KR100549104B1 - Method for fabricating a bionanoarray with sub-10 nanometer feature size - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기분자들의 자기조립(self-assembly)과 금속의 선택적 화학흡착(stanning)을 이용하여 수 나노미터 이하의 사이즈를 가지는 요홈모양이나 기둥모양의 패턴을 형성한 후, 상기 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터를 고정시키는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention forms a groove-shaped or pillar-shaped pattern having a size of several nanometers or less by using self-assembly of organic molecules and selective chemical adsorption of metals, and then, a bio pattern is formed on the nanopattern. The present invention relates to a method for manufacturing a bio nanoarray, comprising fixing a bioreceptor that binds to a substance or biomaterial.

나노패턴, 유기분자, 자기조립, 화학흡착, 바이오, 나노어레이Nano Pattern, Organic Molecule, Self Assembly, Chemisorption, Bio, Nano Array

Description

10나노 이하 사이즈의 바이오 나노어레이 제조방법 {Method for fabricating a bionanoarray with sub-10 nanometer feature size} Method for fabricating a bionano array with a size of less than 10 nanometers {Method for fabricating a bionanoarray with sub-10 nanometer feature size}             

도 1은 자기조립을 하는 유기분자의 모형에 대한 도시이다. 도 1a는 원판형 또는 디스크형 덴드리머(1)와 쐐기형(fan-shaped) 유기분자(2)가 자기조립을 통해 원기둥 형태(3)를 만들고, 이 원기둥들이 육각형으로 배열된 3차원 구조(4)를 형성하는 것을 도시하고 있다. 도 1b는 막대-사슬형 또는 원뿔형의 분자(5)들이 자기조립을 통해 구형(6)을 만들고, 이 구들이 모여 3차원 공간상에 일정한 구조(7)로 배열되는 것을 도시하고 있다.1 is a diagram of a model of organic molecules self-assembly. FIG. 1A is a three-dimensional structure in which a disk- or disk-shaped dendrimer 1 and a fan-shaped organic molecule 2 form a cylindrical shape 3 through self-assembly, and the cylinders are arranged in a hexagon (4). ) Is shown. FIG. 1B shows that rod-chain or cone-shaped molecules 5 form spheres 6 through self-assembly, which spheres are gathered and arranged in a constant structure 7 in three-dimensional space.

도 2는 본 발명에 따른 바이오 나노어레이를 제작하기 위한 나노패턴 형성과정의 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram of a nanopattern forming process for manufacturing a bio nanoarray according to the present invention.

도 3은 유기분자들이 육각기둥 형태의 규칙적인 구조를 형성하는 것을 보여 주는 투과전자현미경 사진이다.3 is a transmission electron micrograph showing that the organic molecules form a regular structure in the form of a hexagonal column.

도 4는 본 발명에 의해 형성된 나노패턴의 주사전자현미경 사진이다.4 is a scanning electron micrograph of a nanopattern formed by the present invention.

도 5는 금속박막의 나노패턴을 제작하는 개략도이다.5 is a schematic diagram of fabricating a nanopattern of a metal thin film.

도 6은 금속박막의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 고정하여 바이오 나노어레이를 제조하는 개략도이다.6 is a schematic diagram of manufacturing a bio nanoarray by fixing a biomaterial or a bioreceptor to a nanopattern of a metal thin film.

본 발명은 유기분자의 자기조립과 금속의 선택적 흡착을 이용하여 형성된 나노미터 이하 수준의 초미세 패턴에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오리셉터를 고정하여 바이오 나노어레이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a bio nanoarray by fixing a bioreceptor or a bioreceptor that binds to a biomaterial to a submicron pattern formed at a submicron level formed by self-assembly of organic molecules and selective adsorption of metals.

지금까지의 표면 패턴 형성은 주로 고분자 박막을 포토레지스트 (photoresist)로 이용한 포토리쏘그래피(photolithography)에 의해 이루어져 왔으나 이러한 방법을 통해 나노미터 크기의 고정밀 패턴을 구현하는 데는, 사용 가능한 빛의 파장과 그에 따른 장치 및 기술의 확보, 고분자 자체의 해상도 한계 등이 문제가 되어 많은 어려움을 겪고 있다. Until now, surface pattern formation has been mainly performed by photolithography using a polymer thin film as a photoresist. However, in order to realize a nanometer-sized high-precision pattern, the wavelength of light available and As a result, it is difficult to secure devices and technologies and to limit the resolution of the polymer itself.

1990년 이후에는 기존의 광전사법에서 새로운 감광저항제로 이용하고자 하는 시도와 함께, 보다 단파장의 빛을 사용하여 패턴의 해상도를 증가시키려는 시도가 있었다. 또한 완전히 새로운 개념의 패터닝 기술, 즉 소프트 전사법(soft lithography)을 이용한 표면의 나노패터닝 기술 등이 등장하기 시작했다. 이 방법은 빠르고 값싸게 패턴을 형성할 수 있고 연쇄작업이 가능하다는 장점을 지니고는 있지만, 사실상 해상도 한계는 100nm 수준으로 더 이상의 고집적을 위한 해상도 증가는 기대하기 어려운 실정이다.Since 1990, there have been attempts to increase the resolution of patterns using shorter wavelengths of light, along with attempts to use them as new photoresist in existing photoelectric methods. In addition, a whole new concept of patterning technology has emerged: nano-patterning of surfaces using soft lithography. This method has the advantage of being able to form patterns quickly and inexpensively and chain work, but in fact, the resolution limit is 100 nm, so it is difficult to expect an increase in resolution for further integration.

한편, 패턴을 형성시키기 위한 물질로 유기분자를 사용한 반도체 장치의 나 노급 미세패턴 형성방법(KR 10/263671B1)은 과도 식각 마진을 확보하기 위하여 버퍼층을 하나 더 사용하여 홈 내에 잔류하는 미세 패턴의 두께를 확보하고, 홈의 크기를 줄이기 위해 버퍼층에도 스페이서를 적용하는 기술이나, 공정단계의 수가 많고 패턴의 크기가 수십 나노미터 수준이다.Meanwhile, in the method of forming a nanoscale micropattern of a semiconductor device using organic molecules as a material for forming a pattern (KR 10 / 263671B1), the thickness of the micropattern remaining in the groove by using one more buffer layer to secure an excessive etching margin is provided. The technique of applying spacers to the buffer layer in order to secure the size of the grooves and to reduce the size of the grooves, but the number of process steps and the size of the pattern is several tens of nanometers.

최근에 공개된 자기조립 구조체(KR 02/89528A)는 마이크로 전자산업에서 널리 사용되는 소자를 형성하는 작은 크기의 구조체에 관한 것으로서, 이 발명에서 제시된 자기조립 방법은 표면과 공동으로 배열(array)을 형성하는 능력을 제공하지만, 자기조립 자체는 표면을 따른 경계 내에서 소자 형성물의 위치를 결정하지는 못한다. 따라서, 표면을 따른 경계 내에서 소자를 형성하는 데에는 개별적인 위치결정 기법이 필요한데, 적합한 위치결정 기법이 자기조립 방법과 함께 사용되어, 일반적으로 집적 전자회로 내에서 개별 부품으로서 기능할 수 있는 구조체를 형성한다. 위치결정 방법은 리쏘그래피, 직접 형성방법 또는 기타 위치결정 기법을 이용하여 구조체의 경계를 정할 수 있어서, 패턴이 있는 기재가 형성되고, 이 기재 위에 자기조립에 의해 소자가 조립된다. Recently published self-assembly structure (KR 02 / 89528A) relates to a small-size structure to form a device widely used in the microelectronics industry, the self-assembly method proposed in the present invention is an array (array) While providing the ability to form, self-assembly itself does not determine the location of device formation within boundaries along the surface. Thus, the formation of devices within boundaries along the surface requires individual positioning techniques, where suitable positioning techniques are used in conjunction with self-assembly to form structures that can generally function as discrete components in integrated electronic circuits. do. The positioning method can delimit the structure using lithography, direct forming, or other positioning techniques such that a patterned substrate is formed, and the device is assembled by self-assembly on the substrate.

자기조립 구조체는 통상의 화학증착 및 물리증착 기술에 의해 형성된 구조체와 함께 합체될 수 있고 집적 전자회로는 집적 광학 부품을 포함할 수 있다. 상기의 자기조립 구조체는 물질 표면의 조건과 온도 및 농도 조건에 따라 원하는 구조체 형성물을 얻도록 조절함으로써 나노입자의 분산액을 이용하여 형성할 수 있다. 일단이 기재 표면에, 다른 일단이 나노입자에 화학적으로 결합되는 링커(linker)가 사용되고 자기조립 공정으로 넘어가는 데에 링커를 이용한 선택적인 결합이 사용될 수 있다.Self-assembled structures can be incorporated with structures formed by conventional chemical vapor deposition and physical vapor deposition techniques and integrated electronics can include integrated optical components. The self-assembled structure may be formed using a dispersion of nanoparticles by adjusting to obtain a desired structure formation according to the conditions of the material surface and the temperature and concentration conditions. Linkers, one end chemically bonded to the nanoparticles, on one surface of the substrate, and selective bonding with the linker may be used to move to the self-assembly process.

다른 선택적인 방법은 자기조립 공정으로 향하게 하는 데에 정전 및 화학 상호반응과 같은 자연적인 상호반응을 이용하는 것인데, 여기서 나노입자는 다공질 영역에 의해 정해지는 경계 내에서 나노입자를 위치 결정하도록 작은 구멍 내에 적층되어 있다. 작은 구멍은 무기 산화물 또는 2차원의 유기질 결정과 같은 특정 물질 내에서 발견될 수도 있고, 적절한 구멍이 예컨대 이온 밀링 또는 화학 에칭에 의해 형성될 수도 있다. 그러나 공정이 복잡하고 패턴의 간격이 수십 내지 백 나노미터급 수준에 머물러 있는 실정이다.Another alternative is to use natural interactions, such as electrostatic and chemical interactions, to direct the self-assembly process, where the nanoparticles are placed in small pores to position the nanoparticles within the boundaries defined by the porous region. It is stacked. Small holes may be found in certain materials such as inorganic oxides or two-dimensional organic crystals, and suitable holes may be formed, for example, by ion milling or chemical etching. However, the process is complicated and the pattern spacing remains at the level of several tens to one hundred nanometers.

또한, 자기조립 단분자층을 이용한 나노미터 수준의 고정밀 패턴 형성방법(KR 03/23191A)이 알려져 있는데, 상기 발명은 치환된 말단 고리를 갖는 방향족 이민 분자층을 기판상에 형성하고, 상기 방향족 이민 분자층의 치환기를 선택적으로 결합 절단시키며, 치환기가 선택적으로 결합 절단된 상기 방향족 이민 분자층을 가수분해하는 단계를 포함하고 있어 단시간 내에 패턴을 형성하는 방법을 제공하지만 역시 수십 나노미터급 수준에 머물러 있다.In addition, a method of forming a nanometer high precision pattern using a self-assembled monolayer (KR 03 / 23191A) is known, and the present invention forms an aromatic imine molecular layer having a substituted end ring on a substrate, and the aromatic imine molecular layer Selectively bonding-cutting the substituents, and hydrolyzing the aromatic imine molecular layer in which the substituents are selectively bonded-cut, thereby providing a method of forming a pattern in a short time, but still staying at several tens of nanometers.

한편, 원자간력 현미경(atomic force microscope)의 팁끝에 고체 기판과 화학적 친화성이 있는 계면활성 분자를 묻히고, 마치 종이에 잉크로 글씨를 써 나가듯이 팁 끝으로 기판에 나노수준의 도안을 형성하는 딥-펜 나노리쏘그래피법 (Science, 283: 661, 1999)은 아주 정교하게 만들어진 팁을 사용함으로써, 5nm 수준에 이르는 고분해능의 나노패턴을 얻을 수 있다는 장점을 지니고 있지만, 패턴을 연속적으로 하나씩 그려가야 하므로(serial processing), 원하는 도안을 얻는데 장 시간이 소요된다는 문제점이 있어서 대량 생산을 통해 직접 실용화하기에는 한계가 있다.On the other hand, the surface of the tip of an atomic force microscope is buried with a surface-active molecule having a chemical affinity for a solid substrate, and a nano-level pattern is formed on the substrate with the tip of the tip, as if writing letters on paper. The deep-pen nanolithography method (Science, 283: 661, 1999) has the advantage of achieving high resolution nanopatterns down to 5 nm by using highly precise tips, but the patterns must be drawn one after the other. Since there is a problem in that it takes a long time to obtain a desired design because of serial processing, there is a limit to applying it directly through mass production.

상기와 같이 광식각방식(photolithography), 자외선 (ultraviolet light) 및 X-ray에 의한 식각방식 등 여러 가지 방법이 도입되고 있지만 100nm 이하의 패턴 형성은 한계에 이르게 되었으며, 이를 해결하기 위한 방법으로 기존의 하향적 구조형성(top-down methods)을 대신하여 상향적 구조형성(bottom-up methods)에 대한 방법들이 널리 연구되고 있다.As described above, various methods such as photolithography, ultraviolet light, and X-ray etching have been introduced, but the pattern formation below 100 nm has reached its limit. Instead of top-down methods, methods for bottom-up methods have been widely studied.

상향적 구조형성 방식들은 분자들이 자기조립에 의해 미세구조를 형성하는 것을 기본으로 하는데, 이러한 기초 기술로 유기분자의 미세구조를 주사전자현미경을 통해 분석하는 방법 (Hudson, S.D. et al., Science, 278: 449, 1997)과 기판 표면 성질에 따라 유기분자의 배향이 달라진다는 것을 확인한 논문 (Jung, H.T. et al., Macromolecules, 35: 3717, 2002)이 알려져 있으나, 이들은 각각 유기분자의 미세구조 분석과 유기분자의 배향에 대하여만 기술하고 있다.Upward structure-forming methods are based on the formation of microstructures of molecules by self-assembly. This basic technique is used to analyze microstructures of organic molecules by scanning electron microscopy (Hudson, SD et al., Science, 278). : 449, 1997) and papers confirming that the orientation of organic molecules depends on the substrate surface properties (Jung, HT et al., Macromolecules, 35: 3717, 2002). Only the orientation of organic molecules is described.

또한, 블록공중합체를 이용하여 규칙적인 패턴을 형성하는 방법과 금속의 화학흡착을 통한 점 형태의 패턴 형성방법 (Park M. et al., Science, 276: 1401, 1997)에서와 같이 블록공중합체를 이용하여 100nm 이하의 패턴을 만드는 연구들이 진행되고 있지만, 고분자의 분자사슬에 기인하기 때문에 수십 나노미터 이상 수준의 패턴 형성에 머물러 있는 실정이다. 또한 블록공중합체를 사용할 경우는 형성되는 패턴의 종횡비가 크지 않고 박막의 구조가 복잡하며, 박막의 구조 방향성을 부여하는 것이 쉽지 않은 문제점이 있다. In addition, as in the method of forming a regular pattern using a block copolymer and a method of forming a dot pattern through chemisorption of metal (Park M. et al., Science, 276: 1401, 1997) Research into making a pattern of less than 100nm using is in progress, but due to the molecular chain of the polymer is a situation that stays on the pattern formation of more than a few tens of nanometers. In addition, when the block copolymer is used, the aspect ratio of the pattern to be formed is not large, the structure of the thin film is complicated, and there is a problem in that it is not easy to give the structural direction of the thin film.

한편, 마이크로어레이(microarray) 단백질 칩(protein chip)은 현재 진단용 프로테오믹스(diagnostic protomics)에 대한 연구 중 많은 비중을 차지하고 있다. 기질의 표면에 폴리펩티드를 어레이할 때 광식각기술(photolithographics)을 이용하던 초기의 어레이 기술(USP 5,143,854A)은 최근 다양한 방법으로 시도되고 있다. 특히 항원-항체쌍(antigen-antibody pairs), 효소-연결 면역흡착 측정법(enzyme-liked immunosorbent assays) 등을 비롯한 다양한 면역측정법에서 마이크로어레이형 포멧(microarray-type format)의 개발의 중요성이 점점 증가되고 있다.On the other hand, microarray protein chips (microarray) is currently occupying a large proportion of research on diagnostic protomics (diagnostic protomics). Early array techniques (USP 5,143,854A), which used photolithographics to array polypeptides on the surface of substrates, have recently been tried in various ways. In particular, the development of microarray-type formats is becoming increasingly important in a variety of immunoassays, including antigen-antibody pairs and enzyme-liked immunosorbent assays. have.

그러나 단백질 어레이는 DNA 어레이보다 소형화하거나, 보다 감도를 좋게 하는 실질적인 포멧으로 집적화 하거나 어레이 하기가 쉽지 않다. 즉, DNA 올리고뉴클레오티드의 격자 패턴은 광식각 기술로 기질의 표면에 생성할 수 있으나, 수백개의 아미노산으로 구성된 단백질의 경우는 항체가 일반적으로 약 1400 개의 아미노산을 가져야 하는 등 표면 위에 질병의 정확한 진단을 위해서는 더욱더 고집적화된 고밀도의 격자패턴이 요구되나 이를 성공시키기 쉽지 않다.However, protein arrays are not as easy to integrate or array in a practical format that is smaller or more sensitive than DNA arrays. In other words, the lattice pattern of DNA oligonucleotide can be generated on the surface of the substrate by photoetching technique, but for a protein composed of hundreds of amino acids, the antibody should generally have about 1400 amino acids. In order to achieve a higher density of grid patterns are required, but it is not easy to succeed.

또 다른 문제점은 단백질들이 변성(denaturing) 조건하에서 다룰 때  단백질의 3차 구조를 쉽게 잃을 수 있으므로 (Anal. Chem. 14A-15A, 2001; Anal. Chem., 73, 8-12, 2001) 단백질을 조작 시 많은 제한점을 가지고 있다.Another problem is that proteins can easily lose their tertiary structure when handled under denaturing conditions ( Anal. Chem . 14A-15A, 2001; Anal. Chem., 73 , 8-12, 2001). There are many limitations in the operation.

이러한 문제들에 대한 해결점은 단백질의 3차 구조를 잃지 않고 얼마나 높은 고해상도(high resolution)로 단백질을 배열하느냐에 달려있는데, 현재까지는 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 드롭-온-디멘드(drop-on-demand) 기술, 마이크로컨택트 프린팅(microcontact printing), 및 IBM에서 선택한 소프트 식각기술(soft lithography) 등 다양한 접근 방법이 시도되고 있다. 하지만 이들 방법도 또한 수십㎛ - 수mm의 스페이싱(spacing) 크기를 가지고 있으며, 아직까지 단백질의 3차 구조를 잃지 않으면서 생(real-life) 시료를 고밀도로 갖는 고집적화 된 진단용 단백질 나노 어레이의 개발은 시도된 적이 없다. The solution to these problems depends on how high the protein is arranged without losing the tertiary structure of the protein. To date, inkjet printing, drop-on-demand Technology, microcontact printing, and IBM's soft lithography. However, these methods also have spacing sizes of several tens of micrometers to several millimeters and develop highly integrated diagnostic protein nanoarrays with high density of real-life samples without losing the tertiary structure of the protein. Has never been tried.

이에 본 발명자들은 공정이 보다 간단하고 패턴 크기가 수 나노미터 수준인 초고밀도 패턴 형성방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 유기분자의 자기조립과 금속의 선택적 화학흡착을 이용하여 사이즈가 수 나노미터 이하인 요홈모양 또는 기둥모양의 패턴을 형성하고, 상기 형성된 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 결합시킴으로써 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have made diligent efforts to develop an ultra-high density pattern forming method of which the process is simpler and the pattern size is several nanometers. The present invention has been completed by forming a pattern or columnar pattern and combining a biomaterial or a bioreceptor to the formed nanopattern.

본 발명의 목적은 유기분자의 자기조립과 금속의 선택적 화학흡착을 이용하여 수 나노미터 이하의 요홈모양 또는 기둥모양의 나노패턴을 형성하고, 상기 형성된 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 고정시키는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이의 제조방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to form grooves or pillar-shaped nanopatterns of several nanometers or less by using self-assembly of organic molecules and selective chemisorption of metals, and to fix the biomaterial or bioreceptor on the formed nanopatterns. It is to provide a method for producing a bio nano array characterized in.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 바이오 나노어레이를 제공하는데 있다.
Still another object of the present invention is to provide a bio nanoarray prepared by the above method.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, (a) 기판 상에 자기조립을 유발하는 유기분자의 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 유기분자의 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올린 후에 서냉함으로써 상기 유기분자들을 자기조립시켜 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (c) 상기 유기분자들의 자기조립에 의해 형성된 규칙적인 구조에 선택적으로 금속을 화학흡착시키는 단계; (d) 상기 선택적으로 금속이 화학흡착된 박막을 에칭하여 금속이 흡착되지 않은 부분을 제거하여 유기분자의 나노패턴을 형성하는 단계; (e) 상기 유기분자의 나노패턴을 마스크로 하여 기판을 식각하여 기판에 요홈모양의 나노패턴을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 요홈모양의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터를 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이(nanoarray)의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조되고, 요홈모양의 기판 나노패턴에 단백질, 펩티드, 효소기질, 리간드, 아미노산, 코펙터, 탄수화물, DNA, 올리고뉴클레오티드 및 RNA로 구성된 군에서 선택된 바이오물질 또는 바이오 리셉터가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이(nonoarray)를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, (a) forming a thin film of organic molecules causing self-assembly on the substrate; (b) forming a regular structure by self-assembling the organic molecules by increasing the temperature above the liquid crystal phase transition temperature of the organic molecules and then slowly cooling them; (c) selectively chemisorbing a metal to a regular structure formed by self-assembly of the organic molecules; (d) etching the selectively chemisorbed metal thin film to remove the non-metal adsorbed portions to form nanopatterns of organic molecules; (e) etching the substrate using the nanopattern of the organic molecules as a mask to form groove-shaped nanopatterns on the substrate; And (f) fixing the bioreceptor that binds the biomaterial or the biomaterial to the groove-shaped nanopattern, and is manufactured by the method, and the groove is formed by the method. Bio nanoarray characterized in that a biomaterial or bioreceptor selected from the group consisting of proteins, peptides, enzyme substrates, ligands, amino acids, cofactors, carbohydrates, DNA, oligonucleotides and RNAs is fixed to the substrate nanopattern ( nonoarray).

본 발명은 또한, (a) 기판 상에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이로 리셉터와 친화력이 있는 물질의 박막을 형성하는 단계; (b) 상기 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 박막 상에 자기조립을 유발하는 유기분자의 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 유기분자의 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올린 후에 서냉함으로써 상기 유기분자들을 자기조립시켜 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (d) 상기 유기분자들의 자기조립에 의해 형성된 규칙적인 구조에 선택적으로 금속을 화학흡착시키는 단계; (e) 상기 선택적으로 금속이 화학흡착된 박막을 에칭하여 금속이 흡착되지 않은 부분을 제거하여 유기분자의 나노패턴을 형성하는 단계; (f) 상기 유기분자의 나노패턴을 마스크로 하여 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 박막을 식각하여 기둥모양의 금속 나노패턴을 형성하는 단계; 및 (g) 상기 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이(nanoarray)의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조되고, 기둥모양을 가지는 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 나노패턴에 단백질, 펩티드, 효소기질, 리간드, 아미노산, 코펙터, 탄수화물, DNA, 지질, 올리고뉴클레오티드 및 RNA로 구성된 군에서 선택된 바이오물질 또는 바이오 리셉터가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이 (nonoarray)를 제공한다.The present invention also includes the steps of (a) forming a thin film of a biomaterial or a material having affinity with a viro receptor that binds to the biomaterial; (b) forming a thin film of organic molecules causing self-assembly on a thin film of the biomaterial or a material having affinity with the bioreceptor; (c) forming a regular structure by self-assembling the organic molecules by increasing the temperature above the liquid crystal phase transition temperature of the organic molecules and then slowly cooling them; (d) chemisorbing the metal selectively to the regular structure formed by self-assembly of the organic molecules; (e) etching the thin film on which the metal is chemisorbed to selectively remove a portion where the metal is not adsorbed to form a nanopattern of organic molecules; (f) forming a pillar-shaped metal nanopattern by etching a thin film of a biomaterial or a material having affinity with a bioreceptor using the nanopattern of the organic molecule as a mask; And (g) fixing the biomaterial or the bioreceptor to the nanopattern of the biomaterial or the material having affinity with the bioreceptor. Bio-selected from the group consisting of proteins, peptides, enzyme substrates, ligands, amino acids, cofactors, carbohydrates, DNA, lipids, oligonucleotides and RNAs in nanopatterns of pillar-shaped biomaterials or materials that have affinity with bioreceptors It provides a bio nanoarray (nonoarray) characterized in that the substance or bioreceptor is fixed.

본 발명은 또한, 상기 바이오 나노어레이를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오물질과 바이오 리셉터간의 반응 검출방법을 제공한다.The present invention also provides a method for detecting a reaction between a biomaterial and a bioreceptor, wherein the bio nanoarray is used.

본 발명에서 사용되는 '바이오 나노어레이' 용어는 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하거나 반응하는 바이오 리셉터가 부착되어 있는 것을 포괄하는 개념으로, 바이오칩 및 바이오센서를 포함하는 것으로 정의된다.The term 'bio nanoarray' used in the present invention is a concept encompassing a biomaterial or a bioreceptor that binds or reacts with a biomaterial or a biomaterial to a nanopattern, and is defined as including a biochip and a biosensor.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유기분자는 하기 화학식 1의 화합물을 사용하였으나, 자기조립을 하는 유기분자라면 제한 없이 이용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the organic molecule used the compound of the formula (1), but may be used without limitation as long as the organic molecule to self-assemble.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112003020328888-pat00001
Figure 112003020328888-pat00001

자기조립을 하는 유기분자로는 원판형 또는 디스크형 덴드리머(1), 쐐기형(fan-shaped) 유기분자(2), 막대-사슬형 또는 원뿔형의 분자(5) 등이 있다. 쐐기형 유기분자의 예로는 하기 화학식 2의 화합물을, 원판형 유기분자의 예로는 하기 화학식 3의 화합물을, 원뿔형 유기분자의 예로는 하기 화학식 4의 화합물을 들 수 있다.Organic molecules that self-assemble include disc or disc dendrimers 1, fan-shaped organic molecules 2, rod-chain or conical molecules 5 and the like. Examples of the wedge-shaped organic molecules include compounds of formula (2), examples of discotic organic molecules include compounds of formula (3), and examples of conical organic molecules include compounds of formula (4).

<화학식 2><Formula 2>

Figure 112003020328888-pat00002
Figure 112003020328888-pat00002

<화학식 3><Formula 3>

Figure 112003020328888-pat00003
Figure 112003020328888-pat00003

<화학식 4><Formula 4>

Figure 112003020328888-pat00004
Figure 112003020328888-pat00005
Figure 112003020328888-pat00004
Figure 112003020328888-pat00005

이 유기분자들은 단량체들이 공유결합으로 연결된 고분자와 달리, 반델발스(van der Waals) 인력과 같은 물리적인 2차 결합에 의해 일정한 구조를 형성한다. 이러한 유기분자들은 적절한 온도나 외부 자기장, 전기장 등에 의해 자기조립을 하여 특정한 미세구조를 형성한다. 본 실험에 사용된 화학식 1의 유기분자는 쐐기 모양의 덴드리머에 해당하는 경우이다. 쐐기형의 분자들이 자기조립을 통해 판상 구조(1)를 형성하고, 이 판상구조들이 모여 기둥 형태(3)를 만들며, 다시 원기둥들이 육각형으로 배열된 3차원 구조(4)를 형성한다(도 1a). 그 외에 원뿔형태의 유기분자(5)의 경우는 원뿔형들이 자기조립하여 구형(6)을 이루며, 구들이 모여 3차원 공간상에 일정한 구조(7)로 배열이 된다(도 1b). Unlike organic polymers in which monomers are covalently linked, these organic molecules form a uniform structure by physical secondary bonds such as van der Waals attraction. These organic molecules are self-assembled by an appropriate temperature, an external magnetic field, or an electric field to form specific microstructures. The organic molecules of Chemical Formula 1 used in this experiment correspond to wedge-shaped dendrimers. The wedge-shaped molecules form a plate-like structure (1) through self-assembly, the plate-like structures gather to form a columnar shape (3), and again form a three-dimensional structure (4) in which the cylinders are arranged in a hexagon (Fig. 1A). ). In addition, in the case of cone-shaped organic molecules 5, the cones are self-assembled to form a sphere 6, and the spheres are arranged in a constant structure 7 in a three-dimensional space (Fig. 1B).

본 발명에서, 기판(substrate)은 실리콘, 유리, 용융실리카, 고분자 등 다양한 물질이 사용될 수 있다.In the present invention, the substrate (substrate) may be used a variety of materials such as silicon, glass, molten silica, polymer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유기분자 박막은 스핀코팅(spin-coating), 문지르기(rubbing), 또는 수면에 박막을 형성하여 뜨는 방식(solution spreading) 을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the organic molecular thin film is preferably formed by spin-coating, rubbing, or solution spreading by forming a thin film on the surface of the water.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 열처리(annealing)에 의해 유기분자들을 자기조립시켜 규칙적인 구조를 형성하는 단계는 온도를 사용한 유기분자의 액정 상변이온도 이상으로 올린 후에 서냉시키는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming a regular structure by self-assembling the organic molecules by annealing is preferably cooled slowly after raising the liquid crystal phase transition temperature of the organic molecules using the temperature.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 선택적으로 금속을 화학흡착시키는 단계는 RuO₄(Ruthenium tetraoxide) 화합물을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of selectively chemisorbing the metal may be characterized by using RuO₄ (Ruthenium tetraoxide) compound.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 기판 또는 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질 박막의 식각은 반응성 이온 에칭 및/또는 이온 밀링을 이용하는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the etching of the substrate or the material thin film having affinity with the biomaterial or the bioreceptor may use reactive ion etching and / or ion milling.

상기 바이오물질 또는 바이오 리셉터는 단백질, 펩티드, 효소기질, 리간드, 아미노산, 코펙터, 탄수화물, 지질, DNA, 올리고뉴클레오티드 및 RNA로 구성된 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.The biomaterial or bioreceptor may be any one selected from the group consisting of proteins, peptides, enzyme substrates, ligands, amino acids, cofactors, carbohydrates, lipids, DNA, oligonucleotides and RNA.

상기 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 고정시키는 단계는 결합보조제를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 결합 보조제로는 카본기 말단에 알데히드, 아민 또는 이민기가 붙어 있는 화학물질을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 보다 구체적으로는 기판 표면에 알데히드를 결합시키고 바이오물질 또는 바이오 리셉터의 말단에 아민기를 붙인 다음, 아민-알데히드 반응을 이용하여 결합시키는 것을 특징으로 할 수 있다.The fixing of the biomaterial or the bioreceptor to the nanopattern may be characterized in that it uses a binding aid, and the binding aid is characterized in that a chemical substance having an aldehyde, an amine or an imine group attached to the carbon group is used. In more detail, the aldehyde may be bonded to the surface of the substrate, the amine group may be attached to the terminal of the biomaterial or the bioreceptor, and then bonded using the amine-aldehyde reaction.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라 먼저 <화학식 1>의 유기분자를 테트라하이드로퓨란(THF)를 용매로 하여 1wt%의 용액을 만들어 기질 상에 박막을 형성시킨다. 박막형성시, 스핀코팅(spin-coating), 문지르기(rubbing), 또는 수면에 박막을 형성하여 뜨는 방식(solution spreading)을 주로 사용한다. 구현예에서는 기질로 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 표면의 개질은 수행하지 않았다 (도 2a).According to a preferred embodiment of the present invention, first, the organic molecule of <Formula 1> using tetrahydrofuran (THF) as a solvent to make a solution of 1wt% to form a thin film on the substrate. In forming a thin film, spin-coating, rubbing, or solution spreading is mainly used to form a thin film on the surface of the water. In the embodiment, a silicon wafer was used as the substrate, and surface modification was not performed (FIG. 2A).

이후 유기분자들이 자기조립 되도록 액정 상변이온도 이상으로 온도를 올려준다. 본 발명에서 사용한 유기분자의 경우, 액정 상변이온도가 230℃ 정도이므로 240℃까지 온도를 올린 후 서냉하였으며, 상기 유기분자는 원기둥 형태의 배열을 가지는 미세구조가 형성된다 (도 2b).Since the organic molecules are self-assembled to raise the temperature above the liquid crystal phase transition temperature. In the case of the organic molecules used in the present invention, since the liquid crystal phase transition temperature is about 230 ° C., the temperature is raised to 240 ° C. and then cooled slowly. The organic molecules form a microstructure having a columnar arrangement (FIG. 2b).

본 발명의 바람직한 구현예에 따라 유기분자들이 열처리에 의해 자기조립되는 과정은 다음과 같다.According to a preferred embodiment of the present invention, the organic molecules are self-assembled by heat treatment as follows.

유기분자의 성질은 열처리에 의해 개질될 수 있는데, 열처리를 위한 적절한 시작 물질은 레이저 열분해에 의해 생성된 유기분자를 포함한다. 또한, 시작 물질로서 사용된 유기분자는 상이한 조건 하에서 하나 이상의 사전 가열 단계를 겪을 수 있는데, 레이저 열분해에 의해 형성된 유기분자의 열처리에 있어서, 추가의 처리는 결정성을 향상시키고, 원소 탄소와 같은 오염물을 제거하며, 가능하게는 예컨대 추가의 산소나, 기타 기상 또는 비기상 화합물로부터의 원소를 합체함으로써 화 학량론을 변경시킬 수 있다. 유기분자는 일반적으로 균일한 가열을 제공하도록 오븐 등에서 가열되는 것이 바람직하다. 처리 조건은 일반적으로 온화하여, 상당한 양의 입자 소결은 발생하지 않는다. 따라서, 가열 온도는 시작 물질과 생성 물질 모두의 융점에 비해 낮은 것이 바람직하다. 열처리가 조성 변경을 포함하는 경우, 분자의 크기와 형태가 온화한 가열 온도에서도 변경될 수 있다. The nature of the organic molecules can be modified by heat treatment, suitable starting materials for heat treatment include organic molecules produced by laser pyrolysis. In addition, organic molecules used as starting materials may undergo one or more pre-heating steps under different conditions. In the heat treatment of organic molecules formed by laser pyrolysis, further treatment improves crystallinity and contaminants such as elemental carbon. It is possible to alter the stoichiometry, possibly by incorporating additional oxygen or elements from other gaseous or non-gas compounds. The organic molecules are generally preferably heated in an oven or the like to provide uniform heating. Treatment conditions are generally mild, so that a significant amount of particle sintering does not occur. Therefore, the heating temperature is preferably lower than the melting point of both the starting material and the product material. If the heat treatment involves a composition change, the size and shape of the molecules may change even at mild heating temperatures.

자기조립 구조체는 물질/기재의 표면 상에 및/또는 그 표면 내에 발생된다. 자기조립 구조체는 경계 내에 위치 결정되어, 구조체는 위치 결정된 섬을 형성하는 방식으로 각각의 구조체는 복수 요소의 회로 또는 기구의 부품으로서 요소를 형성할 수 있다. 특히, 각각의 구조체는 집적 전자 회로의 부품일 수 있으며, 이 구성 요소는 예컨대 전기 부품, 광학 소자 및 광자 결정을 포함할 수 있다. Self-assembled structures are generated on and / or within the surface of the material / substrate. The self-assembled structure can be positioned within the boundary so that each structure can form an element as part of a plurality of elements of circuits or appliances in such a way that the structure forms a positioned island. In particular, each structure may be a component of an integrated electronic circuit, which component may include, for example, an electrical component, an optical element and a photonic crystal.

미리 정한 경계 내에 구조체를 형성하기 위하여, 관심 대상의 자기조립 구조체의 형성에는 일반적으로 구조체의 한도를 정하는 공정과 별도의 자기조립 공정이 필요하다. 경계를 정하는 공정은 일반적으로 구조체의 한도를 정하는 데에 외력을 활용한다. 자기조립 공정 자체는 일반적으로 구조체의 경계를 정하지 못한다. 자기조립은, 조성물/물질이 결합되는 경우에 결과적인 구조체 내에 자연적 순서(natural ordering)를 야기하는 조성물/물질의 자연 감지 기능을 기초로 한다. 일반적으로, 위치 결정 단계는 자기조립 공정의 전 또는 후에 수행될 수 있지만, 처리 단계의 성질은 특정 순서를 지시할 수도 있다. 알짜 효과(net effect)는, 경계 내에서는 나노입자가 상응하게 덮는 범위와, 이러한 덮는 범위가 없는 경계 외측의 구역을 갖는 자기조립 구조체를 야기한다. 별도의 경계를 정하는 공정은, 경 계 내에서 자기조립 공정을 활성화시키거나 경계 외측의 영역을 비활성으로 되게 함으로써 자기조립 공정에 연결된다. 일반적으로, 활성화 공정 또는 비활성화 공정을 수행하기 위해서는 외력이 가해져야 한다.In order to form the structure within a predetermined boundary, the formation of the self-assembled structure of interest generally requires a process of defining a limit of the structure and a self-assembly separate from the process. The demarcation process generally uses external forces to limit the structure. The self-assembly process itself generally does not delimit the structure. Self-assembly is based on the natural sensing function of the composition / material which, when combined, causes natural ordering in the resulting structure. In general, the positioning step may be performed before or after the self-assembly process, but the nature of the processing step may indicate a particular order. The net effect results in a self-assembled structure having a correspondingly covered range of nanoparticles within the boundaries, and a region outside the boundaries without these covering ranges. A separate demarcation process is linked to the self-assembly process by activating the self-assembly process within the boundary or making the area outside the boundary inactive. In general, an external force must be applied to perform the activation process or the deactivation process.

유기분자들이 벌크 상에서 일정한 구조를 형성하는 것은 투과전자현미경을 통해 확인할 수 있다. 본 실험에서 이용한 것과 동일한 조건의 공정을 통해 샘플을 제작한 결과, 도 3과 같은 결과를 얻을 수 있었으며, 이를 통하여 본 유기분자가 육각기둥 형태의 규칙적인 구조를 형성함을 알 수 있었다.Formation of a uniform structure on the bulk of organic molecules can be confirmed by transmission electron microscopy. As a result of manufacturing the sample through the process under the same conditions as used in this experiment, the results as shown in FIG. 3 were obtained, and it was found that the organic molecules formed a regular structure in the form of a hexagonal column.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라 상기 유기분자들의 자기조립에 의해 형성된 일정한 구조에 선택적으로 금속을 화학흡착시키는 과정은 다음과 같다.According to a preferred embodiment of the present invention, a process of selectively chemisorbing a metal to a predetermined structure formed by self-assembly of the organic molecules is as follows.

먼저 유리 용기 속에 RuO4 용액과, 유기분자 박막이 입혀진 기질을 용액과 직접 접촉하지 않도록 하여 같이 넣어둔다. 이 과정에서 RuO4 용액 중의 Ru 금속이 기상으로 확산되면서 기질상의 유기분자 박막에 흡착이 된다. 흡착된 Ru 금속은 구조의 특정부분에 선택적으로 화학반응을 일으키게 된다. First, the RuO 4 solution and the substrate coated with the organic molecular thin film are placed together in a glass container so as not to directly contact the solution. In this process, Ru metal in the RuO 4 solution diffuses into the gas phase and is adsorbed onto the organic thin film on the substrate. The adsorbed Ru metal selectively reacts with a specific part of the structure.

본 발명에서는 RuO4를 사용하였으나 OsO4(osmium tetraoxide)나, 기타 유기분자에 의해 형성된 구조에 선택적으로 화학흡착이 가능한 금속은 모두 이용 가능하다.In the present invention, although RuO 4 was used, all metals capable of selectively chemisorbing on the structure formed by OsO 4 (osmium tetraoxide) or other organic molecules can be used.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라 상기 화학흡착 과정을 거친 후, 에칭 공정을 거치게 되면, 표면상의 유기분자층이 일정부분 박리되어 최종적으로 나노패턴이 형성된 소자가 얻어지게 되며, 이와 같은 에칭 공정은 반도체 소자 공정시 통상적으로 사용되는 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, KCN-KOH 혼합용액 또는 HF 수용액 등의 에칭 용액을 사용하거나, 반응성 이온 에칭(RIE: Reactive Ion Etching) 또는 이온밀링을 통하여 수행할 수 있다.After the chemical adsorption process according to a preferred embodiment of the present invention, when the etching process, the organic molecular layer on the surface is partially peeled to obtain a device in which the nanopattern is finally formed, such an etching process is a semiconductor Any method commonly used in device processing can be used without limitation. For example, an etching solution such as a KCN-KOH mixed solution or an HF aqueous solution may be used, or may be performed through reactive ion etching (RIE) or ion milling.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라 상기와 같이 형성된 나노패턴은 다양한 종류의 바이오물질 또는 바이오 리셉터들을 반응시켜 원하는 형태의 배열(array)을 형성하는데 있어서 중요한 표면 기판으로 사용될 수 있으며, 이는 고집적화와 소형화된 바이오칩을 생산하는 데 매우 중요한 기능을 수행할 것이다. According to a preferred embodiment of the present invention, the nanopattern formed as described above may be used as an important surface substrate for reacting various kinds of biomaterials or bioreceptors to form an array of a desired shape, which is highly integrated and miniaturized. It will play a very important role in producing biochips.

일반적으로 바이오칩은 기판에 직접 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 연결시키거나, 링커분자를 매개로 하여 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 연결시키는 방법에 의해 제조된다. 예를 들어, DNA 칩, 단백질 칩 또는 단백질 센서의 경우, DNA, 항체 또는 효소와 같은 바이오물질을 고체 기판 상부에 고정시키고자 할 때, 기판 표면에 알데히드를 결합시키고 상기 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터에 아민기를 결합시켜서, 아민-알데히드의 화학적 결합에 의해 고정시켜 목적하는 바이오어레이를 생성할 수 있다.In general, a biochip is manufactured by connecting a biomaterial or a bioreceptor directly to a substrate, or by connecting a biomaterial or a bioreceptor through a linker molecule. For example, in the case of a DNA chip, a protein chip or a protein sensor, in order to fix a biomaterial such as DNA, an antibody or an enzyme on a solid substrate, the aldehyde is bound to the substrate surface and the biomaterial or the biomaterial is bound to the substrate. The amine group may be bonded to a bioreceptor, and may be immobilized by chemical bonding of an amine-aldehyde to generate a desired bioarray.

본 발명에 따른 바이오어레이 중에서 DNA 칩의 제조방법은 미리 제조된 탐침을 스폿팅(spotting) 방법으로 고체표면에 고정하여 DNA 칩을 제조하는 공정을 포함한다. 아민기가 결합된 탐침을 1X 내지 7X, 바람직하게는 2X 내지 5X, 가장 바람 직하게는 3X SSC(0.45M NaCl, 15mM C6H5Na3O7, pH 7.0) 완충용액에 용해시키고, 마이크로어레이어(microarrayer)를 이용하여 알데히드가 결합된 기판에 스폿팅한 후, 반응시켜서 탐침을 기판에 고정시킨다. 이때, 탐침의 농도는 10 pmol/㎕ 이상, 바람직하게는 50 pmol/㎕ 이상, 가장 바람직하게는 100pmol/㎕ 이상이며, 탐침에 결합된 아민기와 기판에 결합된 알데히드를 70 내지 90%, 바람직하게는 80%의 습도조건하에 4 내지 8시간, 바람직하게는 5 내지 7시간, 가장 바람직하게는 6시간동안 반응시켜 결합시킨다. The method of manufacturing a DNA chip in the bioarray according to the present invention includes a step of manufacturing a DNA chip by fixing a probe prepared in advance to a solid surface by a spotting method. The probe bound to the amine group is dissolved in 1X to 7X, preferably 2X to 5X, most preferably 3X SSC (0.45M NaCl, 15 mM C 6 H 5 Na 3 O 7 , pH 7.0) buffer, A layer (microarrayer) is used to spot the aldehyde-bonded substrate and then react to fix the probe to the substrate. At this time, the concentration of the probe is at least 10 pmol / μl, preferably at least 50 pmol / μl, most preferably at least 100 pmol / μl, 70 to 90% of the amine bound to the probe and the aldehyde bound to the substrate, preferably The reaction is allowed to react for 4 to 8 hours, preferably 5 to 7 hours, and most preferably 6 hours under 80% humidity.

본 발명으로부터 얻어진 점 형태의 구조는 이에 상응하는 역상으로 구조의 변환이 가능하다. 점 형태의 구조가 형성된 기판 상에 실리콘 혹은 질화 실리콘(SiN)을 증착하여, 구조의 외부를 채워준다. 이후 원래 있던 점 형태의 구조를 선택적으로 제거하게 되면, 초기의 점 형태 구조에서 구멍 형태의 구조로 변형이 가능하다. The point-shaped structure obtained from the present invention is capable of converting the structure to the corresponding inverse phase. Silicon or silicon nitride (SiN) is deposited on the substrate on which the dot structure is formed to fill the exterior of the structure. Then, if the original point-shaped structure is selectively removed, it is possible to deform from the initial point-shaped structure to the hole-shaped structure.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, the scope of the present invention should not be construed as limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art.

실시예 1: 유기분자의 합성Example 1 Synthesis of Organic Molecules

본 발명에서 사용한 화학식 1의 유기분자는 <반응식 1>과 같은 과정을 통해 합성하였다. 첫 번째 단계에서 65℃의 디포름아마이드에 베이스로 작용하는 포타슘 카보네이트를 녹인 후, 에틸 4'-하이드록시-4-바이페닐 카르복실레이트와 퍼플루오로도데실 브로마이드(1)를 넣고 18시간 동안 환류반응을 수행하고, 에스테르화 반응에 의해 화합물(2)를 얻었다.The organic molecules of Chemical Formula 1 used in the present invention were synthesized by the same process as in <Scheme 1>. In the first step, potassium carbonate serving as a base was dissolved in diformamide at 65 ° C., followed by adding ethyl 4′-hydroxy-4-biphenyl carboxylate and perfluorododecyl bromide (1) for 18 hours. Reflux reaction was performed and compound (2) was obtained by esterification reaction.

이렇게 얻어진 화합물(2)는 정제된 테트라하이드로퓨란에서 리튬알루미늄하이드라이드로 상온에서 1.5시간 동안 환원반응을 보낸 후, 디클로로메탄과 테트라하이드로퓨란의 혼합용매에 녹인 후 촉매정도의 양의 디포름아마이드를 넣어준 다음 티오닐클로라이드에 의해 상온에서 10여분 정도 염화반응을 일으켜 화합물(3)을 얻었다.     The compound (2) thus obtained was subjected to a reduction reaction at room temperature with purified aluminum lithium hydride in purified tetrahydrofuran, and then dissolved in a mixed solvent of dichloromethane and tetrahydrofuran, and then the amount of diformamide in the amount of catalyst. After the addition, the reaction was carried out for about 10 minutes at room temperature by thionyl chloride to obtain compound (3).

마지막 단계인 에스테르화 반응은 첫 단계와 유사하게 진행하였다. 디포름아마이드와 테트라하이드로퓨란의 혼합용매와 포타슘 카보네이트의 혼합물에 메틸-3.4.5-트리하이드록시 벤조에이트와 앞 단계에서 만들어진 화합물(3)을 넣고 70℃에서 24시간 동안의 환류반응을 통해 최종적으로 화학식(1)의 유기분자를 합성하였다.The last step, the esterification reaction, proceeded similarly to the first step. Methyl-3.4.5-trihydroxy benzoate and the compound (3) prepared in the previous step were added to a mixture of diformamide and tetrahydrofuran with a solvent of potassium carbonate, followed by reflux reaction at 70 ° C. for 24 hours. The organic molecule of Formula (1) was synthesized.

주사전자현미경으로 확인한 결과 이 유기분자는 나노미터 이하 수준의 규칙적인 원기둥 구조를 이루는 것을 확인하였다.Scanning electron microscopy confirmed that these organic molecules form a regular cylindrical structure of less than nanometers.

<반응식 1><Scheme 1>

Figure 112003020328888-pat00006
Figure 112003020328888-pat00006

실시예 2: 기판 표면의 개질Example 2: Modification of the Substrate Surface

본 발명에서는 기판의 성질을 변화시키지 않은 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 필요에 의해 기질 상에 금속, 비금속 및 기타 박막을 형성시켜 사용할 수 있다.In the present invention, a silicon wafer was used that did not change the properties of the substrate. If necessary, metals, nonmetals and other thin films can be formed on the substrate.

실시예 3: 유기분자 박막의 형성Example 3: Formation of Organic Molecular Thin Film

본 유기분자 시료를 테트라하이드로퓨란(THF) 용매에 녹여 실리콘 웨이퍼 상에 스핀코팅하여 박막을 형성시켰다 (도 2a). 본 발명에서는 2000~3000 rpm의 속도 로 10~30초 동안 스핀 코팅하였으며, 이 과정에서 박막의 두께를 적절히 변화시킬 수 있다.The organic molecular sample was dissolved in tetrahydrofuran (THF) solvent and spin-coated on a silicon wafer to form a thin film (FIG. 2A). In the present invention, spin-coated for 10 to 30 seconds at a speed of 2000 ~ 3000 rpm, in this process can be appropriately changed the thickness of the thin film.

실시예 4: 열처리(annealing)Example 4: Annealing

240℃까지 온도를 올린 후에 서냉하여 규칙적인 미세구조를 형성시켰다 (도 2b). 본 발명에서 사용한 유기분자의 경우 240℃에서 자기조립이 일어나며, 이는 사용하는 유기분자에 따라 달라질 수 있다. 이 온도에서 유기분자들이 자기조립을 위한 충분한 이동성을 가지게 되며, 가장 안정된 구조로 자기조립을 하게 된다. 본 발명에서 사용한 유기분자의 경우는 원기둥이 육각형 모양으로 배열된 3차원 구조가 가장 안정적인 구조가 된다.After raising the temperature to 240 ℃ was cooled slowly to form a regular microstructure (Fig. 2b). In the case of the organic molecules used in the present invention, self-assembly occurs at 240 ° C., which may vary depending on the organic molecules used. At this temperature, organic molecules have sufficient mobility for self-assembly and self-assembly with the most stable structure. In the case of the organic molecules used in the present invention, the three-dimensional structure in which the cylinders are arranged in a hexagonal shape is the most stable structure.

실시예 5: RuO₄(ruthenium tetraoxide)를 이용한 화학흡착Example 5 Chemisorption with RuO₄ (ruthenium tetraoxide)

본 유기분자의 경우 중심부분을 RuO4 화합물을 이용하여 선택적으로 화학흡착 시킬 수 있으므로, 수 분간 샘플을 RuO4에 노출시켜 중심부분에 Ru 금속을 화학흡착 시켰다(도 2c).In the case of the present organic molecules, since the central portion can be selectively chemisorbed using the RuO 4 compound, the sample was exposed to RuO 4 for several minutes to chemisorb the Ru metal on the central portion (FIG. 2C).

RuO4에 샘플을 노출시킬 경우, Ru 금속이 공기중으로 확산되어 유기분자 박막 상에 흡착된다. Ru 금속은 특정한 반응기들(에테르 결합, 알코올, 벤젠고리, 아민 등)과 화학적으로 반응하며, 본 발명에서 사용한 유기분자의 경우, 원기둥의 중심부분에 해당하는 영역이 Ru 금속에 의해 화학흡착 된다. When the sample is exposed to RuO 4 , Ru metal diffuses into the air and is adsorbed onto the organic thin film. Ru metal chemically reacts with specific reactors (ether bond, alcohol, benzene ring, amine, etc.), and in the case of the organic molecules used in the present invention, the region corresponding to the central portion of the cylinder is chemisorbed by Ru metal.

사용되는 유기분자에 따라 화학흡착되는 금속을 대체할 수 있다. 예를 들면, OsO4 (osmium tetraoxide)의 경우는 탄소 이중결합, 알코올, 에테르 결합, 아민 등의 반응기에 화학적으로 흡착된다.Depending on the organic molecules used, it is possible to replace the chemisorbed metal. For example, OsO 4 (osmium tetraoxide) is chemically adsorbed to a reactor such as carbon double bonds, alcohols, ether bonds, and amines.

실시예 6: 에칭(etching)Example 6 Etching

이후 반응성 이온 에칭 과정을 거치게 되면 식각속도의 차이에 따라 중심부분이 남아있는 점 형태가 이루어지게 된다(도 2d). 도 4는 이로부터 형성된 점들의 형태를 보여주는 주사전자현미경 사진이다. 본 발명에서는 CF4 기체를 이용하여 약 100초 간 에칭을 하였다. 에칭시간은 기기에 따라 차이가 생기므로 이는 모든 경우에 통용된다고는 할 수 없으며, 조건을 설정하기 위한 테스트 단계가 필요하다.After the reactive ion etching process, the center part remains in accordance with the difference in the etching rate, thereby forming a dot form (FIG. 2D). 4 is a scanning electron micrograph showing the shape of the dots formed therefrom. In the present invention, the etching was performed for about 100 seconds using CF 4 gas. Etching time varies from instrument to instrument, which is not universal in all cases and requires a test step to set conditions.

실시예 7: 기판에 나노패턴을 형성하는 방법Example 7 Method of Forming Nanopattern on Substrate

실시예 1 내지 6의 과정에 얻어진 유기분자의 나노패턴을 마스크로 하여 기판을 식각하여 기판에 나노패턴을 형성하였다. 본 발명에서는 기질 상에 중간층을 사용하지 않았으나, 기타 박막층을 기질과 유기분자박막 사이에 형성할 경우, 형성된 점 구조의 나노패턴은 이후의 식각 공정에서 마스크 역할을 하게 된다. 즉, 점 패턴이 형성된 부분의 하단은 식각이 되지 않고, 표면이 드러난 중간 박막층은 식각이 되어 유기분자에 의해 형성된 패턴이 중간 박막층으로 옮겨가게 되는 것이다. 이는 중간박막층으로 사용된 물질에 따라 달라지는데, 금속 박막층일 경우는 이온 밀링(ion milling)에 의해 식각이 가능하며, 기타 비금속, 유기물 박막층일 경우 반응성 이온 에칭 및 이온밀링에 의해 식각이 가능하다. 식각 조건은 각 박막층의 특성에 따른다.The substrate was etched using the nanopattern of organic molecules obtained in the process of Examples 1 to 6 as a mask to form a nanopattern on the substrate. In the present invention, the intermediate layer is not used on the substrate, but when the other thin film layer is formed between the substrate and the organic molecular thin film, the formed nanostructure of the dot structure serves as a mask in the subsequent etching process. That is, the lower end of the portion where the dot pattern is formed is not etched, and the intermediate thin film layer whose surface is exposed is etched so that the pattern formed by the organic molecules is transferred to the intermediate thin film layer. This depends on the material used as the intermediate thin film layer, in the case of the metal thin film layer can be etched by ion milling (ion milling), in the case of other non-metal, organic thin film layer can be etched by reactive ion etching and ion milling. Etching conditions depend on the characteristics of each thin film layer.

실시예 8: 요홈모양의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이로 리셉터의 부착을 통한 바이오 나노어레이의 제작Example 8 Fabrication of Bio Nanoarrays by Attaching Biomaterials or Viro Receptors to Grooved Nanopatterns

실시예 7에서 얻어진 요홈모양의 기판 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터를 결합시키기 위하여 기판에 알데히드를 결합시키고 바이오물질 또는 바이오 리셉터의 말단에 아민기를 붙인 다음, 아민-알데히드 반응을 통하여 기판에 바이오물질 또는 바이오리셉터를 부착하였다.In order to bind a biomaterial or a bioreceptor that binds to the biomaterial to the groove-shaped substrate nanopattern obtained in Example 7, an aldehyde group was attached to the substrate and an amine group was attached to the terminal of the biomaterial or the bioreceptor, followed by an amine-aldehyde reaction. Through the biomaterial or bioreceptor was attached to the substrate.

실시예 9: 기둥모양의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터의 부착을 통한 바이오 나노어레이의 제작Example 9 Fabrication of Bio Nanoarrays by Attaching Biomaterials or Bioreceptors to Columnar Nanopatterns

먼저 기판상에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터와 친화성이 우수한 물질의 박막을 형성시킨 다음, 실시예 1 내지 6의 과정을 수행하였다. 이를 통해 얻어진 유기분자의 나노패턴을 마스크로 하여, 이온밀링을 실시하여 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질박막의 나노패턴을 제조하였다(도6).First, a thin film of a biomaterial or a material having excellent affinity with a bioreceptor which binds to the biomaterial is formed on the substrate, and then the processes of Examples 1 to 6 were performed. Using nanopatterns of organic molecules obtained as a mask, ion milling was performed to prepare nanopatterns of material thin films having affinity with biomaterials or bioreceptors (FIG. 6).

본 실시예에서는 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질로 금(Au)을 사용하였다. 금은 씨올기(-SH)를 함유하는 바이오물질 또는 바이오 리셉 터와 선택적으로 결합할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 금 나노패턴에 생체분자들을 선택적으로 결합시켜 고밀도의 바이오 나노어레이를 제작할 수 있다 (도 6).In this embodiment, gold (Au) was used as a material having affinity with a biomaterial or a bioreceptor. Gold may selectively bind to biomaterials or bioreceptors containing seed groups (-SH). By using these properties, biomolecules of high density may be fabricated by selectively binding biomolecules to gold nanopatterns (FIG. 6).

본 발명은 유기분자들의 자기조립(self-assembly)과 금속의 선택적 화학흡착(stanning)을 이용하여 형성된 나노미터 이하 사이즈의 요홈모양이나 기둥모양의 패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 결합시켜 바이오 나노어레이를 제조하는 획기적인 방법을 제공하는 효과를 가진다.
The present invention relates to a bio nanoarray by combining a biomaterial or a bioreceptor to a groove pattern or columnar pattern having a sub-nanometer size formed by self-assembly of organic molecules and selective chemical adsorption of metals. Has the effect of providing a breakthrough method of manufacturing.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. Simple modifications and variations of the present invention can be readily used by those skilled in the art, and all such variations or modifications can be considered to be included within the scope of the present invention.

Claims (19)

하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이(nanoarray)의 제조방법:Method for producing a bio nanoarray (nanoarray), characterized in that it comprises the following steps: (a) 기판 상에 자기조립을 유발하는 유기분자의 박막을 형성하는 단계;(a) forming a thin film of organic molecules causing self-assembly on a substrate; (b) 상기 유기분자의 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올린 후에 서냉함으로써 상기 유기분자를 자기조립시켜 규칙적인 구조를 형성하는 단계;(b) forming a regular structure by self-assembling the organic molecules by increasing the temperature above the liquid crystal phase transition temperature of the organic molecules and then slowly cooling them; (c) 상기 유기분자들의 자기조립에 의해 형성된 규칙적인 구조에 선택적으로 금속을 화학흡착시키는 단계;(c) selectively chemisorbing a metal to a regular structure formed by self-assembly of the organic molecules; (d) 상기 선택적으로 금속이 화학흡착된 박막을 에칭하여 금속이 흡착되지 않은 부분을 제거하여 유기분자의 나노패턴을 형성하는 단계;(d) etching the selectively chemisorbed metal thin film to remove the non-metal adsorbed portions to form nanopatterns of organic molecules; (e) 상기 유기분자의 나노패턴을 마스크로 하여 기판을 식각하여 기판에 요홈모양의 나노패턴을 형성하는 단계; 및(e) etching the substrate using the nanopattern of the organic molecules as a mask to form groove-shaped nanopatterns on the substrate; And (f) 상기 요홈모양의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터를 결합시키는 단계.(f) binding a bioreceptor to the biomaterial or the biomaterial to the groove-shaped nanopattern. 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이(nanoarray)의 제조방법:Method for producing a bio nanoarray (nanoarray), characterized in that it comprises the following steps: (a) 기판 상에 바이오물질 또는 바이오물질과 결합하는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 박막을 형성하는 단계;(a) forming a thin film of biomaterial or a material compatible with the bioreceptor binding to the biomaterial on the substrate; (b) 상기 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 박막 상에 자기조립을 유발하는 유기분자의 박막을 형성하는 단계;(b) forming a thin film of organic molecules causing self-assembly on a thin film of the biomaterial or a material having affinity with the bioreceptor; (c) 상기 유기분자의 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올린 후에 서냉함으로써 상기 유기분자를 자기조립시켜 규칙적인 구조를 형성하는 단계;(c) forming a regular structure by self-assembling the organic molecules by increasing the temperature above the liquid crystal phase transition temperature of the organic molecules and then cooling them slowly; (d) 상기 유기분자들의 자기조립에 의해 형성된 규칙적인 구조에 선택적으로 금속을 화학흡착시키는 단계;(d) chemisorbing the metal selectively to the regular structure formed by self-assembly of the organic molecules; (e) 상기 선택적으로 금속이 화학흡착된 박막을 에칭하여 금속이 흡착되지 않은 부분을 제거하여 유기분자의 나노패턴을 형성하는 단계;(e) etching the thin film on which the metal is chemisorbed to selectively remove a portion where the metal is not adsorbed to form a nanopattern of organic molecules; (f) 상기 유기분자의 나노패턴을 마스크로 하여 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 박막을 식각하여 기둥모양의 나노패턴을 형성하는 단계; 및(f) forming a pillar-shaped nanopattern by etching a thin film of a material having affinity with a biomaterial or a bioreceptor using the nanopattern of the organic molecule as a mask; And (g) 상기 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 결합시키는 단계.(g) binding the biomaterial or the bioreceptor to the nanopattern of the biomaterial or the material having affinity with the bioreceptor. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유기분자는 하기 화학식 1의 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the organic molecule is a compound of formula (1). <화학식 1><Formula 1>
Figure 112003020328888-pat00007
Figure 112003020328888-pat00007
제1항 또는 제2항에 있어서, 유기분자의 박막은 스핀코팅(spin-coating), 문지르기(rubbing), 또는 수면에 박막을 형성하여 뜨는 방식(solution spreading)을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the thin film of organic molecules is formed by spin coating (coating), rubbing (rubbing), or by forming a thin film on the surface (solution spreading) How to. 삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서, 선택적으로 금속을 화학흡착시키는 단계는 RuO4(ruthenium tetraoxide)를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.A method according to claim 1 or 2, wherein the chemisorption of the metal selectively comprises RuO 4 (ruthenium tetraoxide). 제1항에 있어서, 기판을 식각하여 기판에 요홈모양의 나노패턴을 형성하는 단계는 반응성 이온 에칭을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein etching the substrate to form grooved nanopatterns in the substrate uses reactive ion etching. 제2항에 있어서, 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 박막을 식각하여 기둥모양의 나노패턴을 형성하는 단계는 반응성 이온 에칭 및/또는 이온밀링을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2, wherein the etching of the thin film of the biomaterial or the bioreceptor to form a pillar-shaped nanopattern uses reactive ion etching and / or ion milling. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바이오물질 또는 바이오 리셉터는 단백질, 펩티드, 효소기질, 리간드, 아미노산, 코펙터, 탄수화물, 지질, DNA, 올리고뉴클레오티드 및 RNA로 구성된 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the biomaterial or bioreceptor is any one selected from the group consisting of proteins, peptides, enzyme substrates, ligands, amino acids, cofactors, carbohydrates, lipids, DNA, oligonucleotides and RNA. How to. 제1항에 있어서, 결합보조제를 이용하여 기판의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 부착시키는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the biomaterial or the bioreceptor is attached to the nanopattern of the substrate using a binding aid. 제10항에 있어서, 결합 보조제는 카본기 말단에 알데히드, 아민 또는 이민기가 붙어 있는 화학물질인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10, wherein the binding aid is a chemical having an aldehyde, amine or imine group attached to the carbon group end. 제11항에 있어서, 바이오물질 또는 바이오 리셉터의 말단에 아민기를 붙이고, 기판표면에 알데히드를 입혀 아민-알데히드의 반응에 의해 기판의 나노패턴에 바이오물질 또는 바이오 리셉터를 결합시키는 것을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11, wherein an amine group is attached to the end of the biomaterial or bioreceptor, and an aldehyde is applied to the surface of the substrate to bind the biomaterial or bioreceptor to the nanopattern of the substrate by reaction of the amine-aldehyde. 제2항에 있어서, 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질은 금속인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2, wherein the biomaterial or material that is compatible with the bioreceptor is a metal. 제13항에 있어서, 금속은 금(Au)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 13, wherein the metal is gold (Au). 제1항의 방법에 의해 제작되고, 요홈모양의 기판 나노패턴에 단백질, 펩티드, 효소기질, 리간드, 아미노산, 코펙터, 탄수화물, 지질, DNA, 올리고뉴클레오티드 및 RNA로 구성된 군에서 선택되는 바이오물질 또는 바이오 리셉터가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이 (nonoarray).A biomaterial or a biomaterial produced by the method of claim 1 and selected from the group consisting of proteins, peptides, enzyme substrates, ligands, amino acids, cofactors, carbohydrates, lipids, DNA, oligonucleotides, and RNA in the groove-shaped substrate nanopattern Bio nanoarray (nonoarray) characterized in that the receptor is coupled. 제10항의 방법에 의해 제작되고, 요홈모양의 나노패턴에 결합보조제를 통하여 단백질, 펩티드, 효소기질, 리간드, 아미노산, 코펙터, 탄수화물, 지질, DNA, 올리고뉴클레오티드 및 RNA로 구성된 군에서 선택되는 바이오물질 또는 바이오 리셉터가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이 (nonoarray).Bio-produced by the method of claim 10, and selected from the group consisting of proteins, peptides, enzyme substrates, ligands, amino acids, cofactors, carbohydrates, lipids, DNA, oligonucleotides and RNA through binding aids to the groove-shaped nanopattern Bio nanoarrays characterized in that the substance or bioreceptor is coupled. 제16항에 있어서, 결합 보조제는 카본기 말단에 알데히드, 아민 또는 이민기가 붙어 있는 화학물질인 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이 (nonoarray).The bio nanoarray of claim 16, wherein the binding aid is a chemical having an aldehyde, an amine or an imine group attached to a carbon group end. 제2항의 방법에 의해 제작되고, 기둥모양을 가지는 바이오물질 또는 바이오 리셉터와 친화력이 있는 물질의 나노패턴에 단백질, 펩티드, 효소기질, 리간드, 아미노산, 코펙터, 탄수화물, 지질, DNA, 올리고뉴클레오티드 및 RNA로 구성된 군에서 선택되는 바이오물질 또는 바이오 리셉터가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 나노어레이 (nonoarray).Prepared by the method of claim 2, the nanopattern of the biomaterial having a columnar shape or affinity with the bioreceptor, proteins, peptides, enzyme substrates, ligands, amino acids, cofactors, carbohydrates, lipids, DNA, oligonucleotides and Bio nanoarray (nonoarray) characterized in that the biomaterial or bioreceptor selected from the group consisting of RNA is combined. 제16항 또는 제18항의 바이오 나노어레이를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오물질과 바이오 리셉터간의 반응 검출방법.19. A method for detecting a reaction between a biomaterial and a bioreceptor, wherein the bio nanoarray of claim 16 or 18 is used.
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