KR101130947B1

KR101130947B1 - 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101130947B1
Application number: KR1020090032134A
Authority: KR
Inventors: 김재호; 최성욱; 이재혁; 남광현
Original assignee: 아주대학교산학협력단
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2012-07-09
Also published as: KR20100113698A

Abstract

기판, 절연층, 절연층 상에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 그 소스 전극 및 드래인 전극 사이에 위치하는 중간이 끊어진 형태의 채널, 및 중간이 끊어진 채널을 중심으로 위 부분을 덮고 있는 검출대상물질이 고정될 검출 영역을 가지는 바이오 센서와 그 제조방법 및 이 바이오 센서에 의하여 바이오 물질을 검출하는 방법을 개시한다.

탄소나노튜브, 바이오센서, 랭뮤어-블로젯 방법, 금속-반도체 접합

Description

탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 및 그 제조방법{A BIOSENSOR BASED ON CARBONNANOTUBE-FIELD EFFECT TRANSISTOR AND A METHOD FOR PRODUCING THEREOF}

기판, 절연층, 절연층 상에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 그 소스 전극 및 드래인 전극 사이에 위치하는 중간이 끊어진 형태의 채널, 및 중간이 끊어진 채널을 중심으로 위 부분을 덮고 있는 검출대상물질이 고정될 검출 영역을 가지는 바이오 센서와 그 제조방법 및 이 바이오 센서에 의하여 바이오 물질을 검출하는 방법을 개시한다. 더욱 상세히 본 발명은 전계효과를 이용한 탄소나노튜브 트랜지스터를 이용하여 바이오 물질을 검출할 때, 전도성 물질로 구성된 검출 영역에 리셉터를 고정시켜 검출대상물질과 선택적으로 결합시킴으로써 접촉저항이 변하고, 이에 따라 소스 전극에서 드레인 전극으로 흐르는 전류의 이동량이 변하는 것을 이용하여 표적 바이오 물질을 검출하는 바이오 센서, 그 제조방법, 및 이를 이용하여 표적 바이오 물질을 검출하는 방법에 관한 것이다.

바이오센서라 함은, "측정 대상물로부터 정보를 얻을 때, 생물학적 요소를 이용하거나 생물학적 체계를 모방하여 색, 형광, 전기적 신호 등과 같이 인식 가능 한 신호로 변환시켜주는 시스템"이라고 할 수 있다. 측정 대상 물질, 센서에 고정된 생물학적 요소, 신호변환기의 종류에 따라 여러 가지 형태로 구성할 수 있으며, 신호변환 방법으로는 전기화학(electrochemical), 열(thermal), 광학(optical), 역학적(mechanical) 방법 등 다양한 물리화학적 기법이 사용되고 있다.

바이오센서는 측정 대상물질, 센서에 고정한 생물학적 요소, 신호변환기의 종류에 따라 다양하다. 최초의 바이오센서는 1962년 Clark이 포도당 측정을 위해 투석막을 이용하여 제작한 Glucose 센서로 알려져 있으며, 초창기에는 효소를 신호변환소자에 고정하여 제작한 것이 대부분이었으나, 최근에는 분자생물학의 급속한 발달과 더불어 단일클론 항체나 항체-효소 결합체 등을 사용하여 제작한 센서들이 개발되어 사용되고 있다. 또한 대량의 유전정보를 초고속으로 처리하기 위한 DNA칩 및 단백질칩과 같은 칩 센서에 대한 개발 연구들이 활기를 띠고 있으며, 분자생물학기술, 나노기술 및 정보통신기술들이 융합된 첨단 센서들의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.

바이오칩(biochip)은 유리, 실리콘, 혹은 나일론 등의 재질로 된 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물분자(biomolecule)들을 고정화시켜 놓은 것을 말하며, 이때 DNA를 고정화시켜 놓은 것을 DNA chip, 단백질을 고정화시켜 놓은 것을 단백질칩(protein chip)이라 명명한다. 또한 바이오칩은 마이크로어레이칩(microarray chip)과 마이크로플루이딕스칩(microfluidics chip)으로 크게 나눌 수 있다. 마이크로어레이칩은 수천 또는 수 만개 이상의 DNA나 단백질 등을 일정 간격으로 배열하여 부착시키고, 분석 대상 물질을 처리하여 그 결합양상을 분석할 수 있는 바이 오칩으로 DNA칩, 단백질칩 등이 대표적이다. 마이크로플루이딕스칩은 랩온어칩(Lab-on-a-chip)이라고도 하는데 미량의 분석 대상물질을 주입하여 칩에고정화되어 있는 각종 생물분자 프로브 또는 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 바이오칩이다. DNA칩은 고정화시키는 프로브의 종류에 따라 올리고뉴클레오티드칩(oligonucleotide chip), cDNA chip과 PNA chip 등으로 구분할 수 있다. 올리고뉴클레오티드칩 기술은 대규모의 유전적 다양성을 조사할 수 있는 새로운 방법으로서 지지체의 아주 작은 공간의 정확한 위치에 다수의 합성 올리고뉴클레오티드를 부착시켜 아주 적은 양의 표적 염기서열과 혼성화 반응을 함으로써 동시에 많은 유전자를 검색할 수 있게 되었다. 이러한 올리고뉴클레오티드칩은 약제 내성 검색 진단, 돌연변이 검색, 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism, SNP), 질병 진단 또는 유전자형 확정(genotyping)에 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

바이오센서의 응용분야는 다음과 같이 크게 6가지로 분류할 수 있다.

① 임상진단/의료분야: 전체 바이오센서 시장의 90% 정도를 차지하고 있다. 혈당측정용 글루코스 센서가 대부분이지만 POCT(point-of-care testing)에 대한 수요가 급증하고 있으므로 젖산, 콜레스테롤, 요소 등 다양한 생체물질을 측정할 수 있는 바이오센서들의 점유율이 높아질 것으로 예상된다.

② 환경: 환경호르몬, 폐수의 BOD, 중금속, 농약 등과 같은 환경관련 물질을 검출한다. 다이옥신과 같은 각종 환경호르몬에 선택성을 지니며 낮은 농도까지 감지할 수 있는 센서에 대한 연구가 다각도로 진행되고 있다.

③ 식품: 잔류농약, 항생제, 병원균, 중금속과 같은 유해한 물질의 검출에 사용 되는 것으로서 식품 안전성 검사에 적용되고 있다.

④ 군사용: 사린, 탄저균과 같은 대량 살상용 생화학 무기를 감지할 수 있는 바이오센서. 생물학적 무기에 대응하기 위해서는 신속한 측정시간과 필드에서 사용할 수 있도록 소형화가 필수적이다.

⑤ 산업용: 발효공정에서 미생물의 성장조건을 제어하거나 화학/석유화학, 제약, 식품 공정 등에서 발생하는 특정 화학물질에 대한 모니터링.

⑥ 연구용: 생체물질 간의 결합에 대한 속도론적 분석, 단일 분자의 거동 측정.

전계효과 트랜지스터는 게이트에 입력되는 전압신호를 소스 전극 또는 드레인 전극으로부터 출력되는 전류 신호로 변환하는 소자이다. 전계효과는 어떤 반도체에 전계를 걸어주었을 때, 반도체 내의 캐리어(자유전자 또는 정공)들이 인가된 전계에 따라 (+)쪽에는 (-) 캐리어 즉, 전자가 모이고 (-)쪽에는 (+) 캐리어 즉, 정공이 모여서 전기를 흘릴 수 있는 도전성 채널을 만들어 주는 현상을 일컫는 것을 말한다.

소스 전극과 드레인 전극 사이에 전압을 가하면, 채널에 존재하는 하전 입자가 소스 전극과 드레인 전극 사이를 전계 방향을 따라 이동하여, 소스 전극 또는 드레인 전극으로부터 전류 신호로서 출력된다. 이 때 출력되는 전류 신호의 강도는 하전 입자의 밀도에 비례한다. 절연체를 통해 채널의 상방, 측면 또는 하방 등에 설치한 게이트에 전압을 가하면, 채널에 존재하는 하전 입자의 밀도가 변화하기 때문에, 이것을 이용하여 게이트 전압을 변환시킴으로써 전류 신호를 변화시킬 수 있다.

탄소나노튜브는 구리만큼 우수한 전기 전도성, 다이아몬드 만큼 우수한 열 전도성, 1/6중량으로 강철보다 100배 우수한 강도및 파괴에 대한 높은 스트레인을 나타낼 수 있다. 1991년 일본의 Iijima 박사에 의해 발견된 탄소나노튜브는 준 1차원적인 양자구조로 인하여 특이한 여러 양자역학적 현상이 관측되었으며, 그들의 직경이 수에서 수십 나노미터(nm)로 굉장히 작고, 종횡비가 크고, 속이 비어있는 특징이 있다. 이러한 탄소나노튜브의 매우 독특한 1차원 탄소구조로 인하여 우수한 기계적, 열적, 전기적 성질을 나타내며, 차세대 신소재 물질로 평가 받고 있다. 여러 가지 장점들 중, 특히, 기계적 물성이 뛰어난 것과 동시에 전기전도성과 열전도성이 높은 특성을 이용하여 산업전반에 걸쳐 전계효과 트랜지스터, 평판표시소자, 전자소자 등으로의 응용이 연구되고 있으며, 바이오센서로 응용하려는 시도가 늘어나는 추세다.

이들 중 트랜지스터 소자의 응용을 살펴보면, 1998년 네덜란드의 델프트 대학교의 연구원들은 탄소나노튜브를 이용하여 상온에서 작동하는 트랜지스터를 구현하였다(Sander J. Tans 등, Nature 1998, 393, 49). 이 결과에 의하면, 물리적 전기적 성질이 우수한 탄소나노튜브 기반의 전자소자를 이용할 경우 기존의 실리콘 기반의 전자소자보다 그 동작 속도가 100배 정도 빠르고, 고집적도가 가능하며, 전력의 손실량도 적음을 명시하였다. 이러한 결과는 향후 탄소나노튜브를 기반으로 한 전자소자에 있어서의 응용가능성을 보여준 첫 사례라 할 수 있다.

그 이후, 2009년 현재까지도 탄소나노튜브를 기반으로 한 다양한 나노소자의 응용은 세계의 많은 연구기관에서 수 많은 논문, 특허 등으로 나오고 있는 실정이 다. 미국 하버드 대학교의 그룹의 연구원들은2009년 전계효과 트랜지스터형 바이오센서 중 탄소나노튜브를 채널로 이용하여, 바이오 물질의 표면전하의 변화를 고감도로 측정한 결과를 소개하였다(Charles M. Liber 등. Science,2001, 293, 1289). 이후 기술이 발달하면서 효소 반응에 의해 표면에 큰 전하의 변화를 측정하다가 단백질-단백질 결합의 미세한 표면전하의 변화를 측정하게 되었고 최근에는 단백질의 접근에 따른 표면장의 변화를 측정하는 수준에 이르렀다. 2005년 충남대학교와 화학연구원의 연구진들이 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터(CNT-FET)를 이용한 바이오센서의 개념을 소개하였다. 이는 탄소나노튜브 표면에 CDI-Tween20을 링커로 하여 DNA 압타머 (aptamer)를 부착시켜 압타머 자체의 음전하가 표적 물질과 결합하였을 때 음전하가 사라지면서 탄소 나노튜브를 통한 전기 전도도가 감소하는 특징을 이용하는 것으로서, 특정 타깃 분자를 10 nM 수준으로 측정하여, 고성능의 CNT-FET 바이오센서를 구현하였다(Hye-Mi So 등, J. AM. Chem. Soc., 2005, 34, 11906). 상기와 같은 꾸준한 연구가 지속되어, 탄소나노튜브 표면과 검출에 필요한 바이오 물질간의 결합 거리가 가까울수록 감도의 증가를 얻을 수 있다는 사실을 발표하고 CNT-FET 센서를 이용하여 1.8 nM의 IgE 검출에 성공하여 산업적 응용 가능성을 증대시켰다(Kenzo Maehashi 등, Anal. Chem., 2007, 79, 782).

대한민국 공개특허 제2007-53545호는 표적분자가 프로브에 혼성화되면 표적분자에 부착된 탄소나노튜브에 의해 전도도가 증가되어 용이하게 표적 분자의 혼성화를 검출할 수 있다는 것에 대한 것으로 상단전극과 바닥전극 및 이들 전극 사이에 위치하는 절연층으로 이루어지는 바이오칩을 개시하고 있다.

대한민국 등록특허 제10-455284호는 부도체 기판 위에 나노미터 직경의 탄소나노튜브를 성장시킨 뒤, 표적 바이오분자와 결합하는 다양한 리셉터의 순　전하(net charge)와 반대되는 극성의 전하를 탄소나노튜브에 걸어주어 각각의 리셉터들을 임의적으로 칩 위의 일정한 위치에 고정시킴으로써 종래의 마이크로(10^-6 )수준의 어레이 기술을 나노(10^-9 ) 수준에서 원하는 패턴으로 배열하거나 고집적화 할 수 있는 것에 대한 특허로서 기판, 및 기판 위에 배열된 복수의 탄소 나노튜브를 포함하며, 그 탄소 나노튜브에 전기장을 인가함으로써 표적 바이오분자와 결합하는 리셉터를 원하는 위치의 탄소 나노튜브 위에 선택적으로 부착시키는 것을 특징으로 하는 나노어레이 타입의 바이오분자 검출센서를 개시하고 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제2007-22165호는 기판과, 이 기판에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극과, 상기의 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 전류통로가 되는 채널을 구비한 전계 효과 트랜지스터를 가지고 검출대상물질을 검출하기 위한 센서로서, 이 전계 효과 트랜지스터가, 이 검출대상물질과 선택적으로 상호작용을 하는 특정 물질을 고정시키기 위한 상호작용 감지 게이트와, 이 상호작용을 이 전계 효과 트랜지스터의 특성의 변화로서 검출하기 위해 전압이 인가되는 게이트를 갖는 것을 특징으로 하는 발명을 개시하고 있다.

그러나, 이러한 많은 연구의 노력에도 불구하고 아직까지 탄소나노튜브를 이용한 바이오센서의 응용은 검출물질이 1nM이하와 같은 저농도를 가지는 경우에 대 한 연구결과는 발표된 적이 없다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 검출대상물질의 농도가 1nM이하인 바이오 물질(biomolecules)의 검출에 적합한 바이오 센스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 해결과제는 상기와 같은 특성을 가지는 바이오 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 해결과제는 상기와 같은 특성을 가지는 바이오 센서를 이용하여 표적 바이오 물질을 검출하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전계효과를 이용한 탄소나노튜브 트랜지스터를 이용하여 바이오 물질을 검출할 때, 전도성 물질로 구성된 검출 영역에 리셉터를 고정시켜 검출대상물질과 선택적으로 결합시킴으로써 접촉저항이 변하고, 이에 따라 소스 전극에서 드레인 전극으로 흐르는 전류의 이동량이 변하는 것을 이용하여 표적 바이오 물질을 검출하는 바이오 센서를 개시한다.

보다 구체적으로 본 발명은 기판, 절연층, 절연층 상에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 그 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 중간이 끊어진 형태의 채널, 및 중간이 끊어진 채널을 중심으로 위 부분을 덮고 있는 검출대상물질이 고정될 검출 영역을 가지는 바이오 센서에 관한 것이다.

본 발명의 소자에서 바이오 센서에 사용되는 기판은 비제한적으로 실리콘, 유리, 용융실리카, 석영, 플라스틱, PDMS(Polydimethylsiloxane) 등과 같은 각종 부도체성 폴리머로 이루어지는 군 및 이들의 조합으로부터 선택된다.

본 발명의 절연층은 전기적 절연 재료로 구성될 수 있으며, 상기 전기적 절연 재료는 예컨대, 실리콘 디옥사이드(SiO₂), 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄), 테플론(Teflon^??), 폴리디메틸메타크릴레이트 (PDMS-Polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 일 수 있다. 절연층은 채널의 아래, 위, 옆의 어느 한 부분에 형성될 수 있다.

소스 전극과 드레인 전극은 금, 은, 티타늄, 및 백금 등으로 구성된다.

중간이 끊어진 형태의 채널은 탄소나노튜브이며, 반도체성 성질을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 검출대상물질(target protein)이 고정될 검출영역은 금속 층 및 반도체 층으로 이루어지며, 비제한적으로 금(Au), 티타늄(Ti), 백금(Pt),크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 및 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있으며, 반도체 층을 형성할 경우, 비제한적으로 p 또는 n 도핑된 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 갈륨/비소(GaAs), 갈륨/질소(GaN), 인듐/인(InP) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되며, 본 발명에서 이 영역은 게이트 전극의 역할을 하게 된다.

상기 바이오센서는 검출 영역에 고정된 리셉터를 포함하여 바이오 물질(biomolecules)을 검출한다. 리셉터는 검출대상물질과 특이적 결합으로 상호작 용할 수 있는 물질을 지칭한다. 검출 영역에 고정된 리셉터에 검출대상물질이 특이적 결합에 의해 상호작용하게 되면 전극의 일함수를 변하게 하며, 이는 탄소나노튜브와 검출 영역간의 접촉 저항을 변화시키게 된다. 이 접촉 저항의 변화는 전류의 흐름에 영향을 미치게 되며 이를 이용하여 검출대상물질의 검출이 이루어진다.

상호작용 감지 게이트 상에는 수많은 특정 물질을 고정화시킬 수 있다. 특정 물질이 고정화된 상호작용 감지 게이트는, 그 기능성 물질과 상호작용하는 물질을 검출하는 바이오센서에 바람직하게 사용할 수 있다. 또, 검출되는 시그널의 증폭이나 특정을 목적으로 하여 특정 물질과 상호작용한 물질과 더욱 상호작용하는 물질을 효소 또는 전기 화학적 반응이나 발광 반응을 갖는 물질, 하전을 갖는 고분자 및 입자 등으로 표지하는 것도 가능하고, 이들은 이뮤노 에세이나 인터카레터 등을 이용한 DNA 해석의 영역에서는 표지화 측정법으로서 널리 사용되고 있는 방법이다.

특정 물질과 검출대상물질의 「상호작용」은 특별히 한정되지 않지만, 통상은 공유 결합, 소수결합, 수소 결합, 반데르 발스 결합 및 정전력에 의한 결합 중 적어도 하나로부터 생기는 분자 간에 작용하는 힘에 의한 작용을 나타낸다. 단, 본 명세서에서 말하는 「상호작용」이라는 용어는 매우 광의로 해석해야 하며, 어떠한 의미에 있어서도 한정적으로 해석해서는 안 된다. 공유 결합으로는, 배위 결합, 쌍극자 결합을 포함한다. 또, 정전력에 의한 결합이란, 정전 결합 외에, 전기적 반발도 포함한다. 또, 상기 작용의 결과 생기는 결합 반응, 합성 반응, 분해 반응도 상호작용에 함유된다.

삭제

상호작용의 구체예로는, 항원과 항체간의 결합 및 해리, 단백질 리셉터와 리 간드간의 결합 및 해리, 접착 분자와 상대방 분자간의 결합 및 해리, 효소와 기질간의 결합 및 해리, 아포 효소와 보효소간의 결합 및 해리, 핵산과 그에 결합하는 단백질

간의 결합 및 해리, 핵산과 핵산간의 결합 및 해리, 정보 전달계에 있어서의 단백질끼리 사이의 결합과 해리, 당 단백질과 단백질간의 결합 및 해리, 또는 당쇄와 단백질간의 결합 및 해리, 세포 및 생체 조직과 단백질간의 결합 및 해리, 세포 및 생체 조직과 저분자 화합물간의 결합 및 해리, 이온과 이온 감응성 물질간의 상호작용 등을 들 수 있는데, 이 범위로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 이뮤노글로불린 또는 그 파생물인 F(ab')2, Fab', Fab, 리셉터나 효소와 그 파생물, 핵산, 천연 또는 인공의 펩티드, 인공 폴리머, 당질, 지질, 무기 물질 또는 유기 배위자, 바이러스, 세포, 약품 등을 들 수 있다

상기의 리셉터(receptors)는 표적 바이오 물질과 결합하여 이를 검출할 수 있는 프로브 역할을 하는 생물학적 물질로서, 핵산(DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체), 단백질(효소, 기질, 항원, 항체, 리간드. 압타머 등), 바이러스 및 감염성 질병 등으로 이루어진 군에서 선택된다. 바람직하게는 질병에 관련된 단백질인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 탄소나노튜브에 리셉터를 부착시키기 바로 전ㆍ후에,　탄소 나노튜브와 리셉터 사이의 부착력을 증가시키는 결합보조제를 처리할 수 있다. 이러한 결합보조제는 탄소 나노튜브에 인가한 전기장을 해제한 후에도 탄소 나노튜브와 리셉터의 결합을 유지시키는 작용을 한다.

이러한 결합보조제는 바람직하게는 카본기 말단에 알데하이드(aldehyde), 아민(amine) 혹은 이민류(imine) 등과 같은 작용기가 붙어 있는 화학물질; SiO 2 , Si 3 N 4 등과 같은 단층(monolayer); 니트로셀룰로스(nitrocellulose) 등과 같은 막(membrane); 또는 폴리아크릴아미드 겔(polyacrylamide gel), PDMS 등과 같은 중합체(polymer)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면 소스 전극과 검출영역 및 드레인 전극과 검출영역 사이에 소수성 재료인 테플론, PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 실리콘 디옥사이드(SiO₂), 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄), 바람직하게는 테플론을 설치시켜 타겟 바이오 물질이 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉되는 것을 차단시키도록 한다.

이와 같이 형성된 본 발명의 전계효과 트랜지스터는 이하의 실시예에서 확인되는 바와 같이 1nM이하의 저농도의 바이오 물질을 검출할 수 있는데, 그 이유는 쇼트키 접촉 면적이 넓어짐으로 인한 쇼트키 배리어(barrier) 효과와 화합물의 게이팅 효과(chemical gating effect)에 의한 것으로 추정된다. 즉, 검출 대상물질이 위치되어질 Au 층의 양말단 사이의 CNT와(쇼트키 배리어 형성) 전극이 형성되는 부분의 전극 층과의 접촉 부분의 접촉저항 및 약 1mm의 길이를 가지는 쇼트키 베리어는 기존의 구조보다 상대적으로 더 넓어진 형태로 되고, 이렇게 넓어진 쇼트키 배리어와 케미컬 게이팅 효과에 의하여 바이오 물질이 고감도로 검출 되는 것으로 생각되어진다.

쇼트키 배리어와 케미컬 게이팅 효과에 대하여 간략히 설명하면, 쇼트키 배리어(Schottky barrier)는 금속과 반도체의 접촉면에서의 정류 특성의 포텐셜 배리어를 의미하는 것이다. p-n 접촉과의 차이점은 접촉 전압이 상대적으로 낮다는 점과 금속의 고갈 영역이 감소하였다는 점이다. 모든 금속과 반도체의 접촉이 Schottky barrier를 형성하는 것은 아니다. 그러나, 본 발명에 있어서는 탄소나노튜브가 p타입의 반도체적 성격을 띄고 있으며, 이 탄소나노튜브가 금속과 접촉할 때 접촉면에서 쇼트키 배리어가 형성되고, 금 섬(Au island)에서 바이오 물질을 검출할 때 쇼트키 배리어가 변화되어 전기적인 신호가 증가 또는 감소되고, 이와 함께 케미컬 게이팅 효과가 부가되어 바이오 물질이 검출되는 것으로 추정된다. 쇼트키 배리어는 반도체의 종류 및 금속과 반도체의 상대적인 일함수 차이에 따라, 옴 접촉, 정류 접촉으로 나뉜다.

① ΦM > ΦS (n형 반도체) : 정류 접촉

② ΦM < ΦS (n형 반도체) : 옴 접촉

③ ΦM > ΦS (p형 반도체) : 옴 접촉

④ ΦM < ΦS (p형 반도체) : 정류 접촉

케미컬 게이팅 효과(Chemical gating effect)란 화학 물질을 이용하여 전계효과 트랜지스터에서 이용하는 전계효과를 모사한 방법으로서 기체 또는 표면에 전하를 가진 분자나 물질 등을 이용한다. 예를 들어, 탄소나노튜브로 제작한 소자를 NH₃에 노출시켰을 때, NH₃가 탄소나노튜브에 흡착되면서 전자를 제공하면 기존의 운송자인 정공의 수가 감소하게 되며 동시에 가전도대를 페르미 레벨로부터 떨어뜨리게 되어 전도도가 감소한다. 이와 유사하게 생체 분자들의 경우 표면에 특정한 전하를 띈 상태로 탄소나노튜브에 접근하게 되면 탄소나노튜브의 전도도에 변화를 준다.

본 발명에 의한 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터의 제조방법은 다음과 같다.

기판을 준비하는 단계; 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 절연층 상에 탄소나노튜브를 중간이 끊어지도록 증착하는 단계; 소스 전극과 드레인 전극을 형성하기 위하여 전도성 물질을 증착하는 단계; 중간이 끊어진 채널을 중심으로 윗 부분을 덮고 있는 검출대상물질이 고정될 검출 영역을 금속 및 반도체성 물질로 증착하는 단계: 및 각각 전하가 인가될 수 있도록 전도성 나노와이어(nanowires)를 통해 전원에 연결하는 단계로 이루어진다.

또 다른 구현예로서 검출영역을 형성한 다음 테플론을 검출영역과 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 설치하여 테플론의 소수성을 이용하여 검출될 타겟 바이오 물질을 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉되는 것을 차단할 수 있다.

탄소나노튜브를 증착함에 있어서는 네트워크 형태 또는 랭뮤어-블로젯 필름 형태로 증착한다. 탄소나노튜브는 화학기상증착법(CVD), 레이저 어블레이션법(laser ablation), 또는 전기방전법(arc-discharge)에 의하여 성장시키거나 또는 탄소나노튜브 페이스트를 기판상에 코팅함으로써 형성시키며, 전기영동법(dielectrophorsis), 또는 필터법(filtering method)을 사용하여 증착시킨다. 상기 탄소나노튜브는 단일벽 나노튜브, 이중벽 나노튜브, 또는 다중벽 나노튜브 또는 다발형 나노튜브일 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 필터법을 통하여 형성된 네트워크 구조 형태 혹은 랭뮤어-블로젯 법을 이용한 정렬도가 우수하고 방향성이 있는 필름이 사용될 수 있다.

탄소나노튜브의 중간이 끊어지는 부분은 10-2000㎛가 되도록 형성하는데, 바람직하게는 1000-1500㎛가 되도록 형성한다. 본 발명자들의 실험에 의하면 이 범위의 길이에서 본 발명의 바이오 센서가 가장 좋은 감도를 나타냄을 확인하였다.

소스 전극과 검출영역 및 드레인 전극과 검출영역 사이의 거리는 0.5-2.0mm가 되도록 형성하여 쇼트키 접촉 면적을 넓게 형성한다. 쇼트키 접촉 면적을 이렇게 넓게 함으로써 본 발명의 소자는 케미컬 게이팅 효과와 함께 고감도로 바이오 물질을 검출할 수 있는 효과를 거둘 수 있는 것으로 추정된다.

소스 전극과 드레인 전극에 금속을 증착하는 것은 물리기상증착법(PVD), 전자빔 증발법(e-beam evaporation) 또는 열 증발법(thermal evaporation)에 의해 수행 될 수 있으며, 바람직하게는 열 증발법(thermal evaporation)을 통하여 수행된다.

상기 전극에 사용하는 금속은 상기한 바와 같으며, 바람직하게는 금(Au) 또는 티타늄(Ti)를 사용한다.

상기와 같은 특성을 가지는 바이오 센서의 검출영역에 검출대상물질과 특이적으로 결합하여 상호작용할 수 있는 리셉터를 포함시키면 상호 작용에 의해 전극의 일함수를 변하게 하며 이로 인하여 탄소나노튜브와 검출 영역간의 접촉저항을 변화시키게 된다. 이 접촉 저항의 변화에 의하여 전류의 흐름에 영향을 미치게 되며 이를 이용하여 검출대상물질의 검출이 이루어진다.

상기 검출 영역에 리셉터를 고정하는 방법은 물리적, 화학적 결합으로 이루어질 수 있으며 예로 리셉터의 싸이올기가 금으로 구성된 검출 영역에 고정 될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 바이오 센서는 보다 넓어진 쇼트키 접촉 면적을 구비하여 다양한 컨텐츠의 바이오 물질을 1nM이하의 저농도에서도 고감도로 검출하는 것을 가능케 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 하여 실시예에 의해 상세히 설명한다, 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터는 다음과 같이 제작하였다.

기판으로 사용하기 위하여 실리콘 웨이퍼를 준비하여, 여기에 실리콘 산화막을 증착하여 절연층을 형성하였다. 상기의 절연층 상에 탄소나노튜브를 중간이 1500㎛ 끊어지도록 증착하였다. 탄소나노튜브는 랭뮤어-블로젯 필름형태로 형성하 였고, 단일벽 나노튜브를 사용하였다. 또한 탄소나노튜브는 화학기상증착법을 이용하여 성장시켰다. 소스 전극과 드레인 전극을 형성하기 위하여 금을 증착하였다. 중간이 끊어진 탄소나노튜브를 중심으로 위 부분을 덮고 있는 검출대상물질이 고정될 검출 영역을 형성하기 위하여 금을 증착하였다. 이 때, 검출영역을 형성하는 금과 소소 전극 및 드레인 전극의 거리는 1mm이 되도록 하였다. 마지막으로, 각각 전하가 인가될 수 있도록 전도성 나노와이어(nanowires)를 통해 전원에 연결하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의해여 제조된 바이오 센서의 개략적인 모식도를 나타낸 것이다. 도 1에는 검출영역에 고정될 리셉터와 함께 이 리셉터와 특이적으로 결합할 수 있는 바이오 물질을 함께 나타내었다. 도 2는 SiO₂/Si 기판 상에 단일벽 탄소나노튜브를 채널의 통로로 사용하고, 전극과 검출 물질이 고정화 되는 끊어진 탄소나노튜브 사이에 금을 증착하는 본 발명 바이오 센서의 개략적인 제작 모식도를 나타내고 있다. 도 3(a)는 도 2에 의하여 제작된 소자에서 검출 물질이 부착될 금(Au)층과 전극 사이를 이어주는 탄소나노튜브가 네트워크의 구조로 형성된 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)이미지와 그 단면의 높낮이를 나타낸것이며 도 3(b)는 네트워크 탄소나노튜브의 SEM이미지이다. 도 3(c)는 제조되는 소자의 탄소나노튜브의 형태가 랭뮤어-블로젯 법을 통하여 정렬되고 방향성을 갖는 필름 형태로 형성 될 수 있음을 나타낸SEM 이미지이다. 도 4는 본 발명의 실시예인 도 2에서 제작된 네트워크 탄소나노튜브로 이루어진 소자의 채널에 흐르는 전류가 인가한 게이트 전압에 따라 변하는 것을 도시한 그래프이며, 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터의 금속-반도체의 I-V 특성을 나타냄을 알 수 있다.

상기와 같이 제작된 본 발명의 바이오 센서를 이용하여 표적 바이오 물질을 검출하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 5의 (a)는 테프론 셀을 이용하여 검출 영역과 소스 전극 및 드레인 전극을 차단한 본 발명에 의한 바이오 센서를 이용하여 전류의 변화를 측정하기 위한 준비도를 보여주고 있다. 도 5(b)는 소 혈청 알부민(Bovineserumalbumin, BSA) 단백질로 보호된 소자상에 고정된 프로브 물질인 바이오틴과 서로 특이적 결합을 형성하는 표적 단백질 스트랩트아비딘 단백질과의 결합을 나타낸 모식도이다.

도 5 (a)와 (b)에서 탄소나노튜브 기반의 전계효과 트랜지스터에 테프론 셀을 설치한 후 소스와 드레인 전극 사이에 0.1 V의 bias전압(Vds)을 인가하면서 인산 완충 용액(PBS, 10mM, pH=7.4)과 각각 다른 단백질 용액을 채우면서 상기 소자의 전류 변화를 측정하였다.

도 6은 상기 도 5의 (a)의 구조체를 통한 아비딘에 의한 바이오틴의 특이적인 인식 반응에 대한 상호 작용의 기작을 실시간으로 컨덕턴스의 강하를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (a)의 경우 바이오틴 분자와 특이적 반응성이 없는 소 혈청 알부민 단백질을 이용하여 소자에 적용하였을 때 전기적 신호의 변화가 없는 것을 나타내며, 도 6의 (b)-(e)는 각각 다양한 농도에서 바이오틴과 특이적 반응을 형성하는 스트랩트아비딘 단백질을 반응시켰을 때 최저 1 pM의 농도에서도 컨덕턴스의 강하를 나타내고 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 바이오 물질의 검출 센서를 제조하기 위하여 소 스 전극과, 드래인 전극 사이에 골드 층이 존재하고 그 두개의 금속층 사이의 채널을 연결하는 물질로써 중간이 끊어진 탄소나노튜브가 형성되어져 있는 구조체는 보다 넓어진 쇼트키 역(Schottky contact area)을 구비함은 물론 반도체성의 탄소나노튜브가 상대적으로 많이 존재함으로써 금속-반도체 나노튜브간 쇼트키 접촉영역과 그들의 접촉저항 및 나노튜브간의 접촉저항을 통하여 1nM이하의 저농도의 바이오 물질의 검출을 가능하게 함을 알 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 이로부터 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서의 개략적인 모식도로서 사용 양상을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 물질 검출 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 3(a)는 도 2에서 제조된 소자에서 검출 물질이 형성될 금(Au) 층과 전극 사이를 이어주는 탄소나노튜브가 네트워크의 구조로 형성된 AFM이미지와 단면의 높낮이를 나타내는 이미지이며, 도 3(b)는 네트워크 탄소나노튜브의 SEM이미지이다. 도 3(c)는 제조되는 소자의 탄소나노튜브의 형태가 랭뮤어-블로젯 법을 이용하여 정렬되고 방향성을 갖는 필름 형태로 형성 될 수 있음을 나타내는 SEM 이미지이다.

도 4 는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소자에서 네트워크 구조의 탄소나노튜브 채널에 흐르는 전류가 인가한 게이트 전압에 따라 변하는 것을 도시한 그래프이다.

도 5(a)는 테프론 셀을 이용하여 본 발명의 실시예에 따라 수행한 단백질 검출 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 5(b)는 소 혈청 알부민 단백질로 보호된 소자상에 고정된 프로브 물질인 바이오틴과 서로 특이적 결합을 형성하는 표적 단백질인 스트랩트아비딘 단백질과의 결합을 나타낸 모식도이다.

도 6은 바이오틴과 스트랩트아비딘에 의한 특이적인 인식 반응에 대한 소자의 컨덕턴스의 강하를 나타낸 그래프이다. 도 6(a)의 경우 바이오틴 분자와 특이적 반응성이 없는 소 혈청 알부민 단백질을 이용하여 소자에 적용하였을 때 전기적 신 호의 변화가 없는 것을 나타내며, (b)~(e)는 각각 다양한 농도의 특이적 반응을 형성하는 스트랩트아비딘 단백질을 반응시켰을 때 최저 1pM의 농도에서도 컨덕턴스의 강하를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 기판 (Si) 2: 기판 (SiO₂)

3: 소스 전극 (Au) 4: 드래인 전극 (Au)

5: 탄소나노튜브 이차원 구조체

6: 바이오물질 검출영역의 금 (Au)

Claims

기판, 절연층, 절연층 상에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 그 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 중간이 끊어진 형태의 채널, 및 중간이 끊어진 채널을 중심으로 위 부분을 덮고 있는 검출대상물질이 고정될 검출 영역을 가지는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항에 있어서,

상기 소스 전극과 검출영역 및 드레인 전극과 검출영역 사이에 소수성 재료인 테플론, PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 실리콘 디옥사이드(SiO₂), 및 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 2항에 있어서,

상기 소수성 재료는 테플론임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 탄소나노튜브는 화학기상증착법(CVD), 레이저 어블레이션법(laser ablation), 전기방전법(arc-discharge), 탄소나노튜브 페이스트(CNT paste), 전기영동법(dielectrophorsis), 및 필터법(filtering method)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 이용한 네트워크 및 랭뮤어-블로젯(Langmuir-Blodgett) 법으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 이용하여 형성되는 필름임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

검출영역은 금속 또는 반도체성 물질임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 바이오 물질은 핵산(DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체), 단백질(효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 등), 바이러스 및 감염성 질병 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

탄소나노튜브의 중간이 끊어지는 길이는 10-2000㎛임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 검출대상물질은 질병에 관련된 단백질임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

탄소나노튜브에 리셉터를 부착시키기 전ㆍ후에 탄소나노튜브와 리셉터 사이의 부착력을 증가시키는 결합보조제를 처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

검출영역과 소스 전극 및 검출영역과 드레인 전극 사이의 거리를 각각 0.5-2.0mm 떨어지도록 구성함을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서.
기판을 준비하는 단계;

기판 상에 절연층을 형성하는 단계;

절연층 상에 탄소나노튜브를 중간이 끊어지도록 증착하는 단계;

소스 전극과 드레인 전극을 형성하기 위하여 전도성 물질을 증착하는 단계;

중간이 끊어진 채널을 중심으로 윗 부분을 덮고 있는 검출대상물질이 고정될 검출 영역을 금속 및 반도체성 물질로 증착하는 단계: 및

각각 소스 전극과 드레인 전극에 전하가 인가될 수 있도록 전도성 나노와이 어(nanowires)를 통해 전원에 연결하는 단계로 이루어지는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서의 제조방법.
제 11항에 있어서,

소수성 재료인 테플론, PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 실리콘 디옥사이드(SiO₂), 및 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 검출영역과 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 설치하여 검출될 타겟 바이오 물질이 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉되는 것을 차단함을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서의 제조방법.
제 12항에 있어서,

상기 소수성 재료는 테플론임을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서의 제조방법.
제 11항 또는 제 12항에 있어서,

소스 전극과 드레인 전극에 금속을 증착하는 것은 물리기상증착법(PVD), 전자빔 증발법(e-beam evaporation) 또는 열 증발법(thermal evaporation)에 의해 수행됨을 특징으로 하는 탄소나노튜브-전계효과 트랜지스터 기반의 바이오 센서의 제조방법.
제 1항 또는 제2항의 바이오 센서를 사용하여 바이오 물질을 검출하는 방법.