KR101557371B1 - 생체친화 바이오 센서 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 친화적이며 부피가 변화하면서 플라스모닉스의 큰 변화를 유도하는 생체친화 바이오 센서를 개시한다.
본 발명은 인체에 무해한 금으로 형성된 제1골드층(20)과, 상기 제1골드층(20)의 상면에 적층되고, 입사된 광의 굴절률 변화가 발생되며, 주변 물질에 감응하여 부피 팽창이 발생되는 팽창층(30)과, 상기 팽창층(30)의 상면에 인체에 무해한 금으로 적층되는 제2골드층(40)으로 구성됨으로써, 주변 물질에 감은하여 부피변하면서 플라스모닉스의 큰 변화를 유도하는 것이다.

Description

생체친화 바이오 센서 및 그 제작 방법{BIOCOMPATIBLE BIOSENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 생체친화 바이오 센서 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주변 물질과 반응하여 부피가 팽창하는 실크 단백질을 사용함으로써, 생체에 친화적이며 감지성능도 향상시킬 수 있는 생체친화 바이오 센서 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

최근 의료 진단이나 음식물의 검사 등에 이용되는 센서의 수요가 증대되고 있어, 소형이면서 고속으로 센싱 가능한 센서 및 검출장치의 개발이 요구되고 있다. 이와 같은 요구에 응하기 위해 전기 화학적인 방법을 비롯하여 다양한 형식의 센서가 검토되고 있다. 이들 중에서 집적화가 가능하며, 저코스트이고, 또한 측정 환경을 선택하지 않는다고 하는 이유로 인해, 표면 플라스몬 공명(SPR:Surface Plasmon Resonance)을 이용한 센서에 대한 관심이 높아지고 있다.

표면 플라스몬의 여기(Excitation)를 이용한 많은 센서가 개발되고 있으며, 일명 표면 플라스몬 공명 센서는 센서 표면에 인접한 시료 내의 반사 표지의 변화를 감지한다. 이들 SPR 센서들은, 예를 들면 화학적, 생화학적, 생물학적, 생의학적 또는 약학적 연구 등에서, 임상적 또는 식품 진단 또는 환경적 측정(예, 가스 또는 폐수 감지) 등에서 물질의 농도를 수량화하기 위한 용도 등에 이용된다. 많은 SPR 센서들이 신속하게 병렬적 대량 검사의 수행이 가능하기 때문에, 특히 두 개 이상의 상호작용의 분자들 사이의 친화력 및 실시간 반응 운동 연구에 이들 센서를 이용하면 분자적 상호작용을 편리하게 수량화할 수 있다.

SPR 센서는 SPR 반응에 기반하며, 이는 하나 이상의 표면-결합 전자기파가 금속재료(일반적으로 금 또는 은) 및 유전체 재료 사이의 계면에 확산되는 현상이다. 금속-유전체 계면에서의 자유전자의 집합진동으로 인해 표면-결합 전자기파가 상기 계면에 평행한 방향을 따라 최대 강도로 확산되며, 계면에서 멀어지면서 기하급수적으로 붕괴된다.

SPR의 여기와 관련하여 가장 보편적으로 사용되는 기술로는 크레취만(Kretschmann) 형태의 프리즘의 활용이 있다. 이러한 경우, 상기 프리즘은 표면 플라스몬을 지원하는 귀금속 층으로 덮이며, SPR은 프리즘을 통해 광학적으로 여기된다. 사실상, 입사광의 계면-평행 요소 및 SPR의 표면-결합 전자기파 양측 모두가 일치된 주파수 및 파장을 가진 경우, 빛이 금속-유전체 계면에서 표면 플라스몬의 공진을 여기시킬 수 있다. 공진 조건하에서, 입사광은 금속-유전체 계면에 의해 흡수되어, 표면-결합 전자기파와 결합된다. 그런 다음에는, 예를 들면 금속-유전체 계면의 통과 또는 반사광의 강도의 감소 정도를 감지하여 상기 흡수를 관찰할 수 있다. 빛과 표면 플라스몬 파 사이의 결합 조건은 금속-유전체 계면에 인접한 유전체 매질의 굴절률에 매우 민감하기 때문에, SPR 센서들은 이와 같은 공진 결합 조건의 민감도를 이용하여, 금속-유전체 계면에서의 반사광 강도의 감소를 측정하여 유전체 매질의 굴절률을 감지할 수 있으며, 여기서 후자(Latter)에는 SPR 여기광 빔이 비추게 된다.

SPR은 특히 생체분자 또는 생화학 분자 사이의 상호 관계, 즉, 예를 들면 항원 및 항체, 효소 및 기질, 내분비 및 수용체, 핵산 등의 상호 작용을 감지할 수 있는 바이오센서 시스템에 적용이 가능하다. 많은 SPR 바이오센서가 센서 표면 사에 결합된 바이오-수용체를 가짐으로써, 생화학 분자 또는 생체분자들이 이들 바이오-수용체와 상호작용(결합)하면서 센서 표면에 발생하는 굴절률 변화에 의해 발생하는 빛-SPR 결합 조건의 변화를 감지하게 된다. 바이오 센서 시스템은 용매 내의 생체분자 또는 생화학 분자의 농도 측정에 적합하다.

그러나 이러한 종래 구조의 바이오 센서는 감지성능을 향상시키는데 한계가 있다.

일본 특허공개 제2000-356587호

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 생체 친화적이면서 감지성능을 향상시킬 수 있는 생체친화 바이오 센서 및 그 제작방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 주변 물질과 감응하여 부피가 팽창되면서 감지성능을 향상시킬 수 있는 생체친화 바이오 센서 및 그 제작방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 생체친화 바이오 센서는 인체에 무해한 금으로 형성된 제1골드층; 상기 제1골드층의 상면에 적층되고, 입사된 광의 굴절률 변화가 발생되며, 주변 물질에 감응하여 부피 팽창이 발생되는 팽창층; 상기 팽창층의 상면에 인체에 무해한 금으로 적층되는 제2골드층;을 포함한다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 팽창층은 실크로 이루어진다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 팽창층은 내부에 물분자를 수용할 수 있도록 실크에서 추출된 피브로인 중간영역에 수소가 결합된 베타시트가 다수개 형성된다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 제1골드층의 하면에는 실크로 이루어진 지지층이 더 포함된다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 생세친화 바이오 센서의 제작방법은 기판의 일측면에 희생층, 지지층, 제1골드층을 도포하는 도포단계; 상기 제1골드층 상면에 수성 실크용액을 주입하여 팽창층을 형성하는 팽창층 형성단계; 상기 팽창층 상면에 감광제를 도포한 후 패터닝을 실시하는 패터닝 단계; 및 상기 패터닝단계 이후에 상면에 금을 증착하여 제2골드층을 형성하는 증착단계를 실시한다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 팽창층 형성단계의 수성 실크용액은 실크에서 피브로인을 추출하는 추출단계; 및 메탄올 처리를 실시하여 상기 피브로인의 중간영역에 수소가 결합된 베타시트을 다수개 형성하는 결정화단계를 실시한다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 팽창층은 물에 접하는 경우, 물 분자를 베타시트 사이에 포함시켜 부피가 팽창되는 팽윤단계가 진행된다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 증착단계 이후에는, 상기 희생층과 감광제 및 기판을 제거하는 제거단계를 실시한다.

이와 같이 본 발명에 의한 생체친화 바이오센서는 주변 물질에 감응하여 부피가 팽창되면서 플라스모닉스의 큰 변화를 유도하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의한 생체친화 바이오센서는 인체에 무해한 실크 및 금을 사용하므로 생체친화적이며, 인체에 집적도 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예인 생체친화 바이오센서를 도시한 사시도,
도 2는 생체친화 바이오센서의 측정 전 상태를 도시한 상태도,
도 3은 생체친화 바이오센서의 측정 후 상태를 도시한 상태도,
도 4 내지 도 7은 생체친화 바이오센서의 제작 과정을 도시한 상태도로서,
도 4는 도포단계가 진행된 상태를 도시한 상태도,
도 5는 팽창층 형성단계가 진행된 상태를 도시한 상태도,
도 6은 패터닝 단계가 진행된 상태를 도시한 상태도,
도 7은 증착단계가 진행된 상태를 도시한 상태도,
도 8은 추출단계가 진행된 상태를 도시한 상태도,
도 9는 결정화단계가 진행된 상태를 도시한 상태도,
도 10은 팽윤단계가 진행된 상태를 도시한 상태도,
도 11은 실크의 부피팽창 정도를 도시한 그래프,
도 12는 팽창층의 부피팽창에 따른 파장변화를 도시한 그래프,
도 13은 생체친화 바이오 센서의 제작 방법을 도시한 블록 다이어그램,
도 14는 팽창층의 형성단계를 도시한 블록 다이어그램.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예인 생체친화 바이오 센서 및 그 제작 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서 1) 첨부된 도면들에 도시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 개략적인 것으로 다소 변경될 수 있다. 2) 도면은 관찰자의 시선으로 도시되기 때문에 도면을 설명하는 방향이나 위치는 관찰자의 위치에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 3) 도면 번호가 다르더라도 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용될 수 있다. 4) '포함한다, 갖는다, 이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 5) 단수로 설명되는 경우 다수로도 해석될 수 있다. 6) 형상, 크기의 비교, 위치 관계 등이 '약, 실질적' 등으로 설명되지 않아도 통상의 오차 범위가 포함되도록 해석된다. 7) '~후, ~전, 이어서, 후속하여, 이때' 등의 용어가 사용되더라도 시간적 위치를 한정하는 의미로 사용되지는 않는다. 8) '제1, 제2, 제3' 등의 용어는 단순히 구분의 편의를 위해 선택적, 교환적 또는 반복적으로 사용되며 한정적 의미로 해석되지 않는다. 9) '~상에, ~상부에, ~하부에, ~옆에, ~측면에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우 '바로'가 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다. 10) 부분들이 '~또는'으로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독뿐만 아니라 조합도 포함되게 해석되나, '~또는, ~중 하나'로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독으로만 해석된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예인 생체친화 바이오센서를 도시한 사시도이고, 도 2는 생체친화 바이오센서의 측정 전 상태를 도시한 상태도이고, 도 3은 생체친화 바이오센서의 측정 후 상태를 도시한 상태도이고, 도 4 내지 도 7은 생체친화 바이오센서의 제작 과정을 도시한 상태도로서, 도 4는 도포단계가 진행된 상태를 도시한 상태도이고, 도 5는 팽창층 형성단계가 진행된 상태를 도시한 상태도이고, 도 6은 패터닝 단계가 진행된 상태를 도시한 상태도이고, 도 7은 증착단계가 진행된 상태를 도시한 상태도이고, 도 8은 추출단계가 진행된 상태를 도시한 상태도이고, 도 9는 결정화단계가 진행된 상태를 도시한 상태도이고, 도 10은 팽윤단계가 진행된 상태를 도시한 상태도이고, 도 11은 실크의 부피팽창 정도를 도시한 그래프이고, 도 12는 팽창층의 부피팽창에 따른 파장변화를 도시한 그래프이고, 도 13은 생체친화 바이오 센서의 제작 방법을 도시한 블록 다이어그램이고, 도 14는 팽창층의 형성단계를 도시한 블록 다이어그램이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예인 생체친화 바이오 센서는 실크로 이루어진 지지층(10) 상부에 인체에 무해한 금으로 형성된 제1골드층(20)이 적층되고, 그 위에 입사된 광의 굴절률 변화가 발생되며, 주변 물질에 감응하여 부피 팽창이 발생되는 팽창층(30)이 적층되고, 그 위체 인체에 무해한 금이 패턴을 이루는 제2골드층(40)이 적층되는 구조로 구성된다. 이러한 구조로 구성됨으로써 본 발명은 천연 실크 단백질과 금 나노 구조로 구성되어 생체 적합성이 뛰어난 플라즈몬 바이오 센서를 제공한다. 또한 이러한 바이오 센서는 플라즈몬 공명을 조작 할 수 있는 플라즈몬 장치와 실시간, 고감도 등의 다양한 응용 프로그램을 제공하여 생체 내 생물 의학 및 생물학 연구의 모니터링 등에 적용이 가능하다.

결정화된 실크로 이루어진 팽창층(30)은 하이드로 겔의 특성을 가지며, 물-알코올 혼합물은 실크 절연 스페이서의 제어 팽창을 유도한다. 실험을 통해 반사율 스펙트럼 변화는 부피 팽창이 발생한 실크 스페이서의 굴절률의변화에서 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 생체친화 바이오 센서인 실크 플라즈몬 센서는 1200 NM / RIU 매우 높은 감도에서 포도당 센서로 응용이 가능하다.

지지층(10)은 실크로 이루어진다. 지지층(10)은 센서가 형태를 이루도록 기반을 이루는 것으로, 인체에 무해한 소재라면 실크 이외에도 사용이 가능하다.

제1골드층(20)은 지지층(10)은 상면에 적층되는 금으로 구성된다. 인체에 무해한 재질의 사용이 가능하나 금을 이용하는 것이 가장 바람직하다.

팽창층(30)은 수성 실크용액을 하이드로 겔 상태로 유지시켜 형성한다. 팽창층(30)은 도 9에 도시된 바와 같이 내부에 물분자(W)를 수용할 수 있도록 실크에서 추출된 피브로인(31) 가지 중간영역에 수소가 결합된 베타시트(32)를 다수개 형성한다. 베타시트(32)는 단백질의 2차원구조로 중간에 수소가 결합된 사다리 형상으로 이루어진다.

도 4 내지 도 7, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예인 바이오 센서의 제작과정은 다음과 같다.

우선 도 4에 도시된 바와 같이 기판(1)의 일측면에 희생층(2)과 지지층(10)과 제1골드층(20)을 차례로 도포하는 도포단계(S1)를 실시한다. 기판(1)은 실리콘 재질의 평판 형상으로 이루어진다. 기판(1) 위에 PMMA를 스핀 코팅하여 희생층(2)을 형성한다. 이때 60초 동안 4000rpm으로 회전시켜 형성하며 두께는 100nm 정도가 바람직하다. 그 위에 실크로 이루어진 지지층(10)과 금으로 이루어진 골드층(20)을 도포한다.

다음으로 그 위에 팽창층(30)을 형성하는 팽창층 형성단계(S2)를 실시한다. 팽창층(30)은 수성 실크 용액을 60초 동안 2000rpm에서 스핀 코팅하고 수증기 환경에서 어닐링 시킨다.

팽창층(30)의 수성 실크 용액을 제작하는 과정은 다음과 같다.

우선 도 8에 도시된 바와 같이 누애의 고치에서 세리신 단백질을 제거할 수 있도록 Na₂CO₃를 용액에 30 분 동안 비등시킨다. 세리신 단백질이 제거되고 피브로인을 증류수로 세정한다. 그리고 24시간동안 공기중에서 건조시키면 피브로인이 20 중량%인 수용액을 얻는다. 이때 피브로인은 랜덤한 코일 형상을 이룬다. 추출단계(S21)을 통해 피브로인(31)을 추출한 다음으로 도 9에 도시된 바와 같이 메탄올 처리하면 수소가 결합되어 사다리 형태를 이루는 단백질의 2차원 구조인 베타시트(32)가 다수개 피브로인(31)의 중간영역에 형성되는 결정화단계(S22)가 진행된다. 도 10에 도시된 바와 같이 베타시트(32)가 중간부에 형성된 구조로 이루어진 팽창층(30)은 물과 접촉하게 되면 베타시트(32)의 사이 사이에 물분자(W)를 머금게 된다. 물분자(W)가 포함되면서 팽창층(30)은 부피가 팽창되는 팽윤단계(S23) 실시되는 것이다.

팽창층 형성단계(S2) 이후에는 도 5에 도시된 바와 같이 감광제를 도포하고 리소그라피(Lithography)를 실시하여 패터닝을 실시하는 패터닝 단계(S3)를 실시한다.

패터닝이 완료되면 도 6에 도시된 바와 같이 그 상면에 제2골드층(40)이 형성될 수 있도록 금을 증착시키는 증착단계(S4)를 실시한다.

제2골드층(40)의 증착이 완료되면 도 7에 도시된 바와 같이 아세톤에 넣고 희생층(2)과 감광제를 제거하고, 기판(1)을 분리시켜 바이오 센서를 완성한다.

도 11은 물/이소프로필알콜(IPA) 혼합물에서 부피 팽창을 표시한 그래프로서, 그래프에서 X축은 물의 농도를 10% 단위로 끊어서 점을 찍은 후 플로팅(Ploting)한 것이고, 각 점에 대응하는 실크의 부피 팽창 정도를 수치로 표시한 것이다. 도 12은 팽창층(30)에서 발생되는 파장 변화를 도시한 그래프이다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 실험결과 이소프로필알콜(IPA)와 물의 굴절률만 이용한다면 20nm의 파장변화만 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이 원래 두께가 t1 이었던 팽창층(30)이 물과 접촉되면서 두께가 t2로 팽창하면서 100nm 이상의 파장 변화를 유도할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 생체친화 바이오 센서는 플라스모닉스 기반 바이오 센서로서, 광학적인 방식으로 고효율의 센서 구형이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 기존의 대부분의 바이오 센서가 주변 물질의 굴절률 변화만으로 센싱을 실시하지만, 본 발명의 생체친화 바이오 센서는 팽창층(30)을 이루는 실크 단백질이 주변 물질에 감응하여 부피가 팽창하는 특징을 이용하여 플라스모닉스의 큰 변화를 유도한다.

또한 본 발명에 의한 생체친화 바이오 센서는 인체에 무해한 실크와 골드를 이용하여 제작하므로 생체 친화적이며 인체에 집적도 가능하다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

1 : 기판
2 : 희생층
10 : 지지층
20 : 제1골드층
30 : 팽창층
31 : 피브로인
32 : 베타시트
40 : 제2골드층
S1 : 도포단계
S2 : 팽창층 형성단계
S21 : 추출단계
S22 : 결정화단계
S23 : 팽윤단계
S3 : 패터닝단계
S4 : 증착단계
S5 : 제거단계

Claims (8)

1. 인체에 무해한 금으로 형성된 제1골드층(20);
   상기 제1골드층(20)의 상면에 적층되고, 입사된 광의 굴절률 변화가 발생되며, 주변 물질에 감응하여 부피 팽창이 발생되는 팽창층(30); 및
   상기 팽창층(30)의 상면에 인체에 무해한 금으로 적층되는 제2골드층(40);을 포함하고,
   상기 팽창층(30)은 내부에 물분자를 수용할 수 있도록 실크에서 추출된 피브로인(31) 중간영역에 수소가 결합된 베타시트(32)가 다수개 형성된 실크로 이루어진 플라스모닉스 기반의 생체친화 바이오 센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 제1골드층(20)의 하면에는 실크로 이루어진 지지층(10)이 더 포함되는 플라스모닉스 기반의 생체친화 바이오 센서.
5. 기판(1)의 일측면에 희생층(2), 지지층(10), 제1골드층(20)을 도포하는 도포단계(S1);
   실크에서 피브로인(31)을 추출하는 추출단계(S21)와, 메탄올 처리를 실시하여 상기 피브로인(31)의 중간영역에 수소가 결합된 베타시트(32)을 다수개 형성하는 결정화단계(S22)를 실시하여 수성 실크용액을 제조하고, 상기 제1골드층(20) 상면에 상기 수성 실크용액을 주입하여 팽창층(30)을 형성하는 팽창층 형성단계(S2);
   상기 팽창층(30) 상면에 감광제를 도포한 후 패터닝을 실시하는 패터닝 단계(S3); 및
   상기 패터닝단계(S3) 이후에 상면에 금을 증착하여 제2골드층(40)을 형성하는 증착단계(S4)를 실시하는 플라스모닉스 기반의 생체친화 바이오 센서의 제작방법.
6. 삭제
7. 제 5항에 있어서, 상기 팽창층(30)은 물에 접하는 경우,
   물 분자를 베타시트(32) 사이에 포함시켜 부피가 팽창되는 팽윤단계(S23)가 진행되는 플라스모닉스 기반의 생체친화 바이오 센서의 제작방법.
8. 제 5항에 있어서, 상기 증착단계(S4) 이후에는,
   상기 희생층(2)과 감광제 및 기판(1)을 제거하는 제거단계(S5)를 실시하는 플라스모닉스 기반의 생체친화 바이오 센서의 제작방법.
   
   

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