나노 탄소물질을 이용한 바이오센서 전극제조 기술

(1)

나노 탄소물질을 이용한 바이오센서 전극제조 기술

김지현⋅배태성*⋅이영석^†

충남대학교 공과대학 바이오응용화학과, *한국기초과학지원연구원 전주센터 (2013년 3월 19일 접수)

Biosensor Electrode Manufacturing Technology Using Nano-carbon Materials

Ji-Hyun Kim, Tae-Sung Bae

*

, and Young-Seak Lee

^†

Department of Applied Chemistry and Biological Engineering, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea

*

Korea Basic Science Institute (KBSI), Jeonju 561-756, Korea (Received March 19, 2013)

최근 의료기술의 발달로 인한 인간 수명의 연장으로 삶의 질 향상에 대한 욕구가 증가되었고, 또한 건강에 대한 관심과 요구를 증가되고 있다. 따라서 질병을 예방하고, 신속하게 검진 받을 수 있는 바이오센서의 개발에 대한 연구도 또한 활발히 진행되고 있다. 이들 연구에서 나노 탄소물질은 우수한 전기적/기계적 물성을 가지고 있어 바이오센서전극 제조에 적합한 것으로 알려져 있다. 본 총설에서는 바이오센서 전극 제조방법 및 응용과 더불어 최근 주목을 받고 있는 나노 탄소물질을 이용한 탄소전극 제조 방법에 초점을 맞추어 소개하고자 한다.

Due to human life expectancy of the recent development of medical technology recently, it leads to increase the desire for improving the quality of human life, and grow health concerns and needs. Therefore, in order to prevent the occurrence of disease and to check up a disease quickly, research on the development of a biosensor has been actively processed. One of them, the nano-carbon materials, are very suitable for manufacturing biosensor due to their excellent electrical/mechanical properties. In this review, we introduced the recent studies about preparation methods of carbon electrodes using the carbon nano-materials for biosensors as well as its technological applications.

Keywords: biosensor, carbon electrode, glucose oxidase, functionalization, porosity

1. 서 론

1)

최근 생활 환경개선과 의학 기술의 눈부신 발달로 인하여 인간의 평균 수명이 지속적으로 연장되고, 이에 따라 나타나게 되는 고령화 사회의 진입으로 인간의 삶의 질 향상을 위한 문제가 사회적으로 크게 대두되게 되었다. 또한 건강에 대한 관심과 요구가 증가하면서 주기적 으로 건강관리 및 검진을 받는 수요자 또한 빠르게 증가하고 있으며, 산업화에 따라 발생된 여러 질병들을 조기 진단을 통하여 미리 예방 할 수 있고, 빠르고 신속하게 검진 받을 수 있는 바이오센서의 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

바이오센서란 특정한 생물학적 물질의 존재 유무 및 그 양을 측정 할 수 있도록 제조한 도구 및 장치로서, 생물학적 요소를 이용하여 분석 대상 물질과의 반응에서 나타나는 전기화학, 열에너지, 형광 및 색의 변화 등을 인식 가능한 신호로 변환시켜주는 장치와 결합하여 구성된다.

바이오센서를 통해 바이오 분자를 특이적으로 인식할 수 있는 효소,

† Corresponding Author: Chungnam National University Department of Applied Chemistry and Biological Engineering 220 Gung-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-764, Korea Tel: +82-42-821-7007 e-mail: [email protected]

pISSN: 1225-0112 @ 2013 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry.

항체, 단백질, DNA 및 박테리아를 이용하여 복잡한 물질의 분석을 신속 하고 용이하게 할 수 있고, 또한 최근에는 분석하고자 하는 물질만을 선택적으로 검출함으로 인하여, 특히 의료분야에서 바이오센서를 통한 조기 검진에 따라 질병의 예방이 가능하게 되었다[1].

바이오센서 관련 기술은 전기, 물리, 화학, 분자생물학, 유전공학 그 리고 재료공학 등 과학 전반에 걸친 기술의 집약체인 미래형 융합기 술로서 각종 질병분야를 예방할 수 있는 의료분야뿐만 아니라 군사부분 까지 적용 및 응용이 가능한 광범위하고 무궁무진한 잠재력을 가지고 있다. 바이오센서에서 전기적 방식의 감지 기술은 바이오 물질과 반응 하는 접촉표면에서의 물리적 또는 화학적인 변화가 전도성 물질의 전 기적 특성 변화를 유도하는 원리로 동작한다.

최근에 바이오센서는 동시에 여러 가지 성분을 검출할 수 있는 마 이크로 어레이 형태로 개발되고 있다. 하지만 마이크로 어레이의 경우 측정 생물분자에 대한 전기적 감도의 심한 변화, 센서에 사용되는 부 품의 내구성 및 강도의 부족에 따른 구성품의 결여, 주변의 다른 생물 분자에 의한 물리적 및 화학적으로 발생되는 전기적 잡음간섭 등에 따른 분석하고자 하는 물질 또는 화학성분 탐지의 낮은 특이성 등 여러 가지 문제점이 남아있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 바이오센서 전극을 제조하는데

탄소물질의 사용이 진행되고 있다. 바이오 센서전극에 사용되는 탄소

물질은 높은 강도, 주변 셀과의 화학적 또는 생물학적 불활성 등의 특

(2)

(a) (b) (c)

Figure 1. CNT-FET devices. (a) CNT-FET Nano platform (NR), (b) gold patterned on the CNT-FET device, and (c) carbon nanotubes placed between gold patterned electrode[4].

성이 요구되고 있다. 이에 따라 탄소물질을 전극에 사용할 경우 부품의 내구성 및 강도의 부족에 따른 구성품의 결여 및 주변의 다른 생물분자 와의 반응에 따른 전기적 잡음을 해결할 수 있다. 또한 탄소물질 중 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(Graphene)은 전기 전도성이 높은 탄소 물질로서 전기적으로 높은 감도를 통해 신뢰성을 높이고, 소형화를 통한 휴대의 용이성을 확보하기 위해서, 나노입자, 나노선 등 나노 물 질을 이용한 바이오센서들에 대한 연구가 최근에 활발히 진행되고 있 다. 특히, 나노 탄소물질은 높은 다공성, 넓은 비표면적, 및 전도성이 우수한 전기적 특성을 가지고 있기 때문에 나노 탄소전극을 이용한 바이오센서에서 생물분자와 반응할 때 기존의 바이오센서에서 찾아 볼 수 없는 고감도 신호 변환이 가능할 뿐만 아니라, 나노 탄소물질의 구조체 크기가 생물분자 크기와 거의 흡사하므로 나노 탄소물질의 표 면적과 크기조절에 따라 바이오 물질을 선택적으로 검출할 수 있는 센서의 개발이 가능하다[1].

본 논문에서는 센서의 심한 전기적 감도변화, 강도 및 내구성 부족에 따른 구성품의 결여, 주변 셀의 물리적, 화학적 반응에 의한 전기적 잡음간섭, 분석하고자 하는 물질 또는 화학성분 탐지의 낮은 특이성 등의 여러 가지 문제점에 대한 해결책으로 제시되고 있는 나노 탄소 물질을 이용한 바이오센서에 관하여 기술하였다. 또한, 바이오 전극으로 이용되는 탄소물질 기반 센서의 제조법에 대하여 살펴보았고, 탄소물 질의 표면기능화를 위한 불소처리, 친수성기 삽입, 치환, 및 탄소물질 복합화에 의한 산화금속의 도입 등을 통해 생물분자 담지 효과 및 바 이오센서 전극의 성능 등에 대해서도 알아보았다.

2. 탄소 전극 제조

탄소 전극 제조에 주로 이용되는 전기 전도성이 높은 나노 탄소물 질로는 그래핀(Graphene) 및 탄소나노튜브(CNT) 등이 있다. 그래핀은 2차원적인 탄소물질로서, 관련 연구자인 가임과 노보셀로프가 2010년 노벨 화학상을 수상하였다[2]. 그래핀은 탄소 단일층으로 이루어져 있 다고 가상적으로 생각하고 있지만 가임 등은 그래핀은 탄소층이 10층 이내의 탄소 구조로 구성되어 있으며 기존의 흑연과는 확연히 다른 물성을 보이는 것을 통해 그래핀으로 분류하게 되었다고 언급하였다.

또한 탄소나노튜브는 1991년 그 구조가 알려진 이래로 센서전극분야 에서 가장 많이 사용되며 현재까지 활발히 연구에 활용되고 있는 물질 중에 하나이다[3]. 탄소나노튜브는 화학센서, 생화학센서, 광 컨버터, 공진기, 전기기계 트랜스듀서 및 스트레인 게이지 등 많은 분야에서 사용되고 있으며, 탄소나노튜브의 경우 나노구조의 특성상 표면적 대비 부피의 비율이 매우 커서 표면적에 민감하게 작동한다. 이에

따라 표면에서의 구조적 결함, 금속 불순물 및 표면 관능기 등에 의해 전기적인 물성의 차이를 보이고[4], 그 표면에서 바이오 물질과의 반응이 탄소나노튜브 전도특성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

탄소나노튜브 기반 전계방출 효과 트랜지스터(CNT-FET)의 구조 및 동작 원리는 최근까지 여러 실험과 발전이 이루어져 왔다. Figure 1에서 보이는 것처럼 전계효과 트랜지스터는 (a) 나노플랫폼(PR) 위에 SiO

2

기판을 올려놓은 상태이다. SiO

2

는 Au의 도선이 인쇄 되어 있는 기판에 전류의 양 또는 흐름을 조절하는 게이트(gate)로 작동한다. (b) SiO

2

위에 올려진 탄소물질에 따라 전압에 의해 흐르는 전류의 양이 다르 게 나타난다. 이때 (c) Au로 인쇄된 도선 사이의 Si 기판 위에 탄소물 질인 탄소나노튜브를 올려놓은 것을 그림을 통해 확인 할 수 있다. 탄 소나노튜브는 전도성 있는 물질로서 전자의 흐름에 있어 저항이 낮아 전류가 흐를 때 높은 효율을 가질 수 있어, 탄소나노튜브를 사용할 경우 Si 기판만을 사용하는 경우보다 전계효과 트랜지스터의 우수한 성능을 나타내는 것을 관찰되었다.

여기서 개발된 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(CNT-FET) 플랫 폼은 바이오센서로의 응용을 위하여 실리콘 기판 위에 자기조립방법에 의해 탄소나노튜브를 고정한 후 나노튜브 양 끝에 금 전극을 붙이게 된다. 일반적인 트랜지스터의 경우 소스와 드레인전극 사이의 채널 전류는 제3의 게이트 전극에 의해 조절되는 반면, 탄소나노튜브 트랜 지스터의 경우에는 감지하고자 하는 화합물질이나 전하(charge)를 띤 분자들이 전류의 흐름을 조절하게 된다. 즉, 탄소나노튜브 표면에 기체 분자나 바이오 분자가 흡착되게 되면 전하의 고갈이나 축적이 일어나게 되고 이는 나노튜브 소자에서 전기전도도의 변화로 나타나게 된다[4].

위에 탄소전극제조 방법과 마찬가지로 최근에 주로 사용되는 바이 오센서의 탄소전극제조 방법으로 나노 탄소물질(그래핀, CNTs) 등이 고정화된 전극에 Pt 전극, Ag/AgCl을 각각 작업전극, 반대전극, 기준 전극으로 사용한다. 이렇게 만들어진 바이오센서의 전기화학적인 특성은 K

3

[Fe(CN)

6

], 전기활성 아미노산(electro-active amino acids) 및 전해질을 소량 첨가하는 방법을 이용하여 조사되는 것으로 알 수 있다[5,6].

3. 탄소기반 바이오센서용 전극

3.1. 탄소물질의 바이오센서

탄소물질을 이용한 바이오센서를 제작할 경우, 앞서 설명한 탄소

전극 제조 부분에서 고체 게이트로 사용되고 있는 Si 기판 위에 탄소

물질을 올려 센서를 제작하게 된다. 탄소물질을 사용한 바이오센서는

(3)

Figure 2. The single molecule biosensor using enzyme coated carbon nanotube.

(a)

(b) (c) (d)

Figure 3. The biosensor electrode (a) and electrical measurement methods using carbon electrodes, (b) cyclic voltagram (CV), (c) amperometry, and (d) impedance.

현재 상당한 연구가 진행 중에 있는데, 이러한 탄소물질은 특히 세 가지 강점을 가지고 있어 센서로 사용하기에 용이하다. 첫째, 탄소물질은 높은 강도(strength)를 가지고 있어 센서로 제조된 후에 보관이 용이하며, 영구적으로 사용할 수 있다. 둘째, 다공성을 가지고 있고 세공 구조를 제어할 수 있어 효소의 담지에 매우 용이하다. 셋째, 센서로 사용하기 위해서는 전기 전도성을 가지고 있어야 하는데 탄소물질은 또한 전기 전도성이 매우 우수하다. 이러한 상기 특성으로 인하여 다양한 탄소 물질이 바이오센서 전극으로 사용될 수 있으며, 특히 센서 사용에 적합한 높은 전도성을 띄는 탄소물질의 대표적인 예로 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene)이 사용되고 있다. 또한 주어진 탄소물질에 따라 바이오 센서의 성능이 다양하게 나타나며, 그 탄소물질의 전자의 양에 의해 조절되는 전도도 차이에 따라 센서로 작동하게 된다.

Figure 2 에는 탄소물질 위에 글루코오스 옥시다제(Glucose oxidase:

GOx) 를 담지시켜 글루코오스 농도만을 선택적으로 검출하는 바이오 센서를 보여 주고 있다. 이렇게 제조된 바이오 센서는 전자의 전도도 변화로부터 감응특성을 측정하게 된다. Figure 3에 전극의 전도도를 측정하는 세가지 방법을 나타내었다. (a) 전압-전류를 측정하는 순환 전압-전류법(Cyclic voltammogram : CV), (b) 일정 전압에서 측정하는

전류법(Chronoamperometry), (C) 전극 위에 바이오 물질 담지의 유무 에 따른 전극의 임피던스 측정방법 등이 있다. Gao 등은 탄소물질 중 에 탄소나노튜브를 사용하여 바이오 센서를 제조하였는데, 이는 앞서 전극의 제조하는 방법과 같이 도선이 인쇄된 탄소 전극(screen printed carbon electrode : SPCE) 위에 탄소나노튜브를 올린 후, 탄소물질 위 에 글루코오스 옥시다제(glucose oxidase : GOx)를 담지하여 바이오센 서를 제조하는 방법이다[7]. 또한 이 논문에서는 전극의 효율을 높이기 위해 환원성 고분자인 Poly(1-vinylimidazole)-Os(bisbipyridine)2Cl (PVI-Os) 를 사용하여 여러 층의 GOx-CNT를 사용하여 전극을 제조하 는 방법을 사용하였다. 다른 예로, 탄소물질 그래핀을 사용하여 바이 오센서를 제작할 경우 탄소 나노 튜브와 마찬가지로 그래핀 위에 글 루코오스 옥시다제를 담지하여 바이오센서를 제작할 수 있는 방법도 제안되었는데, Liu 등은 그래핀을 이용하여 바이오센서를 제조하였다 [8]. 우선 그래핀을 Au으로 도금한 다음에 그 위에 고체상의 글루코오스 옥시다제를 액상물질 n-octylpyridinumhexafluorophosphate (OPPF6)를 사용하여 혼합한 후 센서를 제조할 수 있음을 관찰 할 수 있었다.

이러한 주제에 대하여 많은 연구들이 진행되었는데, Table 1에 정리

하여 놓았다. Table 1에서 볼 수 있는 것처럼 바이오센서의 전극재료로

(4)

GOx-SWNT-PVP-Os/Au 0 ∼10 N 90 µA cm

^-2

[9]

GOx-PVP-Os-AA/Au 2 ∼20 N 0.015 [10]

CHIT-MWNT/GC 0 ∼7.8 N 0.52 [11]

GOx-MWNT-PEI/GC Up to 0.3 0.05 106.57 [12]

GOx-Pt-MWNT/ACS 0.05 ∼10.5 6.18 113.13 [13]

GOx-Pt-SWNT/GC 0.0001 ∼5.0 0.5 2.11 [14]

GOx-SWNT-PPy/Pt 1 ∼50 0.3 7.06 [15]

GOx-MWNT-sol –gel/bppg 0.2 ∼20 0.05 0.196 [16]

CNT : carbon nanotube, ACS : alumina-coated silica, PPy : polypyrrole, CHIT : chitosan, PVP-Os : poly[(vinylpyridine)Os(bipyridyl)2Cl], PVP-Os-AA : poly[vinylpyridine Os(bisbipyridine)2Cl]-co-allylamine, PEI : Poly(ethylenimine), bppg : basal plane pyrolytic graphite.

(a) (b)

Figure 4. Molecular picture and molecular size distribution of GOx.

(a) molecular picture of GOx and (b) molecular size distribution of GOx.

많은 연구자들이 탄소나노튜브를 사용하고 있는데, 탄소나노튜브와 함께 금속 촉매인 Pt 또는 환원성 고분자를 사용하는 것을 알 수 있다.

이는 탄소물질을 바이오센서로 제조하기 위해서는 전기 전도성이 매우 중요한 역할을 하게 되는데, 금속 촉매 또는 환원성 고분자를 삽입 또는 치환할 경우 탄소물질과 전극간에 저항이 감소하게 되어 전하의 이동이 용이해지기 때문이다. 전기 전도성의 측정에는 위에서 설명된 세 가지 방법이 있으며, 이를 더 세분화하여 살펴볼 경우 전극의 감도를 통해 전극의 성능을 알아보는 방법과 이 감도에서의 측정 가능한 글루코오스 농도범위가 제시되고 있다. 위 표에서 살펴본 결과, 탄소물질과 함께 사용되는 촉매와 고분자는 매우 다양하며, 이에 따라 감도의 차이가 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 한 예로 GOx-Pt-MWNT/ACS는 감도가 113.13 mA M

^-1

cm

^-2

으로 상당히 높은 것을 확인 할 수 있다.

이 전극에는 Pt를 금속촉매로 사용하였으며 친수성과 관련하여서는 alumina-coated silica (ACS) 를 사용하고 있다. 하지만, 이 전극에서 글루코오스 농도 측정범위가 0.05∼10.5 mM로써 매우 한정된 농도 측정범위를 가지고 있어 그 사용이 제한적이라고 할 수 있다. 따라서 바이오센서 전극에 사용되는 탄소물질의 전극의 감도 및 측정 가능한 글루코오스 농도 범위를 넓히기 위해서는 탄소물질을 더욱 세분화하여 개선하는 방법이 필요하며 다른 영향들에 대한 더 많은 이해가 필요 하다 하겠다.

3.2. 다공성 탄소물질 센서

바이오센서를 제작하는데 있어서 탄소물질의 전도성뿐만 아니라 다공성 성질 또한 매우 중요하다. 이는 효소인 GOx를 담지하는데 있 어 기공의 크기가 효소의 크기보다 약간 커야 하기 때문이다. GOx 효 소의 크기는 대략 2∼50 nm 사이에서 존재하기에(Figure 4) 탄소물질 을 중간세공 크기로 기공을 제조하는 것이 매우 중요하다. 이러한 크 기의 세공 및 다공성을 가질 수 있는 대표적인 탄소물질에는 활성탄 소섬유 (ACF), 활성탄소(AC) 등이 있다(Figure 5).

다공성을 가지는 탄소물질을 제조하는 예로 본 연구실에서는 중간 세공 크기를 가지는 활성 탄소 섬유를 제조하였다. 고분자는 PAN을 사용한 후 실리카(silica)와 탄소나노튜브를 소량 첨가하여 분산시킨 후 전기방사를 통해 나노 크기의 탄소섬유를 제조하였다. 제조된 탄소 섬유에 중간세공 크기를 가지는 기공을 형성하기 위하여 불산(HF)을 사용하여 실리카를 제거함에 따라서 실리카가 있던 자리만큼의 기공을 형성할 수 있음을 보여 주고 있다. 기공의 크기를 BET (Brunauer, Emmett, and Teller) 를 통하여 측정한 결과 기공의 지름(diameter)은

16 ∼54 nm로 중간세공크기를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 기공의 크기가 중간세공이므로 효소의 담지능이 증가하게 되고 이에 따라 전 극의 감도 39.30 µA mM

^-1

cm

^-2

, 글루코오스 농도 20 mM까지 측정이 가능한 것을 확인 할 수 있었다[17]. 이 밖에도 기공 크기를 조절하는 방법에는 여러 방법이 있으며, 탄소물질 자체가 중간세공 기공의 크 기를 가지고 있는 경우도 있다. 활성탄소의 경우 다공성 탄소물질의 대표적인 예로 다양한 크기의 기공을 가지고 있는 물질 중에 하나이 다. 활성탄소는 다기공 특성때문에 상업적으로는 주로 흡착제로 쓰이 지만 활성탄소를 사용하여 전극으로 사용될 수 있다[18]. 또한, 임 등 은 질소기가 도핑된 Phenol-based activated carbon을 이용하여 electric double layer capacitors (EDLCs) 를 제조한 후 전기용량(CV)을 측정하 였다. 실험결과 제조된 탄소물질의 기공은 2 nm 이상으로 중간세공 크기에 가까워 GOx를 담지하는데 매우 용이한 것을 확인 할 수 있었 다. 또한, 전기용량 값은 60에서 400 F/g로 비교적 높은 전기 용량 값 을 가질 수 있음에 따라 활성탄소를 기능화 또는 복합화를 할 경우 바이오센서로서 효율적으로 적용할 수 있음을 알 수 있다[19].

상기와 같이 다공성을 가지는 대표적인 탄소물질은 활성탄소섬유

와 활성탄소가 있다. 이를 살펴본 결과 활성탄소섬유와 활성탄소 기

공의 크기는 중간세공크기에 가까우며, 활성탄소섬유의 경우 위의 논

문에서 소개된 방법으로 기공의 크기를 조절하는 방법과 활성화를 할

경우에 산, 염기의 농도에 따라 기공의 크기를 조절하는 방법 등 여러

가지가 있다. 바이오센서에 탄소물질을 사용하여 전극을 제조할 경우

효소 담지능과 관련하여 기공의 크기 또한 매우 중요하다. 결과적으로,

활성탄소섬유와 활성탄소 등은 중간세공의 크기를 가질 수 있으며,

(5)

(a)

(b)

Figure 5. Granular activated carbon and activated carbon fiber. (a) granular activated carbon and (b) activated carbon fiber.

전극에서 사용하기 위한 전기 전도성을 가짐에 따라 바이오센서의 전 극활물질 후보로 적합한 것을 알 수 있다.

4. 탄소재료 및 전극의 기능화

4.1. 기능화의 방법

바이오센서를 제조하는데 있어서 탄소물질 기능화는 효소의 담지 능을 높이는데 주요한 요소이다. 효소는 대부분 단백질로 이루어져 있고, 효소의 바깥 부분에 여러 작용기를 가지고 있다. 또한, 효소의 경우 구조 및 작용기가 다양하여 효소의 기질 특이성에 의해 특정 물 질만을 선택적으로 검출하게 된다. 여기서 중점을 이루는 GOx의 경 우, 특정물질인 글루코오스만을 선택적으로 검출하게 된다. GOx도 마 찬가지로 단백질로 이루어져 있으며 주머니 형태를 이루고 있고 바깥 부분에 -OH의 작용기가 대부분 연결되어 있다. 이 때문에 탄소물질에 원소를 삽입 또는 치환할 경우 GOx의 -OH 작용기와의 결합능을 이 용하여 담지능을 높일 수 있다. 탄소물질에 이용되는 대부분의 원소 에는 대표적으로 붕소(B), 질소(N), 산소(O) 및 불소(F) 등이 있으며, 원소를 삽입하는 방법에는 불소화, 활성화, 기상흡착 등이 있다.

불소 관능기(F)를 삽입하는 대표적인 방법으로는 기상 불소화 방법 이 있다. 불소화 방법은 불소가스를 시료표면에 흘려줌에 따라 표면 에 불소기를 삽입 또는 치환하는 방법이다. 이렇게 표면에 불소기가 부착될 경우 다양한 기능을 부여할 수 있으며 이로 인하여 표면 반응 성이 매우 높게 된다. 일반적으로 불소기는 다른 원소 및 관능기에 비 하여 전자친화도가 굉장히 높은 원소로서 기체 중에 전자를 많이 가 지고 있는 가스에 대해 친화력이 매우 높다. 그 예로 이산화탄소의 경우 탄소 양쪽으로 두 개의 산소를 가지고 있을 뿐만 아니라 구조적으로 판상의 형태로 되어있기 때문에 표면에 붙어있는 불소기와의 반응성 또한 매우 높은 것으로 알려져 있다[20]. 결과적으로 불소화가 이루어 질 경우 GOx의 -OH 작용기의 산소와 불소의 반응성이 매우 좋기 때 문에 효소의 담지능이 증가될 것으로 기대된다. 또한, 산소 관능기의 삽입 또한 치환은 주로 활성화제를 이용하는 물리적 활성화 방법과 화학적 활성화 방법이 있다. 물리적 방법은 산화성 기체를 사용하여 탄소를 기화시키는 방법으로 산화성 기체에 대표적인 이산화탄소 및

H

2

O ( 스팀) 등을 주로 사용한다. 물리적 활성화 방법은 높은 온도에서 행해지며, 공극 형성과정은 산화성 기체의 농도, 압력, 온도에 따라 탄소가 소모되는 비율에 따라 기공의 크기를 제어할 수 있다. 또 다른 방법으로는 화학적 활성화 방법이 있는데, 화학적 활성화 방법은 산, 염기의 활성화제(KOH, Na

2

O

₃

, NaOH, ZnCl

₂

, MgCl

₂

, H

₃

PO

₄

) 를 사용 하여 이루어지며, 물리적 활성화 방법보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다는 장점이 있다. 또한 이러한 화학적 활성화 방법은 활성화제의 산, 염기 농도, 반응 온도, 반응 시간에 따라 기공 크기를 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다[18]. 결과적으로 탄소물질에 산소를 포함하는 작용기가 삽입 또는 치환될 경우 GOx의 -OH와 반데르발스 결합에 의한 친화도가 증가하게 됨에 따라 효소의 담지능을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이와 같은 기능화의 방법에 따라 우선 탄소물질 표면에 작용기가 삽입 또는 치환이 이루어지고, 작용기가 삽입 또는 치환된 탄소물질 은 결합력과 유효면적 증가로 효소의 담지능이 증가한다. 이 밖에도 질소(N), 붕소(B)를 탄소물질에 삽입 또는 치환하는 방법 등이 있으며, 이는 기능화의 종류에서 실험과정으로 방법을 나타내었다.

4.2. 기능화의 종류

탄소물질의 기능화는 물질표면에 작용기 및 원소를 삽입 또는 치환 함에 따라 탄소물질 표면에 다양한 기능을 부여하는 것을 의미한다.

기능화에 의한 효과로 첫째, 효소와 탄소물질의 결합능을 효과적으로 증가시키고 둘째, 증가된 결합력에 의해 전극과 효소의 친화성이 증 가되어 전극의 감도를 높이는 효과를 가져올 수 있다. 셋째, 탄소물질 에 이종의 원소를 삽입할 경우 전도도 특성이 변하는 다양한 기능을 부여할 수 있다.

이종 원소를 삽입하여 바이오센서의 감도를 증가시키는 예로 김 등

은 바이오센서를 제조할 때 피치계 탄소물질에 함산소불소화를 반응

시키는 방법을 사용하였다. 피치계 탄소물질에 함산소불소화를 처리

한 경우 센서의 감도가 처리하지 않은 경우와 비교하였을 때 두 배

정도 증가한 것으로 나타났다[21]. 또한 탄소물질에 불소화처리를 한

경우 전극의 전도도에도 영향을 줄 수 있는 것으로 알려져 있다. Margrave

등은 Single walled carbon nanotubes (SWNTs)의 불소화에 대하여 처

(6)

의 전자 성질은 급진적으로 변화하게 됨을 알 수 있다. 초기에 불소화 된 SWNTs는 전도체(약 10∼15 Ω)이나, 250 ℃ 또는 그 이상의 온도 에서는 절연체(약 > 20 Ω)를 띄는 것으로 나타났다[23,24].

또한, 산소 관능기를 탄소물질에 삽입하는 경우, 윤 등은 산소 관능 기를 도입하고 기공도 조절하는 방법으로 KOH 활성화제를 0, 1, 2, 4 M 로 하여 실험을 진행하였다. 탄소물질을 KOH와 혼합하여 100 ℃ 에서 3 h 동안 교반한 후 이를 진공 오븐(oven)에서 24 h 동안 건조시 킨 후, 질소가스 유속 150 mL/min로 고온로(furnace)에서 승온속도 10 ℃/min으로, 700 ℃에서 2 h 동안 활성화시키는 방법을 통해 산소 관능기도 도입하고, 기공을 제어하였다. KOH 4 M일 경우에는 강한 염기의 몰농도에 의해 기공이 확장되면서 중간세공의 크기를 갖는 기 공이 주를 이루었다. 이를 비표면적과 전기용량을 측정해 본 결과 비 표면적은 KOH 40 M에서 가장 높았지만, 전기용량 값은 낮은 값을 나타내었다. 이것은 과도한 비표면적의 발달로 흑연의 전도성이 감소 되었기 때문이라고 보고하였다. 이에 따라 산소관능기를 도입하는 활 성화 과정에서 산, 염기의 농도에 따라서 기공의 크기가 조절되며, 이 기공의 상태나 크기의 영향으로 전기용량 값에도 영향을 주는 것을 알 수 있었다[25].

질소관능기와 관련하여 바이오센서의 제조한 경우, Zhong 등은 multi-wall carbon nanotube (MWCNT) 에 폴리아닐린을 반응시킨 후 GOx를 담지시켰다. 실험 결과 폴리아닐린을 사용한 경우에는 사용하지 않은 경우보다 전도성이 증가하였다. 그러나 폴리아닐린과 금속촉매를 함께 사용하여 제조한 전극에서는 전도성이 크게 증가하였으며, 이는 금속촉매만을 사용하여 제조한 전극의 전도성과 비교하였을 때도 크게 증가된 값을 나타내고 있다. 이 결과 전자가 많은 폴리아닐린 고분자를 전극제조에 첨가함에 따라 전도성이 증가하는 것을 확인 할 수 있다 [26]. 대부분의 경우에서 전극에 질소의 부분 압력을 증가시킬 경우 전극의 전도성이 증가함에 따라 질소관능기가 바이오센서 제조에 도 입될 경우 전도성 향상의 효과를 가져 올 수 있다. 이 밖에 탄소물질 표면 기능화 방법에는 질소 관능기를 삽입 또는 치환하는 방법으로 Mou 등은 graphite oxide (GO)와 urea를 사용하여 온도(200∼700 ℃) 에서 친수성기인 질소기를 도입하는 실험을 진행하였다. GO의 산소 관능기와 urea의 질소 관능기가 치환 반응을 통해 반응이 진행되는 것 으로 200 ℃에서 가장 많은 질소 관능기가 생성된 것을 위의 방법을 통해 확인하였다[27].

탄소물질에 붕소(B)를 삽입 또는 치환하는 방법으로 Ayala 등은 탄 소나노튜브를 합성하는 과정에서 화학 기상 증착법(CVD)를 사용하여 100% triisopropyl borate (C

₉

H

₂₁

BO

₃

) 증기를 사용하였다. 탄소 및 붕 소가 전구체로 작용하고 이때 철(Fe)촉매를 사용하여 붕소가 삽입된 탄소나노튜브를 제조하였다. 붕소가 도입된 탄소나노튜브를 Transmission Electron Microscopy (TEM), FT-Raman spectrometer (FTRS), 그리고 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 의 표면분석을 통해 제조가 잘 이루어졌는지 보고하였다[28].

이상과 같이, 탄소물질 표면에 이종의 원소를 삽입 또는 치환하게 되면 그 물질의 표면 직경이 증가하여 표면적을 증가시키고, 전자 친 화적인 원소가 삽입될 경우 물질의 친수성을 높임에 따라 효소의 담 지능을 증가시킬 수 있다. 또한 전자를 많이 가지고 있는 원소를 탄소 물질 표면에 삽입할 경우 전도도가 증가하는 영향으로 물질의 특성을 바꿀 수 있다. 이렇듯, 표면에 붕소(B), 질소(N), 산소(O) 및 불소(F)와

5. 탄소소재 복합화

5.1. 복합화의 방법

최근에 나노테크노로지 그리고 재료과학분야의 개발에 따라 나노 물질을 원하는 형태로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리적-화 학적 특성을 가지고 있는 수많은 새로운 재료를 합성 할 수 있다. 나노 구조 금속산화물(metal oxide nanostructures (MONs))은 나노 물질로서 크기를 제어할 수 있고, 생체 적합성, 생물 안전성, 화학적 안정성, 및 촉매의 특성을 가지고 있다. 또한 MONs는 높은 전자 전달능력과 강 력한 흡착력을 가지고 있어서, MONs는 다양한 나노 물질의 제조가 용이하여 화학적으로 표면을 개질 할 수도 있다. 이에 따라 향상된 전달 속도와 강한 흡착능력을 가지고 있어 전자전달 및 생물분자의 담지에 대한 여러 가지 많은 이점을 가지고 있다. 결과적으로 MONs는 광학 에미터(optical emitters), 전자 전도체(electronic conductors), 촉매 (catalysts), 운반체(carriers), 그리고 바이오센싱에 이용이 선호되며, 다양한 MONs (ZnO, FeO, CeO

2

, SnO, ZrO

2

, TiO

2

, MgO)는 화학적-생 물학적 센서 응용에서의 광범위한 전압의 범위에서 측정이 용이하다.

MONs 는 여러 형태의 나노 구조인 나노분말(nanoparticles : NPs), 나노튜브(nanotubes : NTs), 나노와이어(nanowires : NWs), 나노로드 (nanorods : NRs), 나노벨트(nanobelts), 나노시트(nanosheets), 나노팁 (nanotips), 양자 점(quantum dots : QDs), 중공구 hollow spheres 등을 이루고 있다. 이러한 나노 구조는 졸겔(sol-gel), 열, 용액, 물리적 또는 화학적 증기 흡착, 낮은 온도에서 수용액상에서 성장에 의한 방법 등 다양한 방법을 통하여 얻을 수 있으며, 앞에서 설명한 구조형태인 NPs/QDs을 MONs에 부가적으로 사용할 경우, 향상된 감도, 안정성 및 높은 센싱 성능을 얻을 수 있다. 따라서 MONs는 고유한 작동능력 을 가지고 있어서 새로운 센싱 장치로서 미래의 경제 및 사회적 요구 에 부합하는 나노물질로서 작용할 것으로 기대된다[29].

5.2. 복합화의 종류

탄소물질을 복합화 할 경우 가장 용이하게 사용할 수 있는 분야가 바이오센서이다. 글루코오스 바이오센서는 모든 바이오센서들 사이에 서 가장 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 글루코오스 바이오센 서는 글루코오스 옥시다제인 효소를 사용하여 탄소전극으로 사용하기 때문에 특히 탄소전극에 사용되는 탄소물질의 효소 담지능이 높아야 한다. 이때 탄소물질과 함께 혼합하여 사용할 수 있는 MONs는 높은 등전점(isoelectric point: IEP)을 가지고 있어서 낮은 등전점을 가지고 있는 있는 글루코오스 옥시다제(IEP : 4.2)의 담지에 매우 유용하다.

등전점이란 양쪽성 전해질이나 콜로이드 입자 등이 가진 전하의 대수 합이 0이 될 때의 상태로 상대적으로 높은 등전점을 가지고 있는 MONs 를 사용할 경우 많은 글루코오스 옥시다제를 담지할 수 있는 이론이 성립하게 된다[30]. MONs로 산화아연(ZnO)을 사용할 경우 등전점이 9.5로 높은 전자전달 속도를 보이며, 많은 효소를 담지 할 수 있을 뿐 만 아니라 효소가 담지된 지점과 전극사이의 전자전달이 매우 빠르다 [31]. Yang 등은 글루코오스 바이오센서에 효소를 담지할 때 ZnO/Cu를 사용하였다. 이 경우 효소와 바이오센서 전극사이의 전자전달 속도가 0.67 ± 0.06 s

^-1

로 매우 빠른 전달속도를 나타내는 결과를 얻은 것으로 보고하였다[32].

Hahn 등은 글루코오스 바이오센서 연구에서 CuO의 나노시트를 사

(7)

Table 2. The Performance of Sensor for Immobilized GOx

Working electrodes Linear range (mM) Limit of detection (µM) Sensitivity (mA M

^-1

cm

^-2

) Ref.

GOx / MWCNTs / ZnO / GCE 0.00667 ∼1.29 2.22 10.03 [35]

GOx / MWNTs / PDDA / ZnO / GCE 0.1 ∼16 0.25 50.2 [36]

GOx / CNT / TiO

2

/ Pt 0.006 ∼1.5 5.7 0.24 [37]

GOx / TiO

2

-SWCNT / ITO 0.01 ∼1.4 10 5.32 [38]

GOx / CNT/NH

2

/ TiO

2

/ GCE 0.0018 ∼0.266 0.44 7 [39]

MWCNTs / Cu

2

O Up to 10 µM 1.8 µM 6.53 µA mM

^-1

[40]

MWCNTs / CuO Up to 1.2 0.2 µM 2596 [41]

MWCNTs / MnO

2

10 µM ∼28 mM - 33.19 µA mM

^-1

[42]

PDDA : poly(diallyldimethylammonium chloride).

용하였는데, 이는 GOx의 높은 친화성과 높은 생물 친화도, 높은 비표 면적, 화학적 안정성, 및 높은 전기전도성을 가지고 있기 때문이다. 또한 바이오센서를 제조하는데 Au/CuO/GOx/Nafion전극 표면을 사용하였 으며 전자를 전달하는데 CuO를 매개자 없이 직접 사용하였다. 이 경우 CuO의 센서의 감도는 47.19 µA µM

^-1

cm

^-1

이며, MgO를 사용할 경우 에는 센서의 감도가 31.6 µA µM

^-1

cm

^-1

로 매우 높은 감도를 나타내었다 [33]. 최근에는 Patil 등은 CeO

2

나노로드를 기반으로 바이오센서를 연구하였으며, 글루코오스 감지범위가 2에서 26 mM로 기존의 20 mM 까지만 감지할 수 있던 경우보다 향상된 글루코오스 농도범위에서 측 정이 가능하였다[34].

Table 2 에서 다양한 탄소물질과 MONs의 복합화에 따라 제조된 전 극에 대하여 측정 가능한 글루코오스 농도 범위에서의 감도를 나타내 었다. 위의 표에서 알 수 있듯이 다양한 전극이 제조되었으며, 탄소물 질과 MONs의 복합화에 따라 기존의 탄소나노튜브만 사용한 경우보 다 글루코오스 농도범위가 넓고, 감도가 전반적으로 높은 것을 알 수 있다. 특히 MWCNTs/MnO

2

전극의 경우 글루코오스 측정 농도 범위가 2 에서 28 mM로써 기존의 글루코오스 측정 가능한 농도범위의 한계 를 높일 수 있음을 나타내었다. 결과적으로 탄소물질을 기능화와 복 합화의 적절한 조합을 통해 탄소물질의 물성을 크게 증가시킬 수 있 음을 알 수 있다.

6. 결 론

본 총설에서는 탄소 전극제조 기반의 바이오센서, 탄소전극의 기능화, 복합화에 대해서 살펴보았다. 그러나 이외에서 탄소물질을 사용하여 행해지는 다양한 연구가 최근 활발히 진행 중이며, 탄소물질의 기능화, 복합화에 대한 많은 연구가 바이오센서 분야에서 성공적으로 이루어 지고 있고, 산업 응용 분야에서도 다양하게 수행되고 있다. 하지만, 아직 까지 바이오센서 전극용으로 탄소물질의 기능화와 복합화에 대한 연구가 시작되는 단계로 그 결과 면에서는 아직 부족하며, 특성을 정확히 얻지 못하는 부분도 있어 더 많은 연구가 진행되어야 한다고 생각한다. 따라서 기존의 CNT에 국한되는 바이오센서 연구에서 더 많은 탄소물질의 기능화와 복합화를 이용한 연구가 필요하다 하겠다.

앞으로 여러 나노 재료를 이용한 탄소물질의 재료 특성 향상과 관련 하여 바이오센서 분야의 실험적, 이론적 연구가 더욱 많이 이루어지 고 탄소 물질의 기능에 대한 화학적, 물리적 성질의 깊은 이해와 더불 어 용도 및 응용 확대가 이루어질 것으로 기대된다.

참 고 문 헌

1. 최철종, 나노바이오센서 연구 동향, 나노세라믹스 연구 및 산업화 현황, 제14권 제4호 (2011).

2. Z. H. Ni, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Nano Lett. On-line (2010).

3. E. J. Park, M. J. Song, S. I. Hong, and N, K, Min, 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 7, 12 (2006).

4. T. Helbling et al., Nano Lett., 10, 3350 (2010).

5. K. Maehashi, Y. Ohno, K. Inoue, and K. Matsumoto, Appl. Phys.

Lett., 85, 858 (2004).

6. J. Okuno, K Maehashi, K. Matsumoto, K. Kerman, Y. Takamura, and E. Tamiya, Electrochem. Commun., 9, 13 (2007).

7. Q. Gao, Y. Guo, W. Zhang, H. Qi, and C. Zhang, Sens. Actuators B, 153, 219 (2011).

8. X. Liu, X. Zeng, N. Mai, Y. Liu, B. Kong, Y. Li, W. Wei, and X. Luo, Biosens. Bioelectron., 25, 2675 (2010).

9. Y. Wang, P. P. Joshi, K. L. Hobbs, M. B. Johnson, and D. W.

Schmidtke, Langmuir, 9776 (2006).

10. K. Sirkar, A. Revzin, and M. V. Pishko, Anal. Chem., 72, 2930 (2000).

11. Y. Liu, M. Wang, F. Zhao, Z. Xu, and S. Dong, Biosens.

Bioelectron., 21, 984 (2005).

12. C. Deng, J. Chen, Z. Nie, and S. Si, Biosens. Bioelectron., 26, 213 (2010).

13. M. C. Tsai and Y. C. Tsai, Sens. Actuators B, 141, 592 (2009).

14. S. Hrapovic, Y. Liu, K. B. Male, and H. T. Luong, Anal. Chem., 76, 1083 (2004).

15. M. D. Shirsat, C. O. Too, and G. G. Wallace, Electroanalysis, 20, 150 (2008).

16. A. Salimi, R. G. Compton, and R. Hallaj, Anal. Biochem., 333, 49 (2004).

17. J. S. Im, J. Yun, J. G. Kim, T. S. Bae, and Y. S Lee, Appl. Sur.

Sci., 258, 2219 (2012).

18. 이영석, 다공성 탄소, 물리학과 첨단기술 (2004).

19. J. W. Lim, E. Jeong, M. J. Jung, S. I. Lee, and Y. S Lee, J. Ind.

Eng. Chem., 18, 116 (2012).

20. Y. S. Lee and J. S. Rho, Prospec. Indus. Chem., 6, 33 (2003).

21. J. G. Kim, J. S. Im, T. S. Bae, J. H. Kim, and Y. S. Lee, J. Ind.

Eng. Chem., 19, 94 (2013).

22. E. T. Mickelson, C. B. Hoffman, A. G. Rinzler, R. E. Smalley, R.

H. Hauge, and J. L. Margrave, Chem. Phys. Lett., 296, 188 (1998).

23. K. H. An, J. G. G. Heo, K. G, Jeon, D. J. Bae, C. W. Yang, C.

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