There have been dramatic developments in nanotechnology, especially nano-materials and nano-structure. The physical, chemical, and mechanical properties of these nano-materials are noticed, as these properties are different from those of bulk materials. Lots of researches have been reported applyng nano-materials and nanostructures to nano-fabricaion, composite, nano-electronics, and so on.
One of the main research topic is fabrication of biosensor using nano-materials as a fusion technology, nano-bio technology. Quantum dots (0D), nanowire, nanotube, nanofiber (1D), and mesoporous media (3D) are commonly have been used as a host media for immobilization of biomolecules. The large surface area and size compatibility of nano-material help biomolecules to be stably contact to nano-material. These nano-materials provide magnetic response, optical response, of conductivity enhancement to immobilized biomolecules, acting as a signal enhancement of transducer.
In this study, the carbon-based conductive nano-materials, mesoporous carbon and carbon nanotube, were used for enzyme immobilization media. Due to their electrical conductivity, the enzyme-immobilized carbon materials have advantages in electrochemical application, biosensor and biofuel cell in the sense of electron transfer. There were suggested the immobilization methods for each nano-material, and their electrochemical properties were characterized. The carbon-based nano-materials was shown as a good candidate of a host matrix for immobilization of biomolecules, and their electrochemical properties, sensitivity in biosensor and power output in biofuel cell, were enhanced by proper immobilization method corresponding to the structure of each nano-material.
본 연구에서는 효소를 생체촉매로서 전기화학적특성의 분석 및 실제 디바이스로의 응용을 위해 탄소 기반의 나노물질들을 효소 고정화 담채로서 이용하고, 고정화된 효소들의 전기화학적 특성 및 안정성을 확인하는 것을 목적으로 진행되었다. 탄소기반 물질로서 탄소나노튜브와 다공성의 탄소 나노구조체가 이용되었다.
먼저, 기존의 연구들이 탄소나노튜브 상에 효소를 고정화함에 있어, 이차원적인 탄소나노튜브 표면만을 이용하였다는 문제를 해결하기 위하여 연구를 진행하였다. 효소는 수용성 용매에 안정적인 반면, 탄소나노튜브는 수용성 용액에서의 분산이 상당히 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 탄소나노튜브가 잘 분산되는 유기용매를 이용하여 탄소나노튜브의 박막을 제조하고, 만들어진 박막 상에 효소를 고정화하는 과정을 통해 용매로 인해 생기는 문제를 해결하고자 하였다. 또한, 탄소나노튜브의 박막에 존재하는 공극을 효소를 고정화할 수 있는 공간으로 고려하여 효소의 적재량을 증가시키고자 하였다. 제작된 탄소나노튜브 박막에 대해 바이오센서로서의 특성을 분석한 결과, 약 100배 가량의 신호 증폭 효과를 볼 수 있었다. 이는 효소의 적재량이 높아졌지만, 초기 잘 연결되어있는 탄소나노튜브의 네트워크 구조로 인해, 두꺼운 효소층에서 발생할 수 있는 전자 차폐 효과를 줄였기 때문으로 해석된다. 또한 금 나노입자를 탄소나노튜브에 도입함으로써, 약 4배의 추가적인 신호 증폭 효과를 볼 수 있었다.
다공성 탄소 구조체의 연구는 두가지로 진행이 되었다. 먼저 탄소 나노구조체의 내부 공극에 효소를 고정화하고, 효소 분자들이 다시 확산되어 나오는 것을 막기 위해 효소간에 상호결합을 시킴으로써 확산을 억제하였다. 부가적으로 상호결합 후에 있어서 바이오센서 및 바이오 연료전지에서의 전기화학적 특성 역시 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 탄소 나노구조체 내부의 공극에 효소들이 잘 채워져있음으로 해서 효소와 탄소 나노구초제 간의 전자전달이 용이해졌기 때문으로 해석되었다.
마지막으로 글라이코실된 부분을 가지고 있는 효소와 가지고 있지 않은 효소간의 전기화학적 특성을 비교하였다. 글라이코실된 부분은 전기적으로 절연체로 작용하게 되어 효소 내의 전기전달 능력을 감소시키는 역할을 하게 된다. 이는 두 효소를 탄소 나노구조체에 고정화한 후, 바이오센서와 바이오 연료전지로서의 특성을 비교함으로써 확인할 수 있었으며, 추가적으로 고정화된 효소의 전기 저항 및 전자 전달 속도를 비교하였다.
