KR100723426B1 - 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터 및 그를 이용한이온 물질 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터 및 그를 이용한 이온 물질 검출 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터는 반도체 재료로 구성되는 기판; 상기 기판 내에 서로 이격 되어 형성되고 상기 기판과 반대 극성으로 도핑된 소스 영역 및 드레인 영역; 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 배치되는 채널 영역; 상기 채널 영역 상에 배치되고 전기적 절연 재료로 구성되는 절연층; 상기 절연층 상부의 가장자리에 배치되는 일차 기준 전극; 및 상기 절연층으로부터 이격 되어 배치되는 이차 기준 전극;을 포함한다.
Description
도 1은 종래 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터의 구조를 개략적으로 도시한 측면 단면도이다.
도 3은 도 2의 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터를 III-III선을 따라 절취한 평면 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에서 수행된 pH가 상이한 용액들의 유입 및 기준 전극들의 온-오프에 따른 전체 평균 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에서 수행된 PCR 산물 포함 용액, 세척 용액 및 NTC 용액을 번갈아 주입한 경우의 전체 평균 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에서 수행된 상이한 pH의 용액을 주입한 경우의 전류값을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터 및 그를 이용한 이온 물질 검출 방법에 관한 것이다.
전기적인 신호로 이온 물질, 특히 생분자(Biomolecule)를 검출하는 센서 중 트랜지스터를 포함하는 구조를 지닌 트랜지스터 기반 바이오 센서가 있다. 이는 반도체 공정을 이용하여 제작되는 것으로, 전기적인 신호의 전환이 빠른 장점이 있어, 그 동안 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.
전계 효과 트랜지스터(이하, 'FET'라고도 함)를 사용하여, 생물학적 반응을 측정하는 원천 특허로 미국 특허 제 4,238,757호가 있다. 이는 항원-항체 반응을 표면 전하 밀도(surface charge concentration) 변화로 인한 반도체 inversion 층의 변화를 전류로 측정하는 바이오 센서에 관한 것으로 생분자 중 단백질(protein)에 관한 것이다. 미국 특허 제 4,777,019호는 바이오 단량체(biological monomers)를 게이트 표면에 흡착시켜 상보적인(complementary) 단량체와의 혼성화(hybridization) 정도를 FET로 측정하는 것에 관한 것이다.
미국 특허 제 5,846,708호는 CCD(charged coupled device)를 사용하여 결합된 생분자에 의한 흡광 현상으로 혼성화 여부를 측정하는 방법을 개시하였다. 미국 특허 제 5,466,348호 및 제 6,203,981호에서는 TFT(thin film transistor)를 사용하며, 회로를 접목시켜 신호 대 잡음 비를 향상시키는 내용을 개시하였다.
이와 같은 FET를 바이오 센서로 사용하는 경우에는 종래의 방식에 비해 비용 및 시간이 적게 들고, IC(integrated circuit)/MEMS 공정과의 접목이 용이하다 는 점에서 큰 장점을 지니고 있다.
도 1은 종래 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, n형 또는 p형으로 도핑된 기판(11) 내에 양측부에 기판(11)과 반대 극성으로 도핑된 소스(12) 및 드레인(13)이 형성되어 있고, 상기 소스(12) 및 드레인(13) 사이에는 채널(15)이 형성되어 있으며, 상기 기판(11) 상에 소스(12) 및 드레인(13)과 접촉하는 절연층(14)이 형성되어 있다. 상기 절연층(14)의 상부에는 기준 전극(16)이 형성되고, 상기 기준 전극(16)에는 일정한 전압이 인가된다.
상기 FET를 포함하는 센서의 크기는 마이크로미터 스케일인데 반해, 상기 기준 전극의 크기는 밀리미터 스케일이기 때문에 전체 센서의 크기를 줄이는데 한계로 작용하는 문제점이 있다.
한편, 미국 특허 제 4,269,682호는 절연 게이트 FET를 포함하는 측정 유닛, 절연 게이트 FET를 포함하는 기준 전극, 및 상기 각 FET에 바이어스를 인가하고 전해질 용액의 전기적 포텐셜을 고정하는 슈도(pseudo) 기준 전극을 포함하는 시스템을 개시한다. 상기 시스템이 적용하는 금속 전극의 경우 전압을 매우 불안정하게 고정하기 때문에 노이즈를 제거하기 위하여, 기준 FET를 이용하여 차등 측정을 수행해야 하는 문제점이 있다.
일반적으로 종래의 이온 물질 검출용 FET들은 제작 공정에 있어서 산포가 매우 크기 때문에, 상기 FET들을 이용하여 동일한 시료를 검출하는 경우 측정되는 전기적 값은 큰 차이가 있다. 따라서, 매우 많은 복수의 어레이 FET들을 이용하여 전기적 값을 측정한 후 상기 값들을 필터링하고 평균하여 양질의 데이터만 선별하여 사용하고 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 소자간 산포가 현저히 개선되어 하나 또는 소수의 소자로도 정확한 검출이 가능하고, 신호 대 노이즈 비율을 현저히 증가시킬 수 있으며, 소형화가 가능한 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소자간 산포가 현저히 개선되어 하나 또는 소수의 소자로도 정확한 검출이 가능하고, 신호 대 노이즈 비율을 현저히 증가시킬 수 있으며, 소형화가 가능한 이온 물질 검출용 미세유동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이온 물질의 존재 또는 농도를 용이하고 정확하게 검출할 수 있는 이온 물질 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 재료로 구성되는 기판; 상기 기판 내에 서로 이격 되어 형성되고 상기 기판과 반대 극성으로 도핑된 소스 영역 및 드레인 영역; 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 배치되는 채널 영역; 상기 채널 영역 상에 배치되고 전기적 절연 재료로 구성되는 절연층; 상기 절연층 상부의 가장자리에 배치되는 일차 기준 전극; 및 상기 절연층으로부터 이격 되어 배치되는 이차 기준 전극;을 포함하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터를 제공한다.
상기 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터는 상기 소스 영역, 드레인 영역 및 일차 기준 전극 상에 배치되고 전기적 절연 재료로 구성되는 분리층을 더 포함할 수 있다.
상기 분리층 상에 상기 이차 기준 전극이 배치될 수 있다.
상기 절연층은 상기 소스 영역 및 드레인 영역의 일부 상에도 배치될 수 있다.
상기 전기적 절연 재료는 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드 또는 메탈 옥사이드일 수 있다.
상기 기판이 n형으로 도핑된 경우 상기 소스 및 드레인은 각각 p형으로 도핑되고, 상기 기판이 p형으로 도핑된 경우 상기 소스 및 드레인은 각각 n형으로 도핑될 수 있다.
상기 일차 기준 전극은 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 구성될 수 있다.
상기 이차 기준 전극은 백금 또는 Ag/AgCl로 구성될 수 있다.
상기 이온 물질은 생분자일 수 있고, 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.
상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 이온 물질 검출용 미세유동장치를 제공한다.
상기 전계 효과 트랜지스터는 마이크로채널 내에 형성될 수 있다.
상기 전계 효과 트랜지스터의 기판은 마이크로채널의 내부면을 구성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이온 물질의 존재 또는 농도를 검출하고자 하는 시료 용액을 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터의 절연층에 제공하는 단계; 및 상기 전계 효과 트랜지스터의 전기적 신호 변화를 측정하는 단계;를 포함하는 이온 물질 검출 방법을 제공한다.
상기 이온 물질 검출 방법은 상기 시료 용액의 제공 단계 이전에 상기 전계 효과 트랜지스터의 일차 기준 전극 및 이차 기준 전극 각각에 동일 또는 상이한 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 시료 용액은 상기 절연층 이외에 일차 기준 전극 및 이차 기준 전극에도 제공될 수 있다.
상기 전계 효과 트랜지스터의 전기적 신호는 소스-드레인의 전류 또는 전압일 수 있다.
상기 이온 물질은 생분자일 수 있고, 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.
상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 핵산은 PCR 산물 또는 그의 정제물일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터의 구조를 개략적으로 도시한 측면 단면도이고, 도 3은 도 2의 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터를 III-III선을 따라 절취한 평면 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터는 기판(21), 소스 영역(22), 드레인 영역(23), 채널 영역(24), 절연층(25), 일차 기준 전극(26), 이차 기준 전극(27) 및 분리층(28)을 포함한다.
상기 기판(21)은 반도체 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 반도체 재료는 예컨대, Si 또는 Ge일 수 있다.
상기 소스 영역(22) 및 드레인 영역(23)은 상기 기판(21) 내에 서로 이격 되어 형성되고 상기 기판과 반대 극성으로 도핑된다. 예컨대, 상기 기판(21)이 n형으로 도핑된 경우 상기 소스(22) 및 드레인(23)은 각각 p형으로 도핑될 수 있고(PMOS-FET), 반대로 상기 기판(21)이 p형으로 도핑된 경우, 상기 소스(22) 및 드레인(23)은 각각 n형으로 도핑될 수 있다(NMOS-FET).
상기 소스(22)는 캐리어, 예컨대 자유전자 또는 정공을 공급하고, 드레인(23)은 상기 소스(22)에서 공급된 캐리어가 도달한다.
상기 소스(22)에는 일정한 전압이 인가될 수 있고, 예컨대 그라운드일 수 있다. 또한, 상기 드레인(23)에도 일정한 전압(Vds)이 인가될 수 있다.
상기 채널 영역(24)은 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 배치된다. 상 기 채널 영역(24)을 통해 상기 캐리어, 예컨대 자유전자 또는 정공이 통과한다.
상기 절연층(25)은 상기 채널 영역(24) 상에 배치된다. 상기 절연층(25)은 상기 소스 영역(22) 및 드레인 영역(23)의 일부 상에도 배치될 수 있다.
상기 절연층(25)은 전기적 절연 재료로 구성된다. 상기 전기적 절연 재료는 생분자가 고정되지 않는 임의의 재료일 수 있고, 예컨대, 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드 또는 메탈 옥사이드일 수 있다. 또한, 상기 절연층(25) 상에 생분자가 고정되지 않는 다른 재료로 구성되는 부가층이 형성되어 있을 수도 있다.
상기 일차 기준 전극(26)은 상기 절연층 상부의 가장자리에 배치된다. 도 3에 명확하게 도시 되어 있는 바와 같이, 상기 일차 기준 전극(26)은 가운데에 구멍이 형성되고 서로 연결되어 있으며, 특별한 형태에 한정되지 않는다. 상기 일차 기준 전극(26)에 일정한 전압(Vr1)이 인가될 수 있다.
상기 일차 기준 전극(26)은 전도성의 임의의 재료로 구성될 수 있고, 예컨대, 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 구성될 수 있다.
상기 일차 기준 전극(26)은 다양한 방법으로 형성 가능하다. 예컨대, 통상적인 FET 상부의 패시베이션층에서 게이트 전극층 까지 에칭하면서, 상기 게이트 전극층의 테투리 부분을 남기도록 에칭함으로써 제작할 수 있다.
본 발명에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터는 상기 일차 기준 전극(26)을 도입함으로써 소자간 산포를 현저하게 줄이고 신호 대 노이즈 비율을 현저하게 증가시킬 수 있다.
상기 분리층(28)은 상기 소스 영역(22), 드레인 영역(23) 및 일차 기준 전극(26) 상에 배치되고 전기적 절연 재료로 구성될 수 있다.
상기 전기적 절연 재료는 생분자가 고정되지 않는 임의의 재료일 수 있고, 예컨대, 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드 또는 메탈 옥사이드일 수 있다.
상기 이차 기준 전극(27)은 상기 분리층(28) 상에 배치된다. 이 경우 FET의 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 상기 이차 기준 전극은 임의의 전도성 물질로 형성될 수 있고, 예컨대 백금 또는 Ag/AgCl로 구성될 수 있다. 상기 일차 기준 전극(27)에 일정한 전압(Vr2)이 인가될 수 있다.
도 2에 도시된 바와는 다르게, 상기 이차 기준 전극(27)은 상기 절연층(25)으로부터 이격 되어 챔버(미도시) 내 공간 상에 배치될 수 있고, 다르게는 상기 챔버를 한정하는 다른 벽면 상에 배치될 수도 있다.
본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET는 이온 물질을 매우 정확하게 검출 할 수 있다.
상기 이온 물질의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 이온 원자, 이온 분자 또는 생분자일 수 있다. 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.
상기 핵산은 다양한 핵산, 유사핵산, 또는 그 혼성체를 의미하고, 예컨대 DNA, RNA, PNA(Peptide Nucleic Acid), LNA(Locked Nucleic Acid) 및 그 혼성체로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 핵산은 올리고뉴클레오티드 또는 PCR 산물일 수 있지만, PCR 산물 또는 그의 정제물인 것이 바람직하다.
상기 단백질은 예컨대, 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한, 본 발명은 이온 물질 검출용 미세유동장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이온 물질 검출용 미세유동장치는 본 발명에 따른 미세유동장치를 포함한다. 상기 이온 물질 검출용 미세유동장치는 입구, 출구 및 반응 챔버 등이 마이크로채널을 통하여 유체적으로 연결되어 있다. 상기 미세유동장치는 상기 마이크로채널 외에 유체의 이송을 위한 마이크로펌프, 상기 유체 이송을 제어하기 위한 마이크로밸브, 유체의 혼합을 위한 마이크로믹서 및 이송되는 유체를 여과하기 위한 마이크로필터 등을 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동장치는 예컨대, 생물학적 분석 과정을 수행하기 위해 세포 계수(counting), 세포 선별(sorting), DNA 추출 및 PCR 증폭 및 검출 중 어느 하나 이상의 과정을 수행할 수 있는 복수의 챔버를 포함하고, 상기 챔버들은 차례로 채널에 의해 유체 연결되어 있다.
바람직하게, 상기 전계 효과 트랜지스터는 상기 마이크로채널 내에 형성되어 있을 수 있다. 또한, 상기 전계 효과 트랜지스터의 기판은 상기 마이크로채널의 내부면을 구성할 수 있고, 상기 이차 기준 전극도 상기 절연층으로부터 격리되어 상기 마이크로채널 내부면에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터를 이용하여 이온 물질을 검출하는 방법에 관한 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 물질 검출 방법에 대해 설명한 다.
이온 물질을 검출하기 위하여, 먼저 상기 시료 용액의 제공 단계 이전에 상기 전계 효과 트랜지스터의 일차 기준 전극 및 이차 기준 전극 각각에 동일 또는 상이한 전압을 인가한다. 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 및 드레인 사이에도 일정한 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소스 및 드레인 사이에 일정한 전류가 흐르도록 설정할 수도 있을 것이다.
다음으로, 이온 물질의 존재 또는 농도를 검출하고자 하는 시료 용액을 상기 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터의 절연층에 제공한다. 상기 시료 용액을 상기 절연층 이외에 일차 기준 전극 및 이차 기준 전극에도 제공하는 것이 바람직하다.
상기 이온 물질의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 이온 원자, 이온 분자 또는 생분자일 수 있다. 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.
상기 핵산은 다양한 핵산, 유사핵산, 또는 그 혼성체를 의미하고, 예컨대 DNA, RNA, PNA(Peptide Nucleic Acid), LNA(Locked Nucleic Acid) 및 그 혼성체로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 핵산은 올리고뉴클레오티드 또는 PCR 산물일 수 있지만, PCR 산물 또는 그의 정제물인 것이 바람직하다.
상기 단백질은 예컨대, 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
다음으로, 상기 전계 효과 트랜지스터의 전기적 신호 변화를 측정한다. 상기 전계 효과 트랜지스터의 전기적 신호는 소스-드레인의 전류 또는 전압일 수 있 다. 즉, 상기에서 소스 및 드레인 사이에 일정한 전압을 인가하는 경우 상기 전기적 신호는 전류일 수 있고, 상기 소스 및 드레인 사이에 일정한 전류가 흐르도록 설정하는 경우 상기 전기적 신호는 전압일 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 이온 물질 검출 방법의 가장 바람직한 구체예는 핵산의 PCR 산물을 검출하는 것이다. 만약 시료 내에 표적 생분자가 존재하였다면 PCR이 수행되었을 것이고 반대로 시료 내에 표적 생분자가 존재하지 않았다면 PCR이 수행되지 않았을 것이기 때문에, PCR 산물을 검출함으로써 상기 시료 내에 표적 생분자가 존재하는지 및 그의 농도를 검출할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터의 제조
본 발명에서 사용한 FET 소자는 X-FAB Semiconductor Foundries (Germany)로부터 주문 제작하였으며, 통상적인 FET 소자였다. 상기 주문 제작한 제품은 구조가 동일한 192개의 FET가 어레이 형태(12x16)로 배열되어 있는 것이었다. 상기 제품은 X-FAB Semiconductor Foundries 사의 설비를 이용하여 제작되었으며 상기 업체의 고유 CMOS 공정을 사용하였다. CMOS 표준 공정은 업체에 따라 약간의 차이가 있으나 상기 업체의 표준 공정은 본 발명과도 무관하므로 생략하였다.
상기 주문 제작된 FET 소자들의 게이트 상부면을 도 2 및 도 3에 도시된 형 태로 에칭하였다. 즉, 각 FET의 패시베이션 층에서 게이트 전극층까지 제거하여 절연층, 즉 실리콘 옥사이드층을 외부로 노출시켰다. 도 3에 명확하게 도시 되어 있는 바와 같이, 상기 게이트 전극층 전부를 에칭하는 대신에, 그의 테두리 부분이 남도록 에칭하여 일차 기준 전극을 형성하였다.
다음으로, 상기 절연층으로부터 이격시켜 외부 이차 기준 전극을 형성하였고, 분리층 상부에 내부 이차 기준 전극을 형성하였다. 상기 외부 및 내부 이차 기준 전극 각각은 백금으로 형성하였고, 그들 각각에는 일정한 기준 전압이 인가될 수 있도록 배선을 형성하였다. 상기 외부 및 내부 이차 기준 전극 중 어느 하나만을 형성하여도 무관하지만, 본 실시예에서는 실험의 편의를 위하여 둘 모두를 함께 형성하였다.
다음으로, 상기 노출된 절연층, 일차 기준 전극, 및 외부 및 내부 이차 기준 전극을 포함하는 2개의 챔버들을 형성하였다. 상기 각 챔버는 92개의 FET 소자를 포함하였다.
상기 제작 과정 중 및 후에 세정 및 건조 과정을 수행하였다. 즉, 노출된 실리콘 옥사이드층을 포함하는 FET 표면을 주의 깊게 세정하였다. 세정은 순수 아세톤과 물로 수행하고, 씻어 낸 다음, 건조하였다. 상기 기판 세정 과정은 반도체 제조 공정에서 이용되는 웨트 스테이션(wet station)을 이용하였다. 세정이 끝난 후에 스핀 드라이를 이용하여 건조하였다.
<실험예 1>
본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터를 이용한 용액의 검출
실시예 1에서 제조한 FET를 포함하는 2개의 챔버들을 각각 센싱 챔버 및 기준 챔버로 설정하였다.
상기 기준 챔버에는 0.01 mM PB 용액(pH 5.88)을 계속적으로 유입 및 유출시켰다. 상기 센싱 챔버에는 처음에 상기 기준 챔버에 유입되는 것과 동일한 0.01 mM PB 용액(pH 5.88)을 유입시키고, 이후에 상이한 이온 물질을 함유하는 용액들, 즉 0.1 mM NaOAc 용액 (pH 4.72) 및 0.01 mM PB 용액(pH 6.08)을 번갈아 유입 및 유출 시켰다.
한편, 상기 기준 챔버 및 센싱 챔버에 포함된 FET의 소스 및 드레인에 일정한 전압을 계속적으로 인가하는 동시에, 일차 기준 전극, 외부 이차 기준 전극 및 내부 이차 기준 전극을 적절히 조합하여 온-오프 시켰다.
상기 pH가 상이한 용액들의 유입 및 상기 기준 전극들의 온-오프에 따른 소스 및 드레인 전류를 측정하였다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에서 수행된 pH가 상이한 용액들의 유입 및 기준 전극들의 온-오프에 따른 전체 평균 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 처음에 0.01 mM PB 용액(pH 5.88)을 유입하면서 외부 이차 기준 전극에 1.8 V를 인가한 상태에서 일차 기준을 ON 시켰다. 상기 일차 기준 전극에 인가되는 전압은 0 V에서 1.9 V로 증가시켰다. 다음으로, 상기 일차 기준 전극에 계속해서 1.9 V를 인가하면서 외부 이차 기준 전극에 1.9 V 및 2.0 V의 전압을 차례로 인가하였다. 이 상태에서, 센싱 챔버에 0.1 mM NaOAc 용액 (pH 4.72) 및 0.01 mM PB 용액(pH 6.08)을 번갈아 유입시켰다.
다음으로, 상기 일차 기준 전극 및 외부 이차 기준 전극을 OFF시킨 후에, 내부 이차 기준 전극에 1.8 V를 인가한 후 상기 일차 기준 전극을 ON 시켜 0 V에서 1.9 V로 증가시켰다. 다음으로, 상기 일차 기준 전극에 계속해서 1.9 V를 인가하면서 내부 이차 기준 전극에 1.9 V 및 2.0 V의 전압을 차례로 인가하였다. 이 상태에서, 센싱 챔버에 0.1 mM NaOAc 용액 (pH 4.72) 및 0.01 mM PB 용액(pH 6.08)을 번갈아 유입시켰다. 내부든 외부든 이차 기준 전극은 항상 ON 상태에서 일차 기준 전극의 전압을 변화시킨 실험이다. 일차 기준 전극 만으로는 충분히 용액을 포텐셜을 잡아 줄 수 없기 때문에 2가지 전극을 모두 이용하여야 한다.
다음으로, 상기 일차 기준 전극을 OFF시키고, 상기 내부 이차 기준 전극에는 계속해서 2.0 V를 인가시켰다. 이 상태에서, 센싱 챔버에 0.1 mM NaOAc 용액 (pH 4.72) 및 0.01 mM PB 용액(pH 6.08)을 번갈아 유입시켰다. 다음으로, 상기 내부 이차 기준 전극을 OFF 시키고, 외부 이차 기준 전극을 ON 시켜 2.0 V를 인가시켰다. 이 상태에서, 센싱 챔버에 0.1 mM NaOAc 용액 (pH 4.72) 및 0.01 mM PB 용액(pH 6.08)을 번갈아 유입시켰다.
다음으로, 상기 외부 이차 기준 전극을 OFF시키고, 일차 기준 전극 및 내부 이차 기준 전극을 ON 시켜 1.9 V 및 2.0 V를 각각 인가시켰다. 이 상태에서, 센싱 챔버에 0.1 mM NaOAc 용액 (pH 4.72) 및 0.01 mM PB 용액(pH 6.08)을 번갈아 유입시켰다.
다음으로, 상기 일차 기준 전극에는 계속해서 1.9 V를 인가하고, 상기 내부 이차 기준 전극을 OFF 시키고, 외부 이차 기준 전극을 ON 시켜 2.0 V를 인가시켰 다. 이 상태에서, 센싱 챔버에 0.1 mM NaOAc 용액 (pH 4.72) 및 0.01 mM PB 용액(pH 6.08)을 번갈아 유입시켰다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 내부 또는 외부 이차 기준 전극만을 ON 시킨 경우도 센싱 챔버 및 기준 챔버에서 측정된 전류는 거의 0에 가까워 서로 구분되지 않았다. 한편, 일차 기준 전극, 및 내부 또는 외부 이차 기준 전극을 동시에 ON 시켜서 전압을 인가하는 경우 pH가 상이한 용액들에 반응하여 전류값이 매우 효과적으로 변화함을 알 수 있다.
<실험예 2>
본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터를 이용한 PCR 산물의 검출
실시예 1에서 제조한 FET를 이용하여 PCR 산물을 검출할 수 있는지 여부를 확인하였다.
이를 위해, 상기 FET 기반 센서에 PCR 산물 포함 용액, 세척 용액 및 NTC(negative control) 용액을 번갈아 주입하였다.
상기 PCR 산물을 얻기 위해 스타필로코쿠스 아우레우스(Staphylococcus aureus) 박테리아의 주형(template)을 이용하여 PCR 증폭과정을 거쳤으며 사용된 순방향(forward) 및 역방향(reverse) 프라이머의 염기서열은 각각 5'-(TAG CAT ATC AGA AGG CAC ACC C)-3' 및 5'-(ATC CAC TCA AGA GAG ACA ACA TT)-3'였다. 증폭이 완료된 PCR 산물은 240 bp의 크기를 가졌고, PCR 산물의 농도는 5 ng/㎕에 맞추어 포스페이트 버퍼로 희석하였다. 상기 PCR 산물을 함유하는 포스페이트 버퍼의 pH는 5.49이었다.
상기 세척 용액으로서 0.01 mM 포스페이트 버퍼 (pH 6.02)를 이용하였다.
상기 NTC(negative control) 용액은 PCR 과정 중 주형(template)을 제거하여 PCR 산물의 생산을 저해하여 PCR 산물을 제외한 다른 물질의 저해효과를 확인하기 위함이다. 모든 PCR 과정은 상기와 동일하며 단지 주형만 첨가하지 않은 채 PCR이 진행되었다. PCR 과정 후 PCR 증폭이 일어나지 않았으므로 PCR 산물의 농도는 알 수 없다. 이는 샘플 내에 표적 DNA가 존재하지 않아 PCR이 수행되지 않은 경우를 가정하기 위한 것이다. 상기 NTC 용액의 pH는 5.16이었다.
도 5는 본 실험예에서 수행된 PCR 산물 포함 용액, 세척 용액 및 NTC 용액을 번갈아 주입한 경우의 전체 평균 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, PCR 산물 포함 용액, 세척 용액 및 NTC(negative control) 용액을 번갈아 주입하는 경우 전류 변화 값은 확연히 구분되었다. 따라서, 본 발명에 따른 FET는 PCR 산물의 검출에도 효과적으로 이용될 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 3>
본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터를 이용한 pH 검출
실시예 1에서 제조한 FET를 이용하여 용액의 pH를 검출할 수 있는지 여부를 확인하였다.
이를 위해, 상기 FET 기반 센서에 pH 3, 6 및 9의 용액들을 상기 챔버에 주입하여 그에 따른 전류값을 측정하였다.
도 6은 본 실험예에서 수행된 상이한 pH의 용액을 주입한 경우의 전류값을 나타내는 그래프이다. 도 6에 있어서, 라인 (A)는 일차 기준 전극 및 외부 이차 기준 전극에 각각 1.8 V 및 1.9 V를 인가한 경우이고, 라인 (B)는 일차 기준 전극 및 외부 이차 기준 전극에 각각 1.6 V 및 1.9 V를 인가한 경우이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 측정 용액의 pH에 따라 전류량이 선형적으로 변화함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 FET는 용액의 pH 검출에도 효과적으로 이용될 수 있음을 알 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터 및 미세유동장치에 따르면 소자간 산포가 현저히 개선되어 하나 또는 소수의 소자로도 정확한 검출이 가능하고, 신호 대 노이즈 비율을 현저히 증가시킬 수 있으며, 소형화가 가능한 장점을 갖는다. 상기 전계 효과 트랜지스터 또는 미세유동장치를 이용하면 이온 물질의 존재 또는 농도를 용이하고 정확하게 검출할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (24)
- 반도체 재료로 구성되는 기판;상기 기판 내에 서로 이격되어 형성되고 상기 기판과 반대 극성으로 도핑된 소스 영역 및 드레인 영역;상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 배치되는 채널 영역;상기 채널 영역 상에 배치되고 전기적 절연 재료로 구성되는 절연층;상기 절연층 상부의 가장자리에 배치되는 일차 기준 전극;상기 소스 영역, 드레인 영역 및 일차 기준 전극 상에 배치되고 전기적 절연 재료로 구성되는 분리층; 및상기 절연층으로부터 이격되어 배치되고 상기 분리층 상에 배치되는 이차 기준 전극;을 포함하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 절연층은 상기 소스 영역 및 드레인 영역의 일부 상에도 배치되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 전기적 절연 재료는 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드 또는 메탈 옥사이드인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 기판이 n형으로 도핑된 경우 상기 소스 및 드레인은 각각 p형으로 도핑되고, 상기 기판이 p형으로 도핑된 경우 상기 소스 및 드레인은 각각 n형으로 도핑된 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 일차 기준 전극은 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 구성되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 이차 기준 전극은 백금 또는 Ag/AgCl로 구성되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 이온 물질은 생분자인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 9항에 있어서,상기 생분자는 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 10항에 있어서,상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 10항에 있어서,상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터.
- 제 1항에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 이온 물질 검출용 미세유동장치.
- 제 13항에 있어서,상기 전계 효과 트랜지스터는 마이크로채널 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 미세유동장치.
- 제 13항에 있어서,상기 전계 효과 트랜지스터의 기판은 마이크로채널의 내부면을 구성하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 미세유동장치.
- 이온 물질의 존재 또는 농도를 검출하고자 하는 시료 용액을 제 1항에 따른 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터의 절연층에 제공하는 단계; 및상기 전계 효과 트랜지스터의 전기적 신호 변화를 측정하는 단계;를 포함하는 이온 물질을 검출하는 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 시료 용액의 제공 단계 이전에 상기 전계 효과 트랜지스터의 일차 기준 전극 및 이차 기준 전극 각각에 동일 또는 상이한 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 시료 용액은 상기 절연층 이외에 일차 기준 전극 및 이차 기준 전극에도 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 전계 효과 트랜지스터의 전기적 신호는 소스--레인의 전류 또는 전압인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 이온 물질은 생분자인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 20항에 있어서,상기 생분자는 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 21항에 있어서,상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 21항에 있어서,상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 21항에 있어서,상기 핵산은 PCR 산물 또는 그의 정제물인 것을 특징으로 하는 방법.
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