Research Stories
환경 노출에 영향을 받는 그래핀 바이오센서, 인터페이싱 화합물의 공유 결합을 통해 환경 안정성 확보
성균나노과학기술원 권오석 교수 · 김경호,서성은 연구원
본 연구는 병원체 검출을 위한 고감도, 고안정성 바이오센서를 개발하고자 진행되었다. 기존의 전기적 기반 현장진단(Point-of-Care Tests, PoCT) 장치들이 특정 바이오마커 검출 시 민감도와 특이도가 낮은 문제를 해결하기 위해, 그래핀 기반 나노트랜지스터를 활용한 바이오센서를 제안하였다.
그래핀 미세패턴 전계효과 트랜지스터에서 그래핀 채널상에 카벤화합물 (N-heterocylic carbene; NHC) 자기조립 단일층 (SAM) 형성시키는, 그래핀의 표면 개질, 기술을 개발하여 화학적 안정성과 바이오리셉터 부착 효율성을 높였다. 이는 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 다양한 파생화합물들을 발굴하고, 다양한 카벤화합물의 결합을 이론적, 실험적 검증을 통해 가장 안정적이고, 이상적인 화합물을 선정하여 적용함으로써, 표면에 안정적으로 결합하는 구조를 증명했다.
특히나, 카벤 화합물의 구조에서 친수성/소수성 층을 가짐으로써 안정성을 향상시키고, 비타겟 물질로 인한 간섭을 줄이는 효과를 얻었다.
카벤화합물로 개질화된 그래핀 나노트랜지스터 상에 항체나 단백질 수용체를 결합시켜 O. tsutsugamushi (쯔쯔가무시증균), E. coli (식중독균)및 SARS-CoV-2 (COVID-19) 바이러스를 100 cfu/mL 및 10 pg/mL의 미량 검출을 고성능으로 검출했으며, 임상시료를 활용해서 상용화 진단 키트 대비 약 100배 이상의 민감도를 보여주며, 높은 재현성과 성능을 입증하였다.
이를 통해, 향후 팬데믹을 포함한 고전파 감염시대에서 신속한 진단 기술로 활용 가능성을 보여주었다.
카벤화합물을 활용한 그래핀 나노트랜지스터 개발 모식도
DFT 시뮬레이션을 통한 카벤화합물 라이브러리
상: 쯔쯔가무시증균 및 식중독 균 검출 결과
하: COVID-19 배양 및 임상시료 검출 결과
휴대용 기기를 활용한 병원 현장 실증
상: 음압병실현장, 휴대용 기기, 일회용 키트)
하: 신속진단키트LFA와의 성능비교 결과