인체 타액 내 알코올 검출을 위한 Fc-PAMAM 덴드리머 기반 전기화학 센서 = Fc-PAMAM Dendrimer-Based Electrochemical Sensor for Alcohol Detection in Human Saliva

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 기존 호기(breath) 기반 음주 측정 방식이 가지는 교정 의존성, 호흡량·환경 조건 및 센서 드리프트 문제를 보완하기 위해, 타액을 비침습적 측정 매질로 하는 효소 기반 전기화학 알코올 센서와 소형 potentiostat 시스템을 제안하였다. 센서는 스크린 인쇄 전극(SPE)의 작업전극 표면에 자기조립 단분자막(SAM)과 표면 활성화 공정을 적용한 뒤, ferrocene-cored PAMAM(Fc-PAMAM) 덴드리머를 전자전달 매개체로 고정화하고 알코올 산화효소(AOx)를 결합하여 제작하였다. 또한 정밀 전위 제어와 미세 전류 측정을 위해 3전극 기반 시스템 구조를 적용하고, +0.60 V (vs. Ag/AgCl) 작동 전위에서 chronoamperometry(CA)를 수행하여 성능을 평가하였다. 그 결과 PBS(pH 7.4) 및 인공타액(pH 7.4) 매질 내 0–80 mM 에탄올 농도 범위에서 R²> 0.98 이상의 우수한 선형성과 정량적 전류 변화가 확인되었으며, 요산(UA), 아스코르빈산(AA), 젖산(LA), 포도당 등 잠재적 간섭물질에 대해서도 유의미한 신호 왜곡 없이 높은 선택성을 나타냈다. 더 나아가 자체 제작한 소형 potentiostat 역시 인공 타액 조건에서 R²> 0.96의 높은 선형성을 보이며 상용 장비 수준의 신뢰성을 입증하였고, 실제 타액 실험에서도 음주 전·후 시료의 전류 응답 차이가 구분되며 BAC 변화에 따라 측정 전류가 단계적으로 변화함을 확인하였다. 이러한 결과는 제안한 타액 기반 전기화학 센서가 비침습적 알코올 모니터링의 대안으로서 적용 가능성이 있음을 시사하며, 향후 차량 탑재형 측정 시스템으로의 확장에 기초 자료를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, to address the limitations of conventional breath-based alcohol monitoring methods—such as calibration dependency, sensitivity to breath volume and environmental conditions, and sensor drift—we proposed an enzyme-based electrochemical alcohol sensor using saliva as a non-invasive measurement medium, along with a compact potentiostat system. The sensor was fabricated by applying a self-assembled monolayer (SAM) and surface activation process to the working electrode surface of a screen-printed electrode (SPE), followed by the immobilization of ferrocene-cored PAMAM (Fc-PAMAM) dendrimers as electron transfer mediators and the subsequent binding of alcohol oxidase (AOx). Additionally, a three-electrode system structure was employed for precise potential control and microcurrent measurement, and the response to ethanol concentration was evaluated based on chronoamperometry (CA) at an operating potential of +0.60 V (vs. Ag/AgCl). The results confirmed excellent linearity R² > 0.98 and quantitative current changes in the 0–80 mM ethanol concentration range within both PBS (pH 7.4) and artificial saliva (pH 7.4) media. Furthermore, the sensor demonstrated high selectivity with no significant signal distortion against potential interfering substances such as uric acid (UA), ascorbic acid (AA), lactic acid (LA), and glucose. Moreover, the self-developed compact potentiostat also exhibited high linearity R² > 0.96 under artificial saliva conditions, proving reliability comparable to commercial equipment. In experiments using real saliva, the current response differences between pre- and post-drinking samples were clearly distinguished, and the measured current was confirmed to change stepwise according to variations in Blood Alcohol Concentration (BAC). These results suggest that the proposed saliva-based electrochemical sensor has applicability as an alternative for non-invasive alcohol monitoring and provide fundamental data for future expansion into portable and vehicle-integrated measurement systems.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 요 약
• 서 론. Ⅰ 1
• 연구 배경1 1
• 음주 운전의 위험성과 도입 배경1.1. IID 1
• 기존 음주 운전 방지장치의 원리 및 구조1.2 2
• 기존 음주운전 방지장치의 한계1.3 4
• 새로운 측정 매질로서의 타액의 가능성1.4 5
• 본 연구의 목적1.5 7
• 이론적 배경. Ⅱ 8
• 에탄올의 체내 흡수 및 분포 특성1 8
• 혈중 알코올 농도 2. (Blood Alcohol Concentration) 9
• 타액 내 에탄올 측정을 위한 구조 전환3 10
• 측정 원리와 전극 설계4 12
• 에탄올 분석을 위한 효소 선정5 14
• 덴드리머6. Fc-PAMAM 15
• 전기화학 분석법7 16
• 연 구 방 법. Ⅲ 17
• 알코올 센서1 17
• 전극 구성1.1 17
• 덴드리머 제작1.2. Fc-PAMAM 18
• 전기화학센서 제작 방법1.3 20
• 소형 제작 방법2. potentiostat 23
• 소형 설계2.1. potentiostat 23
• 결 과. Ⅳ 28
• 모사 타액 실험 결과1 28
• 측정 결과1.1. Phosphate Buffered Saline(PBS, pH 7.4) 28
• 측정 결과1.2. Artificial Saliva (AS, pH 7.4) 32
• 타액 내 간섭물질 영향 검증1.3 35
• 소형 을 이용한 인공타액 측정 결과1.4. potentiostat 37
• 피험자 타액 실험 결과2 39
• 타액 채취 프로토콜2.1 39
• 분석 결과2.2 41
• 논 의. Ⅴ 43
• 결 론. Ⅵ 46
• 참 고 문 헌 47
• 영 문 요 약