Inorganic materials with well-defined microscopic and nanoscopic morphologies have attracted great attention for various applications owing to their exotic physical and chemical properties. The thesis addresses the inorganic nanomaterials-based sensing strategies for detecting the disease-related biomarkers in human blood.
Chapter 1 provides an overview of recent advances in optical and electrical sensing of Alzheimer’s disease (AD) biomarkers in clinically relevant fluids such as the cerebrospinal fluid and human blood. This chapter summarizes current challenges and future strategies for translating the sensing techniques discovered in the academic laboratories into clinical analytic platforms for early diagnosis of AD.
Chapter 2 describes the bismuth vanadate (BiVO4)-based photoelectrochemical (PEC) platform for detecting the total tau proteins. The platform is constructed by incorporating molybdenum dopant and iron oxyhydroxide (FeOOH) ad-layer into the BiVO4 photoelectrode and employing a signal amplifier formed by horseradish peroxidase-triggered oxidation of 3,3-diaminobenzidine.
Chapter 3 presents a bias-free PEC detection system based on three-dimensional metallic woodpile nanostructures. The 5-layered platinum-based woodpile electrode exhibits high oxygen reduction activities due to the large electrochemical active surface area and the effective electron transfer properties. An unbiased PEC detection system is accomplished by combining a water-oxidizing, FeOOH deposited BiVO4 photoanode with the platinum woodpile cathode.
Chapter 4 discusses the densely aligned carbon nanotubes (CNTs) sensor arrays for clinically accurate detection of multiple AD core biomarkers in human plasma. The closely packed and unidirectionally aligned CNT sensor array exhibits high precision, sensitivity, and accuracy, evidenced by a low coefficient of variation (<6%), a femtomolar-level limit of detection, and a high degree of recovery (>93.0%).
무기나노소재는 우수한 광학적, 전기화학적, 전기적 특성을 가지고 있어 다양한 응용분야에서 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 산화물 무기소재 또는 무기소재의 성질을 가지는 탄소소재의 우수한 광전기화학적 및 전기적 특성을 전세계적 미해결 난치성 질환인 치매 진단용 플랫폼 개발에 응용하는 연구를 다루었다. 구체적으로, 비스무스 바나데이트 무기물 박막의 물성을 메탈 도핑 및 촉매 증착을 통해 제어하였으며, 이를 이용한 광전기화학 센서를 구축하여 혈액 내의 타우 단백질을 펨토몰 농도까지 검출하는 데 성공하였다. 또한, 3차원 나노 구조를 가지는 메탈 기반 음극과 물 산화를 촉진하는 비스무스 바나데이트 기반 광양극을 통합하여 외부 전압 없이 빛으로만 구동하는 무-전력 구동 광전기화학 플랫폼을 개발하고, 이를 이용하여 새로운 조기 진단용 알츠하이머 바이오 마커인 미세신경섬유 경쇄를 추가적인 신호 증폭제 없이 고감도로 검출하였다. 마지막으로 탄소 나노 튜브를 고밀도 및 단방향으로 정렬하여 랜덤-네트워크 샘플 대비 전기적 성능을 30배 이상 향상시켰으며, 이를 이용하여 다중 분석물을 동시에 검출 가능한 센서시스템을 구축함으로써 높은 임상적 정확도를 가지고 알츠하이머 환자를 구별해 낼 수 있음을 증명하였다.
