[논문 리뷰] Fabrication and Characterization of an Amperometric Glucose Sensor on a Flexible Polyimide Substrate

Xiaosong Du, Christopher J. Durgan외 11명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 22.

Analytical Chemistry and Sensors인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 전자액상프린팅, 전기화학적 도금, 스핀코팅 기술을 활용해 12.7 µm 폴리이미드 기판에 제작된 유연하고 전류형 포도당 센서를 제시한다. 센서는 포도당에 대해 선형 반응을 보이며 최대 32 mM까지의 농도에서 아세트아미노펜의 간섭 없이 작동하며, 포도당 산화효소 잉크의 전자액상프린팅 후에도 효소 활성이 유지된다.

ABSTRACT

This study details the use of printing and other additive processes to fabricate a novel amperometric glucose sensor. The sensor was fabricated using a Au coated 12.7 micron polyimide film as a starting material, where micro-contact printing, electrochemical plating and chloridization, electrohydrodynamic jet (e-jet) printing, and spin coating were used to pattern, deposit, print, and coat functional materials, respectively. We have found that e-jet printing was effective for the deposition and patterning of glucose oxidase inks between ~5 to 1000 micron in width, and we have demonstrated that the enzyme was still active after printing. The thickness of the permselective layer was optimized to obtain a linear response to glucose concentration up to 32 mM. For these sensors no response to acetaminophen, a common interfering compound, was observed.

연구 동기 및 목표

• 저비용의 적층 제조 기술을 사용해 유연하고 착용 가능한 포도당 센서를 개발하기 위해.
• 미세한 폴리이미드 기판에 전자액상프린팅을 활용해 포도당 산화효소 잉크의 정밀한 패턴 형성 가능성을 확보하기 위해.
• 최대 32 mM의 포도당 농도까지 선형 반응을 얻기 위해 투명성층 두께를 최적화하기 위해.
• 아세트아미노펜과 같은 일반적인 전기화학적 활성 물질의 간섭을 최소화하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 생체감지 성능을 확보하기 위해 프린팅 후 효소 활성 유지 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 탄성 전도성 기판으로 금속 코팅된 12.7 µm 폴리이미드 필름을 사용하였다.
• 마이크로접촉프린팅을 통해 기판 상의 전극 패턴을 정의하였다.
• 전기화학적 도금 및 염화처리를 통해 전극 표면을 수정하여 감도를 향상시켰다.
• 전자액상프린팅을 활용해 포도당 산화효소 잉크를 특징 폭 5~1000 µm 범위로 침착하였다.
• 스핀코팅을 통해 균일한 투명성층을 형성하여 질량 이동을 제어하고 선택성을 향상시켰다.
• 투명성층 두께를 최적화하여 포도당에 대한 선형 전류형 반응을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자액상프린팅은 탄성 폴리이미드 기판에 포도당 산화효소 잉크를 효과적으로 패턴화하면서도 효소 활성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 최대 32 mM의 포도당 농도까지 선형 반응을 얻기 위해 투명성층의 최적 두께는 얼마인가?
• RQ3 제작된 센서는 아세트아미노펜과 같은 일반적인 간섭물질에 대해 선택성을 보이는가?
• RQ4 전자액상프린팅 및 전기화학적 도금과 같은 적층 제조 기술이 탄성 기판에서 센서 성능에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 다양한 프린팅 및 코팅 공정의 통합은 기능성 있는 탄성 전류형 포도당 센서를 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 전자액상프린팅을 통해 5~1000 µm 범위의 특징 폭을 가진 포도당 산화효소 잉크를 성공적으로 침착하여 탄성 기판 상에서 고해상도 패턴 형성 가능성을 입증하였다.
• 전자액상프린팅 이후에도 포도당 산화효소가 효능을 유지함을 기능적 전류형 반응으로 확인하였다.
• 투명성층 두께를 최적화하여 포도당 농도가 최대 32 mM일 때까지 선형 반응을 확보하였다.
• 아세트아미노펜에 대해 검출 가능한 반응이 없음을 확인하여 이와 같은 일반적인 간섭물질에 대해 높은 선택성을 보였다.
• 마이크로접촉프린팅, 전기화학적 도금, 전자액상프린팅, 스핀코팅의 통합을 통해 얇고 탄성 있는 폴리이미드 플랫폼에서 완전한 적층 제조 공정을 실현하였다.
• 최종 센서 설계는 착용형 또는 이식형 생체감지 응용 분야에 적합한 안정성과 기능성을 보였다.