전해질 게이트 트랜지스터 바이오센서의 민감도 향상을 위한 하이브리드 측정 시스템 개발 연구

국문 초록 (Abstract)

현대 의학에서 전해질 게이트 트랜지스터 (Electrolyte-Gated Transistor, EGT) 기반 바이오센서는 극소량의 바이오마커를 빠르고 민감하게 실시간으로 검출 가능하다는 점에서 현장 진단(Point Of Care, POC) 기기로써 활용 가능성을 갖고 있다. 특히, 고령화 사회에서 유병률이 늘어나고 있고 앞으로도 늘어날 것으로 예측되는 퇴행성 뇌 질환인 ‘알츠하이머’를 발병 전에 빠르고 간편하게 조기 진단이 가능하다는 점에서 EGT 바이오센서의 개발은 더 필수적이다. 그러나 EGT 바이오센서는 생리학적 환경인 고농도의 전해질 환경에서는 Debye screening effect로 인해 민감도가 감소하는 문제점을 가지고 있고, 민감도 감소 문제를 해결하기 위한 이전 연구들은 복잡한 중간 과정들이 추가된다는 점에서 POC 기기로써 활용이 어렵다는 문제가 있다.
본 연구에서는 고농도 전해질 환경에서 민감도 감소 문제점을 해결하기 위해 기존 직류(Direct Current, DC)전압만 주던 시스템에 교류(Alternating Current, AC) 전압 시스템을 간단히 연결하여 DC+AC 하이브리드 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 전해질 속 이온들의 이동성을 조절하여 채널 표면에 생기는 전기 이중층(Electric Double Layer, EDL)의 전기장 세기를 약화시켰고, Debye screening effect를 감소시켜 최종적으로 늘어난 Debye length로 인해 tau 단백질의 전기적 신호를 효과적으로 감지할 수 있었다. 제작된 EGT 바이오센서는 채널물질로 비정형 금속 산화물 반도체로 인듐, 갈륨으로 이뤄진 In-Ga Oxide(IGO)를 용액공정 기반 스핀코팅 방식을 통해 제작해주었고, 전해질로 인한 전극 손상을 막기 위해 SAML 처리를 통해 보호층을 만들어주었으며, 채널 표면에는 tau 단백질과 특이적으로 결합가능한 aptamer를 기능화하기 위해 APTES와 glutaraldehyde를 결합한 후 aptamer와 연결해 주었다.
인가되는 AC 전압의 주파수를 조절하며 전기적 특성 및 검출 성능을 평가하여 DC+AC 하이브리드 시스템을 최적화하였다. 고이온 세기의 환경에서 Tau 단백질 검출 결과 기존 DC 전압만 주던 시스템보다 민감도가 약 5배 상승했고, 검출 한계가 약 8배 낮아졌으며, 더 정밀한 선택성을 나타내었다. 이것은 제작된 바이오센서가 POC 기기로 활용하는데 훌륭한 이점으로 작용한다.
본 연구는 고농도 전해질 환경인 생리적 환경에서 발생하는 바이오센서의 민감도 저하 문제를 해결하기 위한 새로운 솔루션을 제시하고, 효과적인 바이오마커 검출 기술로서의 가능성을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electrolyte-gated transistor (EGT)–based biosensors have emerged as promising candidates for point-of-care (POC) diagnostic platforms owing to their ability to detect trace-level biomarkers rapidly, sensitively, and in real time. This demand is particularly critical for the early and accessible diagnosis of Alzheimer’s disease, a degenerative neurological disorder with increasing prevalence in aging societies. However, the performance of EGT biosensors deteriorates significantly in physiological environments due to the high ionic strength of the electrolyte, which induces severe Debye screening and consequently reduces sensitivity. Furthermore, previous approaches proposed to overcome this limitation often involved complex intermediate processes, making them unsuitable for practical POC applications.
To address this challenge, we developed a simple DC+AC hybrid sensing system by integrating an alternating current (AC) module into a conventional direct current (DC) measurement platform.
The introduction of AC voltage dynamically regulated ion mobility within the electrolyte, weakened the electric field strength of the electric double layer (EDL) at the channel interface, and effectively reduced the Debye screening effect. This modulation extended the effective Debye length, enabling reliable detection of tau protein–induced electrical signals. The hybrid system was optimized by systematically tuning the frequency of the applied AC voltage and evaluating the resulting electrical characteristics and sensing performance.
In high-ionic-strength environments, the optimized hybrid system achieved approximately a fivefold enhancement in sensitivity and an eightfold improvement in the limit of detection (LOD), together with more refined selectivity, compared to the DC-only configuration. These improvements highlight the strong potential of the proposed approach for practical POC diagnostic applications.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.1.1 알츠하이머의 바이오마커인 Tau 단백질의 역할 1
• 1.1.2 현장 진단에서 바이오센서의 중요성 2
• 1.1.3 전해질 게이트 트랜지스터 구동 원리 3
• 1.1.4 전해질 게이트 트랜지스터 기반 바이오센서의
• 구동 메커니즘 5
• 1.2 민감도 저하의 원인과 극복 전략 7
• 1.2.1 전기 이중층 형성과 Debye length 7
• 1.2.2 기존 극복 전략의 한계 10
• 1.3 직·교류 하이브리드 시스템을 활용한 한계 극복 12
• 1.3.1 교류 전압 활용 측정 시스템의 기대효과 12
• 1.3.2 직·교류 하이브리드 측정 시스템의 기대효과 14
• 1.3.3 민감도 상승 극대화를 위한 최적화 전략 16
• 2. 실험방법 18
• 2.1 기기 및 시약 18
• 2.2 전해질 게이트 트랜지스터 소자 제작 21
• 2.3 전극 보호를 위한 자기 조립 다층 막 형성 23
• 2.4 표면 기능화 및 생체 수용체 고정 26
• 2.5 Tau 단백질 검출 28
• 2.6 전기 이중층 capacitance 측정을 위한 소자 제작 30
• 2.7 전기적 특성 측정 및 교류 전압 인가 시스템 구축 32
• 3. 본론 34
• 3.1 전기 이중층 capacitance 분석 연구 34
• 3.1.1 연구방향 34
• 3.1.2 전해질 이온 세기에 따른 capacitance 분석 35
• 3.1.3 교류 전압 주파수에 따른 capacitance 분석 37
• 3.2 전해질 게이트 트랜지스터 기반 바이오센서 연구 39
• 3.2.1 연구방향 39
• 3.2.2 IGO 박막 트랜지스터의 전기적 특성 분석 40
• 3.2.3 전극 passivation 층 검증 분석 42
• 3.2.4 Tau 단백질 검출 44
• 3.3 직·교류 하이브리드 측정 시스템 최적화 연구 46
• 3.3.1 연구방향 46
• 3.3.2 직·교류 하이브리드 측정 시스템의 전기적 특성 47
• 3.3.3 교류 전압 주파수에 따른 전기적 특성 비교 49
• 3.3.4 교류 전압 주파수에 따른 검출 성능 비교 53
• 3.3.5 최적화 조건에서 민감도 향상 분석 57
• 3.3.6 Tau 단백질 검출에 대한 선택성 평가 60
• 3.4 직·교류 하이브리드 측정 시스템의 적용 가능성 연구 62
• 3.4.1 연구방향 62
• 3.4.2 표면 개질 연구와의 적용 가능성 평가 63
• 3.4.3 현장 진단 기기로써 적합성 평가 68
• 4. 결론 70
• 참고문헌 71
• Abstract 74