박재영 교수팀, 2차원 나노 신소재 ‘멕신’ 미세 패턴 전극 기반의

방광암 조기진단 센서 개발

- 전해도금법을 이용한 ‘멕신’ 증착 및 미세 패턴 전극 기술 개발 -

- 세계 최고의 소재 및 디바이스 연구 전문 저널 Small(IF: 11.459) 표지논문 선정 -

<박재영 교수(좌)와 Md. Sharifuzzaman 박사과정(우)>

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀은 1멕신 (MXene-Ti3C2TX)을 3분 이내의 짧은 시간 안에 2전해도금을 통하여 손쉽게 증착 및 미세 패턴을 형성할 수 있는 기술을 성공적으로 개발하였다(*용어 설명 후면 기재). 멕신은 탄소 원자로만 이뤄진 그래핀과 달리 탄소와 중금속 원자가 섞인 2차원 물질로 많은 기능성 그룹을 가진 친수성 표면, 우수한 기계적 및 전기적 특성, 넓은 표면적, 뛰어난 촉매효과, 높은 안정성 등으로 인하여, 전자파 차폐, 센서, 에너지 저장 장치, 태양전지, 에너지 수확 소자, 광학 및 반도체 소자 등 다양한 응용분야에 활용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

이러한 멕신 소재를 이용한 소자를 개발하기 위해서는 증착 및 미세 패터닝 기술이 매우 중요하다. 기존에는 3스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 4스프레이 코팅, 5딥 코팅 방식, 6진공 여과 증착 방식, 7drop-casting 방식 등이 사용되어 왔다. 하지만, 이러한 방법들은 멕신 필름의 두께 조절, 독성물질의 잔류, 표면의 기능성 그룹의 감소 등 다양한 문제점들을 갖고 있을 뿐만 아니라 미세 패터닝이 어렵다는 한계가 있다.

본 연구팀은 멕신을 전해도금법을 이용하여 5μm 스케일로 미세하게 패턴 및 증착하는 기술을 세계 최초로 개발하였고, 이를 활용하여 방광암 진단에 사용되는 바이오마커인 NMP 22 및 Apo A1 단백질을 동시에 검출할 수 있는 초고감도의 초소형 바이오센서 칩을 개발하였다. 또한, 미세 패턴의 교차전극(Interdigitated Electrode)에 acetonitrile 용액에 4-aminopyridine 및 4-(bromomethyl)-benzaldehyde에 녹인 혼합액으로 표면처리를 함으로써 NMP 22 및 Apo-A1 항체를 효율적으로 고정화 하였다. 제작된 멕신 기반 면역센서는 높은 정확도 및 선형성을 나타내었으며, 특히 Apo-A1 및 NMP 22에 대한 검출 한계는 각각 0.3 pg/mL 및 0.7 pg/mL으로 매우 우수하였다. 멕신 기반의 방광암 검출 면역센서 제작공정 기술은 다양한 바이오마커 검출을 위한 면역센서와 효소센서 등에 폭넓게 적용될 수 있다.

방광암은 60~70세 이상의 성인에게 발생하고 남성이 여성에 비해 3-4배 더 많이 발생하는, 비뇨기암중에 가장 흔한 암이다. 현재, 다양한 기법을 통하여 암 진단이 이루어지고 있으며, 이 중 전기화학 기술은 단순성, 단시간 검출, 낮은 생산비용 및 생산시스템 소형화 등이 구현 가능한 장점뿐 아니라, 소량의 바이오마커 시료를 필요로 하기 때문에 널리 사용되고 있는 기술 중 하나이다. 다양한 바이오마커 중 방광암과 관련성이 높은 바이오마커는 Apo-A1 단백질과 NMP 22 이다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업(2017M3A9F1031270)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 소재 및 디바이스 연구 전문 저널인 WILEY 출판의 Small (IF: 11.459)에 2020년 11월 19일 자에 게재 및 표지논문으로 선정되었다.

<전해도금을 이용한 멕신 증착 메커니즘 (왼쪽, 표지이미지)와 멕신 기반 방광암 진단센서 (오른쪽)>

Web link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202070250

1. 멕신 (MXene): 탄소와 티타늄 등 중금속원자를 이용해 제조한 얇은 판 모양의 2차원 신소재로 그 특성이 우수하여 다양한 응용분야에 적용하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있음

2. 전해도금: 전도성 기판 상에 전류를 인가하여 원하는 물질을 코팅하는 방법

3. 스핀 코팅: 원하는 물질이 포함되어 있는 용액이 올려져 있는 기판을 일정 속도로 회전시킴으로써 원심력을 통해 일정 두께로 코팅하는 방법

4. 스프레이 코팅: 원하는 물질이 포함되어 있는 용액을 노즐을 통해 스프레이 분사하여 코팅하는 방법

5. 딥 코팅: 원하는 물질이 포함되어 있는 용액에 넣었다 빼는 방식으로 코팅하는 방법

6. 진공 여과 증착: 원하는 물질이 분산되어 있는 현탁액을 진공펌프를 이용하여 필터를 통과시켜 필터 상에 원하는 물질을 코팅하는 방법

7. drop-casting: 원하는 물질이 포함되어 있는 용액을 일정량 떨어트려 코팅하는 방법