KR101763515B1 - 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법 - Google Patents

그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101763515B1
KR101763515B1 KR1020160011499A KR20160011499A KR101763515B1 KR 101763515 B1 KR101763515 B1 KR 101763515B1 KR 1020160011499 A KR1020160011499 A KR 1020160011499A KR 20160011499 A KR20160011499 A KR 20160011499A KR 101763515 B1 KR101763515 B1 KR 101763515B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
dna
graphene
biosensor
nanostructure
Prior art date
Application number
KR1020160011499A
Other languages
English (en)
Inventor
최석호
김정길
Original Assignee
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경희대학교 산학협력단 filed Critical 경희대학교 산학협력단
Priority to KR1020160011499A priority Critical patent/KR101763515B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101763515B1 publication Critical patent/KR101763515B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • C01B31/0438—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813—Hybridisation assays
    • C12Q1/6834—Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
    • C12Q1/6837—Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase using probe arrays or probe chips
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2565/00—Nucleic acid analysis characterised by mode or means of detection
    • C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
    • C12Q2565/607—Detection means characterised by use of a special device being a sensor, e.g. electrode

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

본 발명은 DNA 검출 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판, 기능성 물질이 코팅된 복수 개의 실리콘 나노 구조체, 그래핀층, 및 전극을 포함하는 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용하여 기설정된 프로브 DNA에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA의 부착 여부에 따른 DNA를 식별함으로써, 결합 밀도가 높으며, 정밀한 DNA 검출 및 센싱이 가능한 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNS 검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치 및 그 방법{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING DNA USING GRAPHENE/SILICON BIO-SENSOR}
본 발명은 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판, 기능성 물질이 코팅된 복수 개의 실리콘 나노 구조체, 그래핀층, 및 전극을 포함하는 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용하여 기설정된 프로브 DNA에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA의 부착 여부에 따른 DNA를 식별하는 DNS 검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 수년간 나노 구조체는 기초과학 연구에서의 높은 중요성과 함께 산업적인 응용 가능성에 대해서도 큰 관심을 받아왔다. 특히 수직으로 정렬된 실리콘 나노 구조체는 그 수직구조에서 얻을 수 있는 높은 부피 대 면적비의 장점으로 인하여, 집광, 발전, 에너지 저장, 및 센서 등의 기능을 하는 차세대 소자로서의 이상적인 나노기반소재로 여겨지고 있다.
실리콘 나노 구조체를 이용한 미래의 소자로서의 실질적인 응용을 위해서 필요한 물리-화학적 특성의 수월성을 구현하기 위해서는 수직 정렬된 나노 구조체들과 전극과의 원활한 전기적 접촉이 실현되어야 한다.
종래의 바이오 센서에 대한 기술은 단일 실리콘 나노 구조체 한가닥을 이용하여 DNA를 검출하는 방법을 이용하거나 미리 제조된 단일 또는 이중 가닥의 DNA를 기판 상의 소정 영역에 스펏팅(spotting)하는 방법을 사용하였다.
그러나, 종래의 바이오 센서는 부착되는 생체 분자가 기판 상에 무작위로 배열될 우려가 크고, 그 부착되는 영역의 밀도도 낮기 때문에 정밀한 분석이 어려운 문제점이 있었다.
또한, 종래의 바이오 센서는 단일 실리콘 나노 구조체 한가닥을 이용함으로써, 측정하고자 하는 DNA 검출에 대한 신뢰성이 낮고, 그 반응도가 수 nA 정도의 매우 낮은 세기를 보이는 한계가 있었다.
한국공개특허 제2015-0017422호(2015.02.17), "그래핀/실리콘 나노선 분자 센서 또는 이의 제조 방법과 이를 이용한 분자 확인 방법" 한국등록특허 제10-1050468호(2011.07.13), "바이오 칩 및 이를 이용한 바이오 분자 검출 시스템"
본 발명은 균일하게 정렬된 복수 개의 실리콘 나노 구조체와 접촉이 가능하면서 높은 전기 전도도 및 유연성을 가지는 그래핀층을 수직접합함으로써, 강한 반응도의 DNA를 검출할 수 있는 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 실리콘 나노 구조체에 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질을 코팅함으로써, DNA의 부착력을 높일 수 있는 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 기능성 물질이 코팅된 실리콘 나노 구조체에 프로브 DNA를 부착함으로써, 결합 밀도가 높으며, 정밀한 DNA 검출 및 센싱이 가능한 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 프로브 DNA가 부착된 실리콘 나노 구조체를 포함하는 그래핀/실리콘 바이오 센서에, 프로브 DNA와 쌍을 이루는 타겟 DNA와의 부착 여부에 따른 전류량 변화를 검출하여 DNA를 식별할 수 있는 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서는 기판, 상기 기판에 정렬되어 결합되고, 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질이 코팅되는 복수 개의 실리콘 나노 구조체, 상기 실리콘 나노 구조체 상부에 배치된 그래핀층 및 상기 기판의 하부 및 상기 그래핀 층의 상부에 각각 형성된 전극을 포함하고, 상기 기능성 물질을 통하여 상기 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기 설정된 프로브 DNA(probe DNA)에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA(target DNA)의 부착 여부에 따라 DNA 를 식별한다.
상기 실리콘 나노 구조체는 상기 프로브 DNA의 결합력을 위한 상기 기능성 물질이 코팅될 수 있으며, 상기 기능성 물질은 상기 실리콘 나노 구조체의 표면 간 강한 공유결합을 생성함으로써, 상기 실리콘 나노 구조체의 표면과 상기 프로브 DNA를 부착시키는 물질일 수 있다.
상기 전극은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치는 기판, 상기 기판에 정렬되어 결합되며 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질이 코팅된 복수 개의 실리콘 나노 구조체, 상기 실리콘 나노 구조체 상부에 배치된 그래핀층, 및 상기 기판의 하부 및 상기 그래핀층의 상부에 각각 형성된 전극을 포함하는 그래핀/실리콘 바이오 센서 및 상기 기능성 물질을 통하여 상기 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기 설정된 프로브 DNA에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA의 부착 여부에 따라 DNA를 식별하는 검출부를 포함한다.
상기 검출부는 상기 그래핀/실리콘 바이오 센서에 포함된 전극으로부터 상기 프로브 DNA와 상기 타겟 DNA의 부착 여부에 따른 전류량의 변화를 검출하여 DNA를 식별할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 균일하게 정렬된 복수 개의 실리콘 나노 구조체와 접촉이 가능하면서 높은 전기 전도도 및 유연성을 가지는 그래핀층을 수직접합함으로써, 강한 반응도의 DNA를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 실리콘 나노 구조체에 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질을 코팅함으로써, DNA의 부착력을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기능성 물질이 코팅된 실리콘 나노 구조체에 프로브 DNA를 부착함으로써, 결합 밀도가 높으며, 정밀한 DNA 검출 및 센싱이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 프로브 DNA가 부착된 실리콘 나노 구조체를 포함하는 그래핀/실리콘 바이오 센서에, 프로브 DNA와 쌍을 이루는 타겟 DNA와의 부착 여부에 따른 전류량 변화를 검출하여 DNA를 식별할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 예를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법의 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기능성 물질을 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 메커니즘에 대한 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치의 블록도를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서에 대한 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy) 이미지를 도시한 것이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 프로브 DNA의 농도에 대한 전류변화 곡선을 도시한 것이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 프로브 DNA에 대하여 타겟 DNA 및 더미 DNA와의 부착 여부에 따른 전류변화 곡선 및 반응도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 재활용 특성에 따른 결과 그래프를 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포된 DNA의 부착력에 따른 형광특성 이미지를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 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.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 예를 도시한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)는 기능성 물질이 코팅된 복수 개의 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기설정된 프로브 DNA에 대하여, 쌍을 이루는 타겟 DNA의 부착 여부에 따른 DNA를 식별한다.
이를 위해, 본 발명의 일실시에에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)는 기판(110), 실리콘 나노 구조체(120), 그래핀층(130) 및 전극(140)을 포함한다.
기판(110)은 실리콘(Si) 기판일 수 있다.
실리콘 나노 구조체(120)는 기판(110)에 정렬되어 결합되고, DNA의 부착력을 향상시키기 위한 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질이 코팅되며, 복수 개로 형성된다.
실리콘 나노 구조체(120)는 기판(110)과 일체형으로 결합되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 복수 개의 실리콘 나노 구조체(120)는 일정한 간격으로 배열될 수 있고, 간격 및 높이를 일정한 높이와 간격으로 조절하여 배치시킬 수 있으며, 실시예에 따라서는 복수 개의 실리콘 나노 구조체(120)는 실리콘 나노 구조체(120)의 머리 부분이 뭉쳐서 다발을 형성하는 구조일 수도 있다.
실시예에 따라서, 기판(110) 상에 배치된 실리콘 나노 구조체(120)는 수직 정렬되어 있을 수 있으나, 90도의 직각을 의미하는 것에 한정되는 것은 아니며, 비스듬하게 기울어져 배치되어 있는 경우도 포함될 수 있다.
또한, 실리콘 나노 구조체(120)는 불순물이 부존재하는 실리콘 나노 구조체(120)인 것을 포함할 수 있으나, p형 또는 n형 실리콘 나노 구조체일 수 있다. 상기 p형 실리콘 나노 구조체는 p형 불순물이 도핑된 상태이며, n형 실리콘 나노 구조체는 n형 불순물이 도핑된 상태일 수 있다.
상기 n형 불순물은 인(P), 비소(As)와 같은 5족의 화학원소를 포함할 수 있으며, 상기 p형 불순물은 붕소(B), 알루미늄(Al)과 같은 3족의 화학원소를 포함할 수 있다.
그래핀층(130)은 실리콘 나노 구조체(120) 상부에 배치된다.
그래핀층(130)은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질일 수 있다. 또한, 그래핀층(130)은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 많은 전류를 흐르게 할 수 있다.
실시예에 따라서, 그래핀층(130)은 박막 형태로 되어 있는 단층 그래핀이거나, 2층 그래핀일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
전극(140)은 기판(110)의 하부 및 그래핀층(130)의 상부에 각각 형성된다.
예를 들어, 전극(140)은 금속 전극일 수 있으며, 금속으로는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)는 기능성 물질을 통하여 실리콘 나노 구조체(120) 표면에 부착되는 기설정된 프로브 DNA에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA의 부착 여부에 따라 DNA를 식별한다.
상기 프로브 DNA는 샘플 세포에서 추출한 샘플 DNA 중 뉴클레오타이드(nucleotide) 시퀀스를 포함하는 단일나선의 DNA를 일컫을 수 있으며, 상기 타겟 DNA는 상기 샘플 DNA 중 뉴클레오타이드 시퀀스에 쌍을 이루는 단일나선의 DNA를 일컫을 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)는 쇼트키(Schottky) 다이오드 특성이 나타날 수 있으며, 쇼트키 다이오드 특성을 가지는 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)는 일반 다이오드와 달리 축적 효과가 나타나지 않으며, 또한 문턱 전압이 상대적으로 낮아 회로의 전력 측면에서 효율이 높아 신호의 왜곡이 적게 나타나게 되어 DNA를 식별하는 바이오 센서로서 측정 효율이 높아질 수 있는 특징이 있다.
이하에서는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)의 제조 과정을 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법의 개략도를 도시한 것이다.
도 2a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법은 금 메쉬(Au mesh, 111)가 증착된 기판(110)을 형성한다. 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다.
또한, 도 2b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법은 기판(110)으로부터 전기화학적 식각법을 이용하여 복수 개의 실리콘 나노 구조체(120)를 형성한다.
보다 구체적으로는 도 2b에서, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법인 전기화학적 식각법은 기판(110)에 질산은(AgNO3)과 불산(HF) 혼합액을 공기 분위기에서 처리하여 실리콘 표면에 은 입자를 코팅시키고, 상기 은 입자가 코팅된 기판(110)에 탈이온수를 처리하여 기판(110)에 남은 상기 혼합액을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 은입자가 코팅된 기판(110)을 불산, 과산화수소(H2O2) 및 탈이온수를 혼합한 혼합액에 담구어 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
기판(110)에 질산은과 불산 혼합액을 처리하면 금속인 은이 실리콘 식각에서 촉매로 사용될 수 있으며, 질산은은 그 농도가 0.001 내지 0.05 M이고, 불산은 그 농도가 1 내지 10M의 범위에서 혼합시킬 수 있다.
실리콘 상에 배치된 은 입자는 높은 전기친화력의 성질을 가지고 있어 용액에 노출되어 있는 실리콘 표면보다 은 입자와 접촉하는 실리콘 표면으로부터 전자를 잘 빼앗고, 전자에 의해 용액 속의 과산화수소는 물로 환원되며 실리콘에 정공을 주게 된다.
전자를 빼앗김과 동시에 정공을 얻은 실리콘은 산화 반응이 진행되고, 산화된 실리콘은 불산에 의해 제거될 수 있다. 이러한 연속적인 반응으로 은 입자가 코팅된 박막은 실리콘을 식각하며 은박막 구멍사이로 실리콘 나노 구조체(120)가 형성된다.
예컨대, 실리콘 나노 구조체(120)에 HF/H2O2/H2O의 체적비를 1/0.2/2 농도인 혼합액을 10분간 상온에서 식각하는 경우, 실시예에 따라서, 실리콘 나노 구조체(120)의 길이는 약 17μm 정도가 될 수 있으며, 실리콘 나노 구조체(120)의 머리 부분이 뭉쳐서 다발을 형성하고 있을 수 있다.
다만, HF/H2O2/H2O의 체적비를 달리 구성하는 경우, 최종적으로 식각되어 형성되는 실리콘 나노 구조체(120)의 길이를 달리 조절할 수 있으며, 과산화수소의 농도에 따라 다공성도를 제어할 수 있어, 다공성 구조가 많이 생기도록 조절하여 실리콘 나노 구조체(120)의 배열을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법은 도 2b에서, 형성된 실리콘 나노 구조체(120) 표면에 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기능성 물질은 DNA가 실리콘 나노 구조체(120) 표면에 잘 부착되도록 부착력을 향상시켜주는 물질일 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법은 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나의 기능성 물질을 실리콘 나노 구조체(120) 표면에 코팅할 수 있다.
다시, 도 2c를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법은 기능성 물질이 코팅된 실리콘 나노 구조체(120) 상에 그래핀층(130)을 접합시킨다.
그래핀층(130)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 성장시킬 수 있고, 대면적으로 성장시킨 그래핀층(130)을 실리콘 나노 구조체(120) 상에 전사시킬 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 화학기상증착법을 이용한 그래핀 제조는 촉매층으로 활용할 구리(또는 니켈)를 기판 위에 증착하고, 고온에서 메탄 및 수소의 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아 들어가거나 흡착되도록 하고, 냉각을 하여 촉매층에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정 구조를 금속 위에 형성한다.
이후, 합성된 그래핀 박막에서 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후 그래핀을 제조할 수 있다.
이후, 폴리메타크릴산메틸(Poly(methylmethacrylate)) 및 벤젠을 혼합한 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트)를 합성된 그래핀 위에 스핀-코팅하는데, PMMA의 코팅을 통하여 PMMA가 과황산암모늄(ammonium persulfate) 용액을 사용하여 구리 호일을 제거할 때 그래핀을 잡아서 고정시키는 역할을 하도록 할 수 있다.
이후, 과황산암모늄 용액에 구리 호일을 제거한 후, 그래핀 상에 잔존하는 과황산암모늄 용액을 초순수(DI water)로 세척하고, 세척된 그래핀을 실리콘 나노 구조체(120)상에 전사하여 그래핀층(130)을 형성할 수 있다.
다음으로, 그래핀층(130)을 실리콘 나노 구조체(120)에 전사한 후 열처리를 통하여 실리콘 나노 구조체(120) 및 그래핀층(130) 사이의 결합력을 높일 수 있다. 열처리 이후, 아세톤을 사용하여 그래핀 위에 존재하는 PMMA를 제거하고, 그래핀 표면에 남아 있는 PMMA 잔여물을 제거하기 위해 급속열처리로 열처리하여 최종적으로 그래핀층(130)을 형성할 수 있다.
도 2d를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조 방법은 기판(110)의 하부 및 그래핀층(130) 상부 각각에 전극(140b, 140a)을 형성한다.
전극(140)은 금속 전극일 수 있으며, 금속으로는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.
그래핀층(130)이 전사된 실리콘 나노 구조체(120)에 전극(140)을 증착시키기 위해, 열 증착법, 전자빔 증착법, 스퍼터링 증착법 등을 이용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서를 제조하는 구체적 실시예는 다음과 같다.
<실리콘 나노 구조체의 제작>
에칭에 사용될 실리콘은 붕소로 도핑되어 1-10 Ohm/cm의 저항을 가지고 있는 p형이며 결정방향인 Si 웨이퍼를 사용하였고, 실리콘 웨이퍼 표면의 유기물 등은 황산과 과산화수소의 3:1 혼합액으로 제거하였으며 탈이온수(deionized water)로 세정하였다.
실리콘 나노 구조체를 제작하기 위한 첫 번째 단계로, 실리콘 표면에 식각 촉매로인 은 입자를 형성시키기 위해, 실리콘 웨이퍼를 곧바로 0.005M의 AgNO3와 5M의 불산 혼합액에 1분간 느린 속도로 용액을 섞으면서 공기분위기에서 처리하였다. 이렇게 준비된 실리콘 웨이퍼 위의 남는 용액은 탈이온수로 충분히 희석하여 제거하였다.
두 번째 단계로 은 입자가 표면에 입혀진 실리콘 웨이퍼를 불산, 과산화수소, 탈이온수의 혼합액에 담아서 10분간 상온에서 식각하였다. 식각용액의 농도는 HF/H2O2/H2O의 체적비가 1/0.2/2, 1/0.5/2, 1/0.75/2, 1/1/2가 되도록 조정하였다.
< 그래핀층의 제작>
일반적으로 잘 알려진 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 대면적의 그래핀을 제조하였다. 먼저 촉매 층으로 활용할 구리를 기판위에 증착하고 약 1000℃의 고온에서 메탄과 수소 혼합가스를 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매 층에 녹아들어가거나 흡착되도록 한다. 이후 냉각을 하게 되면 촉매층에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정구조를 형성하게 된다.
이렇게 합성된 그래핀은 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후, 원하는 용도에 맞게 사용할 수 있다. 자세한 제조과정 및 전사과정은 선행연구에 기술되어 있다. [J. Appl. Phys. 113, 064305(2013)].
<실리콘 나노 구조체- 그래핀층 접합구조의 제작>
화학기상증착법(CVD)으로 제작된 대면적의 그래핀을 PMMA로 지지하여 탈이온수에 띄우고, 실리콘 나노 구조체 상에 전사시켰다. 실리콘 나노 구조체 상에 전사가 완료된 시료는 열판 위에 올려서 상온에서 1시간 이상 건조시킨 후, 이어서 60 내지 100도로 3시간 이상 동안 더 건조시켰다.
<실리콘 나노 구조체- 그래핀층 접합구조의 전극의 제작>
건조가 완료된 실리콘 나노 구조체-그래핀층에 대하여 열 증착법, 전자빔 증착법, 스퍼터링 증착법등을 이용하여 그래핀 상에 전극(Au, Ag, Pt 등)을 증착시켰다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상부에는 금(Au)을 증착시키고, 하부의 전극으로는 은(Ag)을 증착시켰다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기능성 물질을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)의 실리콘 나노 구조체(120)의 표면(Si NW surface)은 원소와 음전하를 띤 수산화 이온(OH-)으로 이루어진 수산화물(Hydroxide)로 구성될 수 있다.
또한, 실리콘 나노 구조체(120)의 표면은 DNA가 잘 부착되도록 부착력을 향상시켜주는 기능성 물질이 코팅될 수 있으며, 상기 기능성 물질은 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
수산화 이온으로 이루어진 수산화물로 구성된 실리콘 나노 구조체(120)는 실리콘 나노 구조체(120)의 표면에 NH2 를 포함하는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 물질이 코팅될 수 있으며, 상기 3-APTES 물질이 코팅된 실리콘 나노 구조체(120)의 표면에 C5H8O2의 분자식을 가지는 글루타르알데하이드 물질이 코팅될 수 있다.
예를 들면, 상기 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 물질은 실리콘 나노 구조체(120)의 표면 간 강한 공유결합을 생성하며, 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 물질이 코팅된 실리콘 나노 구조체(120)의 표면은 가수분해의 가열처리로 단단히 고정되는 구조가 형성될 수 있다.
또한, 상기 글루타르알데하이드 물질은 아미노기(-NH2)와 반응하여 다리결합하는 단백질의 화학 수식제로서, 실리콘 나노 구조체(120)의 표면에 코팅되어 아미노기를 포함하는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 물질과 결합함으로써, 프로브 DNA와의 결합력을 높일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)를 구성하는 복수 개의 실리콘 나노 구조체(120)의 각각의 표면에 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 어느 물질을 코팅함으로써, 식별하고자 하는 DNA의 부착력을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용하여 DNA를 식별하는 과정에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 메커니즘에 대한 예를 도시한 것이다.
도 4a를 참고하면, 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치를 이용하여 DNA를 검출하기 위해 프로브 DNA, 타겟 DNA, 및 더미 DNA를 사용할 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 프로브 DNA는 사람의 유전자 기호인 DENND2D 프로모터(promoter)의 뉴클레오타이드(nucleotide) 시퀀스를 포함하는 단일나선의 DNA이며, 예를 들면, 5'-tta-gcg-cgg-agt-tgg-gag-cgg-gag-tcg의 염기 서열을 가지는 단일나선의 DNA일 수 있다.
또한, 상기 타겟 DNA는 상기 프로브 DNA와 튜클레오타이드 시퀀스 쌍을 이루는 단일나선의 DNA이며, 예를 들면, aat-cgc-ccg-act-cca-ctc-ccg-ctc-cga-5'의 염기 서열을 가지는 단일나선의 DNA일 수 있다.
또한, 상기 더미 DNA는 상기 프로브 DNA와 전혀 다른 뉴클레오타이드 시퀀스 쌍을 이루는 단일나선의 DNA이며, 예를 들면, 5'-tct-tgc-aca-agt-tta-aga-ggg-aaa-gga의 염기 서열을 가지는 단일나선의 DNA일 수 있다.
도 4b를 참고하면, 사람의 유전자 기호인 DENND2D promoter에서 추출한 프로브 DNA는 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포되며, 복수 개의 실리콘 나노 구조체(120)의 표면에 부착될 수 있다.
실시예에 따라서, 실리콘 나노 구조체(120)의 표면에는 전술한 프로브 DNA 외에도 다양한 샘플 세포로부터 추출된 샘플 DNA가 부착될 수 있다. 또한, 프로브 DNA(Probe DNA)는 상기 프로브 DNA 외에도, 검출하고자 하는 샘플 DNA의 단일나선 DNA를 모두 일컫을 수 있으며, 그 종류는 한정되지 않는다.
도 4c를 참고하면, 타겟 DNA 및 더미 DNA 중 적어도 어느 하나는 DENND2D promoter에서 추출된 프로브 DNA가 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포될 수 있다.
그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치는 프로브 DNA가 실리콘 나노 구조체(120) 표면에 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서에, 측정하고자 하는 타겟 DNA 및 더미 DNA 중 적어도 어느 하나를 도포함으로써, 프로브 DNA와 타겟 DNA 및 더미 DNA 간의 부착 여부를 검출할 수 있다.
예를 들면, DENND2D promoter에서 추출된 샘플 DNA 중 뉴클레오타이드 시퀀스를 가지는 단일 나선의 DNA인 프로브 DNA를 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포하여 부착하고, 측정하고자 하는 측정 대상(예를 들면, 환자 또는 임상대상자)의 대상 세포에서 추출된 대상 DNA 중 뉴클레오타이드 시퀀스를 가지는 단일 나선의 DNA를 프로브 DNA가 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포할 수 있다.
여기서, 대상 DNA 중 뉴클레오타이드 시퀀스를 가지는 단일 나선의 DNA가 DENND2D promoter에서 추출된 프로브 DNA와 뉴클레오타이드 시퀀스 쌍을 이루는 타겟 DNA일 경우, 프로브 DNA와 타겟 DNA는 부착될 수 있으나, 상기 대상 DNA 중 뉴클레오타이드 시퀀스를 가지는 단일 나선의 DNA가 프로브 DNA와 전혀 다른 뉴클레오타이드 시퀀스를 이루는 더미 DNA일 경우, 프로브 DNA와 더미 DNA는 부착되지 않을 수 있다.
이로부터, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치는 프로브 DNA와, 타겟 DNA 및 더미 DNA 간의 부착 여부에 따른 DNA를 식별할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치의 블록도를 도시한 것이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치(200)는 그래핀/실리콘 바이오 센서(100) 및 검출부(210)를 포함한다.
그래핀/실리콘 바이오 센서(100)는 기판, 상기 기판에 정렬되어 결합되며 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하를 포함하는 기능성 물질이 코팅된 복수 개의 실리콘 나노 구조체, 상기 실리콘 나노 구조체 상부에 배치된 그래핀층, 및 상기 기판의 하부 및 상기 그래핀층의 상부에 각각 형성된 전극을 포함한다.
그래핀/실리콘 바이오 센서(100)를 이루는 구성 및 구조는 도 1에서 설명되었으므로, 생략하기로 한다.
검출부(210)는 기능성 물질을 통하여 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기설정된 프로브 DNA에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA의 부착 여부에 따라 DNA를 식별한다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치의 검출부(210)는 DENND2D promoter에서 추출한 DNA의 뉴클레오타이드 시퀀스를 포함하는 단일나선의 프로브 DNA가 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)에, 상기 프로브 DNA와 쌍을 이루는 단일 나선의 타겟 DNA를 도포하여 상기 프로브 DNA에 대하여 타겟 DNA와의 부착 여부를 검출할 수 있다.
상기 프로브 DNA는 샘플 세포에서 추출한 샘플 DNA 중 염기서열을 포함하는 뉴클레오타이드(nucleotide) 시퀀스를 포함하는 단일 나선의 DNA를 일컫을 수 있으며, 상기 타겟 DNA는 상기 샘플 DNA 중 뉴클레오타이드 시퀀스에 쌍을 이루는 단일 나선의 DNA를 일컫을 수 있다.
즉, 상기 타겟 DNA는 측정하고자 하는 측정 대상 세포에서 추출한 DNA 중 단일 나선일 수 있다.
검출부(210)는 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)에 포함된 전극으로부터 프로브 DNA와 타겟 DNA의 부착 여부에 따른 전류량의 변화를 검출하여 DNA를 식별할 수 있다.
예를 들면, 검출부(210)는 프로브 DNA와 쌍을 이루는 타겟 DNA를 도포하였을 경우 나타나는 전류량 증가에 기반하여 프로브 DNA와 타겟 DNA간의 부착 여부를 식별할 수 있다. 만약, 프로브 DNA가 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서(100)에 프로브 DNA와 쌍을 이루지 않는 더미 DNA(dummy DNA)를 도포하였을 경우, 전류량은 급격히 감소하며, 반응도가 매우 낮아지므로, 검출부(210)는 DNA 간의 부착 여부를 식별할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서에 대한 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy) 이미지를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 6a 내지 도 6d는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 제조방법의 각 단계에 대한 그래핀/실리콘 바이오 센서의 주사전자현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 6a는 도 2a에 도시된 바와 같은 실리콘으로 형성된 기판 상에 형성된 금 메쉬(Au mesh)의 주사전자현미경 이미지를 도시한 것으로서, 도 6a를 참고하면, 다공성의 금 메쉬(Au mesh) 어레이가 실리콘(Si)으로 형성된 기판 상에 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 6b는 도 2b에 도시된 바와 같은 기판 상에 형성된 복수 개의 실리콘 나노 구조체에 대한 주사전자현미경 이미지를 도시한 것으로서, 도 6b를 참고하면, 복수 개의 실리콘 나노 구조체가 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 6c 및 도 6d는 기판, 기판 상에 형성된 실리콘 나노 구조체, 및 실리콘 나노 구조체 상에 형성된 그래핀층을 포함하는 그래핀/실리콘 바이오 센서의 전면 및 측면에 대한 주사전자현미경 이미지를 도시한 것으로서, 도 6c 및 도 6d를 참고하면, 실리콘(Si)으로 형성된 기판 상에 높이가 일정한 복수 개의 실리콘 나노 구조체(Si NWs)가 배치되어 있고, 복수 개의 실리콘 나노 구조체 상의 부분 면적을 덮는 그래핀층(Graphene)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 프로브 DNA의 농도에 대한 전류변화 곡선을 도시한 것이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 프로브 DNA에 대하여 타겟 DNA 및 더미 DNA와의 부착 여부에 따른 전류변화 곡선 및 반응도를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 7a는 DENND2D promoter에서 추출한 DNA의 뉴클레오타이드 시퀀스를 포함하는 단일나선의 프로브 DNA의 농도에 따른 전류변화를 도시한 것이다.
도 7a를 참고하면, 프로브 DNA(probe DNA)의 농도가 증가함에 따라 그래핀/실리콘 바이오 센서에 흐르는 전류량이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 프로브 DNA의 농도가 약 500nM일때, 전류량은 포화상태를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 7b는 샘플 세포인 DENND2D promoter에서 추출한 DNA의 뉴클레오타이드 시퀀스를 포함하는 단일나선의 프로브 DNA(probe DNA)가 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서에, 타겟 DNA(target DNA) 및 더미 DNA(Dummy DNA)를 도포하였을 경우에 따라 발생하는 전류변화를 도시한 것이다.
도 7b를 참고하면, 프로브 DNA가 도포된 그래핀/실리콘 바이오 센서에 프로브 DNA와 쌍을 이루는 타겟 DNA를 도포하였을 경우, 프로브 DNA와 타겟 DNA 간의 부착에 따라 그래핀/실리콘 바이오 센서에 흐르는 전류량이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다.
다만, 프로브 DNA가 도포된 그래핀/실리콘 바이오 센서에 프로브 DNA와 부착되지 않은 더미 DNA를 도포하였을 경우에는, 그래핀/실리콘 바이오 센서에 흐르는 전류량이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 프로브 DNA와 쌍을 이루는 타겟 DNA를 도포하였을 경우 나타나는 반응도는 절대값으로 약 0.6mA 변하는 것을 확인할 수 있으며, 상대적으로는 약 120%로 변하는 것을 알 수 있다.
그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서는 프로브 DNA, 타겟 DNA 및 더미 DNA의 부착 여부에 따른 전류량을 검출함으로써, DNA를 식별할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 재활용 특성에 따른 결과 그래프를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서의 재활용에 따른 특성 변화를 검출하기 위해, 염화나트륨(sodium chloride)을 사용하여 그래핀/실리콘 바이오 센서의 실리콘 나노 구조체 표면에 붙어있는 DNA를 제거하고, 다시 그래핀/실리콘 바이오 센서의 DNA 검출 특성을 평가한 그래프를 도시한 것이다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서는 10회의 재활용 사이클을 구동한 동안 타겟 DNA의 가장 작은 농도인 0.1nM에서, 약 20% 안팎으로 안정적인 DNA 검출 기능을 수행한 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서는 재활용 활용이 용이한 것을 알 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포된 DNA의 부착력에 따른 형광특성 이미지를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 바이오 센서에 각각의 형광 색을 띄는 프로브 DNA, 타겟 DNA 및 더미 DNA를 도포할 후, 실리콘 나노 구조체 표면을 형광현미경으로 관찰한 이미지를 도시한 것이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 빨간색을 띄는 프로브 DNA를 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포한 후, 형광현미경으로 실리콘 나노 구조체 표면을 관찰한 결과, 프로브 DNA는 실리콘 나노 구조체 표면에 잘 부착되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9b에 도시된 바와 같이, 주황색을 띄는 타겟 DNA를 프로브 DNA가 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포한 후, 형광현미경으로 실리콘 나노 구조체 표면을 관찰한 결과, 타겟 DNA 또한 프로브 DNA가 부착되어 있는 실리콘 나노 구조체 표면에 고르게 잘 부착되어 있는 것을 확인할 수 있다.
다만, 도 9c를 참고하면, 초록색을 띄는 더미 DNA를 프로브 DNA가 부착된 그래핀/실리콘 바이오 센서에 도포한 후, 형광현미경으로 실리콘 나노 구조체 표면을 관찰한 결과, 더미 DNA는 프로브 DNA가 부착된 실리콘 나노 구조체 표면에 잘 부착되지 못하고 서로 뭉쳐 침전되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 9a 내지 도 9c를 살펴본 바에 의하면, 프로브 DNA의 뉴클레오타이드 시퀀스와 쌍을 이루는 타겟 DNA는 프로브 DNA와의 높은 부착력을 보이나, 전혀 다른 뉴클레오타이드 시퀀스 쌍을 갖고있는 더미 DNA는 프로브 DNA와 부착이 안되는 것을 알 수 있으므로, 이러한 DNA 간의 부착 특성을 이용한 그래핀/실리콘 바이오 센서로부터 보다 정확한 DNA를 식별할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 그래핀/실리콘 바이오 센서
110: 기판
120: 실리콘 나노 구조체
130: 그래핀층
140a, 140b: 전극

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판에 정렬되어 결합되고, 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질이 코팅되는 복수 개의 실리콘 나노 구조체;
    상기 실리콘 나노 구조체 상부에 배치된 그래핀층; 및
    상기 기판의 하부 및 상기 그래핀 층의 상부에 각각 형성된 전극
    을 포함하고,
    상기 기능성 물질을 통하여 상기 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기 설정된 프로브 DNA(probe DNA)에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA(target DNA)의 부착 여부에 따른 전류량 변화를 검출하여 DNA를 식별하며,
    상기 실리콘 나노 구조체의 표면은
    공유결합을 생성하며 NH2를 포함하는 상기 3-아미노프로필트리에톡시실란과, 아미노기(-NH2)와 반응하여 다리결합하는 단백질의 화학 수식제인 상기 글루타르알데하이드가 결합되어 상기 프로브 DNA와의 결합력을 높이는 그래핀/실리콘 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 나노 구조체는
    상기 프로브 DNA의 결합력을 위한 상기 기능성 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 그래핀/실리콘 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 물질은
    상기 실리콘 나노 구조체의 표면 간 강한 공유결합을 생성함으로써, 상기 실리콘 나노 구조체의 표면과 상기 프로브 DNA를 부착시키는 물질인 것을 특징으로 하는 그래핀/실리콘 바이오 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극은
    은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀/실리콘 바이오 센서.
  5. 기판, 상기 기판에 정렬되어 결합되며 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기능성 물질이 코팅된 복수 개의 실리콘 나노 구조체, 상기 실리콘 나노 구조체 상부에 배치된 그래핀층, 및 상기 기판의 하부 및 상기 그래핀층의 상부에 각각 형성된 전극을 포함하는 그래핀/실리콘 바이오 센서; 및
    상기 기능성 물질을 통하여 상기 실리콘 나노 구조체 표면에 부착되는 기 설정된 프로브 DNA에 대하여 쌍을 이루는 타겟 DNA의 부착 여부에 따른 전류량의 변화를 검출하여 DNA를 식별하는 검출부를 포함하되,
    상기 실리콘 나노 구조체의 표면은
    공유결합을 생성하며 NH2를 포함하는 상기 3-아미노프로필트리에톡시실란과, 아미노기(-NH2)와 반응하여 다리결합하는 단백질의 화학 수식제인 상기 글루타르알데하이드가 결합되어 상기 프로브 DNA와의 결합력을 높이는
    그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 DNA 검출 장치.
  6. 삭제
KR1020160011499A 2016-01-29 2016-01-29 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법 KR101763515B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160011499A KR101763515B1 (ko) 2016-01-29 2016-01-29 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160011499A KR101763515B1 (ko) 2016-01-29 2016-01-29 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101763515B1 true KR101763515B1 (ko) 2017-08-03

Family

ID=59655505

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160011499A KR101763515B1 (ko) 2016-01-29 2016-01-29 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101763515B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11415577B2 (en) 2018-10-31 2022-08-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Method of detecting bio-material
WO2024076193A1 (ko) * 2022-10-06 2024-04-11 한국생명공학연구원 감도가 개선된 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법
WO2024080388A1 (ko) * 2022-10-11 2024-04-18 엘지전자 주식회사 바이오 센서

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jing Tang et al., "Sensitive enzymatic glucose detection by TiO₂nanowire photoelectrochemical biosensors", JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A, 2, pp.6153-6157, 2014*
Jungkil Kim et al., "Graphene/Si-nanowire heterostructure molecular sensor", SCIENTIFIC REPORTS 4, pp.1-4, 2014*

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11415577B2 (en) 2018-10-31 2022-08-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Method of detecting bio-material
WO2024076193A1 (ko) * 2022-10-06 2024-04-11 한국생명공학연구원 감도가 개선된 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법
KR20240048301A (ko) * 2022-10-06 2024-04-15 한국생명공학연구원 감도가 개선된 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법
KR102665267B1 (ko) 2022-10-06 2024-05-13 한국생명공학연구원 감도가 개선된 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법
WO2024080388A1 (ko) * 2022-10-11 2024-04-18 엘지전자 주식회사 바이오 센서

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10119955B2 (en) High-resolution molecular sensor
Perumal et al. Gold nanorod embedded novel 3D graphene nanocomposite for selective bio-capture in rapid detection of Mycobacterium tuberculosis
EP1811524B1 (en) Nanometric device for the measurement of the conductivity and quantum effects of individual molecules and methods for the manufacture and use thereof
US7824620B2 (en) Nano- and micro-scale structures: methods, devices and applications thereof
US8187865B2 (en) Nanowire sensor, sensor array, and method for making the same
JP4464041B2 (ja) 柱状構造体、柱状構造体を有する電極、及びこれらの作製方法
CN103958397B (zh) 用于制造和对准纳米线的方法和这种方法的应用
US11013437B2 (en) Nanopatterned biosensor electrode for enhanced sensor signal and sensitivity
US20090181441A1 (en) Porous silicon-polymer composites for biosensor applications
CN109328301A (zh) 大规模并行dna测序装置
US20120145549A1 (en) Nanosensor and method of manufacturing the same
KR100991011B1 (ko) 금속 나노입자가 고정화된 탄소나노튜브를 포함하는 바이오센서 및 그 제조방법
TWI424160B (zh) 結合矽奈米線閘極二極體之感測元件、製造方法及其檢測系統
JP2005500507A (ja) 付着された薄いフィルムおよび検出、付着および生物医学的応用でのその使用
WO2013158280A1 (en) Systems and methods for single-molecule nucleic-acid assay platforms
KR101763515B1 (ko) 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법
KR20050055456A (ko) 산화아연계 나노막대를 이용한 바이오센서 및 이의 제조방법
US20160252506A1 (en) Silicon nanowire-based sensor arrays
US20200173953A1 (en) Nanostructure featuring nano-topography with optimized electrical and biochemical properties
WO2021237180A1 (en) Near-room-temperature processable amorphous semiconductor nano-ribbon bridge biosensors and memory devices
CN110865113B (zh) 一种基于dna纳米机器修饰场效应晶体管传感器界面的方法
KR20120126977A (ko) 탄소나노튜브 기반 3전극 시스템, 그 제조방법 및 이를 이용한 전기화학 바이오센서
Kleps et al. New micro-and nanoelectrode arrays for biomedical applications
JP2004191341A (ja) 分子認識素子、これを用いたバイオセンサ、及びその製造方法
CN108872338B (zh) 生物传感器微电极及生物传感器

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant