[논문 리뷰] Fabrication of glucose biosensors by inkjet printing

Tianming Wang, Christopher Cook외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 05.

Nanomaterials and Printing Technologies참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 포도당 산화효소와 스크린 프린팅된 탄소 전극을 사용하여 인쇄 기반 포도당 생체센서를 제작하기 위한 새로운 잉크젯 인쇄 방법을 제시한다. 특히 트리톤 X를 계면활성제로 사용하고 건조 중 습도를 낮추는 등의 인쇄 및 건조 조건을 최적화함으로써 커피 링 현상(커피 스탠딩)을 억제하고 포도당 농도에 대한 선형 반응을 달성하여 센서 성능과 균일성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Inkjet printing has been used to fabricate glucose sensors using glucose oxidase and screen printed carbon electrodes. By appropriate selection of printing and drying conditions we are able to fabricate sensor structures that show a good linear response to glucose concentration. In order to achieve these structures we must carefully control the spreading and drying of the enzyme solution on the carbon electrode. Carbon electrode suirfaces are hydrophobic and Triton X was used as a surfactant to allow full coverage of the electrode surface. During drying, under ambient conditions the enzyme solution segregates to form a ring deposit (coffee staining). Coffee staining is shown to be deleterious to sensor performance and it can be removed by drying in a reduced humidity environment.

연구 동기 및 목표

• 잉크젯 인쇄 기술을 활용한 저비용, 대량 생산이 가능한 포도당 생체센서 제작 방법을 개발하기 위해.
• 효소 용액 건조 과정에서 발생하는 커피 링 현상이 센서 성능과 균일성에 악영향을 미치는 문제를 해결하기 위해.
• 일관되고 높은 성능의 포도당 센싱을 달성하기 위해 인쇄 및 건조 조건을 최적화하기 위해.
• 수성 탄소 전극에 효소 용액을 정밀하게 침착할 수 있는 잉크젯 인쇄 기술의 가능성을 입증하기 위해.
• 건조 중 환경 조건을 제어함으로써 센서 반응의 선형성과 재현성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 스크린 프린팅된 탄소 전극에 포도당 산화효소 용액을 잉크젯 인쇄 방식으로 침착하였다.
• 수성 탄소 표면에 대한 젖음성 향상과 완전한 커버리지 확보를 위해 트리톤 X를 계면활성제로 첨가하였다.
• 주변 환경에서의 건조와 습도를 낮춘 환경에서의 건조를 실시하여 방울 증발과 커피 링 형성의 제어를 도모하였다.
• 다양한 포도당 농도에 대한 선형 반응 측정을 통해 센서 성능을 평가하였다.
• 용액의 확산 및 건조 거동을 체계적으로 분석하여 최적의 조건을 규명하였다.
• 계면활성제 농도와 습도가 필름의 균일성과 센서 반응에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잉크젯 인쇄는 탄소 전극에 포도당 산화효소를 어떻게 정밀하게 침착할 수 있는가?
• RQ2 트리톤 X는 수성 표면에 효소 층을 균일하게 침착하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 건조 환경(주변 대비 습도 감소)은 커피 링 현상과 센서 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 제어된 건조 조건은 포도당 센서 반응의 선형성과 재현성 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 고성능의 잉크젯 인쇄 포도당 생체센서를 얻기 위한 최적의 인쇄 및 건조 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 트리톤 X를 계면활성제로 첨가함으로써 포도당 산화효소 용액이 수성 탄소 전극 표면을 완전히 커버할 수 있었다.
• 주변 환경에서의 건조 조건에서는 커피 링 현상으로 인해 효소 침착이 비균일해지고 센서 성능이 떨어졌다.
• 습도를 낮춘 건조 조건은 커피 링 현상을 효과적으로 억제하고 더 균일한 효소 층을 형성하였다.
• 최적화된 센서는 포도당 농도에 대해 양호한 선형 반응을 보였으며, 신뢰성 있고 재현 가능한 성능을 나타내었다.
• 제어된 건조 조건은 센서의 균일성과 반응 일관성 향상에 뚜렷한 기여를 하였다.
• 본 연구는 적절한 공정 제어를 통한 잉크젯 인쇄가 고성능 포도당 생체센서 제작에 실현 가능한 방법임을 입증하였다.