KR101502692B1 - 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역 센서 - Google Patents

금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 기판을 준비하는 단계; 상기 알루미늄 기판을 이용하여 알루미늄 양극 산화막을 제작하는 단계; 상기 알루미늄 양극 산화막으로부터 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계; 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계; 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계; 및 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계;를 포함하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역센서를 제공한다.
본 발명에 의하여 간단한 공정절차만으로 균일도 높은 소자를 제작할 수 있고, 항원-항체 반응에 의한 감지막의 미세 굴절률과 광경로 차이의 변화를 고감도로 측정이 가능한 장점을 가진다. 특히, 본 발명의 면역센서는 추후 DNA 교배와 DNA-단백질 상호작용의 측정에 이용이 가능 할 것이며, 혈액 내 병원균 검출 센서로 활용 될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 기존의 SPR센서의 감도 향상발명에 적용할 수 있고, 금 나노점을 이용한 광학열치료 (photothermal therapy)나 바이오이미징 관련 기술개발에도 적용될 수 있다.

Description

금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역 센서{FABRICATION OF IMMUNOSENSOR USING GOLD NANOROD ARRAY AND THE IMMUNOSENSOR BY USING THE SAME METHOD}
본 발명은 수직 어레이된 금 나노막대 칩을 이용하여 바이오물질을 측정할 수 있는 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역 센서에 관한 것으로, 보다 상세히는 다공성인 알루미늄 양극산화 박막 주형틀을 이용하여 다양한 종횡비를 가지는 금 나노막대를 합성하고, 나노막대 어레이 형태의 박막을 제작하며, 금 나노막대가 정렬된 기판 위에 카르복실 작용기를 가지는 자기조립단분자막을 형성하고, CRP 항체를 결합시켜서 바이오마커 및 DNA 등의 바이오 물질을 정량적이며 고감도로 측정할 수 있는 면역 센서를 제작할 수 있도록 된 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역 센서에 관한 것이다.
일반적으로 나노입자의 SPR 현상을 기반으로 바이오센서 또는 면역센서(이하, 간략하게 "면역센서"라 함)를 제작하면 이차적인 표지 공정 없이 감지 물질의 상호작용만으로 측정할 수 있기 때문에 단백질, DNA, 박테리아 등의 다양한 물질에 대한 센서개발이 가능하다.
특히, 금 나노막대와 같은 1차 나노구조물은 나노막대의 주변 환경 변화에 따라 뚜렷한 플라즈몬 흡수 밴드 변화를 나타냄으로 센서로 적용 했을 때, 고감도의 측정이 가능하다.
이와 같은 금속 나노입자의 국소 표면 플라즈몬 공명현상에 의한 주위환경에 민감하게 반응하는 특성은 고감도 광학형 면역센서, 화학물질 검출 센서등에 응용 된다.
일반적으로 금 나노입자는 530nm 에서 강한 흡수를 보이기 때문에 가시광선 영역에서 플라즈몬 밴드가 변화하는 것을 센서에 응용할 수 있다. 이와 같이 나노입자의 SPR 현상을 기반으로 면역센서를 제작하면 이차적인 표지 공정 없이 감지 물질의 상호작용만으로 측정할 수 있기 때문에 단백질, DNA, 박테리아 등의 다양한 물질에 대한 센서개발 발명이 보고되고 있다. 특히 금 나노막대와 같은 1차 나노구조물은 나노막대의 주변 환경 변화에 따라 뚜렷한 플라즈몬 흡수 밴드 변화를 나타냄으로 센서로 적용했을 때 고감도의 측정이 가능하다.
이러한 금 나노막대를 합성하는 일반적인 방법은 화학적 환원법으로, 금 선구체에 환원제와 계면활성제, 기타 첨가제 등을 혼합하여 수용액 상에서 합성하는 방법이다.
그러나, 이와 같은 종래의 방식은 제작하기가 까다롭고, 미량 측정이 필요한 바이오물질을 정량적이며 고감도로 측정하기 어려운 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 10-2012-0060968호(2012.6.12) 및 대한민국 공개특허 10-2011-0106526호(2011.09.29)에는 나노입자를 이용하여 센서를 제조하는 기술이 개시되어 있으나 나노막대 제작공정을 최적화하여 고감도의 면역센서를 제작하기에는 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위한 것으로서, 다공성 양극 산화막을 주형으로 이용하여 보다 공정이 간단한 나노막대 제작공정을 최적화하고, 나노막대 어레이의 균일도가 높은 소자를 제작함으로써 미량 측정이 필요한 바이오물질을 정량적이며 고감도로 측정할 수 있도록 된 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역 센서를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 나노구조체를 간단한 공정으로 균일하게 제작할 수 있는 양극산화방법 대한 최적화된 공정 조건을 확립하여 양극산화시간과 전해질 용액의 종류에 따라 원하는 기공의 깊이와 직경의 조절이 가능하며, 높은 균일도로 인한 뚜렷한 간섭 패턴을 나타내는 다공성 나노구조체를 제작하고, 이를 활용하여 면역센서를 제작하도록 된 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법 및 이를 이용하여 제작된 면역 센서를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 바이오물질을 측정할 수 있는 면역센서의 제작방법에 있어서, 알루미늄 기판을 준비하는 단계; 상기 알루미늄 기판을 이용하여 알루미늄 양극 산화막을 제작하는 단계; 상기 알루미늄 양극 산화막으로부터 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계; 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계; 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계; 및 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 알루미늄 기판을 준비하는 단계는 알루미늄 포일(순도: 99.999%)을 30% 에탄올(ethanol)과 70% 과염소산(perchloric acid) 혼합용액에서 20 V 전압을 가하여 전기적 표면 연마를 진행하고, 알루미늄 포일 표면의 자연산화막 및 불순물을 제거하여 순수 알루미늄 기판을 마련하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 알루미늄 기판을 이용하여 알루미늄 양극 산화막을 제작하는 단계는 1 M의 황산(sulfuric acid)을 산용액으로 사용하고, 40 V의 전압으로 9℃에서 1차 양극산화시키며, 상기 1차 양극산화 후 생성된 양극산화막을 크롬산(chromic acid) 1.8 wt%과 인산(phosphoric acid) 6 wt%를 혼합한 수용액 내에서 90분 동안 60℃ 온도로 1차 양극산화된 알루미늄 산화막을 제거한 후, 1차 양극 산화 방법과 동일한 방법을 사용하여 2차 양극산화시키고, 30㎛ 두께를 가지고, 기공 크기가 25 ± 5 nm 직경으로 균일하게 기공 직경을 가지는 알루미늄 양극 산화막을 제조하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계는 25 ± 5 nm 기공 직경의 알루미늄 양극 산화막이 형성된 알루미늄 기판을 2차염화수은 용액에 2 시간 침지하여 알루미늄 기판을 융해시키고, 알루미늄 양극 산화막을 분리한 다음, 알루미늄 기판이 형성되었던 알루미늄 양극 산화막의 측면을 5%의 인산 용액을 사용하여 부분적으로 융해시켜서 25 ± 5 nm 직경의 기공을 상하로 개방시키고 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀의 일측면에 열증착 장비에 의한 금 증착을 통하여 작업 전극(working electrode)을 형성하고, 금 도금 용액을 사용하여, 800 mV의 전압에서 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀의 기공 내에 금 나노막대를 합성하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 금 나노막대를 합성하는 단계는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀의 일측면에 형성된 작업 전극(working electrode)과, 백금 선(platinum wire)을 보조 전극 (counter electrode)으로 사용하고, Ag/AgCl 전극을 기준 전극 (reference electrode)으로 사용하는 삼전극계(three-electrode system)의 전기화학 증착법을 사용하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계는 상기 금 나노막대를 기공 내에서 성장시킨 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 실리콘 웨이퍼에 은 페이스트를 사용하여 고정시킨 후, 수산화나트륨(NaOH)용액을 사용하여 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 용해시키고, 수직방향으로 정렬되어 있는 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계는 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막을 MUA를 포함하고 있는 버퍼용액 속에 24시간동안 유지해 두어서 상기 금 나노막대 어레이 박막의 금 표면과 티올의 공유결합을 발생시키고, 카르복실 작용기를 가지는 자기조립단분자막을 형성한 후, 상기 카르복실 작용기를 가지는 자기조립단분자막과, CRP 항체의 결합을 돕기 위하여 EDC와 NHS를 에탄올에 각각 50mM의 농도로 제조한 후, 두 용액을 동일한 비율로 혼합하여 교반기내의 자기조립단분자막이 형성된 감지막에 투입하여 1시간 동안 교반시킨 다음, CRP 항체를 교반기에 투입하고 1시간동안 교반하여 센서의 감지막을 완성하는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계는 상기 금 나노막대 어레이 박막위에 고정되지 않은 CRP 항체를 인산완충용액(PBS, phosphate-buffered saline solution)을 이용하여 세척하는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 바이오물질을 측정할 수 있는 면역센서에 있어서, 나노사이즈의 기공을 가지는 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 사용하여 합성시키고, 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제거시켜서 형성한 다수의 금 나노막대 어레이가 실리콘 웨리퍼 상에 배열되고, 상기 다수의 금 나노막대 어레이에는 CRP 항체가 고정된 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서를 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 다수의 금 나노막대 어레이는 각각 직경: 25 ± 3nm, 길이: 100nm, 종횡비: 1:4의 크기 특성을 갖는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서를 제공한다.
본 발명에 의하면, 다공성인 알루미늄 양극 산화막을 주형으로 이용하여 보다 공정이 간단한 나노막대 제작공정을 최적화하여 나노막대 어레이의 균일도가 높은 면역센서 소자를 제작할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면 면역센서의 선택성을 확인하기 위하여 감지하고자하는 대상물질이 아닌 이종의 항원을 감지막에 주입하여 반사파장 특성을 분석한 결과, 제작된 면역센서는 측정하고자하는 물질에만 반응함으로 선택성이 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명에 의하여 간단한 공정절차만으로 균일도 높은 소자를 제작할 수 있고, 항원-항체 반응에 의한 감지막의 미세 굴절률과 광경로 차이의 변화를 고감도로 측정이 가능한 장점을 가진다. 특히, 본 발명의 면역센서는 추후 DNA 교배와 DNA-단백질 상호작용의 측정에 이용이 가능 할 것이며, 혈액 내 병원균 검출 센서로 활용 될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 기존의 SPR센서의 감도 향상발명에 적용할 수 있고, 금 나노점을 이용한 광학열치료 (photothermal therapy)나 바이오이미징 관련 기술개발에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법을 공정 순서에 따라서 전체적으로 도시한 플로우 다이아그램이다.
도 2a 내지 도 2l은 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법의 상세 공정을 순서에 따라서 전체적으로 도시한 공정 설명도이다.
도 3은 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법에서 사용되는 다공성 알루미늄 양극산화막 제작 장치를 도시한 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법에서 제작된 알루미늄 양극 산화막 주형틀의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법에서 제작된 금 나노막대 어레이 박막의 금 나노막대 SEM 사진이다.
도 6a는 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법에서 금 나노막대 어레이 박막에 자기조립단분자막을 형성하는 설명도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법에서 EDC와 NHS를 자기조립단분자막이 형성된 감지막에 투입하는 설명도이다.
도 6c는 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법에서 자기조립단분자막과, CRP 항체를 결합시킨 설명도이다.
도 7은 본 발명에서 제작된 금 나노막대의 다양한 색 분포를 도시한 설명도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에서 실험된 금 나노막대가 알루미늄 양극산화막의 기공 안에 포함된 상태로 측정된 스펙트럼 분포를 도시한 그래프도이다.
도 9a는 본 발명에서 실험된 면역센서에서, 다양한 농도의 CRP 항원을 측정한 이후, 감지막의 흡광도 변화를 나타낸 그래프도이다.
도 9b는 본 발명에서 실험된 면역센서에서, 감지막의 흡광도 (λmax) 증가를 도시한 그래프도이다.
도 10은 본 발명에서 실험된 면역센서에서, Tn T 항원을 감지막에 반응시키고, 흡광도를 분석한 그래프도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법(100)은, 도 1에 전체적으로 도시된 바와 같이, 순도 99.999%의 알루미늄 기판(114)으로부터 다수의 금 나노막대 어레이에 CRP 항체가 고정된 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서(200)를 제조한다.
본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법(100)은, 먼저 알루미늄 기판을 준비하는 단계(S1)가 이루어진다.
이와 같은 상기 알루미늄 기판을 준비하는 단계(S1)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기판으로서 알루미늄 포일(Aluminum foil, 99.999%)(112)을 사용하고, 전해질 용액으로는 옥살산(Oxalic acid) 0.3 M을 사용한다. 제작 과정은 알루미늄 포일(112)의 표면에 생성되어 있는 자연 산화막 및 불순물의 제거와 알루미늄 표면의 평탄화를 위하여 30% 에탄올(ethanol)과 70% 과염소산(perchloric acid) 혼합한 수용액에 알루미늄 포일(112)을 넣은 후, 20 V의 전압을 인가하여 전해연마(electro polishing)한다(도 2b 참조). 그리고, 알루미늄 포일(112) 표면의 자연산화막 및 불순물을 제거하여 순수 알루미늄 기판(114)을 준비하게 된다(도 2c 참조).
그리고 다음으로는 상기 알루미늄 기판(114)을 이용하여 알루미늄 양극 산화막을 제작하는 단계(S2)가 이루어지는데, 이는 순도 99.999%의 알루미늄 기판(114)을 이용하여 2차에 걸쳐서 알루미늄 양극 산화막(122)을 제작하게 되고, 이는 도 3에 도시된 바와 같은 다공성 알루미늄 양극산화막 제작 장치(130)를 사용한다.
도 3에 도시된 다공성 알루미늄 양극산화막 제작 장치(130)는 전해조(132)의 일측에 순환장치(134)가 배치되고, 전해조의 하부에는 고온 플레이트(136)가 배치되며, 전해조(132)의 타측에는 전원 공급장치(138)가 구비된다. 또한 전해조(132)의 내부에는 전해질 용액(132a)이 담겨지고, 전해질 용액(132a)내에는 양극에 알루미늄 기판(114)이 장착되고, 탄소 전극(142)과 교반 바(144) 등이 구비되어 전해 작용이 이루어진다.
먼저, 1차 양극산화에서는 전해 연마된 알루미늄 기판(114)을 전해질 용액(132a)에 넣은 후 양극에 장착된 알루미늄 기판(114)에 전원을 인가하고, 상대전극으로는 탄소 전극(142)을 사용하여 40 V의 전압으로 9℃에서 양극산화한다(도 2d 참조). 2차 양극산화를 하기 위해서 1차 양극산화 후 생성된 양극산화막을 크롬산(chromic acid) 1.8 wt%과 인산(phosphoric acid) 6 wt%를 혼합한 수용액 내에서 90분 동안 60℃ 온도로 1차 양극산화된 알루미늄 산화막을 제거한다(도 2e 참조).
마지막으로 2차 양극 산화 방법은 1차 양극 산화 방법과 동일한 방법을 사용하여 양극산화시키고, 30㎛ 두께를 가지고, 기공(P) 크기가 25 ± 5 nm 직경으로 균일하게 분포되어 있는 알루미늄 양극 산화막(122)을 제조한다(도 2f 참조). 이와 같은 2차 양극산화에서는 3 시간동안 양극산화를 진행하는 것이 바람직하다.
또한 다음으로는 상기 알루미늄 양극 산화막(122)으로부터 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계(S3)가 이루어진다.
이와 같은 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계(S3)는 기공(P) 직경 25 ± 5 nm의 알루미늄 양극 산화막(122)이 형성된 알루미늄 기판(114)을 2차염화수은 용액에 2 시간 침지하여 알루미늄 기판(114)을 융해시키고, 알루미늄 양극 산화막(122)을 알루미늄 기판(114)으로부터 분리시킨다(도 2g 참조).
또한 알루미늄 기판(114)이 형성되었던 알루미늄 양극 산화막(122)의 측면(122a)을 5%의 인산 용액을 사용하여 부분적으로 융해시켜서 25 ± 5 nm 직경의 기공(P)을 상하로 개방시키고 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)을 제작한다(도 2h 참조).
이와 같은 경우, 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)의 제조시, 알루미늄 기판(114)과 접합한 측면(122a)의 경우, 기공(P)이 형성되어 있지 않기 때문에 5%의 인산 용액을 사용하여 접합되어 있던 부분을 부분적으로 녹여냄으로서 기공(P)을 개방시켜 금속 나노막대를 형성시킬 수 있는 주형틀(152)을 제조한다.
이와 같은 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)은 그 기공(P)의 깊이가 1 ㎛를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명자는 면역센서(200)에 적용하기 위한 사전 실험으로 소자의 주변물질의 굴절률 변화에 대한 감지막의 반사파장 변화를 측정하였다.
그 측정결과, 747 nm/RIU의 높은 감도특성을 나타내었으며, 금 증착의 유무에 따른 감도특성 실험 결과, 금이 증착 되었을 때의 감도가 약 5배 향상됨을 확인할 수 있었다. 이러한 감도특성은 기존의 유사한 구조를 가지는 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 나노구조체 센서와 비교하여 그 특성이 우수함을 확인하였다. 또한 간섭현상에 의한 감도변화 평가를 위해 기공(P)의 깊이(1 ~ 5 ㎛) 변화에 따른 감도변화를 측정한 결과, 1 ㎛의 두께를 가지는 양극 산화막(122)이 센서칩으로 활용하였을 때 가장 좋은 감도를 나타내었다.
그 이유는 양극 산화막(122)의 두께가 얇아질수록 바이오물질의 고정으로 인한 유효광학두께의 상대적 변화가 커지기 때문인 것으로 확인되었다. 그러나 기공(P)의 깊이가 1 ㎛ 이하의 알루미늄 양극 산화막(122)은 표면의 정렬도에 대한 신뢰성이 낮았으며, 본 실험은 1 ㎛의 알루미늄 양극 산화막(122)을 사용하여 진행하였다.
도 4는 본 발명에서 제작된 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)의 SEM 사진이다.
도 4의 사진에서 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)의 기공(P) 크기는 25 ± 5 nm 직경으로 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법(100)은 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계(S4)가 이루어진다.
이와 같은 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계(S4)는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)의 일측면에 열증착 장비(미 도시)에 의한 금 증착을 통하여 작업 전극(working electrode)(154)을 형성하고(도 2i 참조), 금 도금 용액을 사용하여, 800 mV의 전압에서 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)의 기공(P) 내에 금 나노막대(Pa)를 합성하여 성장시킨다(도 2j 참조).
즉, 이와 같은 단계에서, 금 나노막대(Pa)의 합성은 알루미늄 양극 산화막(122)을 사용한 주형제조 방법(template method)을 사용하는 전기화학 증착법을 사용한다.
우선, 부도체인 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)의 한쪽면을 열증착 장비를 사용하여 금을 증착하여 작업 전극(working electrode)(154)을 형성하고(도 2i 참조), 백금 선(platinum wire)을 보조 전극 (counter electrode)으로 사용하며, Ag/AgCl 전극을 기준 전극 (reference electrode)으로 사용하여 삼전극계(three-electrode system)를 형성한 다음, 금 도금 용액(orotemp 24 gold plating solution, TECHNIC INC.)을 사용하여, 800 mV 전압에서 기공(P) 내에 금 나노막대(Pa)를 합성한다(도 2j 참조).
이때, 금 나노막대(Pa)의 길이는 전기화학 증착설비의 테플론 챔버를 통과한 전하량 또는 전기 증착 시간에 비례하여 결정된다.
그리고 다음으로는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계(S5)가 이루어진다.
이와 같이 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계(S5)는 상기 금 나노막대(Pa)를 기공(P) 내에서 성장시킨 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)을 실리콘 웨이퍼(156)에 은 페이스트를 사용하여 고정시킨 후(도 2k 참조), 수산화나트륨(NaOH)용액을 사용하여 알루미늄 양극 산화막 주형틀(152)을 용해시키고, 수직방향으로 정렬되어 있는 금 나노막대 어레이 박막(160)을 제조하게 된다(도 2l 참조).
도 5는 본 발명에서 제작된 금 나노막대 어레이 박막(160)의 금 나노막대 SEM 사진이다. 도 5의 사진은 제조된 금 나노막대(Pa) 어레이의 윗면을 약 30°기울여서 촬영한 결과이다. 도 5에서 도시된 금 나노막대(Pa)는 25 ± 3 nm 의 직경이 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있고, 제작된 금 나노막대(Pa)의 길이는 SEM 사진 판독 결과 100 nm이며, 종횡비는 1 : 4 이다.
다음으로, 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법(100)은 금 나노막대(Pa)가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막(160)위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계(S6)가 이루어진다.
이와 같은 센서의 감지막을 제작하는 단계(S6)는 상기 금 나노막대(Pa)가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막(160)을 멀캡토 언데카노익 에시드(Mercapto Undecanoic Acid; 이하 MUA)를 포함하고 있는 버퍼용액 속에 24시간 동안 유지해 두어서 상기 금 나노막대 어레이 박막(160)의 금 표면과 티올의 공유결합을 발생시키고, 카르복실 작용기를 가지는 자기조립단분자막을 형성한다(도 6a 참조).
그리고 다음으로는 상기 카르복실 작용기를 가지는 자기조립단분자막과, CRP 항체의 결합을 돕기 위하여 EDC(1-ethyl-3(3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide)와 NHS(N-hydroxysuccinimide)를 에탄올에 각각 50mM의 농도로 제조한 후, 두 용액을 동일한 비율로 혼합하여 교반기내의 자기조립단분자막이 형성된 감지막에 투입하여 1시간 동안 교반시킨다(도 6b 참조).
또한 다음으로는 CRP 항체를 교반기에 투입하고 1시간동안 교반하여 센서의 감지막을 완성한다(도 6c 참조). 그리고 상기 금 나노막대 어레이 박막(160) 위에 고정되지 않은 CRP 항체는 인산완충용액(PBS, phosphate-buffered saline solution)을 이용하여 세척하여 제거한다.
이와 같이 본 발명은 다공성 알루미늄 양극산화막을 사용하는 주형틀(152) 제조방법과, 전기화학 증착법으로 금 나노막대 어레이 박막(160)을 제작하고, 나노 면역센서 분야 중 가장 주목을 받고 있는 LSPR 원리를 이용한 면역센서(200)를 제작할 수 있다.
<실험 예 1>
본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법(100)에서 얻어진 금 나노막대(Pa)의 광학적 특성을 분석하기 위하여 아래 표 1과 같이, 길이와 직경을 변화시켜 다양한 종횡비를 갖는 금 나노막대(Pa)를 제작하고, 각각의 광학적 특성을 분석하였다.
샘플 A B C D
직경(nm) 200 75 ± 5 25 ± 3 25 ± 3
길이(nm) 200 200 100 200
색상 회색(Gray) 청색 + 보라색
(Blue + Violet)		 핑크색(Pink) 적색(Red)
종횡비
(Aspect ratio)		 1 : 1 1 : 2.6 1 : 4 1 : 8
흡수 스펙트럼
λmax(nm)		 560 555 524 517
도 7은 제작된 금 나노막대(Pa)의 다양한 색 분포를 보여준다.
도 7에서 금 나노막대(Pa)는 그 직경에 따른 분명한 색의 변화를 관찰 할 수 있으며, 또한 동일한 직경일지라도 성장된 길이가 변화함에 따라 다른 색상을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이와 같은 금 나노막대(Pa)의 경우, 그 형태의 비등방성으로 인해 외부의 빛이 통과하는 두 가지 경로의 표면 플라즈몬 모드를 갖는다. 이는 금 나노막대(Pa)의 단축(직경)을 따라 발생하는 횡 모드(transverse mode)와, 장축(길이)을 따라 발생하는 종 모드(longitudinal mode)로 나누어진다. 본 발명에서와 같이 금 나노막대(Pa)를 직경방향으로 측정할 경우, 직경방향의 종 모드(transverse mode)만 측정된다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에서 실험된 금 나노막대(Pa)가 알루미늄 양극산화막의 기공(P) 안에 포함된 상태로 측정된 스펙트럼 분포로서, 금 나노막대(Pa)의 가시광영역에서의 흡수 스펙트럼을 측정하였을 시, 그 직경 및 길이에 따라 횡 모드(transverse mode)의 λmax (최대 흡광)의 위치가 변화됨을 나타내고 있다.
심험의 측정 결과를 바탕으로 금 나노막대(Pa)의 종횡비가 증가함에 따라 흡수 스펙트럼의 횡 모드(transverse mode) λmax가 미약하게 단파장 영역으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 원기둥 형태의 금 나노막대(Pa)의 흡수 스펙트럼에 대한 이론적인 예측과 부합한다.
상기 표 1에 종횡비의 증가에 따른 흡수 스펙트럼 λmax의 이동을 나타내었다. 또한, 이를 기반으로 본 발명에서 추구하고자하는 면역센서(200)에 가장 적합한 금 나노막대(Pa)의 형태(직경: 25 nm, 길이: 100nm, 종횡비: 1:4)를 선정하였다.
상기와 같이 본 발명에서는 다공성인 양극산화 알루미늄 박막 주형틀(152)을 이용하여 다양한 종횡비를 가지는 금 나노막대(Pa)를 합성하고, 금 나노막대(Pa)가 수직으로 어레이된 형태의 박막을 제작하였다. 모든 측정은 감지막에 수직한 방향 (나노막대의 단축 윗면)으로 광을 조사하여 단축방향에서 발생하는 횡방향 모드(transverse mode)에 대한 흡광도 변화량을 감지신호로 측정하였다.
이와 같이 금 나노막대(Pa)의 광학적 특성은 직경에 따른 분명한 색의 변화를 관찰 할 수 있으며, 또한 동일한 직경일지라도 성장된 길이가 변화함에 따라 다른 색상을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한, 측정 결과를 바탕으로 나노막대의 종횡비가 증가함에 따라 흡수 스펙트럼의횡 모드(transverse mode) λmax가 미약하게 단파장 영역으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
<실험 예 2>
본 발명에서 제작된 금 나노막대 어레이 면역센서(200)의 응답특성을 파악하기 위하여 일련의 실험을 실행하였다.
본 발명의 다공성 양극산화막을 주형틀(152)로서 이용하여 보다 공정이 간단한 금 나노막대 제작방법(100)으로 금 나노막대(Pa)가 균일하게 어레이된 소자를 제작하였다. 제작된 소자의 면역센서(200)로서의 응용가능성을 평가하기 위하여 심장질환의 진단 물질로 알려진 CRP에 대한 농도별 응답 특성을 측정하였다.
실험순서는 다음과 같다. 금 나노막대 어레이 면역소자(200)의 표면에 항체의 고정 확률을 최대화 하기 위하여 300 ㎍/㎖의 고농도로 CRP의 항체를 도입하였으며, CRP 항원의 농도는 10 ag/㎖, 10 fg/㎖, 10 pg/㎖, 10 ng/㎖, 10 ㎍/㎖, 100 ㎍/㎖로 저농도에서 고농도 순으로 실험하였다.
CRP 항체를 고정하여 완성된 감지막의 비특이적 흡착을 제거하기 위해 Tris-HCl 완충용액으로 세척한 후 기준 흡광도를 측정하였다. 제작된 시스템의 측정 신뢰도를 향상하기 위하여, CRP 항원은 반응챔버 내에 주입되어 감지막과 반응하게 하였으며 감지막의 반사파장은 실시간으로 측정되었다. 항원-항체 반응이 완료된 이후, 비특이적 반응을 제거하기 위해 감지막을 Tris-HCl 완충용액으로 수차례 세척하였다.
도 9a는 다양한 농도의 CRP 항원을 측정한 이후, 감지막의 흡광도 변화를 나타낸 것이다. 챔버내에 주입된 항원의 농도가 증가할수록 반응 후 측정된 감지막의 흡광도가 증가하였다. 실험에 사용된 10 ag/㎖ 농도의 항원에 대한 흡광도의 변화는 측정되지 않았으며, 최저 측정농도는 10 fg/㎖ 이었다. CRP 항원의 정량적 측정을 통하여 제작된 센서칩이 넓은 측정대역과 높은 민감도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 100 ㎍/㎖ 이상의 CRP 항원 농도에서는 큰 흡광도 변화는 측정되지 않았다. 이것은 주입된 항원에 대비해 감지막에 고정된 항체와의 반응이 포화 되었음을 나타낸다. 고농도의 항원은 비특이적 흡착의 가능성이 높지만, 그것을 고려하더라도 각 농도에 대한 흡광도의 변화가 잘 구분되어짐을 알 수 있었다. 전체결과를 바탕으로 흡광도 (λmax)의 증가를 도 9b로 나타내었다.
그리고, 센서의 선택성을 확인하기 위하여 감지하고자하는 대상물질이 아닌 Tn T 항원을 감지막에 반응시켜 흡광도를 분석하였다. 도 10에서와 같이 CRP 항체 300 ㎍/㎖이 고정된 면역센서(200)칩의 기준 흡광도를 측정하고, Tn T 항원 10 ㎍/㎖을 주입한 결과 흡광도의 변화가 일어나지 않음을 확인하였다. Tris-HCl 완충용액으로 감지막을 세척한 이후, CRP 항원 10 ㎍/㎖을 주입하여 흡광도가 증가함을 확인하였다. 결과적으로 제작된 센서칩은 선택성을 가지고 측정하고자하는 물질에만 반응함을 확인하였다.
이와 같이 본 발명에 의하여 제작된 센서칩의 항원-항체 반응에 대한 응답특성을 평가하기 위하여, 심장질환 바이오마커로 잘 알려진 Tn T에 대한 실험을 진행하고, Tn T의 항원-항체 반응에 의한 반사파장의 적색편이 정도를 분석한 결과 반사파장은 100배 비율의 농도당 약 2 ㎚의 파장 이동 특성을 보였으며, 측정 한계는 100 pg/㎖의 농도까지 측정할 수 있었다. 100 ㎍/㎖ 이상의 CRP 항원 농도에서는 큰 흡광도 변화는 측정되지 않았다. 이것은 주입된 항원에 대비해 감지막에 고정된 항체와의 반응이 포화 되었음을 나타낸다.
고농도의 항원은 비특이적 흡착의 가능성이 높지만, 그것을 고려하더라도 각 농도에 대한 흡광도의 변화가 잘 구분되어짐을 알 수 있었다. 센서의 선택성을 확인하기 위하여 감지하고자하는 대상물질이 아닌 이종의 항원을 감지막에 주입하여 반사파장 특성을 분석한 결과 제작된 센서칩은 측정하고자하는 물질에만 반응함으로 선택성이 우수함을 확인하였다.
상기와 같이 본 발명에서는 LSPR 현상과 간섭현상이 동시에 일어나는 금 나노구조체 소자와 LSPR 현상이 일어나는 금 나노막대 어레이 소자를 개발하여 면역센서(200) 시스템을 제작하고, 면역센서(200)로서의 응답특성을 평가하였다.
본 발명은 LSPR현상이 일어나는 나노구조체를 간단한 공정으로 균일하게 제작할 수 있는 양극산화방법 대한 최적화된 공정 조건을 확립하여 양극산화시간과 전해질 용액의 종류에 따라 원하는 기공(P)의 깊이와 직경의 조절이 가능하며, 높은 균일도로 인한 뚜렷한 간섭 패턴을 나타내는 다공성 나노구조체를 제작할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 정량적 측정을 통하여 제작된 면역센서(200)가 넓은 측정대역과 높은 민감도를 가지고 있음을 확인하였으며, 측정 한계는 CRP 항원만 주입한 경우 1 fg/㎖이며, 샌드위치 면역 분석법을 적용한 경우 측정한계는 100 ag/㎖였다. CRP 항원-항체 반응에 의한 반사파장의 이동과 샌드위치 면역분석법을 적용한 결과를 비교한 결과 금 나노점이 접합된 CRP 항체 반응 후의 감도가 약 2배 향상 되었다. 이러한 결과는 금 나노점이 접합된 CRP 항체를 이용하여 샌드위치 면역분석법을 통해 제작된 면역센서 시스템의 감도를 향상 시켰음을 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 많은 발명이 이루어지고 있는 다양한 종류의 표면 플라즈몬 면역센서(200)의 감도 향상을 위한 적용가능성을 제시한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법(100) 및 이를 이용하여 제작된 면역센서(200)에 의하면 간단한 공정절차만으로 균일도 높은 소자를 제작할 수 있으며, 항원-항체 반응에 의한 감지막의 미세 굴절률과 광경로 차이의 변화를 고감도로 측정이 가능한 장점을 가진다.
본 발명에 따라 제작된 면역센서(200)는 추후 DNA 교배와 DNA-단백질 상호작용의 측정에 이용가능 할 것이며, 혈액 내 병원균 검출 센서로도 활용 될 수 있을 것이다. 또한 기존의 SPR센서의 감도 향상기술에 적용할 수 있을 것이며, 금 나노점을 이용한 광학열치료 (photothermal therapy)나 바이오이미징 관련 발명에 적용될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 수정 또는 변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.
100: 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법
112: 알루미늄 포일 114: 알루미늄 기판
122: 알루미늄 양극 산화막 122a: 측면
130: 양극산화막 제작 장치 132: 전해조
132a: 전해질 용액 134: 순환장치
136: 고온 플레이트 138: 전원 공급장치
142: 탄소 전극 144: 교반 바
152: 알루미늄 양극 산화막 주형틀
154: 작업 전극 156: 실리콘 웨이퍼
160: 금 나노막대 어레이 박막 200: 면역센서
P: 기공 Pa: 금 나노막대
S1: 알루미늄 기판을 준비하는 단계
S2: 알루미늄 기판을 이용하여 알루미늄 양극 산화막을 제작하는 단계
S3: 알루미늄 양극 산화막으로부터 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계
S4: 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계
S5: 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계
S6: 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계

Claims (11)

  1. 바이오물질을 측정할 수 있는 면역센서의 제작방법에 있어서,
    알루미늄 기판을 준비하는 단계;
    상기 알루미늄 기판을 이용하여 알루미늄 양극 산화막을 제작하는 단계;
    상기 알루미늄 양극 산화막으로부터 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계;
    상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계;
    상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계; 및
    상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계;를 포함하고,
    상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 단계는 일정크기의 기공 직경을 갖는 알루미늄 양극 산화막이 형성된 알루미늄 기판을 2차 염화수은 용액에 일정시간 침지하여 알루미늄 기판을 융해시키고, 알루미늄 양극 산화막을 분리한 다음, 알루미늄 기판이 형성되었던 알루미늄 양극 산화막의 측면을 인산 용액을 사용하여 부분적으로 융해시켜서 일정크기 직경의 기공을 상하로 개방시키고 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제작하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 기판을 준비하는 단계는 알루미늄 포일을 에탄올(ethanol)과 과염소산(perchloric acid) 혼합용액에서 일정세기의 전압을 가하여 전기적 표면 연마를 진행하고, 알루미늄 포일 표면의 자연산화막 및 불순물을 제거하여 순수 알루미늄 기판을 마련하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 기판을 이용하여 알루미늄 양극 산화막을 제작하는 단계는 황산(sulfuric acid)을 산용액으로 사용하고, 일정세기의 전압으로 일정온도에서 1차 양극산화시키며, 상기 1차 양극산화 후 생성된 양극산화막을 크롬산(chromic acid)과 인산(phosphoric acid)를 혼합한 수용액 내에서 일정시간 동안 일정온도로 1차 양극산화된 알루미늄 산화막을 제거한 후, 1차 양극 산화 방법과 동일한 방법을 사용하여 2차 양극산화시키고, 일정두께를 가지고, 기공 크기가 일정크기의 직경으로 균일하게 기공 직경을 가지는 알루미늄 양극 산화막을 제조하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 사용하여 금 나노막대를 합성하는 단계는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀의 일측면에 열증착 장비에 의한 금 증착을 통하여 작업 전극(working electrode)을 형성하고, 금 도금 용액을 사용하여, 일정세기으 전압에서 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀의 기공 내에 금 나노막대를 합성하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 금 나노막대를 합성하는 단계는 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀의 일측면에 형성된 작업 전극(working electrode)과, 백금 선(platinum wire)을 보조 전극 (counter electrode)으로 사용하고, Ag/AgCl 전극을 기준 전극 (reference electrode)으로 사용하는 삼전극계(three-electrode system)의 전기화학 증착법을 사용하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 제거시켜서 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 단계는 상기 금 나노막대를 기공 내에서 성장시킨 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 실리콘 웨이퍼에 은 페이스트를 사용하여 고정시킨 후, 수산화나트륨(NaOH)용액을 사용하여 알루미늄 양극 산화막 주형틀을 용해시키고, 수직방향으로 정렬되어 있는 금 나노막대 어레이 박막을 제조하는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계는 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막을 MUA를 포함하고 있는 버퍼용액 속에 일정시간동안 유지해 두어서 상기 금 나노막대 어레이 박막의 금 표면과 티올의 공유결합을 발생시키고, 카르복실 작용기를 가지는 자기조립단분자막을 형성한 후, 상기 카르복실 작용기를 가지는 자기조립단분자막과, CRP 항체의 결합을 돕기 위하여 EDC와 NHS를 에탄올에 각각 일정 농도로 제조한 후, 두 용액을 동일한 비율로 혼합하여 교반기내의 자기조립단분자막이 형성된 감지막에 투입하여 일정시간 동안 교반시킨 다음, CRP 항체를 교반기에 투입하고 일정시간 교반하여 센서의 감지막을 완성하는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 금 나노막대가 정렬된 금 나노막대 어레이 박막위에 CRP 항체를 고정하여 센서의 감지막을 제작하는 단계는 상기 금 나노막대 어레이 박막위에 고정되지 않은 CRP 항체를 인산완충용액(PBS, phosphate-buffered saline solution)을 이용하여 세척하는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 금 나노막대 어레이를 이용한 면역센서의 제작방법.
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