KR20100107087A - 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출방법 - Google Patents

탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출방법에 관한 것이다.
본 발명의 미생물 검출센서는 미생물을 특이적으로 결합할 수 있는 인식물질이 고정화된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합한 구조이며, 상기 채널 내부에 패턴화된 마이크로구조체에 의해 타겟 미생물이 탄소나노튜브 표면으로 배열되도록 유도하여, 검출 시간을 단축하고, 감도를 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 미생물 검출센서는 용액 속의 타겟 미생물의 수가 적을 경우, 미생물이 단순 확산에 의해 센서 표면에 도달하는데 걸리는 시간을 획기적으로 단축할 수 있다. 나아가, 본 발명의 검출방법을 통하여, 시료내의 대장균을 20분 이내에 간단하게 측정할 수 있으며, 측정과정에서 복잡한 실험장비, 시설 또는 배양에 필요한 조건 등이 전혀 필요하지 않으므로 수질, 식품, 환경 등의 응용분야에서 간단하게 미생물 검출수단으로 응용될 수 있다.
미생물, 탄소나노튜브, 나노 트랜지스터, 마이크로플루이딕 채널

Description

탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출방법{MICROORGANISM DETECTION SENSOR USING CARBON NANOTUBE TRANSISTER ARRAY COMBINED WITH EMBOSSED MYCROFLUIDIC CHANNEL AND METHOD OF DETECTING MICROORGANISM USING THEREOF}
본 발명은 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널(microfluidic channel)이 접합된 미생물 검출센서, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미생물을 특이적으로 결합할 수 있는 인식물질이 고정화된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합함으로써, 상기 채널 내부에 패턴화된 마이크로구조체에 의해 미생물을 탄소나노튜브 표면으로 배열되도록 유도하여, 검출 시간과 감도를 향상시키는 고감도 미생물 검출센서, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)란 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜 브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질을 말한다.
탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며, 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있고, 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학 기상증착법, 열화학기상증착법, 전기분해방법, 플레임 합성방법 등과 같은 고도의 합성기술에 의해 제조되고 있다.
이러한 탄소나노튜브는 과학의 발전정도에 따라 항공우주, 생명공학, 환경에너지, 재료산업, 의약의료, 전자컴퓨터, 보안안전 등 거의 모든 분야에 실제로 응용되고 있으며, 그 중 하나가 탄소나노튜브 트랜지스터이다.
탄소나노튜브 트랜지스터는 소스, 드레인, 게이트로 이루어진 구성에 채널영역이 탄소나노튜브로 적용된 구조로 제작된다. 상기 트랜지스터의 채널영역을 이루는 탄소나노튜브는 반도체 또는 금속 특성을 보이면서 전기전도도가 매우 높고, 열전도도가 높아 열 방출 효과가 우수하며, 또한 가벼우면서도 강철보다 100배 이상 강하고, 화학적 특성으로 다른 화합물과 반응을 잘 하지 않아 매우 안정적이기 때문에 전자소자의 안정적 동작에 매우 유리하다.
보다 구체적으로, 탄소나노튜브 및 반도체 나노와이어 등의 나노구조는 표면적비율이 매우 커서 표면에서의 미세한 화학적, 물리적 반응을 민감하게 반영할 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 탄소나노튜브 또는 반도체 나노와이어를 이용하여 가스/유기저분자/생체분자 등을 고감도로 검출할 수 있는 다양한 방식의 센서 개발 이 가능하다. 이 중에서도 탄소나노튜브 또는 반도체 나노와이어로 제작된 트랜지스터, 즉 소스와 드레인, 게이트로 구성된 소자를 제작하여 전기적 특성을 측정하는 경우, 탄소나노튜브 또는 반도체 나노와이어에서 전류의 흐름이 표면에 흡착 또는 반응하는 가스/유기저분자/생체분자에 의해 미세하게 조절되게 되고 이를 신호로 나타내어 별도의 라벨링이 필요하지 않고 실시간으로 신호측정이 가능한 고감도의 전기적 센서를 제작할 수 있다.
전기적 방식의 센서는 여타 방식의 센서에 비해 상대적으로 장치의 제작이 저가로 간단히 이루어질 수 있으며, 원격 신호 전달 및 휴대용 검출기 개발이 가능하다는 장점도 동시에 가지고 있다.
대장균은 인류를 포함한 포유류의 장내에 자연적으로 존재하는 박테리아로서, 설사, 이질과 같은 질환을 일으킬 수 있다. 대장균은 주로 소 등의 배설물에서 식수 또는 식품으로 전파되는 경향이 있으며, 이와 같은 대장균의 검출을 위하여 중합 효소 연쇄반응(PCR; Polymerase Chain Reaction), 초소형 전자기계 시스템(MEMS) 센서, 표면 플라즈몬 공명(SPR; surface plasmon resonance)센서 등과 같은 새로운 기술들이 계속적으로 개발되고 있다.
현재, 대장균과 같은 병원성 박테리아의 검출은 대장균 군 수(MPN;Most probable number method) 방법을 통해서 이루어지고 있는데, 이 방법은 시료를 여러 단계의 희석액으로 만들어 배양함으로써, 시료 내의 병원균의 수를 추정해 내는 방법이다. 그러나 이와 같은 배양법은 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있는 반면, 배양에 수일이 소요되고 장비를 갖춘 실험실에서만 이용할 수 있는 단점이 있다. 따라서 짧은 시간 내에 시료의 병원성 대장균을 선택적으로 검출해낼 수 있는 새로운 기술의 개발이 필수적으로 요구된다.
본 발명자들은 대한민국특허 제858325호에서는 탄소나노튜브 또는 그라핀 등의 나노 전자소자를 이용하여 대장균을 검출하는 센서를 개시한 바 있다. 그러나, 종래 센서는 한 마리의 대장균에도 큰 전기적 신호를 보일 만큼 우수한 감도를 나타내는 반면에, 대장균이 단순 확산에 의해 센서 표면에 도달하는 확률이 지나치게 낮아 용액 속의 대장균 수가 적을 경우 검출에 오랜 시간이 소요되거나 통계적인 별도의 처리법을 필요로 하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 종래의 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 마이크로구조체가 패턴화된 마이크로플루이딕 채널을 접합시킴으로써, 미생물을 센서 표면으로 능동적으로 유도하여, 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물을 특이적으로 결합하는 분자인식물질을 고정화시키는 검출 시간 단축과 감도를 향상시키는 고감도 미생물 검출센서를 제공하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합하여, 상기 마이크로구조체의 패턴에 따라, 미생물이 탄소나노튜브 표면상으로 배열되도록 유인하여, 20분 이내에 미생물의 존재 및 농도의 측정이 가능한 고감도 미생물 검출센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서를 이용한 미생물 검출방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판 상에 형성된 게이트, 상기 게이트의 일측면에 금속 소스전극, 그 반대 측면에 형성된 금속 드레인전극 및 상기 금속 소스전극 및 금속 드레인전극 사이에 탄소나노튜브로 이루어진 채널영역을 포함한 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이로 이루어지되, 상기 채널영역을 구성하고 있는 탄소나노튜브의 표면에, 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질, 상기 인식물질을 고정시키기 위한 고정물질이 흡착되고, 상기 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 구조의 미생물 검출센서를 제공한다.
본 발명의 미생물 검출센서는 종래 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 것을 특징으로 하며, 그 접합된 구조는 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널 내, 패턴화된 마이크로구조체가 탄소 나노튜브 트랜지스터 어레이 상에, 잘 정렬될 수 있는 위치에 단순 부착하거나, 열처리로 고정시킨 구조를 포함한다.
이때, 본 발명에서 사용되는 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널은 그 채널 내부 에 생선가시 모양(herringbone), U 자형 및 빗살형 등 미생물을 유도하기에 효과적인 모양 군에서 선택되는 어느 하나의 마이크로구조체가 패턴화된 것이며, 그 재질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 러버, 폴리카보네이트, 이소보닐 아크릴레이트(isobornyl acrylate), 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 고분자 재질로 이루어지며, 더욱 바람직하게는 폴리디메틸실록산(PDMS)이 사용된다.
본 발명의 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서에서, 탄소나노튜브 트랜지스터는 반도체 나노와이어 또는 금속산화물 나노와이어가 바람직하며, 상기 나노와이어는 50 nm 이하의 직경을 가진다. 또한, 탄소나노튜브 트랜지스터로서 그라핀 나노소자를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 미생물 검출센서에서, 탄소나노튜브로 이루어진 채널은 단일벽 탄소나노튜브이며, 그 단일벽 탄소나노튜브의 직경은 2 nm 이하가 바람직하다.
본 발명의 미생물 검출센서는 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이가 적어도 3 개 이상 구비된다.
본 발명은 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 구조의 미생물 검출센서의 제조방법을 제공한다.
더욱 상세하게는, 금속 소스전극, 금속 드레인전극, 게이트를 포함하며, 채널영역이 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이를 형성하는 제1단계;
상기 탄소나노튜브 표면에 고정물질을 고정화하는 제2단계;
상기 고정물질에 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질을 부착하는 제3단계; 및
상기 인식물질이 부착된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 마이크로구조체가 패턴된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합시키는 제4단계;를 포함한다.
나아가, 상기 제2단계에서 고정물질을 고정화한 후, 물에 1시간 이상 함침하여 비 특이적 반응을 제거하는 공정을 더 수행할 수 있다.
상기 제조방법에서, 제2단계에서 사용되는 고정물질은 1-파이렌-N-하이드록시석신아마이드 에스테르 링커를 사용한다.
또한, 제3단계에서 부착되는 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질로서, 압타머, 항체, 펩타이드, 분자각인고분자, 미생물에 특이적인 DNA 또는 RNA 중에서 선택되는 하나 이상을 사용한다.
본 발명의 제조방법에서, 제4단계는 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이 상에 부착하거나 열처리하여 고정시킬 수 있으며, 패턴화된 마이크로구조체가 탄소나노튜브 트랜지스터와 잘 정렬되도록 하여 배치한다.
이때, 제4단계에서 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 1) 실리콘 기판에 레지스트를 코팅하여 마이크로구조체를 패턴 형성하고, 2) 상기 패턴된 마이크로구조체에 실리콘 엘라스토머를 부어 경화시키고, 3) 상기 경화된 실리콘 엘라스토머를 마스터에서 제거하고, 시료 주입구와 배출구를 형성하여 완성된다.
이때, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널은 그 채널내부에 생선가시 모양, U 자형 또는 빗살형에서 선택된 마이크로구조체가 패턴화되며, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널은 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 러버, 폴리카보네이트, 이소보닐 아크릴레이트 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 고분자 재질로 이루어진다.
본 발명은 미생물 검출센서를 이용한 미생물 검출방법을 제공한다. 더욱 구체적으로는 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널에, 대장균 또는 박테리아에서 선택된 미생물 함유 용액을 주입하고, 상기 마이크로구조체의 패턴에 의해, 미생물이 탄소나노튜브 표면상으로 유인하여 전기적 신호의 변화를 관측하는 것으로 수행하는 것이다.
상기 미생물 함유 용액 주입 이후, 세척을 통해 비특이적으로 결합한 미생물 제거공정을 더 수행할 수 있다.
본 발명의 미생물 검출센서는 미생물을 특이적으로 결합할 수 있는 인식물질로서 압타머 또는 항체를 고정화시킨 탄소나노튜브 트랜지스터 센서와, 상기 센서 표면상으로 미생물을 유인해주는 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 구조로서, 단 하나의 미생물에도 민감한 전기 전도도의 변화를 보인다.
특히, 용액 속의 대장균 수가 적을 경우, 대장균이 단순 확산에 의해 센서 표면에 도달하는데 걸리는 시간을 획기적으로 단축함으로써, 검출시간을 단축시킬 수 있으며, 종래 사용된 통계적인 처리 없이, 보다 빠르게 미생물을 검출할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 미생물을 특이적으로 결합할 수 있는 인식물질이 고정화된 탄소나노튜브 트랜지스터 센서에, 상기 센서 표면상으로 미생물을 유인해주는 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 구조의 미생물 검출센서를 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 미생물 검출센서를 나타내는 정면 또는 단면도로서, 실리콘 기판(1) 상에 형성된 게이트(4), 상기 게이트(4)의 일측면에 금속 소스전극(3) 및 그 반대 측면에 형성된 금속 드레인전극(3') 및 상기 금속 소스전극 및 금속 드레인전극 사이에 탄소나노튜브(2)로 이루어진 채널영역을 포함한 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이(10)로 이루어지되,
상기 채널영역을 구성하고 있는 탄소나노튜브(2)의 표면에, 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질(22)이 고정되고, 상기 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이(10)에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널(5)이 접합된 미생물 검출센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 미생물 센서가 상기 인식물질을 고정시키기 위한 고정물질(21)을 더 흡착할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 미생물 검출센서의 정면 및 단면도를 참고하면, 본 발명의 미생물 검출센서는 종래 미생물을 특이적으로 결합할 수 있는 인식물질이 고정화된 탄소나노튜브 트랜지스터 센서에 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합한 것이다. 상기 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널 내부에 패턴화된 마이크로구조체에 의해, 미생물(대장균)이 일렬로 정렬하여 움직이도록 유도하고, 그 위치에 센서를 배치한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 그 접합 구조는 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널 내, 패턴화된 마이크로구조체가 탄소 나노튜브 트랜지스터 어레이 상에, 잘 정렬될 수 있는 위치에 부착하여 그대로 사용하거나, 열처리로 고정시켜 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터 어레이 상에, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서의 광학현미경 사진으로서, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널에 각인된 마이크로구조체에 의한 입자유도 통로를 확인할 수 있다.
이때, 본 발명에서 사용되는 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널은 그 채널 내부에 생선가시 모양(herringbone), U 자형, 빗살형 또는 기타 입자를 유도할 수 있는 형태의 마이크로구조체가 패턴화된다.
미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널의 재질은 폴리디메틸시록산(PDMS)을 포함한 기타 고분자재료가 사용될 수 있으며, 그 바람직한 일례로는 실리콘 러버, 폴리카보네이트, 이소보닐 아크릴레이트 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 이에 한정되지는 아니한다. 또한, 더욱 바람직하게는 실시예에서 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용하여 본 발명을 상세히 설명하고 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 타겟 미생물(일례로 대장균)이 들어있는 시료를 반응시킨 후 전기 전도도를 측정하면, 대장균이 들어있는 시료에서 탄소나노튜브의 전기 전도도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 본 발명에서 사용할 수 있는 탄소나노튜브 트랜지스터는 반도체 나노와이어 또는 금속산화물 나노와이어가 사용될 수 있으며, 상기 나노와이어의 직경은 50 nm 이하가 바람직하다.
반도체 나노와이어를 이용한 트랜지스터들에 적용될 수 있는데, 상기 반도체 나노와이어에는 GaP, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, ZnO, TiO2, SnO2 등으로 구성된다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브 트랜지스터로서 바람직한 일례로 그라핀 나노소자를 사용할 수 있다.
상기 그라핀 전자소자는 그라파이트에서 벗겨낸 조각으로 구성되거나, 그라핀 옥사이드를 환원시켜서 생성하거나 직접 성장시켜 제작할 수 있다.
탄소 나노튜브가 대표적인 1차원 나노구조체인데 반해, 그라핀 전자소자는 2차원 평면구조를 가지고 있다. 크기는 그라핀 나노리본의 경우, 폭 수 십 nm, 길이는 수 ㎛에 달하며, 그라파이트에서 벗겨내거나 성장시킨 그라핀을 실리콘 표면에 전사하는 경우, 폭이 1∼3㎛, 길이는 5∼6㎛인 단일 그라핀을 얻을 수 있다. 도 4는 본 발명의 미생물 센서에 사용가능한 그라핀 전자소자의 광학현미경 사진을 보여준다.
또한, 본 발명의 미생물 검출센서에서, 탄소나노튜브로 이루어진 채널은 단일벽 탄소나노튜브가 바람직하며, 그 단일벽 탄소나노튜브의 직경은 2 nm 이하가 바람직하다.
본 발명의 미생물 검출센서는 타겟 미생물에 특이적으로 결합하는 인식물질을 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이의 탄소나노튜브 표면상에 흡착하여 개질함으로써, 단일 바이러스, 유기저분자 및 단백질을 감지할 만큼의 뛰어난 감도를 가지고, 저농 도를 감지할 수 있으며, 타켓 미생물만을 선택적으로 골라낼 수 있다. 또한, 단순히 타켓 미생물의 존재만을 검출하는 것이 아니라 복수개의 탄소나노튜브를 사용하여 타켓 미생물의 농도도 측정할 수 있다.
이에, 본 발명의 미생물 검출센서는 측정목적에 따라, 상기 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이가 적어도 3 개 이상 구비될 수 있다.
본 발명은 미생물 검출센서의 제조방법으로서, 더욱 상세하게는,
금속 소스전극, 금속 드레인전극, 게이트를 포함하며, 채널영역이 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이를 형성하는 제1단계;
상기 탄소나노튜브 표면에 고정물질을 고정화하는 제2단계;
상기 고정물질에 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질을 부착하는 제3단계; 및
상기 인식물질이 부착된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합시키는 제4단계;를 포함한 미생물 검출센서의 제조방법을 제공한다.
이하, 공정별 상세히 설명하면, 제1단계에서 탄소나노튜브 트랜지스터를 제작하기 위해서는, SiO2 층으로 절연된 실리콘 기판에 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 이용하여 패턴을 제작하고, 액상의 촉매와 반응한 실리콘 기판을 아세톤 용액에 담가 PMMA층을 제거한 후, 고온으로 유지된 로(furnace)에서 CH4, H2 분위기에서 10분간 단일벽 탄소 나노튜브를 성장시킨다. 이렇게 성장된 탄소나노튜브에 포토리소그라 피와 열증착(thermal evaporation)을 이용하여 전극을 형성한다.
또 다른 방법으로는, 미리 전자빔리소그라피를 이용하여 좌표계를 형성한 기판 상에 레이저 박리(ablation) 또는 아크 방전(arc discharge)을 이용하여 합성된 탄소나노튜브 용액을 분산시킨 뒤, 각각의 탄소 나노튜브의 위치를 원자현미경(AFM) 등을 이용하여 알아내고, 알아낸 위치에 전자빔리소그라피를 이용하여 전극을 생성시켜 탄소나노튜브 소자를 제작할 수도 있다. 제작된 탄소 나노튜브 트랜지스터의 전극 부분에는 네거티브 레지스트(negative resist)인 SU8-2002를 이용하거나 SiO2, Si3N4등의 절연층을 증착하여 용액 속에서 측정할 때 누설전류를 방지한다.
본 발명에서 사용할 수 있는 탄소나노튜브 트랜지스터는 반도체 나노와이어 또는 금속산화물 나노와이어가 사용될 수 있으며, 그라핀 나노소자를 사용할 수 있다. 반도체 나노와이어 또는 금속산화물 나노와이어와, 그라핀 소자에 대한 구체적인 설명은 상기 미생물 검출센서에서 기재한 바와 동일하다.
이때, 그라핀 나노소자를 이용한 탄소나노튜브 트랜지스터의 경우, 준비된 그라핀을 실리콘 기판 상에 위치시킨 후 포토리소그라피나 전자빔 리소그라피 방법을 이용하여 그라핀 위에 소스-드레인 금속 전극을 형성한다. 그라핀이 소자의 채널로 사용되므로 바람직하게는 한 층의 그라핀이 적당하나, 특성에 따라 여러 층의 그라핀도 가능하다.
본 발명의 제조방법 중, 제2단계는 상기 단계에서 탄소나노튜브 트랜지스터의 어레이를 제작한 후, 대장균과 같은 타겟 미생물을 선택적으로 검출할 수 있게 하기 위 해 대장균(타겟 미생물)에 특이적으로 반응하는 항체 또는 압타머 등의 분자인식 물질을 고정화하는 공정으로서, 탄소나노튜브(2)의 표면에 타겟 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질(22)을 부착하기 이전에 고정물질(21)을 흡착시켜 표면을 개질한다.
이때, 본 발명에서 고정물질(21)은 소수성을 갖는 한쪽 부분이 상기 탄소나노튜브(2)에 흡착되고, 다른 한쪽부분이 타겟 미생물과 특이적으로 결합할 수 있는 압타머 또는 항체 등의 인식물질(22)과는 공유결합되는 것이다. 본 발명에서 사용되는 고정물질은 1-파이렌-N-하이드록시석신아마이드 에스테르 링커가 바람직하다.
나아가, 상기 제2단계에서 고정물질을 고정화한 후, 물에 1시간 이상 함침하여 비 특이적 반응을 제거하는 공정을 더 수행할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 미생물 검출센서 제조시, 탄소나노튜브 표면에 고정물질을 고정화한 후, 후처리 공정 유무에 따른 원자현미경(AFM) 사진이다.
그 결과, 친수화 공정을 거친 경우 도 5b는 친수화 공정을 거치지 않은 도 5a 대비 비 특이적 결합을 현저히 감소한 결과를 확인할 수 있다.
본 발명의 미생물 검출센서의 제조방법 중, 제3단계에 부착되는 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질로는 압타머 또는 항체가 바람직하며, 이외에도 펩타이드, 분자각인고분자 또는 미생물 특이적인 DNA 또는 RNA를 사용할 수 있다. 이때, 타겟 미생물은 박테리아 또는 대장균에서 선택되는 어느 하나이다.
이후, 본 발명의 제조방법에서, 제4단계는 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이 상에 부착하거나 열처리로 고정하여, 상기 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널 내부에 패턴화된 마이크로구조체와 탄소나노튜브 트랜지스터가 잘 정렬되도록 배치한다.
상기 제4단계에서 사용된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널은 도 6에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판에 SU8 레지스트를 코팅한 후, 포토리소그라피 또는 전자빔 리소그라피로 패턴하여 마이크로구조체 패턴을 제작한다.
상기 제작된 시료는 채널을 만들 수 있는 마스터의 역할을 수행하며, 상기 마스터를 산소 플라즈마로 약 10분간 처리한 후, 경화제와 1:10 의 비율로 섞은 실리콘 엘라스토머(PDMS)를 붓고 공기 방울을 제거한다. 마스터에 PDMS를 부은 후, 완전히 굳어질 때까지 상온에서 24시간 또는 60℃ 오븐에서 12시간 동안 처리하여 경화시킨다. 상기 경화된 PDMS 채널을 마스터에서 조심스럽게 분리한 후, 시료의 주입구와 배출구에 구멍을 뚫어 채널을 완성한다.
이때, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널은 그 채널내부에 생선가시 모양, U 자형 또는 빗살형에서 선택된 마이크로구조체가 패턴화된다.
이후, 상기 완성된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 다시 산소 플라즈마로 10분간 처리한 후, 마이크로구조체가 탄소나노튜브와 잘 정렬되도록 탄소나노튜브 트랜지스터 상에 부착하여 그대로 사용하거나 소정의 열처리하여 고정시켜 사용할 수 있다.
본 발명의 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널은 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 러버, 폴리카보네이트, 이소보닐 아크릴레이트 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 고분자 재질로 이루어진다.
나아가, 본 발명은 상기 미생물 검출센서를 이용한 미생물 검출방법을 제공한다.
더욱 구체적으로는, 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널에, 대장균 또는 박테리아에서 선택된 미생물 함유 용액을 주입하고, 상기 마이크로구조체의 패턴에 의해, 미생물이 탄소나노튜브 표면상으로 유인하여 전기적 신호의 변화를 관측함으로써, 고감도로 미생물을 검출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널에 의해 대장균의 거동을 관찰한 현미경 사진으로서, 상기 마이크로구조체에 의해 녹색형광이 발현된 대장균들이 일렬로 센서를 향해 움직이는 거동을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 미생물 센서를 이용하여, 타겟 미생물로서 대장균 검출결과를 관찰한 형광현미경 사진이다. 그 결과, 녹색형광이 발현된 대장균들이 탄소나노튜브 표면상에서 선택적으로 결합하여 검출됨을 확인할 수 있다.
이러한 결과로부터, 본 발명의 미생물 검출센서는 미생물을 특이적으로 결합할 수 있는 인식물질이 고정화된 탄소나노튜브 트랜지스터 센서에, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합함으로써, 상기 마이크로구조체 패턴에 의해 센서 표면상으로 미생물을 적극적으로 유인하게 하여, 검출시간 단축을 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 검출방법을 통하여, 시료 내의 대장균을 20분 이내에 간단하게 측정할 수 있으며, 측정과정에서 복잡한 실험장비, 시설 또는 배양에 필요한 조건 등이 전혀 필요하지 않으므로 수질, 식품, 환경 등의 응용분야에서 간단하게 미생 물 검출수단으로 응용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
1. 탄소나노튜브 트랜지스터 제작
PMMA로 패턴화된 SiO2/Si 기판 상에, Fe/Mo 함유 촉매용액을 뿌리고, 리프트 오프(lift-off)한 뒤, 900℃ 유지한 로(furnace)에서 CH4, H2 분위기에서 10분간 단일벽 탄소나노튜브를 성장시켰다. 이후, 탄소나노튜브가 성장된 기판 위에 포토리소그라피로 전극 패턴을 형성한 후, 열적 증착(thermal evaporation)을 이용하여 진공을 깨지 않고, 5nm의 티타늄(Ti)과 30nm의 은(Au)을 연속 증착시킨 후, 샘플을 아세톤 용액에 담가 원하지 않는 부위의 금속(metal)을 제거하여 탄소나노튜브 소자를 완성하였다.
그 뒤, 용액 내에서의 측정이 가능하도록 탄소나노튜브 트랜지스터의 모든 전극을 SU-8 등의 네가티브 레지스트나 포토레지스트, 이빔레지스트, 또는 SiO2 등의 절연막으로 절연시켰다.
상기 제작된 탄소나노튜브 트랜지스터의 벽면에 대장균과 특이적으로 반응하는 분자인식 물질로서, 대장균 압타머를 고정화시키기 위해 대장균 압타머의 3'말단에 바이오틴(biotin)을 고정화시켰다. 또한, 탄소나노튜브의 측면에는 바이오틴이 고정화된 압타머가 결합될 수 있도록 1-파이렌-N-하이드록시석신아마이드 에스테르(1-pyrene-N-hydroxysuccinimide ester) 링커를 이용하여 단백질인 스트렙트아비딘(streptavidin)을 고정화시켰다. 상기 1-파이렌-N-하이드록시석신아마이드 에스테르 분자의 파이렌 그룹은 탄소나노튜브와 π 결합을 통해 고정화되고, 석신아마이드 에스테르기와 단백질의 아민(NH2)이 반응하여 단백질인 스트렙타비딘이 나노튜브 표면에 고정화될 수 있다. 이때, 비 특이적 반응을 최소화하기 위하여 1-파이렌-N-하이드록시석신아마이드 에스테르 분자를 고정화한 후, 증류수(DI water)에 2시간 동안 반응시켜 표면을 친수화하였다. 이와 같은 친수화 공정은 표면의 비특이적 결합을 최소화하는데 큰 역할을 한다. 도 5a 및 도 5b는 상기 탄소나노튜브에 링커를 고정화한 후, 후처리공정으로서, 친수화 공정을 거친 경우(도 5b)와 거치지 않은 경우(도 5a), 탄소나노튜브 센서 표면에 비 특이적 결합거동을 관찰한 사진이다. 상기 사진결과로부터, 탄소나노튜브에 링커를 고정화한 후, 친수화 공정으로 후처리공정을 수행한 결과, 비특이적 결합이 현저히 줄어든 것을 관찰하였다. 이후, 반응하지 않은 1-파이렌-N-하이드록시석신아마이드 에스테르 분자가 남아있지 않도록 pH 9로 조정한 에탄올아민(ethanolamine) 용액으로 블록킹시켰다. 스트렙토아비딘과 바이오틴은 강한 결합력을 가지고 결합하므로, 분리상수 1.3×10-15 M의 바이오틴이 고정화된 대장균 압타머를 탄소나노튜브의 측면에 고정화시켜 미생물 검출센서를 제조하였다.
2. 마이크로구조체가 패턴화된 마이크로플루이딕 채널 제작
도 6에서 도시된 바와 같이, 실리콘 기판에 SU8-2050 레지스트를 코팅한 후, 95℃에서 5분간 열처리하고 마스크를 이용하여 패턴을 노광시켰다. 95℃ 오븐에서 3분간 열처리한 후, SU 현상액을 현상시켜 PDMS 채널의 마스터 패턴을 완성하였다. 완성된 마스터를 산소 플라즈마로 10분간 처리한 후, 경화제와 1:10으로 섞은 PDMS를 붓고 60℃에서 12시간 동안 경화시켰다. 경화된 PDMS 채널을 마스터에서 분리하고 시료주입구와 배출구를 생체검사(biopsy punch)를 이용하여 형성하였다.
3. 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이 제작
다음으로, 제작된 채널을 다시 10분간 산소 플라즈마로 처리한 후, 마이크로구조체가 패턴화된 마이크로플루이딕 채널과 탄소나노튜브 트랜지스터가 정렬되도록 접합시켰다.
<실험예 1>
실시예 1에서 제작된 대장균 압타머를 고정화한 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이를 이용한 검출센서에 고농도(106 cfu/㎖)의 녹색형광이 발현된 대장균 용액을 흘리고, 형광현미경으로 대장균의 움직임을 관찰하였다.
그 결과, 도 7의 형광현미경 사진의 결과에서 확인된 바와 같이, 녹생형광을 띠는 대장균들이 일렬로 정렬하여 움직이는 것을 관찰할 수 있었다.
또한, 도 8에서 확인된 바와 같이, 본 발명의 미생물 센서를 이용하여, 타겟 미생물로서 대장균 검출결과를 관찰한 결과, 녹색형광이 발현된 대장균들이 탄소나노튜 브 표면상에서 선택적으로 결합하여 검출됨을 확인하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은
첫째, 미생물을 특이적으로 결합할 수 있는 인식물질이 고정화된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합한 구조의 미생물 검출센서를 제공함으로써, 상기 채널 내부에 패턴화된 마이크로구조체에 의해 타겟 미생물이 탄소나노튜브 표면으로 배열되도록 유도하여, 검출 시간을 단축하고, 감도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명의 미생물 검출센서는 용액 속의 타겟 미생물의 수가 적어, 미생물의 단순 확산에 의해 센서 표면에 도달하는데 걸리는 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
셋째, 본 발명의 검출방법을 통하여, 시료내의 대장균을 20분 이내에 간단하게 측정할 수 있으며, 측정과정에서 복잡한 실험장비, 시설 또는 배양에 필요한 조건 등이 전혀 필요하지 않으므로 수질, 식품, 환경 등의 응용분야에서 간단하게 미생물 검출수단으로 응용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서의 정면도이고,
도 1b는 상기 미생물 검출센서의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터 어레이 상에, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 부착된 구조의 미생물 검출센서 사진이고,
도 3은 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터 어레이 상에, 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 접합된 미생물 검출센서의 광학현미경 사진이고,
도 4는 본 발명의 미생물 센서에 적용 가능한 그라핀 소자의 광학현미경 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 미생물 검출센서 제조 시, 탄소나노튜브 표면에 고정물질을 고정화한 후, 후처리 공정 유무에 따른 원자현미경(AFM) 사진이고,
도 6은 본 발명의 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널의 제조공정이고,
도 7은 본 발명의 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널에 의해 대장균의 거동을 관찰한 현미경 사진이고,
도 8은 본 발명의 미생물 센서를 이용한 대장균 검출결과를 관찰한 형광현미경 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : Si/SiO2 기판 2 : 탄소나노튜브
3, 3' : 금속소스전극 또는 드레인 전극 21: 고정물질
22 : 미생물과 특이적 결합하는 인식물질 23: 타겟 미생물
4: 게이트
5 : 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널

Claims (20)

  1. 실리콘 기판 상에 형성된 게이트, 상기 게이트의 일측면에 금속 소스전극 및 그 반대 측면에 형성된 금속 드레인전극, 및 상기 금속 소스전극 및 금속 드레인전극 사이에 탄소나노튜브로 이루어진 채널영역을 포함한 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이;
    상기 채널영역을 구성하고 있는 탄소나노튜브의 표면상에 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질; 및
    상기 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널;이 접합된 구조의 미생물 검출센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 표면에 인식물질을 고정시키기 위한 고정물질이 더 흡착된 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접합된 구조가 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이 상에 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 단순 부착된 구조 또는 열처리로 고정된 구조인 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 상기 채널 내부에 미생물 유도 가능한 형상의 마이크로구조체가 패턴화된 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 러버, 폴리카보네이트, 이소보닐 아크릴레이트 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 고분자 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 트랜지스터가 반도체 나노와이어 또는 금속산화물 나노와이어인 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 트랜지스터가 그라핀 나노소자인 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브로 이루어진 채널이 단일벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  9. 제8항에 있어서, 단일벽 탄소나노튜브의 직경이 2 nm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이가 적어도 3 개 이상구비된 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서.
  11. 금속 소스전극, 금속 드레인전극, 게이트를 포함하며, 채널영역이 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이를 형성하는 제1단계;
    상기 탄소나노튜브 표면에 고정물질을 고정화하는 제2단계;
    상기 고정물질에 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질을 부착하는 제3단계; 및
    상기 인식물질이 부착된 탄소나노튜브 트랜지스터 어레이에 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널을 접합시키는 제4단계;를 포함하는 미생물 검출센서의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 제2단계에서 고정물질을 고정화한 후, 물에 1시간 이상 함침하여 비 특이적 반응을 제거하는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2단계의 고정물질이 1-파이렌-N-하이드록시석신아마이드 에스테르 링커인 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제3단계에서 미생물과 특이적으로 결합하는 인식물질이 압타머, 항체, 펩타이드, 분자각인고분자 및 미생물에 특이적인 DNA 또는 RNA 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제4단계에서 탄소나노튜브 트랜지스터 상에 패턴화된 마이크로구조체가 정렬되는 위치에 부착 또는 고정하여 접합하는 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제4단계에서 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이
    실리콘 기판에 레지스트를 코팅하여 마이크로구조체를 패턴 형성하고,
    상기 패턴화된 마이크로구조체에 실리콘 엘라스토머를 부어 경화시키고,
    상기 경화된 실리콘 엘라스토머를 마스터에서 제거하고, 시료 주입구와 배출구를 형성하여 완성된 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널에 생선가시 모양, U 자형 및 빗살형으로 이루어진 미생물 유도 가능한 형상에서 선택되는 어느 하나 이상의 마이크로구조체를 패턴화시킨 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널이 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 러버, 폴리카보네이트, 이소보닐 아크릴레이트 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 고분자 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출센서의 제조방법.
  19. 제1항의 마이크로구조체가 패턴화된 미생물 유도형 마이크로플루이딕 채널에, 대장균 또는 박테리아에서 선택된 미생물 함유 용액을 주입하고,
    상기 마이크로구조체의 패턴에 의해, 미생물을 탄소나노튜브 표면상으로 유인하여 전기적 신호의 변화를 관측하는 것으로 수행하는 제1항의 미생물 검출센서를 이용한 미생물 검출방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 미생물 함유 용액 주입 이후, 세척을 통해 비 특이적으로 결합한 미생물 제거공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 상기 미생물 검출방법.
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