The bioanalytical applications of carbon nanomaterials have attacted much research interest to efficiently solve the existing problems by using their unique properties. For bioanalysis, the surface functionalization is a critical step to detect specific target species without interference from nonspecific adsorption of undesired biomolecules. The surface functionalization of solid substrates by forming self-assembled monolayer was achieved with various thiol and silane compounds and the self-assembled monolayer was successfully applied to preparation of mammalian cell arrays by combination with matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS). Based on the surface functionalization techniques, graphene oxide (GO), an oxidized form of graphene with various oxygen-containing functional groups, was immobilized on the solid substrates because GO possesses important properties such as strong UV optical absorption for laser desorption/ionization mass spectrometry (LDI-MS) and surface enhanced Raman scattering (SERS). First, the GO films were hybridized with multi-walled cabon nanotube (MWCNT) by electrostatic adsorption. The resulting GO/MWCNT double layer films showed excellent performance as LDI-MS analysis platform for analysis of small molecules and mouse brain tissue. In addition, the LDI-MS efficiency was further improved by controlling the structure of GO/MWCNT hybrid films through the layer by layer assembly technique.
Second, the GO films were reduced to make graphene analogue and hybridized with gold nanostructures by seedless and seed-mediated growth methods. The seedless growth on reduced GO (RGO) films resulted in growth of gold rods with low density but the gold rod showed high SERS activity compared to spherical gold particles. To increase the density of gold rods, the seed-mediated growth was carried out on pyrene ethylene glycol amine (PEA)-functinoalized RGO films. The seed-mediated growth on PEA-RGO films resulted in dense growth of gold nanostructures but the yield of gold rods was low compared to seed-less growth method. To improve the yield of gold rods, decyl pyrene (DP)-functionalized RGO films were applied to seed-mediated growth and the resulting hybrid films showed significantly improved yield of gold rods and applicability as SERS platform. In addition to the surface synthesis, the envirometal friendly syn-thetic strategy of RGO by using dextran was successfully developed with high SERS activity. However, those hybrid structures did not show the applicability as LDI-MS analysis. Therefore, GO based hybrid films were developed by seed-mediated growth of gold nanostructures on GO films which are functionalized with polyallylamine. The process resulted in the dense and isotropic growth of gold nanostructures on GO films and the resulting films showed high applicability as LDI-MS platform for small molecules analysis. We believe that the present study could be a useful and general tool for various bioanalytical applications of carbon-based nanohybrid films due to the excellent performance, simple fabrication processes, cost-effectiveness and long-term stability
탄소나노물질은 특이적인 전기적, 광학적 특성으로 인하여 생분석적 응용분야에서 각광을 받고 있다. 효과적이고 정밀한 생분석을 위해서는 물질의 표면기능화와 고밀도 표면집적화가 선결되어야 한다. 본 연구에서는 자기조립단분자막의 형성과 질량분석기를 이용한 노광기술을 이용하여 동물세포를 특정위치에 형태를 가지고 배열할 수 있는 전략을 개발하였다. 일련의 표면기능화 기법을 이용하여 산화그래핀을 고체기판의 표면에 박막형태로 고정화하는데 성공하였다. 산화그래핀은 강한 자외선 흡광능력과 라만신호증강 특성을 가지고 있어 생분석적 응용에 아주 적합한 탄소나노소재로 인식되고 있으므로, 효과적인 박막화는 생분석칩을 개발에 있어서 매우 중요한 의미를 갖는다. 그러나, 산화그래핀 박막 자체의 생분석 효율성이 높지 않기때문에, 다양한 복합박막을 제작하여 생분석적 응용성을 향상시켯다. 산화그래핀 박막의 표면에 탄소나노튜브를 고밀도로 고정하여 복합박막을 제작한 결과 질량분석칩으로써의 효율성이 각각의 소재와 비교했을 때 확연히 증가하였다. 또한, 순차적으로 산화그래핀과 탄소나노튜브를 적층하여 복합박막의 두께와 표면적을 증가시킴으로써 질량분석집으로써의 효율을 더욱 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
다음으로는 산화그래핀 박막을 환원시켜 그래핀 유사체로 만들고, 그 표면에서 금 나노구조를 미세 나노입자를 성장시켜 복합구조를 제작하였다. 미세나노입자를 사용하지 않는 경우 고효율로 금속 나노로드가 성장되었고 뛰어난 라만신호증강을 보였지만, 성장된 금 나노로드의 절대적인 숫자가 충분치 않았다. 이 부분을 개선하기 위하여, 파이렌 유도체로 표면이 기능화된 그래핀 유사체의 표면에서 미세나노입자를 이용하여 금 나노구조를 성장시킨 경우에는 파이렌 유도체의 구조에 따라서 금 나노로드의 절대적인 개수와 합성효율을 향상 시킬 수 있었으며, 제작된 복합박막은 향상된 전기적인 특성과 라만신호증강효과를 나타내었다. 보다 친화경적으로 생분석용 복합구조를 제작하기 위하여, 생체친화성 물질인 덱스트란을 이용하여 산화그래핀을 환원시키고, 그 표면에서 금 나노구조를 직접성장하는 방법을 개발하였다. 덱스트란을 이용하여 제작된 그래핀 유사체의 경우 뛰어난 생체친화성을 나타내어 생분석 프로브로써 높은 가치를 보였다. 그러나, 위에 언급된 그래핀 유사체/금 나노구조 복합박막의 경우 질량분석칩으로써의 응용에선 한계를 보였다. 보다 효과적인 질량분석칩을 개발하기 위하여 산화그래핀 박막의 표면을 아민기를 갖는 고분자를 이용하여 기능화하여 미세 금 나노입자의 고정효율을 극대화 시킨 후 금 나노구조를 성장시키는 전략을 개발하였다. 이 과정에 의해서 산화그래핀 박막의 표면에서 고밀도로 합성된 금 나노구조를 구형이었으며, 뛰어난 질량분석 효율을 나타내었다.
본 연구결과에 따르면, 산화그래핀을 기반으로한 탄소기반 나노복합 박막은 다양한 화학적 표면처리법과 이종의 나노물질의 고정화에 따라서 다양한 생분석법에 적용이 가능한 고효율의 분석칩을 제작할 수 있는 기초물질로써 뛰어난 가치를 보였다. 이 일련의 과정들은 종래의 생분석칩을 제작하는 기법과 비교했을 때 효율성과 안정성이 뛰어나고 생산비용이 저렴하므로, 향후 다양한 생분석분야에서 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
