Fabrication of N-doped multidimensional carbon nanofibers via vapor deposition polymerization for the high-performance cortisol biosensor

Abstract

본 실험은 기상증착중합법의 간단한 변수조절을 통해 다양한 형태의 폴리피롤이 코팅된 탄소나노섬유를 제조하였다. 그 후, 열처리를 함으로써 질소 원자가 도핑된 탄소나노섬유를 제조하고, 코티졸에 선택적으로 감응하는 항체를 도입하여 코티졸 센서를 용이하게 제조하였다. 이를 전계 효과 트랜지스터에 적용하여 코티졸을 감응하는 실시간 감지 특성을 얻을 수 있었으며, 매우 높은 감응도 및 뛰어난 선택성를 보였다. 이 때, 표면적이 더 넓은 가시모양의 트랜스듀서가 매끄럽게 코팅된 모양의 트랜스듀서보다 100 aM의 최소감응농도로 훨씬 더 민감한 반응을 보였으며, 이는 넓은 표면적에 더 많은 항체를 도입함으로서 타겟 물질을 감지하는 활성 부위가 더 넓었기 때문이다. 또한, 코티졸을 인공 타액에 용해시켜 민감도를 측정한 실험에서도 100 aM의 매우 민감한 반응을 보였다. 본 논문에서는 간단한 변수 조절로 질소 원자가 도핑된 다차원 탄소나노섬유를 효과적으로 제조할 수 있었고, 그 성능은 코티졸 분석을 위한 첨단 시스템에 도입될 수 있을 뿐 아니라 타액을 이용한 센서 장치에도 광범위하게 적용될 수 있는 가능성을 제시할 수 있다.

Cortisol, a stress biomarker, is an importance hormone that regulates blood pressure, glucose levels and carbohydrate metabolism for vitalization in human life. However, its abnormal secretion causes the various symptoms and diseases closely linked with psychological and physical heath. Therefore, the significance of cortisol measurements is recently on the rise. In this study, the high performance transducers for cortisol detection were fabricated as the N-doped multidimensional carbon nanofibers with large surface area for the field-effect transistor (FET) type biosensor. Their morphology was facilely controlled by pressure conditions of the vapor deposition polymerization (VDP) methods during conducting polymers. Thereafter, the conductive channels for practical use were completed by thermal treatment, acid treatment and finally antibody attachment in order. The changes according to the chemical processes were characterized by Raman spectroscopy, Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM). The superior transducers exhibited electron transport behavior at the liquid-ion gated FET type biosensors. As a result, they provided a rapid response toward cortisol molecules with accurate selectivity, stable reusability as well as high sensitivity with the minimum detection level of 100 aM due to the larger surface area introduced more active site of antibody. Furthermore, it was also measured the real-time responses to evaluate the availability as real-sample application with saliva.