KR20090018787A - 나노세공 입자 분석기, 제조 방법 및 용도 - Google Patents

나노세공 입자 분석기, 제조 방법 및 용도 Download PDF

Info

Publication number
KR20090018787A
KR20090018787A KR1020087027651A KR20087027651A KR20090018787A KR 20090018787 A KR20090018787 A KR 20090018787A KR 1020087027651 A KR1020087027651 A KR 1020087027651A KR 20087027651 A KR20087027651 A KR 20087027651A KR 20090018787 A KR20090018787 A KR 20090018787A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanopore
membrane
particles
electrode
opening
Prior art date
Application number
KR1020087027651A
Other languages
English (en)
Inventor
보 쟝
헨리 에스. 화이트
리안 제이. 화이트
에릭 엔. 어빈
Original Assignee
더 유니버시티 오브 유타 리서치 파운데이션
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 더 유니버시티 오브 유타 리서치 파운데이션 filed Critical 더 유니버시티 오브 유타 리서치 파운데이션
Publication of KR20090018787A publication Critical patent/KR20090018787A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48721—Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D11/00—Solvent extraction
    • B01D11/04—Solvent extraction of solutions which are liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/12—Coulter-counters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining

Abstract

나노세공 막 장치의 제조, 특징 및 적용예가 제공된다. 상기 나노세공 장치는 유리, 용융 실리카, 세라믹, 또는 석영으로 제조되는 얇은 막을 포함한다. 상기 막은 약 2㎚ 내지 500㎚의 하나 이상의 나노세공을 내포한다. 상기 나노세공은 날카롭게 가공된 금속 와이어를 이용하는 템플릿 방법으로 제작되며, 세공 오프닝의 크기는 전기 피드백 회로에 의해 제조 동안 제어될 수 있다. 상기 나노세공 장치는 400㎚ 이하의 반경을 갖는 나노입자의 수를 측정하고 상기 나노입자를 분석하기에 특히 유용하다.

Description

나노세공 입자 분석기, 제조 방법 및 용도{NANOPORE PARTICLE ANALYZER, METHOD OF PREPARATION AND USE THEREOF}
본 출원은 2007년 5월 2일자 US 출원 제11/743,536호로부터 우선권을 주장하고 있으며, 2007년 3월 23일자 US 가출원 제60/919,660호와 2006년 5월 5일자 US 가출원 제60/797,850호의 35 U.S.C §119(e) 하에서 우선권을 주장하며, 이 특허들은 본원에서 참조로서 인용된다.
본 발명은 미 국방성 고등연구계획국(Defense Advance Research Projects Agency)에 의해 수여된 계약 #FA9550-06-C-0060 하의 정부 지원으로 이뤄졌다. 본 발명은 또한 미 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 계약 CHE-0616505 하의 정부 지원에 의해 이뤄졌다. US 정부는 본 발명에 대한 권리를 가질 수 있다.
본 발명은 나노기술 분야에 관련되어 있다. 특히, 본 발명은 입자 수를 측정하고(counting), 분석하기 위한 유리 나노세공(nanopore) 장치에 관련되어 있다.
저항성 펄스 카운팅(resistive pulse counting)(즉 “electrozone sensing")을 기반으로 하는 입자 카운팅(particle counting)은 입자 분석의 일반적인 방법이 며, 시판되는 쿨터 카운터(Coulter Counter)를 기초로 한다. 1970년대에, DeBlois 외 다수는 나노미터 크기의 입자(반경 45㎚)의 방향으로, 플라스틱 막에 에칭되는 ㎛ 단위 이하의 원통형 세공의 첫 사용을 보고했다(DeBlois, R.W. 및 Bean, C.P. Rev.Sci.Instrum. 1970, 41, 909-916; DeBlois, R.W. 및 Wesley, R.K.A.J. Virol.1997, 23, 227-233; 그리고 DeBlois, R.W. 및 Bean, C.P.; Wesley, R.K.A.J. Colloid Interface Sci. 1977, 61,323-335). 더 최근에는, Crooks 그룹이 개별적인 다중벽 카본 나노튜브(직경 65㎚ 이하)를 내포하는, Si3N4, 또는 PDMS에 의해 지지되는 에폭시 막의 적용예를 보고했으며, 여러 다른 크기 및 표면 전하량을 갖는 입자가 동시에 분석되었다. (Sun, L.와 Crooks, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12340-12345; Ito, T., Sun, L. 및 Crooks, R. M. Anal. Chem. 2003, 75, 2399-2406; Ito, T., Sun, L. Bevan 및 M. A.; Crooks, R. M. Langmuir. 2004, 20, 6940-6945; Ito, T., Sun, L. 및 Crooks, R. M. Chem. Comm, 2003, 1482-1483; Henriquez, R. R., Ito, T., Sun, L. 및 Crooks, R. M. Analyst. 2004, 129, 478-482; 및 Ito, T., Sun, L., Henriquez, R. R. 및 Crooks, R. M. Ace. Chem. Res. 2004, 937-945). Sohn의 그룹은, 나노입자(43㎚의 직경, ~0.16pM)와 생물학적 분자의 수를 측정함에 있어서, 그리고 생물학적 상호작용의 감지에 있어서, 석영 기판/PDMS 막에서의 마이크로-조립된 나노세공/통로의 성공적인 적용을 보여줬다(Saleh, O. A. 및 Sohn, L. L. Rev. ScL Instrum. 2001, 72, 4449-4451; Saleh, O. A. 및 Sohn, L. L. Proc. Natl. Acad. ScL U.S.A. 2003, 100, 820-824; Saleh, O. A. 및 Sohn, L. L. Rev. ScL Instrum. 2002, 73, 4396-4398; Saleh, O. A. 및 Sohn, L. L. Nano Lett. 2003, 3, 37-38). 그 밖의 다른 기법, 가령, 동적 광 산란법(dynamic light scattering)(Russel, W. B., Saville, D. A. 및 Schowalter, W. R. Colloidal Dispersions, Cambridge University Press, New York, 1989)과 장 흐름 분획법(field-flow fractionation)(FFF), (Giddings, J. C. Unified Separation Science. John Wiley & Sons, Inc. 1991)이 나노입자의 분석에서 성공적으로 적용되었다. 단일 단백질 이온-통로(가령, α-헤몰리신)가 단일 분자 검출을 위한 감지하는 요소로서 사용되었다(Bezrukov, S. M. 및 Kasianowicz, J. J. EMr. Biophys. J. 1997, 26, 471-476; Kasianowicz, J. J., Brandin, E., Branton, D. 및 Deamer, D. W. Proc. Natl. Acad. ScL USA 1996, 93, 13770-13773; Meller, A., Nivon, L., Brandin, E., Golovchenko, J. 및 Branton, D. Proc. Natl. Acad. ScL USA 2000, 97, 1079-1084; Deamer, D. W. 및 Branton, D. Ace. Chem. Res. 2002, 35, 817-825; Bayley, H. 및 Cremer, P. S. Nature 2001, 413, 226-230; Howorka, S., Cheley, S. 및 Bayley, H. Nature Biotech. 2001, 19, 636-639).
시판되는 기구(가령, MULTISIZER™ 3 COULTER COUNTER, Beckman Coulter, Inc.)에 의해 반경 200㎚보다 큰 입자의 검출이 가능하다. 그러나 기본 및 응용 연구 영역에서 더 작은 나노입자(가령, 100㎚ 이하)에의 적용은 입자 크기와 농도의 용이하고 정확한 검출을 가능하게 하는 새로운 분석 기법을 필요로 한다.
나노세공 장치(nanopore device)가 제공된다. 상기 장치는 두께를 갖고, 제 1 측부와 제 2 측부를 갖는 막(membrane)(이때, 상기 제 1 측부는 상기 제 2 측부의 반대편에 위치한다)과, 상기 막을 통과하여 뻗어 있어서 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부를 연결하는 하나 이상의 통로를 형성하는 나노세공(nanopore)(이때, 상기 나노세공은 상기 막의 제 1 측부로 개방되는 제 1 오프닝과, 상기 막의 제 2 측부로 개방되는 제 2 오프닝을 가지며, 상기 나노세공의 상기 제 1 오프닝의 반경은 2㎚ 내지 500㎚이다)과, 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 사이에 전기장을 적용하기 위한 수단과, 상기 나노세공을 통과하는 전류 흐름, 또는 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 간의 저항, 또는 상기 전류 흐름과 상기 저항 모두를 모니터링하기 위한 수단과, 관찰된 전류, 또는 저항, 또는 전류와 저항 모두를 처리하여 출력을 생성하기 위한 수단을 포함한다. 나노세공 장치의 다양한 실시예는, 예를 들어, 데이터 획득과 분석을 지원하는 요소를 제공하는 더 큰 장치 구조로 통합될 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 막은 유리, Si, SiO2, Si3N4, 석영, 알루미나, 니트라이드, 금속, 폴리머, 또는 그 밖의 다른 적합한 물질로 구성될 수 있다. 상기 막은 순수 물질, 또는 복합물로 구성될 수 있으며, 또는 필요한 경우, 물질의 표면을 수정하는 코팅을 포함할 수 있다. 상기 막의 두께는 막의 가장 작은 크기인 것이 통상적이다. 막은 약 10㎛ 내지 수백 마이크로미터의 두께를 갖는다.
상기 장치는 챔버를 더 포함할 수 있는데, 여기서 상기 막은 일체형으로 구성된 부분, 예를 들어, 챔버의 바닥, 또는 측벽이다. 특정 실시예에서, 단일 나노세공은 유리 모세관의 바닥 측에 위치하는 얇은 유리 막으로 제조된다.
상기 막은 둘 이상의 나노세공, 또는 나노세공의 어레이를 포함하도록 구성될 수 있다. 각각의 개별적인 나노세공은 개별적인 챔버 내에 포함될 수 있으며, 이러한 개별적인 챔버는 적합한 지원 구조에 따르는 어레이 포맷으로 배열될 수 있다.
다양한 실시예에서, 나노세공은 제 1 오프닝과 제 2 오프닝을 갖는다. 상기 제 1 오프닝은 막의 제 1 측부로 개방되고, 상기 제 2 오프닝은 막의 제 2 측부로 개방된다. 2개의 오프닝은 서로 다른 크기, 또는 형태를 가질 수 있다. 바람직하게는, 제 1 오프닝이 제 2 오프닝보다 더 작다. 특히, 나노세공은 끝이 잘린 원뿔형태를 갖고, 이때, 제 1 오프닝은 제 2 오프닝보다 더 작다. 나노세공의 제 1 오프닝의 반경은 약2㎚ 내지 약500㎚, 또는 그 이상의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 제 2 오프닝의 반경은 약5㎛ 내지 25㎛일 수 있다. 나노세공이 막을 통해 뻗어 있고, 막의 제 1 측부와 제 2 측부를 연결하기 때문에, 막의 두께가 막에 걸쳐 균일할 경우, 막의 두께는 나노세공의 길이, 즉 깊이인 것이 통상적이다. 나노세공의 길이는 나노세공의 제 1 오프닝의 반경의 20배인 것이 바람직하다. 나노세공의 길이는 약 20㎛ 내지 약 75㎛의 범위를 가질 수 있다. 나노세공의 위치는 막 상의 임의의 지정된 위치에 위치될 수 있다.
전기장을 적용시키기 위한 수단은 상기 막의 제 1 측부 상에 위치되는 제 1 전극과, 상기 막의 제 2 측부 상에 위치되는 제 2 전극을 포함하는 것이 통상적이다. 상기 제 1 전극과 제 2 전극은 임의의 적합한 물질, 예를 들어, Ag/AgCl로 구성될 수 있다. 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 막의 서로 반대 측부 상에 위치되는 것이 일반적이다. 그러나 상기 제 1 및 제 2 전극을 위치하는 것이 상기 막의 제 1 및 제 2 측부에 관련하여 이뤄진다고 이해되어진다. 예를 들어, 막의 제 2 측부가 챔버에 내장되고, 막의 제 1 측부가 상기 챔버의 외부에 존재하는 경우, 상기 제 1 전극은 챔버 외부에 위치하는 반면에, 상기 제 2 전극은 챔버의 내부에 위치한다.
나노세공 장치(nanopore device)를 형성하기 위한 방법이 추가로 제공된다. 상기 방법은 두께를 가지며 제 1 측부 및 제 2 측부를 갖는 막(membrane)을 제공하는 단계(이때, 상기 제 1 측부는 상기 제 2 측부의 반대편에 위치한다)와, 상기 막을 통해 상기 막의 두께만큼 뻗어 있어서, 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부를 연결하는 하나 이상의 통로를 형성하는 하나 이상의 나노세공을 제공하는 단계(이때, 상기 나노세공은 상기 막의 제 1 측부로 개방된 제 1 오프닝과 상기 막의 제 2 측부로 개방된 제 2 오프닝을 포함하며, 상기 나노세공의 제 1 오프닝은 2㎚ 내지 500㎚의 범위를 갖는다)와, 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 사이에 전기장을 적용하기 위한 수단을 제공하는 단계와, 상기 나노세공을 통과하는 전류 흐름, 또는 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 간의 저항을 모니터링하기 위한 수단을 제공하는 단계와, 관찰된 전류, 또는 저항을 처리하기 위한 수단을 제공하는 단계를 포함한다.
특정 실시예에서, 본 발명은 나노세공 입자 분석기를 제공한다. 상기 나노세공 입자 분석기는 챔버(여기서 막이 상기 챔버와 일체형으로 구성되는 부분이다)와, 막을 통해 막의 두께만큼 뻗어 있는 나노세공과, 상기 챔버의 외부에 위치하는 제 1 전극과, 상기 챔버의 내부에 위치하는 제 2 전극과, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전기장을 적용하는 수단과, 상기 나노세공을 통과하는 전류 흐름, 또는 막의 제 1 측부와 제 2 측부 간의 저항을 모니터링하기 위한 수단과, 유용한 출력을 생성하기 위해 관찰된 전류 및 저항을 처리하기 위한 처리 수단을 포함한다. 특히, 상기 챔버는 유리 막을 상기 챔버의 바닥으로서 포함하는 유리 챔버일 수 있다.
상기 나노세공은 제 1 오프닝과 제 2 오프닝을 갖는다. 상기 나노세공은 제 1 오프닝이 제 2 오프닝보다 작은 원뿔형태를 갖는 것이 바람직하다. 제 1 오프닝은 챔버의 외부를 향하고, 제 2 오프닝은 챔버의 내부를 향한다. 나노세공의 제 1 오프닝은 약2㎚ 내지 약500㎚의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 챔버는 적정 전해질 용액, 예를 들면, KCl, NaCl, PBS(phosphate buffered saline), 그 밖의 다른 임의의 적합한 염 용액을 함유할 수 있고, 이때, 제 2 오프닝은 전해질 용액에 침적되고, 제 2 전극의 적정 부분이 상기 전해질 용액에 침적된다.
본원에서, 입자의 수를 측정하고 상기 입자를 분석하기 위한 방법이 더 제공되며, 상기 방법은 분석될 입자를 함유하는 샘플 용액을 제공하는 단계와, 본원발명의 청구범위 제 8 항에 따르는 나노세공 장치와 상기 샘플 용액을 접촉시켜서, 상기 나노세공의 제 1 오프닝이 상기 샘플 용액에 침적되게 하고, 상기 제 1 전극의 일부분이 상기 샘플 용액에 침적되게 하는 단계와, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 적정 전압을 가하여, 상기 샘플 용액에서의 입자가 상기 나노세공을 가로질러 통과하도록 이동되게 하는 단계와, 전기 저항의, 또는 나노세공의 전기 전도도의, 또는 둘 모두의 순간적인 변화(transient change)를 모니터링하는 단계와, 상기 순간적인 변화를 분석하여, 입자의 농도, 크기, 형태, 전기 전하량 중 하나 이상을 획득하는 단계를 포함한다. DC, 또는 AC 전압이 전기장 적용 수단을 통해 가해질 수 있다. 통상적으로 DC 전압은 약 10 내지 약 500㎷의 범위를 갖는다. 통상적으로 AC 전압은 약 2 내지 25㎷rms의 범위를 갖는다. 이 방법은 다양한 입자, 가령, 세포, 박테리아, 바이러스, 폴리머 입자, 이온 및 분자를 분석하기 위해 사용될 수 있다. 상기 입자 분석기는 약 2㎚ 내지 약 500㎚의 입자의 측정을 가능하게 한다.
도 1은 얇은 유리 막에서의 원뿔형태의 나노세공의 측면도이다.
도 2A 및 2B는 나노세공 입자 분석기를 도시한다.
도 3은 (A): 10mM의 Ru(NH3)6Cl3과 0.1M의 KCl을 함유하는 H2O에서의 반경 62㎚의 Pt 디스크 전극의 볼타메트리 반응과, (B): 0.5M의 KCl 및 0.1M의 KCl에서의 대응하는 나노세공 막(Pt 제거된)의 i-V 반응을 도시한다.
도 4는 반경 45㎚의 음으로 대전된 폴리스티렌 입자의 검출을 도시한다. 도 4(A)는 Vapp = -0.3V에서 10mM의 PBS 완충용액(pH = 7.4)을 갖는 0.1M의 KCl에서의 반경 62㎚의 유리 나노세공의 전류-시간 기록을 나타낸다. 도 4(B)는 Vapp = -0.3V에서, 2.4 x 109/㎖의 입자의 경우의, 도 4(A)에서와 동일한 유리 나노세공의 전류-시간을 도시한다. 도 4(C)는 2.4 x 109/㎖개의 입자의 경우의, 동일한 유리 나노세 공의 전류-시간 기록이다.
도 5는 서로 다른 농도(도 5(A): 2.4 x 1011/㎖, 도 5(B): 2.4 x 1010/㎖, 도 5(C): 2.4 x 109/㎖, 도 5(D): 2.4 x 108/㎖)의 반경 45㎚의 입자가 존재할 때, 10mM의 PBS 완충용액(pH = 7.4)을 사용한 0.1M의 KCl에서의 반경 62㎚의 유리 나노세공의 전류-시간 기록을 보여준다. 도 5(E)는 입자 농도의 함수로서의 속도의 로그 그래프를 보여준다.
도 6은 가해진 전압의 함수로서의 반경 45㎚의 입자의 이동 속도를 도시한다.
도 7은 반경 30㎚의 양으로 대전된 폴리스티렌 입자의 검출을 나타내는 그래프이다. 도 7(A)은 Vapp = 0.2V에서, 10mM의 PBS 완충용액(pH = 7.4)을 사용한 0.5M의 KCl에서의 반경 64㎚의 유리 나노세공의 I-V 기록을 도시한다. 도 7(B)은 Vapp = 0.3V에서, 8 x 1011/㎖의 입자가 존재할 때, 도 7(A)에서의 것과 동일한 유리 나노세공의 전류-시간 기록을 도시한다.
도 8(A)는 8 x 1011/㎖ 입자가 존재할 때, 10mM의 PBS 버퍼(pH = 7.4)를 사용한 0.5M의 KCl에서의 반경 64㎚의 유리 나노세공의 i-t 기록을 도시한다. -0.3의 전압이 시작 부분에서 가해지고, 그 후 ~2초 동안 +0.3V로 변경되고, 그 후, 다시 -0.3V로 변경된다. 도 8(B), (C) 및 (D)는 (A)의 것과 동일한 그래프이지만, (B)는 최초 부분을, (D)는 중간 부분을, (C)는 마지막 부분만을 나타낸다.
도 9(A)는 벌크 용액으로부터 유리 모세관으로의 입자 전위에 대응하는 도 8(C)로부터의 통상의 전류 펄스를 도시하고, 입자 운동의 방향을 보여주는 카툰을 도시한다. 도 9(B)는 벌크 용액으로부터 유리 모세관으로의 입자 전위에 대응하는 도 8(D)로부터의 통상의 전류 펄스를 도시하고, 입자 운동의 방향을 보여주는 카툰을 도시한다.
도 10은 시뮬레이션에서 사용되는 나노세공 막과 전기화학적 셀의 기하학적 형태를 나타낸다.
도 11은 유리 나노세공 막과 세공 입구에서의 나노입자의 상대적 크기에 대한 개략도이다. 점선으로 표시된 원은 입자가 세공을 통과하여 이동할 수 있는 영역을 나타내며, 상기 영역은 r1-rp의 반경을 갖는다.
도 12는 Vapp = 300㎷에서, 나노입자가 존재하지 않을 때, 전기화학적 전기의 전기장의 시뮬레이트된 분포를 도시한다.
도 13은 가해진 전압과 입자 전하량의 함수로서 계산된 입자 이동 속도를 나타내는 그래프이다.
도 14(A)는 시뮬레이트된 전류 펄스를 나타내고, 도 14(B)는 도 8의 실험에서 기록된 통상의 전류 펄스를 나타낸다.
도 15는 나노입자의 검출이 포와송 분포를 따름을 보여주는 그래프이다. 도 15(A)는 10㎳ 카운팅 시간 간격을 갖는, 양으로 대전된 반경 30㎚의 입자의 이동을 보여주며, 도 15(B)는 100㎳ 카운팅 시간 간격을 갖는, 양으로 대전된 반경 45㎚의 입자의 이동을 보여준다.
도 1은 얇은 유리 막에 위치하는 원뿔 형태의 나노세공(nanopore)의 단면도이다. 도 1에서, 나노세공 장치(100)는 유리 모세관(glass capillary, 110)과 나노세공(nanopore, 120)을 포함한다. 유리 막(130)은 유리 모세관(110)과 일체형으로 구성되는 부분이다. 유리 막(130)은 제 1 측부(140)와 제 2 측부(150)를 갖는다. 나노세공(120)은 유리 막(130)을 통과하여 뻗어 있어서 유리 막(130)의 상기 제 1 측부와 상기 제 2 측부를 연결하는 통로(channel)를 형성한다. 나노세공(120)은 유리 막(130)의 제 1 측부를 향하는 제 1 오프닝(160)과, 유리 막(130)의 제 2 측부를 향하는 제 2 오프닝(170)을 갖는다. 제 1 오프닝(160)은 제 2 오프닝(170)보다 더 작다. 통상적으로, 제 1 오프닝(160)은 2㎚ 내지 500㎚이며, 제 2 오프닝은 5㎛ 내지 25㎛이다. 이 경우에서는 나노세공의 길이이기도 한 유리 막(130)의 두께는 20 내지 75㎛이다.
나노세공은 다양한 적합한 형태로 만들어질 수 있지만, 원뿔형 나노세공이 선호된다. 2가지 이점이 원뿔형태 세공과 관련된다. 첫째, 원통형 세공에 비해 원뿔형태의 세공을 이용하여, 세공 입구에 저항을 국한시키는 것을 희생하지 않고, 더 높은 이온 전도도가 얻어질 수 있다(Li, N; Yu, S.; Harrell, C. C.; Martin, C. R. Anal. Chem. 2004, 76, 2025). 둘째, 원뿔형태의 세공에서의 분자의 정상 상태 플럭스(또는 이온 전도도)가, 작은 오프닝의 입구 반경의 20배 이상의 길이를 갖는 세공깊이(pore depth)에 독립적이다(Zhang, B., Zhang, Y. 및 White, H. S. Anal. Chem. 2006, 78, 477; Zhang, Y., Zhang, B. 및 White, H. S. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 1768). 잠재적으로, 이 특성은 재생가능한 동작을 보여주는 나노세공을 제조함에 있어서, 매우 중요하다.
도 2는 나노세공 입자 분석기(nanopore particle analyzer)의 개념도이다. 유리 나노세공 장치(510)는 유리 챔버(glass chamber, 560), 전극(540) 및 전극(550)을 포함한다. 유리 막(glass membrane, 580)은 유리 챔버(560)와 일체형으로 구성되는 부분이다. 나노세공(570)이 상기 유리 막(580)에 포함된다. 챔버(560)는 전해질 용액(590)을 내포한다. 장치(510)는 분석대상인 입자(530)를 포함하는 샘플(520) 내에 위치된다. 나노세공(570)은 원뿔형을 가지며, 이때, 나노세공의 더 작은 오프닝이 샘플(520)에 접촉한다. 나노세공(570)의 더 작은 오프닝은 2㎚ 내지 500㎚의 범위를 갖는다. 전극(540)은 유리 챔버(560)의 내부에 위치되고, 전극(540)의 적정 부분이 용액(590)에 침적된다. 전극(550)이 샘플(520) 내에 위치되고, 전극(550)의 적정 부분이 샘플(520)에 침적된다. 전극(540)과 전극(550) 간에 전압이 가해져서, 이온 전류가 나노세공(570)을 통과하도록 구동될 수 있다. 나노세공(570)의 전기 저항, 또는 전기 전도도의 순간적 변화(transient change)를 측정함으로써, 나노세공(570)을 통과하는 입자가 쉽게 검출된다. 입자가 나노세공을 통과할 때, 전류의 짧고 순간적인 감소가 관찰된다. 저항 펄스(resistive pulse)의 주파수는 입자 농도(particle concentration)에 비례하며, 펄스의 크기 및 형태가 나노입자의 형태 및 크기를 제공한다. 펄스의 형태 및 지속시간(duration)은 입자의 형태, 크기 및/또는 전하량을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 펄스의 주파수는 또한 입자의 농도를 나타낼 수 있다. 이 방법은 입자의 농도, 형태, 크기 및 전기 전하량을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
상기 나노세공 입자 분석기는 5 내지 100㎚의 입자를 분석하기에 이상적이지만, 5㎚보다 작은 입자, 또는 100㎚보다 큰 입자의 측정을 위해서도 사용될 수 있다. 다양한 입자, 예를 들어, 세포, 박테리아, 바이러스, 폴리머 입자(polymeric particle), 이온, 분자 및 저분자, 펩타이드, 또는 고분자 약물의 제형(formulating) 및 전달(delivery)을 위해 사용되는 나노입자를 측정할 수 있다. 나노세공 입자 분석기는 또한 수질 분석(environmental water analysis)에서 사용될 수 있고, 국토안보와 군사 적용예에서 센서로서 사용될 수 있다. 본 발명의 이용은 나노입자를 기반으로 하는 새로운 기술의 폭발적인 성장에 의해, 그리고 환경 모니터링의 새로운 규정에 의해해 이뤄질 것이다.
본 발명은 다음의 설명적 예시를 이용하여 추가로 설명된다.
나노세공 막의 제조( Fabrication of Nanopore membrane )
나노세공 막은 다음의 절차에 의해 제작될 수 있다. (1) 템플릿, 바람직하게는 원자 단위의 날카로운 침(atomically sharp tip)이 구비된 신호 전달 요소(signal transduction element)가 제작된다. (2) 상기 템플릿의 침은 기판에 꽂힌다. (3) 기판이 연마되어 상기 템플릿의 침이 노출된다. (4) 템플릿의 노출된 부분이 에칭되어, 기판에 나노세공이 생성될 수 있다. (5) 템플릿이 기판으로부터 제거되어, 기판에 나노세공이 남겨진다. 유리 나노세공의 일부 제조 방법은 Zhang, Anal Chem., 2004, Zhang, Anal, Chem., 2006; Zhang, JPC, 2006, Wang, JACS 2006, R.J. White 외 다수, Langmuir, 22, 10777(2006)에서 기재되어 있다. 유리 나노세공 막의 제조의 예가 다음에서 제공된다.
Ag 전도성 에폭시(DuPont)를 이용하여, 25㎛ 직경의 Pt 와이어(Alfa-Aesar, 99.95%)의 1㎝ 길이 조각이 W 막대에 전기적으로 접촉된다. 금속 와이어의 종단은 원자 단위의 날카로운 점(atomically sharp point)으로 전기화학적으로 에칭되고, 그 후, H2 화염을 이용하여(Dagan Corp., SB16, 1.65㎜ o.d., 0.75㎜ I.d., 연화점 = 700℃), 침의 20-70㎛ 부분이 소다-라임 유리 모세관 내부에서 밀봉되고, 화염의 중간 부분을 이용하여, 유리 모세관은 Pt 침부터 종단으로부터 10㎜떨어진 지점까지 용융된다. 그 후, 물리적인 접촉 없이, 상기 침은 용융된 종단에 근접하도록 삽입된다. 그 후, 화염의 더 낮은 부분을 이용하여, 상기 유리가 다시 가열된다. 유리 모세관의 용융된 부분에서 밝고 평평한 표면이 발견될 수 있으며, 그 후 상기 표면은 Pt 침의 밀봉을 결정하기 위해 사용된다. Pt 침을 평평한 유리 표면으로 삽입하는 것은 작은 반점의 출현으로서 쉽게 알아챌 수 있다. 그 후, 전극이 화염의 외부로 즉시 이동되어, 실온에서 냉각된다. 그 후, 상기 전극은 나노미터 크기의 Pt 디스크가 노출될 때까지 연마된다. 유리 나노세공을 만들기 위해, AC 전압(~3V)을 이용하여, CaCl2 용액에서 Pt가 전기화학적으로 에칭된다.
원뿔형태의 유리 나노세공의 기하학적 형태는, 작은 오프닝의 반경(α)과 큰 오프닝의 반경(r)과, 반원추각(θ)과, 세공의 길이(L)의 4개의 매개변수 중 임의의 3개를 이용하여, 완전하게 기술될 수 있다.
작은 세공 오프닝의 크기는 2가지 방법에 의해 결정될 수 있다: 수식
id = 4nFDCba (1)
을 이용하여, Pt가 에칭되기 전에, 산화환원종(redox species)의 정상 상태 제한 전류에 의해 측정될 수 있는데, 이때, n은 분자 당 이동되는 전자의 개수이고, F는 패러데이 상수이며, D와 Cb는 각각 확산 계수와 산화환원 분자의 벌크 농도이다. 또한 작은 세공 오프닝의 크기는, Pt를 제거한 후 기하학적 형태가 변하지 않는다고 가정하고, 원뿔형태의 세공의 전기 저항(R)으로부터 계산되어질 수 있으며, 수식
Figure 112008078104585-PCT00001
(2)
을 이용하는데, 이때, k는 KCL 용액의 전도도(0.5몰의 KCL에 대하여 ~5.5S/m)다. 각(θ)은 광학 현미경을 이용하여 측정될 수 있고, 보통 NaCN에서 에칭될 때, 7 내지 12도이다.
예를 들어, 도 3(A)는 0.1M의 KCl을 함유하는 10mM의 Ru(NH3)6Cl3에서의 반경 62㎚의 Pt 디스크 전극의 볼타메트리 반응을 도시한다. Pt의 반경은 수식 1을 이용하여, 정상 상태 제한 전류로부터 계산되어진다. 도 3(B)는 10mM의 완충용액(pH = 7.4)과 0.1%의 트리톤 X-100을 함유하는 KCl 용액에서의 동일한 전극으로부터 만들어지는 유리 나노세공 막의 i-v 반응을 도시한다. i-v 반응은 0.5M의 KCl에서는 선 형(linear)이고, 반면에, 0.1M의 KCl을 함유하는 용액에서는 비-선형성을 나타낸다. 원뿔형태의 세공의 비대칭성과 유리 벽 상의 표면 전하로 인해, 전류 정류 효과(current rectifying effect)가 존재할 것이라고 여겨진다. 0.5M의 KCl에서 D.C. 저항은 ~7.5MΩ로 측정되고, 이 값은 ~8도의 측정된 반원추각을 기초로 하여 61㎚의 세공 반경을 산출하는데, 이는 전기화학적 측정치에 의한, 수식 1을 이용한 값과 바람직하게 일치한다.
도 2는 유리 나노세공 막을 이용하여 나노입자를 검출하기 위한 실험 설정값을 보여준다: 개별적인 원뿔형태의 세공을 포함하는 유리 모세관이 pH = 7.4의 10mM의 PBS로 완충된 0.1M의 KCl을 내포하는 셀 내에 위치된다. 정수압 변화(hydrostatic press gradient)를 피하기 위해, 자가제작된 마이크로피펫(micropipette)을 이용하여 상기와 동일한 용액이 유리 모세관으로 동일한 높이까지 주사된다. 2개의 Ag/AgCl 전극이 각각의 용액에 위치되어, 막을 가로지르도록 전류를 구동할 수 있다.
CHEM-CLAMP(CORNERSTONE 시리즈) 볼타미터-암페로미터(voltammeter-amperometer), 또는 그 밖의 다른 적정한 전기적 기구가 사용되어, 유리 모세관의 내부와 외부간의 전압 차이를 적용하고 최종 전류를 측정할 수 있다. 데이터는 National Instruments PCI-6251 Multifunction I/O & Ni-DAQ 카드(National Instruments)를 이용하여 디지털화되고, 100㎑의 샘플링 주파수에서 LabVIEW 6.0(National Instruments)으로 써진 인-하우스 가상 계측을 이용하여 기록되었다. 3-극 Bessel 로우-패스 필터가 10㎑의 컷-오프 주파수(cut-off frequency)에서 적 용되었다. 모세관 외부의 전극 대 내부 전극 간의 전압이 형성된다.
예를 들어, 앞서 언급된 유리 나노세공 막이 사용되어, 음으로 대전된 45㎚반경 폴리스티렌(PS) 입자를 검출할 수 있다(~42,000 -COOH 그룹). 도 4(A)는 폴리에스티렌 입자를 추가하기 전에, pH = 7.4로 완충된, 0.1%의 Triton X-100을 함유하는 0.1M의 KCl 용액에서, Vapp = -300㎷에서의 유리 나노세공의 i-t 자취를 보여준다. 정전류(~16.6㎁)가 관찰된다. 도 4(B)는 PS 입자(2.4x109/㎖)가 존재할 때, 상기와 동일한 KCl 용액에서의 상기와 동일한 유리 나노세공의 전류-시간 반응을 도시한다. 유리 나노세공을 통과하는 개별 나노입자의 전위(translocation)에 따르는 전류 펄스가 관찰된다. 통상의 확대된 전류 펄스가 삽입도에서와 같이 나타난다. 제어 실험에서처럼, 도 4(C)는 양의 전압이 가해질 때(Vapp = +300㎷, 그 밖의 다른 실험 조건은 도 3b와 동일함)의 i-t 기록을 나타낸다. 음으로 대전된 입자는 세공 입구로부터 밀려나기 때문에, 어떠한 신호도 관찰되지 않는다. 비대칭 나노세공의 정류 효과 때문에(도 3B), 전류 크기(~34.8㎁)는 도 4(B)에서의 것보다 훨씬 더 크다.
원통형 세공을 이용하여 얻어지는 통상의 사각파 전류 펄스와 달리, 유리 나노세공을 이용하여 얻어지는 전류 펄스는, 유리 나노세공의 원뿔형태로 인한 의사 삼각 파형(quasi triangle wave shape)을 갖는다. 이전에 보고된 바와 같이(Zhang, B.; Zhang, Y.; White, H. S. Anal . Chem . 2004, 76, 6229-6238. Zhang, B.; Zhang, Y.; White, H. S. Anal . Chem . 2006, 78, 477-483), 원뿔형태의 나노세공 내부에서의 물질 이동 저항(mass-transfer resistance)은 작은 세공 입구로 국한된다. 따라서 저항 변화(증가)는 나노입자가 세공 입구의 가장 근접한 곳에 위치할 때 가장 크다. 입자가 세공 입구를 통과할 때 전류의 최대 감소가 예기된다. 반대로, 원통형 세공의 저항의 변화는, 입자가 세공의 길이를 따라 이동함에 따라, 거의 일정할 것이다(DeBlois, R. W.; Bean, C.P. Rev. Sci . Instrum. 1970, 41, 909-916 ). 따라서 전류의 감소는, 입자가 전위함에 따라, 일정하게 유지되며, 이는 i-t 반응에서 사각파 펄스에 대응한다.
이러한 조건(300㎷ 바이어스 전압, 반경 45㎚의 입자)에서 원뿔형태의 세공 내의 평균 펄스 폭은 ~80㎲이며, 이는 유사한 조건 하에서 원통형 나노세공 시스템을 이용하여 측정된 펄스 폭보다 1-2배 작은 크기이다. 이는 펄스 신호의 분해능을 크게 증가시키고, 따라서 더 낮은 검출 한계를 제공할 수 있다. 더 짧은 펄스 폭에 기여할 수 있는 2가지 이유가 있다. 첫째는, 원뿔형 세공을 이용할 때, 앞서 설명된 바와 같이, “감지 구역(sensing zone)”의 길이가 크게 짧아진다. 다시 말하자면, 또한 “감지 구역”이 (원통형 기하학적 형태의 경우에서 세공의 전체 길이에 걸쳐 있는 것 대신) 작은 입구로 국한된다는 것이다. 둘째, “감지 구역”을 통과하는 입자의 속도는 동일한 직경과 동일한 길이를 갖는 원통형 세공에서보다, 원뿔형 세공에서 더 높을 가능성이 높다. 수치 시뮬레이션에 따르면, 나노세공 막에 걸친 전압 강하가 (“감지 구역“에서) 원뿔형 세공의 세공입구 근방으로 국한되며, 상기 세공입구 근방에서는 전기장이 세공 내부의 그 밖의 다른 임의의 지역에서보다 훨씬 더 높음이 나타난다. 원통형 세공에 있어서, 동일한 전압 강하가 훨씬 더 넓은 “감지 구역”에서 분포된다. 따라서 또한 전기장은 원뿔형 세공에 대한 것보다 더 작다. 전기영동 속도(electrophoretic velocity)는 전기장에 비례한다.
qE = f'V (3)
이때, q는 단일 입자 상의 전하량이며, E는 국소 전기장이고, f'는 유체를 통과하는 항력(drag force)의 크기를 반영하는 기본 매개변수이며, Nernst-Einstein 방정식(
Figure 112008078104585-PCT00002
)에 의해 주어질 수 있는 단일 입자의 마찰 계수이고, V는 입자의 속도이다. 전기영동 속도는 (동일한 직경과 길이를 갖는) 원통형 세공에서보다 원뿔형 세공에서 더 높다.
전위 속도(translocation rate)와 입자 농도 간의 선형 종속도가 발견된다. 도 5(A) 내지 5(D)는 여러 다른 농도의 반경 45㎚의 음으로 대전된 PS 입자를 함유하는, pH = 7.4로 완충된 0.1 M의 KCl과 10mM의 PBS에서의 반경 62㎚의 유리 나노세공 막의 i-t 기록을 보여준다. 도 5(E)는 입자 농도의 함수로서의 전위 속도의 -로그 도표를 도시한다. 기울기는, 카운팅 속도(counting rate)와 입자 농도 간의 바람직한 선형 종속도를 나타내는 0.99이다. ~10분 동안, 0.41pM만큼 낮은 농도를 갖는 입자가 검출되었다(~22 카운트 검출). 이 방법에 의해, 더 낮은 입자 농도가 검출될 수 있다.
도 6은 반경 62㎚의 유리 나노세공을 이용하여, 음으로 대전된 반경 45㎚의 PS 나노입자의 수를 측정하기 위해 가해진 전압의 함수로서의 전위 속도를 보여준다. 얻어진 전위 속도는 ~200㎷ 이하일 때의 가해진 전압에 비례하고, 그 후, 더 높은 전압이 가해질 때는 수평상태가 된다. 이 실험에서 나중에 보여지는 바와 같이, 전위 속도는 가해지는 전압에 비례해야 한다. 불일치에 대한 이유는 유리 나노세공의 표면 전하와 비대칭성으로부터 기인한다고 여겨진다. 도 3(B)에서 나타나는 바와 같이, i-V 반응은 정류(비-선형화)된다. 큰 세공 오프닝에서 작은 오프닝으로 양의 전압이 가해질 때(도 6에서 나타난 검출 실험과 동일한 조건에서), 세공에서의 전기적 이중 층에서의 상대 이온(counter ion)의 재분포의 결과로서 전류는 수평상태가 된다. 이온 전류는 세공을 통과하는 이온종의 플럭스(flux)에 비례하기 때문에, 이온 종의 흐름이 또한 정류된다.
반경 30㎚의 폴리스티렌 나노입자의 검출
반경 64㎚의 유리 나노세공 막을 이용하여, 반경 30㎚의 양으로 대전된 PS 입자가 검출된다. 도 7(A)는 10mM의 완충용액(pH = 7.4)과 0.1%의 triton X-100을 함유하는 0.5M의 KCl의 용액에서의 유리 나노세공 막의 i-v 반응을 도시한다. DC 저항은 세공 반경 64㎚를 산출한다. 도 3(B)는 30㎚ 반경의 양으로 대전된 PS 입자가 존재하는 경우(8x1011/㎖), 0.1%의 Triton X-100을 함유하는, pH =7.4로 완충된 0.5M의 KCl에서, +300㎷에서의 유리 나노세공 막의 i-t 기록을 도시한다.
가해지는 전압은 -300㎷에서 +300㎷로 스위칭되고, 그 후, -300㎷까지 스위칭되어, 입자 전위의 방향에 따른 전류 펄스-형태의 종속도를 관찰할 수 있다. 도 8에서 도시되는 바와 같이, 시작부분, -300㎷에서, 양으로 대전된 입자가 세공 입 구로 끌린다. 어떠한 저항성 펄스도 관찰되지 않는다. +300㎷가 가해질 때, 전기영동적으로 세공으로 유입되는 입자에 대응하는 하향 전류 펄스가 관찰된다. +300㎷ 후에 즉시 -300㎷가 가해질 때, 전기영동적으로 유리 모세관 내부로부터 벌크 용액으로 이동되는 입자에 대응하는 상향 전류 펄스가 관찰된다.
도 9는 도 8로부터의 2개의 통상적인 전류 펄스를 도시한다. 도 9(A)는 벌크 용액에서 유리 모세관으로의 나노입자의 전위에 대응하는 전류 펄스를 나타낸다. 입자가 벌크 용액에서 세공 입구로 이동할 때 전류 감소는 더 가파르며, 반면에, 세공 입구에서 유리 모세관으로 이동할 때는 기선 전류(baseline current)까지 천천히 증가된다. 도 9(B)는 전기영동적으로 벌크 용액으로 다시 이동되는 나노입자에 대응하는 전류 펄스를 나타낸다. 전류는 우선, 유리 모세관에서 세공 입구로 전기영동적으로 이동되는 입자에 대응하는 최소값까지 천천히 감소한다. 전류는 입구에서 벌크 용액으로 이동하는 입자에 대응하는 기선 전류까지 빠르게 증가한다. 기선 전류의 절대 값은 세공 벽의 정류 효과 때문에 서로 다르다. 반대의 경우에서 2개의 전류 자취의 펄스 형태는 서로 매우 유사하게 보인다(반전되어 위치함). 결과는, 원뿔형태의 세공의 내부/근방의 위치의 함수로서 물질 이동 저항을 반영하는 전류 펄스의 형태를 나타낸다.
유리 나노세공을 이용하는 나노입자 검출의 유한-요소 시뮬레이션
실험에 비교하기 위해, 유한-요소 시뮬레이션을 이용하여, 입자 검출 율 및 전류 펄스의 형태가 시뮬레이트된다. 상기 유한 요소 시뮬레이션은 나노세공 막을 이용하는 실험 결과를 증명한다. 특히 측정된 전위 시간 및 카운팅 속도가 공지된 물리 이론에 일치한다는 것을 증명한다.
전기화학적 셀(cell)과 유리 나노세공 막의 기하학적 형태가 도 10에서 도시된다. 나노세공 막이 축 대칭을 갖는 원통형 좌표 시스템을 이용하여 시뮬레이트된다. 영점(z=0, r=0)은 작은 입구의 중심에 대응된다. 도 10에서 유리 막은 20㎛의 두께를 갖는 어두운 영역이다. 이 값(세공 입구의 반경보다 ~320배 더 큼)은 원뿔형 나노세공이 일정한 저항을 보여주기에 충분하다. 실험의 반-무한(semi-infinite) 경계 상태에 근접하기 위해, 경계는 유리 막 표면으로부터 멀어지는 z 방향에서 60㎛로, 원뿔형 세공의 중심으로부터 멀어지는 r 방향에서 100㎛로 설정된다.
붉은 선으로 나타나는 경계는 절연 경계(플럭스 = 0)로서 설정된다. 검은 점선은 축 대칭 경계이다. 녹색 점선은 세공을 통과하는 입자의 총 플럭스를 통합하기 위한 내부 경계이다. 하나의 전극이 (작은 세공 오프닝을 바라보는) 유리 모세관 외부에 위치되며, 반면에, 제 2 전극은 큰 세공 오프닝을 바라보며 유리 모세관 내부에 위치한다. 모델은 세공 벽 상의 표면 전하량을 고려하지 않는다. 따라서 이 시뮬레이션에서는 전기적 이중 층의 효과가 고려되지 않는다.
시뮬레이션에서 사용되는 플럭스 수식은 Nernst-Planck 수식이다. 간략성을 위해, 시스템에서는 단지 K+, Cl- 및 PS 구체(sphere)만이 가정된다. K+와 Cl-의 확산 계수는 각각 1.8 x 10-9 m2/s와 2.0 x 10-9 m2/s이도록 설정된다. 반경 45㎚와 30 ㎚의 구체에 대한 확산 계수는 각각, Stoke의 법칙에 기초하여, 4.5 x 10-12 m2/s와 7.33 x 10-12 m2/s이도록 계산되어진다. 반경 45㎚의 입자 상의 음의 표면 전하의 수(~1500)는, 총 표면 작용기의 수와 탈-양자화(deprotonate)되는 -COOH의 분수(~3-4%)를 이용하여 산출된다. 반경 30㎚의 입자 상의 양의 표면 전하의 수(~50)는, 가해진 전압의 함수로서의 이동 플럭스(transfer flux)의 유한 요소 시뮬레이션에 의해 산출된다.
세공을 통과하는 입자 플럭스를 계산함에 있어서, 입자는 점전하(point charge)로서 취급된다. 그러나 도 11에서 도시되는 바와 같이, 입자는 유한한 반경을 갖기 때문에, 세공 중심의 간격(r1-rp) 내에 위치하는 입자만이 세공을 통해 전위할 수 있다. 따라서 도 4에서 도시되는 실험에 있어서, 시뮬레이션에서의 세공의 유효 반경은 17㎚이도록 설정된다.
별도의 시뮬레이션에서, 전류 펄스 형태를 결정하는 것은, 구체(반경 30㎚)를, 세공으로부터 ~10㎛ 떨어진 곳으로부터 시작하여, 세공의 중심을 따라 작은 스텝(스텝 크기는 세공 입구로부터 떨어진 입자의 거리에 따라서 50㎚ 및 100㎚)만큼씩 수동으로 이동시킴으로써, 수행된다. 시뮬레이션 전체에 걸쳐, KCl의 농도(0.5M)와 가해지는 전압은 일정하게(300㎷) 유지된다. 각각의 위치에서, 입자가 존재할 때, 전류가 시뮬레이트된다. 도 12는 전기화학적 셀에서의 전기장의 시뮬레이트된 분포를 도시한다. 그 후, 나노입자 표면에서의 전기장이 사용되어, 수식 3을 이용하여 전기영동 속도를 계산할 수 있다.
그 후, 계산된 전기영동 속도가 사용되어 다음번 이웃한 위치까지의 시간 주기가 계산될 수 있다.
l = Vt (4)
이때, l은 각각의 스텝에서의 간격이고, t는 계산될 시간 주기이다. 각각의 위치에서의 전류가 시간의 함수로서 그래프화되어, 전류 펄스 신호가 생성될 수 있다.
도 13은 가해진 전압의 함수로서의 시뮬레이트된 검출 율을 도시한다. 시뮬레이트된 검출 율은 가해진 전압과 입자 전하량에 비례한다. 이들 결과는 대전된 PS 나노입자의 전위가 전기영동력(electrophoretic force)에 의해 이뤄짐을 제시한다(나노입자의 시뮬레이트된 확산 속도는 ~100㎷ 전압이 존재하는 경우의 시뮬레이트된 이동 속도보다 ~4배 더 작은 크기이다. 따라서 확산은 무시될 수 있다.). 그러나 시뮬레이트된 이동 속도는 동일한 조건에서의 기록된 검출 율(도 6)보다 ~4배 더 크다. 이러한 차이에 대한 가능한 하나의 이유는 시뮬레이션에서 PS 구체와 세공 벽 간의 상호작용이 고려되지 않기 때문이다. 이들 상호작용은 음으로 대전된 입자와 음으로 대전된 유리 벽 간의 쿨롱 상호작용(coulomb interaction)을 포함하며, 상기 상호작용은 나노입자의 이동 속도를 낮출 수 있다. 시뮬레이션은 전기적 이중 층에서의 잉여 전자를 설명하지 않는다. 앞서 설명된 바와 같이, 이온 전하는 외부 전압 하에서 재분포되어, 나노입자를 포함하는 대전된 종의 플럭스의 감소를 야기한다.
도 14는 +0.3V에서 반경 64㎚의 유리 나노세공 막을 통과하는 반경 30㎚의 입자의 전위에 대한 시뮬레이트된 전류 펄스(13a)와 실험에서 기록된 통상의 전류 펄스(13b)를 도시한다. 시뮬레이트된 전류 펄스는 기록된 파와 꽤 유사한 삼각형태를 갖는다. 그러나 시뮬레이트된 전류 펄스는, 기록된 펄스의 펄스 폭(~200㎲)과 펄스 크기(Δi/imax = 1.2%)에 비교할 때, 더 짧은 펄스 폭(~100㎲)과 더 큰 펄스 크기(Δi/imax = 2%)를 갖는다. 상호작용과 전기적 이중 층이 시뮬레이션에서는 고려되지 않기 때문에, 입자의 시뮬레이트된 이동 속도는 실제 이동 속도보다 더 빠르며, 이에 더 짧은 펄스 폭이 반영된다. i-t 자취에서 더 작은 강하에 대한 이유는 나노입자와 유리 세공 벽 상의 표면 전하가 시뮬레이션에서 고려되기 때문이다. 입자가 세공 입구를 통과하여 이동함에 따라, 이들 표면 전하는 잉여 상대 이온을 도출하며, 이는 상기 세공 내부의 증가된 전해질 농도를 야기한다.
입자 결정의 통계
유리 나노세공 막을 통과하는 PS 나노입자의 전위가 포와송 분포를 따르도록 발견된다.
P(k,λΔt) = e-λΔt(λΔt)k/k! (5)
이때, λ는 평균 전위 속도(입자/초)이며, Δt는 카운팅의 시간 간격이고, k는 상기 시간 간격 동안 전위되는 입자의 개수이며, P는 상기 시간 간격 동안 전위되는 k개의 입자를 갖는 것에 대한 확률이다. 도 15(A)는 반경 30㎚ PS 입자를 이용하는 10㎳ 시간 간격에서의 입자 전위를 관찰하는 것에 대한 확률을 나타낸다. 도 15(B)는 도 5(A)의 데이터(통계치에서 1000-1500 펄스의 각각의 크기 입자의 수가 측정된다)로부터의, 반경 45㎚ PS 입자를 이용하는 100㎳의 시간 간격 동안의 입자 전위를 관찰하는 것에 대한 확률을 나타낸다. 실험과 이론 간의 훌륭한 일치에 의해, 입자 전위는 확률에 따르고, 포와송 분포를 따름을 알 수 있다.
단일 원뿔형태의 나노세공을 갖는 유리 막이 제조되었고, 폴리스티렌 나노입자의 검출에 적용되었다. 본원발명의 유리 막 나노세공의 원뿔형태는 원통형 나노세공 등의 그 밖의 다른 종래의 막에 비해 이점을 갖는데, 가령, 짧은 펄스 폭과 더 바람직한 신호 분해능이 그것이다. 덧붙이자면, 유리 막은 조립하기 용이하며, 휴대성을 갖는다(portable). 원리적으로, 기계력으로부터 발생하는 압력에 의해 구동되는 흐름이, 앞서 설명된 것과 유사한 분석을 위해, 중성 입자 등의 입자를 막을 가로질러 이동시키기 위해 사용될 수 있다.
pM 이하 단위에서 nM까지의 작은 입자를 이용하여, 검출 율과 PS 나노입자의 농도 간에 선형 종속도가 발견된다. 더 낮은 농도를 갖는 입자는 더 긴 카운팅 시간을 이용하여 검출될 수 있다. 원뿔형태의 유리 나노세공 막을 통과하는 나노입자의 전위는 랜덤 프로세스이며, 포와송 분포를 따른다.

Claims (12)

  1. 나노세공 장치(nanopore device)에 있어서, 상기 장치는
    - 두께를 갖고, 제 1 측부와 제 2 측부를 갖는 막(membrane)으로서, 상기 제 1 측부는 상기 제 2 측부의 반대편에 위치하는 상기 막(membrane),
    - 상기 막을 통과하여 뻗어 있어서, 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부를 연결하는 하나 이상의 통로를 형성하는 나노세공(nanopore)으로서, 이때, 상기 나노세공은 상기 막의 제 1 측부로 개방되는 제 1 오프닝과, 상기 막의 제 2 측부로 개방되는 제 2 오프닝을 가지며, 상기 나노세공의 상기 제 1 오프닝의 반경은 2㎚ 내지 500㎚인 상기 나노세공(nanopore),
    - 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 사이에 전기장을 적용하기 위한 수단,
    - 상기 나노세공을 통과하는 전류 흐름, 또는 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 간의 저항, 또는 상기 전류 흐름과 상기 저항 모두를 모니터링하기 위한 수단, 그리고
    - 관찰된 전류, 또는 저항, 또는 전류와 저항 모두를 처리하여 출력을 생성하기 위한 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 막은 유리(glass), 용융 실리카(fused silica), 석영(quartz), 실리케이트(silicate) 및 이들의 조합 중에서 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 나노세공은 원뿔형태를 가지며, 상기 나노세공의 상기 제 1 오프닝은 상기 나노세공의 제 2 오프닝보다 더 작은 것을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전기장을 적용하기 위한 수단은 제 1 전극과 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 상기 막의 제 1 측부 상에 위치되고, 상기 제 2 전극은 상기 막의 제 2 측부 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 하나 이상은 Ag/AgCl 전극임을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 막은 20㎛ 내지 75㎛의 두께 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    - 챔버(chamber)로서, 이때, 상기 막은 상기 챔버와 일체형으로 구성되는 부분이고, 상기 나노세공의 제 1 오프닝은 챔버의 외부를 향하며, 상기 나노세공의 제 2 오프닝은 상기 챔버의 내부를 향하는 상기 챔버(chamber),
    - 챔버 내부에 포함되는 전해질 용액으로서, 이때, 상기 나노세공의 제 2 오프닝이 침적되는 상기 전해질 용액,
    - 상기 챔버의 외부에 위치되는 제 1 전극,
    - 상기 챔버의 내부에 위치되는 제 2 전극으로서, 상기 제 2 전극의 일부는 상기 전해질 용액에 침적되는 상기 제 2 전극
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노세공 장치.
  9. 나노세공 장치(nanopore device)를 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    - 두께를 가지며 제 1 측부 및 제 2 측부를 갖는 막(membrane)을 제공하는 단계로서, 이때, 상기 제 1 측부를 상기 제 2 측부의 반대편에 위치하는 단계,
    - 상기 막을 통해 상기 막의 두께만큼 뻗어 있어서, 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부를 연결하는 하나 이상의 통로를 형성하는 하나 이상의 나노세공을 제공하는 단계로서, 이때, 상기 나노세공은 상기 막의 제 1 측부로 개방된 제 1 오프닝과 상기 막의 제 2 측부로 개방된 제 2 오프닝을 포함하며, 상기 나노세공의 제 1 오프닝은 2㎚ 내지 500㎚의 범위를 갖는 단계,
    - 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 사이에 전기장을 적용하기 위한 수단을 제공하는 단계,
    - 상기 나노세공을 통과하는 전류 흐름, 또는 상기 막의 제 1 측부와 제 2 측부 간의 저항을 모니터링하기 위한 수단을 제공하는 단계, 그리고
    - 관찰된 전류, 또는 저항을 처리하기 위한 수단을 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노세공 장치를 형성하기 위한 방법.
  10. 입자의 수를 측정하고 상기 입자를 분석하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    - 분석될 입자를 함유하는 샘플 용액을 제공하는 단계,
    - 본원발명의 청구범위 제 8 항에 따르는 나노세공 장치와 상기 샘플 용액을 접촉시켜서, 상기 나노세공의 제 1 오프닝이 상기 샘플 용액에 침적되게 하고, 상기 제 1 전극의 일부분이 상기 샘플 용액에 침적되게 하는 단계,
    - 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 적정 전압을 가하여, 상기 샘플 용액에서의 입자가 상기 나노세공을 가로질러 통과하도록 이동되게 하는 단계,
    - 전기 저항의, 또는 나노세공의 전기 전도도의, 또는 둘 모두의 순간적인 변화(transient change)를 모니터링하는 단계, 그리고
    - 상기 순간적인 변화를 분석하여, 입자의 농도, 크기, 형태, 전기 전하량 중 하나 이상을 획득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 수를 측정하고 상기 입자를 분석하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 입자는 세포, 박테리아, 바이러스, 폴리머 입자, 이온, 분자 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 입자의 수를 측정하고 상기 입자를 분석하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 입자는 2㎚ 내지 500㎚의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 입자의 수를 측정하고 상기 입자를 분석하기 위한 방법.
KR1020087027651A 2006-05-05 2007-05-04 나노세공 입자 분석기, 제조 방법 및 용도 KR20090018787A (ko)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US79785006P 2006-05-05 2006-05-05
US60/797,850 2006-05-05
US91966007P 2007-03-23 2007-03-23
US60/919,660 2007-03-23
US11/743,536 2007-05-02
US11/743,536 US20100025263A1 (en) 2006-05-05 2007-05-02 Nanopore particle analyzer, method of preparation and use thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20090018787A true KR20090018787A (ko) 2009-02-23

Family

ID=39325084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020087027651A KR20090018787A (ko) 2006-05-05 2007-05-04 나노세공 입자 분석기, 제조 방법 및 용도

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20100025263A1 (ko)
EP (1) EP2021092A2 (ko)
JP (1) JP2010502935A (ko)
KR (1) KR20090018787A (ko)
WO (1) WO2008051308A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8753494B2 (en) 2011-08-19 2014-06-17 EWHA University—Industry Collaboration Foundation Gas sensor and preparing method of the same

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7295509B2 (en) * 2000-09-13 2007-11-13 Qualcomm, Incorporated Signaling method in an OFDM multiple access system
US7849581B2 (en) * 2006-05-05 2010-12-14 University Of Utah Research Foundation Nanopore electrode, nanopore membrane, methods of preparation and surface modification, and use thereof
US8380776B2 (en) * 2009-03-02 2013-02-19 The Yokohama Rubber Co., Ltd. Computational method of material constant of composite material and volume fraction of material component in composite material, and recording medium
US8170846B2 (en) * 2009-04-14 2012-05-01 The Yokohama Rubber Co., Ltd. Computation method of mechanical material constant of composite material and volume fraction of material component in composite material, and recording medium
WO2011106198A1 (en) * 2010-02-23 2011-09-01 Christopher Gordon Atwood Methods for the detection of biologically relevant molecules and their interaction characteristics
US9005425B2 (en) 2010-03-05 2015-04-14 University Of Utah Research Foundation Detection of nucleic acid lesions and adducts using nanopores
US8603303B2 (en) 2010-03-15 2013-12-10 International Business Machines Corporation Nanopore based device for cutting long DNA molecules into fragments
US8039250B2 (en) 2010-03-15 2011-10-18 International Business Machines Corporation Piezoelectric-based nanopore device for the active control of the motion of polymers through the same
US8986524B2 (en) 2011-01-28 2015-03-24 International Business Machines Corporation DNA sequence using multiple metal layer structure with different organic coatings forming different transient bondings to DNA
US8852407B2 (en) 2011-01-28 2014-10-07 International Business Machines Corporation Electron beam sculpting of tunneling junction for nanopore DNA sequencing
US20120193231A1 (en) 2011-01-28 2012-08-02 International Business Machines Corporation Dna sequencing using multiple metal layer structure with organic coatings forming transient bonding to dna bases
GB201113309D0 (en) * 2011-08-02 2011-09-14 Izon Science Ltd Characterisation of particles
CN102507395A (zh) * 2011-10-13 2012-06-20 东南大学 实时监测溶液中病毒颗粒的方法
US10029915B2 (en) 2012-04-04 2018-07-24 International Business Machines Corporation Functionally switchable self-assembled coating compound for controlling translocation of molecule through nanopores
US9753009B2 (en) 2013-04-17 2017-09-05 Revalesio Corporation Methods and apparatus for trapping and size resolution of nanoparticles and nanobubbles
WO2014172574A1 (en) * 2013-04-17 2014-10-23 Revalesio Corporation Controlling nanobubble and nanoparticle dynamics in conical nanopores
US9046511B2 (en) 2013-04-18 2015-06-02 International Business Machines Corporation Fabrication of tunneling junction for nanopore DNA sequencing
US9188578B2 (en) 2013-06-19 2015-11-17 Globalfoundries Inc. Nanogap device with capped nanowire structures
US9182369B2 (en) 2013-06-19 2015-11-10 Globalfoundries Inc. Manufacturable sub-3 nanometer palladium gap devices for fixed electrode tunneling recognition
WO2015033090A1 (en) * 2013-09-03 2015-03-12 Izon Science Limited Measurement of particle charge
US10983087B2 (en) 2016-05-26 2021-04-20 Industrial Technology Research Institute Structures and manufacture method of electrochemical units
TWI634698B (zh) 2016-05-26 2018-09-01 財團法人工業技術研究院 電化學單元結構及製法
US11079377B2 (en) 2018-08-24 2021-08-03 International Business Machines Corporation Nanopore coating for sensing chemical bond formation
JP2020201272A (ja) * 2020-08-12 2020-12-17 国立大学法人大阪大学 癌識別方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020144905A1 (en) * 1997-12-17 2002-10-10 Christian Schmidt Sample positioning and analysis system
US7849581B2 (en) * 2006-05-05 2010-12-14 University Of Utah Research Foundation Nanopore electrode, nanopore membrane, methods of preparation and surface modification, and use thereof
US7777505B2 (en) * 2006-05-05 2010-08-17 University Of Utah Research Foundation Nanopore platforms for ion channel recordings and single molecule detection and analysis

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8753494B2 (en) 2011-08-19 2014-06-17 EWHA University—Industry Collaboration Foundation Gas sensor and preparing method of the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008051308A2 (en) 2008-05-02
EP2021092A2 (en) 2009-02-11
JP2010502935A (ja) 2010-01-28
US20100025263A1 (en) 2010-02-04
WO2008051308A3 (en) 2008-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20090018787A (ko) 나노세공 입자 분석기, 제조 방법 및 용도
US8581605B2 (en) Nanopore platforms for ion channel recordings and single molecule detection and analysis
US20110120890A1 (en) Conductivity sensor device comprising diamond film with at least one nanopore or micorpore
Yu et al. Single molecule sensing of amyloid-β aggregation by confined glass nanopores
JP3093274B2 (ja) 気体濃度測定の方法及びそれを実施するための微細加工検出装置
Tadaki et al. Mechanically stable solvent-free lipid bilayers in nano-and micro-tapered apertures for reconstitution of cell-free synthesized hERG channels
EP2126588A1 (en) Formation of lipid bilayers
US9201058B2 (en) Apparatus and method for sensing a time varying ionic current in an electrolytic system
Kawaguchi et al. Electrical detection of single pollen allergen particles using electrode-embedded microchannels
WO2014018159A1 (en) Increased molecule capture rate into a nanopore
US20140131203A1 (en) Integrated nanopore and paul trap mechanism for dna capture and motion control
Li et al. Tiny protein detection using pressure through solid‐state nanopores
Pandey et al. Probing Dynamic Events of Dielectric Nanoparticles by a Nanoelectrode‐Nanopore Nanopipette
Zweifel et al. Helium scanning transmission ion microscopy and electrical characterization of glass nanocapillaries with reproducible tip geometries
Kong et al. Silicon nitride nanopores for nanoparticle sensing
Rudzevich et al. Characterization of liposomes and silica nanoparticles using resistive pulse method
US10612085B2 (en) Reduction of entropic barrier of polyelectrolyte molecules in a nanopore device with agarose gel
Gunderson et al. FIB-milled quartz nanopores in a sealed nanopipette
Farajpour et al. Measuring trapped DNA at the liquid-air interface for enhanced single molecule sensing
Dinler et al. Investigating the Effect of Charged Components on Translocation of DNA Molecules in Track-Etched Nanopores
Tsutsui et al. Nano-corrugated Nanochannels for In Situ Tracking of Single-Nanoparticle Translocation Dynamics
Demirtas Enhancing the sensitivity of nanopipette biosensors for protein analysis
JPWO2020013256A1 (ja) 流路、流路の製造方法、電極構造体、および、電極構造体の製造方法
Saharia Resistive Pulse Sensing of Protein Unfolding and Transport in Solid-State Nanopores
Rudzevich Nano-pipette as nanoparticle analyzer and capillary gated ion transistor

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid