KR101648417B1 - 절연된 박막 전극의 전위 측정을 통한 나노포어 입자 검출기 - Google Patents
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Abstract
절연된 박막 전극의 전위 측정을 통한 나노포어 입자 검출기가 제공된다. 본 입자 검출기는, 전기신호 측정을 위한 전도성나노막, 절연을 위해 상기 전도성나노막의 양면에 결합된 절연나노막, 상기 전도성나노막과 상기 절연나노막으로 이루어진 절연된전도성나노막에 뚫려 시료입자의 이동통로를 제공하는 나노포어, 상기 절연된전도성나노막 양단에 전기장을 걸어주는 전원장치, 상기 전도성나노막에 연결되어, 상기 시료입자가 상기 나노포어를 통해 이동할 때, 상기 시료입자의 전하량에 따라 상기 전도성나노막에 유도된 전하 또는 상기 시료입자의 크기에 따라 야기된 상기 나노포어 내부의 부분적 저항변화에 의한 상기 전도성나노막의 전위변화 중 적어도 하나 이상을 측정하기 위한 전기신호측정장치를 포함한다. 이에 의해, 나노포어를 통해 이동하는 시료입자의 전하와 크기에 따른 전기신호를 효율적으로 검출할 수 있게되어, 높은 신호대잡음비 및 고분해능 입자 검출이 가능해지고, 나노포어를 통해 시료입자를 전도성나노막에 도입시킴으로써, 전도성나노막의 기계적 움직임 없이 시료의 스캐닝이 가능해진다. 상기 입자 검출기는, DNA를 상기 나노포어를 통해 선형화하여 통과 시키면서, 상기 전기신호측정장치가 순차적으로 측정한 신호를 읽어 DNA 염기서열 분석이 가능하다.
Description
본 발명은 입자 검출기 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성나노막과 나노포어를 결합하여 높은 신호대잡음비 및 고분해능 입자검출이 가능하고, 기계적 움직임 없이 시료의 스캐닝이 가능한, 나노포어 기반의 입자 검출기 및 그 방법에 관한 것이다.
DNA sequencing 방법의 가장 중요한 성능 지표는 DNA read length와 throughput이다. 최근 나노포어 또는 나노채널에서의 전류측정을 이용한 direct DNA sequencing 방법이 주목을 받고 있는데, 이는 이 방법이 가진 높은 공간 분해능, 높은 throughput, 그리고 이론상 read length가 무제한인 장점 때문이다. 전류측정은 종축(axial)과 횡축(transverse) 측정방법이 있다. 종축 전류측정은 나노포어 또는 나노채널을 통한 이온전류(ionic current)를 측정하는 것으로, 시스템 구성이 간단하나, 나노포어 또는 나노채널의 길이가 DNA 각 염기 사이의 거리 0.33 nm에 비해 훨씬 길기 때문에, 여러 염기에 의한 신호를 한꺼번에 측정하게 되어, 측정신호의 deconvolution이 어렵다. 횡축 전류 측정은 나노포어 또는 나노채널에 직각 방향으로 결합된 전극을 이용해 DNA가 전극 사이를 지나갈 때 발생하는 터널링전류(tunneling current)의 변화를 측정하는 것으로, 높은 공간 분해능을 가질 수 있으나, 공정이 어렵다. 따라서, 고성능의 단분자 DNA sequencing을 위해서는 수월한 공정법과 고감도 측정 시스템의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 전도성나노막과 나노포어를 결합하여 높은 신호대잡음비 및 고분해능 입자검출이 가능하고, 기계적 움직임 없이 시료의 스캐닝이 가능한, 나노포어 기반의 입자 검출기 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 나노포어 기반의 입자 검출기는, 전기신호 측정을 위한 전도성나노막; 절연을 위해 상기 전도성나노막의 양면에 결합된 절연나노막; 상기 전도성나노막과 상기 절연나노막으로 이루어진 절연된전도성나노막에 뚫려 시료입자의 이동통로를 제공하는 나노포어; 상기 절연된전도성나노막 양단에 전기장을 걸어주는 전원장치; 및 상기 전도성나노막에 연결되어, 상기 시료입자가 상기 나노포어를 통해 이동할 때, 상기 시료입자의 전하량에 따라 상기 전도성나노막에 유도된 전하 또는 상기 시료입자의 크기에 따라 야기된 상기 나노포어 내부의 부분적 저항변화에 의한 상기 전도성나노막의 전위변화 중 적어도 하나 이상을 측정하기 위한 전기신호측정장치;를 포함한다.
그리고, 상기 전도성나노막은 그래핀(Graphene)으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전도성나노막은 둘 이상의 독립된 패턴으로 나뉘고, 상기 독립된 패턴마다 하나씩의 나노포어가 뚫린 나노포어 어레이로 구성되어, 상기 나노포어 어레이의 각 나노포어를 통해 이동하는 시료입자를 상기 독립된 패턴마다 연결된 전기신호측정장치를 통해 병렬로 측정하도록 구성될 수 있다.
또한, 입자 검출기는 싱글스트랜드DNA(ssDNA)를 상기 나노포어를 통해 선형화하여 통과 시키면서, 상기 전기신호측정장치가 순차적으로 측정한 신호를 읽어 DNA 염기서열을 분석할 수 있다.
또한, 입자 검출기는 표지물질을 부착한 DNA를 상기 나노포어를 통해 선형화하여 통과 시키면서, 상기 전기신호측정장치가 순차적으로 측정한 신호를 읽어 DNA 염기서열을 분석할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른, 입자 검출기를 사용하여 입자를 검출하는 방법은, 상기 입자 검출기가 전기신호 측정을 위한 전도성나노막; 절연을 위해 상기 전도성나노막의 양면에 결합된 절연나노막; 상기 전도성나노막과 상기 절연나노막으로 이루어진 절연된전도성나노막에 뚫려 시료입자의 이동통로를 제공하는 나노포어; 상기 절연된전도성나노막 양단에 전기장을 걸어주는 전원장치; 및 상기 전도성나노막에 연결되어, 상기 시료입자가 상기 나노포어를 통해 이동할 때, 상기 시료입자의 전하량에 따라 상기 전도성나노막에 유도된 전하 또는 상기 시료입자의 크기에 따라 야기된 상기 나노포어 내부의 부분적 저항변화에 의한 상기 전도성나노막의 전위변화 중 적어도 하나 이상을 측정하기 위한 전기신호측정장치;를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른, 입자 검출기를 사용하여 DNA 염기서열을 분석하는 방법은, 상기 입자 검출기가 전기신호 측정을 위한 전도성나노막; 절연을 위해 상기 전도성나노막의 양면에 결합된 절연나노막; 상기 전도성나노막과 상기 절연나노막으로 이루어진 절연된전도성나노막에 뚫려 시료입자의 이동통로를 제공하는 나노포어; 상기 절연된전도성나노막 양단에 전기장을 걸어주는 전원장치; 및 상기 전도성나노막에 연결되어, 상기 시료입자가 상기 나노포어를 통해 이동할 때, 상기 시료입자의 전하량에 따라 상기 전도성나노막에 유도된 전하 또는 상기 시료입자의 크기에 따라 야기된 상기 나노포어 내부의 부분적 저항변화에 의한 상기 전도성나노막의 전위변화 중 적어도 하나 이상을 측정하기 위한 전기신호측정장치;를 포함하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전도성나노막과 나노포어를 결합하여 높은 신호대잡음비 및 고분해능 입자검출이 가능하고, 기계적 움직임 없이 시료의 스캐닝이 가능한, 나노포어 기반의 입자 검출기 구성이 가능하다. 또한, DNA를 나노포어를 통해 선형화하여 통과시키면서 읽은 전기신호측정장치의 신호분석을 통해 DNA 염기서열분석에 응용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연된 박막 전극의 전위 측정을 통한 나노포어 입자 검출기의 블록도 및 신호측정 과정의 설명에 제공되는 도면,
도 2는 나노포어 어레이 구성의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 3은 나노포어 입자 검출기를 사용한 DNA 염기서열분석 방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 2는 나노포어 어레이 구성의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 3은 나노포어 입자 검출기를 사용한 DNA 염기서열분석 방법의 설명에 제공되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연된 박막 전극의 전위 측정을 통한 나노포어 입자 검출기의 블록도 및 신호측정 과정의 설명에 제공되는 도면이다. 도 1에 표시된 입자 검출기는, 전기신호 측정을 위한 전도성나노막, 절연을 위해 상기 전도성나노막의 양면에 결합된 절연나노막, 상기 전도성나노막과 상기 절연나노막으로 이루어진 절연된전도성나노막에 뚫려 시료입자의 이동통로를 제공하는 나노포어, 상기 절연된전도성나노막 양단에 전기장을 걸어주는 전원장치, 및 상기 전도성나노막에 연결되어, 상기 시료입자가 상기 나노포어를 통해 이동할 때, 상기 시료입자의 전하량에 따라 상기 전도성나노막에 유도된 전하 또는 상기 시료입자의 크기에 따라 야기된 상기 나노포어 내부의 부분적 저항변화에 의한 상기 전도성나노막의 전위변화 중 적어도 하나 이상을 측정하기 위한 전기신호측정장치를 포함하여, 높은 신호대잡음비 및 고분해능 입자검출이 가능하고, 기계적 움직임 없이 시료의 스캐닝이 가능하게 하는 시스템이다.
본 실시예에 따른 입자 검출기는 도 1의 10a에 도시된 바와 같이, 전극(11), 전원장치(12), 전기신호측정장치(13), 절연나노막(14), 전도성나노막(15), 및 나노포어(18)로 이루어진다.
전극(11)은 전원장치(12)에 의한 전기장을 나노포어(18) 양단에 걸어주기 위한 것이다.
전원장치(12)는 나노포어(18) 양단에 전기장을 걸어주기 위한 장치이다.
전기신호측정장치(13)는 시료입자(16)가 나노포어(18)를 통해 이동할 때, 시료입자(16)의 전하량에 따라 전도성나노막(15)에 유도된 전하 또는 시료입자(16)의 크기에 따라 야기된 나노포어(18) 내부의 부분적 저항변화에 의한 전도성나노막(15)의 전위변화 중 적어도 하나 이상을 측정하기 위한 장치이다.
절연나노막(14a, 14b)은 전도성나노막(15)를 절연하기 위한 박막이다.
전도성나노막(15)은 시료입자(16)의 전하량에 따른 전하 유도 또는 시료입자(16)의 크기에 따라 야기된 나노포어(18) 내부의 부분적 저항변화에 의한 전위변화를 검출하기 위한 박막이다.
나노포어(18)는 시료입자(16)를 도입하기 위한 이동통로이다.
도 1의 10a는 시료입자(16)가 나노포어(18)에 도입되기 전 단계를 보여준다. 이 때, 전기신호측정장치(13)는 일정한 값을 유지한다. 도 1의 10b는 시료입자(16)가 나노포어(18)에 도입된 초기 단계를 보여준다. 이 때, 시료입자(16)가 나노포어(18) 윗부분을 막게 되어 아랫부분과 저항이 달라져, 전도성나노막(15)에 전위변화가 생기고, 이 값이 전기신호측정장치(13)로 검출된다. 도 1의 10c는 시료입자(16)가 나노포어(18)를 통해 아래쪽(17)으로 이동하여 전도성나노막(15) 가까이에 위치하게 된 단계를 보여준다. 이 때, 나노포어(18)의 윗부분과 아랫부분의 저항은 다시 비슷해진다. 한편, 시료입자(16)의 전하량에 따라 전도성나노막(15)에 전하유도가 발생하여 전기신호측정장치(13)를 통해 검출될 수 있다. 도 1의 10d는 시료입자(16)가 나노포어(18)를 통해 더 이동하여 아랫부분에 위치한 단계를 보여준다. 이 때, 시료입자(16)가 나노포어(18) 아랫부분을 막게 되어 윗부분과 저항이 달라져, 전도성나노막(15)에 전위변화가 생기고, 이 값이 전기신호측정장치(13)로 검출된다. 그 뒤, 시료입자(16)는 나노포어(18)를 빠져나간다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포어 어레이 구성의 설명에 제공되는 도면이다.
도 2에 표시된 나노포어 어레이는, 전도성나노막(15)이 둘 이상의 독립된 패턴으로 나뉘고, 독립된 패턴마다 하나씩의 나노포어(18)가 뚫려, 각 나노포어(18)를 통해 이동하는 시료입자(16)를 독립된 패턴마다 연결된 전기신호측정장치(13)를 통해 병렬로 측정하도록 구성된 구조체이다.
본 실시예에 따른 나노포어 어레이는 도 2의 side view(20a, 20c, 20e, 20g)와 top view(20b, 20d, 20f, 20h)에 도시된 바와 같이, 절연나노막(14), 전도성나노막(15), 및 나노포어(18)로 이루어진다.
도 2의 side view(20a)와 top view(20b)는 아랫면 절연나노막(14b)를 보여준다.
도 2의 side view(20c)와 top view(20d)는 전도성나노막(15)이 64개의 독립된 패턴으로 나뉜 것을 보여준다.
도 2의 side view(20e)와 top view(20f)는 전도성나노막(15)의 윗면에 절연나노막(14a)이 덮이고, 전도성나노막(15)의 각 독립된 패턴마나 하나씩의 나노포어(18)가 뚫린 모습을 보여준다.
도 2의 side view(20g)와 top view(20h)는 나노포어 어레이 중 한부분(19)을 확대한 모습이다. 패턴된 도전성나노막(15)에 나노포어(18)가 뚫려있다. 나노포어(18)의 크기는 패턴된 도전성나노막(15a) 폭보다 좁은 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 나노포어 어레이를 통한 입자 검출기의 장점은, 각 나노포어(18)가 독립적인 신호측정이 가능하다는 것이다. 따라서, 병렬신호획득에 의한 높은 속도의 입자 검출이 가능해진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포어 입자 검출기를 사용한 DNA 염기서열분석 방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 3에 표시된 나노포어 입자 검출기를 사용한 DNA 염기서열분석 방법은, 전기신호측정장치가 연결된 절연된전도성나노막에 뚫린 나노포어를 통해 DNA를 선형화하여 통과 시키면서 순차적으로 발생한 전기신호를 읽어 DNA 염기서열을 분석하는 방법이다.
본 실시예에 따른 나노포어 입자 검출기를 사용한 DNA 염기서열분석 방법에는 도 3에 도시된 바와 같이, 전극(11), 전원장치(12), 전기신호측정장치(13), 절연나노막(14), 전도성나노막(15), 나노포어(18), 및 DNA(31)가 필요하다.
전극(11)은 전원장치(12)의 출력 전압 또는 전류를 나노포어(18) 양단에 걸어 DNA(31)을 전기영동에 의해 나노포어(18)를 통과하도록 하기 위한 것이다.
전원장치(12)는 DNA(31)의 전기영동을 제어하기 위해 전압 또는 전류를 걸어주는 시스템이다.
전기신호측정장치(13)은 DNA(31)가 나노포어(18)를 통해 선형화하여 순차적으로 지나가면서 전도성나노막(15)에 야기시킨 전하분포 또는 전위변화 중 적어도 한가지를 검출하는 장치이다.
DNA(31)는 자연상태 그대로의 DNA로부터 얻은 싱글스트랜드DNA(ssDNA)일 수도 있고, 표지물질(32)이 붙은 것일 수도 있다.
표지물질(32a, 32g, 32t, 32c)은 각각 A, G, T, C에 해당하는 전기신호출력을 내기 위해 DNA(31)에 부착된 물질로써, 각기 다른 전하량 또는 크기를 갖는 것이 바람직하다. DNA(31)의 각염기 간격은 0.33nm로 모든 염기에 표지물질을 부착하는 것은 어려운 공정이다. 따라서, 각 표지물질은 특정 간격을 갖고 위치하는 것이 바람직하다. 또는 Designed DNA polymer 기술을 사용해 target DNA를 augmentation시킨 다음 각 염기에 해당하는 코드에 표지물질(32)을 부착하여, 각 염기에 해당하는 표지물질(32a, 32g, 32t, 32c)이 서로 일정 간격 떨어져 있게 하는 것이 바람직하다.
11: 전극 12: 전원장치
13: 전기신호측정장치 14: 절연나노막
15: 전도성나노막 18: 나노포어
31: DNA 32: 표지물질
13: 전기신호측정장치 14: 절연나노막
15: 전도성나노막 18: 나노포어
31: DNA 32: 표지물질
Claims (7)
- 나노포어 기반의 입자 검출기로서,
전기신호 측정을 위한 전도성나노막; 절연을 위해 상기 전도성나노막의 양면에 결합된 절연나노막; 상기 전도성나노막과 상기 절연나노막으로 이루어진 절연된전도성나노막에 뚫려 시료입자의 이동통로를 제공하는 나노포어; 상기 나노포어 양단에 전기장을 걸어주는 전원장치; 상기 전원장치에 의한 출력 전압 또는 전류를 상기 나노포어 양단에 걸어주는 전극; 및
상기 전도성나노막에 연결되어, 상기 시료입자가 상기 나노포어를 통해 이동할 때, 상기 시료입자의 전하량에 따라 상기 전도성나노막에 유도된 전하 및 상기 시료입자의 크기에 따라 야기된 상기 나노포어 내부의 부분적 저항변화에 의한 상기 전도성나노막의 전위변화 중 적어도 하나 이상을 측정하기 위한 전기신호측정장치;를 포함하고,
상기 전도성나노막의 전위 변화는 상기 시료 입자가 상기 나노포어를 통과하는 위치에 따라 발생하는 나노포어 내부의 부분적 저항변화에 의한 전위 변화를 포함하는 입자 검출기.
- 제 1항에 있어서, 상기 전도성나노막이 그래핀(Graphene)으로 구성된 입자 검출기.
- 제 1항에 있어서, 상기 전도성나노막이 둘 이상의 독립된 패턴으로 나뉘고, 상기 독립된 패턴마다 하나씩의 나노포어가 뚫린 나노포어 어레이로 구성되어, 상기 나노포어 어레이의 각 나노포어를 통해 이동하는 시료입자를 상기 독립된 패턴마다 연결된 전기신호측정장치를 통해 병렬로 측정하도록 구성된 입자 검출기.
- 제 1항에 있어서, 싱글스트랜드DNA(ssDNA)를 상기 나노포어를 통해 선형화하여 통과 시키면서, 상기 전기신호측정장치가 순차적으로 측정한 신호를 읽어 DNA 염기서열을 분석하도록 구성된 입자 검출기.
- 제 1항에 있어서, 표지물질을 부착한 DNA를 상기 나노포어를 통해 선형화하여 통과 시키면서, 상기 전기신호측정장치가 순차적으로 측정한 신호를 읽어 DNA 염기서열을 분석하도록 구성된 입자 검출기.
- 입자 검출기를 사용하여 입자를 검출하는 방법에 있어서, 상기 입자 검출기가 제1항에 따른 입자 검출기인 것을 특징으로 하는 입자 검출 방법.
- 입자 검출기를 사용하여 DNA 염기서열을 분석하는 방법에 있어서, 상기 입자 검출기가 제 1항에 따른 입자 검출기인 것을 특징으로 하는 DNA 염기서열 분석 방법.
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