KR20110126942A - 바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법 - Google Patents

바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 예는, 기준 전극 및 분석 대상 물질과 결합하는 압타머(Aptamer)가 고정화될 수 있는 작업 전극이 형성된 제1 기판; 및 상기 제1 기판과 대향하며, 상기 작업 전극 및 기준 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널이 형성된 제2 기판을 포함하며, 상기 작업 전극과 분석 대상 물질의 결합 전 및 후와 상기 기준 전극의 전기화학적 신호 차이를 측정할 수 있는 바이오칩을 제공한다.

Description

바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법{BIOCHIP AND MANUFACTURING METHOD THEREOF AND METHOD FOR DETECTING ANALYZED MATERIAL USING THE BIOCHIP}
본 발명은 바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법에 관한 것으로서, 특히 다양한 생체물질의 고감도 검출이 가능한 바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법에 관한 것이다.
현대 의학 및 생물학의 눈부신 발전으로, 인간의 유전자에 대한 정보가 알려지고 이에 따라 질병과 관계있는 DNA, RNA, 단백질 및 유기 저분자 등의 존재가 속속 드러나고 있다. 이와 같은 지식은 인류의 건강 및 영속에 큰 영향을 미칠 수 있는데, 암과 같은 중증질환인 경우에도 조기에 발견하면 치료 가능성과 생존율을 크게 높일 수 있을 뿐 아니라, 사회적으로는 이에 관련된 막대한 의료비용의 절감이 가능하기 때문이다.
질병을 조기에 진단하기 위해서는 질병의 초기 단계에서 발생하는 극미량의 단백질, DNA 또는 유기 저분자 등을 환자의 혈액 또는 체액으로부터 민감하게 검출할 수 있는 기술이 필요해진다. 최근에는 질병 특이 인자들을 고감도로 검출할 수 있는 센서를 개발하려는 연구가 많이 진행되고 있으며, 특히 질병 특이 인자들에 대한 정보를 빠르게 분석할 수 있는 바이오칩(Biochip)에 대한 관심이 높아지고 있다.
바이오칩은 DNA, 단백질, 효소, 항체, 미생물, 동식물 세포 및 기판, 신경세포 등의 생물학적 활성을 갖는 생체분자를 고체 상태의 소형박막에 고밀도로 부착하여 반도체 칩 형태로 제작한 혼성 소자(Hybrid Device)로서, 생체분자의 고유한 기능을 이용하며 유전자 발현 양상, 유전자 결합, 단백질 분포 등의 생물학적 정보를 얻거나 생화학적 공정 및 반응 속도 또는 정보 처리 속도를 높이는 도구나 장치를 말한다.
바이오칩은 사용되는 생체물질의 용도, 시스템화 정도 등에 따라 다양하게 분류되는데, 크게 마이크로어레이칩(Microarray Chip)과 마이크로플루이딕스 칩(Microfluidics Chip)으로 분류할 수 있다. 마이크로어레이칩은 수천 혹은 수 만개의 DNA, 단백질, 탄수화물, 펩타이드 등을 일정간격으로 배열하여 붙이고 분석 대상 물질을 처리하여 결합양상을 분석할 수 있는 칩으로서, 부착하는 생물분자에 따라 DNA칩, 단백질칩이 대표적이며 그 밖에 세포칩, 글리코칩(Glycochip) 등이 있다.
마이크로플루이딕스 칩은 미량의 분석 대상 물질을 미세유체 채널(Microfluidic Channel)로 흘려보내면서 칩에 집적되어있는 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 칩을 말한다. 마이크로플루이딕스 칩은 다양한 샘플을 아주 적은 양만으로 연속적으로 분석할 수 있는 방법을 제공하여 고속 처리 분석을 가능하게 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
마이크로플루이딕스 칩은 많은 장점을 가지고 있는 반면 상용화되어 보급되기 위해서는 채널 내의 극미량, 정밀 유체 흐름 제어, 다른 장비와의 연결문제, 고감도 검출방법 등 아직 해결해야 할 난제들을 안고 있다.
본 발명의 일 목적은 다양한 생체물질의 고감도 검출이 가능한 바이오칩을 제공하고, 이러한 바이오칩을 용이하게 설계할 수 있는 바이오칩의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 다양한 생체물질의 고감도 검출이 가능한 바이오칩을 이용한 분석 대상 물질의 검출 방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 예는, 기준 전극 및 분석 대상 물질과 결합하는 압타머(Aptamer)가 고정화될 수 있는 작업 전극이 형성된 제1 기판; 및 상기 제1 기판과 대향하며, 상기 작업 전극 및 기준 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널(Microfluidic Channel)이 형성된 제2 기판을 포함하며, 분석 대상 물질의 결합 전 및 후의 상기 작업 전극과 상기 기준 전극의 전기화학적 신호 차이를 측정하는 바이오칩을 제공한다.
상기에서, 상기 작업 전극은 Au를 포함하여 형성되며, 바람직하게 Cr/Au의 다층 구조로 형성된다.
상기 기준 전극은 Pt를 포함하여 형성되며, 바람직하게 Cr/Pt의 다층 구조로 형성된다.
상기 미세유체 채널은 상기 작업 전극 및 상기 기준 전극과 교차하여 형성된다.
상기 미세유체 채널의 양 끝단에 배치된 시료 주입구 및 시료 배출구를 더 포함한다.
상기 전기화학적 신호는 전류, 전압, 컨덕턴스(conductance) 및 임피던스(impedance) 중에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 분석 대상 물질은 트롬빈, 단백질, 펩티드, 아미노산, 뉴클레오티드, 드러그, 비타민 및 유/무기 화합물로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 제2 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어진다.
상기 압타머는 DNA 또는 RNA로 구성된 핵산 유사물질이다.
또한, 본 발명의 일 실시 예는, 압타머를 작업 전극에 고정화하는 단계; 기준 전극 및 상기 압타머가 고정화된 작업 전극의 제1 전기화학적 신호를 측정하는 단계; 분석 대상 물질과 상기 압타머를 결합시키는 단계; 상기 기준 전극 및 상기 분석 대상 물질이 결합된 작업 전극의 제2 전기화학적 신호를 측정하는 단계; 및 상기 제1 전기화학적 신호와 상기 제2 전기화학적 신호의 변화 차이를 분석하는 단계를 포함하는 분석 대상 물질 검출 방법을 제공한다.
상기에서, 상기 압타머를 작업 전극에 고정화하는 단계는, 상기 작업 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널에 상기 압타머를 포함한 시료용액을 주입하여 수행한다.
상기 압타머의 농도는 5nM 내지 10nM이다.
상기 분석 대상 물질과 상기 압타머를 결합시키는 단계는, 상기 작업 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널에 상기 분석 대상 물질을 포함한 시료용액을 주입하여 수행한다.
상기 제1 및 제2 전기화학적 신호는 전류, 전압, 컨덕턴스 및 임피던스 중에서 선택되는 어느 하나이다.
또한, 본 발명의 일 실시 예는, 기준 전극 및 분석 물질과 결합하는 압타머가 고정화될 수 있는 작업 전극이 형성된 제1 기판을 마련하는 단계; 미세유체 채널이 형성된 제2 기판을 마련하는 단계; 및 상기 작업 전극 및 상기 기준 전극 상에 상기 미세유체 채널에 의한 유로가 형성되도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하는 단계를 포함하는 바이오칩의 제조 방법을 제공한다.
상기에서, 상기 제1 기판을 마련하는 단계는, 상기 제1 기판 상에 제1 오픈 영역을 포함한 제1 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 감광막 패턴 및 상기 제1 오픈 영역 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 오픈 영역에 상기 제1 전극이 잔류되도록 리프트-오프(lift-off) 공정으로 상기 제1 감광막 패턴을 제거하는 단계; 상기 제1 기판 상에 잔류된 상기 제1 전극과 일정 간격 이격된 제2 오픈 영역을 포함한 제2 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 감광막 패턴 및 상기 제2 오픈 영역 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 오픈 영역에 상기 제2 전극이 잔류되도록 리프트-오프 공정으로 상기 제2 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전극은 Au를 포함하여 형성되며, 바람직하게 Cr/Au의 다층 구조로 형성된다.
상기 제2 전극은 Pt를 포함하여 형성되며, 바람직하게 Cr/Pt의 다층 구조로 형성된다.
상기 제2 기판을 마련하는 단계는, 희생 기판 상의 중앙부에 희생 몰드층 패턴을 형성하는 단계; 상기 희생 몰드층 패턴 및 상기 희생 기판 상에 몰드층을 형성하는 단계; 및 상기 희생 몰드층 패턴에 의하여 상기 미세유체 채널이 형성되도록 상기 몰드층을 상기 희생 몰드층 패턴 및 상기 희생 기판으로부터 분리하는 단계를 포함한다.
상기 제2 기판의 상기 미세유체 채널의 양 끝단에 시료 주입구 및 시료 배출구를 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 제2 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 형성한다.
본 발명에 따르면, 압타머(Aptamer)를 작업 전극에만 고정하도록 전극 형성 물질 또는 압타머의 농도를 최적화함으로써 분석 대상 물질의 고감도 검출이 가능한 바이오칩을 제공할 수 있다.
바이오칩의 작업 전극 및 기준 전극을 리프트-오프(lift-off) 공정으로 빠르고 쉽게 형성할 수 있고, 제조 공정을 단순화하여 제조 단가를 낮출 수 있다.
2전극 시스템으로 구성된 하부 기판을 포함하는 콤팩트한 바이오칩 형성을 통해 POCT(Point-of-care-testing)가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1을 선 A-A'로 절취한 단면도로서 바이오칩을 이용한 분석 대상 물질의 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩에서 작업 전극 및 기준 전극을 구비한 하부 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩에서 미세유체 채널을 구비한 상부 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 따라서, 도면에서의 요소들이 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩(100)은 분석 대상 물질과 결합하는 압타머(Aptamer)가 고정화될 수 있는 작업 전극(Working Electrode, 120) 및 기준 전극(Reference Electrode, 130)이 형성된 하부 기판(110)과 상기 하부 기판(110)과 대향하여 미세유체 채널(Microfluidic Channel, 150) 및 미세유체 채널(150)의 양 끝단에 시료 주입구(160)와 시료 배출구(170)가 형성된 상부 기판(140)을 포함한다.
상기 작업 전극(120)은 전기화학 셀에서 측정하고자 하는 전극을 일컬으며, 상기 기준 전극(130)을 연결하여 분석 대상 물질과 압타머(Aptamer)와의 반응 전·후에 따른 신호 변화를 측정하게 된다. 신호 변화는 임피던스(impedance) 차이를 이용한 방법, 순환 전압전류법(Cyclic voltammertry;CV), Chronoaperometry(CA), 시차펄스 전압전류법(Differential Pulse Voltammetry; DPV), 네모파 전압전류법(Square-wave Voltammetry; SWV) 등의 전기화학적 검출 방식을 이용할 수 있다.
이를 위하여, 상기 작업 전극(120)은 전도성 물질로 형성되며, 바람직하게 Au를 포함하여 Cr/Au이 차례로 적층된 다층 구조로 형성될 수 있다.
압타머는 분석 대상 물질을 검출하기 위해 분석 대상 물질과 결합하는 생물학적 수용체로서, DNA 또는 RNA로 구성된 핵산 유사물질로 항원, 항체보다 크기(2nm 이하)가 작고, 특이적인 3차원 구조로 인해 메틸기(-CH3) 하나의 차이에도 그 결합 유무에 따라 구별할 수 있을 정도로 다양한 분석 대상 분자와의 결합에서도 그 특이성이 뛰어나다. 압타머는 일단 서열이 알려지면 화학적인 합성법을 통해 쉽게 대량으로 생산이 가능해 경제적으로도 우수하고 균일한 활성을 가지고 있다. 그리고, 압타머는 쉽게 기능화가 가능하며 고정화 및 각종 표지물질의 부착이 용이하여 다양한 분야로 활용이 가능하다. 압타머는 단백질 기반으로 저온보관을 요하며 유통기한이 짧은 항체들과는 달리 상대적으로 온도변화나 주변의 이온농도에 따라 가역적으로 변환이 가능한 3차원 구조를 갖기 때문에 재사용이 가능한 것이 가장 큰 특징이라고 할 수 있다.
압타머의 경우 항체보다 빠른 개발 시간, 낮은 생산 비용, 적은 면역 거부 반응, 생화학적 안정성 등의 장점을 갖으면서도 바이어스, 암, 약물 확인(drug screening)에 이르기까지 그 응용범위가 다양하기 때문에 검출 및 진단용 바이오칩 또는 바이오센서(Biosensor)로 이용하기 적합하다.
본 발명의 일 실시 예에서와 같이, 상기 작업 전극(120)을 Cr/Au의 다층 구조로 형성할 경우 압타머의 5' 말단부에 티올 그룹(thiol group)이 연결되고, Au-S 결합(gold-sulfur linkage)을 이용하여 상기 작업 전극(120)에 압타머가 특이적으로 고정화되게 된다.
한편, 상기 작업 전극(120)에 압타머를 고정화하는 조건은 압타머의 농도를 조절하여 최적화할 수 있으며, 이 경우 압타머의 농도는 5nM 내지 10nM로 설정할 수 있다. 압타머의 농도는 이에 한정되지 않으며, 사용하는 전극의 크기에 따라 다르게 설정할 수 있다.
상기 분석 대상 물질로는 트롬빈(thrombin), 단백질(protein), 펩티드(peptides), 아미노산(amino acids), 뉴클레오티드(nucleotids), 드러그(drugs), 비타민(vitamins), 유/무기 화합물(organic/inorganic compound) 중 적어도 어느 하나가 고려될 수 있다. 이때, 트롬빈은 혈액 응고의 본질인 혈액 속의 가용성 피브리노겐을 가수분해하여 불용성인 피브린으로 변화시키는 반응을 촉진한다. 트롬빈은 주성분이 단백질로, 최소 분자량은 8,000이며 중합하기 쉬운 성질을 가진다. 트롬빈의 활성화는 외부자극으로 인한 혈관의 손상을 나타내는 지표로 사용될 수 있고, 혈액 응고 능력을 조사할 수 있기 때문에 질병의 조기 진단에 이용할 수 있는 물질이다.
상기 기준 전극(130)은 상기 작업 전극(120) 표면에서 분석 대상 물질과 압타머의 반응 전ㆍ후의 신호 변화를 측정하기 위한 기준이 되는 전극으로서, 상기 작업 전극(120)과 일정 간격 이격되어 나란히 배치되며 전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 바이오칩(100)은 분석 대상 물질 검출 시 분석 대상 물질이 상기 미세유체 채널(150) 안에 흐르기 때문에 전극의 반응성에 문제가 생길 수 있으므로, 실제적인 반응이 일어나는 상기 작업 전극(120)과의 반응성뿐만 아니라 그 기준이 되는 상기 기준 전극(130)과의 반응성도 고려되어야 한다.
상기 작업 전극(120)의 압타머 고정화 조건은 최대가 되면서 상대적으로 상기 기준 전극(130)의 비특이적 결합은 최소가 되어야 고감도 신호를 얻을 수 있는 것은 자명하다. 따라서, 상기 기준 전극(130)은 Pt를 포함하여 형성되되, Cr/Pt이 차례로 적층된 다층 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 하부 기판(110)은 유리(glass), 석영(quartz) 또는 실리콘(Si)과 같은 재질로 형성될 수 있으며, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
이렇듯, 기준 전극(130) 및 분석 대상 물질과 결합하는 압타머가 고정화될 수 있는 작업 전극이 형성된 상기 하부 기판(110)은 작업 전극(120)과 기준 전극(130)으로만 이루어지는 2전극 시스템 또는 2전극 셀로 구성된다. 2전극 시스템으로 구성된 하부 기판(110)은 간단한 제조 공정을 통한 형성이 가능하므로 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 갖는다.
상기 바이오칩(100)은 크게 생물학적 수용체(Bio-receptor)(예: 압타머)와 신호변환기(Signal transducer)로 구성된다. 그 중 신호변환기는 생물학적 수용체와 분석 대상 물질 간의 선택적 반응결과 이온, 전자 등이 발생하면 이를 전류, 전압, 컨덕턴스(conductance), 임피던스 등의 전기화학적(Electrochemical) 신호로 변환하는 것으로, 상기 작업 전극(120) 및 상기 기준 전극(130)이 이에 해당된다.
다음으로, 상기 하부 기판(110)과 대향되는 상부 기판(140)은 절연성 재료로 제작될 수 있으며, 이러한 절연성 재료로는 전기화학적 바이오칩을 동시에 대량으로 제조하기 위한 몰딩 등의 제조방법에 적합한 유연성과 지지체로서의 강성을 지니는 것이면 어느 것이든 가능하다. 바람직하게, 상부 기판(140)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 형성될 수 있다.
상기 상부 기판(140)에 형성되는 상기 미세유체 채널(150)은 상기 하부 기판(110)의 작업 전극(120) 및 기준 전극(130) 상에 유로를 형성하기 위한 것으로 상기 작업 전극(120) 및 기준 전극(130)과 교차하여 형성된다.
그리고, 상기 상부 기판(140)에서 상기 미세유체 채널(150)의 양 끝단의 일측에는 압타머 및 분석 대상 물질이 주입되는 시료 주입구(160)가 형성되고, 상기 미세유체 채널(150)의 양 끝단의 타측에는 압타머 및 분석 대상 물질이 배출되는 시료 배출구(170)가 형성된다.
따라서, 상기 미세유체 채널(150)로 미량의 압타머 및 분석 대상 물질을 흘려보내면서, 바이오칩(100) 내에 존재하는 각종 물질을 분석할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩(100)은 비특이적인 결합을 확인하기 위하여 작업 전극(120)의 Au 뿐만 아니라 기준 전극(130)의 Pt와, 미세유체 채널(150)로 만들어지는 상부 기판(140)의 PDMS 표면, 그리고 하부 기판(110) 등 압타머와 반응을 할 수 있는 표면에 대한 형광실험을 수행하여 얻어진 것이다. 이 경우, 압타머 5' 말단부에 티올 그룹을 연결하고, 3' 말단부에 Cy3 형광물질을 연결하였다.
상기한 바와 같이 2전극 시스템으로 구성된 하부 기판(110)을 포함하여 형성된 바이오칩(100)은 콤팩트한 시스템을 갖추고 있으므로 POCT(Point-of-care-testing)을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩(100)은 마이크로플루이딕스 칩(Microfluidics Chip)과 같은 형태의 전극 시스템으로 전기화학적 검출기로 활용될 수 있다.
도 2는 도 1을 선 A-A'로 절취한 단면도로서 바이오칩을 이용한 분석 대상 물질의 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 미량의 압타머(180)를 포함한 시료용액(미도시)을 시료 주입구(160)에 주입한다. 주입된 압타머(180)를 포함한 시료용액은 전극(120, 130)에 걸려진 전압에 의해 미세유체 채널(150)을 따라 작업 전극(120) 및 기준 전극(130) 쪽으로 흘러간다. 이를 통해, 압타머(180)의 5' 말단부에 티올 그룹(thiol group)이 연결되고, Au-S 결합(gold-sulfur linkage)에 의해 작업 전극(120)에 압타머(180)가 특이적으로 고정화되게 된다.
상기 압타머(180)를 포함한 시료용액은 KCl에 K[Fe(CN)6]를 첨가한 전해질을 사용할 수 있다.
이후, 압타머(180)가 고정화된 작업 전극(120) 및 기준 전극(130)의 전기화학적 신호를 측정한다. 전기화학적 신호는 예를 들어, 전류, 전압, 컨덕턴스, 임피던스 등일 수 있다.
다음으로, 분석 대상 물질을 포함한 시료용액(미도시)을 시료 주입구(160)에 주입하여 미세유체 채널(150)을 통해 시료용액을 작업 전극(120)과 기준 전극(130)으로 흘려보낸다. 이를 통해, 작업 전극(120)에 고정화된 압타머(180)와 분석 대상 물질(190)이 결합하게 되고, 전해질 안의 이온 교환에 의해 작업 전극(120) 표면에서의 전기화학반응이 유도된다.
이어서, 분석 대상 물질(190)과 압타머(180)의 반응 후의 작업 전극(120) 및 이들 결합이 발생하지 않은 기준 전극(130)의 전기화학적 신호를 측정한다. 이 경우, 전기화학적 신호는 예를 들어, 전류, 전압, 컨덕턴스, 임피던스 등일 수 있다. 이때, 임피던스는 작업 전극(120) 표면에서의 분석 대상 물질(190)과 압타머(180)의 상호반응을 인지함에 따라 변화하는 전하 이동 저항(Charge transfer resistance)를 측정함으로써 측정된다.
이후, 분석 대상 물질(190)과 압타머(180)와의 반응 전·후에 따른 신호 변화를 분석하여 분석 대상 물질(190)을 검출한다.
즉, 바이오칩(100)은 작업 전극(120)의 표면에 고정화된 압타머(180)를 갖고 있으며, 압타머(180)와 분석 대상 물질(190) 간의 결합으로부터 초래되는 전기화학적 신호를 분석하여 분석 대상 물질(190)을 감지하는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, FeCN6 3 -redox probe + KCl 전해질을 활용하여 작업 전극(120)의 환원반응을 순환 전압전류법(CV)과 Chronoaperometry(CA)를 통해 확인하여, 분석 대상 물질(190)과 압타머(180) 반응 전·후의 임피던스 변화를 통해 분석 대상 물질(190)의 농도별 정량화를 가능하게 할 수 있다.
이하, 도 3a 내지 도 3h 및 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩용 하부 기판 및 상부 기판의 제조 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩에서 작업 전극 및 기준 전극을 구비한 하부 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
우선, 도 3a를 참조하면, 유리, 석영 또는 실리콘과 같은 재질의 하부 기판(310) 상에 감광물질을 도포하여 제1 감광막(320)을 형성한다. 제1 감광막(320)은 감광물질을 스핀 코팅(spin coating) 방식으로 도포하여 형성할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 마스크(미도시)를 이용하여 제1 감광막(도 3a의 320)을 노광 및 현상하여 하부 기판(310)의 표면 일부를 노출시키는 오픈 영역(A)을 구비한 제1 감광막 패턴(320a)을 형성한다.
도 3c를 참조하면, 제1 감광막 패턴(320a)을 포함한 하부 기판(310) 상에 제1 전극(330)을 형성한다. 제1 전극(330)은 이후에 작업 전극으로 사용하기 위한 것으로, Au를 포함하여 형성하되, 바람직하게 Cr과 Au를 차례로 적층하여 Cr/Au의 다층 구조로 형성할 수 있다.
제1 전극(330)은 스퍼터링(sputtering), 기상(evaporation)법, 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 등 다양한 방법으로 증착하여 형성할 수 있으며, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 3d를 참조하면, 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 제1 감광막 패턴(도 3c의 320a)을 제거한다. 리프트-오프 공정은 제1 감광막 패턴(도 3c의 320a)이 선택적으로 제거될 수 있도록 제1 전극(도 3c의 330)보다 제1 감광막 패턴(도 3c의 320a)에 대한 식각 선택비(또는 식각률)가 높은 식각 물질을 사용하여 실시할 수 있다.
제1 감광막 패턴(도 3c의 320a)을 제거하기 위한 리프트-오프 공정에 의해 제1 감광막 패턴(도 3c의 320a)이 제거되면서 제1 감광막 패턴(도 3c의 320a) 상에 증착된 제1 전극(도 3c의 330)도 함께 제거된다.
이로써, 오픈 영역(A)에만 제1 전극(도 3c의 330)이 잔류되고, 하부 기판(310) 상에 잔류된 제1 전극(도 3c의 330)은 전기화학 셀에서 측정하고자 하는 전극인 작업 전극(330a)으로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 일반적으로 반도체 공정에서 사용하는 습식 식각(wet etching) 공정을 대신하여 리프트-오프 공정을 이용함으로써, 제1 전극(도 3c의 330)에 대한 별도의 식각 없이 제1 감광막 패턴(도 3c의 320a)을 제거하는 과정에서 원하는 작업 전극(330a)을 얻을 수 있다.
다음으로, 도 3e를 참조하면, 작업 전극(330a)이 형성된 하부 기판(310) 상에 감광물질을 도포하여 제2 감광막(340)을 형성한다. 제2 감광막(340)은 감광물질을 스핀 코팅 방식으로 도포하여 형성할 수 있다.
도 3f를 참조하면, 마스크(미도시)를 이용하여 제2 감광막(도 3e의 340)을 노광 및 현상하여 하부 기판(310)의 표면 일부를 노출시키는 오픈 영역(B)을 구비한 제2 감광막 패턴(340a)을 형성한다. 이때, 오픈 영역(B)은 작업 전극(330a)과 일정 간격 이격되도록 형성한다.
도 3g를 참조하면, 제2 감광막 패턴(340a)을 포함한 하부 기판(310) 상에 제2 전극(350)을 형성한다. 제2 전극(350)은 이후에 기준 전극으로 사용하기 위한 것으로, Pt를 포함하여 형성하되, 바람직하게 Cr과 Pt를 차례로 적층하여 Cr/Pt의 다층 구조로 형성할 수 있다. 제2 전극(350)은 스퍼터링, 기상법, 원자층 증착법 등 다양한 방법으로 증착하여 형성할 수 있으며, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 3h를 참조하면, 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 제2 감광막 패턴(도 3g의 340a)을 제거한다. 리프트-오프 공정은 제2 감광막 패턴(도 3g의 340a)이 선택적으로 제거될 수 있도록 제2 전극(도 3g의 350)보다 제2 감광막 패턴(도 3g의 340a)에 대한 식각 선택비(또는 식각률)가 높은 식각 물질을 사용하여 실시할 수 있다.
제2 감광막 패턴(도 3g의 340a)을 제거하기 위한 리프트-오프 공정에 의해 제2 감광막 패턴(도 3g의 340a)이 제거되면서 제2 감광막 패턴(도 3g의 340a) 상에 증착된 제2 전극(도 3g의 350)도 함께 제거된다.
이로써, 오픈 영역(B)에만 제2 전극(도 3g의 350)이 잔류되고, 하부 기판(310) 상에 잔류된 제2 전극(도 3g의 350)은 전기화학 셀에서 기준 전극(350a)으로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 일반적으로 반도체 공정에서 사용하는 습식 식각(wet etching) 공정을 대신하여 리프트-오프 공정을 이용함으로써, 제2 전극(도 3g의 350)에 대한 별도의 식각 없이 제2 감광막 패턴(도 3g의 340a)을 제거하는 과정에서 원하는 기준 전극(350a)을 얻을 수 있다.
이렇게 하부 기판(310) 상에 형성된 작업 전극(330a) 및 기준 전극(350a)은 전기화학 셀에서 2전극 시스템을 구성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에서는 전기화학 셀에서 작업 전극(330a) 및 기준 전극(350a)의 2전극 시스템을 구성하되, 리프트-오프 공정을 이용하여 제조 공정의 단순화를 통해 비교적 빠르고 쉽게 작업 전극(330a) 및 기준 전극(350a)을 형성할 수 있고, 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 갖는다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오칩에서 미세유체 채널을 구비한 상부 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 희생 기판(400) 상에 희생 몰드층(410)을 형성한다. 희생 몰드층(410)은 감광 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 감광물질을 스핀 코팅 방식으로 도포하여 형성할 수 있다. 희생 기판(400)은 바이오칩용 상부 기판을 제조하기 위해 사용되는 기판으로서 실리콘 기판을 이용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4b를 참조하면, 마스크(미도시)를 이용하여 희생 몰드층(도 4a의 410)을 노광 및 현상하여 희생 기판(400)의 중앙부에 희생 몰드층 패턴(410a)을 형성한다. 이로써, 희생 몰드층 패턴(410a)에 의해 희생 기판(400)의 양측 표면이 노출된다.
희생 몰드층 패턴(410a)은 이후에 형성될 상부 기판에 바이오칩용 하부 기판의 작업 전극 및 기준 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널을 형성하기 위한 영역을 제공하기 위한 것으로, 하부 기판에 형성된 작업 전극 및 기준 전극의 위치 및 높이를 고려하여 그 위치와 폭의 크기 및 높이를 결정하는 것이 바람직하다.
특히, 희생 몰드층 패턴(410a)은 바이오칩용 하부 기판의 작업 전극 및 기준 전극 상에 유로를 형성할 수 있도록 바이오칩용 하부 기판에 형성된 작업 전극 및 기준 전극과 교차하여 형성한다.
도 4c를 참조하면, 희생 몰드층 패턴(410a)을 포함한 희생 기판(400) 상에 몰드층(420)을 형성한다. 몰드층(420)은 미세유체 채널을 구비한 상부 기판을 형성하기 위한 것으로, 플라스틱의 사출성형으로 형성한다.
몰드층(420)은 희생 몰드층 패턴(410a)을 포함한 희생 기판(400)을 임시형틀(미도시)에 고정한 후 희생 몰드층 패턴(410a)이 형성되어 있는 희생 기판(400) 위에 준비된 액상의 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)을 부은 다음 경화(Curing)를 통해 고형화하여 형성한다. 경화 공정은 70℃ 정도의 오븐(oven)에서 4시간 정도 실시할 수 있다. 이후, 임시형틀을 제거한다.
도 4d를 참조하면, 희생 기판(400)과 희생 몰드층 패턴(410a)의 표면을 따라 복제된(replica) 몰드층(420)을 희생 기판(400) 및 희생 몰드층 패턴(도 4c의 410a)에서 떼어낸다.
이로써, 몰드층(420)의 희생 몰드층 패턴(도 4c의 410a)이 분리되어 형성된 음각 패턴 영역(오목부)에 바이오칩용 하부 기판의 작업 전극 및 기준 전극과 교차하여 그 상부에 유로를 형성하는 미세유체 채널(430)이 형성된다.
상기 미세유체 채널(430)은 바이오칩용 하부 기판의 작업 전극 및 기준 전극과 같은 전극부로 압타머 및 분석 대상 물질을 포함한 액체시료를 유도하는 역할을 수행한다.
도 4e를 참조하면, 몰드층(도 4d의 420)에 형성된 미세유체 채널(430)의 양 끝단에 시료용액이 유입되는 시료 주입구(440) 및 시료용액이 배출되는 시료 배출구(450)를 형성한다. 즉, 미세유체 채널(430) 끝단의 일측에는 시료 주입구(440)를 형성하고, 타측에는 시료 배출구(450)를 형성한다.
시료 주입구(440) 및 시료 배출구(450)는 광리소그래피로 몰드층(도 4d의 420)을 패터닝하여 형성하거나 또는 PDMS는 적당한 때에 부드러운 특성을 이용하여 미세유체 채널(430)의 양 끝단에 대응되는 영역의 몰드층(도 4d의 420)에 주사침으로 구멍을 뚫어 형성할 수도 있다.
이로써, 미세유체 채널(430)과 미세유체 채널(430)의 양 끝단에 시료 주입구(440) 및 시료 배출구(450)를 포함하는 상부 기판(420a)이 완성된다.
따라서, 시료 주입구(440)로 주입된 압타머 및 분석 물질 등을 포함한 시료용액은 미세유체 채널(430)을 통해 바이오칩용 하부 기판의 작업 전극 및 기준 전극에 주입되는 것이다.
한편, 시료 주입구(440) 및 시료 배출구(450)는 바이오칩용 상부 기판과 하부 기판을 합착한 후 광리소그래피로 상부 기판을 패터닝하여 형성하거나 미세유체 채널의 양 끝단에 대응되는 영역의 상부 기판에 주사침으로 구멍을 뚫어 형성할 수도 있음은 물론이다.
도면으로 도시하지는 않았으나, 도 3h의 하부 기판(310)과 도 4e의 상부 기판(420a)을 제작한 후에는 하부 기판(310)과 대향하도록 상부 기판(420a)을 합착할 수 있다.
구체적으로, 유리로 이루어진 하부 기판(310) 상에 PDMS로 이루어진 상부 기판(420a)을 합착하는 방법은 일례로 하기와 같다. 우선, PDMS를 메탄올(metanol)에 담궈서 10분간 고주파 분해(sonication)한 후 메탄올로 다시 한번 세척하고 건조시킨다. 그 다음, 건조된 PDMS는 테슬러 코일을 사용하여 표면을 실란올기로 산화시켜 유리와 밀착시킨 다음 4시간정도 방치하여 접합시킨다.
이 경우, PDMS로 이루어진 상부 기판(420a)은 유리 등의 하부 기판(310) 상에 첩부(pasting)하면 딱 들어맞아 미세유체 채널(430) 사이를 흐르는 유체를 봉지하게 된다.
한편, 상술한 방법 외에 다른 방법으로도 하부 기판(310)과 상부 기판(420a)을 합착할 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100:바이오칩 110, 310:하부 기판
120, 330a:작업 전극 130, 350a:기준 전극
140, 420a:상부 기판 150, 430:미세유체 채널
160, 440:시료 주입구 170, 450:시료 배출구
180:압타머 190:분석 대상 물질
320:제1 감광막 320a:제1 감광막 패턴
330:제1 전극 340:제2 감광막
340a:제2 감광막 패턴 350:제2 전극
400:희생 기판 410:희생 몰드층
410a:희생 몰드층 패턴 420:몰드층

Claims (25)

  1. 기준 전극 및 분석 대상 물질과 결합하는 압타머가 고정화될 수 있는 작업 전극이 형성된 제1 기판; 및
    상기 제1 기판과 대향하며, 상기 작업 전극 및 기준 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널이 형성된 제2 기판을 포함하며,
    분석 대상 물질의 결합 전 및 후의 상기 작업 전극과 상기 기준 전극의 전기화학적 신호 차이를 측정하는 바이오칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업 전극은 Au를 포함하여 형성되는 바이오칩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업 전극은 Cr/Au의 다층 구조로 형성되는 바이오칩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 전극은 Pt를 포함하여 형성되는 바이오칩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 전극은 Cr/Pt의 다층 구조로 형성되는 바이오칩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 상기 작업 전극 및 상기 기준 전극과 교차하여 형성되는 바이오칩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세유체 채널의 양 끝단에 배치된 시료 주입구 및 시료 배출구를 더 포함하는 바이오칩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기화학적 신호는 전류, 전압, 컨덕턴스 및 임피던스 중에서 선택되는 어느 하나인 바이오칩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석 대상 물질은 트롬빈, 단백질, 펩티드, 아미노산, 뉴클레오티드, 드러그, 비타민 및 유/무기 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 바이오칩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어지는 바이오칩.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 압타머는 DNA 또는 RNA로 구성된 핵산 유사물질인 바이오칩.
  12. 압타머를 작업 전극에 고정화하는 단계;
    기준 전극 및 상기 압타머가 고정화된 작업 전극의 제1 전기화학적 신호를 측정하는 단계;
    분석 대상 물질과 상기 압타머를 결합시키는 단계;
    상기 기준 전극 및 상기 분석 대상 물질이 결합된 작업 전극의 제2 전기화학적 신호를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 전기화학적 신호와 상기 제2 전기화학적 신호의 변화 차이를 분석하는 단계를 포함하는 분석 대상 물질 검출 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압타머를 작업 전극에 고정화하는 단계는,
    상기 작업 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널에 상기 압타머를 포함한 시료용액을 주입하여 수행하는 분석 대상 물질 검출 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 압타머의 농도는 5nM 내지 10nM인 분석 대상 물질 검출 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    분석 대상 물질과 상기 압타머를 결합시키는 단계는,
    상기 작업 전극 상에 유로를 형성하는 미세유체 채널에 상기 분석 대상 물질을 포함한 시료용액을 주입하여 수행하는 분석 대상 물질 검출 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학적 신호는 전류, 전압, 컨덕턴스 및 임피던스 중에서 선택되는 어느 하나인 분석 대상 물질 검출 방법.
  17. 기준 전극 및 분석 물질과 결합하는 압타머가 고정화될 수 있는 작업 전극이 형성된 제1 기판을 마련하는 단계;
    미세유체 채널이 형성된 제2 기판을 마련하는 단계; 및
    상기 작업 전극 및 상기 기준 전극 상에 상기 미세유체 채널에 의한 유로가 형성되도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하는 단계를 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 기판을 마련하는 단계는,
    상기 제1 기판 상에 제1 오픈 영역을 포함한 제1 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 감광막 패턴 및 상기 제1 오픈 영역 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 오픈 영역에 상기 제1 전극이 잔류되도록 리프트-오프 공정으로 상기 제1 감광막 패턴을 제거하는 단계;
    상기 제1 기판 상에 잔류된 상기 제1 전극과 일정 간격 이격된 제2 오픈 영역을 포함한 제2 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 감광막 패턴 및 상기 제2 오픈 영역 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 오픈 영역에 상기 제2 전극이 잔류되도록 리프트-오프 공정으로 상기 제2 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 Au를 포함하여 형성되는 바이오칩의 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 Cr/Au의 다층 구조로 형성되는 바이오칩의 제조 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 Pt를 포함하여 형성되는 바이오칩의 제조 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 Cr/Pt의 다층 구조로 형성되는 바이오칩의 제조 방법.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 제2 기판을 마련하는 단계는,
    희생 기판 상의 중앙부에 희생 몰드층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 희생 몰드층 패턴 및 상기 희생 기판 상에 몰드층을 형성하는 단계; 및
    상기 희생 몰드층 패턴에 의하여 상기 미세유체 채널이 형성되도록 상기 몰드층을 상기 희생 몰드층 패턴 및 상기 희생 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제2 기판의 상기 미세유체 채널의 양 끝단에 시료 주입구 및 시료 배출구를 형성하는 단계를 더 포함하는 바이오칩의 제조 방법.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 제2 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 형성하는 바이오칩의 제조 방법.
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