WO2023074960A1 - 면역 센서용 인터디지테이티드 전극 - Google Patents

면역 센서용 인터디지테이티드 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 미세금속입자(Micro Metal Particle)와 그래핀 복합층의 일부가 연결된 그래핀 금속 복합체로 구성되되,상기 미세금속입자는 상기 그래핀 복합층 표면 또는 내부에 결착되며, 일부 미세금속입자는 상호 결합응고되고,상기 그래핀 복합층은 여러 층의 그래핀이 적층되고 임의의 방향으로 굽혀져 있는 3차원 구조를 가지고,상기 미세금속입자 사이 빈 공간의 일부는 상기 그래핀 복합층이 채워져 상호 연결된 다공성 구조로,상기 그래핀 금속 복합체를 통하여 전자의 흐름이 발생하는 하이브리드 그래핀 전극으로 구성된 두 개의 분리된 전극이 인접하게 위치하여 외부 전자의 유입 또는 방출이 발생하는 인터디지테이티드 전극에 관한 것이다.

Description

면역 센서용 인터디지테이티드 전극
본 발명은 면역 센서용 인터디지테이티드 전극에 관한 것으로, 보다 자세하게는 금속나노입자와 그패핀의 가교결합에 의한 3차원 구조 형성 및 이러한 구조적 특징에 의한 높은 전기 전도성 특성을 이용하여, 저농도의 항원에 대해 민감도 및 특이성이 우수하고, 특히 치매 특이항원의 검출을 위한 면역센서에 최적화된 치매 특이항원 면역 센서용 인터디지테이티드 전극에 관한 것이다.
그래핀은 전기적, 기계적, 화학적 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐만 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘 보다 약 100 배 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 약 100 배 가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있는 물질로서, 이의 제조 및 응용에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이를 응용한 바이오센서로 항원-항체 결합을 기반으로 하는 면역센서에 활용될 수 있다. 면역센서는 바이오마커와 같이 임상진단에서 질병과 관련된 물질을 감지하는데 널리 사용되고 있다. 항원에 대한 항체의 특이결합에 때문에 항체는 특히 바이오마커를 검출하기위해 면역센서의 표면 등에 고정되어 이용된다.
예를 들어 전립선 암 마커(marker)로서 전립선 특이항원(prostate specific anteigen, PSA)는 전립선 암의 스크리닝, 진단 및 치료에 널리 이용된다. 전립선 특이항원은 전립선의 상피세포에서 합성되어 분비되는 효소로서 일반인의 경우 0~4 ng/㎖으로 측정되나 전립선 암 환자에서는 농도가 더 높게 측정된다. 따라서, 전립선 특이항원에 대한 선택성, 특이성 및 민감성 등이 뛰어난 면역센서는 전립선 암의 조기 진단과 예방에 유용하게 이용될 수 있다.
면역센서는 샌드위치형(sandwich-type) 면역센서와 비표지(label-free)면역 센서 두 가지 종류가 있다. 샌드위치형은 기재표면에 항원과 결합할 수 있는 일차(primary)항체가 고정되고, 전립선 특이항원과 결합할 수 있는 표지된 항체(labeled antibody)가 이차(secondary)항체로서 사용된다. 샌드위치형에서는 일차 및 표지된 이차항체를 사용함으로서 항원-항체 결합 효율, 선택성, 민감도 및 신호 증폭 효과를 얻을 수 있다. 이와 달리, 비표지면역 센서는 항원-항체 결합을 바로 측정할 수 있어 편이성, 신속성 및 민감도 등이 뛰어날뿐만 아니라 비용이 절감되어 경제성이 뛰어나 주목할만한 바이오마커 검출 분석 도구이다.
더 좋은 비표지 면역센서의 개발을 위해 생체적합성 및 전자이동이 뛰어난 성질을 가진 그래핀을 이용한 그래핀 기반 복합체가 전극 재질로서 주목받고 있다. 그리하여, 바이오센서 등에 그래핀을 적용하는 연구가 활발히 이루어지고 있고 그래핀이 극히 높은 민감도를 가지는 전기화학적 바이오센서의 개발에 효과적으로 기여할 수 있는 것으로 알려져있다.
한국 등록특허 제1400976호에서는 환원된 그래핀 산화물 층에 분자 링커를 연결하고 금속 나노입자 층을 더한 바이오센서를 개시하고 있으나, 수평적 구조로 되어 있어 3차원 구조가 아니며 분자 링커가 제한되고, 한국 등록특허 1339403에서는 환원 그래핀 산화물-금속 나노입자 복합필름을 개시하고 있으나 이를 바이오센서로서 이용할수 있는 가능성 정도만이 제시된 것으로 보인다.
이에 본 발명자는 광화학 및 광열 반응을 이용하여 제조한 3차원 형태의 미세금속입자(Micro Metal Particle)-그래핀 복합체를 이용하여 하이브리드 그래핀 전극과 이의 한 쌍인 인터디지테이티드 전극을 개발하였으며, 인터디지테이티드 전극은 선택성, 특이성, 경제성뿐만 아니라 높은 민감도를 가지고 재현성이 뛰어난 인터디지테이티드 전극으로 활용될 수 있다.
본 발명의 목적은 미세금속입자(Micro Metal Particle)와 그패핀의 가교결합에 의한 3차원 구조 형성 및 이러한 구조적 특징에 의한 높은 전기 전도성 특성을 이용하여, 저농도의 항원에 대해 선택성 및 특이성이 우수하며, 특히 치매 특이항원의 검출을 위한 면역센서에 최적화된 치매 특이항원 면역 센서용 인터디지테이티드 전극를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 복수개의 미세금속입자(Micro Metal Particle)와 그래핀 복합층의 일부가 연결된 그래핀 금속 복합체로 구성되되,상기 미세금속입자는 상기 그래핀 복합층 표면 또는 내부에 결착되며, 일부 미세금속입자는 상호 결합응고되고,상기 그래핀 복합층은 여러 층의 그래핀이 적층되고 임의의 방향으로 굽혀져 있는 3차원 구조를 가지고,상기 미세금속입자 사이 빈 공간의 일부는 상기 그래핀 복합층이 채워져 상호 연결된 다공성 구조로,상기 그래핀 금속 복합체를 통하여 전자의 흐름이 발생하는 하이브리드 그래핀 전극으로 구성된 두 개의 분리된 전극이 인접하게 위치하여 외부 전자의 유입 또는 방출이 발생하는 인터디지테이티드 전극을 제공한다.
상기 본 발명인 상기 미세금속입자 표면에 그래핀이 코팅된 것에 특징이 있는 인터디지테이티드 전극을 제공한다.
또한 본 발명인 상기 인터디지테이티드 전극은 산화-환원 전기화학 반응에 의해 발생되는 전류를 측정하는 인터디지테이티드 전극을 제공한다.
또한 본 발명인 상기 하이브리드 그래핀 전극은 두 개의 빗 모양의 전극으로 쌍을 이루는 형태로 구성된 인터디지테이티드 전극을 제공한다.
또한 본 발명인 상기 미세금속입자는 은(Ag) 또는 구리 금속 표면에 은(Ag)으로 코팅된 것에 특징이 있는 인터디지테이티드 전극을 제공한다.
또한 본 발명인 상기 하이브리드 그래핀 전극은 전기화학 시료를 전기화학적으로 측정하여 특정 타겟 물질을 검출하는 전기화학 센서용 인터디지테이티드 전극 을 제공한다.
또한 본 발명인 상기 하이브리드 그래핀 전극은 효소 반응을 통해 전기화학 시료를 생성하고 이를 전기화학적으로 측정하여 특정 타겟 물질을 검출하는 전기화학 센서용 인터디지테이티드 전극을 제공한다.
또한 본 발명인 상기 하이브리드 그래핀 전극은 항체에 연결된 효소 면역 ELISA 반응을 통해 타겟 바이오마커를 전기화학적으로 검출하는 전기화학 기반 면역 센서용 인터디지테이티드 전극을 제공한다.
본 발명인 미세금속입자(Micro Metal Particle)와 그패핀의 가교결합에 의한 3차원 구조의 면역 센서용 인터디지테이티드 전극은 구조적 특징에 의한 높은 전기 전도성 특성을 이용하여, 저농도의 항원에 대해 선택성 및 특이성이 우수하며, 특히 치매 특이항원의 검출을 위한 면역센서에 최적화된 특징이 있다.
도 1a 내지 1e는 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 하이브리드 그래핀 전극 전자현미경(SEM)사진 및 개념도이다.
도 2는 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 하이브리드 그래핀 전극(그래핀 금속 복합체)과 금속전극, 그래핀 전극의 전기 전도성 특성을 측정하여 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 그래핀 금속 복합체 전극, 그래핀 전극, 금속 전극에 대해서 전기화학 측정물질(PAP)의 농도에 따른 측정 전류를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 그래핀 금속 복합체 전극, 그래핀 전극, 금속 전극에 대해 같은 농도의 PAP에 대해 측정한 전류신호의 차이를 보여주는 그래프이다.
도 5는 전기화학 반응을 통해 인터디지테이티드 전극에서 신호를 측정하는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 6은 전기화학 반응을 측정하기 위해 본 발명에서 제작한 인터디지테이트 전극의 개념도이다.
도 7은 본 발명에서 개발된 인터디지테이티드 전극의 사진과 전극을 구성하는 금속 그래핀 복합체의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명인 면역 센서용 복합체를 이용한 인터디지테이티드 전극(IDE)의 성능을 분석한 그래프이고, (a)(b) 전극의 갭, (c)(d)PAP농도차에 의한 감지할 수 있는 전류의 값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 (a)(b) 면역 센서용 인터디지테이티드 전극으로 금(Au)박막을 사용할 경우 PAP 농도에 따른 측정전류값을 보여주며, (c)(d)는 그래핀 전극을 사용할 경우 PAP 농도에 따른 측정전류값을 보여준다.
도 10은 원형으로 설계 및 제작된 인터디지테이티드 전극의 전자현미경 사진이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 미세금속입자(Micro Metal Particle)와 그래핀 복합층이 혼합된 구조를 가지는 그래핀 금속 복합체로 구성되고, 상기 그래핀 금속 복합체를 통하여 전자의 흐름이 발생하는 하이브리드 그래핀 전극과 상기 하이브리드 그래핀 전극으로 구성된 두 개의 분리된 전극이 인접하게 위치하여 외부 전자의 유입 또는 방출이 발생하는 인터디지테이티드 전극에 관한 것이다.
하이브리드 그래핀 전극은 미세 금속입자(예, 미세 은(Ag) 입자)를 그래핀과 가교시켜 생성되는 것으로 미세금속입자의 비율이 증가할수록, 금속 하이브리드(Metal-Hybrid) 그래핀 전극의 전도성이 증가한다. 미세금속입자와 함께 그래핀의 SP2 탄소 원자 결합을 생성하여 높은 전기 전도성과 거의 제로 전기 저항을 나타낸다.
인터디지테이티드(Inter Digitated Array, 이하 IDA) 전극은 전기화학 방식으로 전해물질(본 발명에서는 PAP)의 농도를 측정한다. IDA 전극은 전기화학적 산화 환원 반응이 최대한 넓은 면적에서 발생할 수 있도록, 손가락 모양으로 제작된 양극과 음극의 작동 전극을 교차시켜서 여러 개의 손가락 쌍(Finger Pair) 구조로 제작된다. 본 발명은 그래핀 금속 복합체를 이용하여 IDA 전극을 제작하였으며, 측정되는 신호를 최대화하기 위하여 여러 쌍의 작동 전극을 5mm x 3mm의 넓은 감지 영역으로 설계함이 바람직하다.
또한, IDA의 각 핑거 전극은 너비가 400μm이고, 전극 사이의 간격은 100μm이 바람직하다. 더욱이, 카운터 및 기준 전극은 또한 작업 전극과 함께 제조될 수있다. IDA 전극은 전기 화학적 검출을 위한 두 손가락 전극 사이에서 우수한 감도, 높은 전기 촉매 성능 및 우수한 전자 이동으로 나타낸다.
또한 IDA의 전기 화학적 반응은 두 전극 핑거 사이의 산화 환원 반응에 기초한다. 산화 환원 반응은 IDA 전극의 민감한 전기 화학적 검출을 위해 2개의 전극 사이에서 전류를 증폭시키는데 영향을 미친다. 산화 환원 반응 동안, 산화 환원 종은 양극과 음극 사이에서 재순환된다. 애노드(하나의 핑거 전극)는 산화되어 환원 된 분자를 생성 할 수 있고 캐소드(다른 핑거 전극)는 산화된 분자를 생성하도록 환원 될 수 있다. 산화 환원 분자의 재활용으로 인해, 전기 화학적 신호가 동시에 증폭된다. IDA의 치수 (즉, 전극 폭, 전극 핑거 쌍의 수 및 전극 갭)는 산화 환원 사이클을 최대화하기 위해 서로 맞물린 빗 구조로 설계된 것으로 결과적으로, 두 전극 사이의 갭은 전극의 손가락을 최대화하고 큰 전극 폭은 주어진주기에서 산화 환원주기의 수를 증가시킨다. 본 발명에서는 이러한 산화 환원 반응을 극대화하기 위하여, 전자의 방출과 유입이 우수하며 넓은 표면적을 가지는 그래핀과 전기 저항을 낮추기 위한 미세금속입자가 혼합된 금속 그래핀 복합체로 전극을 제작하였다. 이를 통해 매우 낮은 농도의 치매 바이오 마커를 측정할 수 있는 하이브리드 그래핀 IDA 면역 센서를 개발하였다.
본 발명은 일부가 연결된 다공성 구조의 미세금속입자(Micro Metal Particle)와 상기 다공성 구조가 그래핀 복합층로 채워진 복합체로 구성된 하이브리드 그래핀 전극과 이를 이용한 한쌍의 면역 센서용 인터디지테이티드 전극에 관한 것이다.
인터디지테이티드 전극(interdigitated Array, 이하 IDA)은 두 개의 빗 구조 전극이 서로 마주하여 있는 전극으로, 두 전극의 절연 사이에 미생물이 결합된 경우 임피던스 방법으로 측정이 가능하여 식중독균 검출에 활용되고 있다(Yang, L et al Anal Chem, 76:1107-1113, 2004) 또한 IDA는 비표지 바이오센서, 기체센서 등 다양한 센서로 활용이 되고 있다(Dharuman, V et al Biosens Bioelectron, 21:645-654, 2005, Hermans ECM, Sensor Actuat 5:181-186, 1984)
상기 인터디지테이티드 전극은, 예를 들어 전극간 간격이 10 내지 1000㎛, 10 내지 900㎛, 10 내지 800㎛, 10 내지 700㎛, 10 내지 600㎛, 10 내지 500㎛, 10 내지 450㎛, 10 내지 400㎛, 10 내지 350㎛, 10 내지 300㎛, 10 내지 250㎛, 10 내지 200㎛ 또는 10 내지 150㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1a 내지 1e는 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 하이브리드 그래핀 전극 전자현미경(SEM)사진 및 개념도이다. (a)는 금속입자로 은(Ag) 미세입자를 보여주는 사진으로 구형 형상의 입자 지름은 약 5㎛를 갖는다. (b)는 광화학, 광열조사 또는 열처리 공정를 사용하여 은(Ag) 미세입자의 표면이 용융된 상태에서 인접 금속입자와 결합 응고된 사진이다. 일부 금속입자는 연결되지 않아 빈 공간이 형성된 것에 특징이 있다. (c)는 미세금속입자에 혼합될 그래핀의 사진이다.
그래핀은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다. 나노 사이즈에서는 2차원 평면의 그래핀이 겹치거나 굽힌 구조로 불규칙적인 형상이 특징이다.
(d)는 본 발명의 하이브리드 그래핀 전극의 SEM 사진으로 광화학, 광열조사 또는 열처리 공정에 의해 미세금속입자는 상기 그래핀 복합층 표면 또는 내부에 결착되고 일부 미세금속입자는 상호 결합응고될 수 있는 고정된 구조를 보여주고 있다.
기존 그래핀의 경우 고온 공정을 비롯해 복잡한 과정이 필요하지만, 광화학, 광열조사 또는 열처리 공정 합성 그래핀은 원스텝 공정으로 비교적 간단하게 합성할 수 있다.
(e)는 상기 (d)의 광화학, 광열조사 또는 열처리 공정으로 제조된 그래핀이 은(Ag)미세입자의 빈 공간(b)에 위치하여 고정된 구조를 보여주는 개념도이다. 상기 은(Ag)미세입자가 그래핀 복합층 내부 또는 외부에 결착될 수 있으며, 상기 개념도에는 미표시되었지만, 은(Ag)미세입자의 불규칙한 위치에 따라 일부 미세금속입자는 상호 결합응고될 수 있다.
또한 상기 은(Ag)미세금속입자는 광화학, 광열조사 또는 열처리 공정 반응으로 표면에 그래핀이 코팅이 생성될 수 있다. 도 1(e)에서 입자표면에 그물망으로 그래핀 코팅구조가 도시되어 있다.
도 2는 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 하이브리드 그래핀 전극(그래핀 금속 복합체)과 금속전극, 그래핀 전극의 전기 전도성 특성을 측정하여 비교한 그래프이다. 금(Au) 박막으로 제작된 전극의 경우에 비하여, 그래핀 전극은 측정된 전류 신호가 더 커지게 된다. 이는 다공성 구조로 인하여 전극의 표면적이 넓고 그래핀을 통해 전자의 유입 및 방출이 우수해 전기화학 반응으로 발생하는 전자의 흐름이 더 크기 때문이다.
하이브리드 그래핀 전극의 경우에는 그래핀 전극의 장점을 모두 가지면서 금속 입자로 인해 전도성이 좋아져서 전극의 저항이 매우 낮아지게 된다.
여기에 표면에 그래핀 코팅된 금속 입자는 그래핀과 금속 입자간 또는 상호 금속 입자간의 전도성을 더욱 더 증가시킬 수 있는 구조를 갖게 된다. 따라서 3가지 종류의 전극을 이용하여 전기화학 신호를 측정할 때, 하이브리드 그래핀 전극으로 측정할 때 가장 큰 전류 신호를 발생시키게 된다.
이때, 민감도는 측정 전류 신호(signal)의 절대값이 클수록 우수하다. 따라서 본 발명의 그래핀 금속 복합 전극은 그래핀의 넓은 표면적과 전자의 흡수 및 방출에 의한 전기화학 반응을 더욱 효율적으로 발생시키는 특성과 금속입자의 낮은 저항의 장점이 활용되면 발생되는 신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)이 매우 커서, 낮은 농도의 타겟 물질까지 검출할 수 있는 특징이 있다.
광화학, 광열조사 또는 열처리 공정에 의해 SP2 탄소원자와 결합된 그래핀이 생성되고 생성된 그래핀은 인접한 미세금속입자에 연결되어 높은 전기 전도성을 갖게 되고 전자의 방출 및 유입이 용이하도록 표면적이 극대화된 3차원 다공성 복합체 형태의 전극을 구성하게 된다.
또한 본 발명의 미세금속입자는 구리 금속 표면에 은(Ag)으로 코팅하여 사용할 수 있다. 은 입자가 전도성이 우수하나 비용등을 고려할때 코팅으로 사용하여도 입자의 표면이 전도성에 기여도가 큰 것을 감안하면 바람직한 구조일 수 있다.
도 3은 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 하이브리드 그래핀 전극(그래핀 금속 복합체), 그래핀 전극, 금속 전극에 대해서 전기화학 측정물질(PAP)의 농도에 따른 측정 전류를 보여주는 그래프이다. 각각의 전극에 대해 PAP 농도에 따라 전류 신호의 크기가 점점 커지게 된다. 금속 전극에 비해 표면적과 전자 유입 및 방출의 장점이 있는 그래핀 전극의 신호가 더 크게 되고, 그래핀 전극 대비 저항이 작은 그래핀 금속 복합전극의 신호가 더 크게 측정됨을 알 수 있다.
도 4는 본 발명인 면역 센서용 인터디지테이티드 전극의 그래핀 금속 복합체 전극, 그래핀 전극, 금속 전극에 대해 같은 농도의 PAP에 대해 측정한 전류신호의 차이를 보여주는 그래프이다. 같은 농도에서 그래핀 금속 복합체 전극으로 측정된 신호의 크기가 비교 전극들에 비하여 매우 크다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명인 그래핀 금속 복합체 전극의 전류신호가 비교 전극들에 비해 더 큰 신호를 발생시켜서 SNR(Signal to Noise Ration, 신호대 잡음비)이 비교 전극에 비해 더 크다는 것을 알 수 있다.
본 발명인 하이브리드 그래핀 전극은 금속-하이브리드 그래핀(MHG, Metal-Hybrid Graphene)소재로 인터디지테이티드 전극(IDA)을 제작한다. 인터디지테이티드 전극(IDA)의 손가락 모양의 두 전극 사이에서 전기화학 반응에 의해 전자가 이동되면서 전류를 만들어 내는 특징이 있다. MHG 인터디지테이티드 전극(IDA)을 이용하여 전기 화학 효소-연결 면역 흡착 분석 (ELISA, Enzym Linked Immuno-Sorbant Assay) 측정을 사용하면 알츠하이머 병의 초 고감도 전기 화학 검출을 할 수 있다.
초기 알츠하이머 병은 본 발명의 MHG 인터디지테이티드 전극(IDA)을 사용하여 잘 알려진 치매 바이오 마커를 ELISA 방법으로 진단될 수 있다. 미국 국립노화연구소와 알츠하이머협회(National Institute of Aging and Alzheimer Association, NIA-AA)는 알츠하이머 바이오마커로 뇌와 뇌척수액의 아밀로이드 베타(Amyloid beta, Aβ) Aβ-40 및 Aβ-42와 신경세포 손상을 반영하는 뇌척수액 타우단백질(total tau protein, t-tau)과 인산화 타우단백질(phosphorylated tau protein, p-tau)을 제시하였다. Aß-42 및 Aß-40와 t-tau 및 p-tau를 전기 화학적으로 측정하기 위해, 알칼리성 포스파타제 (AP)는 일반적으로 ELISA에 대한 효소 표지로서 사용된다. AP는 이차 항체에 붙어있어서, 알츠하이머 바이오마커가 많을수록 더 많은 AP 효소가 고정화되어 더 큰 전기화학 신호를 발생한다.
도 5는 전기화학 반응을 통해 인터디지테이티드 전극에서 신호를 측정하는 원리를 보여주는 개념도이다. 전기 활성 효소-기질 p-아미노 페닐포스페이트 (PAPP)는 효소 생성물과의 화학 반응에서 발생하여 전기 활성 생성물 p-아미노 페놀 (PAP)을 생성한다. PAP는 MHG 인터디지테이티드 전극(IDA) 표면에서 p-퀴논 이민 (PQI)으로 산화 된 다음 PQI가 PAP로 환원되어 PAP의 산화 환원주기를 초래한다. 알츠하이머 바이오마커의 농도가 증가하면, 반응 챔버에 더 많은 AP 효소가 고정되어 전기 화학적 신호를 증가시킨다.
상기와 같은 원리를 이용하여 초기 알츠하이머 진단에서 전기 활성 생성물 p-아미노 페놀(PAP)의 측정은 중요하여 매우 적은 양을 구분할 수 있는 전극으로 본 발명의 면역 센서용 복합체을 응용할 수 있다.
따라서 면역 센서용 복합체의 미세금속입자(Micro Metal Particle)의 형상은 전기 활성 생성물 p-아미노 페놀(PAP)의 측정의 민감도에 영향을 미치며, 미세금속입자 입자의 구형 형상이 가장 민감도가 우수함을 알 수 있다.
또한 PAP 분자의 농도가 증가하고, PAP 분자의 산화 환원 주기도 증가하며, 결과적으로 MHG 인터디지테이티드 전극(IDA)에 의해 측정 된 전류 신호의 크기도 증가된다.
도 6은 전기화학 반응을 측정하기 위해 본 발명에서 제작한 인터디지테이트 전극의 개념도이다. 전기화학 반응을 측정하는 인터디지테이티드 전극은 작업전극 1(Working Electrode1), 작업전극 2(Working Electrode2), 기준전극 (Reference Electrode), 대조전극 (Counter Electrode)으로 구성된다. 2개의 작업전극에서는 산화-환원 반응에 의해 전류신호가 발생하게 되고, 기준전극은 산화-환원 전압을 인가해주기 위한 기준전압을 세팅해준다. 대조전극은 기준전극에서 전류가 발생하면 기준전압의 변동이 발생하기 때문에, 기준전극의 기준전압을 일정하게 유지해주면서 기준전극을 대신하여 전류를 발생시키는 역할을 해주게 된다.
도 7은 본 발명에서 개발된 인터디지테이티드 전극의 사진과 전극을 구성하는 금속 그래핀 복합체의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명인 면역 센서용 그래핀 금속 복합체를 이용한 인터디지테이티드 전극(IDA)의 성능을 분석한 그래프이고, (a)(b) 전극의 갭, (c)(d)PAP농도차에 의한 감지할 수 있는 전류의 값을 나타내는 그래프이다.
또한 (c)에서는 인터디지테이티드 전극(IDA)에서 전극간 거리에 따라 감지할 수 있는 전류의 값이 변화됨을 보여준다. 전극간의 거리가 짧을수록 감지할 수 있는 전류의 값이 더 낮아지고 결국 인터디지테이티드 전극(IDA)의 민감도는 증가하는 것이며, (d)에서는 인터디지테이티드 전극(IDA)의 거리가 300㎛이상의 경우 민감도 감소폭이 작아짐을 알 수 있다.
도 9는 (a)(b) 면역 센서용 인터디지테이티드 전극으로 금(Au)박막을 사용할 경우 PAP 농도에 따른 측정전류값을 보여주며, (c)(d)는 그래핀 전극을 사용할 경우 PAP 농도에 따른 측정전류값을 보여준다. 금 또는 그래핀으로 구성된 IDA 전극의 검출 한계(LOD)는 1 나노몰(nano mole, 10-9 mole)임을 알 수 있다.
도 10은 원형으로 설계 및 제작된 인터디지테이티드 전극의 전자현미경 사진이다. 작업전극을 원 모양으로 제작하여, 두 개의 원 모양 인터디지테이티드 전극이 교차되어 있다. 인터디지테이티드 전극은 빗 모양, 원 모양 등 다양한 형태로 제작되어질 수 있다.
금박막 전극 및 그래핀 전극과 본 발명의 그래핀 금속 복합체(MHG) 전극을 비교해 보면 PAP 농도에 따른 측정가능한 IDA 전극의 검출 한계(LOD)를 보면 본 발명의 인터디지테이티드 전극(IDA)에서 미세금속입자 및 그래핀으로 구성된 복합체가 p-아미노 페놀 (PAP)의 검출 한계(LOD)면에서 더 우수함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (9)

  1. 복수개의 미세금속입자(Micro Metal Particle)와 그래핀 복합층의 일부가 연결된 그래핀 금속 복합체로 구성되되,
    상기 미세금속입자는 상기 그래핀 복합층 표면 또는 내부에 결착되며, 일부 미세금속입자는 상호 결합응고되고,
    상기 그래핀 복합층은 여러 층의 그래핀이 적층되고 임의의 방향으로 굽혀져 있는 3차원 구조를 가지고,
    상기 미세금속입자 사이 빈 공간의 일부는 상기 그래핀 복합층이 채워져 상호 연결된 다공성 구조로,
    상기 그래핀 금속 복합체를 통하여 전자의 흐름이 발생하는 하이브리드 그래핀 전극으로 구성된 두 개의 분리된 전극이 인접하게 위치하여 외부 전자의 유입 또는 방출이 발생하는 인터디지테이티드 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세금속입자 표면에 그래핀이 코팅된 것에 특징이 있는 인터디지테이티드 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 금속 복합체는 광화학 또는 광열조사 또는 열처리 공정에 의해 생성되는 것에 특징이 있는 하이브리드 그래핀 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인터디지테이티드 전극은 산화-환원 전기화학 반응에 의해 발생되는 전류를 측정하는 인터디지테이티드 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 그래핀 전극은 두 개의 빗 모양의 전극으로 쌍을 이루는 형태로 구성된 인터디지테이티드 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세금속입자는 은(Ag) 또는 구리 금속 표면에 은(Ag)으로 코팅된 것에 특징이 있는 인터디지테이티드 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 그래핀 전극은 전기화학 시료를 전기화학적으로 측정하여 특정 타겟 물질을 검출하는 전기화학 센서용 인터디지테이티드 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 그래핀 전극은 효소 반응을 통해 전기화학 시료를 생성하고 이를 전기화학적으로 측정하여 특정 타겟 물질을 검출하는 전기화학 센서용 인터디지테이티드 전극.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 그래핀 전극은 항체에 연결된 효소 면역 ELISA 반응을 통해 타겟 바이오마커를 전기화학적으로 검출하는 전기화학 기반 면역 센서용 인터디지테이티드 전극.
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