KR20120125906A - 자기조립 단분자층의 프린팅 방법을 이용한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서 - Google Patents
자기조립 단분자층의 프린팅 방법을 이용한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20120125906A KR20120125906A KR1020110043645A KR20110043645A KR20120125906A KR 20120125906 A KR20120125906 A KR 20120125906A KR 1020110043645 A KR1020110043645 A KR 1020110043645A KR 20110043645 A KR20110043645 A KR 20110043645A KR 20120125906 A KR20120125906 A KR 20120125906A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- graphene oxide
- reduced graphene
- biomaterial
- biosensor
- self
- Prior art date
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
- G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
- G01N27/3272—Test elements therefor, i.e. disposable laminated substrates with electrodes, reagent and channels
-
- 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
- G01N27/416—Systems
-
- 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
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
- G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
- G01N33/5438—Electrodes
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Hematology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
본 발명은 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프린팅 방법을 이용하여 선택적으로 자기조립 단분자층을 형성한 후 상기 자기조립 단분자층에 환원된 산화 그래핀을 흡착시키는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프린팅 방법을 이용하여 선택적으로 자기조립 단분자층을 형성한 후 상기 자기조립 단분자층에 환원된 산화 그래핀을 흡착시키는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서에 관한 것이다.
그래핀은 이론적으로 넓은 표면적(2630 ㎡/g), 높은 이동도 (200,000 ㎠/v?s), 높은 영계수(?1.0 TPa), ?5000 W/m?K의 열전도도, ?97.7%의 투광도와 높은 전기 전도도의 특성을 보인다. 이러한 그래핀 특성으로 인하여, 그래핀은 투명성 전극, 전계 효과 트랜지스터, 에너지 저장 및 변환 소자, 공진기, 광검출기 그리고 화학 센서 및 바이오센서 등의 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다. 증착된 그래핀의 경우, 표면 작용기가 없기 때문에 바이오물질과의 결합을 직접적으로 사용하기는 어려운 문제가 있어서, 산화 그래핀의 바이오 센서로의 적용은 이러한 문제를 해결하기 위한 장점을 가진다.
이러한 산화 그래핀 및 환원된 산화 그래핀을 바이오센서 등의 전자 소자에 사용하기 위해서는 필연적으로 선택적인 패턴 형성 과정이 필요하고, 종래에는 리소그래피 방법으로 감광막 패턴 하부에 환원된 산화 그래핀층을 식각하여 패턴 형성 혹은 감광막 패턴 상부에 그래핀 층을 증착 및 흡착하고 감광막 제거에 의한 리프트-오프(lift-off) 방법의 패턴 형성을 적용하였다. 하지만, 감광막을 이용한 패턴 형성 방법은 사용되는 감광막이 완전하게 제거되지 않고, 제거 공정에서 사용되는 화학 용액에 의해 환원된 산화 그래핀 층의 오염이 야기되어 바이오센서 제작에서 안정적인 특성을 얻지 못하는 문제점이 있다. 특히 바이오센서의 경우, 분석하고자 하는 목표 생체 분자와 결합하는 리셉터 분자를 고정함에 있어서 표면의 청정도를 유지하는 것이 아주 중요하다.
이에 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 프린팅 방법을 통해 양전하를 띄는 자기조립 단분자층을 형성한 후 음전하를 띄는 환원된 산화 그래핀과 결합시키면 표면의 청정도를 유지하면서 간단한 공정으로 환원된 산화 그래핀 패턴을 선택적으로 형성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 리소그래피 공정에 의한 표면 오염도 문제를 해결하기 위해 자기조립 단분자층을 프린팅 방법으로 형성한 후 이에 환원된 산화 그래핀을 흡착시킨 후 다양한 종류의 바이오물질이 부착되어 있는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기재 상에 선택적으로 위치한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서를 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법의 하나의 구체예에 따르면, 기재 표면에 프린팅 방법을 이용하여 양전하를 띄는 자기조립 단분자층 패턴을 형성하는 단계; 상기 기재 표면에 형성된 자기조립 단분자층 패턴에 음전하를 띄는 환원된 산화 그래핀을 흡착시켜 환원된 산화 그래핀 패턴을 형성하는 단계; 상기 환원된 산화 그래핀 패턴의 양단에 전극을 형성하는 단계; 상기 환원된 산화 그래핀 패턴에 바이오물질 고정화 링커를 형성하는 단계; 및 상기 바이오물질 고정화 링커에 바이오물질을 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기재와 자기조립 단분자층의 반응성 향상을 위하여 상기 자기조립 단분자층을 형성하는 단계를 실시하기 전에 기재의 표면에 -OH 작용기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다. 이러한 기재 표면에 -OH 작용기를 형성하는 단계는 NH4OH/H2O2/HO2 용액으로 처리한 후 산소 플라즈마 처리할 수 있다.
본 발명에 있어서, 수용액 상에서 자기조립 단분자층은 양전하를 띄고, 환원된 산화 그래핀은 음전하를 띄므로, 정전기적 인력에 의해 용이하게 흡착될 수 있다. 상기 자기조립 단분자층은 양전하를 띄기 위해 아민기를 포함하고, 바람직하게는 아미노알킬알콕시실란, 더 바람직하게는 3-아미노프로필트리메톡시실란 또는 3-아미노프로필트리에톡시실란을 사용하여 형성될 수 있고, 상기 환원된 산화 그래핀은 음전하를 띄기 위해 수산화기와 카르복시기를 포함하고, 바람직하게는 산화 그래핀의 부분 환원에 의한 생성물인 것을 특징으로 한다.
환원되지 않은 산화 그래핀은 전기적으로 절연 특성을 가지는 반면, 본 발명의 환원된 산화 그래핀은 산화 그래핀의 부분 환원에 의해, 대부분의 수산화기 (-OH), 카르복시기(-COOH) 등의 작용기를 유지하면서 전도도를 가지게 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 기재는 실리콘웨이퍼, 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 프린팅 방법은 잉크젯 프린팅 방법, 컨택 프린팅 방법 등을 모두 포함하고, 가장 바람직하게는 잉크젯 프린팅 방법이다.
본 발명에서 자기조립 단분자층에 환원된 산화 그래핀을 흡착시키는 단계는 자기조립 단분자층이 형성된 기재를 환원된 산화 그래핀 수용액에 함침시키는 방식으로 수행될 수 있다. 이러한 함침(dipping) 방법은 용이하고 간단한 공정 방식이므로, 전체 공정을 단순화할 수 있다.
본 발명의 바이오물질 고정화 링커는 특히 한정되지는 않으나, 알데히드 그룹이 포함한 자기조립 단분자, 예컨대, 3-(트리메톡시실릴) 프로필 알데히드 등을 사용할 수 있다. 여기에서 환원된 산화 그래핀의 카르복시기 및 수산화기와 바이오물질 고정화 링커 간의 반응은 실리콘-산소 간에 형성되는 공유 결합과 탄소의 sp2 오비탈 사이에 형성되는 π-π 상호 작용으로 형성된다. 바이오물질 고정화 링커는 프린팅 방법 또는 함침 방법을 이용하여 환원된 산화 그래핀 패턴에 흡착될 수 있다.
본 발명에서 고정되는 바이오물질은 항원, 항체, 핵산, 압타머, 펩타이드, 효소 등이 될 수 있고, 타겟 분자는 암 바이오 마커, 심장 질환의 바이오 마커, 알레르기와 관련된 단백질, 호르몬, 바이러스 등의 생체분자가 될 수 있다. 바이오물질은 프린팅 방법 또는 함침 방법을 이용하여 바이오물질 고정화 링커에 고정될 수 있다.
본 발명에 따라, 프린팅 방법에 의해 바이오물질 고정화 링커를 환원된 산화 그래핀 패턴에 흡착시키거나, 또는 프린팅 방법에 의해 바이오물질을 고정하는 경우에는 1 이상의 상이한 종류의 바이오물질 고정화 링커 또는 바이오물질을 사용함으로써 여러 종류의 바이오물질에 대해 인식 및 검출 가능한 바이오센서를 제조할 수 있게 한다. 프린팅 방법은 해당 물질을 원하는 위치에 선택적으로 흡착 또는 고정시킬 수 있기 때문이다.
본 발명에 의한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법의 다른 구체예에 따르면, 기재 표면에 프린팅 방법을 이용하여 양전하를 띄는 자기조립 단분자층 패턴을 형성하는 단계; 상기 기재 표면에 형성된 자기조립 단분자층 패턴에 음전하를 띄는 환원된 산화 그래핀 패턴을 흡착시켜 환원된 산화 그래핀 패턴을 형성하는 단계; 상기 환원된 산화 그래핀 패턴의 양단에 전극을 형성하는 단계; 및 상기 환원된 산화 그래핀 패턴에 바이오물질을 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 환원된 산화 그래핀 패턴의 표면에는 다량의 수산화기와 카르복시기가 존재하기 때문에, 상기 작용기와 직접적으로 바이오물질을 고정시킬 수도 있다. 바이오물질은 프린팅 방법 또는 함침 방법을 이용하여 환원된 산화 그래핀 패턴에 직접적으로 고정될 수 있다. 본 구체예에 따르면, 바이오 고정화 링커 형성 단계를 생략할 수 있는 바 공정이 보다 간단해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 프린팅 방법을 이용하여 선택적으로 자기조립 단분자층을 형성하고, 상기 자기조립 단분자층에 환원된 산화 그래핀을 흡착시키고, 상기 환원된 산화 그래핀에 바이오물질 고정화 링커와 바이오물질을 고정시켜 제조된 환원된 산화 그래핀을 포함하는 바이오센서를 제공한다. 이때, 바이오물질 고정화 링커와 바이오물질 고정시 프린팅 방법을 사용하여 다수의 타겟 분자를 검출할 수 있는 바이오센서를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 프린팅 방법으로 자기조립 단분자층을 형성한 후 정전기적 인력에 의한 간단한 공정으로 환원된 산화 그래핀 패턴을 원하는 위치에 형성할 수 있어 바이오물질 패턴의 형성 공정이나 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조공정이 매우 간단하고 빠르게 이루어지는 효과가 있다.
본 발명의 프린팅 방법을 이용한 환원된 산화 그래핀 패턴의 형성은 현상액이나 제거액을 사용하는 리소그래피 방법에 비해 불순물에 의한 오염을 최소화할 수 있어 표면에서의 불순물 산란에 의한 전자, 정공 캐리어의 영향을 제거할 수 있다. 그리고 생체 분자를 고정하기 위한 바이오물질이 상대적으로 균일하게 형성될 수 있어서, 감지 특성의 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 바이오물질 고정화 링커 또는 바이오물질을 프린팅 방법에 의해 고정하는 방식으로 여러 종류의 표적 물질에 대해 인식 및 검출 가능한 바이오센서를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바이오센서 제조방법에 의해 바이오센서를 제조하는 과정을 나타내는 측단면도.
도 2는 실시예의 자기 조립 단분자층에 의한 환원된 산화 그래핀의 선택적인 흡착을 나타내는 FE-SEM 측정 결과.
도 3은 실시예의 잉크젯 프린팅에 의한 선택적 자기 조립 단분자층의 현미경 사진과 패턴 내외의 환원된 산화 그래핀층의 흡착을 관찰한 AFM 결과.
도 4는 실시예의 산화 그래핀의 부분적인 환원에 의해 형성된 환원된 산화 그래핀층의 형성을 나타내는 라만현미경 측정 결과.
도 5는 실시예의 산화 그래핀층 및 환원된 산화 그래핀층의 산소 그룹의 함유량을 나타내는 이차이온질량분석기(SIMS) 측정 결과.
도 6은 실시예의 제작된 바이오센서에 의한 전립선 암의 바이오 마커인 PSA-ACT complex를 농도별로 측정한 전기적 특성 결과.
도 7은 실시예의 제작된 바이오센서에 의한 PSA-ACT complex의 검출을 나타내는 검량 곡선.
도 2는 실시예의 자기 조립 단분자층에 의한 환원된 산화 그래핀의 선택적인 흡착을 나타내는 FE-SEM 측정 결과.
도 3은 실시예의 잉크젯 프린팅에 의한 선택적 자기 조립 단분자층의 현미경 사진과 패턴 내외의 환원된 산화 그래핀층의 흡착을 관찰한 AFM 결과.
도 4는 실시예의 산화 그래핀의 부분적인 환원에 의해 형성된 환원된 산화 그래핀층의 형성을 나타내는 라만현미경 측정 결과.
도 5는 실시예의 산화 그래핀층 및 환원된 산화 그래핀층의 산소 그룹의 함유량을 나타내는 이차이온질량분석기(SIMS) 측정 결과.
도 6은 실시예의 제작된 바이오센서에 의한 전립선 암의 바이오 마커인 PSA-ACT complex를 농도별로 측정한 전기적 특성 결과.
도 7은 실시예의 제작된 바이오센서에 의한 PSA-ACT complex의 검출을 나타내는 검량 곡선.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바이오센서를 제조하는 과정을 나타내는 측단면도이다.
먼저, 도 1a는 기판 베이스로 사용할 기재(210)이며, 이 기재(210)는 실리콘웨이퍼, 유리 기판 및 플라스틱 기판 중에서 하나를 선택한다.
도 1b는 기재(210)의 표면에 표면 산화층(220)을 형성시킨 것이다. 이 표면 산화층(220)은 자기조립 단분자층이 형성되기 쉽게 하려는 것이다.
도 1c는 표면 산화층(220) 위에 자기조립 단분자층(230)을 형성한 모습이다. 이 자기조립 단분자층(230)은 잉크젯 프린팅 방법을 이용하여 원하는 패턴의 모양으로 직접 형성된다. 따라서 특정 패턴의 형상으로 자기조립 단분자층(230)의 형성은, 리소그래피 공정에 의한 복잡한 패턴 형성 과정과는 달리 공정이 매우 간단하고 빠르게 이루어질 수 있다.
프린팅 방법으로 자기조립 단분자층 패턴을 형성하는 방법은 특별히 한정되지는 않으나, 가장 바람직하게는 잉크젯 프린팅 방법이고, 이하 잉크젯 프린팅 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 먼저 자기조립 단분자 용액을 이용하여 잉크를 준비한다. 이때 자기조립 단분자 용액은 아민 작용기(-NH2)를 갖는 자기조립 단분자 용액에서 사용용도에 맞춰 선택할 수 있다. 그리고 잉크를 준비하는 과정에서 잉크의 점도, 표면장력 또는 용해도를 조절하여 잉크 방울의 형성과 자기조립 단분자층 패턴의 크기를 조절할 수 있다. 다음으로 준비된 잉크를 잉크젯 프린팅 기계에 적재하고, 잉크방울을 분사시키기 위하여 전압 펄스를 조절한다. 잉크의 점도, 표면장력, 용해도 또는 전압 펄스를 조절하여 최종적으로 패턴의 크기와 물성이 결정된다. 이에 따라 자기조립 단분자층 패턴의 패턴 라인의 폭을 10 내지 500㎛로 조절할 수 있으며, 자기조립 단분자층 패턴 라인 사이의 간격을 수십 ㎚에서 수백 ㎛까지 조절할 수 있다. 전압 펄스의 조절이 끝난 잉크젯 프린팅 기계를 이용하여 원하는 패턴의 형상으로 기재 위에 잉크를 분사한 뒤 소결과정을 실시하여 자기조립 단분자층을 형성한다.
도 1d는 상기 과정을 통해 형성된 자기조립 단분자층(230) 위에 환원된 산화 그래핀을 흡착시키는 과정이고, 도 1e는 자기조립 단분자층(230) 위에 흡착된 환원된 산화 그래핀(250)을 흡착시킨 모습이다. 자기조립 단분자층이 형성된 기재를 환원된 산화 그래핀 수용액에 함침시키면 아민기(-NH2)에 의하여 양전하를 띄는 자기조립 단분자층과 수산화기(-OH)와 카르복시기(-COOH) 등의 작용기에 의하여 음전하를 띄는 환원된 산화 그래핀이 정전기적 인력에 의해 흡착될 수 있다.
본 발명에서 환원된 산화 그래핀을 사용한 이유는 첫째, 산화 그래핀은 표면에 수산기(-OH), 에폭시드기(C-O-C), 카르복시기(-COOH), 카보닐기(C=O)의 작용기가 존재하여 전기적으로 절연체의 특성을 보이지만, 부분적인 환원 과정을 통하여 전기 전도의 특성을 가질 수 있고, 작용기의 함량을 조절할 수 있어서, 풍부한 작용기와 바이오물질 간의 결합에 의하여 표면에 다량의 바이오물질을 고정할 수 있기 때문이다. 본 발명에서, 산화 그래핀을 환원하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니나, 히드라진과 같은 환원제를 사용하여 산화 그래핀을 환원시킬 수 있다. 이때, 환원 정도를 조절함으로써, 구체적으로는 환원 시간과 환원제/산화 그래핀의 비율을 조절함으로써 전기 전도성을 조절할 수 있고, 작용기의 함유량을 조절할 수 있다. 둘째, 환원된 산화 그래핀에 의해 형성된 층은 아주 얇은 두께를 가지게 되고, 각각의 환원된 산화 그래핀의 가장자리 부분은 전기화학적으로 높은 활성도를 가지기 때문에, 전기화학센서에서 높은 신호를 얻을 수 있기 때문이다.
도 1f는 기재 위에 선택적으로 형성된 환원된 산화 그래핀 패턴 라인 사이에 전극(260)을 형성한 모습이다. 전극의 소재 및 형성방법은 특별히 한정되지는 않으나, 금속, 전도성 고분자 등일 수 있고, 증기 증착법 혹은 잉크젯 프린팅 방법으로 형성될 수 있다.
도 1g는 형성된 전극(260) 위에 덮개층(270)을 형성한 모습이다. 덮개층(270)은 바이오물질 간의 반응을 환원된 산화 그래핀층에서만 형성될 수 있도록, 유도하며, 바이오물질과 전극간에 형성되는 쇼트키 장벽 효과에 의한 영향을 제거하기 위함이다. 여기에서, 덮개층은 산화물 또는 고분자 등을 증기증착법 혹은 잉크젯 프린팅 방법으로 박막의 형태로 형성될 수 있다.
도 1h는 기재(210)의 양 측면에 실리콘 공중합체 또는 플라스틱 재질의 구조물(280)을 형성한 모습이다. 이러한 구조물(280)은 바이오물질의 고정 및 타겟물질을 검출하기 위하여 수용액을 담기 위한 것이다. 이는 미소 유체 형성을 위한 구조물과 센서 칩의 접합에 의하여 미소유체시스템을 포함한 바이오센서 칩을 제작할 수 있다.
도 1i는 기재에 형성된 환원된 산화 그래핀(250) 패턴 위에 바이오물질 고정화 링커(290)가 형성된 모습이다. 이러한 바이오물질 고정화 링커(290)는 함침 또는 잉크젯 프린팅 방법으로 환원된 산화 그래핀(250) 패턴 위에 선택적으로 흡착될 수 있다. 본 발명에 따르면, 잉크젯 프린팅 방법을 통해 바이오물질 고정화 링커도 선택적으로 위치시킬 수 있기 때문에, 바이오물질 고정화 링커(290)의 종류를 1 이상 선택하는 것이 가능하다.
도 1j는 바이오물질 고정화 링커(290)에 바이오물질(300)이 고정된 모습이고, 도 1k는 최종 제조된 바이오센서를 나타낸 모습이다. 다양한 바이오물질에 따라 전기적인 특성 변화를 측정할 수 있다. 바이오물질(300)은 함침 또는 잉크젯 프린팅 방법으로 바이오물질 고정화 링커(250)가 형성된 패턴 위에 선택적으로 고정될 수 있다. 바이오물질(300)의 종류는 용도에 따라 결정될 수 있으나, 예컨대, 항원, 항체, 핵산, 압타머, 펩타이드 또는 효소일 수 있다.
실시예
기재는 유리 기판을 이용하였으며, 자기조립 단분자층을 형성하기 위하여 NH4OH/H2O2/H2O 용액에서 수산화 처리를 하고, 플라즈마 장치에서 산소 플라즈마를 이용하여 기재 표면에 -OH 작용기가 형성된 표면 산화층을 형성하였다. 그 다음 표면 산화층 위에 잉크젯 프린팅 방법을 이용하여 자기조립 단분자층의 패턴을 형성하였다. 이때 사용한 자기조립 단분자 용액은 실란 기반의 자기조립 단분자 용액 중에서 다른 분자들이 표면에 흡착되기 위한 프라이머 분자로 이용되는 (3-아미노프로필)트리메톡시실란((CH3O)3SiCH2CH2CH2NH2)을 사용하였다. 그리고 (3-아미노프로필)트리메톡시실란 자기조립 단분자층의 위쪽으로 배열되어있는 아민기는 정전기적 인력에 의해 환원된 산화 그래핀의 카르복실기 및 수산화기에 의해 결합하게 한다. 잉크젯 프린팅 방법을 위한 잉크는 2.15㎖의 (3-아미노프로필)트리메톡시실란 용액과 15㎖의 에틸 알코올 용액을 혼합하여 제조하였다. 이렇게 점도, 표면장력 및 용해도를 조절한 잉크를 50㎛의 노즐로 분사하여 수십 ㎛ 사이즈의 패턴을 형성하였다. 이후, 3시간 정도 실온에서 보관한 뒤, 유리 기판의 표면을 알코올로 헹구고 건조하고, 오븐에서 120℃로 30분 동안 열처리를 하였다. 여기까지의 화학적 반응 결과를 살펴보면, 수산화 층(32) 표면의 -OH 그룹과 (3-아미노프로필)트리메톡시실란의 Si 헤드 그룹이 결합되고, CH2가 골격을 형성하며, NH2 꼬리 그룹이 표면에서 아민 그룹을 형성하고 있다.
자기조립 단분자층이 형성된 기판을 환원된 산화 그래핀 수용액에 4시간 동안 함침시켜 환원된 산화 그래핀 패턴을 형성하였다. 여기에서 환원된 산화 그래핀을 제작하기 위하여, 우선 흑연의 산화 및 박리 과정에 의해 한층의 산화 그래핀을 제작하고, 0.1 mg/ml 농도의 산화 그래핀 수용액에 히드라진을 첨가하고, 100℃에서 1시간 환원 처리를 하였다. 도 2는 자기 조립 단분자층에 의한 환원된 산화 그래핀의 선택적인 흡착을 나타내는 FE-SEM 측정 결과이다. 도 2로부터, 자기조립 단분자층이 형성된 부분에서는 환원된 산화 그래핀이 완전하게 연결되어 있었지만, 처리하지 않은 부분에서는 연결되지 않았음을 확인하였다. 도 3은 잉크젯 프린팅에 의한 선택적 자기 조립 단분자층의 현미경 사진과 패턴 내외의 환원된 산화 그래핀층의 흡착을 관찰한 AFM 결과이다. 여기에서 환원된 산화 그라핀 하나는 ~1.1 nm의 두께를 가지는 것을 확인하였고, 각각의 시트가 잘 연결된 것을 확인하였다. 도 4는 산화 그래핀의 부분적인 환원에 의해 형성된 환원된 산화 그래핀층의 형성을 나타내는 라만현미경 측정 결과이다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 산화 그래핀에서는 상대적으로 낮은 D 피크가 관찰되었고, 환원된 산화 그래핀에서는 높은 D 피크가 관찰되었다. 이는 환원 과정에서 결함 형성과 관련되어 있고, 결함 부분에 존재하는 카르복시기는 링커 분자의 형성에 용이한 장점을 가지고 있다. 도 5는 형성된 산화 그래핀 혹은 환원된 산화 그래핀의 표면에 존재하는 원자량을 측정한 결과이다. 1시간 환원에 의한 결과는 산화 그래핀과 비슷한 수준의 수산화기(-OH)와 카르복시기(-COOH)를 함유하고 있는 것을 확인하였다. 도 5의 결과로부터 본 발명의 환원된 산화 그래핀이 산화 그래핀과 유사한 정도의 수산화기와 카르복시기를 함유하되 전기전도도를 가져 바이오센서로서의 적용이 가능함을 확인할 수 있다.
이후, 바이오물질 고정화 링커인 (3-(트리메톡시실릴)프로필 알데히드)를 함침 방법으로 형성시킨 뒤, 30분 후에 알코올로 헹구고 건조시킴으로써 링커 분자를 형성하였다. 상기의 방법으로 형성된 링커 분자에 항체를 고정하였으며, 항체는 전립선암의 바이오마커인 PSA(prostate specific antibody)를 사용하였다. PSA와 인산완충식염수(phosphate buffered saline)를 섞은 용액에 링커 패턴이 형성된 시편을 넣고, 25℃의 온도에서 3시간 동안 처리한 뒤에 인신완충식염수로 세정하였다. 항체 패턴이 형성된 기판의 항체 패턴 이외의 부분에 항원 또는 다른 단백질이 흡착되는 것을 막기 위해서 에탄올아민(ethanolamine) 용액에 실온에서 1시간 동안 담갔다. 이후에 인산완충식염수 세정하여, 항체 패턴이 형성되지 않은 부분과 단백질의 비특이적(non-specific) 반응을 제거하였다. 제작된 바이오센서에 전립선 암의 바이오 마커인 PSA-ACT complex를 농도별로 주입하면서, 환원된 산화 그래핀의 전기 전도도 변화를 측정하였다. 도 6은 제작된 바이오 센서를 이용하여 전립선 암의 바이오 마커인 PSA-ACT complex를 농도별로 주입하면서, 전기 전도도의 변화를 측정한 결과이다. 결과에서 PSA-ACT complex의 등전위점이 6.8에 따라, pH 7.2에서 음의 표면 전하를 가지게 되고, pH 6.2에서 양의 표면 전하를 가지게 된다. 이에 따라 환원된 산화 그래핀 표면에 형성된 바이오물질에 의한 표면 전하는 전기 전도도를 변하시키는 결과를 가지게 된다. 도 7은 측정한 결과의 센서 특성을 검증하기 위한 검량 곡선을 나타낸 것이다. 결과에서 1 fg/ml의 아주 낮은 농도의 PSA-ACT complex를 검출할 수 있고, 107의 높은 다이내믹레인지를 가지는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.
210 : 기재 220: 표면 산화층
230 : 자기 조립 단분자층 240 : 환원된 산화 그래핀 수용액
250 : 환원된 산화 그래핀층 260 : 전극
270 : 덮개층 280 : 구조물
290 : 바이오물질 고정화 링커 300 : 바이오물질
230 : 자기 조립 단분자층 240 : 환원된 산화 그래핀 수용액
250 : 환원된 산화 그래핀층 260 : 전극
270 : 덮개층 280 : 구조물
290 : 바이오물질 고정화 링커 300 : 바이오물질
Claims (15)
- 기재 표면에 프린팅 방법을 이용하여 양전하를 띄는 자기조립 단분자층 패턴을 형성하는 단계;
상기 기재 표면에 형성된 자기조립 단분자층 패턴에 음전하를 띄는 환원된 산화 그래핀을 흡착시켜 환원된 산화 그래핀 패턴을 형성하는 단계;
상기 환원된 산화 그래핀 패턴의 양단에 전극을 형성하는 단계;
상기 환원된 산화 그래핀 패턴에 바이오물질 고정화 링커를 형성하는 단계; 및
상기 바이오물질 고정화 링커에 바이오물질을 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기조립 단분자층을 형성하는 단계를 실시하기 전에, 상기 기재와 자기조립 단분자층의 반응성 향상을 위하여 기재의 표면에 -OH 작용기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 기재의 표면에 -OH 작용기를 형성하는 단계가 기재를 NH4OH/H2O2/HO2 용액으로 처리한 후 산소 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 자기조립 단분자층은 아민기를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 환원된 산화 그래핀은 산화 그래핀의 부분적 환원에 의해 수산화기와 카르복시기를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 환원된 산화 그래핀을 흡착시키는 단계는 자기조립 단분자층이 형성된 기재를 환원된 산화 그래핀 수용액에 함침시키는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 바이오물질이 항원, 항체, 핵산, 압타머, 펩타이드 또는 효소인 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 바이오물질 고정화 링커가 알데히드가 포함된 자기조립 단분자인 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 바이오물질 고정화 링커를 형성하는 단계는 바이오물질 고정화 링커를 함침 또는 프린팅 방법을 이용하여 환원된 산화 그래핀 패턴에 흡착시키는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 바이오물질 고정화 링커를 형성하는 단계는 프린팅 방법에 의해 1 이상의 종류의 바이오물질 고정화링커를 환원된 산화 그래핀 패턴에 선택적으로 흡착시키는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 바이오물질을 고정하는 단계는 바이오물질을 함침 또는 프린팅 방법을 이용하여 바이오물질 고정화 링커에 고정하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 바이오물질을 고정하는 단계는 프린팅 방법을 이용하여 1 이상의 종류의 바이오물질을 고정하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 기재 표면에 프린팅 방법을 이용하여 양전하를 띄는 자기조립 단분자층 패턴을 형성하는 단계;
상기 기재 표면에 형성된 자기조립 단분자층 패턴에 음전하를 띄는 환원된 산화 그래핀 패턴을 흡착시켜 환원된 산화 그래핀 패턴을 형성하는 단계;
상기 환원된 산화 그래핀 패턴의 양단에 전극을 형성하는 단계; 및
상기 환원된 산화 그래핀 패턴에 바이오물질을 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법. - 프린팅 방법을 이용하여 선택적으로 자기조립 단분자층을 형성하고, 상기 자기조립 단분자층에 환원된 산화 그래핀을 흡착시키고, 상기 환원된 산화 그래핀에 바이오물질 고정화링커와 바이오물질을 고정시켜 제조된 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서.
- 제14항에 있어서,
프린팅 방법을 이용하여 1 이상의 종류의 바이오물질 고정화링커 또는 1 이상의 종류의 바이오물질을 고정시켜 다수의 타겟 분자 검출이 가능한 것을 특징으로 하는 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110043645A KR101255189B1 (ko) | 2011-05-09 | 2011-05-09 | 자기조립 단분자층의 프린팅 방법을 이용한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110043645A KR101255189B1 (ko) | 2011-05-09 | 2011-05-09 | 자기조립 단분자층의 프린팅 방법을 이용한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120125906A true KR20120125906A (ko) | 2012-11-19 |
| KR101255189B1 KR101255189B1 (ko) | 2013-04-22 |
Family
ID=47511385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110043645A KR101255189B1 (ko) | 2011-05-09 | 2011-05-09 | 자기조립 단분자층의 프린팅 방법을 이용한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101255189B1 (ko) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014137111A1 (ko) * | 2013-03-06 | 2014-09-12 | 성균관대학교산학협력단 | 투명 전극 및 이의 제조 방법 |
| KR20140109835A (ko) * | 2014-04-01 | 2014-09-16 | 성균관대학교산학협력단 | 투명 전극 및 이의 제조 방법 |
| WO2015050351A1 (ko) * | 2013-10-01 | 2015-04-09 | 코닝정밀소재 주식회사 | 그래핀 구조체 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 구조체 |
| CN110208323A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-09-06 | 济南大学 | 用于检测二氧化氮的有机无机复合材料及气敏传感器 |
| KR20210051874A (ko) * | 2019-10-31 | 2021-05-10 | 한국생명공학연구원 | Trpv1 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름, 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터 및 바이오 센서 |
| WO2021118108A1 (ko) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 한국전자기술연구원 | 인쇄회로기판 관통홀 표면처리방법 및 그의 제조방법 |
| WO2022114676A1 (ko) * | 2020-11-24 | 2022-06-02 | 한국과학기술연구원 | 그래핀 기반의 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법 |
| WO2022220536A1 (ko) * | 2021-04-13 | 2022-10-20 | 연세대학교 산학협력단 | 단일 가닥 dna 센서 및 단일 가닥 dna 센서 제조 방법 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101127075B1 (ko) * | 2008-05-30 | 2012-03-23 | 성균관대학교산학협력단 | 자기조립 단분자층의 잉크젯 프린팅을 이용한 바이오물질패턴 형성방법 및 바이오센서 제조방법 |
-
2011
- 2011-05-09 KR KR1020110043645A patent/KR101255189B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014137111A1 (ko) * | 2013-03-06 | 2014-09-12 | 성균관대학교산학협력단 | 투명 전극 및 이의 제조 방법 |
| KR101512412B1 (ko) * | 2013-03-06 | 2015-04-15 | 성균관대학교산학협력단 | 투명 전극 및 이의 제조 방법 |
| US10750613B2 (en) | 2013-03-06 | 2020-08-18 | Research & Business Foundation Sungkyunkwan University | Transparent electrode and method for manufacturing same |
| WO2015050351A1 (ko) * | 2013-10-01 | 2015-04-09 | 코닝정밀소재 주식회사 | 그래핀 구조체 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 구조체 |
| KR20140109835A (ko) * | 2014-04-01 | 2014-09-16 | 성균관대학교산학협력단 | 투명 전극 및 이의 제조 방법 |
| CN110208323A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-09-06 | 济南大学 | 用于检测二氧化氮的有机无机复合材料及气敏传感器 |
| CN110208323B (zh) * | 2019-05-30 | 2021-12-07 | 济南大学 | 用于检测二氧化氮的有机无机复合材料及气敏传感器 |
| KR20210051874A (ko) * | 2019-10-31 | 2021-05-10 | 한국생명공학연구원 | Trpv1 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름, 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터 및 바이오 센서 |
| WO2021118108A1 (ko) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 한국전자기술연구원 | 인쇄회로기판 관통홀 표면처리방법 및 그의 제조방법 |
| WO2022114676A1 (ko) * | 2020-11-24 | 2022-06-02 | 한국과학기술연구원 | 그래핀 기반의 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법 |
| WO2022220536A1 (ko) * | 2021-04-13 | 2022-10-20 | 연세대학교 산학협력단 | 단일 가닥 dna 센서 및 단일 가닥 dna 센서 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101255189B1 (ko) | 2013-04-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101255189B1 (ko) | 자기조립 단분자층의 프린팅 방법을 이용한 환원된 산화 그래핀 패턴을 포함하는 바이오센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 바이오센서 | |
| Fu et al. | Sensing at the surface of graphene field‐effect transistors | |
| Shkodra et al. | Electrolyte-gated carbon nanotube field-effect transistor-based biosensors: Principles and applications | |
| Ono et al. | Electrical biosensing at physiological ionic strength using graphene field-effect transistor in femtoliter microdroplet | |
| KR101440542B1 (ko) | 전도성 그라핀을 이용한 바이오센서 및 그 제조방법 | |
| KR101400976B1 (ko) | 환원된 그래핀 산화물 층을 포함하는 바이오 센서 | |
| US9097658B2 (en) | Carbon based biosensors and processes of manufacturing the same | |
| JP2018163146A (ja) | センサ | |
| JP2012163578A (ja) | ナノセンサプラットフォームを使用および構築する方法 | |
| WO2012094634A2 (en) | Functionalized carbon membranes | |
| JP2006509201A (ja) | 表面処理方法 | |
| US20210396708A1 (en) | Methods for detecting analytes using a graphene-based biological field-effect transistor | |
| JP2016047777A (ja) | グラフェン薄膜の製造方法、並びにグラフェン薄膜を備えた電子素子およびセンサ | |
| Tey et al. | Nanotubes-/nanowires-based, microfluidic-integrated transistors for detecting biomolecules | |
| Yuan et al. | Vapor-phase deposition and electronic characterization of 3-aminopropyltriethoxysilane self-assembled monolayers on silicon dioxide | |
| Bartosik et al. | Mechanism and suppression of physisorbed-water-caused hysteresis in graphene FET sensors | |
| Najlaoui et al. | Photoelectrochemical impedance spectroscopy sensor for cloxacillin based on tetrabutylammonium octamolybdate | |
| Li et al. | Interface engineering of Si hybrid nanostructures for chemical and biological sensing | |
| KR101127075B1 (ko) | 자기조립 단분자층의 잉크젯 프린팅을 이용한 바이오물질패턴 형성방법 및 바이오센서 제조방법 | |
| Rajesh et al. | Scalable chemical vapor deposited graphene field-effect transistors for bio/chemical assay | |
| US20220091066A1 (en) | Biofunctionalized three-dimensional (3d) graphene-based field-effect transistor (fet) sensor | |
| JP2010117339A (ja) | 活性物質を基板表面上に固定する方法 | |
| Brosel‐Oliu et al. | Single‐Step Functionalization Strategy of Graphene Microtransistor Array with Chemically Modified Aptamers for Biosensing Applications | |
| JP2012246163A (ja) | ナノ多孔質薄膜、およびその製造方法 | |
| CN111194406A (zh) | 用于感测分子相互作用的基于碳纳米管的装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160328 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170329 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |