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KR100455284B1 - 탄소나노튜브를 이용한 고용량의 바이오분자 검출센서 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 고용량의 바이오분자 검출센서 Download PDF

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KR100455284B1
KR100455284B1 KR10-2001-0049033A KR20010049033A KR100455284B1 KR 100455284 B1 KR100455284 B1 KR 100455284B1 KR 20010049033 A KR20010049033 A KR 20010049033A KR 100455284 B1 KR100455284 B1 KR 100455284B1
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KR
South Korea
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carbon nanotubes
biomolecule
receptor
detection sensor
target
Prior art date
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KR10-2001-0049033A
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KR20030014997A (ko
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강성호
박유근
최원봉
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 기질 위에 복수의 탄소나노튜브를 배열하고, 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터의 순 전하(net charge)와 반대되는 극성의 전하를 탄소나노튜브에 인가하여, 한 종류 또는 여러 종류의 리셉터를 원하는 위치에 선택적으로 부착할 수 있는 나노 수준으로 고집적화된 나노어레이형(nanoarray-type) 바이오칩에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기질 위에 마이크로 또는 나노 크기의 멀티채널을 제작하고, 채널내의 특정위치에 하나 또는 둘 이상의 탄소 나노튜브를 배열하고, 그 위에 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터를 선택적으로 부착할 수 있는 멀티채널형(multichannel-type) 바이오칩에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 부착된 다양한 종류의 리셉터들에 결합하는 질병에 관여된 다양한 종류의 표적 바이오분자(target- biomolecules)들을 직접 검출하거나, 결합력의 차이를 측정함으로써 여러 종류의 질병의 진단을 보다 정확히 한번에 대량으로 할 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 고용량의 바이오분자 검출센서{High-throughput sensor for detecting biomolecules using carbon nanotubes}
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 고용량의 바이오칩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기질 위에 복수의 탄소나노튜브를 배열하고, 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터의 순 전하(net charge)와 반대되는 극성의 전하를 탄소나노튜브에 인가하여, 한 종류 또는 여러 종류의 리셉터를 원하는 위치에 선택적으로 부착할 수 있는 나노 수준으로 고집적화된 나노어레이형(nanoarray-type) 바이오칩에 관한 것이다. 또한, 상세하게는 본 발명은 기질 위에 마이크로 또는 나노 크기의 멀티채널을 제작하고 채널내의 특정위치에 하나 또는　둘　이상의 탄소나노튜브를 배열하여,　그　위에 리셉터를 선택적으로 부착할 수 있는　멀티채널형(multichannel-type) 바이오칩에 관한 것이다.
인간의 염기서열을 알아내고자 하는 인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project)는 2001년 2월 마침내 인간 게놈 서열을 발표하는 성과를 이루어냈다(J.Craig Venteret al.,Science, 291, 1304-1351 (2001) "The Sequence of the Human Genome" 참고). 하지만 이러한 게노믹스(genomics)에 대한 연구만으로는 인간의 질병에 대한 정확한 메카니즘을 알 수 없었으며, 질병을 완전히 퇴치할 수도 없었다. 결국 게노믹스에 대한 연구 외에 프로테오믹스(proteomics)에 대한 연구의 비중이 점점 증가될 수밖에 없다.
마이크로어레이(Microarray-based) 단백질 칩(protein chip)은 현재 진단용 프로테오믹스(diagnostic protomics)에 대한 연구 중 많은 비중을 차지하고 있다. 기질의 표면에 폴리펩티드를 어레이할 때 광식각기술(photolithographics)을 이용하던 초기의 어레이 기술(Pirrunget al., USP 5143854,(1992), "LARGE SCALE PHOTOLITHOGRAPHIC SOLID PHASE SYNTHESIS OF POLYPEPTIDES AND RECEPTOR BINDING SCREENING THEREOF" 참고)은 최근 다양한 방법으로 시도되고 있다. 특히 항원-항체　쌍(antigen-antibody fairs), 효소-연결 면역흡착 측정법(enzyme-liked immunosorbent assays) 등을 비롯한 다양한 면역측정법에서 마이크로어레이형 포멧(microarray-type format)의 개발의 중요성이 점점 증가되고 있다. 그러나 단백질-기초 어레이(protein-based assay)는 DNA-기초 어레이(DNA-based assay)보다 소형화하거나, 보다 감도를 좋게 하는 실질적인 포멧으로 집적화 하거나 어레이하기가 쉽지 않다. 즉, DNA 올리고뉴클레오티드의 격자(gridlike) 패턴은 광식각 기술로 기질의 표면에 생성할 수 있으나, 수백개의 아미노산으로 구성된 단백질의 경우는 항체가 일반적으로 약 1400 개의 아미노산을 가져야 하는 등 표면 위에 질병의 정확한 진단을 위해서는 더욱더 고집적화된 고밀도의 격자 패턴이 요구되나 이를 성공시키기 쉽지 않다. 또 다른 문제점은 단백질들이 변성(denaturing) 조건하에서 다룰 때 　단백질의 3차 구조를 쉽게 잃을 수 있으므로 (Sandra Katzman,Anal. Chem. 14A-15A (2001) "Chip-based mosaic immunoassays"; Andre Bernard, Bruno Michel, 및 Emmanuel Delamarche,Anal. Chem., 73, 8-12 (2001) "Microsaic Immunoassays"　참고) 단백질을 조작 시 많은 제한점을 가지고 있다.
이러한 문제들에 대한 해결점은 단백질의 3차 구조를 잃지 않고 얼마나 높은 고해상도(high resolution)로 단백질을 배열하느냐에 달려있는데, 현재까지는 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 드롭-온-디멘드(drop-on-demand) 기술, 마이트로컨택트 프린팅(microcontact printing), 및 IBM에서 선택한 소프트 식각기술(soft lithography) 등 다양한 접근 방법이 시도되고 있다. 하지만 이들 방법도 또한 수십㎛ - 수 mm의 스페이싱(spacing) 크기를 가지고 있으며, 아직까지 단백질의 3차 구조를 잃지 않으면서 생(real-life) 시료를 고밀도를 갖는 고집적화 된 진단용 나노어레이-기초(nanoarray-based) 단백질 칩의 개발은 시도된 적이 없다.
한편, 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)는 탄소로 이루어진 나노미터 크기의 튜브상 구조체로서, Lieber 등은 나노미터 크기의 현미경용 프로브(microscopy probes)의 제작을 위해 탄소계 나노튜브를 사용하였으며(USP 6159742 (2000) Charles M. Lieber, Stanislaus S. Wong, Adam T. Woolley, Ernesto Joselevich. "NANOMETER-SCALE MICROSCOPY PROBES" 참조), Eklund 등은 요오딘(iodine)으로 탄소 나노튜브를 도핑하여 안정한 요오딘-도핑된 탄소 나노튜브(iodine-doped carbon nanotube)나 금속성 나노 크기 섬유(metalic nanoscale fiber)를 제작하였다(USP6139919 (2000) "METHALLIC NANOSCALE FIBERS FROM STABLE IODINE-DOPED CARBON NANOTUBES" 참조). 또한 Massey 등은 관능기 바이오분자-변형된 나노튜브로 전기화학발광성 루테늄 복합체(electrochemiluminescent ruthenium complex) 들을 제작하였다(USP 5866434 (1999), Richard J. Masseyet al., 　GRAPHITIC NANOTUNES IN LUMINESCEN ASSAYS　참조). 그러나 이것들은 탄소 나노튜브를 바이오 칩(bio-chip)의 제작 및 개발에 적용한 것은 아니다.
이에 본 발명자들은 먼저 부도체 기판 위에 나노미터 직경의 탄소나노튜브를 성장시킨 뒤, 표적 바이오분자와 결합하는 다양한 리셉터의 순　전하(net charge)와 반대되는 극성의 전하를 탄소나노튜브에 걸어주면 각각의 리셉터들을 임의적으로 칩 위의 일정한 위치에 고정시킴으로써 종래의 마이크로(10-6)수준의 어레이 기술을 나노(10-9) 수준에서 원하는 패턴으로 배열하거나 고집적화 할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.　　　　　　
본　발명은　종래의　나노전극　어레이(nanoelectode array)　칩（USP 6123819 참조)　즉，　금，플라티늄, 구리（copper）와　같은 금속의 나노전극이 분석코자　하는　바이오분자의　3-D 모양（shape） 및　전기화학적　성질과　정확히　일치 (match）될 수 있는 높이와 공간적　분포로서　칩 위에 다양한 클러스터(cluster) 형태로 배열되는　종래의　방법에　비해，　높이나 크기가　균질한　탄소나노튜브를 사용함으로써 단백질-칩과 같은 여러 종류의 바이오-칩(bio-chip) 제작 시 동질한 고품질(high quality)의 고밀도화 및 고집적화를 쉽게 이룰수 있다. 특히 선택적으로 원하는 위치에 한 종류 혹은 여러 종류의 리셉터들에 대해 각기 다른 극성의 전기장을 탄소나노튜브에 걸어줌으로써 그 대응하는 원하는 종류의 리셉터를 쉽게 나노어레이 할 수 있는 다기능(multifunctional) 나노어레이 바이오-칩의 개발이 가능하다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 탄소나노튜브 제작 기술을 이용하여 기질 위에 나노 크기의 탄소나노튜브를 배열한 후 각각의 탄소나노튜브에 다양한 종류의 리셉터들을 선택적으로 부착시킨 나노어레이-타입(nanoarray-type) 바이오칩을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 기질 위에 마이크로 혹은 나노 크기의 멀티채널(multichannel)을 제작하고 채널 내의 특정한 위치에 탄소나노튜브를 배열한 뒤 그 위에 다양한 종류의 리셉터를 선택적으로 부착시킨 멀티채널-타입(multichannel-type) 바이오칩을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 바이오칩을 이용하여 다양한 종류의 리셉터들에 결합하는 질병에 관여된 다양한 종류의 표적 바이오분자들을 직접 검출하거나, 결합력의 차이를 측정함으로써 여러 종류의 질병을 하나의 칩상에서 한번에 대량으로(high-throughput) 측정하는 방법을 제공하는데 있다.
본 명세서에서 바이오분자 검출센서라는 용어는 하나의 기질에 복수의 리셉터 또는 바이오분자가 결합되어 있다는 점에서 바이오칩과 동일한 의미를 갖는 것으로 의도된다.
도 1은 수직 탄소 나노튜브(vertical carbon nanotube)의 생성의 원리를 보여주는 개략도이고,
도 2는 다양한 형태의 모양을 갖는 탄소나노튜브를 보여주는 사진이고,
도 3은 본 발명의 나노어레이 타입(nanoarray type)의 바이오분자 검출센서의 개략적인 상면도이고,
도 4는 본 발명의 멀티채널 타입(multichannel type)의 바이오분자 검출센서의 개략적인 상면도이고,
도 5는 본 발명의 나노어레이 타입의　바이오분자 검출센서에서 리셉터-프로브(receptor-probe)들과 표적-단백질(target-protein)의 상호작용을 보여주는 개략도이고,
도 6는 본 발명의 멀티채널 타입의 바이오분자 검출센서에서 리셉터-프로브(receptor-probe)들과 표적-단백질(target-protein)의 상호작용을 보여주는 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 기질 2. 전도층
3. 절연층 4. 탄소 나노튜브
5. 소혈청알부민(BSA) 　 6. 리셉터
7. 표적단백질 8. 일반단백질
9. 광 또는 레이저 10. 유리 커버
11. 마이크로/나노 채널 12. 결합보조제
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 ① 기질(substrate); 및, ② 기질 위에 배열된 복수의 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)를 포함하며, 그 탄소 나노튜브에 전기장을 인가함으로써 표적 바이오분자(biomolecules)와 결합하는 리셉터(receptor)를 원하는 위치의 탄소 나노튜브 위에 선택적으로 부착시키는 것을 특징으로 하는 나노어레이-타입(nanoarray-type)의 바이오분자 검출센서를 제공한다.
본 발명의 나노어레이-타입에서는, 다양한 기질 위에 나노 크기의 탄소나노튜브를 배열하고, 탄소나노튜브 중 일부 혹은 전체에　각종 진단용 표적 바이오분자의 리셉터로 작용하는 다양한 각　리셉터의　순　전하와　반대되는　극성을 갖도록　전기장을　걸어줌으로써，　전기　리셉터를　칩 위의 원하는 위치로 선택적으로 이동시키거나 고밀도로 부착하여 진단용 나노어레이 바이오칩을 제작할 수 있다.
또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 ① 기질; ② 기질에 제작된 마이크로 또는 나노 크기의 멀티채널(multi-channel); 및, ③ 채널내의 특정위치에 배열된 하나 혹은 둘 이상의 탄소나노튜브를 포함하며, 그 탄소 나노튜브에 전기장을 인가함으로써 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터를 원하는 위치의 탄소 나노튜브 위에 선택적으로 부착시키는 것을 특징으로 하는 멀티채널-타입(multichannel-type)의 바이오분자 검출센서를 제공한다.
본 발명의 멀티채널-타입에서는, 하나 혹은 둘 이상의 마이크로 또는 나노크기의 멀티채널 (multi-channel)을 제작한 후, 채널내의 일정한 위치에 하나 혹은 둘 이상의 탄소나노튜브를 부착하고, 멀티채널내의 각각의 탄소나노튜브에 고정시키고자 하는 리셉터들과 반대 극성의 전기장을 인가함으로써 나노어레이-타입(nanoarray-type)의 경우와 마찬가지로 채널내의 각각의 탄소나노튜브에 다양한 리셉터들을 선택적으로 부착시킬 수 있다.
본 발명의 멀티채널-타입에서, 멀티채널은 광석판 인쇄술(photolithography)을 이용하여 실리콘 기질 표면에 식각(eching)으로 만들거나 또는 유리, 플라스틱의 표면상에 별도로 조립한 후　실리콘 기질 표면에 부착시킴으로써 생성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 기질(substrates)은 실리콘, 유리, 용융실리카, 플라스틱 및 PDMS 등과 같은 각종 폴리머 등의 다양한 물질을 칩의 기질(chip base substrate)로 하여 그 위에 수-수백 nm의 탄소나노튜브를 나노어레이(nanoarray) 한다.
본 발명에 있어서, 리셉터(receptors)는 표적 바이오분자와 결합하여 이를 검출할 수 있는 프로브 역할을 하는 생물학적 물질로서, 바람직하게는 핵산(nucleic acids), 단백질(proteins), 펩티드(peptides), 아미노산(amino acids), 리간드(ligands), 효소 기질(enzyme substrates), 코펙터(cofactors) 또는 올리고당(oligosaccharides)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 표적 바이오분자(target biomolecules)는 리셉터와 결합하여 검출되는 표적 역할을 할 수 있는 바이오분자로서, 바람직하게는 단백질,DNA, 효소 또는 기타 바이오분자이며, 더욱 바람직하게는 질병에 관련된 단백질인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 기질 상의 탄소 나노튜브 배열은 종래의 당업계에 알려진 탄소 나노튜브 제조방법을 사용하여 제조될 수 있으나, 바람직하게는 알루미나와 같은 절연층(dielectric layer)에 수 nm 직경의 구멍을 수 nm 간격으로 형성한 후, 상기 구멍들 내에 탄소 나노튜브를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법에 의해 수직으로 성장시켜 형성되며, 더욱 바람직하게는 본 발명자들의　선출원인 특허출원 제2000-35703호에 기재된 탄소 나노튜브 제조방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 탄소 나노튜브는 각각 전하가 인가될 수 있도록 적어도 하나의 전도성 나노와이어(nanowires)를 통해 전원에 연결될 수 있으며, 여기서 전도성 나노와이어는 단일원자로 형성될 수 있으며(Leo Kouwenhoven "Single-Molecule Transistors", Science Vol. 275, 페이지 1896-1897, 1997. 3. 28. 참조, 그 모든 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다), 나노와이어는 탄소 나노튜브의 형성 전에 칩 조립 공정의 일부로서 칩 상에 증착될 수 있다.
본 발명에 있어서, 탄소 나노튜브 위에 리셉터의 선택적 부착은 리셉터의 순 전하(net charge)와 반대되는 극성의 전하를 일정한 또는 각기 다른 전기장으로 탄소 나노튜브에 인가하여 동일한 혹은 다양한 종류의 리셉터들을 각기 다른 탄소 나노튜브에 고정시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 필요에 따라 2개 이상의 탄소 나노튜브에 하나의 리셉터가 부착되도록 고안될 수도 있다. 이 경우 하나의 리셉터를 부착시키는 탄소나노튜브들은 동일하거나 또는 서로 다른 극성의 전하가 인가될 수 있다.
본 발명에 있어서, 탄소 나노튜브에 리셉터를 부착시키기 바로 직전 또는 직후에,　탄소 나노튜브와 리셉터 사이의 부착력을 증가시키는 결합보조제를 처리할 수 있다. 이러한 결합보조제는 탄소 나노튜브에 인가한 전기장을 해제한 후에도 탄소 나노튜브와 리셉터의 결합을 유지시키는 작용을 한다.
본 발명에 있어서, 결합보조제는 바람직하게는 카본기 말단에 알데하이드(aldehyde), 아민(amine) 혹은 이민류(imine) 등과 같은 작용기가 붙어 있는 화학물질; SiO2, Si3N4등과 같은 단층(monolayer); 니트로셀룰로스(nitrocellulose) 등과 같은 막(membrane); 또는 폴리아크릴아미드 겔(polyacrylamide gel), PDMS 등과 같은 중합체(polymer)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 탄소 나노튜브에의 리셉터의 부착 또는 리셉터와 바이오분자의 결합을 검출(detect)할 수 있는 시스템을 더 포함할 수 있으며, 이러한 검출(detection) 시스템은 칩 내에 장착된 내장형이거나 칩과 별도로 존재하는 외장형일 수도 있다.
본 발명에서, 내장형 검출 시스템으로서는 당업계에 잘 알려진 전기적 검출법 또는 공진법(resonance), 쏘 검출기(saw sensor), 켄틸리버(cantilever)를 이용한 방법 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 전기적 신호에 의해 검출하는 것이며, 이 경우 리셉터 또는 바이오분자의 결합시 탄소 나노튜브에 발생하는 미세한 전위차의 변화를 적당한 회로를 통해 모니터하여 리셉터 또는 바이오분자의 결합을검출할 수 있다.
본 발명에서, 외장형 검출 시스템으로서는 당업계에 잘 알려진 x-y 형광 레이저 판독법 또는 레이저-탈착-이온 질량 분광분석법을 비롯한 형광(fluorescence detection)검출법, 레이저유발 형광검출법(laser-induced fluorescence detection), 흡수검출법(absorption detection), 공명검출법(resonance detection), 간섭검출법 (interference detection)　등의 광학적인 검출법(optical detection)등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, x-y 형광 레이저 판독기에 의해 검출하는 것이며, 이 경우 예컨대 리셉터에 결합된 샘플을 형광분자 또는 표지된 항체와 반응시키고, 샘플과 반응된 전체 칩을 x-y 레이저 판독기에 놓은 후, 형광을 검출한다.
본 발명의 멀티채널-타입에 있어서, 멀티채널은 분석하고자 하는 바이오분자의 크기(size)와 전기적 성질(electrical properties)에 의해 운반(delivery)과 분리(separation)를 수행하는 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는 바이오분자의 운반(delivery) 및 분리(separation) 시스템은 마이크로펌프(micro-pump) 또는 모세관 전기영동(capillary electrophoresis) 등과 같은 당업계에 잘 알려진 미세 유체 흐름 제어방법을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 모세관 전기영동을 사용하는 것을 특징으로 하며, 이러한 모세관 전기영동장치의 제조방법은 예컨대, Jacobsen 등, Anal. Chem. (1994) 66:1114-1118, Effenhauser 등, Anal. Chem. (1994) 66:2949-2953 등에 상세히 기술되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참고자료로서 포함된다.
또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 바이오분자 검출센서를 사용하여 바이오분자를 분석하는 방법을 제공한다.
본 발명에서는, 바람직하게는 다양한 종류의 리셉터들에 결합하는 질병에 관여된 다양한 종류의 표적 단백질들을 직접 검출하거나, 결합력의 차이를 측정함으로써 여러 종류의 질병을 하나의 칩 상에서 대량으로(high-throughput) 측정하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 본 발명의 멀티채널-타입에서는, 채널내에 부착된 특정 리셉터들과 결합하는 표적 단백질을 직접 검출하거나, 리셉터와 표적 단백질들과의 상호작용 크기의 차이에 의한 이동도(mobility or retention time)를 측정함으로써 여러 종류의 질병을 하나의 칩 상에서 대량으로 측정할 수 있다. 이 경우 바이오분자의 전기화학적 성질에 따라 결합력이 달라지기 때문에 이동도는 바이오분자의 유형을 검출하고 정량하는데 사용될 수 있는 중요한 변수가 된다.
본 발명에 따르면, 질병에 관여되는 표적 단백질과 선택적으로 결합하는　단백질－특이적　리셉터(protein－specific　receptor)를 하나의 칩 위에 나노어레이된 탄소나노튜브에 전기장을 가해 선택적으로 부착할 수 있다. 또한 각각의 탄소나노튜브에 각기 다른 극성의 전기장을 걸어주어 다양한 질병에 관여하는 다양한 종류의 표적 단백질과 상호작용할 수 있는 리셉터들을 선택적으로 부착할 수 있다. 따라서 하나의 칩 위에서 다양한 종류의 질병을 한번에 대량으로 빠른 시간 내에 정확히 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다양한 채널에 탄소나노튜브를 부착시키고 각기 다른 채널에 각기 다른 하나 혹은 둘 이상의 다양한 리셉터들을 원하는 위치에 부착시킨 뒤 이에 대응하는 표적 단백질을 직접 검출하거나 리셉터와 표적 단백질들과의 상호작용의 차이에 의한 이동도의 차이를 측정하여 다양한 질병을 하나의 칩 위의 멀티채널에서 쉽고 보다 빠르게 정확히 진단할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
1. 탄소나노튜브의 제조
도 1은 다양한 기질 위에 전도성 막을 입히고 그 위에 수직 탄소 나노튜브의 생성의 원리를 보여주는 개략도이다. 도 1에서 보여 주듯이, 다양한 기질(1)의　칩 위에 전기장이 통하는 성질을 갖는 단층(monolayer)를 증착하거나 전도층(conductive layer)(2)를 부착한 뒤 양쪽에 전기장을 가해 나노 크기의 탄소나노튜브를 생성한다. 구체적으로는, 알루미나와 같은 절연막(dielectric layer)(3)에 수 nm 직경의 구멍을 수 nm 간격으로 형성한 후, 상기 구멍들 내에 탄소 나노튜브(4)를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법에 의해 수직으로 성장시켜 형성한다(특허출원 제2000-35703호　참조).
도 2는 다양한 형태의 모양을 갖는 탄소나노튜브를 보여주는 사진이다. 도 2에서 보여주듯이, 탄소나노튜브는 생성 방법에 따라 다양한 모양, 즉 (A) 수직 성장된 탄소 나노튜브 또는 (B) 수평 성장된 탄소 나노튜브를 나타낸다. 이중 수직 성장된 탄소 나노튜브를 만들기 위하여, 바람직하게는 탄소나노튜브를 이용한 수직트랜지스터 제조방법(특허출원 제2000-35703호)을 이용하여 부도체 기판 위에 나노미터 직경의 탄소나노튜브를 수직으로 성장시킨다. 이를 요약하면, 알루미나와 같은 절연막에 직경 수 ~ 수백 nm의 구멍을 수 ~ 수백 nm 간격으로　형성하여 탄소나노튜브를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법으로 나노 크기의 구멍속에서 수직으로 배열시켜 채널로 이용하고, 반도체 제조방법을 이용하여 탄소나노튜브의 둘레에 게이트 전극을 형성하고 탄소나노튜브의 위아래에 각각 소스와 드레인 전극을 형성함으로써 전기적으로 스위칭 특성을 갖는 나노 크기의 수직 탄소나노튜브 트랜지스터를 제조한다.
2. 나노어레이 타입(nanoarray-type) 바이오칩
도 3은 다양한 기질의 칩 위에 탄소나노튜브를 나노어레이한 뒤 각기 다른 다양한 리셉터들을 원하는 위치의 탄소나노튜브에 선택적으로 부착시키는 작용을 보여주는 개략적인 상면도이다. 도 3에서 보여주듯이, 스팟터(Spotter)와 광식각 기술(lithography technique)을 이용하는 기존 방법과는 달리 본 발명은 다양한 기질(1)로 된 하나의 칩 위에 배열된 나노 규모의 탄소나노튜브(4)에 각기 다른 극성의 전기장을 인가해 반대의 전하를 갖는 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터(6)를 선택적으로 탄소나노튜브로 이동시키거나 부착시킨다.
즉, 상기 실시예 1에서 생성된 탄소나노튜브(4)를 다시 하나의 전극으로 사용하여, 리셉터(6)로 작용하는 단백질, 펩티드, 아미노산, 생물학적 분자를 비롯한 다양한 입자의 순　전하와 반대되는 극성의 전하를 탄소나노튜브(4)에 걸어주어 각각의 리셉터(6)들을 임의적으로 일정한 위치로 이동시키거나 고정시킨 뒤, 다양한 종류의 화학물질이나 단층, 중합체 등과 같은 결합보조제을 이용하여 각각의 리셉터(6)들을 칩 위에 결합시킴으로써 종래의 마이크로 (10-6)수준의 어레이 기술을 나노 (10-9) 수준에서 원하는 패턴으로 배열하거나 고집적화 한다.
단백질, 펩티드, 아미노산 등과 같은 리셉터(6) 물질은 각각의 고유한 등전점(pI, isoelectric point)을 가지며, 용액상태의 이온의 세기나 pH조건 등에 따라 중성, 양이온, 음이온 등으로 하전된 순 전하(net charge)를 갖는다(Seong Ho Kang, Xiaoyi Gong, Edward S. Yeung,Anal. Chem., (2000),72(14), 3014-3021, "High-Throughput Comprehensive Peptide Mapping of Proteins by Multiplexed Capillary Electrophoresis"; Landers, J.P.Handbook of Capillary Electrophoresis,CRC Press: Boca Raton, FL, 1997; pp 219-221). 또한 용액의 상태를 조절함으로써 임의적으로 이들 리셉터(6) 물질과 일정한 전하를 갖는 탄소나노튜브(4)의 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)과 소수성 상호작용(hydrophobic interaction) 등의 상호작용을 조절함으로써 원하는 칩 위치에 같은 종류 혹은 각기 다른 종류의 리셉터(6)들을 이동시키거나 나노어레이 할 수 있다.
3. 멀티채널 타입(multichannel type)의 바이오칩
도 4는 칩 위에 멀티채널(multichannel)을 만들고 채널의 일정한 위치에 탄소나노튜브를 배열한 뒤 다양한 리셉터들을 원하는 위치의 탄소나노튜브에 선택적으로　부착시키는　작용을 보여주는 개략적인 상면도이다. 도 4에서 보여지듯이, 스팟터와 광식각 기술을 이용하는 기존 방법과는 달리 본 발명은 다양한 기질(1)로된　칩　위의　멀티채널(11) 내에 배열된 나노　규모의 탄소나노튜브(4)에 각기 다른　극성의 전기장을 가해 반대의 전하를 갖는 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터(6)를 선택적으로 탄소나노튜브로 이동시키거나 부착시킨다.
즉, 다양한 기질(1)의 칩 위에 마이크로나 나노 크기의 멀티채널(11)을 제작한 후에 각각의 채널 안의 원하는 위치에 하나 혹은 둘 이상의 탄소나노튜브(4)를 배열하고 전기장을 걸어 선택적으로 채널별로 다른 종류의 리셉터(6)를 부착시킬 수 있다. 채널의 한쪽 끝에서 시료를 주입하고 유체의 흐름을 유체역학적(hydrodynamic)으로 마이크로 펌프(micro-pump)로 생성하거나, 채널의 양 끝 단에 전기장(electric field)을 걸어 주어 모세관 전기영동(capillary electrophoresis)으로 시료를 운반시킬 수 있다. 유체의 흐름에서 채널 내의 특정한 부분에 부착된 특정 리셉터(6)들과 결합하는 진단용 표적 바이오분자를 직접 검출하거나, 상호작용 크기의 차이에 의한 이동도(mobility 또는 retention time)를 측정함으로써 다양한 질병을 진단을 보다 정확히 빠른 시간 내에 한번에 측정할 수 있다. 특히 이 방법은 용액 내에서 원하는 위치에 원하는 리셉터(6)를 선택적으로 이동시키거나 부착함으로써　단백질과　같은　생체시료의 활성을 그대로 유지하면서도 멀티채널의　포괄적　고용량　단백질　칩(comprehensive high throughput protein-chip) 개발은 물론 다양한 종류의 바이오 칩(bio-chip) 개발에 응용이 가능하다.
4. 결합 검출 시스템
도 5는 나노어레이의 고밀도를 갖는 탄소나노튜브 위에 부착된 다양한 리셉터-프로브(receptor-probe)들과 진단에 관련된 특정 표적-단백질(target-protein)의 상호작용을 보여주는 개략도이고, 도 6는 멀티채널　안에 배열된 탄소나노튜브 위에 부착된 다양한 종류의 리셉터-프로브(receptor-probe)들과 표적-단백질(target-protein)의 상호작용을 보여주는 개략도이다. 도 5에서 보여지듯이, 다양한 종류의 리셉터(6)가 부착된 하나의 칩 위에 병을 진단 할 수 있는 표적 단백질(7)이 포함된 시료용액을 떨어뜨린 뒤 결합하는 표적 단백질(7)을 검출하거나 나노튜브에 부착된 리셉터(6)와의 상호작용의 차이에 의해 다양한 질병을 진단할 수 있다. 또한 도 6에서 보여지듯이, 멀티채널에 부착된 여러 종류의 리셉터(6)들에 표적 단백질(7)이 포함된 시료용액을 마이크로 펌프나 모세관 전기영동을 사용하여 시료를 운반시킨 뒤 리셉터(6)와 결합하는 각각의 표적 단백질(7)을 검출하거나 상호작용의 차이에 의해 표적 단백질의 이동도(mobility 또는 retention time)의 차이를 측정함으로써 다양한 질병을 한번에 정확히 진단할 수 있다. 여기서, 소혈청알부민(BSA)(5)은 표적 단백질(7)이 리셉터외의 기질에 임의적으로 상호작용을 하는 것을 방지하는 역할을 한다.
본 발명에서, 탄소 나노튜브에의 리셉터의 부착 또는 리셉터와 바이오분자의 결합을 검출(detect)할 수 있는 시스템을 더 포함할 수 있으며, 이러한 결합의 검출은 전기적으로 또는 공진법(resonance)이나 x-y 형광 판독기에 의해 성취될 수 있다. 전기적 신호에 의해 검출하는 경우에는 리셉터 또는 바이오분자의 결합시 탄소 나노튜브에 발생하는 미세한 전위차의 변화를 적당한 회로를 통해 모니터하여 리셉터 또는 바이오분자의 결합을 검출할 수 있다. 공진법에 의해 검출하는 경우에는 나노플레이트는 MHz 내지 저 GHz 영역의 공진 주파수를 갖도록 나노플레이트 구조체를 고안한 후 구조체상에 레이저 다이오드를 조사하고 위치 감지 포토다이오드를 이용하여 반사 신호를 검출함으로써 결합여부를 광학적으로 검출할 수 있다. x-y 형광 레이저 판독기에 의해 검출하는 경우에는 예컨대 리셉터에 결합된 시료를 형광분자 또는 표지된 항체와 반응시키고, 시료와 반응된 전체 칩을 x-y 레이저 판독기에 놓은 후, 형광을 검출한다. 구체적으로는, 형광 표지된 표적 단백질을 여기시키는 레이저를 사용하여 스캐닝한　후 어레이의 광범위한 스캐닝을 위한 전하 커플 장치(charged coupled device, "CCD")를 이용하여 이미징할 수 있으며, 자동화 공정의 용이성 및 신속성과 고 해상 검출도를 조합시킨 레이저 공초점(confocal) 현미경을 이용하여 어레이로부터 데이터를 수집할 수도 있다.
멀티채널 타입의 경우, 채널(11)에 하나 이상의 탄소 나노튜브(4)가 장착되어 있고, 단백질 혼합물인 시료가 각 채널을 통해 흘러간다. 각 채널내 유속을 제어하는 마이크로콘트롤러(microcontroller) 또는 마이크로프로세서(microprocessor)에 의해, 각 탄소 나노튜브로부터의 전기적 신호가 단백질 분리 속도(separation rate)(단백질의 크기 및 전하에 의존) 및 탄소 나노튜브상의 보유 시간(retention time)(단백질의 전기적 성질에 의존)의 변수와 함께 측정된다. 단백질의 크기가 작을수록 분리 속도가 높아지고 단백질과 리셉터에 더 잘 매치할수록 보유시간이 길어진다. 따라서, 분리 시간(시료 주입후 최초 검출까지의 시간) 및 탄소 나노튜브의 리셉터상의 보유시간은 표적 단백질을 특성화하는 중요한 변수가 되며, 시스템은 공지의 단백질을 주사함으로써눈금조정(calibrate)한 후 시험할 시료를 주사할 수도 있다. 상기 두 변수는 특정 단백질에 특이적이며, 각 단백질에 대한 신호-특이적 프로파일들은 기억장치에 저장된 후 시험된 시료의 것들과 비교될 수도 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 탄소나노튜브를 이용함으로써 나노어레이 기초-타입(nanoarray based-type) 단백질 칩의 제작이 가능하여, 기존 마이크로어레이 단백질 칩(microarray protein-chip)을 보다 고밀도로 고집적화가 가능하다. 따라서, 하나의 칩상에 매우 고밀도의 나노어레이를 장착할 수 있어서 모든 인간의 단백질 및 그 변이체를 하나의 칩상에서 분석할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브를 하나의 전극으로 사용하여 원하는 탄소나노튜브에 일정한 혹은 각기 다른 전기장을 걸어줌으로써 원하는 위치에 임의적으로 특정 리셉터를 이동시키거나 부착할 수 있어 다양한 리셉터를 하나의 칩상에 다양하게 고집적화 할 수 있으므로 다양한 질병의 진단이 동시에 가능하다. 따라서, 하나의 칩에 어레이된 나노크기의 탄소나노튜브에 각기 다른 리셉터들을 임의적으로 부착할 수 있어 포괄적 고용량 바이오칩(comprehensive high-throughput bio-chip)의 개발이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 멀티채널의 용액 내에서 전기영동을 하여 원하는 위치로 특이적-리셉터 단백질(specific-receptor protein)를 이동시키고 흡착시킴으로써 단백질의 3차 구조를 잃지 않고 다양한 리셉터들을 채널 내의 탄소 나노튜브에 쉽게 부착시킬 수 있다. 따라서, 단백질의 3차 구조를 잃지 않고 생체(real-life) 시료를 고밀도로 고집적화 가능하며, 리셉터의 전기적 결합 위치를 조절함으로써 부착된 리셉터의 활성부위가 외부에 노출되도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 임의적으로 크기와 모양의 조작이 가능한 균일하고 동질한 탄소나노튜브를　하나의 전극으로 이용함으로써 고품질의 DNA-칩, PCR-칩, 단백질-칩과 같은 다양한 나노어레이 바이오 칩(nanoarray bio-chip)의 개발이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브와 리셉터간의 전기적 상호작용을 이용하므로, 결합에 의하여 시험이 완료되었을 때 탄소 나노튜브상의 전위를 역전시키거나 전체 시스템을 가열하여 단백질을 변성시킨 후, 시스템을 용액으로 세척함으로써 칩을 재사용을 할 수 있다.

Claims (16)

  1. ① 기질; 및,
    ② 기질 위에 배열된 복수의 탄소 나노튜브를 포함하며, 그 탄소 나노튜브에 전기장을 인가함으로써 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터를 원하는 위치의 탄소 나노튜브 위에 선택적으로 부착시키는 것을 특징으로 하는 나노어레이 타입의 바이오분자 검출센서.
  2. ① 기질;
    ② 기질에 제작된 마이크로 또는 나노 크기의 멀티채널; 및,
    ③ 채널내의 특정위치에 배열된 하나 혹은 둘 이상의 탄소 나노튜브를 포함하며, 그 탄소 나노튜브에 전기장을 인가함으로써 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터를 원하는 위치의 탄소 나노튜브 위에 선택적으로 부착시키는 것을 특징으로 하는 멀티채널 타입의 바이오분자 검출센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 기질은 실리콘, 유리, 용융실리카, 플라스틱 및 PDMS 로 구성된 군에서 선택된 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 리셉터는 핵산, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 효소 기질, 코펙터 또는 올리고당인 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 표적 바이오분자는 단백질, DNA, 효소 또는 리셉터와 결합할 수 있는 기타 바이오분자인 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 기질 상의 탄소 나노튜브 배열은 알루미나와 같은 절연막에 수 ~ 수백 nm 직경의 구멍을 수 ~ 수백 nm 간격으로　형성한 후, 상기 구멍들 내에 탄소 나노튜브를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법에 의해수직으로 성장시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 탄소 나노튜브 위에 리셉터의 선택적 부착은 리셉터의 순 전하(net charge)와 반대되는 극성의 전하를 일정한 또는 각기 다른 전기장으로 탄소 나노튜브에 인가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 탄소 나노튜브에 리셉터를 부착시키기 바로 직전 또는 직후에, 탄소 나노튜브와 리셉터 사이의 부착력을 증가시키는 결합보조제를 처리하는 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  9. 제 8항에 있어서, 결합보조제는 카본기 말단에 알데하이드, 아민 혹은 이민류 등과 같은 작용기가 붙어 있는 화학물질; SiO2, Si3N4등과 같은 단층(monolayer); 니트로셀룰로스 등과 같은 막(membrane); 또는 폴리아크릴아미드 겔, PDMS 등과 같은 중합체(polymer)인 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 탄소 나노튜브에의 리셉터의 부착 또는 리셉터와 바이오분자의 결합을 검출(detect)할 수 있는 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  11. 제 10항에 있어서, 검출(detection) 시스템은 전기적 검출법과 같은 내장형 또는 x-y 형광 레이저 검출기와 같은 외장형인 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  12. 제 2항에 있어서, 멀티채널은 분석하고자 하는 바이오분자의 크기와 전기적 성질에 의해 운반(delivery)과 분리(separation)를 수행하는 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  13. 제 １２항에 있어서, 운반(delivery) 및 분리(separation) 시스템은 마이크로 펌프(micro-pump) 또는 모세관 전기영동(capillary electrophoresis)인 것을 특징으로 하는 바이오분자 검출센서.
  14. 제 1항 또는 제 2항의 바이오분자 검출센서를 사용하여 표적 바이오분자를 분석하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 다양한 종류의 리셉터들에 결합하는 다양한 종류의 표적 바이오분자들을 직접 검출하거나, 결합력의 차이를 측정함으로써 여러 종류의 표적 바이오분자들을 하나의 칩 상에서 한번에 대량으로 분석하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 표적 바이오분자는 질병에 관련된 표적 단백질인 것을 특징으로 하는 방법.
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