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ISFET 소자를 이용한 산성-중성-알칼리성 용액 내 자성나노입자 분포에 따른 pH 특성 연구

한국자기학회지, Volume 30, Number 2, 30 Apr 2020, Pages 64-73
안명천 (포유), 최종구 (상지대학교 한방의료공학과), 이상석 * (상지대학교 한방의료공학과)
Abstract
생물학적 DNA를 분리하고 감응하며 정제하기 위해서는 자성나노입자가 필요하다. 그 뿐만 아니라 인체의 암세포 통제가 가
능한 약물 전달 및 방출을 위한 의료용 화학공정 재료로써 최근까지 지속적으로 연구되고 있다. 이온 선택 전계효과 트랜지스터
(ISFET) pH 센서를 이용하여 다양한 액체 용액에 녹아있는 수소이온(H+) 농도에 민감한 pH 값을 외부 자기장에 변화하는 자성
나노입자들의 거동에 따라 측정하였다. 산성, 중성, 알칼리성 완충 용액에 pH 7.1의 자성나노입자 용액을 3:1의 비율로 혼합하여
자성입자 분포 변화에 대하여 pH 3.9의 산성 용액일 때가 pH 9.8의 알칼리성 용액 보다 크게 pH 값의 변화량은 35 mV의 출력
값으로 pH 0.65의 차이를 두고 있었다. 용액 내 존재하는 H+의 일부가 자성나노입자와 결합하여 이온 감응막인 Si3N4 층 근처
에 이온 농도가 낮아지며 출력전압으로 pH 값의 변화가 나노입자 분포에 밀접하게 연관된 경향성을 나타내었다. 외부 자기장에
대하여 소스(S)와 드레인(D)의 두 단자 사이에 얻은 출력전압 곡선은 0 Oe 중심으로 대칭을 하며 ±1000 Oe까지 변화량은 알칼
리성 보다 산성 용액에서 크게 나타내었다. pH 7.2의 암세포 치료용 약물을 담고 있는 나노입자가 pH 6.8 정도의 다중 반응성
고분자가 표적으로 이동하여 고주파 자기장 열요법 자극으로 나노입자의 고리가 분해되어 약물을 방출하는 치료 시스템으로 활
용 가능성을 제시한다.

Magnetic nanoparticles have not only been required for biological DNA isolation, detection and purification, but also have been
studied steadily until recently as medical chemical processing materials for drug delivery and release that can control cancer cells in
the human body. Using a ion selective field effect transistor (ISFET) pH sensor, a pH value sensitive to the concentration of hydrogen
ions (H+) dissolved in various liquid solutions was measured according to the behavior of magnetic nanoparticles in the external
magnetic field. The magnetic nanoparticle solution of pH 7.1 was mixed with acidic, neutral, and alkaline buffer solution at a ratio of
3:1, and the acidic solution having a pH of 3.9 with respect to the change of magnetic particle distribution was found to have a change
of 35 mV (0.65 pH), which is greater than the pH of the alkaline solution of pH 9.8. Some of the H+-ions in the solution was bound to
the magnetic nanoparticles and the concentration of ions was reduced near the Si3N4 layer of the ion sensitive membrane, so that the
change in pH value, the output voltage, was closely related to the distribution of the nanoparticles. The output voltage curves between
the two terminal source and drain for the external magnetic field were symmetrical around 0 Oe, and the variation up to ±1000 Oe was
greater in acidic solutions than alkaline. Because a multi-reactive polymer nanoparticles containing drugs with a pH of about 7.2 for
treatment of cancer cells with a pH of 6.8 move to targets, we suggest the therapy system in which the ring of nanoparticles is
decomposed by high-frequency magnetic field therapy.
Keywords: 이온 선택 전계효과 트랜지스터(ISFET); 기준 전극; 완충 용액; pH 센서; 수소이온 농도; 이온 감응막 Si3N4 층; 자기장 자극 ion selective field effect transistor (ISFET); reference electrode; buffer solution; pH sensor; hydrogen-ion concentration
DOI: https://doi.org/10.4283/JKMS.2020.30.2.064