KR101617941B1 - 수은에 선택적인 감응성을 보이는 압타머가 도입된 그래핀을 채널로 사용하는 고감응성 전계 효과 트랜지스터 수은 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수은에 선택적인 감응성을 보이는 압타머(aptamer)를 그래핀 채널에 도입한 고감응성 전계 효과 트랜지스터 수은 센서의 제조에 관한 것으로, 화학기상증착법으로 제조된 그래핀 기판에 열증착 공정을 통하여 메탈전극을 도입하여 그래핀을 채널로 사용한 전극을 제조하고, 그래핀 채널을 표면개질화한 후 시프염기반응을 통해 압타머를 고정시키고, 전계 효과 트랜지스터를 도입하여 수은과 압타머의 선택적인 결합에 따른 전류변화를 모니터링(monitoring)하여 극미량의 수은을 검출하는 그래핀 기반 수은 센서 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 제조된 수은 센서는 높은 전하 캐리어 이동도와 전도도(conductivity)를 특성으로 지니는 그래핀을 이용하여 기존에 존재하는 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 하는 수은 센서에 비해 감응도를 약 100배 향상시키는 결과를 보여주었으며, 1초 내에 수은과 감응하여 기존의 비색 센서와 형광 센서의 단점을 보완하는데 성공하였다. 본 연구자들에 의해서 제조된 수은 센서는 수은에 선택적으로 감응하는 압타머를 활용하여 높은 선택성(selectivity)을 제공한다는 장점이 있다.

Description

수은에 선택적인 감응성을 보이는 압타머가 도입된 그래핀을 채널로 사용하는 고감응성 전계 효과 트랜지스터 수은 센서의 제조방법 {High-Performance Graphene Aptasensor Based on Field Effect Transistor for Mercury Detection}

본 발명은 수은과 선택적으로 결합하는 압타머가 그래핀 채널 표면에 고정된 수은 센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면개질된 그래핀 채널에 시프염기반응을 통해 압타머를 결합시키고, 전계 효과 트랜지스터를 도입하여 수은과 압타머의 선택적인 결합에 따른 전기적 특성 변화를 모니터링하여 극미량의 수은을 검출하는 그래핀 기반 수은 센서 제조방법에 관한 것이다.

수은(mercury)은 가정용 및 산업적인 용도로 다양하게 쓰이고 있다. 수은이 함유된 제품의 예로는 온도계, 혈압계, 치아 충진용 아말감, 석탄에서 PVC를 생산할 때의 촉매, 소금물에서 염소와 가성소다를 생산하는 전극 등이 있다. 수은은 매우 낮은 농도로 인체에 강한 독성을 나타낼 수 있으며 미나마타병, 폐부종, 청색증, 신증후군과 같은 질병을 유발 할 수 있다. 이 때문에 수은 함유량에 대한 규제가 강화되고 있으며, 낮은 농도의 수은을 정확히 감지하기 위한 수은 센서의 개발이 요구되고 있다.

현재까지 수은을 감지하기 위해 성공적으로 개발이 이루어진 센서 종류에는 광전기화학 센서(photoelectrochemical sensor)(참고문헌: J. Hazard. Mater. 2013, 244, 621.), 비색 센서(colorimetric sensor)(참고문헌: ACS nano, 2013, 5, 4595.), 형광 센서(fluorescence sensor)(참고문헌: Chem. Commun. 2014, 50, 2055.)등이 있다. 그러나, 이들은 색의 변화 및 형광 특성이 발현되는데 있어서 긴 시간이 소요되는 문제점을 가지게 된다.

그래서 최근 전계 효과 트랜지스터 기반 수은 센서(field effect transistor based mercury sensor)의 제조 방법이 연구되어 왔으며, 이들은 아주 짧은 시간에 신호를 증폭하여 (< 수 초) 실시간으로 센서 장치의 전기적 특성 변화를 모니터링(monitoring)함으로써 수은을 검출 할 수 있다. 기존의 전계 효과 트랜지스터 기반 수은 센서의 채널로는 그래핀(graphene), 카본나노튜브(carbon nanotube), 유기 고분자(organic polymer) 등이 쓰여지고 있다. 특히, 그래핀은 뛰어난 열 전도성, 기계적 안정성, 전하 캐리어 이동도(charge carrier mobility)를 특성으로 지니며, 슈퍼캐패시터(supercapacitor), 태양전지(solar cell), 투명 전도성 전극(transparent conducting electrode) 등의 다양한 분야에 응용되고 있다. 최근에는 그래핀을 센서장치의 트랜스듀서(transducer)로 이용하는 방법들이 많이 연구되고 있다(참고문헌: Adv. Mater. 2012, 25, 4177.). 이는 그래핀의 높은 전하 캐리어 이동도와 전도도(conductivity) 특성으로 인하여 우수한 민감도(sensitivity)와 실시간 감지성능을 가질 것으로 예상되기 때문이다. 하지만, 그래핀의 표면을 개질화 시키기 어려운 문제점을 가지며, 이로 인해 낮은 농도의 수은을 효과적으로 감지하기에는 선택도(selectivity)와 민감도(sensitivity)에 한계가 있다(참고문헌: Anal. Chem. 2012, 84, 4057.).

따라서, 수 초안에 미량의 수은을 선택적으로 감지할 수 있도록 표면이 개질 된 그래핀 채널로 이루어진 전계 효과 트랜지스터 기반의 새로운 수은 센서 제조방법이 강력히 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 이러한 종래기술의 문제점들을 일거에 해결하고자, 화학기상증착법을 통해 얻은 그래핀 위에 열증착 공정으로 메탈전극을 도입하여 전극 기판을 제조하고, 가교제를 이용하여 표면을 개질화하여 시프염기반응을 통해 수은과 선택적으로 감응하는 압타머를 도입하고, 전계 효과 트랜지스터 기반의 장치를 제공함으로써, 선택적으로 수은을 실시간 감지 가능한 그래핀 기반 수은 센서 채널로 이루어진 새로운 수은 센서 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 수많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 이제껏 알려진 방법과는 전혀 다른 방법, 시프염기반응을 이용하여 표면개질된 그래핀 채널에 수은과 감응하는 DNA 압타머를 화학적 결합을 통해 고정하는 방법을 개발하였으며, 전기적 특성 변화를 검출하기 위한 전계 효과 트랜지스터를 도입하여 기존의 수은 센서에 비해 월등히 향상된 수은 센서를 개발하기에 이르게 되었다. 본 발명에서 제조한 수은 센서는 1초 내에 수은과 감응하여 기존의 비색 센서와 형광 센서의 단점을 보완하였다. 상기 수은 센서의 수은에 대한 최소감응농도는 10 pM으로 매우 높은 감응도를 보여주었으며, 이는 기존에 존재하는 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 하는 수은 센서에 비해 감응도가 약 100배 향상된 성능이다. 또한, 수은에만 선택적으로 감응하는 특성을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 그래핀을 채널로 사용한 전극에 표면개질 후, 수은에 선택적으로 감응하는 압타머를 부착시켜 전계 효과 트랜지스터 채널영역을 구성하고, 이를 바탕으로 전류의 변화를 감지하여 수은을 실시간으로 검출하는 것을 내용으로 한다.

본 발명에 따른 고감응성 전계 효과 트랜지스터 수은 센서 제조 단계는,

(A) 화학기상증착법으로 제조된 그래핀 기판에 열증착 공정으로 메탈전극을 도입하여 그래핀 채널의 전극을 준비하는 단계;

(B) 상기 그래핀 채널을 아민기(-NH2)로 표면개질화 하는 단계;

(C) 상기 표면개질된 그래핀 채널 상에 시프염기반응을 이용하여 양쪽 말단에 카르복시산 작용기(-COOH)를 가지는 가교제를 도입하는 단계;

(D) 시프염기반응을 통해 상기 가교제가 도입된 그래핀 채널에 수은에 감응성을 보이는 압타머를 고정시키는 단계;

(E) 상기 제조된 그래핀 기반 수은 센서 매질의 전기적 특성변화에 따른 전기신호를 검출하기 위한 전계 효과 트랜지스터를 제공하는 단계를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 압타머가 부착된 그래핀 채널을 바탕으로 하는 전계 효과 트랜지스터 기반 수은 센서 제조방법은 이제껏 보고된 바가 없는 전혀 새로운 방법으로써, 종래의 비색 센서 및 형광센서에서 문제시되었던 수은을 감지하는데 있어서 긴 시간이 소요되는 문제점을 현저하게 줄일 수 있으며, 그래핀을 채널로 사용한 전극을 도입함으로써 기존의 전계 효과 트랜지스터 기반 수은 센서에 비하여 100배 낮은 농도의 수은을 검출 할 수 있는 고감응성의 수은 센서를 용이하게 제조할 수 있다.

특히, 본 발명에서 수은에 선택적으로 감응하는 압타머를 부착시킴으로써 매우 우수한 선택적 특성을 장점으로 얻을 수 있다. 압타머는 RNA, DNA, 합성 뉴클레오티드 등으로부터 합성되는 펩티드 분자이다. 압타머를 특정한 염기서열로 합성하여 타겟 물질(target material)과 선택적으로 결합시킬 수 있다. 본 발명에서는 수은에 선택적으로 감응하는 압타머를 사용하여 중금속 혼합용액 내의 수은에만 선택적인 감응을 나타내었다. 또한, 홍합으로부터 추출한 홍합 용액 샘플 안에 있는 수은을 감지 할 수 있었으며, 이는 본 발명에서 제조한 수은 센서의 실제 생활에 대한 응용 가능성을 보여주었다.

도 1_(a)는 본 발명의 실시예 4, 5, 6에서 제작된 그래핀을 채널로 사용한 수은 센서 제조과정 개략도이다.
도 1_(b)는 본 발명의 실시예 5, 6에서 제조된 표면개질된 그래핀 채널 상에 가교제와 압타머를 고정시키는 시프염기반응 메카니즘이다.
도 1(c)는 본 발명의 실시예 6에서 제조된 수은 센서의 압타머가 수은에 선택적으로 감응하는 메카니즘이다.
도 2_(a)는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 단층의 그래핀에 대한 투과전자현미경 사진이다.
도 2_(b)는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 단층의 그래핀에 대한 라만 스펙트럼이다.
도 3_(a)는 본 발명에 따른 수은에 감응하는 압타머가 부착된 표면개질된 그래핀을 채널 영역으로 이용한 액체-이온 게이트 전계 효과 트랜지스터 수은 센서를 나타내는 개략도이다.
도 3_(b)는 본 발명의 실시예 6에서 제작된 수은 센서의 10 pM 에서 100 nM 농도의 수은에 대한 전류변화 검정곡선 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 6에서 제작된 수은 센서의 10 mM 농도의 비타겟(non-target) 중금속 이온들과 10 nM 농도의 타겟(target) 수은 이온에 대한 전류변화 검정곡선 그래프이다.
도 5_(a)는 본 발명의 실시예 6에서 제작된 수은 센서의 타겟 수은 이온과 비타켓 중금속 이온들의 혼합물에 대한 전류변화 검정곡선 그래프이다.
도 5_(b)는 본 발명의 실시예 6에서 제작된 수은 센서의 홍합으로부터 추출한 홍합 용액 샘플에 대한 전류변화 검정곡선 그래프이다.
도 6은 홍합 용액 샘플에 대한 ICPE(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer) 분석이다.

단계 (A)에서 화학기상증착법을 통해 제조된 상기 그래핀의 층 개수는 한정되어 있는 것이 아니라 단층 또는 복수층의 그래핀을 포함할 수 있으며, 특히 단층의 그래핀을 사용하는 것이 바람직하다. 복수층의 그래핀을 사용하면, 표면저항 감소로 인하여 수은 센서의 민감도가 하락한다.

본 발명에서 도입된 전극 기판은 메탈전극을 소스 및 드레인 전극으로 사용하고, 화학기상증착법으로 제조된 그래핀을 채널 영역으로 이용한다. 상기 그래핀 채널은 소스 전극과 드레인 전극 사이를 이어주는 영역이다.

메탈전극의 종류는 특정 금속에 한정된 것이 아니며, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 인듐(In), 니켈(Ni), 주석(Sn), 규소(Si), 백금(Pt), 또는 팔라듐(Pd) 이 메탈전극의 소스로 사용될 수 있다.

메탈전극을 균일한 두께로 증착시키기 위하여 증착속도는 0.1 Å/s 에서 1 Å/s 의 범위가 바람직하다. 증착속도가 0.1 Å/s 이하이면 공정 시간이 길어져서 바람직하지 않고, 1 Å/s 이상이면 메탈전극을 균일한 두께로 증착시키기 어렵다.

메탈전극의 두께는 특별히 제한적이지 않으나 100 나노미터에서 500 나노미터인 것이 바람직하다. 메탈전극의 두께가 500 나노미터 이상이면, 공정상의 시간 및 비용에서 바람직하지 않다.

단계 (B)에서 표면개질제의 종류는 특별히 제한적이지 않으나, 아민기(-NH₂)를 포함하고 있으며 상기 그래핀 채널과 π-π 상호작용으로 적층 될 수 있는 방향족 고리 함유 화합물인 것이 바람직하다.

상기 표면개질제의 부가량으로는 메탄올 100 중량부 대비 0.002 에서 0.1 중량부로 첨가될 수 있지만, 이들 범위에 한정되지 않고 상기 범위보다 적거나 많을 수 있다.

단계 (C)에서 사용된 가교제의 종류는 한정되어 있는 것이 아니라, 표면개질제 및 압타머의 아민기와 시프염기반응을 통해 공유결합을 이룰 수 있는 가교제를 선택할 수 있으며, 양쪽 말단에 카르복시산 작용기(-COOH)를 가지는 것이 바람직하다.

상기 가교제의 부가량으로는 수용액 100 중량부 대비 0.1 에서 2 중량부로 첨가될 수 있으며, 이들 범위에 한정되지 않고 상기 범위보다 많거나 적을 수 있다.

단계 (D)에서 수은에 감응성을 보이는 압타머는 3' 또는 5' 말단에 관능기로 아민기를 가지며, 시프염기반응을 통해 압타머의 아민기와 가교제의 카르복시산 작용기가 반응하여 시프염기(C=N) 결합을 유도하여 그래핀 채널에 고정될 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 사용될 수 있는 압타머의 종류로는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 형태의 염기들 중에서 선택된 10 내지 40개의 염기로 이루어지고, 수은과 선택적으로 감응하는 티민(T)기가 총 염기서열 갯수 대비 30% 이상 포함된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그 중에서도 염기서열이 5'-TTTTTTCTTCCCCTTGTTTGTT-3', 5'-CTCTCTTCTCTTCATTTTTCAACACAACACAC-3', 5'-CGCTGTTTT TCACAGCG-3'와 같은며, 3' 또는 5' 말단에 아민 작용기가 부착되어 있는 압타머들이 바람직하다.

단계 (E)에서 전계 효과 트랜지스터 배열을 구성하는데 있어서, 두 개의 메탈전극은 각각 소스 및 드레인 전극으로 사용되며, 그래핀은 채널 영역을 구성한다. 게이트 전극으로는 액체-이온 게이트가 사용되며, 게이트 전극의 전위는 기준전극 및 대조전극을 통하여 조절 할 수 있다. 상기 액체-이온 게이트에 사용되는 전해질은 포스페이트 완충용액(phosphate buffer solution, pH 7.4)이다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 전계 효과 트랜지스터 배열에서는 그래핀 채널에 고정된 압타머가 타겟 물질인 수은에만 선택적으로 감응하여 티민-수은-티민(T-Hg-T) 복합체를 형성한다. 상기 복합체의 형성에 의한 그래핀 내에 전하 운반체의 축적 및 감소를 통해 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류 흐름에 변화를 일으킨다. 이러한 전기적 변화를 전기신호 변환 장치를 통해 실시간 정량화하여 모니터링 할 수 있다. 전류변화(ㅿI/I₀=(I-I₀)/I₀, I과 I₀는 각각 실시간 측정된 전류와 초기 전류치를 나타낸다)에 대한 실시간 측정을 위하여 컴퓨터와 연결된 정전위장치(potentiostat)를 이용해서 소스-드레인 전압을 인가하였고, 상기 전압은 0.1 V 에서 1 V 로 인가하는 것이 바람직하다. 소스-드레인 전압이 1 V 이상이면, 채널영역의 손상으로 인하여 소스 전극과 드레인 전극 사이의 연결이 끊어질 수 있다.

상기 수은 센서의 민감도와 선택도를 검증하기 위해, 타겟 물질로써 수은을 사용하였으며, 비타켓 물질로써 코발트(Co), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 소듐(Na), 납(Pb), 스트론튬(Sr), 리튬(Li), 아연(Zn)을 사용하였다.

상기 수은 센서의 실제적인 샘플에 대한 감응성을 확인하기 위해, 홍합으로부터 추출한 홍합 용액 샘플을 사용하였다. 홍합 용액을 추출하기 위하여, 홍합을 증류수에 12시간 내지 24시간 담가 홍합 용액을 얻은 후, 원심분리기를 통해 불순물을 제거하고 홍합 용액 샘플을 수득하였다. 원심분리기 침전속도는 7,000 에서 10,000 rpm 인 것이 바람직하다.

[실시예]

이하 실시예를 참조하여 본 발명의 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

상기 그래핀 기판을 준비하는 단계는 기존에 보고된 화학기상증착법을 사용한다(참고문헌: Nano Lett. 2012, 12, 5082). 구체적으로, 구리 박막을 직육면체의 석영관에 넣고 로(furnace)에 장입하였다. H₂ 및 CH₄ 가스를 흘려주며 반응 온도를 1000 ℃ 까지 올리고 안정화 시간을 가졌다. 이 후 로의 가열을 중단하고 풍향 냉각장치를 이용하여 냉각시켜 그래핀을 제조하였다. 반응 온도가 1000 ℃ 이하이면 복수층의 그래핀 수득률이 높아짐으로써, 단층의 그래핀 수득률이 낮아졌다.

실시예 1에서 제조된 그래핀을 투과전자현미경을 이용하여 관찰한 결과 단층의 그래핀이 관찰되었으며, 라만 스펙트라를 이용한 정성분석의 결과에서도 단층의 그래핀이 성장되었음을 확인하였다. (도2_(a), (b))

실시예 1에서 제조된 그래핀의 지지체로 polyethylene naphthalate(PEN) 박막을 사용하였고, 상기 그래핀 기판에 메탈전극을 마이크로 크기로 배열하기 위해 20 μm의 너비, 200 μm 의 길이, 그리고 20 μm 의 간격을 지니는 직사각형 패턴으로 구성된 마스크를 부착시킨 후, 열증착공정을 통해 10 나노미터 두께의 크롬(Cr)층을 형성하고, 상측에 100 나노미터 두께의 금(Au)층을 형성하여 그래핀 채널의 전극을 제조하였다. 메탈전극의 두께가 100 나노미터 이하이면, 표면 저항의 증가로 인하여 수은 센서의 민감도가 낮아짐을 확인할 수 있었다.

실시예 3에서 1 x 10^-5 torr 진공 상태에서 열증착공정을 수행하였다. 진공이 1 x 10^-5 torr 이상이면, 열증착공정 챔버의 청정도가 낮아져 균일한 두께의 메탈전극을 제조할 수 없음을 확인할 수 있었다.

실시예 3에서 0.1 Å/s 의 증착속도로 크롬(Cr)층을 증착하고, 1 Å/s 의 증착속도로 금(Au)층을 증착하였다. 크롬층의 증착속도가 0.1 Å/s 이하이면 공정 시간이 길어져서 바람직하지 않고, 금층의 증착속도가 1 Å/s 이상이면 메탈전극을 균일한 두께로 증착시키기 어렵다.

실시예 3에서 사용한 마스크를 이용하여 20 마이크로미터 너비의 그래핀 채널을 얻을 수 있었다. 그래핀 채널의 너비가 20 마이크로미터 이하이면, 소스 전극과 드레인 전극 사이를 연결하지 못하여, 수은 센서 채널영역으로 사용할 수 없음을 확인할 수 있었다.

아민기가 부착된 그래핀 채널을 얻기 위하여 1,5-Diaminonapthalene(DAN) 0.0015 wt% 를 포함한 메탄올 용액 30 mL 에 그래핀을 채널로 사용한 전극을 담가 반응을 진행시킨 후, 증류수를 이용해 잔여 반응물들을 제거하고 질소 가스를 이용해서 수분을 제거하여, 표면개질된 그래핀 채널을 제조하였다. DAN의 부가량이 0.002 wt% 이하이면, 그래핀 채널의 모든 표면이 아민기로 개질화되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

표면개질된 그래핀 채널에 항 수은 압타머를 고정시키기 위한 가교제로 Glutaraldehyde(GA)를 사용하였고, GA 수용액 (2 wt%) 40 μL 를 아민기로 표면개질된 그래핀 기판에 6 시간 동안 노출시켰다. 시프염기반응이 끝난 후, 증류수를 이용해 잔여 반응물들을 제거하고 상온에서 건조하여 수분을 제거하여 가교제가 도입된 그래핀 채널을 얻을 수 있었다. GA의 부가량이 2 wt% 이상이면, 잔여 반응물을 제거하는데 있어서 공정상의 시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있다.

염기서열이 5'-TTTTTTCTTCCCCTTGTTTGTT-3'이며 3' 말단에 아민 작용기가 부착되어 있는 압타머를 TE 완충 용액(Tris-HCl, EDTA, sterile solution, pH 8.0)에 첨가하여 0.1 μmol/L 의 농도를 가지는 40 μL 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 볼텍스 믹서(vortex mixer)에 넣어 2000 rpm 속도로 30 분간 교반을 진행하였다. 교반 속도가 2000 rpm 이하이면, 혼합 용액 내 압타머의 분산성이 떨어짐을 확인할 수 있었다.

실시예 9에서 제조한 압타머를 상기 가교제가 도입된 그래핀 채널에 6 시간 동안 노출시켰다. 시프염기반응으로 압타머의 아민 작용기와 가교제의 카르복시산 작용기 사이에 공유결합을 형성하여 압타머를 고정시킨 후, 증류수를 이용해 잔여 반응물들을 제거하였다. 반응 시간이 6 시간 이하이면, 충분한 양의 압타머를 그래핀 채널에 고정시키지 못하는 문제가 발생함을 확인할 수 있었다. (도1_(a),(b))

그래핀 채널에 고정된 압타머의 양을 측정하기 위해 분광광도계 (2000/2000c spectrophotometer, NanoDrop) 를 이용한 결과, 상기 압타머 혼합 용액 1 μL 당 1.6 ng 압타머를 그래핀 채널에 도입할 수 있음을 확인하였다.

도 1_(c)에 나타낸 바와 같이 그래핀 채널에 고정된 압타머가 수은과 선택적으로 감응하여 티민-수은-티민(T-Hg-T) 복합체를 형성하고, 이러한 화학적/전기적 변화를 모니터링하기 위해 전계 효과 트랜지스터 배열을 구현하였다.

전계 효과 트랜지스터에서 두 개의 메탈전극을 각각 소스(S) 및 드레인(D) 전극으로 사용하고, 두 전극 사이에 채널영역으로 그래핀을 적용하였다. 소스 전극과 드레인 전극 사이에 유리관 챔버(glass chamber)를 도입하고, 포스페이트 완충용액(phosphate buffer solution, pH 7.4) 50 μL 를 상기 유리관 챔버에 첨가하였다. 게이트 전극(G)을 상기 포스페이트 완충용액에 넣어 전계효과 트랜지스터 제조를 완료하였다. 포스페이트 완충용액의 pH 가 7.4 이하이면, 압타머가 변성되는 문제가 발생할 수 있으며, 첨가된 포스페이트 완충용액의 부피가 50 μL 이하인 경우, 게이트 전극(G)의 제어효과가 떨어짐을 확인할 수 있었다.

항 수은 압타머의 역할을 검증하기 위해 실시예 8에서 제작된, 항 수은 압타머 부착전 수은 센서의 소스-드레인 전극 사이에 0.1 V 정전압을 인가하며, 타겟 물질인 수은을 주입하였다. 그 결과, 소스-드레인 전류에서 변화가 관찰되지 않았다. (도 3_(b))

실시예 10에서 제작된, 그래핀 채널영역에 항 수은 압타머가 부착된 수은센서를 전계 효과 트랜지스터에 적용하여 0.1 V 정전압을 인가하며 10 pM 에서 100 nM 농도의 수은을 차례로 주입하였다. 그 결과, 도 3_(b)에 나타낸 바와 같이 해당 농도 범위에 대한 검정 곡선이 기록되었고, 소스-드레인 전류 변화를 확인할 수 있었다. 이는 항 수은 압타머와 타겟 물질인 수은간의 선택적인 반응이 화학적/전기적 변화를 초래하고, 소스-드레인 전류에 변화를 일으킨다는 것을 보여준다. 인가한 정전압이 0.1 V 이하이면 소스-드레인 전류가 충분히 흐르지 못하여, 전류 변화 감지에 대한 어려움을 확인할 수 있었다. (도 3(b))

수은을 포스페이트 완충용액에 첨가하고 초음파 발생기(sonicator)를 통해 10분간 교반하여 실시예 15에서 사용한 10 pM 에서 100 nM 농도의 수은을 제조하였다. 교반 시간이 10분 이하이면 포스페이트 완충용액 내 수은의 분산성이 떨어짐을 확인할 수 있었다.

수은 센서의 선택도(selectivity)를 조사하기 위해 8가지 비타겟 물질(코발트(Co), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 소듐(Na), 납(Pb), 스트론튬(Sr), 리튬(Li), 아연(Zn))을 사용하였다. 상기 비타겟 물질을 포스페이트 완충용액에 첨가하고 초음파 발생기를 통해 10분간 교반하여 1 mM 농도의 비타겟 물질을 제조하였다. 교반 시간이 10분 이하이면 포스페이트 완충용액 내 비타겟 물질의 분산성이 떨어짐을 확인할 수 있었다.

실시예 10에서 제작된 수은 센서의 선택도를 조사하기 위해 상기 수은 센서를 전계 효과 트랜지스터에 적용하고 0.1 V 정전압을 인가하며, 실시예 17에서 제조한 1 mM 농도의 비타겟 물질과 타겟 물질인 10 pM 농도의 수은을 순차적으로 주입하고 전류변화를 실시간으로 모니터링하였다. 그 결과, 비타겟 물질을 주입하였을 때에는 소스-드레인 전류 변화가 무시할 만큼 작았으나(signal-to-noise< 0.168, 노이즈에 대한 전류변화의 비율을 나타낸다) 타겟 물질을 주입하였을 때에는 소스-드레인 전류에서 변화(signal-to-noise: 3.1327)를 초래하였다. (도 4)

실시예 10에서 제작된 수은 센서의 선택도(selectivity)를 검증하기 위해 상기 수은 센서를 전계 효과 트랜지스터에 적용하고 0.1 V 정전압을 인가하며, 실시예 18에서 사용한 타겟 물질과 8가지 비타겟 물질을 혼합하여 수은 센서에 주입하였다. 그 결과, 소스-드레인 전류 변화를 확인할 수 있었다. (도 5_(a))

실시예 19와 동일한 방법으로 실험하되, 컨트롤 실험을 실시하기 위하여 타겟 물질인 수은을 포함하지 않고, 비타겟 물질만 혼합하여 수은 센서에 주입하고 전류변화를 실시간으로 모니터링하였다. 그 결과, 소스-드레인 전류에서 어떤 변화도 관찰되지 않았다. (도 5_(a))

실시예 10에서 제작된 수은 센서의 실제적인 샘플에 대한 감응성 테스트를 위해, 홍합으로부터 추출한 홍합 용액 샘플을 사용하였다. 100 g 홍합을 500 mL 증류수에 24 시간 담가 홍합 용액을 얻었다. 홍합 용액을 증류수에 담그는 시간이 24 시간 이상이면, 홍합 용액이 변질됨을 확인할 수 있었다.

실시예 21에서 얻은 홍합 용액을 7,000 rpm, 15분 조건의 원심분리기에 넣어 불순물을 가라앉혀서 제거한 후, 홍합 용액 샘플을 추출하였다. 원심분리기 침전속도가 7,000 rpm 이하이면 모든 불순물을 침전시킬 수 없음을 확인할 수 있었다.

실시예 22에서 추출한 홍합 용액 샘플에 대한 ICPE(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer) 분석을 실시하였고, 그 결과 홍합 용액 샘플에 약 0.35 mM 농도의 수은이 존재함을 확인하였다. (도 6)

실시예 10에서 제작된 수은 센서를 전계 효과 트랜지스터에 적용하고 0.1 V 정전압을 인가하며, 실시예 22에서 얻은 홍합 용액 샘플을 주입하여 감응성 테스트를 수행하였다. 그 결과, 소스-드레인 전류 변화(signal-to-noise: 6.8562)를 확인할 수 있었다. (도 5(b))

V_g: 게이트 전압
V_ds: 소스-드레인 전압
I_ds: 소스-드레인 전류
ㅿI/I₀: I과 I₀는 각각 실시간 측정된 전류와 초기 전류치, ㅿI=(I-I₀)/I₀

Claims (14)

1. 화학기상증착법으로 제조된 그래핀 기판에 열증착(Thermal Evaporation) 공정을 통하여 메탈전극을 도입함으로써 그래핀을 채널로 사용한 전극을 준비하는 단계;
   상기 그래핀 채널을 아민기(-NH₂)로 표면개질화 하는 단계; 및,
   상기 표면개질된 그래핀 채널 상에 시프염기반응을 통해 가교제를 도입하는 단계; 및,
   상기 가교제가 도입된 그래핀 채널 상에 시프염기반응을 통해 수은에 선택적인 감응성을 보이는 압타머를 고정시킴으로써 그래핀 기반 수은 센서 채널을 수득하는 단계; 및,
   상기 그래핀 기반 수은 센서 채널을 전기적 특성 변화를 검출하기 위하여 전계 효과 트랜지스터에 도입하는 단계; 및,
   상기 제조된 그래핀 기반 수은 센서 채널을 활용한 전계 효과 트랜지스터 배열을 이용하여 수은이 첨가되었을 때, 전기적 특성변화에 따른 전기신호를 감지하는 단계; 및,
   비타겟(non-target) 중금속 이온들과는 감응하지 않으며 타겟 물질(target material)인 수은에만 감응하는 선택도를 평가하는 단계; 및,
   수은을 함유하고 있는 실제적인 샘플을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 메탈전극을 수은 센서의 소스 전극 및 드레인 전극으로 이용하고 그래핀을 소스 전극과 드레인 전극을 연결해주는 채널영역으로 적용하는 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 메탈전극은 두께가 100 나노미터에서 500 나노미터인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 그래핀 채널은 너비가 20 마이크로미터에서 30 마이크로미터이며, 길이가 100 마이크로미터에서 300 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 그래핀 채널을 아민기로 표면개질화 하는 단계에서 사용되는 물질이 상기 그래핀 채널과 π-π 상호작용(interaction)으로 적층 될 수 있는 방향족 고리 함유 화합물(aromatic ring-containing compound)이며, 작용기는 아민인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 가교제를 도입하는 단계에서 상기 가교제가 양쪽 말단에 카르복시산 작용기를 가지는 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 압타머는 3' 또는 5' 말단에 아민 작용기가 부착되어 있으며, 10 내지 40개의 염기서열로 구성되며 티민(T)기가 총 염기서열 갯수 대비 30% 이상 포함 된 DNA 압타머인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 압타머를 고정시키는 시프염기반응은 압타머의 아민 작용기와 가교제의 카르복시산 작용기와의 반응으로 시프염기(C=N) 결합을 유도하는 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 시프염기반응의 반응시간은 6 에서 12 시간인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 압타머는 수은과 티민-수은-티민(T-Hg-T) 복합체를 형성하여 수은이 선택적으로 감응하는 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
11. 제 1항에 있어서, 상기 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 하여, 그래핀 채널의 전류를 변화시킴으로써 수은을 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 제조방법.
12. 제 1항에 있어서, 상기 비타겟 중금속 이온들은 코발트(Co), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 소듐(Na), 납(Pb), 스트론튬(Sr), 리튬(Li), 아연(Zn) 이온인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
13. 제 1항에 있어서, 상기 실제적인 샘플은 홍합으로부터 추출한 홍합 용액인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 홍합 용액은 100 g의 홍합을 500 밀리리터 증류수에 12시간 내지 24시간 담가 추출한 용액인 것을 특징으로 하는 수은 센서 제조방법.
    
    
    

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