KR101972430B1 - 도파민 검지 바이오센서 및 이를 이용한 도파민 검지 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도파민 검지 바이오센서 및 이를 이용한 도파민 검지 방법에 관한 것으로서, 도파민 검지 바이오센서는, 적어도 하나의 전극이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET); 및 상기 전계 효과 트랜지스터의 상부에 형성되는 것을 기능성층을 포함하고, 상기 기능성층은 도파민과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 도파민 검지 센서 및 이를 이용한 도파민 검지 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 도파민과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체를 포함하는 기능성층이 형성되고, 적어도 하나의 전극이 형성된, 전기장 변화에 따라 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET) 기반의 바이오 센서 및 이를 이용한 도파민 검지 방법에 관한 것이다.
반도체 특성을 띄는 탄소나노튜브를 활용하여 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(Carbon-nanotube field effect transistor, 이하 CNT-FET) 소자가 개발되고 있다. CNT-FET는 탄소나노튜브가 채널로 구성되어 있으며, 채널 주변의 전기장 변화에 대해 전류특성이 변화하는 성질을 가지고 있다. 이를 활용하여 다양한 센서가 개발되고 있으며, 전하를 띄고 있는 바이오 물질을 검지하는 바이오 센서로써 활용된다는 많은 보고가 이루어 지고 있다. 하지만 각각의 바이오 물질을 선택적으로 검지하기 위해서는 CNT-FET의 채널부위에 원하는 타겟 바이오 물질을 선택적으로 검지할 수 있는 물질을 코팅하여야 한다. 따라서 코팅 물질의 화학적/물리적 특성을 이해하여 특성변화 없이 채널부위에 고정하는 기술이 필수적이다.
한편, 살아있는 세포로부터 방출되는 도파민을 검지하는 기존의 방식은 형광, 발광, 전기적인 기법들이 사용되지만 이러한 기법들은 다소 복잡한 다중 과정을 포함하고 있다. 현재 제작되고 있는 도파민 센서의 경우 화학적 방식을 활용한 개발이 대부분이며, 일회성의 목적으로 제작되는 경우가 대부분이다.
이러한 종래의 화학적 방식을 활용한 도파민 검지 센서들은 최종적으로 도파민을 검지하기까지 각종 화학적 처리와 안정화를 위한 인큐베이션 등의 여러 스텝들을 필요로 하여 시간적, 경제적 문제점이 있었다.
또한 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, 이하 FET)를 활용한 기존의 검지방식들은 실리콘 나노선(SiNW), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT) 및 이산화 규소(SiO2) 기반으로 제작되었고, 이들은 탄소나노튜브에 비해서 표면적이 작기 때문에 검지감도의 한계를 가지게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 세포로부터 방출되는 도파민의 선택적인 검지가 가능하며 화학적으로 안정한 도파민 검지 바이오센서 및 이를 이용한 도파민 검지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 최종 도파민 검지까지 부가적인 단계가 필요없는 간편한 방식의 도파민 검지 바이오센서 및 이를 이용한 도파민 검지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 도파민을 검지하는 바이오센서로서, 적어도 하나의 전극이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET) 및 상기 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET)의 상부에 형성되는 기능성층을 포함하고, 상기 기능성층은 도파민과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체를 포함하는, 바이오센서가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전계 효과 트랜지스터는 기판, 상기 기판 상에 정제된 반도체성 탄소나노튜브가 패턴화하여 일 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 패턴층, 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 일측에 배치된 소스 전극, 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 타측에 배치된 드레인 전극 및 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되어 그 사이에 배치된 플로팅 전극을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기능성층은 이온을 선택적으로 투과시키는 고분자 멤브레인(polymer membrane)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기능성층은 나피온(Nafion)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도파민 반응체는 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)일 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 적어도 하나의 전극이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET)를 형성하는 단계, (b) 상기 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET)의 상부에 도파민과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체를 포함하는 기능성층을 형성하는 단계, (c) 상기 기능성층 상에 도파민 방출 세포를 포함하는 용액을 로딩하는 단계 및 (d) 상기 도파민 방출 세포를 포함하는 용액 상에 상기 도파민 방출 세포의 도파민 방출을 유도하는 유도 물질이 포함된 용액을 로딩하는 단계를 포함하는, 도파민 검지 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기능성층은 이온을 선택적으로 투과시키는 고분자 멤브레인(polymer membrane)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기능성층은 나피온(Nafion)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도파민 반응체는 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도파민 방출 세포는 PC12 세포일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도파민 방출을 유도하는 유도 물질은 칼륨 이온(K+)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계 이후, 방출된 도파민이 상기 도파민 반응체와 반응하여 생성되는 수소 이온(H+)이 상기 전계 효과 트랜지스터 채널에 흐르는 전류를 변화시킴에 따라 도파민 방출량을 검지할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 세포로부터 방출되는 도파민의 선택적인 검지가 가능하며 화학적으로 안정한 바이오 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 최종 도파민 검지까지 부가적인 단계가 없는 간편한 방식으로 도파민을 검지할 수 있는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서의 제조 과정 및 도파민 검지 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서의 제조 과정을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PC12세포(cell)가 칼륨이온(K+)에 의해 도파민을 방출하는 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민이 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)과 반응하여 수소이온을 생성하는 과정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민과 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)의 화학반응식을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 도파민을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 9는 종래의 전계 효과 트랜지스터 상에 도파민이 포함된 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 글루탐산(glutamate)이 포함된 용액, 아세틸콜린(acetylcholine)이 포함된 용액, 도파민이 포함된 용액을 차례로 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 칼륨이온(K+)만 포함하는 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 PC12세포(cell)이 포함된 용액을 로딩하고, 칼륨이온(K+)이 포함된 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름 변화를 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서의 제조 과정을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PC12세포(cell)가 칼륨이온(K+)에 의해 도파민을 방출하는 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민이 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)과 반응하여 수소이온을 생성하는 과정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민과 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)의 화학반응식을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 도파민을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 9는 종래의 전계 효과 트랜지스터 상에 도파민이 포함된 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 글루탐산(glutamate)이 포함된 용액, 아세틸콜린(acetylcholine)이 포함된 용액, 도파민이 포함된 용액을 차례로 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 칼륨이온(K+)만 포함하는 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 PC12세포(cell)이 포함된 용액을 로딩하고, 칼륨이온(K+)이 포함된 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름 변화를 도시하는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서(10)의 제조 과정 및 도파민(510) 검지 과정을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서(10)는, 도파민(510)을 검지하는 바이오센서(10)로서, 적어도 하나의 전극(310, 320, 330)이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET) 및 전계 효과 트랜지스터의 상부에 형성되는 기능성층(400)을 포함하고, 기능성층(400)은 도파민(510)과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체(410)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민(510) 검지 방법은, (a) 적어도 하나의 전극(310, 320, 330)이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET)를 형성하는 단계, (b) 전계 효과 트랜지스터의 상부에 도파민(510)과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체(410)를 포함하는 기능성층(400)을 형성하는 단계, (c) 기능성층(400) 상에 도파민 방출 세포(C)를 포함하는 용액(500)을 로딩하는 단계, 및 (d) 도파민 방출 세포(C)를 포함하는 용액(500) 상에 도파민 방출 세포(C)의 도파민(510) 방출을 유도하는 유도 물질이 포함된 용액(600)을 로딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
<도파민 검지 바이오센서>
먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오 센서(10)에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오센서(10)의 개략적인 사시도, 도 3은 도파민 검지 바이오 센서(10)의 단면도, 도 4는 도파민 검지 바이오 센서(10)의 제조 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오 센서(10)는 억제 및 흥분성 신경 전달 물질인 도파민(510)의 간단하고 신속한 검출을 위한 것으로, 기판(100), 탄소나노튜브 패턴층(200), 소스전극(310), 드레인전극(320), 플로팅 전극(330) 및 기능성층(400)을 포함한 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성된다. 도파민 검지 바이오센서(10)의 제조 과정은 아래와 같다.
먼저, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(100)은 유리(glass) 또는 실리콘(SiO2)으로 이루어진 고체 기판이 사용될 수 있다. 일 예로, 피라나(piranha) 세정 공정을 통해 깨끗하게 세척된 유기 기판을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 정제된 반도체성 탄소나노튜브(purified semiconducting CNT)를 기판(100) 상에 일 방향으로 정렬시켜 패턴화하여 탄소나노튜브 패턴층(200)을 형성할 수 있다. 이때, 탄소나노튜브 패턴층(200)은 센서의 민감도를 더욱 높이기 위해 단일벽(single wall)의 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 다중벽(multi wall)의 탄소나노튜브를 사용할 수도 있다. 탄소나노튜브는 0.7 ~ 1.1nm의 직경과, 300 ~ 2300nm의 길이를 가진 단일벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 초음파 세정기를 이용하여 1,2 - 디클로로 벤젠(1,2 - dichloroebenzene)에 탄소나노튜브를 5시간 동안 분산시킨다. 탄소나노튜브 용액의 농도는 0.05mg/mL이다. 먼저 비극성 말단기를 갖는 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane) 자기 조립 단분자층을 SiO2 기판(3000Å) 상에 패터닝 한다. 탄소나노튜브의 선택적 흡착을 위해, 기판을 탄소나노튜브 용액에 10초동안 두었다가 1,2 - 디클로로벤젠(1,2 - dichlorobenzene)으로 헹군다. 탄소나노튜브 채널(200)은 3㎛의 너비와 170㎛의 길이를 가지고 있다.
다음으로, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 기판(100) 및 탄소나노튜브 패턴층(200)의 상부에 형성된 소스 전극(source electrode)(310)은 탄소나노튜브 패턴층(200) 상에서 탄소나노튜브의 정렬 방향의 일측에 배치할 수 있다. 그리고, 드레인 전극(drain electrode)(320)은 탄소나노튜브 패턴층(200) 상에서 탄소나노튜브의 정렬 방향의 타측에 배치할 수 있다.
플로팅 전극(floating electrode)(330)은 탄소나노튜브 패턴층(200) 상에서 소스 전극(310) 및 드레인 전극(320)과 이격되어 그 사이에 배치할 수 있다. 플로팅 전극(330)은 1개가 구비되거나, 복수개가 구비되어 탄소나노튜브의 정렬 방향을 기준으로 일정 간격으로 배치할 수 있다. 즉, 플로팅 전극(330)의 길이 방향은 탄소나노튜브의 정렬 방향과 직교하게 된다. 일 실시예에 의하면, 플로팅 전극(330)은 도 2에 도시된 바와 같이 5개가 구비되어 소스 전극(310)과 드레인 전극(320) 사이에서 일정 간격으로 배치할 수 있다.
한편, 소스 전극(310), 드레인 전극(320) 및 플로팅 전극(330)은 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 폭과 길이를 가지며, 일정한 두께로 형성될 수 있다.
구체적으로 전극들(310, 320, 330)은 포토리소그래피를 이용하여 전극 모양을 패턴하고, 열증착법(thermal deposition)을 이용하여 Pd/Au 층을 형성한 뒤 리프트-오프법(lift-off)을 적용하여 제조된다. 플로팅 전극(330)은 대략 10㎛의 너비와, 200㎛의 길이를 가지며, 5개가 형성된다. 그리고, 탄소나노튜브 패턴층(200)은 소스 전극(310)과 드레인 전극(320)을 연결하는 채널 방향으로 정렬된다. 이와 같은 탄소나노튜브의 정렬 상태는 금속성 경로(metalic paths)가 형성되는 것을 줄임으로써 바이오센서의 민감도를 향상시키게 된다.
그리고, 소스 전극(310)과 드레인 전극(320) 사이의 채널 부위를 제외한 나머지 부위는 산화 알루미늄 또는 포토레지스트 층으로 패시베이션(passivation) 처리 할 수 있다.
다음으로, 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 기판(100), 소스전극(310), 드레인전극(320) 및 플로팅전극(330)의 상부에 도파민(510)과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체(410)[도 1의 (b) 참조]가 포함된 기능성층(400)을 형성할 수 있다.
기능성층(400)은 이온을 선택적으로 투과시키는 고분자 멤브레인(polymer membrane)인 것을 특징으로 한다. 일 예로, 고분자 멤브레인(polymer membrane)은 나피온(Nafion) 등을 사용할 수 있다.
구체적으로, 기능성층(400)은 다수의 기공을 포함하고 있으며, 도파민 반응체(410)와 도파민(510)의 반응이 충분히 진행될 수 있도록 넓은 반응 표면적을 제공할 수 있다. 또한, 나피온(Nafion)은 화학적으로 안정한 고분자 멤브레인이고 살아있는 세포에 큰 영향을 주지 않기 때문에 다양한 세포를 위에 올려도 세포의 기능이 사라지지 않을 수 있으며, 양이온만을 선택적으로 투과하는 성질을 가지고 있다. 따라서, 도파민을 방출하는 세포(C)가 나피온(Nafion)에 로딩될 때 세포의 기능이 사라지지 않으며, 도파민(510)과 도파민 반응체(410)의 반응 후 생성되는 수소이온(H+)만이 기능성층(400)을 통과하여 탄소나노튜브 채널(200)에 도달할 수 있다.
한편, 도파민 반응체(410)는 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 기능성층(400)에 포함된 ABTS 라디칼(ABTS*)은 세포로부터 방출된 도파민(510)의 페놀성 수산기 그룹과 선택적으로 산화환원반응(redox)하여 도파민 o-quinone, ABTS 및 수소이온(H+)을 생성할 수 있다. [ABTS* + Dopamine → ABTS Dopamine o-quinone + H+ ]
일 실시예로, 기능성층 용액은, 에탄올 96% 중 0.5 % 나피온(Nafion), 1.4 mM 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical) 및 0.49 mM K2S2O8을 포함하는 용액을 30분동안 초음파 처리하여 제조된다. 기능성층(400)은 탄소나노튜브 패턴층(200), 소스전극(310), 드레인전극(320) 및 플로팅전극(330)의 상부에 기능성층 용액을 2μL로 코팅하고 실온의 질소(N2) 환경에서 건조시켜 형성된다.
다수의 전극들(310, 320, 330)은 그 상부에 도파민(510)과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체(410)를 포함하는 기능성층(400)이 형성되고, 세포가 방출하는 도파민(510)과 도파민 반응체(410)의 반응에 따른 탄소나노튜브 채널(200)에서의 전류흐름의 변화를 감지하게 된다. 이때, 플로팅 전극(330)은 하부에 배치된 탄소나노튜브 패턴층(200)의 탄소나노튜브를 고정하게 된다. 이와 같은 안정적인 구조를 가진 바이오센서(10)는 다수의 세포에 대하여 반복적인 사용이 가능하다.
한편, 바이오센서(10)는 PBS 완충용액(phosphate buffer saline)에 액체 게이트 바이어스(Vlg)를 적용하여 전기적 특성을 조사할 수 있다. 이때, PBS 완충용액에는 와이어 형태의 게이트 전극이 연결되며, 게이트 전극을 통해 인가되는 게이트 바이어스 전압(gate bias voltage)의 변화에 따라 탄소나노튜브 소자의 전도도가 변하게 된다. 이는 탄소나노튜브 소자가 전위의 변화를 감지할 수 있는 센서로 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 게이트바이어스 전압이 음(-)에서 양(+)의 값으로 갈수록 소스-드레인 전류가 급격하게 감소되는데, 이는 탄소나노튜브 소자의 전형적인 p형 특성을 보여준다. 특히, 게이트 바이어스 전압이 양(+)의 값을 가지게 되면서 턴-오프(turn off)되는데, 이는 바이오센서의 적용에 있어 이상적인 특성을 나타낸다.
일 실시예에 따르면, 게이트 바이어스는 -1V에서 1V까지 스윕(sweep) 되었으며, 소스-드레인 바이어스 전압은 0.1V로 고정하여 센서의 기본특성을 측정한다.
한편, 본 발명에 따른 바이오센서는 탄소나노튜브의 정렬 상태가 더욱 개선되거나, 반도체성의 탄소나노튜브 함량이 높아질수록 금속성 경로(metalic paths)가 형성되는 것이 억제되어 센서의 턴-오프(turn off) 특성이 더욱 개선될 수 있다.
<바이오 센서를 이용한 도파민 검지 방법>
다음으로, 도 1 및 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 도파민 검지 바이오 센서(10)를 이용한 도파민(510) 검지 방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따른 PC12세포(cell)(C)가 칼륨이온(K+)에 의해 도파민(510)을 방출하는 과정을 나타내는 개략도, 도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민(510)이 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)과 반응하여 수소이온을 생성하는 과정을 나타내는 개략도, 도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민(510)과 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)의 화학반응식을 나타내는 도면이다.
도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도파민(510) 검지 방법은, (a) 적어도 하나의 전극(310, 320, 330)이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET)를 형성하는 단계, (b) 전계 효과 트랜지스터의 상부에 도파민(510)과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체(410)를 포함하는 기능성층(400)을 형성하는 단계, (c) 기능성층(400) 상에 도파민 방출 세포(C)를 포함하는 용액(500)을 로딩하는 단계, 및 (d) 도파민 방출 세포(C)를 포함하는 용액(500) 상에 도파민 방출 세포의 도파민 방출을 유도하는 유도 물질이 포함된 용액(600)을 로딩하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, (a) 적어도 하나의 전극(310, 320, 330)이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET)를 형성하는 단계, 및, (b) 전계 효과 트랜지스터의 상부에 도파민과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체를 포함하는 기능성층(400)을 형성하는 단계는 도 4를 통해 상술한 바와 같다.
다음으로, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 도파민 방출 세포(C)를 기존의 배양방식을 통해 배양 접시에 배양할 수 있다.
다음으로, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, (c) 기능성층(400) 상에 도파민 방출 세포(C)를 포함하는 용액(500)을 로딩할 수 있다.
도파민을 방출하는 세포는 PC12 세포(cell)(C)인 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 후술할 도파민 방출을 유도하는 유도 물질과 반응하여 도파민(510)을 방출할 수 있는 세포라면 본 발명의 도파민 방출 세포(C)로 사용할 수 있다.
구체적으로, 도파민을 방출하는 세포를 포함하는 용액(500)은, 대기중의 5% CO2, 37℃의 말초 혈청(10%v/v), 태아 소 혈청(5%v/v), 페니실린 (100U/mL) 및 스트렙토 마이신(100μg/ml)을 보충한 RPMI 1640 배지(DMEM, Gibco) 현탁액에서 PC12 세포(cell)(C)를 배양할 수 있다.
그리고, 도파민을 방출하는 세포(C)를 포함하는 용액(500)은, PC12 세포(cell)(C)의 농도가 1.3 x 106 cells/mL 인 용액일수 있고, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 기능성층(400)을 포함한 바이오 센서(10) 상부에 로딩될 수 있다. 로딩은 피펫 등으로 용액을 떨어뜨려 바이오 센서(10)의 상부에 올려놓는 일련의 행위를 의미할 수 있다.
다음으로, 도 1의 (e)에 도시된 바와 같이, 도파민 방출 세포의 도파민 방출을 유도하는 유도 물질을 포함된 용액(600)을 도파민 방출 세포를 포함하는 용액(500) 상에 로딩할 수 있다.
도파민 방출을 유도하는 유도 물질은 칼륨이온(K+)일 수 있다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 고농축의 칼륨이온(K+)에 의한 도파민 방출 세포막의 탈분극은, 세포 내의 칼슘이온(Ca2 +) 저장소의 방출, 또는 전압의존성 칼슘채널(voltage-dependent calcium channels, VDCCs)를 통한 세포 내부로의 칼슘이온(Ca2+)의 유입을 유도한다. 세포 내의 칼슘이온(Ca2 +)의 증가는 신경 전달 물질의 방출을 일으키고, 이는 도파민의 외포작용(exocytosis)을 유도한다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 세포로부터 방출된 도파민(510)은 기능성층(400)에 포함되어 있는 도파민 반응체(410)와 반응할 수 있다. 도파민 반응체(410)는 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)일 수 있다.
도 7은 도파민(510)과 도파민 반응체(410)와의 반응 과정을 나타낸다. 구체적으로, 세포로부터 방출된 도파민(510)은 기능성층(400)에 포함된 ABTS 라디칼(ABTS*) 두 분자와 산화환원반응(redox)하여 도파민 o-quinone, ABTS 및 수소이온(H+)을 생성할 수 있다. [ABTS* + Dopamine → ABTS Dopamine o-quinone + H+ ]
(d) 단계 이후, 도파민(510)이 도파민 반응체(410)와 반응하여 생성되는 수소 이온(H+)이 전계 효과 트랜지스터 채널에 흐르는 전류를 변화시킴에 따라 도파민 방출량을 검지할 수 있다. 구체적으로, 도파민(510)과 도파민 수용체(410)의 반응에서 생성된 수소이온(H+)은 기능성층(400)의 양전위를 증가시킬 수 있다. 기능성층(400)은 내부에 다수의 기공을 포함하고 있으므로, 수소이온(H+)이 기공 내에 채워질 수 있으며, 또한, 양이온인 수소이온(H+)은 기능성층(400)을 통과하여 전계 효과 트랜지스터에 접촉할 수도 있다. 전계 효과 트랜지스터는 p형 특성을 나타내며, 이러한 양이온의 접촉(또는, 양전위의 증가)에 의해 채널에 흐르는 전류가 감소 될 수 있다. 도파민(510)이 많이 방출될수록 도파민 수용체(410)의 반응에서 생성되는 수소이온(H+)이 많아지고, 수소이온(H+)의 양에 따라 전류의 감소 수치가 달라지게 된다. 즉, 본 발명의 도파민 검지 바이오센서(10)는 전류 감소의 수치를 측정함에 따라서 도파민이 방출된 양을 검출할 수 있게 된다.
<
실험예
>
이하, 도 8 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서를 이용한 실험예를 설명한다.
1.
실시예
1 -
기능성층이
형성된
CNT
-FET의 도파민 검지 실험
먼저, 검지가 진행되는 탄소나노튜브 채널(200) 부에 9μl 의 PBS 완충용액(phosphate buffer saline)을 로딩한다. 이때 buffer 용액은 검지하려는 타겟 물질 또는 나피온(Nafion)과 반응하지 않는 용액을 사용할 수 있다. 전계 효과 트랜지스터 바이오센서(10)의 소스-드레인 전극(310, 320)에 0.1V의 전압을 인가하여 탄소나노튜브 채널(200)부에 일정량의 전류가 흐른 상태를 유지한 뒤, 1nM 내지 100μM 범위의 다양한 농도의 도파민 용액을 첨가하는 동안 전계 효과 트랜지스터를 통한 전류의 실시간 변화를 모니터링한다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서(10)에 도파민을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다. 도 9는 종래의 전계 효과 트랜지스터 상에 도파민이 포함된 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오센서(10)는 도파민을 로딩한 후 소스-드레인 전극(310, 320)의 전류의 급격한 감소를 나타낸다. 이 결과는 도파민에 대한 본 발명의 신속한 검지 속도를 보여주며, 이는 본원 발명이 나노 수준의 농도에서 도파민을 검출하는데 사용될 수 있음을 나타낸다.
반면, 도 9에 도시된 바와 같이, 기존의 탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터의 경우 도파민 용액을 첨가한 후 소스-드레인 전극의 현저한 전류 변화는 나타나지 않았다. 도 9의 전계 효과 트랜지스터는 기능성층(400)을 포함하지 않고, ABTS 라디칼(ABTS*)을 포함하고 있지 않기 때문에 도파민과 반응하지 않고, 도파민의 첨가가 전류의 변화에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.
2.
실시예
2 -
기능성층이
형성된
CNT
-FET의 도파민의 선택적인 검지 여부 실험
그리고, 도 10은 본원 발명에 도파민이 아닌 다른 물질을 로딩 하였을 때 전류변화의 흐름을 도시한 그래프이다. 도파민 방출을 유도하는 유도 물질에 의해 PC12 세포(cell)(C)에서 도파민이 방출될 때 글루타메이트(Glutamate) 및 아세틸콜린(Acetlycoline)과 같은 다른 신경 전달 물질들이 동시에 방출될 수 있다. 따라서, 글루타메이트(Glutamate) 및 아세틸콜린(Acetlycoline)과 같은 다른 신경 전달 물질만을 본 발명의 바이오센서(10)에 로딩하여 전류변화를 측정하였다.
도 10에 도시된 바와 같이, 글루타메이트(Glutamate) 및 아세틸콜린(Acetlycoline)의 첨가는 전류흐름 변화에 영향을 주지 않았다. 이는 기능성층(400)에 포함된 도파민 반응체(410)인, ABTS 라디칼(ABTS*)의 선택성을 나타낸다. ABTS라디칼(ABTS*)은 페놀성 수산기 그룹을 가진 물질과 선택적으로 산화환원반응한다. 따라서, 페놀성 수산기를 갖지 않는 신경 전달 물질은 본원 발명의 장치에서 전류흐름의 변화를 유도하지 않는다. 이는 본 발명의 바이오센서(10)가 혼합물 내의 도파민을 선택적으로 검지하는데 사용될 수 있음을 의미한다.
3.
실시예
3 -
기능성층이
형성된
CNT
-FET의 칼륨이온(K
+
)에 대한 반응성 실험
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 도파민 검지 바이오센서에 칼륨이온(K+)만 포함하는 용액을 로딩하였을 때 나타나는 전류흐름의 변화 결과를 도시하는 그래프이다.
먼저, 검지가 진행되는 탄소나노튜브 채널(200) 부에 9μl 의 PBS 완충용액(phosphate buffer saline)을 로딩한다. 이때 buffer 용액은 검지하려는 타겟 물질 또는 나피온(Nafion)과 반응하지 않는 용액을 사용할 수 있다. 전계 효과 트랜지스터 바이오센서(10)의 소스-드레인 전극(310, 320)에 0.1V의 전압을 인가하여 탄소나노튜브 채널(200)부에 일정량의 전류가 흐른 상태를 유지한 뒤, 5mM 내지 160mM 범위의 다양한 농도의 칼륨이온(K+) 용액을 첨가하는 동안 전계 효과 트랜지스터를 통한 전류의 실시간 변화를 모니터링한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 도파민 방출 세포를 첨부하지 않고, 칼륨이온(K+)만을 첨가한 것은 본 발명의 바이오센서(10)의 전류흐름 변화에 영향을 주지 않았다.
이는 바이오센서(10)의 칼륨이온(K+) 용액에 대한 반응 특성을 보여주며, 전류흐름의 변화가 없는 것은 칼륨이온(K+) 자체는 본 발명의 바이오센서(10)에 반응하지 않음을 보여준다.
4.
실시예
4 -
기능성층이
형성된
CNT
-FET의
PC12세포(cell)에
의한 도파민 검지 실험
도 12는 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터기반 바이오센서(10)의 기능성층(400)에 도파민 방출 세포가 로딩되고, 전계 효과 트랜지스터에 칼륨이온(K+)을 로딩할 때 전류흐름의 변화를 도시하는 그래프이다.
먼저, 검지가 진행되는 탄소나노튜브 채널(200) 부에 9μl 의 PC12세포(cell)(C)가 포함되어 있는 배양액(suspension)을 로딩한다. 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 소스-드레인 전극(310, 320)에 0.1V의 전압을 인가하여 탄소나노튜브 채널(200)부에 일정량의 전류가 흐른 상태를 유지한 뒤, 20mM 내지 160mM 범위의 다양한 농도의 칼륨이온(K+) 용액을 첨가하는 동안 전계 효과 트랜지스터를 통한 전류의 실시간 변화를 모니터링한다.
도 12를 참조하면, PC12세포(cell)(C)가 배양된 배양액(suspension)만을 로딩하면, 본 발명에 따른 바이오센서(10)의 전류흐름 변화에 영향을 주지 않았음을 확인할 수 있다.
그러나, 고농축 칼륨이온(K+)의 첨가시 바이오센서의 전류흐름이 감소함을 나타낸다. 이는 PC12 세포(cell)(C)가 고농축 칼륨이온(K+)에 의해 도파민(510)을 방출하고, 방출된 도파민이 기능성층(400)에 포함된 ABTS 라디칼(ABTS*)과 반응하여 수소이온(H+)을 생성하고, 수소이온(H+)에 의해 탄소나노튜브 채널(200)에 양전위의 증가에 따라 전류흐름이 감소한 것을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 바이오센서(10)가 도파민 검지 바이오센서로 이용될 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 바이오센서
100: 기판
200: 탄소나노튜브 패턴 층
310: 소스 전극
320: 드레인 전극
330: 플로팅 전극
400: 기능성층
410: 도파민 반응체
500: 도파민 방출 세포를 포함하는 용액
510: 도파민
600: 도파민의 방출 유도 물질을 포함하는 용액
100: 기판
200: 탄소나노튜브 패턴 층
310: 소스 전극
320: 드레인 전극
330: 플로팅 전극
400: 기능성층
410: 도파민 반응체
500: 도파민 방출 세포를 포함하는 용액
510: 도파민
600: 도파민의 방출 유도 물질을 포함하는 용액
Claims (12)
- 도파민을 검지하는 바이오센서로서,
적어도 하나의 전극이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET); 및
상기 전계 효과 트랜지스터의 상부에 형성되고, 도파민 방출 세포를 포함하는 용액이 로딩되는 공간을 제공하는 기능성층
을 포함하고,
상기 기능성층은 도파민과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체를 포함하며,
상기 전계 효과 트랜지스터는,
기판;
상기 기판 상에 정제된 반도체성 탄소나노튜브가 패턴화하여 일 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 패턴층;
상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 일측에 배치된 소스 전극;
상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 타측에 배치된 드레인 전극; 및
상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되어 그 사이에 배치된 플로팅 전극
을 포함하고,
상기 기능성층은 양이온을 선택적으로 투과시키는 고분자 멤브레인(polymer membrane)이며, 상기 기능성층은 상기 기판, 상기 탄소나노튜브 패턴층, 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 플로팅 전극 상에 형성되는, 바이오센서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기능성층은 나피온(Nafion)인, 바이오센서. - 제1항에 있어서,
상기 도파민 반응체는 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)인, 바이오센서. - (a) 적어도 하나의 전극이 형성되고 전류의 흐름변화를 감지하는 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor, FET)를 형성하는 단계;
(b) 상기 전계 효과 트랜지스터의 상부에 도파민과 선택적으로 반응하는 도파민 반응체를 포함하는 기능성층을 형성하는 단계 - 상기 기능성층은 도파민 방출 세포를 포함하는 용액이 로딩되는 공간을 제공함 - ;
(c) 상기 기능성층 상에 도파민 방출 세포를 포함하는 용액을 로딩하는 단계; 및
(d) 상기 도파민 방출 세포를 포함하는 용액 상에 상기 도파민 방출 세포의 도파민 방출을 유도하는 유도 물질이 포함된 용액을 로딩하는 단계;
를 포함하고,
상기 기능성층은 양이온을 선택적으로 투과시키는 고분자 멤브레인(polymer membrane)이며, 상기 기능성층은 기판, 탄소나노튜브 패턴층, 소스 전극, 드레인 전극 및 플로팅 전극 상에 형성되고,
상기 (d) 단계 이후, 방출된 도파민이 상기 도파민 반응체와 반응하여 생성되는 수소 이온(H+)이 상기 전계 효과 트랜지스터 채널에 흐르는 전류를 변화시킴에 따라 도파민 방출량을 검지하는, 도파민 검지 방법. - 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 기능성층은 나피온(Nafion)인, 도파민 검지 방법. - 제6항에 있어서,
상기 도파민 반응체는 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼(radical)인, 도파민 검지 방법. - 제6항에 있어서,
상기 도파민 방출 세포는 PC12 세포인, 도파민 검지 방법. - 제6항에 있어서,
상기 도파민 방출을 유도하는 유도 물질은 칼륨 이온(K+)인, 도파민 검지 방법. - 삭제
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- 2017-06-19 KR KR1020170077534A patent/KR101972430B1/ko active IP Right Grant
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| An 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid)-immobilized lectrode...’, Yi-Kai Chih 등, Bioelectrochemistry 91, 2013, 44~51 (2013.01.23.)* |
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