KR102436003B1 - 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법 - Google Patents

전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102436003B1
KR102436003B1 KR1020200033768A KR20200033768A KR102436003B1 KR 102436003 B1 KR102436003 B1 KR 102436003B1 KR 1020200033768 A KR1020200033768 A KR 1020200033768A KR 20200033768 A KR20200033768 A KR 20200033768A KR 102436003 B1 KR102436003 B1 KR 102436003B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
sensing film
frequency change
biosensor array
idt electrode
Prior art date
Application number
KR1020200033768A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210117498A (ko
KR102436003B9 (ko
Inventor
유우종
김지은
김건년
곽연화
전민지
전문배
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
한국전자기술연구원
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, 한국전자기술연구원 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to KR1020200033768A priority Critical patent/KR102436003B1/ko
Publication of KR20210117498A publication Critical patent/KR20210117498A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102436003B1 publication Critical patent/KR102436003B1/ko
Publication of KR102436003B9 publication Critical patent/KR102436003B9/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3277—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a redox reaction, e.g. detection by cyclic voltammetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles

Abstract

본 발명은 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이는, 압전 기판 및 상기 압전 기판 위에 센서 어레이 타입으로 형성된 복수의 바이오 센서를 포함하고, 상기 복수의 바이오 센서는, 바이오 물질을 검출하기 위해 서로 다른 항체가 결합된 복수의 바이오 센싱 소자와, 상기 항체가 결합되지 않은 레퍼런스 소자를 포함하고, 상기 복수의 바이오 센싱 소자는 측정 대상인 바이오 물질과 입력 IDT(Inter Digital Transducer) 전극 및 출력 IDT 전극 사이 형성된 센싱 필름의 이차원 나노 물질과의 결합으로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하고, 상기 센싱 필름에 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 통해 상기 센싱 필름의 전도도 변화를 측정한다.

Description

전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법{BIOSENSOR ARRARY FOR MEASURING CONDUCTIVITY AND FREQUENCY CHANGE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이에 관한 것이다.
표면 탄성파(Surface Acoustic Wave: SAW) 센서는 온도센서, 가스센서 및 바이오센서 등 환경요소의 변화측정에 많이 이용되고 있다. 이러한 SAW 센서는 측정방법에 따라 두 가지로 나뉜다. 하나는 외부요소에 의해 변화된 공진주파수 변화 측정이고, 다른 하나는 SAW 센서에서 반사되어 측정되는 리플렉션 피크변화의 측정이다.
공진주파수의 변화를 측정하는 표면 탄성파(SAW) 센서의 동작원리는 다음과 같다. 입력된 RF(Radio Frequency)의 전기적 에너지가 입력 IDT(Inter Digital Transducer)에서 표면 탄성파의 소리 에너지 변환이 되어 전달이 된다. 압전 효과가 발생) 발생한 SAW가 센싱 필름을 통과할 때 타겟 검출에 따라 주파수의 속도 변화가 발생한다. 이 변화한 표면 탄성파는 출력 IDT에서 다시 전기에너지로 변환 되어 타겟 검출에 따른 변화된 신호가 감지된다.
현재 바이오 물질을 감지하는 SAW 기반 바이오센서의 센싱 원리는 센서 표면상에 증착된 골드와의 타겟 물질 흡착이 야기한 주파수의 변화로 판단한다. 압전기판(LT, LiTaO3 기판) 위에 입출력 IDT 전극을 올리고, 그 사이에 골드로 이루어진 센싱 필름을 증착한 연구이다. 이때, 수용체 바이오 물질은 골드가 증착된 부분에 기능화된 상태로 존재하므로 타겟 물질은 센싱 채널에서 흡착될 수 있다. 이 흡착으로 인해 변화된 발진 주파수를 관찰하여 신호 감지를 판단한다.
그러나 이 기술이 가지고 있는 문제점들로 인하여, 수율이 낮고 센서의 감도와 속도가 떨어지게 된다. 따라서 최근 이 문제점을 해결하기 위해 신호를 차단하지 않는 센싱 채널에 대한 기술이 개발되었으며 지속적인 연구 중이다.
종래 기술의 문제점을 살펴보면, 바이오 물질을 검출하기 위해 사용하는 종래의 센싱 필름은 단백질 검출을 위한 기능화가 가능한 골드(골드 나노파티클(Au nanoparticle), 골드 필름(Au film) 등)을 주로 사용한다. 이 센싱 채널의 가장 큰 문제점은 높은 가격과 전기 신호의 차단이다.
마이크로단위 이상의 두께를 가진 골드 필름을 사용하며 두꺼운 골드 필름 위에서 수용체(항체)와 타겟(항원)의 흡착으로 야기된 전기장의 상당한 양이 차단되어 표면의 전도도 변화에 민감하게 반응하는 SAW 소자의 주파수 변화량을 감소시킨다.
따라서는 센서에서 중요한 감도와 센싱 타임을 저하시키는 큰 요인이다.
본 발명의 실시예들은 이차원(2D) 나노 소재(예컨대, 그래핀)를 센싱 필름으로 하고, 실시간으로 표면 탄성파의 공진주파수 변화 및 전기전도도 변화를 동시에 실시간으로 측정하기 위한, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위의 환경에서도 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전 기판; 및 상기 압전 기판 위에 센서 어레이 타입으로 형성된 복수의 바이오 센서를 포함하고, 상기 복수의 바이오 센서는, 바이오 물질을 검출하기 위해 서로 다른 항체가 결합된 복수의 바이오 센싱 소자와, 상기 항체가 결합되지 않은 레퍼런스 소자를 포함하고, 상기 복수의 바이오 센싱 소자는 측정 대상인 바이오 물질과 입력 IDT(Inter Digital Transducer) 전극 및 출력 IDT 전극 사이 형성된 센싱 필름의 이차원 나노 물질과의 결합으로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하고, 상기 센싱 필름에 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 통해 상기 센싱 필름의 전도도 변화를 측정하는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이가 제공될 수 있다.
상기 바이오 센싱 소자는, 입력된 전기 에너지를 이용하여 표면 탄성파로 발생시키는 상기 입력 IDT 전극; 상기 바이오 물질로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하기 위해 이차원 나노 물질로 이루어진 상기 센싱 필름; 주파수가 변환된 표면 탄성파를 전기 에너지로 변환시키는 상기 출력 IDT 전극; 및 상기 센싱 필름에 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이가 제공될 수 있다.
상기 입력 IDT 전극과 상기 제1 전극의 패드는 공유되고, 상기 출력 IDT 전극과 상기 제2 전극의 패드는 공유될 수 있다.
상기 센싱 필름은, 기설정된 면적 이상의 대면적 단층의 그래핀 필름으로 이루어질 수 있다.
상기 센싱 필름은, 도핑 또는 산화 반응의 공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합될 수 있다.
상기 센싱 필름은, 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction), 그래핀 방향족 링커(graphene aromatic linker), 소수성 스태킹(hydrophobic stacking) 및 정전식 상호작용(electrostatic interaction) 중에서 어느 하나의 비공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합될 수 있다.
상기 바이오 센서 어레이는, 상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우, 상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극 사이에 형성된 가이딩 레이어를 더 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 가이딩 레이어 위에 형성될 수 있다.
상기 바이오 센서 어레이는, 상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우, 상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 제1 전극 사이의 부분과, 상기 출력 IDT 전극 및 상기 제2 전극 사이의 부분에 각각 형성된 가이딩 레이어를 더 포함하는, 상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 각각 형성된 가이딩 레이어 사이에 형성될 수 있다.
상기 바이오 센서 어레이는, 상기 바이오 센싱 소자가 공진기 타입(Resonator type)인 경우, 상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극 사이에 형성된 가이딩 레이어를 더 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 가이딩 레이어 위에 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 압전 기판 위에 복수의 바이오 센싱 소자를 형성하는 단계; 복수의 바이오 물질을 각각 검출하기 위해 상기 복수의 바이오 물질에 대응되는 항체를 상기 복수의 바이오 센싱 소자에 각각 결합시키는 단계; 및 항체가 결합되지 않은 레퍼런스 소자를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 바이오 센싱 소자와 상기 레퍼런스 소자는 복수의 바이오 센서로 구성되고, 상기 복수의 바이오 센싱 소자는 측정 대상인 바이오 물질과 입력 IDT(Inter Digital Transducer) 전극 및 출력 IDT 전극 사이 형성된 센싱 필름의 이차원 나노 물질과의 결합으로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하고, 상기 센싱 필름에 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 통해 상기 센싱 필름의 전도도 변화를 측정하는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 바이오 센싱 소자를 형성하는 단계는, 상기 압전 기판 위에 입력된 전기 에너지를 이용하여 표면 탄성파로 발생시키는 입력 IDT 전극과 주파수가 변환된 표면 탄성파를 전기 에너지로 변환시키는 출력 IDT 전극을 형성하는 단계; 상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극의 사이에 이차원 나노 물질로 이루어진 상기 센싱 필름을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 센싱 필름에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 입력 IDT 전극과 상기 제1 전극의 패드는 공유되고, 상기 출력 IDT 전극과 상기 제2 전극의 패드는 공유될 수 있다.
상기 센싱 필름은, 기설정된 면적 이상의 대면적 단층의 그래핀 필름으로 이루어질 수 있다.
상기 센싱 필름은, 도핑 또는 산화 반응의 공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합될 수 있다.
상기 센싱 필름은, 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction), 그래핀 방향족 링커(graphene aromatic linker), 소수성 스태킹(hydrophobic stacking) 및 정전식 상호작용(electrostatic interaction) 중에서 어느 하나의 비공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합될 수 있다.
상기 방법은, 상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우, 상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극 사이에 가이딩 레이어를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 가이딩 레이어 위에 형성될 수 있다.
상기 방법은, 상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우, 상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 제1 전극 사이의 부분과, 상기 출력 IDT 전극 및 상기 제2 전극 사이의 부분에 각각 가이딩 레이어를 형성하는 단계를 더 포함하는, 상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 각각 형성된 가이딩 레이어 사이에 형성될 수 있다.
상기 방법은, 상기 바이오 센싱 소자가 공진기 타입(Resonator type)인 경우, 상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극 사이에 가이딩 레이어를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 가이딩 레이어 위에 형성될 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예들은 이차원(2D) 나노 소재(예컨대, 그래핀)를 센싱 필름으로 하고, 실시간으로 표면 탄성파의 공진주파수 변화 및 전기전도도 변화를 동시에 실시간으로 측정하기 위한, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이를 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 이러한 바이오 센서 어레이를 이용하여 어레이 타입의 마약 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 항원(예컨대, 마약 항원 등) 주입 시, 표면 탄성파의 공진주파수변화와 더불어 전기전도도 변화를 실시간으로 동시에 감지 및 관찰함으로써, 바이오 센서 어레이의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 이차원 나노 물질(예컨대, 그래핀)을 사용하여 저가의 센싱 필름을 제조할 수 있으며, 이러한 센싱 필름의 두께가 원자 단위로 얇아서(약 0.3 ~ 0.4 nm) 전계를 차단하지 않아 효과적인 전계 투과를 통한 초고감도 및 고속 센싱을 수행할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 구성과 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 구성과 단면을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 응용 예시를 나타낸 도면이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 어레이를 이용한 측정 동작을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들이 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명에서 사용한 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 판례, 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 구성과 단면을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예는 이차원 나노 소재를 센싱 필름으로 하고, 표면 탄성파(Surface acoustic wave) 소자와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 어레이 타입의 복수의 바이오 센서를 제작함으로써, 고속, 고감도와 더불어 신뢰성를 가진 액상의 바이오 물질을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 바이오 센서의 신뢰성을 높이기 위하여 원칩(one-chip) 형태의 복합 바이오 센서로 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 하나의 입력을 통하여 다양한 신호(예컨대, 전류, 주파수)의 변화를 동시에, 실시간으로 감지함으로써, 바이오 센서의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 저렴하고 얇은 이차원 물질을 센싱 필름으로 사용하여 고속 고감도의 센서를 제작할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 바이오 센서는 3개 이상의 어레이 타입으로 설계될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 항체가 결합되지 않은 레퍼런스(reference) 소자와, 선택도(selectivity)를 확인할 수 있도록 서로 다른 항체를 결합시킨 복수의 바이오 센싱 소자(2가지 이상)를 센서 어레이 타입으로 구성할 수 있다.
이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이(100)는 압전 기판(111) 및 복수의 바이오 센서를 포함한다. 그러나 도시된 구성요소 모두가 필수 구성요소인 것은 아니다. 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 바이오 센서 어레이(100)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해서도 바이오 센서 어레이(100)가 구현될 수 있다.
이하, 도 1의 바이오 센서 어레이(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
표면 탄성파는 압전 기판(111)과 IDT(Interdigitated transducer) 전극 사이에서 압전 효과에 의해 발생된다.
복수의 바이오 센서는 압전 기판(111) 위에 센서 어레이 타입으로 형성된다.
복수의 바이오 센서는 바이오 물질을 검출하기 위해 서로 다른 항체가 결합된 복수의 바이오 센싱 소자와, 항체가 결합되지 않은 레퍼런스 소자(130)를 포함한다. 일례로, 복수의 바이오 센싱 소자는 제1 바이오 센싱 소자(110) 및 제2 바이오 센싱 소자(120)를 포함할 수 있으며, 특정 개수의 바이오 센싱 소자로 한정되지 않는다.
복수의 바이오 센싱 소자는 측정 대상인 바이오 물질과 입력 IDT 전극(112) 및 출력 IDT 전극(113) 사이 형성된 센싱 필름(114)의 이차원 나노 물질과의 결합으로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정한다. 또한, 복수의 바이오 센싱 소자는 센싱 필름(114)에 형성된 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)을 통해 센싱 필름(114)의 전기 전도도 변화를 측정한다.
복수의 바이오 센싱 소자는 압전 기판(111) 위에 형성된 입력 IDT 전극(112) 및 출력 IDT 전극(113)과, 이차원 나노 물질이 패터닝된 센싱 필름 영역을 포함한다. 또한, 복수의 바이오 센싱 소자는 이차원 나노 물질 위로 제1 전극(115) 및 제2 전극(115 및 116, 소스 및 드레인 전극)이 형성된다. 여기서, 제1 바이오 센싱 소자(110)의 소스 및 드레인 전극인 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)과 제2 바이오 센싱 소자(120)의 입력 IDT 전극(122) 및 출력 IDT 전극(123)의 패드는 각각 공유하도록 연결될 수 있다. 즉, 입력 IDT 전극(122)으로부터 확장된 연결 라인이 제1 전극(소스 전극, 115)과 연결될 수 있다. 또한, 출력 IDT 전극(113)으로부터 확장된 다른 연결 라인이 제2 전극(드레인 전극, 116)과 연결될 수 있다. 표면 탄성파 센서의 IDT 전극의 입력단 패드와 센싱 필름(114)의 전도도를 측정하기 위한 입력단의 제1 전극(소스 전극)의 패드를 공유한다. 또한, IDT 전극의 출력단 패드와 센싱 필름(114)의 출력단의 제2 전극(드레인 전극)의 패드를 공유한다. 본 발명의 일 실시예는 각 전극의 패드를 공유함으로써, 카트리지로 사용될 어레이 타입의 바이오 센싱 소자의 불필요한 면적을 줄이고 동시에 실시간으로 전류와 주파수 변화를 측정할 수 있다.
바이오 센싱 어레이에서 복수의 바이오 센서의 개수는 검출하고자 하는 항원 및 타겟 바이오 물질(예컨대, 특정 종류의 단백질, 특정 종류의 마약 등)의 개수에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신뢰성을 가진 바이오 센서 어레이(100)에 대해서 설명하기로 한다. 바이오 센서 어레이(100)는 표면 탄성파 소자의 센싱 필름(114)에 추가적인 제1 전극 및 제2 전극(115 및 116)을 포함한다. 바이오 센서 어레이(100)는 IDT 전극과 제1 전극 및 제2 전극(소스 및 드레인 전극)의 패드를 공유함으로써, 불필요한 면적 없이 원칩(one-chip) 형태의 복합된 바이오 센서로 동작할 수 있다. 즉, 입력 IDT 전극(122)과 제1 전극(115)의 패드는 공유되고, 출력 IDT 전극(123)과 제2 전극(116)의 패드는 공유될 수 있다. 이러한 센서 어레이 타입의 바이오 센서 어레이(100)는 실시간으로 표면 탄성파의 공진주파수 변화와 손실값 변화(dB), 그리고 전기 전도도의 변화를 동시에 측정할 수 있다.
특정 마약 항원 주입에 의해 발생한 센싱 필름에 가해지는 질량 변화에 따라 파장의 속도가 바뀌면서 공진주파수 값의 변화가 일어나고 손실 값의 변화 또한 야기된다. 뿐만 아니라, 바이오 센서 어레이(100)에서 센서 플랫폼인 이차원 나노 물질(예컨대, 그래핀)로 구성된 센싱 필름(114)의 도핑에 따른 전도도 변화도 함께 실시간 측정이 가능하다. 이를 통해, 바이오 센서 어레이(100)는 액상의 마약을 검출 시, 검출 신호의 다양성으로 항원 감지 여부를 판단함으로써, 센서의 신뢰도를 높일 수 있다. 센싱 필름(114)은 기설정된 면적 이상의 대면적 단층의 그래핀 필름으로 이루어질 수 있다.
한편, 그래핀 표면 기능화는 그래핀 기능화를 통해서 선택적인 바이오 물질 혹은 분자 등을 효과적으로 흡착할 수 있다.
일례로, 센싱 필름(114)에는 공유결합 기능화가 수행될 수 있다. 그래핀 필름은 도핑(Doping) 또는 산화 반응(Oxidative reaction) 등의 공유 결합 기능화를 통해 바이오 물질과 결합될 수 있다. 도핑(Doping)에는 수소화(Hydrogenating), 불소화(Fluorinating), 할로겔화(Halogenating), 리튬(Li) 등이 있다. 특정 가스 또는 바이오 물질에 민감하게 작용한다.
다른 예로, 센싱 필름(114)에는 비공유 결합 기능화가 수행될 수 있다. 그래핀 필름은 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction), 그래핀 방향족 링커(graphene aromatic linker), 소수성 스태킹(hydrophobic stacking) 및 정전식 상호작용(electrostatic interaction) 중에서 어느 하나의 비공유 결합 기능화를 통해 바이오 물질과 결합될 수 있다. 여기서, 파이-파이 상호작용은 그래핀이 지닌 파이 결합 전자를 이용하여 프로틴(protein) 혹은 펩타이드(peptide)와 파이 결합한다. 그래핀 방향족 링커는 DNA, 프로틴(proteins), 펩타이드(peptides)를 위한 것이다. 정전식 상호작용은 링커 없이 게이트 바이어스를 걸어줌으로 인해서 하전된 바이오 분자를 흡착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 및 고속 바이오 센서에 대해 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예는 현재 상용화된 종래의 골드 필름을 센싱 필름으로 하는 표면 탄성파 센서에 비해 저렴하고 높은 민감도를 지닌다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예는 이차원 나노 물질을 센싱 필름으로 이용한 복수의 바이오 센서를 포함한다. 예컨대, 이차원 나노 물질인 그래핀은 적은 비용으로 대면적 합성이 가능하며 두께가 매우 얇아(약 0.5 nm) 효과적으로 전계를 투과한다. 또한, 그래핀의 높은 이동도는 고유의 고속 응답 시간 (~ms)을 가능하게 함으로써 초고감도, 고속 센서를 제작할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 항원 단백질의 양을 일정하고 원하는 센싱 면적에만 주입할 수 있도록 바이오 센싱 소자에 삽입할 소켓을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 패드에 팁을 찍어 측정할 필요 없이 소켓에 삽입한 후 각각의 입력단, 출력단에 측정하고자 하는 측정 장비를 직접적으로 연결할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바이오 센싱 소자는 압전 기판(111), 입력 IDT 전극(112), 출력 IDT 전극(113), 센싱 필름(114), 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)을 포함한다.
입력 IDT 전극(112)은 압전 기판(111) 위에 형성되고, 입력된 전기 에너지를 이용하여 표면 탄성파로 발생시킨다.
센싱 필름(114)은 압전 기판(111) 위에 형성되고, 바이오 물질로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하기 위해 이차원 나노 물질로 이루어진다. 입력 IDT 전극(112)에서 발생된 표면 탄성파는 센싱 필름(114)에서 바이오 물질로 인해 주파수가 변환되어 출력 IDT 전극(113)으로 진행한다.
출력 IDT 전극(113)은 주파수가 변환된 표면 탄성파를 전기 에너지로 변환시킨다.
한편, 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)은 센싱 필름(114)에 형성된다. 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)은 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극으로 동작하며, 바이오 물질로 인한 전기 전도도 변화를 측정할 수 있다.
이와 같이, 복수의 바이오 센싱 소자는 측정 대상인 바이오 물질과 입력 IDT 전극(112) 및 출력 IDT 전극(113) 사이 형성된 센싱 필름(114)의 이차원 나노 물질과의 결합으로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정한다. 또한, 복수의 바이오 센싱 소자는 센싱 필름(114)에 형성된 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)을 통해 센싱 필름(114)의 전도도 변화를 측정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
단계 S101에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 압전 기판(111) 위에 복수의 바이오 센싱 소자를 형성한다.
단계 S102에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 복수의 바이오 물질을 각각 검출하기 위해 복수의 바이오 물질에 대응되는 항체를 복수의 바이오 센싱 소자에 각각 결합킨다.
단계 S103에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 항체가 결합되지 않은 레퍼런스 소자(130)를 형성한다.
단계 S104에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 입력 및 출력 IDT 전극(122 및 123)과, 전계 효과 트랜지스터의 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)의 패드를 연결 라인을 통해 각각 공유시킨다.
단계 S105에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 복수의 바이오 센싱 소자와 레퍼런스 소자(130)를 바이오 센서 어레이(100)로 구성한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 구성과 단면을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 어레이(100)는 바이오 센서인 표면 탄성파 센서 구조에서 가이딩 레이어(Guiding layer, 117)를 더 포함할 수 있다. 바이오 센서에는 가이딩 레이어(117)가 추가로 증착되거나 부분적으로 증착될 수 있다. 가이딩 레이어(117)는 지연 라인 타입(Delay-line type)과 공진기 타입(resonator type)의 바이오 센서에 모두 즉, 센싱 소자 타입에 무관하게 적용될 수 있다. 가이딩 레이어(117)는 바이오 센서에서 표면 탄성파의 감쇄를 감소시킬 수 있다.
이하, 다양한 바이오 센서에 포함되는 여러 구조의 가이딩 레이어(117)의 단면도를 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6에는 지연 라인 타입의 바이오 센서의 구조가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가이딩 레이어(117)는 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우, 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 입력 IDT 전극(112) 및 출력 IDT 전극(113) 사이에 형성될 수 있다. 여기서, 제1 전극(115), 센싱 필름(114) 및 제2 전극(116)은 가이딩 레이어(117) 위에 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가이딩 레이어(117)는 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우, 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 입력 IDT 전극(112) 및 제1 전극(115) 사이의 부분과, 출력 IDT 전극(113) 및 제2 전극(116) 사이의 부분에 각각 형성될 수 있다. 즉, 가이딩 레이어(117)는 입력단 전극 사이와 출력단 전극 사이에 부분적으로 증착될 수 있다. 여기서, 제1 전극(115), 센싱 필름(114) 및 제2 전극(116)은 각각 형성된 가이딩 레이어(117) 사이에 형성될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 가이딩 레이어(117)는 바이오 센싱 소자가 공진기 타입(Resonator type)인 경우, 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 입력 IDT 전극(112) 및 출력 IDT 전극(113) 사이에 형성될 수 있다. 제1 전극(115), 센싱 필름(114) 및 제2 전극(116)은 가이딩 레이어(117) 위에 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 어레이(100)는 반도체 기판에 전계 효과 트랜지스터(FET) 소자를 제작하는 공정과 동일한 공정을 통하여 제조될 수 있다. 전체 공정은 웨이퍼 스케일로 진행될 수 있다.
단계 S201에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 압전 기판(AT/LT/LN) 위에 포토리소그래피(Photo Lithography) 및 증착 공정을 통해 입력 및 출력 IDT 전극(115 및 116)을 형성한다. 예컨대, 압전 기판(111) 위에 포토리소그래피 공정을 통하여 입력 및 출력 IDT 전극을 패터닝한 후 크롬/알루미늄을 증착할 수 있다.
단계 S202에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 웨이퍼 전체에 SiO2 가이딩 레이어(117)를 증착한다. 액상 상태에서 표면 탄성파가 적은 감쇄를 보이며 이동할 수 있도록 웨이퍼 전체에 SiO2 가이딩 레이어를 증착한다. 여기서, 가이딩 레이어(117)는 부분적으로 증착되거나 생략될 수 있다.
단계 S203에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 CVD 합성법으로 대면적 단층의 그래핀을 합성한다.
단계 S204에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 단계 S201 및 S202까지 완성된 웨이퍼에 합성된 그래핀을 전사한다.
단계 S205에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 포토리소그래피 공정 및 플라즈마 에칭(plasma etching)을 통해 그래핀 센싱 필름을 원하는 영역으로 패터닝한다.
단계 S206에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 가이딩 레이어(117)로 덮인 IDT 패드를 에칭을 통해 오픈한다.
단계 S207에서, 바이오 센서 어레이(100)의 제조 방법은 포토리소그래피 및 증착 공정을 통해 소스와 드레인 전극인 제1 전극(115) 및 제2 전극(116)을 형성한다. 소스와 드레인 전극은 포토리소그래피 및 증착 공정을 통해 설계될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이의 응용 예시를 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 바이오 센서 어레이(100)는 응용 예시인 어레이 순서대로 레퍼런스 소자, 항원1 감지 소자, 및 항원2 감지 소자로 어레이 타입으로 구성될 수 있다. 감지하고자 하는 항원에 따라 어레이 타입으로 구성된 항원 감지 소자의 개수가 늘어날 수 있다. IDT 전극의 패드와 소스/드레인 전극의 패드가 공유되도록 구성될 수 있다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 어레이를 이용한 측정 동작을 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 어레이(100)를 이용한 측정 동작을 살펴보기로 한다.
측정을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질의 복합 센싱이 가능한 바이오 센서 어레이(100)에 2 포트(2 port)를 갖는 네트워크 분석기(Network Analyzer)와 2 포트를 갖는 소스 측정 유닛(Source Measurement Unit)을 각각 연결한다.
바이오 센서 어레이(100)에서 압전 기판(Piezoelectric substrate, 111) 상의 3개의 센싱 소자 중 두 번째, 세 번째 센싱 소자인 제1 바이오 센싱 소자 Sensor1(110), 제2 바이오 센싱 소자 Sensor2(120)의 센싱 레이어 그래핀(Sensing layer graphene, 114)에 각각 다른 액상 상태의 항체(Antibody, 118)를 작은 방울(droplet) 상태로 떨어뜨려 이차원 나노 물질(그래핀)의 기능화 과정을 거친다. 레퍼런스 소자(130, Reference sensor)는 센싱 필름(그래핀)과 항체를 결합시키지 않은 채로 둔다.
그리고 검출하고자 하는 액상의 마약을 기능화 과정을 거친 바이오 센서 어레이(100)에 떨어뜨려 IDT 전극(Interdigital Transducer, 112 및 113)을 통한 센싱 채널에서 특이적 결합을 통해 흡착되도록 한다.
바이오 센서 어레이(100)에서 각각의 바이오 센싱 소자들을 비교하여 선택도(selectivity)를 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 어레이(100)는 표면 탄성파 센싱 소자와 전계 효과 트랜지스터가 결합된 복수의 바이오 센싱 소자들로 구성되어 있다. 본 발명의 일 실시예는 주파수 변화(frequency shift) 뿐 아니라 전도도 변화를 함께 확인함으로써, 검출 신호에 대한 다양성으로 센서의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 매우 얇은 이차원(2D) 나노 소재를 사용하여 고감도, 고속 센싱이 가능한 바이오 센서 어레이(100)를 제조함으로써, 차후 실용화에 관한 솔루션을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이상에서 설명된 다양한 실시예들은 기기(machine)(예: 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체(machine-readable storage media)에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 기기는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시예들에 따른 전자 장치(예: 전자 장치(A))를 포함할 수 있다. 명령이 프로세서에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 또는 프로세서의 제어 하에 다른 구성요소들을 이용하여 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 명령은 컴파일러 또는 인터프리터에 의해 생성 또는 실행되는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이상에서 설명된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory (CD-ROM))의 형태로, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 온라인으로 배포될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이상에서 설명된 다양한 실시예들은 소프트웨어(software), 하드웨어(hardware) 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터(computer) 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록 매체 내에서 구현될 수 있다. 일부 경우에 있어 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 프로세서 자체로 구현될 수 있다. 소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 동작을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 다양한 실시예들에 따른 기기의 프로세싱 동작을 수행하기 위한 컴퓨터 명령어(computer instructions)는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer-readable medium)에 저장될 수 있다. 이러한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 명령어는 특정 기기의 프로세서에 의해 실행되었을 때 상술한 다양한 실시예에 따른 기기에서의 처리 동작을 특정 기기가 수행하도록 한다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체의 구체적인 예로는, CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등이 있을 수 있다.
또한, 상술한 다양한 실시예들에 따른 구성 요소(예: 모듈 또는 프로그램) 각각은 단수 또는 복수의 개체로 구성될 수 있으며, 전술한 해당 서브 구성 요소들 중 일부 서브 구성 요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성 요소가 다양한 실시예에 더 포함될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 일부 구성 요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성 요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따른, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 바이오 센서 어레이
110: 제1 바이오 센싱 소자
120: 제2 바이오 센싱 소자
130: 레퍼런스 소자
111: 압전 기판
112: 입력 IDT 전극
113: 출력 IDT 전극
114: 센싱 필름
115: 제1 전극
116: 제2 전극
117: 가이딩 레이어

Claims (18)

  1. 압전 기판; 및
    상기 압전 기판 위에 센서 어레이 타입으로 형성된 복수의 바이오 센서를 포함하고,
    상기 복수의 바이오 센서는, 바이오 물질을 검출하기 위해 서로 다른 항체가 결합된 복수의 바이오 센싱 소자와, 상기 항체가 결합되지 않은 레퍼런스 소자를 포함하고,
    상기 복수의 바이오 센싱 소자는 측정 대상인 바이오 물질과 입력 IDT(Inter Digital Transducer) 전극 및 출력 IDT 전극 사이 형성된 센싱 필름의 이차원 나노 물질과의 결합으로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하고, 상기 센싱 필름에 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 통해 상기 센싱 필름의 전도도 변화를 측정하고,
    상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극 사이에 형성된 가이딩 레이어를 더 포함하는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 센싱 소자는,
    입력된 전기 에너지를 이용하여 표면 탄성파로 발생시키는 상기 입력 IDT 전극;
    상기 바이오 물질로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하기 위해 이차원 나노 물질로 이루어진 상기 센싱 필름;
    주파수가 변환된 표면 탄성파를 전기 에너지로 변환시키는 상기 출력 IDT 전극; 및
    상기 센싱 필름에 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 IDT 전극과 상기 제1 전극의 패드는 공유되고, 상기 출력 IDT 전극과 상기 제2 전극의 패드는 공유되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 필름은,
    기설정된 면적 이상의 대면적 단층의 그래핀 필름으로 이루어지는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 필름은,
    도핑 또는 산화 반응의 공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 필름은,
    파이-파이 상호작용(pi-pi interaction), 그래핀 방향족 링커(graphene aromatic linker), 소수성 스태킹(hydrophobic stacking) 및 정전식 상호작용(electrostatic interaction) 중에서 어느 하나의 비공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type) 또는 공진기 타입(Resonator type)인 경우,
    상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 가이딩 레이어 위에 형성되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우,
    상기 가이딩 레이어는,
    상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극과 상기 제1 전극 사이에 형성된 제1 가이딩 레이어 및 상기 출력 IDT 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성된 제2 가이딩 레이어를 포함하는,
    상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 제1, 2 가이딩 레이어 사이에 형성되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이.
  9. 삭제
  10. 압전 기판 위에 복수의 바이오 센싱 소자를 형성하는 단계;
    복수의 바이오 물질을 각각 검출하기 위해 상기 복수의 바이오 물질에 대응되는 항체를 상기 복수의 바이오 센싱 소자에 각각 결합시키는 단계; 및
    항체가 결합되지 않은 레퍼런스 소자를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 바이오 센싱 소자와 상기 레퍼런스 소자는 복수의 바이오 센서로 구성되고,
    상기 복수의 바이오 센싱 소자는 측정 대상인 바이오 물질과 입력 IDT(Inter Digital Transducer) 전극 및 출력 IDT 전극 사이 형성된 센싱 필름의 이차원 나노 물질과의 결합으로 인한 표면 탄성파의 주파수 변화를 측정하고, 상기 센싱 필름에 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 통해 상기 센싱 필름의 전도도 변화를 측정하고,
    상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극 사이에 가이딩 레이어를 형성하는 단계를 더 포함하는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 바이오 센싱 소자를 형성하는 단계는,
    상기 압전 기판 위에 입력된 전기 에너지를 이용하여 표면 탄성파로 발생시키는 입력 IDT 전극과 주파수가 변환된 표면 탄성파를 전기 에너지로 변환시키는 출력 IDT 전극을 형성하는 단계;
    상기 입력 IDT 전극 및 상기 출력 IDT 전극의 사이에 이차원 나노 물질로 이루어진 상기 센싱 필름을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 센싱 필름에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 입력 IDT 전극과 상기 제1 전극의 패드는 공유되고, 상기 출력 IDT 전극과 상기 제2 전극의 패드는 공유되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 센싱 필름은,
    기설정된 면적 이상의 대면적 단층의 그래핀 필름으로 이루어지는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 센싱 필름은,
    도핑 또는 산화 반응의 공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 센싱 필름은,
    파이-파이 상호작용(pi-pi interaction), 그래핀 방향족 링커(graphene aromatic linker), 소수성 스태킹(hydrophobic stacking) 및 정전식 상호작용(electrostatic interaction) 중에서 어느 하나의 비공유 결합 기능화를 통해 상기 바이오 물질과 결합되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type) 또는 공진기 타입(Resonator type)인 경우,
    상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 가이딩 레이어 위에 형성되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 바이오 센싱 소자가 지연 라인 타입(Delay-line type)인 경우,
    상기 가이딩 레이어는,
    상기 표면 탄성파의 감쇄를 감소시키기 위해 상기 입력 IDT 전극과 상기 제1 전극 사이에 형성된 제1 가이딩 레이어 및 상기 출력 IDT 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성된 제2 가이딩 레이어를 포함하고,
    상기 제1 전극, 상기 센싱 필름 및 상기 제2 전극은 상기 제1, 2 가이딩 레이어 사이에 형성되는, 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 제조 방법.
  18. 삭제
KR1020200033768A 2020-03-19 2020-03-19 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법 KR102436003B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200033768A KR102436003B1 (ko) 2020-03-19 2020-03-19 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200033768A KR102436003B1 (ko) 2020-03-19 2020-03-19 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20210117498A KR20210117498A (ko) 2021-09-29
KR102436003B1 true KR102436003B1 (ko) 2022-08-25
KR102436003B9 KR102436003B9 (ko) 2023-04-12

Family

ID=77924665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200033768A KR102436003B1 (ko) 2020-03-19 2020-03-19 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102436003B1 (ko)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009061017A1 (en) * 2007-11-09 2009-05-14 Electronics And Telecommunications Research Institute Bio lab-on-a-chip and method of fabricating and operating the same
KR101149297B1 (ko) * 2008-12-19 2012-05-25 삼성전자주식회사 이중 모드 탄성파 센서, 그 제조 방법 및 이를 이용한 바이오 센서 시스템
KR101648383B1 (ko) * 2014-09-19 2016-08-24 한국과학기술연구원 교차전극 바이오센서

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
‘Monomolecular 자가 결합 단백질 수용체를 이용한 Highly sensitive 그래핀 바이오센서’, 2016년 대한전자공학회 추계학술대회 논문집, pp.1185-1188 (2016.11) 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210117498A (ko) 2021-09-29
KR102436003B9 (ko) 2023-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Su et al. Detection of cancer biomarkers by piezoelectric biosensor using PZT ceramic resonator as the transducer
US10539537B2 (en) Thin film bulk acoustic resonator with signal enhancement
JP2019184621A (ja) 検体センサおよび検体センシング方法
US9151752B2 (en) Method for amplifying variation of frequency of signal in piezoelectrical biosensor
US8508742B2 (en) Integrated shear-vertical surface acoustic wave and surface plasmon resonance sensing device and method
JP5855246B2 (ja) 校正不要分析による活性濃度の決定方法
Uludag et al. Determination of prostate-specific antigen in serum samples using gold nanoparticle based amplification and lab-on-a-chip based amperometric detection
Kogai et al. Liquid-phase shear horizontal surface acoustic wave immunosensor
JP6285428B2 (ja) センサ、検出方法、検出システム、および検出装置
Agarwal et al. Detection of heart-type fatty acid-binding protein (h-FABP) using piezoresistive polymer microcantilevers functionalized by a dry method
US11346814B2 (en) Resonator for the detection of a mass analyte and method for operation of the resonator
JP2017009492A (ja) 弾性表面波センサおよび検出方法
Choi et al. Increase in detection sensitivity of surface acoustic wave biosensor using triple transit echo wave
KR102436003B1 (ko) 전도도 및 주파수 변화 측정을 위한 바이오 센서 어레이 및 제조 방법
EP3194961B1 (en) Thin film bulk acoustic resonator with signal enhancement
US7816837B2 (en) Surface acoustic wave sensor
JP2010286465A (ja) Ｓａｗセンサーデバイス
WO2015046577A1 (ja) センサ、検出方法、検出システム及び検出装置
Palmara et al. Succinic anhydride functionalized microcantilevers for protein immobilization and quantification
US20110236877A1 (en) Biosensor and method using the same to perform a biotest
US20110177584A1 (en) Acoustic wave sensor and detection method using acoustic wave sensor
WO2016121864A1 (ja) 検出対象のセンシング方法
Yatsuda et al. Immunosensor using 250MHz shear horizontal surface acoustic wave delay line
Viguier et al. Trends and perspectives in immunosensors
CN111295451A (zh) 生物传感器装置中的信号放大

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]