KR101085879B1 - 실리콘 나노 와이어를 이용한 바이오 센서, 실리콘 나노 와이어를 이용한 바이오 센서의 제조방법 및 상기 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법 - Google Patents

Abstract

종래의 탄소 나노튜브와 같은 나노튜브를 이용한 바이오 센서가 갖는 문제점을 해결하여, 화학적으로 안정하고, 감도가 우수한 나노 소자를 이용한 바이오 센서가 제공된다. 본 발명에 따른 바이오 센서는 기판, 상기 기판의 일부에 형성된 적어도 하나의 외부 전극, 상기 기판의 다른 일부에 형성된 Si 나노 와이어, 상기 Si 나노 와이어의 일 단부와 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 소스 전극, 상기 Si 나노 와이어의 나노 와이어가 형성된 면의 반대면의 일부에 형성된 드레인 전극, 및 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 바이오 센서는 MMP-9과 펩타이드의 결합을 확인하여 암의 진단에 활용할 수 있고, 항원-항체 반응, DNA-DNA 교잡(hybridization), DNA-단백질 결합 감지 등에 적용하여 유전질환, 암의 조기 진단 등에도 이용할 수 있다.

센서, 나노 소자, Si 나노 와이어, 펩타이드, 바이오틴, 게이트 전극

Description

실리콘 나노 와이어를 이용한 바이오 센서, 실리콘 나노 와이어를 이용한 바이오 센서의 제조방법 및 상기 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법 {Bio-sensor using Si nanowire, manufacturing method of the bio-sensor, and detecting method for cell using the bio-sensor}

본 발명은 Si 나노 와이어를 이용한 바이오 센서, Si 나노 와이어를 이용한 바이오 센서의 제조방법 및 상기 바이오 센서를 이용한 암 세포 진단 방법에 관한 발명이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 CVD 방법으로 성장된 Si 나노 와이어를 기판에 수평 배향한 바이오 센서, 및 이러한 바이오 센서의 제조방법, 그리고, 상기 바이오 센서를 이용하여 암 세포와 같은 특정 세포 또는 성분을 검지하는 방법에 관한 발명이다.

나노 크기의 물질들은 독특한 전기적, 광학적 및 기계적 특성과 같은 새로운 물리·화학적 성질을 가져서 최근 매우 중요한 연구분야로 대두되고 있다. 또한, 지금까지 진행되어 온 나노 구조에 대한 연구는 미래의 새로운 광소자 물질로서의 가능성을 보여주고 있다. 특히 나노 크기의 소자는 크기가 작아서 표면적/부피 비 가 증가하므로 표면에서 일어나는 전기·화학적 반응이 우세해지므로 다양한 종류의 센서에 응용가능하다.

하지만, 종래의 쌓아가기 방식으로 만들어진 대부분의 나노 소자는 인위적으로 조작하기가 매우 힘들어서 실제 응용이 곤란하다. 그러나, 나노 튜브(nanotube), 나노 와이어(nanowire) 및 나노 로드(nanorod)와 같은 일차원 나노 소자용 재료는 종횡비가 커서 조작이 용이하므로, 나노 소자로 구현이 상대적으로 용이하고 실용화에 가능한 것으로 알려져 있다. 최근에는 일차원 반도체 나노 소자를 이용한 다양한 전기 소자 및 나노 센서가 제조되고 있다.

최근에는 미국 스탠포드대학교의 H. Dia 교수팀은 단일 벽 탄소 나노튜브를 이용하여 NO₂ 및 NH₃ 등의 가스분자를 검출할 수 있는 화학 센서를 개발하였다(Science 287, 622(2000)). 또한, 나노믹스 사의 알렉산더 스타 팀은 탄소 나노 튜브를 이용하여 바이오틴-스트렙트아비딘 결합을 감지하는 바이오센서를 개발한 바 있다(Alexander Star et al., Nano letters, 2003, vol 3, 459). 그러나 이들 센서를 이용한 가스 및 생체 분자의 검출은 반도체 특성을 보이는 나노 소재만을 이용하여야 가능한데, 금속 특성과 반도체 특성을 제어하기 쉽지 않은 탄소 나노 튜브를 이용한 센서의 제작 및 이를 활용한 각종 가스 및 생체 분자의 검출은 많은 제약이 있고 상용화하기 곤란하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 탄소 나노튜브와 같은 나노튜브를 이용한 바이오 센서가 갖는 문제점을 해결하여, 화학적으로 안정하고, 감도가 우수한 나노 소자를 이용한 바이오 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 이러한 나노 소자를 이용한 바이오 센서를 제조하기 위한 적절한 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 이러한 바이오 센서를 이용한 암 세포의 검출과 같은, 바이오 센서의 적절한 이용 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 MMP-9과 펩타이드의 결합 관계에 따라서 암 세포의 유무 및 다소를 적절하게 검출할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자는 반도체 나노 와이어는 불순물 도핑을 위해 인위적으로 전기 전도도를 제어하기가 용이하므로 나노 소자로 제작하는 것이 용이하고, 센서로 제작한 경우 감지도도 향상시킬 수 있다는 점에 착안하여 본 연구를 진행하였다. 더욱이 반도체 나노 와이어 중 Si 나노 와이어는 가장 흔한 재료이면서도 가장 널리 알려진 반도체 재료로서 상용화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 더욱이, 이러한 Si 나노 와이어는 화학적으로 안정하고, 감지도가 우수하다. 또한, 나노 소자로 제작 시 접촉저항이 크다는 단점이 있지만, 단시간의 열처리를 통하여 접촉 저항을 크게 줄일 수 있으며, 도핑 작업을 통하여 전기 전도도의 제어도 가능하므로 바이오 센서의 재료로서 적합하다.

따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오 센서는:

기판;

상기 기판의 일부에 형성된 적어도 하나의 외부 전극;

상기 기판의 다른 일부에 형성된 Si 나노 와이어;

상기 Si 나노 와이어의 일 단부와 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 소스 전극;

상기 Si 나노 와이어의 타 단부와 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 드레인 전극; 및

상기 기판의 Si 나노 와이어가 형성된 면의 반대면 중 일부에 형성된 게이트 전극;

을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판의 소스 전극, 드레인 전극 및 Si 나노 와이어가 형성된 면은 상기 Si 나노 와이어가 형성된 부분을 제외하고 절연층으로 도포되는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 절연층은 PMMA인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 기판에 형성된 Si 나노 와이어는 약 50nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판은 Si와 SiO₂가 순차적으로 적층되어 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 외부 전극은 Ti와 Au가 순차적으로 적층되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 Ti와 Au가 순차적으로 적층되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 두께는 200nm 내지 400nm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 바이오 센서는 열처리 된 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 열처리는 약 400℃ 내지 500℃의 온도에서 수 분간 가열되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오 센서의 제조 방법은:

바이오 센서용 기판을 형성하는 단계;

상기 기판의 일 면에 외부 전극을 적어도 하나 이상 형성하는 단계;

상기 외부 전극이 형성된 기판의 일 면에 Si 나노 와이어를 형성하는 단계; 및

상기 외부 전극 및 Si 나노 와이어가 형성된 기판의 일 면에, 상기 Si 나노 와이어의 일부와 접촉하고 소스 전극 및 드레인 전극으로 각각 기능하는 내부 전극 을 복수로 형성하는 단계;

상기 기판의 Si 나노 와이어가 형성된 일 면의 반대면에 게이트 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 방법은 상기 내부 전극이 형성된 기판을 약 400℃ 내지 500℃의 온도에서 수 분간 가열하여 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 방법은 상기 기판의 Si 나노 와이어가 형성된 면을 상기 Si 나노 와이어가 형성된 부분을 제외하고 절연층을 도포하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 절연층은 PMMA인 것이 바람직하다.

또한, 상기 바이오 센서용 기판을 형성하는 단계는 Si 평판 위에 SiO₂를 장착하는 단계로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 외부 전극을 형성하는 단계는 포토리소그래피(Photolithography) 방법을 이용하여 전극 패턴을 형성하는 단계와 상기 형성된 전극 패턴에 스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용하여 전극을 증착하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 Si 나노 와이어를 형성하는 단계는 CVD 방법을 이용하여 Si 나노 와이어를 배양하는 단계, 상기 배양된 Si 나노 와이어를 이소프로필알코올과 혼합한 후 소닉 처리하는 단계, 및 상기 소닉 처리에 의하여 분리된 Si 나노 와이어를 기판 위에 장착하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 내부 전극을 형성하는 단계는 포토리소그래피 방법을 이용하여 전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 형성된 전극 패턴에 스퍼터링 방법을 이용하여 전극을 증착하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법은:

상기 바이오 센서의 Si 나노 와이어에 펩타이드를 도포하는 단계;

상기 도포된 펩타이드를 고정시키는 단계;

상기 펩타이드가 고정된 Si 나노 와이어의 제 1 컨덕턴스를 측정하는 단계;

상기 고정된 펩타이드 위에 MMP-9을 도포하는 단계;

상기 MMP-9이 도포된 Si 나노 와이어의 제 2 컨덕턴스를 측정하는 단계; 및

상기 제 1 컨덕턴스와 제 2 컨덕턴스를 비교하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또는, 본 발명에 따른 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법은:

상기 바이오 센서의 Si 나노 와이어에 펩타이드를 도포하는 단계;

상기 도포된 펩타이드를 고정시키는 단계;

상기 펩타이드가 고정된 Si 나노 와이어의 제 1 컨덕턴스를 측정하는 단계;

상기 펩타이드의 일단에 바이오틴을 형성하는 단계;

상기 바이오틴의 적어도 일부를 스트립트아비딘으로 치환하는 단계;

상기 스트립트아비딘이 형성된 Si 나노 와이어의 제 2 컨덕턴스를 측정하는 단계;

상기 스트립트아비딘이 형성된 펩타이드 위에 MMP-9을 도포하는 단계;

상기 MMP-9이 도포된 Si 나노 와이어의 제 3 컨덕턴스를 측정하는 단계; 및

상기 제 1 컨덕턴스 내지 제 3 컨덕턴스를 비교하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 단일 Si 나노 와이어를 포함하는 바이오 센서는 게이트 전압을 사용하여 감지도가 뛰어나고, 안정적이다.

또한, 본 발명에 따른 바이오 센서는 개개의 상체 분자 및 이들의 상호 작용을 관찰할 수 있으므로, 유전자 분석, 질병 진단 등의 생명공학의 기반기술을 제공할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 바이오 센서는 MMP-9과 펩타이드의 결합을 확인하여 암의 진단에 활용할 수 있고, 항원-항체 반응, DNA-DNA 교잡(hybridization), DNA-단백질 결합 감지 등에 적용하여 유전질환, 암의 조기 진단 등에도 이용할 수 있다.

다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서 및 그 제조 방법을 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명한다. 참고로, 본 실시예에서 동일한 기능을 하는 구성요소는 동일한 도면부호를 사용하고, 중복 설명은 생략한다. 또한, 본 발명의 특징을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술로서 본 발명의 특징이 아닌 부분에 대한 설명은 생략한다.

도 1(a) 내지 1(e)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서의 제조방법을 순차적으로 도시하는 도면이다.

먼저, 도 1(a)에서 보듯이, Si 평판(12) 위에 SiO₂(11)를 형성하여, 바이오 센서용 기판(10)을 형성한다. 또한, SiO₂(11) 층은 약 3000Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 1(b)에서 보듯이, 기판(10) 위에 외부 전극(21, 22)을 형성한다. 외부 전극을 형성하는 방법의 일례는 다음과 같다. 먼저, 도 1(a)에 도시된 것과 같은 기판(10)을 준비한 후 이를 아세톤, 메탄올, DI(Deionized) water 등을 이용하여 세척한다. 이어서, 세척한 기판을 포토리소그래피(Photolithography) 방법을 이용하여 패턴을 형성한다. 예컨데, 기판에 LOL(lift-off-layer)과 SPR(Photo Resist) 용액을 도포하고, 원하는 패턴이 그려진 마스크를 기판(10) 위에 도포한 후, 상기 기판(10)을 자외선에 노출시켜 외부에 노출된 용액을 증발시키는 방법으로 원하는 패턴을 형성할 수 있다. 이어서, 패턴이 형성된 기판(10)에 외부 전극용 재료를, 예를 들면, 스퍼터링을 이용하여 도포한다. 본 실시예에 따른 외부 전극용 재료는 Ti, Au 등이 사용될 수 있으며, 그 종류를 한정하지 않는다. 본 실시예에 따르면, 외부 전극(21, 22)은 Ti와 Au가 각각 약 20nm 및 80nm의 두께로 순차적으로 적층되는 것이 더욱 바람직하다. 이어서, 상기 잔류 LOL과 SPR 용액을 아세톤 등을 이용하여 세척하는 등의 방법으로 제거하여 외부 전극을 완성한다. 한편, 본 실시예는 포토리소그래피 및 스퍼터링을 이용하여 외부 전극을 형성하는 일례를 설명하였지만, 본 발명은 상기 방법에 한정되지 않고, 다양한 물리적/화학적 방법을 이용하여 외부 전극을 형성할 수 있다.

다음으로, 도 1(c)에서 보듯이 외부 전극(21, 22)이 형성된 기판(10) 위에 Si 나노 와이어(30)를 장착한다. 나노 와이어(30)는 도 1(c)에서 보듯이 기판의 중앙에 외부 전극(21, 22)과 평행하게 형성되는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨데, Si 나노 와이어(30)는 화학적 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여, 기판 위에 촉매로 사용되는 금을 증착시킨 후, 화학 기상 증착 챔버에서 SiH₄를 투입함으로써 형성할 수 있지만, 상기 방법으로 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 본 실시예에서는 Si 나노 와이어를 형성하기 위하여, Si 기판 위에 촉매로 사용되는 금을 10nm 내지 20nm 크기의 콜로이드 형태로 분산시키거나, 열증착기를 이용하여 1nm 내지 2nm 두께의 박막 형태로 증착시켰다. 이어서, 이를 화학 기상 증착 챔버에 위치시킨 후, 500℃ 내지 530℃의 온도 및 100mmTorr 이하의 진공 상태에서 50Torr의 압력으로 H₂에 10% 농도로 희석되어 있는 SiH₄ 전구 물질을 5분 내지 10분간 유입하였다.

이어서, CVD 방법에 의하여 배양된 Si 나노 와이어 샘플을 이소프로필알코올 과 혼합하고 소닉 처리한다. 소닉 처리에 의하여 Si 나노 와이어가 이소프로필알코올에서 분리되어 나오면, 마이크로 피펫 등을 이용하여 분리된 Si 나노 와이어를 기판(10) 위에 떨어뜨리면서 분산시켜서 기판(10) 위에 Si 나노 와이어(30)을 형성한다. 상기 나노 와이어의 형성은 미리 제작된 외부전극 패턴 위에 실시되고, 이 때 나노 와이어의 두께는 50nm, 길이는 7㎛ 인 것이 바람직하다.

다음으로, 도 1(d)에서 보듯이, 내부 전극(41, 42)을 Si 나노 와이어(30)의 각각의 일부 및 기판(10) 위에 형성한다. 내부 전극(41, 42)은 각각 소스 전극(41)과 드레인 전극(42)으로 기능한다. 내부 전극(41, 42)은 예를 들면 앞에서 외부 전극을 형성한 것과 같이 포토리소그래피와 스퍼터링 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 다른 다양한 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 나노 와이어(30)가 형성된 기판(10) 위에 EL9와 같은 코폴리머(co-polymer)와 PMMA를 도포한 후, ER 코팅을 수행한다. 이어서, 디지털라이저(digitalizer)와 CAD 작업 등을 통하여 전극 패턴을 그리고, E-beam 리소그래피를 통하여 그려진 전극 패턴을 노출시킨다. 이어서, 노출된 샘플은 ER 디벨로퍼(developer)로 디벨롭된 후, 스퍼터링에 의하여 내부 전극 층(41, 42)을 증착시킨다. 본 실시예에 따른 내부 전극용 재료는 외부 전극용 재료와 같이 Ti, Au 등이 사용될 수 있으며, 그 종류를 한정하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따르면, 내부 전극(41, 42)은 Ti와 Au가 각각 약 100nm 및 200nm의 두께로 순차적으로 적층된 것이 바람직하다. 이어서, 기판(10)의 아랫면에는 게이트 전극(43)을 형성한다. 게이트 전극(43)은 예를 들면 기판(10)의 아랫면의 자연 산화층을 먼저 제거하고, 스퍼터링을 이용하여 Au를 약 300nm 내지 400nm 정도 도포하는 방법으로 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 바이오 센서는 기판의 아랫면에 게이트 전극이 형성되므로, 게이트 전압을 가해줄 경우, Si 나노 와이어(30)를 ON/OFF 상태로 조절할 수 있어서, 이후의 검침 시 민감성을 크게 높이 수 있다. 즉, 기본적으로는 전류가 흐르지 않는 off 상태로 존재하다가 공급 전압이 임계치 전압(threshold voltage)을 넘으면 전류가 흐르게 되어 마치 스위치 on 된 것처럼 전류가 흐르게 된다. 그런데, on 상태를 만들기 위해서는 임계치 전압이 필요한데 바이오 물질이 임계치 전압만큼의 크기가 되려면 어느 정도의 농도가 필요하지만 게이트 전압으로 임계치 전압 근처까지 가해주게 되면 나노 와이어의 전기전도도는 바이오 물질이 약간의 농도만 있어도 전기전도도 변화를 줄 수 있고, 따라서 민감도를 향상시킬 수 있다. 이어서, 나노 와이어(30)와 내부 전극(41, 42) 사이의 결합을 우수하게 유지하기 위하여 내부 전극(41, 42)이 형성된 기판을 약 400℃ 내지 500℃의 온도에서 수 분간 열처리(RTA; rapid thermal annealing)하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 1(e)에서 보듯이, 내부 전극(41, 42) 등이 장착된 기판(10)을 PMMA 등에 의하여 도포하여 Si 나노 와이어(30) 부분을 제외하고 기판(10) 위에 절연층(50)을 형성한다.

이상으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서의 제조 방법을 설명하였다. 도 2(a) 및 (b)는 상기 방법에 의하여 형성된 바이오 센서의 사시도 및 단면도이다. 도 2에서 보듯이, 본 실시예에 따른 바이오 센서는 기판(10) 위에 외 부 전극(21, 22)이 형성되고, 그 중앙에 Si 나노 와이어(30)가 장착되며, 나노 와이어(30)의 양 단부에는 소스 전극(41) 및 드레인 전극(42)이 형성된다. 또한, 기판(10)의 아랫면에는 게이트 전극(43)이 형성되어, 게이트 전압을 가해줄 경우, Si 나노 와이어(30)를 ON 상태로 만들 수 있어서, 이후의 검침 시 센서의 민감성을 크게 높이 수 있다.

도 3은 본 실시예에 따라서 형성된 바이오 센서의 전기적인 성능을 도시하는 도면으로서, 도 3(a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서에서 다양한 게이트 전압에 따른 소스/드레인 전극의 전압과 전류의 관계를 도시한다. 도 3(a)에서 보듯이, 소스/드레인 전극에서 전압과 전류는 인가된 전압에 따라서 각각 선형으로 분포되는데, 이는 도 2에서 소스 전극(41)과 드레인 전극(42) 전극이 Si 나노 와이어(30)에 잘 접촉되어 있음을 보여준다. 또한, 도 3(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서에서 다양한 게이트 전압에 따른 게이트 전압과 소스/드레인 전극에서 전류의 관계를 도시한다. 도 3(b)에서 보듯이 게이트 전압이 음수로 커질수록 Isd가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 나노 와이어 타입이 p-type이라는 것을 의미한다. 또한, 도 3(c)에서 보듯이, 본 실시예에 따라서 내부 전극을 형성한 후 고온에서 열처리를 함으로써 저항값이 크게 낮아지는 것을 볼 수 있는데, 이는 본 실시예에 따른 열처리에 의하여 내부 전극과 Si 나노 와이어 사이의 결합이 크게 향상되었음을 의미한다.

한편, 반응하는 두 개의 물질 중 하나를 본 발명에 따른 바이오 센서의 나노 와이어 표면에 고정 시키고 나머지 다른 물질을 투입하게 되면 상기 두 개의 물질이 나노 와이어 표면에서 결합하면서 전기장을 발생시키고, 이때 나노 와이어의 주요 전하들이 나노 와이어 표면으로 축적되면서 전기전도도가 증가하여 검침하려는 바이오 물질이 있는지 없는지를 판단할 수 있다. 반대로 나노 와이어 표면에 고정되어 있는 바이오 물질을 투입하여 다른 바이오 물질을 잘라내면, 기존에 존재했던 전기장이 사라져 나노 와이어의 축적된 전하들을 사라지게 하면서 나노 와이어의 전기전도도를 감소시킨다. 이러한 방법은 특정 물질끼리 반응하는 바이오 물질의 유무를 판별하는데 유용하며, 따라서 본 발명에 따른 바이오 센서의 나노 와이어 표면에 여러 가지 타입의 바이오 물질을 고정한 후, 결합 유무를 확인함으로써 동시에 여러 가지 질병을 한꺼번에 판별할 수 있게 한다.

다음은, 상기 원리를 이용한 것으로서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서를 이용하여 바이오틴-스트렙트아비딘 결합을 검지하는 방법을 설명한다.

먼저, 앞의 실시예에 따라서 제조된 바이오 센서를 산소 플라즈마로 반응시켜서 산소를 형성한다. 본 실시예에서 산소 플라즈마의 압력은 약 0.3torr인 것이 바람직하다. 이어서, 상기 바이오 센서를 물 4%, 아세트산 0.1%, 및 3-트리메톡시시릴(trimethoxysilyl) 프로필 알데이드 2%가 포함된 에탄올 용액에 30분간 침지시킨 후, 에탄올로 세척하였다. 이어서, 120℃에서 15분간 열처리하여 표면을 완전히 건조시킨다. 이때의 나노 와이어 표면은 산소 플라즈마 처리로 생긴 수산화기 (-OH) 와 3-트리메톡시시릴(trimethoxysilyl) 프로필 알데이드에 있는 메톡시기(- CH3O)가 결합하여 끝에 알데하이드기(-CHO)를 가지고 있다. 이어서, 바이오틴이 붙어있는 펩타이드를 투입하면 펩타이드의 아민기가 상기 알데히드기와 결합하여 바이오틴이 부착된 펩타이드가 나노 와이어에 형성된다. 여기에 다시, 스트립트아비딘(streptavidin)을 투입하여 반응시키면 비오틴-스트립트아비딘 결합이 형성되면서 펩타이드 끝에 스트립트아비딘이 결합하여 그 신호를 관찰함으로써 나노와이어 위에 펩타이드 고정을 확인할 수 있다. 상기, 비오틴-스트립트아비딘 결합은 매우 친화력이 높은 결합으로 생체 물질 결합에 이용되는 가장 기본적인 결합중의 하나로서, 기본적인 생체 pH 조건하에서는 별 다른 어려움 없이 결합이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 바이오 센서는 암 전이 시 주변 조직을 분해하여 암전이를 돕는 효소 중에 하나인 MMP-9(Matrix metalloproteinase-9)의 검침을 가능하게 한다. 예컨데, 앞에서 설명한 방법으로 Si 나노 와이어에 펩타이드를 형성한 후, 펩타이드에 MMP-9을 도포하면, MMP-9이 펩타이드를 절단하고, 따라서 컨덕턴스가 크게 떨어진다. 따라서, 상기 원리를 이용하여 MMP-9을 검출함으로써 본 발명에 따른 바이오 센서를 활용하여 암의 진단을 용이하게 진단할 수 있다. 이 경우, 앞의 실시예에서 상기 스트립트아비딘이 바이오틴의 일부와 치환된 상태에서 상기 MMP-9을 투입하는 것도 가능하다. 이 경우, 스트립트아비딘은 바이오틴과 결합하여 컨덕턴스를 증가시키고, MMP-9은 펩타이드를 절단하여 컨덕턴스를 감소시키므로 더욱 효과적으로 MMP-9이 펩타이드와 결합하여 기능을 하였는지 여부를 확인할 수 있다.

본 연구에 이용된 펩타이드는 MMP-9에 특이적인 아미노산 배열 (GGPLGLWARC)을 가지고 있다. (G: glycine, P: Proline, L: Leucine, W: Tryptophan, A: Alanine, R: Arginine, C: Cysteine) MMP-9은 이 아미노산 배열을 인지하고 결합하여 글라이신과 류신(G-L)사이를 절단한다. 버퍼 용액은 50mM Tris; 0.15M NaCl; 5.0mM CaCl2 0.05% Brij 35으로 이루어지며 37℃에서 MMP-9을 활성화시키며 MMP-9의 농도는 300nM로 한다.

도 4(a)는 앞에서 설명한 방법으로 스트립트아비된과 펩타이드가 결합되었을 때 컨덕턴스 변화를 도시하는 도면이다. 도 4에서 보듯이, 표면 처리한 Si 나노 와이어는 바이오틴이 도포되어도 전압에 따른 전류가 거의 변화하지 않지만, 스트립트아비딘을 투입함에 따라 컨덕턴스가 크게 변화하는 것을 볼 수 있다. 이는 본 발명에 따른 바이오 센서는 바이오틴-스트립트아비딘의 결합을 감지할 수 있음을 의미한다. 또한, 도 4(b)는 상기 실시예에 따라 펩타이드에 스트립트아비딘을 형성하고, 이어서 MMP-9을 도포한 경우 시간에 따른 컨덕턴스의 변화를 측정한 결과를 도시한다. 나노 와이어에 형성된 펩타이드에 스트렙트아비딘과 MMP-9을 형성하지 않은 경우 도 4(b)의 단계 1에서 보듯이 컨덕턴스는 일정하게 유지된다. 이어서, 좌측 화살표로 표시된 시점에 300nM의 스트립트아비딘을 투입하면, 컨덕턴스는 급격하게 증가하고, 다시, 우측 화살표로 표시된 시점에 300nM의 MMP-9을 투입하면 다시 컨덕턴스는 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 음으로 충전된 스트립트아비딘이 펩타이드와 결합하면 컨덕턴스가 크게 증가하고, 이어서 MMP-9이 상기 펩타이드를 절단함으로써 음으로 충전된 스트립트아비딘과 펩타이드의 결합이 끊어지기 때문이다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Si 나노 와이어를 포함하는 바이오 센서 및 그 제조방법과, 상기 바이오 센서를 이용한 스트립트아비딘 및 MMP-9의 감지방법을 설명하였다. 하지만, 본 발명에서 Si 나노 와이어를 포함하는 바이오 센서 및 그 제조방법은 상기 실시예에 따른 것으로 제한되지 않고, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 센서를 이용하여 특정 물질을 감지하는 것도 스트립트아비딘 및 MMP-9에 한정되지 않고 다른 다양한 물질에 응용가능하다. 따라서 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 설명할 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

본 발명에 따른 바이오 센서는 바이오틴-스트립트아비딘의 상호작용을 감지할 수 있다. 또한, MMP-9과 펩타이드의 결합을 확인하여 암의 진단에 활용할 수 있고, 항원-항체 반응, DNA-DNA 교잡(hybridization), DNA-단백질 결합 감지 등에 적용하여 유전질환, 암의 조기 진단 등에도 이용할 수 있다.

도 1(a) 내지 (e)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서를 제조하는 방법을 순차적으로 도시하는 도면이다.

도 2(a)는 도 1에 도시된 방법에 따라서 형성된 바이오 센서의 사시도이다.

도 2(b)는 도 2(a)에 도시된 사시도의 Ⅰ-Ⅰ 단면을 취한 단면도이다.

도 3(a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서에서 소스/드레인 전극의 전압과 소스/드레인 전극의 전류의 관계를 도시하는 도면이다.

도 3(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서에서 게이트 전극의 전압과 소스/드레인 전극의 전류의 관계를 도시하는 도면이다.

도 3(c)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서를 열처리한 경우와 열처리하지 않은 경우에 소스/드레인 전극의 전압과 소스/드레인 전극의 전류의 관계를 도시하는 도면이다.

도 4(a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 센서를 이용하여 바이오틴-스트렙트아비딘 결합에 따른 컨덕턴스 변화를 도시하는 도면이다.

도 4(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 스트립트아비딘에 형광물질을 부착하여 바이오 센서에 도포한 상태를 도시하는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판 12: Si 평판

21, 22: 외부 전극 30: Si 나노 와이어

41: 소스 전극 42: 드레인 전극

43: 게이트 전극 50: 절연층

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15. 기판, 상기 기판의 일부에 형성된 적어도 하나의 외부 전극, 상기 기판의 다른 일부에 형성된 Si 나노 와이어, 상기 Si 나노 와이어의 일 단부와 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 소스 전극, 상기 Si 나노 와이어의 타 단부와 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 드레인 전극 및 상기 기판의 Si 나노 와이어가 형성된 면의 반대면 중 일부에 형성된 게이트 전극을 포함하는 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법으로서,

    상기 바이오 센서의 Si 나노 와이어에 펩타이드를 도포하는 단계;

    상기 도포된 펩타이드를 고정시키는 단계;

    상기 펩타이드가 고정된 Si 나노 와이어의 제 1 컨덕턴스를 측정하는 단계;

    상기 고정된 펩타이드 위에 MMP-9을 도포하는 단계;

    상기 MMP-9이 도포된 Si 나노 와이어의 제 2 컨덕턴스를 측정하는 단계; 및

    상기 제 1 컨덕턴스와 제 2 컨덕턴스를 비교하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법.
16. 기판, 상기 기판의 일부에 형성된 적어도 하나의 외부 전극, 상기 기판의 다른 일부에 형성된 Si 나노 와이어, 상기 Si 나노 와이어의 일 단부와 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 소스 전극, 상기 Si 나노 와이어의 타 단부와 상기 기판의 또 다른 일부에 형성된 드레인 전극 및 상기 기판의 Si 나노 와이어가 형성된 면의 반대면 중 일부에 형성된 게이트 전극을 포함하는 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법으로서,

    상기 바이오 센서의 Si 나노 와이어에 펩타이드를 도포하는 단계;

    상기 도포된 펩타이드를 고정시키는 단계;

    상기 펩타이드가 고정된 Si 나노 와이어의 제 1 컨덕턴스를 측정하는 단계;

    상기 펩타이드의 일단에 바이오틴을 형성하는 단계;

    상기 바이오틴의 적어도 일부를 스트립트아비딘으로 치환하는 단계;

    상기 스트립트아비딘이 형성된 Si 나노 와이어의 제 2 컨덕턴스를 측정하는 단계;

    상기 스트립트아비딘이 형성된 펩타이드 위에 MMP-9을 도포하는 단계;

    상기 MMP-9이 도포된 Si 나노 와이어의 제 3 컨덕턴스를 측정하는 단계; 및

    상기 제 1 컨덕턴스 내지 제 3 컨덕턴스를 비교하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서를 이용한 특정 세포 검지 방법.

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