KR102527070B1 - 반도체성 탄소나노튜브를 이용한 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서 - Google Patents

반도체성 탄소나노튜브를 이용한 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 단계; 상기 반도체성 탄소나노튜브를 트랜지스터에 코팅하는 단계; 상기 반도체성 탄소나노튜브에 연결체가 결합하는 단계; 및 상기 연결체에 아밀로이드 베타 항체가 결합하는 단계를 포함하는 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 반도체성 탄소나노튜브를 이용한 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서가 제공되며, 본 발명의 진단 센서는 고감도이므로 알츠하이머병의 조기 진단이 가능하게 된다. 또한, 아밀로이드 베타 항체를 포함하는 반도체성 탄소나노튜브를 잉크 형태의 용액으로 제조함으로써 저온 공정이 가능하고 플라스틱 기판 위에 전자 소자를 제작할 수 있어 플렉서블 디스플레이(flexible display), 웨어러블 센서(wearable sensor) 등 관련 분야에 널리 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

Description

반도체성 탄소나노튜브를 이용한 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서 {MANUFACTURING METHOD OF SENSOR FOR DIAGNOSIS OF ALZHEIMER'S DISEASE USING SEMICONDUCTING CARBON NANOTUBES AND SENSOR MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서에 관한 것으로, 특히 공액고분자를 사용하여 분리한 반도체성 탄소나노튜브를 이용하여 아밀로이드 베타 단백질을 검지하는 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서에 관한 것이다.
알츠하이머병(Alzheimer's Disease)은 진행성 뇌 질환으로, 기억력, 언어력 및 시간과 공간을 인식하는 능력이 점차적으로 감소하여 결국 환자가 스스로 자신을 돌볼 수 없는 상태가 되는 질환이다. 알츠하이머병은 30대 내지 50대에서도 발병 가능하나 이는 전체 알츠하이머병 환자의 5% 정도 이하이고, 대부분의 환자들은 60대 이상이 되어서 발생된다. 하지만 나이가 들어감에 따라 알츠하이머병의 발생률이 높아지기 때문에, 알츠하이머병은 정상적인 노화와 달리 병적인 퇴행성 뇌신경 변화로 인해 발생하는 것으로 알려져 있다.
알츠하이머병은 치매 중 50 내지 70%를 차지하는 가장 흔한 형태로, 사회적으로도 많은 문제를 야기하게 되는데, 상당한 경제적 비용이 보존적 치료(Supportive care) 및 수용시설 입원을 위해 사용되게 된다. 사회에서 노인 인구의 비율이 급속하게 증가한다는 것은 알츠하이머병에 걸리는 환자 수가 급격하게 증가한다는 것을 의미하고, 이런 이유로 알츠하이머병의 예측 및 진단은 전 세계적으로 중요한 이슈가 되고 있다.
알츠하이머병의 발병 기전 및 원인은 명확하게 알려져 있지 않으나, 알츠하이머병에 걸리면 아밀로이드 베타(Amyloid beta, Aβ) 단백질이 과도하게 생성되며, 이로 인해 신경세포의 손상이 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 아밀로이드 베타를 알츠하이머병을 진단할 수 있는 바이오마커로 사용할 수 있다. 이와 관련하여, 한국등록특허 제10-0595494호는 알츠하이머병 환자 혈액 내 아밀로이드 베타 항체의 농도를 측정하는 방법 및 이를 이용한 알츠하이머병 진단키트를 개시하고 있다.
한편, 탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT)는 탄소 원자 6개가 육각형 모양으로 서로 연결되어 원기둥 모양의 구조를 이루는 탄소 동소체로 우수한 광학적, 전기적 특성 및 강한 기계적 물성을 보여 다양한 전자 소자의 재료로 사용되고 있다.
특히, 반도체 특성을 가진 반도체성 탄소나노튜브(semiconducting carbon nanotube)는 좁은 밴드 갭(band gap)과 높은 전기 전도도를 보인다. 기존에 탄소나노튜브를 이용한 아밀로이드 베타 검지 센서가 보고된 바가 있으나, 주로 CVD법(chemical vapor deposition, 화학기상증착법)으로 합성된 탄소나노튜브를 사용하여 많은 불순물이 섞여 있으며, 특히 금속성 탄소나노튜브가 다량 포함되므로 균일하고, 재현성 있는 감지 성능을 얻기가 어려웠다.
따라서, 고순도의 반도체성 탄소나노튜브를 진단 센서용 소재로 이용하기 위해서는 탄소나노튜브 원재료에서 반도체성 탄소나노튜브만을 분리하는 과정이 필수적이다. 또한, 센서 소자를 제작하기 위해서는 분리된 반도체성 탄소나노튜브를 용매에 분산하여 잉크 형태로 활용할 수 있어야 한다. 반도체성 탄소나노튜브 잉크의 제조가 가능하면 저온 공정이 가능하여 플라스틱 기판 위에 전자 소자를 제작할 수 있어 웨어러블 센서(wearable sensor)에 응용할 수 있으므로, 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 제조 방법에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 단계; 상기 반도체성 탄소나노튜브를 트랜지스터에 코팅하는 단계; 상기 반도체성 탄소나노튜브에 연결체가 결합하는 단계; 및 상기 연결체에 아밀로이드 베타 항체가 결합하는 단계를 포함하는 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 일 견지에 의하면, 상기 제조 방법에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서가 제공된다.
본 발명에 의하면, 반도체성 탄소나노튜브를 이용한 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서가 제공되며, 본 발명의 진단 센서는 고감도이므로 알츠하이머병의 조기 진단이 가능하게 된다. 또한, 아밀로이드 베타 항체를 포함하는 반도체성 탄소나노튜브를 잉크 형태의 용액으로 제조함으로써 저온 공정이 가능하고 플라스틱 기판 위에 전자 소자를 제작할 수 있어 플렉서블 디스플레이(flexible display), 웨어러블 센서(wearable sensor) 등 관련 분야에 널리 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 반도체성 탄소나노튜브를 사용하여 아밀로이드 베타 단백질의 검지가 가능하도록 제조하는 공정을 순서대로 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 (1)에 따라 공액고분자를 이용하여 반도체성 탄소나노튜브를 분리하는 방법의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 (1)에 따라 분리한 반도체성 탄소나노튜브의 흡광 스펙트럼을 UV-Vis-NIR 분광기를 사용하여 측정하고, 카이랄 인덱스를 표시한 것이다. 반도체성 탄소나노튜브는 950 내지 1200 nm의 흡광 파장을 갖는 것으로, 600 내지 800nm의 흡광 파장을 갖는 금속성 탄소나노튜브가 포함되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 실시예 (2)에 따라 전계 효과 트랜지스터에 반도체성 탄소나노튜브가 코팅되는 공정의 모식도를 나타낸 것이다. 이를 통해, 식각된 채널 부분에 반도체성 탄소나노튜브가 코팅된다.
도 5는 실시예 (4)에 따라 아밀로이드 베타 항체가 연결체와 아마이드 결합을 이루는 공정의 모식도를 나타낸 것이다. 이를 통해 아밀로이드 베타 항체가 탄소나노튜브 트랜지스터의 표면에 결합할 수 있다.
도 6은 아밀로이드 베타 항체가 결합된 반도체성 탄소나노튜브 트랜지스터에 아밀로이드 베타 단백질을 도입한 후 측정한 전류량 변화를 나타낸 것이다. 도 6a는 트랜지스터의 선형 영역에서의 전류 변화를 나타낸 것이고, 도 6b는 트랜지스터의 포화 영역에서의 전류 변화를 나타낸 것이다. 이를 통해 소스와 드레인 사이에 전압을 가할 경우 아밀로이드 베타 단백질의 도입 여부에 따라 전류 변화가 상이한 것을 확인할 수 있다. 또한, 트랜지스터의 게이트 전압에 의해 전류가 증폭되는 것을 확인할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 아밀로이드 베타 단백질을 검지하는 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서가 제공된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은, 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 단계; 상기 반도체성 탄소나노튜브를 트랜지스터에 코팅하는 단계; 상기 반도체성 탄소나노튜브에 연결체가 결합하는 단계; 및 상기 연결체에 아밀로이드 베타 항체가 결합하는 단계를 포함하는 알츠하이머병 진단 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 단계는, 금속성 탄소나노튜브 및 반도체성 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 원재료 및 공액고분자의 혼합액으로부터 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 것이다.
구체적으로, 본 발명의 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 단계는 금속성 탄소나노튜브 및 반도체성 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 원재료를 공액고분자를 포함하는 용매에 투입하여 혼합하는 혼합단계; 혼합된 용액을 원심분리기로 분리하여 상층액을 수득하는 분리단계; 및 상기 상층액으로부터 농축 또는 여과에 의해 공액고분자가 결합한 반도체성 탄소나노튜브만을 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 혼합단계는 용매 100 mL 당 탄소나노튜브 원재료 20 내지 100 mg 및 공액고분자 50 내지 200 mg를 혼합할 수 있다. 탄소나노튜브 원재료가 20 mg 미만인 경우 충분한 양의 탄소나노튜브를 수득할 수 없고, 100 mg 초과인 경우 비경제적이다. 공액고분자가 50 mg 미만인 경우 공액고분자와 탄소나노튜브가 충분히 결합하지 못해 수득율이 낮다는 문제가 있고, 200 mg 초과인 경우 소량의 금속성의 탄소나노튜브가 함께 분산되어 반도체성 탄소나노튜브의 순도가 낮아지는 문제가 있다.
상기 용매는 메틸사이클로헥세인(methyl cyclohexane), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene) 및 사이클로헥세인(cyclohexane)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 바람직하게는 메틸사이클로헥세인일 수 있다.
상기 공액고분자는 티오펜(thiophene) 단위체, 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole, DPP) 단위체, 나프탈렌 디이미드(naphthalene diimide, NDI) 단위체 및 플루오렌(fluorene) 단위체를 중합한 중합체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으나, 반도체성 탄소나노튜브 분리에 이용되는 공액 고분자라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 플루오렌 단위체를 중합한 것을 사용할 수 있다.
상기 플루오렌 단위체를 중합한 중합체로 플루오렌 주사슬(main chain)에 12개의 탄소 사슬이 가지(side chain)로 결합한 고분자인 PFDD(Poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl))를 사용할 수 있고, 또는 상기 고분자의 가지의 말단(end group)이 아자이드(azide, N- 3)로 치환된 PFDD-N3 를 사용할 수 있다.
상기 공액고분자는 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction)으로 탄소나노튜브를 감싸는 형태(wrapping)로 탄소나노튜브와 결합하게 되는데, 실험적으로 알려진 결과에 따라, 이 때 공액고분자는 반도체성 탄소나노튜브만 감쌀 수 있다.
상기 혼합단계는 초음파균질기(sonicator)를 이용하여 10 내지 50 kHz로, 바람직하게는 20 내지 40kHz로 수행할 수 있고, 처리 시간으로는 10 내지 150분, 바람직하게는 30 내지 120분간 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 탄소나노튜브 원재료 및 공액고분자가 충분히 혼합될 수 있는 방법이면 사용 가능하다.
또한, 상기 혼합단계는 1℃ 이상 20℃ 미만에서 혼합하는 것이 바람직하다. 1℃ 미만의 온도에서는 공액 고분자의 용해도가 떨어져 수득률이 낮아지는 문제가 있고, 20℃ 이상의 온도에서는 공액고분자가 금속성 탄소나노튜브에 결합하는 문제가 있다.
상기 분리단계는 혼합된 용액을 원심분리기로 분리하여 상층액을 수득하는 것일 수 있다. 상기 공액고분자가 감싸는 형태(wrapping)로 결합한 반도체성 탄소나노튜브는 공액고분자가 용매에 대해 갖는 용해도에 의해 용매에 분산이 가능하게 되나, 공액고분자가 결합하지 않은 금속성 탄소나노튜브는 용매에 대한 용해도가 낮아 침전하게 된다. 따라서, 침전된 금속성 탄소나노튜브를 분리할 수 있고, 수득한 상층액에는 공액고분자 및 공액고분자가 결합한 반도체성 탄소나노튜브가 포함될 수 있다. 상기 방법에 의해 고가의 장비 없이 공액고분자가 결합한 반도체성 탄소나노튜브를 분리할 수 있다.
상기 분리단계는 원심분리기를 사용하여 상대원심력(relative centrifugal force, RCF) 7,000 내지 100,000g, 바람직하게는 10,000 내지 90,000g에서 수행할 수 있고, 10 내지 180분, 바람직하게는 30 내지 60 분간 수행될 수 있다. 7,000g 미만에서 원심분리하는 경우 금속성 탄소나노튜브와 불순물이 완전히 가라앉지 않는 문제가 있고, 100,000g 초과에서 원심분리하는 경우 반도체성 탄소나노튜브의 수율이 줄어드는 문제가 있다. 또한, 10분 미만 수행하는 경우 금속성 탄소나노튜브와 불순물이 완전히 가라앉지 않는 문제가 있고, 180분 초과 수행하는 경우 반도체성 탄소나노튜브의 수율이 줄어드는 문제가 있다.
마지막으로, 상기 분리단계로부터 수득한 상층액으로부터 농축 또는 여과에 의해 탄소나노튜브와 직접적으로 결합하지 않은 공액고분자와 공액고분자가 결합한 탄소나노튜브를 분리하여 공액고분자가 결합한 반도체성 탄소나노튜브만을 수득할 수 있다.
상기 농축은 초고속 원심분리기를 사용하여 수행할 수 있고, 100,000g 이상에서 원심분리함으로써 공액고분자보다 비중이 높은 반도체성 탄소나노튜브를 가라앉게 하여 분리할 수 있다.
상기 여과는 여과지를 사용하여 수행할 수 있고, 구체적으로, 0.2μm의 기공을 갖는 여과지를 사용하여 수행할 수 있다. 탄소나노튜브는 대부분 크기가 0.2μm보다 크기 때문에 공액고분자는 여과지를 통과하나 탄소나노튜브는 통과하지 못한다. 상기 여과지는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 또는 MCE(Mixed cellulose Ester) 재질인 것을 사용할 수 있다.
이후 상기 농축 또는 여과를 통해 수득한 반도체성 탄소나노튜브를 용매에 재분산시켜 잉크 용액을 제조할 수 있고, 상기 잉크 용액은 트랜지스터 제조 시 사용할 수 있다.
상기 용매는 메틸사이클로헥세인(methyl cyclohexane), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene) 및 사이클로헥세인(cyclohexane), 클로로포름(chloroform), 디클로로벤젠 (dichlorobenzene)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으나, 공액 고분자를 용해시킬 수 있는 유기 용매면 제한 없이 사용할 수 있다.
나아가, 탄소나노튜브와 결합하지 않은, 즉 탄소나노튜브를 감싸지 않은 공액고분자는 반도체성 탄소나노튜브의 분리 공정에 재사용될 수 있다.
본 발명의 반도체성 탄소나노튜브는 950 내지 1200 nm의 흡광 파장을 갖는 것으로, 흡광 스펙트럼에서 600 내지 800 nm의 흡광 파장을 갖는 금속성 탄소나노튜브와 구분할 수 있다. 한편, 상기 반도체성 탄소나노튜브는 약 1 eV 이하의 밴드 갭(band gap)을 가질 수 있고, 광발광(photoluminescence) 특성을 갖는다.
본 발명에 의하면, 상기 반도체성 탄소나노튜브를 사용하여 저항기 혹은 트랜지스터를 제조할 수 있고, 상기 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)일 수 있다. 상기 저항기는 트랜지스터의 소스 및 드레인 전극에만 전압을 가한 것으로 저항기를 제조하여 사용함으로써 아밀로이드 베타 단백질을 검지할 수 있으나, 트랜지스터로 제조하여 사용하는 경우 게이트 전압을 통해 센서의 신호를 증폭시킬 수 있으므로, 작은 변화도 감지할 수 있어 고감도의 센서에 응용할 수 있다.
본 발명의 상기 반도체성 탄소나노튜브를 트랜지스터에 코팅하는 단계는 도핑된 실리콘 위에 이산화규소(SiO2)를 성장시킨 기판 상에 전극을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 테플론(Teflon)을 코팅한 뒤 채널 영역만을 식각하여 채널 영역을 패터닝하는 단계; 및 상기 패터닝된 채널 영역에 상기 반도체성 탄소나노튜브를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극을 형성하는 단계는, 도핑된 실리콘(Si) 위에 이산화규소(SiO2)를 성장시킨 기판 상에 소스, 드레인 전극 패턴의 마스크를 덮고 니켈(Ni) 및 금(Au)을 열증착하여 전극을 형성하는 것일 수 있다.
상기 채널 영역을 패터닝하는 단계는 전극이 형성된 기판 상에 테플론을 코팅한 후 채널 영역을 제외한 부분을 마스크로 덮고, 플라즈마를 이용하여 채널 영역만을 식각하여 수행하는 것일 수 있다. 상기 플라즈마는 산소 또는 아르곤 플라즈마일 수 있고, 바람직하게는 아르곤(Ar) 플라즈마일 수 있다.
또한, 상기 코팅하는 단계는, 공액고분자를 사용하여 분리하여 수득한 반도체성 탄소나노튜브를 톨루엔에 재분산시켜 제조한 상기 잉크 용액을 사용할 수 있고, 상기 채널 영역이 패터닝 된 기판을 상기 잉크 용액에 60분 간 침지시킨 후 스핀 코팅 또는 바 코팅을 수행함으로써 상기 트랜지스터의 채널 영역에 반도체성 탄소나노튜브를 코팅할 수 있다.
본 발명의 상기 반도체성 탄소나노튜브에 연결체를 결합하는 단계는 반도체성 탄소나노튜브와 연결체를 접촉시켜 반도체성 탄소나노튜브의 표면에 탄소나노튜브와 비공유 결합을 이루는 연결체를 도입하는 것으로, 예를 들어 연결체를 포함하는 용액에 반도체성 탄소나노튜브를 담그거나 또는 연결체를 포함하는 용액을 반도체성 탄소나노튜브 표면에 처리하는 등의 공정에 의해 수행될 수 있으며, 이때 상기 연결체는 파이-파이 쌓임(pi-pi stacking)을 통해 반도체성 탄소나노튜브 상에 비공유 결합을 이룰 수 있는 방향족 고리를 가진 물질을 사용할 수 있다. 상기 접촉은 1 내지 25℃, 예를 들어 4℃에서 1 내지 24시간, 예를 들어 10 내지 14시간 동안 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 연결체는 파이렌(Pyrene), 안트라센(Anthracene) 및 1-피렌부탄산 숙신이미딜 에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 바람직하게는 소수성 피레닐기가 탄소나노튜브 상에 파이-파이 쌓임(pi-pi stacking)으로 고정될 수 있는 1-피렌부탄산 숙신이미딜 에스터일 수 있다. 상기 연결체가 반도체성 탄소나노튜브와 비공유 결합함으로써 반도체성 탄소나노튜브의 고유한 전기적 물성을 유지할 수 있다.
본 발명의 상기 연결체에 아밀로이드 베타 항체를 결합하는 단계는 상기 반도체성 탄소나노튜브에 비공유 결합한 연결체의 반대쪽 말단(end group)에 존재하는 N-히드록시숙신이미드(N-Hydroxysuccinimide)기와 아밀로이드 베타 항체를 결합하는 단계로서, 연결체가 결합된 반도체성 탄소나노튜브와 아밀로이드 베타 항체를 접촉시켜 수행될 수 있으며, 예를 들어 생리식염수 등의 용매에 아밀로이드 베타 항체를 포함하는 용액에 연결체가 결합된 반도체성 탄소나노튜브를 담그거나 또는 상기 용액을 연결체가 결합된 반도체성 탄소나노튜브 표면에 처리하여, 아밀로이드 베타 항체 말단의 NH2기가 상기 연결체 말단의 N-히드록시숙신이미드기와 아마이드 결합(amide coupling)을 이룰 수 있다. 상기 접촉은 1 내지 25℃, 예를 들어 4℃에서 1 내지 24시간, 예를 들어 7 내지 11시간 동안 수행될 수 있다.
상기와 같이 제조된 알츠하이머병 진단 센서의 아밀로이드 베타 항체에 아밀로이드 베타 단백질이 결합하게 되면, 탄소나노튜브의 표면에서 전하 이동이 일어나 탄소나노튜브의 표면 전위가 변화하므로 트랜지스터의 전류량 감소가 일어나고, 이러한 변화를 측정함으로써 아밀로이드 베타 단백질을 검지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서를 제공한다.
상기 제조 방법에 있어서 금속성 탄소나노튜브 및 반도체성 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 원재료를 그대로 사용하는 경우, 트랜지스터가 작동하지 않거나, 제조된 진단 센서의 감지 성능이 일정하지 않을 수 있다. 구체적으로, 여러 개의 탄소나노튜브를 사용하여 탄소나노튜브 네트워크를 형성한 후, 상기 네트워크의 저항 변화를 측정함으로써 이를 센서로 사용할 수 있으나, 금속성 탄소나노튜브 및 반도체성 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 원재료를 사용하는 경우 네트워크를 구성하는 탄소나노튜브의 특성이 일정하지 않으므로 저항 변화의 기준값을 설정하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 반도체성 탄소나노튜브만을 분리하여 사용하는 본 발명의 진단 센서는 탄소나노튜브의 특성이 보다 일정하고 저항 변화를 효과적으로 측정할 수 있으므로 안정적인 감지 성능을 얻을 수 있다.
탄소나노튜브는 카이랄성에 따라 탄소나노튜브의 전기적 성질이 결정될 수 있고, 상기 카이랄성은 카이랄 인덱스로 표시하여 구분할 수 있다. 상기 카이랄 인덱스는 탄소나노튜브를 형성하기 위하여 그래핀이 둥글게 말리는 각도를 나타내는 두 개의 단위 벡터의 계수로 나타낼 수 있다. 상기 계수의 차이가 0 또는 3의 배수일 때 금속성 탄소나노튜브에 해당하고, 나머지의 경우 반도체성 탄소나노튜브에 해당한다.
나아가, 본 발명의 진단 센서에 포함되는 반도체성 탄소나노튜브는 지름이 증가할수록 밴드갭이 작아질 수 있다. 따라서, 지름이 1 nm 이상인 반도체성 탄소나노튜브로 진단 센서를 제작할 경우 저전력 구동과 같은 효과를 기대할 수 있어 경제적이다.
따라서, 본 발명에 의하면, 아밀로이드 베타를 검지하는 알츠하이머 진단 센서의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조된 진단 센서의 제공이 가능하게 되고 향후 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
(1) 반도체성 탄소나노튜브의 분리
메틸사이클로헥세인(methyl cyclohexane) 및 공액고분자 PFDD-N3 20 mg를 혼합하여 제조한 용액 20 mL에 금속성 탄소나노튜브 및 반도체성 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 원재료 5 mg를 첨가한 후 1℃의 물이 담긴 자켓 비커에 담아 초음파균질기(Sonics & Materials Inc.사의 VCX-130)를 이용하여 40 Hz의 초음파를 매 초 13 W의 세기로 60분 간 처리하여 혼합하였다.
이후 혼합된 용액을 원심분리기로 85,000g에서 60분 간 원심분리하여 상층액을 수득하였다.
수득한 상층액을 기공 크기가 0.2 μm인 MCE (Mixed Cellulose Ester) 재질의 여과지를 사용해 여과함으로써 탄소나노튜브와 결합하지 않은 공액고분자 PFDD-N3를 여과하여 제거하고, 여과지 위에 남아있는 PFDD-N3와 결합한 반도체성 탄소나노튜브만을 수득하였다. UV-Vis-NIR 분광기 (JASCO 사의 V-770)를 이용하여 수득한 반도체성 탄소나노튜브의 흡광 스펙트럼을 측정하여 도 3에 나타내었다.
(2) 반도체성 탄소나노튜브가 코팅된 트랜지스터의 제조
상기 (1)에서 수득한 반도체성 탄소나노튜브 미량을 톨루엔 용매에 분산시켜 반도체성 탄소나노튜브 잉크 용액을 제조한다. 도핑된 실리콘(Si) 상에 이산화규소(SiO2)가 100 nm 두께로 증착된 기판 위에 소스, 드레인 전극 패턴의 마스크를 씌우고 5 nm 두께의 니켈(Ni) 및 35 nm 두께의 금(Au)을 열증착하여 전극을 형성하였다. 전극이 형성된 기판 상에 테플론 용액 테플론(Teflon, 제품명 KEM-43)을 스핀 코팅한 후, 채널 영역이 드러난 마스크를 씌우고 아르곤(Ar) 플라즈마를 이용하여 채널 영역만 식각함으로써 채널 영역을 패터닝하였다. 바 코터를 이용하여 반도체성 탄소나노튜브 잉크를 상기 패터닝된 채널 영역에만 바 코팅하였다. 이를 통해 상기 트랜지스터의 표면에서 반도체성 탄소나노튜브가 활성층 역할을 할 수 있다.
(3) 반도체성 탄소나노튜브와 연결체의 결합
디메틸포름아미드(N,N-Dimethylformamide, DMF) 10 mL에 연결체로 1-피렌부탄산 숙신이미딜 에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)를 10 mM로 용해시켜 용액을 제조하였다. 상기 (2)에서 제조한 탄소나노튜브 트랜지스터를 상기 용액에 1시간 동안 담가두었다. 이후 디메틸포름아미드로 세척하여 미반응물을 제거하였다. 이를 통해 탄소나노튜브와 1-피렌부탄산 숙신이미딜 에스터가 비공유 결합을 형성할 수 있다.
(4) 연결체와 항체의 결합
아밀로이드 베타 항체를 100 μg/mL 농도로 녹인 인산완충생리식염수(Phosphate-buffered saline, PBS)를, 상기 (3)에서 제조한 탄소나노튜브 트랜지스터 위에 트랜지스터의 소자 표면을 덮을 정도로 점적하여 4℃에서 12시간 동안 보관하였다. 이후 계면활성제 Tween20이 0.5질량% 함유된 PBS로 탄소나노튜브 트랜지스터를 세척하여 미반응물을 제거하였다. 이를 통해 아밀로이드 베타 항체가 연결체와 아마이드 결합하여 탄소나노튜브 트랜지스터의 표면에 결합할 수 있다.
(5) 트랜지스터의 알부민 코팅
0.5 질량%의 소혈청알부민(Bovine serum albumin, BSA) 및 0.5 질량%의 Tween20을 포함하는 PBS를 상기 (4)에서 제조한 탄소나노튜브 트랜지스터 위에 트랜지스터의 소자 표면을 덮을 정도로 점적한 후 4℃에서 9시간 동안 보관하였다. 이후 Tween20이 0.5 질량% 함유된 PBS로 탄소나노튜브 트랜지스터를 세척하여 미반응물을 제거하였다. 이를 통해 탄소나노튜브 트랜지스터의 채널 영역에서 아밀로이드 베타 항체가 결합하지 않은 빈 공간을 알부민으로 코팅할 수 있다.
(6) 아밀로이드 베타 단백질 용액의 준비
1ml의 HFIP (1,1,1,3,3,3-haxafluoro-2-propanol)에 1 mg의 아밀로이드 베타(Aβ) 단백질을 녹인 후 상기 용액을 44 μL씩 소분하였다. 소분한 HFIP-Aβ 용액에 DMSO(Dimethyl Sulfoxide)를 첨가하여 4 mM의 농도가 되도록 하고, 다시 PBS를 첨가하여 200 μM의 농도의 아밀로이드 베타 단백질 용액을 제조하였다.
실험예
상기 (5)에서 제조한 아밀로이드 베타 항체가 결합된 반도체성 탄소나노튜브 트랜지스터 상에 (6)에서 제조한 아밀로이드 베타 단백질 용액을 트랜지스터의 소자 표면을 덮을 정도로 점적하고 4℃에서 2시간 동안 보관하였다. 이후 Tween20이 0.5 질량% 함유된 PBS 용액에 트랜지스터를 담근 후 10분 간 100rpm으로 교반하여 항체와 결합하지 않은 단백질을 제거하였다. 교반 후 트랜지스터를 질소 가스로 건조시켰다. 아밀로이드 베타 항체와 아밀로이드 베타 단백질이 결합한 전후의 전류량 변화는 반도체 특성 분석기 (Keithley 4200-SCS)를 사용하여 측정하였다.

Claims (14)

  1. 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 단계;
    상기 반도체성 탄소나노튜브를 트랜지스터에 코팅하는 단계;
    상기 반도체성 탄소나노튜브에 연결체를 결합하는 단계; 및
    상기 연결체에 아밀로이드 베타 항체를 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 반도체성 탄소나노튜브를 트랜지스터에 코팅하는 단계는
    도핑된 실리콘 위에 이산화규소(SiO2)를 성장시킨 기판 상에 전극을 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 테플론을 코팅한 뒤 채널 영역만을 식각하여 채널 영역을 패터닝하는 단계; 및
    상기 패터닝 된 채널 영역에 상기 반도체성 탄소나노튜브를 코팅하는 단계를 포함하며,
    상기 연결체에 아밀로이드 베타 항체를 결합하는 단계 후, 상기 채널 영역에서 아밀로이드 베타 항체가 결합하지 않은 빈 공간을 알부민으로 코팅하는 단계를 더 포함하는,
    알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체성 탄소나노튜브를 분리하여 수득하는 단계는
    금속성 탄소나노튜브 및 반도체성 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 원재료를 공액고분자를 포함하는 용매에 투입하여 혼합하는 혼합단계;
    혼합된 용액을 원심분리기로 분리하여 상층액을 수득하는 분리단계; 및
    상기 상층액으로부터 농축 또는 여과에 의해 공액고분자가 결합한 반도체성 탄소나노튜브만을 수득하는 단계를 포함하는,
    알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용매는 메틸사이클로헥세인(methyl cyclohexane), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene) 및 사이클로헥세인(cyclohexane)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공액고분자는 티오펜(thiophene) 단위체, 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole, DPP) 단위체, 나프탈렌 디이미드(naphthalene diimide, NDI) 및 플루오렌(fluorene) 단위체를 중합한 중합체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 공액고분자는 PFDD(Poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl)) 또는 PFDD-N3인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 혼합단계는 1℃ 이상 20℃ 미만에서 수행되는 것인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 분리단계는 원심분리기를 사용하여 상대원심력 7,000 내지 100,000g로 10 내지 180분간 수행되는 것인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연결체는 파이렌(Pyrene), 안트라센(Anthracene) 및 1-피렌부탄산 숙신이미딜 에스터(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체성 탄소나노튜브에 연결체를 결합하는 단계는 반도체성 탄소나노튜브와 연결체가 파이-파이 쌓임(pi-pi stacking)을 통해 비공유 결합하는 것인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연결체에 아밀로이드 베타 항체를 결합하는 단계는 연결체의 말단(end group)에 존재하는 N-히드록시숙신이미드(N-Hydroxysuccinimide)기와 아밀로이드 베타 항체의 NH2기가 아마이드 결합(amide coupling)하는 것인, 알츠하이머병 진단 센서의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제7항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 알츠하이머병 진단 센서로서,
    상기 반도체성 탄소나노튜브는 지름이 1nm 이상이고, 950 내지 1200 nm의 흡광 파장을 가지며, 밴드 갭(band gap)이 1 eV 이하인, 알츠하이머병 진단 센서.
  13. 삭제
  14. 삭제
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