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Biomaterials Research (2011) 15(1) : 12-16 12 Biomaterials Research C The Korean Society for Biomaterials 전도성 고분자를 이용한 바이오센서 Conducting Polymer-Based Biosensors 구본강·박상준·진용재·김천호* Bon Kang Gu, Sang Jun Park, Yong Jae Gin, and Chun-Ho Kim* 한국원자력의학원 방사선의학연구소 세포유전조직재생연구팀 Laboratory of Tissue Engineering. Korea Inst. of Radiological and Medical Sci., 215-4, Gongneung, Nowon, Seoul 139-240, Korea (Received November 12, 2010/Acccepted February 15, 2011) A biosensor is an analytical device which converts a biological response into an electrical signal. Recently, conducting polymers have received great attention in the development of biosensors. Conducting polymer is emerging materials with potential for biosensors because of their chemical sensitivity and biocompatibility. The conducting polymers are known to endow with abundance special features, which allow them to act as superior materials for immobilization of biomolecules and rapid response time for the fabrication of efficient biosensors. Conducting polymer, such as films, nanowires, as sensing platforms for application are also summarized in electrochemical and field effect transistor (FET) biosensor. Key words: Biosensor, Conducting polymer, Electrochemical biosensor, FET biosensor 분자는 가공성, 경량성, 유연성 등의 유리한 물성으로 하여 여러 분야에서 응용되고 있으며, 이러한 고분자의 특성 하나는 전기가 흐르지 않는 절연체라는 것이다. 경량 성과 탄력성이 있는 고분자 물질은 기본적으로 강도가 약하고 전도성이 낮기 때문에 그것의 응용성에 한계를 보여왔다. 그러 , 많은 연구의 결과로써 고분자의 장점을 가지면서 전류가 흐를 있는 전도성 고분자가 발견됨에 따라 금속을 대체할 있는 새로운 재료로 각광 받게 되었다. 1-4) 전도성 고분자는 고분자의 연성과 쉬운 제조상의 장점을 지는 동시에 금속이나 반도체의 전기적, 자기적 그리고 광학적 성질을 동시에 가지고 있기 때문에 화학이나 물리 분야 외에도 광범위한 산업적 분야에서 유용한 물질로 많이 사용되고 있다. 이러한 여러 응용 분야 중에서도, 전도성 고분자는 화학적 , 물리적인 변화에 대해 전기적인 특성이 영향을 받게 되어 센서로서 많이 연구되고 사용되고 있다. 5,6) 특히 전도성 고분자 바이오센서의 전극 주요 분야에서 응용이 가능하다. 7,8) 전도성 고분자를 이용한 센서들은 전압에서 작동이 가능하 다는 장점이 있다. 바이오센서(Biosensor) 측정 대상물로부터 정보를 검지 측정하여 측정량을 인식 가능한 신호로 변화시켜 주는 장치라고 있다. 9,10) Figure 1 에서 보는 바와 같이, 센서 구성요소는 수용기(Bioreceptor) 신호변환기(Transducer) 이루어져 있으며 둘의 조합에 따라 매우 다양한 형태의 정기기가 있다. 11) 수용기는 주로 효소(Enzyme), 세포 (Cell), 항체(Antibody), DNA 등이 있으며 발생된 생체신호 인식반응을 유용한 신호로 변환시키는 공정은 전기화학 (electrochemical), 발색(color), 광학(optical), 형광(fluorescence), 압전(piezoelectric) 등이 이용된다. 바이오센서는 나노기술(NT), 바이오기술(BT) 그리고 정보기술(IT) 분야들의 기술 융합 과정 통해 마이크로/ 나노 바이오센서, 지능형 바이오센서 등으로 비약적인 발전을 하고 있다. 12,13) 기존의 측정 분석 과정의 거로움과 시간 지연을 해결하기 위해 측정분석 과정의 간편성, 신속성, 편리성, 정확성, 내구성 등의 연구도 더욱더 활발히 행되고 있다. 14) 때문에 논문에서는 전기적 특성과 제조 정상 우수한 유연성과 가공성을 가진 전도성 고분자 바이오 서에 대해 소개하고자 한다. 바이오 센서에서 전도성 고분자의 중요성 전도성 고분자는 효소를 고정화하는 적절한 모체로서 많은 관심이 집중되고 있다. 이러한 전도성 고분자의 사용으로 생명 분석물질의 측정 진단에 사용할 바이오센서의 다양성과 민감성 그리고 진단 시간을 향상시킬 있다. 이와 같은 이유 때문에 진단 의학용 시약으로 많이 사용되고 있고, 15) 효과적인 바이오센서의 제조를 위해 전도성 고분자를 사용한 여러 논문 들이 발표되고 있다. 16-20) 분석물질을 인식하기 위하여 효소와 * 책임연락저자: [email protected]

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Biomaterials Research (2011) 15(1) : 12-16

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Biomaterials

Research

C The Korean Society for Biomaterials

전도성 고분자를 이용한 바이오센서

Conducting Polymer-Based Biosensors

구본강·박상준·진용재·김천호*

Bon Kang Gu, Sang Jun Park, Yong Jae Gin, and Chun-Ho Kim*

한국원자력의학원 방사선의학연구소 세포유전조직재생연구팀Laboratory of Tissue Engineering. Korea Inst. of Radiological and Medical Sci., 215-4, Gongneung, Nowon, Seoul 139-240, Korea(Received November 12, 2010/Acccepted February 15, 2011)

A biosensor is an analytical device which converts a biological response into an electrical signal. Recently, conductingpolymers have received great attention in the development of biosensors. Conducting polymer is emerging materialswith potential for biosensors because of their chemical sensitivity and biocompatibility. The conducting polymers areknown to endow with abundance special features, which allow them to act as superior materials for immobilizationof biomolecules and rapid response time for the fabrication of efficient biosensors. Conducting polymer, such as films,nanowires, as sensing platforms for application are also summarized in electrochemical and field effect transistor (FET)biosensor.

Key words: Biosensor, Conducting polymer, Electrochemical biosensor, FET biosensor

서 론

분자는 가공성, 경량성, 유연성 등의 유리한 물성으로 인

하여 여러 분야에서 응용되고 있으며, 이러한 고분자의

특성 중 하나는 전기가 흐르지 않는 절연체라는 것이다. 경량

성과 탄력성이 있는 고분자 물질은 기본적으로 강도가 약하고

전도성이 낮기 때문에 그것의 응용성에 한계를 보여왔다. 그러

나, 많은 연구의 결과로써 고분자의 장점을 가지면서 전류가

흐를 수 있는 전도성 고분자가 발견됨에 따라 금속을 대체할

수 있는 새로운 재료로 각광 받게 되었다.1-4)

전도성 고분자는 고분자의 연성과 쉬운 제조상의 장점을 가

지는 동시에 금속이나 반도체의 전기적, 자기적 그리고 광학적

성질을 동시에 가지고 있기 때문에 화학이나 물리 분야 외에도

광범위한 산업적 분야에서 유용한 물질로 많이 사용되고 있다.

이러한 여러 응용 분야 중에서도, 전도성 고분자는 화학적 환

경, 물리적인 변화에 대해 전기적인 특성이 영향을 받게 되어

센서로서 많이 연구되고 사용되고 있다.5,6) 특히 전도성 고분자

는 바이오센서의 전극 등 주요 분야에서 응용이 가능하다.7,8)

전도성 고분자를 이용한 센서들은 저 전압에서 작동이 가능하

다는 장점이 있다.

바이오센서(Biosensor)는 측정 대상물로부터 정보를 검지 혹

은 측정하여 그 측정량을 인식 가능한 신호로 변화시켜 주는

장치라고 할 수 있다.9,10) Figure 1에서 보는 바와 같이, 센서

의 구성요소는 수용기(Bioreceptor)와 신호변환기(Transducer)로

이루어져 있으며 이 둘의 조합에 따라 매우 다양한 형태의 측

정기기가 될 수 있다.11) 수용기는 주로 효소(Enzyme), 세포

(Cell), 항체(Antibody), DNA 등이 있으며 발생된 생체신호 또

는 인식반응을 유용한 신호로 변환시키는 공정은 전기화학

(electrochemical), 발색(color), 광학(optical), 형광(fluorescence),

압전(piezoelectric)등이 이용된다. 바이오센서는 나노기술(NT),

바이오기술(BT) 그리고 정보기술(IT) 분야들의 기술 융합 과정

을 통해 마이크로/나노 바이오센서, 지능형 바이오센서 등으로

비약적인 발전을 하고 있다.12,13) 기존의 측정 분석 과정의 번

거로움과 시간 지연을 해결하기 위해 측정분석 과정의 간편성,

신속성, 편리성, 정확성, 내구성 등의 연구도 더욱더 활발히 진

행되고 있다.14) 때문에 본 논문에서는 전기적 특성과 제조 공

정상 우수한 유연성과 가공성을 가진 전도성 고분자 바이오 센

서에 대해 소개하고자 한다.

바이오 센서에서 전도성 고분자의 중요성

전도성 고분자는 효소를 고정화하는 적절한 모체로서 많은

관심이 집중되고 있다. 이러한 전도성 고분자의 사용으로 생명

체 내 분석물질의 측정 진단에 사용할 바이오센서의 다양성과

민감성 그리고 진단 시간을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 이유

때문에 진단 의학용 시약으로 많이 사용되고 있고,15) 효과적인

바이오센서의 제조를 위해 전도성 고분자를 사용한 여러 논문

들이 발표되고 있다.16-20) 분석물질을 인식하기 위하여 효소와*책임연락저자: [email protected]

전도성 고분자를 이용한 바이오센서 13

Vol. 15, No. 1

같은 생체물질들을 전기적으로 증착된(electro-deposition) 전도

성 고분자 필름에 고정화하는 기술이 향상 되었고, 21,22) 특히

고민감도와 다중 측정이 가능한 초소형 바이오센서들이 개발되

고 있다.23) 전도성 고분자는 화학 구조상 상당한 유연성을 가

지기 때문에 필요에 따라 변형이 가능하다. 이는 화학적 모델

링이나 합성으로 원하는 만큼의 전기 전도성과 기계적 강도로

만들 수 있다.24,25) 그러므로 여러 분석물질들을 선택적으로 진

단할 수 있는 것이다. 최근에는 전도성 고분자 나노 재료들이

높은 표면적에 의한 고분자와 분석물질 간의 증가된 상호작용

및 빠른 확산 속도 때문에 바이오센서 재료로서 많은 각광을

받고 있다.

전도성 고분자의 전기적 감지 기술

전도성 고분자를 이용한 바이오센서에서는 검출하고자 하는

분석물질이 수용기(bioreceptor)의 프로브 물질과 이상적으로 결

합할 때 전기적 특성 변화를 검출하는 것이 전기적 감지 기술

이다. Figure 2에서 보는 바와 같이, 전기적 감지 기술에서 대

표적 측정 방식은 전기화학적(electrochemical) 방식과 나노선

(nanowire)을 이용한 전계 효과 트랜지스터(Field Effect

Transistor: FET) 방식이 있다.26-28)

전기화학 센서는 전위차 측정형(Potentiometric), 전류 측정형

(Amperometric) 그리고 전도율 측정형(Conductometric)으로 크

게 3가지로 분류된다.29-31) 전위차 측정형 센서는 기준 전극에

대해 표면에서의 전위차를 측정하는 방식이다. 이 방법은 표면

에서 전하의 산화 환원 반응 시 분포 변화를 pH-meter와 같

은 이온들을 선택적으로 검출할 수 있는 전극을 사용하여 결

과를 도출한다. 전류 측정형 센서는 일정한 전위를 가했을 때

생성물의 산화 환원 반응을 통해 생성된 전류를 측정하는 방

식이다. 이 센서에 가장 영향을 주는 중요한 요인은 촉매 분자

(oxidase 또는 dehydrogenase) 사이에서의 전자의 이동이다.

마지막으로 전도율 측정형 센서는 전기화학 반응으로 이온 또

는 전자가 생성될 때 용액의 변화를 전기 전도율 또는 저항율

로 나타내는 방식이다. 이러한 여러 가지 방식의 전기화학적

바이오센서는 전기적 제어회로를 이용하여 전기화학적 신호를

감지하고 처리하기 때문에 다수의 센서에서 동시에 빠른 데이

터 처리가 가능하다는 장점이 있다. 반면 분석 물질과 프로브

물질 외에 제3의 표지 물질이 필요하므로 시료의 처리과정이

복잡하고 표지물질로 인해 활성이 저해될 수 있기 때문에 측

정의 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.

FET 방식의 바이오센서는 이미 확립된 반도체 공정을 기반

으로 집적화, 소형화가 가능하며 전기적 신호를 직접 변환하는

비표지 검출(label-free detection) 방식이다. 일반적으로 FET는

소스(source), 드레인(drain) 그리고 게이트(gate) 전극으로 구성

되며, 드레인과 소스 사이에 형성된 전도성 막을 따라 흐르는

전류의 양이 게이트에 의해 조절되는 장치이다. 기본적인 이론

과는 달리 게이트에 전압을 걸어 주지 않고도, 게이트에서 생

기는 화학반응에 의해서도 게이트의 전류가 변화할 수 있다.

이러한 원리를 이용하여 화학센서 또는 바이오센서로 응용이

가능하다. 일반적인 FET 방식의 바이오센서는 FET의 게이트에

수용기를 고정화하여 수용기와 분석물질이 결합하였을 때 발생

하는 전기적인 신호의 변화를 측정하는 형태로 되어있다.32) 실

제로 게이트에 효소를 고정화한 enzyme FET, 항원항체 반응을

이용한 ImmunoFET 및 실제 pH 센서로 활용되고 있는

ISFET (ion-selective FET)등이 있다. 또한 나노선(nanowire) 채

널을 이용한 FET 바이오센서는 나노선 표면에 결합하는 분석

물질 자체 전하에 의해서도 나노선 내부의 전기 전도도 변화를

검출할 수 있다. 나노 미터 크기 때문에 저분자 또는 소량의

분석 물질이 표면에 붙더라도 나노선 전체의 전도도가 크게 변

화한다. 그렇게 때문에 기존 FET방식의 바이오센서에 비해 간

Figure 1. Schematic shows components of a basic biosensor.

Figure 2. Electrical detection method of biosensors. a) Glucose bio-sensors using electrochemical method, b) Field effect transistor (FET)method using conducting nanowires..

14 구본강·박상준·진용재·김천호

Biomaterials Research 2011

편성, 신속성, 편리성, 정확성, 내구성 등의 효과를 가진다.

이러한 방식의 FET 바이오 센서들은 실시간 검출이 가능하

고, 소형화가 가능하며 이미 정립된 반도체 공정을 통해 대규

모 집적 및 대량 생산이 가능하므로 가격 면에서도 큰 장점이

있다. 하지만 FET 바이오 센서가 실질적으로 사용되기 위해서

는 해결해야 될 문제점이 있다.33) 바로 나노선이 재현성

(reproducibility)있게 제작되지 않는 것이다. 재현성의 차이는

곧 민감성의 차이이기 때문에 재현성 있는 나노선을 제작하기

위해 많은 연구가 필요할 것이다. 그리고 또 다른 문제점은 분

석물질 시료의 염(salt) 농도이다. FET 바이오 센서는 소량의

염 농도에도 매우 민감한 반응을 보이기 때문에 시료를 직접

측정하지 않고 완충용액을 사용하여 검출하는 단점이 있다.

바이오 센서를 위한 전도성 고분자의 응용

바이오 센서는 질병 진단, 독성 물질 검출, 식품 가공, 환경

분석 등 인간의 생활을 더욱 더 안전하게 해주는 중요한 도구

중의 하나가 되었다. 그렇기 때문에 바이오 센서는 휴대하기

편하게 작아지고 있고 언제 어디서나 진단할 수 있는 즉석 진

단 시스템(point-of-care system)이 갖추어 지면서 가격뿐 만

아니라 쉬우면서 간단한 작동법의 향상을 가져오고 있다. 전도

성 고분자는 다른 재료보다 쉬운 합성 방법과 화학적 물리적

성질, 그리고 가장 중요한 생체적합성 등 우수한 장점 때문에

이러한 바이오 센서의 성능을 가능하게 되었다.

그러면 전도성 고분자를 이용한 여러 가지 형태의 바이오 센

서들을 소개하도록 하겠다. 현재 가장 많이 소개된 형태는 전

도성 고분자 필름을 이용하여 전기화학적 방식으로 검출하는 글

루코오스 센서이다. 글루코오스 센서의 경우, 정상 혈액 내 글

루코오스 농도는 공복시 100 mg/dl, 식후 2시간 경과 후 글루

코오스 농도는 140 mg/dl이하이고 반면, 비정상 혈액 내 글루

코오스 농도는 200 mg/dl이상에 이른다. 따라서 혈액 내 글루

코오스의 농도 변화를 모니터링 하는 것은 당뇨병 예방 및 진

단에 있어서 매우 중요하다.

전도성 고분자 바이오 센서의 민감성과 응답 시간은 필름의

두께에 많이 좌우된다. 즉 분석물질은 두꺼운 필름보다 표면적

이 더 넓은 얇은 필름에 더 쉽게 흡착할 수 있다. 그렇게 때

문에 얇은 필름일수록 높은 민감성과 빠른 응답 시간을 가질

수 있는 것이다. 예를 들어, Moline 그룹은 간단한 전기 중합

방법(electro-polymerization process)으로 초극막(ultra-thin:

~55 nm) 폴리피롤-글루코오스 옥시다제(Ppy-GOD) 필름을 만

들어 전해질이 없는 단량체 용액에서 글루코오스를 검출해내는

바이오 센서를 개발하였다.34) 이것은 초극막 필름의 사용으로

낮은 전류로도 글루코오스를 검출하는 상당한 효과가 있다는

장점을 소개하고 있다. 그리고, Varahramyan 그룹은 폴리페닷-

폴리스틸렌 술포네이트(PEDOT-PSS) 전도성 고분자 필름 위에 스

핀코팅(spin-coating)으로 글루코오스 옥시다제 효소(glucose

oxidase enzyme (GOx))를 붙인 유기 박막 필름 트렌지스터

(organic thin film transistor (OTFT)) 기반 글루코오스 센서를 제

작하였다.35) 이 바이오 센서는 빠른 응답시간(20초 이내)과 높은

민감성(~1.65 µA/mM)을 나타내며 드레인 전류와 글루코오스 농

도 1.1~16.5 mM에서 선형적인 응답을 나타낸다.

또 다른 형태로는 나노선(nanowire) 또는 나노튜브(nanotube)

형태의 바이오 센서이다. Sommerdijk 그룹은 글루코오스 검출

을 위한 폴리페닷(PEDOT) 나노튜브 멤브레인을 이용한 전류

측정방식 센서를 제작하였다. 다공성 고분자 막 내어서 폴리페

닷 나노튜브를 제조하고 해당 pH에서 음이온을 띄고 있는 글

루코오스 산화 효소를 물리적으로 흡착시켰다.36) 또한,

Mulchandani 그룹은 금으로 덮여 있는 미세전극(micro-

electrode) 미세구조물 위에 폴리피롤(Ppy)을 올려 병원균인 바

실루스 글로비기(Bacillus globigii)를 검출하기 위한 바이오 센

서를 제작하였다.37) 이 바이오 센서는 1 CFU/mL의 작은 용액

으로도 검출이 가능한 높은 민감성을 보이고 있으며, 재현성

또한 우수하다.

또 다른 전기적 감기 기술은 전도성 고분자를 이용한 FET 방

식의 바이오 센서이다. Jang 그룹은 폴리피롤(Ppy)이 올려져 있

는 p형 FET 바이오 센서의 사용으로 암 바이오마커(cancer

biomarker)인 혈관 내피 성장 인자(Vascular Endothelial Growth

Factor: VEGF)의 검출을 전기화학적으로 진행하였다. 이 FET 바

이오 센서는 VEGF 농도 400 팸토 몰(fM)까지 실시간 검출할

수 있어 아주 높은 민감성을 가진다. 그렇기 때문에 실시간으로

암 진단용으로 유용하게 사용할 수 있는 장점이 있다.28)

끝으로 전도성 고분자를 이용한 DNA 바이오 센서의 경우,

폴리다이피롤(Polydipyrrole)과 폴리다이카바졸(polydicarbazole)

나노로드(nanorod)를 지지체로 DNA 혼성화(hybridization)와 이

를 광학적으로 탐지한 결과를 발표하였다.38) 이 전도성 나노로

드는 키랄성 피롤 및 카르바졸 유도체를 단량체로 사용하여 제

조되었다. 나노로드에 DNA의 고정은 표면의 카르복실기와 아

민 말단의 DNA 사이에 축합반응으로 DNA를 공유결합으로 표

면에 고정하였다. 이를 이용하여 상보적인 DNA를 광학적 방식

으로 검출해 낼 수 있다. 그리고, Cheng그룹은 탄소나노튜브와

전도성 고분자인 폴리피롤(Ppy) 글레시 카본 전극(glassy carbon

electrode)을 이용하여 DNA 혼성화(hybridization) 모니터링을

위하여 새로운 민감성 전기화학적 바이오 센서를 제작하였다.

이 바이오 센서는 검출 범위는 6.9 × 10−14 ~ 8.6 × 10−13 mol−1

이고 검출 한계는 2.3 × 10−14 mol−1의 민감성을 보인다.39)

위에서 소개한 것처럼 전도성 고분자를 이용하여 여러 형태

의 바이오 센서가 소개되고 있다. 그러나 아직도 전도성 고분

자 바이오 센서의 연구는 초보적인 단계이다. 그렇기 때문에

전도성 고분자와 센서의 장점을 함께 접목하여 이용할 수 있

기 때문에 앞으로 활발한 연구가 진행될 것으로 기대된다.

결 론

전도성 고분자 나노 재료를 이용한 바이오 센서 기술은 기존

기술에 비해 시료양이 적고 측정 정확도가 높으며 주변환경에

의한 영향도 적다. 이는 측정이 간편할 뿐 아니라 실시간 측정

전도성 고분자를 이용한 바이오센서 15

Vol. 15, No. 1

할 수 있다는 장점이 있다. 바이오 센서 장치는 외부 자극을

감지하는 수용기 부분과 이를 전기적 신호로 전환시키는 신호

트랜지스터, 전기적 신호를 감지하는 부분으로 이뤄져 있는데

핵심은 자극을 받아들이고 이를 전기적 신호로 변환시키는 신

호변환기(Transducer)이다. 전도성 고분자 재료로 감응도가 높은

신호변환기를 만들기 위해서는 우선 나노 구조체에 대한 정밀

제어와 제조가 선행돼야 한다.

전도성 고분자 재료를 이용한 센서 기술을 본격적으로 상용

화할 경우 소형장비 하나로 질병진단 및 치료, 바이오 물질 검

출, 환경오염 정도를 매우 정밀하고 신속하게 할 수 있다. 또

의료, 보건 분야의 경우 질병 및 건강 상태를 칩 하나만으로

간단하게 진단할 수 있으며 신약개발에 따른 비용도 절감할 수

있다.

이러한 고성능의 전도성 고분자 바이오센서는 나노기술(NT),

바이오기술(BT) 그리고 정보기술(IT) 등 각기 다른 분야의 연구

를 잘 융합함으로써 이루어지게 되었다. 앞으로도 관련된 연구

및 개발이 지속으로 이루어져 학문적, 상업적 발전이 이루어져

야 할 것이다.

감사의 글

본 논문은 교육과학기술부 원자력연구개발사업 및 지식경제

부 산업원천기술개발사업 (10035291, 고기능성 의료용 섬유복

합체 기술개발)의 지원에 의해 이루어졌으므로 이에 감사드립

니다.

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