KR101297226B1 - Device and method for ultrafast dna sequencing based on graphene nanoribbons - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DNA 등의 염기서열을 분석할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, DNA가 그래핀 나노리본 밑을 지나갈 때 그래핀 나노리본과 DNA 염기의 방향족 상호작용과 염기의 종류에 따른 전기 전도도의 특이성을 바탕으로, DNA의 염기서열을 빠르고 정확하게 분석할 수 있는 소자 및 방법에 관련된다.
본 발명의 그래핀 나노리본을 이용한 염기서열 분석 소자는, 나노홈이 형성된 기판과, 상기 기판 위에 놓인 그래핀 나노리본과, 상기 그래핀 나노리본의 양단에 각각 연결된 전류 인가용 전극과, 상기 기판 아래에 연결된 게이트 전압 인가용 전극을 포함한다. 상기 분석 소자를 이용하여 염기서열을 분석하는 방법은, 그래핀 나노리본의 양 전극 간에 바이어스 전압을 인가하고 게이트 전극에 교류 게이트 전압을 인가하는 단계와, 나노홈을 통해 그래핀 나노리본 밑을 통과하도록 분석될 DNA를 견인하는 단계와, 그래핀 나노리본을 흐르는 전류를 실시간으로 검출하는 단계와, 그래핀 나노리본의 전류와 게이트 전압의 관계를 시간에 대하여 분석하는 단계를 포함한다. 이에 의해 빠르면 수 시간 이내에 유전 정보를 정확하게 해독할 수 있다.
The present invention relates to a device and a method for analyzing a base sequence such as DNA, and more particularly, the aromatic interaction and type of base of graphene nanoribbon and DNA base when DNA passes under the graphene nanoribbon Based on the specificity of the electrical conductivity according to the present invention relates to a device and method that can quickly and accurately analyze the nucleotide sequence of DNA.
A sequencing device using the graphene nanoribbons of the present invention includes a substrate on which a nano groove is formed, a graphene nanoribbon placed on the substrate, a current application electrode connected to both ends of the graphene nanoribbon, and the substrate. And a gate voltage application electrode connected below. The method of analyzing the base sequence using the analysis device includes applying a bias voltage between both electrodes of the graphene nanoribbons and applying an alternating gate voltage to the gate electrode, and passing through the graphene nanoribbons through the nano grooves. Towing the DNA to be analyzed so as to detect the current flowing through the graphene nanoribbon in real time, and analyzing the relationship between the current and the gate voltage of the graphene nanoribbon over time. As a result, genetic information can be decoded as quickly as possible within hours.

Description

그래핀 나노리본을 이용한 초고속 염기서열 분석 소자 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR ULTRAFAST DNA SEQUENCING BASED ON GRAPHENE NANORIBBONS}Ultrafast sequence analysis device and method using graphene nanoribbons {DEVICE AND METHOD FOR ULTRAFAST DNA SEQUENCING BASED ON GRAPHENE NANORIBBONS}

본 발명은 DNA 등의 염기서열을 분석할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, DNA가 그래핀 나노리본 밑을 지나갈 때 그래핀 나노리본과 DNA 염기의 방향족 상호작용과 염기의 종류에 따른 전기 전도도의 특이성을 바탕으로, DNA의 염기서열을 빠르고 정확하게 분석할 수 있는 소자 및 방법에 관련된다.The present invention relates to a device and a method for analyzing a base sequence such as DNA, and more particularly, the aromatic interaction and type of base of graphene nanoribbon and DNA base when DNA passes under the graphene nanoribbon Based on the specificity of the electrical conductivity according to the present invention relates to a device and method that can quickly and accurately analyze the nucleotide sequence of DNA.

유전정보(genetic information)는 생물의 생명 유지 및 자기 복제를 위하여 필요한 모든 정보를 의미하고, 이것은 유전자의 본체인 DNA의 구조에 의해 결정된다. DNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 티민(T)의 4종의 염기로 구성되는데, 그 배열 순서에 유전정보가 들어있다. 따라서 유전정보의 해독은 DNA에 있는 염기서열(base sequence)을 분석하는 작업이다.Genetic information means all the information necessary for the maintenance of life and self-replication of a living organism, which is determined by the structure of DNA which is the body of the gene. DNA consists of four bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). The sequence information contains genetic information. Therefore, the interpretation of genetic information is the task of analyzing the base sequence in DNA.

인간의 유전자는 약 30억 쌍의 염기로 이루어져 있다. 이를 해독하기 위해서, 처음에는 약 13년의 시간과 약 30억 달러의 엄청난 자금이 투자되어, 2001년 인간 게놈 지도가 완성되었다. 2003년 인간게놈프로젝트(Human Genome Project)가 성공적으로 완료되면서, 이제는 보다 빠르고 간편하게 유전정보를 해독하는 방법이 요구되고 있다. 이러한 빠르고 값싼 유전정보 해독 방법은 개인용 의약품(personalized medicine) 등 미래 바이오 산업에 있어서 가장 필수적으로 요구된다. 미국 국립보건원(NIH)는 2004년 하루의 시간과 1,000달러의 돈으로 인간 게놈을 분석하는 방법을 목표로 삼는다고 발표하였다.Human genes consist of about three billion pairs of bases. To decode this, an initial investment of about 13 years and about $ 3 billion was invested, completing the human genome map in 2001. With the successful completion of the Human Genome Project in 2003, a faster and easier way to decipher genetic information is now required. Such fast and inexpensive genetic information decryption method is the most essential in the future bio industry such as personalized medicine (personalized medicine). The National Institutes of Health (NIH) announced in 2004 that it aims to analyze the human genome with time of day and $ 1,000.

초기 1세대 방법은 생어(Sanger)에 의해 만들어진 방법(Sanger's method)에 바탕을 두고 있다. 생어의 방법은 기본적으로 유전자를 작은 단위로 절단(fragmentation)하고, 화학적으로 증폭(amplification)시킨 후, 화학적 라벨링(chemical labeling) 작업을 거쳐, 각각의 잘라진 유전 단위를 전기영동(electrophoresis)을 통해 분석하는 방법이다. 이때, 절단-증폭-라벨링의 과정은 엄청난 시간과 비용을 요구하며, 전기영동방법 또한 상당한 시간을 필요로 한다. 따라서 이러한 작업이 필요 없는 새로운 방법이 필요하다.Early first-generation methods were based on Sanger's method. Sanger's method basically breaks down genes into small units, chemically amplifies them, then chemically labels them, and then analyzes each of the broken genetic units through electrophoresis. That's how. At this time, the process of cutting-amplifying-labeling requires enormous time and cost, and the electrophoresis method also requires considerable time. Therefore, a new method is needed that does not require this work.

현재 사용되고 있는 방법인 사이클릭 어레이(cyclic-array) 방법은 인간 게놈을 분석하는데 수 주가 걸리는 방법으로, 앞서의 생어의 방법을 약간 개선한 2세대 방법이다. 마이크로배열(microarray)을 이용하여 대규모 병렬화를 시도하여 그 분석 시간을 생어의 방법에 비해 획기적으로 줄일 수 있었다. 하지만, 이 방법 역시 절단-증폭-라벨링 방법이 필요하고, 여전히 그 과정에서 상당한 비용과 시간이 필요하다.The cyclic-array method, which is currently used, takes several weeks to analyze the human genome, and is a second generation method that slightly improves on the previous Sanger method. Attempts to massively parallelize using microarrays have significantly reduced the analysis time compared to Sanger's method. However, this method also requires a cut-amplify-labeling method and still requires considerable cost and time in the process.

나노기술의 비약적인 발달에 의해, 나노소자를 이용한 염기서열 분석이 새롭게 대두되었다. 나노구멍(nanopore)을 이용해서 이것을 통과하는 염기에 따른 전류를 분석하는 방법이 대표적이다. 하지만 이 방법은 나노구멍의 불균일성에 때문에 염기의 구조적인 움직임을 조절하지 못하여, 그 결과 측정된 전류의 심각한 요동이 발생한다. 이렇게 되면, 전류를 측정하더라도 각각의 염기를 분석할 수 없게 된다. 따라서 이 기술에 대하여 염기의 요동을 줄이는 방안이 요구된다.With the rapid development of nanotechnology, sequencing using nanodevices has emerged. A typical method is to use a nanopore to analyze the current along the base passing through it. However, this method fails to control the structural movement of the base due to the non-uniformity of the nanopores, resulting in severe fluctuations in the measured current. This makes it impossible to analyze each base even if the current is measured. Therefore, there is a need for a technique to reduce the fluctuation of the base.

2005년 미국의 Di Ventra 연구 그룹은 나노구멍 사이를 지나가는 염기를 모델링하고 염기를 통해 흐르는 전류를 이론적으로 계산하여 각각의 염기를 구별해낼 수 있는 가능성을 보여주었다. 나노구멍을 지날 때 염기의 구조적인 변화(회전)에 의한 전류의 범위를 계산하여 나노구멍을 통한 방법의 실현 가능성을 더욱 높였다. 하지만 2006년 실제 DNA가 나노구멍을 통해 흐르는 것을 전산 모사 방법을 통해서 모사하고 이때의 염기를 통해 흐르는 전류의 분포를 분석한 결과, 상당한 겹침(overlap)을 발견하였다. 이것은 염기의 나노구멍에서의 구조적 움직임의 결과 때문이다. 따라서 나노구멍 방법이 현실화되려면 이러한 구조적 움직임이 제한되어야 하는데 이는 아직까지 알려진 바 없다. 또한, 나노 수준에서 실험이 이루어지기 때문에 신호 대 잡음비(SNR)를 높일 수 있어야 정확한 분석이 이루어 질 수 있다.In 2005, Di Ventra's research group in the United States showed the possibility of distinguishing each base by modeling the base passing through the nanopores and theoretically calculating the current through the base. The range of currents due to the structural change (rotation) of the base as it passes through the nanopores is calculated to further increase the feasibility of the method through the nanopores. However, in 2006, a simulation of the actual DNA flowing through the nano-pores was performed using a computer simulation method, and the distribution of the current flowing through the base was analyzed, and a considerable overlap was found. This is due to the structural movement of the base's nanopores. Therefore, this structural movement must be limited for the nanohole method to become a reality. In addition, since the experiment is performed at the nano level, accurate analysis can be performed only if the signal-to-noise ratio (SNR) can be increased.

본 발명은 종래의 나노구멍을 이용한 기술보다 훨씬 더 정확도를 높일 수 있는, 그래핀 나노리본을 이용한 염기서열 분석 소자를 설계하는 것이다.The present invention is to design a sequencing device using a graphene nanoribbon, which can be much more accurate than the conventional technology using the nano-pores.

또한, 본 발명은 그래핀 나노리본을 이용한 획기적인 염기서열 분석 장치를 제공하고, 장치의 측정 결과를 분석하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.The present invention also provides a breakthrough sequencing device using graphene nanoribbons, and provides a new method for analyzing the measurement results of the device.

본 발명과 관련하여, 발명자들의 논문 S. K. Min et al., “Fast DNA sequencing with a graphene-based nanochannel device”, Nature Nanotechnology, Vol 6, (2011)은 여기에 모두 참조로서 통합된다.In the context of the present invention, the inventors' paper SK Min et al., “Fast DNA sequencing with a graphene-based nanochannel device”, Nature Nanotechnology , Vol 6, (2011) are all incorporated herein by reference.

본 발명은 그래핀 나노리본을 이용한 염기서열 분석 소자를 제공한다. 상기 소자는 나노홈이 형성된 기판과, 상기 기판 위에 위치한 그래핀 나노리본과, 상기 그래핀 나노리본의 양단에 각각 연결된 전류 인가용 전극과, 상기 기판 아래에 연결된 게이트 전압 인가용 전극을 포함한다.The present invention provides a sequencing device using graphene nanoribbons. The device includes a substrate on which nano grooves are formed, a graphene nanoribbon positioned on the substrate, a current application electrode connected to both ends of the graphene nanoribbon, and a gate voltage application electrode connected to the bottom of the substrate.

상기 그래핀 나노리본은 탄소로 이루어진 단층의 2차원 구조를 갖는다. 그래핀 나노리본은 방향에 따라 도체, 반도체, 부도체 등으로 전기적 성질이 변한다. 반도체 성질은 의자모양 방향으로 형성된 그래핀 나노리본은 반도체 성질을 나타내고, 반도체 성질의 그래핀 나노리본에서 전도도 감소가 가장 뚜렷하다. 본 발명의 분석 소자는 특정 게이트 전압에서의 전도도 감소를 측정할 수 있도록 설계되고, 따라서 상기 그래핀 나노리본은 의자모양 방향으로 형성된 것이 바람직하다.The graphene nanoribbons have a two-dimensional structure of a single layer made of carbon. Graphene nanoribbons change their electrical properties to conductors, semiconductors, and non-conductors. The semiconducting properties of the graphene nanoribbons formed in the chair-like direction represent semiconducting properties, and the decrease in conductivity is most pronounced in the semiconducting graphene nanoribbons. The analysis device of the present invention is designed to measure the decrease in conductivity at a specific gate voltage, and therefore, the graphene nanoribbons are preferably formed in a chair shape direction.

상기 그래핀 나노리본은 10nm 이하의 너비를 갖는 것이 바람직하다. 너비가 넓을수록 더 많은 수의 염기가 그래핀 나노리본에 동시에 붙기 때문에, 각 염기의 신호를 분리해 내기가 어려워진다. 따라서 그래핀 나노리본의 너비는 하나의 염기만 붙을 수 있는 1nm 근처가 이상적이다.The graphene nanoribbons preferably have a width of 10 nm or less. The wider the width, the greater the number of bases attached to the graphene nanoribbons, making it difficult to separate the signal from each base. Therefore, the graphene nanoribbons should be ideally around 1nm wide, with only one base attached.

상기 그래핀 나노리본은 상기 나노홈을 가로질러 즉, 나노홈과 직교하는 방향으로 위치하는 것이 바람직하다. 상기 그래핀 나노리본은 전극을 통해 양단이 기판에 고정되는 것이 바람직하다.The graphene nanoribbons are preferably located across the nanogrooves, that is, orthogonal to the nanogrooves. It is preferable that both ends of the graphene nanoribbons are fixed to the substrate through an electrode.

상기 나노홈은 분석될 DNA가 지나가는 통로 역할을 하는 것으로서, 직선으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 나노홈의 너비는 단일 나선 DNA가 타이트하게 통과할 수 있는 정도가 바람직하고, 1nm 정도가 이상적이다. 너비가 지나치게 넓으면 염기가 그래핀 나노리본 아래에서 쌓인 구조를 이루지 않고 지나가거나 DNA 가닥이 뭉친 상태로 지나갈 수 있다.The nano grooves serve as a passage through which DNA to be analyzed passes, and are preferably formed in a straight line. The width of the nano grooves is preferably such that a single helix DNA can pass tightly, ideally about 1 nm. If the width is too wide, the base can pass through the graphene nanoribbon without forming a stacked structure, or with DNA strands.

상기 염기서열 분석 소자를 이용하여, 본 발명은 DNA의 염기서열을 분석하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 그래핀 나노리본의 양 전극(소스 및 드레인 전극들) 간에 바이어스 전압을 인가하고 게이트 전극에 교류 게이트 전압을 인가하는 단계와, 나노홈을 통해 그래핀 나노리본 밑을 통과하도록 분석될 DNA를 견인하는 단계와, 그래핀 나노리본을 흐르는 전류를 실시간으로 검출하는 단계와, 그래핀 나노리본의 전류와 게이트 전압의 관계를 시간에 대하여 분석하는 단계를 포함한다.Using the sequencing device, the present invention provides a method for analyzing the nucleotide sequence of DNA. The method includes applying a bias voltage between both electrodes (source and drain electrodes) of the graphene nanoribbons and applying an alternating gate voltage to the gate electrode, and the DNA to be analyzed to pass under the graphene nanoribbons through the nanogrooves. Towing, detecting in real time the current flowing through the graphene nanoribbons, and analyzing the relationship between the current and the gate voltage of the graphene nanoribbons over time.

상기 분석 소자에서 DNA 염기는 그래핀 나노리본 아래를 지나갈 때 그래핀 나노리본과의 강한 방향족 상호작용으로 인해 쌓인(stacked) 구조를 형성한다. 따라서 종래의 나노구멍 이용 시 발생하는 염기의 요동을 최소화할 수 있다. 또한, 그래핀 나노리본을 통과하는 염기에 따라 일정한 분포의 그래핀 나노리본 전류를 측정할 수 있다. 특정 범위의 게이트 전압에 의존하는 그래핀 나노리본 전류를 측정한 후, 본 발명에서 개발한 새로운 데이터 처리 방법을 통해 측정된 전류를 분석함으로써, 빠르면 수 시간 이내로 유전 정보를 확실하게 해독할 수 있다.In the assay device, the DNA base forms a stacked structure due to strong aromatic interaction with the graphene nanoribbons as it passes under the graphene nanoribbons. Therefore, it is possible to minimize the fluctuation of the base generated when using the conventional nanopores. In addition, the graphene nanoribbon current of a constant distribution can be measured according to the base passing through the graphene nanoribbon. After measuring the graphene nanoribbon current depending on a specific range of gate voltages, the new data processing method developed in the present invention can analyze the measured current to reliably decode the genetic information within a few hours.

상기 교류 게이트 전압은 그 변화 주기가 빠를수록 좋다. 그래야만 한 측정에서 구조가 적게 변하며, 통계적으로 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있다. 상기 게이트 전압은 MHz 이상 수준의 속도로 인가되는 것이 바람직하고, 그 범위는 약 -2V 내지 약 2V 사이가 바람직하다.The faster the change cycle is, the better the AC gate voltage is. That way, less structure changes in one measurement and statistically more accurate data can be obtained. The gate voltage is preferably applied at a speed of at least MHz, and the range is preferably between about -2V and about 2V.

분석될 DNA가 그래핀 나노리본 밑을 통과하도록 DNA를 견인하는 것은 외부 전기장에 의해 수행될 수 있다. DNA는 음전하를 띠므로 전기장 방향의 반대 방향으로 DNA가 이동할 것이다. 전기장 외에도 예컨대 DNA 수용액의 흐름을 제어하여 DNA가 나노리본 아래를 통과하도록 할 수 있다.Towing DNA so that the DNA to be analyzed passes under the graphene nanoribbons can be performed by an external electric field. Since the DNA is negatively charged, the DNA will move in the opposite direction of the electric field. In addition to the electric field, for example, the flow of the DNA aqueous solution can be controlled to allow DNA to pass under the nanoribbons.

본 발명의 일 측면에 있어서, 염기서열을 분석 소자를 이용한 염기서열 분석 방법이 제공된다. 상기 분석 소자는 나노채널이 형성된 기판 위에 상기 나노채널을 가로지르는 방향으로 놓인 그래핀 나노리본을 포함하고, 상기 기판의 아래에는 게이트 전극이 제공되고, 상기 그래핀 나노리본의 양단에는 소스 전극 및 드레인 전극이 각각 제공된다. 상기 방법은, 상기 소스 및 드레인 전극들 간에 바이어스 전류를 인가하고 상기 게이트 전극에 게이트 전압을 인가하는 단계와, 단일 나선 DNA를 상기 나노채널을 통해 상기 그래핀 나노리본 밑으로 통과시키는 단계와, 상기 DNA의 염기와 상기 그래핀 나노리본의 상호작용 시 나타나는 상기 그래핀 나노리본의 전류 변화를 실시간으로 검출하는 단계와, 상기 게이트 전압과 상기 그래핀 나노리본 전류를 시간에 따라 분석하는 단계를 포함한다.In one aspect of the invention, there is provided a method for sequencing a base sequence using an analysis element. The analysis device includes a graphene nanoribbon disposed in a direction crossing the nanochannel on a substrate on which a nanochannel is formed, a gate electrode is provided below the substrate, and a source electrode and a drain are provided at both ends of the graphene nanoribbon. Each electrode is provided. The method includes applying a bias current between the source and drain electrodes and applying a gate voltage to the gate electrode, passing a single helix DNA through the nanochannel under the graphene nanoribbon, and Detecting a change in current of the graphene nanoribbon that occurs when the base of the DNA interacts with the graphene nanoribbon in real time; and analyzing the gate voltage and the graphene nanoribbon current over time. .

상기 검출된 전류는 실시간 히스토그램 분석을 통해 시간에 따른 에너지의 2차원적 분포로 변환된다. 이 변환 결과로부터 특정 에너지에서의 염기 신호를 추출하고, 추출된 신호로부터 단일 염기의 정보를 얻을 수 있다. 각 염기 신호가 시작되고 끝나는 시점은 2차원 자기상관 함수를 통해 판단될 수 있다.The detected current is converted into a two-dimensional distribution of energy over time through real-time histogram analysis. From this conversion result, a base signal at a specific energy can be extracted, and information of a single base can be obtained from the extracted signal. The time point at which each base signal starts and ends can be determined through a two-dimensional autocorrelation function.

본 발명은 일측면에 있어서, DNA의 염기서열을 분석하는 방법에 있어서 그래핀 나노리본 아래로 DNA의 통과 시 그래핀 나노리본의 전류 변화를 측정하여 DNA의 염기서열을 분석하는 것을 특징으로 한다.In one aspect, the present invention is characterized by analyzing the DNA sequence by measuring the current change of the graphene nanoribbon when passing the DNA down the graphene nanoribbon in the method for analyzing the base sequence of the DNA.

본 발명에 따른 염기서열 분석 소자 및 상기 분석 소자에 DNA를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 염기서열 분석 장치가 구성될 수 있다.A sequencing device comprising a sequencing device according to the invention and a means for passing DNA through the analysis device can be constructed.

본 발명에 따른 소자와 방법에 의해서 빠르면 수 시간 이내에 유전 정보를 정확하게 해독할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 기술은 기존의 방식과는 달리 절단-증폭-라벨링 과정이 없으므로 대규모 장비가 필요하지 않기 때문에 저비용으로 유전정보 해독이 가능하다. 따라서 본 발명은 개인용 의약품, 유전자 치료, 암 치료 등 미래 바이오 분야에 있어서 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.The device and method of the present invention can quickly decode genetic information as quickly as possible within a few hours. In addition, the technique according to the present invention, unlike the conventional method, there is no cutting-amplification-labeling process, so it is possible to decode genetic information at low cost since no large-scale equipment is required. Therefore, the present invention can be applied to a wide variety of fields in the future bio fields, such as personal medicine, gene therapy, cancer therapy.

도 1a은 본 발명에 따른 유전정보 해독 소자의 예시도이다.
도 1b는 분자 동역학 컴퓨터 전산 모사에서 나타나는, DNA 염기와 그래핀 나노리본 사이 방향족 상호작용을 통한 쌓인 구조를 보여준다.
도 2a는 4개의 서로 다른 염기가 각각 붙었을 때 나타나는 그래핀 나노리본의 투과도 함수와, 비교를 위한 그래핀 나노리본의 투과도 함수를 나타내는 그래프이다.
도 2b 는 파노 공명이 일어나지 않을 때의 분자 오비탈 그림을 나타내고, 도 2c는 파노 공명이 일어날 때의 분자 오비탈 그림을 나타낸다.
도 3은 투과도 데이터로부터 본 발명에서 사용한 실시간 히스토그램 처리 효과 예시하는 도면이다.
도 4a 내지 4e는 각각 5'-GCATCGCT-3' 유전자로부터 얻어진 실시간 히스토그램, 추출된 신호, 단일 염기 확률, 2차원 자기상관 함수 및 염기서열 완성도를 나타낸다.
1A is an exemplary diagram of a genetic information decoding device according to the present invention.
FIG. 1B shows the stacked structure through aromatic interaction between DNA base and graphene nanoribbon, as seen in molecular dynamics computer simulations.
Figure 2a is a graph showing the permeability function of the graphene nanoribbons shown when each of the four different bases attached, and the graphene nanoribbons for comparison.
FIG. 2B shows a molecular orbital picture when no pano resonance occurs, and FIG. 2C shows a molecular orbital picture when a pano resonance occurs.
3 is a diagram illustrating the effect of real-time histogram processing used in the present invention from the transmittance data.
4A to 4E show real-time histograms obtained from 5'-GCATCGCT-3 'genes, extracted signals, single base probabilities, two-dimensional autocorrelation functions, and sequence completion, respectively.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intentions or customs of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

본 발명의 실시예에 따른 유전정보 해독 소자는 도 1에 도시된 바와 같이 구성된다. 상기 해독 소자는 나노채널 위에 그래핀 나노리본(GNR)이 올려져 있고, 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)의 세 개의 전극이 제공된 형태이다.The genetic information decoding element according to the embodiment of the present invention is configured as shown in FIG. The readout device has a graphene nanoribbon (GNR) mounted on the nanochannel, and provided with three electrodes of a source (S), a gate (G), and a drain (D).

DNA가 지나가는 통로인 상기 나노채널은 바람직하게는 질화 실리콘으로 이루어진 기판에 형성된다. DNA 염기와 강하게 상호작용하지만 않는다면, 질화 실리콘 외에 다른 소재의 기판도 무방하다.The nanochannel, which is the passage through which DNA passes, is preferably formed on a substrate made of silicon nitride. As long as it does not interact strongly with the DNA base, substrates of other materials besides silicon nitride may be used.

상기 그래핀 나노리본은 탄소로 이루어진 단일원자 두께의 시트로 된 좁고 긴 가장자리를 가진 띠로서, 본 발명에 따라서 수 나노미터 폭의 그래핀 나노리본이, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 나노채널을 가로지르는 방향으로 질화 실리콘 기판 위에 위치된다. 기판의 상기 나노채널 아래에는 게이트 전압을 인가시키기 위한 게이트 전극(EG)이 제공된다. 상기 나노리본의 양단에는 나노리본에 전류를 인가시키기 위한 전극 즉, 소스 전극(ES) 및 드레인 전극(ED)이 각각 제공된다.The graphene nanoribbon is a strip having a narrow, long edge of a single atom-thick sheet made of carbon, and according to the present invention, a graphene nanoribbon of several nanometers width, as shown in FIG. It is located on the silicon nitride substrate in the direction across the. Below the nanochannel of the substrate is provided a gate electrode E G for applying a gate voltage. Opposite ends of the nanoribbons are provided with electrodes for applying a current to the nanoribbons, that is, a source electrode E S and a drain electrode E D , respectively.

상기 유전정보 해독 소자는 그래핀 나노리본을 통해 흐르는 전류를 분석하기 위한 전자 소자이다. 상기 유전정보 해독 소자의 기본적인 작동 원리는 다음과 같다.The dielectric information decoding device is an electronic device for analyzing a current flowing through the graphene nanoribbons. The basic operating principle of the genetic information decoding device is as follows.

바람직하게는 물인 용매에 용해된 단일 나선 DNA가 외부의 전기장에 의해 그래핀 나노리본으로 끌려오면서 각각의 DNA 염기가 그래핀 나노리본과의 방향족 상호작용을 통해 안정한 쌓인 구조를 형성한다. 이때, 그래핀 나노리본의 양쪽의 전극(ES 및 ED)에는 바이어스 전압이 걸려져 있고, 질화 실리콘 기판 아래의 게이트 전극(EG)에 교류 게이트 전압(VG)을 인가하여, 그래핀 나노리본을 통해서 흐르는 전류(IGNR)를 실시간으로 측정한다. DNA 염기서열은 실시간으로 측정되는 IGNR-VG-time의 3차원 그래프를 바탕으로 분석된다.Preferably, single helical DNA dissolved in a solvent, which is water, is attracted to the graphene nanoribbons by an external electric field, and each DNA base forms a stable stacked structure through aromatic interaction with the graphene nanoribbons. At this time, a bias voltage is applied to the electrodes E S and E D of both graphene nanoribbons, and an AC gate voltage V G is applied to the gate electrode E G under the silicon nitride substrate, thereby providing graphene. The current flowing through the nanoribbon (I GNR ) is measured in real time. DNA sequences are analyzed based on three-dimensional graphs of I GNR -V G -time measured in real time.

위 작동 원리의 타당성을 위해, DNA 염기의 구조가 그래핀 나노리본 아래에서 어떻게 안정한 쌓인 구조로 형성되는지, 서로 다른 DNA 염기가 그래핀 나노리본에 붙었을 때 전기 전도도가 어떻게 달라지는지, 어떻게 측정된 IGNR-VG-time 신호를 분석하여 유전 정보를 해독할 수 있는지가 이하에서 설명된다.For the validity of the above principle of operation, how the structure of the DNA base forms a stable stacked structure under the graphene nanoribbons, how the electrical conductivity changes when different DNA bases are attached to the graphene nanoribbons, It is described below whether genetic information can be decoded by analyzing the I GNR -V G -time signal.

본 발명에서는 DNA 염기와 그래핀 나노리본 사이의 강한 방향족 상호작용을 이용하여 나노 수준에서도 안정한 분자구조를 형성하도록 한다. 이것은 기존의 나노구멍을 이용한 방법의 한계를 극복한다.In the present invention, a strong aromatic interaction between the DNA base and the graphene nanoribbons is used to form a stable molecular structure at the nano level. This overcomes the limitations of conventional methods using nanopores.

DNA 염기는 크게 아데닌(A), 구아닌(G)의 퓨린(purine) 계열과 시토신(C), 티민(T)의 피리미딘(primidine) 계열로 나뉜다. 퓨린과 피리미딘은 모두 방향족 성질을 가지고 있어서, 이것들은 비편재화되어 있는 π 오비탈을 가진 그래핀 나노리본과 π-π 상호작용에 의한 큰 결합에너지(~20 kcal/mol)를 보이며, 그래핀 나노리본과 안정한 구조를 형성한다. 이러한 π-π 상호작용은 물 분자와 그래핀 나노리본 간의 π-H 상호작용보다 훨씬 강한 결합을 제공하기 때문에, 수용액에서도 DNA 염기는 용매 효과에 의해 실질적으로 영향을 받지 않아 그래핀 나노리본과 안정한 구조를 형성할 수 있다. 이러한 사실은 도 1a에서 보여주는 DNA 유전정보 해독 소자의 도식을 바탕으로 CHARMM 파라미터와 NAMD 프로그램 패키지를 이용한, 도 1b의 분자 동역학 전산 모사 실험 결과를 통해 확인할 수 있다.DNA bases are largely divided into purine series of adenine (A) and guanine (G), and pyrimidine series of cytosine (C) and thymine (T). Both purines and pyrimidines have aromatic properties, which show large binding energies (~ 20 kcal / mol) due to π-π interaction with graphene nanoribbons with delocalized π orbitals. Form a stable structure with the ribbon. Since these π-π interactions provide much stronger bonds than the π-H interactions between water molecules and graphene nanoribbons, DNA bases in aqueous solutions are substantially unaffected by the solvent effect, making them stable with graphene nanoribbons. The structure can be formed. This fact can be confirmed through the results of the molecular dynamics simulation experiment of FIG. 1B using the CHARMM parameter and the NAMD program package based on the schematic diagram of the DNA genetic information decoding device shown in FIG. 1A.

단일 나선 DNA에 전기장을 구현하기 위한 예컨대 35 kcal/mol/옹스트롬의 일정한 힘으로 잡아당기면, DNA가 그래핀 나노리본 쪽으로 움직이고 DNA 염기가 그래핀 나노리본 밑을 통과하면서, 도 1b에 도시된 바와 같이, π-π 상호작용을 통해 안정한 쌓인 구조를 형성한다. 이로부터 상온인 약 300K에서도 수용액 내의 DNA 염기와 그래핀 나노리본 사이의 안정한 쌓인 구조를 형성함을 알 수 있다.Pulling with a constant force of, for example, 35 kcal / mol / angstroms to create an electric field in a single helix DNA, the DNA moves towards the graphene nanoribbon and the DNA base passes underneath the graphene nanoribbon, as shown in FIG. 1B. In addition, π-π interactions form stable stacked structures. From this, it can be seen that even at about 300K at room temperature, it forms a stable stacked structure between the DNA base in the aqueous solution and the graphene nanoribbons.

본 발명은 서로 다른 DNA 염기가 그래핀 나노리본과 상호작용을 했을 때 나타나는 IGNR-VG 그래프의 차이를 이용한다. 그래핀 나노리본을 통해 흐르는 전류(IGNR)는 하기 식 (1)과 같이 비평형 그린 함수(non-equilibrium Green's function)를 바탕으로 한 투과도 함수인 T(E)를 통해 알 수 있다.The present invention takes advantage of the difference in the I GNR -V G graph that appears when different DNA bases interact with graphene nanoribbons. The current (I GNR ) flowing through the graphene nanoribbons can be known through T (E), a transmittance function based on a non-equilibrium Green's function, as shown in Equation (1).

Figure 112011043971426-pat00001
(1)
Figure 112011043971426-pat00001
(One)

식 (1)에서 Σ는 자기 에너지(self-energy)이며 전극에 의한 효과를 표현하고, L과 R을 각각 왼쪽 전극과 오른쪽 전극을 의미한다. 작은 바이어스 전압을 걸었을 경우, Landauer-Buttiker 식을 이용하여 얻어질 수 있는 전류(IGNR)의 크기는 투과도에 비례하고, 게이트 전압(VG)은 에너지E-EF에 해당한다 (여기서 EF는 페르미 에너지). 본 발명은, 도 2a에서 알 수 있듯이, DNA 염기의 종류에 따라 투과도에서의 공명 에너지 준위가 달라짐을 이용한다. 이러한 투과도의 변화는 DNA 염기와 그래핀 나노리본이 상호작용을 하면서 생기는 파노 공명(Fano resonance)에 기인한다. 이것은 그래핀 나노리본을 통해 흐르는 전자의 파동함수가 DNA 염기를 통과하는 전자의 파동함수와 상쇄간섭을 일으켜서 DNA 염기의 분자 오비탈 에너지 준위에서 전자의 투과도가 급격히 떨어지는 것으로 알 수 있다. 도 2b와 도 2c는 시토신 염기가 그래핀 나노리본과 상호작용을 할 때, 파노 공명이 일어나지 않는 에너지 준위(E-EF=-0.9 eV)와 파노 공명이 일어나는 에너지 준위(E-EF=-1.4 eV)에서의 분자 오비탈을 각각 보여준다. 파노 공명이 일어날 때는 전자구름이 DNA 염기에 속박되어 있어서 전자가 그래핀 나노리본을 통해 흘러가지 않는다.In Equation (1), Σ is self-energy and expresses the effect of the electrode, and L and R represent the left electrode and the right electrode, respectively. When a small bias voltage is applied, the magnitude of the current (I GNR ) that can be obtained using the Landauer-Buttiker equation is proportional to the transmittance, and the gate voltage (V G ) corresponds to the energy EE F (where E F is Fermi Energy). As can be seen from Figure 2a, the present invention utilizes the resonance energy level in the transmittance depends on the type of DNA base. This change in permeability is due to the Fano resonance caused by the interaction between the DNA base and the graphene nanoribbons. This can be seen that the wave function of electrons flowing through the graphene nanoribbons cause a destructive interference with the wave function of electrons passing through the DNA base, and the permeability of electrons is rapidly dropped at the molecular orbital energy level of the DNA base. 2B and 2C show energy levels at which phono resonance does not occur (EE F = -0.9 eV) and energy levels at which phono resonance occurs (EE F = -1.4 eV) when cytosine bases interact with graphene nanoribbons. Shows molecular orbitals at. When pano resonance occurs, the electron cloud is bound to the DNA base so that electrons do not flow through the graphene nanoribbons.

앞서의 분자 동역학 전산 모사와 투과도 함수 계산을 바탕으로, 실제 소자가 어떻게 DNA 염기서열을 해독하는지 설명한다. 분자 동역학 전산 모사를 통해 실시간으로 DNA와 그래핀 나노리본의 구조가 결정된다. 결정된 구조를 바탕으로 각각의 시간에 대해서 투과도 함수가 계산된다. 투과도 함수로부터 얻어진 데이터를 본 발명자들이 새롭게 개발한 데이터 처리 방법을 통해 처리하면 DNA 염기서열을 분석할 수 있다. 데이터 처리에 대한 보다 자세한 설명은 다음과 같다.Based on the previous molecular dynamics simulations and permeability calculations, we describe how real devices decode DNA sequences. Molecular dynamics simulations determine the structure of DNA and graphene nanoribbons in real time. Based on the determined structure, the transmittance function is calculated for each time. By processing the data obtained from the permeability function through the data processing method newly developed by the present inventors, DNA sequencing can be analyzed. A more detailed description of data processing follows.

불연속적인 게이트 전압 인가로 인한 측정 방법의 불연속성으로 인하여 투과도 함수는 산재되어 있는 값들만 보여준다. 따라서 투과도 함수만으로는 쉽게 DNA 염기의 종류를 쉽게 판단할 수 없다. 따라서 본 발명에서는 실시간 히스토그램이라는 새로운 통계적인 방법을 사용한다. 그 방법은 하기 식 (2)와 같다.Due to the discontinuity of the measurement method due to the discontinuous gate voltage application, the transmittance function shows only scattered values. Therefore, the permeability function alone cannot easily determine the type of DNA base. Therefore, the present invention uses a new statistical method called real-time histogram. The method is as following formula (2).

Figure 112011043971426-pat00002
(2)
Figure 112011043971426-pat00002
(2)

여기서 D(E,t)는 시간 t에서의 피크 위치의 히스토그램이다. 식 (2) 에서 알 수 있듯이, 이전의 특정 시간 구간(Δ)의 데이터를 바탕으로 현 시간에서의 히스토그램을 만든다. 이 방법을 사용하면 산재된 데이터가 일정한 분포를 가지게 되며, 이 분포는 DNA 염기의 종류에 따라서 달라진다. 도 3에서는 산재된 투과도 데이터가 실시간 히스토그램 분석을 통해서 2차원적 분포를 형성하는 것을 보여준다.Where D (E, t) is the histogram of the peak position at time t. As can be seen from Equation (2), the histogram at the current time is created based on the data of the previous specific time interval (Δ). Using this method, the scattered data has a constant distribution, which depends on the type of DNA base. 3 shows that the scattered transmittance data forms a two-dimensional distribution through real-time histogram analysis.

도 4a는 5'-GCATCGCT-3' DNA가 도 1과 같이 설계된 염기서열 해독 소자를 지나갈 때, 투과도 피크 위치의 본 발명에 따라 얻어진 실시간 히스토그램을 보여준다. 각각의 염기에 따라서 특정 에너지를 중심으로 히스토그램의 분포가 나타난다. 여기서 적색은 최대값을 나타내고 청색은 최소값을 나타낸다. 본 발명으로부터 E-EF=1.7 eV에서는 시토신(C)의 분포가 나타나며, E-EF=-0.7 eV에서는 구아닌(G), -1.2 eV에서는 아데닌(A)과 시토신(C), 그리고 -1.5 eV에서는 구아닌(G)과 티민(T)이 동시에 나타나는 것을 알 수 있다. 각각의 에너지에서의 염기 신호(SBASE)를 추출하면 도 4b와 같다.Figure 4a shows a real-time histogram obtained according to the invention of the permeation peak position when 5'-GCATCGCT-3 'DNA passes through the sequencing device designed as in Figure 1. For each base, the histogram is distributed around a specific energy. Where red represents the maximum value and blue represents the minimum value. From the present invention, the distribution of cytosine (C) is shown at EE F = 1.7 eV, guanine (G) at EE F = -0.7 eV, adenine (A) and cytosine (C) at -1.2 eV, and guanine at -1.5 eV. It can be seen that (G) and thymine (T) appear simultaneously. Extracting the base signal (S BASE ) at each energy is as shown in Figure 4b.

전술한 신호로부터 투영(projection)/제거(subtraction) 방법을 이용해서 4종류의 염기를 명확히 분리할 수 있다. 각 염기에 대해 디자인된 확률 함수인 하기 식 (3)에서는 어떻게 단일 염기의 정보를 추출해 내는지 보여준다.From the signals described above, four types of bases can be clearly separated using projection / subtraction methods. Equation (3), a probability function designed for each base, shows how to extract information from a single base.

Figure 112011043971426-pat00003
(3)
Figure 112011043971426-pat00003
(3)

식 (3)를 통해 얻어진 단일 염기의 신호는 도 4c와 같이 시간에 따라 정확하게 분리될 수 있다. 이 때, 도 4c에서 7번째 염기인 시토신에 대한 신호는 보이지 않는데, 그 이유는 이 시토신이 그래핀 나노리본에 붙지 않았기 때문이다. 이러한 불명확성은 오로지 시토신에서만 나타나며 병렬 실험을 통해서 해소될 수 있다.The signal of a single base obtained through Equation (3) can be accurately separated over time as shown in Figure 4c. At this time, the signal for the cytosine, the seventh base in Figure 4c is not seen because the cytosine did not adhere to the graphene nanoribbons. This uncertainty appears only in cytosine and can be resolved through parallel experiments.

본 발명에서는 새롭게 개발한 2차원 자기상관 함수를 도입하여 염기의 신호가 시작되고 끝나는 시점을 판단한다. 단일 염기 신호가 나타나는 시점을 판단하는 것은 나노소자를 이용한 DNA 염기서열 분석 장치를 자동화함에 있어서 매우 중요하다. 2차원 자기상관 함수 분석에 대해 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.In the present invention, a newly developed two-dimensional autocorrelation function is introduced to determine the starting point and ending point of the base signal. Determining when a single nucleotide signal appears is very important in automating DNA sequencing devices using nanodevices. The two-dimensional autocorrelation function analysis is described in more detail as follows.

2차원 자기상관 함수는 다음의 식 (4)를 따른다.The two-dimensional autocorrelation function follows the following equation (4).

Figure 112011043971426-pat00004
(4)
Figure 112011043971426-pat00004
(4)

식 (4)는 일반적인 자기상관 함수에 시간 의존성을 추가한 것이다. 염기서열을 분석하는 방법은 시간에 따라 달라지는 동적인 정보를 처리해야 하므로 무한대의 시간이 아닌 특정 구간(τ)에서의 정보를 처리한다. J(E,t)는 시간 t에서의 이벤트 함수를 의미하는데, 여기서는 시간 t에서의 투과도 함수에 해당된다. 시간 t와 시간 t+t'에서의 투과도 함수의 내적이 동일 염기에 대해서는 1에 가깝고 서로 다른 염기에 대해서는 0에 가깝기 때문에, 새로운 염기가 들어옴에 따라서 C(t,t0;τ)는 역삼각형 모양의 무늬가 나타난다. 도 4d에서는 5`-GCATCGCT-3'의 DNA에 대한 2차원 자기상관 함수를 보여준다. 여기서 검은 점선은 염기가 끝나는 부분을 의미하고, 흰 점선은 염기가 시작하는 부분을 의미한다. 도 4c와 4d를 바탕으로, 도 4e의 완전한 서열을 얻을 수 있다.Equation (4) adds a time dependency to the normal autocorrelation function. Since the sequencing method needs to process dynamic information that changes with time, it processes information in a specific section τ rather than infinite time. J (E, t) means the event function at time t, which corresponds to the transmittance function at time t. Since the dot product of the permeability function at times t and t + t 'is close to 1 for the same base and close to 0 for different bases, C (t, t 0 ; τ) becomes an inverse triangle as new bases are introduced. The pattern of the shape appears. 4D shows the two-dimensional autocorrelation function for 5′-GCATCGCT-3 ′ DNA. Here, the dashed black line means the part where the base ends, and the dashed white line means the part where the base starts. Based on FIGS. 4C and 4D, the complete sequence of FIG. 4E can be obtained.

특정한 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라 오직 특허청구범위에 의해 제한된다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위 및 사상을 이탈함이 없이 실시예들을 변경하거나 수정할 수 있다고 인식되어야 한다.Although the present invention has been described with reference to specific exemplary embodiments, the present invention is not limited by the embodiments, but only by the claims. It should be appreciated that those skilled in the art can change or modify the embodiments without departing from the scope and spirit of the present invention.

Claims (20)

그래핀 나노리본을 이용한 염기서열 분석 소자로서,
나노홈이 형성된 기판;
상기 기판 위에 위치한 그래핀 나노리본;
상기 그래핀 나노리본의 양단에 각각 연결된 전류 인가용 전극; 및
상기 기판 아래에 연결된 게이트 전압 인가용 전극;
을 포함하는 염기서열 분석 소자.
A sequencing device using graphene nanoribbons,
A nano groove formed substrate;
Graphene nanoribbons positioned on the substrate;
A current application electrode connected to both ends of the graphene nanoribbons; And
A gate voltage application electrode connected under the substrate;
A sequencing element comprising a.
제1항에 있어서, 상기 그래핀 나노리본은 탄소로 이루어진 단층의 2차원 구조를 가지며, 의자모양 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 소자.The nucleotide sequence analysis device of claim 1, wherein the graphene nanoribbons have a single layered two-dimensional structure made of carbon, and are formed in a chair shape direction. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 나노리본은 10nm 이하의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 소자.The nucleotide sequence analysis device of claim 1, wherein the graphene nanoribbons have a width of 10 nm or less. 제1항에 있어서, 상기 그래핀 나노리본은 상기 기판의 나노홈을 가로질러 놓인 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 소자.According to claim 1, wherein the graphene nanoribbon sequence analysis device, characterized in that across the nano grooves of the substrate. 제1항에 있어서, 상기 기판의 나노홈은 직선으로 형성되고 DNA가 지나가는 통로역할을 하는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 소자. The sequencing device of claim 1, wherein the nano grooves of the substrate are formed in a straight line and serve as a passage through which DNA passes. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 염기서열 분석 소자를 이용하여 염기서열을 분석하는 방법으로서,
그래핀 나노리본의 양 전극 간에 바이어스 전압을 인가하고 게이트 전극에 교류 게이트 전압을 인가하는 단계;
나노홈을 통해 그래핀 나노리본 밑을 통과하도록 분석될 DNA를 견인하는 단계;
그래핀 나노리본을 흐르는 전류를 실시간으로 검출하는 단계; 및
그래핀 나노리본의 전류와 게이트 전압의 관계를 시간에 대하여 분석하는 단계;
를 포함하는 염기서열 분석 방법.
A method of analyzing a nucleotide sequence using the nucleotide sequence analyzing device according to any one of claims 1 to 5,
Applying a bias voltage between both electrodes of the graphene nanoribbons and applying an alternating gate voltage to the gate electrode;
Towing the DNA to be analyzed to pass under the graphene nanoribbons through the nanogrooves;
Detecting a current flowing through the graphene nanoribbon in real time; And
Analyzing the relationship between the current and the gate voltage of the graphene nanoribbon with respect to time;
Sequence analysis method comprising a.
제6항에 있어서, 상기 게이트 전압은 특정 범위의 전압이 MHz 이상 수준의 속도로 인가되는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 방법.The sequencing method according to claim 6, wherein the gate voltage is applied at a speed of a specific range of voltages at a level of MHz or higher. 제6항에 있어서, 상기 DNA의 견인은 외부 전기장에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 방법.The method of claim 6, wherein the traction of the DNA is performed by an external electric field. 제6항에 있어서, 상기 DNA는 상온에서 수용액 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 방법.The method of claim 6, wherein the DNA is provided in the form of an aqueous solution at room temperature. 제6항에 있어서, 상기 그래핀 나노리본을 흐르는 전류는 하기 식 (1)의 비평형 그린 함수를 바탕으로 한 투과도 함수를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 방법:
Figure 112011043971426-pat00005
(1).
The sequencing method of claim 6, wherein the current flowing through the graphene nanoribbons is obtained through a permeability function based on an unbalanced green function of Equation (1):
Figure 112011043971426-pat00005
(One).
제10항에 있어서, 상기 분석 단계는 상기 식 (1)에 의해 얻어진 데이터를 하기 식 (2)을 통해 실시간 히스토그램으로 변환하는 단계를 포함하는 염기서열 분석 방법:
Figure 112011043971426-pat00006
(2).
The sequencing method of claim 10, wherein the analyzing comprises converting the data obtained by Equation (1) into a real-time histogram through Equation (2):
Figure 112011043971426-pat00006
(2).
제11항에 있어서, 상기 분석 단계는 상기 실시간 히스토그램으로부터 특정 에너지와 관련된 염기 신호를 추출하는 단계를 포함하는 염기서열 분석 방법.The method of claim 11, wherein the analyzing comprises extracting a base signal related to a specific energy from the real-time histogram. 제12항에 있어서, 상기 분석 단계는 상기 추출된 염기 신호를 하기 식 (3)을 통해 투영 및 제거하여 단일 염기의 정보를 얻는 단계를 포함하는 염기서열 분석 방법:
Figure 112011043971426-pat00007
(3).
The method of claim 12, wherein the analyzing comprises projecting and removing the extracted base signal through Formula (3) to obtain information of a single base.
Figure 112011043971426-pat00007
(3).
제13항에 있어서, 하기 식 (4)의 2차원 자기상관 함수를 통해 특정 염기 신호의 시작점과 종료점을 판단하는 단계를 포함하는 염기서열 분석 방법:
Figure 112011043971426-pat00008
(4).
The nucleotide sequence analysis method of claim 13, comprising determining a start point and an end point of a specific base signal through a two-dimensional autocorrelation function of Equation (4):
Figure 112011043971426-pat00008
(4).
염기서열을 분석 소자를 이용한 염기서열 분석 방법으로서, 상기 분석 소자는 나노채널이 형성된 기판 위에 상기 나노채널을 가로지르는 방향으로 놓인 그래핀 나노리본을 포함하고, 상기 기판의 아래에는 게이트 전극이 제공되고, 상기 그래핀 나노리본의 양단에는 소스 전극 및 드레인 전극이 각각 제공되며, 상기 방법은,
상기 소스 및 드레인 전극들 간에 바이어스 전류를 인가하고 상기 게이트 전극에 게이트 전압을 인가하는 단계;
단일 나선 DNA를 상기 나노채널을 통해 상기 그래핀 나노리본 밑으로 통과시키는 단계;
상기 DNA의 염기와 상기 그래핀 나노리본의 상호작용 시 나타나는 상기 그래핀 나노리본의 전류 변화를 실시간으로 검출하는 단계; 및
상기 게이트 전압과 상기 그래핀 나노리본 전류를 시간에 따라 분석하는 단계;
를 포함하는 염기서열 분석 방법.
A sequencing method using a sequencing element as an analyzing element, the analyzing element includes a graphene nanoribbon disposed in a direction crossing the nanochannel on a substrate on which the nanochannel is formed, and a gate electrode is provided below the substrate. Both ends of the graphene nanoribbon are provided with a source electrode and a drain electrode, respectively.
Applying a bias current between the source and drain electrodes and applying a gate voltage to the gate electrode;
Passing single helix DNA through the nanochannels under the graphene nanoribbons;
Detecting a change in current of the graphene nanoribbon when the base of the DNA interacts with the graphene nanoribbon; And
Analyzing the gate voltage and the graphene nanoribbon current over time;
Sequence analysis method comprising a.
제15항에 있어서, 상기 검출된 전류는 실시간 히스토그램 분석을 통해 시간에 따른 에너지의 2차원적 분포로 변환되는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 방법.The method of claim 15, wherein the detected current is converted into a two-dimensional distribution of energy over time through a real-time histogram analysis. 제16항에 있어서, 상기 실시간 히스토그램 분석을 통한 변환 결과로부터 특정 에너지에서의 염기 신호를 추출하고 추출된 신호로부터 단일 염기의 정보를 얻는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 방법.The nucleotide sequence analysis method of claim 16, wherein a base signal at a specific energy is extracted from the conversion result of the real-time histogram analysis, and information of a single base is obtained from the extracted signal. 제17항에 있어서, 2차원 자기상관 함수를 통해 각 염기 신호가 시작되고 끝나는 시점을 판단하는 것을 특징으로 하는 염기서열 분석 방법.18. The method of claim 17, wherein the starting point and ending point of each base signal are determined through a two-dimensional autocorrelation function. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 염기서열 분석 소자 및 상기 분석 소자에 DNA를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 염기서열 분석 장치.A sequencing device according to any one of claims 1 to 5, and a sequencing device comprising means for passing DNA through the analysis device. 삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Yeonchoo Cho 등. Phys. Chem. Chem. Phys. Vol. 13, No. 32, 페이지 14293-14296 (Published on 2011.05.26) *
Yeonchoo Cho 등. Phys. Chem. Chem. Phys. Vol. 13, No. 32, 페이지 14293-14296 (Published on 2011.05.26)*

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