KR101378117B1 - Biosensor using nanoring array based on surface enhanced raman scattering method, and producing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면증강 라만산란현상을 이용하여 민감도가 높은 나노링 어레이를 사용한 바이오센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 바이오센서 및 이를 이용한 DNA 등의 검출방법은 기존의 방법에 비해 강한 라만증강 신호를 가져 민감도가 높으면서도 구조가 안정적이다. 따라서 예방의학 차원에서 조기진단에 중요하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.The present invention relates to a biosensor using a highly sensitive nanoring array using surface enhanced Raman scattering phenomenon and a method of manufacturing the same. The biosensor of the present invention and a method for detecting DNA using the same have a strong Raman amplification signal compared to the conventional method and have a high sensitivity and a stable structure. Therefore, it is expected to be an important application for early diagnosis from preventive medicine level.
Description
본 발명은 표면증강 라만산란현상을 이용하여 민감도가 높은 나노링 어레이를 사용한 바이오센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a biosensor using a highly sensitive nanoring array using surface enhanced Raman scattering phenomenon and a method of manufacturing the same.
지금까지 바이오센서는 주로 optical dye를 이용한 광학적인 측정방법을 사용하여 왔다. 광학적인 측정방법을 이용한 바이오센서는 매우 감도가 좋고 감지 선택성이 우수하다는 장점을 가지고 있으나 측정장비가 고가이며, opticla dye 등을 시료에 붙여야 하는 전처리 과정이 요구되므로 측정시간이 비교적 길다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 최근 나노바이오센서에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 대부분의 생체분자의 크기가 100 nm 이하로 나노기술로 만들어지는 나노선, 나노입자 등과 같은 나노물질의 크기와 유사하며, 나노물질의 경우 부피당 생체분자와 결합할 수 있는 표면적이 매우 크기 때문에 매우 감도가 좋은 나노바이오센서를 개발할 수 있다.Until now, biosensors have mainly used optical measuring methods using optical dyes. Biosensor using optical measuring method has the advantage of very sensitive and excellent detection selectivity, but it has the disadvantage that measuring time is expensive and measuring time is relatively long because pre-treatment process to attach opticla dye etc. is required. have. Recently, researches on nanobiosensors have been actively conducted to compensate for these drawbacks. Most biomolecules are similar in size to nanomaterials such as nanowires, nanoparticles, etc., made by nanotechnology at less than 100 nm, and nanomaterials are very sensitive because they have a very large surface area that can bind to biomolecules per volume. Can develop a good nanobiosensor.
일반적으로, 라만 산란(Raman scattering)이란 입사되는 광자의 에너지(hv)가 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 에너지(hv')로 비탄성 산란되는 현상이다. 이러한 라만 산란은 광자와 상호작용하여 산란을 유도하는 분자 구조에 따라 고유의 광자 에너지 변화 형태를 나타내므로, 분자의 검출, 확인 및 분석이 가능하다. 이러한 라만 산란은 본질적으로 신호가 약하여 분자 검출을 위해서는 고출력의 레이저에 오랜 시간 노출이 필요하다.In general, Raman scattering is a phenomenon in which the energy (hv) of incident photons is inelastic scattered at different frequencies of energy (hv ') while changing the vibration state of the molecule. Since Raman scattering exhibits a unique form of photon energy change depending on the molecular structure that interacts with photons to induce scattering, it is possible to detect, identify, and analyze molecules. Such Raman scattering is inherently weak in signal, requiring long exposure to high power lasers for molecular detection.
이러한 라만 신호를 강화하여 고감도 검출을 하기 위하여 사용되는 기술 중 하나가 표면증강 라만 산란법(Surface Enhanced Raman Scattering 또는 Surface Enhanced Raman Spectroscopy)이다. 표면증강 라만 산란법은 극미세 구조물을 이용하여 국소적으로 전자기장을 강화하여 라만 신호를 증폭시키는 기술이다. 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄 등의 금속이 주로 사용되며, 사용되는 극미세 구조물로는 액상의 나노입자, 기판 위 배열된 나노입자 혹은 각종 반도체 공정 기법을 이용하여 형성된 나노구조물 등이 있다.One of the techniques used to enhance the Raman signal and detect high sensitivity is Surface Enhanced Raman Scattering or Surface Enhanced Raman Spectroscopy. Surface-enhanced Raman scattering is a technique that amplifies Raman signals by locally strengthening electromagnetic fields using microstructures. Metals such as gold, silver, copper, platinum, and aluminum are mainly used, and the ultrafine structures used include liquid nanoparticles, nanoparticles arranged on a substrate, or nanostructures formed using various semiconductor processing techniques.
일반적인 표면증강 라만 산란 기판을 이용한 액상 샘플 측정 방법은 라만 신호를 증폭하는 데 한계가 있으며, 효율적인 표면강화 라만 산란법을 위해서는 측정대상 분자가 금속표면에서 1 ㎚ ~ 2 ㎚ 수준 이내에 위치해야 한다. 따라서, 고감도 검출을 위해 전자기장을 강화하여 라만 신호를 증폭시키는 방법 외에 극미세 금속패턴 주위에 많은 분자를 유도하여 라만 신호를 강화하기 위한 연구가 진행되고 있다.Liquid phase measurement method using a conventional surface-enhanced Raman scattering substrate has a limitation in amplifying the Raman signal, and for the efficient surface-enhanced Raman scattering method, the molecules to be measured must be located within 1 nm ~ 2 nm level on the metal surface. Therefore, in addition to the method of amplifying the Raman signal by strengthening the electromagnetic field for high sensitivity detection, a study for reinforcing the Raman signal by inducing many molecules around the ultrafine metal pattern has been conducted.
지금까지 나노와이어 어레이(Tao 등(Nano. Lett. 2003, 3, 1229) (J. Phys. Chem. B 2004, 108, 12724)), 나노입자 어레이(Binger, Bauer등에 의해 제안된 평탄한 금속 표면 상의 금속 섬 필름(MIF)으로 이루어진 옵티컬 구조 등) 여러 형태의 표면증강 라만기반 바이오센서가 연구되어왔다. 그러나 나노와이어 어레이의 경우는 라만 신호 증강이 약하여 민감도가 떨어지며, 나노입자 기반의 경우는 나노구조가 안정하지 못하다는 단점이 있다. Nanowire arrays (Tano et al. (Nano. Lett. 2003, 3, 1229) (J. Phys. Chem. B 2004, 108, 12724)), nanoparticle arrays (Binger, Bauer et al. Various types of surface-enhanced Raman-based biosensors have been studied (such as optical structures made of metal island films). However, in the case of the nanowire array, the Raman signal enhancement is weak and the sensitivity is low, and in the case of the nanoparticle-based nanostructure, the nanostructure is not stable.
한편 나노포어 어레이는 핵산 등의 분자 분석에 이용할 수 있으나, 종래의 방법에 의해 제조된 나노포어 어레이는 포어의 크기와 시료가 포어를 통과하는 시간 등을 조절하는데 한계가 있어 바이오센서로서 민감도가 다소 떨어지는 경향이 있었다. Nanopore arrays can be used for molecular analysis such as nucleic acids, but nanopore arrays prepared by conventional methods have limitations in controlling pore size and time for samples to pass through pores. There was a tendency to fall.
따라서 본 발명자들은 고민감도 바이오센서를 개발하기 위해 연구한 결과, 나노포어 어레이 구조에 나노와이어를 접목시켜 표면증강 라만산란법을 이용할 수 있는 나노링 어레이를 개발하게 되었다.Therefore, the present inventors researched to develop a high-sensitivity biosensor. As a result, by incorporating nanowires into the nanopore array structure, the present inventors have developed a nanoring array that can use surface-enhanced Raman scattering.
본 발명은 바이오센서의 상기와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기판 표면에 규칙적으로 배열된 다수의 나노 크기의 구멍(nanopore)이 존재하고, 상기 각 나노 크기의 구멍 내에 링 형태로 나노와이어가 형성된 바이오센서 및 그 제조 방법, 이 바이오센서를 이용한 DNA 등의 검출 방법을 제공함을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art of the biosensor, there are a plurality of nano-sized holes (nanopore) regularly arranged on the surface of the substrate, each of the nano-sized holes ring shape It is an object of the present invention to provide a biosensor in which raw nanowires are formed, a manufacturing method thereof, and a detection method such as DNA using the biosensor.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명은 기판 표면에 규칙적으로 배열된 다수의 나노 크기의 구멍(nanopore)이 존재하고, 상기 각 나노 크기의 구멍 내에 링 형태로 나노와이어가 형성된 바이오센서를 제공한다.The present invention provides a biosensor having a plurality of nano-sized holes (nanopore) regularly arranged on the surface of the substrate, the nanowires are formed in a ring form in each of the nano-sized holes.
본 발명의 일 구현예로, 상기 기판은 금(Au), 은(Ag), 또는 알루미늄 (Al)인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the substrate is characterized in that gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al).
본 발명의 다른 구현예로, 상기 규칙적으로 배열된 다수의 나노 크기의 구멍(nanopore)은 기판 표면을 알루미늄으로 코팅하고 양극산화하여 형성되는 것임을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, the regularly arranged plurality of nano-sized holes (nanopore) is characterized in that formed by coating the surface of the substrate with aluminum and anodized.
본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 나노 크기의 구멍(nanopore)의 직경은 10 nm 이상 500 nm 이하인 것을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, the diameter of the nano-sized (nanopore) is characterized in that more than 10 nm and less than 500 nm.
본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 바이오센서는 표면증강 라만산란법(Surface Enhanced Raman Scattering method)을 이용하는 것을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, the biosensor is characterized by using the Surface Enhanced Raman Scattering method.
또한 본 발명은 상기 바이오센서를 이용한 단분자, DNA, 또는 단백질의 검출 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for detecting a single molecule, DNA, or protein using the biosensor.
또한 본 발명은 Also,
a) 기판 표면에 전극물질을 코팅하고 규칙적으로 배열된 다수의 나노 크기의 구멍(nanopore)을 형성하는 단계;a) coating an electrode material on the surface of the substrate and forming a plurality of nano-sized nanoopores arranged regularly;
b) 구멍 내부에 도금에 의하여 링 형태로 나노와이어를 성장시키는 단계;및b) growing nanowires in the form of rings by plating inside the holes; and
c) b)단계에 의해 형성된 나노링 어레이 전극의 표면을 도금하는 단계를 포함하는, 바이오센서의 제조 방법을 제공한다.c) plating the surface of the nanoring array electrode formed by step b).
본 발명의 일 구현예로, a)단계는In one embodiment of the invention, step a)
전극 위에 알루미늄층을 형성시킨 후 양극산화하여 형성되는 것을 특징으로 한다.After forming an aluminum layer on the electrode, it is characterized in that it is formed by anodization.
본 발명의 다른 구현예로, b)단계의 나노와이어의 두께는In another embodiment of the present invention, the thickness of the nanowire of step b) is
도금 전위 및/또는 시간에 의해 조절되는 것을 특징으로 한다.And controlled by plating potential and / or time.
전위는 나노와이어의 넓이, 시간은 나노와이어의 길이를 결정하는데 이용된다. 여기서 상기 도금 전위는 -10볼트~ -400 볼트인 것을 특징으로 한다. 그러나 이에 제한되지 않는다. 또한 여기서 상기 시간은 10초~1분인 것을 특징으로 한다. 그러나 이에 제한되지 않는다.The potential is used to determine the width of the nanowire and the time is the length of the nanowire. Wherein the plating potential is -10 volts to -400 volts. However, it is not limited thereto. In addition, the time is characterized in that 10 seconds to 1 minute. However, it is not limited thereto.
본 발명의 또 다른 구현예로, b)단계는 금, 은, 또는 알루미늄으로 도금하는 것을 특징으로 한다.
In another embodiment of the present invention, step b) is characterized in that the plating with gold, silver, or aluminum.
본 발명의 바이오센서 및 이를 이용한 DNA 등의 검출방법은 기존의 방법에 비해 강한 라만증강 신호를 가져 민감도가 높으면서도 구조가 안정적이다. 따라서 예방의학 차원에서 조기진단에 중요하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
The biosensor of the present invention and a method for detecting DNA using the same have a strong Raman amplification signal compared to the conventional method and have a high sensitivity and a stable structure. Therefore, it is expected to be an important application for early diagnosis from preventive medicine level.
도 1은 나노링의 라만증강효과를 비교하기 위해서 일반적인 금 나노포어 어레이와 본원 발명의 나노링 어레이의 전자기 증강 효과를 전산모사 한 결과이다.
도 2는 본원 발명의 나노링 어레이 (상) 와 나노포어 어레이 (하)의 주사 전자현미경 사진이다.1 is a result of computer simulation of the electromagnetic enhancement effect of the general gold nanopore array and the nanoring array of the present invention in order to compare the Raman enhancement effect of the nanoring.
2 is a scanning electron micrograph of the nanoring array (top) and nanopore array (bottom) of the present invention.
본 발명의 나노링은 나노포어(nanopore; 나노 크기의 구멍) 내에 나노와이어를 성장시킨 것으로, 종래 나노포어 및 나노와이어와는 구조적으로 상이한 새로운 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 검출장치에 있어서, 상기 표적물질은 서로 결합가능한 어떤 물질도 가능하나, 바람직하게는 DNA,RNA, PNA(peptide nucleic acid), LNA(locked nucleic acid), 단백질, 펩타이드에서 선택된 바이오분자인 것을 특징으로 한다.The nanoring of the present invention is a nanowire grown in a nanopore (nanopore (nano size hole), characterized in that the new shape structurally different from the conventional nanopore and nanowire.
In the detection apparatus of the present invention, the target material may be any material capable of binding to each other, preferably a biomolecule selected from DNA, RNA, peptide nucleic acid (PNA), locked nucleic acid (LNA), protein, and peptide. It is characterized by.
본 발명의 검출장치에 있어서, 상기 나노입자의 재질은 전기장 또는 자기장에 의해 유인될 수 있고 전기장의 특성을 변화시킬 수 있는 어떤 재질도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 금(Au), 은, 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 금은 가장 inert한 것으로 알려져 있고, 50 nm 이하의 적용이 용이하다. In the detection device of the present invention, the material of the nanoparticles may be any material that can be attracted by an electric field or a magnetic field and change the characteristics of the electric field, but preferably, gold (Au), silver, aluminum Characterized in that made. Gold is known to be the most inert and is easy to apply below 50 nm.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
[[ 실시예Example ]]
실시예Example 1. One. 나노포어Nanopores 어레이 제작 Array Fabrication
나노포어 어레이는 기판 위에 알루미늄 양극산화 방법을 사용하여 형성하였다. 알루미늄 1 μm 를 열 기상증착 방법을 이용하여 금 기판 위에 층을 형성시켰다. 이어서, 0.3 M oxalic acid에서 -40 V로 양극산화를 하여 나노포어 어레이를 제작하였다.
Nanopore arrays were formed on a substrate using an aluminum anodization method. 1 μm of aluminum was layered onto the gold substrate using the thermal vapor deposition method. Subsequently, the nanopore array was fabricated by anodizing at −40 V in 0.3 M oxalic acid.
실시예Example 2. 2. 나노링Nano Ring 어레이 제작 Array Fabrication
실시예 1의 나노포어 어레이가 형성된 기판에 금 도금용액 (Orotemp 24, Technic U.S.A.)을 사용하여 -0.8 V 로 환원하여 나노포어 내부에 금 나노와이어를 성장시켰다. 이어서, 상기 0.6 M Phosphoric acid 용액과 반응시켜서 포어의 구멍을 넓혔다. 이어서, 금 나노입자를 나노포어 어레이 표면에 흡착시킨 뒤, 금 성장용액 (Potassium carbonate 25 mg, 0.02 % tetrachloroaurate (III)) 과 반응하여 금 나노입자가 흡착된 나노포어 어레이 표면을 금으로 도금함으로써 나노링 어레이를 제작하였다.
The gold nanowires were grown inside the nanopores by reducing them to -0.8 V using a gold plating solution (Orotemp 24, Technic USA) on the substrate on which the nanopore array of Example 1 was formed. The pores of the pores were then widened by reacting with the 0.6 M Phosphoric acid solution. Subsequently, the gold nanoparticles are adsorbed on the surface of the nanopore array and then reacted with the gold growth solution (Potassium carbonate 25 mg, 0.02% tetrachloroaurate (III)) to plate the surface of the nanopore array on which the gold nanoparticles are adsorbed with gold. A ring array was produced.
실시예Example 3. 일반적인 금 3. common gold 나노포어Nanopores 어레이와 본원 발명의 Arrays of the invention 나노링Nano Ring 어레이의 전자기 증강 효과 비교 Comparison of Electromagnetic Enhancer Effects in Arrays
도 1은 나노링의 라만증강효과를 비교하기 위해서 일반적인 금 나노포어 어레이와 본원 발명의 나노링 어레이의 전자기 증강 효과를 전산모사 한 결과이다.1 is a result of computer simulation of the electromagnetic enhancement effect of the general gold nanopore array and the nanoring array of the present invention in order to compare the Raman enhancement effect of the nanoring.
본원 발명의 나노링 어레이는 금 나노링 부분에서 매우 강력한 전자기 증강을 가짐을 확인할 수 있는데, 이는 기존에 발표된 나노갭을 갖는 나노입자와 일치하는 결과이다. 따라서 본 나노링 어레이의 경우는 나노링이 기판 위에 안정적으로 고르게 존재하여, 나노갭을 갖는 나노입자와 마찬가지로 기판 위에서 고민감도 특성을 기판 위에서 안정적으로 구현함을 알 수 있다.
It can be seen that the nanoring array of the present invention has a very strong electromagnetic enhancement in the gold nanoring portion, which is consistent with the nanoparticles having a nanogap previously published. Therefore, in the case of the present nanoring array, the nanorings are stably evenly present on the substrate, and thus, similar to the nanoparticles having the nanogap, the nanoring array can realize stable sensitivity on the substrate.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive.
Claims (12)
A biosensor comprising a nanoring array fabricated by growing gold nanowires in a plurality of nano-sized nanopore, which are regularly arranged on a substrate surface, and then plating the nano-sized pore surface.
상기 기판은 금(Au), 은(Ag), 또는 알루미늄 (Al)인 것을 특징으로 하는, 바이오센서.
The method of claim 1,
The substrate is a biosensor, characterized in that gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al).
상기 규칙적으로 배열된 다수의 나노 크기의 구멍(nanopore)은 기판 표면을 알루미늄으로 코팅하고 양극산화하여 형성되는 것임을 특징으로 하는, 바이오센서.
The method of claim 1,
The regularly arranged plurality of nano-sized (nanopore) is characterized in that the biosensor is formed by coating and anodizing the substrate surface with aluminum.
상기 나노 크기의 구멍(nanopore)의 직경은 10 nm 이상 500 nm 이하인 것을 특징으로 하는, 바이오센서.
The method of claim 1,
Biosensor, characterized in that the diameter of the nano-sized (nanopore) is more than 10 nm and less than 500 nm.
상기 바이오센서는 표면증강 라만산란법(Surface Enhanced Raman Scattering method)을 이용하는 것을 특징으로 하는, 바이오센서.
The method of claim 1,
The biosensor is characterized in that using the Surface Enhanced Raman Scattering method, biosensor.
A method for detecting a single molecule, DNA, or protein using the biosensor of any one of claims 1 to 5.
b) 상기 나노 크기의 구멍 내부를 도금하여 금 나노와이어를 성장시킨 나노 크기의 구멍을 제조하는 단계; 및
c) 상기 금 나노와이어를 성장시킨 나노 크기의 구멍 표면에 금 나노입자를 흡착시켜 나노링 어레이를 제작하는 단계를 포함하는, 바이오센서의 제조 방법.
a) coating an electrode material on a surface of the substrate and forming a plurality of nano-sized nanoopores arranged regularly;
b) preparing nano-sized holes in which gold nanowires are grown by plating the nano-sized holes; And
c) adsorbing gold nanoparticles to a nano-sized pore surface on which the gold nanowires are grown to produce a nanoring array.
상기 a)단계는 전극 위에 알루미늄층을 형성시킨 후 양극산화하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이오센서의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The step a) is formed by forming an aluminum layer on the electrode, characterized in that formed by anodizing, biosensor manufacturing method.
상기 b)단계의 나노와이어의 두께는 도금 전위 또는 시간에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 바이오센서의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The thickness of the nanowire of step b) is characterized in that it is controlled by the plating potential or time, biosensor manufacturing method.
상기 도금 전위는 -10볼트 내지 -400 볼트인 것을 특징으로 하는, 바이오센서의 제조 방법.
The method of claim 9,
The plating potential is -10 volts to -400 volts, characterized in that the biosensor manufacturing method.
상기 시간은 10초 내지 1분인 것을 특징으로 하는, 바이오센서의 제조 방법.
The method of claim 9,
The time is 10 seconds to 1 minute, characterized in that the biosensor manufacturing method.
b)단계는 금, 은, 또는 알루미늄으로 도금하는 것을 특징으로 하는, 바이오센서의 제조방법.
8. The method of claim 7,
b) step is characterized in that the plating with gold, silver, or aluminum, biosensor manufacturing method.
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| YIZHUO CHU et al. ACSNANO. Vol. 4, No. 5, 2804-2810, 2010. * |
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