의최신연구동향 그래핀을이용하여작은바이오물질들을검출한논문들을살펴보자 여기서는생물활동에매우중요한역할을하는 β-nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), dopamine (DA) 검출에대하여알아보자. β-nicotinamide adenine dinucleotide(nad + ) 과이것의환원형태 (NADH) 는많은탈수효소의공동인자들로써탈수효소의 NAD + /NADH 비율과관련된바이오센서, 바이오연료전지, 바이오전자제품등에응용하려는연구들이활발하다 [2]. 아래의왼쪽그림은 NAD + 의구조를보여주고있는데생명체에서매우중요한전자캐리어들중에하나이다. 이것의환원된상태가 NADH인데이때전자두개와수소를받아들인다. 이들을이용하여다양한연구들이진행되고있으나해결해야할문제점이있다. 그것은대부분의전지물질에서 NADH의산화가전지패시베이션 (passivation) 을겪게되어흐르는전류를감소시키게된다는것이다. NAD + 는탄소나노튜브나엣지면을갖는전극들에서 GC(glassy carbon) 전극에서보다덜패시베이션되는것이보고되었다 [3]. 위의오른쪽그림은 HOPG의 basal plane() 과 edge plane() 을보여주고있다. NAD + 와 NADH의흡착이어느쪽에서일어나는지확인하기위한실험결과가다음그림이다 [4]. 그림 A와 B는 와 에서 NADH의 voltammetric responses(cvs) 이고 a와 b는전압을걸지않은상태에서 60분동안 5 mm NADH 용액 (no potential applied) 에반응하기전후를나타낸다. 그림 C와 D는전압을 +0.9 V 를걸은상태에서 와 에서 CVs이고 a와 b는 60분동안 5 mm NADH 용액에반응하기전후이다. 각조건에서의산화피크와전류세기를정리한것이아래의표이다.
(A,a) (A, b) (B,a) (B,b) (C,a) (C, b) (D,a) (D,b) no potential potential = +0.9 V Oxidation peak (mv) 740 741 938 963 769 880 1018 1074 Peak current (µa) 41.3 45.9 10.0 8.3 38.9 19.2 4.1 1.4 전압을가하지않은상태의 ( 그림 A) 에서는 NADH와반응전후의산화피크가거의변하지않았다 (740, 741 mv). 이런무시할만한 CVs 사이의차이는 NADH가 에흡착하지않아서전극의패시베이션에대한책임이없다는것이다. 즉, 에흡착과전극패시베이션에대한책임은 NAD + 에있음을보여준다. 에서 ( 그림 A&B) 상대적으로적은산화피크의이동과피크전류의감소가 NADH 용액과반응한후에관찰되었다. 이것은페시베이션이 전극의결함사이트 에서일어난다는것을보여준다 가 의전기화학적활성을책임지는곳이고 에서는불균일전자이동이발생하지않는다 전압을 가한상태에서결과들이그림 와 이다 와 전극양쪽에서 NADH와반응전후에산화피크와피크전류가큰차이를보였다 ( 표참조 ). 이러한피크변화와전류감소는전형적인전극페시베이션을나타내는것이다. 이결과들은카르복실그룹과같은산소를포함한그래핀의 edge에서 NAD + 의흡착이일어남으로써그래핀엣지가수소로대체되면서 (NAD + NADH) 전극페시베이션을일으키는것임을알수있다. 이러한발견은 NAD + /NADH 이용하여안정한바이오센서나바이오연료전지개발에이용될수있을것이다. 다음그림은화학적으로산화된그래핀 에 의전지화학적특성을보여주고있다 전극과비교해서전자전달속도가매우증가한것을확인할수있으며 산화의피크포텐셜이 인 전극에서 에서는 로이동한것을알수있다 이것은 에존재하는높은밀도의결함
이있는사이트들이바이오물질들의전자이동을위한많은활성사이트를제공하 기때문이다 은중추신경계 신장계 호르몬계및심혈관계에서매우중요한역할을수행하는신경전달물질 이다 따라서 을빠르고간단하면서도민감한전기화학적방법으로검출하는것은매우중요하다. 그러나 DA 같이공존하는 species ascorbic acid (AA), uric acid (UA) 가 voltammetric response에서겹치기때문에 DA에대한낮은선택성과민감도를갖는다. 따라서생물학적환경에서 DA, AA, UA가같이존재할때그것들을구분하는것이중요하다. 다음그림은 catalyst-free microwave plasma enhanced chemical vapor deposition 을이용하여합성한 multilayer graphene nanoflake films (MGNFs) 에기초한전극을이용하여 DA을검출한결과이다 [6].
a 그림은 DA, AA, UA가같이존재할때서로를동시에구분할수있음을보여주고있다. ph = 7.0 PBS 용액 50 mm에 AA와 UA의농도는 1 mm, 0.1 mm로고정되어있고 DA의농도만 1 ~ 100 µm로변화시키면서측정한 differential pulse voltammetric(dpv) 결과이다. 세개의피크는각각 AA, DA, UA의산화피크를나타낸다. DA의농도가 1 ~ 50 µm 에서는 AA와 UA의피크세기는변하지않고 DA의피크만증가한다. 50 ~ 100 µm 농도에서는 AA와 UA의세기가약간감소하면서폭이넓어지고 DA의세기는증가한다. 그림 b는 DA 농도에대한전류값을나타낸것으로 MGNFs을이용한검출한계는 0.17 µm이다. 이렇게우수한검출능력은수직의그래핀 nanoflake 끝에존재하는 edge plane sites/defects와 MGNFs가전자를아래의기질로수송해줄수는있는 nanoconnetctor로써역할을잘수행하기때문이다. 다음그림은그래핀을이용하여 DA를선택적으로검출한결과를보여준다 [7]. A 그림은 DA와 AA 혼합물을농도를변화시키면서측정한결과로써 a는 blank이고 b 는 1 mm AA, c부터 m은 DA 5, 10, 15, 20, 50, 75, 100, 125, 150, 175 µm에대한결과이다. DA의농도가증가함에따라서전류값이증가하는것을확인할수있다. 상자안의그림은 DA 농도에따른전류세기를나타낸것으로 5 µm ~ 200 µm의영역에서 DA에대한높은선택성을가지고있음을선형관계로부터알수있다. 이결과는 multiwalled acrbon nanotube을이용한결과보다매우우수한결과로써그래핀과 DA 사이의높은전도도, 매우큰표면적과 π-π stacking 상호작용때문에발생한것이다. 그림 B는 AA, UA, DA이같이존재할때그래핀전극이 DA만을선택적으로검출할수있음을보여준다. AA 500 µm와 UA 500 µm을넣었을경우에는전류의변화가거의일어나지않는데반하여 5, 50, 100 500 µm의 DA를반응시켰을경우에는농도에따라서전류가증가하는것을확인할수있다.
[1] T. Kuila, S. Bose, P. Khanra, A. K. Mishra, N. H. Kim, and J. H. Lee, Recent advances in graphene-based biosensors, Biosensors and Bioelectronics, 26, 4637, 2009. [2] Y. Shai, J. Wang, H. Wu, J. Liu, I. A. Aksay, and Y. Lin, Graphene Based Electrochemical Sensors and Biosensors: A Review, Electroanalysis, 22, 1027, 2010. [3] J. A. Cracknell, K. A. Vincent, and F. A. Armstrong, Enzymes as Working or Inspirational Electrocatalysts for Fuel Cells and Electrolysis, Chem. Rev., 108, 2439, 2008. [4] M. Pumera, R. Scipioni, H. Iwai, T. Ohno, Y. Miyahara, and M. Boero, A Mechanism of Adsorption of b-nicotinamide Adenine Dinucleotide on Graphene Sheets: Experiment and Theory, Chem. Eur. J., 15, 10851, 2009. [5] L. Tang, Y. Wang, Y. Li, H. Feng, J. Lu, and J. Li, Preparation, Structure, and Electrochemical Properties of Reduced Graphene Sheet Films, Adv. Funct. Mater., 19, 2782, 2009. [6] N. G. Shang, P. Papakonstantinou, M. McMullan, Chu,A. Stamboulis, A. Potenza, S. S. Dhesi, and H. Marchetto, Catalyst-Free Efficient Growth, Orientation and Biosensing Properties of Multilayer Graphene Nanoflake Films with Sharp Edge Planes, Adv. Funct. Mater., 18, 3506, 2008. [7] Y. Wang, Y. M. Li, L. H. Tang, J. Lu, and J. H. Li, Application of graphene-modified electrode for selective detection of dopamine, Electrochem. Commun., 11, 889, 2009.