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류진Jin Yoo

한국과학기술연구원

ACS Sens., Sep 29 2026, | https://doi.org/10.1021/acssensors.6c02234 Aptamer-Functionalized Copolymer Films for Label-Free Capacitive Detection of Dopamine

Yunyoung Choi ^{1 2†}, Soonjong Roh ^3†, Chae Hwan Cho ¹, Tae Jin Mun ¹, Jin Yoo ^{3 4*}, Hyejeong Seong ^{1 4*}

¹Brain Science Institute, Korea Institute of Science and Technology, 5, Hwarang-ro 14-gil, Seongbuk-gu, Seoul02792, Republic of Korea.
²Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 291, Daehak-ro, Daejeon34141, Republic of Korea.
³Biomaterials Research Center, Korea Institute of Science and Technology, 5, Hwarang-ro 14-gil, Seongbuk-gu, Seoul02792, Republic of Korea.
⁴Division of Bio-Medical Science and Technology, KIST School, University of Science and Technology, 217, Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon34113, Republic of Korea.

^†Y.C. and S.R. contributed equally to this paper.
^*Corresponding authors: Jin Yoo, Hyejeong Seong

Abstract

Dopamine (DA) plays a central role in regulating neural function, and its reliable detection is essential for both fundamental neuroscience research and bioanalytical applications. Capacitive biosensors combined with aptamer recognition offer a label-free sensing strategy; however, constructing reproducible and well-defined aptamer-functionalized interfaces remains a significant challenge. Here, we report a vapor-phase approach for engineering aptamer-based capacitive DA sensors using a poly(2-hydroxyethyl methacrylate-co-pentafluorophenyl methacrylate) (p(HEMA-co-PFMA)) copolymer film deposited by photo-initiated chemical vapor deposition (piCVD). The solvent-free deposition process enables the conformal and site-selective formation of nanoscale polymer films with precisely controlled chemical compositions. Pentafluorophenyl (PFP) ester moieties provide reactive sites for covalent conjugation of amine-modified DA aptamers, while the HEMA component tunes surface wettability and interfacial ionic behavior. The optimized pH1P4 copolymer film (HEMA:PFMA = 1:4) exhibited superior conjugation efficiency, and the resulting biofunctional electrodes achieved a limit of detection of 0.23 µM with excellent selectivity against structurally similar interferents. This vapor-phase interface engineering strategy offers a generalizable framework for constructing aptamer-functionalized capacitive biosensors applicable to diverse small-molecule targets and electrode configurations.

논문소개전체 설명

이 연구에서는 aptamer 기반 dopamine sensor에서 생체분자를 안정적으로 고정하면서도 전기적 신호 전달에 적합한 계면을 어떻게 구현할 것인가에 주목하였습니다. 기존의 aptamer 고정화 방법은 주로 액상 표면처리에 의존하기 때문에 적용 가능한 기판이나 소자 구조에 제약이 있으며, biomolecule conjugation에 필요한 반응성과 수용액 환경에서의 계면 특성을 동시에 확보하기 어렵다는 한계가 있습니다.

이를 해결하기 위해 photo-initiated chemical vapor deposition (piCVD)을 이용하여 p(HEMA-co-PFMA) 공중합체 박막을 제작하고, 이를 dopamine aptamer를 고정하기 위한 기능성 계면으로 활용하였습니다. 이 고분자는 biomolecule과 공유결합할 수 있는 반응성과 수용액에서의 접근성을 높이는 친수성을 함께 갖도록 설계되었습니다. 조성이 다른 고분자들을 비교한 결과, 두 특성이 적절히 균형을 이룰 때 가장 높은 biomolecule conjugation이 나타났으며, 이를 통해 단순히 반응기의 수를 늘리는 것보다 고분자 계면의 화학적·물리적 특성을 함께 조절하는 것이 중요함을 확인하였습니다.

이러한 계면에 dopamine aptamer를 고정한 뒤, dopamine 결합에 따라 발생하는 aptamer의 구조 변화와 주변 이온 분포의 변화를 capacitance signal로 측정하였습니다. 그 결과 별도의 label이나 redox probe 없이 dopamine 농도에 따른 신호 변화를 확인할 수 있었으며, ascorbic acid, uric acid, serotonin, norepinephrine 등 구조적으로 유사하거나 생체 내에서 함께 존재하는 물질에 대해서는 낮은 반응을 보여 선택적인 dopamine 검출이 가능함을 확인하였습니다.

또한 artificial cerebrospinal fluid (aCSF)와 human plasma와 같은 복잡한 생체환경에서도 dopamine 농도에 따른 반응이 유지되었습니다. 이는 해당 고분자 계면이 단순히 aptamer를 고정하는 역할에 그치지 않고, biomolecule의 기능을 유지하면서 capacitive sensing에 필요한 계면 환경을 형성할 수 있음을 보여줍니다.

종합하면, 이 연구는 dopamine 검출 성능 자체보다 vapor-phase polymerization을 통해 biomolecule conjugation과 전기적 sensing에 필요한 기능을 하나의 나노박막 계면에 구현할 수 있음을 제시했다는 점에 의미가 있습니다. 이러한 접근법은 aptamer뿐만 아니라 peptide, antibody, enzyme 등 다양한 biomolecule과 결합할 수 있어, 향후 다른 표적을 검출하는 biosensor와 다양한 형태의 bioelectronic device를 위한 범용적인 계면 설계 전략으로 확장될 수 있습니다.

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