KR100451132B1 - Process for producing an electrode coated with immobilized enzyme using a porous silicone - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 제작 방법에 관한 것으로 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계와, 감광제 도포하는 단계와, 자외선 조사하는 단계와, 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해하는 단계와, Ti층을 스퍼터링하는 단계와, Pt 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 단계와, 산화적 전기중화법으로 전도성 고분자층을 백금 박막전극에 코팅하는 단계와, 시간대전류법으로 효소를 고분자가 코팅된 백금 박막 전극에 고정화하는 단계로 이루어짐으로써 효소전극 및 기준전극을 실리콘웨이퍼 상에 구현시, 전극의 박막화에 따른 금속 박막 전극과 박막 전극에 증착하는 물질사이의 결합력 약화에 따른 제반 문제를 다공성 실리콘을 이용하여 해결함으로써 전체적인 마이크로 전극 시스템의 안정성과 재현성을 크게 향상시킬 수 있고 제품 개발에 있어 가장 큰 기술적인 문제가 해결됨으로써 소형화와 대량생산화가 가능한 뛰어난 효과가 있다.The present invention relates to a method for fabricating an enzyme-immobilized electrode using porous silicon, comprising the steps of forming a porous silicon layer on a silicon wafer using an electrochemical etching method, applying a photoresist, irradiating ultraviolet light, and irradiating ultraviolet light. Dissolving the photosensitive agent in the region, sputtering the Ti layer, forming and lifting off the Pt thin film electrode, coating the conductive polymer layer on the platinum thin film electrode by oxidative electroneutralization, By immobilizing the enzyme on the platinum thin film electrode coated with the polymer, the enzyme electrode and the reference electrode are implemented on the silicon wafer, and the weakening of the bond between the metal thin film electrode and the material deposited on the thin film electrode according to the thinning of the electrode. Solve the problem by using porous silicon The stability and reproducibility of the stem can be greatly improved, and the biggest technical problem in product development is solved, which has the outstanding effect of miniaturization and mass production.

Description

다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 제작 방법 {Process for producing an electrode coated with immobilized enzyme using a porous silicone}Process for producing an electrode coated electrode using porous silicone {Process for producing an electrode coated with immobilized enzyme using a porous silicone}

본 발명은 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 제작 방법에 관한 것으로 실리콘 표면을 다공성으로 하여 금속 전극을 증착하고 그 위에 효소 및 은/염화은 층을 형성시킴으로써 실리콘과 기능성 전극 사이의 접촉 면적이 증가하여 효소 또는 기준 전극물질이 탈착되는 현상을 최소화한 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for fabricating an enzyme-immobilized electrode using porous silicon, by depositing a metal electrode with the silicon surface porous, and forming an enzyme and a silver / silver chloride layer thereon, thereby increasing the contact area between the silicon and the functional electrode so that the enzyme or The present invention relates to an enzyme immobilization method using porous silicon which minimizes the desorption of a reference electrode material.

종래의 기술로 실리콘 기판에 평면 형태로 금속 전극을 증착하고 기능성 분자를 증착하는 기술이 있었다.Conventional techniques have been the deposition of functional electrodes and deposition of metal electrodes in planar form on silicon substrates.

그러나, 이러한 종래기술은 증착된 기능성 효소층이 쉽게 탈착되어 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 어려운 문제점이 있었다.However, this prior art has a problem that the deposited functional enzyme layer is easily desorbed and thus it is difficult to obtain reliable results.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 효소센서 제작 시 다공성 실리콘 표면에 증착한 금속 박막 전극(Pt)에 효소를 고정화함으로써 견고하고 안정적이며 고감도의 감지전극을 제작하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above problems, an object of the present invention is to produce a robust, stable and high-sensitivity sensing electrode by immobilizing the enzyme on the metal thin film electrode (Pt) deposited on the surface of the porous silicon during the production of the enzyme sensor It is.

상기 본 발명의 목적은 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 다공성 실리콘(Porous silicon) 층을 형성하는 단계와, 감광제(potoresist) 도포하는 단계와, 자외선 조사하는 단계와, 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해하는 단계와, Ti층을 스퍼터링하는 단계와, Pt 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 단계와, 산화적 전기중화법(Anodical electropolymerization)으로 전도성 고분자(conductive polymer 즉, polypyrrole 또는 poly(3-methylthiophence) 등)층을 백금 박막전극에 코팅하는 단계와, 시간대전류법(chronoamperometry)으로 효소를 고분자가 코팅된 백금 박막 전극에 고정화하는 단계로 이루어진 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 제작 방법을 제공함으로써 달성하였다.The object of the present invention is to form a porous silicon layer (Porous silicon) on the silicon wafer by using an electrochemical etching method, applying a photoresist (potoresist), irradiating ultraviolet rays, of the region irradiated with ultraviolet rays Dissolving the photoresist, sputtering the Ti layer, forming and lifting off the Pt thin film electrode, and anodical electropolymerization to form a conductive polymer, that is, polypyrrole or poly (3-methylthiophence It was achieved by providing a method for fabricating an enzyme-immobilized electrode using porous silicon consisting of coating a layer on a platinum thin film electrode and immobilizing an enzyme on a platinum thin film electrode coated with a polymer by chronoamperometry. .

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 제작 방법의 공정도,1 is a process diagram of a method for preparing an enzyme-immobilized electrode using porous silicon according to a preferred embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극의 주사 전자현미경 사진이다.2 is a scanning electron micrograph of an enzyme-immobilized electrode using porous silicon of a preferred embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 : 감광제 2 : Ti층1: photosensitive agent 2: Ti layer

3 : Ag 박막 전극 4 : AgCl3: Ag thin film electrode 4: AgCl

5 : Pt 박막 전극 6 : 백금전극5: Pt thin film electrode 6: platinum electrode

7 : 효소7: enzyme

이하, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예를 들어 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings for a preferred embodiment.

도 1은 바람직한 실시예의 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 제작 방법으로 하기와 같은 단계로 이루어져 있다.1 is a method for preparing an enzyme-immobilized electrode using porous silicon according to a preferred embodiment.

전기화학적 식각법을 이용한 실리콘 웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계(S1)와;Forming a porous silicon layer on the silicon wafer using an electrochemical etching method (S1);

감광제 도포하는 단계(S2)와;Applying a photosensitizer (S2);

자외선 조사하는 단계(S3)와;Irradiating ultraviolet rays (S3);

자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해하는 단계(S4)와;Dissolving a photosensitive agent in a region irradiated with ultraviolet rays (S4);

Ti층을 스퍼터링하는 단계(S5)와;Sputtering the Ti layer (S5);

Pt 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 단계(S6)와;Pt thin film electrode formation and lift off process step (S6);

산화적 전기중화법으로 전도성 고분자층을 백금 박막전극에 코팅하는 단계(S7)와;Coating the conductive polymer layer on the platinum thin film electrode by an oxidative electroneutralization method (S7);

시간대전류법으로 효소를 고분자가 코팅된 백금 박막 전극에 고정화하는 단계(S8)로 이루어져 있다.Immobilizing the enzyme on the platinum thin film electrode coated with the polymer by the time-phase current method (S8).

상기 전기화학적 식각법을 이용한 실리콘 웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계(S1)는 전기화학적 식각법(Electrochemical etching)을 이용하여 실리콘웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성한 것으로 전해질 용액의 조성은 불산(HF, 48%) : 에탄올(Ethanol, 95%) : 증류수(H2O, 2차 증류수) = 1 : 2 : 1의 부피로 하고 실리콘웨이퍼를 산화전극, 백금 전극을 환원전극으로 하여 -7㎃/㎠의 일정 전류를 흘려주고, 이때 전해질 용액의 조성과 흘려주는 전류 값은 웨이퍼의 종류에 따라 달라질 수 있으며 다공성 실리콘 층이 생성될 때는 수소 가스가 산화전극에서 생성되기 때문에 수소가스 발생에 따른 기포가 발생하는 것이다.In the forming of the porous silicon layer on the silicon wafer using the electrochemical etching method (S1), the porous silicon layer is formed on the silicon wafer using electrochemical etching. The composition of the electrolyte solution is hydrofluoric acid (HF). , 48%): Ethanol (Ethanol, 95%): distilled water (H 2 O, secondary distilled water) = 1: 2: 1 volume and the silicon wafer as the anode, platinum electrode as the reducing electrode -7㎃ / Flowing a certain current of ㎠, the composition of the electrolyte solution and the value of flowing current may vary depending on the type of wafer, and when the porous silicon layer is formed, hydrogen gas is generated at the anode, so bubbles due to hydrogen gas generation are generated. It happens.

상기 감광제 도포하는 단계(S2)는 양성 감광제를 4000rpm에서 30초간 도포하며 다공성 실리콘의 폭과 깊이에 따라 감광제의 두께를 다르게 할 수 있고 감광제의 두께 조절은 spin coater의 rpm을 조절하여 수행하는 것이다.The step of applying the photosensitive agent (S2) is a positive photosensitive agent is applied for 30 seconds at 4000rpm and the thickness of the photosensitive agent can be varied according to the width and depth of the porous silicon and the thickness of the photosensitive agent is to be performed by adjusting the rpm of the spin coater.

상기 자외선 조사하는 단계(S3)는 원하는 전극 패턴이 그려진 마스크를 감광제가 도포된 다공성 실리콘 표면에 위치시키고 20초간 자외선을 조사한다.In the step (S3) of irradiating ultraviolet rays, a mask on which a desired electrode pattern is drawn is placed on the surface of the porous silicon coated with a photosensitive agent and irradiated with ultraviolet rays for 20 seconds.

상기 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해하는 단계(S4)는 현상액에서 30초간 현상하여 상기 자외선 조사하는 단계(S3)에서 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해시킨다.Dissolving the photosensitizer in the region irradiated with ultraviolet rays (S4) is developed for 30 seconds in a developer solution to dissolve the photosensitizer in the region irradiated with ultraviolet rays in the step (S3) of the ultraviolet irradiation.

그리고 도포한 감광제의 두께에 따라 현상 시간을 약간 변화시켜도 무방하다.The development time may be slightly changed depending on the thickness of the applied photosensitive agent.

상기 Ti 층을 스퍼터링하는 단계(S5)는 상기 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해하는 단계(S4)에서 형성된 다공성 실리콘은 산화공정에 의해 형성되었으므로 이미 그 표면에 실리콘 산화막(기술적 측면에서 실리콘 산화막(SiO2) 층은 절연층 역할을 함)이 형성되어 있으며 그 위에 130℃이하의 기판온도에서 200Å의 두께로 Ti 층을 스퍼터링 하고 Ti 층은 실리콘웨이퍼와 금속 박막 사이의 접착력을 증가시키는 역할을 하며 200Å 이상의 두께에서는 확산에 의한 박막 전극의 오염이 생길 수 있으며 그 이하의 두께에서는 접착력 향상 효과가 반감될 수 있다.In the sputtering of the Ti layer (S5), the porous silicon formed in the step of dissolving the photosensitive agent in the region irradiated with ultraviolet rays is formed by an oxidation process, and thus a silicon oxide film (a silicon oxide film ( SiO 2 ) layer serves as an insulating layer, and sputtering the Ti layer to a thickness of 200Å at a substrate temperature of 130 ° C. or below, and the Ti layer increases the adhesion between the silicon wafer and the metal thin film. At a thickness of 200 kPa or more, contamination of the thin film electrode may occur due to diffusion, and at a thickness below that, the effect of improving adhesion may be halved.

상기 Pt 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 단계(S6)는 130℃ 이하의 기판 온도에서 2000Å의 두께로 Pt층을 스퍼터링 하는 것으로 백금 전극의 두께를 2000Å 이하로 하면 백금 소재의 특성인 다공성 구조 때문에 전극의 특성이 저하되며 이것은 Pt 전극이 너무 얇으면 Pt 박막의 특성상, 막 표면에 구멍이 여기저기 생겨서 백금 아래쪽에 접착력 강화를 위해 미리 스퍼터링하였던 Ti 층이 바로 노출 될 수 있고 2000Å 이상이면 리프트오프 공정이 어려워진다.The Pt thin film electrode formation and lift-off process step (S6) is to sputter the Pt layer with a thickness of 2000 kPa at a substrate temperature of 130 ° C. or lower. If the Pt electrode is too thin, the characteristics of the Pt thin film may cause holes in the membrane surface, which may expose the Ti layer, which was previously sputtered to enhance adhesion, at the bottom of the platinum. Lose.

그리고 Pt 박막 증착 후 아세톤 용액에서 감광제를 용해시켜 감광제 위에 코팅된 Ti와 Pt 층을 떨어뜨림으로써 리프트 오프 공정을 수행한다.After the deposition of the Pt thin film, a photoresist is dissolved in an acetone solution to perform a lift-off process by dropping the Ti and Pt layers coated on the photoresist.

상기 산화적 전기중합법으로 전도성 고분자 층을 백금 박막전극에 코팅하는 단계(S7)는 산화적 전기중합(Anodical electropolymerization) 법으로 전도성 고분자 층을 백금 박막적극에 코팅하는 것으로 전해질 용액의 조성은 질산칼륨(KN03) 0.1 ~ 0.2 mol/L로 하였으며 경우에 따라 H20에 용해되기 어려운 고분자 단량체(monomer)의 경우 아세토니트릴(acetonitrile) 용매에 과염소산테드라부틸암모늄(tetrabutylammonium perchlorate) 염을 전해질로 하여 전기중합 하고 주사속도(scan rate)는 10 ~ 20㎷/s로 한 것이다.The coating of the conductive polymer layer on the platinum thin film electrode by the oxidative electropolymerization method (S7) is the coating of the conductive polymer layer on the platinum thin film electrode by the oxidative electropolymerization method. (KN03) 0.1 to 0.2 mol / L, and in some cases polymer monomers (monomers) that are difficult to dissolve in H 2 O The polymerization was carried out at a scan rate of 10 to 20 kW / s.

그리고 백금전극에서는 고분자 단량제가 산화되면서 또 다른 고분자 단량체의 파이 전자에 의해 친핵성 공격을 받아 중합되어가며 이때, 주사 속도 조절 및 전해질로 사용한 염의 조성에 따라 고분자 필름의 물리적 성질을 변화할 수 있다.In the platinum electrode, the polymer monomer is oxidized and subjected to nucleophilic attack by pi electrons of another polymer monomer, thereby polymerizing. In this case, the physical properties of the polymer film may be changed depending on the injection rate control and the salt composition used as the electrolyte.

상기 시간대 전류법으로 효소를 고분자가 코팅된 백금 박막 전극에 고정화하는 단계(S8)는 1mM의 인산염 완충 용액(phosphate buffer, pH 7.4)에 용해시킨 효소(예 : 요소 가수분해 효소, 크레아틴 가수분해 효소, 포도당 산화효소 등)를 전해질로 하여 시료 용액으로 하였고, 포화 칼로멜 전극(SCE : saturated calomel electrode)을 기준 전극으로 하여 0.6V의 전압을 인가하였다.Immobilizing the enzyme to the polymer film-coated platinum thin film electrode by the time-phase current method (S8) is an enzyme (eg, urea hydrolysis, creatine hydrolase) dissolved in 1 mM phosphate buffer (pH 7.4) , Glucose oxidase and the like) was used as an electrolyte, and a voltage of 0.6 V was applied using a saturated calomel electrode (SCE) as a reference electrode.

일반적으로 효소의 등전점이 7이하이기 때문에 중성 pH에서 효소는 완충용액 내에서 음으로 하전된다.In general, because the isoelectric point of the enzyme is less than or equal to 7, the enzyme is negatively charged in the buffer at neutral pH.

따라서, 전도성 고분자가 코팅된 백금 박막 전극에 양의 전압을 걸어주면 효소들이 전극 표면에 모이게 되고 고분자 사슬에 물리/화학적으로 결합하게 되어 고정화된다.Therefore, when a positive voltage is applied to the platinum thin film electrode coated with the conductive polymer, the enzymes are collected on the electrode surface and are physically / chemically bonded to the polymer chain to be immobilized.

특히, 다공성 실리콘을 기질로한 전극의 경우 고정화된 효소가 쉽게 탈착되지 않으므로 감도 및 재현성 향상 효과를 기대할 수 있다.In particular, in the case of an electrode based on porous silicon, since the immobilized enzyme is not easily desorbed, an improvement in sensitivity and reproducibility can be expected.

도 2은 바람직한 실시예의 다공정 실리콘에 효소를 고정화한 전극의 주사 전자현미경 사진(25㎸ 1000배 확대)이다.Fig. 2 is a scanning electron micrograph (25 × 1000 times magnification) of an electrode immobilized with enzyme on multi-process silicon of a preferred embodiment.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 효소전극 및 기준전극을 실리콘웨이퍼 상에 구현시, 전극의 박막화에 따른 금속 박막 전극과 박막 전극에 증착하는 물질사이의 결합력 약화에 따른 제반 문제를 다공성 실리콘을 이용하여 해결함으로써 전체적인 마이크로 전극 시스템의 안정성과 재현성을 크게 향상시킬 수 있고 제품 개발에 있어 가장 큰 기술적인 문제가 해결됨으로써 소형화와 대량생산화가 가능한 효과가 있으므로 반도체산업상 매우 유용한 발명인 것이다.As described above, in the present invention, when the enzyme electrode and the reference electrode are implemented on a silicon wafer, various problems caused by the weakening of the bonding force between the metal thin film electrode and the material deposited on the thin film electrode according to the thinning of the electrode are used in the porous silicon. It is a very useful invention in the semiconductor industry because it can greatly improve the stability and reproducibility of the overall micro-electrode system and solve the biggest technical problem in product development.

Claims (1)

실리콘 웨이퍼 상에 감광제 도포하는 단계, 자외선 조사하는 단계, 자외선에 조사된 영역의 감광제를 용해하는 단계, 그 위에 Ti층을 스퍼터링하는 단계 및 Pt 박막 전극 형성 및 리프트 오프 공정 단계로 이루어지는 포토리소그라피기술을 이용하여 형성된 전극에 효소를 고정화하는 방법에 있어서,A photolithography technique comprising applying a photoresist on a silicon wafer, irradiating ultraviolet light, dissolving a photosensitive agent in a region irradiated with ultraviolet light, sputtering a Ti layer thereon, and forming and lifting off a Pt thin film electrode In the method of immobilizing the enzyme on the electrode formed using, 상기 감광제를 도포하는 단계 전에 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 다공성 실리콘 층을 형성하는 단계와;Forming a porous silicon layer on the silicon wafer using an electrochemical etching method before applying the photoresist; 상기 리프트 오프 공정 단계 후에 산화적 전기중화법으로 전도성 고분자층을 백금 박막전극에 코팅하는 단계와;Coating the conductive polymer layer on the platinum thin film electrode by oxidative electroneutralization after the lift-off process step; 시간대전류법으로 효소를 고분자가 코팅된 백금 박막 전극에 고정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 방법.Enzyme immobilization method using porous silicon, comprising the step of immobilizing the enzyme on the platinum thin film electrode coated with a polymer by a time-phase current method.
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