KR20240033330A - 이온 발전 효과 기반의 자가 발전 발광 바이오센서 및 이의 구동방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름 및 상기 타겟 물질이 상기 반도체 필름 표면에 부착된 결합 물질과 결합함으로써, 감소하는 전기 에너지를 센싱하는 센싱부를 포함하며, 상기 전기 에너지는 상기 반도체 필름 내로 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되고, 상기 센싱부는 상기 결합 물질만 부착된 반도체 필름과 상기 타겟 물질과 결합 물질이 결합한 반도체 필름 내로 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되는 전기 에너지의 차이를 센싱하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서를 제공한다.
Description
본 발명은 이온 발전 효과 기반의 자가 발전 발광 바이오센서 및 이의 구동방법에 관한 것이다.
종래 포도당 검출 센서로는 우수한 민감도와 선택성을 가지는 효소 기반의 센서가 주류를 이루어 왔으나, 고유의 불안정성 때문에 지속적인 사용에 따라 효소적 활성이 크게 감소하는 문제가 있다.
또한, 종래의 바이오 센서는 목표 물질과 반응을 유도하기 위해 소자 표면에 효소를 증착하거나 패터닝 공정을 해야 하는 등 복잡한 제작 과정을 필요로 한다.
이러한 문제점으로 인해 최근에는 비효소 포도당 센서에 대한 관심이 높아지고 있으며, 높은 안정성과 손쉬운 제조, 우수한 재현성 및 저렴한 비용 등의 유망한 장점을 토대로, 빠른 탐지속도와 우수한 민감도가 구현되도록 연구가 진행되고 있다.
그러나, 상기와 같은 전기화학적 바이오 센서의 경우에도 전극 패터닝 공정을 해야 하는 등 복잡한 제작 과정을 필요로 하고, 외부전력을 필요로 하며 정교한 측정 장치에 의존을 해야 하는 단점을 갖고 있다.
한편, 동적인 물 운동을 통한 전기 발전은 에너지 수집 도구로서의 잠재력이 크기 때문에 집중적으로 그 연구가 수행되어 왔다. 구체적으로, 전기는 고액 상호 작용에 의해 발생하며, 이 전기를 잘 활용함으로써 다른 분야로 확대될 수 있는 중요한 특성을 나타낸다. 발전된 전기를 충분히 활용하기 위해서는 발전 메커니즘에 대한 포괄적인 이해가 필수적이다. 지금까지 이온 발전 효과(ionovoltaic effect), 수력 발전 효과(hydrovoltaic effect), 의사 흐름포텐셜법(pseudo-streaming potential) 등 다양한 의미 있는 메커니즘이 활발하게 제안되어 왔다. 수력 발전 효과(hydrovoltaic effect)와 의사 흐름포텐셜법(pseudo-streaming potential)에서 전기 생성은 고체 표면에서의 양성자의 이동에 의해 설명된다. 반면에, 이온 발전 효과(ionovoltaic effect)의 경우, 반도체 표면의 이온 또는 양성자의 흡착/탈착이 반도체에서 캐리어 농도 비대칭을 유발하며, 이로써 전기를 발생시킨다. 흡착 이온종과 농도가 전기 발전에 미치는 영향은 반도체에서 에너지 밴드 이론을 통한 이온 발전 효과(ionovoltaic effect)로 종합적으로 검증할 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 이온 발전 효과 기반의 자가 발전 발광 바이오센서 및 이의 구동방법을 제공한다.
이온 발전 효과(ionovoltaic effect)를 철저히 이해하고 발생된 전기를 최대한 활용함으로써, 고액 상호 작용은 다른 중요한 분야, 특히 발생된 전기의 양에 따라 감도가 달라지는 자가 발전 발광 센서(self-powered illuminating sensor)로 확대될 수 있다.
생체분자와 선택적으로 결합하도록 고체 표면을 개질하면 고체 표면의 이온 또는 양성자의 흡착에 영향을 주고, 전기 발생량을 변화시켜 대상 생체 분자와 그 농도를 선택적으로 검출할 수 있다.
이 기능을 적용함으로써 센싱 방식의 확대와 함께 자가 발전 발광 특성을 갖는 새로운 형태의 바이오 센서를 개발할 수 있다. 중요한 것은 자가 발광 바이오센서를 구현하기 위해서는 고체-액체 계면에서의 이온 동적 운동과 고체 표면에서의 생체 분자의 특정 결합 등 복잡한 현상을 명확히 하고, 전기 생성과 표적 생체 분자의 존재, 그리고 그것의 농도 사이의 전기 발생 메커니즘을 정확히 검증하는 것이다.
본 발명에서는 이온발전 효과에 기반한 자가발전 발광 센서 플랫폼을 통해 고체 표면의 특별한 개질을 통한 고액 상호 작용을 활용하여 생체분자를 포함한 다양한 이온과 분자를 검출할 수 있는 자가 발전 발광 바이오센서를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름; 및 상기 타겟 물질이 상기 반도체 필름 표면에 부착된 결합 물질과 결합함으로써, 감소하는 전기 에너지를 센싱하는 센싱부;를 포함하며, 상기 전기 에너지는 상기 반도체 필름 내로 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되고, 상기 센싱부는 상기 결합 물질만 부착된 반도체 필름과 상기 타겟 물질과 결합 물질이 결합한 반도체 필름 내로 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되는 전기 에너지의 차이를 센싱하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서를 제공한다.
상기 반도체 필름은 기판 표면에 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상이 배치된 형태일 수 있다.
상기 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질은 상기 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상과 결합하여 상기 반도체 필름 표면에 부착된 것일 수 있다.
상기 타겟 물질은 유기 화합물, 단백질, 핵산, 다당류 및 지질로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 결합 물질은 자기조립 유기 단분자막 (self-assembled monolayer), 생물학적 나노포어 (nanopore) 단분자, 효소 분자, 아미노산 단분자, 프로브 DNA (혹은 RNA), 프로브 단백질 및 항체로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 자가 발전 발광 바이오센서는 포도당 검출 센서인 것을 특징으로 한다.
상기 타겟 물질은 포도당인 것을 특징으로 하며, 상기 결합 물질은 글리신(glycine)인 것을 특징으로 한다.
상기 포도당과 글리신(glycine)은 특이적 결합을 하고, 상기 포도당과 글리신(glycine)이 결합한 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지는 상기 글리신(glycine)만 부착된 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지에 비해 감소할 수 있다.
문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 더 포함할 수 있다.
상기 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 타겟 물질의 농도에 따라 서로 다른 농도 범위에서 점등 또는 소등하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시상태는, 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 기준 전압을 측정하는 단계; 타겟 물질을 포함하는 용액에 상기 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름을 담궈 상기 타겟 물질과 결합 물질을 특이적 결합하고, 상기 타겟 물질과 결합 물질이 특이적 결합한 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 타겟 전압을 측정하는 단계; 및 상기 기준 전압과 타겟 전압의 차이를 기초로 타겟 물질의 존재 유무 및 그 농도를 얻는 단계;를 포함하며, 상기 전기 에너지는 상기 용매가 상기 반도체 필름 내로 침투함으로써 자발적으로 생성되는 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에서는 수분 침투 현상에서 생성된 전기를 채용하여 포도당 분자와 선택적으로 결합할 수 있는 글리신이 코팅된 다공성 CuO 나노와이어 필름(G-PCNF)을 이용한 자가 발전 발광 포도당 센서를 시연하였다.
특히 이온 흡착/탈착 및 포도당 분자의 특정 결합이 전기 발생에 미치는 영향 등 고액 계면에서의 복잡한 현상을 이온 발전 효과(ionovoltaic effect)에 의해 종합적으로 검증하였다.
흡착된 포도당 농도가 증가하면 G-PCNF의 표면 제타 전위가 감소하여 표면의 흡착된 수산화 이온이 감소하였다.
이로 인해 G-PCNF의 습식 영역과 건식 영역의 캐리어 농도 차이가 감소하였고, 생성된 개방회로 전압(Voc)이 작아졌다. 이를 바탕으로 자가 발전 발광 포도당 센서가 광범위한 포도당 농도(0.5~100 mM)를 검출할 수 있음을 확인하였다.
또한 문턱 전압(빨간색: 1.5 V, 녹색: 1.9 V)이 다른 LED를 선택적으로 점등하여 인체에 유해한 포도당 농도(≥10 mM)를 파악할 수 있다.
전체적으로 수분 침투 현상에서 발생하는 전기를 활용하여 높은 감도와 선택성, 넓은 탐지 범위를 가진 자가 발전 발광 포도당 센서를 개발하였다.
고체 표면을 개질하여 생체 분자와의 특정 결합을 실현함으로써, 이온 발전 효과(ionovoltaic effect)를 기반으로 한 자가 발전 발광 센서 플랫폼은 수많은 생체 분자의 검출로 확장될 수 있는 엄청난 잠재력을 보여준다.
도 1(a) 내지 (d)는 글리신이 코팅된 다공성 CuO 나노와이어 필름(G-PCNF)의 제작 모식도이고, (e)와 (f)는 각각 글리신이 코팅된 다공성 CuO 나노와이어 필름(G-PCNF)의 O 1s XPS 스펙트럼 및 N 1s XPS 스펙트럼이다.
도 2는 G-PCNF 표면 물성에 관한 특징으로서, (a) G-PCNF의 접촉각, (b) G-PCNF의 개방회로전압 측정 모식도, (c) G-PCNF의 개방회로전압 측정 그래프, (d) G-PCNF 표면에 글루코스 분자 결합도(확대: 분자 결합 구조) 및 (e) 글리신 분자의 특정 작용기에 대한 C 1s 스펙트럼이다.
도 3(a)는 DI 물이 G-PCNF에 침투할 때 발생하는 전기의 차이를 이용하여 포도당을 검출하는 회로 모식도이고, (b)는 G-PCNF가 담궈진 포도당 용액의 농도에 따른 Voc의 차이를 나타내는 그래프이며, (c)는 글리신 분자가 없을 때 상이한 포도당 농도에서 생성된 Voc를 나타내는 그래프 및 (d)는 G-PCNF의 포도당 분자에 대한 선택성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 글루코스가 없는 G-PCNF에 DI수 침투시, (a) 계면에서의 이온 및 정공 이동 모식도, (b) 습식 및 건식 영역의 홀 농도 차이를 나타내는 모식도, 낮은 농도의 포도당 용액에 G-PCNF를 담근 상태에서 (c) 계면에서의 이온 및 정공 이동 모식도, (d) 습식 및 건식 영역의 홀 농도 차이를 나타내는 모식도 및 고농도의 포도당 용액에 G-PCNF를 담근 상태에서 (e) 계면에서의 이온 및 정공 이동 모식도, (f) 습식 및 건식 영역의 홀 농도 차이를 나타내는 모식도이다.
도 5는 실제 자가 발광 포도당 센서에서, (a) 포도당 농도에 따른 적색 LED와 녹색 LED 점등 상태를 나타내는 그래프 및 (b) 물 침투시 지속적인 전기 발생 및 적색 LED와 녹색 LED 점등 상태를 나타내는 그래프이다.
도 6은 (a) Cu 나노와이어 필름 및 (b) CuO 나노와이어 필름의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7은 글리신 코팅 다공성 CuO 나노와이어 필름(G-PCNF)의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 8은 DI 물이 G-PCNF에 각각 3회 침투하였을 때, 생성된 전기 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 9는 G-PCNF에 흡착된 포도당 분자의 FT-IR 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 10은 G-PCNF를 적신 DI 물 및 포도당 용액의 농도별 시간에 따른 발생전력(Voc)을 나타내는 그래프이다.
도 11은 G-PCNF가 침지된 포도당 용액의 농도에 따른 흡착된 G-PCNF(G-G-PCNF)의 표면 제타 전위를 나타내는 그래프이다.
도 12는 적색(Vth = 1.5 V)과 녹색(Vth = 1.9 V) LED를 5개의 PCNF와 1개의 G-PCNF에 병렬로 연결하여 제작한 자가 발광 포도당 센서의 사진이다.
도 2는 G-PCNF 표면 물성에 관한 특징으로서, (a) G-PCNF의 접촉각, (b) G-PCNF의 개방회로전압 측정 모식도, (c) G-PCNF의 개방회로전압 측정 그래프, (d) G-PCNF 표면에 글루코스 분자 결합도(확대: 분자 결합 구조) 및 (e) 글리신 분자의 특정 작용기에 대한 C 1s 스펙트럼이다.
도 3(a)는 DI 물이 G-PCNF에 침투할 때 발생하는 전기의 차이를 이용하여 포도당을 검출하는 회로 모식도이고, (b)는 G-PCNF가 담궈진 포도당 용액의 농도에 따른 Voc의 차이를 나타내는 그래프이며, (c)는 글리신 분자가 없을 때 상이한 포도당 농도에서 생성된 Voc를 나타내는 그래프 및 (d)는 G-PCNF의 포도당 분자에 대한 선택성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 글루코스가 없는 G-PCNF에 DI수 침투시, (a) 계면에서의 이온 및 정공 이동 모식도, (b) 습식 및 건식 영역의 홀 농도 차이를 나타내는 모식도, 낮은 농도의 포도당 용액에 G-PCNF를 담근 상태에서 (c) 계면에서의 이온 및 정공 이동 모식도, (d) 습식 및 건식 영역의 홀 농도 차이를 나타내는 모식도 및 고농도의 포도당 용액에 G-PCNF를 담근 상태에서 (e) 계면에서의 이온 및 정공 이동 모식도, (f) 습식 및 건식 영역의 홀 농도 차이를 나타내는 모식도이다.
도 5는 실제 자가 발광 포도당 센서에서, (a) 포도당 농도에 따른 적색 LED와 녹색 LED 점등 상태를 나타내는 그래프 및 (b) 물 침투시 지속적인 전기 발생 및 적색 LED와 녹색 LED 점등 상태를 나타내는 그래프이다.
도 6은 (a) Cu 나노와이어 필름 및 (b) CuO 나노와이어 필름의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7은 글리신 코팅 다공성 CuO 나노와이어 필름(G-PCNF)의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 8은 DI 물이 G-PCNF에 각각 3회 침투하였을 때, 생성된 전기 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 9는 G-PCNF에 흡착된 포도당 분자의 FT-IR 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 10은 G-PCNF를 적신 DI 물 및 포도당 용액의 농도별 시간에 따른 발생전력(Voc)을 나타내는 그래프이다.
도 11은 G-PCNF가 침지된 포도당 용액의 농도에 따른 흡착된 G-PCNF(G-G-PCNF)의 표면 제타 전위를 나타내는 그래프이다.
도 12는 적색(Vth = 1.5 V)과 녹색(Vth = 1.9 V) LED를 5개의 PCNF와 1개의 G-PCNF에 병렬로 연결하여 제작한 자가 발광 포도당 센서의 사진이다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에 있어서, 용어 "~하는 단계" 및 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름; 및 상기 타겟 물질이 상기 반도체 필름 표면에 부착된 결합 물질과 결합함으로써, 감소하는 전기 에너지를 센싱하는 센싱부;를 포함하며, 상기 전기 에너지는 상기 반도체 필름 내로 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되고, 상기 센싱부는 상기 결합 물질만 부착된 반도체 필름과 상기 타겟 물질과 결합 물질이 결합한 반도체 필름 내로 상기 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되는 전기 에너지의 차이를 센싱하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서를 제공한다.
상기 반도체 필름은 기판 표면에 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상이 배치된 형태일 수 있다.
상기 기판은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 유리 기판 혹은 알루미나 기판일 수 있다.
상기 기판 표면에 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상을 배치하는 방법은 드롭 캐스팅(drop casting)에 의해 수행될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에서는 상기와 같이 반도체 필름을 기판 상에 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상을 드롭 캐스팅(drop casting) 등의 방법으로 배치함으로써 제조가 가능하기 때문에, 전극 형성을 위해 패터닝 공정을 해야 하는 등 복잡한 제작 과정을 갖는 종래의 바이오센서 대비 쉽게 제조가 가능한 장점이 있다.
상기 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질은 상기 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상과 결합하여 상기 반도체 필름 표면에 부착된 것일 수 있다. 상기 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질은 상기 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상과 결합하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 코팅에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가 발전 발광 바이오센서는 다양한 검출 목적 물질의 존재 유무 및 농도를 측정하기 위한 것으로서, 각 검출 목적 물질 즉, 타겟 물질이 상기 결합 물질과 결합할 수 있도록 상기 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질을 상기 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상과 미리 결합시킨다.
상기 타겟 물질은 유기 화합물, 단백질, 핵산, 다당류 및 지질로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 검출 목적 물질이 상기 타겟 물질로 사용될 수 있다.
상기 유기 화합물은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 Urea 등일 수 있고, 상기 단백질은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 호르몬, 항원 등일 수 있다.
상기 결합 물질은 자기조립 유기 단분자막 (self-assembled monolayer), 생물학적 나노포어 (nanopore) 단분자, 효소 분자, 아미노산 단분자, 프로브 DNA (혹은 RNA), 프로브 단백질 및 항체로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 다양한 타겟 물질 각각과 특이적 결합이 가능한 물질이라면 제한 없이 사용 가능하다.
상기 자가 발전 발광 바이오센서는 상기 타겟 물질이 상기 반도체 필름 표면에 부착된 결합 물질과 결합함으로써, 감소하는 전기 에너지를 센싱하는 센싱부를 포함한다.
상기 용매는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 물일 수 있고, 특히 탈이온수(DI 물)일 수 있다.
상기 전기 에너지는 DI 물과 같은 용매가 상기 반도체 필름 내로 침투함으로써 자발적으로 생성된다.
상기 반도체 필름은 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상을 포함하기 때문에, 상기 다공성 구조로 인하여 모세관력을 통해 반도체 필름으로의 물의 침투를 촉진할 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 에너지는 상기 반도체 필름 내로 DI 물과 같은 용매가 침투함으로써 상기 반도체 필름에 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역이 생기고, 상기 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역 간의 정공 농도 차이로 인하여 전기 에너지가 자발적으로 생기고 이를 전기 신호로 측정할 수 있다.
또한, 상기 전기 에너지는 상기 타겟 물질을 포함하는 용액에 상기 반도체 필름을 담궈서 상기 타겟 물질과 결합 물질이 특이적 결합하도록 하고, 타겟 물질과 결합 물질이 특이적 결합한 상기 반도체 필름 내로 DI 물과 같은 용매가 침투함으로써 상기 반도체 필름에 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역이 생기고, 상기 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역 간의 정공 농도 차이로 인하여 전기 에너지가 자발적으로 생기고 이를 전기 신호로 측정할 수 있다.
즉, 상기 센싱부는 상기 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역 간의 정공 농도 차이로 인하여 자발적으로 생긴 전기 에너지 즉, 전기 신호를 센싱하는 구성으로 정의할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 자가 발전 발광 바이오센서는 상기와 같이 용매(DI 물)가 결합 물질만을 포함하는 반도체 필름과 타겟 물질이 결합 물질과 결합한 반도체 필름 내로 침투하는 경우에 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역 간의 정공 농도 차이로 인하여 자발적으로 생긴 전기 에너지를 센싱함으로써, 타겟 물질의 존재 유무 및 그 농도를 측정할 수 있기 때문에, 종래의 바이오센서와 달리 외부전력을 필요로 하지 않으며 자발적으로 생긴 전기 신호를 센싱하기만 하면 되기 때문에, 정교한 측정 장치가 필요하지 않다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가 발전 발광 바이오센서는 포도당 검출 센서인 것을 특징으로 한다.
상기 자가 발전 발광 바이오센서가 포도당 검출 센서인 경우, 상기 타겟 물질은 글루코스(포도당)인 것을 특징으로 하며, 상기 결합 물질은 글리신(glycine)인 것을 특징으로 한다.
상기 포도당과 글리신(glycine)은 특이적 결합을 하고, 상기 포도당과 글리신(glycine)이 결합한 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지는 상기 글리신(glycine)만 부착된 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지에 비해 감소할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 자가 발전 발광 포도당 센서가 검출하는 포도당 농도는 0.5 내지 100 mM일 수 있다. 예를 들어, 상기 자가 발전 발광 포도당 센서가 검출하는 포도당 농도는 1.0 내지 90 mM일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 100 mM일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가 발전 발광 바이오센서는 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 더 포함할 수 있다.
상기 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 타겟 물질의 농도에 따라 서로 다른 농도 범위에서 점등 또는 소등하는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 문턱 전압(빨간색: 1.5 V, 녹색: 1.9 V)이 다른 LED를 선택적으로 점등하여 인체에 유해한 포도당 농도(≥10 mM)를 파악할 수 있다.
구체적으로 인체에 영향이 없는 0.5 mM 또는 1 mM의 저농도 포도당 용액에 담근 G-PCNF를 사용할 때는 빨간색과 녹색 LED가 모두 켜진다. 반대로 인체에 유해한 높은 포도당 농도(10mM 또는 100 mM)의 용액에 담근 G-PCNF를 채용할 때는 빨간색 LED만 켜지거나(10 mM) LED 2개가 모두 꺼진다(100 mM). 이에 실제 자가발광 이온발전 포도당 센서를 이용해 문턱 전압이 다른 LED를 선택적으로 점등함으로써 인체에 영향을 미치는 포도당 농도를 성공적으로 구분할 수 있다.
예를 들어, 빨간색과 녹색 LED가 모두 켜진 경우에는 포도당 농도가 낮은 상태로서 안전으로 간주할 수 있고, 빨간색 LED만 켜지고 녹색 LED가 꺼지는 경우에는 포도당 농도가 10 mM 인 경우로서 경고로 간주할 수 있으며, LED 2개가 모두 꺼지는 경우에는 포도당 농도가 100 mM인 경우로서 위험으로 간주할 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시상태에 따른 자가 발전 발광 포도당 센서를 통해 당뇨병 환자에게 실시간 포도당의 농도를 시각적으로 즉시 알려줄 수 있다는 장점이 있다.
상기에서는 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2개의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 더 포함한 경우만 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 3개 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 더 포함할 경우, 타겟 물질의 농도를 더욱 다양한 범위에서 시각적으로 즉시 알려줄 수 있다
본 발명의 다른 실시상태는, 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 기준 전압을 측정하는 단계; 타겟 물질을 포함하는 용액에 상기 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름을 담궈 상기 타겟 물질과 결합 물질을 특이적 결합하고, 상기 타겟 물질과 결합 물질이 특이적 결합한 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 타겟 전압을 측정하는 단계; 및 상기 기준 전압과 타겟 전압의 차이를 기초로 타겟 물질의 존재 유무 및 그 농도를 얻는 단계;를 포함하며, 상기 전기 에너지는 상기 용매가 상기 반도체 필름 내로 침투함으로써 자발적으로 생성되는 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태에 따른 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법은 우선 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 기준 전압을 측정하는 단계가 수행된다.
상기 용매는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 물일 수 있고, 특히 탈이온수(DI 물)일 수 있다.
구체적으로 기준 전압을 측정하는 단계는 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름에 DI 물을 사용하여 발생하는 전기를 기준 전기 신호로 채용한다.
다음으로, 타겟 물질을 포함하는 용액에 상기 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름을 담궈 상기 타겟 물질과 결합 물질을 특이적 결합하고, 상기 타겟 물질과 결합 물질이 특이적 결합한 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 타겟 전압을 측정하는 단계가 수행된다.
상기 타겟 물질을 포함하는 용액에 상기 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름을 담구는 경우 상기 타겟 물질과 결합 물질 사이에 특이적 결합이 일어나기 때문에, 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역 간의 정공 농도 차이가 결합 물질만이 부착된 반도체 필름에서의 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역 간의 정공 농도 차이에 비하여 작아진다.
이로 인하여 상기 포도당과 글리신(glycine)이 특이적 결합된 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지는 상기 글리신(glycine)만 부착된 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지에 비해 작아진다. 따라서, 타겟 전압 역시 상기 기준 전압에 비하여 작아지게 된다.
끝으로, 상기 기준 전압과 타겟 전압의 차이를 기초로 타겟 물질의 존재 유무 및 그 농도를 얻는 단계가 수행된다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전기 에너지는 상기 용매가 상기 반도체 필름 내로 침투함으로써 자발적으로 생성되는 것을 특징으로 하기 때문에, 종래의 바이오센서와 달리 외부전력을 필요로 하지 않으며, 정교한 측정 장치가 필요하지 않다는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
1. 실시예 (실험)
재료 준비: CuCl은 Junsei에서, NH4Cl 및 ethylene glycol은 Daejung에서, 올레일아민(oleylamine)과 글리신은 Sigma-Aldrich에서 구입하였으며, Cu 나노와이어는 Polyol 방법으로 합성하였다.
Cu 나노와이어 합성: 염화구리 2mmol(준세이, 95%)와 염화암모늄 0.3mmol(대정, 99.5%)을 에틸렌글리콜(대정, 99%) 30ml에 용해하였다. 여기서, 상기 염화구리, 염화암모늄, 및 에틸렌글리콜은 각각 전구체, 계면활성제 및 환원제로 작용하였다. 이후, 상기 혼합물에 6 mmol의 올레이아민(Sigma-Aldrich, 70%)을 첨가하였다. 올레이아민은 또 다른 계면활성제로 작용했다. 최종적으로 온도가 20분 후에 198℃로 상승하여 Cu 나노와이어를 얻었다.
다공성 CuO 나노와이어 필름(PCNF)의 제조: 합성된 Cu 나노와이어 7mg을 헥산(대정, 99%) 용액 2ml에 분산시켰다. 그 후, 분산된 Cu 나노와이어들을 1.5 cm Х 3 cm 유리기판 위에 드롭 캐스팅하여 Cu 나노와이어 필름을 제조하였다. 그 후 400℃에서 1시간 동안 열판 위에서 Cu 나노와이어 필름을 산화시켜 다공성 CuO 나노와이어 필름(PCNF)을 제작하였다.
센싱 장치의 전기 에너지 측정: 나노전압계(Keithley 2182A)와 피코암미터(Kethley 6485)를 이용하여 각각 개방전압(Voc)과 단락전류(Isc)를 측정하였다. Voc와 Isc 측정 시 측정 장비의 전극과 G-PCNF의 전극이 모두 잘 연결되어 있었다. 그 후, G-PCNF의 (-) 전극으로부터 DI수(기준 용액)가 침투하여, 연속적인 전기 에너지를 발생시켰다.
실제 자가 발광 포도당 센서 설계: PCNF 5개와 G-PCNF 1개에 적색과 녹색 LED를 병렬로 연결해 실제 자가 발광 포도당 센서를 얻었다. 측정 시 PCNF에 5 μl의 NaCl 용액(1 M)을 순차적으로 침투시키고 Voc 튜닝 역할을 하는 G-PCNF에 5 μl의 DI 물을 침투시켰다(도 12).
2. 결과
도 1과 같이 다공성 구조의 제작과 표면 개질이라는 두 가지 간단한 공정으로 자가 발전 발광 포도당 센서를 제작할 수 있다. 다공성 구조를 얻기 위하여, 잘 합성된 Cu 나노와이어를 유리 기판에 드롭 캐스팅한 후, 400°C의 핫플레이트에서 산화시킨다(도 1a).
산화 과정을 통해 Cu 나노와이어가 CuO 나노와이어로 쉽게 산화되어 다공성 CuO 나노와이어 필름(porous CuO nanowires film, PCNF)이 제작될 수 있다. 상변화는 고해상도 X선 회절계(HR-XRD; SmartLab, Rigaku; 도 6)로 확인하였으며, PCNF의 구조는 전계방출 투과전자현미경(FE-SEM; S-4800, Hitachi; 도 1b)으로 확인하였다.
다공성 구조는 모세관력을 통해 PCNF로의 물의 침투를 촉진할 수 있다.
이어서 PCNF를 5 mg/ml 글리신 용액에 10초 동안 담근 후(도 1c), 핫 플레이트(도 1d, 왼쪽 이미지)에서 120 ℃에서 1시간 동안 어닐링하여 글리신이 코팅된 PCNF(G-PCNF)를 얻었다. 어닐링 과정에서 글리신 분자의 카르복실기가 PCNF 표면과 결합될 수 있다(도 1d, 오른쪽 이미지).
고정화된 글리신 분자는 X-선 광전자 분광법(XPS; AXIS-HSI)과 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR; TENSER27)으로 특징지어졌다. 그 중, 도 1e의 결과는 글리신 분자의 O 1s XPS이다. 일반적인 O 1s XPS는 카르복실기(COO, 531.3 eV)와 하이드록실기(COOH로부터의 OH, 533.5 eV)의 두 주요 피크(major peaks)와 물 분자의 작은 소수 피크(H2O, 534.7 eV)로 디콘볼루션되었다.
소량의 물 분자는 어닐링 과정 동안 글리신 분자의 카르복실기와 아민기의 펩타이드 결합에 의해 생성되었다. N 1s XPS의 결과(도 1f)로부터, 전형적인 N 1s는 양성자화된 아민기(402.4eV)와 중성 아민기(400.5eV)로 디콘볼루션 되었다.
또, 도 7에 나타난 바와 같이, 1605 cm-1에서의 강한 흡수 피크는 글리신 분자의 아민기(NH2)에 기인하였다. 또한, 글리신 분자의 탄소-질소 결합(C-N), 카르복실기(COO), 하이드록실기(OH)에 기인하는 1120 cm-1, 1320 cm-1, 3265 cm-1의 세 가지 특징적인 흡수 밴드가 관찰되었다. 전체적으로 XPS와 FT-IR의 결과로부터 PCNF 표면에 글리신 분자가 잘 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.
글리신 분자의 아민기로 인해 G-PCNF는 친수성 특성을 나타낸다. G-PCNF 표면의 접촉각은 도 2a와 같이 약 10°이었다. 마찬가지로 친수성 표면 특성 및 다공성 구조 때문에 40초 이내에 5 μl의 DI(Deionized) 물이 G-PCNF 내부로 침투할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, DI 물(작업용액)이 G-PCNF의 (-) 전극에 침투하였을 때, 이온 발전 효과(ionovoltaic effect)에 의해 ~95 mV의 연속개방회로전압(Voc)이 발생할 수 있다(도 2b).
본 발명에서는 전기 에너지를 센싱 신호로 정확하게 활용하기 위해 전기가 발생한 12~20 s 시간 영역을 특정 센싱 영역으로 설정하였다(도 2c).
본 발명의 일 실시상태에 따른 포도당 센서에서는 DI 물을 사용하여 발생하는 전기를 기준 전기 신호로 채용하였으므로 안정적인 전기 에너지를 생성할 필요가 있다. 도 8에 나타난 바와 같이, DI 물이 G-PCNF에 각각 3회 침투하였을 때, 유사한 전기 에너지가 발생하였다. 따라서 기준 전기 신호가 이 포도당 센서에서 사용될 수 있음을 확인하였다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 포도당 센서는 포도당 용액에 담그기 전과 담근 후 DI 물이 G-PCNF에 침투할 때 발생하는 전기의 차이를 이용하여 포도당 분자를 검출할 수 있다.
따라서 포도당 용액에 담글 때 G-PCNF의 표면 변화가 논의될 수 있다. 도식 이미지(도 2d)에 나타난 바와 같이, G-PCNF를 포도당 용액에 담근 경우, 특정 결합(C=N)을 통해 포도당 분자가 G-PCNF 표면에 흡착된다(도 2d, 오른쪽 이미지).
포도당 흡착 G-PCNF(G-G-PCNF)의 표면도 XPS와 FT-IR로 특징지어졌다. C 1s XPS 결과로부터 G-G-PCNF에서 탄소-질소 결합 및 카르복실기의 강도가 모두 감소하였다(도 2e). 상기 결과는 포도당 분자와 상호 작용함으로써 G-PCNF의 글리신 분자가 감소한다는 것을 의미한다.
또, 도 9에 나타난 바와 같이, 1626 cm-1에서 중요한 흡수 피크가 관찰되었으며, 이는 글리신과 포도당 분자의 상호작용에 의해 생성된 특이 결합(C=N)에 기인하였다. 이외에도 탄소-산소 결합(C-O; 1039-1109 cm-1) 및 하이드록실기(OH; 3326 cm-1)와 같은 포도당으로부터의 특징적인 흡수 밴드도 관찰되었다. XPS 및 FT-IR 결과를 바탕으로 포도당 분자가 글리신 분자와 특정 결합을 통해 G-PCNF에 흡착할 수 있음을 확인하였다.
G-PCNF의 포도당 센싱 특성을 검증하기 위하여 상술한 바와 같이 G-PCNF를 농도가 다른 포도당 용액에 담가 G-G-PCNF를 얻었다(도 3a). 이후 DI 물(기준 용액)이 G-G-PCNF의 (-) 전극으로 침투하여 지속적인 전기 에너지를 발생시켰다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, G-PCNF를 담근 포도당 용액의 농도가 증가함에 따라 Voc가 감소한다(도 10). 즉, 생성된 전기 신호와 기준 전기 신호, 특히 Voc의 차이는 포도당 농도가 증가할수록 더 커졌다(도 3b). 이 전기 신호 차이를 사용하여 포도당 분자의 존재와 농도를 확인할 수 있다.
글리신과 포도당 분자의 상호작용이 포도당 감지를 위한 열쇠였기 때문에, 글리신 분자가 포도당 감지에 미치는 영향도 이후 논의하도록 한다.
도 3c와 같이 포도당 용액에 담근 PCNF(글리신 분자가 없는)에 DI 물이 침투했을 때 담근 포도당의 농도가 증가하더라도 생성된 Voc는 거의 변하지 않았다. 그 결과 PCNF에 글리신 분자가 없을 때 포도당 분자가 PCNF 표면에 효과적으로 흡착할 수 없어 센서 특성이 나타나지 않았다. 또한, 글리신 분자의 역할은 포도당 센서의 선택성과 직접 관련이 있었다. 요소, 도파민, 아스코르브산 등 다른 분석용액에 담근 G-PCNF에 DI 물이 침투했을 때, 담근 분석용액의 농도가 높아져도 전기적 신호차는 크게 변하지 않았다(도 3d). 그 결과 다른 분석물질 분자가 G-PCNF 표면에 효과적으로 흡착할 수 없어 표면 특성 및 발생된 전기 에너지에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
상기 결과를 바탕으로 글리신과 포도당 분자의 상호작용이 포도당 센싱의 핵심임을 확인했다.
포도당 분자의 흡착은 G-PCNF의 표면 특성을 변화시켜 G-PCNF에서의 이온의 흡착과 생성된 전기 에너지에 영향을 미치며, 이는 포도당 감지 메커니즘이 이온발전 효과에 의해 설명될 수 있음을 시사한다. 센싱 메커니즘을 구체적으로 밝히기 위해 단일 글리신이 코팅된 CuO 나노와이어(G-CuO NW)를 채용하였으며, G-CuO NW 표면 및 벌크 영역의 밴드 구조를 "글루코스를 포함하지 않음"(도 4a-4b), "저농도 글루코스"(도 4c-4d), "고농도 글루코스"(도 4e-4f)의 세 가지 조건에서 모두 논의하도록 한다.
표면의 아민기가 양성자화되어 DI 물이 순수한 G-CuO NW(글루코스를 포함하지 않음)와 접촉했을 때, 표면은 양의 표면 전위(positive surface potential)를 보인다. 따라서, 수산화 이온은 G-CuO NW 표면에 흡착되고 그 표면에 정공(G-PCNF의 주요 캐리어)이 트랩되었다(도 4a). 그 결과, 표면 에너지 밴드가 위로 올라가게 되고(도 4a, 파란색 선), 페르미 에너지 준위(Ef)는 벌크 습식 영역(도 4b)에서 고유 페르미 에너지 준위(Ei)에 접근하였다. 이를 바탕으로 G-CuO NW의 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역 간의 정공 농도 차이가 나타났으며, 이 차이를 Voc w/o (도 4b)로 표시하여 본 발명의 일 실시상태에 따른 포도당 센서에서 기준 전기 신호로 간주하도록 한다.
G-CuO NW가 포도당 용액에 노출되었을 때, 포도당 분자는 글리신과 포도당 분자의 특정한 상호작용을 통해 표면에 흡착될 수 있다.
중요한 것은 G-CuO NW가 스며든 포도당 농도가 증가함에 따라 G-CuO NW(또는 G-PCNF)의 표면 제타 전위(Malvern, ZEN3600)가 감소한다는 것이다(도 11).
포도당 농도가 높아지면 글리신 분자와 상호작용할 수 있는 포도당 분자가 많아져 표면의 양성자화된 아민기가 감소하기 때문이다.
이를 바탕으로 DI 물이 낮은 농도의 포도당 흡착 G-CuO NW(G-G-CuO NW)와 접촉하였을 때 표면에 흡착된 수산화이온이 순수한 G-CuO NW(글루코스를 포함하지 않음)의 경우보다 더 적었다(도 4c). 따라서 표면에 트랩된 정공도 감소하여 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역의 정공 농도 차이가 감소하였으며, 이 차이를 VL oc (도 4d)로 표시할 수 있다.
G-CuO NW가 높은 포도당 농도 조건에 노출되면 더 많은 포도당 분자가 G-CuO NW와 결합할 수 있으며, 따라서 표면의 더 많은 양성자화된 아민기가 사라지게 된다. 이로 인해, 포도당 농도가 높은 G-G-CuO NW가 DI 물과 상호 작용하였을 때, 표면에 흡착된 수산화 이온은 더욱 감소하였다(도 4e). 그 결과, 표면의 트랩된 정공은 더욱 감소하였고 습식 벌크 영역과 건식 벌크 영역의 정공 농도 차이는 더욱 감소하였다. 여기서 정공 농도의 차이는 VH oc (도 4f)로 표시할 수 있다.
전체적으로 생성된 Voc의 크기는 Voc w/o > VL oc > VH oc 순으로 나타나 실험 결과와 일치함을 알 수 있다(도 3b 및 도 10).
따라서 수분 침투 현상 기반의 포도당 센싱 메커니즘은 이온발전 효과에 의해 종합적으로 검증될 수 있다. 이온발전 효과를 정확하게 적용함으로써 다양한 물 운동을 통한 새로운 형태의 다른 바이오센서를 개발할 수 있고, 동시에 센싱 분석물도 확장할 수 있다.
이온발전 포도당 감지 메커니즘의 정확한 검증으로 실제 자가 발전 발광 포도당 센서를 설계하여 발생된 전기 에너지를 정확하게 활용할 수 있다.
5개의 PCNF와 1개의 G-PCNF를 병렬로 하여 적색(Vth = 1.5 V)과 녹색(Vth = 1.9 V) LED를 연결하였으며(도 12), PCNF와 G-PCNF로의 수분 침투시 LED를 선택적으로 점등하였다.
여기서 PCNF에는 5 μl의 NaCl 용액(1 M)이 순차적으로 침투하였고, Voc 튜닝에 기여하는 G-PCNF에는 5 μl의 DI수가 침투하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, G-PCNF가 적신 곳에서 포도당 농도가 증가할수록 Voc가 감소하여(도 5a-5b), 문턱 전압이 다른 LED가 선택적으로 점등되었다.
구체적으로 인체에 영향이 없는 0.5 mM 또는 1 mM의 저농도 포도당 용액에 담근 G-PCNF를 사용할 때는 빨간색과 녹색 LED가 모두 켜졌다. 반대로 인체에 유해한 높은 포도당 농도(10mM 또는 100 mM)의 용액에 담근 G-PCNF를 채용할 때는 빨간색 LED만 켜지거나(10 mM) LED 2개가 모두 꺼졌다(100 mM)(도 5a-5b).
이에 실제 자가발광 이온발전 포도당 센서를 이용해 문턱 전압이 다른 LED를 선택적으로 점등함으로써 인체에 영향을 미치는 포도당 농도를 성공적으로 구분할 수 있음을 알 수 있다.
3. 결론
요약하면, 수분 침투 현상에서 발생한 전기를 채용하여 글리신이 코팅된 다공성 CuO 나노와이어 필름(G-PCNF)을 활용한 자가 발전 발광 포도당 센서를 최초로 시연하였다.
포도당 분자가 글리신 분자와 결합할 수 있기 때문에, G-PCNF를 사용하는 자가 구동 발광 포도당 센서는 포도당 분자와 그 농도를 선택적으로 검출할 수 있다.
포도당과 글리신 분자의 상호작용을 검증함으로써, 포도당 감지 메커니즘은 반도체에서 에너지 밴드 이론을 통해 이온발전 효과에 의해 종합적으로 입증할 수 있다.
포도당과 글리신 분자의 상호작용은 G-PCNF의 표면 제타 전위를 감소시켜 G-PCNF 표면의 흡착된 수산화 이온을 감소시킴으로써 생성된 Voc를 감소시켰다.
이를 바탕으로 광범위한 포도당 농도(0.5~100 mM)를 검출해 포도당 분자에 대한 높은 민감도와 선택성을 나타낼 수 있다.
또한 문턱 전압이 다른 LED를 선택적으로 켜서 인체의 유해 포도당 농도(≥10 mM)를 성공적으로 식별할 수 있다.
전반적으로, 이온발전 포도당 센서를 제안하는 것은 고액 상호 작용에 의해 발생되는 전기를 이용한 자가 발전 발광 바이오센서의 제작 가능성을 보여주는 데 큰 의미가 있다. 이온발전 효과에 기반한 자가발전 발광 센서 플랫폼을 통해 고체 표면의 특별한 개조를 통한 고액 상호 작용을 활용하여 생체분자를 포함한 다양한 이온과 분자를 검출할 수 있으며, 자가발전 특성으로 센서 분야에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Claims (18)
- 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름; 및
상기 타겟 물질이 상기 반도체 필름 표면에 부착된 결합 물질과 결합함으로써, 감소하는 전기 에너지를 센싱하는 센싱부;를 포함하며,
상기 전기 에너지는 상기 반도체 필름 내로 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되고,
상기 센싱부는 상기 결합 물질만 부착된 반도체 필름과 상기 타겟 물질과 결합 물질이 결합한 반도체 필름 내로 용매가 침투함으로써 자발적으로 생성되는 전기 에너지의 차이를 센싱하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체 필름은 기판 표면에 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상이 배치된 형태인 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제2항에 있어서,
상기 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질은 상기 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상과 결합하여 상기 반도체 필름 표면에 부착된 것인 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제1항에 있어서,
상기 타겟 물질은 유기 화합물, 단백질, 핵산, 다당류 및 지질로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상인 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제1항에 있어서,
상기 결합 물질은 자기조립 유기 단분자막 (self-assembled monolayer), 생물학적 나노포어 (nanopore) 단분자, 효소 분자, 아미노산 단분자, 프로브 DNA (혹은 RNA), 프로브 단백질 및 항체로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상인 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제1항에 있어서,
상기 자가 발전 발광 바이오센서는 포도당 검출 센서인 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제6항에 있어서,
상기 타겟 물질은 포도당인 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제6항에 있어서,
상기 결합 물질은 글리신(glycine)인 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제8항에 있어서,
상기 포도당과 글리신(glycine)은 특이적 결합을 하고, 상기 포도당과 글리신(glycine)이 결합한 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지는 상기 글리신(glycine)만 부착된 반도체 필름에서 자발적으로 생성되는 전기 에너지에 비해 감소하는 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제1항에 있어서,
문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 더 포함하는 자가 발전 발광 바이오센서.
- 제10항에 있어서,
상기 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 타겟 물질의 농도에 따라 서로 다른 농도 범위에서 점등 또는 소등하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서.
- 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 기준 전압을 측정하는 단계;
타겟 물질을 포함하는 용액에 상기 표면에 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질이 부착된 반도체 필름을 담궈 상기 타겟 물질과 결합 물질을 특이적 결합하고, 상기 타겟 물질과 결합 물질이 특이적 결합한 반도체 필름에 용매를 침투시켜 발생된 전기 에너지를 통해 타겟 전압을 측정하는 단계; 및
상기 기준 전압과 타겟 전압의 차이를 기초로 타겟 물질의 존재 유무 및 그 농도를 얻는 단계;를 포함하며,
상기 전기 에너지는 상기 용매가 상기 반도체 필름 내로 침투함으로써 자발적으로 생성되는 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법.
- 제12항에 있어서,
상기 반도체 필름은 기판 표면에 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상이 배치된 형태인 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법.
- 제13항에 있어서,
상기 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 결합 물질은 상기 다공성 산화구리 나노와이어, 산화 그래핀, SnO2, ZnO, V2O5, Si, MoS2, C3N4 중 어느 하나 이상과 결합하여 상기 반도체 필름 표면에 부착된 것인 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법.
- 제12항에 있어서,
상기 타겟 물질은 유기 화합물, 단백질, 핵산, 다당류 및 지질로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상인 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법.
- 제12항에 있어서,
상기 결합 물질은 자기조립 유기 단분자막 (self-assembled monolayer), 생물학적 나노포어 (nanopore) 단분자, 효소 분자, 아미노산 단분자, 프로브 DNA (혹은 RNA), 프로브 단백질 및 항체로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상인 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법.
- 제12항에 있어서,
상기 자가 발전 발광 바이오센서는 포도당 검출 센서인 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법.
- 제12항에 있어서,
상기 자가 발전 발광 바이오센서는 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 더 포함하며,
상기 문턱 전압(Threshold Voltage)이 서로 상이한 2 이상의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 타겟 물질의 농도에 따라 서로 다른 농도 범위에서 점등 또는 소등하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 발광 바이오센서의 구동방법.
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| KR102346539B1 (ko) | 2020-08-18 | 2022-01-04 | 한국과학기술연구원 | 비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법 |
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| KR102346539B1 (ko) | 2020-08-18 | 2022-01-04 | 한국과학기술연구원 | 비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법 |
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