The importance of developing simple and accurate diagnostic technologies for daily monitoring of patients’ physical conditions is gaining more attention every year. Exhaled breath analysis is a very powerful tool for clinical diagnostics, given that it is non-invasive, painless, easily repeated and generally agreeable to patients. Chemoresistive sensors, based on semiconducting metal oxides (SMOs), are receiving a great deal of attention for exhaled breath analysis due to their facile, rational design, low cost and ability to detect a large number of gases. However, because the human breath is fully humidified and contains thousands of interfering gas species, it becomes very challenging to adopt SMO-based sensing layers exhibiting both high sensitivity and selectivity in the detection of sub part per billion (p.p.b.) level trace target biomarker gases. Given that the gas sensing mechanism is strongly associated with surface reactions between trace target gases and sur-face chemisorbed oxygen species on the sensing layers, maximization of the surface reaction sites of SMOs combined with optimized catalytic functionalization are the foremost criteria needed to address these challenges.
In this thesis, facile and rational method were proposed for synthesizing bio-inspired noble metallic (Pt,Pd, and Rh) and bimetallic (PtM where M=Pd, Rh and Ni) NPs via protein cage encapsulating route as new class of active catalyst in the SMO based sensor and propose their potential applications in accurate breath sensing. Using the nanoscale cavity of protein i.e. apoferritin, we achieve the well-dispersed catalytic nanoparticles (NPs) with very small mean size (less than 3 nm). More importantly, by employing electrospinning, the bio-inspired catalytic NPs are well-decorated without aggregation on one dimensional porous WO3 nanofibers (NFs) that assures a high surface area, good gas accessibility. Thus, this unique sensing material with bio-inspired catalytic NPs can be obtained, enabling ultrasensitive and highly selective detection even toward p.p.b. level of biomarker gases and providing sensor arrays to discriminatively identify individual breath samples, consisting of simulated biomarker and controlled breath. Moreover, wearable breath sensing module that can be integrated with mobile devices was developed for application in portable and real-time diagnosis. This thesis propose high potential of SMO-based sensing layer functionalized with bio-inspired catalysts for application in breath analysis.
시대가 발전함에 따라, 신체 상태를 지속적으로 모니터링 할 수 있는, 간단하면서 정확한 질병 진단 기술이 발달이 요구 된다. 이런 맥락에서 호기 속 생체지표를 분석하여 질병을 진단하는 방법은 비침습적이며, 고통을 수반하지 않기 때문에 임상 진단을 위한 강력한 방법으로 제시되어 왔다. 호기 속의 생체지표 가스를 분석하는 방법 중 하나인 금속산화물 기반의 저항 변화식 센서는 측정 방법이 간단하면서, 소형화를 위한 합리적인 설계가 용이하고, 저렴한 비용으로 제작이 가능하다는 많은 장점이 있다. 하지만, 사람의 호기 속에는 수분을 포함한, 많은 종류의 간섭가스가 존재하기 때문에, 호기 속 극미량의 생체지표 가스를 고감도로 검출하는데 많은 한계점을 갖고 있다.
본 논문에서는 아포페리틴이라 불리는 단백질 템플릿을 이용하여 고성능 촉매 입자 합성하고, 이를 일차원 구조의 금속산화물 나노섬유에 적용시켜, 고습한 호기 분위기에서도 고감도, 고선택성을 갖는 호기 분석용 감지소재를 개발 하였다. 단백질 템플릿을 이용하여 촉매 입자를 합성하면, 단백질 껍질로 인해 서로 응집없이 금속산화물에 결착 시킬 수 있어, 촉매 활성을 극대화 시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 3 나노미터 이하의 균일한 나노입자 합성이 가능하며, 단일 종의 금속 입자 이외에 이종 촉매 입자의 합성도 가능함을 제시하였다. 단백질 템플릿으로 제조된 여러 종류의 촉매 입자를 전기방사 기술과 접목시켜, 최종적으로 감지특성이 매우 향상된 일차원 구조의 다양한 호기 분석용 감지소재 라이브러리를 제시 하였다. 이렇게 제시된 다양한 촉매-금속산화물 복합 감지소재를 이용하여 센서 어레이를 구축하고, 주성분분석을 이용해 호기가스의 패턴을 인식하여, 정상인과 환자군을 서로 구분 할 수 있다는 것을 증명하였다. 또한 웨어러블 센서를 구현하여, 운동 전과 후의 호기를 분석함으로 체지방분석이 가능하다는 것을 제시하였으며, 이로 향후 호기가스를 이용한 질병진단에 적용 가능할 것으로 기대된다.
