KR100720155B1 - 바이오칩 및 그 제조방법 - Google Patents

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박동규
김주영
박장우
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Abstract

본 발명은 바이오칩 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오칩은 기판과; 상기 기판 상에 형성된 금속박막과; 상기 금속박막 상에, 링커(linker)에 의해 고정된 바이오물질;을 포함하되, 상기 금속박막은, 금속 용액이 잉크젯 프린터기에 의해 패터닝되어 형성된다. 금속박막은 다양한 패턴을 가질 수 있다. 금속박막의 패턴은 가능한 한 마이크로미터 크기 이하의 미세 패턴이다. 본 발명에 따르면, 금속박막이 잉크젯 패터닝에 의해 형성되어 바이오물질의 다양한 패턴 구현이 가능하고, 대량생산의 이점이 있다. 또한, 수 마이크로미터의 미세 패턴이 가능하여 바이오물질을 고밀도로 집적화할 수 있다. 아울러, 사용할 수 있는 금속의 종류가 제한되지 않으며, 바이오물질의 고정화율이 우수한 효과를 발휘한다.
바이오물질, 기판, 바이오칩, DNA, 혼성화

Description

바이오칩 및 그 제조방법 {BIO-CHIP AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 Ag/Pd 초미립자 분산액의 입도분포 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Ag/Pd 초미립자 분산액의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 Ag/Pd-패터닝 된 기판의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Ag/Pd-패터닝 된 기판에 고정된 DNA의 스캐닝 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Ag/Pd-패터닝 된 기판에 교잡 반응된 후 DNA의 스캐닝 이미지이다.
도 6은 비교예에 따른 기판(Au-전면코팅 기판)의 교잡 반응된 후 DNA의 스캐닝 이미지이다.
도 7은 비교예에 따른 기판(알데히드 기판)의 교잡 반응된 후 DNA의 스캐닝 이미지이다.
도 8은 링커의 종류에 따른 DNA 칩의 성능 평가 그래프이다.
본 발명은 바이오칩 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판 상에 금속박막을 형성함에 있어서, 잉크젯 프린터기를 이용하여 금속박막을 형성함으로써, 바이오물질의 다양한 패턴 구현이 가능하고, 대량생산이 가능하여 원가가 절감되며, 미세 패턴이 가능하여 바이오물질을 고밀도로 고정할 수 있는 바이오칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어, 바이오칩(Bio-Chip)을 이용하여 핵산(DNA, RNA 등), 단백질, 효소, 항원, 항체, 미생물, 세포 등과 같은 바이오물질들의 활성을 밝히려는 노력이 확산되고 있다. 일반적으로, 바이오칩은 기판 상에 바이오물질이 고정된 구조를 갖는다.
바이오칩은 고정된 바이오물질의 종류에 따라 DNA 칩, 단백질 칩 등으로 정의될 수 있다. 예를 들어, DNA 탐침(probe)이 고정된 경우에는 DNA 칩(DNA Chip); 효소, 항원, 항체 등과 같은 단백질이 고정된 경우에는 단백질 칩(Protein Chip); 미생물이 고정된 경우에는 세포 칩(Cell Chip); 그리고 신경세포가 직접 고정된 경우에는 뉴런 칩(Neuron Chip) 등으로 정의될 수 있다. 또한, 바이오칩은 시스템화의 정도에 따라 시료의 전처리, 생화학 반응 검출, 자료해석 기능까지 소형 집적화되어 자동 분석기능을 가지는 경우에는 실험실 칩(Lab Chip); 그리고 각종 생화학 물질의 검출 및 분석 기능을 할 수 있는 바이오센서;를 포함하여 광범위하게 정의될 수 있다.
바이오칩은 각종 유전자에 대한 정보를 빠른 시간 내에 얻을 수 있으며, 유전자의 분석을 가능케 한다. 또한, 바이오칩은 검사 대상자의 체내 성분과의 반응을 통해 각종 질병진단에도 이용되고 있다. 예를 들어, 바이오칩(DNA 칩) 상에 암(cancer) 유발 DNA를 집적해 검사 대상자의 시료(DNA)를 반응시켜 보면 검사 대상자가 암 관련 DNA를 지니고 있는지의 여부를 알 수 있다.
위와 같은 바이오칩을 제조함에 있어서, 기판 상에 바이오물질을 고정하는 기술이 중요하다. 현재, 기판 상에 바이오물질을 고정화하기 위하여 여러 가지 방법이 시도되고 있다. 예를 들어, 탐침(probe) DNA를 고정화하는 데에는 주로 아민 작용기(amine functional group)를 가지고 있는 실란 화합물이나 아미노실란 올리고머 등을 링커(linker)로 하여 고정화하는 방법이 널리 적용되고 있다.
미국특허 제5,760,130호에는 카르복실화된 DNA를 아민화된 유리 기판에 고정화하는 방법이 제시되어 있다. 또한, 아민화된 DNA는 이소티오시아네이트화된(isothiocynated) 기판, 에폭시화된(epoxylated) 기판, 또는 알데히드화된(aldehyded) 기판(이하, '알데히드 기판'이라 한다) 위에 고정이 가능하다.
그러나 위와 같은 고정화 방법은 다단계의 반응 경로를 거쳐야 하기 때문에 처리 시간이 길고, 반응 속도가 매우 느려 수율이 떨어지는 단점이 있다. 그리고 범용성이 떨어진다. 이에 따라, 최근에는 기판의 한 면에 금속박막을 형성시킨 기판(이하, '금속박막 기판'이라 한다)이 선호되고 있다. 금속박막 기판은 알데히드 기판 등과 같이 고분자막이 처리된 기판보다 바이오물질의 고정방법이 비교적 단조롭다. 그리고 금속박막 기판은 바이오센서 등으로 유용하게 적용될 수 있어 범용성이 높다.
종래, 금속박막 기판을 제조함에 있어서는 일반적으로 증착(vapor deposition) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법을 통해 기판 상에 금속을 전면 코팅하거나, 또는 포토리소그리피(photolithography)법을 통해 패턴을 갖도록 제조되고 있다. 그리고 바이오물질은 주로 스폿터(spotter)라 불리는 점착장치(点着裝置)가 사용되어 금속박막 상에 고정되고 있다. 금속과 바이오물질은 자기조립(self-assembly)되는 유기화합물이 링커(linker)로 작용되어 고정될 수 있다.
예를 들어, 미국특허 제4,964,972호 및 제6,127,127호에는 금속에 황화수소기(-SH) 또는 황이중결합(disulfide, -S-S-)을 가지는 유기화합물을 이용하여 고정하는 기술이 제시되어 있다. 이때, 유기화합물의 작용기(-SH, -S-S-)가 금속과 공유 결합되어 고정된다.
기판에 바이오물질을 고정함에 있어서, 바이오물질의 고정화율이 높아야 함은 물론이고, 원하는 패턴(바람직하게는 미세 패턴)으로 고정되어야 한다. 특히, DNA 칩이나 단백질 칩 등의 경우에는 바이오물질을 가능한 한 마이크로미터 크기(micrometer scale)의 특정된 영역(spot)에 고밀도로 집적시켜 고정화시키는 것이 무엇보다 중요하다. 고밀도로 집적된 경우, 그만큼 유전 정보를 해독할 수 있는 능력이 향상되기 때문이다.
종래, 패턴을 갖도록 바이오물질을 고정화하는 데에는 주로 식각공정을 이용 하는 기술이 주류를 이루고 있다. 예를 들어, 미국특허 제5,143,854호에는 포토리소그리피법을 이용하여 폴리펩타이드(Polypeptide)를 기판 상에 고정하는 방법이 제시되어 있다. 그러나 이 방법은 칩을 제조할 때마다 각각의 패턴을 갖는 마스크(mask)를 제작하여야 하고, 각 공정마다 세척과 마스크 배열 과정이 수행되어야 한다. 이에 따라, 공정이 복잡하고, 고가의 장비를 필요로 하여 가격이 높아지는 문제점이 있다. 아울러, 패턴 디자인의 제한성, 그리고 비 환경친화적인 문제점을 안고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 2001-0004339호에는 바이오칩을 기판과, 이 기판 상에 형성된 금속 반사층(금 또는 알루미늄)과, 바이오물질과의 반응기를 유도하기 위해 금속 반사층 상에 형성된 활성층(실리콘 산화막)으로 구성하되, 이 바이오칩을 회전시키면서 펄스 형태의 레이저 빔을 조사하여 활성층의 소정영역을 활성화시킨 다음, 활성화된 소정영역에 바이오물질이 고정되게 하여 원하는 특정 영역에 패터닝할 수 있는 기술이 제시되어 있다. 그러나 상기 선행특허는 금속의 식각공정 외에 바이오칩의 회전공정, 레이저 빔의 조사공정 등이 수반되어, 이 역시 장치 및 공정이 복잡한 문제점이 지적된다. 또한, 바이오칩의 회전공정을 가짐에 따라 기판의 자체의 형상은 물론 바이오물질의 패턴이 원형으로 제한되는 문제점이 있다.
한편, 상기 선행특허들을 포함한 종래 기술은, 바이오물질의 고정화율이 낮은 문제점이 있다. 특히, 기판 상에 바이오물질을 고정화한 다음에는, 필수적으로 세척(washing), 건조(drying) 등의 후처리 공정이 진행되고 있는데, 이러한 후처리 공정에서 바이오물질의 이탈이 발생하여 고정화율이 낮은 문제점이 있다.
또한, 종래 기술은 금속박막을 구성하는 금속의 종류가 제한되는 문제점이 있다. 예를 들어, 금(Au), 백금(Pt) 또는 알루미늄(Al)으로 제한되고 있다. 연구 보고에 따르면, 상기 나열된 금속보다는 은(Ag)이 공유 결합력이 높아 고정화율이 높을 것으로 예측되고 있다. 그러나 은(Ag)은 강한 산화력 때문에 안정성이 떨어져 제품으로의 적용이 기피되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로, 바이오물질의 다양한 패턴 구현이 가능하고, 대량생산이 가능하여 원가가 절감되며, 고밀도로 고정할 수 있는 바이오칩 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 금속의 종류가 제한적이지 않고, 바이오물질의 고정화율이 우수한 바이오칩 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판과; 상기 기판 상에 형성된 금속박막과; 상기 금속박막 상에, 링커(linker)에 의해 고정된 바이오물질;을 포함하는 바이오칩에 있어서,
상기 금속박막은, 금속 초미립자가 독립된 형태로 분산된 금속 용액이 잉크젯 프린터기에 의해 패터닝되어 형성된 바이오칩을 제공한다.
본 발명에서 상기 금속박막은 1종류의 금속으로 구성되거나, 서로 다른 2종류 이상의 금속으로 이루어진 합금으로 구성되거나, 또는 서로 다른 2종류 이상의 금속이 혼합되어 구성될 수 있다. 이때, 금속의 종류는 제한적이지 않다. 예를 들어, 금속은 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)은 물론 은(Ag)을 포함한다.
또한, 본 발명은 금속 초미립자가 독립된 형태로 분산된 금속 용액을 얻는 단계와;
상기 금속 용액을 잉크젯 프린터기를 이용하여 기판 상에 패터닝하여 금속박막을 형성시키는 단계와;
상기 패터닝 된 금속박막을 열처리하여 기판과의 부착력을 강화시키는 단계와; 바이오물질에 링커(linker)를 결합시키는 단계와;
상기 링커가 결합된 바이오물질을 상기 금속박막 상에 고정화시키는 단계;를 포함하는 바이오칩의 제조방법을 제공한다.
이에 더하여, 본 발명은 금속 초미립자가 독립된 형태로 분산된 금속 용액을 얻는 단계와;
상기 금속 용액을 잉크젯 프린터기를 이용하여 기판 상에 패터닝하여 금속박막을 형성시키는 단계와;
상기 패터닝 된 금속박막을 열처리하여 기판과의 부착력을 강화시키는 단계 와;
상기 금속박막 상에 링커(linker)를 결합시키는 단계와;
상기 링커(linker)에 바이오물질을 고정화시키는 단계;를 포함하는 바이오칩의 제조방법을 제공한다.
위와 같은 제조방법에 있어서, 상기 열처리는 450℃ 이상의 고온에서 진행되는 것이 바람직하다. 그리고 위와 같이 고온에서 열처리되는 경우, 상기 금속 용액은 링커(linker)와의 공유 결합력이 높은 제1금속과, 상기 제1금속에 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금 초미립자가 독립된 형태로 분산된 합금 용액이거나, 또는 상기 제1금속과 제2금속이 독립된 형태로 분산된 혼합 금속 용액인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 금속박막이 잉크젯 프린터기에 의해 패터닝되어 바이오물질의 패턴을 다양하게 구현할 수 있다. 또한, 공정이 단순하고, 대량생산이 가능하여 원가가 절감되며, 수 마이크로미터 크기 이하의 미세 패턴이 가능하여 바이오물질을 고밀도로 고정할 수 있다. 그리고 금속의 종류 선택이 제한적이지 않다. 이때, 금속으로서 은(Ag)을 사용하는 경우 우수한 고정화율을 갖는다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 바이오칩은 지지체로서의 기판과, 상기 기판 상에 형성된 금속박막과, 상기 금속박막에 고정된 바이오물질을 적어도 포함하며, 상기 금속박막 과 바이오물질은 링커(linker)에 의해 고정된다.
상기 기판은 잉크젯 프린터기에 의한 프린팅(printing)이 가능한 고체 기판이면 본 발명에 포함한다. 예를 들어, 기판은 폴리프로필렌, 폴리아크릴 아마이드, 폴리카보네이트, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리스티렌 등과 같은 플라스틱; 실리콘이나 실리콘 산화물; 유리(표면 개질된 것); 그리고 종이; 등으로부터 선택될 수 있다. 여기서, 종이는 인화지(printing paper) 등을 포함한다.
상기 금속박막은, 본 발명에 따라서 금속 용액이 잉크젯 프린터기에 의해 패터닝 되어 형성된다. 금속박막의 패턴은 제한적이지 않다. 예를 들어, 금속박막의 패턴은 고정화시키고자 하는 바이오물질의 사용목적 또는 집적도에 따라 선형, 원형, 삼각형, 사각형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 그리고 원형, 삼각형, 사각형 등의 패턴이 바둑판 형태로 배열된 것을 포함한다. 또한, 금속박막의 패턴은 직경(원형인 경우) 또는 한 면의 길이(삼각형, 사각형인 경우)가 최소 5 나노미터(㎚)를 가질 수 있으며, 구체적인 예로는 DNA 칩 제작 시 20 마이크로미터(㎛) 내지 30 마이크로미터(㎛)를 가질 수 있다. 아울러, 금속박막의 패턴은 최소 5 나노미터(㎚)부터 최대 수 미리 미터(㎜)의 두께를 가질 수 있다.
상기 금속 용액은 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능한 것이면 본 발명에 포함한다. 그리고 점도는 1 ~ 100 mPaㆍs, 바람직하게는 1 ~ 50 mPaㆍs이고, 표면장력은 25 ~ 80 mN/m, 바람직하게는 30 ~ 60 mN/m인 경우 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 자유롭다.
상기 금속 초미립자(A)는 100 나노미터(㎚) 이하, 구체적으로는 1 ㎚ 내지 100 ㎚의 크기를 갖는다. 이때, 금속 초미립자(A)의 크기가 100 ㎚을 초과하여 너무 큰 경우에는 잉크젯 프린터기의 노즐이 막힐 우려가 있어 바람직하지 않다. 바람직하게는 잉크젯 토출이 원활히 수행될 수 있는 크기로서 50 ㎚ 이하의 크기를 갖는 것이 좋다.
본 발명에서, 금속 용액은 100 ㎚ 이하의 금속 초미립자(A)와 분산액(B)을 적어도 포함하여 이루어진다. 상기 금속 초미립자(A)는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 은(Ag)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 1종류이거나, 상기 그룹으로부터 선택된 서로 다른 2종류 이상의 금속으로 구성된 합금이거나, 또는 상기 그룹으로부터 선택된 서로 다른 2종류 이상의 혼합일 수 있다.
상기 분산액(B)은, 금속 초미립자(A)가 상호 응집됨이 없이 독립적으로 분산될 수 있도록 하는 것으로서, 이는 분산제(B-1)와 용매(B-2)로 이루어진다.
상기 분산액(B)의 분산제(B-1)로는 금속 표면에 착체(錯體)를 형성할 수 있는 관능기를 가지는 유기물로부터 선택되며, 예를 들어 알킬 아민, 카르복실산아미드, 아미노카르복실산염, 시트르산 나트륨 염 등을 유용하게 사용할 수 있다. 이때, 상기 알킬 아민의 알킬 그룹은 탄소수가 4 ~ 20, 바람직하게는 4 ~ 12를 사용하여 금속 초미립자(A)가 용매(B-2)에 충분히 분산될 수 있도록 한다. 또한, 분산제(B-1)는 분자량(Mw)이 1,000 ~ 40,000, 바람직하게는 10,000 ~ 20,000의 폴리비닐피롤리돈(PVP), 또는 분자량(Mw)이 1,000 ~ 40,000, 바람직하게는 10,000 ~ 20,000의 폴리비닐알콜 등을 사용할 수 있다. 그리고 상용 제품으로는 독일 BYK사 의 BYK-108, BYK-1000 또는 BYK-antiterra-U 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 분산액(B)의 용매(B-2)로는 탄소수 6 ~ 20의 비극성 탄화수소, 물 그리고 셀로솔브계나 극성 알콜계 등의 용제로부터 선택된 적어도 1 종을 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면 금속 용액이, 금속 초미립자(A)가 100 ㎚ 이하의 크기를 가지면서 분산제(B-1)에 의해 독립된 형태로 분산되어 있으면 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능하다. 그리고 금속박막은 잉크젯 패터닝에 의해 형성되어 형상, 크기 및 두께의 제약 없이 다양한 패턴을 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 사용할 수 있는 금속 초미립자(A)의 종류가 제한되지 않는다. 예를 들어, 종래 산화력이 강해 기피되어온 은(Ag)의 사용이 가능하다. 이는 은(Ag)의 표면에 분산제(B-1) 등이 피막을 형성하여 산화를 방지하는 것으로 추측된다.
또한, 상기 금속 용액은, 본 발명의 바람직한 형태에 따라서 금속 산화물 초미립자(C)와 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 산화물 초미립자가 금속 초미립자(A)와 함께 독립적으로 분산되어 있는 형태가 좋다. 구체적으로, 금속 용액은 금속 초미립자(A)와 분산액(B), 그리고 금속 산화물 초미립자(C) 및/또는 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D)를 적어도 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
바이오물질의 높은 고정화율을 도모하기 위해서는, 먼저 기판과 금속박막 간의 부착력이 선행되어야 한다. 상기 금속 산화물 초미립자(C)나 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D)는 기판과의 강한 부착력을 도모한다.
상기 금속 산화물 초미립자(C)와 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D)는 100 ㎚ 이하, 구체적으로는 1 ㎚ 내지 100 ㎚의 크기를 갖는다. 바람직하게는 잉크젯 토출이 원활히 수행될 수 있는 크기로서 50 ㎚ 이하의 크기를 갖는다.
상기 금속 산화물 초미립자(C)는 예를 들어 규소(Si), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 세리움(Ce), 티타늄(Ti), 지르코니움(Zr), 바나디움(V), 크로미움(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 갈리움(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb) 등의 산화물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 산화규소(SiO2, 실리카), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO2), 산화안티몬(Sb2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO) 및 산화철(FeO2) 등으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합을 사용할 수 있다.
또한, 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D)는 예를 들어 아래의 [일반식 1] 등으로 나타내어지는 금속 알콕사이드 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용하거나, 상기 금속 알콕사이드 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 가수분해와 축합반응을 진행시켜 얻은 축중합물을 사용할 수 있다.
[일반식 1]
M(OR)n
(위 식에서 M은 Si, Sn, In, Ti, Zn, Mg, Ca, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 다양한 관능기를 가진 탄화수소(알킬 그룹, 아릴 그룹 등)이며, n은 1 ~ 10의 정수이다.)
또한, 상기 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D)는 아래의 [일반식 2]로 나타내어지는 무기계 축중합 폴리머를 유용하게 사용할 수 있다.
[일반식 2]
MxOy(OR)z
(위 식에서, M은 Si, Mg, Y, Ce, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nd, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Sn, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 다양한 관능기를 가진 탄화수소(알킬 그룹, 아릴 그룹 등)이며, x, y, z 는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따라서, 상기 금속 용액은 금속 초미립자(A)가 독립적으로 분산되어 있되, 상기 금속 초미립자(A)가 서로 다른 2종류 이상의 금속으로 이루어진 형태로서, 금속 초미립자(A)와 분산액(B)을 적어도 포함하고, 상기 금속 초미립자(A)는 링커(linker)와의 공유 결합력이 강한 제1금속과, 이 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금이거나, 또는 상기 제1금속 및 제2금속과의 혼합으로 구성된다. 아울러, 상기 제2금속은 가능한 한 450℃ 이상의 온도에서도 증발 현상이 없는 금속이 더욱 좋다. 이때, 상기 제1금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 등으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 상기 제2금속은 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni) 등으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
위와 같이, 금속 초미립자(A)가 제1금속 및 제2금속의 합금 또는 혼합으로 구성된 경우, 이들이 분산된 상기 금속 용액은 기판 상에 패터닝된 후에 450℃ 이상의 고온에서 열처리되는 것이 좋다. 이때, 금속 초미립자(A)가 용액 내에서 합금으로 존재하지 않고, 서로 다른 2종류 이상의 단일 금속으로 용액 내에서 각각 혼합 분산된 경우, 잉크젯 패터닝된 후 열처리되는 과정에서 합금으로 변화된다.
바람직한 실시예에 따라서, 상기 금속 초미립자(A)는 공유 결합력이 높아 바이오물질의 고정화율을 높게 하는 은(Ag) 단독으로 구성되거나, 이러한 은(Ag)을 적어도 포함하는 합금 또는 혼합이 좋으며, 더욱 바람직하게는 은(Ag)과 팔라듐(Pd)으로 구성된 합금(Ag/Pd 합금), 또는 은(Ag)과 팔라듐(Pd)의 혼합이다.
위와 같이 금속 초미립자(C)가 합금으로 구성되어지되, 상기 합금이 링커(linker)와의 결합력이 높은 제1금속, 그리고 상기 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성되는 경우 450℃ 이상, 구체적으로는 650℃의 고온에서도 열처리를 가능케 한다. 이때, 고온 처리 시 증발 현상이 발생할 수 있는데, 제2금속이 증발 현상을 방지하여 고온 처리를 가능케 한다. 그리고 고온 열처리된 경우, 기판과의 부착력이 현저히 강화된다.
금속 용액은, 먼저 금속 초미립자(A)의 분산액을 제조한 다음, 여기에 금속 산화물 초미립자(C) 및/또는 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D)의 분말 또는 이들의 분산액을 혼합하여 제조할 수 있으며, 이들 분산액 제조는 액상 환원법을 유용하게 이용할 수 있다. 이때, 제조과정에서 점도는 1 ~ 100 mPaㆍs, 표면장력은 25 ~ 80mN/m이 되도록 고형분(A, A+C, A+D, 또는 A+C+D)의 함량이 용액의 전체 중량 기준으로 1중량% ~ 70중량%, 바람직하게는 10중량% ~ 55%가 되도록 제조한다. 이에 따라 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능한 잉크특성을 만족시킨다.
또한, 상기 금속 초미립자(A)가 예를 들어 Ag/Pd 합금 또는 혼합 미립자인 경우, 금속 전체 중량 기준(Ag+Pd)으로 Pd(제2금속)의 함유량은 0.05중량% ~ 50중량%가 좋다. 바람직하게는 0.1중량% ~ 50중량%가 좋다. 이때, Pd의 함유량이 0.05중량% 미만일 경우 450℃ 이상에서 열처리될 때 증발 현상이 나타나서 부착력이 떨어지며, Pd의 함유량이 50중량%를 초과하면 Pd의 낮은 결합력으로 인하여 링커와의 결합력이 감소될 수 있다. Pd의 함유량이 0.1중량% 이상일 경우에 증발 현상은 없어지며 열적 안정성이 현저히 향상된다.
아울러, 금속 산화물 초미립자(C) 및/또는 금속 부분축중합 산화물 초미립자(D)는 고형분 전체 중량기준으로 0.01중량% ~ 30중량%로 함유된 것이 좋다. 구체적으로, 금속 초미립자(A)를 포함한 전체 고형분(A+C, A+D, 또는 A+C+D) 중에서 C 및/또는 D(C, D, 또는 C+D)는 0.01중량% ~ 30중량%로 조성되는 것이 좋다. 바람직하게는 0.1중량% ~ 10중량%가 좋다. 이때, 금속 초미립자(A) 대비 산화물 초미립자(C 및/또는 D)의 중량비가 너무 높으면 기판과의 부착력은 증대되나 링커와의 결합력을 방해할 수 있다.
위와 같은 금속 용액이 기판 상에 패터닝된 후, 열처리 공정이 진행되어 다양한 패턴의 금속박막이 형성된다. 열처리 공정은 60℃ 이상의 온도에서 진행될 수 있다. 바람직하게는 120℃이상이다. 금속 용액이 제1금속과 제2금속의 합금 또는 혼합인 경우에는 450℃ 이상의 고온, 구체적으로는 450℃ ~ 650℃의 고온에서 수행된다. 열처리는 열풍을 가하거나, 또는 오븐에서 열을 조사하는 방법으로 진행되는 것을 포함한다.
그리고 상기 금속박막 상에는, 링커에 의해 바이오물질이 고정화된다. 상기 링커는 금속 및 바이오물질과 공유 결합이 가능한 것이면 본 발명에 포함한다. 링커는 자기조립(self-assembly)되는 유기화합물로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 링커는 다양한 길이의 알칸 티올(alkane thiol) 등과 같이 황화수소기(sulfhydryl group, -SH) 또는 황이중결합(disulfide, -S-S-)을 가지는 유기화합물을 유용하게 사용할 수 있다. 바람직하게는 탄소수가 6 ~ 24개인 유기화합물이 좋다.
금속박막 상에 링커를 사이에 두고 바이오물질을 고정화함에 있어서는, 먼저 바이오물질에 링커를 결합시킨 다음, 이를 금속박막과 반응시켜 고정화하거나, 또는 먼저 금속박막 상에 링커를 결합시킨 다음, 이를 바이오물질과 반응시켜 고정화할 수 있다.
이때, 상기 고정화과정에서는 분무 코팅, 스폿터(spotter)를 이용한 스폿팅(spotting), 그리고 침적에 의한 방법을 포함한다. 구체적으로, 링커가 결합된 바이오물질을 금속박막과 반응시킴에 있어서, 링커가 결합된 바이오물질을 금속박막 상에 분무 코팅, 스폿팅(spotting)하여 반응시키거나, 또는 금속박막을 링커가 결합된 바이오물질 용액에 침적하여 반응시킬 수 있다. 이때, 반응시간은 1시간 ~ 20시간 정도가 좋다. 또한, 금속박막 상에 링커를 결합시킨 다음, 이를 바이오물질과 반응시켜 고정하는 경우에도 스핀 코팅, 분무 코팅, 스폿터(spotter)를 이용한 스폿팅(spotting), 그리고 침적에 의한 방법을 사용할 수 있다.
바이오물질의 패턴은 금속박막의 패턴에 의해 결정될 수 있다. 스폿팅은 물론 위와 같이 스핀 코팅, 분무 코팅, 침적에 의해 고정되는 경우, 바이오물질은 금속박막의 패턴과 동일한 패턴을 가질 수 있다. 금속박막은 잉크젯 프린터기에 의해 패터닝되어 수 마이크로미터 이하, 보다 미세하게는 수 나노미터의 패턴(두께, 직경)을 가질 수 있다. 이에 따라, 바이오물질은 수 마이크로미터 이하(보다 미세하게는 수 나노미터)의 미세 패턴으로 구현이 가능하여 고밀도로 집적될 수 있다.
본 발명에서 '바이오물질'이라 함은 생물에서 유래되거나, 이와 동등한 것으로서 생체 외에서 제조된 것을 모두 포함하며, 예를 들어 DNA, RNA, 단백질, 효소, 항원, 항체, 세포(신경세포를 포함한다), 미생물 등을 포함한다.
이하, 본 발명의 구체적인 시험 실시예 및 비교예를 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
먼저, 금속 초미립자가 분산제의 의해 분산된 경우 응집력이 없이 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능한지, 그리고 금속 용액의 조성에 따른 부착력을 살폈 다. 이때, 산화력이 강한 은(Ag)의 사용 가능성을 알아보고자 은(Ag) 용액을 대상으로 하였다. 하기의 실시예 1 내지 실시예 7이 여기에 해당된다.
다음으로, 은(Ag) 용액을 기판 상에 미세 패턴닝하여 제품 적용 가능성과 고정화율 등을 종래의 기판과 비교 평가하였다. 실시예 8 및 실시예 9가 여기에 해당된다.
또한, 링커의 종류에 따른 칩 성능을 평가 분석하였다. 실시예 10이 여기에 해당된다.
[실시예 1]
< Ag 초미립자 분산액 제조 >
질산은(AgNO3) 236.247g를 3차 증류수에 용해하여 금속(Ag)의 농도가 30%(용액 중 금속(Ag)의 중량비)가 되도록 질산은(AgNO3) 수용액을 제조하였다. 다음으로, 질소 분위기 유지 하에 폴리비닐피롤리돈(PVP, Mw=40,000)을 금속(Ag) 중량의 10%(Ag:PVP=0.1:1)가 되도록 첨가하여 완전히 용해될 때까지 교반한 후 용액의 온도를 60℃로 유지하였다. 이와 같이 준비된 용액에 에탄올과 데칸이 2:8의 중량비(에탄올:테칸=2:8)로 혼합된 혼합용액 4L를 가하여 혼합한 후, 환원제로 포타슘보로하이드라드를 2mole배를 가하여 금속 환원반응을 진행시켜 Ag 초미립자 분산액을 제조하였다. 그리고 이 분산액에 BYK-108(독일 BYK사 제품) 및 PVP를 추가적으로 가하였다. 이와 같이 환원반응이 진행된 후 형성된 분산액은 약 6L로서 Ag 초 미립자가 균일하게 분산된 상태를 유지하였다.
다음으로, 상기 분산액으로부터 Ag 초미립자 분말을 분리하기 위해 에탄올을 첨가하여 극성도를 변화시켜 분리하였다. 그리고 증류수 및 아세톤을 이용하여 수회 세척하여 불순물을 제거하였다. 세척과정을 통해 회수된 미립자를 하이드로 카본계열의 헥산, 데칸 및 톨루엔이 혼합된 혼합용매를 이용하여 분산을 더 진행하였다. 이때, Ag 초미립자는 약 3~7nm의 입경을 가졌으며, 입자끼리 완전하게 고립된 상태로 용매 중에 균일하게 분산되었다. 이 분산액은 Ag 초미립자가 분산액 전체 중량 기준으로 53.4중량% 함유하였으며, 점도는 25℃에서 잉크젯 패터닝이 가능한 8.7mPaㆍS였다. 또한, 이와 같이 제조된 Ag 초미립자 분산액을 상온에서 30일 동안 방치해본 결과, 30일 경과 후에도 침전현상 없이 안정한 상태를 보임을 확인하였다.
< 시편 제조 >
상기 제조된 Ag 초미립자 분산액을 미국 Litrex 사의 잉크젯 모델 70 system에 미국 스펙트라사의 spectra SE 헤드를 장착하여 유리 기판에 패터닝하였다. 잉크젯 패터닝을 통해 배선을 형성함에 있어 총 길이 1160㎜, 두께 70~90㎛ 범위 내의 일정한 두께를 얻기 위해 2회 중복 프린팅하였다. 이때, 분산액은 노즐의 막힘 현상 없이 효과적으로 토출되어 패터닝됨을 알 수 있었다.
다음으로, 위와 같이 패터닝된 금속 배선에 대하여 250℃와 560℃에서 열처리하였다. 이때, 250℃에서는 30분 동안 열을 조사하였으며, 560℃에서는 20분 동안 열을 조사하였다.
< 부착력, 열적 안정성 평가 >
상기와 같이 제조된 시편에 대하여 부착력, 열적 안정성을 평가하였다. 부착력은 패터닝/열처리한 후 형성된 금속 배선에 3M 테이프(미국 3M사 제품, pressure sensitive tape)를 접착시킨 후, 벗겼을 때 배선의 손상정도를 육안 관찰하여 판단하였으며, 열적 안정성은 패터닝/열처리 전후 시편의 광투과도를 측정 비교하고 고온에서의 금속 증발 현상 발생 여부 확인하여 평가하였다.
이상의 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
[실시예 2]
< Ag/Pd 초미립자 분산액 1 >
먼저, Pd(NO3)을 이용하여 앞서 기술한 Ag 초미립자 분산액(실시예 1)의 제조방법과 동일하게 실시하여 Pd 초미립자 분산액을 제조하였다. Pd 초미립자는 약 5~10nm의 입경을 가졌으며, 입자끼리 완전하게 고립된 상태로 용매 중에 균일하게 분산이 되었다. 이 분산액은 Pd 초미립자가 분산액 전체 중량 기준으로 45중량% 함유하였으며, 점도는 25℃에서 13.4mPaㆍS였다. 또한, 이와 같이 제조된 Pd 초미립자 분산액을 상온에서 30일 동안 방치해본 결과, 30일 경과 후에도 침전현상 없이 안정한 상태를 보임을 확인하였다.
다음으로, 상기 제조된 Pd 초미립자 분산액과 실시예 1의 Ag 초미립자 분산액을 혼합하되, 금속 중량기준(Ag+Pd의 합)으로 Pd가 0.3%가 되도록 혼합하여 본 실시예로 적용하였다. 도 1은 이와 같이 혼합된 Ag/Pd 초미립자 분산액을 입도분석기(일본 microtrek 제품, 모델 UPA-150)를 이용하여 분석한 입도분포 그래프이고, 도 2는 상기 Ag/Pd 초미립자 분산액의 TEM 사진이다.
본 실시예에 따른 분산액에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 패터닝을 실시하고, 열처리를 한 다음, 부착력과 열적 안정성을 평가하였다. 패터닝 시 노즐 막힘 현상 없이 자유롭게 토출되었으며, 250℃와 560℃의 열처리에서 증발 현상이 없음을 알 수 있었다. 그 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
[실시예 3]
< Ag/Pd 초미립자 분산액 2 >
상기 실시예 2에서 Pd 초미립자 분산액과 Ag 초미립자 분산액을 혼합함에 있어서, 금속 중량기준(Ag+Pd의 합)으로 Pd가 30%가 되도록 혼합한 것을 본 실시예로 적용하였다.
본 실시예에 따른 분산액에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 패터닝을 실시하고, 열처리를 한 다음, 부착력과 열적 안정성을 평가하였다. 패터닝 시 노즐 막힘 현상 없이 자유롭게 토출되었으며, 250℃와 560℃의 열처리에서 증발 현상이 없음을 알 수 있었다. 그 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
[실시예 4]
< Ag/Pd/SiO2 초미립자 분산액 1 >
상기 실시예 2에서 제조된 Ag/Pd 초미립자 분산액에 직경 50nm 미만의 실리카가 혼합된 실리카 졸(일본, 닛산화학 제품, 상품명 : 스노우텍스)을 고형분 기준으로 금속 전체(Ag+Pd의 합) 중량 대비 3%가 되도록 첨가하여, 은(Ag), 팔라듐(Pd) 및 실리카(SiO2)가 독립적으로 분산된 Ag/Pd/SiO2 초미립자 분산액을 제조하여, 이를 본 실시예로 적용하였다.
본 실시예에 따른 분산액에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 패터닝을 실시하고, 열처리를 한 다음, 부착력과 열적 안정성을 평가하였다. 패터닝 시 노즐 막힘 현상 없이 자유롭게 토출되었으며, 250℃와 560℃의 열처리에서 증발 현상이 없음을 알 수 있었다. 그 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
[실시예 5]
< Ag/Pd/SiO2 초미립자 분산액 2 >
상기 실시예 3에서 제조된 Ag/Pd 초미립자 분산액에 직경 50nm 미만의 실리카가 혼합된 실리카 졸(일본, 닛산화학 제품, 상품명 : 스노우텍스)을 고형분 기준으로 금속 전체(Ag+Pd의 합) 중량 대비 3%가 되도록 첨가하여, 은(Ag), 팔라듐(Pd) 및 실리카(SiO2)가 독립적으로 분산된 Ag/Pd/SiO2 초미립자 분산액을 제조하여, 이를 본 실시예로 적용하였다.
본 실시예에 따른 분산액에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 패터닝을 실시하고, 열처리를 한 다음, 부착력과 열적 안정성을 평가하였다. 패터닝 시 노즐 막힘 현상 없이 자유롭게 토출되었으며, 250℃와 560℃의 열처리에서 증발 현상이 없음을 알 수 있었다. 그 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
[실시예 6]
< Ag/SiO2 초미립자 분산액 >
상기 실시예 1에서 제조된 Ag 초미립자 분산액에 직경 50nm 미만의 실리카가 혼합된 실리카 졸(일본, 닛산화학 제품, 상품명 : 스노우텍스)을 고형분 중량 기준으로 3%가 되도록 첨가하여, 은(Ag)과 실리카(SiO2)가 독립적으로 분산된 Ag/SiO2 초미립자 분산액을 제조하여, 이를 본 실시예로 적용하였다.
본 실시예에 따른 분산액에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 패터닝을 실시하고, 열처리를 한 다음, 부착력과 열적 안정성을 평가하였다. 패터닝 시 노즐 막힘 현상 없이 자유롭게 토출되었으나, 560℃의 고온 열처리 시 증발 현상이 발생됨을 알 수 있었다. 그 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
[실시예 7]
< Ag/Pd/SiO2 초미립자 축중합 분산액 >
먼저, 테라에톡시실란[TEOS ; Teraethoxysilane (일본, 도시바 화학, 상품 명:TSL8124)] 20g에 헥실트리메톡시실란[Hexyltrimethoxysilane (일본, 도시바 화학, 상품명:TSL8241)] 20g을 가하여 충분히 교반하고, 도데칸 20g을 더 첨가한 후 수산화 나트륨 수용액 10g(20wt%수용액)을 가하고, 상온에서 볼 밀링을 통해 실리카 부분 축합물을 제조하였다. 그리고 물 층을 제거한 후 유기물 층에 존재하는 실리카 부분 축합물을 건조 중량으로 30중량%가 되도록 농축 제조하였다. 제조된 실리카 부분 축합물은 용매에 균일하게 분산됨을 알 수 있었다.
다음으로, 제조된 실리카 부분 축합물을 Ag/Pd 초미립자 분산액에 고형분 기준으로 중량비 3%가 되도록 첨가하고, 분산 용매로서 테트라 데칸을 이용하여 교반 분산하였다. 분산된 용액의 Ag/Pd금속은 51.8중량%를 함유하였고, 점도는 25℃에서 13.4mPa.S 였다. 그리고 Pd는 전체 금속의 0.5% 중량비로 포함되게 하였다.
본 실시예에 따른 분산액에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 패터닝을 실시하고, 열처리를 한 다음, 부착력과 열적 안정성을 평가하였다. 패터닝 시 노즐 막힘 현상 없이 자유롭게 토출되었으며, 250℃와 560℃의 열처리에서 증발 현상이 없음을 알 수 있었다. 그 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
< 금속 배선의 부착력 평가 결과 >
구 분 Metal 중량 비율 부착력
250℃ * 30mim 560℃ * 20mim
실시예 1 Ag 100% X X
실시예 2 Ag/Pd (99.7/0.3) X △
실시예 3 Ag/Pd (70/30) X ◎
실시예 4 Ag/Pd (99.7/0.3)S △ ◎
실시예 5 Ag/Pd (70/30)S ○ ◎
실시예 6 Ag 100% S ○ X
실시예 7 Ag/Pd (99.5/0.5)축S △ ◎
위 [표 1]의 부착력 평가에서, 80%이상 탈착은 X , 10 ~ 20% 탈착은 △, 10%미만 탈착은 ○, 미 탈착은 ◎로 나타내었다.
< 금속 배선의 투과율 및 열적 안정성 평가 결과 >
구 분 Metal 중량 비율 250℃ * 30mim 560℃ * 20mim
투과율(%) 열적 안정성 투과율(%) 열적 안정성
실시예 1 Ag 100% 9.3 양호 50.2 증발 발생
실시예 2 Ag/Pd (99.7/0.3) 9.4 양호 11.5 양호
실시예 3 Ag/Pd (70/30) 7.6 양호 9.6 양호
실시예 4 Ag/Pd (99.7/0.3)S 9.5 양호 11.8 양호
실시예 5 Ag/Pd (70/30)S 7.9 양호 9.7 양호
실시예 6 Ag 100% S 9.6 양호 44.5 증발 발생
실시예 7 Ag/Pd (99.5/0.5)축S 9.4 양호 11.3 양호
위 [표 1] 및 [표 2]에서 "S"는 실리카를 나타내며, "축S"는 실리카 축화합물을 나타낸다.
상기 실시예들(1~7) 중에서 일부 몇 개의 실시예들이 부착력, 그리고 열적 안정성 평가에서 다소 양호하지 못한 결과를 보이고 있으나, 이는 테이핑 테스트, 560℃의 고온에 의한 결과로서 바이오칩 적용으로는 충분하다.
상기 [표 1] 및 [표 2]에 나타난 바와 같이, 금속 초미립자(Ag, Pd)가 분산제에 의해 분산된 경우 응집력이 없이 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 자유롭게 가능하고, 금속 산화물 초미립자(실리카)나 금속 부분축중합 산화물 초미립자(실리카 축화합물)가 더 함유된 경우 기판(유리)과의 부착력이 향상됨을 알 수 있었다.
또한, 금속 초미립자가 열적 안정성이 높은 금속(Pd)의 혼합으로 구성된 경우, 고온에서의 열처리가 가능하여 기판(유리)과의 부착력이 더욱 향상됨을 확인할 수 있다.
[실시예 8]
< Ag/Pd-패터닝 기판 제조 >
먼저, 유리기판을 에탄올 수용액으로 세척한 후에 2wt% 표면처리 수용액( XC95-C1658)을 처리한 후 50℃에서 20분간 배양하여 표면처리를 하였다. 표면처리 된 유리기판의 표면 성질(소수성 정도)을 확인하기 위하여 접촉각 측정기를 이용하여 기판 상의 접촉각을 측정하였다.
다음으로, 실시예 2에서 제조된 Ag/Pd 초미립자 분산액을 이용하여 다음과 같은 과정을 통해 Ag/Pd-패터닝 기판을 제조하였다.
원하는 패턴 디자인을 먼저 CAD에서 필요한 도안을 하여 파일을(*.dwg) 저장한 다음, Adobe Illustrator를 열고 CAD에서 작업한 파일을 불러와서 파일(*.bmp)을 저장하였다. 그리고 Photoshop에서 *.bmp 파일을 불러와서 *.tif 파일로 다시 저장하였다. 다음으로, 패터닝 장비(미국 Litrex 사의 잉크젯 모델 70 system에 미국 스펙트라사의 spectra SE 헤드를 장착한 잉크젯 프린터기)의 head 부분의 노즐 내에서의 drop을 analysis하면서 voltage와 time을 조절하여 drop의 상태를 조절하였다. Nozzle의 상태를 확인한 후 패터닝 할 파일(*.tif)을 불러와, 유리기판에 패터닝 하기 전에 포토페이퍼에 먼저 패터닝을 해서 시작위치를 확인하였다. 그리고 확인작업이 끝난 후 상기 표면처리된 유리기판을 올리고 한 면에 패터닝을 실시하였다.(이때, 분산된 잉크액의 drop 사이즈 및 패터닝 상태를 현미경으로 확인하며, 해상도를 조절해 원하는 이미지를 패터닝 할 수 있다.) 패터닝 완료 후에 560℃에서 20분 동안 열처리를 실시하였다.
위와 같이, Ag/Pd-패터닝된 기판의 SEM 이미지를 도 3에 나타내었다.
< 링커 DNA의 자기조립 고정화 >
상기 Ag/Pd-패터닝 기판에 대한 DNA 고정화율을 확인하기 위해서 이미 알려진 HPV(Human Papilloma Virus)-16 DNA를 사용하되, 고정화 정도를 판독하기 위해서 상기 DNA의 5'에는 티올(thiol)이 결합되고, 3'에는 형광물질(TAMRA)이 결합된 30mer의 oligo DNA(probe DNA)를 준비하였다. 이때, 상기 고정화를 위한 probe DNA는 3XSSC (0.45M 염화나트륨/0.05M 소듐 시트레이트 용액, pH 7.0)에 용해하여 사용하였다. 여기에서 사용된 HPV-16 DNA는 10μM의 농도의 것을 사용하였다.
다음으로, 상기 thiol-probe DNA-TAMRA를 침적공정을 통해 Ag/Pd-패터닝 기판 상에 고정화하였다. 침적한 후에는 25℃ 항온기에서 70% 습도조건에서 14시간 정도 반응시켰다. 이 과정에서 probe DNA는 기판 상에 자기 조립(self-assembly)되어 고정화되었다.
위와 같이, 고정화 반응을 진행시킨 후 0.2% (w/v) 소디움 도데실설페이트 (Sodium dodecyl sulfate, SDS)용액에서 1분간, 3차 증류수에서 1분간 두 번의 세척과정을 수행한 뒤에 건조시켰다. 세척과정은 50rpm의 속도로 교반하면서 수행하였다.
또한 고정화 정도를 판독하기 위해서 상기 probe DNA가 고정된 기판을 스캐닝하였다. 스캐닝은 엑손사의 Genepix 4000B 스캐너를 사용하여 형광신호를 분석하였다(excitation 650nm, emission 668nm). 이와 같이, 스캐닝 된 이미지를 도 4에 나타내었고, 분석된 형광신호를 아래의 [표 3]에 나타내었다.
[비교예 1]
유리기판에 금 박막이 전면 코팅된 기판(Erie Scientific Co.사 제품)을 본 비교예의 기판으로 사용하되, probe DNA는 상기 실시예 8과 동일한 것(thiol-probe DNA-TAMRA)을 사용하였다. 그리고 마이크로어레이어(Genetix Qarray mini)를 이용한 스폿팅(spotting) 공정을 통해 기판 상에 스폿팅 고정화시켜, 이를 본 비교예로 적용하였다. 그리고 실시예 8과 같이, 세척, 건조공정을 진행한 후, 형광신호 강도(Intensity)를 측정하여 [표 3]에 나타내었다.
[비교예 2]
알데히드 기판(Cel Associate사 제품)을 본 비교예의 기판으로 사용하되, HPV-16 DNA(probe DNA)의 5'에는 아민기를 붙이고, 3'에는 실시예 8과 동일하게 형광물질(TAMRA)을 표시하였다. 그리고 알데히드 기판에 상기 probe DNA를 상기 비교예 1과 같은 스폿팅 공정을 통해 고정화시켜, 이를 본 비교예로 적용하였다. 그리고 실시예 8과 같이, 세척, 건조공정을 진행한 후, 형광신호 강도(Intensity)를 측정하여 [표 3]에 나타내었다.
< probe DNA의 고정화 정도 평가 결과 >
비 고 실시예 8 (Ag/Pd-패터닝 기판) 비교예 1 (Au-전면코팅 기판) 비교예 2 (알데히드 기판)
형광신호 강도 (Intensity) 26284.01 2175.1 13460.1
상기 [표 3]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서, 잉크젯 패터닝을 통해 제작된 Ag/Pd-패터닝 기판(실시예 8)의 고정화율(형광신호 강도)이 알데히드 기판(비교예 2)에 비해서는 2배 정도, 금 박막(비교예 1)에 비해서는 10배 정도의 향상된 고정화율을 가짐을 알 수 있다.
[실시예 9]
< 상보적인 Target DNA와의 혼성화(Hybridization) 정도 및 민감도 평가 >
Ag/Pd-패터닝 기판에서의 DNA 칩 성능 확인(혼성화 정도) 및 민감도(S/N Ratio)를 평가하기 위해, 먼저 100μM농도의 HPV-16 DNA(probe DNA)를 침적공정을 이용하여 실시예 8에서 제작된 Ag/Pd-패터닝 기판에 자기조립(self-assembly) 과정을 통해 고정화시켰다. 이때, 침적 고정화한 후에는 25℃ 항온기에서 70% 습도조건에서 14시간 정도 반응시켰다. 이 반응 후에는 0.2% SDS용액에서 1분간, 멸균 증류수에서 1분간, 두 번의 세척과정을 수행한 뒤에 건조시켰다. 건조된 기판에 패터닝 디자인에 따라 다양한 종류의 교잡반응용 챔버 (cover slip, Grace Bio-Labs)를 부착하였다.
상기 챔버에서 300㎕의 CY5-dUTP로 표지된 상보적인 표적 DNA(Target DNA)와 교잡반응(Hybridization)을 하였다. 구체적으로, Target DNA는 PCR product를 사용하기 위해서 대한민국 서울시 종로구 연건동 28번지에 소재하고 있는 한국 세포주 은행 (Korean Cell Line Bank, KCLB)에서 구입한 SiHa 세포주(HPV-16, KCLB 30035, Human squamous carcinoma, cervix)와 HeLa 세포주에서 추출 및 정제된 DNA를 사용하였다. 이때, 교잡반응 정도(혼성화 정도)를 판독하기 위해서 Target DNA의 5'에 형광물질Cy5를 결합시켜 표시하였다. 교잡반응은 6X 식염수-소디움 포스페이트-EDTA 완충액(SSPE, Sigma Chemical CO., St. Louis, Mo, USA)과 0.2% 소디움 도데실설페이트(SDS) 용액을 사용하였고, 침적 후 40℃ 항온기에서 70% 정도 습도를 유지하면서 15시간 정도 반응을 진행시켰다. 교잡반응 후에는 3XSSPE로 2분, 1X SSPE로 2분간 칩을 세척하여 공기 건조하였다.
다음으로, 상기 칩 시편을 콘포칼 레이저 스캐너(Genepix 4000B)를 이용하여 형광신호를 분석하였다(excitation 650nm, emission 668nm). 또한 스캐닝된 교잡반응 후의 이미지를 도 5에 나타내었다. 이때, 형광신호는 DNA 패터닝 된 부분의 강도(Spot Intensity)와, DNA 패터닝 된 부분 주위의 강도(Background Intensity)를 각각 측정한 다음, 아래의 수학식으로 계산된 값을 민감도(S/N Ratio)로 하여 아래의 [표 4]에 나타내었다. 그리고 교잡 반응된 후의 패터닝 부분의 직경(Spot Diameter)을 함께 나타내었다.
Figure 112006027662384-pat00001
[비교예 3]
유리기판에 금 박막이 전면 코팅된 기판(Erie Scientific Co.사 제품)을 본 비교예의 기판으로 사용하고, 이 기판 상에 상기 실시예 9와 동일한 probe DNA를 스폿팅 고정화하였다. 그리고 상기 실시예 9와 동일하게 교잡반응을 실시한 다음, 상보적인 Target DNA와의 혼성화(Hybridization) 정도 및 민감도(S/N Ratio)를 평가하였다. 그 결과는 [표 4]와 같다. 그리고 본 비교예에 따른 기판의 교잡반응 후의 이미지를 도 6에 나타내었다.
[비교예 4]
알데히드 기판(Cel Associate사 제품)을 본 비교예의 기판으로 사용하고, probe DNA는 100μM농도의 HPV-16 DNA의 5'에 아민기를 붙인 것을 사용하였다. 그리고, 상기 probe DNA를 기판 상에 스폿팅 고정화시킨 다음, 상기 실시예 9와 동일하게 교잡반응을 실시하였다. 다음으로, 실시예 9에서와 같이 상보적인 Target DNA와의 혼성화(Hybridization) 정도 및 민감도(S/N Ratio)를 평가하였다. 그 결과는 [표 4]와 같다. 그리고 본 비교예에 따른 기판의 교잡반응 후의 이미지를 도 7에 나타내었다.
< 상보적인 Target DNA와의 혼성화(Hybridization) 정도 및 민감도 평가 결과 >
비 고 Spot Diameter after Hyb. Spot Intensity Background Intensity 민감도 (S/N Ratio)
실시예 9 (Ag/Pd-패터닝 기판) 95.58 59560.0 172.94 344
비교예 3 (Au-전면코팅 기판) 338.5 16484.6 73.54 224
비교예 4 (알데히드 기판) - 12001.3 2032.16 5.91
상기 [표 4]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서, Ag/Pd-패터닝을 통한 칩 기판(실시예 9)이 혼성화 정도(Spot Intensity)나 민감도(S/N Ratio)에 있어서, Au-전면코팅 기판(비교예 3)이나 알데히드 기판(비교예 4)에 비해 월등히 우수함을 알 수 있다. 이때, 민감도(S/N Ratio)가 높다는 것은 DNA 고정화 정도와 혼성반응 정도가 우수하여 DNA 분석능력이 높다는 것을 의미한다. 또한, [표 4]에 본 발명의 실시예 8의 스폿 직경(Spot Diameter)이 작음에도 불구하고, 혼성화 정도(Spot Intensity)가 높게 나타나고 있는데, 이는 그만큼 DNA 고정화 정도와 혼성반응 정도가 우수하여 DNA의 분석능력이 높다는 것을 의미한다.
아울러, 도 5 내지 도 7에 비교되는 바와 같이, 형광물질의 육안 관찰에 의해서도, 본 발명에 따른 Ag/Pd-패터닝을 통한 칩 기판(도 5)이 Au-전면코팅 기판(도 6)이나 알데히드 기판(도 7)보다 형광도가 월등히 우수함을 확인할 수 있다.
[실시예 10]
< 링커(linker)의 종류에 따른 DNA 칩 성능 평가 >
링커의 종류(길이)에 따른 DNA 칩의 혼성화 감도 및 민감도를 평가하기 위해, 먼저 HPV-16 DNA(probe DNA)의 5'에 링커를 결합시키되, 탄소 수가 6개(C6), 18개(C18), 24개(C24)인 알칸 티올(alkane thiol ; 대한민국 (주)제노텍 제품)을 사용하였다. 그리고 HPV-16 DNA는 10nM과 100nM의 농도를 사용하여 농도에 따른 링커의 영향을 함께 비교하였다.
위와 같은 링커가 결합된 probe DNA를 침적공정을 이용하여 실시예 8에서 제작된 Ag/Pd-패터닝 기판에 자기조립(self-assembly) 과정을 통해 고정화시켰다. 그리고 상기 실시예 9와 동일하게 교잡반응을 실시하였다. 다음으로, 실시예 9에서와 같이 상보적인 Target DNA와의 혼성화(Hybridization) 정도 및 민감도(S/N Ratio)를 평가하였다. 그 결과를 아래의 [표 5]에 나타내었다. 그리고 민감도(S/N Ratio)는 그래프화하여 도 8에 나타내었다.
< 링커의 종류(탄소 수)에 따른 DNA 칩 성능 평가 결과 >
비 고 Spot Diameter after Hyb. Spot Intensity Background Intensity 민감도 (S/N Ratio)
10nM 100nM 10nM 100nM 10nM 100nM 10nM 100nM
탄소 수 6개 (C6) 293.13 211.88 21541.19 10310.55 6418.06 3138.88 3.36 3.28
탄소 수 18개 (C18) 277.5 236.25 36688.56 48515.06 8409.69 11806.81 4.36 4.11
탄소 수 24개 (C24) 288.75 245.0 49249.75 60781.75 13415.5 22749.19 3.67 2.67
상기 [표 5] 및 도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따르면, 링커의 종류(길이)에 따라 DNA 칩의 성능이 결정됨을 알 수 있었다. 이때, 링커의 탄소 수가 너무 적거나 많은 것보다는 6개 ~ 24개 정도에서 양호한 민감도(S/N Ratio)를 가짐을 알 수 있었으며, 실시예 10의 평가 결과로는 18개에서 가장 양호한 민감도(S/N Ratio)를 가짐을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 잉크젯 패터닝에 의해 금속박막이 형성되어 바이오물질의 다양한 패턴 구현이 가능하다. 그리고 금속박막이 잉크젯 프린팅 토출 방식으로 손쉽게 형성되어 대량생산이 가능하고, 장비가 소형이어서 저렴한 가격으로 보급될 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 수 마이크로미터의 미세 패턴이 가능하여 바이오물질을 고밀도로 집적화할 수 있다. 아울러, 종래와 같이 금속박막의 제조 시 식각공정에서 진행되는 세척공정이 배제되어 환경친화적이다.
이에 더하여, 본 발명은 사용할 수 있는 금속의 종류가 제한되지 않으며, 이에 따라 은의 사용이 가능하다. 그리고 기판과 금속박막의 부착력, 및 은의 사용에 의해 바이오물질의 고정화율이 높은 효과를 발휘한다.

Claims (17)

  1. 기판과; 상기 기판 상에 형성된 금속박막과; 상기 금속박막 상에, 링커(linker)에 의해 고정된 바이오물질;을 포함하는 바이오칩에 있어서,
    상기 금속박막은, 금속 초미립자가 독립된 형태로 분산된 금속 용액이 잉크젯 프린터기에 의해 패터닝되어 형성된 것을 특징으로 하는 바이오칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 용액은, 금속 산화물 초미립자와 금속 부분축중합 산화물 초미립자 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 산화물 초미립자가 상기 금속 초미립자와 함께 독립된 형태로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오칩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 초미립자는, 링커(linker)와의 공유 결합력이 높은 제1금속과, 상기 제1금속에 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금이거나, 또는 상기 제1금속과 제2금속의 혼합인 것을 특징으로 하는 바이오칩.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 초미립자는 은(Ag) 단독으로 구성되거나, 은(Ag)을 적어도 포함하는 합금 또는 혼합으로 구성된 것을 특징으로 하는 바이오칩.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 금속 산화물 초미립자는 규소(Si), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 세리움(Ce), 티타늄(Ti), 지르코니움(Zr), 바나디움(V), 크로미움(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 갈리움(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb)의 산화물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 바이오칩.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 금속 부분축중합 산화물 초미립자는 아래의 일반식으로 나타내어지는 무기계 축중합 폴리머인 것을 특징으로 하는 바이오칩.
    MxOy(OR)z
    (위 식에서, M은 Si, Mg, Y, Ce, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nd, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Sn, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 탄화수 소이며, x, y, z 는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 링커(linker)는 황화수소기(sulfhydryl group, -SH) 또는 황이중결합(disulfide, -S-S-)을 가지며, 탄소수가 6 ~ 24개인 유기화합물인 것을 특징으로 바이오칩.
  8. 금속 초미립자가 독립된 형태로 분산된 금속 용액을 얻는 단계와;
    상기 금속 용액을 잉크젯 프린터기를 이용하여 기판 상에 패터닝하여 금속박막을 형성시키는 단계와;
    상기 패터닝된 금속박막을 열처리하여 기판과의 부착력을 강화시키는 단계와;
    바이오물질에 링커(linker)를 결합시키는 단계와;
    상기 링커가 결합된 바이오물질을 상기 금속박막 상에 고정화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
  9. 금속 초미립자가 독립된 형태로 분산된 금속 용액을 얻는 단계와;
    상기 금속 용액을 잉크젯 프린터기를 이용하여 기판 상에 패터닝하여 금속박막을 형성시키는 단계와;
    상기 패터닝된 금속박막을 열처리하여 기판과의 부착력을 강화시키는 단계와;
    상기 금속박막 상에 링커(linker)를 결합시키는 단계와;
    상기 링커(linker)에 바이오물질을 고정화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 금속 용액은, 금속 산화물 초미립자와 금속 부분축중합 산화물 초미립자 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 산화물 초미립자가 상기 금속 초미립자와 함께 독립된 형태로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 열처리는 450℃ ~ 650℃에서 진행되고, 상기 금속 용액은 링커(linker)와의 공유 결합력이 높은 제1금속과, 상기 제1금속에 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금 초미립자가 독립된 형태로 분산된 합금 용액이거나, 또는 상기 제1금속과 제2금속이 독립된 형태로 분산된 혼합 금속 용액인 것을 특징으로 하 는 바이오칩의 제조방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 금속 용액은, 은(Ag) 용액이거나, 은(Ag)을 적어도 포함하는 은(Ag) 합금 용액 또는 은(Ag) 혼합 용액인 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 링커가 결합된 바이오물질을 금속박막 상에 고정화시키는 단계는, 링커가 결합된 바이오물질을 금속박막에 스핀 코팅, 분무 코팅, 스폿팅(spotting) 또는 침적하여 고정화시키는 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 링커에 바이오물질을 고정화시키는 단계는, 바이오물질은 링커가 결합된 금속박막에 스핀 코팅, 분무 코팅, 스폿팅(spotting) 또는 침적하여 고정화시키는 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 금속 산화물 초미립자는 규소(Si), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 세리움(Ce), 티타늄(Ti), 지르코니움(Zr), 바나디움(V), 크로미움(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 갈리움(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb)의 산화물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 금속 부분축중합 산화물 초미립자는 아래의 일반식으로 나타내어지는 무기계 축중합 폴리머인 것을 특징으로 하는 바이오칩의 제조방법.
    MxOy(OR)z
    (위 식에서, M은 Si, Mg, Y, Ce, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nd, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Sn, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 탄화수소이며, x, y, z 는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
  17. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 링커(linker)는 황화수소기(sulfhydryl group, -SH) 또는 황이중결합(disulfide, -S-S-)을 가지며, 탄소수가 6 ~ 24개인 유기화합물인 것을 특징으로 바이오칩의 제조방법.
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