고성능 포도당 바이오센서는 의료 분야에서 매우 요구된다. 이러한 수요를 충족하기 위해 특히 효소 없는 포도당 바이오센서가 많은 주목을 받고 있다. 그래핀 등 2차원 소재는 넓은 표면적, 우수한 전기적 특성, 좋은 생체적합성으로 지난 10년간 바이오센서 연구의 주요 초점이었다. 본 리뷰는 MoS₂ 나노복합체 기반 효소 없는 포도당 바이오센서의 최근 진전을 다룬다. 포도당 검출을 위한 두 가지 다른 기법을 소개하며 전기화학적 포도당 바이오센서에 중점을 둔다. MoS₂ 나노복합체 포도당 바이오센서의 과제와 미래 전망도 논의한다.
인체 혈액의 포도당 농도는 중요한 건강 지표다. 예를 들어 건강한 사람의 혈당은 일반적으로 3.9~6.1mM(1mM ≈ 18mg/dL) 범위이며, 이 범위를 벗어나면 신장 기능 장애, 당뇨병 등을 나타낼 수 있다[1]. 의료 수요 증가로 1967년 Updike와 Hicks의 효소 전극 보고[2] 이후 포도당 산화효소(GOx) 기반 효소 포도당 바이오센서 개발에 많은 노력이 기울여졌다. 효소 바이오센서의 단순성, 효율성, 높은 감도, 선택성에도 불구하고 높은 비용과 불안정성이라는 두 가지 주요 과제는 여전히 만족스럽게 해결되지 않았다. 이는 GOx 같은 효소를 사용하여 포도당을 간접적으로 검출하므로 비싼 촉매와 복잡한 소자 구조가 필요해 비용이 높기 때문이다[3, 4]. 또한 GOx 같은 효소는 고유한 열적, 화학적 불안정성으로 인해 온도, 습도, pH, 비생리적 화학물질에 취약하다[5, 6]. 전극 표면에 GOx를 고정하는 것은 우수한 안정성과 재현성을 가진 효소 포도당 센서 제작에 또 다른 어려움을 더한다[7, 8].
사물인터넷 발전 덕분에 저비용 고신뢰성 센서가 점점 더 주목받고 있다. 이러한 수요를 충족하는 포도당 센서를 위해 효소 없는 전기화학 바이오센서가 단순성, 높은 감도, 안정성 등 여러 장점으로 인기를 얻고 있다[9-12]. 효소 없는 전기화학 바이오센서는 전기촉매 산화를 통해 포도당을 직접 검출하므로 값비싼 효소 사용을 피하고 주변 환경에서 안정성을 개선한다. 이러한 바이오센서는 휴대용 기기와의 결합 및 실시간 포도당 검출에 새로운 기회를 열 것으로 기대된다[13]. 실용적인 효소 없는 포도당 센서의 핵심은 저렴하고 신뢰성 있으며 생체적합하고 풍부한 촉매다. 이를 위해 2D 소재와 나노입자의 복합체 등 나노복합체가 바이오센서 전극 소재로 널리 채택되어 왔다[14]. 특히 2D 소재 기반 바이오전자공학은 넓은 비표면적, 우수한 전도성, 용이한 합성 등 2D 소재의 독특한 물리화학적 특성 덕분에 흥미로운 학제간 분야로 부상했다. 예를 들어 2D 소재의 넓은 비표면적은 하이브리드화를 통한 쉬운 표면 기능화를 가능하게 한다. 높은 전도성은 2D 소재에서 효율적인 전하 이동과 수집을 허용한다. 다양한 2D 소재 중 그래핀과 그 유도체가 바이오센서에서 가장 많이 연구된 소재임은 의심할 여지가 없다[15]. 전자공학과 광전자공학에서 널리 탐구된 또 다른 2D 소재군도 바이오전자 소재로서 장점을 보인다. 전이금속 디칼코게나이드(TMD), 특히 이황화 몰리브덴(MoS₂)은 넓은 비표면적, 화학적 비활성, 표면 기능성 등 유사한 장점을 가진다. TMD 나노시트에는 고유한 원자 구조 덕분에 외부 이온이나 분자의 삽입이 용이하다[16]. MoS₂를 다른 2D 소재와 돋보이게 하는 중요한 특성은 노출된 가장자리에서 기인한 높은 촉매 활성이다[13]. 그러나 MoS₂의 단점도 명확하다. 그래핀에 비해 2D MoS₂ 시트는 훨씬 낮은 전기 전도성을 가진다. MoS₂ 나노시트의 재적층은 전하 이동과 활성 반응 부위를 더욱 제한한다.
최근까지 2D MoS₂ 기반 효소 없는 포도당 센서에 대한 연구는 미미했다. MoS₂ 기반 전기화학 소자의 낮은 성능은 고유한 낮은 전도성을 성공적으로 해결한 여러 방법으로 잘 극복되어 왔다. 일부 MoS₂ 기반 전기화학 포도당 바이오센서는 그래핀 대비 성능을 초월하는 것으로 보고되었다[17]. 전기화학 바이오센서 외에도 전자공학과 광전자공학에서 MoS₂의 진전을 활용한 저비용 비전기화학적 방법도 최근 2D MoS₂에 대해 연구되었다[18]. 본 리뷰에서는 MoS₂ 기반 포도당 바이오센서의 최근 발전을 요약한다. 특히 'MoS₂ 나노복합체 기반 전기화학적 포도당 바이오센서' 섹션에서 전기화학적 바이오센서를 자세히 다룬다. 'MoS₂ 전계효과 트랜지스터를 이용한 고감도 포도당 검출' 섹션에서는 포도당 검출용 MoS₂ 전계효과 트랜지스터를 간략히 소개한다. 마지막으로 MoS₂ 나노복합체 포도당 바이오센서의 결론과 미래 전망을 제시한다.
수십 년간 금속이나 합금이 포도당의 직접 전기촉매 산화를 위한 주요 촉매 옵션이었다[19]. 지난 10년간 넓은 표면적과 독특한 물리화학적 특성을 가진 2D 소재가 전기화학 센싱, 에너지 저장, 전자공학 등 많은 분야에 새로운 기회를 열었다[20]. 전기화학 바이오센싱 측면에서 서로 다른 2D 소재와 촉매의 나노복합체는 기존 촉매보다 뚜렷한 이점을 보인다. 이들 소재 간의 시너지 결합, 즉 시너지 효과는 촉매 활성을 크게 향상시킬 수 있다[21]. 특히 그래핀이나 그래핀 유도체 기반의 많은 나노복합체가 효소 없는 포도당 센서에 개발되어 적용되었다. 층상 MoS₂는 그래핀과 소재 특성을 공유하므로 유사한 이점을 가질 것으로 기대된다. 특히 층상 MoS₂ 나노시트는 많은 가장자리를 가지며, 이는 기능화된 그래핀 시트와 유사하게 촉매 반응의 활성 부위로 작용한다[22, 23].
실제로 Huang 등은 수열법으로 MoS₂ 나노플라워를 합성했다[24]. MoS₂ 나노플라워와 키토산/Au 나노입자 복합체로 수정한 유리탄소 전극은 비스페놀 A 산화에 대한 뚜렷한 과전압 감소를 보였다. 나노복합체 센서는 순환 볼타모그램에서 전류가 크게 증가함으로써 비스페놀 A의 효율적인 전기촉매 산화를 입증했다. 비스페놀 A 검출에 대해 0.05~100μM의 좋은 선형 검출 범위를 얻었고, 매우 낮은 5nM의 검출 한계가 추정되었다. 이 연구는 Au/MoS₂ 나노복합체의 우수한 전기촉매 활성과 시너지 효과를 명확히 입증했다. 마찬가지로 MoS₂ 기반 나노복합체가 효소 없는 포도당 검출에 사용되었다. 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 계면활성제로 사용하여 수열법으로 넓은 표면적을 가진 MoS₂ 플라워를 합성했다[25]. 마이크로플라워의 형태는 반응 용액의 pH, CTAB 계면활성제 농도, 어닐링 온도로 제어할 수 있다. 500°C 어닐링 온도에서 얻은 MoS₂ 마이크로플라워는 좋은 결정 품질을 보여 향상된 전하 이동을 나타냈다. 흥미롭게도 전기화학적 효소 없는 포도당 검출 테스트에서 아무런 기능화 없이 MoS₂ 마이크로플라워 전극이 570.71 μA mM⁻¹ cm⁻²의 높은 감도를 제공했다. 또한 센서는 최대 30mM의 넓은 선형 검출 범위를 보였다.
Cu, Ni, Co, Fe 같은 외래 금속으로 도핑되거나 하이브리드화된 MoS₂ 촉매의 시너지 효과도 포도당의 전기화학 촉매 활성 향상에 적용된다. Huang 등은 구리의 포도당 산화에 대한 강한 전기촉매 활성과 MoS₂ 나노시트의 넓은 표면적 및 활성 가장자리 부위의 장점을 결합했다[26]. Cu 나노입자로 장식된 MoS₂ 나노시트는 포도당 산화를 향한 전기촉매 활성을 보였다. Cu/MoS₂ 나노복합체 포도당 센서에 대해 1055 μA mM⁻² cm⁻²의 높은 감도와 최대 4mM의 선형 검출 범위가 보고되었다. 감도는 MoS₂ 마이크로플라워 전극에서 측정된 값의 거의 2배였다. 센서는 요산, 아스코르브산, 도파민에 대한 포도당 검출에서 좋은 선택성도 입증했다. 이들 화학물질로 인한 간섭 전류는 포도당으로부터의 전류의 약 2.1~5.2%에 불과하며, 이러한 낮은 간섭 전류 수준은 생리학적 농도에서 무시할 수 있다.
또 다른 매력적인 후보는 Ni로, Ni/그래핀 하이브리드에 대해 광범위하게 연구되어 왔다. Cu와 마찬가지로 Ni도 풍부한 금속이다. Ni³⁺/Ni²⁺ 산화환원 쌍은 알칼리성 매체에서 인상적인 촉매 활성을 제공한다. 따라서 Huang 등은 MoS₂ 나노시트를 촉매 지지체로 사용하여 Ni 나노입자를 고정시켰다[27]. MoS₂ 나노시트는 에탄올/물 혼합 용매에서 액상 박리법으로 MoS₂ 분말로부터 합성했다. NiCl₂·6H₂O 전구체와 N₂H₄·H₂O, NaOH 용액을 첨가한 후 MoS₂ 나노시트-에틸렌 글리콜 용액을 60°C에서 1시간 가열하여 MoS₂ 나노시트 위에 Ni 나노입자를 환원시켰다. Ni-MoS₂ 하이브리드를 유리탄소 전극에 증착하여 포도당 센서 전극을 제조했다. Ni/MoS₂ 하이브리드 수정 전극의 순환 볼타모그램은 Ni 수정 기준 전극보다 더 높은 전류로 포도당 산화를 명확히 보여주었다. 향상된 전기촉매 활성은 MoS₂ 나노시트의 더 많은 활성 부위와 2D 소재 지지체 상에서 감소된 Ni 나노입자 응집에 기인했다. 전류측정 결과 최대 4mM의 좋은 선형 검출 범위, 1824 μA mM⁻¹ cm⁻²의 높은 감도, 신호/잡음비 3(S/N=3)에서 0.31μM의 낮은 검출 한계가 확인되었다. Cu/MoS₂ 나노복합체 포도당 센서와 비교하여 Ni/MoS₂ 나노복합체 사용으로 감도가 추가로 향상되었다. 도파민, 아스코르브산, 요산 등 간섭 물질이 포도당 검출에 미치는 영향도 미미한 것으로 나타났다. 더 중요하게는 센서가 좋은 재현성과 높은 안정성을 보였다. 주변 보관 4주 후 센서 응답의 무시할 만한 3.4% 감소가 측정되었다. 또한 Anderson 등은 콜로이드 은 나노입자를 MoS₂와 결합시킨 고감도 비효소 포도당 바이오센서를 보고했다[28]. Ag 나노입자 도입은 MoS₂의 고유한 낮은 전도성을 해결하기 위함이었다. 9044.6 μA mM⁻¹ cm⁻²의 우수한 감도와 0.03μM의 낮은 검출 한계가 보고되었으나 선형 검출 범위는 최대 1mM에 불과했다.
MoS₂의 전기촉매 활성은 그래핀과의 하이브리드화로 추가 향상될 수 있다. MoS₂의 낮은 고유 전도성은 높은 촉매 활성을 저해한다. 전기화학 반응이나 일반적인 전자 응용에서 MoS₂ 나노소재 간 전하 이동은 느리다. 반면 그래핀은 우수한 전기 전도성을 가지며 MoS₂ 나노소재의 느린 전자 수송에 즉각적인 해결책이 될 수 있다[29]. Jeong 등은 원팟 수열법으로 3차원(3D) MoS₂/그래핀 에어로젤 나노복합체를 제작했다[13]. 2D 기준 시료 대비 3D 다공성 구조 사용으로 향상된 전기촉매 활성이 관찰되었으나 포도당 산화효소 사용으로 제작이 복잡해지고 효소 센서와 동일한 문제에 직면했다. Geng 등은 용이한 확장 가능한 방법으로 환원된 산화그래핀 위에 Ni 도핑 MoS₂ 나노입자를 장식한 Ni-MoS₂/rGO를 합성했다[30]. 그림 1a와 같이 Hummers와 Offeman 법으로 합성한 산화그래핀을 CH₃COOH와 탈염수와 혼합했다. (NH₄)₂MoS₄와 Ni(CH₃COO)₂·4H₂O를 다른 몰비로 산화그래핀 용액에 첨가하여 Ni-Mo 전구체 용액을 제조했다. 80°C에서 원심분리 및 건조 후 Ni-MoS₂/rGO 현탁액을 얻었다. 수집된 Ni-MoS₂/rGO 현탁액을 N₂ 분위기에서 600°C로 4시간 소성했다. 얻은 Ni-MoS₂/rGO 나노복합체를 비효소 포도당 검출에 사용했다. 그림 1b는 Ni-MoS₂/rGO 나노복합체로 수정된 센서 전극의 포도당 용액 연속 첨가에 대한 전류측정 응답을 보여준다. 각 포도당 첨가 후 전류가 뚜렷하게 증가했다. 또한 그림 1b 인셋은 센서가 5μM 낮은 포도당 농도에도 반응할 수 있음을 보여준다. 포도당 농도에 따른 추출된 전류 신호는 그림 1c에 도시되어 센서의 넓은 선형 검출 범위 0.005~8.2mM을 명확히 보여주며, 이는 일반적인 인간 혈당 범위를 잘 커버한다. 계산된 감도와 검출 한계는 각각 256.6 μA mM⁻¹ cm⁻², 2.7μM(S/N=3)이다. 앞서 보고된 것들에 비해 감도와 검출 한계는 현저히 낮으나 선형 검출 범위는 잘 개선되었다. 이 연구는 Ni-MoS₂/rGO 복합체 사용으로 1.83×10⁻³ cm²s⁻¹의 확산 계수와 6.26×10⁵ cm³mol⁻¹s⁻¹의 촉매 속도 상수로 향상된 전자 수송 속도와 전기촉매 활성을 추가로 보고했다. 그림 1d와 같이 센서를 건조 조건에서 보관 시 1mM 포도당에 대한 전류 응답이 15일간 거의 변하지 않아 좋은 안정성을 보였다. NaCl, 도파민, 요산, 아스코르브산, VB 등 일반적인 간섭 화학물질의 영향도 조사했다. 결과는 그림 1e에 보이며 이들 화학물질이 신호 전류에 미치는 영향은 미미하다. 정상 혈청에서 전형적인 간섭 물질 농도인 0.1mM NaCl, 도파민, 요산, 아스코르브산, VB에 의한 전류 변화는 2.5mM 포도당에 대한 전류 응답의 각각 0.76%, 2.77%, 6.03%, 0%, 2.51%, 0.63%에 불과하다. 마지막으로 이 연구는 Ni-MoS₂/rGO 센서로 측정된 농도와 병원 보고 값 간의 좋은 일치를 입증하여 실용적 응용을 위한 센서의 큰 잠재력을 보였다[30].
a Ni-MoS₂/rGO 복합체 합성 개략도. b 포도당 연속 첨가에 대한 Ni-MoS₂/rGO 센서의 전류측정 응답. c 다양한 포도당 농도에 대한 추출된 응답 전류. d 15일간 전류측정으로 측정한 센서 안정성 테스트. e 2.5mM 포도당과 0.1mM 간섭 화학물질의 전류측정 응답 비교. [25]에서 재인용, Copyright 2017, Elsevier 허가
MoS₂ 나노복합체에서 전하 이동을 개선하는 또 다른 방법은 또 다른 고전도성 생체적합 탄소 소재인 탄소나노튜브(CNT)와 하이브리드화하는 것이다. 이 방식은 MoS₂ 나노소재의 재적층을 잘 제한하여 더 많은 활성 반응 부위를 제공할 수 있다. CNT는 3D 구조로도 널리 합성되어 에너지 저장, 에너지 수확, 센싱 등에 적용되어 왔다[31-33]. Li 등은 Co 산화물 나노입자와 CNT가 하이브리드화된 MoS₂ 나노시트의 3D 나노복합체를 제조했다[34]. Co 산화물 나노입자는 전기촉매 활성 향상을 위해, CNT는 전도성 향상을 위해 사용되었다. Co-MoS₂/CNT 나노복합체 합성에 사용된 원팟 수열법을 그림 2a에 간략히 보였다. CNT, 0.1mmol Co(CH₃COO)₂·4H₂O, 1.35mmol Na₂MoO₄, 7.5mmol L-시스테인 혼합물을 테플론 라이닝 스테인리스 오토클레이브에 넣고 180°C에서 24시간 유지했다. 생성물을 냉각, 원심분리, 탈염수와 무수 에탄올로 세척했다. 세척된 Co-MoS₂/CNT 나노복합체를 60°C에서 6시간 진공 오븐에서 건조했다. Co-MoS₂/CNT 나노복합체의 SEM과 TEM 이미지를 그림 2b, c에 보였다. 직경 약 20nm의 전형적인 3D 번들 CNT가 관찰되었다. TEM 이미지는 MoS₂ 나노시트에 부착된 중공 CNT를 명확히 보여준다. 이러한 구조는 MoS₂ 나노시트를 지지하고 Co 나노입자를 고정하는 고전도성 매트릭스 역할을 한다. 이렇게 조밀하게 패킹된 Co-MoS₂/CNT 나노복합체는 충분한 촉매 활성 가장자리를 제공할 뿐만 아니라 반응 중 효율적인 전하 이동을 허용한다. 더 중요하게는 조밀하게 패킹된 Co-MoS₂/CNT 구조와 MoS₂의 상당히 큰 층간 간격 0.65nm(CNT의 0.34nm보다 큼)가 MoS₂/CNT 복합체의 재적층을 효과적으로 억제한다. Co-MoS₂/CNT 나노복합체로 만든 효소 없는 센서의 성능을 조사하기 위해 전형적인 순환 볼타모트리와 전류측정이 수행되었다. 그림 2d는 연속적인 포도당 첨가에 대한 Co-MoS₂/CNT 센싱 전극의 전류측정 응답(0.65V vs Ag/AgCl)을 보여준다. 포도당 첨가에 대한 뚜렷한 단계적 전류 증가가 관찰되었다. 그림 2e와 같이 최대 5.2mM의 좋은 선형 검출 범위가 달성되었다. 계산된 감도는 131.69 μA mM⁻¹ cm⁻²이다. 상대적으로 낮은 감도에도 불구하고 그림 2f에서 극도로 낮은 80nM의 검출 한계(S/N=3)를 얻었다.
a Co-MoS₂/CNT 수열 조립 개략도. b SEM, c 합성된 Co-MoS₂/CNT의 TEM 이미지. d 포도당 연속 첨가에 대한 Co-MoS₂/CNT 센서의 전류측정 응답. e 다양한 포도당 농도에 대한 추출된 응답 전류. f 80nM 포도당에 대한 Co-MoS₂/CNT 센서의 전류측정 곡선. [29]에서 재인용, Copyright 2019, Elsevier 허가
금속-2D 소재 하이브리드가 보여준 시너지 효과와 유사하게, 이금속 합금과 나노구조도 향상된 촉매 성능을 보이며 센싱[35], 에너지 수확[36, 37] 등 많은 응용에 좋은 잠재력을 보였다. Li 등은 최근 비효소 과산화수소 및 포도당 검출을 위한 Au-Pd 이금속 나노입자를 합성했다[5]. Au-Pd/MoS₂ 센서 전극 제작을 그림 3a에 보였다. MoS₂ 나노시트는 액상 박리법으로 제조했다. Au-Pd 이금속 나노입자는 화학적 환원법으로 합성했다. 제조된 Au-Pd/MoS₂ 나노복합체를 유리탄소 전극에 증착하여 화학 센싱에 사용했다. 그림 3b와 같이 포도당 연속 첨가에 따라 좋은 전류 단계가 관찰되었다. 측정된 선형 검출 범위 0.5~20mM은 정상 인간 혈당 범위를 훨씬 초과한다(그림 3c). 고가의 금속으로 만들어진 기존 이금속 나노입자 대신 Ma 등은 금 나노입자-폴리피롤(PPY) 공동 장식 MoS₂ 나노복합체를 설계했다[38]. 금속/전도성 고분자 하이브리드는 센서 전극의 표면적과 전도성도 개선할 것으로 기대된다. 또한 전도성 고분자 사용은 전기화학 센서의 비용을 추가로 절감할 수 있다. 제작된 MoS₂-PPY-Au/유리탄소 전극은 0.08nM의 놀라운 낮은 검출 한계, 거의 간섭 없는 선택성, 3주 이상의 긴 안정성을 보였다. 그러나 센서 감도는 37.35 μA·μM⁻¹·cm⁻²에 불과하고 검출 범위도 0.1~80nM로 다소 제한적이다.
a Au-Pd/MoS₂ 나노복합체 합성 및 비효소 전기화학적 H₂O₂, 포도당 센싱을 위한 유리탄소 전극 조립 그림. b 포도당 연속 첨가에 대한 Au-Pd/MoS₂ 나노복합체 센서의 전류측정 응답. c 다양한 포도당 농도에 대한 추출된 응답 전류. [5]에서 재인용, Copyright 2017, Elsevier 허가
금속 외에도 높은 촉매 활성을 가진 금속 산화물도 전기화학 촉매 개선을 위해 시도되었다. 높은 전기촉매 활성 외에도 금속 산화물의 저비용은 저비용 전기화학 센서에서 과소평가할 수 없는 또 다른 장점이다. 다양한 금속 산화물 중 다양한 형태의 Cu₂O 나노소재가 여러 응용에서 촉매용으로 유망하다. Fang 등은 비효소 포도당 검출을 위해 Cu₂O 나노입자로 장식된 MoS₂를 연구했다[39]. Cu₂O/MoS₂ 하이브리드 수정 전극의 전류측정은 0.01~4mM의 좋은 선형 범위를 보였다. 추출된 검출 한계는 약 1μM이다. 감도는 3108.87 μA mM⁻¹ cm⁻²로 계산되어 대부분의 MoS₂ 기반 비효소 포도당 센서보다 높았다. 결과는 저비용 비효소 포도당 센서를 위한 금속 산화물의 좋은 잠재력도 나타낸다. MoS₂ 나노복합체 기반 효소 없는 포도당 바이오센서 비교를 표 1에 제시했다.
MoS₂ 전계효과 트랜지스터(FET)는 높은 스위칭 전류비, 낮은 누설 전류, 작은 서브임계 스윙, 높은 이동도 등 여러 장점을 가진다[41, 42]. 우수한 전자적 특성과 기계적 견고성 덕분에 MoS₂ 트랜지스터는 저에너지, 저비용, 웨어러블 전자공학에 좋은 전망을 보인다[43, 44]. MoS₂ 트랜지스터 기반 바이오센서, 포토디텍터, 가스 센서 및 그 유연 대응물들이 최근 보고되었다[45]. MoS₂ 트랜지스터의 장점은 이러한 센서를 고감도, 저전력 소비, 휴대 가능하게 만든다. MoS₂ FET는 습도, H₂O₂, NO, NO₂, NH₃, DNA 등 다양한 센서로 보고되었다[46-49]. Shan 등이 포도당 검출을 위한 최초의 MoS₂ 기반 전계효과 트랜지스터를 보고했다[40]. 그림 4a와 같이 백게이트 MoS₂ FET를 SiO₂/Si 기판에 제작했다. 소스와 드레인 전극은 포토리소그래피와 전자빔 리소그래피로 패터닝했다. Au/Ni(70nm/10nm) 접점을 증착법으로 증착했다. 약 2μm × 3μm 크기의 MoS₂ 채널 소재가 기계적 박리로 박리되어 그림 4b와 같이 사전 패터닝된 전극에 전사되었음에 유의해야 한다. 제작된 트랜지스터를 시료 셀에 넣고 테스트했다.
a 백게이트 MoS₂ 트랜지스터 개략도. b 소스와 드레인 전극 사이의 MoS₂ 채널 소재 광학 현미경 이미지. c 다양한 포도당 농도에 대한 실시간 전류 응답. d 0~30mM 포도당 농도에 따른 MoS₂ FET의 응답 전류 Ids. 인셋은 0~1.0μM 낮은 포도당 농도에 대한 추출된 응답 전류. [44]에서 CC BY-NC 3.0 하에 재인용
다양한 포도당 용액 농도에서 측정된 Ids-Vds 곡선은 포도당 농도 증가에 따라 소스-드레인 전류가 명확히 증가함을 보였다. 포도당 농도에 GOx 효소가 첨가되었음에 유의해야 한다. 따라서 검출은 완전히 효소 없는 것은 아니다. 포도당 농도 증가에 따른 채널 전류 증가는 효소적 포도당 산화에 기인했다. 반응에서 생성된 전자가 n형 MoS₂ 채널로 이동하여 전도도를 증가시켰다. 센서의 포도당 응답을 보이기 위해 다양한 포도당 농도 연속 첨가로 실시간 Ids 측정을 수행했으며 그림 4c에 보였다. 측정은 순수 PBS 용액으로 시작하여 이전보다 1mM 더 높은 포도당 농도 용액을 매분마다 놓았다. 다양한 포도당 농도에 대한 소스-드레인 전류 응답을 그림 4d에 도시했다. 분명히 MoS₂ FET 센서는 최대 30mM까지 포도당 검출을 위한 매우 큰 선형 범위를 보인다. 낮은 포도당 농도 용액으로 테스트를 반복하여 MoS₂ FET 센서의 검출 한계와 감도를 조사했다. 그림 4d 인셋과 같이 센서는 300nM 낮은 포도당 농도의 존재를 명확히 검출할 수 있다. MoS₂ FET 포도당 바이오센서의 감도는 260.75 mA mM⁻¹로 계산되었다. 높은 감도와 낮은 검출 한계 외에도 소자는 최대 45일까지 높은 안정성을 보였다. 그러나 현재 소자는 검사 중인 포도당 용액에 GOx 효소 첨가를 필요로 하므로 휴대용 응용에는 덜 실용적이다.
본 미니 리뷰는 MoS₂ 나노복합체 기반 효소 없는 바이오센서 개발을 위한 최근 노력을 제시한다. 이 출판물들은 모두 감도, 선형 검출 범위, 검출 한계 측면에서 고성능 포도당 센서를 위한 용이하고 저비용한 수단을 제시했다. 이 연구들은 의심할 여지 없이 저비용 고감도 포도당 센서를 향한 새로운 기회를 열었다. 이러한 발전은 2D 소재, 금속 나노소재, 촉매 산화물 나노입자의 새로운 나노복합체 합성의 최근 진전에 크게 의존한다. 이 방향으로 더 많은 노력이 투자될 것으로 예상되며, 축적된 경험은 센싱 응용을 위한 관련 소재의 미래 연구에 매우 유익할 것이다.
그러나 동시에 임상 또는 기타 실용적 응용을 위해 아직 많은 노력이 필요함을 인식해야 한다. 이러한 소자의 안정성과 재현성은 아직 개선되어야 한다. 지금까지 제한된 보관 시간이나 건조 조건만 사용되었다. 둘째, 화학 합성 방법은 용이하고 저비용이나 방법이 확장 가능한지는 불분명하다. 잉크젯 프린팅 같은 새로운 기술이 센서의 반복 가능한 대량 제작에 사용될 수 있다. MoS₂ 기반 전기화학 센서가 탄소 소재 기반 대응물과 경쟁력 있는 성능을 보이지만, MoS₂의 장점(예: 촉매 활성 가장자리)은 실질적이지 않다. 비효소 포도당 검출에서 추가 개선을 위해 MoS₂의 독특한 특성을 진정으로 활용할 여지가 분명히 많다. 게다가 MoS₂ 나노복합체 기반 유연 포도당 바이오센서 개발은 의료 분야의 유연 센싱에 중요하며 시장에서 더 경쟁력이 있을 것이므로 향후 연구 핫스팟이 될 것이다.
마지막으로 MoS₂ FET 기반 센서는 포도당 검출에서 우수한 성능을 보인다. 최근 MoS₂ FET의 발전을 고려할 때 이 방향은 저비용 포도당 센서 및 기타 유형의 화학 센서 개발에 매우 유망해 보인다. 현재 MoS₂ FET 포도당 센서에 대한 보고된 연구가 GOx-도핑 포도당 용액에만 기능했음을 재강조해야 한다. 향후 연구는 MoS₂ FET 포도당 센서의 더 실용적인 배치를 위해 GOx 사용을 피할 대안을 찾아야 한다.
해당 없음.
나노물질
초록 단일층 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 우수한 빛 포착 및 광검출 능력으로 차세대 광전자공학에 유망한 잠재력을 보입니다. 포토디텍터는 센싱, 이미징, 통신 시스템의 중요한 구성요소로 광신호를 전기신호로 변환하여 인지합니다. 본 연구에서는 일액상 화학기상증착법으로 대면적 고품질 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합을 합성했습니다. 체계적 특성 분석으로 채널 물질의 좋은 균일성과 날카로운 계면이 검증되었습니다. 그 결과 광게이팅 효과로 향상된 포토디텍터는 ~567.6 A/W의 응답도와 ~7.17 × 10¹¹ Jones의 검출도
이 튜토리얼에서는 아두이노 기반 RC 호버크라프트를 만드는 방법을 배웁니다. 프로펠러를 포함한 호버크라프트 부품 설계 및 3D 프린팅부터 전자 부품 연결, 아두이노 프로그래밍까지 전 과정을 보여드리겠습니다. 다음 영상을 시청하거나 아래 작성된 튜토리얼을 읽어보세요. 개요 호버크라프트 제어에는 이전 영상에서 만든 DIY 아두이노 RC 송신기를 사용했습니다. 오른쪽 조이스틱으로 후면 러더(방향타) 위치를 제어하는 서보 모터를, 포텐셔미터 하나로 리프트 프로펠러(브러시리스 DC 모터 장착)를, 왼쪽 조이스틱으로 추진력을 제어합니다.
