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KR100891097B1 - 바이오칩 및 그 제조 방법 - Google Patents

바이오칩 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100891097B1
KR100891097B1 KR1020070086255A KR20070086255A KR100891097B1 KR 100891097 B1 KR100891097 B1 KR 100891097B1 KR 1020070086255 A KR1020070086255 A KR 1020070086255A KR 20070086255 A KR20070086255 A KR 20070086255A KR 100891097 B1 KR100891097 B1 KR 100891097B1
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정선옥
류만형
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Abstract

프로브를 이용하여 바이오 시료의 성분을 분석하는 바이오칩 및 그 제조 방법이 제공된다. 바이오칩은 기판, 기판 상면 상에 고정된 복수의 프로브, 및 기판의 배면에 형성된 캡핑막을 포함한다.
프로브, 캡핑막, 반사도

Description

바이오칩 및 그 제조 방법{Biochip and method of fabricating the same}
본 발명은 바이오칩 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프로브를 이용하여 바이오 시료의 성분을 분석하는 바이오칩 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
마이크로 어레이로 대표되는 바이오칩은 기판에 고정된 기지의 프로브에 바이오 시료를 제공하여 프로브와 바이오 시료간 반응이 일어나는지 여부를 관찰함으로써, 바이오 시료의 구체적인 성분을 분석한다. 하나의 바이오칩에는 여러 종류의 서로 다른 프로브들이 셀별로 고정되어 1회의 실험으로 보다 다양한 데이터를 판독할 수 있도록 한다. 나날이 발전하는 고집적화 기술은 더욱 방대한 양의 데이터의 수집을 돕는다.
그러나, 데이터의 양의 증가가 곧 바이오 시료 분석의 신뢰도 향상을 의미하는 것은 아니다. 오히려, 특정 측면에서 고집적화 기술은 데이터 노이즈의 생성을 촉진하여 데이터의 신뢰도를 저하시킨다. 기판 배면에 원하지 않게 커플링되는 프로브에 의해서도 데이터 노이즈는 심화된다.
분석 효율 측면에서도, 마이크로 어레이에 널리 적용되는 투명 기판은 형광 분석시 형광 물질로부터 방출된 빛을 투과시켜 절반 이하의 빛만을 데이터로 이용하기 때문에, 그 효율 개선이 필요하다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분석 신뢰도 향상 및/또는 분석 효율이 증가된 바이오칩을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 분석 신뢰도 향상 및/또는 분석 효율이 증가된 바이오칩의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩은 기판, 상기 기판 상면 상에 고정된 복수의 프로브, 및 상기 기판의 배면에 형성된 캡핑막을 포함한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩의 제조 방법은 기판의 배면에 캡핑막을 형성하고, 상기 기판의 상면에 복수의 프로브를 고정하는 것을 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 바이오칩 및 그 제조 방법에 의하면, 기판 배면에 원하지 않는 링커 또는 프로브의 커플링을 방지할 수 있다. 따라서, 데이터 노이즈가 방지되어 분석 신뢰도가 향상될 수 있다. 또, 본 발명의 다른 몇몇 실시예들에 따른 바이오칩 및 그 제조 방법에 의하면, 활성층 또는 활성 패턴을 기판 상면에만 선택적으로 형성하고, 기판 배면에는 형성되지 않도록 할 수 있다. 나아가, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 바이오칩 및 그 제조 방법에 의하면, 투명 기판을 적용하는 경우에도 형광 물질을 이용한 혼성화 분석시 분석 효율이 증대될 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들에 따른 바이오칩은 바이오 시료에 포함되어 있는 바이오 분자(biomolecule)를 분석함으로써, 유전자 발현 분석(gene expression profiling), 유전자형 분석(genotyping), SNP(Single Nucleotide Polymorphism)와 같은 돌연 변이(mutation) 및 다형(polymorphism)의 검출, 단백질 및 펩티드 분석, 잠재적인 약의 스크리닝, 신약 개발과 제조 등을 하는데에 이용된다. 바이오칩은 분석하고자 하는 바이오 시료의 대상에 따라 그에 맞는 프로브들을 채용한다. 바이오칩에 채용될 수 있는 프로브의 예는 DNA 프로브, 효소나 항체/항원, 박테리오로돕신(bacteriorhodopsin) 등과 같은 단백질 프로브, 미생물 프로브, 신경세포 프로브 등을 포함한다. 각각 채용되는 프로브의 종류에 따라 바이오칩은 DNA칩, 단백질칩, 세포칩, 뉴런칩 등으로도 지칭될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 바이오칩은 프로브로서 올리고머 프로브를 포함할 수 있다. 상기 올리고머 프로브는 채용되는 프로브의 모노머 수가 올리고머 수준임을 암시한다. 여기서, 올리고머는 공유 결합된 두개 이상의 모노머(monmer)로 이루어진 폴리머(polymer) 중 분자량이 대략 1000 이하의 것을 지칭하는 의미로 사용될 수 있다. 구체적으로 약 2-500개의 모노머, 바람직하기로는 5-30개의 모노머를 포함하는 것일 수 있다. 그러나, 올리고머 프로브의 의미가 상기 수치에 제한되는 것은 아니다.
올리고머 프로브를 구성하는 모노머는 분석 대상이 되는 바이오 시료의 종류에 따라 변형 가능하며, 예를 들면 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 아미노산, 펩티드 등일 수 있다.
뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드는 공지의 퓨린 및 피리미딘 염기를 포함할 뿐만 아니라 메틸화된 퓨린 또는 피리미딘, 아실화된 퓨린 또는 피리미딘 등을 포함할 수 있다. 또, 뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드는 종래의 리보스 및 디옥 시리보스 당을 포함할 뿐만 아니라 하나 이상의 하이드록실기가 할로겐 원자 또는 지방족으로 치환되거나 에테르, 아민 등의 작용기가 결합한 변형된 당을 포함할 수 있다.
아미노산은 자연에서 발견되는 아미노산의 L-, D-, 및 비키랄성(nonchiral)형 아미노산뿐만 아니라 변형 아미노산(modified amino acid), 또는 아미노산 유사체(analog) 등일 수 있다.
펩티드란 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이의 아미드 결합에 의해 생성된 화합물을 지칭한다.
특별히 다른 언급이 없는 한, 이하의 실시예들에서 예시적으로 상정되는 프로브는 DNA 프로브로서, 약 5-30개의 뉴클레오타이드의 모노머가 공유 결합된 올리고머 프로브이다. 그러나, 본 발명이 그에 제한되는 것은 아니며, 상술한 다양한 프로브들이 적용될 수 있음은 물론이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오칩의 기판의 레이아웃이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 바이오칩에 적용되는 기판(100)은 복수의 프로브 셀 영역(Probe Cell Region, Ⅰ) 및 비프로브 셀 영역(Non Probe Cell Region, Ⅱ)을 포함한다. 프로브 셀 영역(Ⅰ)과 비프로브 셀 영역(Ⅱ)의 구별 기준은 고정될 프로브(140)의 유무에 따른다. 즉, 기판(100)의 프로브 셀 영역(Ⅰ)은 그 위에 복수의 프로브(140)가 고정될 기판(100)의 영역을 의미하고, 비프로브 셀 영역(Ⅱ)은 그 위에 프로브(140)가 고정되어 있지 않을 기 판(100)의 영역을 의미한다. 기판(100)의 프로브 셀 영역(Ⅰ) 상에는 고정된 복수의 프로브(140)들을 포함하는 프로브 셀이 형성된다.
하나의 프로브 셀 영역(Ⅰ) 상에는 동일한 서열의 프로브(140)들이 고정되지만, 서로 다른 프로브 셀 영역(Ⅰ)들 사이에서는 그 위에 고정되는 프로브(140)들의 서열이 서로 상이할 수 있다.
서로 다른 프로브 셀 영역(Ⅰ)은 비프로브 셀 영역(Ⅱ)에 의해 분리되어 있다. 따라서, 각 프로브 셀 영역(Ⅰ)은 비프로브 셀 영역(Ⅱ)에 의해 둘러싸인 형상을 갖는다. 복수의 프로브 셀 영역(Ⅰ)은 매트릭스 형상으로 배열될 수 있다. 그러나, 상기 매트릭스 형상 배열이 반드시 규칙적인 피치(pitch)를 가져야 하는 것은 아니다.
서로 독립적인 프로브 셀 영역(Ⅰ)과는 반대로 비프로브 셀 영역(Ⅱ)은 하나로 연결되어 있을 수 있다. 예를 들어 비프로브 셀 영역(Ⅱ)은 격자(lattice)형으로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 바이오칩(11)은 기판(100), 기판(100)의 상면(101)에 고정된 복수의 프로브(140), 및 기판의 배면(102)에 형성된 캡핑막(150)을 포함한다.
기판(100)은 가시광 및/또는 UV 등에 투명한 물질로 이루어진 기판일 수 있다. 예를 들면, 유리나 소다 석회 유리 또는 석영 등으로 이루어진 투명 기판일 수 있다. 유리 기판으로는 예컨대, 현미경 관찰 등에 사용되는 상대적으로 얇은 두께 를 갖는 슬라이드 기판으로부터 대화면 LCD 패널 등에 적용되는 상대적으로 두꺼운 디스플레이용 기판에 이르기까지 기존에 다양한 분야에 적용되었던 것들이 호환되어 적용될 수 있다. 상기 예시와는 달리, 본 발명의 몇몇 다른 실시예들에서는 불투명 기판을 채용할 수도 있다.
기판 상면(101)에는 링커(130)가 형성되어 있다. 링커(130)는 일단이 기판의 상면(101)과 커플링되며, 타단이 프로브와 커플링될 수 있는 작용기(135)를 포함한다. 프로브(140)가 올리고머인 DNA 프로브(즉, 올리고 뉴클레오타이드 프로브)인 경우, 프로브(140)와 커플링할 수 있는 작용기(135)로는 하이드록실기, 알데히드기, 카르복실기, 아미노기, 아미드기, 티올기, 할로기 또는 술포네이트기 등이 예시될 수 있다.
기판(100)이 유리 등으로 이루어진 경우, 링커(130)는 기판 상면(101)의 Si(OH)기와 반응하여 실록산(Si-O) 결합을 생성할 수 있는 실리콘기를 포함할 수 있다. 프로브(프로브용 모노머를 포함하며, 이하 동일함.)와 커플링할 수 있는 작용기(135)를 포함하면서, 실리콘기를 포함하는 링커(130) 물질로는 N-(3-(트리에톡시실릴)-프로필)-4-하이드록시부티르아미드(N-(3-(triethoxysilyl)-propyl)-4-hydroxybutyramide), N,N-비스(하이드록시에틸)아미노프로필-트리에톡시실란(N,N-bis(hydroxyethyl) aminopropyl-triethoxysilane), 아세톡시프로필-트리에톡시실란(acetoxypropyl-triethoxysilane), 3-글리시독실 프로필트리메톡시실란(3-Glycidoxy propyltrimethoxysilane), 국제 공개 특허 WO 00/21967호에 개시된 실리콘 화합물 등을 예로 들수 있으며, 상기 공개 특허의 내용은 본 명세서에 충분히 개시된 것처럼 원용되어 통합된다.
복수의 프로브(140)는 링커(130)를 매개하여 기판 상면(101)에 고정된다. 더욱 구체적으로 설명하면, 복수의 프로브(140)는 프로브 셀 영역(Ⅰ)에서 링커(130)의 타단과 커플링된다. 링커(130)는 프로브 셀 영역(Ⅰ) 및 비프로브 셀 영역(Ⅱ)의 구별과는 무관하게 기판 상면(101)의 전면에 형성될 수 있지만, 프로브(140)는 이중, 기판(100)의 프로브 셀 영역(Ⅰ) 상에 위치하는 링커(130)에만 선택적으로 커플링된다. 기판(100)의 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 상에 위치하는 링커(130)의 타단은 프로브(140)와 커플링할 수 있는 작용기(135)가 비활성 캡핑(136)되는 것이 프로브(140) 합성 노이즈(noise) 또는 고정 노이즈를 방지하는 차원에서 바람직할 수 있다. 나아가, 본 발명의 몇몇 변형 실시예에 따르면, 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 상에서 링커(130)는 선택적으로 제거되어 있을 수 있다.
기판 상면(101)이 프로브(140)와 커플링할 수 있는 작용기(135)를 포함하는 경우, 링커(130)는 생략될 수 있다. 이 경우, 상술한 링커(130)와 마찬가지로, 비프로브 셀 영역(Ⅱ)에서의 기판 상면(101)의 상기 작용기(135)는 비활성 캡핑되거나, 또는 선택적으로 제거되어 있을 수 있다.
기판 상면(101)의 반대면인 기판 배면(102)에는 캡핑막(150)이 형성되어 있다. 캡핑막(150)은 기판 배면(102)에 링커(130) 또는 프로브(140)와 커플링할 수 있는 작용기가 있는 경우에, 이들의 노출을 막아 상기 작용기에 의한 원하지 않는 커플링을 방지한다. 따라서, 데이터 노이즈를 방지하여 분석 신뢰도를 증가시킨다.
상기 관점에서, 캡핑막(150)은 링커(130), 또는 프로브(140)와 커플링할 수 있는 작용기를 포함하지 않는 물질로 이루어진다. 그 예로는, 금속막, 금속 질화막 또는 실리콘 질화막 등을 들 수 있다. 상기 금속으로는 Ti, Ta, Cr, Al, Cu, Au, Ag, 또는 이들의 합금이 예시될 수 있다. 본 발명을 제한하지 않는 몇몇 예시적인 실시예는 캡핑막(150)으로서 Ti막 또는 TaN막을 적용한다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 캡핑막(150)은 상술한 기능과 함께, 반사도를 가져 형광 분석시 분석 효율을 증가시킨다. 이에 대한 더욱 구체적인 설명을 위하여 도 3이 참조된다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 형광 분석을 나타내는 개념도이다. 도 3에서는 설명의 간명화를 위하여 링커의 도시가 생략되어 있다.
도 3의 예시에서, 바이오칩(11)은 프로브(140)로서, 올리고머 뉴클레오티드 프로브를 포함하는 것으로 가정한다. 이러한 바이오칩(11) 상에 바이오 시료로서, 형광 물질(160)로 표지된 단일 가닥 DNA를 제공하면, 단일 가닥 DNA는 상보적인 염기 서열을 갖는 프로브(140)에 혼성화(hybridization)되어 결합한다. 반응에 참여하지 않은 바이오 시료를 제거하면, 특정 프로브 셀 영역(Ⅰ) 상에서만 형광 물질(160)로 표지된 단일 가닥 DNA가 커플링된 채 잔류한다. 상기 바이오칩(11) 상에 특정 파장의 빛, 예컨대 자외선(UV) 등을 조사하면, 표지된 형광 물질(160)이 발광하여 특정 파장의 빛을 방출한다. 방출된 빛을 스캐너(170) 등에 의해 수집한 후, 이를 분석하여 혼성화가 이루어진 프로브 셀을 확정하고, 그에 따라 대상 바이오 시료의 DNA 염기 서열을 결정한다.
그런데, 대상 바이오 시료의 DNA 염기 서열에 관한 유의적인 결론을 도출하 기 위해서는 형광 물질(160)로부터 스캐너(170) 등으로 수집되는 광량이 충분하여야 한다. 그러나, 방출된 빛을 수집하는 스캐너(170)는 바이오칩(11)의 일측에 위치할 뿐인 반면, 형광 물질(160)로부터 방출하는 빛은 형광 물질(160)을 새로운 점광원으로 하여 사방으로 방출되어 버린다. 따라서, 스캐너(170)가 바이오칩(11)의 상부에 위치한다고 가정하면, 형광 물질(170)로부터 방출된 빛이 상부의 스캐너(170) 측으로 직접 수집되는 양은 최대 50%를 넘지 못한다. 이러한 직접적인 빛만으로 데이터를 분석하는 것은 효율적이지 않다.
상기 관점에서 캡핑막(150)은 반사도를 갖는 것이 유리할 수 있다. 즉, 캡핑막(150)이 반사도를 가질 경우, 형광 물질(160)로부터 하측으로 방출된 빛은 기판을 통과하지만, 기판 배면(102)의 캡핑막(150)에 의해 반사되어 다시 상측으로 출사된다. 반사된 빛은 스캐너(170) 측으로 수집되어, 데이터 분석에 이용될 수 있다. 반사되는 빛의 양이 많을수록, 데이터의 분석 효율을 증가할 것이다. 상기 관점에서 캡핑막(150)의 반사도는 약 20% 이상인 것이 바람직하다.
캡핑막(150)의 두께는 캡핑 기능의 신뢰성 및/또는 반사 기능의 유효성에 관계된다. 충분한 캡핑 기능 및/또는 충분한 반사 기능을 수행하기 위한 캡핑막(150)의 두께는 예컨대, 약 1000 내지 3000Å일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오칩의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오칩(12)은 기판 상면(101)에 형성된 활성층(120)을 더 포함한다. 활성층(120)은 기판(100)의 프로브 셀 영역(Ⅰ) 및 비프로브 셀 영역(Ⅱ)의 구별과 무관하게 기판 상면(101)의 전면에 형성된다. 링 커(130)는 활성층(120) 상에 형성된다.
활성층(120)은 기판의 상면(101)이 링커(130) 및/또는 프로브(140)와 커플링되지 않는 경우, 또는 링커(130) 및/또는 프로브(140)와 커플링되는 작용기가 미미한 경우에 유용하게 구비될 수 있다. 나아가 활성층(120)은 혼성화 분석 조건, 예컨대 pH6-9의 인산(phosphate) 또는 TRIS 버퍼와 접촉시 가수분해되지 않고 실질적으로 안정한 물질로 형성될 수 있다. 상기 관점에서 활성층(120)은 예를 들어, PE-TEOS막, HDP 산화막 또는 P-SiH4 산화막, 열산화막, 자연 산화막, 패드 산화막 등의 실리콘 산화막, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 등의 실리케이트, 실리콘 산질화막, 하프늄산질화막, 지르코늄산질화막 등의 금속 산질화막, 티타늄 산화막, 탄탈륨 산화막, 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막, 지르코늄 산화막, ITO 등의 금속 산화막, 또는 폴리스티렌, 폴리아크릴산, 폴리비닐 등의 폴리머로 형성될 수 있다.
활성층(120)의 표면은 링커(130)와의 커플링될 수 있는 공간 확보를 위해 소정의 거칠기를 가질 수 있다. 예를 들어, 열산화막으로 활성층(120)을 형성하게 되면, 약 5nm 내지 100nm의 표면 거칠기를 확보할 수 있다.
링커(130)는 일단이 활성층(120)의 상면과 커플링되며, 타단이 프로브(140)와 커플링될 수 있는 작용기(135)를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 링커(130)를 이루는 물질은 활성층(120)을 구성하는 물질에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 활성층(120)이 실리콘 산화막, 실리케이트 또는 실리콘 산질화막으로 이루어진 경우 링커(130)는 활성층(120) 표면의 Si(OH)기와 반응하여 실록산(Si-O) 결합을 생성할 수 있는 실리콘기를 포함할 수 있다. 적용가능한 물질은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같다.
활성층(120)이 금속산화막으로 이루어진 경우 활성층(120)과 커플링되는 링커(130) 일단의 작용기는 금속 알콕사이드(metal alkoxide) 또는 금속 카르복시산염기(metal carboxylate)기를 포함할 수 있다. 활성층(120)이 실리콘 질화막, 실리콘산질화막, 금속산질화막, 폴리이미드 또는 폴리아민 등으로 이루어진 경우 링커(130)의 커플링기는 무수물(anhydride), 염산(acid chloride), 알킬 할로겐화물(alkyl halides) 또는 염화 탄산염(chlorocarbonates) 기를 포함할 수 있다. 활성층(120)이 폴리머로 이루어진 경우 링커(130)의 커플링기는 아크릴기(acrylic), 스티릴기(styryl), 또는 비닐기(vinyl)기를 포함할 수 있다.
복수의 프로브(140)는 링커(130)를 매개하여 기판 상면(101)의 활성층(120)에 고정된다. 즉, 복수의 프로브(140)는 프로브 셀 영역(Ⅰ) 상에서 링커(130)의 타단과 커플링되어 프로브 셀을 이룬다. 링커(130)는 기판(100)의 프로브 셀 영역(Ⅰ) 및 비프로브 셀 영역(Ⅱ)의 구별과는 무관하게 활성층(120)의 전면에 형성될 수 있지만, 프로브(140)는 이중 프로브 셀 영역(Ⅰ) 상에 위치하는 링커(130)에만 선택적으로 커플링될 수 있다. 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 상에 위치하는 링커(130)의 타단은 프로브와 커플링할 수 있는 작용기가 비활성 캡핑되는 것이 프로브 합성 노이즈 또는 고정 노이즈를 방지하는 차원에서 바람직할 수 있다. 나아가, 본 발명의 몇몇 변형 실시예에 따르면, 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 상의 링커(130)는 선택적으로 제거되어 있을 수도 있다.
활성층(120) 표면이 프로브(140)와 커플링할 수 있는 작용기를 포함하는 경우, 링커(130)는 생략될 수 있다. 이 경우, 상술한 링커(130)와 마찬가지로, 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 상에서의 활성층(120) 표면의 상기 작용기는 비활성 캡핑되거나, 또는 선택적으로 제거되어 있을 수 있다.
캡핑막(150)은 도 2에서 논의된 것과 실질적으로 동일하다. 나아가, 캡핑막(150)은 기판의 상면(101)에만 선택적으로 활성층(120)을 형성하는 데에 기여할 수 있다. 예를 들어, 활성층(120)을 열산화막으로 형성할 경우, 기판 배면(102)에 캡핑막(150)을 형성하고 어닐링을 수행하면, 기판 배면(102)은 캡핑막(150)에 의해 덮여 표면이 노출되지 않으므로, 열산화막이 형성되지 않고, 기판 상면(101)에만 열산화막이 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오칩의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오칩(13)은 기판 상면(101)에 형성된 활성 패턴(125)을 더 포함한다. 활성 패턴(125)은 프로브 셀 영역(Ⅰ) 상에만 선택적으로 형성되어 있는 점이 도 4의 활성층(120)과 차이가 있다.
링커(130)는 활성 패턴(125) 상에만 선택적으로 형성된다. 따라서, 활성 패턴(125)이 위치하지 않는 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 상에는 링커(130) 또한 형성되지 않는다. 그 결과, 비프로브 셀 영역(Ⅱ)에서 기판 상면(101)은 표면이 직접 노출될 수 있다. 몇몇 실시예에서는 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 의 기판 상면(101)에 커플링 블록킹막, 충진재 등을 더 포함할 수 있다. 비프로브 셀 영역(Ⅱ)의 상면(101)을 구성하는 구조들의 더욱 다양한 양태에 대한 구체적인 내용들은 본 출원인에 의해 출 원된 대한민국 특허출원 제10-2006-0039713호, 및 대한민국 특허출원 제2006-0039716호에 충분히 개시되어 있으며, 상기 개시된 내용은 본 명세서에 충분히 개시된 것처럼 원용되어 통합된다.
상기와 같은 구조로부터 도 2나 도 4에서와 같이 링커(130)의 타단을 비활성 캡핑하지 않더라도, 비프로브 셀 영역(Ⅱ) 상의 원하지 않는 프로브 커플링을 확실하게 방지할 수 있다. 따라서, 데이터 노이즈가 더욱 방지되어 분석 신뢰도를 개선할 수 있다.
각 활성 패턴(125)은 각 프로브 셀 영역(Ⅰ)에 대응되며, 각 활성 패턴(125)은 서로 물리적으로 분리되어 있다. 따라서, 활성 패턴(125) 및 링커(130)의 형성 관점에서 볼 때, 본 실시예에 따른 바이오칩(13)의 각 프로브 셀들은 물리, 화학적으로 서로 분리된다.
활성 패턴(125)을 구성하는 물질은 도 4의 활성층(120)과 실질적으로 동일하다. 기타 다른 구성 요소는 도 4를 참조한 것과 동일하므로 그에 대한 중복 설명은 생략한다.
이하, 도 5의 실시예에 따른 바이오칩을 제조하는 방법을 예로 하여 상술한 바이오칩들을 제조하는 예시적인 방법들을 설명한다. 도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오칩의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 프로브 셀 영역(Ⅰ) 및 비프로브 셀 영역(Ⅱ)을 포함하는 기판(100)을 제공한다. 이어서, 기판의 배면(102) 상에 캡핑막(150)을 형성한다. 캡핑막(150)의 형성은 본 기술 분야에 널리 공지되어 있는 증착 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced CVD; PECVD), 금속 유기 화학 기상 증착(Metal Organic CVD; MOCVD), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD), 또는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 기판 상면(101)에 활성층(120)을 형성한다. 활성층(120)은 예를 들면, 본 기술분야에 공지된 다양한 증착 공정이나, 열산화 공정으로 형성될 수 있다. 열산화 공정이 적용될 경우, 기판(100)을 약 900 내지 1200℃의 온도에서 약 3 내지 12시간 어닐링한다. 이때, 기판 배면(102)은 캡핑막(150)에 의해 보호되어 있으므로, 기판의 상면(101)에만 선택적으로 열산화막으로 이루어진 활성층(120)이 형성된다. 형성된 활성층(120)은 약 5nm 내지 100nm의 표면 거칠기를 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 활성층(120) 상에 프로브 셀 영역(Ⅰ)을 개구하는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성하고, 이를 식각 마스크로 이용하여 활성층(120)을 식각하여 활성 패턴(125)을 형성한다. 상기 식각으로, 기판(100)의 프로브 셀 영역(Ⅰ)은 활성 패턴(125)으로 덮이는 반면, 기판(100)의 비프로브 셀 영역(Ⅱ)은 기판 상면(101)이 노출된다. 이어서, 포토레지스트 패턴(PR)을 제거한다.
도 9를 참조하면, 선택적(optional)으로, 활성 패턴(125)의 표면을 링커(130)와 반응하기 용이하도록 변형하기 위하여 오존처리(ozonolysis), 산 처리, 염기 처리 등과 같은 표면 처리를 수행한다. 예를 들면, 황산 및 과산화수의 혼합물인 피라나(Piranha) 용액, 불산 용액, 암모니움 하이드록사이드 용액, 또는 O2 플라즈마를 이용하여 표면 처리를 수행한다.
이어서, 표면 처리된 활성 패턴(125) 상에 링커(130)를 형성한다. 이때, 후술하는 바와 같이 포토리소그래피 기술을 이용하여 프로브(140)를 합성하려는 경우, 링커(130)의 작용기에는 광분해성기(132)가 부착된다. 링커(130)는 활성 패턴(125) 상에만 선택적으로 형성되며, 비프로브 셀 영역(Ⅱ)의 노출되어 있는 기판 상면(101)에는 형성되지 않는다.
다시, 도 5를 참조하면, 링커(130) 상에 프로브(140)를 형성한다. 링커(130) 타단의 프로브(140)와 커플링할 수 있는 작용기(135)가 광분해성기(132)로 보호되어 있는 경우, 프로브 셀 영역(Ⅰ)별로 선택적으로 노광하여 광분해성기(132)를 제거한 후 링커(130)의 타단에 프로브(140)를 커플링한다. 프로브(140)의 커플링은 예컨대, 완성된 프로브(140)를 스폿팅(spotting)하거나, 프로브용 모노머(예., 작용기가 광분해성기로 보호된 뉴클레오타이드 포스포아미디트 모노머)를 포토리소그래피에 의해 합성하는 방법으로 이루어질 수 있다. 프로브(140)의 형성으로 도 5에 도시된 바와 같은 바이오칩(13)이 완성된다.
한편, 형광 분석이 아닌 다른 방식의 분석 방법을 취하는 경우, 다른 스캔 방식을 채용하는 경우, 또는 기판으로 불투명 기판을 적용하는 경우 등과 같이 바이오칩의 반사도를 증진시킬 필요가 없거나 반사도 증진의 의도가 없는 본 발명의 몇몇 실시예들에서는 캡핑막(150)을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다. 캡핑막(150)의 제거는 예컨대, 피라나 용액이나 기타 세정이나 습식 식각 용액을 이용하여 진행된다.
기판 배면(102)이 링커(130) 등과 반응하지 않거나, 반응이 미미하거나, 링커(130)의 형성시 기판 배면(102)으로의 링커(130) 제공이 철저하게 차단되는 경우, 활성층(120)이 기판 배면(102)에 형성되는 것을 방지하는 데에 이미 기여한 캡핑막(150)은 도 7 또는 도 8의 단계 후에 제거될 수 있다. 상기 단계에서 캡핑막(150)을 제거하면, 기판 배면(102)이 노출되므로, 후속으로 코팅, 합성, 노광, 스캔 등의 단계를 거치더라도, 장비에 결함을 가져오거나, 치수 상이에 따른 장비 변경이 불요한 장점이 있다. 다른 예로서, 캡핑막(150)의 제거는 프로브(140)의 커플링 후에 이루어질 수도 있다.
도 2의 바이오칩(11)이나 도 4의 바이오칩(12)을 제조하기 위해서는 상술한 단계들 중 일부를 변형한다. 예컨대, 도 2의 바이오칩(11)을 형성하기 위해서는 도 7 및 도 8의 단계를 생략하며, 도 4의 바이오칩(13)을 형성하기 위해서는 도 8의 단계를 생략한다. 상기 변형에 따른 더욱 구체적인 적용예는 도 6 내지 도 9 및 도 5를 참조하여 설명한 것으로부터 자명하게 도출될 수 있다. 따라서, 그에 대한 불필요한 설명은 생략한다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실험예들을 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.
< 실험예 >
유리 기판의 배면에 CVD 방법을 이용하여 Ti막을 2000Å의 두께로 증착하였다. 그 다음, 1000℃의 온도로 5시간 동안 베이크하여 유리 기판의 상면에 약 5000 Å의 두께를 가지며, 약 10nm의 표면 거칠기를 갖는 열산화막을 형성하였다.
열산화막 상에 포토레지스트막 3.0㎛를 스핀 코팅법에 의해 형성한 후, 100℃에서 60초간 베이크하였다. 1.0㎛ 피치의 바둑판 형태의(checkerboard type) 다크 톤 마스크(dark tone maks)를 사용하여 365nm 파장의 투영 노광 장비에서 포토레지스트막을 노광한 후, 2.38% 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TetraMethylAmmonium Hydroxide) 수용액으로 현상하여 바둑판 형태의 가로 세로 교차되는 직선 영역(비프로브 셀 영역)을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성하였다. 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 열산화막을 식각하여 각 프로브 셀 영역에 대응되는 복수의 활성 패턴을 완성하였다.
이어서, 황산과 과산화수소가 7:3의 비율로 혼합되어 있는 피라나(piranha) 용액을 이용하여 유리 기판 배면의 Ti막을 제거하고, 활성 패턴 표면의 작용기를 활성화시켰다.
이어서, 활성 패턴 상에 비스(하이드록에틸)아미노프로필 트리에톡시실란을 500rpm에서 30초간 스핀 코팅(spin coating) 한 후, 상온에서 약 5 내지 30분간 안정화시켰다. 이어서, NNPOC-테트라에틸렌글리콜(tetraethyleneglycol)과 테트라아졸(tetrazole)의 1:1 아세토니트릴(acetonitrile) 용액을 처리하여 광분해성기로 보호된 포스포아미디트를 커플링하고, 아세틸 캡핑하여 광분해성기로 보호된 링커 구조를 완성하였다.
다음, 원하는 활성 패턴을 노출시키는 바이너리 크롬 마스크를 사용하고 365nm 파장의 투영 노광 장비로 1000mJ/㎠ 의 에너지로 1분간 노광하여 링커 구조 의 말단을 탈보호하였다. 이어서, 아미디트 활성화된 뉴클레오타이드와 테트라아졸의 1:1 아세토니트릴 용액을 처리하여 보호된 뉴클레오타이 모노머를 커플링하고, Ac20/py/메틸이미다졸(methylimidazole)=1:1:1의 THF 용액 및 0.02M의 요오드 THF 용액을 처리하여 캡핑 및 산화 공정을 진행하였다.
이와 같은 탈보호, 커플링, 캡핑, 산화 공정을 반복하여 각 활성 패턴별로 서로 다른 서열의 올리고뉴클레오타이드 프로브를 합성하였다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오칩의 기판의 레이아웃이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 형광 분석을 나타내는 개념도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 바이오칩의 단면도들이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 바이오칩의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10-13: 바이오칩 100: 기판
120: 활성층 125: 활성 패턴
130: 링커 140: 프로브
150: 캡핑막

Claims (20)

  1. 투명한 기판;
    상기 기판 상면 상에 고정된 복수의 프로브; 및
    상기 기판의 배면에 형성된 캡핑막을 포함하되,
    상기 투명한 기판 및 상기 캡핑막은 상기 복수의 프로브에 커플링되는 형광 물질에서 방출되는 빛을 반사하는 바이오칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 복수의 프로브 셀 영역으로서, 각각 복수의 상기 프로브가 고정되는 영역인 복수의 프로브 셀 영역; 및
    상기 각 프로브 셀 영역을 분리하는 비프로브 셀 영역으로서, 상기 프로브가 고정되지 않는 영역인 비프로브 셀 영역을 포함하고,
    상기 바이오 칩은 상기 기판의 상기 프로브 셀 영역의 상면에 선택적으로 형성되며, 상기 복수의 프로브가 고정되는 활성 패턴을 더 포함하되,
    상기 비프로브셀 영역은 상기 기판의 상면이 노출되어 있으며, 상기 활성 패턴은 산화물로 형성된 바이오칩.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캡핑막은 반사도가 20% 이상인 바이오칩.
  4. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캡핑막은 금속막, 금속 질화막 또는 실리콘 질화막으로 이루어지는 바이오칩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 복수의 프로브 셀 영역으로서, 각각 복수의 상기 프로브가 고정되는 영역인 복수의 프로브 셀 영역; 및
    상기 각 프로브 셀 영역을 분리하는 비프로브 셀 영역으로서, 상기 프로브가 고정되지 않는 영역인 비프로브 셀 영역을 포함하는 바이오칩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판의 상면에 형성된 활성층을 더 포함하되,
    상기 프로브 셀 영역 상의 상기 활성층 상에는 상기 복수의 프로브가 커플링되고, 상기 비프로브 셀 영역 상의 상기 활성층 상에는 상기 프로브가 커플링되지 않는 바이오칩.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 활성층 상에 형성된 링커를 더 포함하되,
    상기 프로브 셀 영역 상의 상기 링커는 상기 복수의 프로브의 커플링을 매개하고, 상기 비프로브 셀 영역 상의 상기 링커는 상기 프로브가 커플링되지 않고 비활성화되어 있는 바이오칩.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 프로브 셀 영역의 상면에 선택적으로 형성되며, 상기 복수의 프로브가 고정되는 활성 패턴을 더 포함하는 바이오칩.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 비프로브셀 영역은 상기 기판의 상면이 노출되어 있는 바이오칩.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 활성 패턴 상에 형성되어, 상기 복수의 프로브와 상기 활성 패턴 간의 커플링을 매개하는 링커를 더 포함하는 바이오칩.
  11. 투명한 기판의 배면에 캡핑막을 형성하고,
    상기 기판의 상면에 복수의 프로브를 고정하는 것을 포함하되,
    상기 투명한 기판 및 상기 캡핑막은 상기 복수의 프로브에 커플링되는 형광 물질에서 방출되는 빛을 반사하는 바이오칩의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판의 상면에 복수의 프로브를 고정하는 것은,
    상기 기판의 상면에 활성화층을 형성하고,
    상기 활성화층을 패터닝하고, 상기 기판의 표면을 노출시켜 복수의 활성 패턴을 형성하고,
    상기 활성 패턴 상에 상기 복수의 프로브를 커플링하는 것을 포함하되,
    상기 활성 패턴은 산화물을 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 캡핑막은 반사도가 20% 이상인 바이오칩의 제조 방법.
  14. 제 11항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 캡핑막은 금속막, 금속 질화막 또는 실리콘 질화막으로 이루어지는 바이오칩의 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판의 상면에 복수의 프로브를 고정하는 것은,
    상기 기판의 상면에 활성화층을 형성하고,
    상기 활성화층의 소정 영역에 상기 복수의 프로브를 커플링하는 것을 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 활성화층을 형성하는 것은 상기 기판을 열산화하는 것을 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 활성화층의 형성 후에, 상기 활성화층 상에 링커를 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 활성화층의 소정 영역에 상기 복수의 프로브를 커플링하는 것은 상기 링커를 매개하여 상기 활성층의 소정 영역에 커플링하는 것인 바이오칩의 제조 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판의 상면에 복수의 프로브를 고정하는 것은,
    상기 기판의 상면에 활성화층을 형성하고,
    상기 활성화층을 패터닝하여 복수의 활성 패턴을 형성하고,
    상기 활성 패턴 상에 상기 복수의 프로브를 커플링하는 것을 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 활성 패턴의 형성과 상기 복수의 프로브의 커플링 사이에,
    상기 캡핑막을 제거하는 것을 더 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 프로브의 커플링 후에,
    상기 캡핑막을 제거하는 것을 더 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
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