KR101355019B1 - 원자력 현미경용 캔틸레버 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

원자력 현미경용 캔틸레버 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하단에 핵산이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 캔틸레버; 및 상기 캔틸레버의 하단에 고정된 핵산의 서열에 상보적인 핵산이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 탐침 팁;을 포함하는 원자력 현미경(atomic force microscopy)용 캔틸레버 센서 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 온도 조절에 의한 탐칩 팁의 탈부착이 가능하여 탐침 팁을 일회용으로 사용할 수 있고, 탈부착 방법 또한 매우 간단하여 경제적이며, DNA 결합이 선택적으로 일어나므로 수많은 서열의 핵산을 동시에 효율적으로 결합시킬 수 있어 어레이 및 핑거에 효과적으로 적용될 수 있다.

Description

원자력 현미경용 캔틸레버 센서 및 이의 제조방법{CANTILEVER SENSOR FOR ATOMIC FORCE MICROSCOPY AND THE MANUFACTURING MOTHOD OF THE SAME}
본 발명은 원자력 현미경용 캔틸레버 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 캔틸레버 및 탐침 칩을 상보적 DNA로 결합시킴으로써 온도에 따른 탐침 팁의 자유로운 탈부착이 가능한 원자력 현미경용 캔틸레버 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
원자력 현미경(AFM, Atomic force microscopy)은 피라미드 모양의 뾰족한 탐침(팁(tip))이 시료 표면에 닿으면서 2차원으로 주사하는 현미경으로서, 화학력(chemical force)의 측정뿐 아니라, 이미지화를 위한 유용한 도구이다. 통상 탐침은 캔틸레버(cantilever) 선단부의 하면에 형성되어 있다.
캔틸레버는 선단부의 하면에 탐침을 가짐과 동시에, 그 후단부(기초부)에 캔틸레버 홀더를 가진다. 캔틸레버 홀더는, 캔틸레버의 부분과 크기 및 형상의 관점에서 비교하면, 비교적 면적이 큰 예를 들면 직사각형 평판형상의 부분으로 되어 있다.
상기 원자력 현미경 등의 주사형 프로브 현미경에 있어서의 큰 문제는 탐침의 교환이다. 현재 상태의 기술로서는 탐침과 시료의 접촉상태를 가능한 한 적게 하기 위하여 각종 측정모드가 제안되어 있다. 그러나 탐침과 시료의 접촉은 완전하게 없앨 수는 없어, 탐침 선단의 마모를 피할 수 없다. 그 때문에 탐침이 마모되면 주사형 프로브 현미경의 설치부로부터 캔틸레버를 떼어 내고 새로운 캔틸레버와 교환해야 한다는 단점이 있었다. 또한 측정 대상의 다양화에 의하여 다른 종류의 캔틸레버(탐침)를 미리 준비하여 상황에 따라 캔틸레버를 적당한 타이밍으로 교환하는 것도 필요하게 되었다.
즉, 종래 원자력 현미경은 팁의 수명이 짧아 경제적이지 않을 뿐 아니라, 캔틸레버의 스캐닝에 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었다.
한편, 화학력 현미경(CFM, chemical force microscopy)은 원자력 현미경의 일종으로, 원자력 현미경이 팁과 시료간의 반데르발스 인력을 이용하는 반면, 화학력 현미경은 기능화된 팁과 시료간의 화학적 인력을 이용하는 것이다.
Barattin, R. and N. Voyer (2008). "Chemical modifications of AFM tips for the study of molecular recognition events." Chemical Communications(13): 1513-1532.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 탐침 팁의 탈부착이 용이하여 일회용 탐침 팁으로 사용될 수 있도록, 캔틸레버와 탐침 팁을 상보적 DNA의 결합으로 연결하는 원자력 현미경용 캔틸레버 센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 하단에 핵산이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 캔틸레버; 및 상기 캔틸레버의 하단에 고정된 핵산의 서열에 상보적인 핵산이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 탐침 팁;을 포함하는 원자력 현미경(atomic force microscopy)용 캔틸레버 센서를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탐칩 팁은 핵산 고정부가 아닌 일부분에 리셉터 화합물이 결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 핵산은 DNA 또는 PNA(Peptide Nucleic Acid)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 원자력 현미경은 화학력 현미경(chemical force microscopy)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탐침 팁은 20 내지 60℃에서 캔틸레버에 부착되고, 60 내지 95℃에서 캔틸레버로부터 분리됨으로써 온도에 따라 탈부착이 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 캔틸레버는 반구형 돔(dome) 형태의 에칭(etching)부를 가지고, 상기 캔틸레버의 핵산 고정부는 에칭부에 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 캔틸레버 센서를 다수개 포함하고, 상기 캔틸레버 센서에 고정된 핵산은 각각 독립적으로 동일할 수도 있고 상이할 수도 있는 캔틸레버 어레이를 제공한다.
또한, 본 발명은 캔틸레버의 하단에 위치한 핵산 고정부에 핵산을 고정시키는 단계; 상기 캔틸레버의 핵산의 서열과 상보적인 핵산을 탐침 팁에 고정시키는 단계; 상기 캔틸레버 및 탐침 팁을 20 내지 60℃가 되도록 하여 캔틸레버의 핵산과 탐침 팁의 핵산이 혼성화되도록 하는 단계;를 포함하는 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 핵산을 탐침 팁에 고정시키는 단계에서 핵산이 고정된 부분이 아닌 일부분에 리셉터 화합물을 결합시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제조방법 이후, 상기 캔틸레버 센서를 60 내지 95℃로 가온하여 탐침 팁을 캔틸레버로부터 분리시키는 단계;를 더 포함하는 것 일 수 있다.
본 발명의 원자력 현미경(atomic force microscopy)용 캔틸레버 센서는 온도 조절에 의한 탐칩 팁의 탈부착이 가능하여 탐침 팁을 일회용으로 사용할 수 있고, 탈부착 방법 또한 매우 간단하여 경제적이며, 핵산간 결합이 선택적으로 일어나므로 수많은 서열의 핵산을 동시에 효율적으로 결합시킬 수 있어 어레이 및 핑거에 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 탐침 팁의 분리 및 부착 과정을 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버 어레이의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 하단에 핵산(nucleic acid)(11)이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 캔틸레버(10); 및 상기 캔틸레버의 하단에 고정된 핵산의 서열에 상보적인 핵산(21)이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 탐침 팁(20);을 포함하는 원자력 현미경(atomic force microscopy)용 캔틸레버 센서를 제공한다.
본 발명에서 상기 탐침 팁은 사용된 핵산의 종류와 길이에 따라 20 내지 60℃에서 캔틸레버에 부착된다. 이때 캔틸레버의 핵산 고정부에 고정된 핵산과 탐침 팁의 일면에 고정된 핵산이 서로 상보적 핵산이므로, 혼성화(hybridization)가 발생하여 캔틸레버의 하단에 탐침 팁이 부착되게 되는 것이다. 20℃ 미만이면 각 핵산의 구조가 혼성화하기에 어렵게 꼬여있고, 60℃ 초과이면 혼성화에 의한 결합이 약화되기 시작한다.
또한, 상기와 같이 캔틸레버에 부착된 탐침 팁은 사용된 핵산의 종류와 길이에 따라 60 내지 95℃로 가온 된 상태에서 멜팅(melting)이 일어나면서 캔틸레버로부터 분리된다. 60℃ 미만이면 대체로 멜팅이 일어나지 않으며, 95℃ 초과이면 용액이 끓는 문제가 발생한다.
따라서, 온도의 조절에 따라 탐침 팁의 탈부착이 가능하다. 탐침 팁은 시료와의 접촉에 의해 마모 및 손상이 발생할 수 밖에 없으므로, 일정 횟수 사용 이후 교체가 필수적인 바, 본 발명의 캔틸레버 센서는 캔틸레버 전체를 교체할 필요없이 탐침 팁만 교체할 수 있고, 탐침 팁의 교체가 온도 조절에 의하여 일어나므로 매우 경제적이고 효율적이다.
본 발명에서 상기 탐칩 팁에는 핵산 고정부가 아닌 일부분에 리셉터 화합물(22)이 결합될 수 있다. 상기 리셉터 화합물은 표적 시료 화합물에 따라 다양한 화합물이 사용될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 리셉터 화합물은 입자(ball)에 화학적으로 결합 가능한 것이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 항체 등의 단백질, 핵산 (DNA, RNA), 펩티드 등의 생체유래 폴리머, 저분자 케미컬, 또는 바이러스, 박테리아와 같은 입자일 수 있다. 도 1과 같이, 바람직하게 리셉터 화합물은 탐침 팁의 핵산 고정부의 반대편에 결합될 수 있다.
본 발명에서 상기 핵산은 DNA 또는 PNA(Peptide Nucleic Acid)일 수 있고, 특히 PNA(Peptide Nucleic Acid)인 것이 바람직하다. PNA(Peptide Nucleic Acid)는 다양한 서열을 가져 많은 PNA 서열 정렬을 형성하는 것이 가능하고, PNA-PNA 결합은 큰 결합 에너지를 가져 매우 안정하다. 또한, PNA-PNA 결합은 고온에서 멜팅(melting)에 의해 분리되고, 저온에서 혼성화에 의해 결합되는 성질이 우수하다.
또한, 본 발명에서 상기 DNA 또는 PNA는 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드 및 폴리뉴클레오타이드 중 특별히 한정되는 것은 아니나, 올리고뉴클레오타이드가 바람직하다.
본 발명에서 상기 캔틸레버는 반구형 돔(dome) 형태의 에칭(etching)부를 가지고, 상기 캔틸레버의 핵산 고정부는 에칭부에 형성된 것일 수 있다. 본 발명의 탐침 팁은 구형인 것이 바람직하다. 상기 반구형 돔 형태의 에칭부는 구형의 탐침 팁에 대응하는 형태이게 되고, 탐침 팁의 일부가 에칭부 내에 장착(embedded)되면 결합력이 더욱 높아진다.
본 발명에 따른 캔틸레버 센서는 원자력 현미경에 사용될 수 있으며, 바람직하게는 화학력 현미경(chemical force microscopy)에 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 화학력 현미경은 화학적 인력을 측정하는 것으로, 상기 리셉터 화합물이 팁의 끝부분에 위치하여, 표적 시료에 접촉하고, 리셉터 화합물과 표적 시료와의 화학적 친화력을 측정함으로써 표적 시료의 표면을 분석하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 캔틸레버 센서를 다수개 포함하고, 상기 캔틸레버 센서에 고정된 DNA 각각 독립적으로 동일할 수도 있고 상이할 수도 있는 캔틸레버 어레이(array)를 제공한다. 이를 도 4에 도시하였다. 각각의 DNA는 고유한 서열을 가지므로, 각각의 캔틸레버는 선택적으로(addressable) 탐침 팁을 자동 결합시킨다. 따라서 표적 시료의 감지에 매우 효과적인 캔틸레버 어레이를 제공할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 캔틸레버 센서는 액상에서 모든 처리과정이 진행되어 분자의 안정성이 우려되는 단백질 및 핵산 등의 분자를 이용하는 데 문제가 없다. 액상에서 입자(ball) 표면에 분자를 결합시키고 이를 액상에서 캔틸레버에 결합시키므로, 단백질과 같이 변성(denature)되기 쉬운 분자를 결합시키기에 유리하다. 또한, 표면 반응을 위하여 유기용매가 쓰이는 경우에, 기존 볼 팁(Ball tip)은 접착제를 이용하여 유기용매에 의하여 떨어져 버리는 반면, 본 발명에 따른 방법은 영향을 받지 않는다.
또한, 본 발명은 캔틸레버의 하단에 위치한 핵산 고정부에 핵산을 고정시키는 단계; 상기 캔틸레버의 핵산의 서열과 상보적인 핵산을 탐침 팁에 고정시키는 단계; 상기 캔틸레버 및 탐침 팁을 20 내지 60℃가 되도록 하여 캔틸레버의 핵산과 탐침 팁의 핵산이 혼성화되도록 하는 단계;를 포함하는 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 캔틸레버의 하단에 위치한 핵산 고정부에 핵산을 고정시킨다. 이 때 상기 캔틸레버의 하단에 위치한 핵산 고정부에 핵산을 고정시키는 단계에서 핵산 고정부를 반구형으로 에칭한 후 핵산을 고정할 수 있다.
그리고, 상기 캔틸레버의 핵산의 서열과 상보적인 핵산을 탐침 팁에 고정시킨다. 이때, 상기 핵산을 탐침 팁에 고정시키는 단계에서 핵산이 고정된 부분이 아닌 일부분에 리셉터 화합물을 결합시킬 수 있다.
다음으로, 상기 캔틸레버 및 탐침 팁을 20 내지 60℃가 되도록 하여 캔틸레버의 핵산과 탐침 팁의 핵산이 혼성화시킨다.
탐침 팁이 손상된 경우, 상기 캔틸레버 센서를 60 내지 95℃로 가온하여 탐침 팁을 캔틸레버로부터 분리시킬 수 있다. 상기 혼성화를 통한 캔틸레버와 탐침 팁의 부착 단계 및 가온을 통한 분리 단계를 횟수에 제한 없이 반복될 수 있다. 이를 통하여 용이한 탐침 팁의 탈부착이 가능하다.
10 캔틸레버
11 PNA
20 탐침 팁
21 상보적 PNA
22 리셉터 화합물

Claims (11)

  1. 하단에 핵산이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 캔틸레버; 및
    상기 캔틸레버의 하단에 고정된 핵산의 서열에 상보적인 핵산이 고정된 핵산 고정부를 포함하는 탐침 팁;을 포함하는 원자력 현미경(atomic force microscopy)용 캔틸레버 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침 팁은 핵산 고정부가 아닌 일부분에 리셉터 화합물이 결합된 것인 원자력 현미경용 캔틸레버 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 핵산은 DNA 또는 PNA(Peptide Nucleic Acid)인 원자력 현미경용 캔틸레버 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 원자력 현미경은 화학력 현미경(chemical force microscopy)인 원자력 현미경용 캔틸레버 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침 팁은 20 내지 60℃에서 캔틸레버에 부착되고, 60 내지 95℃에서 캔틸레버로부터 분리됨으로써 온도에 따라 탈부착이 가능한 원자력 현미경용 캔틸레버 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 반구형의 에칭(etching)부를 가지고, 상기 캔틸레버의 핵산 고정부는 에칭부에 형성된 원자력 현미경용 캔틸레버 센서.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 캔틸레버 센서를 다수개 포함하고, 상기 캔틸레버 센서에 고정된 핵산은 각각 독립적으로 동일할 수도 있고 상이할 수도 있는 캔틸레버 어레이.
  8. 캔틸레버의 하단에 위치한 핵산 고정부에 핵산을 고정시키는 단계;
    상기 캔틸레버의 핵산의 서열과 상보적인 핵산을 탐침 팁에 고정시키는 단계; 및
    상기 캔틸레버 및 탐침 팁을 20 내지 60℃가 되도록 하여 캔틸레버의 핵산과 탐침 팁의 핵산이 혼성화되도록 하는 단계;를 포함하는 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 핵산을 탐침 팁에 고정시키는 단계에서 핵산이 고정된 부분이 아닌 일부분에 리셉터 화합물을 결합시키는 것인 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제조방법 이후, 상기 캔틸레버 센서를 60 내지 95℃로 가온하여 탐침 팁을 캔틸레버로부터 분리시키는 단계;를 더 포함하는 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 하단에 위치한 핵산 고정부에 핵산을 고정시키는 단계에서 핵산 고정부를 반구형으로 에칭한 후 핵산을 고정하는 것인 원자력 현미경용 캔틸레버 센서의 제조방법.
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