Graphene 의최신연구동향 3 DNA Sensors 실제의학진단에서사용되기위한 DNA 센서는다음과같은특성을가져야한다. 감도가우수하고선택적이며빠르고가능한저렴한분석할수있어야한다 [1]. 이러한목적에적합한후보중하나가그래핀이다. 최근에보고된그래핀을이용한 DNA 검출결과를살펴보자. 1. 화학적으로환원된산화그래핀이용 [2] (Chemically reduced graphene oxide (CR-GO)) 전기화학센서 [3] 와바이오센서로 CR-GO modifided glassy carbon (CR-GO/GC) electrode가이용될수있다. 이전극은흑연 /GC, GC 전극들과비교하였을때네개의 DNA 염기들 (A, T, G, C) 에대한매우증가된전기화학적활성으로인하여 single-stranded single-stranded DNA (ssdna) 와 double-stranded DNA (dsdna) 에서각염기들을검출하는데매우우수하다. 이러한특성은짧은 oligomers에대한 single-nucleotide polymorphism (SNP) 사이트를검출할수있게해줌으로써어떠한 hybridaization 또는 labeling 과정이필요없게된다. CR-GO/GC 전극을이용하여실제 DNA를검출한결과가아래의그림이다. 그림 A, B, C는 ph = 7.0에서네가지염기들에대한 GC전극, 흑연 /GC 전극, CR-GO/GC 전극에서 differential pulse voltammograms (DPVs) 의결과를보여준다. GC 전극과비교했을때흑연 /GC 전극에서는전류가감소하고 CR-GO/GC 전극에서는전류의세기가증가하는것을확인할수있다. 이러한원인은다음과같다. 흑연은전자의이동을방해하는역할을하고 CR-GO 필름은전자가더쉽게흐를수있도록도와주는역할을해주기때문이다. 이러한결과는전기화학적활성증가를의미하며이는네가지염기들이혼합되어있는상태에서도각염기들에대한차이를검출하는데적용할수있음을의미한다.
다음그림의 D는세가지전극에서네개의염기들에대한전류를나타낸것이다. CR-GO/GC 전극만이네가지염기들에대하여효율적으로검출할수있다는것이다. 다른두전극은각전극들이겹치는부분들이존재하여네염기를선택적으로검출할수가없다. 그림 E, F는 ssdna와 dsdna 용액에서세전극에대한전류를측정한결과이다. 이중에서 CR-GO/GC 전극만이효과적으로분리된높은전류신호를준다는것을알수있다. 이러한증가된전기화학적활성은 CR-GO/GC 전극이 single-sheet nature, high conductivity, large surface area, antifouling properties, high electron transfer kinetics 등과같은특성을갖기때문이다. SNP는인간지놈에서유전자변형의가장풍부한형태이다. 위의특성을갖는 CR-GO/GC 전극을 SNP 검출에적용한결과가아래그림이다. 사용된 DNA는 p52 유전자의 codon 248 중에포함된 wild-type oligonucleotide 1 (5 -CAT-GAA-CCG- 3 ) 이다. SNP 검출가능한지를알아보고자 single-base mismatch oligonucleotides 2 (5 -CAT-GAA-CCA-3 ) 와 3 (5 -CAT-GAA-CTG-3 ) 이사용되었다. G --> A 돌연변이는그림 A에보이는것처럼 A, G 염기들의신호의차이로명백하게구분될수있다. 또한, 그림 C에서 G --> A 돌연변이도 T, C 염기들의전류차이로구분이가능하다. 그림 B, D는 wild-type oligonucleotide 1과 oligonucleotides 2, 3과의차이를나타낸것이다. 이러한과정은 hybridization과 labeling이없으므로매우유용하게 DNA 검출에이용될수있다.
2. Graphene Oxide Nanowalls 이용 [4] 매우날카로운엣지와수직방향성을갖는 graphene oxide nanowall (GONWs) 이 EDP(electrophoretic deposition) 에의하여흑연전극에증착되었다. 환원된 graphene nanowalls (RGNWs) 를얻기위하여합성된 GONWs이하이드라진에의하여환원되었다. 이렇게제작된 RGNW 전극은큰표면적과 edge-plane defects을가지며 differential pulse voltammetry (DPV) 를이용하여네가지염기에대한 single DNA 수준의검출한계를갖는 ultra-high-resolution의전기화학바이오센서에적용될수있다. 아래의그림은흑연전극에 EPD 방법에의하여얻어진 GONWs의 scanning electron microscope (SEM) 이미지이다. a 그림은 GONWs가증착된흑연전극으로표면이균일하게코팅된것을보여준다. 확대된 b 그림을통하여흑연전극대부분이커버되었다는것을확인할수있다. 더확대된 c 그림은매우날카로운엣지 (115 nm 두께 ) 와표면적이매우큰구조의 GONWs morphology를보여준다. 이러한수직배향성은표면에평행하게증착된 graphene nanoflakes 보다더큰표면활성을제공함으로써독특한전기화학적물성을제공할수있다. RGNWs 전극과 reduced graphene nanosheet (RGNS) 전극을이용하여다양한농도의네가지염기에대한전류측정결과가아래그림이다. 그림 a는 RGNS 전극에대한결과로써다양한농도의 dsdna에서네가지염기들에대한전류피크를보여주고있다. 그런데농도에대한전류의존관계가작은농도범위에서만성립한다. 즉, dsdna 10 mm에서 T 염기에대한전류피크가사라지게되고 0.1 um에서 C, T 염기의전류세기가 0.1 mm에서의전류세기보다크게나타나므로이영역에서검출이불가능하다. 이에반하여 RGNWs 전극은저농도에서고농도까지 (0.1 fm~10 mm) 농도와전류피크가의존관계이다.
RGNWs 전극의저농도에서검출가능한것은 high surface porosity와전자의이동을증가시켜주는 edge-plane defects 때문이다. 아래의그림은 RGNWs 전극과 RGNS 전극에서네가지염기들의농도에대한의존성을보여준다. RGNS 전극은 2.0 pm에서 0.1 um의영역에서만농도와전류간의 linearity를갖는다. 2.0 pm 보다낮은농도와 10 um 보다높은농도에서는의존성을찾을수없다. 반면에 RGNWs 전극에서는네가지염기모두에서저농도에서고농도까지전류와 linearity를보여준다. 이러한결과는 RGNWs 전극이고감도의 DNA 센서에적용될수있음을알려준다. 실제 RGNWs 전극을이용한검출한계는 9.4 zm (~5 dsdna/ml) 을결과를나타내었다. 즉, 1 ml에다섯개의 dsdna가존재하는것을검출할수있다는것이다. 또한, SNP 검출한계는 20 zm (~10 dsdna/ml) 을나타내었다. 이러한결과는 RGNWs 전극이초고감도의전기화학 DNA 센서 [5] 에적용될수있음을보여준다. References [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] M. Shou, Y. Zhai, and S. Dong, A. K. Geim, Electrochemical Sensing and Biosensing Platform Based on Chemically Reduced Graphene Oxide, Anal. Chem., 81, 5603, 2009. [3] 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.
[4] O. Akhavan, E. Ghaderi, and R. Rahighi, Toward Single-DNA Electrochemical Biosensing by Graphene Nanowalls, ACS NANO, 6, 2904, 2012. [5] M, S. Artiles, C. S. Rout, and T. S. Fisher, Graphene-based hybrid materials and devices for biosensing, Advanced Drug Delivery Reviews, 63, 1352, 2011.