Transcript Glucose Sensor 화공생명공학과 20031263 최진하 YOUR LOGO HERE

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Glucose Sensor
화공생명공학과 20031263 최진하
Contents
1
Purpose
2
Theory
3
Procedure
4
Data & Result
5
Discussion
실험 목적
 Cyclic Voltammetry와
Chronoamperometry의 기본개념 이해와
전기화학 실험 수행
 당센서를 GOD를 이용하여 제작,
Glucose 양 측정
실험 이론
전기 화학 계측법
전위규제법
전류규제법
전기량규제
법
Chronoamperometry

1.
2.
3.
4.
작용전극의 전위를
규제하여 전류와
시간관계를 측정하는
방법
작용전극의 전위를
E1으로 설정
환원을 일으키는 E2 또는
E3까지 스텝
전극 표면에서 환원이
일어남
농도 구배의 감소로
전류는 감소
Chronoamperometry
 확산 지배 전류는 Cottrell식으로 표현
1/ 2
0
0
1/ 2 1/ 2
nFD c
i(t )  id 
 t
 한계전류
- 전극 근처에서 반응물의 농도가 0에 근접할 때
흐르는 전류의 세기
il  nFAm0C
0*
Cyclicvoltammetry
 작용전극의 전위를 시간에 따라 변화시키면
전류-시간 곡선은 전위-시간 곡선에 대응
 반복적인 전위 주사
 전류-전위 곡선을 측정하는 방법
- 정성분석 : 물질에 따라 반응하는 전위가 다름
- 정량분석 : 전류는 농도에 비례
반응량 증가로
Cyclicvoltammetry
인한 반응물량
감소
반응속도< 확산속도
R  O  ne 
반응속도 > 확산속도
에 대한 cyclicvoltammetry
Cyclicvoltammetry
 피크전위
i p  2.69 10 n
5
2/3
1/ 2
1/ 2
AD cv
 전자의 개수
0.059
E pa  E pc 
n
Glucose Oxidase(GOD)
 산소를 electron accepter로 사용
 β-D-glucose 를 산화시켜서
D-glucono-1,5-lactone과
과산화수소를 생성하는 반응을 촉매
Enzyme Kinetics
 단일 기질-효소 촉매 반응의 속도식
-- Michaelis-Menten 속도론
E  S  ES  E  P
 두 가지의 가정
(1) 빠른 평형 가정
(2) 유사 정상상태 가정
Enzyme Kinetics
 세 가지의 식이 필요함
d [ p]
(1) v 
 k 2 [ ES ]
dt
(2) d [ ES ]  k [ E ][ S ]  k [ ES ]  k [ ES ]
1
1
2
dt
(3) [ E ]  [ E0 ]  [ ES ]
Enzyme Kinetics
 세 식을 정리하면
[ E0 ][ S ] Vm [ S ]
d [ P]
v
 k2

dt
k m `[ S ] k m `[ S ]
 윗 식을 이중역수를 취하면
1 1 km 1


v Vm Vm [ S ]
Biochip
생체 유기물 + 반도체(무기물) ▶생체정보 감자소자
단백질 칩
• 활용가치가 높음
• 필요한 단백질
확보 어려움
• 변성되고 깨지기
쉬움
DNA 칩
• 특정 유전자의
존재 유무 확인
• 병의 원인, 이상
유전자등을 찾음
Lap-on-a chip
• 미량의 분석대상
물질 분석
• 흘려 보내면서
칩 안의 생물분자,
센서와 반응
Biochip
Bio Sensor
 주로 생체성분을 대상으로 하는 화학물질
계측 디바이스 (화학정보
전기신호)
실험 방법
(1) Cyclic voltammetry

Working electrode polishing 방법
ⓐ 0.3μm의 alumina powder를 2차 증류수에 disperse하여
polishing pad에 뿌리고 polishing pad에 glassy
carbon working electrode를 평행하게 3~4분 정도
돌리면서 갈아준다.
ⓑ Working electrode를 EtOH와 2차 증류수로 씻어준다.
ⓒ Working electrode를 EtOH 50%와 2차 증류수 50%를
넣은 tube에 넣어주고 sonication 시켜준다.(2~3분)
ⓓ N2 gas로 말려준다.
.
실험 방법
 Fe3(CN)63- / Fe2(CN)4-6 couple의 Cyclic Voltammetry
ⓐ 1.0mM K3Fe(CN)6 , 0.1 M KNO3 solution 5mL를
Electrochemical cell에 넣고 electrode를 배치시킨다.
ⓑ Cyclic voltammetry program을 컴퓨터상에서
실행시킨다.
ⓒ Cyclic voltammetry의 Potential 범위, scan rate,
currunte range를 선택한다.
(Scan rate는 각각 10mV/s, 20mV/s, 50mV/s, 100mV/s,
200mV/s에서 실행한다.)
ⓓ Program 시작과 동시에 cyclic voltammetry 기기를
sweep한다.
(이 실험은 황눵부터 실행되므로 negative scan을
실행하여 준다.)
ⓔ Cyclic voltammogram을 얻는다.
실험 방법
(2) Chronoamperometry
ⓐ 1.0 mM K3Fe(CN)6 , 0.1 M KNO3 solution 2 mL를
Electrochemical cell에 넣고 electrode를 배치시킨다.
ⓑ 위의 용액을 이용하여 일정한 전압(환원전위)을 걸어준
후 바탕 용액만 있을 때 용액을 저어주지 않을 때와
용액을 저어 주었을 때의 i-t 그래프를 비교해본다.
실험 방법
(3) 당 센서 제작 및 측정
- 표면에 고정된 GOD를 이용하여 glucose를
측정한다
GODOX  glu cos e  GODred  gluconolac ton
GODred  O2  GODOX  H 2O2
H 2O2  O2  2 H   2e 
실험 방법
(3) 당 센서 제작 및 측정
ⓐ 백금 작업 전극(Pt working electrode)을 polishing 한다.
ⓑ Polishing 한 백금 전극표면에 GOD 1μL를 loading한다.
ⓒ GOD가 완전히 마른 후 GOD를 전극 표면에 고정시키기 위해
Nafion 1μL를 loading한다.
ⓓ 이렇게 준비된 작업 전극을 상대 전극 (Pt counter electrode),
기준 전극(Ag/AgCl reference electrode)과 함께
potentiostat에 연결하고 0.1M, pH7.0 phosphate buffer
5mL에 담근다. 이때 용액은 magnetic stirrer를 이용하여 계속
저어준다.
ⓔ GOD에 의해 glucose가 산화되면서 생성되는 H2O2 를
측정하기 위해 0.6V(va.Ag/AgCl)의 산화전압을 걸어준다.
ⓕ Background가 안정되면 0.25M의 glucose를
micro-syringe를 이용해서 20μL씩 injection한다.
(1mM씩 증가한다.)
실험 결과
(1) Cyclicvoltammetry
1) Scan rate 변화에 따른 cyclicvoltammetry
1전자
반응
0.16
실험 결과
2)(Scan rate)1/2에 대한 peak current
Exp1. (scan rate)^1/2 & ipc
0.00E+00
0.1
0.141421
0.223607 0.316228 0.447214
-5.00E-06
ipc(A)
-1.00E-05
-1.50E-05
-2.00E-05
y = -5E-06x + 2E-07
-2.50E-05
-3.00E-05
(scan rate)^1/2
실험 결과
2)(Scan rate)1/2에 대한 peak current
Exp1. (scan rate)^1/2 & ipa
3.00E-05
2.50E-05
y = 4E-06x + 1E-06
1.50E-05
1.00E-05
i p  2.69 10 n
5
5.00E-06
2/3
(scan rate)^1/2
76
6
0.
31
62
27
79
8
36
06
0.
22
14
21
35
6
0.
1
0.
14
ra
te
^1
/2
0.00E+00
sc
an
ipa(A)
2.00E-05
1/ 2
1/ 2
AD cv
실험 결과
(2) 용액 교반 유무에 따른 chronoamperometry
실험 결과
(3) 당 센서 제작 및 당 측정
1)
Glucose injection에 따른 시간에 대한 current의 변화
실험 결과
2) Calibration curve
Calibration curve
6.00E-07
y = 5E-08x + 1E-07
Current, A
5.00E-07
4.00E-07
3.00E-07
2.00E-07
1.00E-07
0.00E+00
0
1
2
3
4
5
conc. of glucose, mM
6
7
8
실험 결과
3) Lineweaver-Burk plot
Lineweaver-Burk plot
6.00E+06
1/current, 1/A
5.00E+06
y = 3E+06x + 2E+06
4.00E+06
Vm  1 / 2 10 A
3.00E+06
6
2.00E+06
km  3 / 2
1.00E+06
0.00E+00
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1/(conc. of glucose), 1/mM
1
1.2
토의
(1) Cyclicvoltammetry에서 scan rate와 peak
current의 관계를 알 수 있었고 1전자 반응을
확인할 수 있었다.
(2) Chronoamperometry에서 교반유무에 따른
한계전류 값의 차이를 볼 수 있었다.
(3) 당센서 실험에서 glucose의 양에 따른
선형적인 전류의 변화를 확인할 수 있었다.
토의
 노이즈가 생긴 이유?
1)교반이 일정하게 되지 않았음
2)Injection시 전극을 건드림
3)시료의 양이 적음
4)Injection시 대기시간이 짧음
5)실험을 여러 번 반복해서 buffer용액의
오염
토의
 실험시 어려웠던 점
- Polishing
: 전극 표면을
깨끗하게 처리
Application
 가장 많이 응용되는 분야는 의약분야
 환경분야, 가정분야에도 영향을 미침
Ex) 일본에서는 당센서 부착한 좌변기 도입
참고 문헌
(1) 이동진, 최호상, 전기화학 개론, 도서출판 아진, 2001, pp 206208, pp 213-242
(2) Osaka, T. 전기화학측정법, 자유아카데미, 1994, pp 153-160,
pp 113-132
(3) 정윤수, 바이오센서, 고려의학, 1994, pp 5-12, pp 304-316
(4)http://www.biol.paisley.ac.uk/marco/enzyme_electrode/chapter3/
chapter3_page1.htm
(5)http://kin.naver.com/open100/db_detail.php?d1id=11&dir_id=110
205&eid=8K3oLqNj7X4Jrz1+xEkivYmbIEeILkn3&qb=udnAzL/AxKg
=
(6)http://www.cartage.org.lb/en/themes/sciences/Chemistry/Electro
chemis/Electrochemical/CyclicVoltammetry/CyclicVoltammetry.ht
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