucocorticoid hormone and is produced in the adrenal cortex. When you are in a stressful situation, the adrenal cortex secretes cortisol, which is one of the hormones that help you overcome stress and adapt. In addition, serotonin (serotonin) is one of the chemicals that function as a neurotransmitter present in the hypothalamus of the brain, and is involved in food, sleep, mood, gastrointestinal motility, pain, and is generally deeply involved in depression. .

위와 같은 코티졸, 세로토닌 등의 항-스트레스 호르몬의 분비는 우울증 등 관련 질병의 유발과 직접적인 관련성이 있는 것으로 알려져 있으며, 이의 신속하고 정확하며 정량적인 측정 및 검사의 중요성이 증가하고 있다.The secretion of anti-stress hormones such as cortisol and serotonin as described above is known to be directly related to the induction of related diseases such as depression, and the importance of rapid, accurate and quantitative measurement and testing thereof is increasing.

그러나 종래의 연구는 대부분 피실험자의 타액, 땀 및 혈액 등에서의 순간적인 검출에만 그치고 있는 실정이며, 기존에는 항원-항체 면역반응을 통한 광학적, 전기적 신호를 이용한 신경전달물질 검출용 센서가 주로 연구되었는데, 이러한 종래의 센서들은 유효한 신호에 비해 노이즈의 세기가 높게 나오는 경우가 많아서, 실제 검출 대상 물질에 의한 신호와 그 외의 물질들에 의해 발생하는 신호를 구분하기가 어려웠다.However, most of the conventional research is limited to instantaneous detection in saliva, sweat, and blood of a subject. In the past, sensors for detecting neurotransmitters using optical and electrical signals through antigen-antibody immune response have been mainly studied. Since the noise intensity of these conventional sensors is often higher than that of an effective signal, it is difficult to distinguish a signal generated by an actual detection target material from a signal generated by other materials.

따라서 검출 대상 물질에만 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침을 이용함으로써 다양한 바이오 물질이 전도성 물질과 직접 반응해 감도를 떨어뜨리는 문제를 해결하고, 적은 양의 검출 대상 물질이 존재하더라도 신호를 크게 증폭시켜서 다양한 항-스트레스 호르몬의 다중 검출을 가능하게 하는 연구가 진행되고 있다.Therefore, by using a bio-probe that specifically or selectively binds only the detection target material, the problem of various biomaterials reacting directly with the conductive material to decrease the sensitivity is solved, and the signal is greatly amplified even in the presence of a small amount of the detection target material Research is underway to enable multiple detection of various anti-stress hormones.

본 발명은 위와 같은 기존의 항-스트레스 호르몬 센서의 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로서, 항-스트레스 호르몬에만 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침을 그래핀 필름 상에 고정화시킨 그래핀 채널 부재를 이용하여, 높은 민감도를 가진 그래핀 트랜지스터 센서를 제공하고자 한다.The present invention has been devised to overcome the limitations of the conventional anti-stress hormone sensor as described above, and a graphene channel member in which a bioprobe that specifically or selectively binds only an anti-stress hormone is immobilized on a graphene film. It is intended to provide a graphene transistor sensor with high sensitivity.

본 발명은 그래핀 필름 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침을 포함하는 것인, 그래핀 채널 부재를 제공한다.The present invention provides a graphene film and an anti-stress hormone immobilized on the graphene film, which includes a bio-probe specifically or selectively binding to the graphene channel member.

또한 본 발명은 기판; 상기 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.In addition, the present invention is a substrate; the graphene channel member; And a pair of electrodes; provides a graphene transistor comprising a.

또한 본 발명은 상기 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.The present invention also provides a biosensor including the graphene transistor.

본 발명의 그래핀 채널 부재는 다양한 항-스트레스 호르몬에 각각 선택적인 바이오 탐침을 포함함에 따라 각각의 바이오 탐침을 통한 다중 검출이 가능하게 됨으로써, 단일의 항-스트레스 호르몬의 변화로만 우울증을 진단하는 한계를 극복할 수 있다. 궁극적으로는 인간의 정신적인 질병(우울증 등) 등과 직접적으로 연관된 다양한 항-스트레스 호르몬을 동시에 다발적으로 신속하고 정확하게 검출해 낼 수 있는 효과가 있다.Since the graphene channel member of the present invention includes bioprobes that are each selective for various anti-stress hormones, multiple detection through each bioprobe is possible, so there is a limitation in diagnosing depression only with a change of a single anti-stress hormone can overcome Ultimately, there is an effect of rapidly and accurately detecting various anti-stress hormones that are directly related to human mental diseases (depression, etc.) at the same time.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 트랜지스터를 유심칩에 연결 가능하도록 제작한 형태로 소형화한 것을 나타낸 예시도이다.
도 3은 제조예 1에 따른 카벤 화합물 1의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 제조예 2에 따른 카벤 화합물 2의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 제조예 3에 따른 카벤 화합물 3의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 제조예 4에 따른 카벤 화합물 4의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7은 제조예 5에 따른 카벤 화합물 5의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에서 그래핀 필름을 기능화시키는 과정을 나타낸 개략도를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 구체적인 실험예들에서 이용한 키슬리(Keithley) 장비를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실험예 1에 따라 키슬리(Keithley) 장비를 이용하여 측정한 코티졸의 검출 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실험예 1에 따라 키슬리(Keithley) 장비를 이용하여 측정한 세로토닌의 검출 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 측정한 인간의 타액 내의 코티졸의 검출 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 실험예 2에 따라 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 측정한 인간의 타액 내의 세로토닌의 검출 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 측정한 코티졸의 농도별 검출 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 측정한 세로토닌의 농도별 검출 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 실험예 4에 따라 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여, 우울증을 앓고 있는 환자와 우울증을 앓고 있지 않은 환자들에서 유래한 혈청 샘플에서 코티졸(A)과 세로토닌(B)을 분석한 결과를 나타낸 것이고, 상기 도 16의 (A) 및 (B)에서 점선은 각각 코티졸과 세로토닌의 농도별 정량 곡선이다.
도 17은 본 본 발명의 실험예 4에 따라 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여, 우울증을 앓고 있는 환자 A 에서 유래한 혈청 샘플에서 코티졸(A)과 세로토닌(B)을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
1 and 2 are exemplary views illustrating miniaturization of a graphene transistor according to an embodiment of the present invention in a form that can be connected to a SIM chip.
3 shows 1 H-NMR spectrum of carbene compound 1 according to Preparation Example 1.
4 shows 1 H-NMR spectrum of carbene compound 2 according to Preparation Example 2.
5 shows a 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 3 according to Preparation Example 3.
6 shows a 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 4 according to Preparation Example 4.
7 shows a 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 5 according to Preparation Example 5.
8 is a view showing a schematic diagram showing the process of functionalizing the graphene film in one embodiment of the present invention.
9 shows Keithley equipment used in specific experimental examples of the present invention.
10 shows the detection result of cortisol measured using Keithley equipment according to Experimental Example 1 of the present invention.
11 shows the detection result of serotonin measured using Keithley equipment according to Experimental Example 1 of the present invention.
12 shows the detection result of cortisol in human saliva measured using the graphene transistor of Example 3 according to Experimental Example 2 of the present invention.
13 shows the detection result of serotonin in human saliva measured using the graphene transistor of Example 3 according to Experimental Example 2 of the present invention.
14 shows the detection results for each concentration of cortisol measured using the graphene transistor of Example 3 according to Experimental Example 3 of the present invention.
15 shows the detection results for each concentration of serotonin measured using the graphene transistor of Example 3 according to Experimental Example 3 of the present invention.
16 shows cortisol (A) and serotonin (B) in serum samples derived from patients suffering from depression and patients without depression using the graphene transistor of Example 3 according to Experimental Example 4 of the present invention. , and the dotted lines in (A) and (B) of FIG. 16 are quantitative curves for each concentration of cortisol and serotonin, respectively.
17 shows the results of analyzing cortisol (A) and serotonin (B) in a serum sample derived from patient A suffering from depression using the graphene transistor of Example 3 according to Experimental Example 4 of the present invention. will be.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

1. 그래핀 채널 부재1. Graphene Channel Absence

본 발명의 일 측면은 그래핀 채널 부재를 제공한다.One aspect of the present invention provides a graphene channel member.

본 발명의 상기 그래핀 채널 부재는 그래핀 필름, 및 바이오 탐침을 포함한다.The graphene channel member of the present invention includes a graphene film, and a bio-probe.

상기 그래핀 필름은 상기 바이오 탐침을 지지하기 위한 것으로서, 그래핀층이 단층 또는 다층(multi-layer)으로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 상기 그래핀층이 다층으로 형성되는 경우 그래핀 필름 자체의 표면 저항의 감소되어 이를 이용한 그래핀 채널 부재가 적용된 트랜지스터 등과 같은 소자의 민감도가 저하될 수 있다. 따라서 상기 그래핀 필름은 단층의 그래핀층으로 이루어진 것이 보다 바람직하다. 특히, 상기 그래핀 필름의 두께는 0.1 내지 1 ㎚일 수 있고, 이는 단층의 그래핀 필름의 두께를 의미할 수 있다. 상기 그래핀 필름의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우에는 높은 전도도 및 높은 전하 이동도의 성질을 가지게 되어, 이를 이용한 그래핀 채널 부재를 이용하여 민감도가 높은 트랜지스터 등의 소자를 구현할 수 있게 된다.The graphene film is for supporting the bio-probe, and may be configured in a form in which a graphene layer is laminated as a single layer or a multi-layer. When the graphene layer is formed as a multilayer, the surface resistance of the graphene film itself is reduced, and thus the sensitivity of a device such as a transistor to which a graphene channel member is applied may be reduced. Therefore, the graphene film is more preferably composed of a single graphene layer. In particular, the thickness of the graphene film may be 0.1 to 1 nm, which may mean the thickness of a single-layer graphene film. When the thickness of the graphene film satisfies the above range, it has properties of high conductivity and high charge mobility, and it is possible to implement a device such as a transistor with high sensitivity by using the graphene channel member using the same.

한편, 상기 그래핀 필름은 패턴화될 수 있고, 구체적으로는 미세 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필름은 원 또는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형(허니콤(honeycomb)) 등의 다각형의 형태로 다양하게 패턴화될 수 있다. 상기와 같이 그래핀 필름을 패턴화함으로써 상기 그래핀 필름의 형상을 다양화활 수 있기 때문에, 이를 이용한 그래핀 채널 부재가 다양한 형태를 갖는 소자에 디자인적인 제약 없이 적용될 수 있다. On the other hand, the graphene film may be patterned, specifically, may be finely patterned. For example, the graphene film may be variously patterned in a polygonal shape such as a circle, a triangle, a square, a pentagon, or a hexagon (honeycomb). Since the shape of the graphene film can be diversified by patterning the graphene film as described above, the graphene channel member using the same can be applied to devices having various shapes without design restrictions.

상기 바이오 탐침은 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침이고, 특히 항-스트레스 호르몬으로 알려진 코티졸 및/또는 세로토닌에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 항체, 압타머, 수용체 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 항체는 항-코티졸 항체 및/또는 항-세로토닌 항체로서 상업적으로 입수할 수 있는 것들일 수 있다. 또한, 상기 압타머는 코티졸, 세로토닌에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 것으로서 상업적으로 입수하거나, 또는 당업계에 공지된 방법으로 제조한 것일 수 있고, 예컨대 코티졸에 대한 압타머는 5'-ATG GGC AAT GCG GGG TGG AGA ATG GTT GCC GCA CTT CGG C/3AmMO/-3'의 염기서열을 갖는 것일 수 있고, 세로토닌에 대한 압타머는 5'-/5AmMC6/CGA CTG GTA GGC AGA TAG GGG AAG CTG ATT CGA GCG TGG GTC G-3'의 염기서열을 갖는 거일 수 있다. 또한, 상기 수용체는 2Q1V 수용체, 5-HT1E 수용체 등일 수 있다. 상기 2Q1V 수용체는 코티졸(cortisol)에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 것으로서, Genbank Accession 2Q1V_A로 보고된 아미노산 서열을 갖는 것일 수 있다. 또한, 상기 5-HT1E 수용체는 세로토닌(serotonin)에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 것으로서, Genbank Accession NP_000856로 보고된 아미노산 서열을 갖는 것이며, 예컨대 Genbank Accession NM_000856로 보고된 염기서열을 갖는 유전자로 암호화되는 것일 수 있다. 상기 2Q1V 수용체 및/또는 5-HT1E 수용체는 상기 유전자들을 상업적으로 입수하거나 직접 합성하여 대장균 등의 숙주세포에서 발현시킨 것일 수 있다. The bioprobe is a bioprobe that specifically or selectively binds to an anti-stress hormone, in particular an antibody, an aptamer, a receptor, etc. there is. For example, the antibodies may be commercially available as anti-cortisol antibodies and/or anti-serotonin antibodies. In addition, the aptamer may be obtained commercially as specifically or selectively binding to cortisol and serotonin, or may be prepared by a method known in the art. For example, the aptamer for cortisol is 5'-ATG GGC AAT GCG GGG TGG AGA ATG GTT GCC GCA CTT CGG C/3AmMO/-3' may have a nucleotide sequence, and the aptamer for serotonin is 5'-/5AmMC6/CGA CTG GTA GGC AGA TAG GGG AAG CTG ATT CGA GCG TGG GTC It may be one having the nucleotide sequence of G-3'. In addition, the receptor may be a 2Q1V receptor, a 5-HT 1E receptor, or the like. The 2Q1V receptor specifically or selectively binds to cortisol, and may have an amino acid sequence reported as Genbank Accession 2Q1V_A. In addition, the 5-HT 1E receptor binds specifically or selectively to serotonin, and has an amino acid sequence reported as Genbank Accession NP_000856, for example, encoded by a gene having a nucleotide sequence reported as Genbank Accession NM_000856 it may be The 2Q1V receptor and/or 5-HT 1E receptor may be obtained commercially or directly synthesized and expressed in a host cell such as E. coli.

상기 바이오 탐침은 상기 그래핀 필름 상에 고정된다. 상기 고정은 물리적 결합 또는 화학적 결합을 통해 이루어질 수 있고, 특히 상기 바이오 탐침은 링커를 매개로 하여 화학적으로 고정될 수 있다. 즉 상기 링커는 상기 바이오 탐침을 상기 그래핀 필름에 고정화시키기 위한 매개체의 역할을 할 수 있다.The bioprobe is fixed on the graphene film. The immobilization may be accomplished through physical or chemical bonding, and in particular, the bioprobe may be chemically immobilized through a linker. That is, the linker may serve as a medium for immobilizing the bioprobe to the graphene film.

이 때, 상기 링커는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물; 및 1,5-디아미노나프탈렌(1,5-diaminonaphthalene, DAN);으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.In this case, the linker is a carbene compound represented by Formula 1 or Formula 2; And 1,5-diaminonaphthalene (1,5-diaminonaphthalene, DAN); may include at least one selected from the group consisting of.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 1 및 2에 있어서,In Formulas 1 and 2,

R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 치환 또는 비치환된 아릴기 또는 탄소수 2 내지 30의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기이고,R1, R2, R5 and R6 are the same as or different from each other and are each independently hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 6 to 30 carbon atoms, or an unsubstituted aryl group or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms;

R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 치환 또는 비치환된 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, and 6 to carbon atoms A substituted or unsubstituted aryl group of 30, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or a structure represented by the following Chemical Formula 3, or two or more adjacent substituents of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring and,

R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,At least one of R3 and R4 is a structure represented by the following formula (3),

R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,At least one of R7 to R10 is a structure represented by the following formula (3), or when two or more substituents adjacent to each other of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring, at least one of the hydrogens bonded to the carbon forming the hydrocarbon ring is substituted with a structure represented by the following formula (3),

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 화학식 3에 있어서,In Formula 3,

n은 괄호 내 단위의 반복 수로 1 내지 30의 정수이고,n is an integer from 1 to 30 as the number of repeating units in parentheses,

A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기이다.A is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms including a nitrogen (N) atom or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms including a nitrogen (N) atom.

상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.

상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 10의 아릴기일 수 있다.R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms.

상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기일 수 있다.R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms.

상기 R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 이소프로필 또는 벤질일 수 있다.R1, R2, R5 and R6 may be the same as or different from each other and each independently hydrogen, isopropyl or benzyl.

상기 R1 및 R2 중 적어도 하나 및 상기 R5 및 R6 중 적어도 하나는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.At least one of R1 and R2 and at least one of R5 and R6 may be the same as or different from each other and may each independently be an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.

상기 R1 및 R2 중 적어도 하나 및 상기 R5 및 R6 중 적어도 하나는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 이소프로필 또는 벤질일 수 있다.At least one of R1 and R2 and at least one of R5 and R6 may be the same as or different from each other, and each independently may be isopropyl or benzyl.

상기 R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성할 수 있다.R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, and 2 to 30 carbon atoms. of a heteroaryl group or a structure represented by Formula 3, or two or more substituents adjacent to each other among R7 to R10 may combine to form a hydrocarbon ring.

상기 R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소 또는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성할 수 있다.Wherein R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen or a structure represented by Formula 3, or two or more adjacent substituents of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring can

상기 R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환될 수 있다.When two or more adjacent substituents of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring, at least one of carbons forming the hydrocarbon ring may be substituted with a structure represented by Formula 3 above.

상기 R3 및 R4 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조일 수 있다. 또한, 상기 R7 내지 R10 중 적어도 하나는 상기 화학식 3으로 표시되는 구조일 수 있다.At least one of R3 and R4 may have a structure represented by Formula 3 above. In addition, at least one of R7 to R10 may have a structure represented by Formula 3 above.

상기 n은 괄호 내 단위의 반복 수로 1 이상 내지 30 이하의 정수일 수 있다. 특히 상기 n은 1 이상, 2 이상 또는 3 이상일 수 있고, 30 이하, 27 이하, 25 이하, 23 이하, 20 이하, 17 이하, 15 이하, 13 이하, 10 이하 7 이하 또는 5 이하일 수 있다.The n may be an integer of 1 or more to 30 or less as the number of repetitions of units in parentheses. In particular, n may be 1 or more, 2 or more, or 3 or more, and 30 or less, 27 or less, 25 or less, 23 or less, 20 or less, 17 or less, 15 or less, 13 or less, 10 or less, 7 or less, or 5 or less.

상기 A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이다. 구체적으로 상기 A는 아자이드(azide), 프탈이미드(phthalimide), 또는 아민(amine)일 수 있다.A is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms including a nitrogen (N) atom or a heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms including a nitrogen (N) atom. Specifically, A may be azide, phthalimide, or amine.

본 발명에 있어서, "인접한" 기는 해당 치환기가 치환된 원자와 직접 연결된 원자에 치환된 치환기, 해당 치환기와 입체구조적으로 가장 가깝게 위치한 치환기, 또는 해당 치환기가 치환된 원자에 치환된 다른 치환기를 의미할 수 있다. 예컨대, 벤젠고리에서 오쏘(ortho)위치로 치환된 2개의 치환기 및 지방족 고리에서 동일 탄소에 치환된 2개의 치환기는 서로 "인접한"기로 해석될 수 있다.In the present invention, "adjacent" group means a substituent substituted on an atom directly connected to the atom in which the substituent is substituted, a substituent sterically closest to the substituent, or another substituent substituted on the atom in which the substituent is substituted. can For example, two substituents substituted at an ortho position in a benzene ring and two substituents substituted at the same carbon in an aliphatic ring may be interpreted as "adjacent" groups.

상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수 1 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 10일 수 있다. 더 바람직하게는 탄소수 1 내지 6일 수 있다. 상기 알킬기의 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, n-프로필기, 이소프로필기, 부틸기, n-부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, sec-부틸기, 1-메틸부틸기, 1-에틸부틸기, 펜틸기, n-펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 헥실기, n-헥실기, 1-메틸펜틸기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸-2-펜틸기, 3,3-디메틸 부틸기, 2-에틸부틸기, 헵틸기, n-헵틸기, 1-메틸헥실기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥실메틸기, 옥틸기, n-옥틸기, tert-옥틸기, 1-메틸헵틸기, 2-에틸헥실기, 2-프로필펜틸기, n-노닐기, 2,2-디메틸헵틸기, 1-에틸프로필기, 1,1-디메틸프로필기, 이소헥실기, 4-메틸헥실기, 5-메틸헥실기, 또는 벤질기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The alkyl group may be linear or branched, and may have 1 to 20 carbon atoms, and preferably 1 to 10 carbon atoms. More preferably, it may have 1 to 6 carbon atoms. Specific examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, propyl group, n-propyl group, isopropyl group, butyl group, n-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, sec-butyl group, 1-methylbutyl group, 1-ethylbutyl group, pentyl group, n-pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, hexyl group, n-hexyl group, 1-methylpentyl group, 2-methylpentyl group, 4-methyl group -2-pentyl group, 3,3-dimethyl butyl group, 2-ethylbutyl group, heptyl group, n-heptyl group, 1-methylhexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, octyl group, n-octyl group, tert-octyl group, 1-methylheptyl group, 2-ethylhexyl group, 2-propylpentyl group, n-nonyl group, 2,2-dimethylheptyl group, 1-ethylpropyl group, 1,1-dimethylpropyl group, an isohexyl group, a 4-methylhexyl group, a 5-methylhexyl group, or a benzyl group, but is not limited thereto.

상기 시클로알킬기는 탄소수 3 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 3 내지 10일 수 있다. 상기 시클로알킬기의 구체적인 예로는 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 3-메틸시클로펜틸기, 2,3-디메틸시클로펜틸기, 시클로헥실기, 3-메틸시클로헥실기, 4-메틸시클로헥실기, 2,3-디메틸시클로헥실기, 3,4,5-트리메틸시클로헥실기, 4-tert-부틸시클로헥실기, 시클로헵틸기, 또는 시클로옥틸기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The cycloalkyl group may have 3 to 20 carbon atoms, preferably 3 to 10 carbon atoms. Specific examples of the cycloalkyl group include a cyclopropyl group, a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, a 3-methylcyclopentyl group, a 2,3-dimethylcyclopentyl group, a cyclohexyl group, a 3-methylcyclohexyl group, and a 4-methylcyclo a hexyl group, a 2,3-dimethylcyclohexyl group, a 3,4,5-trimethylcyclohexyl group, a 4-tert-butylcyclohexyl group, a cycloheptyl group, or a cyclooctyl group, but is not limited thereto.

상기 아릴기는 탄소수 6 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 6 내지 10일 수 있다. 상기 아릴기는 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 단환식 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 바이페닐기, 또는 터페닐기 등이 있고, 상기 다환식 아릴기의 구체적인 예로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 또는 트리페닐렌기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The aryl group may have 6 to 30 carbon atoms, preferably 6 to 10 carbon atoms. The aryl group may be a monocyclic aryl group or a polycyclic aryl group. Specific examples of the monocyclic aryl group include a phenyl group, a biphenyl group, or a terphenyl group, and specific examples of the polycyclic aryl group include a naphthyl group, an anthracenyl group, a phenanthryl group, a pyrenyl group, a perylenyl group, and cry There is a cenyl group, a fluorenyl group, or a triphenylene group, but is not limited thereto.

상기 헤테로아릴기는 이종원자로 N, O, P, S, Si 및 Se 중 선택되는 1개 이상을 포함하는 방향족 고리기로서, 탄소수는 2 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 2 내지 20일 수 있다. 상기 헤테로아릴기의 구체적인 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 또는 벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The heteroaryl group is an aromatic ring group including at least one selected from N, O, P, S, Si and Se as a heteroatom, and may have 2 to 30 carbon atoms, preferably 2 to 20 carbon atoms. . Specific examples of the heteroaryl group include a thiophene group, a furan group, a pyrrole group, an imidazole group, a thiazole group, an oxazole group, an oxadiazole group, a triazole group, a pyridyl group, a pyrimidyl group, a triazine group, a triazole group, acri Diyl group, quinolinyl group, quinazoline group, quinoxalinyl group, phthalazinyl group, isoquinoline group, indole group, carbazole group, benzoxazole group, benzimidazole group, benzothiazole group, benzocarbazole group, benzothiophene group , a dibenzothiophene group, or a benzofuranyl group, but is not limited thereto.

또한, 상기 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기 또는 탄화수소 고리는 다시 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 또는 헤테로아릴기로 치환 또는 비치환될 수 있다.In addition, the alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, heteroaryl group or hydrocarbon ring may be unsubstituted or substituted with an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group or a heteroaryl group.

상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물이 링커로 이용되는 경우, 상기 카벤 화합물의 비공유전자쌍이 상기 그래핀 필름과 화학적 결합(공유결합)될 수 있고, 이를 위해 예컨대 상기 그래핀 필름에 상기 카벤 화합물을 처리 한 후에 100℃ 이상의 온도를 가하여 반응시킬 수 있다.When the carbene compound represented by Formula 1 or Formula 2 is used as a linker, the lone pair of electrons of the carbene compound may be chemically bonded (covalently bonded) to the graphene film, for this purpose, for example, the carbene compound is attached to the graphene film. After the compound is treated, it can be reacted by applying a temperature of 100° C. or higher.

한편, 상기 1,5-디아미노나프탈렌은 하기 화학식 4로 표시되는 화합물로서, 상업적으로 입수한 것이거나 직접 합성한 것일 수 있다.Meanwhile, the 1,5-diaminonaphthalene is a compound represented by the following Chemical Formula 4, and may be commercially obtained or directly synthesized.

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 1,5-디아미노나프탈렌이 링커로 이용되는 경우, 상기 1,5-디아미노나프탈렌의 나프탈렌 작용기가 상기 그래핀 필름과 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction)으로 결합될 수 있고, 이를 위하여 예컨대 상기 1,5-디아미노나프탈렌과 글루타르알데히드를 1 내지 10 μM의 농도로 증류수에 녹인 용액을, 상기 그래핀 필름의 표면 상에 5 내지 10 ㎕를 첨가하여 약 10 내지 25분 동안 상온에서 반응시키고, 반응 후에 증류수로 그래핀 필름의 표면을 세척하는 방법을 이용할 수 있다. 이 때, 상기 글루타르알데히드는 1,5-디아미노나프탈렌과 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침을 화학결합시키기 위한 커플링제의 역할을 할 수 있다.When the 1,5-diaminonaphthalene is used as a linker, the naphthalene functional group of the 1,5-diaminonaphthalene may be bonded to the graphene film through a pi-pi interaction, and this For example, a solution of 1,5-diaminonaphthalene and glutaraldehyde in distilled water at a concentration of 1 to 10 μM is added to the surface of the graphene film by 5 to 10 μl, and the result is at room temperature for about 10 to 25 minutes. A method of washing the surface of the graphene film with distilled water after the reaction can be used. In this case, the glutaraldehyde may serve as a coupling agent for chemically bonding 1,5-diaminonaphthalene and the bio-probe that specifically or selectively binds to the anti-stress hormone.

또한, 상기 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침은 상기 링커에 물리적 또는 화학적으로 결합할 수 있고, 상기 링커가 카벤 화합물 또는 1,5-디아미노나프탈렌인 경우에 이들에 화학적으로 결합할 수 있으며, 예를 들어 상기 카벤 화합물 또는 1,5-디아미노나프탈렌 화합물의 기능기와 상기 바이오 탐침의 기능기가 커플링제(예를 들어, DMTMM(4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium tetrafluoroborate), EDC-NHS(N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride and N-hydroxysuccinimide), 글루타르알데히드(glutaraldehyde(GA)) 등)에 의해 화학적으로 결합할 수 있다.In addition, the bioprobe that specifically or selectively binds to the anti-stress hormone may physically or chemically bind to the linker, and when the linker is a carbene compound or 1,5-diaminonaphthalene, chemical and, for example, the functional group of the carbene compound or 1,5-diaminonaphthalene compound and the functional group of the bioprobe may be combined with a coupling agent (eg, DMTMM (4-(4,6-Dimethoxy-1, 3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium tetrafluoroborate), EDC-NHS (N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride and N-hydroxysuccinimide), glutaraldehyde (GA), etc. ) can be chemically combined.

상기와 같은 링커를 통해 상기 바이오 탐침이 상기 그래핀 필름에 고정화되면, 상기 바이오 탐침이 외부 환경의 변화로부터 보다 안정해지는, 외부 환경 변화에 대한 안정성이 향상되는 장점이 있다.When the bioprobe is immobilized on the graphene film through the linker as described above, there is an advantage in that the bioprobe becomes more stable from changes in the external environment, and stability against external environmental changes is improved.

한편, 상기 그래핀 필름이 패턴화된 경우, 상기 패턴화된 그래핀 필름의 표면에 상기 바이오 탐침이 결합되어 있을 수 있다. 이 때 전술한 것과 같이 상기 바이오 탐침이 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물 또는 1,5-디아미노나프탈렌을 링커로 하여 상기 패턴화된 그래핀 필름에 화학적 결합으로 고정화되어 있을 수 있다.On the other hand, when the graphene film is patterned, the bioprobe may be coupled to the surface of the patterned graphene film. At this time, as described above, the bioprobe may be immobilized on the patterned graphene film by a chemical bond using the carbene compound or 1,5-diaminonaphthalene represented by Formula 1 or Formula 2 as a linker.

상기와 같이 그래핀 필름 상에 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물 및/또는 1,5-디아미노나프탈렌을 링커로 하여 상기 바이오 탐침이 고정화된 본 발명의 그래핀 채널 부재는, 그래핀 층을 이용하기 때문에 게이트에 전압이 가해지지 않은 오프 상태에서도 높은 전류가 흘러 작동 전류의 온/오프 비율이 매우 낮으므로 보다 민감도가 높은 소자를 구현하는데 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 외부 환경 변화에 대해서도 매우 높은 안정성을 나타내므로 이용 편의성이나 활용성이 높은 소자를 구현할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 상기 그래핀 필름에 항-스트레스 호르몬에 대한 바이오 탐침으로 코티졸에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 2Q1V 수용체 등의 바이오 탐침과 세로토닌에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 5-HT1E 수용체 등의 바이오 탐침을 모두 고정화시킨 경우에는, 다양한 항-스트레스 호르몬의 실시간 다중 검출이 가능할 수 있다는 장점도 있다.As described above, the graphene channel member of the present invention in which the bioprobe is immobilized using the carbene compound represented by Formula 1 or Formula 2 and/or 1,5-diaminonaphthalene as a linker on the graphene film, graphene Because the layer is used, high current flows even in the off state when no voltage is applied to the gate, and the on/off ratio of the operating current is very low. Since it shows high stability, it has the advantage of being able to implement a device with high usability and usability. In addition, as a bioprobe for the anti-stress hormone on the graphene film, a bioprobe such as a 2Q1V receptor that specifically or selectively binds to cortisol and a 5-HT 1E receptor that specifically or selectively binds to serotonin When all of the bio-probes are immobilized, there is also an advantage that real-time multiplex detection of various anti-stress hormones is possible.

2. 그래핀 트랜지스터2. Graphene Transistor

또한 본 발명은 상기 그래핀 채널 부재를 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.The present invention also provides a graphene transistor including the graphene channel member.

본 발명의 그래핀 트랜지스터는, 기판; 전술한 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함한다.The graphene transistor of the present invention includes: a substrate; the aforementioned graphene channel member; and a pair of electrodes.

상기 기판은 본 발명의 그래핀 트랜지스터의 구성들이 지지되는 지지대로서의 역할을 하는 것으로서, Si 기판, 유리 기판, GaN 기판, 실리카(SiO2) 기판 등의 절연성 무기물 기판, Ni, Cu, W 등의 금속 기판 또는 플라스틱 기판(예를 들어, 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN) 등) 등을 사용할 수 있으며, 절연성 기판을 사용하는 경우, 그래핀 채널 부재와의 친화력이 우수한 점에서, 실리카(SiO2) 기판, 또는 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하다. 또한, 상기 기판은 그래핀의 증착이 가능한 다양한 물질 중에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 실리콘-게르마늄, 실리콘 카바이드(SiC) 등의 물질로 구성될 수 있고, 에피택셜(epitaxial) 층, 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator) 층, 반도체-온-절연체(semiconductor-on-insulator) 층 등을 포함할 수 있다.The substrate serves as a support on which the components of the graphene transistor of the present invention are supported, and an insulating inorganic substrate such as a Si substrate, a glass substrate, a GaN substrate, a silica (SiO 2 ) substrate, and a metal such as Ni, Cu, W A substrate or a plastic substrate (eg, polyethylene naphthalate (PEN), etc.) may be used, and when an insulating substrate is used, in terms of excellent affinity with the graphene channel member, silica (SiO 2 ) It is preferable that it is a board|substrate or a silicon wafer. In addition, the substrate may be selected from various materials capable of depositing graphene, for example, may be made of a material such as silicon-germanium or silicon carbide (SiC), and an epitaxial layer, silicon-on. - may include a silicon-on-insulator layer, a semiconductor-on-insulator layer, and the like.

상기 그래핀 채널 부재는 상기 기판 상에 형성될 수 있다.The graphene channel member may be formed on the substrate.

구체적으로는 상기 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 화학 기상 증착법으로 그래핀을 성장시켜 그래핀 필름을 형성하는 것일 수 있다.Specifically, the graphene film may be formed by growing graphene on the substrate by a chemical vapor deposition method using a hydrocarbon gas as a carbon source.

상기 그래핀 필름은 예를 들면, 화학 기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있으며, 이를 이용하면 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있다. 상기 화학 기상 증착법은 기판 표면에 높은 운동 에너지를 갖는 기체 또는 증기 형태의 탄소 전구체를 흡착, 분해 또는 반응시켜 탄소 원자로 분리시키고, 해당 탄소 원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다.The graphene film may be formed using, for example, chemical vapor deposition, and by using this, single to several layers of graphene having excellent crystallinity can be obtained over a large area. The chemical vapor deposition method is a method of growing graphene by adsorbing, decomposing, or reacting a carbon precursor in the form of a gas or vapor having high kinetic energy on the substrate surface to separate it into carbon atoms, and making the carbon atoms bond with each other. .

상기 화학 기상 증착법은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) 및 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 넓은 면적에 결점을 최소화하여 증착이 가능한 점에서 상기 화학 기상 증착법은 LPCVD인 것이 바람직하다.The chemical vapor deposition method may be at least one selected from the group consisting of Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition (APCVD), and Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD), and minimize defects in a large area It is preferable that the chemical vapor deposition method is LPCVD in that deposition is possible.

상기 화학 기상 증착의 구체적인 방법으로서, 예를 들면 니켈, 구리, 알루미늄, 철 등의 금속 촉매를 스퍼터링 장치 및 전자빔 증발 장치를 이용하여 산화 실리콘층을 가지는 웨이퍼 상에 증착시켜 금속 촉매층을 형성하고, 이를 CH4, C2H2 등의 탄소를 포함하는 가스와 함께 반응기에 넣고 가열하여, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 하고, 이를 냉각하여 상기 금속 촉매층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시킨 후, 최종적으로 상기 금속 촉매층을 제거함으로써 그래핀 필름을 형성할 수 있다.As a specific method of the chemical vapor deposition, for example, a metal catalyst such as nickel, copper, aluminum, iron is deposited on a wafer having a silicon oxide layer using a sputtering device and an electron beam evaporation device to form a metal catalyst layer, CH 4 , C 2 H 2 It is put into a reactor together with a gas containing carbon, such as, heated, so that carbon is absorbed in the metal catalyst layer, cooled to separate carbon from the metal catalyst layer and crystallized, and finally the metal By removing the catalyst layer, a graphene film can be formed.

다만, 상기 그래핀 필름을 형성하는 방법은 화학 기상 증착법에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 방법을 이용하여 그래핀 필름을 형성할 수 있다.However, the method for forming the graphene film is not limited to the chemical vapor deposition method, and various methods may be used to form the graphene film.

예를 들어, 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 물리적 박리법, 산화-환원 특성을 활용한 화학적 박리법 또는 SiC와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 1,500℃의 고온 상태에서 열처리하는 에피텍셜 합성법을 이용하여 그래핀 필름을 형성시킬 수 있다.For example, in a graphite crystal composed of multiple layers, a physical exfoliation method to make graphene by peeling off one layer by mechanical force, a chemical exfoliation method utilizing oxidation-reduction properties, or SiC, where carbon is adsorbed or contained in the crystal A graphene film can be formed by using an epitaxial synthesis method in which a material is heat-treated at a high temperature of 1,500 °C.

상기 한 쌍의 전극은 그래핀 채널 부재에 전압을 인가하기 위해 상기 그래핀 필름 상에서 서로 이격되어 형성되는 소스 전극과 드레인 전극일 수 있다.The pair of electrodes may be a source electrode and a drain electrode formed to be spaced apart from each other on the graphene film in order to apply a voltage to the graphene channel member.

이러한 소스 전극과 드레인 전극은 상기 그래핀 필름을 통하여 전기적으로 연결될 수 있고, 도전성을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 금속 합금, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다.The source electrode and the drain electrode may be electrically connected through the graphene film, may include a conductive material, and may be formed of, for example, a metal, a metal alloy, a conductive metal oxide, or a conductive metal nitride. .

상기 소스 전극과 드레인 전극은 각각 독립적으로 Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그래핀과의 접촉성 및 식각의 용이성 측면에서, Au, 또는 Cr/Au 합금인 것이 바람직하다.The source electrode and the drain electrode are each independently Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn, and may include at least one selected from the group consisting of Zn and combinations thereof, but is not limited thereto, in terms of contact with graphene and ease of etching. , Au, or a Cr/Au alloy is preferred.

상기 한 쌍의 전극은 당업계에 공지된 방법으로 형성할 수 있으나, 예를 들어, 포토리소그라피(photolithography), 열증착 공정(Thermal Deposition), 이빔증착 공정(E-beam Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 증착 방법에 의하여 형성할 수 있다.The pair of electrodes may be formed by a method known in the art, but for example, photolithography, thermal deposition, E-beam deposition, plasma enhanced (PECVD) It may be formed by a deposition method such as Chemical Vapor Deposition), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition), sputtering, or ALD (Atomic Layer Deposition).

상기 그래핀 채널 부재는 상기 그래핀 필름 상에 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침이 물리적인 흡착에 의하여 직접 결합(고정화)되어 있는 것일 수 있고, 또는 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침이 상기 카벤 화합물 또는 1,5-디아미노나프탈렌 화합물을 매개로 결합(고정화)되어 있는 것일 수 있다. 상기 그래핀 채널 부재, 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침, 카벤 화합물, 1,5-디아미노나프탈렌 화합물, 그래핀 필름에 관해서는 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.The graphene channel member may be a bio-probe that specifically or selectively binds to an anti-stress hormone on the graphene film is directly bound (immobilized) by physical adsorption, or to an anti-stress hormone. The bio-probe that specifically or selectively binds may be bound (immobilized) via the carbene compound or 1,5-diaminonaphthalene compound. The graphene channel member, the bioprobe that specifically or selectively binds to the anti-stress hormone, the carbene compound, the 1,5-diaminonaphthalene compound, and the graphene film may be the same as described above.

상기 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침이 상기 카벤 화합물 또는 1,5-디아미노나프탈렌 화합물을 링커로 포함하여 그래핀 필름에 결합(고정화)되는 경우, 상기 그래핀 필름 상에 결합된 링커는 단일층의 형태로 링커층을 형성할 수 있고, 상기 카벤 화합물에 고정된 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침 역시 단일층의 형태로 바이오 탐침층을 형성할 수 있다.When the bioprobe specifically or selectively binding to the anti-stress hormone includes the carbene compound or the 1,5-diaminonaphthalene compound as a linker and is bound (immobilized) to the graphene film, on the graphene film The linker bound to may form a linker layer in the form of a single layer, and the bioprobe specifically or selectively binding to the anti-stress hormone immobilized on the carbene compound also forms a bioprobe layer in the form of a single layer. can do.

상기 링커층이 단일층으로 형성되는 경우, 그래핀 본연의 우수한 전하 이동도, 투명도 및/또는 유연성을 가질 뿐만 아니라, 외부의 비특이적 전하들의 접근에 의한 노이즈 신호를 차단할 수 있는 효과가 있다.When the linker layer is formed as a single layer, graphene not only has excellent charge mobility, transparency and/or flexibility, but also has the effect of blocking noise signals due to the approach of external non-specific charges.

또한, 상기 링커층은 그 두께가 0.1 내지 2 ㎚일 수 있다. 상기 링커층의 두께가 0.1 ㎚보다 얇은 경우 저항이 증가하는 문제점이 있고, 2 ㎚보다 두꺼운 경우 링커들 간의 상호 작용이 많아져서 바이오 탐침의 고정화 효율이 감소되는 문제가 있다.In addition, the linker layer may have a thickness of 0.1 to 2 nm. When the thickness of the linker layer is thinner than 0.1 nm, there is a problem in that resistance increases, and when the thickness of the linker layer is thicker than 2 nm, there is a problem in that the interaction between the linkers increases, thereby reducing the immobilization efficiency of the bioprobe.

3. 바이오 센서3. Biosensor

본 발명의 또 다른 측면은, 전술한 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a biosensor including the graphene transistor described above.

본 발명에 따른 바이오 센서는, 전기장 효과에 의해 소스 및 드레인 전극 사이의 그래핀 필름에 흐르는 전류가 변하는 반도체 특성을 이용한 것이다.The biosensor according to the present invention uses a semiconductor characteristic in which a current flowing in a graphene film between a source and a drain electrode changes due to an electric field effect.

구체적으로, 그래핀 필름의 표면에 형성된 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침이 코티졸 또는 세로토닌과 반응하면, 주변의 전기장에 변화가 일어나며, 이로 인해 소스 전극과 드레인 전극 사이의 그래핀 필름에 흐르는 전류 값이 함께 변하고, 이러한 전류의 변화를 측정하는 방식으로 표적물을 검출할 수 있다.Specifically, when a bioprobe that specifically or selectively binds to the anti-stress hormone formed on the surface of the graphene film reacts with cortisol or serotonin, a change in the surrounding electric field occurs, which causes a gap between the source electrode and the drain electrode. The value of the current flowing through the graphene film changes together, and the target can be detected by measuring the change in the current.

이러한 바이오 센서는, 위와 같은 그래핀 트랜지스터를 이용함으로써 민감도, 특이성, 신속성 및/또는 휴대성이 우수하며, 특히, 그래핀 필름을 채널층으로 사용함으로써 그래핀의 높은 전하 캐리어 이동도와 전도도 특성으로 인하여 우수한 민감도와 실시간 감지 성능을 가지고, 이에 따라 인체의 대사과정에 의해 발생되는 항-스트레스 호르몬의 검출 한계를 향상시켜서 높은 민감도와 재현성을 가지는 검출이 가능한 효과가 있다.This biosensor is excellent in sensitivity, specificity, speed and/or portability by using the graphene transistor as described above. It has excellent sensitivity and real-time detection performance, and accordingly, the detection limit of the anti-stress hormone generated by the metabolic process of the human body is improved, thereby enabling detection with high sensitivity and reproducibility.

또한, 위와 같이 링커층을 그래핀 트랜지스터 내의 그래핀 필름에 형성시켜 이에 결합된 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침층을 그래핀 트랜지스터의 채널 영역에 존재시키는 경우에는 센서의 민감도가 더욱 향상될 뿐만 아니라, 도핑 처리와 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 또는 선택적으로 결합하는 바이오 탐침의 부착을 동시에 실시할 수 있게 되어 공정이 간소화되는 효과가 있다.In addition, when the linker layer is formed on the graphene film in the graphene transistor as described above and a bioprobe layer that specifically or selectively binds to the anti-stress hormone bound thereto is present in the channel region of the graphene transistor, the sensor Not only the sensitivity is further improved, but also the doping treatment and the attachment of a bioprobe that specifically or selectively binds to the anti-stress hormone can be performed at the same time, thereby simplifying the process.

나아가 전술한 그래핀 트랜지스터는 도 1 및 도 2와 같이 유심칩 형태로 제작이 되어서 소형화된 바이오 센서(휴대용 전자식 가스 센서 등)에 적용시킬 수 있어서, 장소의 제약 없이 현장 및 실시간으로 진단이 가능하여 매우 간편하고 정확하게 판별할 수 있다.Furthermore, the aforementioned graphene transistor is manufactured in the form of a SIM chip as shown in FIGS. 1 and 2 and can be applied to a miniaturized biosensor (portable electronic gas sensor, etc.) It can be identified very simply and accurately.

이하에서, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments.

그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.However, these examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<제조예><Production Example>

<제조예 1><Production Example 1>

Figure pat00005
Figure pat00005

위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 1을 제조하였다.According to the above reaction scheme, carbene compound 1 was prepared.

도 3에 상기 카벤 화합물 1의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다. 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 1 is shown in FIG. 3 .

<제조예 2><Preparation Example 2>

Figure pat00006
Figure pat00006

위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 2를 제조하였다.According to the above reaction scheme, carbene compound 2 was prepared.

도 4에 상기 카벤 화합물 2의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다. 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 2 is shown in FIG. 4 .

<제조예 3><Production Example 3>

Figure pat00007
Figure pat00007

위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 3을 제조하였다.According to the above reaction scheme, carbene compound 3 was prepared.

도 5에 상기 카벤 화합물 3의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다. 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 3 is shown in FIG. 5 .

<제조예 4><Production Example 4>

Figure pat00008
Figure pat00008

위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 4를 제조하였다.According to the above reaction scheme, carbene compound 4 was prepared.

도 6에 상기 카벤 화합물 4의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다. 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 4 is shown in FIG. 6 .

<제조예 5><Preparation Example 5>

Figure pat00009
Figure pat00009

위와 같은 반응식에 따라, 카벤 화합물 5를 제조하였다.According to the above reaction scheme, carbene compound 5 was prepared.

도 7에 상기 카벤 화합물 5의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다. 1 H-NMR spectrum of the carbene compound 5 is shown in FIG. 7 .

<제조예 6><Preparation Example 6>

Genbank Accession 2Q1V_A로 보고된 아미노산 서열을 갖는 2Q1V 수용체를 암호화하는 염기서열을 합성하여 PCR로 증폭한 뒤 이를 겔 추출(gel extraction)하여 정제한다. 증폭된 유전자들을 pENTR 벡터 에 삽입한 뒤 대장균에 삽입하여 배양하고, 상기 벡터가 제대로 도입된 균주를 카나마이신(kanamycin)으로 선별한다.The nucleotide sequence encoding the 2Q1V receptor having the amino acid sequence reported as Genbank Accession 2Q1V_A is synthesized, amplified by PCR, and purified by gel extraction. After the amplified genes are inserted into the pENTR vector, they are inserted and cultured in E. coli, and the strain into which the vector has been properly introduced is selected with kanamycin.

선별된 균주에서 pENTR 벡터 내부의 유전자를 유전자 재조합 방식을 사용하여 pDEST42 벡터에 옮겨주고 이를 다시 대장균에 삽입하여 배양한 다음, 암피실린(ampicillin)으로 선별하여 상기 벡터가 제대로 도입된 균주를 선별한다. In the selected strain, the gene inside the pENTR vector is transferred to the pDEST42 vector using a genetic recombination method, which is again inserted into E. coli and cultured, and then selected with ampicillin to select the strain into which the vector is properly introduced.

상기 선별된 균주를 배양하여 상기 pDEST42 벡터를 증폭시킨 다음, 이를 다시 대장균 BL21(DE3)에 삽입하고, IPTG(Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside)로 발현을 유도하여, 2Q1V 수용체를 생산하였다.After culturing the selected strain to amplify the pDEST42 vector, it was again inserted into E. coli BL21 (DE3), and expression was induced with IPTG (Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside) to produce 2Q1V receptor.

<제조예 7><Production Example 7>

Genbank Accession NM_000856로 보고된 염기서열을 갖는 5-HT1E 수용체의 유전자를 합성하여, 상기 실시예 6에서와 동일한 방법으로 5-HT1E 수용체를 생산하였다.A gene of 5-HT 1E receptor having a nucleotide sequence reported as Genbank Accession NM_000856 was synthesized, and 5-HT 1E receptor was produced in the same manner as in Example 6.

<실시예 1> 코티졸 검출용 그래핀 트랜지스터 제조<Example 1> Preparation of graphene transistor for detecting cortisol

1-1. 기판 상에 그래핀 필름의 형성1-1. Formation of a graphene film on a substrate

구리 호일을 챔버 내에 위치시키고, 이를 1,000℃까지 가열하고, 이를 H2 90 mTorr 및 8 sccm으로 30분(20분의 프리 어닐링과 10분의 안정화) 동안 유지한 후, CH4를 20 sccm으로 40분 동안 총 압력이 560 mTorr인 상태로 가한 다음, 이를 35℃/min로 200℃까지 냉각시키고, 로(furnace)를 상온까지 냉각하여 상기 구리 호일 상에 단일층의 그래핀 필름(그래핀층)을 형성하였다.A copper foil was placed in the chamber, heated to 1,000° C., held at H 2 90 mTorr and 8 sccm for 30 min (20 min pre-annealing and 10 min stabilization), and then CH 4 was heated to 20 sccm 40 A single-layer graphene film (graphene layer) was formed on the copper foil by applying a total pressure of 560 mTorr for minutes, then cooling it to 200°C at 35°C/min, and cooling the furnace to room temperature. formed.

다음으로, 상기 구리 호일 상에 형성된 그래핀 필름 상에 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, MicroChem Corp, 950 PMMA A4, 4% in anisole) 용액을 분당 6,000 rpm의 속도로 스핀 코팅하고, 에천트(etchant)를 이용하여 상기 PMMA가 코팅된 그래핀 필름을 상기 구리 호일로부터 분리하였고, 상기와 같이 구리 호일로부터 분리된 그래핀 필름을 10분 동안 탈이온 증류수에 침지하여 상기 그래핀 필름에 남아 있는 잔여 에천트 이온들을 제거하였다.Next, a polymethyl methacrylate (PMMA, MicroChem Corp, 950 PMMA A4, 4% in anisole) solution was spin-coated at a speed of 6,000 rpm per minute on the graphene film formed on the copper foil, and an etchant (etchant) ) was used to separate the PMMA-coated graphene film from the copper foil, and the graphene film separated from the copper foil as described above was immersed in deionized distilled water for 10 minutes to remove the remaining film on the graphene film. The shunt ions were removed.

상기와 같이 세척된 그래핀 필름을 기판인 실리콘 웨이퍼로 전사한 다음, 상기 그래핀 필름 상에 PMMA 용액을 투하하여 상기 그래핀 필름을 코팅하고 있던 PMMA를 제거함으로써, 기판 상에 그래핀 필름을 형성하였다. 이 때 투명성은 97.8%로 유지되었다.The graphene film is formed on the substrate by transferring the cleaned graphene film to a silicon wafer as a substrate, and then dropping the PMMA solution on the graphene film to remove the PMMA coating the graphene film. did At this time, transparency was maintained at 97.8%.

상기 기판 상에 형성된 그래핀 필름에, 포지티브 포토레지스트(AZ5214, Clariant Corp)를 스핀 코팅한 다음, UV 노광, 베이킹 및 현상 과정을 거쳐 그래핀 필름을 패턴화하였다.A positive photoresist (AZ5214, Clariant Corp) was spin-coated on the graphene film formed on the substrate, and then the graphene film was patterned through UV exposure, baking and development processes.

1-2. 전극 형성 1-2. electrode formation

상기와 같이 패턴화되어 정렬된 그래핀 필름의 양 말단에 RIE(Reactive Ion Etching)(oxygen plasma treatment) 방법을 통해 패턴 전극(폭/길이=W/L=1, L=100 ㎛ 채널 길이)을 형성한 다음, 이미지 반전, 열 증착 및 리프트-오프(Lift-off)의 공정을 통해 상기 그래핀 필름의 일부에 전극(W/L=5, L=100 ㎛ 채널 길이)이 형성된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.A pattern electrode (width/length=W/L=1, L=100 μm channel length) was applied to both ends of the graphene film that was patterned and aligned as described above through RIE (Reactive Ion Etching) (oxygen plasma treatment) method. After forming, a graphene transistor in which an electrode (W/L=5, L=100 μm channel length) is formed on a part of the graphene film through the process of image inversion, thermal deposition, and lift-off prepared.

1-3. 링커층의 형성1-3. Formation of a linker layer

상기와 같이 형성된 그래핀 필름 상에 도 8에 도시된 바와 같은 방법으로 링커층을 형성하였다. 구체적으로, 상기 제조예 1의 카벤 화합물 1(50 mg)을 THF 용매(10 mL)에 녹이고 그래핀 필름에 첨가하고 2 mM 플루오르화 테트라부틸암모늄을 혼합한 후 상온에서 30분 동안 반응시켰다. 이어서 THF로 씻어주고 용매를 제거하여 링커층을 형성하였다.A linker layer was formed on the graphene film formed as described above in the same manner as shown in FIG. 8 . Specifically, the carbene compound 1 (50 mg) of Preparation Example 1 was dissolved in a THF solvent (10 mL), added to the graphene film, mixed with 2 mM tetrabutylammonium fluoride, and reacted at room temperature for 30 minutes. Then, it was washed with THF and the solvent was removed to form a linker layer.

1-4. 항-스트레스 호르몬 수용체(2Q1V)의 고정1-4. Immobilization of the anti-stress hormone receptor (2Q1V)

EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide HCl)와 NHS(N-hydroxysuccinimide) 시약을 pH 4.5 MES buffer에 각 1 mg씩 용해시킨 뒤, 상기 EDC-NHS solution을 그래핀 트랜지스터 위에 상온에서 30분 처리한 뒤, 세척하고, 제조예 6의 2Q1V 수용체를 올려서 상온에서 4시간 반응시켜서 2Q1V 수용체가 고정화된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.After dissolving 1 mg each of EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide HCl) and N-hydroxysuccinimide (NHS) reagent in pH 4.5 MES buffer, the EDC-NHS solution was placed on a graphene transistor at room temperature at room temperature. After 30 minutes of treatment, washing, the 2Q1V receptor of Preparation Example 6 was placed and reacted at room temperature for 4 hours to prepare a graphene transistor in which the 2Q1V receptor was immobilized.

<실시예 2> 세로토닌 검출용 그래핀 트랜지스터 제조<Example 2> Preparation of graphene transistor for serotonin detection

상기 실시예 1-4.에 있어서, 상기 제조예 6의 2Q1V 수용체 대신 상기 제조예 7의 5-HT1E 수용체를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 5-HT1E 수용체가 고정화된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.In Example 1-4., 5-HT 1E receptor was prepared in the same manner as in Example 1, except that the 5-HT 1E receptor of Preparation 7 was used instead of the 2Q1V receptor of Preparation Example 6. An immobilized graphene transistor was fabricated.

<실시예 3> 코티졸 및 세로토닌 동시 검출용 그래핀 트랜지스터 제조<Example 3> Preparation of graphene transistor for simultaneous detection of cortisol and serotonin

상기 실시예 1-4.에 있어서, 상기 제조예 6의 2Q1V 수용체 대신, 상기 제조예 6의 2Q1V 수용체와 상기 제조예 7의 5-HT1E 수용체를 함께 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 2Q1V 수용체와 5-HT1E 수용체 모두가 고정화된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.In Example 1-4., instead of the 2Q1V receptor of Preparation Example 6, the 2Q1V receptor of Preparation Example 6 and the 5-HT 1E receptor of Preparation Example 7 were used together. In the same manner, a graphene transistor in which both the 2Q1V receptor and the 5-HT 1E receptor were immobilized was prepared.

<실험예 1><Experimental Example 1>

도 9에 나타낸 것과 같은 키슬리(Keithley) 장비를 이용하여서, 실시예 1의 그래핀 트랜지스터의 코티졸 검출 실험을 실시하여 그 결과를 도 10에 나타내었고, 실시예 2의 그래핀 트랜지스터의 세로토닌 검출 실험을 실시하여 그 결과를 도 11에 나타내었다.Using Keithley equipment as shown in FIG. 9, a cortisol detection experiment of the graphene transistor of Example 1 was performed, and the results are shown in FIG. 10, and the serotonin detection experiment of the graphene transistor of Example 2 was carried out and the results are shown in FIG. 11 .

도 10에 따르면 실시예 1의 그래핀 트랜지스터의 경우 세로토닌 10 μM 용액에서는 검출이 되지 않지만, 코티졸 100 nM, 1 μM, 10 μM 용액에서는 검출이 되는 것을 보아 코티졸 선택성이 있는 것으로 확인되었다.According to FIG. 10, in the case of the graphene transistor of Example 1, it was not detected in a serotonin 10 μM solution, but was detected in a cortisol 100 nM, 1 μM, 10 μM solution, so it was confirmed that there was cortisol selectivity.

또한 도 11에 따르면 실시예 2의 그래핀 트랜지스터의 경우 코티졸 1 μM 용액에서는 검출이 되지 않지만, 세로토닌 10 nM, 10 μM 용액에서는 검출이 되는 것을 보아 세로토닌 선택성이 있는 것으로 확인되었다.In addition, according to FIG. 11, in the case of the graphene transistor of Example 2, although it was not detected in a 1 μM solution of cortisol, it was confirmed that serotonin selectivity was found in that it was detected in a 10 nM, 10 μM solution of serotonin.

<실험예 2><Experimental Example 2>

상기 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여, 인간의 타액(침)에서 유래되는 코티졸의 검출 실험을 실시하여 그 결과를 도 12에 나타내었고, 인간의 타액(침)에서 세로토닌의 검출 실험을 실시하여 그 결과를 도 13에 나타내었다.Using the graphene transistor of Example 3, a detection experiment of cortisol derived from human saliva (saliva) was performed, the results are shown in FIG. 12, and a detection experiment of serotonin in human saliva (saliva) was performed Thus, the results are shown in FIG. 13 .

도 12에 따르면 인간의 타액(undiluted saliva)을 주입하는 경우에 타액 내의 코티졸 및/또는 세로토닌이 그래핀 트랜지스터로 검출되는 것을 확인할 수 있고, 인공 침(인성크로마텍㈜, Cat.No.1700-0303)에 코티졸을 10-4 M, 10-2 M 농도로 희석시킨 경우에도 본 발명의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 코티졸이 검출될 수 있음을 확인할 수 있다.According to FIG. 12, when human saliva (undiluted saliva) is injected, it can be confirmed that cortisol and/or serotonin in saliva is detected by a graphene transistor, and artificial saliva (Insung Chromatek Co., Ltd., Cat. No. 1700-0303) ), it can be confirmed that cortisol can be detected using the graphene transistor of the present invention even when cortisol is diluted to 10 -4 M, 10 -2 M concentrations.

또한 도 13에 따르면 인공 침(saliva)(인성크로마텍㈜, Cat.No.1700-0303)에 세로토닌을 10-3 M, 10-2 M, 10-1 M의 농도로 희석시킨 경우에 본 발명의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 세로토닌이 검출될 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, according to FIG. 13, when serotonin was diluted to a concentration of 10 -3 M, 10 -2 M, and 10 -1 M in artificial saliva (Inseong Chromatek Co., Ltd., Cat. No. 1700-0303), the present invention It can be confirmed that serotonin can be detected using the graphene transistor of

<실험예 3><Experimental Example 3>

PBS 버퍼를 이용하여 코티졸의 농도를 1 pM, 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM, 100 nM, 1 μM로 희석한 용액을 제조하고, 상기 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 검출 실험을 실시하여 그 결과를 도 14에 나타내었고, PBS 버퍼를 이용하여 세로토닌의 농도를 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM, 100 nM로 희석한 용액을 제조하고 상기 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 검출 실험을 실시하여 그 결과를 도 15에 나타내었다.A solution was prepared by diluting the concentration of cortisol to 1 pM, 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM, 100 nM, and 1 μM using a PBS buffer, and a detection experiment using the graphene transistor of Example 3 and the results are shown in FIG. 14, and a solution obtained by diluting the concentration of serotonin to 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM, and 100 nM using a PBS buffer was prepared, and the graphene transistor of Example 3 A detection experiment was performed using , and the results are shown in FIG. 15 .

도 14 및 도 15에 따르면, 본 발명의 그래핀 트랜지스터의 경우, 코티졸과 세로토닌을 농도별로 구분하여 검출해 낼 수 있고, 나아가 코티졸과 세로토닌을 모두 10 pM 수준에서 정밀하게 검출해 낼 수 있음을 확인할 수 있다.14 and 15, in the case of the graphene transistor of the present invention, cortisol and serotonin can be detected separately by concentration, and furthermore, it can be confirmed that both cortisol and serotonin can be precisely detected at a level of 10 pM. can

<실험예 4><Experimental Example 4>

상기 실시예 3의 그래핀 트랜지스터를 이용하여, 실제 환자 유래의 혈청에서 코티졸과 세로토닌을 검출하였다. Using the graphene transistor of Example 3, cortisol and serotonin were detected in serum from an actual patient.

구체적으로, 성빈센트병원에서 우울증을 앓고 있는 환자와 우울증을 앓고 있지 않은 환자 총 23명의 혈청 샘플을 제공받았고, 이들 샘플을 각각 PBS 버퍼로 100 배 희석하여 상기 실시예 3의 그래핀 트랜지스터에 처리하여 코티졸과 세로토닌의 검출 가부를 확인하였다.Specifically, a total of 23 patients with depression and patients without depression were provided with serum samples from St. Vincent's Hospital, and these samples were diluted 100-fold with PBS buffer and processed on the graphene transistor of Example 3 above. The detection of cortisol and serotonin was confirmed.

그 결과, 도 16에 도시된 바와 같이, 23명의 환자들 중 코티졸(A) 및/또는 세로토닌(B)이 특히 높은 환자들이 명확히 구분되는 것으로 확인되었다.As a result, as shown in FIG. 16 , it was confirmed that among 23 patients, patients with particularly high cortisol (A) and/or serotonin (B) were clearly distinguished.

또한, 상기 23명의 환자들 중 우울증을 앓고 있는 환자 A에서 유래한 혈청을 PBS 버퍼로 100 배 희석한 샘플을 상기 실시예 3의 그래핀 트랜지스터에 처리하여 코티졸과 세로토닌을 검출하였다.In addition, cortisol and serotonin were detected by processing a sample in which serum derived from patient A suffering from depression was diluted 100 times with PBS buffer among the 23 patients with the graphene transistor of Example 3.

그 결과, 도 17에 도시된 바와 같이, 샘플을 처리하고 난 이후에 코티졸(A) 및 세로토닌(B)에 대한 피크가 모두 확연히 높아지는 것으로 확인되었다.As a result, as shown in FIG. 17 , it was confirmed that both peaks for cortisol (A) and serotonin (B) were significantly increased after the sample was processed.

상기와 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 센서가 실제 환자에서 유래한 혈청 샘플로부터 항-스트레스 호르몬의 수준을 쉽고 빠르면서도 명확하게 정량 및 정성 분석하는데 충분히 유용하게 적용될 수 있음을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that the sensor according to the present invention can be effectively applied to easily, quickly, and clearly quantitatively and qualitatively analyze the level of anti-stress hormone from a serum sample derived from an actual patient.

Claims (13)

그래핀 필름 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 결합하는 바이오 탐침을 포함하는 것인, 그래핀 채널 부재.A graphene film and an anti-stress hormone immobilized on the graphene film comprising a bio-probe specifically binding to the graphene film. 청구항 1에 있어서,
상기 항-스트레스 호르몬에 특이적으로 결합하는 바이오 탐침은 항체, 압타머 및 수용체로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나인 것인, 그래핀 채널 부재.
The method according to claim 1,
The anti-stress hormone-specifically binding bio-probe is at least one selected from the group consisting of an antibody, an aptamer, and a receptor, graphene channel member.
청구항 2에 있어서,
상기 항-스트레스 호르몬은 코티졸 및 세로토닌으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나인 것인, 그래핀 채널 부재.
3. The method according to claim 2,
The anti-stress hormone is at least one selected from the group consisting of cortisol and serotonin, graphene channel member.
청구항 3에 있어서,
상기 수용체는 2Q1V 수용체 및 5-HT1E 수용체 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 그래핀 채널 부재.
4. The method according to claim 3,
The receptor is a graphene channel member comprising at least one selected from a 2Q1V receptor and a 5-HT 1E receptor.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오 탐침은 상기 그래핀 필름에 링커를 매개로 하여 고정화되어 있는 것인, 그래핀 채널 부재.
The method according to claim 1,
The bio-probe is immobilized on the graphene film via a linker as a medium, the graphene channel member.
청구항 5에 있어서,
상기 링커는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물; 및
1,5-디아미노나프탈렌(1,5-diaminonaphthalene, DAN);으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 그래핀 채널 부재.
[화학식 1]
Figure pat00010

[화학식 2]
Figure pat00011

상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이고,
R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,
R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,
R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,
[화학식 3]
Figure pat00012

상기 화학식 3에 있어서,
n은 괄호 내 단위의 반복 수로 1 내지 30의 정수이고,
A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이다.
6. The method of claim 5,
The linker is a carbene compound represented by Formula 1 or Formula 2; and
1,5-diaminonaphthalene (1,5-diaminonaphthalene, DAN); will include at least one selected from the group consisting of, the graphene channel member.
[Formula 1]
Figure pat00010

[Formula 2]
Figure pat00011

In Formulas 1 and 2,
R1, R2, R5 and R6 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, or a heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms; ,
R3, R4, R7, R8, R9 and R10 are the same as or different from each other and each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, or an aryl group having 2 to 30 carbon atoms. A heteroaryl group or a structure represented by the following Chemical Formula 3, or two or more substituents adjacent to each other among R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring,
At least one of R3 and R4 is a structure represented by the following formula (3),
At least one of R7 to R10 is a structure represented by the following formula (3), or when two or more substituents adjacent to each other of R7 to R10 combine to form a hydrocarbon ring, at least one of the hydrogens bonded to the carbon forming the hydrocarbon ring is substituted with a structure represented by the following formula (3),
[Formula 3]
Figure pat00012

In Formula 3,
n is an integer from 1 to 30 as the number of repeating units in parentheses,
A is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms including a nitrogen (N) atom or a heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms including a nitrogen (N) atom.
청구항 6에 있어서,
상기 A는 아자이드(azide), 프탈이미드(phthalimide) 및 아민(amine) 중에서 선택되는 적어도 하나인 것인, 그래핀 채널 부재.
7. The method of claim 6,
Wherein A is at least one selected from azide, phthalimide, and amine.
청구항 6에 있어서,
상기 카벤 화합물은 상기 그래핀 필름에 공유 결합으로 결합되어 있고,
상기 1,5-디아미노나프탈렌(1,5-diaminonaphthalene, DAN)은 상기 그래핀 필름과 파이-파이 상호작용으로 결합되어 있는 것인, 그래핀 채널 부재.
7. The method of claim 6,
The carbene compound is covalently bonded to the graphene film,
The 1,5-diaminonaphthalene (1,5-diaminonaphthalene, DAN) is the graphene film and pi-to which the graphene channel member is coupled by a pi interaction.
청구항 1에 있어서,
상기 그래핀 필름은 단층 또는 다층(multi-layer)인 것인, 그래핀 채널 부재.
The method according to claim 1,
The graphene film is a single-layer or multi-layer (multi-layer), the graphene channel member.
청구항 1에 있어서,
상기 그래핀 필름은 패턴화된 것인, 그래핀 채널 부재.
The method according to claim 1,
The graphene film is a patterned, graphene channel member.
청구항 1에 있어서,
상기 그래핀 필름은 두께가 0.1 내지 1 ㎚인 것인, 그래핀 채널 부재.
The method according to claim 1,
The graphene film has a thickness of 0.1 to 1 nm, the graphene channel member.
기판;
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 그래핀 채널 부재; 및
한 쌍의 전극;
을 포함하는, 그래핀 트랜지스터.
Board;
The graphene channel member of any one of claims 1 to 11; and
a pair of electrodes;
Including, graphene transistor.
청구항 12의 그래핀 트랜지스터를 포함하는, 바이오 센서.A biosensor comprising the graphene transistor of claim 12 .
KR1020210117353A 2020-09-04 2021-09-03 Graphene Channel Member for Detecting Anti-stress Hormone and Sensor Comprising the Same KR102680663B1 (en)

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