KR100902081B1 - 탄소 나노튜브의 전극 사이 배치 방법, 탄소나노튜브-탐식자 복합체를 이용한 생체분자 검출 장치와 그방법 - Google Patents
탄소 나노튜브의 전극 사이 배치 방법, 탄소나노튜브-탐식자 복합체를 이용한 생체분자 검출 장치와 그방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 검출 대상 생체분자와 반응할 수 있는 탐식자가 탄소 나노튜브와 상호작용하여 복합체를 생성하였을 때, 시료 속 검출 대상 생체분자의 존부에 따라 이 복합체가 검출 대상 생체분자와 탐식자의 반응에 의하여 해리하는 것을 전기적으로 검출하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 구체적으로 복합체 또는 탄소 나노튜브가 일으키는 전기적 특성 변화 및 크기를 측정함으로써, 비표지(non-label) 방식으로 시료(sample) 속 생체분자의 존부와 농도를 용액 상태에서 빠르고 민감하게 전기적으로 측정할 수 있는 장치와 방법을 제공한다. 이 검출 방법과 검출 장치는 공유결합 방식으로 나노 소재 등을 기판 표면에 고정하여 검출 대상 생체분자와 반응을 일으키는 것이 아니라, 액상에서 복합체와 검출 대상 생체분자 사이의 반응을 일으킨 후 기판의 표면에 위치시키기 때문에 반응의 효율성을 높이고 검출 한계를 높일 수 있으며, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 등의 첨단 검출 및 진단 방법에 적용하기 적합하다. 아울러 위와 같은 검출 방법을 위하여 필수적인 복합 전기장을 이용한 탄소 나노튜브의 전극 사이 배치 방법도 제공된다.
탄소 나노튜브, 복합 전기장, 전계 효과, 전기적 검출
Description
본 발명은 탄소 나노튜브의 전극 사이 배치 방법, 탄소 나노튜브-탐식자 복합체를 이용한 생체분자 검출 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 시료 속 생체분자의 존부와 농도를 전기적 신호 형태로 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 생체분자 검출 장치와 그 방법에 관한 것이다.
탄소 나노튜브 (carbon nanotube: CNT)는 독특한 기계적, 전기적, 화학적 성질로 인하여 매우 많은 응용분야가 제기되어 왔다. 탄소 나노튜브는 전기 전도성이 극히 높으며 매우 얇은 튜브를 매우 길게 이을 수 있으면서도 그 구조적 강도가 탁월한 훌륭한 특성을 갖추고 있다. 따라서 CNT를 이용한 새로운 소자 및 시스템의 개발은 성능 및 크기에 있어서 기존의 것들을 훨씬 앞지르거나 전혀 새로운 제품을 만들 수 있는 가능성을 가지고 있다.
특히 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube: SWCNT)는 높은 종횡비(縱橫比, aspect ratio)를 가지고 있으며 뛰어난 화학적, 기계적, 전기적 특성 때문에 새로운 나노-바이오 센서 물질로 주목 받고 있다. SWCNT의 경우, 미소량의 생체분자와 반응하더라도 큰 전기적 특성 차이를 보이기 때문에 생체분자 반응 전후의 SWCNT 특성 변화를 측정하는 바이오 센서들이 개발되고 있는데, 현재 SWCNT를 이용한 대부분의 바이오 센서의 경우 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET) 또는 쇼트키 장벽 트랜지스터(Schottky Barrier Transistor) 구성을 통해 생체분자 검출을 시도하고 있다. 그러나 이런 방법은 탐식자(probe)를 SWCNT 표면에 고정화(immobilization)시키기가 어렵고 반응이 기판의 표면에서 일어남에 따라 SWCNT와 생체분자의 결합이 비효율적으로 이루어지는 문제를 가지고 있다. 또한 SWCNT를 측정 장치 표면에 고정화하거나 검출 대상 생체분자를 SWCNT 표면에 고정화하면서 SWCNT 또는 검출 대상 생체분자의 성질이 고정화에 의하여 변할 수 있는 위험성을 늘 안고 있었다.
생체분자를 비전기적 방식으로 검출하려는 경우 대개 형광 표지(fluorescent label)나 기타 화학적 표지 물질을 검출 대상 물질에 붙이고 표지에서 발생하는 신호를 검출하는 방식을 택하기 마련인데, 이러할 경우 분석 대상 시료를 표지화하는 전처리 과정이 반드시 필요하게 되어 다양한 시료를 빠른 시간 안에 분석하기 어렵다. 또한 시료의 표지화 과정에서 표지가 완벽한 선택성을 가지고 검출 대상 생체분자에만 표지된다는 것을 검증하여야 하는 어려운 문제가 따르게 된다.
따라서 검출 대상 생체분자를 표지화 등의 시료 전처리 없이, 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 방법과 장치에 대한 필요성은 여전히 남아 있다고 할 수 있 다.
본 발명은 검출 대상 생체분자를 측정 표면에 공유결합 형성으로 고정화하거나 광학적 또는 화학적 표지로 표지할 필요 없이(label-free) 간단하고 신속, 정확하게 시료 속 생체분자의 존부와 농도를 전기적 신호 형태로 측정할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 것이 목적이다. 본 발명은 기존의 방법들과 달리 CNT를 특정 표면상에 미리 성장시키거나 고정시키지 않고 검출 대상 생체분자와 상호작용하여 해당 표적 생체분자를 검출하는 장치와 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 통하여 본 발명에서는 CNT-탐식자(probe) 복합체와 검출 대상 생체분자 사이의 반응을 효율적으로 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 원하는 위치에 CNT나 CNT-탐식자 복합체를 위치시킴으로써 극소량의 생체분자를 높은 민감도로 측정할 수 있는 장치와 방법을 개발하고자 한다. 본 발명에서는 구체적으로 CNT-탐식자의 복합체를 용액상에서 반응시킨 후 원하는 위치에 CNT나 CNT-탐식자 복합체를 위치시켜 전기적 특성의 변화를 측정함으로써 기존 방식의 문제점을 해결하면서 높은 반응 효율과 측정 민감도를 가지는 생체분자 측정법을 제공한다.
이와 같은 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 구성은 다음과 같다.
본 발명의 생체분자 검출 장치는 전기적 특성 변화를 통하여 생체분자의 존부를 검출하기 위한 장치로서, ㄱ)기판, ㄴ) 검출 대상 생체분자와 상호작용하는 탐식자(probe)와 탄소 나노튜브를 용액상에서 혼합하여 형성한, 탐식자 및 탄소 나노튜브의 복합체를 함유하는 검출 용액, ㄷ) 상기 기판 위에 형성되고, 상기 검출 용액 또는 상기 검출 용액 및 상기 생체분자를 함유하는 시료용액의 혼합용액이 위치하는 간극을 사이에 둔 전극쌍, ㄹ) 상기 전극쌍 중 어느 한 전극과 상기 기판 사이에 전압을 인가할 수 있는 전극, ㅁ) 상기 전극쌍 사이에 교류 전기장 및 비연속적 형태의 직류 전기장을 동시에 인가하여 상기 검출 용액 속 복합체, 또는 상기 혼합용액 속의 복합체 또는 탄소 나노튜브를 상기 전극쌍 사이에 정렬하는 배치 수단 및 ㅂ) 상기 전극쌍 사이의 전기적 특성 변화 측정 수단을 포함 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 측면에서 상기 CNT는 전도성 나노튜브를 우세하게 함유하는 CNT이며 바람직하게는 SWCNT로 이루어져 있다.
본 발명의 다른 측면에서 상기 배치 수단은 연속적인 혹은 펄스 형태의 직류 전기장과 교류 전기장을 동시에 인가하는 복합 전기장을 이용하여 상기 전극쌍 사이에 CNT를 배치하는 것이 특징이다.
본 발명의 또 다른 측면에서는 검출 대상 생체분자가 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid, DNA) 또는 리보핵산(ribonucleic acid, RNA)이며 탐식자는 상기 DNA 또는 RNA에 상보적인 DNA 서열이 된다. 이때 검출 대상 생체분자가 DNA인 경우 CNT와 복합체를 이루는 탐식자로는 상기 DNA 서열에 상보적인 단일 가닥 DNA 서열을 사용할 수 있다.
본 발명에서 생체분자의 존부를 판단하기 위하여 측정하는 전기적 특성 변화는 CNT-탐식자 복합체가 생체분자와의 상호작용에 따라 그 값이 달라지는 어떠한 전기적 특성이라도 무방하다.
본 발명의 한 구체적 측면에서는 상기 전기적 특성의 일종인 전계 효과를 이 용하여 생체분자를 검출하는 방법을 제공한다. 본 발명의 검출 방법은 (1) 검출 대상 생체분자와 상호작용할 수 있는 물질인 탐식자와 CNT를 용액상에서 반응시켜 상기 탐식자와 CNT의 복합체를 포함하는 검출 용액을 형성하는 단계, (2) 상기 생성된 검출 용액을 검출 대상 시료와 반응시키는 단계, (3) 기판 위에 적층된 전극의 쌍이 있고, 상기 전극쌍 사이에 간극이 있는 장치의 전극쌍 사이의 간극에 상기 (2) 단계의 반응 결과물(CNT-탐식자 복합체 혹은 CNT)을 위치시키되 위치된 결과물 중 적어도 하나 이상이 상기 양 전극과 모두 접촉하도록 하는 단계, (4) (3) 단계의 장치의 상기 기판 및 전극쌍에 전압을 인가하여 전계 효과를 생성하는 단계 및 (5) 상기 전계 효과에 기인한 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호의 변화를 측정하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 다른 측면에서는, 상기 (5) 단계 이후에 (6) 상기 (2) 단계를 거치지 않은 (1) 단계의 검출 용액 일부를 대상으로 (3) 내지 (5) 단계를 수행하는 단계 및 (7) 상기 (5)와 (6)의 전계 효과 측정값을 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법을 제공한다.
아울러 본 발명의 또 다른 측면에서는 (a) 검출 대상 생체분자와 상호작용할 수 있는 물질인 탐식자와 CNT를 용액상에서 반응시켜 상기 탐식자와 CNT의 복합체를 포함하는 검출 용액을 생성하는 단계, (b) 검출대상 시료와 상기 생성된 검출 용액을 반응시키는 단계 및 (c) 상기 (b) 단계의 반응을 거친 결과물(CNT-탐식자 복합체 혹은 CNT)을 기판상의 전극쌍 사이 간극에 위치시켜 정렬하는 단계를 포함하고, 상기 정렬하는 단계는 상기 전극쌍에 연속적인 혹은 펄스 형태의 직류 전기 장과 교류 전기장을 동시에 인가하는 복합 전기장을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 "검출 대상 생체분자"라고 함은 이하 설명할 "탐식자"와 상호작용하여 탐식자와 CNT 사이의 복합체를 해리시킬 수 있는 모든 생체분자를 일컫는다. 따라서 상기의 조건을 만족하는 모든 생체분자가 이에 해당되며 특별히 단백질, 핵산, 지질, 탄수화물이나 이들의 특정 복합 분자에 국한되지 않는다.
본 발명에서 "탐식자(probe)"란 CNT와 상호작용하여 복합체를 이룰 수 있는 분자로서, 복합체를 이루었을 때 CNT의 전기적 성질을 변화시켜야 한다. 복합체 형성은 반드시 공유결합이나 이온결합을 통한 화학결합이 아니어도 무방하며, 본 발명의 검출 장치의 측정 조건에서 CNT와 탐식자로 해리하지 않고 복합체를 유지할 수 있는 정도 세기의 상호작용이면 족하다. 바람직하게는 본 발명의 탐식자는 금속성(혹은 전도성) CNT와 결합했을 때 CNT-탐식자의 복합체가 반도체적 특성을 나타내는 것이 바람직하다. 아울러 본 발명의 탐식자는 검출 대상 생체분자와 상호작용하여 복합체로부터 완전히 혹은 부분적으로 해리할 수 있는 성질이 있어야 한다. 탐식자는 검출 대상 단백질 분자와 결합하여 복합체를 이루는 단백질 또는 핵산 또는 지질이나 당류일 수도 있으며, 검출 대상 핵산 분자와 상보적인 핵산 서열일 수도 있다. 또 렙틴(leptin)과 같이 특정 탄수화물 분자와 강력한 복합체를 형성하는 단백질이나 호르몬 수용체 단백질처럼 호르몬과 결합하는 단백질을 탐식자로 사용할 수도 있다. 그러나 상기와 같은 특성을 갖춘 분자라면 어느 것이나 탐식자로 사용할 수 있으며 반드시 생체분자에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에서 "전기적 특성 변화"라고 함은 생체분자와 탐식자의 상호작용으로부터 발생하는 CNT-탐식자의 복합체의 전기적 특성의 변화로서 검출 대상 생체분자에 의하여 변화할 수 있는 것이면 어느 것이나 무방하다. 전기적 저항 값의 변화나, 전기 전도 특성의 변화(예를 들어 도체와 반도체 사이의 변환)를 보기로 들 수 있다.
본 발명의 한 실시 태양에서는 기판 위에 소스(source)와 드레인(drain) 역할을 하는 전극쌍을 갖추고 있고, 이 전극쌍 사이에는 수십 ㎛에서 수십 nm 크기의 간극이 존재하며, 소스와 드레인 사이의 전하의 흐름을 조절할 수 있는 전압을 인가하는 게이트(gate)를 갖춘 장치로서 전계 효과를 발생시키고 적절한 측정 수단으로 상기 전계 효과를 측정하게 된다. 전형적인 전계 효과 발생 장치의 예로는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)가 있다. 그러나 본 발명의 전계 효과 발생 장치에서는 이하 설명하는바, CNT 또는 CNT-탐식자 복합체가 소스와 드레인 사이의 전류가 흐르는 통로인 채널(channel) 역할을 맡게 되므로, 통상의 FET와는 달리 채널 역할을 할 도핑 실리콘층을 갖추지 않아도 되는 특징이 있다. 따라서 통상의 FET를 적절히 변형하여 사용할 수도 있고, 본 발명의 용도에 맞추어 전계 효과 발생 장치를 제조할 수도 있다. 전계 효과의 측정에는 소스와 드레인 사이의 전류 측정이나, 전압 측정 등의 방식을 예로 들 수 있다.
본 발명에서 CNT는 SWCNT 또는 다중벽 탄소 나노튜브(multi-wall carbon nanotube: MWCNT)일 수 있는데, 특히 SWCNT인 것이 바람직하고, 검출에 사용되는 것은 금속성(혹은 전도성) 나노튜브인 것이 바람직하다.
본 발명의 생체분자 검출 장치 및 그 방법은 기존의 나노-바이오 센서와 달리 나노 소자가 고정되어 있지 않고 액체상태 (solution phase)에서 반응을 일으킨 후에 고정시키는 방식으로 반응의 효율성을 높이고 나노 조립법을 이용하여 검출 한계를 낮출 수 있는 독창적이고 새로운 기술이다. 따라서 본 발명을 이용하면 검출농도, 시간, 부피 등 현 바이오 센서 개발 분야에서 혁신을 가져올 수 있는 원천기술의 확보가 가능하다. 또한 극소량의 생체분자를 높은 민감도를 가지고 측정해야 하는 바이오 센서 분야에 이용 가능하며, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 등의 첨단 검출 방법에 적용하기에도 적합한 검출 기술이다.
이하 본 발명을 실시 태양을 중심으로 설명하겠다. 이 실시 태양은 어디까지나 구체적인 예로서 발명의 이해를 돕기 위함이며 본 발명의 권리 범위를 어떤 경우에도 한정하기 위한 의도가 아님을 밝혀 둔다.
본 발명의 생체분자 검출 장치 및 그 방법을 이용하여 용액 시료 속 DNA의 존부를 검출하는 한 실시 태양에 대하여 상술한다. 단일 가닥 DNA(single stranded DNA, ssDNA) 와 SWCNT는 분자 구조의 특성상 복합체를 형성하게 되는데, 복합체에 결합된 ssDNA(탐식자 DNA)와 상보적인 DNA 즉 검출 대상 DNA를 복합체에 반응시키게 되면, 검출 대상 DNA와 탐식자 ssDNA 사이에서 혼성화(hybridization)가 일어나 이중가닥 DNA(double stranded DNA, dsDNA)가 형성된다. dsDNA는 경직된 구조이므로 dsDNA가 생성되면 탐식자 DNA는 복합체로부터 해리한다(도 1 참조). 하지만 SWCNT-ssDNA 복합체에 탐식자 DNA와 상보성이 없는 비특이적 DNA를 반응시키게 되면 SWCNT에 결합되어 있는 DNA가 복합체에서 분리되지 않고 남아있게 된다. DNA-RNA, RNA-RNA 사이의 혼성화도 알려져 있으므로 이러한 원리는 검출 대상 생체분자와 탐식자의 조합이 반드시 모두 DNA인 경우에만 적용 가능한 것이 아니며, 핵산 일반에 적용할 수 있는 것이다.
검출 대상 생체분자가 DNA이고 탐식자가 상기 DNA에 상보적인 ssDNA인 실시 태양에서 본 발명자들은 금속성 SWCNT에 탐식자 ssDNA가 결합하여 복합체를 이루었을 때는 SWCNT-ssDNA가 반도체적인 특성을 가지게 된다는, 종래에는 예견할 수 없었던 놀라운 특성을 발견하였다. 따라서 SWCNT와 SWCNT-ssDNA 복합체는 서로 다른 전기적 특성을 가지게 되는 데, 이러한 차이는 아래 기재와 같이 전계 효과 측정 장치를 이용하여 쉽고 정확하게 같은 순서로 원하는 DNA를 검출할 수 있다.
1. 용액 속에서 SWCNT와 검출 대상 DNA의 상보적인 ssDNA(탐식자)를 혼합하여 SWCNT-ssDNA 복합체를 형성한다.
2. SWCNT-ssDNA 복합체를 함유하는 용액에 검출 대상 DNA의 존부를 알고자 하는 시료 용액을 가하여 반응시킨다. 이 때 검출 대상 DNA가 시료 용액 속에 존재하면 검출 대상 DNA와 ssDNA의 반응으로 SWCNT-ssDNA 복합체는 해리하여 SWCNT로 환원될 것이다.
3. 반응 후 결과물(SWCNT-ssDNA 복합체 혹은 SWCNT)의 전기적 특성을 측정하기 위하여 본 발명의 전계 효과 발생 장치의 전극쌍 사이에 2번 단계에서 시료 용액으로 처리한 반응 후 결과물을 위치시킨다.
4. 전계 효과 발생장치에 게이트 전압을 인가하여 전계 효과를 측정하면 전극쌍 사이에 위치된 결과물의 전도 특성(금속성 또는 반도전성) 여부에 따라 검출 대상 DNA의 시료 내 존재에 대하여 판단할 수 있다.
이하 본 실시 태양의 구체적 조건을 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
위에서 설명한 복합체 형성 및 반응 과정은 모두 용액상에서 일어나게 되는데, 용액 상에서 반응시킨 결과물의 전기적 특성을 측정하기 위해서는 측정을 위한 전극을 제작하는 것과, 반응 후 결과물인 SWCNT-ssDNA 복합체 혹은 SWCNT를 전극쌍 사이의 간극에 위치시키는 기술이 중요하다 (도 5 참조).
도 2a는 본 발명의 전계 효과 발생장치의 핵심적 부분인 적정한 크기의 간극을 가지는 전극쌍의 한 실시 태양에서 전극의 형성 공정을 나타낸 모식도이고 도 2b는 각 공정단계에서의 결과물을 나타낸 사진이다. 도 2a는 나노 압인(壓印) 리소그라피(nanoimprint lithography, NIL) 방법으로 나노 크기의 간극을 가지는 전극을 만드는 과정을 보여주고 있다. 먼저 고분자 보호층으로 피복된 기판에 몰드를 놓고 압력을 가한다. 그 후 열 또는 빛을 이용해 고분자 보호층을 변성(cross link)시킨다. 마지막으로 몰드를 분리하고 폴리머의 잔여층을 산소 플라즈마 에칭를 이용해 기판으로부터 제거한 뒤 후속 공정을 실시한다. 이 방법은 물리적인 압력을 이용하므로 빛의 회절에 의한 한계가 없는 장점이 있다. 도 2a 및 도 2b에 나타낸 실시 태양처럼 특별히 도핑하지 않은 실리콘 기판 위에 직접 금속(도 2a에서는 금) 전극을 적층하거나 기판 위에 절연층을 적층한 다음 금속 전극쌍을 가설하는 경우 생성되는 소스, 드레인 역할의 전극쌍 사이에는 채널 역할을 맡을 물질 층이 부재하게 된다. 따라서 전극쌍 사이의 간극에 배치된 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브-탐식자의 복합체가 채널 역할을 맡게 된다. 그러나 반드시 도핑하지 않은 실리콘 기판을 사용하여야 하는 것은 아니며, 도핑한 실리콘과 기타 합성 수지를 포함하여 다양한 소재를 기판 재료로 사용할 수 있다.
위와 같이 만들어진 전극 사이에 CNT-탐식자 복합체 혹은 CNT를 위치시켜야 하는데, CNT를 전극에 놓기 위해서 일반적으로는 교류만을 이용한 유전영동법(dielectrophoresis)을 많이 사용한다. 그러나 유전영동법을 탄소 나노튜브에 기반한 장치를 제조하는 데에 적용할 경우, 낮은 제어성 및 재생산성 등의 단점을 가지므로 본 발명에서는 각종 응용시스템의 실용적 개발에 응용될 수 있는 복합 전기장을 이용하여 전극쌍 사이의 간극에 탄소 나노튜브를 배열하는 새로운 방법을 확립하였다.
복합 전기장 유도 조립(composite electric field-guided assembly, CEGA)으로 불리는 상기 기술을 간략히 설명하면 다음과 같다. 탄소 나노튜브가 분산된 액체 용액을 미리 패턴된 전극 사이에 놓고, 전극을 통하여 특정 조건의 복합 전기장을 상기 액체 용액에 인가하여 CNT를 원하는 영역 안에 원하는 방향으로 정렬하는 방식이다(도 3 참조). 복합 전기장은 교류와 직류 전기장을 동시에 인가하는 것이 특징이다. 이때 직류 전기장은 통상적인 직류 전기장일 수도 있고, 펄스(pulse) 형태의 직류 전기장일 수도 있다, 이하 펄스 형태의 직류 전기장을 본 명세서에서 가직류(假直流, pseudo DC)라고 가리키겠다. 복합 전기장을 이루는 교류와 직류 전기장의 세기와 주파수를 적절하게 선택하여 전극 사이에 탄소 나노튜브를 원하는 방향으로 위치시키는 것이 가능하다.
CEGA가 기존 방법에 비하여 유리한 점은 다음과 같다.
1) 용액상의 소자를 강제로 전극에 끌어들여 조립하므로 측정에 이용될 경우 매우 낮은 농도의 검출에 유리하다. 궁극적으로는 단 하나의 나노 소자를 원하는 위치에 자동으로 조립할 수 있다.
2) 선택적인 조립이 가능하다. 도체와 반도체 특성을 가지는 CNT가 혼합되어 있을 때 주파수와 전압의 조절만으로 도체 또는 반도체 특성을 가지는 CNT만을 골라서 위치시키고 조립할 수 있다.
3) 전압을 가해주는 전극에만 조립하는 것이 가능하므로 같은 칩 상에 여러 가지 다른 특성을 갖는 나노소자를 조립할 수 있다.
4) 직류에 의한 전기삼투압(electrooosmotic) 힘은 CNT를 곧게 펴는 역할을 할 뿐만 아니라 하류 방향 흐름(downstream flow)을 발생시켜 CNT가 더욱 전극에 잘 붙을 수 있도록 도와준다.
이러한 복합 전기장을 인가하기 위한 장치의 한 예로서 도 8a에 회로도를 나타내었다. 도 8a의 회로는 직류와 교류 전압원을 직렬 연결하고 커패시터와 저항값이 높은 저항을 병렬 연결한 것이 특징이다. 도 8a와 같은 장치로 전극쌍 사이의 간극(gap)에 CNT를 위치시키는 모식도를 도 8b에 나타내었다. 도 8b의 (ㄱ) 내지(ㄹ)은 각각 (ㄱ) 복합 전기장을 인가하기 전, (ㄴ) 교류 전기장만의 유전영동 효과가 일어나는 경우, (ㄷ) 직류 전기장만의 전기영동 효과가 일어나는 경우, (ㄹ) 복합 전기장에 의한 조립이 일어나는 경우의 효과를 나타내었다.
직류 전기장은 상기 가직류 전기장을 사용할 수도 있다. 이는 특히 검출 대상 생체분자의 안정성, 기능성을 위하여 무기 및 유기 염류가 용해된 완충 용액에 생체분자를 현탁 또는 용해시킨 경우에 유효한데, 염류가 용해된 완충 용액에 포함된 CNT를 정렬하기 위하여 통상의 연속적인 직류 전기장을 인가할 경우 전기분해가 일어나 전극이 손상될 우려가 있기 때문이다. 이 경우 펄스 형태의 가직류 전기장을 사용하면 전극의 손상 없이 CNT를 전극쌍 사이에 정렬시킬 수 있다.
CEGA 방식 또는 기타 공지 기술의 방식에 의하여 전계 효과 발생 장치의 전극쌍 사이에 CNT 또는 CNT-탐식자 복합체를 위치시킨 다음에는 전계 효과를 측정하게 된다(도 5). 이 경우 통상의 FET와 다른 점은 CNT 또는 CNT-탐식자 복합체가 소스와 드레인(상기 전극쌍) 사이에 흐르는 전류의 채널(channel) 역할을 맡는다는 점이다. 전계 효과를 측정하는 방식은 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류를 측정하거나 기타 FET의 전기적 특성을 측정하는 공지 기술로서 확립된 것이면 어느 것이든 실시할 수 있다. 전류 측정을 하는 경우의 모식도를 도 6에 나타내었다.
실시예
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 본 실시예는 어디까지나 발명의 이해를 돕기 위함이며, 본 발명의 권리 범위를 어떠한 형태로도 제한하기 위한 의도가 아니다.
[실시예 1] SWCNT-ssDNA 복합체의 제조와 혼성화
SWCNT-ssDNA 복합체를 생성하기 위하여 전도성 SWCNT(미국 텍사스 소재 Carbon Nanotechnologies Inc.)를 탈이온수에 용해한 DNA 용액(15 μM 18-mer Poly(dG), 또는 Poly(dC))에서 90분간 음파 파쇄(sonication)한 후 원심분리로 불순물을 제거하였다. 본 실시예에서는 탈이온수를 사용하였지만 DNA 용액은 적절한 완충 용액, 예를 들어 0.1 M NaCl 용액이나 PBS 용액 등의 다양한 완충용액으로 구성될 수도 있다. 사용된 SWCNT의 평균 길이는 약 1 ㎛였다.
이렇게 제조한 복합체의 일부를 검출 대상 DNA(예를 들어 탐식자가 18-mer poly(dG)였으면 검출 대상 DNA는 상보적인 18-mer poly(dC))와 혼성화(hybridization)하기 위하여 상기 복합체 용액에 15 μM 검출 대상 DNA 용액을 같은 양으로 가하여 밤새(약 24시간) 반응시켰다.
상기 복합체와 혼성화를 거친 복합체를 각각 전계 효과 측정에 사용하였다.
[실시예 2] SWCNT-ssDNA 복합체 혹은 SWCNT의 전극 간극 배치.
본 발명의 CEGA 조립법을 이용하여 상기 실시예 1의 SWCNT-ssDNA 복합체 또는 혼성화 처리한 복합체(즉 ssDNA가 해리된 SWCNT)를 전계 효과 발생 장치의 전극 사이에 위치시켰다. 복합 전기장을 발생시키기 위하여 도 8a에 나타낸 것과 같은 회로를 사용하였다. 복합 전기장 조립을 이용한 SWCNT-ssDNA 복합체 혹은 SWCNT의 배치는 전극쌍 사이의 폭, SWCNT의 길이, 반응 조건 등에 따라 변화하므로 광범위하게 사용될 수 있는 일반적인 조건을 제시하는 것은 어렵다.
본 실시예에서는 앞서 설명한 NIL을 이용하여 300 nm의 전극 간극을 가지는 전계 효과 발생 장치를 제조하였다. 실시예 1에서 제조한 상기 SWCNT-ssDNA 복합체 혹은 SWCNT를 위치시키기 위하여 사용된 복합 전기장에서 교류 전기장의 주파수는 5 MHz이고 전기장의 크기는 2.96 Vrms/㎛였고 직류/교류의 전기장 세기 비율은 0.345이었다.
본 실시예에서는 실시예 1에서 SWCNT와 ssDNA를 탈이온수에 용해하였으므로 통상의 연속적인 직류 전기장을 사용하였으나, 상기 실시예 1과 달리 완충 용액에 SWCNT와 ssDNA를 용해하는 경우 펄스 형태의 가직류 전기장을 사용하는 것이 바람직하다.
도 4는 위에서 설명한 나노 소자 조립법을 이용하여 300 nm의 전극 간극을 가지는 전극 사이에 SWCNT-ssDNA 복합체를 조립한 사진이다.
[실시예 3] 전계 효과의 측정.
상기 실시예 2와 같이 SWCNT-ssDNA 복합체 혹은 SWCNT를 전계 효과 발생 장치의 전극쌍 사이에 위치시키고 전압을 인가하여 소스와 드레인 사이의 전류를 측정하였다. 검출 대상 생체분자와 탐식자로는 (dG)18와 (dC)18을 사용하거나(도 7a와 7b) 17 mer 무작위 염기서열(ccg acc gac gtc ggt cg)과 그의 상보 가닥(도 7c)을 사용하였다. 전계 효과 측정은 게이트 전압을 -15 V에서 15 V까지 소인(掃引, sweep)하며 소스와 드레인 사이의 전류(ISD) 변화를 반도체 분석기(HP4155A)로 측정하였고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7a에서는 SWCNT의 반응 전 전기적 특성을 확인한 결과 수분의 유무에 관계없이 게이트 전압에 따라 ISD(소스와 드레인 사이에 흐르는 전류)값이 변하지 않으므로 조립된 SWCNT가 금속성이라는 것을 보여주며, 7b에서는 SWCNT-ssDNA 복합체가 용액 상태에서만 반도전성(semi-conducting)을 나타내므로 측정 시 전극쌍 사이 공간에 용액 상태를 유지하는 것이 중요하다는 것을 보여주고 있다. 도 7c에서는 혼성화 처리를 거친 복합체는 탐식자 ssDNA가 해리하여 SWCNT로 환원되므로 전계 효과 측정시 금속성을, 혼성화 반응을 거치지 않은 복합체는 SWCNT-ssDNA의 형태 그대로이므로 반도전성을 보임을 나타내는 그래프이다.
도 7a에서 볼 수 있듯이 원래 금속성의 SWCNT에 DNA가 결합되어 있을 경우는 반도전성을 나타내는 것을 볼 수 있다. 따라서 금속성인 SWCNT로 만든 복합체를 검출 대상 DNA와 반응시킨 후 반응물의 전기적 특성을 측정하였을 때, 금속성을 나타내면 검출하고자 하는 DNA가 측정 시료 속에 있는 것이며 반도전성을 보이면 검출하고자 하는 DNA가 측정 시료 속에 없다고 판단할 수 있다.
[실시예 4] 염류가 용해된 완충 용액에서 펄스 형태의 가직류 전기장을 이용한 CEGA 방식의 SWCNT-ssDNA 복합체 조립
도 9a는 염류가 용해된 완충용액에서 통상적인 직류 전기장을 이용하여 CEGA 방식으로 SWCNT-ssDNA 조립을 시행하였을 때 전극에 손상이 일어난 사진이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 전극이 손상되는 이유는 염류가 용해된 완충용액에 연속적인 직류 전기장을 인가할 경우 전기 분해가 일어나서 전극이 산화되기 때문이다.
도 9b는 펄스형태의 직류를 사용하여 염류가 용해된 완충용액에서 CEGA 방식으로 SWCNT-ssDNA 조립을 시행하였을 때 나노 크기의 간극을 가지는 전극에 SWCNT-ssDNA 복합체가 잘 조립된 사진이다. 따라서, 염류가 용해된 완충 용액에 SWCNT와 ssDNA를 용해한 경우 펄스 형태의 가직류 전기장을 사용하여 SWCNT-ssDNA 복합체 또는 SWCNT를 전극쌍 사이의 간극에 위치시키는 것이 바람직하다. 조립 시의 조건은 사인(sine)파 형태의 교류 전기장의 주파수는 5 MHz이고 크기는 2.96 Vrms/㎛ 이었으며, 구형파(square) 형태의 가직류 전기장의 주파수는 500kHz이고 직류/교류 크기의 비는 0.345이다. 조립 시간은 1분이었다.
도 9c는 도 9b의 장치로부터 SWCNT-ssDNA 복합체의 전기적 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9c에 도시된 바와 같이, SWCNT-ssDNA 복합체는 반도전성을 나타내며, 이를 통하여 SWCNT-ssDNA 복합체가 전극쌍 사이에 잘 조립된 것을 확인할 수 있다.
위에서 이야기한 예는 SWCNT와 ssDNA의 예를 든 것이며, 다양한 나노소자와 생체분자의 복합체를 가지고 위 발명을 적용할 수 있을 것이다.
도 1은 검출 대상 생체분자가 DNA이고, 탐식자가 상기 DNA에 상보적인 단일 가닥 DNA(single stranded DNA: ssDNA)인 한 구체적인 실시 태양에 대하여 본 발명의 검출 방법의 원리를 나타낸 그림으로서, 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT)와 ssDNA 사이에서 SWCNT-ssDNA 복합체가 형성되고 이 복합체에 검출 대상 DNA를 반응시키는 모식도이다.
도 2는 나노압인(壓印) 리소그라피(nanoimprint lithography, NIL)를 이용하여 나노 크기의 간극(gap)을 가지는 전극을 제작하는 과정이다.
도 3은 나노 크기의 간극을 가지는 전극에 SWCNT를 고정하기 위한 복합 전기장치의 개략도이다.
도 4는 나노 크기의 간극을 가지는 전극에 SWCNT-ssDNA 복합체를 위치시킨 사진이다.
도 5는 SWCNT-ssDNA 복합체를 용액 상에서 검출하고자 하는 DNA와 반응시킨 후, 반응이 일어난 복합체와 반응이 일어나지 않은 복합체를 전극에 위치시키는 과정의 개념도이다.
도 6은 전극에 고정된 SWCNT-ssDNA 복합체 또는 SWCNT의 전기적 특성을 측정하는 장치의 개념도이다.
도 7은 반응이 일어난 SWCNT-ssDNA 복합체와 반응이 일어나지 않은 복합체의 전기적 특성을 측정한 그래프이다. 도 7a에서는 SWCNT의 반응 전 전기적 특성을 확인한 결과 수분의 유무에 관계없이 게이트 전압에 따라 ISD(소스와 드레인 사이에 흐르는 전류)값이 변하지 않으므로 조립된 SWCNT가 금속성이라는 것을 보여주며, 도 7b에서는 SWCNT-ssDNA 복합체가 용액 상태에서만 반도전성(semi-conducting)을 나타내므로 측정 시 전극쌍 사이 공간에 용액 상태를 유지하는 것이 중요하다는 것을 보여주며, 도 7c에서는 혼성화 처리를 겪은 복합체는 SWCNT이므로 금속성을, 혼성화 반응을 거치지 않은 복합체는 반도전성을 보임을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 복합 전기장 유도 조립 장치의 한 실시 태양을 나타내는 회로도이며, 도 8b는 복합 전기장, 교류만의 전기장, 및 직류만의 전기장 등 서로 다른 전기장이 CNT의 배치와 조립에 미치는 영향을 보여준다. 도 8b에서 굵은 막대 모양이 CNT이며, 둥근 공 모양이 기타 하전된 입자들이다.
도 9a는 염류가 용해된 완충용액에서 통상적인 직류 전기장을 이용하여 복합 전기장 유도 조립을 시행하였을 때 전극에 손상이 일어난 사진이며, 도 9b는 펄스형태의 직류를 사용하여 염류가 용해된 완충용액에서 복합 전기장 유도 조립 방식으로 SWCNT-ssDNA 복합체를 전극 사이에 조립한 사진이고, 도 9c는 도 9b의 장치로부터 SWCNT-ssDNA 복합체의 전기적 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
Claims (25)
- 기판;검출 대상 생체분자와 상호작용하는 탐식자(probe)와 탄소 나노튜브를 용액상에서 혼합하여 형성한, 탐식자 및 탄소 나노튜브의 복합체를 함유하는 검출 용액;상기 기판 위에 형성되고, 상기 검출 용액, 또는 상기 검출 용액과 상기 검출대상 생체분자를 함유하는 시료용액을 혼합한 혼합용액이 위치하는 간극을 사이에 둔 전극쌍;상기 전극쌍 중 어느 한 전극과 상기 기판 사이에 전압을 인가할 수 있는 전극;상기 전극쌍 사이에 교류 전기장 및 비연속적 형태의 직류 전기장을 동시에 인가하여 상기 검출 용액 속 복합체, 또는 상기 혼합용액 속의 복합체 또는 탄소 나노튜브를 상기 전극쌍 사이에 정렬하는 배치 수단; 및상기 전극쌍 사이의 전기적 특성 변화 측정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 제1항에 있어서,상기 탄소 나노튜브는 전기적으로 금속성을 갖는 나노튜브인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 제2항에 있어서,상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 제1항에 있어서,상기 검출 대상 생체분자는 리보핵산 또는 디옥시리보핵산인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 탐식자는 상기 검출 대상 리보핵산 또는 디옥시리보핵산 서열에 상보적인 리보핵산 또는 디옥시리보핵산인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 제5항에 있어서,상기 검출 대상 생체분자는 디옥시리보핵산이고, 상기 탐식자는 상기 검출 대상 디옥시리보핵산 서열에 상보적인 단일 가닥 디옥시리보핵산 서열인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 제1항에 있어서,상기 배치 수단은 상기 전극쌍 사이에 직류 전기장을 인가할 수 있는 직류 전원장치 및 교류 전기장을 인가할 수 있는 교류 전원장치인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 직류 전기장은 비연속적으로 인가되는 가직류(假直流) 전기장인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- 제1항에 있어서,상기 전기적 특성 변화의 측정 수단은 상기 전극쌍 사이의 전류를 측정하는 전류계인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치.
- (가) 검출 대상 생체분자와 상호작용할 수 있는 물질인 탐식자와 탄소 나노튜브를 용액상에서 혼합시켜 상기 탐식자와 탄소 나노튜브의 복합체를 포함하는 검출 용액을 생성하는 단계;(나) 상기 검출대상 생체분자를 함유하는 시료용액과 상기 생성된 검출 용액을 반응시키는 단계; 및(다) 상기 (나) 단계의 반응을 거친 검출 용액과 시료용액의 혼합 용액을 기판상의 전극쌍 사이 간극에 위치시켜 상기 혼합 용액 속 상기 탐식자 및 탄소 나노튜브의 복합체 또는 탄소 나노튜브를 전극쌍의 양 전극 사이에 정렬하는 단계를 포함하고,상기 정렬하는 단계는 상기 전극쌍 사이에 교류 전기장과 비연속적인 형태의 직류 전기장을 동시에 인가하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 장치 제조방법.
- (가) 검출 대상 생체분자와 상호작용할 수 있는 물질인 탐식자와 탄소 나노튜브를 용액상에서 혼합시켜 상기 탐식자와 탄소 나노튜브의 복합체를 포함하는 검출 용액을 생성하는 단계;(나) 상기 검출 대상 생체분자를 함유하는 시료용액과 상기 생성된 검출 용액을 반응시키는 단계;(다) 상기 (나) 단계의 반응을 거친 검출 용액과 시료용액의 혼합 용액을 기판상의 전극쌍 사이 간극에 위치시켜 상기 혼합 용액 속 상기 탐식자 및 탄소 나노튜브의 복합체 또는 탄소 나노튜브가 전극쌍의 양 전극 사이에 정렬되는 단계; 및(라) 상기 탐식자 및 탄소 나노튜브의 복합체 또는 상기 탄소 나노튜브가 정렬된 상기 기판 및 전극쌍을 포함하는 (다) 단계의 장치에 전계 효과를 일으키고 그 값을 측정하는 단계를 포함하고,상기 정렬하는 단계는 교류 전기장과 비연속적인 형태의 직류 전기장을 동시에 인가하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제12항에 있어서,상기 (라) 단계 이후에(마) 상기 (나) 단계를 거치지 않은 (가) 단계의 검출 용액 일부를 대상으로 (다)와 (라) 단계를 수행하는 단계 및(바) 상기 (라)와 (마)의 전계 효과 측정값을 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제12항에 있어서,상기 탄소 나노튜브는 전기적으로 금속성을 갖는 나노튜브인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제14항에 있어서,상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제12항에 있어서,상기 검출 대상 생체분자는 리보핵산 또는 디옥시리보핵산인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제16항에 있어서,상기 탐식자는 상기 검출 대상 리보핵산 또는 디옥시리보핵산 서열에 상보적인 리보핵산 또는 디옥시리보핵산인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 삭제
- 제12항에 있어서,상기 직류 전기장은 비연속적으로 인가되는 가직류 전기장임을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제12항에 있어서,상기 교류 전기장의 세기는 0.01~1000 Vrms/㎛이고 주파수는 1 MHz 내지 10 GHz 인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제12항에 있어서,상기 직류 전기장의 세기는 상기 교류 전기장에 대하여 0~1의 비율인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제19항에 있어서,상기 가직류 전기장은 그 세기가 상기 교류 전기장에 대하여 0~1의 비율이고, 펄스의 주파수가 1 KHz 내지 10 MHz인 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 제12항에 있어서,상기 전계 효과의 측정은 전류계를 이용하여 상기 전극쌍 사이에 흐르는 전류를 측정하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체분자의 전기적 검출 방법.
- 순수한 탄소 나노튜브를 다른 분자와 용액상에서 혼합시켜 순수한 탄소 나노튜브에 다른 분자가 결합한 복합체를 함유하는 액체를 생성하는 단계;상기 복합체를 함유하는 액체를 기판 위에 적층된 전극쌍 사이에 가하는 단계; 및상기 전극쌍 사이에 교류 전기장과 비연속적인 형태의 직류 전기장이 동시에 인가되는 복합 전기장을 발생시켜 상기 액체속의 복합체를 상기 전극쌍 사이 공간에 정렬하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합체의 전극 사이 배치 방법.
- 삭제
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