KR101021270B1 - Ｆｅｔ를 이용한 등전점 측정 방법 및 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

FET를 이용한 등전점 (isoelectric point (pI)) 측정 방법 및 측정 장치가 제공된다. 등전점 측정 방법은 기판, 기판에 서로 이격되어 배치된 소오스 및 드레인 전극, 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역을 포함하는 FET를 제공하는 단계, FET의 채널 영역에 제 1 농도의 전해질 용액을 제공하고, 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역에 흐르는 제 1 전류 값을 측정하는 단계, 제 1 농도보다 큰 제 2 농도의 전해질 용액을 공급하고, 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역에 흐르는 제 2 전류 값을 측정하는 단계, 및 제 1 및 제 2 전류 값들 사이의 차이를 이용하여 FET 또는 FET의 상의 물질의 등전점을 결정하는 단계를 포함한다.
Figure R1020080077893
바이오 분자, 전계 효과 트랜지스터, 전해질 용액, 전류, 등전점, 수소 이온 농도, 이온 농도

Description

ＦＥＴ를 이용한 등전점 측정 방법 및 측정 장치{Method for measuring isoelectric point using FET and measurement apparatus}
본 발명은 등전점을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, FET를 이용하여 바이오 분자 또는 물질의 등전점을 정확히 측정할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-03, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
단백질(protein)과 같은 바이오 분자들은 분자의 크기 및 모양이 매우 다양하여, 크기 및 모양 등에 따라 수천에서 수만 가지의 종류가 존재한다.
단백질은 여러 종류의 아미노산이 배열된 중합체로서, 아미노산은 아미노기(amino group; -NH2)와, 카르복실기(carboxyl group; -COOH)를 갖는다. 즉, 하나의 단백질 분자는 다양한 종류의 아미노산으로 구성되기 때문에, 양 이온과 음 이온이 동시에 존재하는 양쪽성 이온(zwitterions)을 띄게 된다. 단백질들은 양성자 이온(H+)의 결합과 이탈에 의한 전체적인 순 전하(net charge)의 크기에 따라, 그 성질이 매우 다르게 나타난다.
많은 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 바이오 분자에서, 전체 전하의 합이 영(zero)인 점이 존재하는데 이것을 등전점 (isoelectric point (pI))이라고 한다. 즉, 등전점은 바이오 분자에 존재하는 전체 순 전하 값이 0인 pH값을 말한다.
이에 따라, 단백질 분자에서 순 전하가 0인 pH 값을 측정하여 pI 값을 구하는 것은 매우 중요하며, 그 단백질 분자의 성질을 이해하는데 큰 역할을 한다.
그러나, 등전위 포커싱(isoelectric focusing) 방법과 같은 종래의 등전점 측정 방법들은 바이오 분자의 등전점을 측정하기가 용이하지 않다. 그리고, 종래의 등전점 측정 방법들은 정확한 값을 측정하기 어려우며, 그 재현성이 떨어진다. 또한 소수성이 강한 단백질들, 염기성기를 많이 가진 단백들 또는 크기가 매우 크거나 작은 단백질들의 경우 등전점을 측정하는데 어려움이 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 FET를 이용하여 등전점을 정확히 측정할 수 있는 등전점 측정 방법을 제공하는데 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 FET를 이용하여 등전점을 정확히 측정할 수 있는 등전점 측정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 등전점 측정 방법은, 기판, 기판에 서로 이격되어 배치된 소오스 및 드레인 전극, 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역을 포함하는 FET를 제공하는 단계, FET의 채널 영역에 제 1 농도의 전해질 용액을 제공하고, 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역에 흐르는 제 1 전류 값을 측정하는 단계, 제 1 농도보다 큰 제 2 농도의 전해질 용액을 공급하고, 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역에 흐르는 제 2 전류 값을 측정하는 단계, 및 제 1 및 제 2 전류 값들 사이의 차이를 이용하여 FET 또는 FET 상의 물질의 등전점을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 등전점 측정 장치는, 기판, 기판에 서로 이격되어 배치된 소오스 및 드레인 전극, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역을 포함하는 FET, 채널 영역으로 제 1 농도의 전해질 용액을 공급하는 제 1 전해질 용액 공급부, 채널 영역으로, 제 1 농도의 전해질 용액과 수소 이온 농도가 동일하고, 제 1 농도보다 큰 제 2 농도의 전해질 용액을 공급하는 제 2 전해질 용액 공급부 및 제 1 농도 또는 제 2 농도의 전해질 용액이 공급될 때, 채널 영역에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 FET를 이용한 바이오 분자나 물질의 등전점 측정 방법에 따르면, 전해질 용액의 수소 이온 농도 및 이온 농도의 변화에 따른 FET의 전류 변화를 측정함으로써, 보다 정확하게 바이오 분자 또는 물질의 등전점을 측정할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 FET를 이용한 등전점(isoelectric point; 이하, pI) 측정 방법에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FET의 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에서 FET는 바이오 분자의 특성 검출에 이용되는 바이오 FET일 수 있고, 물질의 특 성 검출에 이용되는 물질 FET일 수 있다.
FET 구조체는 SOI(silicon on insulator) 또는 여러 층으로 구성된 벌크 반도체 기판으로 제조된 것으로 예를 들어 설명한다.
SOI 기판으로 구성되는 FET는 다음과 같이 설명된다. 도 1을 참조하면, FET는 지지체 기판(100)과, 소오스 및 드레인 전극(112, 114) 및 채널 영역을 포함한다. 보다 구체적으로, FET는 지지체 기판(100), 지지체 기판(100)의 표면 위에 형성된 도전형의 도핑층(110), 도핑층(110)의 양 끝단에 형성된 소오스 및 드레인 전극(112, 114)을 포함한다.
지지체 기판(100)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화물 계열, 화합물 계열 또는 탄소로 이루어질 수 있다.
도핑층(110)은 반도체 기판(100)에 불순물 확산(diffusion)을 통하여 형성된 확산층, 불순물 이온주입을 통하여 형성된 이온주입층 또는 에피택셜 성장을 통하여 형성된 에피택셜층일 수 있다.
여러 층으로 구성된 벌크 반도체 기판으로 구성되는 FET는 다음과 같이 설명된다. 도 1을 참조하면, FET는 반도체 기판(100)과, 소오스 및 드레인 전극(112, 114) 및 채널 영역을 포함한다. 보다 구체적으로, FET는 제 1 도전형의 반도체 기판(100), 반도체 기판(100)의 표면에 형성된 제 2 도전형의 도핑층(110), 반도체 채널(110) 양 끝단에 형성된 소오스 및 드레인 전극(112, 114)을 포함한다.
반도체 기판(100)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화물 계열, 화합물 계열 또는 탄소로 이루어질 수 있다.
도핑층(110)은 반도체 기판(100)과 서로 상보적인 도전형을 갖는다. 예를 들어, 반도체 기판(100)의 도전형이 n형일 경우, 도핑층(110)의 도전형은 p형이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 FET는 도핑층(110)이 p 도전형을 갖는 p형 FET를 예로 들어 설명한다.
도핑층(110)은 반도체 기판에 불순물 확산(diffusion)을 통하여 형성된 확산층, 불순물 이온주입을 통하여 형성된 이온주입층 또는 에피택셜 성장을 통하여 형성된 에피택셜층일 수 있다. 도핑층(110)은, 1㎚ 내지 3,000,000㎚의 폭, 1㎛ 내지 2,000㎛의 길이 및 1㎚ 내지 200㎚의 두께를 가질 수 있다.
도핑층(110)의 표면에는 전해질 용액(150)이 제공되며, 전해질 용액(150) 내에서, 바이오 분자 또는 물질, 즉, 타겟 분자(120)가 도핑층(110)의 표면에 고정된다.
소오스 및 드레인 전극(112, 114)은 서로 이격되어 도핑층(110)의 양 끝단에 전기적으로 연결된다. 소오스 및 드레인 전극(112, 114)에 전압이 인가될 경우, 소오스 및 드레인 전극(112, 114) 사이의 도핑층(110)에는 채널이 형성된다.
한편, 소오스 및 드레인 전극(112, 114) 사이의 도핑층(110) 표면은 바이오 분자나 물질이 고정될 수 있도록 표면 처리될 수 있다. 즉, 표면 처리된 도핑층(110)의 표면에는 pI를 나타낼 수 있는 작용기가 유도될 수 있다. 예를 들어, 도핑층(110)의 표면에는 카르복실기(-COOH), 티올기(-SH), 수산기(-OH), 실란기, 아민기 또는 에폭시기가 유도될 수 있다.
소오스 및 드레인 전극(112, 114) 사이의 도핑층(110) 표면에 고정되는 바이 오 분자 또는 물질, 즉, 타겟 분자 또는 물질(120)은 예를 들어, 단백질, 핵산, 유기 분자, 무기 분자, 산화물 또는 금속 산화물일 수 있다. 단백질 분자의 경우, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소, 조효소 등 어떠한 바이오 분자라도 가능하다. 그리고 핵산의 경우, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 그들의 혼성체일 수 있다.
도핑층(110) 표면에서, 타겟 분자나 물질(120)은 도핑층(110)에 직접 고정화되거나 도핑층(110)과 타겟 분자나 물질(120) 사이에 매개체 물질을 이용하여 도핑층(110) 표면에 고정화 될 수 있으며, 이러한 매개체 물질은 유기 분자, 무기 분자, 단백질 분자, 핵산, 효소 중에 하나가 될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 소오스 및 드레인 전극(112, 114) 사이의 지지체 또는 반도체 기판(100) 표면에 도핑층(110)이 형성되는 것으로 설명하였으나, 소오스 및 드레인 전극(112, 114) 사이의 기판(100) 상에 게이트 전극이 형성될 수도 있다. 또한, 소오스 및 드레인 전극(112, 114)은 기판(100) 내에 불순물이 도핑된 도핑 영역일 수도 있다.
이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2a는 p형 FET를 이용한 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법을 나타내며, 도 2b는 n형 FET를 이용한 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해질 용액(150)의 pH 및 이온 농도를 변화 시키면서, FET의 채널 영역에 흐르는 전류 변화를 측정하여 바이오 분자 또는 물질의 pI를 측정할 수 있다.
제 1 단계로, 바이오 분자 또는 물질을 FET의 도핑층(110) 표면에 고정시킨다(S10). 바이오 분자 또는 물질은 예를 들어, 타겟 분자(120) 또는 물질일 수 있다.
제 2 단계로, 도핑층(110)에 전해질 용액을 제공하고, 소오스 및 드레인 전극(112, 114)에 전압을 인가하여 채널 영역의 전류를 측정한다(S20). 여기서 측정된 전류를 제 1 전류 값이라 정의한다. 바이오 분자 또는 물질은 pI에 따라 양전하 또는 음전하를 띨 것이다.
상세히 설명하면, FET는 소오스 및 드레인 전극(112, 114)에 전기를 인가하면, 도핑층(110) 채널 영역을 통하여 소오스와 드레인 전극(112, 114) 사이에 전류가 흐르게 된다. 여기서, 채널 영역에 흐르는 전류 값은 도핑층(110) 표면의 작용기에 따라 달라질 수 있다. 즉, 채널 영역에 흐르는 전류 값은 도핑층(110) 표면에 고정된 바이오 분자, 즉, 타겟 분자(120의 전하량에 따라 달라질 수 있다.
다시 말해, 타겟 분자(120) 들은 도핑층(110) 표면에 음 또는 양의 전하를 띠며 고정되며, 고정된 전하량에 따라, 채널 영역에 흐르는 전류 값이 증가 또는 감소된다. 즉, p형 FET에서는 도핑층에 고정된 타겟 분자(120)의 전하량에 따라, 채널 영역의 정공에 의해 전류 값이 변화될 수 있으며, n형 FET에서는 도핑층에 고정된 타겟 분자(120)의 전하량에 따라, 채널 영역의 전자에 의해 전류 값이 변화될 수 있다.
또한, FET에서, 채널 영역에 흐르는 전류 값은, 전해질 용액(150)의 수소 이온 농도(pH)와 전해질 용액의 이온 세기에 따라 달라질 수 있다.
또한, 도핑층(110) 표면의 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질 용액의 pH보다 높은 경우, 바이오 분자 또는 물질은 양전하를 띠며 도핑층 표면에 고정되어 있다. 그리고, 도핑층(110) 표면의 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질 용액의 pH보다 낮은 경우, 바이오 분자 또는 물질은 음전하를 띠며 도핑층 표면에 고정되어 있다.
제 3 단계로, 제 2 단계의 전해질 용액(150)의 pH와 동일하고, 제 1 단계의 전해질 용액(150)의 이온 농도보다 작은 저농도의 전해질 용액을 공급하고, 채널 영역에서의 전류 변화를 측정한다(S30). 이 때, 제 2 단계의 전해질 용액(150)의 이온 농도보다 큰 고농도의 전해질 용액을 공급하고, 채널 영역에서의 전류 변화를 측정할 수도 있다(S30). 여기서 측정된 전류를 제 2 전류 값이라 정의한다. 제 1 전류 값은, 전해질 용액 내 전하의 스크리닝(screening) 현상에 의해, 제 1 전류 값보다 상승하거나 감소될 것이다.
제 2 및 제 3 단계에서, 바이오 분자 또는 물질은, 전해질 용액(150) 내에서, 전하를 띠면서 도핑층(110) 표면에 고정되어 있으며, 전해질 용액(150) 내에 존재하는 이온들에 의해 차폐(shielding)된다.
상세히 설명하면, 도핑층(110) 표면에 고정되어 있는 양전하 또는 음전하를 띠는 바이오 분자 또는 물질은, 전해질 용액(150) 내에 존재하는 이온들에 의해 둘러 싸여진다. 여기서, 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질 용액(150)의 pH보다 큰 경우, 바이오 분자 또는 물질은 양전하를 띠게 된다. 그러므로, 양전하는 전해질 용액(150)의 이온들에 의해 스크리닝(screening)된다. 반대로, 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질 용액(150)의 pH보다 작은 경우, 바이오 분자 또는 물질은 음전하를 띠게 된다. 음전하는 전해질 용액(150) 내의 이온들에 의해 스크리닝된다.
이 때, 전해질 용액(150) 내에 존재하는 이온들의 수가 증가함에 따라, 바이오 분자 또는 물질의 전하는 이온들에 의해 점차 강하게 스크리닝되어 완전히 차폐(Debye shielding)된다. 이에 따라, 바이오 분자 또는 물질의 전하가 도핑층(110) 표면, 즉, 채널 영역에 미치는 영향이 점차 감소하게 된다. 즉, 전하가 도핑층(110) 표면에 영향을 미치는 포텐셜 거리(즉, Debye length)가 짧아진다.
예를 들어, FET의 도핑층(110)에 고정된 바이오 분자 또는 물질이 음전하를 띠는 경우, 전해질 용액(150)에 존재하는 양이온들이 단백질의 음전하를 점차 둘러싸게 되어 전하가 차폐된다. 이에 따라 음전하가 도핑층(110)에 미치는 영향이 지수적으로 감소한다.
즉, FET에서, 도핑층(110)의 표면에 고정된 바이오 분자 또는 물질은 전해질 용액(150)의 이온 농도에 따라, 채널 영역의 전류 값을 변화시킨다.
그러므로, p형 FET에서, 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질 용액의 pH보다 큰 경우(pI > pH), 도핑층(110)에 양의 전하를 띈 바이오 분자 또는 물질이 고정되어 있게 된다. 이에 따라, 채널 영역은 정공이 공핍된 상태일 수 있다. 여기서, 전해질 용액의 이온 농도가 증가할수록, 전해질 용액의 음이온이 바이오 분자 또는 물질의 양전하를 스크리닝하여, 양전하가 도핑층(110)에 미치는 포텐셜 길이(즉, debye length)가 감소되므로, 채널 영역에 흐르는 전류량이 증가된다. 반대로, 전해질 용액의 이온 농도가 감소할수록, 바이오 분자 또는 물질의 양전하가 도핑층(110)에 미치는 포텐셜 길이가 증가하므로, 채널 영역에 흐르는 전류량이 감소한다.
반면, p형 FET에서, 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질 용액의 pH보다 작은 경우(pI < pH), 도핑층(110)에 음이 전하를 띈 바이오 분자 또는 물질이 고정되어 있게 된다. 이에 따라, 채널 영역에는 정공이 축적될 수 있다. 이 때, 전해질 용액의 이온 농도가 클수록, 전해질 용액의 양이온이 바이오 분자 또는 물질의 음전하를 스크리닝하여, 음전하가 도핑층(110) 표면에 미치는 포텐셜(즉, debye length)이 감소되므로, 채널 영역에 흐르는 전류량이 감소된다. 반대로, 전해질 용액의 이온 농도가 감소할수록, 바이오 분자 또는 물질의 음전하가 도핑층(110)에 미치는 포텐셜 길이가 증가하므로, 채널 영역에 흐르는 전류량이 증가한다.
한편, n형 FET에서의 전류 변화는 이와 반대되는 현상이 발생한다.
이와 같이, 특정 pH의 전해질 용액 내에서, 전해질 용액의 이온 농도에 따른 전류 변화의 폭은, 전해질 용액의 pH가 바이오 분자 또는 물질의 pI와 근접할수록 작아진다. 이에 따라, 전해질 용액의 pH와 바이오 분자 또는 물질의 pI가 동일할 경우, 이온 농도에 관계없이 채널 영역에 흐르는 전류 값은 일정하게 나타날 수 있다.
따라서, 제 4 단계로, 제 2 단계에서의 제 1 전류 값과, 제 3 단계에서의 제 2 전류 값 간의 전류 변화를 분석한다(S40). 그리고, 제 4 단계에서의 결과에 따라, 전해질 용액의 pH를 변화시킨 다음, 다시 제 2 내지 제 4 단계를 반복하여, 이온 농도를 변화시키면서 전류 변화를 검출한다.
즉, p형 FET에서, 전해질 용액의 이온 농도를 감소시켰을 때, 제 1 전류 값보다 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 음이거나, 전해질 용액의 이온 농도를 증가시켰을 때, 제 1 전류 값보다 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 양인 경우, 바이오 분자 또는 물질의 양전하가 음이온에 의해 스크리닝되는 것이므로, 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질의 pH보다 크다. 따라서, 전해질 용액의 pH를 증가시켜, 바이오 분자 또는 물질의 pI와 전해질 용액의 pH 차이를 감소시킨다(S50).
반대로, p형 FET에서, 전해질 용액의 이온 농도를 감소시켰을 때, 제 1 전류 값보다 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 양이거나, 전해질 용액의 이온 농도를 증가시켰을 때, 제 1 전류 값보다 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 음인 경우, 바이오 분자 또는 물질의 음전하가 양이온에 의해 스크리닝되는 것이므로, 바이오 분자 또는 물질의 pI가 전해질의 pH보다 작다. 따라서, 전해질 용액의 pH를 감소시켜, 바이오 분자 또는 물질의 pI와 전해질 용액의 pH 차이를 감소시킨다(S60).
한편, 전해질 용액의 이온 농도가 변화하더라도, 제 1 전류 값과 제 2 전류 값의 차이가 0인 경우, 즉, 이온 농도 변화에 따른 전류 변화가 없는 경우, 바이오 분자 또는 물질의 순 전하가 0인 상태이다. 여기서, 전류값의 차이가 0이 된다는 것은, 분해능에 따라 고농도 및 저농도 사이의 전류 값 차이를 검출하지 못하는 상태를 의미한다. 그러므로, 고농도 및 저농도 사이의 전류 변화가 검출되지 않을 때, 전해질 용액의 pH는 바이오 분자 또는 물질의 pI에 해당하므로, 바이오 분자 또는 물질의 pI가 측정된다(S70).
이와 같은 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법은 n형 FET에서도 동일한 원리로 적용될 것이다.
즉, n형 FET에서, 전해질 용액의 이온 농도를 감소시켰을 때, 제 1 전류 값과 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 음이거나, 전해질 용액의 이온 농도를 증가시켰을 때, 제 1 전류 값보다 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 양인 경우, 전해질 용액의 pH를 감소시켜, 바이오 분자 또는 물질의 pI와 전해질 용액의 pH 차이를 감소시킨다.
반대로, n형 FET에서, 전해질 용액의 이온 농도를 감소시켰을 때, 제 1 전류 값과 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 양이거나, 전해질 용액의 이온 농도를 증가시켰을 때, 제 1 전류 값보다 제 2 전류 값의 차이(ΔI)가 음인 경우, 전해질 용액의 pH를 증가시켜, 바이오 분자 또는 물질의 pI와 전해질 용액의 pH 차이를 감소시킨다.
이와 같은 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법을 이용하여, 바이오 분자 또는 물질의 등전점을 측정하기 위한 실험 데이터가 도 3a 및 도 3b에 나타나 있다. 도 3a 및 도 3b는 전해질 용액의 pH 및 이온 농도 변화에 따른 전류 변화를 나타낸다.
p형 FET를 이용하였으며, 바이오 분자로는 전립선특이항원(prostate specific antigen) 및 전립선특이항체(anti-PSA)를 사용하였다. 전해질 용액으로는 pH 7.0의 10 mM PBS(phosphate buffered saline) 용액과, pH 10의 10 mM PBS 용액을 준비하였다. 저농도의 이온 용액으로는 pH7.0의 2 mM NaCl이 포함된 1 mM 인산 버퍼(phosphate buffer)용액과, pH10의 2 mM NaCl이 포함된 1 mM 인산 버퍼(phosphate buffer)용액을 준비하였다.
도 3a는 pH 7.0의 용액에서 이온 농도에 따른 전류 변화를 나타낸다. 도 3a를 참조하면, 저농도 또는 고농도의 전해질 용액을 공급하면, 일정 시간 경과 후 안정화된다. 즉, 저농도의 이온 용액을 주입한 이후, 전류가 점차 감소하다가 안정화되며, 고농도의 이온 용액을 주입하면 전류가 점차 상승하다가 안정화되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 고농도의 이온 용액을 주입하였을 때의 전류가, 저농도의 이온 용액을 주입하였을 때의 전류보다 크다는 것을 확인할 수 있다(ΔI1>0). 이를 통해, anti-PSA의 양전하가 전해질 용액의 음이온들에 의해 점차 스크리닝되어 전류가 증가된다는 것을 의미한다. 반대로, 저농도의 이온 용액을 주입하였을 때 이와 반대되는 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, anti-PSA는 pH 7.0보다 큰 pI를 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 3b는 pH 10의 용액에서 이온 농도에 따른 전류 변화를 나타낸다. 도 3b를 참조하면, 저농도의 이온 용액을 주입한 이후, 전류가 점차 증가하다가 안정화되며, 고농도의 이온 용액을 주입하면 전류가 점차 감소하다가 안정화되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 고농도의 이온 용액을 주입하였을 때의 전류가, 저농도의 이온 용액을 주입하였을 때의 전류보다 작다(ΔI2<0). 이를 통해, anti-PSA의 음전하가 전해질 용액의 양이온들에 의해 점차 스크리닝되어 전류가 감소된다는 것을 확인 할 수 있다. 반대로, 저농도의 이온 용액을 주입하였을 때 이와 반대되는 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, anti-PSA는 pH 10보다 작은 pI를 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 나타난 실험 결과에 따라, anti-PSA는 pH 7.0보다 크고, pH 10보다 작은 pI를 갖는다는 것을 알 수 있다.
이후, pH 7.0보다 크고, pH 10보다 작은 범위 내에서, 전해질 용액의 pH를 조절하고, 이온 농도에 따른 전류 변화를 측정하는 것을 반복하여, anti-PSA의 등전점을 보다 정확하게 측정할 수 있을 것이다.
즉, 도 4에 나타난 그래프와 같이, 고농도 및 저농도에서의 전류 차이가 0이 되는 점을 찾아 바이오 분자 또는 물질의 등전점을 측정할 수 있다. 도 4는 전해질 용액의 pH 별로, 이온 농도가 다른 두 가지 버퍼 용액에서 전류 차이를 나타내는 그래프이다.
도 4에서 x축은 전해질 용액의 pH를 나타내며, y축은 고농도와 저농도의 이온 용액에서 전류 차이(ΔI)를 나타낸다. 도 4를 참조하면, pH를 조절하면서, 저농도 및 고농도에서의 전류 차이(ΔI)를 측정하면, 바이오 분자 또는 물질의 등전점에 가까워짐에 따라, 전류 차이(ΔI)는 점차 감소하여 0으로 수렴하게 된다. 즉, 전류 차이(ΔI)가 0이 되는 지점에서의 x축 좌표가 바이오 분자 또는 물질의 등전점이 된다. 이와 같은 관계는, 다음과 같은 다항식으로 나타낼 수 있다. 여기서, y는 전류 차이이며, x는 전해질 용액의 pH이다.
y = a1xn + a2xn -1 + a3xn -2 + … + an -1x2 + anx1
한편, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법을 이용하여, FET의 채널 영역 표면 자체의 pI를 측정할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법이 적용되는 FET의 단면도들이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 분자 또는 물질의 pI 측정 방법을 이용하여, FET의 채널 영역 표면 자체의 pI를 측정할 수 있다. 즉, 지지체 또는 반도체 기판(100), 도핑층(110) 및 소오스 및 드레인 전극(112, 114)을 포함하는 FET를 준비한다. 그리고, 소오스 및 드레인 전극(112, 114) 사이의 도핑층(110) 표면에 전해질 용액(150)을 공급한다.
그리고 나서, 소오스 및 드레인 전극(112, 114)에 전압을 인가하여, 도핑층(110)에 형성되는 채널 영역에서의 전류 값을 측정한다. 이후, 전해질 용액(150)의 이온 농도 및 pH를 변화시키면서 채널 영역의 전류 변화를 측정한다. 여기서, 전해질 용액(150)의 이온 농도 및 pH 변화에 따른 전류 변화가 없을 때, 도핑층(110) 표면 자체의 등전점을 측정할 수 있다.
한편, 도핑층(110)을 표면 처리하여, 도핑층(110) 표면에 pI를 나타내는 작용기(예를 들어, 하이드록실기(-OH))를 유도한 다음, FET의 채널 영역의 표면 자체의 pI를 측정할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질의 등전점 측정 장치를 나타내는 개 략 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 물질의 등전점 측정 장치(200)는 FET(10), 제 1 및 제 2 농도 전해질 용액 공급부(20, 30), 전류 측정부(40) 및 pH 조절부(50)를 포함한다.
FET(10)는 바이오 분자 또는 물질의 등전점을 측정하는데 이용되는 수단으로, 기판, 상기 기판에 서로 이격되어 배치된 소오스 및 드레인 전극, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역을 포함한다. FET(10)의 채널 영역에는 등전점을 측정하고자 하는 바이오 분자 또는 물질이 고정된다. FET(10)에 대한 보다 상세한 설명은 도 1을 참조하여 상세히 설명되어 있으므로, 중복 설명을 피하기 위해 생략하기로 한다.
FET(10)는 바이오 분자 또는 물질의 등전점을 측정하기 위해 제 1 및 제 2 농도의 전해질 용액 공급부(20, 30)와 연결된다.
제 1 농도 및 제 2 농도의 전해질 용액 공급부(20, 30)는, 각각 서로 다른 농도의 전해질 용액을 저장한다. 즉, 제 1 농도 및 제 2 농도의 전해질 용액 공급부(20, 30)는 저농도 및 고농도의 전해질 용액을 저장한다. 제 1 및 제 2 농도의 전해질 용액 공급부(20, 30)는 FET(10)의 채널 영역에 고정된 바이오 분자 또는 물질의 등전점 또는 FET(10) 자체의 등전점을 측정하기 위해, 제 1 농도의 전해질 용액과, 제 2 농도의 전해질 용액을 번갈아 FET(10)의 채널 영역에 공급한다. 이 때, 제 1 농도 및 제 2 농도의 전해질 용액은 동일한 pH를 갖는다.
전류 측정부(40)는 FET(10)와 연결되어, FET(10)의 채널 영역에서의 전류 변 화를 측정한다. 즉, 전류 측정부(40)는 제 1 및 제 2 농도의 전해질 용액이 공급될 때, 채널 영역에서의 전류값을 측정할 수 있다. 채널 영역에서의 전류값은 FET의 채널 영역에 고정된 바이오 분자 또는 물질의 전하량과, 채널 영역에 공급되는 전해질 용액의 이온 농도, 그리고 전해질 용액의 pH에 따라 달라진다.
다시 말해, 전류 측정부(40)는 저농도의 전해질 용액을 공급한 다음, FET(10)의 채널 영역에서의 전류 변화를 측정한다. 다음으로, 고농도의 전해질 용액을 공급한 다음, FET(10)의 채널 영역에서의 전류 변화를 측정한다. 그리고, 저농도 및 고농도에서의 전류 변화 차이를 산출한다. 이 때, 전류 변화의 차이가 0인 경우, 저농도 및 고농도의 전해질 용액의 pH는 FET(10)의 채널 영역에 고정된 물질의 등전점(pI)이 된다. 즉, 전류 측정부(40)에서 전류 변화 차이를 산출하여, 물질의 등전점(pI)을 측정할 수 있다.
pH 조절부(50)는 전류 측정부(40)에서 측정된 전류값에 따라 제 1 및 제 2 농도의 전해질 용액 공급부(20, 30)에 저장된 전해질 용액의 pH를 조절한다. 즉, 전류 측정부(40)에서 산출한 저농도 및 고농도에서의 전류 변화 차이에 따라, 전해질 용액의 pH를 증가시키거나 감소시킨다. 저농도 및 고농도에서의 전류 변화 차이가 0인 경우, 제 1 및 제 2 농도의 전해질 용액의 pH 조절은 요구되지 않는다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이 며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FET의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 FET를 이용한 등전점 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 전해질 용액의 pH 및 이온 농도를 변화시키면서, FET의 채널 영역에 흐르는 전류를 측정한 그래프이다.
도 4는 전해질 용액의 pH 별로, 이온 농도가 다른 버퍼 용액에서 전류 차이를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 등전점 측정 방법이 적용되는 FET의 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 등전점 측정 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 반도체 기판 110: 도핑층
112: 소오스 영역 114: 드레인 영역
120: 바이오 분자 또는 물질
150: 전해질 용액

Claims (20)

  1. 기판, 상기 기판에 서로 이격되어 배치된 소오스 및 드레인 전극, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역을 포함하는 FET를 제공하는 단계;
    상기 FET의 상기 채널 영역에 제 1 농도의 전해질 용액을 제공하고, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역에 흐르는 제 1 전류 값을 측정하는 단계;
    상기 제 1 농도보다 큰 제 2 농도의 전해질 용액을 공급하고, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역에 흐르는 제 2 전류 값을 측정하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 전류 값들 사이의 차이를 이용하여 상기 FET 또는 상기 FET 상의 물질의 등전점을 결정하는 단계를 포함하는 등전점 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 등전점을 결정하는 단계에서, 상기 제 1 농도의 전해질 용액 및 상기 제 2 농도의 전해질 용액은 동일한 pH를 갖는 등전점 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 등전점은, 상기 제 1 및 제 2 전류 값의 차이가 0이 될 때, 상기 전해질 용액의 pH인 등전점 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전류 값 간의 전류 차이에 따라 상기 제 1 및 제 2 농도의 전해질 용액의 pH를 변화시키는 단계를 더 포함하는 등전점 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전류 값을 측정하는 단계, 상기 FET 또는 상기 FET 상의 물질의 등전점을 결정하는 단계 및 상기 전해질 용액의 pH를 변화시키는 단계는, 상기 제 1 및 제 2 전류 값의 차이가 0인 상기 전해질 용액의 pH를 판단할 수 있을 때까지 반복하는 등전점 측정 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 FET는 p형 또는 n형 FET인 등전점 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전해질 용액의 pH를 변화시키는 단계는,
    상기 FET가 p형일 때, 상기 제 1 전류 값 보다 상기 제 2 전류 값이 작은 경우, 상기 전해질 용액의 pH를 감소시키는 등전점 측정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 전해질 용액의 pH를 변화시키는 단계는,
    상기 FET가 p형일 때, 상기 제 1 전류 값 보다 상기 제 2 전류 값이 큰 경우, 상기 전해질 용액의 pH를 증가시키는 등전점 측정 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 전해질 용액의 pH를 변화시키는 단계는,
    상기 FET가 n형일 때, 상기 제 1 전류 값 보다 상기 제 2 전류 값이 작은 경우, 상기 전해질 용액의 pH를 증가시키는 등전점 측정 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 전해질 용액의 pH를 변화시키는 단계는,
    상기 FET가 n형일 때, 상기 제 1 전류 값 보다 상기 제 2 전류 값이 큰 경우, 상기 전해질 용액의 pH를 감소시키는 등전점 측정 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 FET를 제공한 다음,
    상기 FET의 상기 채널 영역 상에 바이오 분자를 고정시키는 단계를 더 포함하는 등전점 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이오 분자는 핵산, 단백질, 유기 분자, 무기 분자로 이루어진 군으로부터 선택하는 등전점 측정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그들의 혼성체로 이루어진 군으로부터 선택하는 등전점 측정 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군으로부터 선택하는 등전점 측정 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 바이오 분자를 고정시키기 전에,
    상기 채널 영역 표면에 등전점을 나타내는 작용기를 형성하는 단계를 더 포함하는 등전점 측정 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 FET는 상기 채널 영역에 상기 기판과 반대되는 도전형으로 도핑된 도핑층을 더 포함하는 등전점 측정 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 FET는 반도체 산화물 또는 금속 산화 세라믹을 포함하되,
    상기 등전점을 결정하는 단계는, 상기 반도체 산화물 또는 금속 산화 세라믹의 등전점을 결정하는 등전점 측정 방법.
  18. 기판, 상기 기판에 서로 이격되어 배치된 소오스 및 드레인 전극, 상기 소오스 및 드레인 전극 사이의 채널 영역을 포함하는 FET;
    상기 채널 영역으로 제 1 농도의 전해질 용액을 공급하는 제 1 전해질 용액 공급부;
    상기 채널 영역으로, 상기 제 1 농도의 전해질 용액과 수소 이온 농도가 동일하고, 상기 제 1 농도보다 큰 제 2 농도의 전해질 용액을 공급하는 제 2 전해질 용액 공급부;
    상기 제 1 농도 또는 제 2 농도의 전해질 용액이 공급될 때, 상기 채널 영역에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 제 1 농도 및 제 2 농도의 전해질 용액이 공급될 때, 상기 채널 영역의 전류 변화에 따라 상기 제 1 및 제 2 농도의 전해질 용액의 수소 이온 농도를 조절하는 제어부를 포함하는 등전점 측정 장치.
  19. 삭제
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 등전점 측정 장치는, 상기 제 1 농도 및 제 2 농도의 전해질 용액이 각각 공급될 때, 상기 채널 영역에서의 전류 값들 차이가 0인 경우, 물질의 등전점을 결정하는 등전점 측정 장치.
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