KR102322684B1 - Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same - Google Patents

Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same Download PDF

Info

Publication number
KR102322684B1
KR102322684B1 KR1020190086701A KR20190086701A KR102322684B1 KR 102322684 B1 KR102322684 B1 KR 102322684B1 KR 1020190086701 A KR1020190086701 A KR 1020190086701A KR 20190086701 A KR20190086701 A KR 20190086701A KR 102322684 B1 KR102322684 B1 KR 102322684B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phospholipid bilayer
biosensor
mos
proteomic
manufacturing
Prior art date
Application number
KR1020190086701A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210009750A (en
Inventor
김경훈
박윤정
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 성균관대학교산학협력단 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to KR1020190086701A priority Critical patent/KR102322684B1/en
Publication of KR20210009750A publication Critical patent/KR20210009750A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102322684B1 publication Critical patent/KR102322684B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/487Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48721Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4146Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS involving nanosized elements, e.g. nanotubes, nanowires

Abstract

본 발명은 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터 상에 인지질 이중층을 형성시키고, 인지질 이중층을 관통하는 단백체를 결합하여 특정 이온 또는 분자를 고감도의 전자 신호로 검출할 수 있는 바이오 센서, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 이온 검출 방법에 관한 것으로, 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터, 상기 트랜지스터 상에 형성된 인지질 이중층 및 상기 인지질 이중층을 관통하는 하나 이상의 단백체를 포함하고, 상기 단백체는 특정 이온 또는 분자만을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a biosensor capable of detecting a specific ion or molecule with a high-sensitivity electronic signal by forming a phospholipid bilayer on a field effect transistor including a channel layer and binding a proteomic that passes through the phospholipid bilayer, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing the same It relates to a method for detecting ions using a field effect transistor comprising a channel layer, comprising a phospholipid bilayer formed on the transistor, and at least one proteome penetrating the phospholipid bilayer, wherein the proteome selectively permeates only a specific ion or molecule characterized in that

Description

바이오 센서, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 이온 검출 방법{Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same}Biosensor, manufacturing method thereof, and ion detection method using the same

본 발명은 바이오 센서, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 이온 검출 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터 상에 인지질 이중층을 형성시키고, 인지질 이중층을 관통하는 단백체를 결합하여 특정 이온 또는 분자를 고감도의 전자 신호로 검출할 수 있는 바이오 센서, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 이온 검출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor, a method for manufacturing the same, and a method for detecting ions using the same, and more particularly, by forming a phospholipid bilayer on a field effect transistor including a channel layer, and binding a protein penetrating the phospholipid bilayer The present invention relates to a biosensor capable of detecting ions or molecules with high-sensitivity electronic signals, a method for manufacturing the same, and a method for detecting ions using the same.

그래핀의 등장 이래로, 2차원 물질의 독특한 기계적, 광학적 및 전기적 특성이 관심을 받고 있으며, 그 중에서도 칼코겐 금속과 전이금속의 조합으로 이루어진 2차원 물질은 다양한 바이오 일렉트로닉에서 연구되어 왔다.Since the advent of graphene, the unique mechanical, optical and electrical properties of two-dimensional materials have been attracting attention. Among them, two-dimensional materials composed of a combination of chalcogen metal and transition metal have been studied in various bioelectronics.

지금까지의 바이오일렉트로닉을 통한 다양한 연구들은 다양한 재료에 표면 처리를 이용한 화학적 반응을 통해서 실험실 스케일에서 검출 및 정량화를 하였으나, 실질적으로 생체 분자는 물 속에 존재하고, 다양한 외부 신호를 가지고 있어 생체 물질을 직접적으로 이용할 수 없다는 단점이 있다.Until now, various studies through bioelectronics have detected and quantified on a laboratory scale through chemical reactions using surface treatment on various materials. The downside is that it cannot be used.

또한, 항원-항체 반응으로 바이오센서를 제작하는 경우, 노이즈가 생길 수 있는 원인이 다양하고, 선택의 폭이 작으며, 원하는 신호를 고감도로 검출하기 힘든 문제점이 존재한다.In addition, when a biosensor is manufactured by antigen-antibody reaction, there are various causes of noise, a small selection range, and difficulty in detecting a desired signal with high sensitivity.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 막단백질과 인지질 이중층막을 이용하여 다양한 바이오나노일렉트로닉으로 활용할 수 있는 플랫폼의 제작이 요구되고 있는 실정이다.In order to solve this problem, the production of a platform that can be utilized as a variety of bio-nanoelectronics using a membrane protein and a phospholipid bilayer is required.

본 발명의 일 목적은 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터 상에 인지질 이중층을 형성시키고, 인지질 이중층을 관통하는 단백체를 결합하여 특정 이온 또는 분자를 고감도의 전자 신호로 검출할 수 있는 바이오 센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to form a phospholipid bilayer on a field effect transistor including a channel layer and bind a proteomic that passes through the phospholipid bilayer to detect a specific ion or molecule with a high-sensitivity electronic signal, and manufacturing thereof to provide a way

본 발명의 다른 목적은 상기 센서를 이용한 이온 검출 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for detecting ions using the sensor.

본 발명의 일 목적을 위한 바이오 센서는 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터; 상기 트랜지스터 상에 형성된 인지질 이중층; 및 상기 인지질 이중층을 관통하는 하나 이상의 단백체;를 포함할 수 있다.A biosensor for one purpose of the present invention includes a field effect transistor including a channel layer; a phospholipid bilayer formed on the transistor; and at least one proteome penetrating the phospholipid bilayer.

상기 단백체는 특정 이온 또는 분자만을 선택적으로 투과시키는 것이 바람직하다.It is preferred that the proteomic selectively permeate only specific ions or molecules.

상기 채널층은 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면은 산소 플라즈마 처리되어 친수성으로 개질될 수 있다.The channel layer is preferably containing molybdenum disulfide (MoS 2), the surface of this molybdenum disulfide (MoS 2) may be modified to a hydrophilic treatment is an oxygen plasma.

다른 예로, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면에는 산화알루미늄(Al2O3)층이 증착될 수 있다.As another example, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer may be deposited on the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ).

한편, 상기 단백체는 α-helix, β-sheet 구조를 띄고 있는 그라미시딘(Gramicidin), 알라메티신(Alamethicin), 칼륨 채널(Potassium ion channel), 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 이온은 H+, Na+, Ca2+, K+, Cl- 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 분자는 도파민(Dopamine), 포도당(Glucose) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.On the other hand, the proteome is α-helix, β-sheet structure gramicidin (Gramicidin), alamethicin (Alamethicin), potassium channel (Potassium ion channel), bacteriorhodopsin (Bacteriorhodopsin) containing any one or more selected from Preferably, the ion contains any one or more selected from H + , Na + , Ca2 + , K + , Cl - , and the molecule contains any one or more selected from dopamine and glucose it is preferable

한편, 본 발명의 다른 목적을 위한 바이오 센서 제조 방법은 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 제조하는 단계; 인지질을 사용하여 소포체를 제조하는 단계; 상기 소포체에 하나 이상의 단백체를 포함시키는 단계; 및 단백체를 포함하는 소포체를 상기 트랜지스터 상에 배양하여 인지질 이중층을 형성하는 단계;를 포함한다.On the other hand, the biosensor manufacturing method for another object of the present invention comprises the steps of manufacturing a field effect transistor including a channel layer; preparing an endoplasmic reticulum using phospholipids; including one or more proteomic bodies in the endoplasmic reticulum; and culturing the endoplasmic reticulum containing the proteomic on the transistor to form a phospholipid bilayer.

이때, 상기 단백체는 인지질 이중층을 관통하도록 형성될 수 있다.In this case, the proteomic may be formed to penetrate the phospholipid bilayer.

또한, 상기 채널층은 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the channel layer preferably includes molybdenum disulfide (MoS 2 ).

그리고, 상기 트랜지스터를 제조하는 단계에서, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면을 산소 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.And, in the step of manufacturing the transistor, oxygen plasma treatment of the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) may be further included.

다른 예로, 상기 트랜지스터를 제조하는 단계에서, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면에 산화알루미늄(Al2O3)층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.As another example, in manufacturing the transistor, the method may further include depositing an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer on the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ).

구체적으로, 상기 트랜지스터를 제조하는 단계는 포토 리쏘그래피 공정을 통해 수행되는 것이 바람직하다.Specifically, the manufacturing of the transistor is preferably performed through a photolithography process.

또한, 상기 단백체는 α-helix, β-sheet 구조를 띄고 있는 그라미시딘(Gramicidin), 알라메티신(Alamethicin), 칼륨 채널(Potassium ion channel), 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하고, 특정 이온 또는 분자만을 선택적으로 투과시킬 수 있다.In addition, the proteome includes at least one selected from α-helix, β-sheet structure, gramicidin, alamethicin, potassium ion channel, and bacteriorhodopsin. , can selectively permeate only specific ions or molecules.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태로, 이온 검출 방법을 들 수 있으며, 이는 상기 바이오 센서에 이온 함유 용액을 접촉시키는 단계; 및 상기 바이오 센서의 전기 전도도 변화를 관찰하는 단계;를 포함할 수 있다.On the other hand, in another embodiment of the present invention, there is an ion detection method, which includes the steps of contacting the biosensor with an ion-containing solution; and observing a change in electrical conductivity of the biosensor.

본 발명에 따르면, 바이오 센서의 트랜지스터 상에 인지질 이중층이 형성되고, 인지질 이중층에는 인지질 이중층을 관통하는 하나 이상의 단백체가 포함됨으로써, 인지질 이중층은 전하를 띄는 이온, 큰 분자에 대한 투과성이 낮아 단백체를 통해서 특정 이온 또는 분자만이 선택적으로 투과되어 채널의 전기적 특성을 변화시킬 수 있어, 단백체를 투과하는 이온 또는 분자에 대해서 고감도의 전자 신호를 얻을 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, a phospholipid bilayer is formed on the transistor of the biosensor, and the phospholipid bilayer includes one or more proteomic substances penetrating the phospholipid bilayer, so that the phospholipid bilayer has low permeability to charged ions and large molecules through the proteomic Since only specific ions or molecules are selectively permeated to change the electrical properties of the channel, there is an advantage in that high-sensitivity electronic signals can be obtained with respect to ions or molecules penetrating the proteomic body.

또한, 본 발명에 따르면, 인지질 이중층이 2차원 나노구조체 상에 형성되었을 때 인지질 이중층과 2차원 나노구조체 사이의 공간이 균일하게 형성되어, 균일한 신호를 얻을 수 있으며, 고감도의 전자 신호를 얻을 수 있다.In addition, according to the present invention, when the phospholipid bilayer is formed on the two-dimensional nanostructure, the space between the phospholipid bilayer and the two-dimensional nanostructure is uniformly formed, so that a uniform signal can be obtained, and a high-sensitivity electronic signal can be obtained. have.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 전계 효과 트랜지스터 상에 인지질 이중층 및 단백체가 형성됨을 모사한 개략도이다.
도 3은 사파이어 기판 상에 합성된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 라만 스펙트럼 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 표면 개질되지 않은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막, 및 표면 개질된 박막인 실시예 1 및 2의 접촉각 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막 표면에 형광물질이 태그된 인지질 이중층이 형성된 결과를 나타내는 이미지이다.
도 7은 표면 개질된 박막 상에 형광을 표지한 소포체를 배양하고, 인지질 이중층이 형성된 일 부분을 광표백시켜 회복 과정을 관찰한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바이오 센서 실시예들을 기준 전극(Ag/AgCl)을 이용하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 인지질 이중층을 포함하지 않는 소자, 인지질 이중층을 포함하는 소자, 단백체를 포함하는 인지질 이중층을 포함하는 소자에 이온 함유 용액을 접촉시킨 후, pH 변화에 따른 전류 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
Figure 1 is a view showing a biosensor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram simulating the formation of a phospholipid bilayer and proteomic on the field effect transistor of the present invention.
3 is an image of a molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film synthesized on a sapphire substrate.
4 is a view showing the Raman spectrum results of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film prepared according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing the contact angle measurement results of Examples 1 and 2, which are non-surface-modified molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin films, and surface-modified thin films.
6 is an image showing the result of forming a fluorescent material-tagged phospholipid bilayer on the surface of a molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film.
7 is a view showing the results of observing the recovery process by culturing the endoplasmic reticulum labeled with fluorescence on the surface-modified thin film, and photobleaching a portion where the phospholipid bilayer is formed.
FIG. 8 is a view showing a result of measuring a change in drain current according to a gate voltage using a reference electrode (Ag/AgCl) according to embodiments of the biosensor of the present invention.
9 is a diagram showing the results of measuring the change in current according to pH change after contacting an ion-containing solution with a device without a phospholipid bilayer, a device including a phospholipid bilayer, and a device including a phospholipid bilayer including a proteome am.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and includes one or more other features or steps. , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of , operation, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 전계 효과 트랜지스터 상에 인지질 이중층 및 단백체가 형성됨을 모사한 개략도이다.Figure 1 is a view showing a biosensor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram simulating the formation of a phospholipid bilayer and proteomic on the field effect transistor of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바이오 센서는 전계 효과 트랜지스터, 인지질 이중층 및 단백체(도 2에 도시됨)를 포함할 수 있다.1 and 2 , the biosensor of the present invention may include a field effect transistor, a phospholipid bilayer, and a proteomic (shown in FIG. 2 ).

상기 전계 효과 트랜지스터는 일반적인 트랜지스터와 같이 기판, 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극으로 이루어진 구성을 포함하고, 채널층을 포함하며, 이러한 트랜지스터 상에는 인지질 이중층이 형성된다.The field effect transistor includes a substrate, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode like a general transistor, and includes a channel layer, and a phospholipid bilayer is formed on the transistor.

여기서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 백금, 금, 크롬, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 일 이상의 금속으로 형성될 수 있다.Here, the source electrode and the drain electrode may be formed of one or more metals selected from the group consisting of platinum, gold, chromium, copper, aluminum, nickel, palladium, and titanium.

또한, 상기 채널층은 예를 들어, 그래핀, 산화그래핀, 이황화몰리브덴(MoS2) 등과 같은 2차원 나노구조체를 포함하는 것이 바람직하며, 특히 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함하는 것이 가장 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the channel layer, for example, graphene, graphene oxide, molybdenum disulfide (MoS 2 ) It is preferable to include a two-dimensional nanostructure, such as, in particular, molybdenum disulfide (MoS 2 ) It is most preferable to include , but is not limited thereto.

일 예로, 상기 채널층이 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함하는 경우, 이황화몰리브덴(MoS2) 상에 상기 인지질 이중층이 형성될 수 있도록, 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면은 산소 플라즈마 처리되어 친수성으로 개질되는 것이 바람직하다.For example, if the channel layer comprises a molybdenum disulfide (MoS 2), molybdenum disulfide (MoS 2) so that the phospholipid bilayer on can be formed, the molybdenum disulfide is treated the oxygen plasma surface (MoS 2) as a hydrophilic It is preferred to be modified.

다른 예로, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면에는 산화알루미늄(Al2O3)층이 증착될 수 있으며, 이로 인해 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면이 친수성으로 개질되어 인지질 이중층이 채널층 표면 상에 효과적으로 형성될 수 있다.As another example, the molybdenum disulfide (MoS 2) the surface has a layer of aluminum oxide (Al 2 O 3) may be deposited on, which causes the modification to the hydrophilic surface of the molybdenum disulfide (MoS 2) the phospholipid bilayer is the channel layer surface can be effectively formed in

한편, 상기 인지질 이중층은 트랜지스터 상에 형성되고, 구체적으로는 트랜지스터의 채널층 상에 형성될 수 있다.Meanwhile, the phospholipid bilayer may be formed on a transistor, specifically, on a channel layer of the transistor.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 인지질 이중층은 인지질 이중층을 관통하는 하나 이상의 단백체를 포함할 수 있다.Also, as shown in FIG. 2 , the phospholipid bilayer may include one or more proteases penetrating the phospholipid bilayer.

이때, 상기 단백체는 α-helix, β-sheet 구조를 띄고 있는 그라미시딘(Gramicidin), 알라메티신(Alamethicin), 칼륨 채널(Potassium ion channel), 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the proteome is α-helix, β-sheet structure gramicidin (Gramicidin), alamethicin (Alamethicin), potassium channel (Potassium ion channel), bacteriorhodopsin (Bacteriorhodopsin) containing any one or more selected from It is preferred, but not limited thereto.

구체적으로, 상기 단백체는 특정 이온 또는 분자만을 선택적으로 투과시키는 이온 채널의 역할을 수행하며, 단백체를 투과하는 이온은 H+, Na+, Ca2+, K+, Cl- 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 단백체를 투과하는 분자는 도파민(Dopamine), 포도당(Glucose) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.Specifically, the proteomic acts as an ion channel that selectively permeates only a specific ion or molecule, and the ion permeating the proteome includes at least one selected from H + , Na + , Ca2 + , K + , Cl - and the molecule penetrating the proteomic may include any one or more selected from dopamine and glucose.

본 발명의 바이오 센서는 트랜지스터 상에 인지질 이중층이 형성되고, 인지질 이중층에는 인지질 이중층을 관통하는 하나 이상의 단백체가 포함됨으로써, 인지질 이중층은 전하를 띄는 이온, 큰 분자에 대한 투과성이 낮아 단백체를 통해서 특정 이온 또는 분자만이 선택적으로 투과되어 채널의 전기적 특성을 변화시킬 수 있어, 단백체를 투과하는 이온 또는 분자에 대해서 고감도의 전자 신호를 얻을 수 있는 장점이 있다.In the biosensor of the present invention, a phospholipid bilayer is formed on a transistor, and the phospholipid bilayer includes one or more proteomic substances penetrating the phospholipid bilayer. Alternatively, since only molecules are selectively transmitted to change the electrical properties of the channel, there is an advantage in that high-sensitivity electronic signals can be obtained with respect to ions or molecules passing through the proteomic body.

또한, 인지질 이중층이 2차원 나노구조체 상에 형성되었을 때 인지질 이중층과 2차원 나노구조체 사이의 공간이 균일하게 형성되어, 균일한 신호를 얻을 수 있으며, 고감도의 전자 신호를 얻을 수 있다.In addition, when the phospholipid bilayer is formed on the two-dimensional nanostructure, the space between the phospholipid bilayer and the two-dimensional nanostructure is uniformly formed, so that a uniform signal can be obtained, and a high-sensitivity electronic signal can be obtained.

한편, 본 발명의 다른 목적을 위한 바이오 센서 제조 방법은, 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 제조하는 단계; 인지질을 사용하여 소포체를 제조하는 단계; 상기 소포체에 하나 이상의 단백체를 포함시키는 단계; 및 단백체를 포함하는 소포체를 상기 트랜지스터 상에 배양하여 인지질 이중층을 형성하는 단계;를 포함하며, 이때 상기 단백체는 인지질 이중층을 관통하도록 형성될 수 있다.On the other hand, the method for manufacturing a biosensor for another object of the present invention comprises the steps of manufacturing a field effect transistor including a channel layer; preparing an endoplasmic reticulum using phospholipids; including one or more proteomic bodies in the endoplasmic reticulum; and forming a phospholipid bilayer by culturing the endoplasmic reticulum containing the proteomic on the transistor, wherein the proteome may be formed to penetrate the phospholipid bilayer.

먼저, 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 제조하는 단계가 진행된다.First, a step of manufacturing a field effect transistor including a channel layer is performed.

구체적으로, 트랜지스터를 제조하는 단계는 포토 리소그래피 및 전자빔 증착법으로 수행될 수 있다. 이때, 상기 채널층은 그래핀, 산화그래핀, 이황화몰리브덴(MoS2) 등과 같은 2차원 나노구조체를 포함하는 것이 바람직하며, 특히 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함하는 것이 가장 바람직하다.Specifically, the step of manufacturing the transistor may be performed by photolithography and electron beam deposition. In this case, the channel layer preferably includes a two-dimensional nanostructure such as graphene, graphene oxide, molybdenum disulfide (MoS 2 ), and the like, and particularly preferably includes molybdenum disulfide (MoS 2 ).

일 예로, 트랜지스터를 제조하는 단계에서, 채널층의 표면을 친수성으로 개질하기 위하여, 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면을 산소(O2) 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.For example, in the step of manufacturing the transistor, in order to modify the surface of the channel layer to be hydrophilic, the method may further include treating the surface of molybdenum disulfide (MoS 2 ) with oxygen (O 2 ) plasma.

구체적으로, 산소(O2) 플라즈마 처리하는 단계에서 높은 에너지를 지닌 입자가 채널층의 표면에 충돌하여 몰리브덴(Mo) 보다 작은 질량의 황(S) 영역에서 결함이 생기게 되며, 결함 영역이 산소 함유 환경에서 산화됨에 따라 친수성을 나타내게 된다.Specifically, in the oxygen (O 2 ) plasma treatment step, particles with high energy collide with the surface of the channel layer to cause defects in the sulfur (S) region with a mass smaller than molybdenum (Mo), and the defect region contains oxygen As it oxidizes in the environment, it exhibits hydrophilicity.

다른 예로, 트랜지스터를 제조하는 단계에서, 상기 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면에 산화알루미늄(Al2O3)층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이는 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)을 사용하여 수행할 수 있다.As another example, in the step of manufacturing the transistor, the step of depositing an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer on the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) may be further included, which is an atomic layer deposition (ALD, Atomic Layer Deposition). ) can be used to

즉, 상기 채널층의 표면이 친수성으로 개질됨에 따라, 인지질 이중층은 채널층의 표면 상에 성공적으로 형성될 수 있다.That is, as the surface of the channel layer is modified to be hydrophilic, the phospholipid bilayer can be successfully formed on the surface of the channel layer.

다음으로, 인지질을 사용하여 소포체를 제조하는 단계가 진행된다.Next, the step of preparing the endoplasmic reticulum using phospholipids proceeds.

구체적으로, 인지질로 DOPC(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)을 사용할 수 있으며, 혼합물을 박막이 형성될 때까지 질소 가스로 약 1 ~ 2시간 동안 진공 건조시키고, 건조된 인지질은 PBS 용액에서 재수화한 후, 현탁액을 동결-해동법으로 처리하여 단층의 소포체를 제조할 수 있다.Specifically, DOPC (1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) can be used as the phospholipid, and the mixture is vacuum dried with nitrogen gas for about 1 to 2 hours with nitrogen gas until a thin film is formed, and the dried phospholipid After rehydration in PBS solution, the suspension can be subjected to freeze-thaw to prepare monolayer vesicles.

이후, 200-nm 폴리카보네이트 필터에서 압출하여 균일한 크기의 소포체를 제조할 수 있다.Then, it can be extruded in a 200-nm polycarbonate filter to prepare vesicles of uniform size.

다음으로, 상기 소포체에 하나 이상의 단백체를 포함시키는 단계가 진행된다.Next, the step of including one or more proteases in the endoplasmic reticulum proceeds.

상세하게는, 소포체 현탁액에 단백체를 예를 들어, 95:1 ~ 105:1의 몰비로 혼합하는 것이 바람직하며, 이때 상기 단백체는 α-helix, β-sheet 구조를 띄고 있는 그라미시딘(Gramicidin), 알라메티신(Alamethicin), 칼륨 채널 (Potassium ion channel), 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 단백체는 특정 이온 또는 분자만을 선택적으로 투과시키는 막 단백질인 것이 바람직하다.Specifically, it is preferable to mix the proteomic in the endoplasmic reticulum suspension in a molar ratio of, for example, 95:1 to 105:1, in which case the proteome is α-helix, β-sheet structure of Gramicidin. , Alamethicin (Alamethicin), potassium channel (Potassium ion channel), may include any one or more selected from bacteriorhodopsin (Bacteriorhodopsin), the protein is preferably a membrane protein that selectively permeates only a specific ion or molecule.

이후, 단백체를 포함하는 소포체를 상기 트랜지스터 상에 배양하여 인지질 이중층을 형성하는 단계를 수행한다.Thereafter, the step of forming a phospholipid bilayer by culturing the endoplasmic reticulum containing the proteomic on the transistor is performed.

이때, 상기 배양은 상온에서 약 2 ~ 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 소포체는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막 표면에서 파열되고, 자기 조립을 통해 평면 인지질 이중층으로 전환되게 된다.At this time, the culture is preferably performed for about 2 to 3 hours at room temperature, and the endoplasmic reticulum is ruptured on the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film, and is converted into a planar phospholipid bilayer through self-assembly.

또한, 상기 단백체는 전환된 인지질 이중층을 관통하도록 형성되어, 선택적 이온 검출을 위한 채널로 작용하게 된다.In addition, the proteome is formed to penetrate the converted phospholipid bilayer, thereby serving as a channel for selective ion detection.

본 발명의 바이오 센서는 도 2에 도시된 바와 같이, 인지질 이중층에 단백체 채널이 삽입되어 있기에, 양성자 신호를 검출하고 단백체의 수동 수송을 통해 선택적으로 특정 이온 또는 분자만을 투과시킬 수 있으며, 이러한 이온의 투과에 의해 전기적 변화가 감지되게 된다. 따라서, 본 발명의 바이오 센서는 선택적 이온 검출을 위한 바이오 전자 플랫폼으로 사용될 수 있다.As shown in FIG. 2, the biosensor of the present invention has a proteomic channel inserted in the phospholipid bilayer, so it is possible to detect a proton signal and selectively permeate only a specific ion or molecule through passive transport of the proteome. An electrical change is detected by transmission. Therefore, the biosensor of the present invention can be used as a bioelectronic platform for selective ion detection.

즉, 본 발명의 다른 형태로 이온 검출 방법을 들 수 있으며, 이는 상기 바이오 센서에 이온 함유 용액을 접촉시키는 단계; 및 상기 바이오 센서의 전기 전도도 변화를 관찰하는 단계;를 포함한다.That is, another aspect of the present invention may include an ion detection method, which includes contacting the biosensor with an ion-containing solution; and observing a change in electrical conductivity of the biosensor.

상기 이온은 단백체를 투과할 수 있는 이온인 것이 바람직하며, 단백체의 수동 수송을 통해 선택적으로 특정 이온을 투과시켜 전기 전도도 변화를 관찰함으로써, 특정 이온에 대해서 고감도로 검출할 수 있는 장점이 있다.The ion is preferably an ion capable of penetrating the proteome, and by selectively permeating a specific ion through passive transport of the proteome and observing the change in electrical conductivity, there is an advantage in that it can be detected with high sensitivity for a specific ion.

이하 본 발명의 다양한 실시예들 및 실험예들에 대해 상술한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 일부 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, various embodiments and experimental examples of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only some examples of the present invention, and the present invention should not be construed as being limited to the following examples.

이황화몰리브덴(MoSMolybdenum disulfide (MoS) 22 ) 박막 제작) thin film production

10.5 mm × 10.5 mm 크기의 사파이어 기판, 산화 몰리브덴(Ⅵ)(MoO3) 및 황(S) 분말을 준비하였다. 2mg의 산화 몰리브덴(Ⅵ)(MoO3) 및 사파이어 기판을 포함하는 석영 보트를 CVD 시스템의 로 중앙에 배치하고, 30mg의 황(S) 분말을 가스 배출구 부근의 로 가장자리에 배치하였다. 로는 200 sccm 유량으로 흐르는 아르곤(Ar) 가스 하에서 샘플 챔버로 300℃의 온도로 가열되었고, 약 10분 동안 유지되었다.A sapphire substrate having a size of 10.5 mm × 10.5 mm, molybdenum (VI) oxide (MoO 3 ) and sulfur (S) powder were prepared. A quartz boat containing 2 mg of molybdenum (VI) oxide (MoO 3 ) and a sapphire substrate was placed in the center of the furnace of the CVD system, and 30 mg of sulfur (S) powder was placed at the edge of the furnace near the gas outlet. The furnace was heated to a temperature of 300° C. into the sample chamber under argon (Ar) gas flowing at a flow rate of 200 sccm, and maintained for about 10 minutes.

다음으로, 로는 20 sccm 유량으로 흐르는 아르곤(Ar) 가스 하에서 700℃의 온도로 가열되었고, 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 성장을 위해 약 10분 동안 유지되었다. 이후, CVD 시스템을 상온에서 급속 냉각 시켜 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 제작하였다(도 3 참조).Next, the furnace was heated to a temperature of 700 ℃ under argon (Ar) gas flowing at a flow rate of 20 sccm, molybdenum disulfide (MoS 2 ) was maintained for about 10 minutes for the growth of the thin film. Thereafter, the CVD system was rapidly cooled at room temperature to prepare a molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film (see FIG. 3 ).

라만 스펙트럼을 통해서 제작된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 특성을 확인하였고, 그 결과를 도 4에 도시하였다. The characteristics of the prepared molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film were confirmed through the Raman spectrum, and the results are shown in FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 경우, 두 개의 두드러진 피크(E1 2g 피크 및 A1g 피크)가 나타났으며, E1 2g 피크(383.1cm-1)는 Mo와 S 원자 사이의 수평 진동을 의미하고, A1g 피크(408.1cm-1)는 Mo와 S 원자 사이의 수직 진동을 의미하는 것으로, 이러한 두 피크가 확인됨에 따라 제작된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막은 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조를 유지하면서 고품질로 합성된 것을 알 수 있었다.4, in the case of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film, two prominent peaks (E 1 2 g peak and A 1 g peak) appeared, and the E 1 2 g peak (383.1 cm -1 ) is Mo and S atoms Means horizontal vibration between, and A 1g peak (408.1 cm -1 ) means vertical vibration between Mo and S atoms. Molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film produced as these two peaks are confirmed (MoS 2 ) It was found that it was synthesized with high quality while maintaining the structure.

이황화몰리브덴(MoSMolybdenum disulfide (MoS) 22 ) 박막에 대한 표면 개질) surface modification for thin films

실시예 1 : 산소(OExample 1: Oxygen (O 22 ) 플라즈마 처리) plasma treatment

이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 표면을 소수성에서 친수성으로 개질하기 위해서, 유도 결합 플라즈마(ICP) 모드(SBTEK)를 사용하여 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 표면을 산소(O2) 플라즈마로 처리하였으며, 구체적으로, 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 전력 60W 및 산소(O2) 가스 유속 30 sccm 조건 하에서 5초 동안 플라즈마 처리하여 표면 개질된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막(실시예 1)을 얻었다.In order to modify the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film from hydrophobicity to hydrophilicity, using an inductively coupled plasma (ICP) mode (SBTEK), the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film was treated with oxygen (O 2 ) plasma. , specifically, molybdenum disulfide (MoS 2) power the film 60W, and oxygen (O 2) gas flow rate of 30 sccm surface-modified molybdenum disulfide to the plasma treatment for 5 seconds under the conditions (MoS 2), to obtain a thin film (example 1).

실시예 2 : 산화알루미늄(AlExample 2: Aluminum oxide (Al 22 OO 33 ) 증착) deposition

원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)을 사용하여 30nm 두께의 산화알루미늄(Al2O3) 유전체 층을 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 표면 상에 증착시켜 표면 개질된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막(실시예 2)을 얻었다.Atomic layer deposition (ALD, Atomic Layer Deposition) of 30nm of aluminum oxide having a thickness of using (Al 2 O 3) dielectric layer, molybdenum disulfide (MoS 2) was deposited on the surface of the thin film surface-modified molybdenum disulfide (MoS 2) thin film (Example 2) was obtained.

상기에서 제조된 실시예 1 및 2의 표면 에너지를 확인하기 위해서, Droplet Analyzer(SDL200TEDZD)를 사용하여 ~1㎕ 의 탈이온수를 실시예 1 및 2의 표면에 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다. 접촉각 측정은 상온, 상대 습도 5-6% 의 조건 하에서 수행되었다.In order to confirm the surface energy of Examples 1 and 2 prepared above, using a Droplet Analyzer (SDL200TEDZD), ~1 μl of deionized water was dropped on the surface of Examples 1 and 2 to measure the contact angle. The contact angle measurement was performed under the conditions of room temperature and relative humidity of 5-6%.

도 5는 표면 개질되지 않은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막, 및 표면 개질된 박막인 실시예 1 및 2의 접촉각 측정 결과를 나타낸 도면이다.5 is a view showing the contact angle measurement results of Examples 1 and 2, which are non-surface-modified molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin films, and surface-modified thin films.

도 5에 도시된 바와 같이, 표면 개질되지 않은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 경우, 접촉각은 약 89°로 측정되어 표면이 소수성에 가까운 성질을 띄었으나, 표면 개질을 실시한 실시예 1 및 2의 경우, 각각 51°, 57.6°로 측정되어 표면이 소수성에서 친수성으로 변화한 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 5, in the case of the non-surface-modified molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film, the contact angle was measured to be about 89° and the surface had a property close to hydrophobicity, but in Examples 1 and 2 in which the surface was modified case, measured at 51° and 57.6°, respectively, confirming that the surface was changed from hydrophobicity to hydrophilicity.

표면 개질된 이황화몰리브덴(MoSSurface-modified molybdenum disulfide (MoS) 22 ) 박막과 인지질 복합 구조) Thin film and phospholipid composite structure

DOPC(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) 및 형광 물질인 Rho-PE(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(lissamine rhodamine B sulfonyl) ammonium salt)을 포함하는 클로로포름 용액을 준비하였다(Ananti Polar Lipids). DOPC를 Rho-PE와 유리 바이알 내에서 0.01%의 농도로 혼합시키고, 혼합물을 박막이 형성될 때까지 질소 가스로 약 1시간 동안 진공 건조시켰다. 건조된 인지질을 10mM의 PBS(phosphate-buffered saline) 용액에서 1mg/1mL 의 농도로 재수화(rehydrated)하였다. 이후, 현탁액을 동결-해동법(freeze-thaw method)로 처리하여 형광 태그된 단층의 소포체를 제조한 후, 200-nm 폴리카보네이트 필터에서 압출하여 균일한 크기의 소포체를 수득하였다.DOPC (1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) and the fluorescent substance Rho-PE (1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(lissamine rhodamine B sulfonyl) ammonium salt) A solution containing chloroform was prepared (Ananti Polar Lipids). DOPC was mixed with Rho-PE at a concentration of 0.01% in a glass vial, and the mixture was vacuum dried with nitrogen gas for about 1 hour until a thin film was formed. The dried phospholipids were rehydrated at a concentration of 1 mg/1 mL in a 10 mM phosphate-buffered saline (PBS) solution. Thereafter, the suspension was subjected to a freeze-thaw method to prepare a fluorescently tagged monolayer ER, and then extruded through a 200-nm polycarbonate filter to obtain ERs of uniform size.

다음으로, 이황화몰리브덴(MoS2) 박막과 인지질 복합 구조를 형성하기 위하여, 표면 개질되지 않은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막, 실시예 1 및 2를 상온에서 약 3시간 동안 소포체 현탁액에서 배양하였다.Next, in order to form a molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film and a phospholipid complex structure, the surface-modified molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film, Examples 1 and 2, was cultured in vesicle suspension at room temperature for about 3 hours.

그 결과, 소포체는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막 표면에서 파열되었고, 자기 조립을 통해 평면 인지질 이중층으로 전환되었다.As a result, the endoplasmic reticulum ruptured on the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film and converted into a planar phospholipid bilayer through self-assembly.

도 6은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막 표면에 형광물질이 태그된 인지질 이중층이 형성된 결과를 나타내는 이미지이다.6 is an image showing the result of forming a fluorescent material-tagged phospholipid bilayer on the surface of a molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film.

도 6을 참조하면, 표면 개질되지 않은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 경우, 표면에 인지질 이중층이 형성되지 않아 형광 부분이 발견되지 않았으며, 실시예 1 및 2의 경우, 박막의 표면을 따라서 인지질 이중층이 형성되어 형광 부분이 뚜렷하게 나타난 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 6 , in the case of the non-surface-modified molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film, a phospholipid bilayer was not formed on the surface, so that no fluorescent portion was found, and in Examples 1 and 2, phospholipids along the surface of the thin film It was confirmed that the double layer was formed and the fluorescent part was clearly displayed.

따라서, 표면 개질된 실시예 1 및 2의 경우, 인지질과 이황화몰리브덴(MoS2) 박막 복합 구조가 안정적으로 형성된 것으로 여겨진다.Therefore, in the case of the surface-modified Examples 1 and 2, it is considered that the phospholipid and molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film composite structure was stably formed.

또한, 인지질 분자의 유동성과 균일함을 확인하기 위하여, 실시예 1 및 2의 표면 위에 형광을 표지한 소포체를 배양하고, 인지질 이중층이 형성된 일 부분을 광표백시켜 회복 과정을 관찰하였으며, 그 결과를 도 7에 도시하였다.In addition, in order to confirm the fluidity and uniformity of the phospholipid molecules, the recovery process was observed by culturing the endoplasmic reticulum labeled with fluorescence on the surface of Examples 1 and 2, and photobleaching a portion where the phospholipid bilayer was formed. 7 is shown.

도 7a를 나타난 바와 같이, 인지질 이중층의 광표백된 곳이 240초 내로 50 - 80%까지 형광 강도를 나타냈으며, 이를 통해 인지질이 회복된 것을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 7a, the photobleached portion of the phospholipid bilayer exhibited a fluorescence intensity of 50 - 80% within 240 seconds, confirming that the phospholipid was recovered.

특히, 실시예 1 및 2의 독립적인 광표백 부위에서의 형광 광도를 나타낸 도 7b를 참조하면, 두 필름의 광표백 부위에서의 형광 강도는 모두 7분 내지 13분 만에 회복되었다.In particular, referring to FIG. 7b showing the fluorescence intensity at the independent photobleaching sites of Examples 1 and 2, the fluorescence intensity at the photobleaching site of both films was recovered in 7 to 13 minutes.

즉, 인지질 이중층은 높은 이동성을 보이는 것으로 판단되며, FRAP 테스트에 의해 측정된 실시예 1을 사용한 샘플의 면내 인지질 분자 확산 계수는, 10% 오차 범위 내에서 1.53㎛2/s였으며, 실시예 2를 사용한 샘플의 확산 계수는 3.75㎛2/s로 측정되었다.That is, it is judged that the phospholipid bilayer exhibits high mobility, and the in-plane phospholipid molecular diffusion coefficient of the sample using Example 1 measured by the FRAP test was 1.53 μm 2 /s within a 10% error range, and Example 2 was The diffusion coefficient of the sample used was measured to be 3.75 μm 2 /s.

즉, 인지질 분자는 실시예 1 및 2의 표면 상에서 우수한 유동성과 균일성을 갖는 것을 알 수 있었다.That is, it was found that the phospholipid molecules had excellent fluidity and uniformity on the surfaces of Examples 1 and 2.

바이오 센서 제조 biosensor manufacturing

5nm 두께의 크롬과 50nm 두께의 은 전극으로 포토 리소그래피 및 전자빔 증착법을 사용하여 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 채널층으로 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 제조하였다. A field effect transistor including a molybdenum disulfide (MoS 2 ) thin film as a channel layer was manufactured by using photolithography and electron beam deposition using 5 nm thick chromium and 50 nm thick silver electrodes.

이후, 상기 채널층의 표면 에너지를 변화시키기 위해, 산소(O2) 플라즈마 처리한 후, 상기 트랜지스터 상에 소포체를 배양하여 인지질 이중층을 형성하여 바이오 센서(도 8의 (a))를 제조하였다.Thereafter, in order to change the surface energy of the channel layer, after oxygen (O 2 ) plasma treatment, the endoplasmic reticulum was cultured on the transistor to form a phospholipid bilayer to prepare a biosensor (FIG. 8 (a)).

다른 예로, 제조된 전계 효과 트랜지스터의 채널층 표면 상에 산화알루미늄(Al2O3) 층을 증착한 후, 상기 트랜지스터 상에 소포체를 배양하여 인지질 이중층을 형성하여 바이오 센서(도 8의 (b))를 제조하였다. As another example, after depositing an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer on the surface of the channel layer of the prepared field effect transistor, the endoplasmic reticulum is cultured on the transistor to form a phospholipid bilayer to form a biosensor (FIG. 8 (b) ) was prepared.

이후, 물 속에서 기준 전극(Ag/AgCl)을 이용하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정하여, 그 결과를 도 8에 도시하였다.Thereafter, the drain current according to the gate voltage was measured using a reference electrode (Ag/AgCl) in water, and the results are shown in FIG. 8 .

도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 인지질 이중층이 포함된 소자(w lipid)의 경우, 인지질 이중층이 존재하지 않는 소자(w/o lipid)와 곡선의 모양은 유사하였으나, 게이트 전압이 증가할 때의 드레인 전류는 비교적 감소된 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8 , in the case of the device including the phospholipid bilayer of the present invention (w lipid), the shape of the curve was similar to that of the device without the phospholipid bilayer (w/o lipid), but when the gate voltage was increased It can be seen that the drain current of , shows a relatively reduced value.

단백체를 포함하는 바이오 센서 제조 Preparation of biosensors containing proteomic

상기에서 수득된 소포체 현탁액에 단백체인 Gramicidin A(Sigma-Aldrich)를 100 : 1의 몰비로 혼합하고, 상기 표면 개질된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 채널층으로 포함하는 전계 효과 트랜지스터 상에 단백체를 포함하는 소포체를 배양하여 인지질 이중층을 형성하여 인지질 이중층을 관통하는 하나 이상의 단백체를 포함하는 바이오 센서를 제조하였다(도 2 참조).Gramicidin A (Sigma-Aldrich), a protein, is mixed in the ER suspension obtained above in a molar ratio of 100: 1, and the surface-modified molybdenum disulfide (MoS 2 ) proteomic on a field effect transistor including the thin film as a channel layer. A phospholipid bilayer was formed by culturing the endoplasmic reticulum containing the endoplasmic reticulum to prepare a biosensor containing one or more proteomic bodies penetrating the phospholipid bilayer (see FIG. 2).

바이오 센서의 이온 검출 특성Ion detection characteristics of biosensors

인지질 이중층을 포함하지 않는 소자, 인지질 이중층을 포함하는 소자, 단백체를 포함하는 인지질 이중층을 포함하는 소자(Blue line)에 이온 함유 용액을 접촉시킨 후, pH 변화에 따른 전류 변화를 측정하여 그 결과를 도 9에 도시하였다.After bringing an ion-containing solution into contact with a device not containing a phospholipid bilayer, a device containing a phospholipid bilayer, or a device containing a phospholipid bilayer containing a proteomic (blue line), the current change according to the pH change was measured and the results were reported. It is shown in Figure 9.

도 9를 참조하면, 인지질 이중층이 형성되지 않은 소자(Black line)는 pH의 변화에 따라서 전류가 크게 변화하였으나, 인지질 이중층이 형성된 이후(Red line), pH에 따라서 전류의 변화가 매우 약한 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 9 , it can be seen that in the device in which the phospholipid bilayer was not formed (black line), the current changed greatly according to the change in pH, but after the phospholipid bilayer was formed (red line), the change in current according to the pH was very weak. could

이후, 인지질 이중층에 단백체 채널을 삽입한 경우(Blue line), 이온이 통과하여 pH의 변화에 따라서 전류가 변화함을 확인할 수 있었다.Thereafter, when the proteomic channel was inserted into the phospholipid bilayer (blue line), it was confirmed that the ions passed through and the current changed according to the change in pH.

즉, 인지질 이중층에 단백체 채널을 삽입함으로써, 양성자 신호를 검출하고 단백체의 수동 수송을 통해 선택적으로 특정 이온만을 투과시킬 수 있으며, 이러한 이온의 투과에 의해 전기적 변화가 감지되게 된다. 따라서, 본 발명의 바이오 센서는 선택적 이온 검출을 위한 바이오 전자 플랫폼으로 사용될 수 있는 것으로 판단된다.That is, by inserting a proteomic channel into the phospholipid bilayer, a proton signal can be detected and only specific ions can be selectively permeated through passive transport of the proteome, and an electrical change is detected by the permeation of these ions. Therefore, it is determined that the biosensor of the present invention can be used as a bioelectronic platform for selective ion detection.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that you can.

Claims (13)

이황화몰리브덴(MoS2)의 표면에 산화알루미늄(Al2O3)층이 증착된 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터;
상기 트랜지스터 상에 형성된 인지질 이중층; 및
상기 인지질 이중층을 관통하는 하나 이상의 단백체;를 포함하고,
상기 단백체는 특정 이온 또는 분자만을 선택적으로 투과시키는 것인, 바이오 센서.
Molybdenum disulfide (MoS 2 ) A field effect transistor comprising a channel layer deposited on the surface of the aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer;
a phospholipid bilayer formed on the transistor; and
At least one proteome penetrating the phospholipid bilayer;
The proteomic will selectively permeate only a specific ion or molecule, the biosensor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단백체는 α-helix, β-sheet 구조를 띄고 있는 그라미시딘(Gramicidin), 알라메티신(Alamethicin), 칼륨 채널(Potassium ion channel), 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 센서.
According to claim 1,
The proteomic is characterized in that it contains any one or more selected from α-helix, β-sheet structure, gramicidin, alamethicin, potassium ion channel, and bacteriorhodopsin. to the biosensor.
제1항에 있어서,
상기 이온은 H+, Na+, Ca2+, K+, Cl- 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 분자는 도파민(Dopamine), 포도당(Glucose) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 센서.
According to claim 1,
The ions include any one or more selected from H + , Na + , Ca 2+ , K + , Cl -,
The molecule is dopamine (Dopamine), glucose (Glucose), characterized in that it comprises any one or more selected from the biosensor.
이황화몰리브덴(MoS2)을 포함하는 채널층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 제조하는 단계;
상기 이황화몰리브덴(MoS2)의 표면에 산화알루미늄(Al2O3)층을 증착하는 단계;
인지질을 사용하여 소포체를 제조하는 단계;
상기 소포체에 하나 이상의 단백체를 포함시키는 단계; 및
단백체를 포함하는 소포체를 상기 트랜지스터 상에 배양하여 인지질 이중층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 단백체는 인지질 이중층을 관통하도록 형성되는 것인, 바이오 센서 제조 방법.
Manufacturing a field effect transistor including a channel layer containing molybdenum disulfide (MoS 2 );
Depositing an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer on the surface of the molybdenum disulfide (MoS 2 );
preparing an endoplasmic reticulum using phospholipids;
including one or more proteomic bodies in the endoplasmic reticulum; and
Forming a phospholipid bilayer by culturing the endoplasmic reticulum containing the proteomic on the transistor;
The proteome is formed to penetrate the phospholipid bilayer, the biosensor manufacturing method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 트랜지스터를 제조하는 단계는 포토 리쏘그래피 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오 센서 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The manufacturing of the transistor is a biosensor manufacturing method, characterized in that performed through a photolithography process.
제7항에 있어서,
상기 단백체는 α-helix, β-sheet 구조를 띄고 있는 그라미시딘(Gramicidin), 알라메티신(Alamethicin), 칼륨 채널(Potassium ion channel), 박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하고,
특정 이온 또는 분자만을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는, 바이오 센서 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The proteomic includes at least one selected from α-helix, β-sheet structure gramicidin, alamethicin, potassium ion channel, and bacteriorhodopsin (Bacteriorhodopsin),
A method for manufacturing a biosensor, characterized in that only a specific ion or molecule is selectively permeated.
제1항, 제5항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 바이오 센서에 이온 함유 용액을 접촉시키는 단계; 및
상기 바이오 센서의 전기 전도도 변화를 관찰하는 단계;를 포함하는, 이온 검출 방법.
[Claim 7] Contacting the biosensor according to any one of claims 1 to 6 with an ion-containing solution; and
Containing, ion detection method; observing a change in the electrical conductivity of the biosensor.
KR1020190086701A 2019-07-18 2019-07-18 Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same KR102322684B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190086701A KR102322684B1 (en) 2019-07-18 2019-07-18 Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190086701A KR102322684B1 (en) 2019-07-18 2019-07-18 Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210009750A KR20210009750A (en) 2021-01-27
KR102322684B1 true KR102322684B1 (en) 2021-11-04

Family

ID=74238371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190086701A KR102322684B1 (en) 2019-07-18 2019-07-18 Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102322684B1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE136119T1 (en) * 1988-08-18 1996-04-15 Au Membrane & Biotech Res Inst IMPROVEMENTS IN THE SENSITIVITY AND SELECTIVITY OF ION CHANNEL MEMBRANE SENSORS
KR101951623B1 (en) * 2012-04-26 2019-02-26 서울대학교산학협력단 Single walled carbon nanotube field effect transistors based acetylcholine sensor

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Yinxi Huang 등, Biosensors and Bioelectronics, 25권, 2010년, 페이지 1834-1837.(2010.12.31.)*
박윤정 등, Biosensors and Bioelectronics, 142권, 2019년.(2019.7.17.)*
박윤정 등, 제20회 KMEMS 학술대회, 2018.4.5.(2018.4.5.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210009750A (en) 2021-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Geng et al. Stochastic transport through carbon nanotubes in lipid bilayers and live cell membranes
Han et al. Highly conducting gold nanoparticles–graphene nanohybrid films for ultrasensitive detection of carcinoembryonic antigen
Li et al. Amperometric immunosensor for the detection of Escherichia coli O157: H7 in food specimens
Su et al. Immobilization of horseradish peroxidase on amino-functionalized carbon dots for the sensitive detection of hydrogen peroxide
Chen et al. Electrochemical simultaneous assay of chloramphenicol and PCB72 using magnetic and aptamer-modified quantum dot-encoded dendritic nanotracers for signal amplification
Liu et al. ε-Poly-L-lysine-protected Ti 3 C 2 MXene quantum dots with high quantum yield for fluorometric determination of cytochrome c and trypsin
CN105758917B (en) A kind of preparation of Nafion/ horseradish peroxidases/cobaltosic oxide graphene/ionic liquid carbon paste electrode and catalytic applications
Zhang et al. Detection of α-fetoprotein with an ultrasensitive electrochemiluminescence paper device based on green-luminescent nitrogen-doped graphene quantum dots
Zhang et al. Label-free immunoassay for chloramphenicol based on hollow gold nanospheres/chitosan composite
Yang et al. Quantum-dot-based biosensor for simultaneous detection of biomarker and therapeutic drug: first steps toward an assay for quantitative pharmacology
Pruna et al. Novel nanostructured indium tin oxide electrode for electrochemical immunosensors: Suitability for the detection of TNF-α
Wang et al. Surface modification and construction of LAPS towards biosensing applications
Ge et al. Aptamer-gold nanoparticle doped covalent organic framework followed by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry for selective enrichment and detection of human insulin
Cerrutti et al. Lignin as immobilization matrix for HIV p17 peptide used in immunosensing
CN111830104A (en) Photoelectrochemistry biosensor and preparation method and application thereof
Singh et al. Applying graphene oxide nano-film over a polycarbonate nanoporous membrane to monitor E. coli by infrared spectroscopy
Gonçalves et al. Immunosensor for diagnosis of Alzheimer disease using amyloid-β 1–40 peptide and silk fibroin thin films
Park et al. Bionanoelectronic platform with a lipid bilayer/CVD-grown MoS2 hybrid
KR102322684B1 (en) Bio sensor, method for manufacturing the same, and ion detection method using the same
Shi et al. Amplification of antigen–antibody interactions via back-filling of HRP on the layer-by-layer self-assembling of thionine and gold nanoparticles films on Titania nanoparticles/gold nanoparticles-coated Au electrode
Duan et al. Ultrasensitive electrochemiluminescent aptasensor for trace detection of kanamycin based-on novel semi-sandwich gadolinium phthalocyanine complex and dysprosium metal-organic framework
Davis Engineering the bioelectronic interface: applications to analyte biosensing and protein detection
Cheng et al. Highly selective enzymatic-free electrochemical sensor for dopamine detection based on the self-assemblied film of a sandwich mixed (phthalocyaninato)(porphyrinato) europium derivative
Solanki et al. Highly sensitive biofunctionalized nickel oxide nanowires for nanobiosensing applications
Hu et al. Conjugated bimetallic cobalt/iron polyphthalocyanine as an electrochemical aptasensing platform for impedimetric determination of enrofloxacin in diverse environments

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant