KR20150117945A - Bio sensor based upon reduced graphene oxide and method for sensing bio-material using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 및 이를 이용한 바이오 물질 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 민감도와 반복성을 가지며, 별도의 표지 물질 없이 실시간으로 바이러스와 같은 생물학적 물질을 효과적으로 검출할 수 있는 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 및 이를 이용한 바이오 물질 검출 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a reduced graphene oxide-based biosensor and a method for detecting a biomolecule using the same, and more particularly, to a biosensor having a high sensitivity and repeatability and capable of effectively detecting a biological material such as a virus in real- Reduction graphene oxide-based biosensor and a biomaterial detection method using the same.
바이오 센서는 건강관리를 위한 모니터링, 식품독성 및 병원균 검출 등의 용도로 활용되는 센서이다. 글루코스 기반의 바이오 센서의 상업적 성공 이후, 표적 분석체의 종류는 핵산, 단백질, 세포 및 조직까지 확대되고 있다. 하지만, 검출 민감도와 선택도는 여전히 바이오 센서 개발에서 중요한 이슈로 대두되고 있으며, 이러한 목적으로 보다 향상된 나노기술이 대두되고 있다. Biosensors are sensors that are used for healthcare monitoring, food toxicity, and pathogen detection. Following the commercial success of glucose-based biosensors, the types of target analytes are expanding to nucleic acids, proteins, cells and tissues. However, detection sensitivity and selectivity are still an important issue in the development of biosensors, and more advanced nanotechnologies are emerging for this purpose.
예를 들어, 양자점, 금속 또는 반도체 나노와이어, 탄소나노튜브, 및 광학 및 전기적 트랜스듀서에 결합된 나노구조의 폴리머 등이 바이러스 검출을 위한 바이오센싱 물질로 제안되고 있다. 특히 전기화학 방식에 기반한 탄소나노튜브 및 전계 효과 트랜지스터(FET) 바이오 센서는, 다양한 생물학적 물질을 효과적으로 센싱할 수 있다. 예를 들어, Garcia-Aljaro et al. 은 박테리오파지 T7을 103 pfu/mL의 센싱 한계까지 단일벽 탄소나노튜브 기반 화학저항성 바이오 센서로 센싱하는 기술을 개시하고 있다. 하지만, 상기 탄소나노튜브를 이용하는 종래 기술은 높은 제조비용, 낮은 분산도, 불가피한 금속 오염 및 탄소나노튜브의 조성 불균일성 등의 문제가 존재한다. For example, quantum dots, metal or semiconductor nanowires, carbon nanotubes, and nanostructured polymers bonded to optical and electrical transducers have been proposed as biosensing materials for virus detection. In particular, carbon nanotubes and field effect transistor (FET) biosensors based on electrochemical methods can effectively sense various biological materials. For example, Garcia-Aljaro et al. Discloses a technique for sensing bacteriophage T7 with a single walled carbon nanotube based chemical resistance biosensor up to a sensing limit of 10 < 3 > pfu / mL. However, the conventional techniques using the carbon nanotubes have problems such as high manufacturing cost, low dispersion, unavoidable metal contamination, and non-uniformity of carbon nanotubes.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 상술한 문제를 해결하기 위한, 새로운 바이오물질 검출 센서를 제공하는 것이다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new biomaterial detection sensor for solving the above-mentioned problems.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 구비되며, 서로 이격된 소스 및 드레인 전극; 상기 소스 및 드레인 전극과 각각 접촉하는 환원된 그래핀 산화물층; 및 상기 환원된 그래핀 산화물층 상에 고정되며, 검출하고자 하는 바이오 물질과 특이적으로 결합하는 프로브를 포함하는 전계 효과 트랜지스터 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서를 제공한다. According to an aspect of the present invention, Source and drain electrodes provided on the substrate and spaced apart from each other; A reduced graphene oxide layer in contact with the source and drain electrodes, respectively; And a field effect transistor device which is fixed on the reduced graphene oxide layer and includes a probe that specifically binds to a biomolecule to be detected, wherein the field effect transistor device comprises a reduced graphene oxide based biosensor .
본 발명의 일 실시예에서, 상기 환원된 그래핀 산화물은 마이크로 미터 크기로 패턴된 것이다. In one embodiment of the present invention, the reduced graphene oxide is patterned in micrometer size.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 환원된 그래핀 산화물층은 1 nm 이하 두께의 단일층을 이룬다. In one embodiment of the present invention, the reduced graphene oxide layer is a single layer of less than 1 nm thick.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 환원된 그래핀 산화물층은 상기 기판 상에 그래핀 산화물 형태로 도포된 후, 환원 가스 분위기에서 환원된 것이며, 상기 프로브와 상기 바이오 물질간의 결합에 따라 상기 전계 효과 트랜지스터 소자로부터의 전류 변화가 발생한다. In one embodiment of the present invention, the reduced graphene oxide layer is coated on the substrate in the form of graphene oxide and then reduced in a reducing gas atmosphere, and the field effect A current change from the transistor element occurs.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 바이오물질은 바이러스이며, 상기 프로브는 상기 바이러스와 특이적으로 결합할 수 있는 항체이다. In one embodiment of the present invention, the biomaterial is a virus, and the probe is an antibody capable of specifically binding to the virus.
본 발명은 상술한 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서를 적어도 2 이상 포함하며, 상기 바이오 센서가 어레이 구조를 이루는 바이오 물질 센싱 시스템을 제공한다. The present invention provides a biosensor sensing system including at least two reduced graphene oxide based biosensors, wherein the biosensor has an array structure.
본 발명은 상술한 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서를 이용한 바이오 물질 센싱 방법으로, 상기 검출하고자 하는 바이오 물질과 특이적으로 결합하는 프로브가 결합된 상기 환원된 그래핀 산화물층으로 시료를 접촉시키는 단계; 상기 드레인 전류를 측정하는 단계; 및 상기 드레인 전류의 변화가 발생함에 따라, 상기 시료 내에 상기 검출하고자 하는 바이오 물질이 검출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 물질 센싱 방법을 제공한다. The present invention provides a biomaterial sensing method using the reduced graphene oxide based biosensor, comprising: contacting a sample with the reduced graphene oxide layer to which a probe specifically binding with the biomaterial to be detected is bound; Measuring the drain current; And detecting the biomaterial to be detected in the sample as the drain current is changed.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 바이오 물질 센싱 방법은, 상기 드레인 전류의 변화가 증가함에 따라 상기 시료 내에 상기 검출하고자 하는 바이오 물질의 농도가 높은 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the biosensor sensing method further includes determining that the concentration of the biomaterial to be detected is high in the sample as the change in the drain current increases.
본 발명은 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 제조방법으로. 흑연 산화물 용액으로부터 그래핀 산화물을 제조하는 단계; 상기 제조된 그래핀 산화물층을 기판 상에 적층하는 단계; 상기 그래핀 산화물층을 환원시켜, 환원 그래핀 산화물층을 형성시키는 단계; 상기 환원 그래핀 산화물층의 양 측면에 소스 및 드레인 전극을 적층하는 단계; 상기 환원 그래핀 산화물층을 패터닝하는 단계; 및 상기 환원 그래핀 산화물층 상에 검출하고자 하는 바이오 물질과 특이적으로 결합하는 프로브를 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a method for producing a reduced graphene oxide-based biosensor. Producing graphene oxide from a graphite oxide solution; Stacking the prepared graphene oxide layer on a substrate; Reducing the graphene oxide layer to form a reduced graphene oxide layer; Stacking source and drain electrodes on both sides of the reduced graphene oxide layer; Patterning the reduced graphene oxide layer; And fixing a probe that specifically binds to the biomaterial to be detected on the reduced graphene oxide layer. The present invention also provides a method for producing a reduced graphene oxide-based biosensor.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 패터닝된 환원 그래핀 산화물은 1 nm 이상 1000 nm 이하의 너비를 가지며, 상기 환원 그래핀 산화물층을 패터닝하는 단계는, 노출된 환원 그래핀 산화물층을 산소 플라즈마로 식각시키는 방식으로 진행된다. In one embodiment of the present invention, the patterned reduced graphene oxide has a width of from 1 nm to less than 1000 nm, and the step of patterning the reduced graphene oxide layer comprises exposing the reduced reduced graphene oxide layer to an oxygen plasma Etching process.
또한, 상기 흑연 산화물 용액으로부터 그래핀 산화물을 제조하는 단계는, 흑연 산화물 입자로부터 박리된 그래핀 산화물 용액을 원심분리하는 단계; 상기 원심분리된 그래핀 산화물 용액 중 상층액에 포함된 그래핀 산화물을 제거하는 단계를 더 포함한다.In addition, the step of preparing the graphene oxide from the graphite oxide solution may include the steps of: centrifuging the graphene oxide solution separated from the graphite oxide particles; And removing graphene oxide contained in the supernatant of the centrifuged graphene oxide solution.
본 발명은 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물을 전계 효과 트랜지스터 소자에 사용하여, 실시간으로, 별도의 표지물질 사용없이 로타바이러스와 같은 생물학적 물질을 검출할 수 있다.
The present invention uses a micropatterned reduced graphene oxide in a field effect transistor device to detect a biological material such as rotavirus in real time without the use of a separate labeling substance.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자의 제조방법을 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 로타바이러스 항체를 고정화시키고, 상기 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자로 바이러스를 검출하는 방법을 설명하는 모식도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 대면적 그래핀 산화물의 SEM 사진이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 대면적 그래핀 산화물의 같은 부분 제거 AFM 사진이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 대면적 그래핀 산화물의 XPS 분석 결과이고, 도 3d는 환원된 후의 대면적 그래핀 산화물의 XPS 분석 결과이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 바이오 소자의 디지털 이미지이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 바이오 소자의 반사 현미경 이미지이다.
도 4c는 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물의 SEM 이미지이고, 도 4d는 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물의 불필요한 요소가 제거된 AFM 데이터이다.
도 4e는 0 내지 -10V 범위의 상이한 게이트 전압 하에서의 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 바이오 소자의 Id vs. Vd 커브이다.
도 4f는 -10V의 Vd 전압하에서 측정된 Id vs. Vg 커브이다.
도 5a는 로타바이러스 시료의 농도에 따른 반응 전류 신호값을 나타내는 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 바이오 소자의 검출 한계 데이터이다.
도 5 c는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 배설물 시료 농도에 따른 반응 전류 신호값을 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram illustrating a method of fabricating a micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating a method for immobilizing a rotavirus antibody according to an embodiment of the present invention and detecting the virus with the micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device.
3A is a SEM photograph of a large area graphene oxide prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 3b is a photograph of the same partial removal AFM of large area graphene oxide prepared in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 3c is a result of XPS analysis of a large area graphene oxide produced according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3d is a result of XPS analysis of a large area graphene oxide after reduction.
Figure 4A is a digital image of a micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor biostructure fabricated in accordance with an embodiment of the present invention.
4B is a reflection microscope image of a micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor biodegradable device fabricated according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4C is an SEM image of a micropatterned reduced graphene oxide, and FIG. 4D is AFM data in which unnecessary elements of the micropatterned reduced graphene oxide are removed.
Fig. 4e shows the Id vs. Id of a micropatterned reduced graphene oxide-based field-effect transistor biodegradable device under different gate voltages in the range of 0 to -10V. Vd curve.
FIG. 4f shows Id vs. Vd measured under a Vd voltage of -10V. Vg curve.
5A is a graph showing a reaction current signal value according to the concentration of a rotavirus sample.
FIG. 5B is a detection limit data of a micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor biodegradable device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5C is a graph showing a reaction current signal value according to an actual excrement sample concentration according to an embodiment of the present invention. FIG.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of components may be exaggerated for convenience. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. In addition, abbreviations displayed throughout this specification should be interpreted to the extent that they are known and used in the art unless otherwise indicated herein.
한편, 현재 탄소에 기반을 둔 재료들, 예를 들어 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 다이아몬드(diamond), 그래파이트 (graphite), 그래핀(graphene), 그래핀 산화물 (Graphene oxide) 등이 다양한 분야의 나노기술에서 연구되고 있으며, 바이오 센서(biosensor)로 탄소 나노튜브가 활용됨은 종래 기술에서 설명한 바와 같다. On the other hand, materials based on carbon such as carbon nanotube, diamond, graphite, graphene, and graphene oxide are currently used in various fields. Nanotechnology has been studied, and the use of carbon nanotubes as a biosensor is as described in the prior art.
이러한 탄소기반 소재 중 하나인 그래핀은 2차원 물질로서 밴드갭이 0(zero gap)인 반도체 물질이며, 최근 몇 년간 그래핀의 전기적 특성에 관하여 다양한 연구들이 발표되고 있다. 이러한 그래핀의 전기적인 특성에는 양극성 슈퍼전류(biopolarsupercurrent), 스핀이동(spin transport), 양자 홀 효과(quantum hole effect) 등이 포함된다. 현재 그래핀은 탄소를 기반으로 하는 나노 전자 소자의 집적화를 위한 기본 단위로 이용될 수 있는 물질로 각광을 받고 있으며, 전극물질로서의 그래핀의 이용성 또한 무한하다. 또한, 그래핀 산화물(GO)은 그래핀 유도체로서, 우수한 생체 적합성, 독특한 광발광(photoluminescent (PL)), 우수한 소광(quenching) 효율, 그리고 표면 개질 용이성 등을 갖는다. Graphene, one of these carbon-based materials, is a two-dimensional semiconductor material with a bandgap of zero gap. In recent years, various studies have been published on the electrical properties of graphene. The electrical properties of these graphenes include bipolar supercurrents, spin transport, and quantum hole effects. Currently, graphene is widely used as a basic unit for integrating carbon-based nano-electronic devices, and the availability of graphene as an electrode material is also endless. In addition, graphene oxide (GO) is a graphene derivative having excellent biocompatibility, unique photoluminescent (PL), excellent quenching efficiency, and ease of surface modification.
흑연의 미세박리, 화학적 기상 증착과 그래핀 산화물의 환원 등의 다양한 그래핀 제조 방법 중, 합성 방법으로 제조된 그래핀 산화물 용액은 저렴한 흑연 물질로부터 대면적의 그래핀 기반 시트의 제조를 가능하게 한다. 더 나아가, 화학적으로 유도된 그래핀 산화물 단일층은 일면의 길이가 20 내지 200 ㎛ 수준인 대면적을 가지며, 이 수준의 크기는 통상의 리소그래피 공정을 통하여 패터닝 가능한 수준이다. 따라서, 대면적의 환원된 그래핀 산화물(RGO) 또한 높은 재생산성을 갖는, 그래핀 기반 전기화학적 바이오 센서에 활용될 수 있으며, 본 발명자는 이러한 특징에 주목하였다. 또한 그래핀의 우수한 특성은 생물학적 활동을 높은 성능으로 검출하는데 활용될 수 있다. Among various graphene production methods such as micro-stripping of graphite, chemical vapor deposition and reduction of graphene oxide, the graphene oxide solution produced by the synthetic method enables the production of a large-area graphene-based sheet from inexpensive graphite material . Furthermore, the chemically induced graphene oxide monolayer has a large area with a length on one side of the order of 20 to 200 micrometers, and the magnitude of this level is patternable through conventional lithographic processes. Therefore, large area reduced graphene oxide (RGO) can also be utilized in graphene-based electrochemical biosensors with high regenerative acidity, and the inventors have paid attention to this feature. The excellent properties of graphene can also be used to detect biological activity with high performance.
특히 종래 기술에 의한 그래핀 기반 센서 등은 그래핀을 변형 Hummer`s 방식으로 제조된 그래핀 산화물을 사용하며, 상기 방식은 흑연 플레이크 또는 분말을 출발 물질로 하여 수백 나노미터에서 수 마이크로까지의 크기를 갖는 그래핀 시트를 박리시키는 방식이다. 하지만, 이 경우, 그래핀 산화물은 불규칙적인 모서리면과, 형태, 그리고 다른 크기를 가지며, 그 결과 그래핀 산화물 기반 전계효과 트랜지스터 소자는 불가피하게 재생산성이 떨어지는 문제가 있다. Particularly, a graphene-based sensor according to the prior art uses graphene oxide produced by a modified Hummer's method, and this method uses graphene oxide as a starting material from graphite flakes or powder, and has a size ranging from several hundred nanometers to several micro Is peeled off from the graphen sheet. However, in this case, the graphene oxide has irregular edge faces, morphology, and other sizes, and as a result the graphene oxide-based field effect transistor device inevitably has a problem of poor reproducibility.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명자는 실리콘산화물/실리콘(SiO2/Si) 기판 상의 미세패턴된 환원 그래핀 산화물(MRGO)를 제조하였으며, 단일층의 미세패턴된 환원 그래핀 산화물은 FET 센서로서 p-타입 거동을 나타내며, 본 발명에 따라 제조된 미세패턴된 환원 그래핀 산화물-전계효과 트랜지스터 (MRGO-FET) 소자는 폴리디메틸실록산 마이크로채널과 결합되어, 별도의 표지 물질이 필요하지 않으며, 실시간으로 로타바이러스를 효과적으로 검출할 수 있다. In order to solve this problem, the present inventors have produced fine patterned reduced graphene oxide (MRGO) on a silicon oxide / silicon (SiO 2 / Si) substrate and a single layer of finely patterned reduced graphene oxide A finely patterned reduced graphene oxide-field effect transistor (MRGO-FET) device, which exhibits a p-type behavior and is fabricated in accordance with the present invention, is combined with a polydimethylsiloxane microchannel so that no separate labeling material is required, Can effectively detect rotavirus.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴된 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서의 제조 공정 및 그 효과를 상세히 설명한다.
Hereinafter, the manufacturing process and effect of the fine patterned reduced graphene oxide-based biosensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
실시예 Example
대면적 그래핀 산화물 제조Large Area Graphene Oxide Manufacturing
변형 Hummer 방식으로 대면적 그래핀 산화물(LAGO) 현탁액을 제조하였다. 이를 간단히 설명하면, 먼저 흑연 플레이크 1g을, 250 mL의 비이커에서 황산(34 mL) 및 질산나트륨(0.75 g)을 함유하는 용액에 첨가하고, 얼음-물 배스에 둔 채, 자석 바로 격렬하게 교반하였다. 다음, KMnO4 5g을 천천히 첨가하고, 온도를 섭씨 35도까지 상승시켰다. 다음, 2시간 교반 후, 증류수(50 mL)를 상기 혼합물에 첨가하였다. 30분 후, 30%의 과산화수소수(4 mL) 용액을 방울 단위로 첨가하고, 1:10의 염산 수용액으로 옮겼다. 이후 밤새 진행된 인큐베이션 후, 셀룰로스 아세테이트 멤브레인 필터에 의한 필터링에 따라 대면적 그래핀 산화물(LAGO)과 함께 흑연 산화물을 수득하였다. 이후, pH 7에서 12000rpm으로 원심분리하여, 물로 세척하였다. A large area graphene oxide (LAGO) suspension was prepared by the modified Hummer method. Briefly, 1 g of graphite flake was added to a solution containing sulfuric acid (34 mL) and sodium nitrate (0.75 g) in a 250 mL beaker and stirred vigorously with the magnet left in an ice-water bath . Then, 5 g of KMnO 4 was added slowly and the temperature was raised to 35 degrees Celsius. Then, after stirring for 2 hours, distilled water (50 mL) was added to the mixture. After 30 minutes, 30% hydrogen peroxide solution (4 mL) was added dropwise and transferred to a 1:10 aqueous hydrochloric acid solution. After overnight incubation, graphite oxide was obtained with large area graphene oxide (LAGO) following filtration with a cellulose acetate membrane filter. Then, it was centrifuged at 12000 rpm at
다음, 상기 흑연 산화물 용액을 8000rpm에서 원심분리하고, 상층액에 존재하며, 나노미터 수준의 작은 크기의 그래핀 산화물 시트를 제거하였다. 이후, 상기 침전물을 물에 재현탁시키고, 2000rpm에서 30분간 원심분리하고, 대면적 그래핀 산화물을 상층액에서 수득하였다. 혹시 존재할 수 있는 흑연 입자를 제거하기 위하여, 상기 수득된 용액을 500rpm으로 30분간 다시 3회 원심분리를 하여 세척하여, 고순도의 대면적 그래핀 산화물을 제조하였다. 상기 대면적 그래핀 산화물 용액(0.6 mg/mL)을 p-타입 실리콘 웨이퍼 상에 도포한 후 500 rpm으로 1분간 스핀 코팅하였는데, 상기 실리콘 웨이퍼는 열적 방식으로 산화되어, 게이트 절연체로서 300nm의 SiO2를 형성한 것이다. 상기 실리콘 산화물/실리콘 기판 상에 코팅된 대면적 그래핀 산화물을. H2/Ar 혼합 기체로 100 sccm으로 섭씨 220도에서 2시간 동안 주입하여 환원시키고, 다시 온도를 3시간 동안 섭씨 900도로 상승시켰다.
Next, the graphite oxide solution was centrifuged at 8000 rpm, and a graphene oxide sheet having a small size on the order of nanometers was removed from the supernatant. The precipitate was then resuspended in water, centrifuged at 2000 rpm for 30 minutes, and large area graphene oxide was obtained in the supernatant. In order to remove any graphite particles that might be present, the obtained solution was washed by centrifugation three times again at 500 rpm for 30 minutes to prepare a high purity large area graphene oxide. The above-described large-area graphene oxide solution (0.6 mg / mL) was coated on a p-type silicon wafer and then spin-coated at 500 rpm for 1 minute. The silicon wafer was thermally oxidized to obtain 300 nm SiO 2 . A large area graphene oxide coated on the silicon oxide / silicon substrate. H 2 / Ar mixed gas at 100 sccm at 220 ° C for 2 hours, and then the temperature was raised to 900 ° C for 3 hours.
마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자의 (an MRGO-FET) 제조Manufacture of a micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device (an MRGO-FET)
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 포토리소 그래피 공정을 통하여 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자를 제조하였다.As shown in FIG. 1, in one embodiment of the present invention, a micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device was prepared by photolithography.
도 1을 참조하면, 상기 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 제조방법은, 먼저 흑연 산화물 용액으로부터 그래핀 산화물을 제조하고, 상기 제조된 그래핀 산화물층을 기판 상에 적층한 후, 이를 환원시킨다. 이는 전술한 대면적 그래핀 산화물 제조 방식에서 설명한 바와 같다. Referring to FIG. 1, the reduced graphene oxide-based biosensor manufacturing method first produces graphene oxide from a graphite oxide solution, laminates the prepared graphene oxide layer on a substrate, and reduces the graphene oxide layer. This is as described for the large area graphene oxide manufacturing method described above.
이후, 상기 환원 그래핀 산화물층의 양 측면에 소스 및 드레인 전극을 적층하여, 상기 환원 그래핀 산화물층을 패터닝하여, 환원 그래핀 산화물 기반 전계 효과 트랜지스터 소자를 제조하며, 이는 도 1에 도시된 바와 같다. 이후, 상기 환원 그래핀 산화물층 상에 검출하고자 하는 바이오 물질과 특이적으로 결합하는 프로브를 고정시키는데, 도 1에 나타난 제조공정을 보다 설명하면 다음과 같다. Thereafter, source and drain electrodes are laminated on both sides of the reduced graphene oxide layer and the reduced graphene oxide layer is patterned to produce a reduced graphene oxide based field effect transistor device, as shown in Figure 1 same. Thereafter, a probe that specifically binds to the biomaterial to be detected is immobilized on the reduced graphene oxide layer. The manufacturing process shown in FIG. 1 will be described in more detail as follows.
먼저 SiO2/Si 기판 상에 코팅된 대면적의 환원 그래핀 산화물을 HMDS로 15분간 전처리하고, 다음 포지티브 포토레지스트(S1818)를 상기 웨이퍼 상에 2500rpm으로 2 ㎛ 두께로 스핀코팅하였다. First, a large area reduced graphene oxide coated on a SiO 2 / Si substrate was pretreated with HMDS for 15 minutes, and then a positive photoresist (S1818) was spin-coated on the wafer at 2500 rpm to a thickness of 2 μm.
이후, 마스크 상의 소스 및 드레인 전극의 패턴을 상기 대면적 그래핀 산화물 상에 UV 조사 및 현상 공정을 통하여 전사시켰는데, 이는 도 1의 단계 1 내지 3에 도시된 바와 같다. Then, patterns of the source and drain electrodes on the mask were transferred onto the large area graphene oxide through UV irradiation and development process as shown in
전자 빔 스퍼터링 및 열 증발법을 사용하여 상기 노출된 영역에 10nm와 100nm의 두께의 크롬과 금을 각각 적층하였다(단계 4). 상기 제조된 크롬/금 전극은 단계 4에 도시된 바와 같이 대면적 그래핀 산화물과 연결된다. 아세톤, 이소프로판올, 및 증류수를 사용하여, 잔류하는 포토레지스트를 제거하고, 기판 표면을 질소로 건조시켰다. Chromium and gold having a thickness of 10 nm and 100 nm, respectively, were laminated on the exposed region using electron beam sputtering and thermal evaporation (Step 4). The prepared chrome / gold electrode is connected to the large area graphene oxide as shown in
또 다른 마스크를 사용, 상술한 포토리소 그래피 공정을 반복, 상기 대면적 그래핀 산화물층을 사각형(20 x 20 ㎛)으로 패터닝하였다. 상기 대면적 그래핀 산화물 상에 포토레지스트를 원하는 크기로 코팅하고, 산소 플라즈마를 80 W로 90초간 처리하여, 노출된 대면적 그래핀 산화물층을 식각하였다(단계 5 내지 8 참조). 최종적으로 상기 보호 포토레지스트를 제거함으로써 얻어지는 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-트랜지스터 소자(MRGO-FET)를, 아르곤 가스로 섭씨 350도로 1시간동안 열처리하여, 환원 그래핀 산화물과 크롬/금 전극 간의 접합력을 향상시켰다. 마지막으로, 상기 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 층 상의 잔류 포토레지스트를 제거하였다.
Using the other mask, the photolithography process described above was repeated, and the large area graphene oxide layer was patterned into a square (20 x 20 mu m). The photoresist was coated to a desired size on the large area graphene oxide and the oxygen plasma was treated at 80 W for 90 seconds to etch the exposed large area graphene oxide layer (see
마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자를 이용한 바이러스 검출Micropatterned reduced graphene oxide-based virus detection using field effect transistors
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 로타바이러스 항체를 고정화시키고, 상기 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자로 바이러스를 검출하는 방법을 설명하는 모식도이다.2 is a schematic diagram illustrating a method for immobilizing a rotavirus antibody according to an embodiment of the present invention and detecting the virus with the micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device.
도 2에서 상기 환원 그래핀 산화물에 2mM PSE 용액(메탄올 용매)을 상온에서 2시간동안 인큐베이션시키고, 다음 순수 메탄올로 세척하여 잔류하는 과량의 PSE를 제거함으로써, 상기 환원된 그래핀 산화물은 비공유 결합 방식으로 기능화된 상태이다. 상기 금 전극 상에서의 비특이적 생물학적 분자의 흡착을 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 상기 전계 효과 트랜지스터 소자를 1-도데칸티올(DDT, 10mM) 용액에 1시간 침지시키고, 메탄올로 린스하였다. PDMS 마이크로 채널(길이 x 너비 x 높이: 9 mm × 200 μm × 100 μm)를, 마이크로 채널에서 정렬된 상기 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자의 기판에 접합시켰다. 여기에서 마이크로 패터닝이라 함은 대면적 환원 그래핀 산화물을 보다 적은 크기로 패터닝하는 것을 의미하며, 보다 바람직하게는 1 내지 10 ㎛ 수준으로 패터닝함을 의미한다. 2, a 2 mM PSE solution (methanol solvent) was incubated in the reduced graphene oxide for 2 hours at room temperature, and then washed with pure methanol to remove residual residual PSE, whereby the reduced graphene oxide was covalently bonded . In order to prevent the adsorption of nonspecific biological molecules on the gold electrode, the field effect transistor device according to the present invention was immersed in 1-dodecane thiol (DDT, 10 mM) solution for 1 hour and rinsed with methanol. A PDMS microchannel (length x width x height: 9 mm x 200 m x 100 m) was bonded to the substrate of the micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device aligned in the microchannel. Herein, micropatterning means patterning a large area reduced graphene oxide to a smaller size, and more preferably, patterning at a level of 1 to 10 μm.
본 발명의 일 실시예에서는 로타바이러스-특이적 항체(100 μg/mL)를 상기 마이크로 채널의 PBS 완충액(10 mM, pH 8.4)에 로딩하고, 2시간동안 상온에서 인큐베이션하여, 공유결합 방식으로 상기 항체를 본 발명에 따른 상기 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자에 고정(immobilize)시켰다. In one embodiment of the present invention, a rotavirus-specific antibody (100 μg / mL) is loaded into the microchannel's PBS buffer solution (10 mM, pH 8.4) and incubated at room temperature for 2 hours, Antibodies were immobilized to the micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device according to the present invention.
과량의 로타바이러스 항체를 PBS 용액으로 세척하고, 다시, 에탄올아민(100mM) 용액 20㎕를 주입하고, 1시간동안 인큐베이션하여, 비반응성 PSE와 비특이적 표적물질이 상기 그래핀 표면 상에 결합하는 것을 방지하였다. 본 발명에 따른 상기 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자의 전기 시그널은, 300㎕/h의 유속을 갖는 PBS 완충액(pH 7.4)에서 안정화되었으며, 이후 100㎕의 로타바이러스 용액을 10 내지 105 pfu/mL의 농도 범위에서 로딩하고, 특이적 로타바이러스 결합(포획)여부를 전류 변화로 모니터링하였다. 5 종류의 독립적 실험을 바이러스 시료의 각 농도별로 나누어 수행하여, 전류 값을 평균냈다. The excess rotavirus antibody was washed with PBS solution, and then 20 μl of ethanolamine (100 mM) solution was injected again and incubated for 1 hour to prevent binding of non-reactive PSE and nonspecific target material on the graphene surface Respectively. The electric signal of the micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device according to the present invention was stabilized in a PBS buffer (pH 7.4) having a flow rate of 300 μl / h. Then, 100 μl of rotavirus solution was added to 10 To 10 < 5 > pfu / mL, and the presence or absence of specific rotavirus binding (capture) was monitored by current change. Five independent experiments were performed for each concentration of virus samples and the current values were averaged.
실제 시료 분석을 위하여, 본 발명의 일 실험예에서는 거위 배설물을 50 mL PBS 완충액으로 희석시켰다. 배설물 시료를 균질하게 분산시키기 위하여, 본 발명의 일 실험예에서는 상기 시료를 초음파 처리하고, 상층액을 분리, 수득하였다. 본 발명에 따른 바이오 센서 성능에 영향을 미칠 수 있는 철이 상기 시료 내에 포함될 수 있으므로, 상기 상측액을 밤새 투석하고, 상기 시로 용액 2.7 mL 각각을 0.3 mL 로타바이러스 용액(10 내지 104 pfu/mL )과 혼합하였다. 이후, 시료 100 ㎕를 상기 전계 효과 트랜지스터 소자에 로딩하고, 로타바이러스 분석을 진행하였다.
For practical sample analysis, the goose excrement was diluted in 50 mL PBS buffer in an experimental example of the present invention. In order to homogeneously disperse the feces sample, the sample was subjected to ultrasonic treatment in an experimental example of the present invention, and the supernatant was separated and obtained. Iron, which may affect the performance of the biosensor according to the present invention, may be contained in the sample. Therefore, the upper solution is dialyzed overnight, and 2.7 mL of the solution is added to 0.3 mL of rotavirus solution (10 to 10 4 pfu / mL) ≪ / RTI > Then, 100 mu l of the sample was loaded into the field effect transistor device, and rotavirus analysis was carried out.
분석analysis
대면적 그래핀 산화물(LAGO)과 환원 대면적 그래핀 산화물 분석Large Area Graphene Oxide (LAGO) and Reduced Area Graphene Oxide Analysis
Hummer`s 방식에 따라 그래핀 산화물 현탁액을 제조하고, 수 나노미터에서 수백 나노미터의 직경을 갖는 그래핀 산화물을 얻었다. 나노미터 크기의 그래핀 산화물은 DNA 센서 프로브와 세포로 약물을 전달하는 캐리어로 적합하지만, 이 크기는 나노전기소자를 제조하기에는 너무 작다. 하지만, 가혹한 산화 공정을 생략하는 변형 Hummer`s 방식은, 그래핀이 나노크기로 쪼개지는 것을 방지하며, 그 결과 수 마이크로미터에서 수백 마이크로 미터의 크기를 갖는 그래핀 산화물 제조를 가능하게 한다. 상기 대면적 그래핀 산화물은 통상의 포토리소그래피 공정이 적용될 수 있는 수준의 크기를 가지며, 그 결과, 랜덤한 네트워크 구조를 갖는 CNT 기반의 종래 바이오 센서에 비하여, 신뢰성있는 데이터 수집이 가능하다. 본 발명에서 대면적 그래핀 산화물이라 함은 1 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하의 너비(크기)를 갖는 그래핀 산화물을 의미하며, 적어도 통상의 통상의 포토리쏘그래피 공정이 적용될 수 있는 수준을 갖는다면, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. A graphene oxide suspension was prepared according to the Hummer's method and graphene oxide having a diameter of several nanometers to several nanometers was obtained. Nanometer-sized graphene oxide is suitable as a DNA sensor probe and a carrier for delivery of drugs to cells, but this size is too small to produce nanoelectronic devices. However, the modified Hummer's method, which bypasses the harsh oxidation process, prevents graphene from splitting into nanoscale, and as a result enables the production of graphene oxide with a size of several micrometers to several micrometers. The large-area graphene oxide has a size that can be applied to a conventional photolithography process, and as a result, reliable data collection is possible as compared with a conventional CNT-based conventional biosensor having a random network structure. In the present invention, the large-area graphene oxide refers to a graphene oxide having a width (size) of not less than 1 μm and not more than 1,000 μm, and at least has a level at which a conventional usual photolithography process can be applied, All belong to the scope of the present invention.
본 발명에 따라 제조된 대면적 그래핀 산화물의 SEM 및 AFM 분석 등을 다음과 수행하여, 그 결과를 얻었다.SEM and AFM analysis of the large-area graphene oxide produced according to the present invention were carried out as follows, and the results were obtained.
도 3a는 대면적 그래핀 산화물의 SEM 사진이다. 3A is a SEM photograph of a large area graphene oxide.
도 3a를 참조하면, 상대적으로 균일한 대면적 그래핀 산화물 시트가 형성되었음을 알 수 있으며, 상기 시트의 측면 크기는 50 ㎛ 이상이었다. Referring to FIG. 3A, it can be seen that a relatively uniform large-area graphene oxide sheet was formed, and the side size of the sheet was 50 μm or more.
도 3b는 대면적 그래핀 산화물의 AFM 사진이다.3B is an AFM photograph of a large area graphene oxide.
도 3b를 참조하면, 상기 대면적 그래핀 산화물은 1 nm 미만의 두께를 가지며, 부드러운 표면 모폴로지를 갖는 것을 알 수 있다. 또한 대면적 그래핀 산화물 층의 대부분은 단일 층으로 존재하였다. Referring to FIG. 3B, it can be seen that the large area graphene oxide has a thickness of less than 1 nm and has a smooth surface morphology. Most of the large area graphene oxide layers were present as a single layer.
도 3c는 대면적 그래핀 산화물의 XPS 분석 결과이고, 도 3d는 환원된 후의 대면적 그래핀 산화물의 XPS 분석 결과이다. FIG. 3C shows the results of XPS analysis of the large-area graphene oxide, and FIG. 3D shows the XPS analysis of the large-area graphene oxide after the reduction.
도 3c를 참조하면, 세 개의 상이한 C 1s 패턴이 상기 대면적 그래핀 산화물 층에 나타나는데, 이것은 다음과 같다. Referring to FIG. 3C, three different C 1s patterns appear in the large area graphene oxide layer, as follows.
284.8 eV 에서 57.19 % 탄소-탄소(C-C), 286.7 eV 에서 30.27 % 에폭시-에테르(C-O) 및 288.2 eV에서 12.54 % 카르보닐기 (C=O)가 나타났다.(C-C) at 284.8 eV, 30.27% epoxy-ether (C-O) at 286.7 eV and 12.54% carbonyl group (C = O) at 288.2 eV.
수소/아르곤과 같은 환원기체 분위기에서 진행된 3시간 열처리(어닐링) 공정 후, 환원된 대면적 그래핀 산화물은 284.8 eV에서 주요 C1 피크를 나타냈다. C-C 결합 수준이 82.73%까지 증가하였으며, C-O 및 C=O 결합은 13.77% 및 3.5% 수준까지 감소하였다(도 3d 참조). 상기 결과는 SiO2/Si 기판 상에 적층된 대면적 그래핀 산화물은 균일한 단일층 형태이며, 그래핀 산화물 단일층에 기반한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 또한 가능하다는 것을 나타낸다.
After 3 hours of heat treatment (annealing) in a reducing gas atmosphere such as hydrogen / argon, the reduced large area graphene oxide showed a major C1 peak at 284.8 eV. CC bonding level increased to 82.73%, and CO and C = O bonding decreased to 13.77% and 3.5% level (see FIG. 3D). The results show that the large area graphene oxide stacked on the SiO 2 / Si substrate is in the form of a uniform single layer, and that the fabrication of field effect transistor devices based on a single layer of graphene oxide is also possible.
마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자Micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor devices
본 실험예에서는 종래 기술에 따른 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 제조된 환원 그래핀 산화물을 마이크로 패터닝하여, 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물에 기반한 전계 효과 트랜지스터 소자를 제조하였다. In this experiment, a micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device was fabricated as shown in FIG. 1 by micropatterning the reduced graphene oxide using a conventional photolithography process.
먼저, 크롬/금 소스 및 드레인 전극을 환원 그래핀 산화물층의 측면(에지)에 20 ㎛ 간격을 갖도록 하여 적층하였다. 환원 그래핀 산화물의 크기는 50 ㎛를 초과하므로, 상기 전극과 환원 그래핀 산화물간 접촉이 가능하다.First, chromium / gold source and drain electrodes were laminated on the side (edge) of the reduced graphene oxide layer with a 20 占 퐉 spacing. The size of the reduced graphene oxide exceeds 50 [mu] m, so that contact between the electrode and the reduced graphene oxide is possible.
이후, 포토리소그래피 공정을 반복하여, 20 × 50 μm 크기의 포토레지스트를 상기 환원 그래핀 산화물 상에 패터닝하였다. 나머지 영역에 노출되는 환원 그래핀 산화물은 O2 플라즈마 공정을 사용, 제거하였으며, 이후 잔류하는 포토레지스트는 세척 공정을 통하여 제거하였다. 그 결과, 마이크로 크기로 패턴된 구조의 환원 그래핀 산화물이, 트랜지스터 소자의 게이트 위치에 포함되는 전계 효과 트랜지스터 소자가 제조되었다.
Thereafter, the photolithography process was repeated to pattern a photoresist with a size of 20 占 50 占 퐉 on the reduced graphene oxide. The reduced graphene oxide exposed to the remaining area was removed using an O 2 plasma process, and the remaining photoresist was then removed through a cleaning process. As a result, a field effect transistor element in which reduced graphene oxide having a micro-sized pattern structure was included in the gate position of the transistor element was manufactured.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된, 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물-전계 효과 트랜지스터 소자는 어레이 형태를 이루는 바이오 물질 센싱 시스템에 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 센싱 시스템에서, 3.5 × 3.5 cm2 면적에서 21개 중 적어도 10개 이상의 단위 트랜지스터 소자가 효과적으로 기능 할 수 있었으며, 이에 따라 다양한 종류의 바이오 물질을 하나의 센싱 시스템을 검출할 수 있다. A micropatterned reduced graphene oxide-field effect transistor device fabricated in accordance with one embodiment of the present invention may be included in an arrayed biomaterial sensing system. In the biosensor sensing system according to an embodiment of the present invention, at least ten or more unit transistor elements out of 21 in an area of 3.5 x 3.5 cm 2 could function effectively, Can be detected.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 형태의 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물-전계 효과 트랜지스터 센서를 나타내는 사진이다.4A is a photograph showing a micropatterned reduced graphene oxide-field effect transistor sensor in the form of an array according to an embodiment of the present invention.
대표적인 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반 전계 효과 트랜지스터 소자는 도 4b에 도시되며, 상기 도 4b를 통하여 2 개의 금 전극에 연결된 그래핀 패턴의 토포그래피를 알 수 있다. A representative micropatterned reduced graphene oxide based field effect transistor device is shown in FIG. 4B, which illustrates the topography of a graphene pattern connected to two gold electrodes through FIG. 4b.
도 4c는 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물의 SEM 이미지이다.4C is a SEM image of a micropatterned reduced graphene oxide.
20 x 50 ㎛의 환원 그래핀 산화물을 포토리쏘그래피 공정으로 패터닝하였으며, 상기 패터닝은 반복 가능하다. 20 x 50 탆 reduced graphene oxide was patterned by a photolithography process, and the patterning is repeatable.
도 4d는 AFM 분석 결과로서, 상기 도 4d는 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물은 약 1.109 nm의 단일층에 해당하는 두께를 갖는다. FIG. 4d shows AFM analysis results, wherein FIG. 4d shows that the micropatterned reduced graphene oxide has a thickness corresponding to a single layer of about 1.109 nm.
도 4e는 본 발명에 따라 제조된 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물의 전기 수송 분석 결과이다. 도 4e에서 드레인 전류(Id)에 대한 드레인-소스 전압(Vd)를, 0 내지 -10 V까지 게이트 전압을 변화시켜가면서 측정하였다. Figure 4e shows the results of the electro-transport analysis of the micropatterned reduced graphene oxide prepared according to the present invention. In FIG. 4E, the drain-source voltage V d for the drain current I d was measured while varying the gate voltage from 0 to -10 V. FIG.
도 4e를 참조하면, Id는 네거티브 게이트 조건에서는 증가하였으며, 이것은 전형적인 p-타입 반도체 거동에 해당한다. Referring to Figure 4E, I d increased at negative gate conditions, which corresponds to typical p-type semiconductor behavior.
도 4f는 -10 V의 Vd에서 Id vs. Vg 커브를 나타낸다.Figure 4f shows I d vs. V d at-10 V vs. V d . V g curve.
도 4f를 참조하면, 캐리어(홀 및 전자)의 이동도 (μh 및 μe)는 마이크로 패턴 채널 컨덕턴스로 계산될 수 있다. Referring to FIG. 4F, the mobility (μ h and μ e ) of the carriers (holes and electrons) can be calculated by the micropatterned channel conductance.
Id-Vg 커브의 선형 영역으로부터, gm은 dId/dVg = (W/L)μCoVd 식으로 유도될 수 있는데, 여기에서 W/L 은 채널의 너비 대비 길이의 비로서, 본 실험예에서는 1이었다. 또한, Co는 단위 면적당 정전용량으로, Co = εεo/t로 계산될 수 있으며, ε는 SiO2의 유전상수, εo는 유전상수, 그리고 t는 SiO2의 두께이다. 본 실험예에서 ε, εo 및 t는 3.9, 8.854 × 10-12 F m-1 및 300 nm이었다. From the linear region of the I d -V g curve, g m is d dI / dV g = (W / L) V o μC there d expression can be induced by, where W / L is the width of the channel as compared to the length ratio , And 1 in the present experimental example. Also, C o can be calculated as C o = εε o / t, where ε is the dielectric constant of SiO 2 , ε o is the dielectric constant, and t is the thickness of SiO 2 . In this experiment, ε, ε o and t were 3.9, 8.854 × 10 -12 F m -1 and 300 nm, respectively.
이 수치로부터 Co는 11.5 nF/cm2, 캐리어(홀 및 전자)의 이동도 (μh 및 μe)는 μh = 0.232 cm2 V-1 s-1 및 μe = 0.577 cm2 V-1 s-1로 계산되었다.
From these figures, the mobility (μ h and μ e ) of the carrier (hole and electron) is 11.5 nF / cm 2 and μ h = 0.232 cm 2 V -1 s -1 and μ e = 0.577 cm 2 V -1 s -1 . < / RTI >
로타바이러스 검출Rotavirus detection
본 발명에 따른 제조된 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자를 이용하여 로타바이러스를 검출하였다. 로타바이러스 특이적 항체는 도 2에 도시된 바와 같이 트랜지스터 소자에 고정시켰으며, PBS 완충액에서 초기 전류(I0)는 안정화되었다. 표적 바이러스가 주입됨에 따라, 상대 전류(I)를 실시간으로 모니터링하였다. 본 발명자는 바이러스 시료를 0 내지 105 pfu/mL 농도로 변화시켰으며, 이때 정규화된 전류 신호값 Id (I-I0)/I0)은 7.23, 11.06, 19.0, 31.45, 39.0 및45.33 % 수준까지 지속적으로 감소하였다. 전류 감소는 바이러스 농도에 비례하였으며, 이는 도 5b에 도시된 바와 같다. 특히 본 발명자는 이러한 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물을 바이오 센서에 사용하는 경우, 검출 한계(LOD)가 103 pfu/mL 수준까지 향상되며 이것은 종래 기술에 따른 ELISA 방식보다 월등하다는 것을 확인하였다. Rotavirus was detected using the micropatterned reduced graphene oxide-based field effect transistor device manufactured according to the present invention. The rotavirus specific antibody was immobilized to the transistor element as shown in Fig. 2, and the initial current (I 0 ) in the PBS buffer was stabilized. As the target virus was injected, the relative current (I) was monitored in real time. The present inventors varied the virus samples to a concentration of 0 to 10 5 pfu / mL, where the normalized current signal value I d (II 0 ) / I 0 ) reached the levels of 7.23, 11.06, 19.0, 31.45, 39.0 and 45.33% Respectively. The current reduction was proportional to the virus concentration, as shown in Figure 5b. In particular, the inventors of the present invention have confirmed that when the micropatterned reduced graphene oxide is used in a biosensor, the detection limit (LOD) is improved to 10 3 pfu / mL, which is superior to the ELISA according to the prior art.
본 발명은 또한 로타바이러스 농도 검출을 상이한 농도(10 내지 104 pfu/mL)의 배설물 샘플을 사용하여 실시하였으며, 이는 도 5c에 도시된다. The present invention also performed rotavirus concentration detection using fecal samples at different concentrations (10 to 10 4 pfu / mL), as shown in FIG. 5C.
도 5c를 참조하면, 농도가 0 에서 104 pfu/mL까지 증가함에 따라 본 발명에 따른 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물 기반-전계 효과 트랜지스터 소자로부터의 정규화된 전류 신호값은 0, 4.2, 12.3, 25.4 및 36.5 %까지 각각 감소하였다. 이러한 전류 강하는 순수 로타바이러스보다는 크지 않았지만, 실제 시료에서도 상당 수준의 민감도를 갖는다는 것을 증명한다. Referring to FIG. 5C, as the concentration increases from 0 to 10 4 pfu / mL, the normalized current signal values from the micropatterned reduced graphene oxide based-field effect transistor device according to the present invention are 0, 4.2, 12.3, 25.4 and 36.5%, respectively. This current drop is not greater than that of pure rotavirus, but it proves to be of considerable sensitivity in real samples.
이상 살핀 바와 같이, 본 발명은 마이크로 패턴된 환원 그래핀 산화물을 전계 효과 트랜지스터 소자에 사용하여, 실시간으로, 별도의 표지물질 사용없이 로타바이러스와 같은 생물학적 물질을 검출할 수 있다. As discussed above, the present invention uses a micropatterned reduced graphene oxide in a field effect transistor device to detect biological material such as rotavirus in real time, without the use of a separate labeling substance.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.It is to be understood that the terms "comprises", "comprising", or "having" as used in the foregoing description mean that the constituent element can be implanted unless specifically stated to the contrary, But should be construed as further including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (13)
상기 기판 상에 구비되며, 서로 이격된 소스 및 드레인 전극;
상기 소스 및 드레인 전극과 각각 접촉하는 환원된 그래핀 산화물층; 및
상기 환원된 그래핀 산화물층 상에 고정되며, 검출하고자 하는 바이오 물질과 특이적으로 결합하는 프로브를 포함하는 전계 효과 트랜지스터 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서.Board;
Source and drain electrodes provided on the substrate and spaced apart from each other;
A reduced graphene oxide layer in contact with the source and drain electrodes, respectively; And
And a field effect transistor element fixed on the reduced graphene oxide layer and including a probe that specifically binds to a biomolecule to be detected.
상기 환원된 그래핀 산화물은 마이크로 미터 크기로 패턴된 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the reduced graphene oxide is patterned in micrometer size. ≪ RTI ID = 0.0 > 15. < / RTI >
상기 환원된 그래핀 산화물층은 1 nm 이하 두께의 단일층을 이루는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the reduced graphene oxide layer comprises a single layer of less than 1 nm thick.
상기 환원된 그래핀 산화물층은 상기 기판 상에 그래핀 산화물 형태로 도포된 후, 환원 가스 분위기에서 환원된 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서.The method of claim 3,
Wherein the reduced graphene oxide layer is applied on the substrate in the form of graphene oxide and then reduced in a reducing gas atmosphere.
상기 프로브와 상기 바이오 물질간의 결합에 따라 상기 전계 효과 트랜지스터 소자로부터의 전류 변화가 발생하는 것을 특징으로, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein a change in current from the field effect transistor element occurs due to coupling between the probe and the bio material.
상기 바이오물질은 바이러스이며, 상기 프로브는 상기 바이러스와 특이적으로 결합할 수 있는 항체인 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the biomaterial is a virus, and the probe is an antibody capable of specifically binding to the virus.
상기 검출하고자 하는 바이오 물질과 특이적으로 결합하는 프로브가 결합된 상기 환원된 그래핀 산화물층으로 시료를 접촉시키는 단계;
상기 드레인 전류를 측정하는 단계; 및
상기 드레인 전류의 변화가 발생함에 따라, 상기 시료 내에 상기 검출하고자 하는 바이오 물질이 검출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 물질 센싱 방법.A biomaterial sensing method using a reduced graphene oxide-based biosensor according to any one of claims 1 to 6,
Contacting the sample with the reduced graphene oxide layer to which a probe specifically binding with the biomaterial to be detected is bound;
Measuring the drain current; And
And detecting the biomaterial to be detected in the sample as the drain current is changed.
상기 드레인 전류의 변화가 증가함에 따라 상기 시료 내에 상기 검출하고자 하는 바이오 물질의 농도가 높은 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 물질 센싱 방법.9. The method of claim 8,
Further comprising the step of determining that the concentration of the biomaterial to be detected is high in the sample as the variation of the drain current increases.
흑연 산화물 용액으로부터 그래핀 산화물을 제조하는 단계;
상기 제조된 그래핀 산화물층을 기판 상에 적층하는 단계;
상기 그래핀 산화물층을 환원시켜, 환원 그래핀 산화물층을 형성시키는 단계;
상기 환원 그래핀 산화물층의 양 측면에 소스 및 드레인 전극을 적층하는 단계;
상기 환원 그래핀 산화물층을 패터닝하는 단계; 및
상기 환원 그래핀 산화물층 상에 검출하고자 하는 바이오 물질과 특이적으로 결합하는 프로브를 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 제조방법.By a reduced graphene oxide based biosensor manufacturing method.
Producing graphene oxide from a graphite oxide solution;
Stacking the prepared graphene oxide layer on a substrate;
Reducing the graphene oxide layer to form a reduced graphene oxide layer;
Stacking source and drain electrodes on both sides of the reduced graphene oxide layer;
Patterning the reduced graphene oxide layer; And
Further comprising the step of immobilizing a probe specifically binding to the biomaterial to be detected on the reduced graphene oxide layer.
상기 패터닝된 환원 그래핀 산화물은 1 nm 이상 1000 nm 이하의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 제조방법.11. The method of claim 10,
Wherein the patterned reduced graphene oxide has a width of 1 nm or more and 1000 nm or less.
노출된 환원 그래핀 산화물층을 산소 플라즈마로 식각시키는 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 제조방법.11. The method of claim 10, wherein patterning the reduced graphene oxide layer comprises:
Wherein the exposed graphene oxide layer is etched with an oxygen plasma. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
흑연 산화물 입자로부터 박리된 그래핀 산화물 용액을 원심분리하는 단계;
상기 원심분리된 그래핀 산화물 용액 중 상층액에 포함된 그래핀 산화물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 환원 그래핀 산화물 기반 바이오 센서 제조방법.
11. The method of claim 10, wherein the step of producing graphene oxide from the graphite oxide solution comprises:
Centrifuging the graphene oxide solution separated from the graphite oxide particles;
Further comprising the step of removing graphene oxide contained in the supernatant of the centrifuged graphene oxide solution.
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