KR101551876B1 - 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법 - Google Patents

플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 떠다니는 성질을 가진 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하기 위한 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 민감도를 가지며 안정적인 구조로 반복적인 사용이 가능한 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서는 기판; 상기 기판 상에 정제된 반도체성 탄소나노튜브가 패턴화하여 일 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 패턴층; 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 일측에 배치된 소스 전극; 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 타측에 배치된 드레인 전극; 및 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되어 그 사이에 배치된 플로팅 전극을 포함하여 반복 사용가능한 것을 특징으로 한다.

Description

플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법{Biosensor based on carbon nanotube using floating electrode and Manufacturing method of the same and Measuring method of electrophysiological responses from a non-adherent cell}
본 발명은 떠다니는 성질을 가진 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하기 위한 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 민감도를 가지며 안정적인 구조로 반복적인 사용이 가능한 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서에 관한 것이다.
세포의 생리학적 반응을 전기적 신호로 측정하기 위해서는 높은 민감도를 가지는 센서가 필요하다.
세포의 전기생리학적 반응을 측정하기 위한 종래기술로는 주로 마이크로 전계 효과 트랜지스터(FET) 또는 미세 전극 센서(electrode sensor)가 있다. 이들은 센서에 쉽게 부착하는 성질을 가진 부착성 세포(adherent cell)의 전기생리학적 반응을 측정하는데 활용되고 있다.
최근 들어 높은 민감도를 가지고 다양한 세포들의 전기생리학적 반응을 모니터링할 수 있는 나노스케일의 센서에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 기존 나노소자를 이용한 센서들은 암 세포와 같이 바닥에 붙지 않고 떠다니는 성질을 가진 비부착성 세포(non-adherent cell)에 대해서는 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 비부착성 세포의 경우 세포의 위치가 유동적이기 때문에 생리학적 반응을 실시간으로 관찰하기 어려운 특성을 가지고 있다.
한편, 나노소자 중 하나인 탄소나노튜브는 일차원적인 구조와 반도체적인 특성 때문에 높은 민감도를 요구하는 바이오센서의 주요 소자로 활용되고 있다. 그러나, 기존 탄소나노튜브를 이용한 바이오센서의 경우 한번 사용한 소자는 다시 사용할 수 없는 경우가 많기 때문에 여러 개의 소자를 이용하여 세포의 반응을 측정하는 것이 일반적이다. 즉, 종래의 바이오센서는 세포가 탄소나노튜브 소자에 흡착되었을 때 물리적으로 변형되어 다시 사용할 수 없는 문제점이 있다.
그리고, 탄소나노튜브 소자는 각각 마다 전도도, 민감도 등의 특성이 완전히 일치하는 것이 아니기 때문에 같은 크기의 신호에 대해서 다른 크기의 반응을 나타낼 수 있다. 이로 인해 측정 결과들을 비교하기 어려워서 통계적으로 의미있는 정량적인 결과를 얻을 수 없는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2011-0116791호 한국공개특허 제2008-0025489호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 떠다니는 성질을 가진 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 높은 민감도로 측정할 수 있는 탄소나노튜브 기반 바이오센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브 소자의 물리적인 변형을 방지할 수 있는 안정적인 구조를 제공하여 다수의 비부착성 세포에 대하여 반복적으로 측정할 수 있는 플로팅 전극을 이용한 바이오센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서는
기판; 상기 기판 상에 정제된 반도체성 탄소나노튜브가 패턴화하여 일 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 패턴층; 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 일측에 배치된 소스 전극; 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 타측에 배치된 드레인 전극; 및 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되어 그 사이에 배치된 플로팅 전극을 포함하여 반복 사용가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 바이오센서는 게이트 바이어스 전압을 인가하기 위해 완충용액 속에 게이트 전극을 위치시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판은 유리 또는 실리콘으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 패턴층은 단일벽 탄소나노튜브로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탄소나노튜브 패턴층은 탄소나노튜브 용액을 스핀 코팅하여 정렬시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 플로팅 전극은 1개가 구비되거나, 복수개가 구비되어 상기 정렬 방향을 기준으로 일정 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 소스 전극, 드레인 전극 및 플로팅 전극은 포토리소그래피를 이용하여 상기 전극 모양을 패턴하고, 열증착법을 이용하여 Pd(팔라듐)/Au(금) 층을 증착한 뒤 리프트-오프법을 적용하여 제조될 수 있다.
이때, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이의 채널 부위를 제외한 나머지 부위를 산화 알루미늄으로 패시베이션 처리하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은
세척된 기판을 준비하는 단계(S110); 정제된 반도체성 탄소나노튜브의 용액을 상기 기판 상에 스핀 코팅하여 정렬된 탄소나노튜브 패턴층을 형성하는 단계(S120); 및 상기 기판 상에 소스 전극 및 드레인 전극과, 그 사이에 이격 배치되는 적어도 1개 이상의 플로팅 전극을 상기 탄소나노튜브의 정렬 방향으로 형성하는 단계(S130)를 포함하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 제조방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 패턴층을 형성하는 단계(S120)는 상기 분말 형태의 단일벽 탄소나노튜브를 초음파 처리를 통해 디클로로벤젠에 분산시키는 단계와, 상기 분산된 탄소나노튜브 용액을 3000 ~ 7000rpm의 속도로 상기 기판에 스핀 코팅하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소스 전극, 드레인 전극 및 플로팅 전극을 형성하는 단계(S130)는, 포토레지스트에 상기 전극 모양을 패턴하는 단계와, 상기 포토레지스트를 이용하여 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에 Pd(팔라듐)/Au(금) 층을 증착하는 단계 및 리프트 오프법을 이용한 전극 제작 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 리프트 오프를 통한 전극 제작 단계 이후에, 상기 탄소나노튜브 패턴층과 상기 전극들 상에 산화 알루미늄층을 형성하고, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이의 채널 부위에 형성된 산화 알루미늄을 에칭 처리하여 제거하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기와 같은 본 발명의 목적은 앞서 설명한 바이오센서와, 측정하고자 하는 비부착성 세포를 게이트 전극이 연결된 완충용액에 넣는 단계(S210)와, 마이크로 피펫을 이용하여 상기 비부착성 세포를 상기 바이오센서의 전극 위에 올리는 단계(S220) 및 상기 비부착성 세포를 누른 상태에서 니코틴 용액을 주입하면서 상기 바이오센서의 소스-드레인 전류를 측정하는 단계(S230)를 포함하는 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이때, 상기 비부착성 세포는 소세포성 폐암 세포와 같은 암 세포일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서는 정제된 반도체성 탄소나노튜브가 일 방향으로 정렬된 패턴층을 구비하여 세포의 전기생리학적인 반응을 높은 on-off 비율로 민감하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 바이오센서는 탄소나노튜브 패턴층 위에 소스 전극, 플로팅 전극 및 드레인 전극이 탄소나노튜브의 정렬 방향으로 이격되어 배치되는 구조를 가진다. 이때, 플로팅 전극이 정렬된 탄소나노튜브를 고정하게 되어 외부의 물리적인 충격에 대하여 안정적인 구조를 제공한다.
이로 인해, 본 발명에 따른 바이오센서는 하나의 세포에 대하여 전기생리학적인 반응을 모니터링한 후 다른 세포들에 대하여 반복 사용이 가능하다. 즉, 하나의 바이오센서를 이용하여 다수의 세포에 대한 측정값을 얻을 수 있기 때문에 통계적으로 의미있는 정량적인 측정이 가능하다.
나아가, 본 발명에 따른 비부착성 세포의 전기생리학적인 반응을 측정하는 방법은 비부착성 세포에 작용하는 각종 약물의 효과를 실시간으로 모니터링할 수 있어 바이오, 의학 및 약학 분야의 연구에 강력한 도구로 활용될 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서를 나타내는 사시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 바이오센서의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 AFM 이미지를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 바이오센서의 게이트 특성을 보여주는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 제조방법을 나타내는 흐름도이고,
도 6은 도 3의 제조방법을 설명하기 위한 참고도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비부착성 세포의 생리학적 반응을 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이고,
도 8은 도 7의 방법을 설명하기 위한 참고도이고,
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 바이오센서를 이용한 실험예를 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 본 발명의 바이오센서를 다수의 세포에 대하여 반복 사용한 실험예를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우에는 그에 대한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
( 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서)
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 바이오센서의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서(1)는 암 세포 중 최근 중요하게 다루어지고 있는 비부착성 세포(non-adherent cell)의 전기생리학적 반응을 정량적으로 측정하고 모니터링하기 위한 것으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 기판(10), 탄소나노튜브 패턴층(20), 소스 전극(32), 드레인 전극(34) 및 플로팅 전극(36)을 포함하여 구성된다.
기판(substrate)(10)은 유리(glass) 또는 실리콘(SiO2)으로 이루어진 고체 기판이 사용될 수 있다. 본 실시예에 의하면 피라나(piranha) 세정 공정을 통해 깨끗하게 세척된 유리 기판을 사용하였다.
탄소나노튜브 패턴층(20)은 정제된 반도체성 탄소나노튜브(purified semiconducting CNT)를 상기 기판(10) 상에 일 방향으로 정렬시켜 패턴화한 것이다. 이때, 탄소나노튜브 패턴층(20)은 센서의 민감도를 더욱 높이기 위해 단일벽(single wall)의 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 다중벽(multi wall)의 탄소나노튜브를 사용할 수도 있다.
본 실시예에 의하면, 탄소나노튜브는 0.7 ~ 2nm의 직경과, 2 ~ 3μm의 길이를 가진 단일벽 탄소나노튜브를 사용하였다. 그리고, 탄소나노튜브 패턴층(20)은 탄소나노튜브 용액을 스핀 코팅(spin coating)하여 형성된다.
소스 전극(source electrode)(32)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브 패턴층(20) 상에서 탄소나노튜브의 정렬 방향의 일측에 배치된다. 그리고, 드레인 전극(drain electrode)(34)은 탄소나노튜브 패턴층(20) 상에서 탄소나노튜브의 정렬 방향의 타측에 배치된다.
플로팅 전극(floating electrode)(36)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브 패턴층(20) 상에서 소스 전극(32) 및 드레인 전극(34)과 이격되어 그 사이에 배치된다. 플로팅 전극(36)은 1개가 구비되거나, 복수개가 구비되어 탄소나노튜브의 정렬 방향을 기준으로 일정 간격으로 배치된다. 즉, 플로팅 전극(36)의 길이 방향은 탄소나노튜브의 정렬 방향과 직교하게 된다.
본 실시예에 의하면, 플로팅 전극(36)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 3개가 구비되어 소스 전극(32)과 드레인 전극(34) 사이에서 일정 간격으로 배치된다.
한편, 소스 전극(32), 드레인 전극(34) 및 플로팅 전극(36)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 폭과 길이를 가지며, 일정한 두께로 형성된다.
구체적으로 상기 전극들(32, 34, 36)은 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 전극 모양을 패턴하고, 열증착법(thermal deposition)을 이용하여 Pd(팔라듐)/Au(금) 층을 형성한 뒤 리프트-오프법(lift-off)을 적용하여 제조된다.
그리고, 소스 전극(32)과 드레인 전극(34) 사이의 채널 부위를 제외한 나머지 부위는 산화 알루미늄으로 패시베이션(passivation) 처리된다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
상술한 다수의 전극들(32, 34, 36)은 그 상면에 비부착성 세포가 안착되어 세포의 전기생리학적인 반응을 측정하게 된다. 이때, 플로팅 전극(36)은 하부에 배치된 탄소나노튜브 패턴층(20)의 탄소나노튜브를 고정하게 된다. 이와 같은 안정적인 구조를 가진 바이오센서(1)는 다수의 세포에 대하여 반복적인 사용이 가능하다.
상술한 바와 같은 구조를 가진 본 발명에 따른 바이오센서(1)는 완충용액(미도시)에 넣어 사용하게 된다. 이때, 완충용액에는 와이어 형태의 게이트 전극이 연결되며, 게이트 전극을 통해 인가되는 게이트 바이어스 전압(gate bias voltage)의 변화에 따라 탄소나노튜브 소자의 전도도가 변하게 된다. 이는 탄소나노튜브 소자가 전위의 변화를 감지할 수 있는 센서로 사용될 수 있다는 것을 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. 도 3에 의하면 플로팅 전극은 대략 2㎛의 폭과, 12㎛의 길이를 가지며, 3개가 형성되어 있다. 그리고, 탄소나노튜브는 소스 전극과 드레인 전극을 연결하는 채널 방향으로 정렬되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 탄소나노튜브의 정렬 상태는 금속성 경로(metalic paths)가 형성되는 것을 줄임으로써 바이오센서의 민감도를 향상시키게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오센서의 게이트 특성을 보여주는 그래프이다. 도 4에 도시된 게이트 특성 곡선은 앞서 설명한 게이트 전극에 가해지는 전압 변화에 의해 얻어진다. 이때, 본 실시예에 의하면 게이트 전극은 Ag/AgCl 전극을 사용하였으며, 소스-드레인 바이어스 전압을 0.1V로 유지하고 게이트 바이어스 전압(Vlg)을 -0.5V에서 +0.5V로 변화시키면서 소스-드레인 전류를 측정하였다.
도 4의 그래프에 의하면, on-off 비율(ratio)이 105을 넘어 높은 민감도를 가짐을 나타낸다. 그리고, 게이트 바이어스 전압이 음(-)에서 양(+)의 값으로 갈수록 소스-드레인 전류가 급격하게 감소되는데, 이는 탄소나노튜브 소자의 전형적인 p-type 특성을 보여준다. 특히, 게이트 바이어스 전압이 양(+)의 값을 가지게 되면서 턴-오프(turn off)되는데, 이는 바이오센서의 적용에 있어 이상적인 특성을 나타낸다.
한편, 본 발명에 따른 바이오센서는 탄소나노튜브의 정렬 상태가 더욱 개선되거나, 탄소나노튜브의 반도체성이 높아질수록 금속성 경로(metalic paths)가 형성되는 것이 억제되어 센서의 트랜스컨덕턴스(transconductance)가 더욱 개선될 수 있다.
(바이오센서의 제조방법)
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서의 제조방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 제조방법을 나타내는 흐름도이고, 도 6은 도 5의 제조방법을 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명에 따른 바이오센서의 제조방법은 먼저, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 세척된 기판(10)을 준비한다(S110). 본 실시예에 의하면 유리 기판(10)의 표면에 묻은 탄화수소 물질을 제거하기 위해 유리 기판(10)을 피라나 용액(H2SO4/H2O2=3:1)에 침지하였다.
다음으로, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 정제된 반도체성 탄소나노튜브의 용액을 유리 기판(10) 상에 스핀 코팅하여 정렬된 탄소나노튜브 패턴층(20)을 형성하게 된다(S120).
본 실시예에 의하면, 분말 형태의 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(ssCNT)를 o-디클로로벤젠에 넣고(0.005mg/ml), 30분 동안 초음파 처리하여 분산시켰다.
그리고, 유리 기판(10)을 3000 ~ 7000rpm의 속도로 회전시키면서 탄소나노튜브 용액을 기판(10)의 회전 중심에 떨어뜨리게 된다. 이때, 탄소나노튜브들은 유리 기판(10) 상에서 방사상으로 정렬되어 흡착되는데, 탄소나노튜브가 일 방향으로 정렬된 영역의 유리 기판(10)을 절단하여 바이오센서의 제조에 사용하게 된다.
다음으로, 도 6(c)에 도시된 바와 같이 유리 기판(10) 상에 소스 전극(32) 및 드레인 전극(34)과, 그 사이에 이격 배치되는 적어도 1개 이상의 플로팅 전극(36)을 탄소나노튜브의 정렬 방향으로 형성하게 된다(S130). 구체적인 절차는 다음과 같다.
먼저, 포토리소그래피를 이용하여 포토레지스트(photoresist)(미도시)에 상기 전극들(32, 34, 36)의 모양을 패턴한다.
그리고, 열 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 Pd(팔라듐)층과, Au(금)층을 탄소나노튜브 패턴층(20) 상에 차례로 증착하고, 리프트 오프 과정을 통해 전극을 형성한다. 이때, 본 실시예에 의하면 Pd층과 Au층은 각각 10nm, 30nm의 두께로 형성하였다.
마지막으로, 전극으로부터 전류가 누설되는 것을 방지하기 위해 소스 전극(32)과 드레인 전극(34)을 산화 알루미늄으로 패시베이션(passivation)하게 된다. 본 실시예에 의하면 탄소나노튜브 패턴층(20)과 전극들(32, 34, 36) 상에 산화 알루미늄층을 형성하고, 소스 전극(32)과 드레인 전극(34) 사이의 채널 부위에 형성된 산화 알루미늄을 인산(H3PO4) 용액으로 에칭하여 제거한다.
( 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법)
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서를 이용하여 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 8은 도 7의 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
먼저, 본 발명에 따른 바이오센서와 측정하고자 하는 비부착성 세포를 완충용액(미도시)에 넣게 된다(S210). 이때, 비부착성 세포는 소세포성 폐암 세포(SCLC cell)와 같은 암 세포로서, 바닥에 붙지않고 떠다니는 성질을 가진 세포이다.
다음으로, 도 8a에 도시된 바와 같이 마이크로 피펫(microcapillary)(42)을 이용하여 완충용액에 떠있는 비부착성 세포(44)를 바이오센서(1)의 전극 위에 올리게 된다(S220).
다음으로, 도 8b에 도시된 바와 같이 마이크로 피펫(42)으로 비부착성 세포(44)를 누른 상태에서 바이오센서(1)의 소스-드레인 전류를 실시간으로 모니터링하면서, 니코틴 용액을 완충용액에 넣어준다(230). 이때, 세포내부의 신호전달과정을 통해 세포 외부의 칼슘이온이 세포 내부로 유입된다. 이로 인해 세포막 외부의 전위가 변하게 되고, 이 전위 변화로 인한 탄소나노튜브 소자의 전도도 변화를 관찰하여 비부착성 세포의 전기생리학적인 반응을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 바이오센서(1)는 앞서 설명한 바와 같이 플로팅 전극이 탄소나노튜브를 안정적으로 고정시키고 있다. 이로 인해 본 발명의 바이오센서(1)는 도 8에 도시된 바와 같이 다른 비부착 세포에 대해 상술한 절차를 반복하여 사용할 수 있다.
(실험예)
이하, 도 9a 내지 도 9e를 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서를 이용한 실험예를 설명한다.
도 9a는 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChRs)의 활성화되어 칼슘 이온(Ca2+)이 소세포성 폐암 세포(small-cell lung carcinoma cell)의 세포막을 통해 유입되는 메카니즘을 나타낸다. 소세포성 폐암 세포(SCLC cell)는 세포막의 α7nACHRs와 α4nAChRs와 같은 니코틴성 아세틸콜린 수용체가 과발현되어 있는 것으로 알려져 있다.
휴지 상태에서 수용체(nAChRs)의 세포막 안쪽의 게이트와, 전압 활성 칼슘이온 채널은 닫혀 있다.
그리고, 니코틴이 주입되어 수용체(nAChRs)에 달라붙으면 리셉터 서브유닛(receptor subunit)의 형상이 변화하여 리셉터 게이트를 열게 되고, 칼슘 이온이 세포막 내부로 유입된다.
이로 인해, 도 9b에 도시된 바와 같이 바이오센서(1)의 전극들 위에 안착된 비부착성 세포는 세포막의 외부에 음전위가 발생한다. 이러한 전위 변화는 전압 활성 칼슘이온 채널의 게이트를 열게 되어 칼슘이온이 추가적으로 유입되며, 세포막의 외부 전위가 더욱 낮아지게 된다. 따라서, 세포의 외부와 접촉하는 바이오센서(1)는 음(-)의 게이트 바이어스 전압에서 전류가 증가하게 된다. 결국, 니코틴의 주입에 의해 세포막의 외부에 음전위가 발생하게 되어 본 발명에 따른 바이오센서(1)에서 측정되는 전류량이 증가하게 되는 것이다.
도 9c는 소세포성 폐암 세포(SCLC cell)와 정상 폐 세포에 니코틴을 주입한 경우 본 발명의 바이오센서에서 실시간으로 측정된 전도도 변화를 나타내고 있다. 비부착 성질을 가진 소세포성 폐암 세포는 5μM의 니코틴이 주입된 경우 약 6.2 nA만큼 전류가 증가한 것을 나타내고 있다(위). 이에 반해, 부착성 세포인 정상 폐 세포(아래)는 전류 변화가 거의 없음을 나타내고 있다(아래).
소세포성 폐암 세포의 경우 전류의 급격한 증가는 앞서 설명한 바와 같이 과발현된 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChRs)의 활동에 의해 설명될 수 있다.
한편, 도 9d 및 도 9e는 형광법을 이용하여 소세포성 폐암 세포(SCLC cell)와 정상 폐 세포에 니코틴을 주입한 경우 칼슘이온(Ca2+)의 유입에 따른 형광 변화를 나타내고 있다.
소세포성 폐암 세포의 경우 도 9d에 도시된 바와 같이 형광 강도가 두드러지게 증가하였음을 알 수 있다. 이에 비해 정상 폐 세포의 경우 도 9e에 도시된 바와 같이 형광 강도의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 바이오센서를 다수의 세포에 대하여 반복 사용한 실험예를 나타내는 그래프이다.
도 10(a)는 본 발명에 따른 바이오센서에 소세포성 폐암 세포를 올리고, 소스-드레인 전류를 측정하면서 니코틴 용액을 넣어서 측정한 첫번째 결과값을 나타낸다.
그리고, 도 10(b)는 측정에 사용된 세포를 세척하여 없앤 후, 새로운 소세포성 폐암 세포를 본 발명의 바이오센서에 올리고 두번째 측정을 하였다. 여기에서도 소스-드레인 전류를 측정하면서 니코틴 용액을 넣어주고, 전류의 변화를 관찰하였다.
그리고, 도 10(c)는 위와 같은 절차로 새로운 소세포 폐암 세포에 대해 세번째 측정을 한 것이다.
도 10에 도시된 3개의 데이터를 살펴보면, 전기생리학적 반응의 크기가 거의 비슷하게 나옴을 알 수 있다. 또한, 니코틴 용액이 없는 경우에 전류값을 보면 일정한 값이 유지되고 있으며, 이를 통해 본 발명에 따른 바이오센서를 반복 사용하더라도 탄소나노튜브 소자의 성능 저하가 거의 없다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 바이오센서는 탄소나노튜브 소자가 p-type 특성을 가지고 있기 때문에, 게이트 바이어스 전압이 낮아짐에 따라 측정되는 전류가 커지게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 바이오센서는 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는데 유용하게 활용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
1 : 바이오센서
10 : 기판
20 : 탄소나노튜브 패턴층
32 : 소스 전극
34 : 드레인 전극
36 : 플로팅 전극
42 : 마이크로 피펫
44 : 비부착성 세포

Claims (14)

  1. 비부착성 세포의 정량적인 전기생리학적 모니터링을 위한 바이오센서에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 정제된 반도체성 탄소나노튜브가 패턴화하여 일 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 패턴층;
    상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 일측에 배치된 소스 전극;
    상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 정렬 방향의 타측에 배치된 드레인 전극; 및
    상기 탄소나노튜브 패턴층 상에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되어 그 사이에 배치된 플로팅 전극을 포함하여 반복 사용가능한 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  2. 제1항에 있어서,
    게이트 바이어스 전압을 인가하기 위한 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유리 또는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 패턴층은 단일벽 탄소나노튜브로 이루어진 것 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 패턴층은 탄소나노튜브 용액을 스핀 코팅하여 정렬시킨 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 전극은 1개가 구비되거나, 복수개가 구비되어 상기 정렬 방향을 기준으로 일정 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소스 전극, 드레인 전극 및 플로팅 전극은
    포토리소그래피를 이용하여 상기 전극 모양을 패턴하고, 열증착법을 이용하여 Pd(팔라듐)/Au(금) 층을 증착한 뒤 리프트-오프법을 적용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이의 채널 부위를 제외한 나머지 부위를 산화 알루미늄으로 패시베이션 처리한 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서.
  9. 비부착성 세포의 정량적인 전기생리학적 모니터링을 위한 바이오센서의 제조방법에 있어서,
    세척된 기판을 준비하는 단계(S110);
    정제된 반도체성 탄소나노튜브의 용액을 상기 기판 상에 스핀 코팅하여 정렬된 탄소나노튜브 패턴층을 형성하는 단계(S120); 및
    상기 기판 상에 소스 전극 및 드레인 전극과, 그 사이에 이격 배치되는 적어도 1개 이상의 플로팅 전극을 상기 탄소나노튜브의 정렬 방향으로 형성하는 단계(S130)를 포함하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 패턴층을 형성하는 단계(S120)는
    분말 형태의 단일벽 탄소나노튜브를 초음파 처리를 통해 디클로로벤젠에 분산시키는 단계와,
    상기 분산된 탄소나노튜브 용액을 3000 ~ 7000rpm의 속도로 상기 기판에 스핀 코팅하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 소스 전극, 드레인 전극 및 플로팅 전극을 형성하는 단계(S130)는,
    포토레지스트에 상기 전극 모양을 패턴하는 단계와,
    상기 포토레지스트를 이용하여 상기 탄소나노튜브 패턴층 상에 Pd(팔라듐)/Au(금) 층을 증착하는 단계 및
    리프트 오프를 통한 전극 제작 단계를 포함하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 리프트 오프를 통한 전극 제작 단계 이후에,
    상기 탄소나노튜브 패턴층과 상기 전극들 상에 산화 알루미늄층을 형성하고,
    상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이의 채널 부위에 형성된 산화 알루미늄을 에칭 처리하여 제거하는 단계(S140)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플로팅 전극을 이용한 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 바이오센서를 이용하여 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 바이오센서와, 측정하고자 하는 비부착성 세포를 게이트 전극이 연결된 완충용액에 넣는 단계(S210)와,
    마이크로 피펫을 이용하여 상기 비부착성 세포를 상기 바이오센서의 전극 위에 올리는 단계(S220) 및
    상기 비부착성 세포를 누른 상태에서 니코틴 용액을 주입하면서 상기 바이오센서의 소스-드레인 전류를 측정하는 단계(S230)를 포함하는 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 비부착성 세포는 소세포성 폐암 세포와 같은 암 세포인 것을 특징으로 하는 비부착성 세포의 전기생리학적 반응을 측정하는 방법.
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