KR101704901B1 - 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서가 개시된다. 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 기판; 상기 기판 상에 형성된 2차원 물질; 상기 기판 상에 형성되고 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결된 소스 전극; 상기 기판 상에 형성되고 상기 소스 전극과 이격된 상태로 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결된 드레인 전극; 상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 형성된 절연층; 상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 형성된 1차원 구조체들; 상기 1차원 구조체들 표면에 각각 형성된 제1 보호층; 상기 제1 보호층 표면에 배치되고 특정 항원과 반응할 수 있는 항체; 상기 절연층 상에 형성된 제2 보호층; 및 상기 제2 보호층 상에 형성되고, 상기 2차원 물질 및 상기 1차원 구조체들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있으며, 특정 항원을 포함하는 용액을 수용할 수 있는 케이스를 포함한다.

Description

전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 및 이의 제조방법{BIO SENSOR USING FIELD EFFECT TRANSISTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 바이오 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
지금까지 바이오센서는 현장현시진단(Point-of-care diagnostics)을 위하여 검출 속도가 더 빠르고, 감도가 크며 소형화가 가능하도록 개발되도록 요구되어 왔다. 또한 매우 낮은 농도의 바이오 분자 예를 들면, 특정 항원을 검출하는 것은 질병의 임상진단과 하나의 세포를 관찰하는 데에도 큰 의의가 있기 때문에 중요하다
그러나 펨토몰(fM) 단위와 같은 매우 낮은 농도의 바이오 분자를 빠른 시간 내에 검출할 수 있는 바이오센서가 연구되고 있으나 실질적으로 현장현시진단이 가능한 바이오센서가 전무한 실정이다.
종래의 1차원 구조의 실리콘 나노와이어를 이용한 바이오 센서들은 매우 높은 감도로 단백질이나 유전자(DNA)를 검출하였지만 검출 시간이 수십분에 달하는 문제점이 있다. 그리고 종래의 2차원의 구조의 그래핀과 이황화몰리브덴(MoS2)을 기반으로 한 바이오 센서들은 펨토몰(fM) 단위와 같은 매우 낮은 바이오 분자를 검출하는데 약 12분 정도가 걸리고 있어 현장현시진단에 사용되기에는 미흡한 문제점이 있다.
이에 본 발명자는 종래 문제점을 해결하기 위하여 종래 1차원 또는 2차원 구조와는 다른 구조를 적용함으로써 빠른 시간 내에 펨토몰(fM) 단위의 매우 낮은 농도의 바이오 분자도 검출할 수 있는 바이오 센서를 개발하기에 이르렀다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 2차원 물질과 1차원 구조체들이 결합된 3차원 구조의 채널을 제공함으로써 특정 항원의 검출 확률을 높일 수 있으며, 매우 낮은 농도의 특정 항원을 빠른 시간 내에 특정 항원을 검출할 수 있는 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 기판; 상기 기판 상에 형성된 2차원 물질; 상기 기판 상에 형성되고 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결된 소스 전극; 상기 기판 상에 형성되고 상기 소스 전극과 이격된 상태로 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결된 드레인 전극; 상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 형성된 절연층; 상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 형성된 1차원 구조체들; 상기 1차원 구조체들 표면에 각각 형성된 제1 보호층; 상기 제1 보호층 표면에 배치되고 특정 항원과 반응할 수 있는 항체; 상기 절연층 상에 형성된 제2 보호층; 및 상기 제2 보호층 상에 형성되고, 상기 2차원 물질 및 상기 1차원 구조체들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있으며, 특정 항원을 포함하는 용액을 수용할 수 있는 케이스를 포함할 수 있다. 일 예로 2차원 물질은 그래핀이 사용될 수 있고, 그래핀 상에 형성된 1차원 구조체들은 산화아연 나노로드들이 사용될 수 있으며 그래핀과 산화아연 나노로드가 결합하여 하나의 채널(channel)을 구성할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 케이스의 높이는 상기 케이스에 상기 용액이 수용되는 경우 상기 용액에 상기 1차원 구조체들이 잠기도록 구성될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 2차원 물질은 그래핀(graphene), 이황화몰리브덴(MoS2) 및 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 1차원 구조체들은 나노 크기의 로드(rod) 또는 와이어(wire) 형상이고, 금속 물질 및 반도체 물질 중 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 보호층은, 산화티타늄(TiO2)를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제2 보호층은, 음성감광제인 SU-8을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 케이스는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsioxane, PDMS)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 상기 케이스에 상기 특정 항원을 포함하는 용액이 수용되는 경우, 상기 용액과 전기적으로 연결되어 전압을 인가할 수 있는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조방법은 기판 상에 2차원 물질을 형성하는 단계; 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 소스 전극을 형성하는 단계; 상기 소스 전극과 이격된 상태로, 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 1차원 구조체들을 형성하는 단계; 상기 1차원 구조체들 표면에 제1 보호층을 각각 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 제2 보호층을 형성하는 단계; 상기 2차원 물질 및 상기 1차원 구조체들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있고, 특정 항원을 포함하는 용액을 수용할 수 있는 케이스를 상기 제2 보호층 상에 형성하는 단계; 및 상기 제1 보호층 표면에 특정 항원과 반응할 수 있는 항체를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 절연층을 형성하는 단계는, 상기 기판, 상기 2차원 물질, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 알루미나를 증착하는 단계; 상기 알루미나 상에 양성 감광제를 배치하고, 상기 2차원 물질의 영역에 대응하는 상기 양성 감광제를 패터닝하는 단계; 패터닝된 영역의 알루미나를 식각하는 단계; 및 상기 양성 감광제를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 1차원 구조체들을 형성하는 단계는, 상기 2차원 물질을 산화아연 나노입자들을 포함하는 용액에 노출시킨 후 상기 용액을 세척하는 단계; 및 상기 그래핀층을 헥사하이드레이트(hexahydrate) 및 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)을 포함하는 용액에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 특정 항원을 검출할 수 있는 농도의 범위가 넓으면서도 아주 적은 농도의 특정 항원도 검출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 매우 작은 농도의 특정 항원을 빠른 시간 내에 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 항체를 제1 보호층 표면에 배치하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노로드들의 평면 및 측면을 전계방출형 주사현미경(FE-SEM)을 통하여 확인한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노로드의 표면에 형성된 산화티타늄(TiO2)층을 전계방출형 주사현미경(FE-SEM)을 통하여 확인한 사진이다.
도 6은 수용되는 타겟항원(PSA-ACT complex protein)의 농도를 달리하면서 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서에 인가되는 게이트 전압에 따라 드레인 전류를 측정한 사진이다.
도 7은 수용되는 항원의 농도를 달리하면서 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 시간에 따른 반응(△IDS/IDS ,0)을 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 항체를 제1 보호층 표면에 배치하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서(1000)는 기판(10), 2차원 물질(20), 소스 전극(30), 드레인 전극(40), 절연층(50), 1차원 구조체(60)들, 제1 보호층(70), 항체(80), 제2 보호층(90) 및 케이스(100)를 포함할 수 있다.
기판(10)으로는 예를 들면, 산화실리콘(SiO2) 또는 실리콘(Si)로 이루어진 웨이퍼(wafer) 또는 폴리머 물질로 이루어진 기판 등이 사용될 수 있고, 산화실리콘(SiO2)으로 이루어진 경우 기판(10)의 두께는 약 300㎚일 수 있다.
2차원 물질(20)은 기판(10) 상에 형성될 수 있고, 일 예로 기판(10)의 상부면 중앙 부분에 형성될 수 있다. 일 예로 2차원 물질(20)로는 그래핀, 이황화몰리브덴(MoS2), 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide) 등이 사용될 수 있다. 하나의 2차원 물질(20)이 기판(10) 상에 형성될 수 있으나, 두 개 이상의 복수 개의 2차원 물질(20)들이 서로 이격된 상태로 형성될 수 있다.
소스 전극(30)은 기판(10) 상에 형성되고 일부분이 2차원 물질(20)과 전기적으로 연결될 수 있고, 드레인 전극(40)은 기판(10) 상에 형성되고 소스 전극(30)과 이격된 상태로 일부분이 2차원 물질(20)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예로 소스 전극(30)과 드레인 전극(40)은 각각 긴 막대형상을 가질 수 있고, 2차원 물질(20)의 일 측면에 소스 전극(30)의 일부분이 접촉되고, 2차원 물질(20)의 상기 일 측면과 대향하는 2차원 물질(20)의 타 측면에 드레인 전극(40)의 일부분이 접촉될 수 있다.
절연층(50)은 2차원 물질(20)이 노출되도록 2차원 물질(20)의 주변을 둘러싸는 형태로 기판(10), 소스 전극(30) 및 드레인 전극(40) 상에 형성될 수 있다. 일 예로 절연층(50)은 알루미나(Al2O3)로 이루어질 수 있으나, 절연 특성을 가지는 다양한 물질이 절연층(50)으로 사용될 수 있음은 자명하다.
1차원 구조체(60)들은 2차원 물질(20)로부터 수직한 방향을 따라 2차원 물질(20) 상에 형성될 수 있다. 일 예로 1차원 구조체(60)들은 금속 물질 또는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 1차원 구조체(60)들은 나노 크기를 가지는 1차원의 로드(rod) 또는 와이어(wire) 형상일 수 있다. 일 예로 1차원 구조체(60)들로는 산화아연 나노로드(ZnO nanorod), 금속 나노 구조체 등이 사용될 수 있고, 형성된 1차원 구조체(60)들은 약 2.5㎛의 높이를 가질 수 있지만 1차원 구조체(60)들의 높이는 성장조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 이러한 1차원 구조체(60)들은 특정 항원과 항원-항체 반응을 할 수 있는 항체(antibody)가 배치될 수 있는 구조물의 역할을 수행할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 보호층(70)은 1차원 구조체(60)들 표면에 각각 형성될 수 있고, 일 예로 제1 보호층(70)은 산화티타늄(TiO2)으로 이루어질 수 있고, 약 1㎚의 두께를 가질 수 있다. 제1 보호층(70)은 특정 항원(antigen)을 포함하는 용액에 1차원 구조체(60)들이 용해되는 것을 방지할 수 있다.
항체(80)는 제1 보호층(70) 표면에 배치될 수 있고 특정 항원과 반응할 수 있다. 항체(80)는 특정 항원과 항원-항체 반응(antigen-antibody reaction)함으로서 특정 항원과 항체가 서로 결합할 수 있다. 항체(80)는 항원의 종류에 따라 반응할 수 있도록 변경될 수 있다.
제2 보호층(90)은 절연층(50) 상에 형성될 수 있다. 일 예로 제2 보호층(90)은 음성감광제인 SU-8으로 이루어질 수 있다. 제2 보호층(90)은 특정 항원을 포함하는 용액으로부터 소스 전극(30)과 드레인 전극(40)이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 소스 전극(30)과 드레인 전극(40)에서 전류가 누설되는 것을 막아줄 수 있다.
케이스(100)는 제2 보호층(90) 상에 형성될 수 있고, 2차원 물질(20) 및 1차원 구조체(60)들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있는 형태를 가질 수 있다. 또한 이러한 케이스(100)를 통하여 특정 항원을 포함하는 용액이 수용될 수 있다. 일 예로 케이스(100)는 폴리디메틸실록산(polydimethylsioxane, PDMS)으로 이루어질 수 있고, 케이스(100)의 높이는 케이스(100)에 상기 용액이 수용되는 경우 상기 용액에 1차원 구조체(60)들이 잠기도록 구성될 수 있다. 이는 1차원 구조체(60)들이 상기 용액에 잠기게 함으로써 1차원 구조체(60)들의 표면에 배치된 항체가 특정 항원과 반응할 수 있도록 하기 위함이다.
본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서(1000)는 케이스(100)에 상기 특정 항원을 포함하는 용액이 수용되는 경우, 상기 용액과 전기적으로 연결되어 전압을 인가할 수 있는 게이트 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 전압을 인가하기 위하여, 일 예로 게이트 전극은 상기 용액에 침지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조방법의 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 항체를 제1 보호층 표면에 배치하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조방법은 기판 상에 2차원 물질을 형성하는 단계(S100), 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 소스 전극을 형성하는 단계(S200), 상기 소스 전극과 이격된 상태로, 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 드레인 전극을 형성하는 단계(S300), 상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 그래핀층의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 절연층을 형성하는 단계(S400), 상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 1차원 구조체들을 형성하는 단계(S500), 상기 1차원 구조체들 표면에 제1 보호층을 각각 형성하는 단계(S600), 상기 절연층 상에 제2 보호층을 형성하는 단계(S700), 상기 2차원 물질 및 상기 1차원 구조체들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있고, 특정 항원을 포함하는 용액을 수용할 수 있는 케이스를 상기 제2 보호층 상에 형성하는 단계(S800) 및 상기 제1 보호층 표면에 특정 항원과 반응할 수 있는 항체를 배치하는 단계(S900)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조하기 위하여, 기판 상에 2차원 물질을 형성한다(S100). 일 예로 화학기상증착 방법으로 제조된 그래핀을 금을 이용하여 기판 상에 전사함으로서 기판 상에 2차원 물질을 형성할 수 있다.
다음으로, 일부분이 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 기판 상에 소스 전극을 형성한다(S200). 일 예로 소스 전극은 크롬(Cr)을 기판 상에 증착하여 약 5㎚의 두께를 가지도록 한 상태에서 크롬 상에 금(Au)을 증착하여 크롬과 금으로 이루어지고 약 45㎚의 두께를 가지는 소스 전극을 형성할 수 있다. 증착공정은 전자빔 증착법(e-beam evaporation)을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 소스 전극과 이격된 상태로, 일부분이 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 기판 상에 드레인 전극을 형성한다(S300). 일 예로 드레인 전극은 크롬(Cr)을 기판 상에 증착하여 약 5㎚의 두께를 가지도록 한 상태에서 크롬 상에 금(Au)을 증착하여 크롬과 금으로 이루어지고 약 45㎚의 두께를 가지는 드레인 전극을 형성할 수 있다. 증착공정은 전자빔 증착법(e-beam evaporation)을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 2차원 물질이 노출되도록 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 기판, 소스 전극 및 드레인 전극 상에 절연층을 형성한다(S400). 이를 위하여 기판, 2차원 물질, 소스 전극 및 드레인 전극 상에 알루미나(Al2O3)를 증착한다(S420). 일 예로 알루미나(Al2O3)는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)를 이용하여 증착될 수 있다. 알루미나(Al2O3)가 증착되면, 알루미나(Al2O3) 상에 양성 감광제 예를 들면, AZ 5214를 배치하고, 2차원 물질의 영역에 대응하는 양성 감광제 영역을 패터닝한다(S440). 이러한 패터닝은 노광공정을 통하여 수행될 수 있고, 패터닝된 영역에서는 양성 감광제가 제거되게 된다. 2차원 물질이 노출될 수 있도록 하기 위하여 패터닝된 영역의 알루미나(Al2O3)를 식각한다(S460). 일 예로 인산(H3PO4) 용액을 통하여 알루미나(Al2O3)가 식각될 수 있고, 알루미나(Al2O3)가 식각된 영역 아래의 2차원 물질이 노출되게 된다. 2차원 물질이 노출되게 되면 양성 감광제를 제거한다(S480). 양성 감광제인 AZ 5214의 제거는 유기용매인 아세톤(acetone)을 통하여 이루어질 수 있다.
다음으로, 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 2차원 물질 상에 1차원 구조물들을 형성한다(S500). 일 예로 2차원 물질이 그래핀인 경우 그래핀을 산화아연 나노입자들을 포함하는 용액에 노출시킨 후 상기 용액을 세척한다(S520). 일 예로 노출되어 있는 그래핀 상에 산화아연 나노파티클(nanoparticle) 용액을 떨어뜨린 후 약 10분 동안 방치한 후 산와아연 나노파티클 용액을 세척함으로써 그래핀 상에 산화아연 나노파티클들이 램덤하게 배치되도록 할 수 있다. 그래핀 상에 산화아연 나노파티클들이 배치된 후에는 그래핀을 헥사하이드레이트(hexahydrate) 및 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)을 포함하는 용액에 노출시켜 그래핀층으로부터 수직한 방향을 따라 그래핀 상에 산화아연 나노로드(ZnO nanorod)들을 형성할 수 있다. 일 예로 헥사하이드레이트(hexahydrate) 및 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)는 서로 동일한 농도로 혼합될 수 있고, 수열합성법(hydrothermal method)을 이용하여 산화아연 나노로드들이 형성될 수 있다.
다음으로, 1차원 구조물들 표면에 제1 보호층을 각각 형성한다(S600). 일 예로 원자층 증착법(ADL)을 통하여 산화티타늄(TiO2)층을 산화아연 나노로드들 표면에 각각 형성할 수 있다.
다음으로 상기 절연층 상에 제2 보호층을 형성한다(S700). 일 예로 제2 보호층은 음성감광제인 SU-8을 제2 보호층 상에 배치시킴으로써 형성될 수 있다.
다음으로, 2차원 물질 및 1차원 구조체들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있고, 특정 항원을 포함하는 용액을 수용할 수 있는 케이스를 제2 보호층 상에 형성한다(S800). 일 예로 폴리디메틸실록산(polydimethylsioxane, PDMS)으로 이루어지고, 상하면이 개방되어 있는 원통형 형상을 가지는 케이스를 제2 보호층 상에 배치시킴으로써 케이스가 제2 보호층 상에 형성될 수 있다.
마지막으로, 제1 보호층 표면에 특정 항원과 반응할 수 있는 항체를 배치한다(S900). 일 예로 산화티타늄(TiO2)층 표면을 산소 플라즈마 처리하여 산화티타늄(TiO2)층 표면에 히드록실 그룹(hydroxyl group)을 형성시킨다. 히드록실 그룹이 형성된 산화티타늄(TiO2)층 표면을 약 3%(v/v)의 APTES((3-aminopropyl)triethoxylsilane)로 처리하여 아미노 그룹(NH2 group)으로 실란화한다(amino silanization).
아미노 그룹으로 실란화된 산화티타늄(TiO2)층 표면을 글루타르알데히드(glutaraldehyde, CH2(CH2CHO)2)와 반응시킨다. 반응이 끝난 산화티타늄(TiO2)층 표면에 항체(antibody)로 이용되는 전립선항체 중 하나인 PSA-ACT 항체를 고정시킴으로써 산화티타늄(TiO2)층 표면에 전립선암과 관련된 특정 항원(PSA-ACT complex protein)과 반응할 수 있는 항체(PSA-ACT antibody)를 배치시킬 수 있다. 산화티타늄(TiO2)층 표면에 배치되는 항체의 종류는 검출하기 위한 특정 항원의 종류에 따라 변경될 수 있고, 항체의 배치 방식은 배치하기 위한 항체의 종류에 따라 변경될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노로드들의 평면 및 측면을 전계방출형 주사현미경(FE-SEM)을 통하여 확인한 사진이다.
도 4를 참조하면, 산화아연 나노로드들이 그래핀 상에 형성되어 있고, 그래핀층으로부터 수직한 방향으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 또한 산화아연 나노로드들이 밀집된 상태로 배치되어 있고, 산화아연 나노로드들의 높이가 약 2.5㎛임을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노로드의 표면에 형성된 산화티타늄(TiO2)층을 전계방출형 주사현미경(FE-SEM)을 통하여 확인한 사진이다.
도 5를 참조하면, 산화아연 나노로드의 표면에 산화티타늄으로 이루어진 하나의 층이 형성되어 있음을 확인할 수 있고, 산화티타늄(TiO2)으로 이루어진 층의 두께는 약 1㎚인 것을 확인할 수 있다.
도 6은 수용되는 타겟항원(PSA-ACT complex protein)의 농도를 달리하면서 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서에 인가되는 게이트 전압에 따라 드레인 전류를 측정한 그래프이다. 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서에 수용되는 전립선암 항원의 농도를 100fg/㎖ 부터 100ng/㎖까지 각각 증가시키면서 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정하였다.
도 6을 참조하면, 게이트 전압에 따른 각각 드레인 전류 그래프의 최저점인 디랙점(dirac point)이 전립선암 항원의 농도가 증가할수록 그래프 상에서 좌측으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 전립선암 항원의 농도가 100fg/㎖인 경우에도 드레인 전류가 출력되는 것을 확인할 수 있고 이를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터를 이용한 바이오 센서가 펨토그램(femtogram, fg)부터 나노그램(nanogram, ng)의 넓은 농도 범위까지 항원을 검출할 수 있다는 것을 나타낸다.
도 7은 수용되는 항원의 농도를 달리하면서 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 시간에 따른 반응(△IDS/IDS ,0)을 측정한 그래프이다. IDS , 0는 항원이 수용되지 않은 경우에 드레인 전류(drain current)의 디랙점의 전류값을 나타내고, △IDS는 농도를 달리하는 항원이 수용된 경우에 드레인 전류의 디랙점의 전류값과 IDS ,0의 전류값의 차이를 나타내며 반응은 △IDS/IDS , 0로 정의될 수 있다.
도 7을 참조하면, 서로 다른 농도의 전립선암 항원을 각각 투입한 경우에 전립선암 항원의 농도가 100fg/㎖인 경우에는 약 반응이 나타난 시간으로부터 약 64초가 경과한 후에 반응에 대한 그래프가 일정 수치 범위로 포화되는 것을 확인할 수 있다. 종래의 바이오 센서의 경우 펨토그램 단위의 농도를 검출하기 위하여는 오랜 시간이 걸렸으나 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 펨토그램 단위의 농도를 수분 이내에 검출할 수 있어 종래의 바이오 센서에 비하여 검출 속도를 현저히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1000: 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서
10:기판 20: 2차원 물질
30: 소스 전극 40: 드레인 전극
50: 절연층 60: 1차원 구조체
70: 제1 보호층 80: 항체
90: 제2 보호층 100: 케이스

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 2차원 물질;
    상기 기판 상에 형성되고 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결된 소스 전극;
    상기 기판 상에 형성되고 상기 소스 전극과 이격된 상태로 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결된 드레인 전극;
    상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 형성된 절연층;
    상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 형성된 1차원 구조체들;
    상기 1차원 구조체들 표면에 각각 형성되고, 특정 항원(antigen)을 포함하는 용액에 상기 1차원 구조체들이 용해되는 것을 방지하는 제1 보호층;
    상기 제1 보호층 표면에 배치되고 특정 항원과 반응할 수 있는 항체;
    상기 절연층 상에 형성된 제2 보호층; 및
    상기 제2 보호층 상에 형성되고, 상기 2차원 물질 및 상기 1차원 구조체들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있으며, 특정 항원을 포함하는 용액을 수용할 수 있는 케이스를 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 높이는 상기 케이스에 상기 용액이 수용되는 경우 상기 용액에 상기 1차원 구조체들이 잠기도록 구성된, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 물질은 그래핀(graphene), 이황화몰리브덴(MoS2) 및 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차원 구조체들은 나노 크기의 로드(rod) 또는 와이어(wire) 형상이고, 금속 물질 및 반도체 물질 중 하나 이상으로 이루어진, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보호층은,
    산화티타늄(TiO2)를 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 보호층은,
    음성감광제인 SU-8을 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는,
    폴리디메틸실록산(polydimethylsioxane, PDMS)를 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 케이스에 상기 특정 항원을 포함하는 용액이 수용되는 경우,
    상기 용액과 전기적으로 연결되어 전압을 인가할 수 있는 게이트 전극을 더 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서.
  9. 기판 상에 2차원 물질을 형성하는 단계;
    일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 소스 전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 전극과 이격된 상태로, 일부분이 상기 2차원 물질과 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 1차원 구조체들을 형성하는 단계;
    상기 1차원 구조체들 표면에 특정 항원(antigen)을 포함하는 용액에 상기 1차원 구조체들이 용해되는 것을 방지하는 제1 보호층을 각각 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 제2 보호층을 형성하는 단계;
    상기 2차원 물질 및 상기 1차원 구조체들이 노출될 수 있도록 상하면이 개방되어 있고, 특정 항원을 포함하는 용액을 수용할 수 있는 케이스를 상기 제2 보호층 상에 형성하는 단계; 및
    상기 제1 보호층 표면에 특정 항원과 반응할 수 있는 항체를 배치하는 단계를 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 2차원 물질이 노출되도록 상기 2차원 물질의 주변을 둘러싸는 형태로 상기 기판, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 절연층을 형성하는 단계는,
    상기 기판, 상기 2차원 물질, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 알루미나를 증착하는 단계;
    상기 알루미나 상에 양성 감광제를 배치하고, 상기 2차원 물질의 영역에 대응하는 상기 양성 감광제를 패터닝하는 단계;
    패터닝된 영역의 알루미나를 식각하는 단계; 및
    상기 양성 감광제를 제거하는 단계를 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 2차원 물질로부터 수직한 방향을 따라 상기 2차원 물질 상에 1차원 구조체들을 형성하는 단계는,
    상기 2차원 물질을 산화아연 나노입자들을 포함하는 용액에 노출시킨 후 상기 용액을 세척하는 단계; 및
    상기 2차원 물질을 헥사하이드레이트(hexahydrate) 및 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine)을 포함하는 용액에 노출시키는 단계를 포함하는, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 제조방법.
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