재료의 전기화학적 감지는 생의학 분석 분야에서 지속적인 도전 과제이며, 효율적이고 지속 가능한 접근 방식이 매우 중요합니다. 본 연구에서는 마이크로파 보조 아세틸화를 통해 셀룰로오스 아세테이트를 합성하고, 이를 요산 검출을 위한 전기화학 센서로 평가했습니다. 또한, 셀룰로오스 아세테이트-폴리피롤(CAPP) 복합체도 함께 분석했습니다.
푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)과 주사 전자 현미경(SEM) 분석을 통해 효율적인 기능화와 신뢰할 수 있는 복합체 형성을 확인했습니다. 센서의 감지 거동은 순환 전압 전류법을 사용하여 조사되었습니다.
셀룰로오스 아세테이트 센서는 0.002~0.0035 mA의 전류 밀도 범위에서 요산을 감지하며, 100 mV/s의 스캔 속도에서 0.0263 mA의 피크 전류에 도달했습니다. 센서의 민감도는 1.83 × 10⁻⁴ mA/mM cm²로 측정되었습니다.
또한, 검출 한계(LOD)는 0.28 mM, 정량 한계(LOQ)는 0.85 mM으로 결정되었습니다. LOD는 배경 노이즈와 구별 가능한 최저 분석물 농도를 나타내며, LOQ는 허용 가능한 정확도와 정밀도로 정량화할 수 있는 최소 농도를 의미합니다. 이러한 결과는 우수한 센서 성능을 입증합니다.
본 연구에서 개발된 기능화 셀룰로오스 기반 센서는 생의학 분석 분야에서 요산과 같은 바이오마커를 효율적으로 감지할 수 있는 지속 가능한 플랫폼으로서의 잠재력을 보여줍니다.
기존 작물 스트레스 분석법은 파괴적이고 노동 집약적이며 연속 모니터링에 부적합하여, 작물 생리 상태의 시의적절한 정량화에 어려움이 있었습니다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하고자 스마트폰 기반 데이터 수집이 가능한 마이크로니들 기반 전기화학 바이오센싱 플랫폼을 개발했습니다.
이 플랫폼은 세 가지 혁신적인 설계를 통합합니다. 첫째, 수액 접근을 위한 완전히 통합된 속이 빈 마이크로니들-미세유체 측정 경로를 제공합니다. 둘째, 금속 전극을 조직과 직접 접촉하지 않도록 물리적으로 분리하여 삽입 부위의 마모를 줄이고 생체 적합성을 향상시켰습니다. 셋째, 적층 제조된 기판 위에 리소그래피 없이 모듈형 변환기를 제작했습니다. 이 플랫폼은 나노구조 환원 그래핀 옥사이드(rGO)-키토산 층으로 개질된 3전극 금(Au) 변환기로 구성됩니다.
개발된 바이오센싱 플랫폼은 글루코스 산화효소(GOx)와 서양고추냉이 과산화효소(HRP)를 기능화하여 글루코스와 물 스트레스 관련 과산화수소(H2O2)를 동시에 감지하는 이중 채널을 구현했습니다. 글루코스 채널은 높은 선형성과 감도(62.34 μA/mM), 낮은 검출 한계(102.50 μM)를 보였으며, H2O2 채널 또한 우수한 선형성과 감도(3.65 μA/decade), 낮은 검출 한계(3.22 μM)를 나타냈습니다. 두 채널 모두 높은 반복성(CV 1%대)을 입증했습니다.
식물 수액에서의 체외 측정 및 상업용 분석법과의 비교를 통해 분석물 농도 결정의 유효성을 확인했습니다. 다양한 급수 조건에서 재배된 옥수수 식물에 대한 체내 측정 결과, 통계적으로 유의미한 처리 효과를 관찰하여 본 플랫폼이 작물 스트레스를 비파괴적으로 추적할 수 있음을 입증했습니다. 이 기술은 농업 생산성 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.
바이오에어로졸 모니터링 기술은 환경, 임상, 산업 분야 전반에 걸쳐 혁신적으로 발전하고 있습니다. 특히, 동적 광산란(DLS), 다중파장 형광 분광법(MFS), 초분광 이미징(HSI)과 같은 광학 기법은 미생물을 실시간으로 비침습적으로 모니터링할 수 있게 합니다.
또한, 압타머, 항체, 나노물질로 강화된 전기화학 바이오센서는 민감도를 높이고 현장 테스트를 위한 휴대성을 제공하며, 매우 낮은 수준의 병원체까지 감지할 수 있습니다. 웨어러블 및 스마트 인프라에 통합된 플랫폼을 통해 개인 맞춤형 환경 건강 모니터링이 가능해졌습니다.
이러한 발전에도 불구하고, 환경 변동성, 위양성, 센서 수명과 같은 문제점들이 여전히 존재합니다. 본 연구는 이러한 문제의 발생 원인을 논의하고, 바이오센서 설계, 데이터 통합 및 표준화의 미래 동향을 탐색합니다.
본 연구는 다양한 굴절률을 가진 암세포를 조기에 감지하기 위해 준 D형 광결정 광섬유(PCF) 기반 표면 플라즈몬 공명(SPR) 바이오센서를 제안하고 유한요소법(FEM)을 활용하여 수치적으로 분석했습니다. 이 바이오센서는 플라즈몬 물질인 금(Au)과 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 고분자 코팅으로 구성됩니다.
연구팀은 플라즈몬 물질 두께와 에어 홀(air hole) 치수가 구속 손실(CL), 파장 민감도(WS), 진폭 민감도(AS) 등 주요 감지 매개변수에 미치는 영향을 체계적으로 분석했습니다. 최적값을 초과하여 플라즈몬 두께를 늘리면 에바네슨트장 침투 깊이가 감소하여 CL이 크게 증가하고 민감도는 감소하는 것을 확인했습니다. 에어 홀의 기하학적 치수 변화(±10%) 또한 센서 반응에 영향을 미쳐 정밀한 구조 최적화의 중요성을 강조했습니다.
최적화된 설계에서 제안된 바이오센서는 x-편광에서 MDA-MB-231 세포에 대해 최대 31,000 nm/RIU, y-편광에서 29,500 nm/RIU의 높은 WS를 보였습니다. 이에 상응하는 해상도는 각각 3.22 × 10−6 RIU 및 3.38 × 10−6 RIU로 낮았으며, AS는 9000 RIU−1를 초과했습니다.
본 센서에서 얻은 WS, AS 및 기타 감지 매개변수는 최근 보고된 일부 PCF-SPR 센서보다 상대적으로 높습니다. 이러한 수치적 결과는 최적화된 준 D형 PCF-SPR 바이오센서가 암세포와 관련된 굴절률 변화에 대한 향상된 민감도를 보여 조기 진단에 적합함을 시사합니다.
