KR101616560B1

KR101616560B1 - 나노프로브 융합 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서

Info

Publication number: KR101616560B1
Application number: KR1020140164134A
Authority: KR
Inventors: 이관희; 이석; 전민홍; 박정훈; 조원주; 이인규
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2016-04-28
Also published as: WO2016085126A1

Abstract

이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서는 ISFET와 교체형 센서를 포함하고, 교체형 센서에는 나노프로브가 결합되어 있으며, ISFET에서 발생하는 정전 결합 현상과 나노프로브 기술을 결합시켜, PBS 버퍼 용액을 사용하는 기존의 바이오센서 플랫폼과는 달리, PBS 버퍼 용액을 사용하지 않고, 임상샘플을 직접 사용함으로써 간단한 진단이 가능한 바이오센서 플랫폼이 제공될 수 있다.

Description

나노프로브 융합 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서{NANOPROBE-FUSED ION-SENSITIVE FIELD EFFECT TRANSISTOR BIOSENSOR}

이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ion-selective field effect transistor) 바이오센서(biosensor)가 제공된다.

현재 인류에게 치명적인 전염성 바이러스 및 암 질환은 공공 보건의료의 부담을 가중시키는 큰 문제로 간주된다(Persaud, D. et al. Absence of Detectable HIV-1 Viremia after Treatment Cessation in an Infant. New Engl. J. Med., 369, pp1828-1835, 2013; Leroy, E.M. et al., Fruit bats as reservoirs of Ebola virus. Nature, 438, pp575-576, 2005). 미래 POC(point-of-care) 시스템은 현장에서 즉각적으로 진단이 가능한 진단 시스템을 제공함으로써, 각종 질환의 조기 진단이 가능하고, 전염성 질병의 창궐이 미연에 방지될 수 있다. 다양한 진단 플랫폼 중, 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 바이오마커(biomarker)로부터 전기적인 신호를 얻어 낼 수 있는 변환기이다. 따라서, 현재 큰 분석 장비 및 실험실 분석을 필요로 하는 광학 기반의 진단 시스템이 전기 신호를 이용하는 소형화 시스템으로 바뀔 수 있기 때문에, 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 차세대 POC 진단 시스템의 플랫폼으로 각광받고 있다(H.J. Jang et al., Electrical Signaling of Enzyme-Linked Immunosorbent Assays with an Ion-Sensitive Field-Effect Transistor, Biosens. Bioelectron., 64, pp318-323, 2015).

트랜지스터를 이용한 바이오센서는 질병을 신속하게 진단할 수 있고, 여러 가지 질병을 한번에 진단할 수 있고, 초고감도를 가질 수 있다. 고감도 트랜지스터 바이오센서를 만들기 위하여 탄소나노튜브, 나노와이어, 그래핀 등 다양한 나노물질이 이용될 수 있다. 나노물질은 일차원 구조 또는 이차원 구조를 가져 많은 표면적을 확보할 수 있으므로, 생체 신호(bio signal)를 수집하는데 좋을 수 있다(Zheng, G.F. et al., Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nat. Biotechno. 23, pp1294-1301, 2005). 이에 따라, 현재 바이오마커를 아토몰 수준(attomolar level)까지 정량화할 수 있는 진단 플랫폼이 개발되고 있는 중이다.

그러나 트랜지스터의 높은 감지 특성에도 불구하고, 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 현재까지 임상샘플에 적용할 수 있는 수준까지 상용화되지 않았다. 왜냐하면, 첫째로 고농도 임상샘플은 트랜지스터를 이용한 바이오센서에 짧은 디바이랭스(Debye length)를 유도하기 때문에, 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 임상샘플에서 낮은 감도를 갖는다. 또한, 임상샘플에는 비특이적 반응을 유발할 수 있는 다양한 바이오분자들이 존재하기 때문에, 트랜지스터를 이용한 바이오센서에 안정적인 플랫폼을 제공하는 것이 어려울 수 있다. 둘째로 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 표면에서 감지된 바이오마커의 등전점(isoelectric point)의 변화에 민감하게 반응하기 때문에, 임상샘플의 pH가 일정해야 트랜지스터를 이용한 바이오센서가 일정한 감지도를 얻을 수 있다. 그러나, 실제로 임상샘플의 pH는 환자의 상태에 따라 크게 변화기 때문에, 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 임상샘플의 바이오마커를 일정한 감지 특성으로 감지할 수 없을 수 있다. 이러한 이슈를 제어하기 위해서, 일반적으로 임상샘플의 바이오마커와 트랜지스터를 이용한 바이오센서 표면의 리셉터(receptor)를 먼저 반응시키고, 그 반응을 기존의 PBS(Phosphate buffered salin) 버퍼 용액으로 감지한다. 이때 PBS 버퍼 용액은 디바이랭스를 피하기 위하여 일정한 농도로 희석되어야 하며, 일정한 pH을 유지해야 한다. 이러한 일련의 준비 과정들은, 실험실 환경에서 복잡한 샘플 준비 과정을 거쳐야 하기 때문에, 현재의 트랜지스터 기반 바이오센서는 POC 진단 시스템에 부합하기 어려울 수 있다.

나노재료 기반의 바이오센서와는 다르게, 평면 구조를 가지는 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET, ion-sensitive field effect transistor)는 손에 쥘 수 있는 pH 센서로 이미 상용화되어 있음에도 불구하고, ISFET는 디바이랭스에 의하여 낮은 감도를 갖기 때문에 항원항체센서로는 구현되기 어려울 수 있다. 그러나 2010년 Mark-Jan Spijkman은 기존 ISFET에 하부 전극을 추가하여, 이중 게이트 구조의 ISFET을 제안함으로써, ISFET의 감도를 증가시켰다(Mark-Jan Spijkman et al., Dual-Gate Organic Field-Effect Transistors as Potentiometric Sensors in Aqueous Solution, Adv. Funct. Mater., 20, pp898-905, 2010). 상하부 전극에서 발생하는 정전 결합(capacitive coupling)을 이용하여 이중 게이트 ISFET는 네른스트(Nernst)의 한계 감지를 뛰어넘는 센서 플랫폼을 제시하였다. 그러나 이중 게이트 ISFET 역시 여전히 PBS 버퍼 용액을 사용해야 하며, 혈청, 혈액, 소변, 타액, 기타 고농도 버퍼 용액과 같은 임상샘플에 포함된 바이오마커를 감지하는 진단 시스템은 아직 구현되지 않았다.

본 발명의 일 실시예는 임상샘플에서 발생하는 디바이랭스를 줄이고 고감도의 질병 진단(highly sensitive diagnosis of disease)을 수행하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예는 임상샘플의 pH를 일정하게 제어하고 일정한 감지 특성을 얻기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예는 네른스트(Nernst) 반응 한계를 뛰어넘는 감도를 가지면서도, PBS 버퍼 용액을 사용하지 않고, 임상샘플에서 바로, 저비용, 신속, 간단, 정밀 진단이 가능한 새로운 바이오센서 플랫폼(biosensor platform)을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET, ion-sensitive field effect transistor) 바이오센서는 하부 게이트 전극, 하부 게이트 전극 위에 위치하는 하부 절연막, 하부 절연막 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스 및 드레인, 하부 절연막 위에 위치하고 소스 및 드레인 사이에 위치하는 채널층, 소스, 드레인, 그리고 채널층 위에 위치하는 상부 절연막, 상부 절연막 위에 위치하는 상부 게이트 전극, 상부 게이트 전극 위에 위치하는 교체형 센서(disposable sensor), 그리고 교체형 센서에 결합되어 있고, 항체, 세포, 또는 DNA 중 적어도 하나가 기능화되어 있는 리셉터(receptor)를 포함하고, 음전하 또는 양전하를 갖는 나노프로브는 리셉터에 결합되고, 나노프로브와 채널층의 전자의 정전 결합(capacitive coupling)에 의해 바이오마커(biomarker)의 감지도가 증폭된다.

상부 절연막의 등가 산화막 두께는 하부 절연막의 등가 산화막 두께보다 얇으며, 정전 결합이 발생하는 10 nm 이하의 두께를 채널층이 가질 수 있다.

나노프로브는 금속 나노 입자를 포함할 수 있다. 여기서 금속 나노 입자는 금(gold)일 수 있다.

나노프로브는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다.

나노프로브는 페리틴(ferritin)과 복수개의 금속 나노프로브를 결합한 하이브리드 나노프로브를 포함할 수 있다.

바이오센서는 B형 간염, 조류독감, 수족구병, 췌장암, 전립선암, 자궁경부암, 또는 간암 중 적어도 하나의 질병을 진단할 수 있다.

바이오센서는 세포기반 센서, 항원항체 센서, 또는 DNA 센서 중 적어도 하나로 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 임상샘플에서 발생하는 디바이랭스를 줄이고 고감도의 질병 진단(highly sensitive diagnosis of disease)을 수행할 수 있고, 임상샘플의 pH를 일정하게 제어하고 일정한 감지 특성을 얻을 수 있고, 그리고 네른스트(Nernst) 반응 한계를 뛰어넘는 감도를 가지면서도, PBS 버퍼 용액을 사용하지 않고, 임상샘플에서 바로, 저비용, 신속, 간단, 정밀 진단이 가능한 새로운 바이오센서 플랫폼을 제공할 수 있다.

도 1은 트랜지스터 센서와 나노프로브 결합된 센서플랫폼의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서와 금 나노 입자 프로브의 결합에서 나타나는 증폭 메커니즘을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프로브 융합 트랜지스터의 간단한 사용절차를 나타내는 모식도이다.
도 4는 실시예 1의 이중 게이트 ISFET와 실시예 2의 교체형 센서가 결합된 바이오 센서의 감도 증폭 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1의 이중 게이트 ISFET와 실시예 3의 교체형 센서가 결합된 바이오 센서의 B형 간염 바이러스 감지 감도와 비교예 1의 단일 게이트 ISFET에서의 감지 감도를 PBS 버퍼 용액환경에서 비교한 그래프이다.
도 6은 비교예 1의 단일 게이트 ISFET 센서의 B형 간염 바이러스 감지 감도와 실시예 1 및 실시예 3이 결합된 바이오 센서의 PBS 버퍼 용액의 농도에 따른 B형 간염 바이러스 감지 감도를 비교한 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 실시예 3이 결합된 바이오 센서의 PBS 버퍼 용액의 농도에 전달특성의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 4의 바이오센서의 PBS 버퍼 용액의 농도에 따른 B형 간염 바이러스 감지 감도를 비교한 그래프이다.
도 9는 실시예 5의 바이오센서와 나노프로브를 사용하지 않은 바이오센서의 혈청 속의 B형 간염 바이러스 감지특성을 비교한 그래프이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서는 ISFET와 교체형 센서를 포함하고, 교체형 센서에는 나노프로브가 결합되어 있다. ISFET에서 발생하는 정전 결합 현상과 나노프로브 기술을 결합시켜, PBS 버퍼 용액을 사용하는 종래의 바이오센서 플랫폼과는 달리, PBS 버퍼 용액을 사용하지 않고, 임상샘플을 직접 사용함으로써 간단한 진단이 가능한 바이오센서 플랫폼이 제공될 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서와 나노프로브를 결합시켜 PBS 버퍼 용액의 사용을 대신해 임상샘플에서 바로 바이오마커를 감지하는 플랫폼을 제공하여 감지 시스템의 절차를 최소화할 수 있다.

나노프로브로부터 공급되는 전하와 이를 증폭하는 이중 게이트 ISFET의 조합으로, 기존에 감지 시스템에 사용하는 PBS 버퍼 용액을 사용하지 않고, 혈청, 혈액, 소변, 타액, 고농도 버퍼 용액 등과 같은 임상샘플 환경에서 직접 각종 바이오마커를 감지할 수 있는 진단 플랫폼이 제공될 수 있다. 예를 들어, 나노프로브는 생체 신호를 크게 증폭하고 추가적인 전하를 공급할 수 있다. 나노프로브의 표면에 인가된 전하는 ISFET와의 정전 결합 현상에 의해 증폭되면서, 임상샘플에서 아토몰 수준(attomolar level)의 바이오마커까지 정량화할 수 있다. 나노프로브의 강한 양전하 또는 음전하는, 감지 시스템에서 바이오마커의 결합으로 인한 등전점(isoelectric point)의 변화보다 더 큰 영향력을 가질 수 있다. 나노프로브로부터 추가적인 전하를 공급받고 트랜지스터로부터 이를 증폭하는 일련의 과정으로, 임상샘플에서의 디바이랭스를 극복하고, 변화하는 pH를 효과적으로 제어할 수 있다.

또한, 플러그 타입으로 제작된 교체형 센서에서 발생하는 작은 표면 전위전압 차이는, 약 10 nm 이하의 초박막 채널층을 포함하는 이중 게이트 전계 효과 트랜지스터에서 발생하는 초정전 결합으로 인해, 하부 전계 트랜지스터의 문턱전압변화를 크게 증폭 시킬 수 있다. 높은 공정 단가를 요구하는 트랜지스터는 지속적으로 사용될 수 있으며, 낮은 단가의 센서는 트랜지스터와 분리된 교체형으로 사용될 수 있다.

종래의 ISFET 기반 항원항체 센서와는 달리, 새로운 바이오센서 플랫폼이 제공될 수 있고, 이에 따라, 췌장암, 전립선암, 바이러스 질환 등의 질병에 대해 고민감도 진단이 가능하고, 저비용, 신속, 간단, 정밀 조기 검진 플랫폼이 제공될 수 있다.

도 1은 트랜지스터 센서와 나노프로브 결합된 센서플랫폼의 모식도이다. 이중 게이트 ISFET(120)에 나노프로브(52)가 결합된다. 강한 음전하를 갖는 나노프로브(52)로부터 양전하가 유기되고, 정전 결합 현상으로 양전하가 ISFET(120)에 의해 증폭된다.

도 1을 참조하면, ISFET 바이오센서(100)는 하부 게이트 전극(101), 하부 게이트 전극(101) 위에 위치하는 하부 절연막(102), 하부 절연막(102) 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스(103) 및 드레인(104), 하부 절연막(102) 위에 위치하고 소스(103) 및 드레인(104) 사이에 위치하는 채널층(105), 소스(103), 드레인(104), 그리고 채널층(105) 위에 위치하는 상부 절연막(106), 그리고 상부 절연막(106) 위에 위치하는 상부 게이트 전극(107)을 포함할 수 있다.

교체형 센서(130)는 교체가 가능한 형태로 ISFET 바이오센서(100)의 상부 게이트 전극(107)과 전기적인 접속을 통해 결합되어 있는 구조일 수 있다. 교체형 센서(130)는 플러그 타입으로 트랜지스터 소자에 결합 될 수 있는 형태일 수 있다. 예를 들어, 교체형 센서(130)는 상부 게이트 전극(107)에 연결되어 있는 금속 전극(108), 그리고 금속 전극(108) 위에 위치하고 이온을 감지하는 감지막(109)을 포함할 수 있다. 이를 통해, 교체형 센서(130)와 ISFET(120)를 분리 시켜, 높은 공정 단가를 요구하는 ISFET(120)는 지속적으로 사용하며, 낮은 단가의 교체형 센서(130)는 ISFET(120)와 분리된 교체형으로 사용할 수 있다.

리셉터(51)는 교체형 센서(130)에 결합되어 있고, 항체, 세포, 또는 DNA 중 적어도 하나가 기능화되어 있을 수 있다. 바이오마커는 항원, 세포, 또는 DNA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

나노프로브(52)는 리셉터(51)에 결합되어 있고, 음전하 또는 양전하를 갖는다. 나노프로브(52)와 채널층(105)의 전자의 정전 결합(capacitive coupling)에 의해 바이오마커의 감지도가 증폭된다.

나노프로브(52)는 금속 나노 입자를 포함한다. 예를 들어, 금속 나노 입자는 금(gold)일 수 있다. 금속 나노 입자로 금을 사용하는 경우, 전하를 추가적으로 공급하는 효과가 있다.

나노프로브(52)는 양자점(quantum dot)을 포함한다. 양자점을 이용하였을 때 금 나노입자와 같이 전하를 추가적으로 공급하는 역할을 수행하면서, 바이오 이미징 역할도 동시에 수행 할 수 있다.

나노프로브(52)는 페리틴(ferritin)을 포함한다. 페리틴과 금속 나노입자의 하이브리드 결합 구조를 통하여 단일 금속 나노 입자를 사용하였을 때에 비하여, 더 많은 전하를 추가적으로 공급 받아 더 큰 시그널을 얻을 수 있다.

교체형 센서(130)에서 발생하는 작은 표면 전위전압 차이는, 초박막 채널층을 포함하는 ISFET(120)에서 발생하는 초정전 결합으로 인해, 하부 전계 트랜지스터의 문턱전압변화를 크게 증폭시칼 수 있다. 여기서, 증폭인자는 하부 절연막의 두께, 채널층의 두께, 상부 게이트의 절연막 두께 등에 의해 결정될 수 있다. 하부 절연막(102)의 두께가 두꺼울수록, 그리고 상부 절연막(106) 및 채널층(105)의 두께는 얇을 수록 증폭인자의 크기는 커질 수 있다.

채널층(105)은 초박막층일 수 있고, 예를 들어, 두께가 약 10 nm 이하일 수 있다. 채널층(105)의 두께의 범위 내에서, 초박막체에 유기되는 하부 게이트 전극(101)의 강한 전기장으로 인해, 상부 계면까지 모든 조건에서 제어할 수 있는 초정전 결합이 발생한다. 이를 통해, 상부 게이트 계면에 유기되는 전자 및 정공도 완전히 제어될 수 있고, 누설전류를 차단시킬 수 있다. 또한, 안정된 증폭인자를 허용하여, 표면 전위에 따른 선형적 반응, 히스테리시스, 드리프트 현상 등을 개선할 수 있고, 상하부 게이트의 정전 결합을 지속시킬 수 있다. 또한, 채널층(105)의 두께의 범위 내에서, 초박막 채널층(105)을 포함하는 ISFET(120)는 기존 이중 게이트 박막 트랜지스터에 비하여 큰 증폭인자를 허용하면서, pH 감지력도 증대될 수 있다. 예를 들어, 약 59 mV/pH 이상의 pH 감도를 가질 수 있다. 또한, 상기 채널층(105)의 두께의 범위 내에서, 초박막 채널층(105)을 포함하는 ISFET(120)는 기존 이중 게이트 ISFET의 안정성도 향상시킬 수 있다. 두꺼운 채널층에서 보이는 변화하는 증폭인자는, 상부 계면에 유기되는 누설전류 요소와 결합하여, 이온 데미지로 인한 소자의 열화 현상을 증대시킬 수 있다. 반면에, 일정한 증폭인자를 허용하면서 누설 전류가 제어되는 초박막 채널층(105)을 포함하는 ISFET(120)는 감지막(109)의 이온 데미지 효과를 최소화시킬 수 있다. 나아가, 종래의 기존 이중 게이트 ISFET에서, 하부 절연막(102)이 과다하게 두꺼워질 경우, 하부 전장이 채널영역을 모두 제어하지 못하는 현상이 일어나면서, 상하부 게이트의 정전 결합이 약해지게 되지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면 초박막 채널층(105)을 포함함으로써 정전 결합을 유지시키고 큰 증폭인자를 얻을 수 있다. 상하부 게이트의 정전 결합 현상은 상부 채널계면이 완전 공핍이 될 경우만 발생하는데, 종래의 센서에서는 하부 게이트의 전장이 상부 채널을 제어하지 못하여 증폭현상이 발생하지 않는다.

채널층(105)은 산화물 반도체, 유기물 반도체, 다결정 실리콘, 또는 단결정 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 채널층(105)이 산화물 반도체, 유기물 반도체, 다결정 실리콘, 또는 단결정 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 상 하부 게이트 정전 결합이 발생하고 고감도 센서의 제작이 가능하며, 투명하며, 유연한 센서를 제공할 수 있다. 이 경우, 약 59 mV/pH 이상의 증폭된 감도 특성을 얻을 수 있다.

채널층(105)은 넓이 또는 길이에 제한받지 않으며, 이중 게이트 구조에서 상 하부 게이트 전극(101, 107)을 이용하여 정전 결합 현상을 활용할 수 있다.

상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께(Equivalent oxide thickness)는 하부 절연막(102)의 등가 산화막의 두께보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 상부 절연막(106)의 두께는 약 25 nm 이하일 수 있고, 하부 절연막(102)의 두께는 약 100 nm 이상일 수 있다. 상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께가 하부 절연막(102)의 등가 산화막의 두께 미만일 때, 정전 결합을 이용한 약 59 mV/pH 이상의 감도 증폭 현상을 유발시킬 수 있다.

상부 절연막(106), 하부 절연막(102), 또는 교체형 센서(130)의 감지막(109)은 SiO₂, HfO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅, ZrO₂, 또는 TiO₂ 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상부 절연막(106), 하부 절연막(102), 또는 교체형 센서(130)의 감지막(109)은 단일, 이중, 및 삼중 적층 구조를 가질 수 있다. 이를 통해, 물리적 두께를 증가 시키고, 상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께는 감소 시킴으로써, 감도를 증폭 시키고, 누설전류에 대한 열화 현상을 방지할 수 있다.

ISFET 바이오센서(100)는 B형 간염, 조류독감, 수족구병, 췌장암, 전립선암, 자궁경부암, 또는 간암 중 적어도 하나의 질병을 진단할 수 있다.

ISFET 바이오센서(100)는 세포기반 센서, 항원항체 센서, 또는 DNA 센서 중 적어도 하나로 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서와 금 나노 입자 프로브의 결합에서 나타나는 증폭 메커니즘을 나타내는 모식도이다. 도 2를 참고하면, 나노프로브 융합 트랜지스터 센서 시스템이 디바이랭스를 줄일 수 있고, 임상샘플에서 pH가 일정하게 유지될 수 있다는 것을 알 수 있다. 나노프로브는 강한 음전하를 띄고 있다. 강한 음전하는 용액에서 양전하에 의해 둘러 쌓이며, 표면 및 센서의 디바이랭스 근처에서 양전하가 인가된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프로브 융합 트랜지스터의 간단한 사용절차를 나타내는 모식도이다. 도 3을 참고하면, 나노프로브 융합 트랜지스터의 간단한 사용절차가 나타난다. 바이오마커를 포함하고 있는 혈청 샘플과 나노프로브를 혼합하여, 나노프로브 융합 트랜지스터에 주입한다. 다음 교체형 센서를 플러그인하는 간단한 절차로 감지시스템이 완성될 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 이중 게이트 ISFET 제조

기판은 약 10 내지 20 Ωcm 의 비저항을 갖는 (100)방향의 SOI(silicon-on-insulator)로 제작하고, 하부 게이트 전극인 실리콘의 두께는 약 107 nm 이고, 하부 절연막인 매몰 SiO₂ 산화막은 약 700 nm로 기판을 제조한다. 표준 RCA 클리닝(cleaning)을 실시한 후, 초박막 형성을 위하여 약 2.38 중량 %의 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드(tertramethylammonium hydroxide, TMAH) 용액으로 상부 실리콘을 식각하고, 포토리소그래피를 이용하여 채널영역을 형성한다. 형성된 채널의 길이와 폭은 각각 약 20 ㎛와 20 ㎛이다. 그리고 형성된 채널층의 두께는 약 4.3 nm 이다. 이어서, CVD 장비를 이용하여, n형 다결정 실리콘을 증착하여 소스와 드레인을 형성한다. 이후, 소스와 드레인 위에 약 23 nm 두께의 실리콘 다이옥사이드를 옥시데이션을 통해 상부 절연막을 형성한다. 그 후, 상부 게이트 전극의 형성을 위해 약 150 nm 두께의 Al 박막층을 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 이용하여 증착한다. 다음으로, 결함을 없애고 계면 상태를 향상시키기 위해 약 450˚C, 그리고 N₂ 및 H₂을 포함하는 가스 분위기에서 열처리를 수행하여 이중 게이트 ISFET 를 제조한다.

비교예 1: 단일 게이트 ISFET 제조

실시예 1에서 하부 게이트 전극을 생략한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단일 게이트 ISFET를 제조한다.

실시예 2: 교체형 센서 제조

기판은 약 300 nm 의 SiO₂가 성장된 (100) 방향의 p형 실리콘을 사용한다. 표준 RCA 클리닝을 실시한 후, 전자빔 증발기를 이용하여 센서 표면의 전기적 포텐셜 변화를 전달하는 금속 전극 역할을 하는 Ti를 약 100 nm 두께로 증착한다. 그 후, 감지막인 SnO₂ 막을 RF sputter 를 이용하여 Ti 층 위에 약 45 nm 두께로 증착한다. 이 때, RF power는 약 50 W 이다. 그 후, 약 20 sccm 의 흐름율(flow rate)을 갖는 Ar 가스 분위기 및 약 3 mtorr 압력에서 스퍼터링 공정을 실시한다. 이어서, pH 용액의 주입을 위하여 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 챔버를 제작하고 감지막의 상부에 부착하여 교체형 센서를 제조한다.

pH 특성 평가

이중 게이트 ISFET와 교체형 센서가 결합된 바이오 센서의 pH감지 특성을 평가하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다. 실시예 2의 교체형 센서는 실시예 1의 이중 게이트 ISFET에 삽입되며, 교체형 센서의 상부전극에는 Ag/AgCl 기준전극이 접지된다. 교체형 센서에 pH 용액을 주입시키고, 이중 게이트 ISFET의 하부전극에 바이어스를 가한다. 교체형 센서에 pH 버퍼 용액을 주입하여 pH 감도를 측정한다.

도 4는 실시예 1의 이중 게이트 ISFET와 실시예 2의 교체형 센서가 결합된 바이오 센서의 감도 증폭 평가결과를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참고하면, ISFET 센서의 연계 기술을 통하여 pH 증폭을 유발시킨 전달특성이 나타난다. 여기서, pH 증폭 크기는 하부 절연막의 두께, 채널층의 두께, 상부 절연막 두께 의해 결정될 수 있다.

실시예 3: 리셉터가 부착된 교체형 센서

실시예 2에서 제조된 교체형 센서의 감지막의 표면에 B형 간염 항체를 고정하기 위하며, 최초 감지막의 표면에 O₂ 플라즈마를 이용하여 OH기를 형성한다. 이어서, 감지막의 표면을 에탄올에 희석된 약 5 %의 (3-아미노프로필)트리메톡시실레인((3-aminopropyl)trimethoxysilane)과 약 한 시간 동안 반응시켜 감지막의 표면에 아미노기를 형성하고, 약 1 M의 석시닉 안하이드라이드(succinic anhydride)를 주입하여 약 37 ℃에서 약 4 시간 동안 반응시켜 감지막의 표면에 카르복실기를 형성한다. 다음으로, 감지막의 표면을 약 0.4 M의 N-하이드록시석신이미드(N-Hydroxysuccinimide)와 약 0.1 M의 에틸(다이메틸아미노프로필)카보다이이미드((ethyl(dimethylaminopropyl) carbodiimide)와 약 15 분 동안 가량 반응시킨다.

B형 간염 바이러스 감지도 특성평가

실시예 3에서 제조된 B형 간염 항체가 기능화된 교체형 센서에 PBS 버퍼 용액에 희석된 B형 간염 항원을 주입시키고, 실시예 3의 교체형 센서에 결합된 실시예 1의 이중 게이트 ISFET의 하부전극에 바이어스를 가하여, 감지도를 측정한 결과가 도 5 내지 도 7에 나타난다.

도 5는 실시예 1의 이중 게이트 ISFET와 실시예 3의 교체형 센서가 결합된 바이오 센서의 B형 간염 바이러스 감지 감도와 비교예 1의 단일 게이트 ISFET에서의 감지 감도를 PBS 버퍼 용액환경에서 비교한 그래프이다. 도 5를 참고하면, 실시예 1 및 실시예 3이 결합된 바이오 센서는 비교예 1의 단일 게이트 ISFET에 비하여 약 81.7 배 가량의 표면전위 증폭현상을 보여준다.

도 6은 비교예 1의 단일 게이트 ISFET 센서의 B형 간염 바이러스 감지 감도와 실시예 1 및 실시예 3이 결합된 바이오 센서의 PBS 버퍼 용액의 농도에 따른 B형 간염 바이러스 감지 감도를 비교한 그래프이다. 도 6을 참고하면, 실시예 1 및 실시예 3이 결합된 바이오 센서를 활용하여 기존에 널리 사용되고 있는 PBS 버퍼 용액을 사용한 B형 간염바이러스 감지도 특성을 비교한다. PBS 버퍼 용액의 농도가 희석됨에 따라 디바이랭스가 커지기 때문에, 더 많은 생체 신호가 감지될 수 있다.

도 7은 실시예 1 및 실시예 3이 결합된 바이오 센서의 PBS 버퍼 용액의 농도에 전달특성의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참고하면, PBS 버퍼 용액의 농도가 희석됨에 따라, PBS 버퍼 용액이 산성쪽으로 향하는 전달특성이 나타난다. 센서는 표면에서 감지된 바이오마커의 등전점의 변화에 민감하게 반응하기 때문에, 임상샘플의 pH가 일정해야 일정한 감지도를 얻을 수 있다.

도 6과 도 7의 결과로부터, 트랜지스터 기반의 바이오센서는 PBS 버퍼 용액의 조건에 민감하게 반응할 수 있음을 보여준다. 이는 트랜지스터 기반의 바이오센서의 임상적용을 방해하는 요소일 수 있다.

실시예 4: PBS 버퍼 용액에서의 나노프로브 결합 바이오센서

PBS 버퍼 용액에 임의의 B형 간염 바이러스를 농도 별로 희석한다. 준비된 3 nM의 금 나노 입자를 포함하는 나노프로브와 바이오마커가 희석된 용액을 30분 반응하고, 혼합물을 실시예 1의 이중 게이트 ISFET에 결합된 실시예 3의 교체형 센서의 감지막에 30분 반응 후, 감지도를 측정한 결과가 도 8에 나타난다.

도 8은 실시예 4의 바이오센서의 PBS 버퍼 용액의 농도에 따른 B형 간염 바이러스 감지 감도를 비교한 그래프이다. 도 8을 참고하면 금 나노 입자 프로브 융합 트랜지스터 플랫폼의 B형 감염 바이러스 감지도 특성이 나타난다. 나노입자가 결합되지 않는 바이오센서(실시예 1 및 실시예 3이 결합된 바이오 센서, PBS 버퍼 용액 0.001 희석)감지도 특성도 동시에 비교되었다. 나노프로브 융합 트랜지스터에서, B형 간염 감지도가 PBS 버퍼 용액 조건에 상관없이 일정하게 증폭되는 현상을 확인할 수 있다.

여기서, 도 8의 증폭된 크기와 도 6의 신호를 비교하였을 때, 나노프로브의 전하가 바이오마커의 등전점의 변화보다 더 큰 것을 알 수 있다. 나노프로브는 신호를 크게 증폭시킬 뿐만 아니라, 임상샘플에서 변화하는 pH를 효과적으로 제어할 수 있음을 나타낸다. 나노프로브를 이용한 이중게이트 ISFET 센서에 따르면, 임상샘플의 바이오마커를 반응시키고 PBS 버퍼 용액을 사용해야 하는 기존의 센서 플랫폼에서 나타나는 여러 가지 준비과정이 생략될 수 있고, 임상샘플에서 바로 바이오마커를 감지할 수 있다.

실시예 5: 혈청에서의 나노프로브 결합 바이오센서

시그마 알드리치로부터 구매한 혈청에 B형 간염 바이러스를 혼합한다. 준비된 3 nM의 금 나노 입자를 포함하는 나노프로브와 바이오마커를 포함한 혈청을 30분 반응하고, 혼합물을 실시예 1의 이중 게이트 ISFET에 결합된 실시예 3의 교체형 센서의 감지막에 30분 반응 후, 감지도를 측정한 결과가 도 9에 나타난다.

도 9는 실시예 5의 바이오센서와 나노프로브를 사용하지 않은 바이오센서의 혈청 속의 B형 간염 바이러스 감지특성을 비교한 그래프이다. 나노프로브를 사용하지 않은 바이오센서는 나노프로브를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 제조된다. 도 9를 참고하면, 나노프로브 융합 트랜지스터를 활용하여 실제 혈청에서 B형 간염을 감지한 특성이 나타난다. 5 회 이상의 실험에서 PBS 버퍼 용액을 대신하여 사용된 혈청 용액의 B형 간염 바이오마커를 효과적으로 감지하였으며, 나노프로브가 포함되지 않는 바이오센서에 비하여 감지도 크기도 약 2 배 이상 큰 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

51: 리셉터 52: 나노프로브
100: ISFET 바이오센서 101: 하부 게이트 전극
102: 하부 절연막 103: 소스
104: 드레인 105: 채널층
106: 상부 절연막 107: 상부 게이트 전극
108: 금속 전극 109: 감지막
120: ISFET 130: 교체형 센서

Claims

하부 게이트 전극,
상기 하부 게이트 전극 위에 위치하는 하부 절연막,
상기 하부 절연막 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스 및 드레인,
상기 하부 절연막 위에 위치하고 상기 소스 및 상기 드레인 사이에 위치하는 채널층,
상기 소스, 상기 드레인, 그리고 상기 채널층 위에 위치하는 상부 절연막,
상기 상부 절연막 위에 위치하는 상부 게이트 전극,
상기 상부 게이트 전극 위에 위치하는 교체형 센서(disposable sensor), 그리고
상기 교체형 센서에 결합되어 있고, 항체, 세포, 또는 DNA 중 적어도 하나가 기능화되어 있는 리셉터(receptor)를 포함하고,
음전하 또는 양전하를 갖는 나노프로브는 상기 리셉터에 결합되고, 상기 나노프로브와 상기 채널층의 전자의 정전 결합(capacitive coupling)에 의해 바이오마커(biomarker)의 감지도가 증폭되는 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET, ion-sensitive field effect transistor) 바이오센서.
제1항에서,
상기 상부 절연막의 등가 산화막 두께는 상기 하부 절연막의 등가 산화막 두께보다 얇으며, 상기 정전 결합이 발생하는 10 nm 이하의 두께를 상기 채널층이 갖는 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서.
제1항에서,
상기 나노프로브는 금속 나노 입자를 포함하는 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서.
제3항에서,
상기 금속 나노 입자는 금(gold)인 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서.
제1항에서,
상기 나노프로브는 양자점(quantum dot)을 포함하는 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서.
제1항에서,
상기 나노프로브는 페리틴(ferritin)과 복수개의 금속 나노프로브를 결합한 하이브리드 나노프로브를 포함하는 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서.
제1항에서,
상기 바이오센서는 B형 간염, 조류독감, 수족구병, 췌장암, 전립선암, 자궁경부암, 또는 간암 중 적어도 하나의 질병을 진단하거나,
세포기반 센서, 항원항체 센서, 또는 DNA 센서 중 적어도 하나로 사용되는 것인 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서.