대표적인 스트레스 호르몬인 코르티솔은 시상하부-뇌하수체-부신(HPA) 축에서 분비되며 심리적·생리적 스트레스의 중요한 바이오마커입니다. 지속적인 코르티솔 과발현은 쿠싱증후군과 애디슨병 같은 심각한 장애를 유발할 수 있어 신속한 현장 진단(POC) 검출이 필요합니다. 본 연구에서는 유리탄소 전극(GCE)에 고정화된 이황화 주석(SnS₂) 나노플레이크 다층막, 코르티솔 특이적 항체(C-M_ab), 우혈청알부민(BSA) 기반의 비침습적 전기화학적 침 속 코르티솔 분석법을 보고합니다. BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE 센서는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)과 순환 전류법(CV)으로 특성화되었습니다. 차동 펄스 전류법(DPV)으로 100 pM에서 100 µM까지의 코르티솔 농도에 대한 선형 응답을 확인했으며, 검출 한계(LOD)는 100 pM, 감도는 0.0103 mA M⁻¹ cm⁻²(R² = 0.9979)였습니다. 센서로 측정한 침 시료 결과가 ELISA 결과와 5% 이내 오차로 일치하여 임상적 관련성과 특이성을 입증했습니다. 이 장치는 스트레스 관련 바이오마커 모니터링을 위한 기존 면역분석법의 빠르고 비용 효율적인 대안을 제공합니다.
코르티솔은 HPA 축에서 분비되는 스테로이드 호르몬으로 심리적 스트레스 평가에 가장 널리 사용되는 바이오마커입니다. 일주기 리듬은 이른 아침에 정점에 달하고 밤에 감소하며, 조절 장애는 쿠싱증후군부터 애디슨병까지 다양한 상태를 유발할 수 있습니다. 따라서 스트레스 관련 장애(PTSD, 우울증, 자폐 스펙트럼 장애 등) 진단과 관리를 위해 정확하고 실시간인 코르티솔 모니터링이 필수적입니다.
현재 실험실 방법(크로마토그래피, 방사면역분석, ELISA, SPR, QCM)은 실험실 한정적이며 시간과 비용이 많이 들어 POC 현장 활용에 한계가 있습니다. 특이적 항원-항체 반응에 기반한 전기화학 면역센서는 간단한 장비, 빠른 판독, 저비용, 고감도로 유망한 해결책입니다. 침 속 코르티솔 측정은 비침습적이고 시료 전처리가 최소화되어 특히 매력적입니다.
다양한 금속 황화물 나노물질이 바이오센싱에 탐구되었으나, 이황화 주석(SnS₂)은 단백질 고정화 매트릭스로 거의 사용되지 않았습니다. SnS₂는 2.18-2.44 eV 밴드갭, 높은 캐리어 이동도, 우수한 화학적 안정성을 가진 n형 반도체로 전기화학적 변환 플랫폼으로 이상적입니다. 본 연구에서는 2D SnS₂ 나노플레이크를 활용하여 생리적 농도 범위에서 작동하는 고감도 코르티솔 센서를 구축했습니다.
하이드로코르티손, 항토끼 코르티솔 항체(C-M_ab), 페리/페로시안화칼륨, β-에스트라디올, 테스토스테론, 프로게스테론, 코르티코스테론, 우혈청알부민(BSA)은 Sigma-Aldrich(미국 미주리주 세인트루이스)에서 구입했습니다. 염화 주석(IV) 오수화물과 티오아세트아미드는 각각 Showa(일본)와 Alfa Aesar(영국)에서 공급받았습니다. 인산완충식염수(PBS)와 미세 연마 알루미나는 Sigma-Aldrich와 Buehler(영국)에서 얻었습니다. 모든 시약은 추가 정제 없이 사용했습니다. 상용 코르티솔 ELISA 키트(Cat # SA E-6000)는 LDN(독일)에서 구입했습니다.
SnCl₄·5H₂O와 C₂H₅NS를 70 mL 탈이온수에 녹이고 pH 7.4로 조절했습니다. 용액을 수열 오토클레이브에 옮기고 1시간 내 200°C로 가열한 후 11시간 유지했습니다. 생성된 SnS₂ 분말을 물과 에탄올로 6000 rpm에서 15분 세척하고 80°C 공기 중 건조하여 균일한 나노플레이크를 얻었습니다.
X선 회절(XRD)은 육방정계 SnS₂ 상(JCPDS 89-2358)을 확인했습니다. 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM)은 측면 크기 약 300 nm의 플레이크 형태를 보여주었습니다. 투과전자현미경(TEM)과 선택영역 전자회절(SAED)은 0.167 nm와 0.316 nm의 격자 간격을 가진 단결정 구조를 확인했으며, 나노플레이크 두께는 10 nm 미만이었습니다.
유리탄소 전극(GCE)을 알루미나 슬러리로 연마하고 5 M SnS₂ 분산액을 적하했습니다. 전극을 PBS 중 1 mg mL⁻¹ C-M_ab와 1% BSA 용액에 순차적으로 담금했습니다. 완성된 센서는 사용하지 않을 때 4°C에 보관했습니다. 검출 개념과 설정은 그림 1에 나와 있습니다.
검출 시스템의 연구 개념과 설정
전기화학적 임피던스 분광법(EIS)과 순환 전류법(CV)으로 센서의 전기화학적 거동을 평가했습니다. 모든 측정은 3전극 셀을 사용했습니다: BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE를 작업 전극, Pt 와이어를 대극, 포화 칼로멜 전극을 준극으로, 5 mM Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻를 포함한 10 mM PBS(pH 7.4)를 전해질로 사용했습니다. CV와 차동 펄스 전류법(DPV) 스캔은 -0.4 V에서 1.0 V까지 10 mV s⁻¹ 속도로 수행했습니다.
건강한 지원자 2명이 정오에 2 mL 침 시료를 제공했습니다. 시료를 -20°C에서 동결 보관 후 해동, 원심분리(3500 rpm, 15분)하여 상층액을 분석에 사용했습니다. 센서의 코르티솔 측정값을 ELISA 키트 결과와 비교했습니다.
잠재적 간섭 물질(β-에스트라디올, 테스토스테론, 프로게스테론, 코르티코스테론, 각 100 nM)을 센서에 10분간 담근 후 CV 응답을 측정했습니다. 코르티솔 검출에 미치는 영향은 5% 미만이었습니다.
ELISA는 제조사 프로토콜을 따랐습니다. 6가지 코르티솔 농도(0, 0.1, 0.4, 1.7, 7.0, 30 ng mL⁻¹)로 표준 곡선을 만들었습니다. 450 nm에서 흡광도를 읽고 결과 곡선으로 미지 시료를 정량했습니다.
XRD 패턴(그림 2a)은 육방정계 SnS₂ 상(JCPDS 89-2358)과 일치했습니다. FE-SEM 이미지(그림 2b,c)는 균일한 300 nm 플레이크형 입자를 보여주었습니다. TEM(그림 2d-f)은 0.167 nm와 0.316 nm의 층간 간격을 가진 단결정 플레이크를 확인했으며, 총 두께는 10 nm 미만이었습니다.
a SnS₂ XRD 패턴. SnS₂ 나노플레이크 FE-SEM 이미지 (b) ×250,000, (c) ×100,000. d SnS₂ 나노플레이크 TEM 이미지. e 단면 TEM 및 확대 뷰. f SAED 패턴.
GCE에 SnS₂ 추가는 산화 전류를 현저히 증가시켰습니다(그림 3a,b). 후속 항체와 BSA 개질은 전하 전달 저항을 증가시켰으며, 이는 EIS 데이터(그림 3b)에 반영되었습니다. 10-100 mV s⁻¹ 주사 속도에서 BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE의 CV는 피크 전류의 선형 증가를 보였습니다(그림 3c,d), 표면 제어 가역적 산화환원 과정을 확인했습니다.
a GCE, SnS₂/GCE, C-M_ab/SnS₂/GCE, BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE의 CV. b 각 전극의 EIS. 인셋: 등가 회로. c 산화 전류 대 주사 속도. d 전류 대 주사 속도 선형 피팅. e BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE의 CV 대 코르티솔(100 pM-100 µM). f 검량곡선(로그 코르티솔). g BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE의 DPV 대 코르티솔(100 pM-100 µM). h DPV 검량곡선.
CV와 DPV 모두 코르티솔 농도 증가에 따라 피크 전류가 단조롭게 감소함을 보였습니다. DPV는 선형 관계식 y = -0.0103x + 0.0443(R² = 0.9979)을 보였고, LOD 100 pM, 감도 0.0103 mA M⁻¹ cm⁻²였습니다. 센서의 동적 범위(100 pM-100 µM)는 침 속 코르티솔의 전체 생리적 스펙트럼을 커버합니다.
1일에서 1주일 보관된 센서에 대해 진공 건조와 4°C 두 조건에서 CV를 수행했습니다. 4°C 보관은 7일 후 산화환원 피크 전류의 91%를 보존한 반면 진공 보관은 82%였으며, 낮은 온도에서 항체 활성 안정성이 더 우수함을 나타냅니다.
BSA/C-M_ab/SnS₂/GCE의 (a,b) 진공, (c,d) 4°C 보관 시 7일간 산화환원 피크 안정성.
100 nM β-에스트라디올, 테스토스테론, 프로게스테론, 코르티코스테론 담금질 후 코르티솔 신호 변화가 5% 미만이었습니다(그림 5a), 높은 분석 특이성을 확인했습니다.
a β-에스트라디올, 테스토스테론, 프로게스테론, 코르티코스테론(100 nM) 대 코르티솔(10 nM) 간섭 연구. b ELISA와 전기화학 센서의 침 속 코르티솔 비교.
두 지원자의 침 시료에서 ELISA로 1.105×10⁻⁸ M과 3.998×10⁻⁹ M, 전기화학 센서로 1.046×10⁻⁸ M과 3.911×10⁻⁹ M의 코르티솔 농도가 나왔으며, 2-5% 차이만 있어 센서의 정확성을 확인했습니다.
표 2, 3(미표시)은 비금 기반 코르티솔 센서와 본 센서를 비교합니다. 본 연구의 장점: (1) 현저히 낮은 재료비, (2) 빠르고 간단한 제작 프로토콜, (3) 기존 장치와 동등하거나 더 나은 LOD.
본 연구는 100 pM LOD와 100 pM-100 µM 검출 범위를 가진 이황화 주석 나노플레이크 기반 전기화학 바이오센서를 입증했습니다. ELISA 정확도와 일치하며, 구조적으로 유사한 스테로이드로부터 5% 미만의 간섭을 보이고 4°C에서 7일 후 90% 이상 활성을 유지합니다. 저비용, 간단한 조립, 빠른 판독으로 POC 스트레스 모니터링의 유력한 후보입니다.
본 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 게재된 논문에 포함되어 있습니다.
나노물질
초록 GeTe는 중요한 좁은 밴드갭 반도체 소재로 상변화 메모리 및 스핀트로닉스 소자 분야에 응용되어 왔습니다. 그러나 상온 작동 적외선 광전 검출기 분야 응용은 연구되지 않았습니다. 본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링으로 GeTe 나노박막을 성장시키고 물리적, 전기적, 광학적 특성을 분석했습니다. 850 nm 빛 조사 시 상온에서 검출도 8×10¹¹ Jones를 보이는 GeTe/Si 이종접합 기반 고성능 적외선 광전 검출기를 구현했습니다. 배경 야간 투시 영상, 보안, 원격 감지, 식품 검사, 생물학 등 다양한 잠재 응용으로 적외
요약 본 논문에서는 전금속 메타물질 기반 테라헤르츠(THz) 바이오센서를 이론적으로 연구하고 실험적으로 검증했습니다. 이 THz 메타물질 바이오센서는 레이저 드릴링 기술로 제조된 스테인리스강 소재를 사용합니다. 시뮬레이션 결과, 이 메타물질 센서의 최대 굴절률 감도와 성능 지수(FOM)는 각각 294.95 GHz/RIU와 4.03으로 나타났습니다. 이어서 소혈청알부민(BSA)을 검출 물질로 선정해 바이오센서의 유효성을 평가했습니다. 실험 결과 검출 감도는 72.81 GHz/(ng/mm2), 검출 한계(LOD)는 0.035 mg/mL
