KR100475310B1 - 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법 및그의 외부막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유로형 다중 전기화학 시스템을 이용하여 마이크로 어레이 전극에 효소전극센서, 항원-항체 반응에 기반한 면역센서 등의 다채널 바이오센서를 제작하는 방법을 제공한다. pH 변화와 전위의 인가에 따른 폴리머의 선택적인 침전을 이용하여 원하는 전극의 표면에만 보호막을 형성한 후 노출된 전극의 표면에 생체막 a를 고정시킨다. 보호막으로 이용된 폴리머를 용해시켜 제거하고 다시 원하는 전극의 표면 및 생체막 a의 표면에 보호막을 형성한 후 노출된 전극의 표면에 생체막 b를 고정시킨다. 이와 같은 공정의 반복적인 실시를 통해 마이크로 어레이 전극에 여러 종류의 생체막이 고정된 다채널 바이오센서를 제작한다.
또한, 본 발명은 생체막과 pH에 따라 용해도가 변하는 폴리머가 용해된 수용액의 반응에 따른 pH 변화에 의해 생체막 표면에 폴리머가 침전되도록 하므로써 전극의 모양, 형태, 크기에 상관없이 모든 종류의 전극 사이트에 외부막을 형성할 수 있도록 한다.

Description

폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법 및 그의 외부막 형성 방법 {Method for manufacturing multi-channel biosensor using deposition of polymer and method for forming external layer thereof}
본 발명은 유로형 다중 전기화학 시스템을 이용하여 마이크로 어레이 전극에 다채널 바이오센서를 제작하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 pH 변화와 전위의 인가에 따른 폴리머의 선택적인 침전을 이용하여 원하는 전극의 표면에만 보호막이 형성되도록 함으로써 재현성을 높이며 대량 생산이 가능하도록 한 다채널 바이오센서 제작 방법 및 그의 외부막 형성 방법에 관한 것이다.
최근들어 바이오센서, DNA 칩과 같은 바이오테크놀로지 기술에 MEMS(Micro Elctro Mechanical System) 기술이 많이 응용되고 있다. 이를 바이오멤스라 하는데, 바이오멤스를 이용하면 기존의 반도체 제조 공정을 활용하여 여러 기능과 모양을 갖는 전극 구조체 특히, 바이오센서나 바이오칩의 전극 구조체를 대량으로 만들 수 있다.
웨이퍼 스케일의 전극 구조체 제작은 대량 생산 면에서 단가를 많이 낮출 수 있을 뿐만 아니라 재현성 면에서 큰 잇점을 가지기 때문에 특히, 다중 채널 분석이 가능한 다채널 센서 제작에 많이 활용되고 있다. 다채널 센서 중 하나인 바이오센서는 화학/생화학적인 여러 변수(예를 들면, 농도 등)를 생화학적인 반응을 이용하여 쉽게 측정할 수 있는 전기화학적, 광학적, 열적 등의 물리적인 변수로 바꾸어 주는 측정기구이다. 효소를 이용한 전기화학적 측정 방법에 기반한 바이오센서로는 효소전극 바이오센서를 들 수 있다. 효소전극 바이오센서는 전극/내부막/효소막/외부막으로 구성되는데, 전기화학적 중합법에 의한 효소 고정화 기술을 이용하면 내부막과 효소막을 하나로 만들 수 있다. 여러 효소 고정화 기술 중 전기화학적 중합법은 전극의 모양, 형태, 크기에 상관없이 특정 전극 사이트에 선택적으로 원하는 효소막을 올릴 수 있는 장점을 가진다. 따라서 이 방법을 미소센서 제조에 이용할 수 있으며, 여러 가지 물질을 동시에 감지할 수 있는 마이크로 어레이 전극의 감응막 미세 패턴 형성에도 응용할 수 있다.
한편, 인체에 삽입되는 연속 측정용 바이오센서의 제작에 있어 외부막의 형성은 생체의 적합성과 확산속도의 조절을 위해 필수적이다. 외부막의 재료로는 폴리우레탄(polyurethane), 셀룰로우즈 아세테이트(cellulose acetate), 나피온(Nafion), 테플론(Teflon), 켈에프(Kel-F) 등이 이용된다. 침습용 혈당 센서와 관련된 미국특허 제5,882,494호["Polyurethane/Polyurea Compositions Containing Silicon for Biosensor Membrane", MiniMed Inc.]에서는 diisocyanate, hydrophilic diol 또는 diamine과 실리콘(silicone)의 반응 생성물을 외부막으로 활용하고 있다.
효소를 고정시키는 효소막 기술로는 전기 화학적 중합(electropolymerization), 딥코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating), 캐스팅 방법(casting method), 디스펜싱(dispensing) 등 여러 가지가 있지만, 외부막을 형성하는 방법은 캐스팅 방법 또는 디스펜싱에 주로 제한된다. 여러 가지 물질들을 동시에 분석하기 위한 마이크로 어레이 전극(micorarray electrode)의 경우 각 전극마다 각기 다른 효소, 생체물질, 고분자막이 형성되어야 하기 때문에 딥코팅이나 스핀코팅 등의 방법을 적용하기 어려우며, nl 용량의 디스펜싱의 경우도 전극 사이트 간의 거리가 약 100㎛ 이상 되어야 하기 때문에 적용이 어렵다. 특히, 외부막 제작의 경우 캐스팅 방법 또는 디스펜싱은 주로 비교적 사이즈가 큰 평면 전극에만 적용될 수 있는 한계를 가지고 있다. 따라서 전기화학적 중합법과 같이 전극의 모양, 형태, 크기에 상관없이 특정 전극 사이트에만 선택적으로 올릴 수 있는 외부막 형성 기술이 필요하다.
최근 Anal. Chem.(2002, 74, 355-361)에서 Kurzawa와 공동 연구자들은 pH 변화-유도에 의한 생분자(biomolecule)를 포함한 폴리머 필름의 침전법(depostion)을 소개하였다. 이들은 전류측정형 바이오센서(amperometric biosensor)의 소형화를 구현하기 위하여 미세화된 전극 표면에 생물학적 인식인자(biological reconition elements)를 고정시키는 방법으로 이 침전법을 개발하였다. 이 침전법은 pH 변화에 따른 수용액에서의 폴리머 용해도 차이를 이용하는데, 전극 표면에서 물의 산화가 일어날 때 수소 이온이 급격히 생성되는 원리를 이용하고 있다. 이 기술은 특정 전극 사이트에 전위를 인가한다는 점에서 정전압법에 의한 전기화학적 중합법과 유사하다고 할 수 있다. 그러나 물의 산화에 의한 지엽적인 pH 변화가 너무 클 경우 효소가 그 활성을 잃는 문제점이 있으며, 또한 전극 표면에서 pH를 민감하게 조절하기 어려운 단점이 있다.
폴리전해질(polyelectrolytes)은 약학(pharmaceutical application), 약물 전달(drug delivery), 분자 분리(molecular separation), 조직 배양(tissue culture), 바이오센서 등에 광범위하게 사용되어 왔다. 이들 폴리전해질의 경우 pK(해리상수)의 값에 따라 약산 그룹의 경우에는 주로 pH 4∼6 부근에서, 약염기 그룹의 경우에는 pH 8 이상에서 용해도 변화가 생긴다. 이러한 pH 범위는 생체와 관련된 시스템의 pH 7.4와 차이를 보이기 때문에 인슐린 전달 시스템과 같은 생체 시스템에는 적용하기 어렵다.
최근 발표된 논문[Journal of Controlled Release 80 (2002) 145-155. Kang & Bae]과 미국특허 제6,103,865호["pH-Sensitive Polymer Containing Sulfonamide and Its Synthesis Method", Kwangju Institute of Science and Technology]에서는 이를 극복하기 위하여 슬폰아미드에 기반한(sulfonamide-based) 폴리머를 합성하였는데, 이 폴리머들은 pH 7.4에서 급격한 용해도 변화를 보인다.
Yang과 Rubner는 논문["Micropatterning of Polymer Thin Films with pH-Sensitive and Cross-linkable Hydrogen-Bonded Polyelectrolyte Multilayer" J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 2100-2101]에서 레이어-바이-레이어(Layer-by-layer) 폴리전해질 다중층(polyelectrolyte multilayers)을 마이크로 패터닝에 응용하는 기술을 선보였는데, 이 기술은 효소막이나 외부막의 패턴 형성에 유용하게 이용될 수 있다.
이런 연구 결과들과 더불어 최근에는 지능형 하이드로젤(intelligent hydrogel)에 관한 연구로서, pH와 온도 등을 변화시킴으로써 하이드로젤의 물리적 성질을 변화시키는 연구들이 활발히 진행되고 있다(Yuk et al. Macromolecules 1997, 30, 6856-6859).
한편, 낱 개의 전극에 대한 전기화학적 중합법에 의한 효소 고정화 기술은 수십 년동안 많이 연구되어 왔으며, 특히, MEMS 기술로 만든 웨이퍼 상의 전극에도 적용되어 왔으나, 실제로 웨이퍼 상에서의 연구나 기술 개발은 거의 없었다. 디스펜싱 기술의 경우에는 DNA 칩, 바이오센서 등을 만들 때 웨이퍼 스케일에서 많이 이용되고 있다. 앞에서 언급한 전기화학적 중합법을 웨이퍼 스케일에서 수행하기 위해서는 웨이퍼 상에서 유체를 다루는 기술이 선행되어야 한다. 예를 들어, 웨이퍼 상에서 효소전극 바이오센서의 내부막이나 효소막을 만드는 과정에서 한 번에 다수의 내부막, 효소막을 한꺼번에 제조해야 한다. 이 때 각 전극 사이트들은 하나의 유로로 연결되어 있어야 한다.
이러한 유로형 다중 전기화학 시스템 외에 최근에 웨이퍼 상에서 하나 또는 다수의 마이크로 어레이 전극에 미세 전극 패턴을 형성하는 방법이 제안되었는데, microelectrogravimetrically 전기화학적 활성이 있는 종을 증착시키는 방법으로, Vachon과 Wang은 미국특허 제6,340,421호["Microelectrogravimetric Method for Plating a Biosensor", MiniMed Inc.]에서 microelecrogravimetric 방법을 소개하였다. 이 기술은 기존의 마이크로디스펜서에 기준전극과 보조전극을 장착하여 디스펜서의 용액 방울을 전극에 접촉시킨 후 전기화학적 셀을 구성하고 전위를 인가해 줌으로써 전기화학적 활성이 있는 종을 전극에 증착시키는 방법이다. 또한, Warren et al.도 미국특허 제6,187,164B1호["Method for Creating and Testing a Combinatorial Array Empolying Individually Addressable Electrodes", Symyx Technologies, Inc.]에서 각각의 접근할 수 있는 전극 어레이를 구성하는 전기화학적 증착과 테스팅이 가능한, 완전히 자동화된 증착 헤드와 스크리닝 기구를 소개하였다. 이 방법 또한 유로형 다중 전기화학 시스템에 기반하지 않고 디스펜싱 기술에 기반하고 있는 것으로 대략적인 개념도는 Vachon과 Wang의 기술과 동일하다.
이 디스펜싱 방법은 유로형 다중 전기화학 시스템을 이용하여 웨이퍼상에서 전기화학적 활성이 있는 종을 전극에 증착시키는 방법에 비해 몇가지 장점을 가지고 있는데, 첫째는 용액의 부피를 줄일 수 있으며, 둘째로는 유로형 다중 전기화학 시스템의 경우 증착 횟수에 따라 용액의 농도가 변하는데 반하여 이 방법에서는 농도가 일정하고, 셋째로는 용액이 다른 전극들을 오염시키지 않는다는 것이다. 그러나 이 방법에도 몇 가지 단점이 있다. 그것은 장비 가격이 비싸다는 점과 다수의 마이크로 어레이 전극인 경우 효소막 또는 외부막을 증착시킬 때 시간이 많이 걸린다는 점, 그리고 마이크로 디스펜싱 기술의 한계상 전극 분해능이 떨어진다는 점이다.
따라서 마이크로 어레이 전극에 다채널 바이오센서, 특히 다채널 효소 센서를 구현하기 위한 유로형 다중 전기화학 시스템에 기반한 방법을 실용화시키는 것이 필요하며, 그러한 하나의 새로운 방법으로서 pH 변화-유도에 의한 생분자를 포함한 폴리머 필름의 침전법을 마이크로 어레이 전극 또는 전극 패턴의 보호막 형성에 적용하는 방법을 제안한다.
따라서 본 발명은 pH 변화와 전위의 인가에 따른 폴리머의 선택적인 침전을 이용하여 원하는 전극의 표면에만 보호막을 형성하고 노출된 전극의 표면에 생체막 을 형성하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법 및 그의 외부막 형성 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유로패턴을 이용하여 마이크로 어레이 전극에 다채널 바이오센서를 제작하는 방법에 있어서, a) pH 변화와 전위의 인가에 따른 폴리머의 침전을 이용하여 원하는 전극의 표면에만 선택적으로 보호막을 형성하는 단계와, b) 상기 보호막이 형성되지 않은 전극의 표면에 생체막을 형성하는 단계와, c) 상기 보호막으로 이용된 폴리머를 제거하고 원하는 전극과 상기 생체막의 표면에 보호막을 형성하는 단계와, d) 상기 보호막이 형성되지 않은 전극의 표면에 다른 종류의 생체막을 형성하는 단계와, e) 상기 단계 c) 및 d)의 공정을 반복적으로 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 a)는 상기 마이크로 어레이 전극이 형성된 웨이퍼 상에 상기 유로패턴을 위치시키는 단계와, 상기 유로패턴에 폴리머가 녹아 있는 pH A의 수용액을 첨가하는 단계와, 상기 원하는 전극에 전위를 인가하는 단계와, 상기 폴리머와 수용액의 반응에 의해 상기 전위가 인가된 전극에만 보호막이 형성되도록 하는 단계와, 상기 pH A의 용액을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 b) 및 d)는 상기 유로패턴에 생물질이 첨가된 pH B의 용액을 첨가하여 상기 노출된 전극의 표면에 생체막을 고정시키는 단계와, 상기 pH B의 용액을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 c)는 상기 유로패턴에 수용액을 첨가하여 상기 폴리머를 용해시키는 단계와, 상기 수용액을 제거한 후 상기 유로패턴에 폴리머가 녹아 있는 pH A의 수용액을 첨가하는 단계와, 상기 원하는 전극에 전위를 인가하는 단계와, 상기 폴리머와 수용액의 반응에 의해 상기 전극과 상기 생체막의 표면에 보호막이 형성되도록 하는 단계와, 상기 pH A의 용액을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다채널 센서의 외부막 형성 방법은 생체막이 형성된 전극을 pH에 따라 용해도가 변하는 폴리머가 용해된 수용액에 담그는 단계와, 상기 생체막과 상기 수용액의 반응에 의해 수소 이온이 발생되고, 상기 수소 이온에 의한 pH 변화에 의해 상기 생체막 표면에 상기 폴리머가 침전되도록 하는 단계와, 상기 침전된 폴리머를 열처리, 진공처리, 알부민과 같은 생체적합성 흡착처리 또는 화학공유결합처리하는 안정화 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
Pt 맨 전극 표면에는 효소들이 자연적으로 흡착되는 경향이 있다. 그러므로 마이크로 어레이 전극들의 각 사이트에 포도당 효소와 젖산 효소를 올리려고 할 때 효소의 부착을 윈하지 않는 다른 전극 사이트의 표면은 보호되어 있어야 한다.
본 발명은 유로형 다중 전기화학 시스템을 이용하여 마이크로 어레이 전극에 다채널 바이오센서를 제작할 때 pH에 따라 용해도가 바뀌는 수용성 폴리머 또는 pH에 민감한 하이드로젤을 이용하여 전극 사이트의 표면에 선택적으로 보호막을 형성한다. pH에 따라 그 용해도가 민감한 수용성 폴리머나 하이드로젤은 물이 전극 표면에서 산화되거나 환원될 때 pH 변화에 의해 전극 표면에 침전되기 때문에 이러한 원리를 이용하면 수용성 폴리머나 하이드로젤로 마이크로 어레이 전극 또는 전극 패턴에 보호막을 형성할 수 있다. 이 보호막은 생물질(biocomponent), 특히 효소가 안정한 조건인 pH의 수용액에서 현상(develop)된다.
또한, 산화효소 반응과 수용성 폴리머의 pH에 따른 용해도 차이를 이용하면 효소 전극의 모양, 형태, 크기에 상관없이 특정 전극 사이트에만 선택적으로 외부막을 올릴 수 있다. 전압이나 빛과 같은 어떤 외부의 자극도 사용하지 않고 단지 용액 속에 효소 전극을 담그기만 함으로써 폴리머 침전층 즉, 외부막이 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 이용되는 마이크로 어레이 전극(10)은 도 1과 같이 지지체(1) 상에 형성되며 백금 등으로 이루어진 다수의 전극(2) 및 본딩패드(3), 각 전극(2)과 본딩패드(3)를 연결하는 배선(4) 그리고 전체 상부면에 형성되며 전극(2)과 본딩패드(3)가 노출되도록 패터닝된 절연막으로 이루어지며, 상기와 같이 구성된 마이크로 어레이 전극(10)이 도 2와 같이 웨이퍼(100) 상에 다수 형성된다.
그러면 상기와 같이 구성된 마이크로 어레이 전극(10)에 다채널 바이오센서를 제작하는 과정을 도 3a 내지 도 3h를 통해 설명하면 다음과 같다.
도 3a를 참조하면, 상기와 같이 다수의 마이크로 어레이 전극(10)이 형성된 웨이퍼(100) 상에 도 4와 같이 구성되며 PDMS 등의 재질로 만들어진 유로패턴(11)을 위치시킨다. 이 때 유로패턴(11)을 통해 다수의 전극(2a, 2b, 2c, 2d)이 노출된다. 유로패턴(11)에 폴리머가 녹아 있는 pH A의 용액 또는 완충용액(12)을 첨가한다. 이 때 폴리머로는 수용성이면서 pH에 따라 물에서의 용해도가 다른 예를 들어, polymer-COO-와 polymer-NR2H+와 같은 폴리전해질, 슬폰아미드에 기반한(sulfonamide-based) 폴리머, pH에 민감한 하이드로젤 등을 사용한다.
설명의 편의를 위해 도면에는 다수의 마이크로 어레이 전극(10) 중 일부의 전극(2a 내지 2d)만을 도시하였다.
도 3b는 예를 들어, 전극(2d)에 생물질 a로 이루어진 생체막을 형성하기 위해 전극(2a 내지 2c)에 전위 또는 전류를 인가하면 폴리머의 침전에 의해 전극(2a 내지 2c)의 표면에만 보호막(13)이 형성된다.
생체막이 형성되지 않을 전극(2a 내지 2c)에 전위를 인가하면 도 5a와 같이 용해된 폴리머(12a)와 수용액의 전기화학적 산화 또는 환원이 하기의 화학식 1 및 화학식 2와 같이 일어나는데, 이 때 물의 산화에 따른 산(수소)의 급격한 생성으로 인해 pH 변화가 일어나 도 5b와 같이 전위가 인가된 전극(2a)의 표면에 폴리머(12a)가 침전되어 보호막(13)을 형성한다.
H2O 산화 : 2H2O → 4H+ + O2 +4e-
폴리머 침전 : polymer-COO- + H+ → polymer-COOH(침전)
H2O 환원 : 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
폴리머 침전 : polymer-NR2H+ + OH- → polymer-NR2(침전)
상기의 화학식 1은 양극의 침전(Anodic deposition), 화학식 2는 음극의 침전(Cathodic deposition)을 나타낸다.
도 3c를 참조하면, 보호막(13)이 형성되면 pH A의 용액 또는 완충용액(12)을 제거한다.
도 3d를 참조하면, 보호막이 형성되지 않은 전극(2d)에 고정시키기 위한 생물질 a, 예를 들면 단백질, 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소, 콜레스테롤 산화효소 등이 첨가된 pH B의 용액 또는 완충용액(14)을 유로패턴(11)에 첨가한다. 이 때 pH B는 폴리머(12a)가 녹지 않는 pH 이어야 한다.
도 3e를 참조하면, 예를 들면, 전기 화학적 중합법, 딥코팅, 스핀코팅, 캐스팅방법, 디스펜싱, 자연흡착, 공유결합 등의 고정법을 이용하여 보호막이 형성되지 않은 전극(2d)의 표면에 생물질 a를 고정시켜 생체막(15)을 형성한다.
도 3f를 참조하면, 생체막(15)이 형성되면 pH B의 용액 또는 완충용액(14)을 제거한다.
도 3g를 참조하면, 물 또는 적당한 pH의 용액 또는 완충용액(16)을 유로패턴(11) 내에 첨가하여 폴리머(12a)의 용해에 의해 전극(2a, 2b, 2c)에 형성된 보호막(13)이 제거되도록 한다. 이 때 폴리머와 폴리머에 묻어 있는 생물질 a를 충분히 씻어내 완전히 제거하며, 완충용액(16)은 전극(2d)에 고정된 생체막(15)에 대해 안정한 조건을 만족해야 한다.
도 3h를 참조하면, 생체막(15)이 형성된 전극(2d) 외의 다른 전극(2a, 2b, 2c)에 생물질 b를 고정시키기 위해 다시 유로패턴(11) 내에 폴리머가 녹아 있는 pH A의 용액 또는 완충용액(17)을 첨가하고, 상기 도 3b 내지 도 3g의 공정을 반복 실시한다.
예를 들어, 전극(2a)에 생물질 b를 고정시키기 위해서는 도 3b를 통해 설명된 공정으로 전극(2b 및 2c) 그리고 전극(2d)의 생체막(15) 표면에 보호막을 형성하고 도 3c 내지 도 3f를 통해 설명된 공정을 다시 진행하여 전극(2a)의 표면에 다른 종류의 생체막을 형성한다.
이와 같이 본 발명은 pH 변화와 전위의 인가에 따른 폴리머의 선택적인 침전을 이용하여 원하는 전극의 표면에만 보호막이 형성되도록 함으로써 각기 다른 생체막이 고정된 다채널 바이오센서를 대량으로 생산할 수 있도록 한다.
한편, 상기와 같은 폴리머의 침전을 이용하면 상기와 같이 제작된 다채널 바이오센서의 생체막 표면에 외부막을 형성할 수 있는데, 그러면 도 6a 및 도 6b를 통해 본 발명의 외부막 형성 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6a와 같이 지지체(21) 상에 형성된 전극(22)의 표면에 생체막(23)이 형성된 상태에서, 생체막(23)이 형성된 전극(22)을 pH에 따라 용해도가 변하는 폴리머가 용해된 수용액에 담근다. 생체막(23)의 생물질(24)과 수용액의 반응에 의해 산(수소 이온)이 발생되는데, 산에 의한 pH 변화에 의해 생체막(23) 표면에 폴리머(25)가 침전되어 도 6b와 같이 외부막(26)이 형성된다.
생체막(23)이 효소인 경우, 효소가 수용액과 반응하여 산이 급격히 생성되는데, 예를 들면 글루코스 옥시데이저(GOD)의 경우 글루코스(glucose)는 글루코스 옥시데이저에 의해 산화되어 글루코노락톤(gluconolactone)이 되고, 다시 글루코닉 산(gluconic acid)이 된다. 이 때 글루코닉 산이 산을 생성시킨다.
도 6b와 같이 외부막(26)이 형성되면 열처리, 진공처리, 알부민과 같은 생체적합성 흡착처리 또는 화학공유결합처리하여 안정화시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명은 유로형 다중 전기화학 시스템을 이용하여 마이크로 어레이 전극에 효소전극센서, 항원-항체 반응에 기반한 면역센서 등의 다채널 바이오센서를 제작한다. pH 변화와 전위의 인가에 따른 폴리머의 선택적인 침전을 이용하여 원하는 전극의 표면에만 보호막을 형성한 후 노출된 전극의 표면에 생체막 a를 고정시킨다. 보호막으로 이용된 폴리머를 용해시켜 제거하고 다시 원하는 전극의 표면 및 생체막 a의 표면에 보호막을 형성한 후 노출된 전극의 표면에 생체막 b를 고정시킨다. 이와 같은 공정의 반복적인 실시를 통해 마이크로 어레이 전극에 여러 종류의 생체막이 고정된 다채널 바이오센서를 제작한다. 따라서 본 발명은 마이크로 디스펜싱 기술의 모든 단점들을 해소시키며, 웨이퍼 상에서의 일괄적인 공정 또는 배치 공정을 통해 센서 제작의 재현성 및 생성성을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 생체막과 pH에 따라 용해도가 변하는 폴리머가 용해된 수용액의 반응에 따른 pH 변화에 의해 생체막 표면에 폴리머가 침전되도록 하므로써 전극의 모양, 형태, 크기에 상관없이 모든 종류의 전극 사이트에 외부막을 형성할 수 있도록 한다. 전기화학적 중합법으로 전극에 효소막을 형성한 경우, 기존에는 캐스팅방법, 디스펜싱, 딥코팅 등의 방법으로 효소막의 표면에 외부막을 형성하기 어려웠으나, 본 발명을 이용하면 전극의 모양, 형태, 크기에 상관없이 모든 종류의 전극 사이트에 외부막을 형성할 수 있다. 본 발명은 미소센서, 여러 가지 물질을 동시에 감지할 수 있는 다채널 바이오센서 등의 외부막 형성에 적용된다.
도 1은 본 발명에 이용되는 마이크로 어레이 전극의 평면도.
도 2는 마이크로 어레이 전극이 형성된 웨이퍼의 평면도.
도 3a 및 도 3h는 본 발명에 따른 다채널 바이오센서 제작 방법을 설명하기 위한 공정도.
도 4는 본 발명에 사용되는 유로패턴의 구조도.
도 5a 및 도 5b는 도 3b의 보호막 형성 과정을 설명하기 위한 개념도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 외부막 형성 방법을 설명하기 위한 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 21: 지지체
2, 2a, 2b, 2c, 2d, 22: 전극
3: 본딩패드
4: 베선
10: 마이크로 어레이 전극
11: 유로패턴
12, 14, 16, 17: 완충용액
12a, 25: 폴리머
13: 보호막
15, 23: 생체막
24: 생물질
26: 외부막
100: 웨이퍼

Claims (15)

  1. 유로패턴을 이용하여 마이크로 어레이 전극에 다채널 바이오센서를 제작하는 방법에 있어서,
    a) pH 변화와 전위의 인가에 따른 폴리머의 침전을 이용하여 원하는 전극의 표면에만 선택적으로 보호막을 형성하는 단계와,
    b) 상기 보호막이 형성되지 않은 전극의 표면에 생체막을 형성하는 단계와,
    c) 상기 보호막으로 이용된 폴리머를 제거하고 원하는 전극과 상기 생체막의 표면에 보호막을 형성하는 단계와,
    d) 상기 보호막이 형성되지 않은 전극의 표면에 다른 종류의 생체막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 c) 및 d)의 공정을 반복적으로 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 a)는 상기 마이크로 어레이 전극이 형성된 웨이퍼 상에 상기 유로패턴을 위치시키는 단계와,
    상기 유로패턴에 폴리머가 녹아 있는 소정의 pH 값을 갖는 수용액을 첨가하는 단계와,
    상기 원하는 전극에 전위를 인가하는 단계와,
    상기 폴리머와 수용액의 반응에 의해 상기 전위가 인가된 전극에만 보호막이 형성되도록 하는 단계와,
    상기 유로패턴에 폴리머가 녹아 있는 소정의 pH 값을 갖는 수용액을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 폴리머는 수용성 폴리머 또는 지능형 하이드로젤 폴리머인 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 수용성 폴리머는 소정의 pH에서만 물에 용해되는 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 수용성 폴리머는 poly(acrylic acid)와 polyacrylamide와 같이 레이어-바이-레이어 구조를 이루는 폴리전해질 및 슬포아미드-기반 폴리머 중 어느 하나 또는 둘의 혼합인 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 하이드로젤 폴리머는 pH에 민감한 poly(methyl methacrylate), poly(diethylaminoethyl methacrylate) 또는 poly(dimethylaminoethyl methacrylate)인 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 b) 및 d)는 상기 유로패턴에 생물질이 첨가된 소정의 pH 값을 갖는 용액을 첨가하여 상기 노출된 전극의 표면에 생체막을 고정시키는 단계와,
    상기 유로패턴에 생물질이 첨가된 소정의 pH 값을 갖는 용액을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 생물질은 단백질, 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소 또는 콜레스테롤 산화효소인 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 생체막은 전기 화학적 중합법, 딥코팅, 스핀코팅, 캐스팅방법, 디스펜싱, 자연흡착 또는 공유결합 방법으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 c)는 상기 유로패턴에 수용액을 첨가하여 상기 폴리머를 용해시키는 단계와,
    상기 수용액을 제거한 후 상기 유로패턴에 폴리머가 녹아 있는 소정의 pH 값을 갖는 수용액을 첨가하는 단계와,
    상기 원하는 전극에 전위를 인가하는 단계와,
    상기 폴리머와 수용액의 반응에 의해 상기 전극과 상기 생체막의 표면에 보호막이 형성되도록 하는 단계와,
    상기 유로패턴에 폴리머가 녹아 있는 소정의 pH 값을 갖는 수용액을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 수용액은 물 또는 적정 pH의 완충용액인 것을 특징으로 하는 폴리머 침전을 이용한 다채널 바이오센서 제작 방법.
  13. 생체막이 형성된 전극을 pH에 따라 용해도가 변하는 폴리머가 용해된 수용액에 담그는 단계와,
    상기 생체막과 상기 수용액의 반응에 의해 수소 이온이 발생되고, 상기 수소 이온에 의한 pH 변화에 의해 상기 생체막 표면에 상기 폴리머가 침전되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 바이오센서의 외부막 형성 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 침전된 폴리머를 열처리, 진공처리, 알부민과 같은 생체적합성 흡착처리 또는 화학공유결합처리하는 안정화 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 바이오센서의 외부막 형성 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 생체막은 단백질, 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소 또는 콜레스테롤 산화효소로 이루어진 것을 특징으로 하는 다채널 바이오센서의 외부막 형성 방법.
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