Biosensors are used in various applications such as disease diagnosis, environmental monitoring, new drug development, and food hygiene. As the aging society is accelerating, the recent medical paradigm is changing to prevention through early diagnosis of disease. In addition, as the COVID-19 infection becomes prevalent worldwide, the rapid diagnosis of new diseases is also in the spotlight. It is important to construct a biosensor system that can be applied not only to one specific disease, but to be more diverse. In this thesis, we fabricated an electrical biosensor based on a thin film of carbon nanotubes formed by the solution-process to build such a system. Because carbon nanotubes have high electrical conductivity, a size of several nanometers similar to biomolecules, and a high surface area ratio, they are suitable materials for detecting minute changes occurring on the surface. In order to maximize the advantages of these carbon nanotubes, a sensor with very high uniformity and low detection limit was produced by aligning the carbon nanotubes into a single molecular layer by Langmuir-Blodgett process. It was applied for early diagnosis of Alzheimer's Disease with a diagnostic accuracy of 88.6%. Because it is not possible to determine the relationships between the thin film properties (film thickness, uniformity, alignment, and surface coverage) of the carbon nanotube thin film with this process, we fabricated a CNT-based biosensor by solution shearing process, which is flexible system and simple to control process variables. In addition, for efficient variable control, a CNT-based electrical biosensor with high sensitivity and versatility was produced by effectively optimizing sensor performance by introducing the Design of Experiment. This device was applied to detection the nucleocapsid protein of the COVID-19 virus, showing the establishment of a general-purpose sensing system.
바이오 센서는 질병의 진단, 환경 모니터링, 신약 개발, 식품 위생 등 다양한 응용분야에 사용되고 있다. 고령화 사회가 가속화되며 최근의 의료 패러다임은 질병의 조기 진단을 통한 예방으로 바뀌어 가고 있다. 또한, COVID-19 감염증이 전세계적으로 유행하게 되면서, 새로운 질병의 빠른 진단 역시 각광받고 있다. 즉, 하나의 특정 질병만을 감지할 수 있는 것이 아니라, 더 다양하게 응용될 수 있는 바이오 센서 시스템을 구축하는 것이 중요하다. 본 학위 논문에서는 이러한 시스템을 구축하기 위해 용액 공정으로 형성되는 탄소나노튜브 박막을 기반으로 전기적 바이오 센서를 제작했다. 탄소나노튜브는 높은 전기 전도성, 바이오 분자와 비슷한 수 나노미터의 사이즈, 높은 표면적 비율을 가지고 있기 때문에 표면에서 일어나는 미세한 변화의 감지에 적합한 물질이다. 이러한 탄소나노튜브의 장점을 극대화하기 위해, 랭뮤어-블라젯 공정으로 탄소나노튜브를 단분자층으로 정렬하여 매우 높은 균일성과 낮은 검출 한계를 낮는 센서를 제작했고, 이는 알츠하이머 치매의 조기 진단 센서로 응용되어 88.6%의 진단 정확도를 보여줬다. 해당 공정으로는 탄소나노튜브 박막의 두께, 균일도, 정렬도, 표면 커버리지와 같은 박막 특성과 센서 성능 간의 경향성을 확인할 수 없기 때문에 공정 변수의 제어가 간단하고 유연한 용액전단 공정으로 바이오 센서를 제작했다. 또한, 효율적인 변수 제어를 위해 Design of Experiment를 도입하여 효과적으로 센서 성능 최적화를 진행하여 높은 민감도와 범용성을 갖는 CNT 기반 전기적 바이오 센서를 제작했다. 그리고 COVID-19 바이러스의 뉴클레오 캡시드 단백질 감지에 응용하여, 범용적 센싱 시스템의 구축을 확정했다.
