유기 전기화학 트랜지스터 기반 면역 센서의 감지 영역 최적화 연구 = Optimization of Recognition-Site Localization in Organic Electrochemical Transistor-based Immunosensors

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 coplanar side-gated 구조 유기 전기화학 트랜지스터 기반으로 항원과 항체가 결합하는 바이오센서를 제작하였다. 항체가 코팅되는 위치에 따라 Anti-human IgG （1 차 항체）와 Human IgG Whole molecule （2 차 항체） 결합이 센서 작동에 미치는 영향을 조사하였다. 추가로 SARS-CoV-2 WT S1+S2 임상실험을 통해 실제 생체시료 환경에서 검출 가능성을 입증하였다. OECT 의 활성층으로 PBTTT-C14 를 사용했으며 1 차 항체를 금 전극의 각각 Gate, Channel, Dual 위치에 코팅하였다. Bovine Serum Albumin 를 통한 Blocking 으로 비특이적 결합을 방지한 후 2 차 항체를 코팅하여 임피던스 및 전기적 특성을 분석하였다. 항체 및 BSA 결합이 진행되면서 Nyquist 플롯에서 반원이 커지고 계면 임피던스 값이 증가함을 확인했다. 이는 고정된 생체 분자층이 전해질 내 이온과 파라미터 변화를 방해하여 나타난 결과이다. 또한 전기적 측정에서, 모든 소자 구조에서 농도가 증가할수록 On current 변화, Vth 의 positive shift 와 Gate current 억제와 같은 감지 특성이 나타났다. Channel-localized device 는 농도 변화에 따라 다른 소자들에 비해 가장 가파르고 단조로운 신호 변화를 보였다. 소자에서 항체 인식 반응이 일어날 때 채널에서 주입되는 이온의 흐름이 직접적으로 제어하여 전류 증폭을 극대화할 수 있었다. 반면 Gate-localized device 는 성능이 가장 약했고 Dual-localized device 는 중간 정도의 감도를 나타냈다. 기존 표준 분석법인 ELISA 와 비교 분석한 결과, Channel-localized device 는 낮은 농도에서 더 빠른 대비를 보였다. 검출 한계 （LOD ~2.4*10-4ng/mL） 를 확인하였다. - vii – SARS-CoV-2 WT S1+S2 항원을 사용하여 실제 사람 샘플을 소자로 테스트하고 표준 분석법 ELISPOT 결과와 비교하였다. ELISPOT 을 통해 양성 반응이 확인된 Human 3 샘플의 경우 OECT 소자에서도 다른 샘플에 비해 훨씬 뚜렷한 결과가 관찰되어 경향성을 보여주었다. 본 연구는 향후 다중화 Point-Of-Care Testing 임상 진단용 OECT 바이오센서를 위한 중요한 지표를 제공할 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We investigate the role of spatial localization of the recognition layer in governing signal transduction and measurement reproducibility in organic electrochemical transistor （OECT） immunosensors operated at low voltages in aqueous media. Coplanar side-gated PBTTT-C14 OECTs with gold source, drain, and side-gate electrodes were fabricated using identical processes and systematically benchmarked for human IgG detection in phosphate-buffered saline （PBS, pH 7.4）. Recognition layers were selectively placed at （i） the channel, （ii） the gate, or （iii） both, while nonspecific adsorption was suppressed using BSA. Electrical measurements （ID-VG, IG-VG） revealed canonical immunorecognition signatures with increasing IgG concentration, including decrease of ON-state drain current, positive threshold-voltage shifts, and suppressed gate current. Among the three configurations, the channel-localized design yielded the strongest and most reproducible modulation, dual-site devices showed intermediate behavior, and gate-localized devices responded the weakest. Gate current （IG） exhibited the largest dynamic contrast and concentration resolution due to its sensitivity to interfacial perturbation. These trends reflect intrinsic OECT physics: protein binding at the channel increases interfacial impedance and restricts volumetric ionic charging, directly reducing doping/de-doping efficiency, whereas gate-site perturbations are partially screened by electrolyte resistance and spatial separation. Furthermore, the optimized channel-localized platform was successfully applied to clinical validation by monitoring SARS-CoV-2 WT S1+S2 antibody titers in human cell culture supernatant samples, demonstrating a strong correlation with standard Elispot assays. Consequently, channel-localized functionalization reduces Debye screening in high-ionic-strength PBS and maximizes sensitivity, stability, and device-to-device consistency. This work establishes a generalizable design rule for high-performance OECT immunosensors, offering a framework applicable to multiplexed and portable bioelectronic platforms.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이 론 3
• 1. 유기 전기화학 트랜지스터（OECT） 3
• 2. 고분자 유기물 반도체 6
• 3. ELISA/ELISPOT 8
• 4. Point-of-Care Testing 11
• Ⅲ. 실험 및 측정 12
• 1. 실험 재료 12
• 가. PBTTT-C14 12
• 나. Anti-human IgG （γ-chain specific） 14
• 다. Human IgG Whole molecule 15
• 라. SARS-CoV-2 WT S1+S2 16
• 마. Bovine Serum Albumin 18
• 2. 실험 19
• 가. 생체 인식층 감지 영역에 따른 민감도 최적화 21
• 나. SARS-CoV-2 WT S1+S2 항원 기반 임상 샘플 검증 24
• 3. 측정 25
• 가. Impedance analyzer 25
• 나. Vacuum Probe Station 26
• Ⅳ. 실험 결과 27
• 1. Impedance 통한 계면 기능화 단계별 검증 27
• 2. 항체 위치 인식에 따른 전기적 특성 평가 32
• 3. Human supernatant sample 의 전기적 특성 평가 37
• Ⅴ. 결론 40