Recently, the public health concerns are one of the great social challenges of the twenty-first century. Modern society is demanding that all of environmental and bodily functions are monitored by technological communication devices such as electronic and photonic sensors, actuators, and data transfer instruments that can record signal and information in order to protect human life. In this response to the needs of highly demanding sensitivity, accuracy, and reliability requirements, biosensors are key elements for the advancement of science and the improvement of human health. Biosensor devices are allowing scientists and medical doctors to detect biological chemicals such as enzymes, antibodies and disease-representing biomarkers, and thus providing early diagnosis and improving medical treatments. However, the lack of stability, fouling, low efficiency, and non-specific reaction are problems that are now being faced to solve for achieving high performanced devices. Recently, much recent attention has been drawn toward the design of advanced biosensor based on nanomaterials in order to overcome the above mentioned hot issues, but the erstwhile achievements are inferior to meet up modern demands.
Development of nanohybrid materials as nanoscale building blocks is essential for the constructions of highly advanced technology devices such as field effect transistors, sensors, electronics, and energy conversion and storage devices. In this context, semiconductor nanoparticles and carbon nanostructures are a particularly promising candidate to serve as ideal building blocks for the design of optical and electrochemical devices. The outstanding features of quantum dots (QDs), along with quantum yields, tunable photoluminescence, and optoelectronics, have lead to the intensive studies and the realization of numerous applications. Recent scientic and technological breakthroughs of QDs are significantly depending on how to couple semiconductors with carbon nanostructures due to the enhancement of photoconductivity and synergistic effects of nanohybrids. Recently, graphene has been emerged as 2D functional supporting materials for various nanoparticles (NPs), owing to its high electronic and thermal conductivities, remarkable mechanical properties, and large surface area. Tremendous efforts in synthesis approaches of nanohybrids have been mostly placed on two strategies; direct growth of NPs on the surface graphene and employ of dual functional organic linkers between graphene and NPs. However, there are limitations inherent in these methods: tedious experimental process, chemical and thermal treatment requirements, and pre-synthesize of QDs for linker-based methods; tribulations of the size, array density, and position control of NPs for direct growth methods. In this regard, there is a need for the development of an environmentally friendly and straightforward synthetic method for the design and fabrication of QDs/carbon nanostructure nanohybrids.
In this thesis, we demonstrated that biological strategy for synthesis of graphene/CdTe nanohybrids by using metal binding proteins (MT-PCS). MT-PCS proteins herein are attractive biotemplates and structure-guiding components for synthesis and assembly of NPs by integrating them into graphene materials, due to their sequence programmability, selective molecular recognition ability, and multifunctionality. As geometrical 2D support for QDs, the water-soluble GOs were obtained by strong oxidation from commercial graphite and then assembled with MT-PCS through hydrophobic and hydrophilic interaction under controlled pH. The crystalline CdTe QDs were in-situ synthesized onto the obtained MT-PCS/GO nanohybrids. The specific peptide sequences of MT-PCS selectively trapped $Cd^{2+}$ and $Te^{2-}$ ions and then directly nucleated and grew the CdTe QDs on the surface of MT-PCS/GO nanohybrids without any reducing chemicals. A uniform size and spontaneous 2D organization of QDs were accomplished by the α-helical structures of MT-PCS adsorbed on 2D GOs. The chemical characterization of QD/MT-PCS/GO nanohybrids was comprehensively analyzed by XPS and FT-IR spectra, respectively. The fluorescence quenching features of CdTe QDs on MT-PCS/GO enabled them to apply optical biosensors for detecting glucose molecules. The QD/MT-PCS/GO nanohybrids showed the better reliability compared to the pristine CdTe QDs. In addition, the QD/RGO nanohyrids through post-chemical treatment of the QD/MT-PCS/GO served as advanced electrode materials for fabrication of electrochemical biosensors. In particular, the direct electron transfer between electrode and redox center in enzymes through traversal of electron vacancies within QDs provide opportunities to construct a “mediatorless” electrochemical biosensor. The QD/RGO hybrids were employed to fabricate electrochemical glucose biosensor with a flow injection system. The GOx/QD/RGO/GCE shows rather fast electron transfer, and high sensitivity (1.395 mA mM??1), and rapid response (5 s) with detection limit of 0.239 mM than the GOx/QD/GC electrode. From these results, this in vitro biosynthesis strategy coupled with 2D supports allowed for facile, eco-friendly, and controllable synthesis of QDs, which could become a general, versatile method to synthesis and assembly of nanomaterials.
21세기 사회적 도전 과제 중의 하나로 공중보건에 대한 관심이 대두되고 있다. 현재 사회는 전기와 빛에 의해 구동되는 센서, 엑츄에이터, 데이터 변환 장치와 같은 커뮤니케이션 장치를 이용하여 우리에게 일어나는 모든 일들을 모니터링하고 분석하고자 한다. 이러한 사회적 요구를 만족시키기 위해 고민감도, 정확도, 신뢰도를 갖는 바이오센서의 개발이 필요한 실정이다. 바이오센서는 생체감지물질과 신호변환기로 구성 되어 있으며, 일반적으로 광학적 방법과 전기화학적 방법을 주로 사용하여 생물학적 반응을 검출해 낸다. 최근, 나노기술과 나노융합기술이 발전함에 따라 그래핀, 나노입자 등과 같은 나노물질을 신호변환기로 적용함으로써 바이오센서의 성능을 개선하려는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 본 연구의 목적은 재조합 대장균으로부터 얻어진 단백질을 이용하여 나노복합물질을 제조하고 이를 바이오센서로 응용하는데 있다.
전계 효과 트랜지스터, 센서, 전자소자, 에너지 변환 및 저장 소자와 같은 첨단 기술 장치 제작을 위한 나노수준의 구성요소로써 나노하이브리드의 개발이 필수적이다. 이러한 맥락에서 반도체 나노입자와 탄소 나노구조체는 광소자 설계를 위한 이상적인 구성요소로서 촉망 받는 후보 물질이다. 높은 양자수율, 조절이 용이한 광발광, 광전자와 같은 양자점의 우수한 특성은 양자점에 대한 심도 있는 학습과 다양한 분야로의 응용을 구체화 시키는데 큰 역할을 했다. 반도체 나노입자와 탄소나노구조체의 결합으로 인한 광전도성의 증가와 나노하이브리드의 시너지효과 때문에 이들의 결합방법이 양자점 연구에 관한 과학적 기술적 돌파구로 여겨지고 있다. 최근, 그래핀의 높은 전기전도도, 열전도도, 우수한 기계적 성질, 넓은 비표면적 때문에 그래핀이 나노입자를 성장시키거나 어레이 하기 위한 이차원적 지지체 물질로서 각광받고 있다. 나노하이브리드를 합성하기 위한 많은 연구들은 그래핀 표면 위에 나노입자를 직접 성장시키는 것과 두 가지 기능을 갖는 organic linker를 사용하는 방법으로 크게 둘로 나누어 진다. 그러나 이러한 방법들이 가지고 있는 고유의 문제점이 있다. 후자의 경우, 양자점의 선합성, 화학적, 열적 처리 및 지루한 실험을 거쳐야 하고, 전자의 경우 입자 크기, 도핑량, 위치 조절이 어렵다. 이러한 면에서, 양자점/탄소나노구조체 하이브리드의 설계와 제조를 위해 환경친화적이고 간단한 합성이 필요하게 되었다.
본 논문에서 금속결합단백질(MT-PCS)를 이용하여 그래핀/CdTe 나노하이브리드 합성하기 위한 생물학적 접근방법에 대해 기술하였다. 본 연구에서 사용된 MT-PCS 단백질은 단백질이 갖는 고유한 아미노산 서열, 선택적 분자 인식 능력, 다양한 기능성 때문에 그래핀과 나노입자의 결합에 의해 나노입자의 합성과 조립을 위한 biotemplate 및 구조를 유도하기 위한 물질로서 사용되었다. 양자점을 이차원적으로 성장시키기 위한 지지체로서, 그래핀 옥사이드는 사용 그라파이트로 부터 산화반응을 이용하여 제조하였다. pH를 조절해 가며 상기 제조된 그래핀 옥사이드와 MT-PCS를 상호간결합을 통해 MT-PCS/GO를 제조하고 이 나노하이브리드의 표면 위에서 CdTe 양자점을 in-situ로 합성하였다. 환원제를 첨가하지 않았음에도 불구하고, MT-PCS의 특정한 아미노산 서열이 선택적으로 $Cd^{2+}$ 와 $Te^{2-}$ 이온과 결합하고 바로 핵을 형성하여 MT-PCS/GO의 표면 위에서 CdTe 양자점이 성장되었다. 그래핀 표면 위에 고정화된 MT-PCS 단백질의 $\alpha$ -나선구조에 의해서 양자점의 균일한 크기와 자발적인 이차원적 배열이 이루어졌다. XPS와 FTIR 분석을 통해 QD/MT-PCS/GO의 화학적 조성을 조사하였다. 상기 제조된 하이브리드 내에서 CdTe양자점의 형광소광특성을 이용하여 글루코스 진단을 위한 광학 바이오 센서로 적용하였다. 또한, 하이브리드를 후 처리하여 단백질을 제거하고 이를 전기화학 바이오센서의 전극으로 이용하였다. 특히, 전극과 단백질내의 산화환원 center사이를 빠르게 이동하는 양자점내의 정공으로 인한 직접 전자전달은 “mediatorless” 전기화학 바이오센서의 개발을 가능하였다. 후 처리하여 제조된 QD/RGO 하이브리드는 글루코스 진단을 위한 flow injection 바이오센서의 전극으로 사용되었다. GOx/QD/RGO/GCE 바이오센서는 GOx/QD/GCE에 비해 빠른 전자 전달, 높은 민감도, 빠른 응답, 낮은 검출한계를 나타냈다. 위의 결과로부터, 이차원적 지지체를 이용한 in vitro 생물학적 합성방법은 양자점을 합성을 위한 쉽고, 환경친화적이고 조절이 가능한 방법임을 제시하였다. 이러한 접근 방법은 나노물질을 합성하고 조립하기 위한 일반적인 방법이 될 것이다.
