KR100532812B1

KR100532812B1 - 블록 공중합체의 나노패턴을 이용한 나노-바이오칩의제조방법

Info

Publication number: KR100532812B1
Application number: KR10-2003-0069302A
Authority: KR
Inventors: 정희태; 정봉현; 권기영; 정진미
Original assignee: 한국과학기술원; 한국생명공학연구원
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2023-10-06
Also published as: KR20050033312A

Abstract

본 발명은 블록공중합체(block copolymer)의 자기조립(self-assembly)을 이용하여 블록공중합체의 나노패턴을 형성하고, 이를 이용하여 형성된 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 나노패턴에 표적 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터가 선택적으로 부착되어 있는 나노-바이오칩 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 나노-바이오칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 다양한 표적 바이오물질을 검출하는 방법에 관한 것이다.

Description

블록 공중합체의 나노패턴을 이용한 나노-바이오칩의 제조방법 {Method for fabricating a nano-biochip using the nanopattern of block copolymers}

본 발명은 블록공중합체(block copolymer)의 자기조립(self-assembly)을 이용하여 규칙적인 나노패턴을 제조하고, 상기 고분자의 나노패턴을 이용하여 바이오 리셉터와 친화성이 있는 금속의 나노패턴을 제조한 다음, 상기 나노패턴의 금속에 표적 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터를 선택적으로 부착하는 것을 특징으로 하는 나노-바이오칩의 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 나노-바이오칩 및 이를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 다양한 표적 바이오물질을 검출하는 방법에 관한 것이다.

최근, 100nm 이하의 패턴을 제조하기 위하여, 지금까지의 광식각 공정을 대신에 새로운 미세패턴 제조에 관한 여러 시도들이 행해지고 있다. 반도체 공정에서 기기의 소형화, 고집적화는 시간, 비용, 시료의 크기를 감소시키고, 새로운 기능을 향상시키기 위해서 중요한 공정이다.

하지만, 현재의 반도체 공정인 광식각 공정으로는 해상도의 한계로 인해 100nm 이하의 패턴을 제조하기 힘들다고 알려져 있다. 또한, 최근까지 많은 메모리 제품이 자성물질의 자기이방성을 증가시킴으로서 자기 밀도를 증가시켜왔는데, 이러한 방법이 연속상의 자성박막에서는 100Gbit 이상은 열안정성[thermal instability (superparamagnetic limit)] 문제 때문에 불가능하게 된다.

이에, 100nm 이하의 미세 패턴을 제조하기 위해서 전자빔(E-beam), 엑스선(x-ray) 식각방법 등이 연구되고 있으나, 고가의 장비와 공정시간의 긴 문제점 등을 안고 있다. 블록공중합체의 자기조립을 이용할 경우 가격이 저렴하고 공정이 용이할 뿐만 아니라, 패턴의 크기와 구조를 블록공중합체의 성질과 크기에 의해 조절할 수 있다는 장점이 있다.

최근, 블록 공중합체의 자기조립을 이용하여 수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기의 미세패턴을 제조하는 연구가 활발히 진행되어지고 있다 (Science, 276:1401-4; Nature, 405:433-7; Adv. Mater., 12: 787-91). 하지만 이를 이용한 금속 나노패턴에 대한 연구는 아직 미진한 상태로 패턴의 종횡비 한계나 사용되는 물질의 종류에 제한이 있다는 문제점이 있고, 특히, 금속 나노패턴에 바이오 리셉터가 결합되어 있는 나노-바이오칩에 대한 연구는 없었다.

한편, 현재 10만 여개로 예측되는 인간 유전자 중, 1만여 개의 기능이 밝혀져 있고, 이러한 유전자들은 대부분이 질환과 직접적인 연관이 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 대부분의 질병이 유전자 수준이 아닌 단백질 수준에서 유발되기 때문에, 현재까지 개발되었거나 개발 중에 있는 의약품의 95% 이상이 단백질을 타겟으로 하고 있다. 따라서, 특정 단백질 및 리간드에 상호작용 하는 생체분자의 기능을 밝히고, 단백질 기능분석 및 네트워크 분석을 통하여 얻어진 자료를 바탕으로, 고전적인 방법으로는 불가능하였던, 질병에 대한 치료 및 예방법을 개발하는 연구에 필수적인 것이 효율적인 단백질-단백질 및 단백질-리간드 간의 반응 검출기술이다.

단백질 칩을 이용한 단백질-단백질 간의 반응검출 기술은, 목적 단백질에 친화성 태그(tag)를 이용하여 생체분자의 배향성(orientation)을 분자수준에서 조절하여, 균일하고 안정된 단백질의 단일층을 지지체 표면에 특이적으로 고정한 다음, 단백질-단백질 간의 상호작용을 분석한다 (Paul, J. et al., JACS, 122:7849-50, 2000; RaVi, A. et al., Anal. Chem., 73:471-80, 2001; Benjamin, T. et al., Tibtech., 20:279-81, 2002).

인간 게놈 프로젝트에 의해 얻어지는 수많은 유전정보들은 유전병을 이해하고 진단하는데 있어 혁신을 가져올 발판을 마련하였다. 이러한 와중에서 게놈 시퀀싱(genomic sequencing), 돌연변이 검출(mutation detection), 그리고 병원성 균 진단(pathogen identification)을 위한 효과적인 DNA 감식 시스템의 개발이 요구되고 있다.

보다 빠르고 값이 싼 바이오칩을 개발하기 위해, 최근 DNA 혼성화 감지 기술에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. DNA의 혼성화를 감지하기 위한 다양한 레이블링 기술들이 개발되었는데, 현재 레이블링에 가장 일반적으로 형광물질이 사용되고 있다. 상보적인 DNA를 감지할 수 있는 단일 DNA 사슬을 고정하여 수용액 상에 있는 상보적인 DNA를 인식하고, 신호 변환기가 DNA 혼성화 신호를 분석할 수 있는 신호로 바꾸어준다.

신호 변화기로서는 광학, 압전현상, 전기화학반응이 연구되고 있다. 이 중에서 전기화학반응은 높은 감지도, 싼 가격, 마이크로 크기의 가공 기술(microfabrication technology)과의 호완성(compatibility) 등의 특징을 가지고 있고, 신속하고 직접적으로 특정 염기서열을 가진 DNA를 감지할 수 있는 특징을 가진다.

DNA 칩으로 DNA 혼성화를 효율적으로 검출하기 위해서는 혼성화 효율을 높이며 동시에 비특이적 결합에 의한 배경(background)을 없앨 수 있는 효과적인 표면처리가 필요하다. 이러한 표면처리된 DNA 칩 플랫폼(platform)을 만들기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다 (Anal. Biochem., 266:23-30, 1999; Nuc. Acid. Res., 29(21):107, 2001).

또한, DNA 혼성화(hybridization) 검출에 다양한 방법들이 모색되었는데, 스케노매트릭(Scanometric) 방법, 칼로리메트릭(Colorimetric) 방법, 나노입자(nanoparticle)를 이용한 방법, 전기화학을 이용한 방법 (Science, 289:1757-60, 2000; Anal. Biochem., 295:1-8, 2001; Analyst., 127:803-8, 2002; Anal. Bioanal. Chem., 375:287-93, 2003) 등이 있다.

한편, 마이크로어레이(microarray) 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(USP 5,143,854A)은 최근 다양한 방법으로 시도되고 있다. 특히 항원-항체쌍(antigen-antibody pairs), 효소-연결 면역흡착 측정법(enzyme-liked immunosorbent assays) 등을 비롯한 다양한 면역측정법에서 마이크로어레이형 포멧(microarray-type format)의 개발의 중요성이 점점 증가되고 있다. 또한, 생물분자의 상대적 함량을 비교하고 시료에서 생물분자를 친화성 태그와 질량분석법을 이용하여 동정하는 방법에 관한 특허가 최근 출원되었다(WO 2002/86168 Al).

그러나, 단백질 어레이는 DNA 어레이보다 소형화하거나, 보다 감도를 좋게 하는 실질적인 포멧으로 집적화 하거나 어레이 하기가 쉽지 않다. 즉, DNA 올리고뉴클레오티드의 격자 패턴은 광식각 기술로 기질의 표면에 생성할 수 있으나, 수백 개 이상의 아미노산으로 구성된 단백질의 경우는, 항체가 일반적으로 약 1400 개의 아미노산을 가져야 하는 등, 질병의 정확한 진단을 위해서는 더욱더 고집적화된 고밀도의 격자패턴이 요구되나, 이를 실현하기는 쉽지 않다.

또 다른 문제점은 단백질들을 변성(denaturing) 조건하에서 다룰 때, 단백질의 3차 구조를 쉽게 잃을 수 있으므로 (Anal. Chem. 14A-15A, 2001; Anal. Chem., 73, 8-12, 2001) 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, 마이크로컨택트 프린팅(microcontact printing), 및 IBM에서 선택한 소프트 식각기술(soft lithography) 등 다양한 접근 방법이 시도되고 있다. 하지만 이들 방법도 또한 수십㎛ - 수mm의 스페이싱(spacing) 크기를 가지고 있으며, 아직까지 단백질의 3차 구조를 잃지 않으면서 생(real-life) 시료가 고밀도로 부착된 수십 나노미터 사이즈의 단백질 칩 개발은 시도된 적이 없다.　

이에 본 발명자들은 공정이 보다 간단하고 패턴 크기가 수십 나노미터 수준인 초고밀도 패턴을 이용한 나노-바이오칩을 개발하고자 예의 노력한 결과, 블록공중합체의 자기조립(self-assembly)을 이용하여 규칙적인 나노패턴을 형성하고, 이를 이용하여 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 나노패턴을 형성한 다음, 상기 금속에 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터를 고정시킴으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 블록공중합체 나노패턴을 이용하여 형성된 금속의 나노패턴에 다양한 종류의 바이오 리셉터가 부착되어 있는 나노-바이오칩 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 나노-바이오칩을 이용하여 다양한 종류의 바이오 리셉터에 결합하거나 반응하는 다양한 표적 바이오물질을 검출하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 기질상에 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 박막위에 블록공중합체를 도포하는 단계; (c) 상기 블록공중합체를 열처리하여 자기조립을 유도하고 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (d) 상기 규칙적인 구조가 형성된 블록공중합체를 에칭하여 다공성의 나노패턴을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 다공성의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 바이오 리셉터를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 바이오 리셉터가 부착된 나노-바이오칩의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조되고, 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 나노-바이오칩 및 상기 나노-바이오칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 기질(S)상에 바이오 리셉터(BR)와 친화력이 있는 금속(M)의 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 박막위에 블록공중합체를 도포하는 단계; (c) 상기 블록공중합체를 열처리하여 자기조립을 유도하고 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (d) 상기 규칙적인 구조가 형성된 블록공중합체를 에칭하여 다공성의 나노패턴을 형성하는 단계; (e) 상기 다공성의 나노패턴에 마스크 금속을 선택적으로 증착하는 단계; (f) 상기 증착된 금속을 마스크로 하여 블록공중합체와 바이오 리셉터(BR)와 친화력이 있는 금속의 박막을 에칭하여 기질상에 금속의 나노패턴을 형성하는 단계; 및 (g) 상기 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속에 바이오 리셉터를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 S-M-BR 형태의 나노-바이오칩을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조되고, 기질(S)상의 금속(M) 나노패턴에 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터(BR)가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 S-M-BR 형태의 나노-바이오칩 및 상기 나노-바이오칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출방법을 제공한다.

상기 블록공중합체를 열처리하여 자기조립을 유도하고 규칙적인 구조를 형성하는 단계는 사용한 블록공중합체의 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올린 후에 서냉하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서, 블록공중합체는 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA), 폴리스타이렌-폴리부타디엔(PS-PB), 또는 폴리스타이렌-폴리아이소프렌(PS-PI)인 것을 특징할 수 있으나, 이들 이외에도 자기조립을 유발하는 공중합체는 제한 없이 사용될 수 있다.

상기 규칙적인 구조가 형성된 블록공중합체를 에칭하여 블록공중합체의 나노패턴을 형성하는 단계는 UV 에칭을 수행한 다음 반응성 이온 에칭을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 마스크 금속이 증착된 블록공중합체의 규칙적인 구조를 마스크로 하여 블록공중합체와 금속의 박막을 에칭하여 기질상에 금속의 나노패턴을 형성하는 단계는 반응성 이온 에칭과 이온밀링을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 표적 바이오물질은 바이오 리셉터와 반응하거나 결합하여 검출되는 표적 역할을 할 수 있는 물질로서, 바람직하게는 단백질, 핵산, 항체, 효소, 탄수화물, 지질 또는 기타 생체유래의 생물분자이다.

본 발명에 있어서, 바이오 리셉터는 상기 표적 바이오물질과 반응하거나 결합할 수 있는 물질로서, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질, 코펙터 및 탄수화물로 구성된 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 할 수 있고, 바람직하게는 질병에 관련된 단백질 또는 DNA인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 이들은 티올기를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서, 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 니오비움(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 코발트(Co)로 구성된 군에서 선택된 하나와 크롬(Cr)의 합금인 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 금인 것을 특징으로 한다. 또한 마스크 금속은 기질상에 형성된 상기 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속과 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

금은 티올기(-SH)를 함유하는 바이오 리셉터(펩티드, 단백질, DNA 등)와 선택적으로 결합할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 금 나노패턴에 바이오 리셉터들을 선택적으로 결합시켜 고밀도의 나노-바이오칩을 제작할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 '나노-바이오칩' 용어는 금속 나노패턴에 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 것을 포괄하는 개념으로, 나노-바이오센서 및 나노-바이오어레이를 포함하는 것으로 정의된다.

본 발명의 나노-바이오칩을 이용하여 바이오 리셉터에 결합하는 표적 바이오물질을 검출하는 방법은 종래 알려진 전기적 검출법 및 공진법(resonance)을 이용한 방법 등을 이용할 수 있다.

구체적으로는, 반응물에 방사선동위원소를 부착시켜 반응 후 일정면에서 계측기를 이용하여 방사선을 측정할 수도 있고, 그리고, 전기적 성질을 이용하여 액상에서 측정할 수 있는 방법으로 산화환원반응과 전하의 축적량을 이용하는 방법을 이용할 수도 있다. 산화환원반응은 현재 보편화된 전기화학적 검출법으로 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltametry), 포텐티오메트리(potentiometry), 암퍼로메트리(amperometry) 등을 이용하여 수소나 전자의 변화를 측정할 수 있다.

블록공중합체는 두개 이상의 화학적으로 다른 블록들이 공유결합에 의해 서로 붙어있어서 좀더 크거나 복잡한 구조를 가지는 거대분자로, 블록의 화학적 성질과 블록의 길이(혹은 분자량), 그리고 부피조성에 따라서 그 상분리 구조와 크기가 다르게 나타나며 일반적으로 약 십에서 백 나노미터 사이의 패턴의 크기를 가진다. 예를 들어, 이공중합체(diblock copolymer)의 경우 조성비에 따라 판상(lamellar), 나선형(gyroid), 원통형(cylinder),구형(spherical) 등의 구조를 가지며 삼공중합체 혹은 그 이상의 복잡한 공중합체는 더 많은 다양한 구조들을 형성할 수 있다.

본 발명의 목적에 적합한 공중합체의 성질은 다음과 같다.

첫 번째로, 화학적으로 다른 구조를 가져서 상분리가 자발적으로 일어나는 것이어야 하며 판상형, 원통형, 구형중에서 금속 점들을 만들기 위해서는 구형의 구조를 가지는 것이어야 한다. 금속 선들을 제조하는 목적으로는 판상형과 원통형의 구조가 사용이 가능하다.

두 번째로, 서로 다른 블록들 간의 에칭 선택도가 상이해서 한쪽을 선택적으로 쉽게 제거할 수 있어야 한다. 이러한 공중합체의 예로는 폴리스타이렌-폴리메타메틸아크릴레이트(PS-PMMA)를 포함한 한쪽 블록이 아크릴레이트류인 고분자와 폴리스타이렌과-폴리부타디엔(PS-PB)을 포함한 한쪽 블록이 주쇄에 이중결합을 가지는 고분자가 해당된다. 이 외에도 한쪽블록이 금속이나 세라믹을 포함한 무기물고분자이고 다른 쪽이 유기고분자인 경우도 열이나 플라즈마에 대한 저항성 차이를 이용해서 한쪽을 쉽게 제거할 수 있다.

본 발명에서 사용된 공중합체의 한쪽 블록인 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리부타디엔(PB), 또는 폴리아이소프렌(PI)은 UV에 의해 선택적으로 제거되며, 원하는 수준의 박막 두께와 적합한 패턴을 위해서 플라즈마를 이용한 반응성이온에칭(RIE)을 사용한다.

본 발명의 특징 중의 하나는 원하는 금속을 미리 증착시켜 박막형태로 만들고 난 이후에 패턴화 공정을 통해서 선택적으로 에칭해내는 것으로서, 패턴을 만들고 난 이후의 선택적으로 금속을 성장시키는 기존의 방법들에 비해서 다음과 같은 장점이 있다.

첫 번째로, 미리 원하는 금속의 성질을 조절한 후에 패턴화가 가능하다.

두 번째로, 기존의 패턴을 만들고 난 이후 원하는 금속을 선택적으로 증착하는 경우 고분자 패턴 깊이의 한계와 선택적 증착의 한계로 인해 종횡비가 큰 금속 점을 만들기 어려운 반면, 본 발명의 방법은 미리 원하는 박막을 형성하고 마스크 금속을 증착하기 때문에, 원하는 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있고 마스크 금속의 성질에 따라 더 종횡비가 큰 금속 패턴을 만들 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 의하면 상용되는 광식각 공정으로는 구현하기 힘든 백 나노미터 이하의 패턴이 가능하고, 복잡한 공정장비가 필요하지 않으며 공정이 비교적 단순하기 때문에 공정비용이 저렴한 장점이 있다. 또한, 고분자 패턴의 크기는 사용되는 고분자 블록의 크기와 에칭정도에 따라 조절이 가능하고 이에 따라 금속 점들의 크기도 수에서 수십 나노미터까지 조절이 가능하다.

본 발명이 효과적이기 위해서는 다음과 같은 특별한 처리를 가하는 것이 바람직하다.

첫 번째로 고분자와 금속간의 접착력을 증가시키기 위하여 블록공중합체를 코팅하기 전에 목적 금속의 표면을 산소 플라즈마 등으로 처리한다.

두 번째로, 고분자를 효과적으로 제거하기 위하여 이온밀링을 먼저하고 산소 플라즈마 에칭을 한다. 왜냐하면 고분자 윗부분에 약간의 금속이 증착되어있기 때문에 직접적인 산소 플라즈마 에칭으로서는 고분자를 제거할 수 없기 때문이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[제1 구현예]

도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 바이오 리셉터를 부착하여 나노-바이오칩을 제조하는 방법에 대한 개략도이다.

우선, 기질상에 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 박막을 형성하고, 그 위에 자기조립을 할 수 있는 블록공중합체를 코팅한다 (도 1(a)).

다음으로, 열처리에 의해 상기 블록공중합체의 자기조립을 유도하여 규칙적인 구조를 형성한다 (도 1(b)).

그 다음으로, UV 에칭을 수행하여 다공성의 나노패턴을 형성하고 (도 1(c)), 반응성 이온 에칭을 거쳐 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속이 노출된 나노패턴을 형성한다 (도 1(d)).

마지막으로 상기 금속에 바이오 리셉터를 결합시켜 나노-바이오칩을 제조한다 (도 1 (e)).

[제2 구현예]

도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른 기질상의 금속 나노패턴에 바이오 리셉터를 부착하여 나노-바이오칩을 제조하는 방법에 대한 개략도이다.

우선, 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 박막을 형성하고, 그 위에 자기조립을 할 수 있는 블록공중합체를 코팅한다 (도 2(a)).

다음으로, 열처리에 의해 상기 블록공중합체의 자기조립을 유도하여 규칙적인 다공성 구조를 형성한다 (도 2(b)).

그 다음으로, UV 에칭을 수행하여 다공성의 나노패턴을 형성하고 (도 2(c)), 반응성 이온 에칭을 거쳐 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속이 노출된 나노패턴을 형성한다 (도 2(d)).

다음으로, 상기 나노패턴에 마스크 역할을 하는 금속을 선택적으로 증착하고 (도 2(e)), 반응성 이온에칭과 이온밀링을 수행하여 기질에 점 형태의 금속 나노패턴을 형성한다 (도 2(f)).

마지막으로, 상기 금속에 바이오 리셉터를 결합시켜 나노-바이오칩을 제조한다 (도 2(g)).

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

하기 실시예에서는 블록공중합체로 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA)을 사용하였으나, 폴리스타이렌-폴리부타디엔(PS-PB), 폴리스타이렌-폴리아이소프렌(PS-PI) 등 자기조립을 유발하는 공중합체는 제한 없이 사용될 수 있다.

또한 하기 실시예에서는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속으로 금(Au)을 사용하였으나, 은(Ag), 백금(Pt), 니오비움(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 코발트(Co)로 구성된 군에서 선택된 하나와 크롬(Cr)의 합금 등 분극저항이 높은 금속은 제한 없이 사용될 수 있다.

또한, 상기 바이오 리셉터로 티올기를 함유한 DNA를 예시하였으나, 티올기 함유하는 펩티드, 단백질 등 모든 바이오 리셉터를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함될 것이다.

또한 하기 실시예에서는, 특정 나노-DNA칩을 이용한 혼성화반응의 검출만을 예시하고 있으나, 바이오칩관련 분야의 지식으로 보아, 다른 바이오 리셉터가 부착된나노-바이오칩을 제조하여 바이오 리셉터와 표적바이오 물질간의 결합이나 반응을 검출하는 것은 당업자에게 자명한 사항이라 하겠다.

<실시예 1> 10~20nm 수준의 다공성 고분자 패턴의 제조

우선, 실리콘 웨이퍼위에 바이오 리셉터와 친화력을 가지는 금(Au)을 20nm의 두께로 증착하였다. 다음으로 십에서 이십 나노미터 수준의 다공성 패턴을 제조하기 위하여 구형의 구조를 가지는 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA)를 약 3000rpm의 속도로 60초동안 스핀코팅하여 블록공중합체 고분자 박막을 형성하였다 (도 1(a)).

그 다음으로, 약 160℃로 열처리하여 상기 PS-PMMA의 규칙적인 구조를 형성하고 (도 1(b)), 245nm의 파장을 가지는 UV를 조사하여 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)가 제거된 다공성의 나노패턴을 형성한 다음 (도 1(c)), 반응성 이온 에칭을 수행하였다. 이 과정에서 상기 PMMA가 제거된 부위에 금이 노출되어 점 모양의 나노패턴이 형성된다 (도 1(d)). 도 3은 이렇게 형성된 나노패턴에 대한 주사전자현미경 사진이다.

<실시예 2> 10~20nm 수준의 금속 패턴의 제조

우선, 실리콘 웨이퍼위에 바이오 리셉터와 친화력을 가지는 금(Au)을 20nm의 두께로 증착하였다. 다음으로 십에서 이십 나노미터 수준의 다공성 패턴을 제조하기 위하여 구형의 구조를 가지는 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA)를 약 3000rpm의 속도로 60초동안 스핀코팅하여 블록공중합체 고분자 박막을 형성하였다 (도 2(a)).

다음으로, 약 160℃로 열처리하여 상기 PS-PMMA의 규칙적인 구조를 형성하고 (도 2(b)), 245nm의 파장을 가지는 UV를 조사하여 PMMA가 제거된 다공성의 나노패턴을 형성한 다음 (도 2(c)), 반응성 이온 에칭을 수행하였다. 이 과정에서 상기 PMMA가 제거된 부위에 금이 노출되어 점 모양의 나노패턴이 형성된다 (도 2(d)).

그 다음으로, 상기 고분자의 나노패턴에 금(Au)을 선택적으로 증착한 다음 (도 2(e)), 이온 밀링과 산소 플라즈마를 이용한 반응성 이온 에칭을 수행하여 기질상에 점 형태의 금(Au) 나노패턴을 제조하였다 (도 2(f)).

<실시예 3> 나노-바이오칩의 제조

금이 티올기(-SH)를 함유하는 바이오 리셉터(펩티드, 단백질, DNA 등)와 선택적으로 결합하는 성질을 이용하여, 실시예 1에서 얻어진 도 1(d)의 금에 바이오 리셉터를 결합하여 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금에 바이오 리셉터가 부착된 나노-바이오칩을 제작하였다 (도 1(e)). 도 1(e)는 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금에 DNA(올리고뉴클레오티드)가 부착되어 있는 나노-DNA 칩의 모형이다. 상기 나노-DNA칩을 이용하여 다양한 혼성화반응의 효율적인 검출이 가능하다.

같은 방법으로, 실시예 2에서 얻어진 도 2(f)의 금(Au)에 바이오 리셉터(BR)를 결합하여 기질(S)상에 형성된 금 나노패턴에 바이오 리셉터가 결합된 S-Au-BR 형태의 나노-바이오칩을 제작하였다 (도 2(g)). 도 2(g)는 기질상에 형성된 금 나노패턴에 DNA(올리고뉴틀레오티드)가 부착되어 있는 S-Au-DNA 형태의 나노-DNA 칩을 나타낸다. 상기 나노DNA칩을 이용할 경우, 다양한 혼성화반응의 효율적인 검출이 가능하다.

본 발명은 블록공중합체의 자기조립을 이용하여 제조된 수십 나노미터 수준의 금속 나노패턴에 바이오 리셉터를 결합하는 것을 특징으로 하는 새로운 나노-바이오칩의 제조방법 및 수십 나노미터 수준의 금속패턴에 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터가 결합되어 있는 나노-바이오칩을 제공하는 효과가 있다. 바이오 리셉터가 고밀도로 집적된, 본 발명에 따른, 나노-바이오칩은 바이오 리셉터와 표적 바이오물질 간의 반응이나 결합을 검출하는데 유용하게 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 바이오 리셉터를 부착하여 나노-바이오칩을 제조하는 방법에 대한 개략도이다. (a)는 기질상에 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 박막과 자기조립을 할 수 있는 블록공중합체를 코팅한 것을 나타내고, (b)는 열처리에 의해 상기 블록공중합체의 자기조립을 유도하여 규칙적인 구조를 형성한 것을 나타내며, (c)는 UV 에칭을 수행하여 다공성의 나노패턴을 형성한 것을 나타내고, (d)는 반응성 이온 에칭을 거쳐 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속이 노출된 나노패턴의 형성 과정을 나타내며, (e)는 금속에 바이오 리셉터를 결합시켜 제조된 나노-바이오칩을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른 기질상의 금속 나노패턴에 바이오 리셉터를 부착하여 나노-바이오칩을 제조하는 방법에 대한 개략도이다. (a)는 기질상에 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 박막과 자기조립을 할 수 있는 블록공중합체를 코팅한 것을 나타내고, (b)는 열처리에 의해 상기 블록공중합체의 자기조립을 유도하여 규칙적인 구조를 형성한 것을 나타내며, (c)는 UV 에칭을 수행하여 다공성의 나노패턴을 형성한 것을 나타내고, (d)는 반응성 이온 에칭을 거쳐 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속이 노출된 나노패턴의 형성 과정을 나타내며, (e)는 나노패턴에 마스크 역할을 하는 금속을 선택적으로 증착한 것을 나타내고, (f)는 반응성 이온에칭과 이온밀링을 수행하여 기질에 점 형태의 금속 나노패턴을 형성한 것을 나타내고, (g)는 상기 금속에 바이오 리셉터를 결합시켜 제조된 나노-바이오칩을 나타낸다.

도 3은 기질(silicon wafer) 상에 금 박막(gold layer)을 형성한 후, 블록 공중합체를 이용하여 패턴을 형성시킨 것에 대한 주사전자현미경 사진이다.

Claims

다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 바이오 리셉터가 부착된 나노-바이오칩의 제조방법:

(a) 기질상에 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속의 박막을 형성하는 단계;

(b) 상기 박막위에 블록공중합체를 도포하는 단계;

(c) 상기 블록공중합체를 열처리하여 자기조립을 유도하고 규칙적인 구조를 형성하는 단계;

(d) 상기 규칙적인 구조가 형성된 블록공중합체를 에칭하여 다공성의 나노패턴을 형성하는 단계; 및

(e) 상기 다공성의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 바이오 리셉터를 부착하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는 사용한 블록공중합체의 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올린 후에 서냉하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 바이오 리셉터는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질, 코펙터 및 탄수화물로 구성된 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 바이오 리셉터는 단백질 또는 DNA인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 니오비움(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 코발트(Co)로 구성된 군에서 선택된 하나와 크롬(Cr)의 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

블록공중합체는 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA), 폴리스타이렌-폴리부타디엔(PS-PB), 또는 폴리스타이렌-폴리아이소프렌(PS-PI)인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, (d) 단계는 UV 에칭을 수행한 다음 반응성 이온 에칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 S-M-BR 형태의 나노-바이오칩을 제조하는 방법:

(a) 기질(S)상에 바이오 리셉터(BR)와 친화력이 있는 금속(M)의 박막을 형성하는 단계;

(b) 상기 박막위에 블록공중합체를 도포하는 단계;

(c) 상기 블록공중합체를 열처리하여 자기조립을 유도하고 규칙적인 구조를 형성하는 단계;

(d) 상기 규칙적인 구조가 형성된 블록공중합체를 에칭하여 다공성의 나노패턴을 형성하는 단계;

(e) 상기 다공성의 나노패턴에 마스크 금속을 선택적으로 증착하는 단계;

(f) 상기 증착된 금속을 마스크로 하여 블록공중합체와 바이오 리셉터(BR)와 친화력이 있는 금속의 박막을 에칭하여 기질상에 금속의 나노패턴을 형성하는 단계; 및

(g) 상기 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속에 바이오 리셉터를 부착하는 단계.
제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는 사용한 블록공중합체의 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올린 후에 서냉하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 바이오 리셉터는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질, 코펙터 및 탄수화물로 구성된 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 바이오 리셉터는 단백질 또는 DNA인 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 바이오 리셉터와 친화력이 있는 금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 니오비움(Nb), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 및 코발트(Co)로 구성된 군에서 선택된 하나와 크롬의 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 블록공중합체는 폴리스타이렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA), 폴리스타이렌-폴리부타디엔(PS-PB), 또는 폴리스타이렌-폴리아이소프렌(PS-PI)인 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 마스크 금속은 (a) 단계에서 사용한 기질상의 박막 금속과 동일한 것임을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, (d) 단계는 UV 에칭을 수행한 다음 반응성 이온 에칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, (f) 단계는 반응성 이온 에칭과 이온밀링을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되고, 블록공중합체의 나노패턴에 의해 노출된 금속에 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 나노-바이오칩.
제17항에 있어서, 금속(M)은 금(Au)인 것을 특징으로 하는 나노-바이오칩.
제8항 내지 제16항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되고, 기질(S)상의 금속(M) 나노패턴에 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터(BR)가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 S-M-BR 형태의 나노-바이오칩.
제19항에 있어서, 금속(M)은 금(Au)인 것을 특징으로 하는 나노-바이오칩.
제18항의 나노-바이오칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출방법.
제19항의 나노-바이오칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 리셉터와 결합하거나 반응하는 표적 바이오물질의 검출방법.