A mesocellular carbon foam, MSU-F-C, was synthesized and used as a host for enzyme immobilization, and then employed for biosensor fabrication. The unique structural properties of MSU-F-C, such as large surface area and pore volume, large mesopores with uniform size, and small particle size (< 500 nm), enabled an efficient immobilization of a large enzyme, glucose oxidase (GOx), thereby resulting in a high enzyme loading. The loading in MSU-F-C was significantly higher than those in other porous carbons, including another type of mesoporous carbon, CMK-3, and in mesoporous silica. Furthermore, the resulting MSU-F-C/GOx composite exhibited excellent stability of the catalytic activity. A glucose biosensor was constructed by coating the surface of a glassy carbon electrode with MSU-F-C/GOx using Nafion membrane. The resulting glucose biosensor exhibited high sensitivity to glucose, due to the high enzyme density on electrode and the large effective electrode surface area provided by the electrically conductive MSU-F-C. Based on these results, a magnetically controllable electrochemical biosensing system using immobilized enzymes was developed. As a suitable enzyme carrier for this system, a mesoporous carbon with incorporated magnetic nanoparticles (MNPs) was synthesized by a simplified approach, based on the in situgeneration of MNPs during the synthesis of the mesocellular carbon. The resulting Mag-MCF-C has many desirable characteristics for preparation of immobilized enzymes for magnetically controllable electrochemical biosensing system: large pore size and volume, the ability to be positioned with a magnet, and good electron conductivity. The Mag-MCF-C was found to possess large interconnected pores and well-dispersed MNPs on the exterior carbon surface. As a result, Mag-MCF-C showed high loading and fast immobilization kinetics for GOx. By taking advantage of unique pore structure of Mag-MCF-C, in combination with cross-linking agent, the immobilized enzymes were stably retained in Mag-MCF-C. Using GOx stably immobilized in Mag-MCF-C in such a way, a magnetically switchable biosensor was successfully demonstrated, in which an electrochemical signal from biocatalysis can be switched on/off by controlling the electrical connection between redox enzymes and electrode using magnetic force. From these results, it is anticipated that the developed system will find various applications, especially in microsized sensing devices.
나노다공성 탄소인 MSU-F-C를 합성하여 효소를 고정화한 후 바이오센서의 제작에 사용하였다. 넓은 표면적 및 기공 부피, 균일한 크기의 메조기공 (mesopores), 그리고 작은 입자 크기(＜ 500 nm)와 같은 MSU-F-C의 독특한 구조적 특징을 활용하여 글루코스 산화 효소(glucose oxidase, GOx)와 같이 크기가 큰 효소를 효과적으로 고정화할 수 있었으며, 결과적으로 많은 양의 효소를 고정화하는 것이 가능하였다. 이로 인해, MSU-F-C로의 고정화 양은 다른 종류의 나노다공성 탄소인 CMK-3를 포함한 다공성 탄소 물질들, 그리고 나노다공성 실리카로의 고정화 양에 비하여 월등하게 높다는 사실을 확인하였다. 이와 같이 MSU-F-C에 안정적으로 고정화된 글루코스 산화 효소를 Nafion 막을 이용하여 유리질 탄소 전극 (glassy carbon electrode) 표면에 고정화함으로써 글루코스 바이오센서를 제작하였다. 제작된 센서는 전도성을 지닌 MSU-F-C가 제공하는 높은 밀도의 고정화 효소 및 넓은 가용 전극 면적으로 인해 글루코스에 대해 높은 민감도를 나타냈다. 이러한 결과를 바탕으로, 고정화된 효소를 이용하여 자기력(magnetic force)에 의해 조절 가능한 전기화학적 바이오센서 시스템을 구축하였다. 해당 목적에 적합한 효소 고정화 매체로서 자기 나노입자(magnetic nanoparticle)를 함포한 나노다공성 탄소를 카본과 나노입자의 동시 생성에 기반한 기술을 이용하여 합성하였다. 결과적으로 합성된 Mag-MCF-C의 경우 구축하고자 하는 바이오센서 시스템에서의 활용에 적합한 특성, 즉, 큰 기공 크기와 부피, 자기력에 의한 조절 가능성 및 전기 전도성과 같은 특징들을 갖추고 있었다. 분석 결과, Mag-MCF-C의 경우 상호 연결된 넓은 나노기공을 지니고 있으며 자기 나노입자는 탄소 표면에 잘 분산되어있음을 확인하였다. 이러한 특성으로 인해, Mag-MCF-C에 다량의 글루코스 산화 효소를 효과적으로 고정화하는 것이 가능하였다. 더 나아가, Mag-MCF-C의 독특한 기공 구조 및 적절한 가교결합제 (cross-linking agent)를 이용하여 고정화된 효소를 Mag-MCF-C의 기공 내에서 안정적으로 유지하는 것이 가능하였다. 이와 같이 안정적으로 고정화된 효소를 활용, 자기력을 이용하여 산화환원효소와 전극 사이의 전기적 연결을 조절함으로써 효소 반응에서 비롯된 전기화학적 신호를 가역적으로 켜고 끌 수 있는 바이오센서 시스템을 구축하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, 본 시스템은 여러 응용 분야, 특히 소형 분석 기기에서 유용하게 활용될 수 있으리라 예상된다.
