KR20230147415A - 전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법 및 이의 제조방법 - Google Patents
전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따르면, 검출 대상 물질이 위치하는 금속 간 간극을 포함함으로써 나노 크기의 대상 물질을 검출할 수 있으며, 전자 이동 매개 물질을 저농도로 민감하게 검출할 수 있다.
Description
본 명세서에는 전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법 및 이의 제조방법이 개시된다.
최근 전기화학적 센서를 이용하여 표적 물질을 검출하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 예컨대, 대한민국 등록특허 제10-0698961호에는 혈당의 측정 결과를 정확하고 빠르게 응답해 주는 바이오센서가 발명되어 있다. 그러나, 상기 특허문헌을 포함한 일반적인 시도들의 경우, 표적 물질이 존재할 때 전극의 저항이 증가하고 반대로 전도율은 감소하는 특성을 이용하기 때문에, 저항이 낮고 전도율이 높은 전극을 사용한다. 이러한 센서는 나노 크기의 대상 물질을 검출하는 데에는 한계가 있으며, 전자 이동 매개 물질을 저농도로 민감하게 검출하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 나노 크기의 대상 물질을 검출할 수 있으며, 전자 이동 매개 물질을 저농도로 민감하게 검출할 수 있는 전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 한 쌍의 전극들; 및 상기 전극들 상에 형성되는 금속 간 간극;을 포함하며, 상기 금속 간 간극에 검출 대상 물질이 위치하는, 전기화학적 센서를 제공한다.
다른 일 측면에서, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 상기 전기화학적 센서에 검출 대상 물질을 가하는 단계; 및 상기 기판의 전기화학적 신호를 측정하는 단계;를 포함하며, 상기 전기화학적 신호는 도전율, 저항, 임피던스, 전위, 전류의 흐름 및 교번 전기장에 의해 유도되는 진동의 공진 주파수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 대상 물질의 전기화학적 검출방법을 제공한다.
다른 일 측면에서, 본 발명의 예시적인 구현예에들에서는, 기판 상에 한 쌍의 전극들이 전사(transcription)되도록 노광(lithography)을 진행하는 단계; 및 상기 전극들 상에 금속입자 단일층 증착 또는 노광을 통하여 금속 간 간극을 형성하는 단계;를 포함하는, 전기화학적 센서 제조방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에 따르면, 검출 대상 물질이 위치하는 금속 간 간극을 포함함으로써 나노 크기의 대상 물질을 검출할 수 있으며, 전자 이동 매개 물질을 저농도로 민감하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서의 금속입자 단일층을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 임피던스 및 전도율을 측정한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 순환전압전류법 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 접촉각 변화 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서의 전극 간 거리에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 완충 매체의 농도에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서의 금속입자 단일층을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 임피던스 및 전도율을 측정한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 순환전압전류법 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 접촉각 변화 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서의 전극 간 거리에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 완충 매체의 농도에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당해 분야에 종사하는 기술자의 의도, 판례, 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 여기에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 이해되는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일한 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 본 발명에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 단어 “포함하는”, "갖는”, "함유하는”은 포괄적 또는 개방적이고, 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서에 사용된 용어 “또는 이들의 조합물”은 상기 용어에 앞서 열거된 품목들의 모든 순열 및 조합을 지칭한다. 예를 들어, “A, B, C, 또는 이들의 조합물”은 A, B, C, AB, AC, BC 또는 ABC, 및 특별한 문맥에서 순서가 중요한 경우에는 BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC 또는 CAB 중 적어도 1개를 포함하는 것으로 의도된다. 이 예와 함께, 1개 이상의 품목 또는 용어의 반복을 함유하는 조합, 예컨대 BB, AAA, MB, BBC, AAABCCCC, CBBAAA, CABABB 등이 포함될 수 있다. 통상의 기술자라면, 문맥상 달리 자명하지 않는 한, 전형적으로 임의의 조합에서 품목 또는 용어의 개수에 제한이 없다는 것을 이해할 것이다.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 구현예들에 의하여 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법의 개략도이다.
전기화학적 센서
일 측면에서, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 한 쌍의 전극들; 및 상기 전극들 상에 형성되는 금속 간 간극;을 포함하며, 상기 금속 간 간극에 검출 대상 물질이 위치하는, 전기화학적 센서를 제공한다.
상기 “전기화학적 센서”는 전자 전달 매개체를 사용하는 센서를 지칭하며, 포텐시오스탯(potentiostat) 등 전기화학적 측정 장치가 연결될 수 있는 전극을 포함한다. 이러한 전기화학적 센서는 종래의 비색 방법 등의 센서와는 달리 산소에 의한 영향을 줄일 수 있고, 시료가 혼탁하더라도 시료를 별도 전처리 없이 사용 가능하다는 장점을 갖는다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 검출 대상 물질은 전자 이동 매개 물질이다. 상기 전자 이동 매개 물질은 전극과 인접한 위치에서 환원되고, 전극에 전자를 전달하면서 다시 산화가 되는 과정을 반복하는 물질을 지칭한다. 본 발명의 일 구현예에 따른 전기화학적 센서는 검출 대상 물질이 전자 이동 매개 물질이라는 특성 및 전기학적 분석법을 활용하여 저농도로 고민감도의 전기화학적 물질을 검출할 수 있다. 검출 대상 물질을 통해 전자의 이동이 일어날 수 있도록 하는 영역을 검출부로도 지칭한다.
상기 검출 대상 물질은 생체 고분자일 수 있다. 생체 고분자에는 세포, 단백질, 다당류, 리간드, 세포, 항체, 항원, 세포 소기관, 지질, 할구, 세포의 응집체, 미생물, 펩티드, 데옥시리보 핵산(DNA), 리보 핵산(RNA) 및 그것들의 단편(斷片) 등과 같은 것이 있다. 생체 고분자의 입자경은, 일반적으로 수 나노미터에서 10 나노미터까지의 크기이며, 본 발명의 일 구현예에 따른 전기화학적 센서는 검출 대상 물질이 위치하는 나노 크기의 금속 간 간극을 포함함으로써 나노 크기의 대상 물질을 검출할 수 있으며, 전자 이동 매개 물질을 저농도로 민감하게 검출할 수 있다. 본 명세서에서, 나노 크기란 1000 nm 이하의 크기를 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 검출 대상 물질은 방향족 아미노산(aromatic amino acid, AAA)을 포함하는 물질이다. 상기 “방향족 아미노산”은 방향족 고리를 가지고 있는 아미노산을 지칭하며, 표준 아미노산들 중 페닐알라닌, 트립토판, 티로신 및 히스티딘이 방향족 아미노산으로 분류된다. 이러한 아미노산을 포함하는 단백질을 통해 전자가 이동할 수 있다. 이를 기반으로 미토콘드리아, 효모, 박테리아 및 사람 등 다양한 생물의 단백질을 통한 전자 이동(electron tunneling)이 일어날 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극 및 상기 금속은 각각 독립적으로 알루미늄, 탄소, 코발트, 구리, 아연, 금, 인듐, 이리듐, 철, 마그네슘, 니켈, 니오븀, 오스뮴, 팔라듐, 백금, 레늄, 로듐, 셀레늄, 은, 탄탈럼, 주석, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄, 이들의 혼합물, 이들의 합금, 이들의 산화물, 또는 이들의 금속 화합물이다. 바람직하게는, 상기 전극 및 상기 금속은 금일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속입자는 구, 막대, 타원체, 덴드리머, 사면체, 육면체, 팔면체, 2차원 사각형, 및 2차원 삼각형 형상으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 구 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 간 간극은 상기 금속의 입자 단일층 증착을 통하여 형성되며, 상기 금속의 입자 직경은 3 nm ~ 200 nm이다. 보다 구체적으로 상기 금속의 입자 직경은 3 nm 이상, 10 nm 이상, 20 nm 이상, 30 nm 이상, 40 nm 이상, 50 nm 이상; 200 nm 이하, 190 nm 이하, 180 nm 이하, 170 nm 이하, 160 nm 이하, 150 nm 이하, 140 nm 이하, 130 nm 이하, 120 nm 이하, 110 nm 이하, 100 nm 이하, 90 nm 이하, 80 nm 이하, 70 nm 이하, 60 nm 이하, 50 nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 간 간극의 크기는 1 nm ~ 250 nm이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 전기화학적 센서는 검출 대상 물질이 위치하는 나노 크기의 금속 간 간극을 포함함으로써 나노 크기의 대상 물질을 검출할 수 있으며, 전자 이동 매개 물질을 민감하게 검출할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 금속 간 간극의 크기는 1 nm 이상, 5 nm 이상, 10 nm 이상, 15 nm 이상, 20 nm 이상, 25 nm 이상, 30 nm 이상, 35 nm 이상, 40 nm 이상, 45 nm 이상, 50 nm 이상; 250 nm 이하, 200 nm 이하, 150 nm 이하, 100 nm 이하, 50 nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극 간의 거리는 100 μm ~ 1 mm이다. 보다 구체적으로 상기 전극 간의 거리는 100 μm 이상, 150 μm 이상, 200 μm 이상, 250 μm 이상, 300 μm 이상, 350 μm 이상, 400 μm 이상; 1 mm 이하, 900 μm 이하, 850 μm 이하, 800 μm 이하, 750 μm 이하, 700 μm 이하, 650 μm 이하, 600 μm 이하, 550 μm 이하, 500 μm 이하, 450 μm 이하, 400 μm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 간 간극은 노광(lithography)을 통하여 형성된다. 보다 구체적으로, 상기 금속 간 간극은 상기 금속의 입자 단일층 증착을 통하여 형성될 뿐만 아니라, 노광(lithography) 등을 통해서도 형성된다. 상기 노광이란 자외선 영역의 빛을 조사함으로써, 마스크상에 형성된 미세 패턴을 전사하는 것을 지칭한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속의 입자 표면은 카르복실기로 개질되고, 상기 카르복실기는 1-에틸-3-(3-디메틸-아미노프로필) 카보디이미드) [1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl) carbodiimide, EDC] 및 N-하이드록시숙신이미드 (N-hydroxysuccinimide, NHS)에 의하여 활성화된 것이다. 비제한적인 예시로서 N-하이드로설포숙신이미드 (N-hydroxysulfosuccinimide, Sulfo-NHS)가 사용될 수 있다. 또한 비제한적인 예시로서 SPDP-PEG4-NHS-ester 등의 SPDP(succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate) 가교제 및 NHS 에스테르를 포함하는 PEG 링커와 같이 말단에 활성화된 카복실기를 갖는 분자가 사용될 수 있다.
상기 금속의 입자 표면에 카르복실기를 제공하는 물질은 11-메르캅토운데카노산 (11-mercaptoundecanoic acid), 메르캅토숙신산 (mercaptosuccinic acid) 또는 폴리(에틸렌 글리콜) 2-메크캅토에틸 에테르 아세트산 (poly(ethylene glycol) 2-mercaptoethyl ether acetic acid)일 수 있다.
상기 1-에틸-3-(3-디메틸-아미노프로필) 카보디이미드) [1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl) carbodiimide, EDC]는 반응성 O-아실이소우레아 에스테르 (O-acylisourea ester)를 형성하여 표면을 불안정하게 만든다. 상기 O-아실이소우레아 에스테르 (O-acylisourea ester)는 N-하이드록시숙신이미드 (N-hydroxysuccinimide, NHS)와 반응하여 아민 반응성 NHS 에스테르를 형성하고 표면은 여전히 반 안정성을 유지한다. 상기 카르복실기가 활성화됨으로써 카르복실기와 아민기 간에 공유결합인 아미드 결합이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 활성화된 카르복시기는 검출 대상 물질과 특이적으로 결합하는 생물학적 탐침과 공유결합을 형성한다. 상기 생물학적 탐침은 반응부에 기능화를 부여할 수 있는 물질 또는 표적물질에 특이적으로 결합하는 물질을 지칭한다. 이에 따라, 검출 대상 물질은 상기 생물학적 탐침과 특이적으로 결합하는 물질을 의미할 수 있다. 또한, 상기 생물학적 탐침은 산화 환원 효소(redox enzyme)를 포함할 수 있다. 상기 산화 환원 효소는 기질을 산화 또는 환원시키는 효소를 의미할 수 있으며, 예를 들면, 옥시다아제, 퍼옥시다아제, 리덕타아제, 카탈라아제 또는 디히드로게나아제를 포함할 수 있다. 상기 산화 환원 효소의 예는 혈당 옥시다아제, 락테이트 옥시다아제, 콜레스테롤 옥시다아제, 글루타메이트 옥시다아제, HRP(horseradish peroxidase), 알코올 옥시다아제, 글루코오스 옥시다아제(glucose oxidase; GOx), 글루코오스 디히드로게나아제(glucose dehydrogenase; GDH), 콜레스테롤 에스테르게나아제, 아스코르브산 옥시다아제(ascorbic acid oxidase), 알코올 디히드로게나아제, 락카아제(laccase), 티로시나아제(tyrosinase), 갈락토오스 옥시다아제(galactose oxidase) 또는 빌리루빈 옥시다아제(bilirubin oxidase)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 생물학적 탐침은 DNA, RNA, 뉴클레오티드, 뉴클레오시드, 단백질, 폴리펩티드, 펩티드, 아미노산, 탄수화물, 효소, 항체, 항원, 수용체, 바이러스, 기질, 리간드 및 멤브레인으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 Si(실리콘), SiO2(실리콘 옥사이드), ITO(Indium Tin Oxide, 인듐 틴 옥사이드), 사파이어(saphire), 석영(quartz)(유리), 및 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘 고무(silicone rubber), PMMA(polymethylmethacrylate), PET(polyethylene terephthalate), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), SIS (poly(styrene-isoprene-styrene)) 및 하이드로겔의 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이다. 상기 실리콘 고무는 모든 종류의 실리콘 고무를 사용할 수 있다.
대상 물질의 전기화학적 검출방법
일 측면에서, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 상기 전기화학적 센서에 검출 대상 물질을 가하는 단계; 및 상기 기판의 전기화학적 신호를 측정하는 단계;를 포함하며, 상기 전기화학적 신호는 도전율, 저항, 임피던스, 전위, 전류의 흐름 및 교번 전기장에 의해 유도되는 진동의 공진 주파수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 대상 물질의 전기화학적 검출방법을 제공한다. 본 발명에 따른 전기화학적 검출방법에 의하여 대상 물질의 존재 여부 및 정량적 양에 대한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전기화학적 신호는 저항 또는 임피던스의 감소 및 전도율의 증가이다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 검출 대상 물질은 전자 이동 매개 물질이며, 상기 검출 대상 물질이 금속입자 사이의 간극에 위치하게 되면 전자가 원활히 이동할 수 있게 되어 저항 또는 임피던스가 감소하고 전도율이 증가한다.
전기화학적 센서 제조방법
일 측면에서, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 기판 상에 한 쌍의 전극들이 전사(transcription)되도록 노광(lithography)을 진행하는 단계; 및 상기 전극들 상에 금속입자 단일층 증착 또는 노광(lithography)을 통하여 금속 간 간극을 형성하는 단계;를 포함하는, 전기화학적 센서 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극들 상에 금속입자 단일층 증착을 통하여 금속 간 간극을 형성하는 단계는, 액상-액상 계면에서 금속 나노입자의 자가 조립을 통하여 금속 나노입자 층을 형성하는 단계; 및 상기 액상 중 어느 하나를 상변화시켜 액상-기상 계면을 형성하는 단계;를 포함한다. 여기서, 자가 배열이란 배열을 시키기 위해 별도로 가해주는 외부 힘 없이 해당 구성 요소들이 특정 배턴으로 배열되거나 구조체를 형성할 수 있는 것을 지칭한다.
한편, 금속 나노입자의 자기 조립을 위하여 액상-액상 계면에 알코올을 첨가할 수 있다. 예컨대, 액상-액상 계면에 에탄올 혹은 메탄올을 첨가할 수 있다. 예를 들어, 헥산은 수용액과 계면을 형성하기 위해서 첨가되는 것일 수 있다. 금속 나노입자는 표면장력에 의한 에너지 때문에 계면에 존재하는 것이 안정한 것이 일반적이지만, 헥산만 첨가했을 경우에 금속 나노입자끼리의 정전기적 반발력이 더 강해 자기조립 현상이 발생하지 않게 된다. 에탄올은 나노입자 표면을 둘러싸고 있는 분자의 전하를 약화시키기 때문에, 정전기적 반발력을 줄여 자기조립을 유도할 수 있다. 그런 뒤, 상기 액상 중 어느 하나가 상변화될 수 있다. 예컨대, 액상에서 기상으로 상변화시킬 수 있다. 상변화에 사용되는 수단은 본 발명의 목적 내에서 제한되지 않는다. 이러한 상변화 과정을 통하여 액상-기상 계면 상에 금속 나노입자 층을 형성할 수 있다. 비제한적인 예시에서, 액상이 물인 경우 물과 함께 계면을 형성하기 위하여 사용되는 액상 유기용매로는 벤젠, 톨루엔, 클로로포름, 핵산, 올레산 등 지방산 계열, 올레일아민 등 지방족 아민 계열 등의 유기 용매가 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 간 간극은 노광(lithography)을 통하여 형성된다. 보다 구체적으로, 상기 금속 간 간극은 상기 금속의 입자 단일층 증착을 통하여 형성될 뿐만 아니라, 노광(lithography) 등을 통해서도 형성된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속입자의 표면을 카르복실기로 개질시키고, 상기 카르복실기는 1-에틸-3-(3-디메틸-아미노프로필) 카보디이미드) [1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl) carbodiimide, EDC] 및 N-하이드록시숙신이미드 (N-hydroxysuccinimide, NHS)에 의하여 활성화시키는 단계를 더 포함한다.
{실시예}
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 실시예 1에 따른 전기화학적 센서의 제조
하기 모든 화학 재료는 시그마 알드리치(Sigma-Aldrich)에서 구입하였다. 인터루킨-6(IL-6) 단백질 및 항-인터루킨-6 항체는 알 앤드 디 시스템즈(R & D Systems)에서 구입하였다.
한 변의 길이가 1cm인 PDMS(polydimethylsiloxane) 기판 상에 표준 노광(lithography) 절차를 사용하여, 금 전극을 제조하였다. 이때 전극 간의 거리는 400 μm였다. 제조된 전극을 세정한 후 질소 흐름 하에서 건조시켰다.
한편, 평균 직경이 50 nm인 금(Au) 입자를 함유하는 수용액 9ml에 n-헥산 3ml를 조심스럽게 첨가하여 계면을 형성한 후 나노입자 수용액상에 에탄올 4.5ml를 첨가하고 6시간동안 상온에서 상단의 n-헥산을 모두 증발시켰다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서의 금속입자 단일층을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
상기 전극이 형성된 기판을 금속입자가 존재하는 계면에 수평으로 접촉시킨 뒤 떼어내어 금속입자 단일층을 전이시켜 전기화학적 센서를 제조하였다.
<제조예 2> 실시예 2에 따른 전기화학적 센서의 제조
금속입자 단일층 증착 대신, 노광(lithography)을 이용해 센서의 전극을 제작하였다. 보다 구체적으로, 제조예 1에서와 동일하게 전극이 형성된 기판에 노광을 통하여 금속 간 간극을 형성하여 전기화학적 센서를 제조하였다.
<제조예 3> 실시예 3 내지 실시예 6에 따른 전기화학적 센서의 제조
(실시예 3) 상기 제조예 1에서 제조된 실시예 1에 따른 전기화학적 센서를 11-메르캅토운데카노산 (11-mercaptoundecanoic acid)으로 변형시켜 금속입자의 표면을 카르복실기로 개질시켰다.
(실시예 4) 상기 실시예 3에 따른 전기화학적 센서를 1-에틸-3-(3-디메틸-아미노프로필) 카보디이미드) [1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl) carbodiimide, EDC] 및 N-하이드록시숙신이미드 (N-hydroxysuccinimide, NHS)에 의하여 활성화시켜 개질된 카르복실기를 활성화시켰다.
(실시예 5) 상기 실시예 4에 따른 전기화학적 센서를 항-인터루킨-6 항체와 결합시켰다.
(실시예 6) 상기 실시예 4에 따른 전기화학적 센서를 에탄올아민(ethanolamine) 용액과 반응시켜 불활성화시켰다.
<시험예 1> 전기화학적 센서의 임피던스 및 전도율 측정
상기 실시예 1, 3 및 4의 전기화학적 센서 및 인터루킨-6(IL-6) 단백질과 면역 복합체를 형성한 실시예 5의 전기화학적 센서에 대하여, 임피던스 및 전도율을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에서 임피던스 및 전도도를 측정한 결과를 나타낸 이미지이다. 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 금속입자의 표면을 카르복실기로 개질시키고, 카르복실기를 활성화시키고, 항체와 결합시킴에 따라 순차적으로 임피던스가 감소하고 전도율이 증가하는 경향을 나타낸다. 또한, 최종적으로 항원-항체 면역 복합체를 형성하게 되면 현저하게 임피던스가 감소하고 전도율이 증가하는 것을 알 수 있다.
<시험예 2> 전기화학적 센서의 전기화학적 특성 평가 1
상기 실시예 3 내지 5의 전기화학적 센서에 대하여, 순환전압전류법 (Cyclic voltammetry, CV)을 통하여 전기화학적 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에서 순환전압전류법 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 4의 I-V 커브에서 확인할 수 있는 바와 같이, 금속입자의 표면을 카르복실기로 개질시키고, 카르복실기를 활성화시키고, 항체와 결합시킴에 따라 -0.2 내지 0.6 V의 전압 범위에서 전류가 감소하는 경향을 나타낸다.
<시험예 3> 전기화학적 센서의 전기화학적 특성 평가 2
상기 실시예 3 내지 5의 전기화학적 센서에 대하여, 전기화학적 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에서 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 5의 상단은 전기화학적 센서의 임피던스 크기를 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 이미지이다. 도 5의 좌측 하단은 위상을 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 나타낸 이미지이다. 도 5의 우측 하단은 전기화학적 센서의 임피던스에 대한 나이퀴스트 (Nyquist) 그래프를 나타낸다. 이로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 금속입자의 표면을 카르복실기로 개질시키고, 카르복실기를 활성화시키고, 항체와 결합시킴에 따라 순차적으로 임피던스가 감소하고, 전하 이동 저항(charge transfer resistance)이 드러나는 경향을 나타낸다.
<시험예 4> 전기화학적 센서의 접촉각 측정
상기 실시예 1, 3 내지 4의 전기화학적 센서 및 인터루킨-6(IL-6) 단백질과 면역 복합체를 형성한 실시예 5의 전기화학적 센서에 대하여, 탈이온수를 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에서 유리 슬라이드 표면에 대한 접촉각 변화 결과를 나타낸 이미지이다. 높은 접촉각 값은 표면의 소수성 특성을 의미한다. 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 금속입자의 표면을 카르복실기로 개질시키고, 카르복실기를 활성화시키고, 항체와 결합시킴에 따라 순차적으로 접촉각이 감소하는 경향을 나타내어 표면이 소수성에서 친수성으로 변화한 것을 확인할 수 있었다.
<시험예 5> 전극 간 거리에 따른 전기화학적 센서의 전기화학적 특성 평가
상기 실시예 5의 전기화학적 센서에 대하여, 전극 간의 거리가 각각 150 μm, 300 μm, 600 μm일 경우에 대한 전기화학적 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 센서의 전극 간 거리에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 7의 좌측은 전기화학적 센서의 임피던스 크기를 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 이미지이다. 도 7의 우측은 위상을 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 나타낸 이미지이다. 이로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 전극 간의 거리가 증가함에 따라 순차적으로 임피던스가 감소하는 경향을 나타낸다.
<시험예 6> 완충 매체의 농도에 따른 전기화학적 센서의 전기화학적 특성 평가
상기 실시예 5의 전기화학적 센서에 대하여, 완충 매체의 농도에 따른 전기화학적 특성을 평가하였다. 완충 매체로서 탈이온수 또는 인산완충생리식염수(phosphate-buffered saline, PBS)를 사용하였으며, PBS의 농도를 4 mM, 10 mM, 20 mM, 50 mM, 100 mM으로 변화시켰다. 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에서 완충 매체의 농도에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 8의 좌측 상단은 전기화학적 센서의 임피던스 크기를 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 이미지이다. 도 8의 우측 상단은 위상을 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 나타낸 이미지이다. 도 8의 하단은 전기화학적 센서의 임피던스에 대한 나이퀴스트 (Nyquist) 그래프를 나타낸다. 이로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 탈이온수에 비하여 PBS를 사용할 수록, 또한 PBS의 농도가 높을수록 임피던스가 감소하는 경향을 나타낸다.
<시험예 7> 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 센서의 전기화학적 특성 평가 1
상기 실시예 5의 전기화학적 센서에 대하여, 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성을 평가하였다. 검출 대상 물질인 인터루킨-6(IL-6) 단백질의 농도를 1 fg/ml, 1 pg/ml, 100 pg/ml로 변화시켰다. 또한 각각의 농도에 대하여 측정 시간을 0 min 내지 25 min으로 변화시켰다. 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에서 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 9의 좌측은 전기화학적 센서의 임피던스 크기를 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 이미지이다. 도 9의 우측은 위상을 측정한 보드(Bode) 곡선을 나타낸 나타낸 이미지이다. 이로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 검출 대상 물질의 농도가 높을수록, 또한 측정 시간이 증가할수록 임피던스가 감소하는 경향을 나타낸다.
<시험예 8> 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 센서의 전기화학적 특성 평가 2
상기 실시예 5의 전기화학적 센서에 대하여, 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성을 평가하였다. 검출 대상 물질인 인터루킨-6(IL-6) 단백질의 농도를 1 fg/ml, 1 pg/ml, 100 pg/ml로 변화시켰다. 또한 각각의 농도에 대하여 측정 시간을 0 min ~ 25 min으로 변화시켰다. 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에서 검출 대상 물질의 농도 및 측정 시간에 따른 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 10의 좌측은 측정 시간에 따른 전도도를 나타낸 이미지이다. 도 10의 우측은 검출 대상 물질의 농도에 따른 전도도를 나타낸 이미지이다. 이로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 검출 대상 물질의 농도가 높을수록, 또한 측정 시간이 증가할수록 전도도가 증가하는 경향을 나타낸다.
이상에서 본 발명의 예시적인 구현예가 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 청구범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형이 포함될 것이다.
Claims (18)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 한 쌍의 전극들; 및
상기 전극들 상에 형성되는 금속 간 간극;을 포함하며,
상기 금속 간 간극에 검출 대상 물질이 위치하는, 전기화학적 센서. - 제1항에 있어서, 상기 검출 대상 물질은 전자 이동 매개 물질인, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 검출 대상 물질은 방향족 아미노산을 포함하는 물질인, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 전극 및 상기 금속은 각각 독립적으로 알루미늄, 탄소, 코발트, 구리, 아연, 금, 인듐, 이리듐, 철, 마그네슘, 니켈, 니오븀, 오스뮴, 팔라듐, 백금, 레늄, 로듐, 셀레늄, 은, 탄탈럼, 주석, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄, 이들의 혼합물, 이들의 합금, 이들의 산화물, 또는 이들의 금속 화합물인, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 간 간극은 상기 금속의 입자 단일층 증착을 통하여 형성되며, 상기 금속의 입자 직경은 3 nm ~ 200 nm인, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 간 간극의 크기는 1 nm ~ 250 nm인, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 간 간극은 노광(lithography)을 통해서 형성되는, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 전극 간의 거리는 100 μm ~ 1 mm인, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 금속의 입자 표면은 카르복실기로 개질되고,
상기 카르복실기는 1-에틸-3-(3-디메틸-아미노프로필) 카보디이미드) [1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl) carbodiimide, EDC] 및 N-하이드록시숙신이미드 (N-hydroxysuccinimide, NHS)에 의하여 활성화된 것인, 전기화학적 센서. - 제9항에 있어서, 상기 활성화된 카르복시기는 검출 대상 물질과 특이적으로 결합하는 생물학적 탐침과 공유결합을 형성하는, 전기화학적 센서.
- 제10항에 있어서, 상기 생물학적 탐침은 DNA, RNA, 뉴클레오티드, 뉴클레오시드, 단백질, 폴리펩티드, 펩티드, 아미노산, 탄수화물, 효소, 항체, 항원, 수용체, 바이러스, 기질, 리간드 및 멤브레인으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 전기화학적 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 Si(실리콘), SiO2(실리콘 옥사이드), ITO(Indium Tin Oxide, 인듐 틴 옥사이드), 사파이어(saphire), 석영(quartz)(유리), 및 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘 고무(silicone rubber), PMMA(polymethylmethacrylate), PET(polyethylene terephthalate), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), SIS (poly(styrene-isoprene-styrene))및 하이드로겔의 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 전기화학적 센서.
- 제1항 내지 제12항 중 한 항의 전기화학적 센서에 검출 대상 물질을 가하는 단계; 및
상기 기판의 전기화학적 신호를 측정하는 단계;를 포함하며,
상기 전기화학적 신호는 도전율, 저항, 임피던스, 전위, 전류의 흐름 및 교번 전기장에 의해 유도되는 진동의 공진 주파수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 대상 물질의 전기화학적 검출방법. - 제13항에 있어서,
상기 전기화학적 신호는 저항 또는 임피던스의 감소 및 전도율의 증가인, 대상 물질의 전기화학적 검출방법. - 기판 상에 한 쌍의 전극들이 전사(transcription)되도록 노광(lithography)을 진행하는 단계; 및
상기 전극들 상에 금속입자 단일층 증착 또는 노광을 통하여 금속 간 간극을 형성하는 단계;를 포함하는, 전기화학적 센서 제조방법. - 제15항에 있어서, 상기 전극들 상에 금속입자 단일층을 증착하는 단계는,
액상-액상 계면에서 금속 나노입자의 자가 조립을 통하여 금속 나노입자 층을 형성하는 단계; 및
상기 액상 중 어느 하나를 상변화시켜 액상-기상 계면을 형성하는 단계;를 포함하는, 전기화학적 센서 제조방법. - 제15항에 있어서, 상기 금속 간 간극은 노광을 통하여 형성되는, 전기화학적 센서 제조방법.
- 제15항에 있어서, 상기 금속의 입자 표면을 카르복실기로 개질시키고,
상기 카르복실기는 1-에틸-3-(3-디메틸-아미노프로필) 카보디이미드) [1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl) carbodiimide, EDC] 및 N-하이드록시숙신이미드 (N-hydroxysuccinimide, NHS)에 의하여 활성화시키는 단계를 더 포함하는, 전기화학적 센서 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220046410A KR20230147415A (ko) | 2022-04-14 | 2022-04-14 | 전기화학적 센서, 이를 이용한 검출방법 및 이의 제조방법 |
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| KR20230147415A true KR20230147415A (ko) | 2023-10-23 |
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ID=88508569
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100698961B1 (ko) | 2005-02-04 | 2007-03-26 | 주식회사 아이센스 | 전기화학적 바이오센서 |
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2022
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