KR100907474B1 - 바이오 센서, 그 제조방법 및 이를 이용한 바이오 물질의검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바이오 센서는 긴 단일 나노와이어 소자의 표면을 직렬로 구획하여 특정의 목표 바이오 분자와 결합할 수 있도록 기능화하여, 동일 또는 다중의 목표 바이오 분자를 동시에 검출한다.

이를 통해 다양한 바이오 물질을 정성적 및/또는 정량적으로 효과적으로 검출할 수 있다. 따라서, 제조공정의 비용을 줄일 수 있으며 여러 가지 바이오 분자에 대한 검출을 빠른 시간에 달성함과 동시에 정확한 분석을 가능하게 한다.

검지단위, 바이오 센서, 탄소나노튜브, 다중 검출

Description

바이오 센서, 그 제조방법 및 이를 이용한 바이오 물질의 검출방법{BIO SENSOR, ITS MANUFACTURING METHOD AND DETECTING METHOD OF BIO MATERIAL USING IT}

본 발명은 바이오 센서, 그 제조방법 및 이를 이용한 바이오 물질의 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 긴 단일 나노와이어 소자의 표면을 직렬로 구획하여 특정의 목표 바이오 분자와 결합할 수 있도록 기능화하여, 동일 또는 다중의 목표 바이오 분자를 동시에 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서, 그 제조방법 및 이를 이용한 바이오 물질의 검출방법에 관한 것이다.

통상적인 나노와이어를 이용한 바이오센서에 관한 종래기술들, 예를 들면 장(Zheng) 등에 의해 네이쳐 바이오테크날러지 23호 1294-1301 (1995)의 "나노와이어 배열 센서로 이루어진 다중 종양 인지자의 전기적인 측정" 미국공개특허 제06/0269927호의 "나노 스케일 센서들" 및 미국등록특허 제7,129,554호의 "나노센서들"을 참조하면, 두 개 이상의 서로 다른 종류의 타겟 바이오분자를 검출하기 위한 센서의 배열들의 구조를 살펴보면, 서로 다른 나노와이어에 각각의 다른 바이오 인지분자로 기능화한 구조를 가지고 있다. 이처럼 통상적인 나노와이어의 경우 각 나노와이어들의 전기적인 특성을 동일하게 제작하기는 매우 어렵고, 특히 탄소나노튜브를 사용하는 경우 그 전기적인 특성이 반도체 혹은 금속성을 가질 수 있으며, 이것을 직렬적으로 구획하여 탄소나노튜브 바이오 센서를 제조하는 방법은 현재까지 알려져 있지 않다. 따라서, 위와 같이 통상적으로 나노와이어를 병렬적으로 각각 다른 종류의 바이오 인지분자로 기능화하였을 때 각각의 트랜지스터의 전기적 성질이 매우 다르기 때문에, 타겟분자에 대한 반응 후의 결과를 해석하는 데 있어서 정확성이 현저하게 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 긴 단일 나노와이어 소자의 표면을 직렬로 구획하여 특정의 목표 바이오 분자와 결합할 수 있도록 기능화하여, 동일 또는 다중의 목표 바이오 분자를 동시에 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 나노와이어 소자의 표면을 직렬로 구획하기 위하여 나노와이어의 길이를 10㎛ 이상으로 연장시킬 수 있는 바이오 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 본 발명의 바이오 센서를 이용하여 동일 또는 다중의 목표 바이오 분자를 검출하는 검출방법을 제공하는 것이다.

상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바이오 센서는, 소스전극, 드레인 전극, 게이트 및 나노와이어로 구성되는 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서에 있어서, 상기 나노와이어는 길이방향으로 구획되는 복수개의 검지단위를 구비한다.

상기 나노와이어는 바람직하게는 탄소나노튜브이며, 보다 바람직하게는 반도 체 특성을 가지는 단일 벽 탄소나노튜브이며, 실리콘, 게르마늄 또는 GaN의 화합물 반도체를 사용할 수 있다.

상기 트랜지스터의 길이는 바람직하게는 100㎛ ~ 10㎝이다.

상기 검지단위는 바람직하게는 독립적인 드레인 전극을 가지고 소스전극을 공유하지 않거나 또는 독립적인 드레인 전극을 가지고 소스전극을 공유하며, 더욱 바람직하게는 독립적인 드레인 전극의 양쪽에 대칭구조의 소스 전극을 가진다.

상기 나노와이어는 양 끝단에 소스전극 및 드레인 전극을 구비한다.

상기 복수개의 검지단위는 그 표면에 타겟 바이오 물질과 특이적으로 반응 또는 결합하는 압타머를 구비하며, 상기 타겟 바이오 물질은 바람직하게는 CEA, AFP, PSA 등의 종양표지자, 또는 단백질, 유기저분자이고, 상기 압타머는 바람직하게는 핵산, 아미노산, 펩티드, 단백질, 효소기질, 리간드, 코펙터, 안티센스, 유기저분자 및 탄수화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이며, 이 중 상기 핵산은 바람직하게는 단일 사슬 데옥시뉴클레오티드를 사용할 수 있다.

본 발명의 상기 검지단위들은 각각 특정 바이오분자를 검지할 수 있는 압타머를 구비하되 검지하고자 하는 타겟 바이오분자의 종류의 목표 개수를 충족할만큼의 압타머 종류를 구비하게 되며, 통상적으로 1 ~ 6 개 종류의 바이오분자를 검지할 수 있는 압타머로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 나노와이어는 바람직하게는 압타머를 구비하지 않는 구획을 포함 한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 바이오 분자의 검출방법은, 상술한 바이오 센서에서, 하나의 검지단위에 구비된 드레인과 공유된 소스전극간의 전기전도도의 변화를 통해 바이오 분자를 검출한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 바이오 분자의 검출방법은, 4점 탐침기의 방법으로 복수개의 검지단위의 전기전도도를 측정하여 바이오 분자를 검출한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 바이오 센서의 제조방법은, 1) 소스전극, 드레인전극, 게이트 및 나노와이어를 포함하는 트랜지스터를 제조하는 단계, 2) 상기 제조된 트랜지스터 중 나노와이어를 제외한 모든 전극을 절연시키는 단계; 및 3) 상기 나노와이어를 길이방향으로 복수개의 검지단위로 구획하는 단계;를 포함한다.

상기 1) 단계의 트랜지스터를 제조하는 방법은, 알콜에 녹인 FeCl₃ 촉매를 SiO₂ 기판의 일부 또는 전부에 증착하고 수소 또는 산소와 아르곤을 상기 기판에 접촉시키면서 800 ~ 1200℃까지 온도를 상승시키는 전처리 단계, 상기 전처리 단계를 거친 기판을 온도를 유지하면서 15 ~ 30분 동안 탄소와 수소를 공급하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계, 그 성장이 완료된 기판을 15 ~ 30℃ 까지 온도를 낮추면서 수소 또는 산소와 아르곤을 상기 기판에 접촉시켜 상기 기판을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 1) 단계의 트랜지스터를 제조하는 또 다른 방법은, SiO₂ 기판의 일부 또는 전부에 백금 촉매를 1 ~ 3 nm의 두께로 증착하는 단계, 상기 기판에 수소를 접촉시키면서 800 ~ 1200℃까지 온도를 상승시키는 단계, 상기 온도가 상승된 기판에 20 ~ 40분 동안 SiCl₄ SiH₂Cl₂ 및 SiH₄ 중 어느 하나 이상의 화합물을 접촉시키는 단계, 및 상기 기판의 온도를 15 ~ 30℃ 까지 낮추면서 수소를 접촉시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 트랜지스터의 길이는 바람직하게는 100㎛ ~ 10 cm이며. 상기 복수개의 검지단위는 그 표면에 타겟 바이오 물질과 특이적으로 반응 또는 결합하는 압타머를 구비하며, 상기 바이오 물질은 바람직하게는 CEA, AFP, PSA 등을 포함하는 종양표지자, 또는 단백질, 유기저분자 등을 사용할 수 있고, 상기 압타머는 바람직하게는 핵산, 아미노산, 펩티드, 단백질, 효소기질, 리간드, 코펙터, 안티센스, 유기저분자 및 탄수화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이며, 이 중 상기 핵산은 바람직하게는 단일 사슬 데옥시뉴클레오티드를 사용할 수 있다.

본 발명의 상기 하나의 검지단위에 구비되는 압타머들은 특정 종류의 바이오 물질을 인지하며, 검지하고자 하는 바이오분자 종류의 개수에 적합한 종류수의 압타머를 구비하게 되며 이 때, 대략 1 ~ 6개수의 종류를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 직렬 방식으로 구획된 검지단위들의 개수는 바람직하게는 1000 개 이하이다.

여기에서 검지단위는 특정 바이오 물질 혹은 분자를 검지할 수 있는 반도체 나노와이어에서 구획된 기본 단위를 뜻하는 것으로서, 바이오 물질의 검지시 혹은 전류를 측정할 때 나노와이어상의 전류가 흐르는 경로인 채널영역은 검지단위끼리 서로 겹치거나 공유하지 않는 직렬방식으로 구획됨을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 긴 나노와이어로 직렬로 구획되어 나누어진 트랜지스터들로 이루어진 바이오센서는 다양한 바이오 물질을 정성적 및/또는 정량적으로 효과적으로 검출할 수 있다. 따라서, 제조공정의 비용을 줄일 수 있으며 여러 가지 바이오 분자에 대한 검출을 빠른 시간에 달성함과 동시에 정확한 분석을 가능하게 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이, 종래의 탄소나노튜브로 구성된 바이오 센서는, 다른 종류의 바이오 물질을 검출하기 위하여 나노와이어를 병렬적으로 구성하고 각각의 병렬적으로 구성된 나노와이어에 압타머를 고정하여 타겟 바이오 물질을 검출하였다. 따라서 각각의 트랜지스터의 전기적 성질이 매우 다르기 때문에, 타겟 바이오 물질 에 대한 검출결과를 해석하는 데 있어서 정확성이 현저하게 떨어지는 문제가 있었다.

이에 본 발명에서는, 하나의 나노와이어에 직렬방향(나노와이어의 길이방향)으로 여러 개로 구획하고 각 나노와이어 채널의 구획마다 특정 바이오 물질을 인지할 수 있도록 기능화시킴으로써 각 구획은 특정 바이오 분자를 검지하는 검지단위를 형성하게 한다. 이를 위하여 나노와이어의 길이는 적어도 10 ㎛ 이상이 바람직하다. 왜냐하면, 나노와이어의 길이가 10 ㎛ 이하일 때는 각 구획된 검지단위의 길이가 1 ㎛ 이하의 짧은 길이를 가지게 되어 충분한 숫자의 분자인식물질을 구비하기 어렵고, 특히 제조시 고분해능의 정렬을 구비할 수 있는 노광장치가 필요하여 제조가 난해해지고, 비용이 증가하게 된다. 이 경우 구획된 검지단위들은 그 고유의 전기적 특성은 동일하므로, 구획된 숫자만큼의 동일한 전기적 특성의 나노와이어 트랜지스터들을 쉽게 형성할 수 있다. 따라서, 각 검지단위의 트랜지스터의 전기전도도의 변화에 따라 특정한 여러 종류의 타겟 바이오 물질의 존재 유무를 정확히 판단할 수 있으며, 나아가 타겟 바이오 물질의 대략적인 농도도 판단할 수 있다. 또한 하나의 긴 소자에 여러 종류의 바이오 물질을 인지하는 압타머로 구획할 수 있기 때문에 제조비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있으며, 타겟 바이오 물질과 센서와의 반응 면적을 확장함으로써 타겟 바이오 물질에 대한 감응도를 높일 수 있다.

한편, 동일한 종류의 바이오 분자를 검출하는 경우에도 동일한 바이오 인지분자들을 하나의 동일한 긴 나노와이어를 사용하여 여러 개의 구획을 나누어 기능화하여 데이터의 신뢰를 증가시키는 방법을 제시한다. 이 경우 각각의 구획된 트랜지스터의 전기적 특성은 동일하기 때문에 보다 정량적인 데이터를 얻게 된다. 보다 구체적으로 설명하면, 만일 긴 나노와이어를 가지고 N개의 검지단위로 나누고 이들 검지단위들은 각각 동일한 바이오 물질을 인지하는 압타머들을 하나 이상을 구비하였다면, 이는 결국 동일한 종류의 물질을 검출하는 N개의 동일한 특성의 바이오센서를 제조하는 것과 같은 결과를 가져오게 되며, N개의 측정결과를 동시에 얻음으로써 바이오센서의 측정 데이터가 통계적으로 더욱더 정확한 효과를 얻는다.

나아가, 긴 나노와이어를 직렬방식으로 검지단위로 구획화하는 경우 하나의 구획 이상을 의도적으로 기능화하지 않고 남겨두거나, 혹은 가장 전형적인 센서의 특징을 가질 수 있는 화학물질로 기능화하여 레퍼런스 트랜지스터로 사용할 수 있는 대조군으로 활용할 수 있다. 즉, 타겟물질과 반응시킨 후 모니터링되는 구획 트랜지스터와 상기한 레퍼런스 트랜지스터의 저항의 변화를 각각 비교함으로써 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명에서 사용되는 상기 나노와이어는 바람직하게는 탄소나노튜브이며, 보다 바람직하게는 단일 벽 탄소나노튜브이며 반도체 특성을 가진다.

상기 나노와이어는 양 끝단에 소스 전극 및 드레인 전극을 구비한다.

또한 본 발명에서 상기 나노와이어를 직렬방향으로 검지단위로 구획하기 위해서는 상기 나노와이어의 길이는 최소한 10 ㎛ 이상이 적당하며 바람직하게는 10 ㎛ ~ 10 cm 의 범위를 유지하여야 한다. 만일 나노와이어의 길이가 10 ㎛ 미만이면 여러 개의 바이오 인식물질을 기능화하기 어렵고 그 제조비용이 상승하게 되며, 10 cm 이상이면 센서의 크기가 너무 커지게 되어 감도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 나노와이어의 길이를 10 ㎛ 이상으로 연장하기 위하여 본 발명의 제1구현예에서는 알콜에 녹인 FeCl₃ 촉매를 SiO₂ 기판의 일부 또는 전부에 증착하고 수소 또는 산소와 아르곤을 상기 기판에 접촉시키면서 800 ~ 1200℃까지 온도를 상승시키고, 그 뒤 기판의 온도를 유지시키면서 15 ~ 30분 동안 탄소와 수소를 공급하여 탄소나노튜브를 성장하고, 그 기판을 15 ~ 30℃ 까지 온도를 낮추면서 수소 또는 산소와 아르곤을 상기 기판에 접촉시키는 공정을 통해 상기 탄소나노튜브의 길이를 10 ㎛ 이상의 크기로 성장시킬 수 있다.

상기 제1구현예와는 달리 본 발명의 제2구현예에서는 SiO₂ 기판의 일부 또는 전부에 백금 촉매를 1 ~ 3 nm의 두께로 증착하고, 상기 증착된 기판에 수소를 접촉시키면서 800 ~ 1200℃까지 온도를 상승시키고, 그 뒤 온도가 상승된 기판에 20 ~ 40분 동안 SiCl_{4 ,} SiH₂Cl₂, SiH₄ 중 어느 하나 이상의 화합물을 접촉시킨다. 그 뒤 상기 기판의 온도를 15 ~ 30℃ 까지 낮추면서 수소를 접촉시켜 최종적으로 상기 나 노와이어(탄소나노튜브)의 길이를 10 ㎛ 이상의 크기로 성장시킬 수 있다.

또 다른 실시 형태로서, 미리 전자빔리소그라피를 이용하여 좌표계를 형성한 기판위에 레이저 박리(ablation) 또는 아크 방전(arc discharge)을 이용하여 합성된 탄소 나노튜브 혹은 나노와이어들이 포함된 용액을 분산시킨 뒤, 각각의 나노와이어의 위치를 원자력힘현미경(AFM) 등을 이용하여 알아내고, 알아낸 위치에 전자빔리소그라피를 이용하여 전극을 생성시켜 탄소 나노튜브 트랜지스터를 제작할 수도 있다.

나노와이어 트랜지스터 제작 후에 바이오인식분자 즉 압타머를 고정화하여 기능화하기 전에 금속전극과 금속선 다음의 절연물질들 예를 들면 PMMA, SiO₂, 혹은 질화막 등으로 둘러쌓아 보호해주는 것이 바람직하다. 따라서, 화학작용에 부식되기 쉬운 금속전극은 전해질 등의 용액과의 반응을 차단시키고, 전해질 분위기의 측정에서 발생하는 이온전류에 의한 오프셋전류를 차단할 수 있다.

본 발명의 나노와이어는 트랜지스터의 채널로 이용되기 위해서 반도체의 특성을 갖는 물질임이 바람직하다. 예를 들면, 탄소 나노튜브의 구조는 하나의 흑연면을 둥글게 말아놓은 구조로서 한 개의 흑연면으로 이루어진 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube)와 여러 겹의 흑연면이 하나의 중심축으로 말린 것이 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotube)가 있다. 상기 단일벽 탄소 나노튜브는 직경에 따라 금속 특성 또는 반도체 특성을 가지고, 반도체 특성 탄소 나노튜브의 경우 에너지 갭은 그 직경에 반비례하여 나타나게 된다.

이러한 방법으로 제조된 본 발명의 트랜지스터를 형성하는 나노와이어는 하나 이상의 바이오 물질을 인지하는 복수개의 검지단위로서 직렬로 구획된다. 여기서 각각의 검지단위의 나노와이어 채널의 전기전도도를 측정하기 위하여, 각각의 소스 혹은 드레인 금속전극에 대응되도록 전기적으로 연결시킨다. 특히, 각각의 검지단위들을 하나의 나노와이어에 형성을 하되, 각각의 검지단위는 그 채널영역을 서로 겹치지 않게 직렬방식으로 구획함을 특징으로 한다. 특히, 각각의 검지단위들을 구획함에 있어서 꼭 같은 전기적 구조들을 갖추기 위하여 동일한 나노와이어의 채널 길이를 가지도록 구획할 수 있다. 이렇게 각각의 검지단위는 서로 그 채널영역을 공유하지 않음으로 각각의 검지단위는 고유의 채널영역을 가지고 있으며, 각각의 검지단위의 채널영역에 해당하는 나노와이어의 표면을 특정 바이오 분자를 인지하는 압타머 등으로 기능화함으로써, 특정 바이오 분자를 인지하는 검지단위를 형성하게 된다. 따라서, 특정 소스와 드레인 전극사이의 전기전도도를 측정함으로써, 특정하게 기능화된 특정 검지단위가 특정 바이오 분자와 반응하는 검지 신호를 측정할 수 있다.

구체적으로, 상기 검지단위들은 각각 그 표면에 타겟 바이오 물질과 특이적으로 반응 또는 결합하는 압타머를 1개 이상 구비하며, 하나의 검지단위에 포함되는 압타머는 동일한 종류의 타겟 바이오 물질을 인지한다. 즉, 나노와이어에 압타머들이 직렬로 고정되고, 상기 압타머들은 연속하여 하나 이상 모여 하나의 검지단 위를 형성하며, 하나의 검지단위에 속하는 하나 또는 복수개의 압타머들은 모두 동일한 종류의 타겟 바이오 물질을 인지한다. 한편, 각각의 검지단위들은 모두 동일한 타겟 바이오 물질을 인지하거나 다른 종류의 타겟 바이오 물질을 인지할 수 있고 하나의 검지단위에 속하는 압타머의 수를 달리할 수 있으므로, 이를 통해 여러 종류의 타겟 바이오 물질을 한 번에 매우 정확하게 정성적으로 검출할 수 있을 뿐 아니라, 타겟 바이오 물질을 정량적으로 검출하는 것도 가능하다. 예를 들어, 나노와이어의 표면에 바이오 물질 A를 인식하는 압타머 a, 바이오 물질 B를 인식하는 압타머 b 및 바이오 물질 C를 인식하는 압타머 c가 "aaaabbccccaabc"의 형태로 직렬로 위치하는 경우, 검지단위는 "aaaa", "bb", "cccc", "aa", "b", "c"로서 모두 6개가 된다. 이 때, 시료에 바이오 물질이 "A", "B"만 존재한다면, 바이오 센서에 전류를 인가하면 3번째 및 6번째를 제외한 모든 검지단위에서 반응이 일어난다. 한편, 바이오 물질 A의 경우 이를 인지하는 검지단위가 두 개이지만 각각의 검지단위마다 그 민감성이 다르기 때문에 두 개의 전류변화를 비교하여 바이오 물질 A의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다. 상술하면, 첫 번째 검지단위는 바이오물질 A의 특정 농도 X이상에서 감응하고, 세 번째 검지단위는 바이오물질 A 특정농도 Y(X보다 크다)에서 감응한다고 가정할 경우, 첫째와 세 째 검지단위가 둘다 감응하면 바이오 물질 A의 농도는 Y 이상이다. 만일 첫째 검지단위만 감응하였다고 하면 바이오물질의 농도는 X보다는 크고 Y 보다는 작다. 두 검지단위 모두 감응하지 않은 경우 바이오물질의 농도는 X이하이다. 즉, 이들 각각의 검지단위내에 구비된 압타머의 수가 상이하므로 전류를 인가하여 그래프의 피크를 확인하는 방법 등을 통하여 바이오 물질 A 정량적으로 분석하는 것도 가능하다. 또한 검지단위에 포함되는 압타머의 수를 동일하게 구비하여 센서의 정확성을 도모하는 것 역시 가능하다.

상기 검지단위를 전기적으로 연결하는 방법에 있어서, 도 1에서 도시한 바와 같이 각각의 검지단위는 소스 전극(14)을 공유하지만 드레인 전극(15)를 독립적으로 형성하는 방법을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 각각의 검지단위에 해당하는 전기전도도를 측정할 경우 소스 전극은 고정시키고 드레인 전극만 바꾸어가면서 전기전도도를 측정함으로써 순차적으로 모든 검지단위의 전기적 신호를 측정할 수 있다. 이 경우 더욱 바람직하게는 독립적인 드레인 전극의 양쪽에 대칭구조의 소스 전극을 가짐으로써, 하나의 검지단위에 동일한 두 개의 채널 구조를 가질 수 있게 하여 나노와이어의 표면을 효과적으로 사용할 수 있다.

또 다른 전기적 연결방법을 예시하면, 도 2에서 도시한 바와 같이 하나의 전극은 이웃하는 양쪽의 인접 검지단위의 전극으로 동시에 공유하게 쓰일 수 있는 간략한 구조를 제공한다. 보다 구체적으로는, 도 2의 특정 압타머(16)로 기능화된 특정 검지단위의 전기 전도도를 측정하기 위하여 전극 32와 전극 33이 사용될 수 있다. 이 경우, 그 인접한 채널인 특정 압타머(17)로 기능화된 검지단위의 전기전도도를 측정하기 위하여 전극(33)은 소스 전극으로 재사용되어 공간적인 간단하고 효율적인 방법을 제공한다.

한편, 본 발명에 사용가능한 바이오 물질은 통상의 바이오 센서로 검출가능 한 것이면 종류의 제한이 없으며, 바람직하게는 CEA, AFP, PSA를 비롯한 종양표지자 뿐 아니라 대장균, 바이러스 등이 될 수 있고, 상기 바이오 물질과 반응 또는 결합되는 압타머는 바람직하게는 핵산, 아미노산, 펩티드, 단백질, 효소기질, 리간드, 코펙터, 안티센스, 유기저분자 및 탄수화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 화합물 중 바이오 물질의 종류에 따라 선택하여 사용할 수 있으며, 이 중 상기 핵산은 바람직하게는 단일 사슬 데옥시뉴클레오티드를 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 나노와이어의 표면에 압타머로서 리간드인 비오틴을 고정화시키고 상기 비오틴과 특이적으로 반응하는 스트렙토아비딘을 검출할 수 있고, DNA를 고정화시키고 이 DNA에 상보적으로 결합하는 DNA를 검출하여 게놈분석, 돌연변이 검색, 병원성균 진단 등에 이용할 수 있다. 또한 나노와이어의 표면에 단일사슬 데옥시뉴클레오티드를 고정화시키고, 트리메틸아민 등의 가스 검출에 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 분자의 검출방법을 구체적으로 설명하면 상술한 바이오 센서에서, 하나의 검지단위에 구비된 드레인과 공유된 소스 전극간의 전기전도도의 변화를 통해 바이오 분자를 검출할 수 있다. 예를 들면, 하나의 특정 검지단위에 해당되는 특정 바이오 분자가 결합하게 되어 검지단위의 전기전도도가 변화하며 이 때 전기전도도의 변화를 읽음으로써, 특정 바이오 분자의 존재를 검출하게 된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 바이오 분자의 검출방법은, 통상의 전류를 측정하는 방법 중 하나인 4점 탐침기의 방법으로 복수개의 검지단위의 전기전도도를 측정하여 바이오 분자를 검출할 수 있다. 예를 들면 나노와이어 양 끝을 일정한 전류소스계에 연결하여 일정한 전류가 흐르도록 하고 각 검지단위의 전압강하를 전압측정기로 측정하여 그 검지단위의 저항값 혹은 전기전도도를 측정하는 방법을 제공한다. 이 경우 전극과 연결된 금속선과 나노와이어의 접합저항에 의한 측정의 오류를 제거할 수 있는 장점을 제공한다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 도 1은 본 발명의 1실시예로서 트랜지스터의 일부분을 형성하는 나노와이어(10)에 관한 것으로, 상기 나노와이어는 기판(11)에 배치되어 있으며, 상기 나노와이어의 소정의 위치에서 연장되는 금속선(12, 13)과 상기 금속전극과 연결되어 소스 전극(14)과 드레인 전극(15)을 통하여 상기 나노와이어로 전류를 인가한다. 상기 나노와이어의 표면에 상기 금속전극에 의하여 구획되는 타겟 바이오 물질을 검출하는 압타머(16 ~ 21)가 위치한다. 이 때, 나노와이어의 표면에 길이방향으로 직렬로 고정되는 압타머는 상기 금속전극에 연결된 금속선(13)에 의하여 각각 구획되며 하나의 특정 드레인 전극(15)과 소스 전극(14) 사이의 전류의 경로를 따라서는 동일한 바이오 분자인식 물질을 형성하게 한다. 즉, 도 1에서 모양이 같은 압타머는 동일한 종류의 바이오 물질을 인지한다. 그러므로 도면부호 16 ~ 21의 압타머는 모두 상이한 종류의 바이오 물질을 인지하는 것이다. 실제 바이오 분자를 검출하는 방법은 다음과 같다. 검사하고자 하는 환자의 혈액을 센서반응부(나노와이어)에 떨어뜨려 센서 를 반응시키고 적당한 시간이 지난 후 각각의 드레인 전극과 공유된 소스전극(14)에서 전기전도도의 변화를 측정한다. 이때 센서의 채널에는 지속적으로 전압을 공급할 필요는 없으며, 각각의 검지단위의 전기전도도를 측정하기 위한 측정기, 예를 들면 저항측정계 등을 연결하여 저항을 읽을 수 있다. 보다 바람직하게는 실시간 검지신호를 모니터링하기 위해서는, 도 1a의 소스전극(14)를 측정기 소스단자에 연결한 상태에, 검지하고자 하는 타겟 물질 예를 들면 혈액을 센서반응부(나노와이어)에 떨어뜨린다. 이때 자동 스위칭변환장치(도 6의 74) 등을 통하여 각 주기마다, 각각의 드레인 전극(15)의 전류를 측정함으로써 각 주기마다의 전기전도도를 실시간으로 기록할 수 있다. 각 주기는 1초 ~ 1분 단위가 바람직하며 타겟 바이오 분자의 반응속도에 따라서, 그 실시간 측정 기록시간은 진단의 목적에 따라 임의로 조정할 수 있다. 보다 바람직한 측정방법으로 정량적인 측정을 위하여 동일한 검지 단위를 여러 개 형성하고, 이 때 전기전도의 변화가 생긴 검지단위를 조사하여 타겟 물질을 정성적으로 측정한다.

도 2는 본 발명의 2실시예로서 금속과 반도체 사이에 접합 저항의 효과를 무시할 수 있도록 나노와이어의 저항을 측정할 수 있는 4점탐침기 방식의 측정방법을 적용할 수 있도록 구성된다. 이하에서는 상기 1실시예와 동일한 부분은 제외하고 상이한 부분을 중심으로 설명한다. 예를 들면 도 2에서 금속전극(40)과 금속전극(41) 사이에 전류소스계를 전기적으로 연결하여 일정한 전류가 흐르도록 한다. 이 때 직렬방식으로 구획되어 있으므로 모든 검지단위의 채널에는 동일한 전류가 흐르게 되며, 이때 각 검지단위의 구획의 양측 전극의 전압차이를 전압계로 읽음으로써 그 검지단위의 저항값 혹은 전기전도도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 압타머(16)로 기능화된 검지단위의 전기전도도를 측정하기 위하여 전극(32)와 전극(33) 사이의 전압차이를 전압계로 측정하여 정확한 전기전도도를 측정할 수 있다. 이 경우 전극과 연결된 금속선과 나노와이어의 접합저항에 의한 측정의 오류를 제거할 수 있는 장점을 제공한다.

도 3은 나노와이어 표면에 바이오인식 분자인 압타머를 고정화할 때 특정 구획에 선택적으로 진행하는 방법은 나타낸 것으로 도 3a는 사진공정의 방법이고 도 3b는 마이크로스파터를 이용하는 방법이나 이에 한정되지는 않는다. 구체적으로 도 3a와 같이 특정 구획에 기능화를 위하여 포토마스킹 작업을 진행하여 감광막이 기능화시킬 영역만 열려있도록 사진공정을 수행한다. 이 후 압타머(52)가 포함된 용액에 담그거나 혹은 용액을 떨어뜨려 압타머를 고정시킨다.

한편, 마이크로스파터를 이용하는 방법은 더욱 간단하다. 구체적으로 도 3b와 같이 압타머(52)가 포함된 용액 용액을 특정 부분에 직접 분사시켜 기능화하는 방법이다. 생산성과 비용 제조의 속도를 감안하여 두 가지 방법 중에 적당한 방법을 사용할 수 있으며 두 방법을 절충하여 사용할 수도 있다. 바람직한 예로 각 구획의 길이는 20~50 ㎛가 적당하지만, 사진공정을 이용한 경우 1 ㎛ 이내의 길이를 갖는 구획도 가능하다. 이때 직렬로 기능화되어 제조된 트랜지스터의 각 구획된 전극들(드레인)과 소스쪽의 전극들은 와이어본더 등을 이용하여 하나의 칩으로 패 키징되어 측정장비와 쉽게 전기적인 인터페이스를 하게 된다.

도 4는 본 발명의 1000㎛ 이상의 길이를 가지는 나노와이어의 광학현미경 사진으로서, 주기적으로 배열된 금속선(60)에 1000 마이크로미터 이상의 길이를 가지는 실리콘 나노와이어를 배치하였다. 실리콘 나노와이어는 화살표(61)에서 시작되어 광학현미경의 이미지 밖으로 확장되어 있다.

도 5는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 간암 세포에 존재하는 AFP를 타겟팅하는 AFP-항체로 기능화된 나노튜브 트랜지스터에 AFP 가 포함된 용액 5㎕ 에 노출되었을 때 그 전기적인 전도도가 변하는 것을 실시간으로 보여준다.

도 6은 하나의 나노와이어에 여러가지 다양한 바이오인식분자를 직렬로 구획을 나누고 기능화한 그림을 나타낸다. 예를 들면, A, B, C, D, E, F는 각각 CEA, AFP, PSA, b-hcg, CA 125, CA 19-9에 잘 반응하여 결합하는 항체들로 기능화한다. 이때 전기적 혹은 기계적인 스위치(74)를 이용하여 특정 타겟분자를 선택하여 측정할 수 있다. 예를 들면, A 는 유방암, B는 간암, C는 전립선암, D는 위암, F는 유방암, 전립선암, 식도암; G는 식도암과 관련 있는 타겟 분자들이다. 기능화가 완료되어 웨이퍼상으로 제조된 나노와이어 센서는 금선(73) 등으로 와이어 본딩 진행하여, 측정하고자 하는 구획을 스위치(74)로 선택하여 전류계(75) 등으로 그 값을 읽게 된다.

본 발명은 다양한 바이오 물질을 정성적 및/또는 정량적으로 효과적으로 검출할 수 있어, 바이오 센서 산업에 매우 유용하게 활용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 1실시예에 따른 직렬로 기능화된 바이오 센서의 평면도 및 단면도이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 2실시예에 따른 바이오 센서의 평면도 및 단면도이다.

도 3a는 긴 나노와이어를 다중 인지분자로 기능화하는 방법 중 사진공정을 이용하는 방법에 대한 개념도이고, 도 3b는 마이크로스파터(microspotter)를 이용하는 방법에 대한 개념도이다.

도 4는 본 발명의 1000 μm 이상의 길이를 가지는 나노와이어의 광학현미경 사진이다.

도 5a는 특정 항체로 기능화된 나노와이어트랜지스터의 AFP 종양표지자에 의한 실시간 전기적 특성 측정을 나타내는 개념도이고, 도 5b는 그 결과에 대한 그래프이다.

도 6은 본 발명의 바이오 센서를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 과정을 나타내는 개념도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 나노와이어

11 : 기판

12, 13 : 금속선

14 : 소스 전극

15 : 드레인 전극

16, 17, 18, 19, 20, 21 : 압타머

30, 31: 금속선

32, 33, 34, 35, 37, 37, 38 : 전압측정전극

40, 41 : 소스, 드레인 전극

50 : 감광막 51 분자인식물질을 포함하는 액체

52 : 압타머 55 마이크로스파터

60 금속선

70, 72: 소스, 드레인 전극

71: 금속선

73 : 전기신호연결선 (금선)

74 : 선택 스위치

75 : 전류미터

Claims (32)

1. 나노와이어에 길이방향으로 구획되는 복수개의 검지단위가 구비되며,

   상기 복수개의 검지 단위 각각에 하나 이상의 전극이 전기적으로 연결되어 상기 검지 단위의 양측에 소스 전극 및 드레인 전극이 구비되고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이가 트랜지스터의 채널을 형성하고, 상기 채널 내에 상기 검지 단위가 위치되되,

   상기 복수개의 검지 단위들은 서로 겹치지 않도록 직렬로 위치되며,

   상기 복수개의 검지 단위에 구비된 각각의 상기 소스 전극 및 드레인 전극 중 하나는 상기 복수개의 검지 단위들에 대하여 서로 공유되도록 구비되며, 다른 하나는 상기 복수개의 검지 단위들에 대하여 독립적으로 구비되어 이루어지며,

   상기 복수개의 검지 단위에서의 전기 전도도의 변화로부터 상기 검지 단위에 위치한 바이오 물질을 검사하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 나노와이어는 단일 벽 탄소나노튜브이며 반도체 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어는 실리콘, 게르마늄 또는 GaN의 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
5. 제1항에 있어서,

   상기 나노와이어의 길이는 10㎛ ~ 10 cm인 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 검지단위의 표면에 상기 바이오 물질과 특이적으로 반응 또는 결합하는 압타머가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
11. 제1항에 있어서, 상기 바이오 물질은 단백질, 유기저분자, 펩타이드, 핵산 및 효소기질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
12. 제10항에 있어서, 상기 압타머는 핵산, 아미노산, 펩티드, 단백질, 효소기질, 리간드, 코펙터, 안티센스, 유기저분자 및 탄수화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
13. 제12항에 있어서, 상기 핵산은 단일 사슬 데옥시뉴클레오티드인 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
14. 제10항에 있어서, 상기 복수개의 검지단위에 1 ~ 6 종류의 상기 압타머가 동일 또는 상이한 개수로 구비되는 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
15. 제10항에 있어서, 상기 복수개의 검지단위는 한 종류 이상의 바이오 물질을 인지하는 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
16. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 검지 단위 중 하나 이상에 상기 바이오 물질과 특이적으로 반응 또는 결합하는 압타머가 구비되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
17. 제1항에 있어서, 상기 검지단위의 개수는 1000 개 이하인 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.
18. 삭제
19. 제1항 내지 제5항 또는 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항의 바이오 센서에서, 4점 탐침기의 방법으로 복수개의 검지단위의 전기전도도를 측정하여 바이오 분자를 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자의 검출방법.
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
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27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 제14항의 바이오 센서 중 두 개 이상의 검지단위에 한 종류의 압타머가 상이한 개수로 구비된 바이오 센서에서, 상기 두 개 이상의 검지 단위의 전기 전도도 변화로부터 상기 압타머에 특이적으로 반응하는 바이오 물질을 정량적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자의 검출방법.
32. 제1항 내지 제5항 또는 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

    전기 전도도를 측정하는 측정기가 스위치 수단을 통해 상기 복수개의 검지 단위들에 대하여 독립적으로 구비된 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극에 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 상기 바이오 센서.

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