KR101195155B1 - 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법과 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법 - Google Patents

나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법과 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 신호 대 잡음비와 분리 효율을 획득할 수 있는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 실리콘 기판 상에 감광층을 형성한 후 이를 노광 및 현상하여 감광층 패턴을 형성하고, 감광층 패턴의 상부에 제 1, 2 금속층을 순차적으로 형성한 후 제 1, 2 금속층과 감광층 패턴을 상기 실리콘 기판으로부터 분리하여 제 1, 2 금속층과 감광층 패턴으로 이루어진 나노밴드 전극을 형성하는 단계와, 나노밴드 전극을 고정하는 적어도 둘 이상의 공간을 구비하는 부재를 이용하여 나노밴드 전극의 일부가 외부로 노출되도록 인터페이스에 나노밴드 전극을 삽입하는 단계를 포함한다.
Figure R1020080114494
나노밴드 전극(nano-band electrode), 미세 종합 분석 시스템(μ-TAS : micro-Total Analysis System), 랩온어칩(lab-on-a-chip), 모세관 전기 영동법(capillary electrophoresis)

Description

나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법과 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법{METHOD FOR FABRICATING LAB-ON-A-CHIP FOR NANO BAND ELECTRODE AND METHOD FOR CAPILLARY ELECTROPHORESIS ELECTROCHEMICAL DETECTION APPARATUS USING NANO BAND ELECTRODE}
본 발명은 전기화학적 분석 기법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모세관 전기 이동법에 의한 전기화학적 분석을 통해 시료를 분석하는데 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법과 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 인간 유전체 프로젝트(human genome project)가 완료되고 포스트게놈(post genome) 시대가 도래함에 따라 쏟아져 나오는 많은 양의 바이오 정보는 기존의 실험실 분석 시스템으로는 그 신속한 처리가 어려운 실정이다.
이러한 추세에 따라 생명 현상의 규명과 신약 개발 및 진단을 위한 생물학적 검출 시스템은 미세 유체 공학(micro-fluidics)의 기반 위에서 보다 적은 양으로 빠른 시간에 정확하고 편리하게 시료를 분석하기 위한 미세 종합 분석 시스템(μ-TAS : micro-Total Analysis System)과 랩온어칩(lab-on-a-chip)의 형태로 발전하고 있다.
특히, 분석의 대상이 되는 대부분의 생화학적 시료는 용액 상태로 존재하기 때문에 액체 시료를 전달하는 기술이 무엇보다도 중요한 요소이며, 미세 유체 공학은 바로 이러한 미세 유체의 흐름을 조절하는 연구 분야로서, 미세 종합 분석시스템과 랩온어칩의 상용화에 기초가 되는 핵심기술을 연구 개발하는 분야이다.
이러한 미세 종합 분석 시스템은 다수의 실험 단계들과 반응을 거치는 화학 및 생물학 실험과 분석을, 하나의 실험대 위에 존재하는 하나의 유니트(unit)상에서 종합적으로 구현하는 시스템으로, 시료 채취 영역, 미세 유체 회로, 검출기 및 이들을 제어하는 제어기로 구성된다.
또한, 랩온어칩이란 '칩 속의 실험실' 또는 '칩 위의 실험실'을 의미하는데, 이는 보통 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 소재를 이용하여 나노 리터 이하의 미세 채널을 만들고, 이를 통해 수 나노 리터에 불과한 적은 양의 액체 시료를 이동시켜 기존의 실험이나 연구 과정을 신속하게 수행할 수 있도록 한 것이다.
이러한 랩온어칩은 미세 종합 분석 시스템의 개념과 기능을 작은 칩상에서 구현한 것으로, 대다수가 용액이 채워진 채널 양단에 전압을 걸어 용액의 흐름을 만드는 모세관 전기 삼투 현상을 이용한 모세관 전기 이동법(capillary electrophoresis)에 의한 전기화학적 분리 및 분석 방법에 기반을 두고 있다.
여기에서, 화합물의 전기화학적 검출 방법은 크게 전도법(conductimetry), 전위법(potentiometry) 및 전류법(amperometry)에 의한 것으로 분류할 수 있으며, 이중에서 전류법이 전기화학적 검출에서 주로 사용된다.
이러한 전류법은 특정 화합물의 시료가 채널 내부를 이동하여 작업전 극(working electrode)에 도달했을 때 발생하는 전류를 측정하여 시료를 검출하는 것으로, 엔드 채널(end-channel), 인 채널(in-channel), 오프 채널(off-channel) 방식 등이 있는데, 엔드 채널(end-channel) 방식은 작업전극과 기준전극 모두를 전위가 0에 가까운 채널의 배출구 근처에 위치시켜 검출을 수행하는 것이나, 채널 배출구에서는 전기장의 영향이 사라짐에 따라 용액의 확산이 일어나 밴드 시그널이 넓어지고 피크가 낮아지는 밴드 넓힘 현상이 생긴다. 또한, 전기장 하에서 작업전극과 기준전극의 전기적 위치 차이로 인해 전위 이동이 유발됨에 따라 시료의 검출감도가 저하된다.
이에 대해, 인 채널(in-channel) 방식에서는 밴드 넓힘 현상을 감소시키기 위해 작업전극을 채널 내부로 위치시켜 검출을 수행하였으나, 두 전극의 전기적 위치 차이에서 유발되는 전위 이동은 해소할 수 없었다.
따라서, 오프 채널(off-channel) 방식에서는 채널 내에 위치시킨 작업전극 앞에 디커플러(decoupler)를 위치시켜 분리전압을 제거함으로써 두 전극에서의 전위이동 발생을 해소하려고 시도하였다. 그러나, 이 방식은 다공성 또는 전도성의 고분자 물질이나 백금 또는 팔라듐과 같은 금속 재질인 디커플러의 제작이 복잡할 뿐만 아니라 분석 화합물을 누출시키는 문제점이 있으며, 디커플러와 작업전극 사이에 발생되는 전기적 자유장(electric-free field)에 의해 용액의 확산 현상이 일어나 불감 부피(dead volume)를 발생시키는 단점이 있다.
이에 따라, 인채널 검출 방식에서 2개의 유체 흐름 채널(이중 통로)과 마이크로 전극을 이용하여 전위 이동 현상을 제거하는 방법을 제안하였는데, 여기에서 사용되는 마이크로 전극은 채널 너비에 대응하는 크기를 갖고 있기 때문에 분리 효율의 증가와 최대 피크 세기에 도달하는 감응 시간 역시 전극 크기에 따라 제한되는 문제점이 있었고, 상대적인 표면 흡착에 의한 백그라운드(background) 전류도 전극 크기에 비례하여 발생하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 본 발명은 높은 신호 대 잡음비와 분리 효율을 획득할 수 있는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법과 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법을 제공하고자 한다.
일 관점에서 본 발명은, 실리콘 기판 상에 감광층을 형성한 후 이를 노광 및 현상하여 감광층 패턴을 형성하고, 상기 감광층 패턴의 상부에 제 1, 2 금속층을 순차적으로 형성한 후 상기 제 1, 2 금속층과 감광층 패턴을 상기 실리콘 기판으로부터 분리하여 상기 제 1, 2 금속층과 감광층 패턴으로 이루어진 나노밴드 전극을 형성하는 단계와, 상기 나노밴드 전극을 고정하는 적어도 둘 이상의 공간을 구비하는 부재를 이용하여 상기 나노밴드 전극의 일부가 외부로 노출되도록 상기 공간에 상기 나노밴드 전극을 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법을 제공한다.
다른 관점에서 본 발명은, 실리콘 기판 상에 감광층을 형성한 후 이를 노광 및 현상하여 주형을 형성하고, 상기 주형을 이용하여 음각의 패턴을 갖는 제 1 판을 형성하는 단계와, 감광층 패턴과 제 1, 2 금속층이 순차적으로 형성된 나노밴드 전극을 고정하는 적어도 둘 이상의 공간을 구비하는 제 2 판을 이용하여 상기 나노밴드 전극의 일부가 외부로 노출되도록 상기 공간에 상기 나노밴드 전극을 삽입하는 단계와, 상기 나노밴드 전극이 삽입된 제 2 판과 상기 제 1 판을 본딩하여 결합하는 단계를 포함하는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법을 제공한다.
또 다른 관점에서 본 발명은, 실리콘 기판 상에 감광층을 형성한 후 이를 노광 및 현상하여 주형을 형성하여 샘플 저장소, 블랭크 저장소, 제 1, 2 완충 용액 저장소, 분리 채널 및 블랭크 채널로 이루어진 제 1 판을 형성하는 단계와, 감광층 패턴과 제 1, 2 금속층이 순차적으로 형성된 나노밴드 전극으로 이루어진 작업 전극과 기준 전극을 고정하는 공간을 구비하는 제 2 판을 이용하여 상기 작업 전극과 기준 전극의 일부가 외부로 노출되도록 상기 공간에 상기 작업 전극과 기준 전극을 삽입하는 단계와, 상기 작업 전극의 기준 전극이 상기 블랭크 채널과 분리 채널에 연결되도록 상기 제 1 판과 제 2판을 본딩하는 단계를 포함하는 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법을 제공한다.
본 발명은, 나노밴드 전극을 포함하는 랩온어칩을 위한 모세관 전기영동 전기화학 검출 장치에서 고감도, 고분리 성능의 검출에 사용될 수 있으며, 랩온어칩의 위한 다양한 연구 분야, 예를 들면 복잡한 시료 구성의 미량 생리 활성 물질을 다루는 생명 과학 분야, 미량의 오염 물질의 신속한 현장 탐지가 필요한 환경 연구 분야 등에서 다양한 종류의 전기활성물질의 검출에 폭넓게 사용될 수 있는 이점을 제공한다.
결과적으로 본 발명은 기존의 마이크로 전극 전기화학 검출 장치에 비해 검출 감도가 훨씬 우수하므로 미량으로 존재하는 물질 검출 및 분석에 유용하게 이용될 수 있는 이점을 제공한다.
본 발명의 기술요지는, 인채널 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치에서 제 1 완충 용액 저장소와 제 2 완충 용액 저장소에 샘플 저장소와 블랭크 저장소보다 상대적으로 높은 전압을 인가하거나 차단시켜 샘플 시료와 제 1 완충 용액 및 기준 용액과 제 2 완충 용액을 각각 분리 채널과 블랭크 채널로 이송시키고, 작업 전극 및 기준 전극에서 각각 검출된 전기 화학적 신호에 대응하는 전류값을 비교하여 시료 분석을 수행한다는 것이며, 이러한 기술적 수단을 통해 종래 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 나노밴드 전극을 마이크로 칩에 삽입하여 샘플 시료를 분석하는데 적합한 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 평면도로서, 배출 용액 저장소(102), 샘플 저장소(104), 블랭크 저장소(106), 제 1 완충 용액 저장소(108), 제 2 완충 용액 저장소(110), 분리 채널(112), 블랭크 채 널(114), 작업 전극(116), 기준 전극(118) 및 접지(120)를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 샘플 시료를 주입하는 샘플 저장소(104)와, 기준 용액을 주입하는 블랭크 저장소(106)와, 제 1 완충 용액을 주입하는 제 1 완충 용액 저장소(108)와, 제 2 완충 용액을 주입하는 제 2 완충 용액 저장소(110)와, 샘플 시료 및 제 1 완충 용액의 이동 채널인 분리 채널(112)과, 기준 용액 및 제 2 완충 용액의 이동 채널인 블랭크 채널(114)과, 샘플 시료 및 제 1 완충 용액의 전류값을 측정하는 작업 전극(116)과, 기준 용액 및 제 2 완충 용액의 전류값을 측정하는 기준 전극(118)을 포함한다. 여기에서, 배출 용액 저장소(102)는 각 이동 통로에 잔류하는 용액을 배출하며, 분리 채널(112)과 블랭크 채널(114)은 긴 전기삼투압(EOF : electro-osmotic flow) 경로를 갖는 동일한 길이로 형성될 수 있으며, 분리 채널(112)의 경우 일자형, 이중 통로형, 다중 통로형 등으로 다양하게 형성될 수 있다.
여기에서, 샘플 시료를 분석하는 기법에 대해 설명하면, 분석하고자 하는 샘플 시료를 샘플 저장소(104)에 주입하고, 기준 용액을 블랭크 저장소(106)에 주입하며, 제 1 완충 용액을 제 1 완충 용액 저장소(108)에, 제 2 완충 용액을 제 2 완충 용액 저장소(110)에 각각 주입한 후, 제 1 완충 용액 저장소(108) 및 제 2 완충 용액 저장소(110)에 샘플 저장소(104) 및 블랭크 저장소(106)보다 상대적으로 높은 전압을 인가하면, 제 1 완충 용액 및 제 2 완충 용액은 각각 분리 채널(112) 및 블랭크 채널(114)로 이동하고, 제 1 완충 용액 저장소(108) 및 제 2 완충 용액 저장소(110)에 인가한 전압을 차단하면 샘플 시료 및 기준 용액이 각각 분리 채널(112) 및 블랭크 채널(114)로 이동한다.
이어서, 제 1 완충 용액 저장소(108) 및 제 2 완충 용액 저장소(110)에 샘플 저장소(104) 및 블랭크 저장소(106)보다 상대적으로 높은 전압을 다시 인가하면, 제 1 완충 용액 및 제 2 완충 용액은 각각 샘플 시료 및 기준용액과 함께 분리 채널(112) 및 블랭크 채널(114)을 통해 이동하여 작업 전극(116) 및 기준 전극(118)에 도달하고, 작업 전극(116) 및 기준 전극(118)에서 각각의 전류값(즉, 샘플 시료와 제 1 완충 용액 또는 기준 용액과 제 2 완충 용액이 혼합되어 산화 환원 반응을 하는 분자들에 의해 발생하는 전류값)을 측정하여 샘플 시료의 전기화학적 분석을 수행할 수 있다. 여기에서, 샘플 시료를 포함하거나 기준 용액을 포함하는 화합물의 전기화학적 신호의 검출은 나노밴드 전극으로 구성되는 작업 전극(116) 및 기준 전극(118)을 통해 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry), 암페로미터법(amperometry), 크로노쿨론법(chronocoulometry) 등의 방식으로 수행될 수 있다.
한편, 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치에서 작업 전극(116) 및 기준 전극(118)은 전극의 배열 위치에 따라 분리 채널(112)과 블랭크 채널(114)의 안쪽에 위치하는 인채널 방식, 분리 채널(112)과 블랭크 채널(114)의 끝 쪽에 위치하는 엔드채널 방식 등으로 구성될 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 마이크로 칩에 삽입되는 나노밴드 전극의 제조 과정에 대해 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 나노밴드 전극을 제조하는 과정을 도시한 공정 순서도이다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 나노밴드 전극은 SU-8 기판에 나노스케일의 금속을 증착시켜 제작하는데, 먼저, 실리콘 기판(200) 상에 대략 90 ㎛- 110 ㎛의 두께 범위 조건으로 SU-8 등을 이용하여 도 2a에 도시한 바와 같이 음성 감광층(negative photoregist, 202)을 스핀 코팅하여 형성한 후에, 80 ℃ - 100 ℃의 온도 범위 조건으로 대략 15 분 - 25 분의 시간 범위 조건으로 프리베이킹(pre-baking)한다.
그리고, 도 2b에 도시한 바와 같이 원하는 패턴의 포토마스크(204)를 음성 감광층(202) 상에 덮고, 자외선에 8초간 노출시켜 노광하며, 노광되지 않은 음성 감광층(202)을 PGMEA(Propylene Glycol Methyl Ether Acetate, 이하 'PGMEA'라 함) 등을 이용하여 제거한 후에, 도 2c에 도시한 바와 같이 양성 감광층 패턴(positive photoresist pattern, 202a)을 형성한다.
다음에, 양성 감광층 패턴(202a) 상에 도 2d에 도시한 바와 같이 8 ㎚ - 12 ㎚의 두께 범위 조건으로 크롬(Cr) 등을 이용하여 제 1 금속층(206)과 80 ㎚ - 120 ㎚의 두께 범위 조건으로 금(Au) 등을 이용하여 제 2 금속층(208)을 진공 열 금속 증착기로 형성한다. 여기에서, 도시하지는 않았지만 제 2 금속층(208) 상에 필요에 따라 SiO2 등을 이용하여 절연층을 증착할 수 있으며, 양성 감광층 패턴(202a)과 실리콘 기판(200)과의 강한 바인딩(binding)을 방지하기 위해 포스트베이킹(post-baking)은 생략한다. 여기에서, 제 1 금속층(206)과 제 2 금속층(208)은, 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소(C), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd) 등의 금속 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
이어서, 질소 등을 이용한 블로잉(blowing) 방식으로 드라이한 후, 양성 감광층 패턴(202a)과 양성 감광층 패턴(202a)에 코팅된 제 1 금속층(206) 및 제 2 금속층(208)을 실리콘 기판(200)에서 분리시켜 도 2e에 도시한 바와 같이 대략 1.8 ㎜ - 2.2 ㎜의 너비 범위를 갖으며, 90 ㎚ - 140 ㎚의 두께 범위를 갖는 나노밴드 전극을 제조한다.
다음에, 상술한 바와 같이 제조된 나노밴드 전극을 포함하는 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 플라스틱 상하판을 몰딩 기법으로 제조하는 과정에 대해 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 플라스틱 상하판을 제조하는 과정을 도시한 공정 순서도로서, 실리콘 기판 위에 음성 감광층(negative photoresist)을 코팅하고, 여기에 포토마스크를 덮은 다음 자외선에 노출시켜 노광시킨 후, 노광한 웨이퍼를 현상하여 원하는 패턴을 가진 양각 틀(주형)을 얻고, 이 틀에 플라스틱 재료(예를 들면, 폴리디메틸실록산(PDMS) Prepolymer)를 붓고 가교 결합시킨 뒤 떼어내어 원하는 음각의 패턴을 갖는 플라스틱 판을 얻음으로써 도 3a에 도시한 바와 같이 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판인 플라스틱 상판(304)을 제조한다.
다음에, 나노밴드 전극을 고정하는 인터페이스를 포함하는 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판인 플라스틱 하판(302)을 제작한 후, 플라스틱 상판(304)에 용기 삽입용 구멍을 뚫고, 테슬라코일(teslacoil) 등을 이용하여 형성한 코로나 방전(corona discharge)으로 표면을 처리한 후, 도 3a에 도시한 바와 같이 플라스틱 상판과 플라스틱 하판을 본딩(bonding)한다. 마지막으로, 도 3b에 도시한 바와 같이 나노밴드 전극을 가이드 구멍에 고정한 후 접착제로 작업 전극(116)에 대응하는 제 1 전극선(116a)과 기준 전극(118)에 대응하는 제 2 전극선(118a)을 연결하여 전기화학 분석용 랩온어칩(300)을 완성한다
이때, 플라스틱 재료로는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등이 사용될 수 있으며, 코팅 방법으로는 스핀 코팅, 딥 코팅 등 여러 가지 방법이 있으며, 스핀 코팅법이 보다 바람직하다. 또한, 플라스틱 재료 대신에 고무, 실리콘계 고무 등으로 대체하여 형성될 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같이 제조된 전기화학 분석용 랩온어칩인 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 나노밴드 전극을 이용하여 샘플 시료에 대한 전류량을 검출하여 샘플 시료를 분석하는 과정에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명에 따라 전기화학적 검출 기법으로 샘플 시료를 분석하는 과정을 나타낸 플로우차트이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따라 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치에 전압을 인가하는 것을 예시한 도면들이다.
도 4와 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치에서 분석하고자 하는 샘플 시료를 샘플 저장소(104)에 주입(혼입)하고, 기준 용액을 블랭크 저장소(106)에 주입한다(단계402).
그리고, 제 1 완충 용액을 제 1 완충 용액 저장소(108)에, 제 2 완충 용액을 제 2 완충 용액 저장소(110)에 각각 주입한다(단계404).
다음에, 제 1 완충 용액 저장소(108) 및 제 2 완충 용액 저장소(110)에 샘플 저장소(104) 및 블랭크 저장소(106)보다 상대적으로 높은 전압을 인가한다(단계406). 일 예로서, 도 5a에 도시한 바와 같이 샘플 저장소(104)에 0.7 KV, 블랭크 저장소(106)에 0.7 KV, 제 1 완충 용액 저장소(108)에 1.0 KV, 제 2 완충 용액 저장소(110)에 1.0 KV의 전압을 각각 인가하며, 배출 용액 저장소(102)에는 0.3 KV가 인가된다.
이에 따라, 제 1 완충 용액 및 제 2 완충 용액은 각각 분리 채널(112) 및 블랭크 채널(114)로 이동한다(단계408). 일 예로서, 도 5a에 도시한 화살표와 같이 제 1 완충 용액은 분리 채널(112)을 통해 제 2 완충 용액은 블랭크 채널(114)을 통해 이송된다.
한편, 제 1 완충 용액 저장소(108) 및 제 2 완충 용액 저장소(110)에 인가한 전압을 차단하면(단계410), 샘플 시료 및 기준 용액이 각각 분리 채널(112) 및 블랭크 채널(114)로 이동한다(단계412). 일 예로서, 도 5b에 도시한 바와 같이 샘플 저장소(104)에 0.7 KV, 블랭크 저장소(106)에 0.7 KV의 전압을 각각 인가하고, 제 1 완충 용액 저장소(108)와 제 2 완충 용액 저장소(110)에 인가된 전압을 각각 차단(floating)하며, 배출 용액 저장소(102)에는 0.3 KV가 인가됨으로써, 화살표와 같이 샘플 시료는 분리 채널(112)을 통해 기준 용액은 블랭크 채널(114)을 통해 이송된다.
이어서, 제 1 완충 용액 저장소(108) 및 제 2 완충 용액 저장소(110)에 샘플 저장소(104) 및 블랭크 저장소(106)보다 상대적으로 높은 전압을 다시 인가한다(단 계414). 일 예로서, 도 5c에 도시한 바와 같이 샘플 저장소(104)에 0.7 KV, 블랭크 저장소(106)에 0.7 KV, 제 1 완충 용액 저장소(108)에 1.0 KV, 제 2 완충 용액 저장소(110)에 1.0 KV의 전압을 각각 인가하며, 배출 용액 저장소(102)에는 0.3 KV가 인가된다.
이에 따라, 제 1 완충 용액 및 제 2 완충 용액은 각각 샘플 시료 및 기준용액과 함께 분리 채널(112) 및 블랭크 채널(114)을 통해 이동하며(단계416), 작업 전극(116) 및 기준 전극(118)에 도달하고, 작업 전극(116) 및 기준 전극(118)에서 각각 발생되는 전기화학적 신호(즉, 샘플 시료와 제 1 완충 용액 또는 기준 용액과 제 2 완충 용액이 혼합되어 산화 환원 반응을 하는 분자들에 의해 발생하는 전류값)를 측정 및 검출한다(단계418). 일 예로서, 도 5c에 도시한 화살표와 같이 샘플 시료와 제 1 완충 용액은 분리 채널(112)을 통해 기준 용액과 제 2 완충 용액은 블랭크 채널(114)을 통해 이송된다.
다음에, 측정 및 검출된 전기화학적 신호를 통해 작업 전극(116)의 전류값과 기준 전극(118)의 전류값을 비교하여 정량함으로써, 샘플 시료의 전기화학적 분석을 수행한다(단계420).
따라서, 제 1 완충 용액 저장소와 제 2 완충 용액 저장소에 샘플 저장소와 블랭크 저장소보다 상대적으로 높은 전압을 인가하거나 차단시켜 샘플 시료와 제 1 완충 용액 및 기준 용액과 제 2 완충 용액을 각각 분리 채널과 블랭크 채널로 이송시키고, 작업 전극 및 기준 전극에서 각각 검출된 전기 화학적 신호에 대응하는 전류값을 비교하여 시료 분석을 효과적으로 수행할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 분석 과정에 따라 본 발명에 대한 다양한 실시 예를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따라 나노밴드 전극을 이용한 아미노페놀 이성질체(isomer)의 전기화학적 검출에 대해 설명하면, 나노밴드 전극을 포함하는 이중 채널 마이크로칩(랩온어칩)을 인채널(in-channel) 방식의 모세관 전기영동 전기화학적 검출에 이용하였다.
또한, 제작된 나노밴드 전극의 성능을 시험하기 위해 초산 완충 용액(0.1 M buffer, pH4) 상에서 아미노페놀 이성질체의 분리실험에 적용하였으며, 분리 채널(112)은 샘플 분리를 위해, 블랭크 채널(114)은 기준 전류 측정을 위해 각각 사용되며, 플라스틱 기판에 위치시킨 두 전극(즉, 작업 전극(116) 및 기준 전극(118))은 채널의 출구의 대략 200 ㎛ 앞에 위치하고 있고, 시료 주입을 위하여 시간을 기초로 한 주입 방법인 게이트 인젝션(gated injection) 방식을 이용한다.
여기에서, 나노밴드 전극을 포함하는 랩온어칩(마이크로칩)과 같은 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 제 1 완충 용액 저장소(108)와 제 2 완충 용액 저장소(110)에 완충 용액으로 주입한 후, 제 1 완충 용액 저장소(108)와 제 2 완충 용액 저장소(110)에 1 KV의 전압을 인가하고, 샘플 저장소(104)와 배출 용액 저장소(102)에는 각각 0.7 KV와 0.3 KV의 전압을 인가하여 각 완충 용액 저장소(108, 110)보다 상대적으로 낮은 전압을 인가함으로써, 제 1 완충 용액과 제 2 완충 용액은 분리 채널(112)과 블랭크 채널(114)을 통해 이송 통화하게 된다.
그리고, 분리 채널(112)과 연결된 작업 전극(116)은 금 전극을 사용하고, 대 략 직경 1 mm 의 백금 선(wire)을 상대 전극(counter electrode)으로 사용하여 접지(120)시키며, 블랭크 채널(114)과 연결된 기준 전극(118)도 금 전극을 사용하였으며, 모든 전기화학 검출은 GAMRY Potentiostat (FAS2)을 사용하여 측정하고, 모세관 전기영동 전기장의 세기는 대략 250 V/cm로, 시료 주입시간은 1초로 하였으며, 아미노페놀 이성질체의 전기화학검출을 위하여 작업전극에 0.7 V의 양의 퍼텐셜을 걸어 주었다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 절연층이 있는 나노밴드 전극과 절연층이 없는 나노밴드 전극을 포함하는 랩온어칩에서의 아미노페놀 이성질체의 분리를 나타낸 그래프로서, 모세관 전기영동을 이용한 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치에서 SiO2 절연층이 있는 나노밴드 전극(점선)과 절연층을 포함하지 않는 나노밴드 전극(실선)에서의 500 μM 아미노페놀 이성질체의 분리를 나타내는데, 절연층을 포함하지 않는 나노밴드 전극(실선)에서는 시료가 밀봉되지 않은 측면의 전극 표면에서도 전극반응을 하여 절연층을 포함한 전극에서보다 대략 8배 큰 전류 신호를 발생하였고, 노이즈와 분리 효율에서는 비슷한 수준의 값을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명의 제 2 실시 예에 따라 마이크로 전극 및 나노밴드 전극에서의 아미노페놀 이성질체의 전기화학적 검출에 대해 설명하면, 나노밴드 전극의 특성을 조사하기 위하여 나노밴드 전극과 마이크로 전극에서 아미노페놀 이성질체를 분리하고 피크의 세기와 이론 단수, 분리 효율을 대조하였다.
여기에서, 실험 조건은 제 1 실시 예와 동일하게 진행하였는데, 도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따라 마이크로 전극 및 나노밴드 전극에서의 아미노페놀 이성질체의 분리를 나타낸 그래프로서, 각각 100 ㎛(실선), 50 ㎛(1점 실선), 100 ㎚(2점실선)에서의 아미노페놀 이성질체의 분리를 나타내고, 100 ㎚에서의 엔드채널(end channel) 검출을 점선으로 나타내는데, p-아미노페놀(p-aminophenol)의 이론 단수는 100 ㎛, 50 ㎛, 100 ㎚에서 각각 2600, 4100, 11600으로 나타났으며, 100 ㎛ 전극에 비하여 대략 3배정도 증가함을 알 수 있으며, 이로 인해 전극의 너비를 줄이면 이론 단수가 증가함을 알 수 있다.
또한, 전극 너비의 줄이면 나노밴드 전극의 인채널(in-channel) 검출에서 분리 효율의 증가를 가져오는 것을 알 수 있으나, 나노밴드 전극을 사용했음에도 불구하고 엔드채널(end-channel) 검출에서는 시료의 확산으로 인하여 띠 넓음 효과를 발생하며, 그 때문에 분리 효율과 이론 단수에서의 상대적으로 낮은 값을 갖는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 제 3 실시 예에 따라 나노밴드 전극에서의 아미노페놀 이성질체의 신호 대 잡음비(S/N ratio)와 전기화학적 검출 한계에 대해 설명하면, 나노밴드 전극의 또 다른 장점은 높은 신호 대 잡음비를 가지는 것인데, 500 μM의 아미노페놀 이성질체의 신호 대 잡음비를 비교해 보면 100 ㎛, 50 ㎛와 100 ㎚의 전극에서 각각 440, 650, 1400으로 나타나고, 비록 작은 전극 면적으로 인하여 신호의 세기는 줄지만 낮은 잡음으로 인하여 신호 대 잡음비는 증가하게 되며, 나노밴드 전극의 엄청난 장점이고 이로 인하여 나노 검출, 나노 센서 등의 나노 시스템에 많이 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따라 아미노페놀 이성질체 대한 검출 한계를 측정한 그래프로서, 5 nM의 아미노페놀 이성질체에 대한 신호 대 잡음비(S/N=3)의 검출을 나타내며, 이로부터 검출 한계를 계산해 보면 p-아미노페놀, o-아미노페놀(o-aminophenol), m-아미노페놀(m-aminophenol)에서 각각 2.09 nM, 1.36 nM, 0.99 nM 이었으며, 이는 기존의 마이크로 전극과 비교했을 때 감도가 각각 7, 7.8, 15.5 배 증가함으로써, 마이크로 전극보다 나노밴드 전극을 이용할 경우 신호 대 잡음비의 성능이 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 마이크로 전극의 단점을 보완하기 위한 하나의 방법으로 나노밴드 전극을 적용하여 더 좋은 감도와 분리효율을 얻을 수 있는데, 이러한 나노밴드 전극을 적용할 경우 전극의 확산층(diffuse layer)이 얇아지고 라디얼(radial) 확산에 의하여 물질 전달(mass transfer)이 잘 되는 동시에 높은 용액 저항에서 유도되는 낮은 전류 때문에 백그라운드 전류가 낮아지게 됨으로 높은 파라데이 전류 대 충전 전류(charging current)비를 얻을 수 있고, 나노밴드 전극의 사용으로 인해 아주 적은 양의 시료 소모와 분리 채널에서 고감도 검출 및 고분리 효율을 기대할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 나노밴드 전극을 마이크로 칩에 삽입하여 샘플 시료를 분석하는데 적합한 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 평면도,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 나노밴드 전극을 제조하는 과정을 도시한 공정 순서도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치의 플라스틱 상하판을 제조하는 과정을 도시한 공정 순서도,
도 4는 본 발명에 따라 전기화학적 검출 기법으로 샘플 시료를 분석하는 과정을 나타낸 플로우차트,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따라 모세관 전기영동 전기화학적 검출 장치에 전압을 인가하는 것을 예시한 도면들,
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 절연층이 있는 나노밴드 전극과 절연층이 없는 나노밴드 전극을 포함하는 랩온어칩에서의 아미노페놀 이성질체의 분리를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따라 마이크로 전극 및 나노밴드 전극에서의 아미노페놀 이성질체의 분리를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따라 아미노페놀 이성질체 대한 검출 한계를 측정한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
102 : 배출 용액 저장소 104 : 샘플 저장소
106 : 블랭크 저장소 108 : 제 1 완충 용액 저장소
110 : 제 2 완충 용액 저장소 112 : 분리 채널
114 : 블랭크 채널 116 : 작업 전극
118 : 기준 전극 120 : 접지

Claims (21)

  1. 실리콘 기판 상에 감광층을 형성한 후 이를 노광 및 현상하여 감광층 패턴을 형성하고, 상기 감광층 패턴의 상부에 제 1, 2 금속층을 순차적으로 형성한 후 상기 제 1, 2 금속층과 감광층 패턴을 상기 실리콘 기판으로부터 분리하여 상기 제 1, 2 금속층과 감광층 패턴으로 이루어진 나노밴드 전극을 형성하는 단계와,
    상기 나노밴드 전극을 고정하는 적어도 둘 이상의 공간을 구비하는 부재를 이용하여 상기 나노밴드 전극의 일부가 외부로 노출되도록 상기 공간에 상기 나노밴드 전극을 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속층과 제 2 금속층은, 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소(C), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나의 금속으로 형성되는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 나노밴드 전극의 제 2 금속층의 상부에는, 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 실리콘 기판 상에 감광층을 형성한 후 이를 노광 및 현상하여 주형을 형성하고, 상기 주형을 이용하여 음각의 패턴을 갖는 제 1 판을 형성하는 단계와,
    감광층 패턴과 제 1, 2 금속층이 순차적으로 형성된 나노밴드 전극을 고정하는 적어도 둘 이상의 공간을 구비하는 제 2 판을 이용하여 상기 나노밴드 전극의 일부가 외부로 노출되도록 상기 공간에 상기 나노밴드 전극을 삽입하는 단계와,
    상기 나노밴드 전극이 삽입된 제 2 판과 상기 제 1 판을 본딩하여 결합하는 단계를 포함하는
    나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 금속층과 제 2 금속층은, 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소(C), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법.
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 금속층의 상부에는, 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노밴드 전극용 랩온어칩 형성 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 실리콘 기판 상에 감광층을 형성한 후 이를 노광 및 현상하여 주형을 형성하여 샘플 저장소, 블랭크 저장소, 제 1, 2 완충 용액 저장소, 분리 채널 및 블랭크 채널로 이루어진 제 1 판을 형성하는 단계와,
    감광층 패턴과 제 1, 2 금속층이 순차적으로 형성된 나노밴드 전극으로 이루어진 작업 전극과 기준 전극을 고정하는 공간을 구비하는 제 2 판을 이용하여 상기 작업 전극과 기준 전극의 일부가 외부로 노출되도록 상기 공간에 상기 작업 전극과 기준 전극을 삽입하는 단계와,
    상기 작업 전극의 기준 전극이 상기 블랭크 채널과 분리 채널에 연결되도록 상기 제 1 판과 제 2판을 본딩하는 단계를 포함하는
    나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 금속층과 제 2 금속층은, 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소(C), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 금속층의 상부에는, 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노밴드 전극을 이용한 전기화학적 검출 장치 형성 방법.
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