Microfluidic devices and nano materials play key roles in the emerging biosensor applications such as lab-on-a-chip, which include pretreatment and purification of protein sample, and diagnosis and therapy of disease. Recently, microfluidic devices for biological sample pretreatment have become important in the design of analytical devices for high-throughput applications such as functional validation of proteins and peptides in large-scale proteome characterizations. In addition, nano materials for diagnosis and therapy are young and rapid emerging field such as point-of-care (POC) biosensor, tumor pretargeting agent, drug delivery vehicle and diagnostic imaging agent. In this study, microvalves based on ionic polymer metal composite (IPMC) were developed for microfluidic application, and multi-functional polydiacetylene-modified reduced graphene oxide (PDA/RGO) were prepared for the nano materials for biosensor applications.
First, simple and highly efficient microvalve systems based on IPMC diaphragm actuator has been developed. Our microvalve system operates when ‘open’ and ‘close’ voltage are applied. Displacement of IPMC in the microvalve was measured by laser displacement meter. By applying open and close voltages, the operation of the valve becomes faster. Fluorescence images of the flow in the fabricated IPMC microvalve system showed a successful operation of flow control in the microfluidic channel.
Second, graphene nano sheet hybridized with polydiacetylene (PDA) was explored as the electrochemical biosensor applications. Self-assembly and photo-polymerization chemistry of diacetylenic monomers on reduced graphene oxide (RGO) for noncovalent functionalization was used for high solubility and further functionality of graphene in water. This enabled regular graphene micropatterns on large substrates with chemical bonding and biological interactions. PDA/RGO nano hybrid demonstrates the formation of conjugated polymer on graphene for fluorescence and electrochemical detection. Further functionalized PDA/RGO by biotin was detected by biotin-straptavidin interaction. Electrochemical experiments showed the ability of functionalized-RGO as an electrochemical biosensor, especially detecting the analyte in low concentration.
마이크로플루딕 장치와 나노 소재는 생체 시료의 전처리, 정제 그리고 질병의 진단 및 치료를 위한lab-on-a-chip과 같은 바이오센서분야에서 중요한 역할을 한다. 최근에는 생물학적 시료 처리를 위한 마이크로플루딕 장치의 중요성이 커지고 있다. 더욱이, 진단 및 치료를 위한 나노 물질 연구는 point-of-care (POC) 진단, 종양 선표적 작용물질 (tumor pretargeting agent), 약물전달용 운송체 (drug delivery vehicle) 그리고 진단적 영상 작용 물질 (diagnostic imaging agent) 분야에 빠르게 발달하고 있다. 본 연구에서는, 마이크로플루딕 응용을 위한 IPMC (ionic polymer metal composite)를 기반으로 하는 마이크로 유체 밸브의 개발과, 바이오 센서로의 응용을 위한 나노 물질로서 다양한 작용기를 가지는 PDA/RGO (multi-functional po-lydiacetylene-modified reduced graphene oxide)를 개발하였다.
첫번째로, IPMC를 이용하여 저비용, 저전력 및 고속의 미세유체 기반 마이크로 유체밸브를 개발하기 위하여, 초소형 diaphragm 기반의 IPMC 밸브소자를 설계·제작하였다. 본 마이크로 밸브는 인가된 전기적 신호에 의해 밸브의 ‘open’ 그리고 ‘close’ 상태가 결정된다. 마이크로 밸브 내의 IPMC의 변위를 모니터링 하기 위하여 레이저 변위 미터 (laser displacement meter)를 이용해 측정한 결과, ‘open’ 그리고 ‘close’ 전압이 가해짐에 따라 마이크로 밸브는 신속·정확하게 작동되었다. 또한 IPMC 마이크로 유체밸브 시스템에서 유체의 흐름에 대한 형광이미지를 통하여 마이크로플루딕 채널에서 유체 흐름을 성공적으로 제어 가능함을 보여주었다.
다음으로, 그래핀(graphene)을 전도성 고분자와 복합체를 형성시킨 후 그 광학·및 전기화학적 특성을 바이오센서로서의 응용한 연구에 관한 것이다. 환원된 산화그래핀 (RGO; reduced graphene oxide) 표면 위에 자기조립 및 광중합 (photo-polymerization)에 의해 디아세틸렌(diacetylenic) 단량체들이 비공유결합성 인력에 의해 고분자와 그래핀 나노복합체를 합성하였다. 이는 그래핀의 물에 대한 용해도를 증가시키고 다양한 작용기의 도입을 더욱 용이하게 할 수 있는 가능성을 제시하였다. 이를 통하여 화학 또는 생물학적 특이성을 가진 대면적의 기판에 그래핀을 일정하게 패턴을 형성함으로써 전도성 고분자인 폴리디아세틸렌 (PDA; polydiacetylene) 본래의 형광특성을 이용한 바이오센서 응용 가능성을 제시하였다. 더불어, 그래핀의 나노 복합체인 PDA/RGO는 전기화학적으로도 검출이 가능하여, 본 연구에서는 PDA/RGO 의 표면을 바이오틴-스트랩타아비딘 (biotin-straptavidin) 상호작용이 가능하도록 바이오틴 (biotin)을 표면에 공유결합을 통하여 고정함으로써, 전기화학적으로 PDA/RGO 를 분석하였다. 이러한 다양한 접근방법을 통해 PDA/RGO 시스템이 저농도의 특이적 생물시료 분석에 응용될 수 있음을 증명하였다.
