KR101109082B1 - 재사용이 가능한 바이오칩 및 그 사용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재사용이 가능한 바이오칩에 관한 것으로, 상변화물질이 채워진 전극 사이의 저항을 측정하기 위한 측정스팟이 형성된 재사용 기판 및 상기 재사용 기판에 교체 가능하게 부착되며, 결합물질이 부착된 반응스팟이 형성된 교체 슬라이드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 바이오칩에 있어서, 재사용이 가능한 상변화물질을 이용하여 교체가 가능한 타입의 슬라이드를 제공할 수 있도록 하며, 바이오칩의 사용효율을 증대시키고, 이를 통해 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

재사용이 가능한 바이오칩 및 그 사용방법{Reusable biochip and Using method of the same}

본 발명은 재사용이 가능한 바이오칩의 구조 및 이를 이용한 바이오칩의 사용방법에 관한 것이다.

바이오 칩이란 기질 상에 부착하고자 하는 DNA, 단백질 등의 생분자(biomolecules) 프로브를 고밀도로 부착시킨 칩으로서, 샘플 내 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등을 분석해 낼 수 있다. 바이오 칩은 프로브의 부착형태에 따라 고체 기질상에 부착된 마이크로어레이 칩과 미세 채널 상에 부착된 랩온어칩으로 나눌 수 있다.

이러한 바이오 칩에서는 샘플에 프로브(결합물질)와 결합할 수 있는 표적 분자(타겟물질)가 존재하는지를 알아내기 위하여, 기질 상에 고정된 프로브와 표적 분자의 결합 여부를 검출할 수 있는 시스템이 필요하다.

현재 유전자 분석용 DNA 칩은 대부분 샘플 DNA에 형광색소를 라벨링하고, 칩 위의 프로브(probe)와 반응시킨 후 공초점 현미경(confocal microscope)이나 CCD 카메라를 이용하여 칩 표면에 남은 형광 물질을 검출하는 방법을 사용한다.

그러나, 이러한 광학적인 검출법은 소형화가 어렵고, 디지털화된 출력을 볼 수 없기 때문에, 전기적인 신호로 결과를 낼 수 있는 새로운 검출법의 개발에 관하여 많은 연구가 진행 중이다.

이에 본 출원인은 상변화층(GST layer)을 이용하여, 상변화층의 양단에 연결되어 있는 전극 사이의 저항을 측정하여 상변화층의 결정화 정도를 검출함으로써 간단하고 정확하게 유전자 등의 바이오 정보를 검출할 수 있는 상변화 바이오 칩 검출방법에 대하여 출원한 바 있다.

상기와 같은 방식의 상변화 바이오 칩은, 도 1을 참조하면, 아래에서부터 순차적으로 Si기판, Si기판 위에 형성된 전극, 전극 위에 형성된 상변화층(GST), 그 위에 형성된 보호막(SiO₂), 그 위에 형성된 유기물 및 유기물에 부착되어 있는 나노입자로 이루어져 있다.

이와 같은 상변화 바이오칩의 제작은 MASK를 이용하여 리소그래피(LITHOGRAPHY) 공정을 진행하고, 이렇게 하여 형성된 Ti/TiN 단위 전극에 GST/SiO₂ layer를 형성한다. 상기 GST와 SiO₂ layer 증착 장비는 마그네트론 스퍼터 방식을 이용하는 장비로 GST와 SiO₂ film을 증착할 수 있게 설계되어 있다.

상기와 같이 설계된 바이오 칩은 소형화가 가능하고 디지털화된 출력을 볼 수 있는 장점이 있으나, 제작 공정이 복잡하고 고가임에도 불구하고 한 번 사용하면 재사용이 불가능한 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상변화층과 전극을 포함하는 부분은 재사용이 가능한 기판을 사용하고, 결합물질과 타겟물질이 결합하는 부분은 교체 가능한 슬라이드를 이용함으로써, 바이오칩의 사용효율을 증대시키고 이를 통해 제조비용을 절감할 수 있는 바이오칩 및 그 사용방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상변화 물질이 채워진 전극 사이의 저항을 측정하기 위한 재사용 기판; 및 상기 재사용 기판에 교체 가능하게 부착되며 결합물질이 부착된 교체 슬라이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 가능한 바이오칩을 제공할 수 있도록 한다.

또한, 상기 재사용 기판은, 상기 상변화 물질의 결정화 정도에 따라 전극 사이의 저항을 달리하는 측정스팟을 포함하며, 상기 교체 슬라이드는, 상기 결합물질이 타겟물질과 결합하기 위한 반응스팟을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 바이오칩의 구조에서 상기 재사용 기판 및 상기 교체 슬라이드는, 상기 측정스팟과 상기 반응스팟이 일치하도록 부착되는 것이 바람직하다.

아울러 본 발명에 따른 상기 재사용 기판은, Si기판, Si Oxide층과 상기 Si Oxide층 하부에 형성된 전극 및 상기 Si Oxide층으로부터 적층되며 상기 전극을 매립하는 상변화층을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 교체 슬라이드와 상기 유리기판 두께의 합은 630㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 바이오칩은 다음과 같은 방법으로 사용할 수 있다.

구체적으로는, 상변화물질이 채워진 전극 사이의 저항을 측정하기 위한 측정스팟이 형성된 재사용 기판 및 상기 재사용 기판에 교체 가능하게 부착되며, 프로브 DNA가 부착된 반응스팟이 형성된 교체 슬라이드를 포함하는 재사용 가능한 바이오칩을 이용하여 바이오 물질을 검출하되, 상기 교체 슬라이드의 반응스팟에 타겟 물질을 유도하기 위한 결합물질을 부착시키는 단계; 상기 타겟물질에 금속 나노입자를 부착시킨 후, 상기 결합물질과 상보적인 결합을 유도하는 단계; 상기 교체 슬라이드를 상기 재사용 기판에 부착시키는 단계; 레이저를 조사하여 상기 상변화물질의 결정화를 유도하는 단계; 를 포함하는 재사용 가능한 바이오칩을 사용하는 방법으로 구성할 수 있다.

본 발명은 바이오칩에 있어서, 상변화층과 전극을 포함하는 부분은 재사용이 가능한 기판을 사용하고, 결합물질과 타겟물질이 결합하는 부분은 교체 가능한 슬라이드를 이용함으로써, 바이오칩의 사용효율을 증대시키고 이를 통해 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 상변화 바이오 칩 구조를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오칩의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 상변화 바이오 칩의 상변화층의 결정화를 위한 레이저광 조사 및 전기적 특성 검출을 나타낸 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 상변화 바이오 칩의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 상변화 바이오 칩은, 상변화물질이 채워진 전극 사이의 저항을 측정하기 위한 측정스팟(S)이 형성된 재사용 기판(100)과 상기 재사용 기판에 교체 가능하게 부착되며, 결합물질이 부착된 반응스팟(P)이 형성된 교체 슬라이드(200)을 포함하여 구성된다.

상기 재사용 기판(100)은 아래에서부터 순차적으로 Si기판(110), 상기 Si기판 위에 형성된 Si Oxide층(120), 그 위에 형성된 전극(130), 그 위에 형성된 상변화층(140), 그 위에 형성된 보호층(150)을 포함하여 형성된다.

상기 전극(130)은 도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 상변화층(140) 내에서 전극 사이의 저항을 측정함으로써 상변화층(140)의 상변화 정도를 검출하기 위한 역할을 하는 것으로 Si Oxide층(120) 상에 형성된 전극 패턴은 소정 간격으로 측정스팟(S)을 형성시켜 전극 사이의 저항이 측정된다.

상기 상변화층(140)에 상변화가 발생한 정도에 따라, 결정질의 분율이 높아질수록 정해놓은 기준저항 보다 상대적으로 낮은 저항을 보이게 되고, 비정질의 분율이 높아질수록 정해놓은 기준저항 보다 상대적으로 높은 저항을 보이게 된다.

상기 전극(130)으로 사용되는 금속은 티타늄(titanium, Ti), 티타늄 나이트라이드(TiN), 텅스텐(tungsten, W), 금(Au), 알루미늄(Aluminum, Al), 탄탈륨(Tantalum, Ta), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 몰리브데늄(Molybdenum, Mo), 구리(Copper, Cu)를 예로 들 수 있으며, 전도성의 특징을 가진 것이라면 제한 없이 사용 가능하다.

상기 상변화층(140)은 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, In_, Ag, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 원소로 이루어진 칼코제나이드 물질, Ge_aSb_bTe_c(a, b, c는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1) 또는 In_dAg_eSb_fTe_g(d, e, f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1)을 사용하며, 특히 Ge₂Sb₂Te₅를 사용하는 것이 바람직하다. 상변화층은 레이저 조사 등의 열변화에 있어, 일정한 온도 이상의 변화가 있는 경우, 결정화가 이루어져 상변화를 일으키는 물질을 사용하는 것으로, 본 발명의 상변화 바이오 칩은 이와 같은 상변화층의 특징을 이용하여 유전자 등의 바이오 정보를 검출하도록 하는 것이다.

보호층(150)은 상변화층(140)이 손상되는 것을 방지하기 위한 것으로 바람직하게는 SiO₂ 층으로 형성된다.

교체 슬라이드(200)는 상기 보호층(150)과 동일한 물질로 형성되며, 결합물질을 부착하기 위한 반응스팟(P)이 상기 측청스팟(S)에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 반응스팟은 결합물질이 부착되는 위치를 알 수 있도록 홈 또는 선으로 표시될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오칩의 바람직한 실시 구조는, 상기 재사용 기판(100)과 상기 교체 슬라이드(200)가 결합한 상태에서 상기 보호층(150)과 교체 슬라이드(200) 두께(t)의 합은 630㎛가 되도록 설정됨이 바람직하다.

특히, 도 3에서 나타낸 바와 같이, DVD 광픽업 장치의 레이저(L)의 초점이 DVD의 두께인 0.6mm에 맞추어 고정되는 것을 고려하여 630㎛로 설정하면 DVD 광픽업 장치의 레이저 초점을 정확히 상변화층에 맺히도록 할 수 있다. 이로써 레이저광의 에너지가 충분히 상변화층에 전달된다.

이상과 같은 본 발명에 따른 바이오칩의 제조와 관련하여, 재사용 기판(100)을 형성하는 공정은 다음과 같다.

(1) Ti/TiN 전극(130) 형성공정

Si기판(110)을 대기중에 노출시킴으로써 Si Oxide층(120)이 형성되고, 그 위에 Ti/TiN을 인시트(in-situ)로 증착한다. 다음에 상기 MASK를 이용하여 리소그래피(LITHOGRAPHY) 공정을 진행한다. 여기서 포토 레지스트(Photoresist)의 제거 정도를 향상시키기 위하여 ICP 방식으로 N₂/Ar 가스를 이용하여 에싱(Ashing) 공정을 진행한다. 이로써 Si Oxide층(120) 상에 Ti/TiN 단위 전극이 형성된다.

(2) 상변화층(140) 증착 공정

상기 전극(130)이 형성된 Si Oxide층(120) 상에 상변화층(140)을 형성한다. 상변화층(140)은 Si Oxcide층(120)으로부터 시작하여 전극(140)을 완전히 매립하는 두께로 증착된다. 상변화층(140)의 증착 장비는 마그네트론 스퍼터 방식을 이용하는 장비로 상변화층을 증착할 수 있게 설계되었다. 여기서 증착될 상변화층(140)은 칼코젠나이드 화합물인 Ge₂Sb₂Te₅이며, 공정조건은 Base Pressure < 5.0X10^-6Torr, Power = DC 10 W 등이다.

(3) 보호층(150) 형성공정

상변화층(140)이 증착된 후 보호층이 형성된다. 보호층은 레이저가 투과될 수 있는 투명한 재질로 형성되며 바람직하게는 SiO₂로 형성된다.

다음으로 상기 재상용 기판에 부착되는 교체 슬라이드(200)의 제조공정의 일례를 설명하면 다음과 같다.

(1) 글루타르알데히드(glutaradehyde)(160) 처리 후 결합물질(170) 부착 공정

상기 재사용 기판(100)의 보호층(150)과 동일 재질의 SiO₂기판을 글루타르알데히드(glutaradehyde) 용액(2%)에 담그고 봉인된 보관함에 넣고 2~4시간 동안 상온에서 보관한다. 이 단계 후에 DI water로 씻고 질소 기체로 건조한다. 이로써, 교체 슬라이드(200) 상에 결합물질을 부착하기 위한 표면처리가 완성된다.

상기 표면처리가 완성된 교체 슬라이드(200)을 0.2% SDS로 10분간 세척한다. 이어서 상기 예비 상변화 바이오 칩을 3차 증류수로 5분간 2회 세척한다. 다음에 0.7g sodium borohydride와 500ml 환원 용액을 혼합한 용액에서 10분간 교반하면서 반응한다. 상기 혼합용액은 사용하기 바로 전에 제조하여야 한다. 계속하여 3차 증류수로 5분간 세척한다. 이어서 0.2% SDS로 5분간 세척한다. 다음에 3차 증류수로 1분씩 3회 세척한다. 계속하여 N₂ gas 또는 원심분리기를 이용하여 건조한다. 이어서 건조가 완료된 상기 교체 슬라이드(200)를 흡습제가 들어있는 슬라이드 박스(slide box)에 넣어서 건조기(desiccator)에 보관한다. 이로써 교체 슬라이드에 결합물질(170)이 부착된다.

(2) 금속 나노입자(190)로 표시된 타겟물질(180) 부착 공정

상술한 교체 슬라이드(200)에 부착된 결합물질에 금속 나노입자(190)로 표시된 타겟물질(180)을 부착하기 위한 공정을 아래에서 설명한다. 금속 나노입자는 금, 은, 구리 등의 금속이 사용될 수 있다.

먼저, 500 마이크로튜브에 미코박테리아(Mycobacteria) 제노타입핑(Genotyping) PCR Product 5μl, 스트렙타비딘 나노입자 복합체(streptavidin conjugated AuNP)(40nm diameter)와 하이브리다이제이션 버퍼(Hybridization buffer) 80μl를 첨가하여 하이브리다이제이션 혼합물(Hybridization Mixture)을 만든다. 이어서 보텍스(vortex)를 이용하여 혼합하고, 원심분리하여 뚜껑에 묻어 있는 용액을 제거한다. 계속하여 바닥에 물이 채워진 하이브리다이제이션 챔버(Hybridization Chamber)에 상기 교체 슬라이드(200)를 올려 놓는다. 이어서 상기 교체 슬라이드를 덮고 있는 커버에 존재하는 시료 주입구를 통하여 하이브리다이제이션 혼합물을 기포가 생기지 않도록 주의하면서 주입한다. 계속하여 하이브리다이제이션 챔버의 덮개를 닫는다. 이어서 상온에서 하이브리다이저(Hybridizer)에 넣고 1시간 동안 반응시킨다. 다음에 하이브리다이제이션이 끝난 교체 슬라이드의 커버를 제거한다. 계속하여 워싱 버퍼(Washing buffer)에서 2분 동안 50rpm으로 쉐이킹(shaking) 또는 스터링(stirring)을 실시하여 세척한다. 다음에 증류수에서 1분 동안 50 rpm으로 쉐이킹(shaking) 또는 스터링(stirring)을 실시하여 세척한다. 이어서 교체 슬라이드를 1000rpm에서 1분 동안 원심분리하거나, 압축공기를 이용하여 건조한다. 이로써, 상기 결합물질(170)에 금속 나노입자(190)로 표시된 타겟물질(180)이 부착된다.

이하, 상기 방법으로 제조된 바이오칩의 사용방법에 대한 적용예 설명한다.

재사용 기판(100)을 바이오칩 검출장치(미도시)에 삽입하고, 타겟물질이 결합된 교체 슬라이드(200)를 부착한다. 재사용 기판(100)과 교체 슬라이드(200)의 부착은 재사용 기판(100)이 삽입되는 위치에 지그 등을 설치하여 항상 정위치 되도록 하는 것이 바람직하다.

이후, DVD 광픽업 장치를 이용하여 상변화층(140)의 결정화를 유도하기 위한 레이저를 조사하면, 금속 나노입자의 존재 여부에 따라 상변화 정도가 달라 지게 된다. 상기 결합물질에 상보적인 염기서열을 가진 타겟물질이 고밀도로 부착된 경우에는, 레이저가 상기 타켓물질의 금속나노입자에 의해 차단되는 정도가 크기 때문에 상변화층의 상변화의 정도를 적게할 것이다. 반면에 상기 결합물질에 상보적인 염기서열을 가진 타겟물질이 저밀도로 부착된 경우에는, 상기 레이저가 상기 타켓물질의 금속 나노입자에 의해 차단되는 정도가 작기 때문에, 상기 상변화층의 상변화의 정도를 많게 할 것이다. 이로써, 레이저가 조사된 바이오 칩이 완성된다.

레이저가 조사된 바이오 칩은 전압을 인가하여 전극 사이의 저항을 측정할 수 있다. 상변화층의 상변화가 발생한 정도에 따라, 결정질의 분율이 높아질수록 정해놓은 기준저항 보다 상대적으로 낮은 저항을 보이게 되고, 비정질의 분율이 높아질수록 정해놓은 기준저항 보다 상대적으로 높은 저항을 보이게 되며, 기준저항은 실험에 의하여 결정할 수 있다.

타겟물질의 유무를 검출하기 위한 전기적 특성 측정이 끝나고, 바이오칩을 재사용하기 위한 과정은 다음과 같다.

측정이 끝난 바이오칩은 교체 슬라이드(200)를 제거하고, 재사용 기판(100)에 상변화층(140)을 다시 원상태(비정질)로 되돌리기 위한 레이저를 조사한다. 재사용을 위한 레이저는 상변화층(140) 결정화를 위한 레이저의 출력에 비하여 높은 출력(30mW~70mW)과 낮은 펄스로 조사된다.

레이저 조사에 의해 상변화층(140)이 원래의 비정질 상태로 돌아가면, 교체 슬라이드(200)에 검출하고자 하는 타겟물질과 상보적으로 결합할 수 있는 결합물질을 부착하는 공정이 수행된다. 교체 슬라이드에 타겟물질을 상보적으로 결합시킨 후 상기 재사용 기판에 부착하고 상술한 과정을 거친 후, 전극 사이의 전기적 특성을 검출한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 재사용 기판 110: Si기판
120: Si Oxide층 130: 전극
140: 상변화층 150: 보호층
160: 글루타르알데히드 170: 결합물질
180: 타겟물질 190: 금속 나노입자
200: 교체 슬라이드 P: 반응스팟
S: 측정스팟

Claims (8)

1. 상변화 물질이 채워진 전극 사이의 저항을 측정하기 위한 재사용 기판; 및
   상기 재사용 기판에 교체 가능하게 부착되며 결합물질이 부착된 교체 슬라이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 가능한 바이오칩.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 재사용 기판은,
   상기 상변화 물질의 결정화 정도에 따라 전극 사이의 저항을 달리하는 측정스팟을 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용이 가능한 바이오칩.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 교체 슬라이드는,
   상기 결합물질이 타겟물질과 결합하기 위한 반응스팟을 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용이 가능한 바이오칩.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 재사용 기판 및 상기 교체 슬라이드는,
   상기 측정스팟과 상기 반응스팟이 일치하도록 부착되는 것을 특징으로 하는 재상용 가능한 바이오칩.
   
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재사용 기판은,
   Si 기판;
   Si Oxide층;
   상기 Si Oxide층 상부에 형성된 전극;
   상기 Si Oxide층으로부터 적층되며 상기 전극을 매립하는 상변화층; 및
   상기 상변화층 상부에 형성된 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 가능한 바이오칩.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 보호층과 상기 교체 슬라이드 두께의 합은 630㎛인 것을 특징으로 하는 재사용 가능한 바이오칩.
   
7. 상변화 물질이 채워진 전극 사이의 저항을 측정하기 위한 측정스팟이 형성된 재사용 기판 및 상기 재사용 기판에 교체 가능하게 부착되며, 결합물질 부착된 반응스팟이 형성된 교체 슬라이드를 포함하는 재사용 가능한 바이오칩을 이용하여 바이오 정보를 검출하되,
   상기 교체 슬라이드의 반응스팟에 타겟물질을 유도하기 위한 결합물질을 부착시키는 단계;
   상기 타겟물질에 금속 나노입자를 부착시킨 후, 상기 결합물질과 상보적인 결합을 유도하는 단계;
   상기 교체 슬라이드를 상기 재사용 기판에 부착시키는 단계;
   레이저를 조사하여 상기 상변화 물질의 결정화를 유도하는 단계; 및
   상기 전극 사이의 저항을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 가능한 바이오칩을 사용하는 방법.
   
8. 제 7항에 있어서, 상기 전극 사이의 저항을 측정한 후,
   상기 교체 슬라이드를 제거하는 단계; 및
   상기 재사용 기판에 레이저를 조사하여 상기 상변화 물질을 원상태로 되돌리는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 가능한 바이오칩을 사용하는 방법.

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