[8월] 그래핀을 이불처럼 덮어 3000회 측정 가능한 혈당 센서 기술 개발

민성희 2022-12-04 VIEW : 815

안녕하세요~!!! 케미러브입니다 :)

그동안 잘 지내셨나요 ?? ㅎㅎ

저는 이번에도 한국화학연구원의 따끈따끈한 연구 성과를 소개하고자 합니다.

시작해보겠습니다 ~!

‘그래핀을 이불처럼 덮어 3000회 측정 가능한 혈당 센서 기술 개발’이라는 제목의 화학 이야기를 말씀드리겠습니다.

한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터 이정오 박사님팀과 세명대학교 장아랑 교수님팀이 협업하여 하루 3회 측정시 약 1년 동안 지속적으로 쓸 수 있는 새로운 혈당 센서 기술을 개발하였습니다.

향후 웨어러블(사람의 신체에 착용이 가능한) 기기에 적용될 수 있을 것으로 기대된다고 합니다.

본격적인 해당 연구 성과의 설명에 들어가기에 앞서, 혈당 센서가 어떤 화학적 원리로 작동되는 것인지를 먼저 알아야 합니다.

혈당 센서의 원리는 ‘전기화학’이라는 학문을 이용한 것입니다.

* 전기화학(electrochemistry): 물질과 전기 사이의 작용 및 이에 따른 현상을 다루는 학문으로서, 전자전달과 관련된 화학 분야

혈당 센서는 화학종들 사이에서 전자가 왔다갔다하는 전자전달을 기반으로 만들어진 센서입니다.

이 때 전자를 잃는 모든 화학적 변화를 ‘산화’라고 합니다. 반대로 전자를 얻는 모든 화학적 변화는 ‘환원’이라고 합니다.

이러한 전기화학적 반응인 산화와 환원은 언제나 동시에 일어나며 따라서 어떤 화학종이 전자를 잃으면 다른 화학종은 전자를 얻습니다.

그렇다면 이제 혈당 센서의 기반인 전기 화학 시스템에 대해 알아보겠습니다.

전기 화학 시스템에서는 전극이 전기 활성 화학종을 포함하는 전해질과 접촉해 있으며 이러한 화학종의 산화반응이 일어나는 전극을 ‘산화 전극(anode)’ 그리고 환원이 일어나면 ‘환원 전극(cathode)’이라고 합니다.

* 전극(electrode): 회로의 비금속 부분에 연결되는 전도체(전기가 잘 통하는 물질)

* 전기 활성(electro-active) 화학종: 전기 화학계의 전극상에서 직접 전자의 수수를(산화 또는 환원) 받아 전기 화학 반응에 관여할 수 있는 물질

* 전해질(Electrolyte): 물처럼 극성을 띤 용매에 녹아서 이온을 형성함으로써 전기를 통하는 물질

혈당 센서의 기반이 되는 전기 화학 시스템에 대하여 대략적으로 말씀드렸으니, 다음으로 이번에 연구팀이 착안한 소재인 그래핀에 대하여 알아보겠습니다.

그래핀은 탄소(C)로만 이루어진 물질입니다.

* 탄소: 비금속인 화학 원소로, 기호는 C(←라틴어: Carbonium 카르보니움)이고 원자번호는 6이며 6개의 전자로 이루어져 있음.

우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음인 네 번째로 많은 질량을 차지함.

수많은 탄소들이 어떻게 배열되어있느냐에 따라 여러 이름으로 불려지는데, 한 종류의 원소로 구성되어 있지만 그 원자의 배열 상태나 결합 방법이 달라서 성질이 서로 다른 성질의 물질로 존재할 때의 이 여러 형태를 ‘동소체’라고 합니다.

탄소의 동소체로는 아래 사진처럼 ‘다이아몬드, 흑연, 풀러렌, 그래핀, 비결정성 탄소, 탄소나노튜브‘가 있습니다. 참고하시길 바랍니다 !!

a: 다이아몬드, b: 흑연, c: 풀러렌, d: 그래핀, e: 비결정성 탄소, f: 탄소나노튜브

이들 중 저희가 다룰 물질인 ’그래핀‘은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조를 보입니다.

각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양입니다.

이 모양을 벌집구조(honeycomb structure) 또는 벌집격자(honeycomb lattice)라고 부르기도 합니다.

그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성가 높다는 특징을 가지고 있습니다.

사진에서도 비교 가능하다시피 그래핀은 원자 한 층의 두께를 지니기 때문에 동일한 결합구조임에 따라 여러 층으로 구성되어 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보입니다.

이제 드디어 그래핀을 이용하여 한 번 쓰고 버리는 게 아닌, 약 1년 동안 지속적으로 쓸 수 있는 혈당 센서 기술에 대한 연구에 대하여 본격적으로 이야기하도록 하겠습니다.

기존의 현재 시판되는 혈당 측정 센서는 대부분 일회용이며, 일회용이 아니더라도 2주일 이상 가는 센서가 드뭅니다.

그러나 향후 웨어러블 기기에 적용하기 위해서는 지속적으로 쓸 수 있는 혈당 센서가 필요한 현실인데요, 이에 전세계적으로 오래 쓸 수 있는 혈당 센서 기술이 개발되고 있지만 기술의 복잡성과 난이도 때문에 연구가 기초 단계에 머물러 있는 실정입니다.

* 혈당 센서를 웨어러블 기기에 적용하기 위해서는 장기간 사용 가능성 외에도 센서의 크기, 착용자의 편의성 등의 개선점이 필요합니다.

그럼에도 불구하고, 혈당 센서의 원리를 계속 탐구한 끝에 바로 우리나라 한국화학연구원이 지속적으로 쓸 수 있는 센서를 개발해낸 것입니다.

일반적으로, 혈당 센서는 체액(혈액, 땀 등의 분비물)과 센서 속 효소가 반응해 나오는 부산물 중 하나인 ‘과산화수소’를 검출하는 방식으로 작동합니다.

체액 속에 있는 ‘글루코오스(glucose)’가 센서의 효소와 만나 과산화수소를 배출하면, 센서 안의 전극과 과산화수소가 전기화학적으로 산화 환원 반응을 일으키는 과정에서 과산화수소의 양을 감지하는 원리입니다.

이때 일어나는 전기화학 반응에는 촉매가 필수적인데, 촉매가 직접 체액에 닿기 때문에 체액으로 인한 손상이 일어나 센서의 지속성이 떨어졌던 것입니다.

* 글루코오스(glucose): 단당류의 하나

* 촉매(catalyst): 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응 속도를 빠르게 만드는 물질

화학 반응이 일어나기 위해서는 반응물의 화학 결합을 끊어야 하는데 그러기 위해서는 어떠한 형태로든 에너지를 공급해야 함. 화학 반응을 일으키기 위해 반응물에 공급해야 하는 최소 에너지를 '활성화 에너지'라고 하는데, 촉매가 화학 반응의 활성화 에너지를 낮추는 물질임.

그림에서 보시다시피 기존 촉매는 플라스틱 기판 위에 그래핀 전극을 깔고 그 위에 촉매 나노입자가 초코칩처럼 박힌 형태였습니다.

이에 따라 촉매가 주변 환경에 노출되어 성능이 떨어질 수 밖에 없었습니다.

연구팀은 이것을 뒤집어서, 플라스틱 기판 위에 촉매가 바로 오고 그 위를 그래핀 전극이 이불처럼 덮은 형태로 만들었습니다. 연구팀은 촉매가 직접 체액에 닿지 않도록 촉매 위에 얇은 그래핀 단원자층을 덮어 촉매의 수명을 획기적으로 늘렸습니다.

따라서 그래핀으로 덮인 촉매는 여러 번 사용해도 체액에 노출되지 않아 성능이 그대로 유지됩니다.

원래 촉매가 바로 체액과 닿아야 전기화학적 반응이 일어나는데 그 사이를 그래핀으로 막았는데도 반응이 일어난다는 것을 실험을 통해 연구팀이 확인했습니다.

기존 기술은 사용횟수가 거듭될수록 전류값이 급격히 올라가며, 이는 센서로서의 기능이 떨어진다는 것을 의미합니다.

이번에 개발된 기술은 3,000번을 사용해도 안정적인 전류값을 보이며 센서 성능이 안정적으로 유지됐다는 것을 실험 결과를 통해 보여주었습니다.

* 실험시 3,000번까지 센서 성능 유지를 확인했으며 그 이상의 횟수에서도 센서가 작동될 가능성도 있음

이러한 결과는 그래핀의 특징 때문에 가능한 것으로 확인됐습니다.

그래핀은 빛과 양자 외에 체액이나 촉매는 투과할 수 없어 체액이 촉매에 직접 닿는 것을 막아주면서도, 그래핀 고유의 전기적 특성 때문에 체액과 촉매, 그래핀의 전기화학적 반응(산화/환원)이 기존 센서처럼 일어나서 센서가 작동됩니다.

https://www.krict.re.kr/bbs/BBSMSTR_000000000687/view.do

연구책임자이신 이정오 박사님은 연구 성과에 대하여 “본 기술과 적절한 체액추출 기술의 결합을 통해 장기간 안정적으로 사용할 수 있는 웨어러블 혈당센서의 개발이 가능하다. 해당기술은 촉매의 안정성이 중요한 다양한 전기화학반응에도 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 말씀을 전하셨습니다.

이번 연구결과는 ACS Nano 6월호에 게재되었습니다. 더 자세하고 전문적인 내용은 논문을 통해 확인하실 수 있습니다 :)

* 논문 제목 :Electrochemical transparency of graphene (Impact factor: 18.027)

연구팀은 한국, 중국, 미국 특허를 등록하고, 웨어러블 혈당 센서 실용화를 위한 후속 연구를 수행하고 있습니다.

이번 포스팅 내용은 한국화학연구원 홈페이지 보도자료 연구결과 내용을 바탕으로 제작하였습니다.

참고 바랍니다 ^^!!

https://www.krict.re.kr/bbs/BBSMSTR_000000000687/view.do

https://www.krict.re.kr/thumbnail//viewer/1658728076628/index.html

그 외의 이론적인 내용과 사진의 출처입니다.

https://educhemup.blogspot.com/2020/03/blog-post_10.html?m=1

https://m.terms.naver.com/entry.naver?docId=4389829&cid=60217&categoryId=60217

https://m.terms.naver.com/entry.naver?docId=5827597&cid=62802&categoryId=62802

https://www.scienceall.com/%EA%B8%80%EB%A3%A8%EC%BD%94%EC%98%A4%EC%8A%A4%EC%82%B0%ED%99%94%ED%9A%A8%EC%86%8Cglucose-oxidase-%E9%85%B8%E5%8C%96%E9%85%B5%E7%B4%A0/