KR20120069720A - 고감도 분자 탐지 및 분석을 가능하게 하는 나노공극을 가지는 베어, 단일층 그래핀 멤브레인 - Google Patents

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Abstract

제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제1 그래핀 멤브레인 표면 반대편의 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 그래핀 멤브레인 두께를 관통하여 연장되는 나노공극을 포함하는 실질적으로 베어, 단일층(bare, single-layer) 그래핀 멤브레인이 제공된다. 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 이온용액 내의 종을 나노공극에 제공하기 위한 제1 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제1 저장조까지의 연결 및 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 나노공극을 관통하는 종 및 이온용액의 전좌 이후에 종 및 이온용액을 회수하기 위한 제2 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제2 저장조까지의 연결이 제공된다. 그래핀 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름을 측정하기 위하여 나노공극의 양쪽 면들에 전기 회로가 연결된다.

Description

고감도 분자 탐지 및 분석을 가능하게 하는 나노공극을 가지는 베어, 단일층 그래핀 멤브레인{BARE SINGLE-LAYER GRAPHENE MEMBRANE HAVING A NANOPORE ENABLING HIGH-SENSITIVITY MOLECULAR DETECTION AND ANALYSIS}
본 발명은 일반적으로 분자 탐지 및 분석에 관계하며, 보다 상세하게는 나노공극(nanopore)을 관통하여 전좌하는(translocating) 분자들의 탐지를 위하여 배열된 나노공극의 구성에 관계한다.
본 출원은 전체가 참조로서 본 출원에 편입되는 2009.09.18일에 출원된 미국출원 제61/243,607호를 우선권 주장의 기초로 한다. 또한 본 출원은 전체가 참조로서 본 출원에 편입되는 2010.06.16일에 출원된 미국출원 제61/355,528호를 우선권 주장의 기초로 한다.
본 발명은 NIH에 의해 수여된 계약 제2R01HG003703-04호에 의한 정부 보조로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대하여 일정한 권리를 가진다.
DNA, RNA, 펩타이드 핵산(PNA) 등의 생체중합체 핵산 분자들과 같은 폴리뉴클레오티드와 생체 분자들을 포함하는 단백질 및 다른 생물학적 분자들과 같은 예의 분자들의 탐지, 특성해석, 동정 및 서열결정은 중요하면서도 확장중인 연구분야이다. 최근 중합체 분자들의 혼성화 상태, 구조, 모노머 스태킹, 서열을 신속하고 신뢰성 있으며 저렴한 방법으로 결정할 수 있는 방법에 대한 커다란 요구가 있다. 중합체 합성 및 제조 분야의 진전, 생물학적 발달 및 의학 특히 유전자 요법에서의 진전, 새로운 의약의 개발 및 환자에게 적절한 요법의 매칭은 많은 부분에서 이러한 방법에 의존한다.
분자 분석을 위한 방법에서, 핵산 및 단백질과 같은 분자들은 자연상태 또는 솔리드 스테이트(solid-state)의 나노 크기의 공극 또는 나노공극을 통하여 운반될 수 있어서, 분자의 동정, 혼성화 상태, 다른 분자들과의 상호작용, 서열 예를 들어 중합체를 구성하는 모노머의 선형적 순서를 포함하는 분자의 특성이 나노공극을 통한 운반 및 운반 과정 중에 판별될 수 있다는 것이 확인되었다. 나노공극을 통한 분자의 운반은 전기 영동 또는 다른 전좌 메커니즘(translocation mechanism)에 의해 달성될 수 있다.
나노공극에 의한 분자 분석의 특히 일반적인 구성에 있어서, 액성 이온용액(liquid ionic solution)과 그 용액 안에 제공된 연구대상 분자가 나노공극을 횡단하는 동안에 나노공극을 관통하는 이온 전류의 흐름이 모니터링된다. 이온용액 내의 분자들이 나노공극을 관통하여 전좌함에 따라 분자들은 나노공극을 관통하는 액성 용액 및 용액 내의 이온의 흐름을 적어도 부분적으로 봉쇄한다(block). 이러한 이온 용액의 봉쇄는 나노공극을 관통하는 이온 전류의 감소에 의해 탐지할 수 있다. 나노공극의 단일-분자(single-molecule) 횡단을 부여하는 구성에 의하여, 이러한 이온 봉쇄 측정 기술(ion blockage measurement technique)은 개개의 분자 나노공극 전좌 이벤트들을 성공적으로 탐지할 수 있다는 것이 입증되었다.
이상적으로, 분자 분석을 위한 이러한 이온 봉쇄 측정 기술은, 제안된 다른 것과 마찬가지로, 단일 모노머 해상도(single monomer resolution) 범위의 높은 민감도 및 해상도를 가지고 분자 특성해석을 가능하도록 하여야 한다. 개별적인 모노머 특성해석의 명확한 해상도는 생체분자 서열결정 응용 등과 같은 신뢰성있는 응용에 결정적으로 중요하다. 그러나 이러한 능력은 실제로는 달성하기가 어려우며, 솔리드 스테이트(solid-state) 나노공극 구성에서 특히 어렵다. 나노공극이 형성된 물질의 층(layer) 또는 층들의 두께에 의해 결정된 솔리드 스테이트 나노공극의 길이는 나노공극의 분자 횡단 특성에 영향을 미치며, 나노공극 내의 분자들이 탐지되고 분석될 수 있는 민감도 및 해상도를 직접적으로 제한한다는 것이 확인되었다.
통상적인 센서들의 민감도 및 해상도 한계를 극복하는 나노공극 센서가 제공된다. 이러한 것의 하나의 예로서, 제1 멤브레인 표면 및 제1 멤브레인 표면 반대편의 제2 멤브레인 표면 사이의 두께가 1 nm 미만인 솔리드 스테이트 멤브레인을 포함하는 나노공극 센서가 제공된다. 나노공극은 제1 및 제2 멤브레인 표면 사이의 멤브레인 두께를 관통하여 연장되며 멤브레인 두께보다 큰 직경을 가진다. 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 이온용액 내의 종(species)을 나노공극에 제공하기 위한 제1 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제1 저장조까지의 연결(connection) 및 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 나노공극을 관통하는 종 및 이온용액의 전좌 이후에 종 및 이온용액을 회수하기 위한 제2 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제2 저장조까지의 연결이 제공된다. 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온용액 내 종의 전좌를 모니터하기 위한 전기 회로가 연결된다.
이러한 나노공극 센서는 그래핀(graphene) 나노공극 센서로 제공될 수 있다. 여기에서, 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제1 그래핀 멤브레인 표면 반대편의 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 그래핀 멤브레인 두께를 관통하여 연장되는 나노공극을 포함하는 실질적으로 베어, 단일층(bare, single-layer) 그래핀 멤브레인이 제공된다. 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 이온용액 내의 종을 나노공극에 제공하기 위한 제1 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제1 저장조까지의 연결 및 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 나노공극을 관통하는 종 및 이온용액의 전좌 이후에 종 및 이온용액을 회수하기 위한 제2 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제2 저장조까지의 연결이 제공된다. 그래핀 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름을 측정하기 위하여 나노공극의 대향하는 측면들에 전기 회로가 연결된다.
추가적인 그래핀 나노공극 센서에서, 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제1 그래핀 멤브레인 표면 반대편의 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 그래핀 멤브레인 두께를 관통하여 연장되며, 약 3 nm 미만이고 그래핀 두께보다 큰 직경을 가지는 나노공극을 포함하는 실질적으로 베어, 단일층의 그래핀 멤브레인이 제공된다. 그래핀 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름을 측정하기 위하여 나노공극의 대향하는 측면들에 전기 회로가 연결된다.
이러한 구성들은 중합체 분자 평가 방법을 가능하게 하며 평가될 중합체 분자는 이온용액 내에 제공된다. 이온용액 내 중합체 분자는 실질적으로 베어, 단일층 그래핀 멤브레인에서 제1 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제1 그래핀 멤브레인 표면 반대편의 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 나노공극을 관통하여 전좌되며, 그래핀 멤브레인 내의 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름이 모니터된다.
이들 센서 배치 및 센싱 방법은 고-해상도, 고-민감도 분자 탐지 및 분석을 가능하게 하며, 이에 의하여 중합체 내에 근접하여 위치한 모노머들의 센싱을 달성할 수 있으며, 따라서 예를 들어 DNA 중합체 가닥 내의 각각의 모노머에 의해 야기되는 상이한 이온 봉쇄를 순차적으로 해석할 수 있다. 본 발명의 다른 구성 및 잇점은 이하의 기재 및 첨부 도면, 청구항들로부터 명확해 질 것이다.
도 1은 나노공극을 관통하는 이온 흐름의 측정에 의해 분자들을 탐지하기 위한 예시적 그래핀 나노공극 장치의 개략적 사시도이다.
도 2A-2E는 각 나노공극의 직경이 2.4 nm이고 각각의 나노공극 길이가 0.6 nm, 1 nm, 2 nm, 5 nm 및 10 nm 범위이며, 각각의 나노공극을 관통하는 여러 지점에서의 평균 이온전류 밀도가 나노공극 내에 도시된 화살표 길이로 표시되는 나노공극 내의 6개 이론적 나노공극들의 개략적 측면도이다.
도 3은 2.5 nm 직경 및 0.6 nm, 2 nm, 5 nm 및 10 nm의 유효 길이를 가지는 나노공극들의 3M KCl 이온용액 및 160 mV 나노공극 바이어스에서, 봉쇄되지 않은 나노공극을 관통하는 이온전류 및 표시된 직경의 분자에 의해 봉쇄된 동일한 나노공극을 관통하는 이온전류 사이의 절대치 차이로 정의되는 이온전류 봉쇄(ionic current blockage)를 도시한다.
도 4는 단일 그래핀 층에서 탄소 원자들의 육각형 패킹으로부터 나오는 필연적인 육각형 패턴을 보여주는 실험적 그래핀 멤브레인의 X-선 회절 이미지이다.
도 5은 멤브레인이 단일층 그래핀임을 나타내는 실험적 그래핀 멤브레인의 라만 쉬프트 측정을 도시한다.
도 6은 실험적으로 측정된 이온전류 데이터를 실험적 그래핀 멤브레인의 시스 및 트랜스 측면상의 3M KCl 이온용액 사이에 적용된 전압 바이어스의 함수로 도시한다.
도 7은 도 6의 도시 및 8 nm-폭 나노공극을 포함하는 실험적 그래핀 멤브레인에서 이온전류를 전압의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 8은 0.6 nm, 2 nm 및 10 nm 직경을 가지는 나노공극들에서 이온 컨덕턴스를 나노공극 직경의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 9는 실험적 그래핀 멤브레인 내의 2.5 nm 나노공극에서 DNA 절편들이 나노공극을 관통하여 전좌함에 따ㄴ 이온전류를 시간의 함수로 나타낸 그래프이다..
도 10A-10C는 도 9의 도시로부터 가져온 시간의 함수로 도시된 이온전류이며, 단일-파일 형태, 부분적 접힘 형태, 반으로 접힌 형태의 DNA 나노공극 전좌에서의 상세한 전류 프로파일을 도시한다.
도 11은 400개의 전좌 이벤트들에 대하여 이온전류 봉쇄를 그래핀 멤브레인 내 나노공극의 DNA 전좌 함수로 나타낸 그래프이다.
도 12는 0.6 nm 길이 나노공극 및 1.5 nm 길이 나노공극에 대하여, 이온전류 봉쇄의 퍼센트 변화를 나노공극을 관통하는 거리의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 1은 예시적인 그래핀 나노공극 분자 특성해석 장치(10)의 개략적 사시도이다. 논의의 명확화를 위하여, 도 1에 도시된 장치의 구성은 배율 없이 도시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 장치에는 나노 크기의 구멍 또는 나노공극(12)이 베어, 단일층 그래핀 멤브레인에 제공된다. 그래핀 멤브레인은 멤브레인의 아래에 멤브레인을 지지하기 위한 어떠한 구조물도 없이 자가-지지된다(self-supported). 멤브레인의 가장자리에는 지지 기판 또는 다른 구조물 (18)위에 제공될 수 있는 지지 프레임(16)이 제공될 수 있다. 자가 지지의 베어 그래핀 멤브레인은 유체 셀(fluidic cell) 내에 구성되어 그래핀 멤브레인의 제1, 즉 시스(cis), 표면은 특성해석될 분자들(20)을 포함하는 액체 용액을 수용하는 제1 액체 저장조 또는 액체 공급소에 대한 연결이고, 제2, 즉 트랜스(trans), 표면은 특성해석된 분자들이 그래핀 나노공극(12)을 관통하여 전좌에 의해 운반되는 제2 액체 저장조에 대한 연결이다.
도면에 도시된 바와 같이, 그래핀 나노공극의 일 적용예에서, 특성해석될 분자들(20)은 예를 들어 각각의 단일가닥 DNA(ssDNA) 주쇄를 따라 염기서열의 동일성을 결정함에 의하여 특성해석될 뉴클레오시드 염기(22)의 서열을 가지는 단일 가닥 DNA 분자들을 포함한다. 논의의 명확화를 위하여, 이러한 염기서열결정 예는 이하의 기재에서 채용될 것이며, 그러나 이것이 그래핀 나노공극 특성해석 장치의 유일한 응용은 아니다. 또한 후술하는 염기서열결정 조작은 DNA의 예에 한정되지 않으며, 폴리뉴클레오티드 RNA도 유사하게 특성해석될 수 있다. 그래핀 나노공극 장치에 의해 가능한 분자의 특성해석은 넓은 범위의 분석을 포함하며, 예를 들어 염기서열분석, 혼성화 탐지, 분자간 상호작용 탐지 및 분석, 구조 탐지 및 기타의 분자 특성해석을 포함한다. 특성해석될 분자들(20)은 일반적으로 중합체 및 단백질, 폴리뉴클레오티드 DNA 및 RNA와 같은 핵산, 과당 중합체 및 다른 생체 분자들과 같은 생체 분자들을 포함하는 어떠한 분자도 포함할 수 있다. 따라서 이하의 논의는 특정한 적용예에 한정하려는 것이 아니며, 다만 분자 특성해석의 구현예들의 범위 내에서 하나의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
베어, 자가-지지, 단일층 그래핀 멤브레인을 관통하여 분자들(20)이 나노공극을 통과하게 하는 구성의 배열이 도 1의 그래핀 나노공극에 제공된다. 예를 들어, 그래핀 멤브레인을 가로질러 각각의 용액의 전압을 제어하기 위하여 그래핀 멤브레인(14)의 양쪽 표면 각각의 용액에 담겨진 염화은 전극들(24, 26)이 제공될 수 있다. 멤브레인의 대향하는 측면들의 두 용액 내에 있는 전극들 사이에 전압 바이어스(voltage bias, 24)를 인가하면, DNA 주쇄가 용액 내에서 음으로 하전되기 때문에, 멤브레인의 제1 표면, 즉 시스 측면 상의 용액에 제공된 분자들, 예를 들어 ssDNA 분자들이 나노공극 안쪽으로 및 나노공극을 관통하여 멤브레인의 제2 표면, 즉 트랜스 표면 상의 용액 쪽으로 전기영동적으로 이동하게 된다.
본원에서 본 발명자들은, 2개의 이온용액-충진 저장조들을 격리시키는 베어, 단일층, 그래핀 멤브레인의 면에 수직인 이온 비저항(ionic resistivity)이 매우 커서, 전술한 바와 같은 방법으로 두 용액들 사이에서 그래핀 멤브레인을 가로질러 상당한 전압 바이어스를 형성하는 것을 가능하게 한다는 놀라운 발견을 하였다. 이하의 실험적 논의에서 더욱 설명되는 바와 같이, 이러한 발견은 그래핀 단일층을 가로지르는 전위차의 전기적 제어가 분자의 전기영동에서 요구되는 방법으로 유지될 수 있는 도 1의 구성을 가능하게 한다.
또한 본 발명자들은, 저장조들이 단지 가장자리가 프레임에 의해 지지되는 즉 전체적으로 자가-지지되는 그래핀 멤브레인 내의 나노공극을 통하여 서로 간에 직접 소통되는지 여부에 관계없이, 베어, 단일층 그래핀 멤브레인이 2개의 용액 충진 저장조들 사이에서 이들의 구조적 경계(structural barrier)로 작용하는데 기계적으로 충분히 견고하다는 것을 발견하였다. 그 결과, 단일 베어 그래핀 층의 나노공극 연접(nanopore-articulated) 멤브레인은, 베어 그래핀 멤브레인의 시스 및 트랜스 표면 상의 두 이온용액들 사이에 전압 바이어스를 인가하여 나노공극을 관통하여 분자들을 전기영동적으로 이동시키기 위하여 나노공극 분야에 익숙한 당업자들에게 공지된 방법을 사용하여 2개의 이온용액-충진 저장조들을 분리시키기 위하여 작용할 수 있다.
나노공극을 관통하여 분자들을 끌어당기기 위하여 다른 기술 및 배열이 적용될 수 있으며, 어떤 특정한 기술을 필요로 하지는 않는다. 나노공극을 관통하는 분자 전좌의 전기영동적 이동에 대한 보다 상세한 내용 및 실시예들은 그 전체가 본원에 참조로 편입되는 2003.09.30일에 등록된"생체고분자의 분자적 및 원자적 규모의 분석"이라는 미국특허 제6,627,067호에서 제공된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 나노공극(12)을 관통하여 그래핀 멤브레인의 시스 및 트랜스 표면 사이의 이온전류 흐름의 변화를 측정하기 위한 회로(26, 28)가 제공될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 나노공극(12)을 관통하는 분자들의 전좌가 탐지될 수 있으며, 분자들이 나노공극을 관통하여 이동되기 때문에 이러한 탐지에 기초하여 분석할 수 있다. 이러한 분자 탐지 기술은 그래핀 멤브레인 및 나노공극을 이용하는 광범위한 탐지 기술 중 하나이다. 전극들 사이, 예를 들면 탄소나노튜브들 또는 나노공극에 연결된 다른 프로브들(probes) 사이의 터넬링 전류(tunneling current), 프로브들 또는 그래핀 멤브레인 자체의 컨덕턴스 변화, 또는 다른 분자 탐지 기술이 그 전체가 본원에 참조로 편입되는 2008.12.23일 등록된 골로프첸코 등의 발명의 명칭이 "탄소나노튜브 제어에 의한 분자 특성해석"인 미국특허 제7,468,271호에 기재된 바와 같이 채용될 수 있다.
이온전류 흐름 측정에 의한 분자탐지 기술을 특히 고려하여, 본 발명자들은 이동하는 종(translocating species)이 없을 때의 베어, 단일층 그래핀 멤브레인의 나노공극을 관통하는 이온전류 및 나노공극 내에 있는 분자에 의해 봉쇄될 때의 이온전류 흐름이 두 경우 모두 다 다른 공지된 지질 또는 솔리드 스테이트의 멤브레인 인터페이스 내 유사한 직경을 가지는 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름보다 대략 3배 이상 크다는 놀라운 사실을 발견하였다. 다른 솔리드 스테이트 멤브레인 내의 유사한 직경의 생체 공극 또는 나노공극과 비교하여 베어, 단일층 그래핀 멤브레인 내의 나노공극을 관통하는 이러한 매우 커다란 이온전류 흐름은 그래핀 멤브레인의 얇음 및 이에 대응하여 멤브레인을 관통하는 나노공극의 길이에 기인하는 것으로 본 발명자들은 이해된다.
베어, 그래핀 멤브레인은 육각형 탄소 격자의 단일-원자 층으로서 따라서 원자 정도의 두께로 얇아서 단지 약 0.3 nm의 두께를 가진다. 이러한 두께에서, 베어, 단일층 그래핀 멤브레인 내의 나노공극을 관통하는 이온흐름은 나노공극의 길이가 공극의 직경에 비하여 매우 작은 영역(regime)으로 특징지워질 수 있다. 이러한 영역(regime)에서, 나노공극의 이온 컨덕턴스는 나노공극의 직경 'd'에 비례하며 나노공극을 관통하는 이온전류 밀도는 나노공극 중앙에서의 전류 밀도와 비교하여 나노공극의 주변(periphery) 즉 나노공극의 가장자리에서 급하게 피크를 이룬다. 이와 반대로 나노공극의 직경보다 긴 길이를 가지는 나노공극들은 나노공극 면적에 비례하는 이온 컨덕턴스에 의해 특징되어지며, 이온 컨덕턴스는 나노공극의 주변뿐만 아니라 나노공극의 중앙을 관통하여 균일하게 흘러, 이온 컨덕턴스가 나노공극 직경 전체에 걸쳐 균일하다.
이들 두 가지 나노공극 길이의 영역에서 나노공극 컨덕턴스 사이의 명확한 구분이 도 2A-2E에 도시된다. 이들 도면들을 참조하면, 각각 직경 2.4 nm 및 길이 0.6 nm, 1 nm, 2 nm, 5 nm, 10 nm를 가지는 나노공극들을 가로질러 10개의 지점에서 평균 전류 밀도가 도시된다. 도면에서 화살표의 상대적 길이는 각각의 화살표 지점에 의하여 대표되는 나노공극 부분에서의 상대적 평균 전류 밀도를 나타낸다. 도 2A-2C에 도시된 바와 같이, 나노공극의 직경 2.4 nm 보다 작은 나노공극 길이에서, 전류 밀도는 나노공극 주변에서 최대로 된다. 나노공극의 길이가 나노공극의 직경에 접근함에 따라 컨덕턴스는 나노공극을 가로질러 보다 균일하게 된다. 나노공극의 길이가 나노공극 직경보다 길게 되면, 도 2D 및 2E에서와 같이, 이온 컨덕턴스는 나노공극을 가로질러 나노공극 주변에 대한 선호도 없이 고르게 균일하다. 나노공극의 서로 다른 부분에서의 국부적 전류 밀도는 나노공극의 길이가 증가함에 따라 더욱 더 균일하게 된다.
그 결과, 베어, 단일층 그래핀 멤브레인의 나노공극에서 나노공극 직경이 나노공극 길이보다 큰 나노공극은 총 이온 컨덕턴스가, 방해받지 않는 상태에서, 나노공극의 직경보다 큰 두께를 가지는 멤브레인 내의 동일한 직경을 가지는 나노공극의 총 컨덕턴스보다 매우 크게 나타난다. 다른 조건이 동일하다면, 보다 큰 컨덕턴스는, 직경보다 얇은 멤브레인 내의 주어진 직경의 개방된 나노공극을 관통하는 총 이온전류가, 직경보다 두꺼운 멤브레인 내의 동일한 직경의 개방된 나노공극을 관통하는 총 이온전류보다 훨씬 큰 이온전류를 초래한다. 그래핀 멤브레인을 관통하는 보다 큰 이온전류는 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름의 고-정밀도 측정을 용이하게 한다.
나노공극 직경보다 작은 길이를 가지는 나노공극들을 관통하는 이온전류는 나노공극 중심축을 관통하는 것보다 나노공극 주변에서 우선하기 때문에 나노공극 중심을 가로질러 분자들 직경의 작은 변화는 이온전류 흐름의 변화에 커다란 영향을 미친다. 이는 짧은-길이 나노공극들에서 이온전류가 낮은 나노공극의 중심보다 짧은-길이 나노공극들에서의 이온전류 흐름이 최대로 되는 나노공극 주변에서 분자들의 직경 차이가 분명하게 드러나는 점에 기인한다. 그 결과, 나노공극 직경보다 작은 길이를 가지는 베어, 단일층 그래핀 나노공극이 나노공극 직경보다 큰 길이를 가지는 나노공극들보다 분자 크기의 입자들 또는 서로 다른 크기의 입자들, 분자들 또는 그들의 성분에 대하여 더욱 민감하다.
이러한 고찰의 결과가 도 3에 정량적으로 도시되며, 여기에 나노공극에서의 이온전류 봉쇄 레벨이 2.5 nm 직경 및 0.6 nm, 2 nm, 5 nm 및 10 nm의 유효 길이를 가지는 나노공극들을 중앙에서 가로지르는 중합체 분자들의 직경의 함수로 기록되었다. 계산된 전류 봉쇄(current blockage)는 비 봉쇄 나노공극 즉 나노공극 내에 중합체 분자가 없는 나노공극을 관통하는 이온전류와 표시된 직경의 중합체에 의해 봉쇄된 동일한 나노공극을 관통하는 이온전류와의 차이의 절대치이다. 그래프는 3M KCl 이온용액 및 나노공극의 시스 및 트랜스 측면들 사이의 160 mV 전압 바이어스에 의한 분자 전좌를 상정한다(assume). 여기 그래프에서 도시된 바와 같이, 나노공극들을 관통하는 이온전류는 나노공극들의 길이가 감소함에 따라 전좌 분자들의 직경 변화에 대한 민감도가 증가함을 입증한다.
본 발명자들은 또한 전좌 분자들 직경의 변화에 대한 나노공극 전도도(conductivity)의 민감도가 나노공극의 직경이 전좌 분자들의 직경과 가능한 한 유사하게 설정될 때 최대로 된다는 것을 발견하였다. 이 조건은 모든 길이의 나노공극들에 들어맞는다. 예를 들어, 도 3의 그래프에 도시된 바와 같이, 2.5 nm 직경의 나노공극들에서, 전좌 분자의 직경이 나노공극 직경에 접근함에 따라 전류 봉쇄는 증가하고, 나노공극의 길이가 나노공극의 직경보다 큰 경우 조차도 그러하다. 그러나 나노공극 길이가 나노공극의 직경보다 작은 나노공극들의 경우, 즉 그래프 데이터의 2 nm 및 0.6 nm 에서, 이러한 짧은-길이의 나노공극들은 분자 직경이 나노공극 직경에 접근함에 따라 전좌 분자 직경의 작은 변화에 대해 더욱 더 예리하게 민감함을 나타낸다. 이러한 나노공극들에 있어서, 봉쇄 전류는 봉쇄 분자 직경의 증가에 따라 지수적으로 상승한다. 나노공극 직경보다 큰 5 nm 및 10 nm 길이의 나노공극들에서는 봉쇄 분자들의 직경이 나노공극 직경에 접근한다고 하여도 봉쇄 전류는 단지 선형에 가까운 방식으로 상승한다.
이와 같이, 이동하는 분자들의 직경에 있어서의 근접하게 이격된 차이의 해상도는(the resolution of closely-spaced differences in translocating molecules' diameters) 단일층 그래핀 멤브레인에, 멤브레인 가장자리 두께보다 큰 직경을 갖지만 나노공극을 전좌하는 분자들의 예상되는 직경보다 그리 크지 않은 즉 5% 이상은 크지 않은 직경을 가지는 나노공극을 제공함에 의하여 바람직하게 최대화될 수 있다. 주어진 응용예에서 나노공극 직경에 대한 두 번째 조건을 결정하기 위하여 아래의 실시예에서 기재된 바와 같은 분석이 수행될 수 있다. 간단하게, 이러한 분석에서, 라플라스 방정식을 통하여 분자 전좌를 위해 사용될 이온용액의 이온전류 밀도가 측정되고, 분자 전좌 탐지의 원하는 민감도가 설정되며, 어떠한 나노공극 직경이 가능한가에 대한 일반적인 요구 조건들이 결정된다. 이러한 인자들 및 나노공극 직경이 멤브레인 두께보다 크다는 보다 중요한 제약조건에 기초하여 이러한 모든 인자들을 최적화하는 나노공극 직경이 선택될 수 있다.
본 발명자들은 또한 두 개의 전기적으로 바이어스된 이온용액 충진 저장조들을 격리시키는 베어, 단일층 그래핀 나노공극으로부터의 전기적 잡음이 다른 솔리드 스테이트 나노공극으로부터의 전기적 잡음보다 비교적 크지 않다는 것을 발견하였다. 그 결과 나노공극 직경보다 큰 길이를 가지는 다른 공지의 나노공극들에서보다 그래핀 나노공극을 관통하는 이온전류 변화 즉 이온 봉쇄가 임의의 주어진 직경을 가지는 분자의 횡단 동안에 크게 주어지면, 베어, 단일층 그래핀 나노공극은 다른 공지된 나노공극들보다 양호한 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 생성할 수 있으며, 이는 단위 시간 당 또는 횡단하는 뉴클레오베이스 당 카운트되는 이온 수가 많을수록 적을때보다 보다 정밀하게 되기 때문이다. 이들 발견은 그래핀의 공지된 화학적 비활성 및 이례적으로 커다란 강도와 함께, 나노공극에 의해 연접된(nanopore-articulated) 베어 단일층 그래핀 멤브레인을 분자 탐지 및 특성해석을 위한 우수한 인터페이스로 형성한다.
이러한 발견의 결과, 멤브레인이 베어의 그래핀 단일층, 즉, 양쪽면 모두 어떠한 물질의 층으로도 코팅되지 않거나 그래핀 멤브레인 두께에 어떠한 종도 부가되지 않은 멤브레인으로 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 상태에서, 멤브레인 두께가 최소화되며, 주변에서의 이온전류 흐름이 최대로 되고 분석물 물리적 크기의 변화에 대한 함수로서 나노공극 전도도가 최대로 되는 짧은 길이 나노공극 영역(short-length nanopore regime)에 확실하게 있게 된다. 그래핀 멤브레인에 의해 제공되는 매우 짧은 나노공극 길이는 또한 그래핀 나노공극이 중합체 내에 근접하게 위치한 모노머들의 센싱을 가능하게 하며 따라서 예를 들면 DNA 중합체 가닥 내의 각 모노머에 의해 야기되는 상이한 이온 봉쇄들을 연속적으로 해석할 수 있게 한다.
단일층 그래핀 멤브레인은 DNA 및 RNA 등의 중합체 분자들 같은 많은 분자들에 대해 친화력을 가진다는 점이 인정된다. 따라서, DNA, RNA 및 다른 유사한 분자들이 베어, 그래핀 멤브레인 위에 우선적으로 흡착되는 경향을 가진다는 점을 예상할 수 있다. 멤브레인을 추가되는 표면층 없이 베어 상태로 유지하는 적절한 환경 및/또는 표면 처리에 의해 멤브레인 표면의 흡수 특성을 적어도 부분적으로 억제시키는 것이 바람직하다.
예를 들어, pH가 8 보다 큰 즉 약 8.5 내지 11 사이이며, 비교적 높은 염 농도 즉 약 2M 보다 크고 2.1M 내지 5M 범위의 특징을 가지는 이온용액이 제공될 수 있다. 높은 이온 강도의 기본 용액을 채용함에 의하여 베어, 그래핀 멤브레인 표면으로의 분자들의 부착을 최소화할 수 있다. KCl, NaCl, LiCl, RbCl, MgCl2 또는 전해질 분자와의 인력이 파괴적이지 않은 임의의 가용성 염과 같은 임의의 적절하게 선정된 염도 이용될 수 있다.
또한, 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 그래핀 멤브레인을 합성하고 조작하는 동안에, 멤브레인을 깨끗한 상태로 유지하여 그래핀 표면으로 분자들을 잡아끌 수 있는 잔류물 또는 다른 종(species)이 실질적으로 존재하지 않도록 극심한 주의를 하는 것이 바람직하다. 작동 중에 그래핀 멤브레인은 그래핀 표면에서 분자들을 밀어내도록 전기적으로 조작될 수 있다는 것이 또한 인정된다. 예를 들어, 그래핀 멤브레인내의 나노공극을 관통하는 음으로 하전된 DNA 분자들의 전좌에 있어서, 그래핀 멤브레인 자체는 음으로 하전된 DNA 분자를 밀어내는 음 전위로 전기적으로 바이어스될 수 있다. 여기에서, 선택된 전압의 인가를 가능하게 하는 어떤 적절한 방식에 의한 전기적 접촉이 그래핀 멤브레인에 이루어질 수 있다. 이러한 시나리오에서, 그래핀 멤브레인 양쪽면 상의 이온용액들 사이의 전압은 그래핀 면에서의 척력을 극복하고 그래핀 면에 흡착되기 보다는 나노공극을 관통하여 DNA 전좌를 유발하는 전기영동력을 생성하기 위하여 충분히 높게 설정될 수 있다.
그래핀 나노공극을 제조하는 방법을 살펴보면, 베어 그래핀의 단일층이 임의의 편리하고 적절한 기술에 의해 합성될 수 있으며, 특정한 합성 기술이 필요한 것은 아니다. 일반적으로, 촉매 물질, 예를 들어 니켈 층 위에서 메탄 가스에 의한 상압 화학 기상 증착이 그래핀 층을 형성하기 위하여 채용될 수 있다. 이용하고자 하는 합성된 그래핀 부분이 진실로 사실상 단일층이라는 것을 입증하기 위하여 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy), 트랜스미션 일렉트론 마이크로스코피(transmission electron microscopy) 및 선택-영역 회절 분석(selected-area diffraction study)이 채용될 수 있다.
그래핀 멤브레인으로의 배치를 위하여 장치 구조물로의 그래핀 층의 이송은 임의의 적절한 기술에 의하여 수행될 수 있으나, 이송에 채용된 어떤 물질도 그래핀 표면을 오염시키지 않는 것이 바람직하다. 하나의 바람직한 기술에서, 선택된 취급 물질이 촉매 물질 및 기판 위의 합성된 그래핀 위에 도포된다. 많은 적용예에서, 그래핀 층의 취급이 종료되면 그래핀 표면으로부터 쉽게 제거되는 취급 물질(handle material)을 채용하는 것이 바람직할 수 있다. MMA-MAA(methyl methacrylate-methylacrylic acid co-polymer)가 특히 매우 적합한 취급 물질일 수 있다. 그래핀 층 위에 MMA-MAA 층이 놓여진 상태에서, 전체 구조가 조각들로 절단될 수 있다.
그 결과로 수득되는 조각들은 이어서 취급 층(handle layer)에 부착된 상태에서 그래핀 층 아래의 촉매 층 및 기판 물질을 제거하기 위하여 처리될 수 있다. 예를 들어, Ni 촉매 층의 경우, Ni 층을 식각으로 제거하여 그래핀/MMA-MAA 복합체를 유리시키기 위하여 HCl 용액이 이용될 수 있고, 세정하기 위하여 증류수가 이용될 수 있다. 이어서, 그래핀/MMA-MAA 복합체는, 수중에 뜬 상태에서, SiNx 층으로 도포된 실리콘 웨이퍼에 의해서 포획될(captured) 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 중앙 부분은 KOH 또는 다른 적절한 식각액에 의하여 식각되어 예컨대. 50 x 50 ㎛2 면적의 독립된(free-standing) SiNx 멤브레인을 생성할 수 있다. SiNx 멤브레인을 관통하는 적절한 홀을 천공하기 위하여 집속 이온 빔(FIB, focuses beam) 또는 다른 공정이 채용될 수 있고 이것이 그래핀 층 멤브레인의 프레임을 형성한다. 예를 들어, 200 nm x 200 nm의 사각 창이 그래핀 멤브레인의 프레임을 생성하기 위하여 질화 멤브레인으로 생성될 수 있다.
이러한 장치 구성이 완성되면, 그래핀/MMA-MAA 복합체는 기판에 대해서 그래핀을 견고하게 압착하기 위하여 질소 바람(부드러운 질소 제트)을 채용하여 그래핀 멤브레인 내의 사각 창 위에 놓여질 수 있다. 이어서, MMA-MAA는 아세톤을 서서히 적가하고 이어서 아세톤, 디클로로에탄 및 이소프로판올에 침지시켜서 제거될 수 있다.
멤브레인으로 구성된 후에는 그래핀에 종들이 부착되는 성향을 감소시키기 위하여 그래핀 필름에서 모든 잔류물을 제거하는 것이 바람직하다. 예를 들어, MMA-MAA가 제거된 후, 도 1에 도시된 바와 같이 질화 프레임을 가로질러 펼쳐진 그래핀 멤브레인을 포함하는 구조물은 상온에서 1분 동안 잠시 KOH 용액에 침지될 수 있으며, 이어서 물, 그 다음에는 이소프로판올, 최종적으로는 에탄올로 세차게 세정된다. 그래핀 멤브레인의 손상을 방지하기 위하여, 구조물은 임계점 건조(critical-point dry)될 수 있다. 마지막으로, 구조물은 남아있는 모든 하이드로카본을 없애기 위하여 선정된 분위기, 예컨대 약 450 ℃에서 헬륨에 4% 수소를 함유하는 가스 흐름 내에서 20분 동안의 급속 열처리 공정에 노출될 수 있다. 재오염을 방지하기 위하여, 구조물은 이어서 추가적인 처리를 위하여 바로 TEM 내에 적재하는 것이 바람직하다.
이어서, 나노공극이 그래핀 멤브레인 내에 형성될 수 있다. 나노공극을 형성하기 위하여 집속 전자 빔 또는 다른 공정이 채용될 수 있다. 나노공극의 직경은, 전술한 바와 같이 증가된 주변 이온전류 흐름 및 증가된 분자 크기 변화에 대한 민감도의 의외의 발견의 이점을 얻기 위하여 그래핀 멤브레인의 두께보다 큰 것이 바람직하다. ssDNA의 전좌를 위하여 약 1 nm 내지 20 nm 사이의 나노공극 직경이 바람직할 수 있으며, 약 1 nm 내지 2 nm 사이의 직경이 가장 바람직하다. dsDNA의 전좌를 위하여 약 2 nm 내지 20 nm 사이의 나노공극 직경이 바람직할 수 있으며, 약 2 nm 내지 4 nm 사이의 직경이 가장 바람직하다. 나노공극의 형성 후에, 그래핀 구조물을 깨끗한 환경, 예컨대 ~10-5 Torr 의 진공에 보존하는 것이 바람직하다.
도 1의 나노공극 분자 센싱 장치를 완성하기 위하여, 장착된 그래핀 멤브레인은 예컨대, 폴리디메틸실록산(PDMS) 가스켓에 의해 밀봉되는 두 개의 반-전지(half-cells) 사이, 예컨대 폴리에테르-에테르케톤(PEEK) 또는 다른 적절한 재료의 미세유체공학적(microfluidic) 카세트 사이에 삽입될 수 있다. 가스켓 오리피스는 그래핀 멤브레인의 가장자리를 용액이 새지 않도록 완벽하게 밀봉하기 위하여 그래핀 멤브레인의 크기보다 작은 것이 바람직하다.
[ 실시예 1]
본 실시예는 단일층, 베어 그래핀 멤브레인의 실험적 실증을 기술한다. 그래핀 층이 니켈 표면 위에 CVD에 의해 합성되었다. 니켈은 SiO2 층으로 도포된 실리콘 기판 위에 E-빔 증발에 의해 박막으로 제공되었다. 니켈 층은 약 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 사이 크기의 단일 결정 입자들을 갖는 Ni 필름 미세구조를 생성하기 위하여 열처리 되었다. 이들 입자들의 표면은 에피택셜 성장(epitaxial groth)용 단일 결정 기판의 표면과 유사하게 원자적으로 평평한 테라스 및 계단을 가진다. 이러한 토폴로지(topology)에 의해, Ni 입자들 위에서의 그래핀의 성장은 단일 결정 표면 위에서의 그래핀의 성장을 닮는다.
CVD 합성에서, Ni 층은 약 1000 ℃의 온도에서 수소 및 메탄 가스에 노출된다. 라만 스펙트로스코피, 주사전자현미경 및 선택-영역 회절 분석이 그래핀 필름이 매우 우수한 품질을 가지며 대부분이(87%) ~10 ㎛ 도메인 크기의 하나 및 두 개 층 두께 도메인의 혼합으로 이루어짐을 보여준다. 셋 또는 그 이상의 그래핀 층들의 두꺼운 부분은 광학 현미경에서 색의 대조에 의해 쉽게 구별되며, 단지 전체 표면의 작은 부분을 차지한다. 두꺼운 부분 또는 도메인 경계가 발견되면 그 부분은 폐기되었다.
그래핀은 그래핀을 MMA-MAA 공중합체(MMA(8.5)MAA EL9, 마이크로켐 사)로 1차 도포함에 의해 캐리어인 Si/SiNx 칩으로 이송되었으며, 0.5 nm x 0.5 mm 의 조각들로 절단되었다. 이 조각들은 Ni 필름을 에칭하여 제거하고 그래핀/중합체 멤브레인을 유리시키기 위하여 1N HCl 용액에 ~8시간 동안 침지되었으며, 이들은 그래핀/중합체가 부유되는 증류수로 이송되어 그래핀 쪽이 아래로 향하도록 부유되었다(floated). ~250 nm 두께의 SiNx로 도포된 Si 칩 캐리어가 부유된 그래핀/중합체 필름 조각들을 건져내기 위하여 사용되었으며, 그래핀/중합체 필름들이 각각 칩의 중앙 부분에 걸쳐 펼쳐지도록 주의하였다. 칩의 중앙 부분은 그 안에 ~200 nm x 200 nm의 사각 창이 집속 이온 빔(FIB)에 의해 천공된 독립된 SiNx 멤브레인으로 ~50 x 50 ㎛2 면적의 SiNx 코팅을 남기로록 표준 이방성 식각 기술을 사용하여 미세제작되었다(microfabricated). 그래핀을 칩의 표면에 대해 견고하게 압착하기 위하여 질소 가스 바람이 사용되었다. 이것은 그래핀의 아래쪽에서 적은 양의 액체를 배출시켰으며, 그래핀은 캐리어 칩의 SiNx 코팅에 강하고 비가역적으로 부착되었다. 그래핀 상부의 중합체는 아세톤을 서서히 적가하고 이어서 아세톤, 디클로로에탄에, 마지막으로 이소프로판올에 침지시킴으로써 제거하였다.
그래핀 필름에서 모든 잔류물을 제거하기 위하여, 각각의 칩은 이어서 33 wt%의 KOH 용액에 상온에서 1분 동안 침지시켰고, 이어서 이소프로판올 및 에탄올로 강하게 세정하였다. 그래핀 필름의 떠있는 독립된 부분(suspended free-standing portion)의 손상을 방지하기 위하여 각각의 칩은 임계점 건조되었다. 마지막으로, 남아있는 모든 하이드로카본을 없애기 위하여 칩은 급속 열처리기 내에 적재되어 헬륨에 4% 수소를 함유하는 가스 흐름 내에서 450 ℃로 20분 동안 가열되었다. 재오염을 방지하기 위하여, 칩들은 추가적인 처리를 위하여 주사전자현미경 내에 즉시 적재되었다.
도 4에 그래핀 멤브레인들 중 어느 하나에 대한 X-선 회절 이미지가 도시되며, 단일 그래핀 층에서 탄소 원자들의 육각형 패킹으로부터 나오는 필연적인 육각형 패턴을 보여준다. 도 5에 그래핀 층에 대한 라만 쉬프트 측정이 도시된다. 매우 작은 G 피크와 매우 날카로운 2D 피크로 G/2D 비율이 1 미만을 형성하여 단일층 멤브레인임을 나타낸다.
[ 실시예 2]
본 실시예는 실시예 1의 단일층, 베어 그래핀 멤브레인의 컨덕턴스에 대한 실험적 측정을 기술한다.
실시예 1의 칩 장착 단일층 그래핀 멤브레인이 폴리에테르-에테르케톤(PEEK)으로 이루어진 주문 제작된 미세유체공학적 카세트의 두 개의 반-전지들 사이에 삽입되었다. 칩의 양쪽 면들은 폴리디메틸실록산(PDMS) 가스켓들로 밀봉되었다. Si/SiNx 캐리어 칩 상에서 그래핀 필름에 대해 압착되는 가스켓의 개구부는 ~100 ㎛의 내경을 갖는다. 따라서, 가스켓 오리피스는 그래핀 멤브레인(0.5 x 0.5 ㎟)의 크기보다 작으며, 그래핀 멤브레인 모서리를 전해액으로부터 완벽하게 밀봉하였다. 칩의 맞은편 면에서, 전해액은 그래핀 멤브레인과 단지 SiNx 멤브레인의 200 nm 폭 사각 창만을 통하여 접촉하였다. 이러한 배열에서, 전해액과 접촉하고 있는 두 개의 그래핀 멤브레인 표면들 사이에 커다란 면적 차이가 있었음을 주목해야 한다(100 ㎛ 직경의 원형과 200 nm x 200 nm 면적의 사각형).
두 개의 반-전지들은 칩 표면의 적심(wetting)을 용이하게 하기 위하여 먼저 에탄올로 채워졌다. 셀은 이어서 탈이온수로 세척되었으며, 이어서 버퍼 없는 1M KCl 염 용액으로 세척되었다. 실험적 측정에 영향을 줄 수 있는 그래핀 멤브레인과 용질 사이에서 발생할 수 있는 상호작용을 방지하기 위하여 실험에 사용된 모든 전해액은 가능한 한 간단하게 유지하였으며 버퍼되지 않았다. 실험에서 사용전과 사용후의 모든 용액의 pH는 5.09에서 5.29 사이의 단지 0.2 pH 단위의 범위에 있었다.
그래핀 멤브레인을 가로질러 전위를 인가하고 이온전류를 측정하기 위하여 각각의 반-전지에 Ag/AgCl 전극들이 사용되었다. 전류 트레이스(current traces)가 Axopatch 200B(액손 인스트루먼트) 증폭기를 사용하여 얻어졌으며, 증폭기는 50 kHz에서 작동되는 8-극 Bessel 저역 통과 필터(type 90IP-L8L, Frequency Devices, Inc.)에 연결되었다. 아날로그 신호는 250 kHz 샘플링 속도 및 16-비트 해상도(resolution)에서 작동되는 NI PCI-6259 DAQ 카드(National Instruments)를 사용하여 디지털화 되었다. 모든 실험은 IGOR Pro 소프트웨어를 사용하여 제어되었다.
도 6은 이온전류의 실험적 측정 데이터를 그래핀 멤브레인의 시스 및 트랜스 표면상의 3M KCl 이온용액 사이에 인가된 전압 바이어스의 함수의 그래프로 도시한다. 이 데이터에 옴의 법칙을 적용하면 그래핀 멤브레인 면에 수직한 이온전류 비저항이 3~4 GΩ 범위 내에 들어오는 것을 알 수 있다. 이는 그래핀 멤브레인 면에 수직한 이온저항이 매우 크다는 본 발명의 발견을 시사하며, 이는 전압-바이어스된 두 개의 이온용액-충진 저장조들을 분리하는 베어, 단일층 그래핀 멤브레인을 가로질러 커다란 전기적 바이어스를 유지할 수 있는 구성을 가능하게 한다.
Ag/AgCl의 두 전극들 사이에 인가된 100 mV 바이어스에서, 그래핀 멤브레인의 시스 및 트랜스 표면상의 다양한 염화 전해액들에 대하여 이온전류 측정이 수행되었다. 전해액들의 전도도가 Accumet Research AR 50 전도도 미터에 의해 측정되었으며, 이는 전도도 표준 용액들(Alfa Aesar, 제품 # 43405, 42695, 42679)을 사용하여 보정되었다. 표 1은 그래핀 멤브레인의 컨덕턴스가 nS 레벨보다 훨씬 아래임을 보여준다. 최대 컨덕턴스는 그래핀과의 상호작용을 중재하는 최소 수화 셸(minimal hydration shell)과 관련이 있는 최대 원자 크기의 양이온 Cs 및 Rb에서 관찰되었다. 이 컨덕턴스는 독립된(free-standing) 그래핀 멤브레인 내의 결함 구조(defect structure)를 통한 이온 이송에 기인하였다.
용 액 그래핀 컨덕턴스(pS) 용액 전도도(10-3Sm-1) 수화 에너지(eV)
CsCl 67±2 1.42 3.1
RbCl 70±3 1.42 3.4
KCl 64±2 1.36 3.7
NaCl 42±2 1.19 4.6
LiCl 27±3 0.95 5.7
그래핀 멤브레인에 주고 받는 전기화학적 전류의 영향(contribution)은 추가적 실험에 의하여 배제되었다. 여기에서, 전기화학적(패러데이) 전류로부터의 영향을 조사하기 위하여, 별도의 대면적 그래핀 필름(~2x4 ㎟)이 글래스 슬라이드로 이송되었으며, 한쪽 끝을 위에 왁스 절연이 된 금속 클립에 부착된 은 페인트에 접촉하였다. 그래핀 필름의 노출된 끝은 Ag/AgCl의 대향 전극을 가지는 1M KCl 전해액에 담겨졌으며, 트랜스-전극 실험에서와 동일한 전압 범위에서 전기화학적 I-V 커브가 측정되었다. 표면 면적에 대하여 표준화한 후, 트랜스-전극 장치에서의 어떠한 전기화학적 전류도 세자리 수 크기로 작아 표 1의 그래핀 멤브레인을 통하여 측정된 ~pA 전류를 보상할 수 없다고 결론되었다. 상이한 양이온들에 대한 컨덕턴스는 CsCl부터 LiCl 까지 가면서 용액 전도도보다 훨씬 빠르게 떨어졌으며, 이는 그래핀-양이온 상호작용의 영향을 암시한다. 그럼에도 불구하고, 칩 표면과 접촉하고 있는 그래핀을 통한 이온의 이송을 완전히 배제할 수는 없었다.
[ 실시예 3]
본 실시예는 나노공극을 포함하는 실시예 1의 단일층, 베어 그래핀 멤브레인의 컨덕턴스에 대한 실험적 측정을 기술한다.
200 kV 가속 전압에서 작동되는 JEOL 2010 FEG 주사전자현미경의 집속 전자 빔을 사용하여 실시예 1의 여러 그래핀 멤브레인을 관통하여 나노미터 크기의 단일의 나노공극이 천공되었다. 나노공극 직경이 그래핀 멤브레인의 총 전자 노출을 최소로 유지하기 위하여 잘 펼쳐진 전자 빔 내에서 EM 가시화(EM visualization)에 의해 측정되었다. 서로 다른 나노공극 축을 따라 측정된 4개의 평균으로 8 nm의 나노공극 직경이 측정되었으며, DigitalMicrograph 소프트웨어(Gatan, Inc.)를 사용하여 보정된 TE 현미경으로부터 측정되었다. 칩이나 TEM 홀더에 오염 유기 잔류물이 있으면, 비 결정성 탄소가 전자 빔 아래에서 눈에 띄게 퇴적된 것이 보였다. 이러한 장치들은 폐기되었다. 나노공극을 천공한 후, 바로 사용되지 않은 그래핀 나노공극 칩들은 ~10-5 Torr의 청정 진공하에 보관되었다.
도 7은 8 nm-폭의 나노공극을 포함하는 그래핀 멤브레인 뿐만 아니라 연속적 그래핀 멤브레인에 대한 이온전류를 상기 실시예 2에서 적용된 전압의 함수의 그래프로 도시한다. 이러한 그래프는 그래핀 멤브레인의 이온 전도도가 나노공극에 의해 지수적으로 증가함을 보여준다. 알고 있는 그래핀 나노공극 직경들 및 알고 있는 이온용액 전도도들에 의한 실험은 베어, 단일층 그래핀 멤브레인의 유효 절연 두께의 추론을 가능하게 함이 발견되었다. 실시예 1에서의 10개의 별도 그래핀 멤브레인들이 5 내지 23 nm 범위의 나노공극 직경들을 가지도록 처리되었다. 이어서 10개의 멤브레인들 각각의 이온 컨덕턴스가 시스 및 트랜스 용액 저장조들 양쪽에 제공된 전도도 11 Sm- 1 의 1M KCl 용액에서 측정되었다. 도 8은 10개의 멤브레인들에 대해 측정된 이온 컨덕턴스를 나노공극 직경의 함수의 그래프이다. 도면에서 굵은 선은 0.6 nm-두께 절연 멤브레인의 모델화된 컨덕턴스이며, 실험적으로 측정된 컨덕턴스에 가장 잘 맞는다. 비교를 위하여, 2 nm-두께 멤브레인의 모델화된 컨덕턴스가 점선으로 도시되며, 10 nm-두께 멤브레인의 모델화된 컨덕턴스가 긴 점선으로 되시되었다.
무한히 얇은 절연 멤브레인에서 직경 d의 나노공극의 이온 컨덕턴스 G는 다음과 같이 주어진다.
Gthin = σ·d (1)
여기에서 σ= F(μk + μCl)c 는 이온용액의 전도도이며, F는 패러데이 상수이고, c는 이온 농도이며, μi(c)는 KCl 이온용액에 사용된 칼륨(i=K) 및 염소(i=Cl)의 이동도(mobility)이다. 직경에 대한 컨덕턴스의 선형 종속(Linear dependence)이 전술한 바와 같이 무한히 얇은 멤브레인에서 전류 밀도가 나노공극 주변에서 급격히 피크를 이루는 결과 나타난다. 나노공극 직경보다 두꺼운 멤브레인의 경우, 전도도는 나노공극 면적에 비례한다. 유한한, 그러나 얇은 두께의 멤브레인의 경우, 컴퓨터 계산이 컨덕턴스를 예측할 수 있다.
도 8의 그래프에 도시된 바와 같이, 직경 범위 5 내지 23 나노미터의 단일층, 베어 그래핀 멤브레인 나노공극들의 전도도는, 식 (1)에 일치하여 나노공극 직경에 대해 선형에 유사한 종속성을 나타낸다. 모델화된 커브는 이상화된 비하전 절연 멤브레인(idealized uncharged, insulating membrane)에서 나노공극 직경 및 멤브레인 두께의 함수로 나노공극 이온 전도도의 계산에 기초하여 생성되었다. 이 커브 상의 점들은 적절한 용액 전도도 및 경계 조건에 의해 이온전류 밀도에 대한 라플라스 방정식의 수치적 해석 및 전도도를 구하기 위한 나노공극 면적에 걸친 적분에 의하여 얻어졌다. 이러한 수학적 시뮬레이션은 나노공극 축을 따라서 원통형 대칭의 적절한 3-D 기하학적 구조에서 COMSOL Multiphysics finite element solver를 사용하여 수행되었다. Poisson-Nerst-Planck 방정식의 전체 세트가 정상상태 영역(steady-state regime)에서 풀려졌다. 관심있는 물리학적 파라미터 범위 즉 높은 염 농도 및 작은 인가 전압에서 수치적 시뮬레이션 결과가 매우 작은 계산적 페널티를 가지는 고정된 컨덕턴스에 의한 라플라스 방정식의 결과와 크게 다르지 않다는 것이 확인되었다. 이러한 이상화된 모델에서 사용된 멤브레인 두께 L은 이하에서 그래핀의 절연 두께 또는 LIT로 칭한다. 도 8에서 측정된 나노공극 컨덕턴스 데이터에 가장 잘 맞는 것은 최소 제곱 에러 분석으로부터 결정된 불확정성을 가지고 LGIT = 0.6(+0.9 - 0.6) nm 로 나타난다.
[ 실시예 4]
본 실시예는 실시예 1의 단일층, 베어 그래핀 멤브레인의 나노공극을 통한 DNA 전좌의 실험적 측정을 기술한다.
전술한 실시예들의 미세유체공학적 셀이 1 mM EDTA를 함유하는 pH 10.5의 3M KCl 염 용액으로 세척되었다. 전술한 바와 같이, 높은 염 농도 및 높은 pH가 DNA-그래핀 상호작용을 최소화하는 것으로 확인되었으며, 따라서 이러한 용액 조건들이 바람직할 수 있다. 이중가닥 람다(lambda) DNA 분자들의 10kbp 제한 절편들이 시스템의 시스 챔버로 도입되었다. 음으로 하전된 DNA 분자들이, 인가된 160 mV의 전기영동력에 의해 나노공극으로 전기영동적으로 끌어당겨지고 나노공극을 관통하여 이동되었다. 나노공극을 관통하는 각각의 절연 분자(insulating molecule)는 중합체 크기 및 구조를 반영하는 방식으로 나노공극의 이온 전도도를 점진적으로 감소시키거나 봉쇄하였다. 인가된 전기영동력으로 인하여 DNA 절편들이 나노공극을 횡단함에 따라, 전좌 이벤트들은 기록 조건을 미믹(mimic)하기 위하여 적절한 Bessel 필터 함수에 의해 컨벌루션된 복수의 스퀘어 펄스로 이루어진 피팅 함수(fitting function)를 사용하여 MATLAB에 의해 분석되었다.
도 9는 시스 및 트랜스 저장조들 사이에 전압 바이어스가 인가된 때부터 1분 동안 나노공극을 관통하는 이온전류 측정을 시간의 함수로 도시한 그래프이다. 도시된 것에서 측정된 전류의 각각의 드롭(drop)은 나노공극을 관통하는 DNA 전좌에 대응하며, 이는 두 개의 파라미터들 즉 평균전류 드롭 또는 봉쇄 및 분자가 나노공극을 관통하여 완전하게 전좌하는데 걸리는 시간인 봉쇄기간의 특성평가를 가능하게 한다. 1분 동안에 베어 그래핀 멤브레인 나노공극에서의 전좌 이벤트의 높은 수치는 높은 pH 염용액 및 DNA 전좌 실험을 위한 준비기간 동안에 그래핀 멤브레인의 조심스런 세정 및 취급에 의하여 베어 그래핀 멤브레인 표면에 DNA 부착의 성공적인 억제를 나타낸다.
도 10A, 10B 및 10C는 단독의 전좌 이벤트들에서 나노공극을 관통하는 이온전류 측정을 도시한 그래프이다. 도 10A는 단일 파일(single-file) 형태 DNA의 전좌 동안의 이온전류 흐름 봉쇄를 도시한다. 도 10B는 부분적으로 접힌 DNA의 전좌 동안의 이온전류 흐름 봉쇄를 도시한다. 도 10C는 반으로 접힌 DNA의 전좌 동안의 이온전류 흐름 봉쇄를 도시한다. 이들 세 개의 실험적 전좌 이벤트들은 DNA 절편들의 전좌 동안에 생길 수 있는 가능한 이온전류 흐름 측정을 정형화하며 DNA 접힘 및 배좌(conformation)가 통상적인 두꺼운 솔리드 스테이트 나노공극들에서와 같이 그래핀 나노공극에서도 발생할 수 있음을 입증한다.
실시예 1에 따른 별도의 그래핀 멤브레인에 5 nm-폭의 나노공극이 형성되었으며, pH 10.4의 3M KCl 용액에서 이중가닥 DNA의 전좌 실험이 수행되었다. 각각의 단일 분자 전좌 이벤트는 평균전류 드롭 또는 봉쇄 및 분자가 공극을 관통하여 완전하게 전좌하는데 걸리는 시간인 봉쇄기간의 두 개의 파라미터에 의해 특징지어진다. 도 11은 그래핀 나노공극을 관통하여 400 개의 이중가닥 DNA 단일 분자 전좌에 대한 전류 드롭 및 봉쇄기간의 수치를 도시한 산개도이다. 이 데이터의 특징적 형태는, 접힌 것 및 접히지 않은 것의 모든 이벤트들이 고정 electronic charge deficit(edc) 라인 근처에 떨어지는, 즉 각각의 분자들이 나노공극을 관통하여 이동하는데 걸리는 총 시간 동안에 동일한 분자들이 접혔는지 여부에 관계없이 각각은 나노공극을 관통하는 동일한 양의 이온전하 이동을 봉쇄하는 실리콘 질화 나노공극 실험에서 얻어지는 것과 유사하다. 여기에서, 이전의 실험에서와 같이, 나노공극을 관통하는 이중가닥 DNA는 그래핀 표면에 부착됨에 의한 제약을 받지 않았음을 예시한다. 도시된 것에서, 원으로 둘러싸인 몇몇의 이벤트들은 이 조건을 만족하지 않으며 그들의 긴 전좌 시간들은 그래핀-DNA 상호작용을 나타내며, 이는 나노공극을 관통하는 그들의 전좌를 지연시킨다.
도 11의 그래프에서, 삽입도(insert)는 두 개의 단일-분자 전좌 이벤트들을 나타낸다. 오른쪽의 이벤트에서, 도 10A의 실시예에서와 같이, 분자는 접히지 않은 선형 상태로 나노공극을 관통한다. 왼쪽의 이벤트에서, 도 10B의 실시예에서와 같이, 분자는 나노공극에 진입할 때 그 자체가 접혔으며, 짧은 시간 동안 전류 봉쇄를 증가시킨다.
DNA 전좌 이벤트 동안의 나노공극 컨덕턴스의 측정은 그래핀 멤브레인의 유효 절연 두께, LIT 평가의 대안적 방법으로 채용될 수 있다. 실험적으로 결정된 개방-나노공극 및 DNA-봉쇄 나노공극의 컨덕턴스가 멤브레인 두께 및 나노공극 직경이 피팅 파라미터인 수치해석에 의해 결정된 것과 비교되었다. 여기에서, DNA 분자는 나노공극 중심을 관통하여 끼워진 직경 2 nm의 길고 단단한 절연 로드로 모델화되었다. 측방의 해상도 계산을 위하여, DNA 모델에 2.2 nm 직경 단계가 추가되었으며, 이온전류의 변화가 나노공극 중심을 관통하는 불연속 전좌(discontinuity translocate)로 계산되었다. 총 이온전류가 나노공극 직경을 가로질러 이온밀도를 적분함에 의하여 계산되었다.
직경 2 nm의 접히지 않은 이중가닥 DNA의 전좌 동안에 관찰된 평균 전류 봉쇄 ΔI = 1.24 ± 0.08 nA 및 DNA가 없는 나노공극의 관찰된 컨덕턴스 G = 105 ± 1 nS 를 사용하여, 그래핀 멤브레인 절연두께가 LIT = 0.6 ± 0.5 nm로 결정되었으며, 전술한 바와 같이 개방 나노공극 측정만으로 추론된 수치와 매우 우수하게 일치한다. 이들 계산으로부터 추론된 나노공극 직경 dGIT = 4.6 ± 0.4 nm 역시 나노공극의 TEM으로부터 얻어진 기하학적 구조의 직경 5 ± 0.5 nm와 일치한다.
두 실험들로부터 가장 잘 들어맞는 수치 LIT = 0.6 nm는 멤브레인 양쪽 표면상의 그래핀-물 거리(graphene-water distance)가 0.31 - 0.34 임을 보여주는 분자 동력학 시뮬레이션과도 일치한다. LIT 는 또한 Stern 층에서 고정화 물 분자들 및 흡착된 이온들의 전형적인 존재에 의해 영향을 받을 수도 있다. 다른 한 편으로, 이론적 연구들은 그래핀 상의 고정화 물 층에 대하여 논쟁을 하며, 실험적 측정들은 물과 내측의 휘어진 탄소 나노튜브 표면 사이의 비정상적으로 높은 슬립(slip)을 지지한다. 비록 베어 단일 그래핀 층상에 특별하게 흡착된 이온들의 표면 화학에 대하여 아려진 것이 거의 없으나, 1 nm 미만의 직경을 가지는 탄소 나노튜브 내측 공간을 관통하는 이온전류의 측정은 이온들이 이들 그래파이트 표면상에서 전혀 고정화되지 않는다는 것을 나타낼 수도 있다. 여기에서 결정된 나노미터 미만의 LIT 수치가 이러한 관점을 뒷받침한다.
여기에서 얻어진 극히 작은 LIT 값은 단일층, 베어 그래핀 멤브레인 내의 나노공극들은 분자가 나노공극을 관통할 때 분자의 길이를 따라 공간적 및/또는 화학적 분자 구조를 판별하는데 매우 독특하게 최적임을 시사한다.이러한 나노공극에 의해 얻을 수 있는 분자 탐지 해상도의 수치적 모델링은 그래핀 멤브레인 절연 두께 LIT 의 결정에 기초하여 달성될 수 있다.
이러한 모델의 실시예에서, 2.4 nm-직경의 나노공극 중심을 관통하여 대칭적으로 이동하는 기다란, 절연의 2.2 nm-직경의 실린더가 특정되었다. 그 길이를 따라 어느 한 지점에서, 실린더 직경은 2.2 nm에서 2.0 nm로 불연속적으로 변화한다. 불연속부가 공극을 관통함에 따른 이러한 기하학적 구조에서의 컨덕턴스를 해석함으로써, 도 12에 도시된 데이터를 얻었다. 증가하는 나노공극 컨덕턴스에 상응하여 감소하는 이온전류 흐름 봉쇄는 분자 실린러의 큰 직경 부분이 나노공극에 존재할 때 명확하게 볼 수 있다. 두 LIT 수치에 대한 계산 결과가 도시되었다. 보수적인 LIT = 1.5 nm에 대해서, 전도도가 최대치의 75% 에서 최대치의 25%로 변화는 거리로 정의되는 공간 해상도는 δzGIT = 7.5 Å으로 주어지며, 반면 최적 수치 LIT = 0.6 nm는 δzGIT = 3.5 Å이 된다.
전술한 모델링 뿐만 아니라 앞에서 상세히 기술한 실험 양쪽으로부터 베어, 단일층 그래핀 멤브레인 내의 나노공극은 나노미터 미만의 해상도를 가지고 내재적으로 분자들을 탐침할 수 있다고 결론지을 수 있다. 그래핀 나노공극 주변의 기능화 또는 전좌 동안에 국부적 면내(in-plane) 이온 전도도의 관찰은 이러한 시스템의 해상도의 추가적인 증대에 대한 추가적인 또는 대안적인 수단을 제공할 수 있다.
전술한 기재로부터, 나노공극을 관통하는 분자 전좌 이벤트를 센싱하기 위하여 멤브레인 두께보다 큰 직경의 나노공극을 포함하는 자가 지지 멤브레인 내에 베어, 단일층 그래핀의 원자적으로 얇은 시트(sheet)가 제조될 수 있음이 입증되었다. 베어, 단일층으로써 그래핀 멤브레인의 두께가 최소화되며, 짧은-길이 나노공극 영역에서 확실하게 주변에서의 이온전류 흐름이 최대화되며 나노공극 길이의 함수로서 나노공극 전도도가 최대화된다. 그래핀 멤브레인에 의하여 제공되는 매우 짧은 나노공극 길이는 또한 그래핀 나노공극이 중합체 내에서 매우 근접하여 위치하는 모노머들의 센싱을 가능하게 하며 따라서 예를 들어 DNA 중합체 가닥 내의 각 모노머에 의해 야기되는 상이한 이온 봉쇄를 연속적으로 분석할 수 있도록 한다.
이러한 고찰에 기초하여, 기술이 발전하면 선택적 재질의 고체 상태 멤브레인이 단일층, 베어 그래핀 멤브레인 층으로 대체될 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 약 1 nm 이하의 두께를 가지며 멤브레인 두께보다 큰 직경을 가지며 멤브레인 두께를 관통하여 연장되는 나노공극을 기계적으로 지지할 수 있는 고체 상태 멤브레인이 전술한 분자 센싱 능력, 특히 DNA 센싱 능력을 보유하기 위하여 채용될 수 있다. 멤브레인 나노공극을 관통하는 분자 전좌를 위한 시스 및 트랜스 저장조들 사이에 멤브레인 물질의 배치를 할 수 있도록 하는 전술한 멤브레인 면에 수직인 비저항, 기계적 완전성 및 다른 특성의 요구조건이 필요할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 이온전류 봉쇄의 측정 또는 다른 전기적 측정이 주어진 응용예에 적합하게 채용될 수 있으며, 어떤 특정한 측정 기술이 필요한 것은 아니다.
이러한 이해를 더욱 연장하면, 나노공극의 대안적 구성이 채용될 수 있음이 인정된다. 예를 들어, 매우 날카롭거나 뾰쪽한 모서리 지점을 가지며 여기에서 구멍 직경이 나노미터 크기로 감소하고 이는 직경이 감소하는 지점의 두께보다 큰 구멍을 생성할 수 있는 멤브레인 또는 다른 구조물이 또한 채용될 수 있다. 따라서, 이러한 요구조건을 만족하는 구멍이 구성될 수 있는 어떠한 고체 상태 구조적 구성도 전술한 분자 센싱의 잇점을 얻기 위하여 채용될 수 있다.
물론 당업자는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 전술한 구현예에 대한 다양한 변형이나 추가가 가능함이 인정된다. 따라서, 여기에서 보호받고자 하는 바는 본 발명의 범위 내에서 청구항 및 이의 모든 균등물까지 연장된다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (38)

  1. 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제1 그래핀 멤브레인 표면 반대편의 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 그래핀 멤브레인 두께를 관통하여 연장되는 나노공극을 포함하는 실질적으로 베어인, 단일층 그래핀 멤브레인(bare, single-layer graphene membrane);
    제1 그래핀 멤브레인 표면에서 이온용액 내의 종(species)을 나노공극에 제공하기 위한 제1 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제1 저장조까지의 연결 (connection);
    제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 나노공극을 관통하는 종 및 이온용액의 전좌 이후에 종 및 이온용액을 회수하기 위한 제2 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제2 저장조까지의 연결(connection); 및
    그래핀 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름을 측정하기 위하여 나노공극의 대향하는 면들에 연결되는 전기 회로(electrical circuit)를 포함하는 그래핀 나노공극 센서(graphene nanopore sensor).
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 회로는 그래핀 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름을 측정하기 위하여 제1 및 제2 이온용액들 사이에 연결되는 그래핀 나노공극 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 회로는 나노공극을 관통하는 시간 의존성(time-dependent) 이온전류 흐름을 측정하기 위하여 연결되는 전류 모니터(electrical current monitor)를 포함하는 그래핀 나노공극 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전류 모니터는 나노공극을 관통하는 종의 전좌(species translocation)를 보여주는 시간 의존성 이온전류 흐름 봉쇄를 측정하기 위하여 연결되는 그래핀 나노공극 센서.
  5. 제1항에 있어서, 나노공극을 관통하여 종의 전좌를 전기영동적으로 일으키도록 나노공극을 가로질러 전압을 인가하기 위하여 제1 및 제2 이온용액들 각각에 배치되는 전극을 더 포함하는 그래핀 나노공극 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 이온용액은 염 농도가 약 2M 보다 큰 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 이온용액은 pH가 약 8 보다 큰 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이온용액은 KCl인 그래핀 나노공극 센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 나노공극이 관통하여 연장되는 그래핀 멤브레인의 제1 및 제2 표면 사이의 그래핀 멤브레인 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 1 nm 내지 약 10 nm 사이인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 1 nm 내지 약 5 nm 사이인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  12. 제1항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 3 nm 미만인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  13. 제1항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 2.5 nm 미만인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  14. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 멤브레인은 두께가 약 2 nm 미만인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  15. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 멤브레인은 두께가 약 1 nm 미만인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  16. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 멤브레인은 두께가 약 2 nm 미만인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  17. 제1항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종의 직경 특성보다 약 5% 이상 크지 않은 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  18. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 멤브레인은 멤브레인 프레임 구조물에 의해 멤브레인 가장자리에서 기계적으로 지지되는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  19. 제1항에 있어서, 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종은 생체 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  20. 제1항에 있어서, 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종은 DNA 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  21. 제1항에 있어서, 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종은 RNA 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  22. 제1항에 있어서, 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종은 올리고뉴클레오티드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  23. 제1항에 있어서, 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종은 중합체 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  24. 제1항에 있어서, 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종은 뉴클레오티드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  25. 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제1 그래핀 멤브레인 표면 반대편의 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 그래핀 멤브레인 두께를 관통하여 연장되며 약 3 nm 미만이고 그래핀 두께보다 큰 직경을 가지는 나노공극을 포함하는 실질적으로 베어인, 단일층 그래핀 멤브레인; 및
    그래핀 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름을 측정하기 위하여 나노공극의 양쪽면들에 연결되는 전기 회로를 포함하는 그래핀 나노공극 센서.
  26. 제25항에 있어서, 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 이온용액 내의 중합체 분자들을 나노공극에 제공하기 위한 제1 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제1 저장조까지의 연결; 및
    제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제2 그래핀 멤브레인 표면까지의 나노공극을 관통하는 중합체 분자들 및 이온용액의 전좌 이후에 중합체 분자들 및 이온용액을 회수하기 위한 제2 그래핀 멤브레인 표면으로부터 제2 저장조까지의 연결을 더 포함하는 그래핀 나노공극 센서.
  27. 제25항에 있어서, 나노공극을 관통하는 중합체 분자의 전좌를 보여주는 시간 의존성 이온전류 흐름 봉쇄를 측정하기 위하여 전류 모니터가 연결되는 그래핀 나노공극 센서.
  28. 제26항에 있어서, 나노공극을 관통하여 종의 전좌를 전기영동적으로 일으키도록 나노공극을 가로질러 전압을 인가하기 위하여 제1 및 제2 이온용액들 각각에 배치되는 전극을 더 포함하는 그래핀 나노공극 센서.
  29. 제25항에 있어서, 상기 이온용액은 염 농도가 약 2M 보다 크고 pH가 약 8 보다 큰 것을 특징으로 하는 그래핀 나노공극 센서.
  30. 제1 멤브레인 표면에서 제1 멤브레인 표면 반대편의 제2 멤브레인 표면까지의 멤브레인 두께가 약 1 nm 미만인 솔리드 스테이트(solid state) 멤브레인;
    제1 및 제 2 멤브레인 표면들 사이의 멤브레인 두께를 관통하여 연장되며 멤브레인 두께보다 큰 직경을 가지는 나노공극;
    제1 멤브레인 표면에서 이온용액 내의 종을 나노공극에 제공하기 위한 제1 멤브레인 표면으로부터 제1 저장조까지의 연결;
    제1 멤브레인 표면에서 제2 멤브레인 표면까지의 나노공극을 관통하는 종 및 이온용액의 전좌 이후에 종 및 이온용액을 회수하기 위한 제2 멤브레인 표면으로부터 제2 저장조까지의 연결; 및
    솔리드 스테이트 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온용액 내 종의 전좌를 모니터하기 위하여 연결되는 전기 회로를 포함하는 나노공극 센서.
  31. 제30항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 1 nm 내지 약 10 nm 사이인 것을 특징으로 하는 나노공극 센서.
  32. 제30항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 1 nm 내지 약 5 nm 사이인 것을 특징으로 하는 나노공극 센서.
  33. 제30항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 3 nm 미만인 것을 특징으로 하는 나노공극 센서.
  34. 제30항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 약 2.5 nm 미만인 것을 특징으로 하는 나노공극 센서.
  35. 제30항에 있어서, 상기 나노공극은 직경이 나노공극을 관통하여 전좌하는 이온용액 내 종의 직경 특성보다 약 5% 이상 크지 않은 것을 특징으로 하는 나노공극 센서.
  36. 이온용액 내에 평가하고자 하는 중합체 분자를 제공하는 단계;
    실질적으로 베어인, 단일층 그래핀 멤브레인에서, 제1 그래핀 멤브레인 표면에서 제1 그래핀 멤브레인 표면 반대편의 제2 그래핀 멤브레인 표면까지 나노공극을 관통하여 이온용액 내 중합체 분자를 전좌시키는 단계; 및
    그래핀 멤브레인 내 나노공극을 관통하는 이온전류 흐름을 모니터하는 단계를 포함하는 중합체 분자의 평가 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 이온전류 흐름을 모니터하는 단계는 나노공극을 관통하는 중합체 분자의 전좌를 보여주는 시간 의존성 이온전류 흐름 봉쇄를 측정하는 것을 포함하는 중합체 분자의 평가 방법.
  38. 제36항에 있어서, 나노공극을 관통하여 중합체 분자의 전좌를 전기영동적으로 일으키도록 나노공극을 가로질러 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 중합체 분자의 평가 방법.
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