- 저비용 공정으로 가장자리 ‘카르복실기’ 극대화한 고품질 그래핀 소재 구현
- 항체 고정 효율 높여 진단 센서의 민감도와 균일성 대폭 향상
- 탄소 소재 분야 세계적 권위지 ‘Carbon’ 게재

▲ 왼쪽부터 의생명공학 마수드 교수(제1저자), 김진식 교수(교신저자)

동국대학교 의생명공학과 김진식 교수와 마수드 교수 공동 연구팀은 고성능 바이오센서의 핵심 소재로 활용될 수 있는 ‘가장자리 카르복실기 증대 저결함 그래핀 산화물(Carboxyl-edge-enriched Graphene Oxide)’을 저비용으로 대량 생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 탄소 소재 및 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘카본(Carbon, IF=11.6)’ 2026년 248호에 게재될 예정이다(논문명: Enhancing antibody capture with edge-carboxyl-enriched, low-defect monolayer graphene oxide via controlled graphite oxidation, 2025년 12월 온라인 게재).

그래핀 산화물(GO)은 우수한 전기적·화학적 특성으로 차세대 바이오센서의 소재로 주목받아 왔다. 하지만 기존의 제조 방식(Hummers법 등)은 산화 정도를 정밀하게 제어하기 어려워, 센서의 성능을 결정짓는 ‘수용체 고정 효율’을 높이는 데 한계가 있었다.

김진식 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 제어된 흑연 산화법(Controlled Graphite Oxidation)’ 을 고안했다. 연구팀은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 저렴한 흑연 플레이크를 원료로 사용하면서도, 독성 가스 배출이 없는 친환경적인 공정을 통해 고품질의 그래핀 산화물을 합성하는 데 성공했다.

이번에 개발된 그래핀 산화물은 표면의 결함은 최소화하면서도, 가장자리(Edge) 부분에 바이오 물질과 결합할 수 있는 ‘카르복실기(-COOH)’가 풍부하게 형성된 것이 특징이다. 연구팀은 요오드화수소(HI) 증기를 이용한 환원 공정을 통해 그래핀 본연의 전기적 구조를 복원하면서도 가장자리의 카르복실기는 그대로 보존했다. 그 결과, 제작된 환원 그래핀 산화물(rGO) 센서는 항체(Antibody)를 공유 결합으로 단단히 고정하는 효율이 기존 대비 획기적으로 높아졌다.

연구팀이 제작한 센서 소자는 항체 고정 밀도가 높고 분포가 균일하여, 바이오마커 검출 시 전기적 신호 변화가 뚜렷하고 재현성이 매우 우수한 것으로 나타났다. 특히 1g의 흑연(약 80원 상당)으로 대량의 고품질 그래핀 산화물을 제조할 수 있어 가격 경쟁력 또한 확보했다.

교신 저자인 김진식 교수는 “이번 연구는 값싼 원료와 친환경 공정으로도 최고 수준의 바이오센서용 소재를 만들 수 있음을 입증한 것”이라며, “향후 각종 질병 진단 및 헬스케어 모니터링을 위한 저가형·고성능 현장 진단 기기(POCT) 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 글로벌 기초연구실과 산업통상자원부 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행되었다.

* 용어 설명
1. 그래핀 산화물(Graphene Oxide, GO): 흑연을 산화시켜 만든 2차원 탄소 소재로, 물에 잘 분산되며 다양한 화학적 처리가 가능해 바이오센서 등에 널리 쓰인다.
2. 카르복실기(-COOH): 탄소, 산소, 수소로 이루어진 작용기로, 바이오센서에서 항체나 단백질을 붙잡아매는 ‘손’ 역할을 한다.