KR20130020402A - Biochip using the insulated membrane of metal oxide - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 금속산화물의 절연막을 이용한 바이오 칩에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 복수의 웰이 형성된 금속산화물의 절연막을 가지고, 검출 감도가 향상된 바이오 칩에 관한 것이다.The present invention relates to a biochip using an insulating film of a metal oxide. More specifically, the present invention relates to a biochip having an insulating film of a metal oxide in which a plurality of wells are formed and having improved detection sensitivity.
최근, 신약 개발 프로세스, 의료 진단 등등의 분야에 있어서, 바이오 칩이 주목받아 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.In recent years, in the fields of new drug development processes, medical diagnostics, and the like, biochips have been attracting attention, and research and development are actively progressing.
바이오 칩이란, 고체표면상(고상화 담체로서는, 실리콘 기판, 유리 기판, 고분자, 금 기판 등)에 DNA 등의 핵산, 효소나 항체와 같은 단백질, 펩티드 등의 바이오 분자 어레이, 혹은 세포 등을 고정화하고, 고정화된 바이오 분자 어레이 등의 프로브 물질에 특정한 타겟 물질이 결합했을 때에 생기는 특이적인 반응을 검출하는 것이다[특허 문헌 1, 2].Biochips are immobilized nucleic acids such as DNA, proteins such as enzymes and antibodies, biomolecule arrays such as peptides, or cells on solid surfaces (such as silicon substrates, glass substrates, polymers, and gold substrates). The specific reaction generated when a specific target substance is bound to a probe substance such as an immobilized biomolecule array is detected (
또한, 프로브 물질로서, 리포솜, β-아미로이드 올리고머, 환원당을 이용한 바이오 칩도 제안되고 있다[특허 문헌 3, 4].In addition, biochips using liposomes, β-amyloid oligomers, and reducing sugars have also been proposed as probe materials [
다양한 프로브 물질을 이용하는 것이 가능해져, 바이오 칩의 유용성은, 점점 증대되고 있다. 특히, 미량의 샘플을 이용하여 대량으로 하이스루풋(high throughput:동시에다수의샘플을반응처리가능한: 고속처리가능한)한 검출 및 해석을 할 수 있는 점에서, 대량으로 또한 동시 병행적인 처리가 요구되는 포스트 게놈 시대의 바이오 분자 어레이의 기능 해석 기술에는 바이오 칩 관련 기술이 필수가 되고 있다.Various probe materials are available, and the usefulness of biochips is increasing. In particular, since a large amount of samples can be used to detect and interpret high throughput at high throughput, a large amount of simultaneous processing is required. Biochip-related technologies are becoming essential for the functional analysis technology of biomolecule arrays in the post-genome era.
특허 문헌 1~4의 바이오 칩은, 기판 상에 1 또는 복수의 전극 배선을 형성하고, 그 1 또는 복수의 전극 배선을 절연막으로 피복하고, 그 1 또는 복수의 전극 배선의 각각의 일 영역상의 절연막에 전극 표면에 도달하는 1 또는 복수의 구멍을 형성함으로써 1 또는 복수의 웰을 형성하고, 이어서, 그 1 또는 복수의 웰의 바닥부에 프로브 물질을 고정화함으로써 제작한다.The biochip of patent documents 1-4 forms one or several electrode wirings on a board | substrate, coat | covers the one or several electrode wirings with an insulating film, and the insulating film in each area | region of each of these 1 or several electrode wirings. One or more wells are formed by forming one or a plurality of holes reaching the surface of the electrode at the bottom, and then, by fabricating the probe material at the bottom of the one or more wells.
이와 같은 바이오 칩의 상면도를 도 1에 도시한다. 여기에서는, 유리 기판(10) 상에 8개의 전극 배선(13)을 형성하고, 한번에 8점 측정이 가능한 바이오 칩(1)을 형성한다.The top view of such a biochip is shown in FIG. Here, eight
전극 배선(13)의 한쪽의 단부에는 바이오 분자 어레이 영역(131)이 형성되고, 다른 쪽의 단부에는 바이오 분자 어레이 영역에서 검출한 전기적 신호를 취출하기 위한 패드(132)가 형성되어 있다.At one end of the
도 2에 바이오 분자 어레이 영역(131)의 확대 상면도를 도시한다. 바이오 분자 어레이 영역(131) 상에는 절연성 레지스트막(14)이 형성되고, 이 절연막에 1 또는 복수의 구멍을 형성함으로써, 바이오 분자를 고정화하기 위한 1 또는 복수의 웰(131a)이 형성되어 있다.2 shows an enlarged top view of the
바이오 분자 어레이 영역(131)에는, 웰(131a)의 직경이 5㎛ 이상인 경우, 도 2a에 도시하는 바와 같이 단일의 웰을 형성할 수 있고, 웰(131a)의 직경이 서브마이크론 이하 20㎚ 정도까지인 경우, 도 2b에 도시하는 바와 같이 복수의 웰을 배열시킬 수 있다.When the diameter of the
바이오 분자 어레이 영역(131)의 단면도를 도 3a에 도시한다. 여기에서는, 유리 기판(10) 상에, 우선, Ti 박막(13a)을 형성하고, 그 위에 Au 박막(13b)을 형성함으로써, Au/Ti 적층 박막으로 이루어지는 전극 배선(13)을 형성했다. Au 박막을 직접 유리 기판에 형성할 수도 있지만, Au 박막의 접착 강도가 약하므로, Au 박막의 박리를 방지하고, 바이오 칩의 신뢰성을 향상시키기 위해 Ti 박막을 이용했다. Ti 이외에 Cr을 이용할 수도 있다.A cross-sectional view of the
이 도면이 도시하는 바와 같이, 절연성 레지스트막에 형성된 구멍은, 하부층의 전극 배선의 표면에까지 도달하고 있다. 즉, 바이오 분자 어레이 영역에 형성된 웰의 측면은 절연성 레지스트막(14)에 의해 정해지고, 웰의 바닥부는 전극 배선(13)의 표면에 의해 정해져 있다.As this figure shows, the hole formed in the insulating resist film reaches the surface of the electrode wiring of a lower layer. That is, the side surface of the well formed in the biomolecule array region is determined by the
이 구성에 의해, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 웰(131a)의 바닥부의 노출된 전극 표면 상에만 프로브가 되는 바이오 분자를 고정화한다. 이 도면에 있어서, 전극 표면 상에 지방질 2중층(4)을 고정화하고, 그 위에 프로브 단백질(2)을 고정화하고 있다.By this structure, as shown in FIG. 3B, the biomolecule which becomes a probe is immobilized only on the exposed electrode surface of the bottom part of the
이와 같은 바이오 칩을 제작하기 위해, 반도체 제조 기술 중 하나인 포토 패브리케이션 기술을 이용할 수 있다. 여기에서는, "포토 패브리케이션 기술"이라는 용어는, 포토리소그래피 기술, 증착 기술, 에칭 기술 등을 조합시킨 기술을 의미한다.In order to manufacture such a biochip, photofabrication technology, which is one of semiconductor manufacturing technologies, may be used. Here, the term "photo fabrication technique" means a technique which combines a photolithography technique, a vapor deposition technique, an etching technique, and the like.
포토 패브리케이션 기술은 이미 IC나 LSI 제조 기술의 하나로서 확립되어 있기 때문에, 종래의 DNA 칩과 같이 소형화나 제조 공정의 자동화가 가능하고, 칩의 대량 생산이나 저가격화로 이어진다.Since photofabrication technology has already been established as one of IC and LSI manufacturing technology, miniaturization and automation of manufacturing processes are possible as with conventional DNA chips, leading to mass production and low cost of chips.
도 4 ~ 도 9는, 포토 패브리케이션 기술에 의해 바이오 칩을 제작하는 공정을 도시하는 개략도이다.4-9 is a schematic diagram which shows the process of manufacturing a biochip by photo fabrication technique.
우선, 직경 5㎛ 이상의 단일 웰을 제작하는 공정에 대해 설명한다. 기판(10) 상에 스핀 코터를 이용하여 감광성 재료인 포토레지스트(11)를 도포하고, 90℃에서 2분간 베이킹한다(도 4a, 4b). 이 설명에서는 유리 기판을 이용했지만, 알루미나 기판, 실리콘 기판, 또는, 실리콘 수지와 같은 수지제 기판 등 어떠한 재질의 기판도 이용할 수 있다.First, the process of manufacturing a single well of 5 micrometers or more in diameter is demonstrated. The
이어서, 포토마스크를 이용하여 자외선(12a)으로 20초간 노광하고(도 4c), 포토레지스트(11)를 현상하여 전극 배선(13)용의 배선 패턴을 형성한다(도 4d). 포토레지스트에는, 노광에 의해 결합이 분해되어 현상액에 용해되는 것(포지티브형)과, 반대로 중합하여 용해되지 않는 것(네거티브형)이 있으나, 여기에서는 포토레지스트(11)로서 포지티브형 레지스트(AZ1500 : 클라리언트 저팬 주식회사)를 이용한다.Subsequently, the photomask is exposed to
그 후, 진공 증착이나 RF 스퍼터링 등의 증착 기술에 의해 기판 상에 전극 재료가 되는 금속 박막을 형성한다(도 4e).Thereafter, a metal thin film serving as an electrode material is formed on the substrate by a vapor deposition technique such as vacuum deposition or RF sputtering (FIG. 4E).
또한, 이것을 아세톤과 같은 유기 용매 중에 침지하여, 레지스트(11)를 박리함으로써, 유리 기판(10) 상에 전극 배선(13)을 형성한다(도 4f). 전극 배선(13)이 형성된 칩의 개략 상면도를 도 6a에 도시한다. 도 6에 있어서, 한쪽의 단부에 원형의 바이오 분자 어레이 영역(131)이 형성되고, 다른 쪽의 단부에는 전기적 신호를 취출하기 위한 각형 패드(132)가 형성된 전극 배선이 도시되어 있으나, 이것은 전극 배선의 일례로서, 이 형상에 한정되는 것이 아니다. 당업자라면, 바이오센서에 탑재되는 바이오 칩으로서 사용할 수 있는 어떠한 형상으로도 변형할 수 있다.Moreover, this is immersed in the organic solvent like acetone, and the
또한, 전극 배선의 개수도, 사용의 형태에 적합하게 하여, 적절히 증감할 수 있다.Moreover, the number of electrode wirings can also be suitably adapted to the form of use, and can increase and decrease suitably.
다음에, 스핀 코터를 이용하여 전극 배선(13)이 형성된 기판 상에 절연성 레지스트(14)(AZ1500)를 도포하고, 90℃에서 2분간 베이킹한다(도 5a). 이어서, 포토마스크(12b)를 이용하여 자외선(12a)으로 20초간 노광하고(도 5b), 레지스트(14)를 현상함으로써 전극 표면을 노출시켜, 바이오 분자 어레이 영역(131) 상에 웰(131a)을 형성한다(도 5c). 이것을 150℃에서 5분간 베이킹함으로써, 레지스트(14)를 고착시킨다(도 5d). 웰이 형성된 칩의 개략 상면도를 도 6b에 도시한다.Next, an insulating resist 14 (AZ1500) is applied onto the substrate on which the
다음에, 직경이 서브마이크론 이하의 웰의 어레이를 제작하는 공정을 설명한다. 직경 5㎛ 이상의 단일 웰을 제작했을 때와 마찬가지로 하여 전극 배선을 형성하고(도 4), 그 후, 도 5a에 도시하는 공정과 마찬가지로, 스핀 코터를 이용하여 전극 배선(13)이 형성된 기판 상에 절연성 레지스트(14)(ZEP520:일본 제온 주식회사)를 도포하고, 90℃에서 2분간 베이킹한다(도 7a). 이어서, 75kV로 전자 빔(15)을 조사하고(도 7b), 레지스트(14)를 현상함으로써 전극 표면을 노출시켜, 바이오 분자 어레이 영역(131) 상에 복수의 웰(131a)의 배열을 형성한다(도 7c). 이것을 200℃에서 5분간 베이킹함으로써, 레지스트(14)를 고착시킨다(도 7d). 웰이 형성된 칩의 개략 상면도를 도 8에 도시한다.Next, a process for producing an array of wells of submicron diameter or less will be described. An electrode wiring was formed in the same manner as when a single well having a diameter of 5 µm or more was formed (FIG. 4), and then on the substrate on which the
종래의 반도체 제조 기술을 이용하면, 기판 상에 웰을 형성할 수 있으므로, 상기의 조건에 한정되지 않고, 적절하게 당업자에게 잘 알려진 다른 조건으로 웰을 형성할 수 있다.By using a conventional semiconductor manufacturing technique, a well can be formed on a substrate, and thus, the well can be formed under other conditions that are well known to those skilled in the art, without being limited to the above conditions.
다음에, 생물 화학 분야에서 잘 알려져 있는 방법을 이용하여, 웰 바닥부의 전극 표면 상에 지방질 2중층을 형성한다. 구체적으로는, 우선, 칩을 피란하(piranha) 용액(H2O2:H2SO4=1:3[v/v])에 10분간 침지하여 웰 바닥부의 전극 표면 상의 유기 불순 물질을 제거하고, 순수(純水)충분히 세정하고, 에탄올로 세정한 후(도 9a), 1-옥탄데칸티올(ODT)(3)의 에탄올 용액에 침지하여 ODT(3)를 그 -SH기를 통하여 전극 표면에 결합시킨다(도 9b).Next, using a method well known in the biochemistry art, a lipid double layer is formed on the electrode surface of the well bottom part. Specifically, the chip is first immersed in a piranha solution (H 2 O 2 : H 2 SO 4 = 1: 3 [v / v]) for 10 minutes to remove organic impurities on the electrode surface at the bottom of the well. Pure water, washed with ethanol (FIG. 9A), and then immersed in an ethanol solution of 1-octanedecanethiol (ODT) (3) to allow the ODT (3) to surface the electrode. (FIG. 9B).
이어서, 인산 버퍼(PBS, pH7.4) 중에 1-팔미토일-2-올레오일-sn-글리세로-3-포스포코올린(POPC)(4)을 용해하여(10mM), POPC(4)의 리포솜 용액을 조제한다. 이 리포솜 용액을 칩에 적하하고, 습도 100%의 환경에서 1시간 정치(靜置)하여, 전극 표면 상에 POPC(4)의 지방질 2중층을 형성한다(도 9c).Subsequently, 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocoline (POPC) (4) was dissolved in phosphoric acid buffer (PBS, pH7.4) (10 mM), and POPC (4) A liposome solution is prepared. This liposome solution is dropped on a chip and left for 1 hour in an environment of 100% humidity to form a lipid double layer of
혹은, 99.9몰%의 POPC(4) 및 0.1몰%의 ODT(3)를 클로로포름 중에서 잘 혼합한 후, 용매를 PBS로 교환하여 혼합 리포솜 용액을 조제하고, 이 리포솜 용액을 칩에 적하하여, 전극 표면 상에 POPC(4)의 지방질 2중층을 형성한다(도 9c).Alternatively, after mixing 99.9 mol% POPC (4) and 0.1 mol% ODT (3) in chloroform well, the solvent is exchanged with PBS to prepare a mixed liposome solution, and the liposome solution is added dropwise to the chip. The lipid double layer of
어느 쪽의 경우도, 웰 바닥부의 전극 표면에만 지방질 2중층이 고정화되도록, 상기의 레지스트(14)는 ODT의 -SH기가 결합되지 않은 재료일 필요가 있다.In either case, the resist 14 needs to be a material to which the -SH group of the ODT is not bonded, so that the fat double layer is immobilized only on the electrode surface of the well bottom part.
다음에, 1mM의 (11-훼로세닐)운데실폴리옥시에틸렌(Fe-PEG)(5) 및 0.1mM의 비오틴화한 1,2-디올레오일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민(Bio-PE)(21)의 인산 버퍼 혼합 용액(pH7.4)을 지방질 2중층이 형성된 칩에 적하하고, 1시간 방치하여 지방질 2중층 상에 Fe-PEG(5) 및 Bio-PE(21)를 앵커한다(도 9d). 이때, Fe-PEG(5) 및 Bio-PE(21)의 혼합 용액 중의 몰 농도비를 적절히 조정함으로써, Bio-PE(21)가 분산되어 적당한 밀도로 지방질 2중층 상에 앵커되도록 한다.Next, 1 mM (11-ferrocenyl) undecylpolyoxyethylene (Fe-PEG) (5) and 0.1
지방질 2중층은 절연성이므로, 지방질 2중층 상에서의 현상을 전기적 신호로서 검출하는 것이 불가능하다. 따라서, 지방질 2중층 표면을 도전성으로 할 목적으로, Fe-PEG(5)를 이용한다.Since the lipid double layer is insulating, it is impossible to detect the phenomenon on the fat double layer as an electrical signal. Therefore, Fe-PEG (5) is used for the purpose of making the surface of a lipid double layer conductive.
또한, 이 비오틴 수식 지방질 2중층이 형성된 칩에 0.2mg/ml의 스트렙트아비딘(22)의 수용액을 적하하고, 습도 100%의 환경에서 1시간 정치하여, Bio-PE(21)의 비오틴과의 특이적 결합에 의해, 스트렙트아비딘(22)을 결합시킨다(도 9e). PBS로 세정함으로써, 지방질 2중층에 고정화되어 있지 않은 미결합의 스트렙트아비딘을 제거한다.A 0.2 mg / ml aqueous solution of
스트렙트아비딘은, 비오틴과 생물학적으로 가장 강고하고 안정적으로 결합(Kd=10-15M)하는 단백질로서, 4분자의 비오틴과 결합한다.Streptavidin is a protein that binds biotin most strongly and stably (K d = 10-15 M) and binds to four molecules of biotin.
스트렙트아비딘-비오틴간의 특이적 결합을 이용하여, 스트렙트아비딘을 수식한 분자와, 비오틴을 수식한 또 하나의 분자를 결합시키는 방법이 일반적으로 이용되고 있다. 따라서, 다양한 단백질에 비오틴을 수식하는 기술이 이미 확립되고, 그것을 위한 키트도 시판되고 있다. 또한, 비오틴 수식한 DNA도 상업적으로 입수 가능하다.Using specific binding between streptavidin-biotin, a method of combining a molecule modified with streptavidin and another molecule modified with biotin is generally used. Therefore, a technique for modifying biotin to various proteins has already been established, and kits for it are also commercially available. Biotin-modified DNA is also commercially available.
Bio-PE(21)는 지방질 2중층 상에 분산되어 앵커되고, 1개의 스트렙트아비딘 분자에는, 1개의 비오틴만 결합되어 있다고 생각된다.Bio-PE (21) is dispersed and anchored on the lipid double layer, and it is considered that only one biotin is bound to one streptavidin molecule.
마지막으로, 미리 비오틴화한 프로브 항체(23)의 용액에 스트렙트아비딘 고정화 칩을 침지함으로써, 스트렙트아비딘-비오틴의 특이적 결합을 통하여 프로브 항체(23)를 웰 바닥부에 고정화한다(도 9f).Finally, the
스트렙트아비딘이 기판 상에 고정화되어 있는 경우, 비오틴의 유효 결합수는 1인 것이 이미 알려져 있다. 고정화에 의해 비오틴이 접근 가능한 스트렙트아비딘의 결합 부위가 한정되어 있기 때문이라고 생각된다. 특히, 본 발명의 경우, 비오틴에는 단백질이 결합되어 있으므로, 1개의 비오틴화 단백질이 스트렙트아비딘에 결합한 후, 입체 장해에 의해 더욱 비오틴화 단백질이 스트렙트아비딘에 접근할 수 없기 때문이라고 생각된다. 따라서, 1개의 고정화 스트렙트아비딘(22)에는 1개의 비오틴화 프로브 항체(23)가 결합되어 있으면 충분하다고 생각된다.When streptavidin is immobilized on a substrate, it is already known that the effective binding number of biotin is one. It is considered that the binding site of streptavidin to which biotin is accessible by immobilization is limited. In particular, in the case of the present invention, since a protein is bound to biotin, it is considered that the biotinylated protein cannot access streptavidin further due to steric hindrance after one biotinylated protein binds to streptavidin. Therefore, it is considered sufficient that one
이와 같은 바이오 칩을 제작하기 위해, 나노임프린팅 리소그래피(NIL) 기술을 이용할 수도 있다.To produce such a biochip, nanoimprinting lithography (NIL) technology may be used.
최근, 나노임프린트 리소그래피(NIL) 기술은, 일렉트로닉스, 포토닉스, 자기 디바이스, 바이올로지 등 다양한 분야에 있어서, 고해상도이고 나노 스케일의 패턴을 형성하기 위한 가장 기대되는 기술 중 하나이다.In recent years, nanoimprint lithography (NIL) technology is one of the most expected technologies for forming high-resolution, nanoscale patterns in various fields such as electronics, photonics, magnetic devices, and biology.
NIL 기술은, 수지층에 몰드(스탬프 또는 템플릿이라고도 함.)를 압박함으로써 수지층에 패턴 형성하는 기술로서, 열 NIL 기술 및 광 NIL 기술이 있다. 열 NIL 기술에서는, 열가소성 수지의 층에, 그 유리 전이점 이상의 온도에서, 높은 압력으로 경질의 몰드를 압박하고, 그 상태로 냉각한 후, 몰드를 제거함으로써, 수지층에 패터닝을 행한다. 또한, 광 NIL 기술에서는, 광경화성 수지의 층에 몰드를 압박하고, 그 상태로 UV 등의 광을 조사한 후, 몰드를 제거함으로써, 수지층에 패터닝을 행한다. NIL technology is a technique of pattern-forming in a resin layer by pressing a mold (also called a stamp or a template) to a resin layer, and there exist a thermal NIL technique and an optical NIL technique. In the thermal NIL technique, the resin layer is patterned by pressing the hard mold with a high pressure at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the thermoplastic resin, cooling the state, and then removing the mold. In the optical NIL technique, the resin layer is patterned by pressing the mold onto the layer of the photocurable resin, irradiating light such as UV in the state, and then removing the mold.
또한, 하이스루풋하고 또한 저가격으로 대면적에 릴리프 패턴을 형성하는 NIL 기술로서, 스텝·앤드·플래시·임프린트·리소그래피(SFIL)가 있다. SFIL은, 저온 저압의 조건하에서 행하는 UV-NIL이다. SFIL에서는, 저점도의 광경화성 수지를 기판 상에 적하(滴下)하는 것만으로 수지층을 형성하기 때문에, 스핀 코트를 행할 필요가 없다. 이 기술에 의해, 대면적에 대하여 100㎚ 이하 사이즈의 미소 패턴을 형성할 수 있다[비특허 문헌 1~5].In addition, there is a step-and-flash imprint lithography (SFIL) as a NIL technique for forming a relief pattern in a large area at a high throughput and low cost. SFIL is UV-NIL performed under the conditions of low temperature and low pressure. In SFIL, since a resin layer is formed only by dripping a low-viscosity photocurable resin on a board | substrate, it is not necessary to perform spin coating. By this technique, the micro pattern of 100 nm or less size can be formed with respect to a large area [nonpatent literature 1-5].
특허 문헌 5는, NIL 기술을 이용하여, 도 1~4에 기재된 것과 마찬가지의 구성의 바이오 칩을 제작한다.
도 10은, NIL 기술에 의해 바이오 칩을 제작하는 공정을 도시하는 개략도이다.10 is a schematic diagram showing a step of producing a biochip by the NIL technique.
(1) UV-NIL법(1) UV-NIL method
UV 경화성 수지를 이용하여, SiO2 기판 상에 나노 패턴을 형성하는 절연성 레지스트 수지층을 형성한다.Using the UV curable resin, an insulating resist resin layer for forming a nano pattern on a SiO 2 substrate is formed.
우선, SiO2 기판(16) 상에, 1 중량%의 DMPA를 함유하는 에탄올로 희석한 30 중량%의 UV 경화성 수지를 3000rpm으로 20초간 스핀 코트하여 450㎚ 두께의 UV 경화성 수지의 수지층(17)을 형성한다. 이어서, 핫플레이트 상에서 70℃에서 3분간 예비 가열 처리를 행하여, 용매를 제거한다(도 10a).First, on the SiO 2 substrate 16, a 30 wt% UV curable resin diluted with ethanol containing 1 wt% DMPA was spin-coated at 3000 rpm for 20 seconds to form a resin layer of 450 nm thick UV curable resin (17). ). Subsequently, the preheating process is performed for 3 minutes at 70 degreeC on a hotplate, and a solvent is removed (FIG. 10A).
몰드(18)를 감압하 및 실온에서, 0.2MPa의 압력으로 1분간 수지층(17)에 압박한다(도 10b). 사용하는 UV 경화성 수지는 저점도의 액체이므로, 실온에서 저압으로 임프린트를 행할 수 있다.The
UV 램프를 장착한 나노임프린트 장치(NM-401:메이쇼키코 주식회사 제)를 이용하여, 몰드(18)에 압력을 부하한 상태로, UV 경화성 수지의 수지층(17)에 365㎚의 UV 광(19)을 1분간 조사함으로써(자외선량 200mJ/㎠), UV 경화성 수지의 수지층(17)을 경화하여 경화막(17a)을 형성한다.UV light of 365 nm to the
몰드(18)를 기판으로부터 제거하고(도 10c), 나노 패턴이 형성된 UV 경화성 수지의 경화막(17a)을 120℃에서 1시간 가열 처리하여, 기계 강도 및 용매 내성을 강화한다.The
(2) 열-NIL법(2) thermal-NIL method
열경화성 수지를 이용하여, SiO2 기판 상에 나노 패턴을 형성하는 절연성 레지스트 수지층을 형성한다.The thermosetting resin is used to form an insulating resist resin layer forming a nano pattern on a SiO 2 substrate.
우선, UV-오존 클리너를 이용하여 세정한 SiO2 기판(16) 상에, 열경화성 수지를 3000rpm으로 20초간 스핀 코트하여 120㎚ 두께의 열경화성 수지의 수지층(17)을 형성한다. 이어서, 핫플레이트 상에서 80℃에서 10분간 예비 가열 처리를 행하여, 용매를 제거한다(도 10a).First, on the SiO 2 substrate 16 cleaned using a UV-ozone cleaner, a thermosetting resin is spin coated at 3000 rpm for 20 seconds to form a
그 후, UV 광(9)을 조사하는 대신에, 열경화성 수지의 수지층(17)에 비교적 높은 온도(150℃) 및 압력(10MPa)에서 5분간 몰드(18)를 압박한다(도 10b).Thereafter, instead of irradiating the UV light 9, the
몰드(18)에 압력을 부하한 상태로, 열경화성 수지의 수지층(17)을 냉각함으로써, 열경화성 수지의 수지층(17)을 경화한다. 그 후, 몰드를 기판으로부터 제거하고(도 10c), 열경화성 수지의 경화막(17a)을 형성한다.The
이 도면에서는, NIL법을 이용하여 웰을 형성하는 방법만을 도시하고 있으나, 기판(16) 상에 전극 배선을 형성한 후, 전극 배선 상에 웰을 형성할 수 있다. NIL법으로 웰을 형성하면, 두께가 10~15 나노미터 정도의 얇은 경화막이 전극 배선 표면에 잔존한다. 이와 같은 불필요한 경화막은 O2 플라즈마(150W ICP, RIE 30W, 250mTorr, 49sccm O2), 및 에칭 유도 결합 플라즈마 반응성 이온(ICP-RIE)에 의한 드라이 에칭을 30초간 행하여 제거하고, 전극 표면을 노출시켜, 바이오 분자 어레이 영역 상에 복수의 웰의 배열을 갖는 바이오 칩을 형성할 수 있다.Although only the method of forming a well using the NIL method is shown in this figure, after forming an electrode wiring on the board |
특허 문헌 1~6에 개시 또는 시사된 바이오 칩을 작용 전극으로서 이용하고, 그 외에, 적어도 대극(對極) 및 참조 전극을 포함하는 바이오센서를 제작하면, 바이오 칩 상의 프로브 물질에 타겟 분자가 상호 작용했을 때의 전기 신호의 변화를 고감도로 검출할 수 있고, 시료 중의 타겟 분자의 존재를 검지하고, 더 나아가 그 존재량을 측정할 수 있다. 통상, 전기 신호로서 산화 환원 전류를 사용한다.If a biosensor disclosed or suggested in
타겟 분자의 종류에 따라, 프로브 물질을, DNA, 항체 등의 단백질, 리포솜, β-아미로이드 올리고머, 환원당 등을 이용하여, 폭넓은 분야에서의 측정이 가능해 진다.Depending on the kind of target molecule, the probe substance can be measured in a wide range of fields using proteins such as DNA and antibodies, liposomes, β-amidoid oligomers, reducing sugars and the like.
[특허 문헌 1] 일본 특허 제4324707호 명세서[Patent Document 1] Japanese Patent No. 4324707
[특허 문헌 2] 일본 특허 제4497903호 명세서[Patent Document 2] Japanese Patent No. 4497903
[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 제2008-032554호[Patent Document 3] Japanese Patent Laid-Open No. 2008-032554
[특허 문헌 4] 일본 특허 공개 제2008-105978호[Patent Document 4] Japanese Patent Laid-Open No. 2008-105978
[특허 문헌 5] 일본 특허 공개 제2010-239827호[Patent Document 5] Japanese Patent Laid-Open No. 2010-239827
[특허 문헌 6] 일본 특허 공개 제2010-136157호[Patent Document 6] Japanese Patent Laid-Open No. 2010-136157
[비특허 문헌 1] S. Y. Chou, P. R. Krauss, J. P. Renstrom, Appl . Phys . Lett. 1995 , 67, 3114.[Non-Patent Document 1] SY Chou, PR Krauss, JP Renstrom, Appl . Phys . Lett. 1995 , 67 , 3114.
[비특허 문헌 2] S. Y. Chou, P. R. Krauss, J. P. Renstrom, Science 1996, 272, 85.[Non-Patent Document 2] SY Chou, PR Krauss, JP Renstrom, Science 1996 , 272 , 85.
[비특허 문헌 3] J. Haisma, M. Verheijen, K. Vandenheuvel, J. Vandenberg, J. Vac . Sci . Technol . B 1996, 14, 4124.[Non-Patent Document 3] J. Haisma, M. Verheijen, K. Vandenheuvel, J. Vandenberg, J. Vac . Sci . Technol .
[비특허 문헌 4] P. Ruchhoeft, M. Colburn, B. Choi, H. Nounu, S. Johnson, T. Bailey, S. Damle, M. Stewart, J. Ekerdt, S. V. Sreenivasan, J. C. Wolfe, C. G. Willson, J. Vac . Sci . Technol . B 1999, 17, 2965.[Non-Patent Document 4] P. Ruchhoeft, M. Colburn, B. Choi, H. Nounu, S. Johnson, T. Bailey, S. Damle, M. Stewart, J. Ekerdt, SV Sreenivasan, JC Wolfe, CG Willson , J. Vac . Sci . Technol .
[비특허 문헌 5] M. Colburn, S. Johnson, M. Stewart, S. Damle, T. C. Bailey, B. Choi, M. Wedlake, T. Michaelson, S. V. Sreenivasan, J. Ekerdt, C. G. Willson, Proc . SPIE - Int . Soc . Opt . Eng. 1999, 3676, 379.[Non-Patent Document 5] M. Colburn, S. Johnson, M. Stewart, S. Damle, TC Bailey, B. Choi, M. Wedlake, T. Michaelson, SV Sreenivasan, J. Ekerdt, CG Willson, Proc . SPIE - Int . Soc . Opt . Eng . 1999 , 3676 , 379.
[비특허 문헌 6] L. J. Guo, P. R. Krauss, S. Y. Chou, Appl . Phys . Lett. 1997, 71, 1881. [Non-Patent Document 6] LJ Guo, PR Krauss, SY Chou, Appl . Phys . Lett . 1997 , 71 , 1881.
특허 문헌 1~6에 개시된 바이오 칩을 작용 전극으로서 이용한 바이오센서는, 매우 유용하지만, 본 발명자들은, 얻어지는 산화 환원 전위가 측정할 때마다 크게 변동하는 것에 착안했다. 본 발명자들은, 이 산화 환원 전위의 변동은, 바이오 칩의 절연성 레지스트막의 습윤에 기인하는 것을 알아냈다. 즉, 바이오 칩의 절연막에 레지스트 조성물을 이용하고 있으므로, 바이오 칩을 측정 시료에 침지하고 있을 때에 수지 조성물이 물에 의해 습윤함으로써, 절연성 레지스트막의 막 두께나 절연성에 변화가 생기고, 얻어지는 산화 환원 전위에 영향을 주고 있다고 생각된다.Although the biosensor using the biochip disclosed in patent documents 1-6 as a working electrode is very useful, the present inventors focused on the big fluctuation | variation whenever the redox potential obtained is measured. The present inventors found out that the change in the redox potential is due to the wetting of the insulating resist film of the biochip. That is, since the resist composition is used for the insulating film of the biochip, the resin composition wets with water when the biochip is immersed in the measurement sample, so that a change in the film thickness and the insulating property of the insulating resist film occurs, resulting in the redox potential obtained. I think it is affecting.
따라서, 본 발명의 목적은, 절연성 레지스트막의 습윤에 의해, 센서의 측정 변동을 발생시키지 않는 바이오 칩을 제공하는 데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a biochip which does not generate measurement fluctuations of the sensor by wetting the insulating resist film.
본 발명은, 프로브 물질을 고정화하기 위한 웰의 어레이가 형성된 바이오 칩으로서, 웰의 바닥부에는 바이오 칩 상의 전극 배선이 노출되어 있다. 금속산화물의 절연막에 형성된 복수의 웰의 바닥부에, 검출 대상에 의해 적절한 프로브 물질을 고정할 수 있다.The present invention is a biochip in which an array of wells for immobilizing probe materials is formed, and electrode wirings on the biochip are exposed at the bottom of the well. An appropriate probe substance can be fixed to the bottom of the plurality of wells formed in the insulating film of the metal oxide by the detection target.
보다 상세하게는, 본 발명은, 프로브 물질을 배열하여 고정화하기 위한 1 또는 복수의 웰이 형성된 바이오 칩으로서, 기판 상에 1 또는 복수의 전극 배선이 형성되고, 그 1 또는 복수의 전극 배선은, 금속산화물의 절연막으로 피복되고, 그 1 또는 복수의 전극 배선의 각각의 일 영역상의 절연막에, 전극 표면에 도달하는 1 또는 복수의 구멍을 형성함으로써 1 또는 복수의 웰이 형성된 바이오 칩을 제공한다.More specifically, the present invention is a biochip formed with one or a plurality of wells for arranging and immobilizing probe materials, wherein one or a plurality of electrode wirings are formed on a substrate, and the one or a plurality of electrode wirings, A biochip in which one or a plurality of wells is formed is formed by forming one or a plurality of holes that are covered with an insulating film of a metal oxide and reach an electrode surface in the insulating film on each region of the one or the plurality of electrode wirings.
본 발명에 따른 바이오 칩에 있어서, 그 1 또는 복수의 웰 바닥부에 노출된 전극 배선 표면 상에, 핵산, 단백질, 펩티드, 리포솜, β-아미로이드 올리고머 및 환원당으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 프로브 물질을 고정화 할 수 있다.In the biochip according to the present invention, a probe substance selected from the group consisting of nucleic acids, proteins, peptides, liposomes, β-amiroid oligomers and reducing sugars is formed on an electrode wiring surface exposed at the bottom of one or a plurality of wells. Can be immobilized
본 발명의 바이오 칩에 있어서, 그 금속산화물이, TiO2, SiO2, ZnO로 이루어지는 군으로부터 선택된다.In the biochip of the present invention, the metal oxide is selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , and ZnO.
또한, 본 발명은, 적어도, 작용 전극, 대극(antipole,對極) 및 참조 전극을 포함하는 바이오센서로서, 여기에, 그 작용 전극은, 본 발명의 바이오 칩, 즉, 프로브 물질을 배열하여 고정화하기 위한 1 또는 복수의 웰이 형성된 바이오 칩으로서, 기판 상에 1 또는 복수의 전극 배선이 형성되고, 그 1 또는 복수의 전극 배선은, 금속산화물의 절연막으로 피복되고, 그 1 또는 복수의 전극 배선의 각각의 일 영역상의 절연막에, 전극 표면에 도달하는 1 또는 복수의 구멍을 형성함으로써 1 또는 복수의 웰이 형성된 바이오 칩으로서, 그 1 또는 복수의 웰 바닥부에 노출된 전극 배선 표면 상에, 핵산, 단백질, 펩티드, 리포솜, β-아미로이드 올리고머 및 환원당으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 프로브 물질이 고정화되고, 처리 전에, 그 바이오 칩의 제1 전기적 신호를 측정하고, 그 바이오 칩을 시험 용액 중에서 처리한 후, 그 바이오 칩의 제2 전기적 신호를 측정하고; 이어서, 제1 전기적 신호와 제2 전기적 신호의 강도 차로부터, 시험 용액 중에 존재하는, 그 1 또는 복수의 프로브 물질과 특이적 결합하는 비표시 타겟 분자(unlabeled target molecules)를 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 제공한다.The present invention also provides a biosensor comprising at least a working electrode, an antipole, and a reference electrode, wherein the working electrode is immobilized by arranging the biochip of the present invention, that is, a probe material. A biochip in which one or a plurality of wells is formed, wherein one or a plurality of electrode wirings are formed on a substrate, and the one or a plurality of electrode wirings are covered with an insulating film of a metal oxide, and the one or the plurality of electrode wirings. A biochip in which one or a plurality of wells is formed by forming one or a plurality of holes reaching the electrode surface in the insulating film on each region of the substrate, on the electrode wiring surface exposed to the bottom of the one or the plurality of wells, A probe substance selected from the group consisting of nucleic acids, proteins, peptides, liposomes, β-amyloid oligomers and reducing sugars is immobilized and, prior to processing, the first electrical signal of the biochip Measure and process the biochip in a test solution and then measure a second electrical signal of the biochip; Then, from the difference between the intensities of the first electrical signal and the second electrical signal, an unlabeled target molecule that specifically binds to one or a plurality of probe substances present in the test solution is detected. Provide a biosensor.
여기에서, "처리"란, 프로브 물질과 비표시 타겟 분자를 특이적 결합시키기 위해 필요한 프로세스를 말한다. 따라서, 처리 전, 바이오 칩에 있어서는, 그 1 또는 복수의 프로브 물질에는 비표시 타겟 분자가 결합되어 있지 않다. 또한, 시험 용액 중에 그 비표시 타겟 분자가 존재하고 있으면, 이 처리에 의해, 그 1 또는 복수의 프로브 물질에 비표시 타겟 분자가 특이적 결합한다. 본 발명의 바이오 칩에 상기의 처리를 행하기 전후에, 전기적 신호를 측정하고, 전기적 신호에 변화가 있으면, 그 시험 용액 중에, 비표시 타겟 분자가 존재하고 있었음을 확인할 수 있다.As used herein, "treatment" refers to a process necessary for specific binding of a probe substance to a non-labeled target molecule. Therefore, in the biochip before the treatment, non-display target molecules are not bound to the one or the plurality of probe substances. If the non-labeled target molecule is present in the test solution, the non-labeled target molecule is specifically bound to the one or more probe substances by this treatment. Before and after performing the above-described processing on the biochip of the present invention, an electrical signal is measured, and if there is a change in the electrical signal, it can be confirmed that non-display target molecules existed in the test solution.
본 발명에 있어서, 특히, 전기적 신호로서 산화 환원 전류값을 이용한다.In the present invention, in particular, a redox current value is used as the electrical signal.
즉, 본 발명에 따르면, 비표시 타겟 분자의 프로브 물질에의 특이적 결합의 유무를 바이오 칩의 바이오 분자 어레이 상의 산화 환원 상태의 변화로부터 검출한다. 따라서, 타겟 분자에 형광 물질 등을 표시하지 않고, 산화 환원 전류값을 측정 하는 것만으로 특이적 결합을 검출할 수 있으므로, 신속하고 또한 간편한 측정이 가능해진다.That is, according to the present invention, the presence or absence of specific binding of the non-labeled target molecule to the probe substance is detected from the change of the redox state on the biomolecule array of the biochip. Therefore, specific binding can be detected only by measuring the redox current value without displaying a fluorescent substance or the like on the target molecule, thereby making it possible to perform a quick and simple measurement.
즉, 프로브 물질에 타겟 분자가 결합되어 있지 않은 계에서 측정한 전기적 신호와 프로브 물질에 타겟 분자가 결합한 계에서 측정한 전기적 신호 사이에 통계학적으로 유의한 변화가 있는 경우, 당해 유의한 변화를 타겟 분자와 프로브 물질과의 특이적 결합에 관련지을 수 있다.In other words, if there is a statistically significant change between the electrical signal measured in a system in which the target molecule is not bound to the probe material and the electrical signal measured in a system in which the target molecule is bound to the probe material, the target change is targeted. Specific binding of molecules to probe materials.
본 발명은 또한 프로브 물질을 배열하여 고정화하기 위한 1 또는 복수의 웰이 형성된 바이오 칩의 제조 방법으로서, 기판 상에 1 또는 복수의 전극 배선을 형성하고, 그 1 또는 복수의 전극 배선을 금속산화물의 절역막으로 피복하고, 이어서, 그 1 또는 복수의 전극 배선의 각각의 일 영역상의 절연막에, 전극 표면에 도달하는 1 또는 복수의 구멍을 형성함으로써 1 또는 복수의 웰을 형성하는, 바이오 칩의 제조 방법도 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a biochip having one or a plurality of wells for arranging and immobilizing a probe material, wherein the one or the plurality of electrode wirings are formed on a substrate, and the one or the plurality of electrode wirings are formed of a metal oxide. Manufacturing a biochip in which one or a plurality of wells are formed by covering with a switching film and then forming one or a plurality of holes reaching the electrode surface in the insulating film on each region of the one or the plurality of electrode wirings. It also provides a method.
본 발명의 바이오 칩은, 종래의 어떠한 기술을 적용하여 제작해도 좋다.The biochip of the present invention may be produced by applying any conventional technique.
특히, 본 발명의 바이오 칩의 제조 방법에 있어서, 그 금속산화물의 절연막에 웰을 형성하는 기술이, 나노임프린팅 기술, KrF 스테퍼 패터닝, E-빔법, 수속 이온빔법으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.In particular, in the biochip manufacturing method of the present invention, a technique for forming a well in an insulating film of the metal oxide is selected from the group consisting of nanoimprinting technique, KrF stepper patterning, E-beam method, and convergent ion beam method.
본 발명의 바이오 칩은 금속산화물을 절연막으로서 이용하므로, 시료 용액에 침지했을 때, 레지스트를 절연막으로서 이용하는 종래의 바이오 칩과 비교하여, 습윤에 의한 전기적 특성에의 악영향이 없으므로, 안정된 측정이 가능해진다.Since the biochip of the present invention uses a metal oxide as an insulating film, compared to a conventional biochip using a resist as an insulating film, when immersed in a sample solution, there is no adverse effect on the electrical properties due to wetting, thereby enabling stable measurement. .
또한, 본 발명의 바이오 칩은 금속산화물을 절연막으로서 이용하므로, 레지스트를 절연막으로서 이용하는 종래의 바이오 칩과 비교하여, 웰의 사이즈를 작게 만들 수 있으므로, 웰 내부에 단백질 등의 프로브 물질을 고정화할 때, 웰 내부에 다수의 프로브 물질을 끌어들이게 되는 것이 감소되고, 프로브 물질의 센싱 능력이 향상되기 때문에, 보다 높은 정밀도의 측정이 가능해진다.In addition, since the biochip of the present invention uses a metal oxide as an insulating film, the size of the well can be made smaller than that of a conventional biochip using a resist as an insulating film. Thus, when a probe material such as a protein is immobilized inside the well, Increasing the number of probe materials into the well is reduced, and the sensing capability of the probe material is improved, so that a higher precision measurement is possible.
도 1은 종래예의 바이오 칩의 상면도이다.
도 2는 종래예의 바이오 칩의 바이오 분자 어레이 영역의 상면도이다.
도 3은 종래예의 바이오 분자 어레이 영역의 단면도이다.
도 4는 포토 패브리케이션 기술에 의한 종래의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 5는 포토 패브리케이션 기술에 의한 종래의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 6은 포토 패브리케이션 기술에 의한 종래의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 7은 포토 패브리케이션 기술에 의한 종래의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 8은 포토 패브리케이션 기술에 의한 종래의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 9는 종래의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 10은 나노임프린트 리소그래피 기술에 의한 종래의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 11은 포토 패브리케이션 기술에 의한 본 발명의 바이오 칩의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 바이오 칩의 바이오 분자 어레이 영역의 상면의 전자현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시예의 바이오 칩의 볼타메트리 측정 결과이다.
도 14는 비교예의 바이오 칩의 볼타메트리 측정 결과이다.1 is a top view of a conventional biochip.
2 is a top view of a biomolecule array region of a conventional biochip.
3 is a cross-sectional view of a biomolecule array region of a conventional example.
4 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a conventional biochip by photofabrication technology.
5 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a conventional biochip by photo fabrication technology.
6 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a conventional biochip by photo fabrication technology.
7 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a conventional biochip by photo fabrication technology.
8 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a conventional biochip by photofabrication technology.
9 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a conventional biochip.
10 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of a conventional biochip by nanoimprint lithography technique.
11 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of a biochip of the present invention by a photofabrication technique.
12 is an electron micrograph of the upper surface of the biomolecule array region of the biochip of the present invention.
13 is a result of measuring the voltametry of the biochip of the embodiment of the present invention.
14 is a result of measuring the voltametry of the biochip of the comparative example.
실시예 1 [금속산화막을 절연막으로 하는 바이오 칩]Example 1 [Biochip Using Metal Oxide Film as Insulation Film]
(1) 바이오 칩의 제조(1) manufacture of biochips
일반적인 전자 빔(e-빔) 리소그래피법을 이용하여 나노 사이즈의 웰을 갖는 바이오 칩을 제조했다.Biochips having nano-sized wells were manufactured using general electron beam (e-beam) lithography.
우선, 도 4의 (a)~ (f)와 같이 종래의 방법과 마찬가지로 기판 상에 전극을 형성한다.First, as shown in Figs. 4A to 4F, electrodes are formed on a substrate in the same manner as in the conventional method.
다음에, 스핀 코팅법(5000rmp:60초)을 이용하여, 전극 상에 e-빔용 레지스트(폴리메틸메타크릴레이트)의 2% 클로로벤젠 용액을 150nm 두께로 코팅하고, 열처리 과정을 거쳐 경화한 레지스트막(61)을 형성했다(도 11a).Next, by using a spin coating method (5000 rmp: 60 seconds), a 2% chlorobenzene solution of an e-beam resist (polymethyl methacrylate) was coated on the electrode to a thickness of 150 nm, and then cured through heat treatment. The
경화한 레지스트막(61)에, 소정의 패턴으로 전자 빔(62)을 조사하고(도 1lb), 그 후, 기판을 현상 용액(메틸에틸케톤:이소프로필알코올=1:3)에 30초 동안 침지함으로써 레지스트막(61)을 현상했다(도 11c).The cured resist
이 후, 일반적인 금속 산화 증착 장치를 이용하는 직류 마그네트론 스퍼터링법(금속 타겟, 상온 증착, 압력:5mTorr, DC 전력:60W)에 의해, SiO2를 증착하여 금속산화물막(63)을 형성했다(도 11d).Thereafter, SiO 2 was deposited by direct current magnetron sputtering (metal target, room temperature deposition, pressure: 5 mTorr, DC power: 60 W) using a common metal oxide deposition apparatus to form a metal oxide film 63 (FIG. 11D). ).
또한, 기판을 아세톤에 30분 이상 침지하여 증착 후에 남은 레지스트막(61) 및 레지스트 상에 증착한 SiO2를 제거함으로써, 전극 표면을 노출시켜, 복수의 웰(63a)의 배열을 형성했다(도 11e). 얻어진 바이오 칩 개략 상면도는 도시하지 않지만, 도 8과 마찬가지이며, 절연성 레지스트막(14)이 금속산화물(여기서는, SiO2)의 절연막(63)인 점이 상위하다.Further, the substrate was immersed in acetone for 30 minutes or more to remove the resist
상기의 방법으로, 직경 60㎚이고 깊이가 40㎚로 사이즈가 매우 작은 웰의 어레이가 형성되었다. 웰의 어레이 부분의 전자현미경 상을 도 12에 도시한다.In the above manner, an array of wells of very small size with a diameter of 60 nm and a depth of 40 nm was formed. An electron microscope image of the array portion of the well is shown in FIG. 12.
다음에, 도 9a ~ 9f에 도시하는 종래예와 같이, 노출된 전극 배선 상에 스트렙트아비딘을 고정화한 바이오 칩(A)을 제작했다.Next, as in the conventional example shown in FIGS. 9A to 9F, a biochip A having immobilized streptavidin on the exposed electrode wiring was fabricated.
(2) 전기 화학적 측정(2) electrochemical measurement
BAS100B/W 퍼텐쇼스탯(Bioanalytical Systems, Inc.)을 이용하여, 실온에서 바이오 칩의 전기 화학적 측정을 행했다. 측정 시에는, 바이오 칩을 작용 전극으로 하고, 3M KCL 중의 Ag/AgCl을 참조 전극으로 하고, 플래티나 선을 대전극으로 했다(1mM).The electrochemical measurement of the biochip was performed at room temperature using BAS100B / W potentiometer (Bioanalytical Systems, Inc.). In the measurement, a biochip was used as a working electrode, Ag / AgCl in 3M KCL was used as a reference electrode, and a platinum line was used as a counter electrode (1 mM).
각 EC 측정 전에는, 나노 사이즈의 웰의 어레이를 형성한 바이오 칩을 H2SO4 용액 중에서 +1.7V로 1분간 예비 처리를 행했다.EC before each measurement was carried out at the pre-treated for 1 min at + 1.7V for a bio-chip to form an array of wells of the nano-sized from H 2 SO 4 solution.
사이클릭 볼타메트리(CV) 측정은, 100mM 인산 완충 생리식염수(pH7.4)를 함유하는 용액 중에서, 스캔 속도 200mV/초로 행했다. CV 측정의 설정은 이하와 같다.Cyclic voltametry (CV) was measured at a scanning speed of 200 mV / sec in a solution containing 100 mM phosphate buffered saline (pH 7.4). The setting of CV measurement is as follows.
초기 전위:-0.3V, 최종 전위:0.6V, 진폭:25mV, 스텝 전위:4mV, 주기:50Hz.Initial potential: -0.3 V, final potential: 0.6 V, amplitude: 25 mV, step potential: 4 mV, period: 50 Hz.
바이오 칩(A)을 용액에 침지한 직후 및, 침지 후 30분에서 240분까지, CV 곡선을 얻은 결과를 도 13에 도시한다.The result of having obtained the CV curve immediately after immersing the biochip (A) in the solution and from 30 minutes to 240 minutes after immersion is shown in FIG.
도 13의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 금속산화막을 절연막으로서 이용한 바이오 칩은 장시간 용액에 침지해도 CV 곡선의 변동이 없고, 매우 안정되게 측정할 수 있는 것이 도시되었다.As can be seen from the results of FIG. 13, it is shown that a biochip using a metal oxide film as an insulating film can be measured very stably without fluctuation of the CV curve even when immersed in a solution for a long time.
상기의 방법으로 만든 나노 구조의 바이오센서는 기존의 폴리머를 이용하여 제작했을 때보다 작은 크기의 제작이 용이하고, 폴리머보다 내구성 및 안정성 특히 메탈 산화물의 절연성이 매우 좋기 때문에 바이오센서의 성능을 향상시키는 데도 좋다는 것을 알 수 있었다.The nano-structured biosensor made by the above method is easier to manufacture with a smaller size than the conventional polymer, and the durability and stability of the polymer is particularly good since the insulation of the metal oxide is very good. It was found to be good.
비교예 1 [레지스트막을 절연막으로 하는 바이오 칩]Comparative Example 1 [Biochip Using Resist Film as Insulating Film]
(1) 바이오 칩의 제조(1) manufacture of biochips
직경 5㎛ 이상의 단일 웰을 제작했을 때와 마찬가지로 하여 전극 배선을 형성하고(도 4), 그 후, 도 5a에 도시하는 공정과 마찬가지로, 스핀 코터를 이용하여 전극 배선(13)이 형성된 기판 상에 절연성 레지스트(14)(ZEP520:일본 제온 주식회사)를 도포하고, 90℃에서 2분간 베이킹한다(도 7a). 이어서, 75kV로 전자 빔(15)을 조사하고(도 7b), 레지스트(14)를 현상함으로써 전극 표면을 노출시켜, 바이오 분자 어레이 영역(131) 상에 복수의 웰(131a)의 배열을 형성했다(도 7c). 이것을 200℃에서 5분간 베이킹함으로써, 레지스트(14)를 고착시켰다(도 7d). 웰이 형성된 칩의 개략 상면도는 도 8에 도시한 것과 마찬가지이다.An electrode wiring was formed in the same manner as when a single well having a diameter of 5 µm or more was formed (FIG. 4), and then on the substrate on which the
다음에, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 노출된 전극 배선 상에 스트렙트아비딘이 고정화된 바이오 칩(B)을 제작했다.Next, similarly to Example 1, the biochip B by which streptavidin was immobilized on the exposed electrode wiring was produced.
(2) 전기 화학적 측정(2) electrochemical measurement
실시예 1과 동일한 조건으로, 사이클릭 볼타메트리(CV)법에 의해 바이오 칩의 전기 화학적 측정을 행했다.Under the same conditions as in Example 1, electrochemical measurement of the biochip was performed by the cyclic voltammetry (CV) method.
바이오 칩(B)을 용액에 침지한 직후 및, 침지 후 20분에서 120분까지, CV 곡선을 얻은 결과를 도 14에 도시한다.The result of having obtained the CV curve immediately after immersing the biochip (B) in the solution and from 20 minutes to 120 minutes after immersion is shown in FIG. 14.
도 14의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 레지스트를 절연막으로서 이용한 바이오 칩은 용액에 침지하면, CV 곡선이 크게 변동했다.As can be seen from the result of FIG. 14, when the biochip using the resist as the insulating film was immersed in the solution, the CV curve greatly varied.
종래의 레지스트막을 절연막으로서 이용하는 바이오 칩과 비교하면, 측정 안정성이 높기 때문에, 정밀도가 높은 측정을 요하는 분야에 응용할 수 있다.Compared with the biochip which uses a conventional resist film as an insulating film, since the measurement stability is high, it can apply to the field which requires high precision measurement.
1 : 바이오 칩
10 : 기판
11 : 포토레지스트
12a : 자외선
12b : 포토마스크
13 : 전극 배선
131 : 바이오 분자 어레이 영역
131a, 131b : 웰
132 : 패드
14 : 절연성 레지스트막
15 : 전자 빔
16 : 기판
17 : 수지층
17a : 경화막
18 : 몰드
19 : UV 광
2 : 프로브
21 : 비오틴화 1,2-디올레오일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민(Bio-PE)
22 : 스트렙트아비딘
23 : 비오틴화 프로브 항체
3 : 1-옥탄데칸티올(ODT)
4 : 1-팔미토일-2-올레오일-sn-글리세로-3-포스포코올린(POPC)
5 : (11-훼로세닐)운데실폴리옥시에틸렌(Fe-PEG)
61 : 전자 빔 리소그래피용 레지스트
62 : 전자 빔
63 : 금속산화막
63a : 웰1: biochip
10: substrate
11: photoresist
12a: UV light
12b: Photomask
13: electrode wiring
131: Biomolecule Array Region
131a, 131b: wells
132: Pad
14: insulating resist film
15: electron beam
16: substrate
17: resin layer
17a: cured film
18: Mold
19: UV light
2: probe
21: biotinylated 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (Bio-PE)
22: streptavidin
23: biotinylated probe antibody
3: 1-octanedecanthiol (ODT)
4: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocoline (POPC)
5: (11-ferrocenyl) undecylpolyoxyethylene (Fe-PEG)
61: resist for electron beam lithography
62: electron beam
63: metal oxide film
63a: Well
Claims (7)
그 1 또는 복수의 웰 바닥부에 노출된 전극 배선 표면 상에, 핵산, 단백질, 펩티드, 리포솜, β-아미로이드 올리고머 및 환원당으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 프로브 물질이 고정화되어 있는, 바이오 칩.The method of claim 1,
A biochip, wherein a probe substance selected from the group consisting of nucleic acids, proteins, peptides, liposomes, β-amidoid oligomers and reducing sugars is immobilized on an electrode wiring surface exposed to the bottom of one or a plurality of wells.
금속산화물이, TiO2, SiO2, ZnO로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 바이오 칩.The method of claim 1,
A biochip, wherein the metal oxide is selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , and ZnO.
그 1 또는 복수의 웰 바닥부에 노출된 전극 배선 표면 상에, 핵산, 단백질, 펩티드, 리포솜, β-아미로이드 올리고머 및 환원당으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 프로브 물질이 고정화되고,
처리 전에, 그 바이오 칩의 제1 전기적 신호를 측정하고,
그 바이오 칩을 시험 용액 중에서 처리한 후, 그 바이오 칩의 제2 전기적 신호를 측정하고; 이어서,
제1 전기적 신호와 제2 전기적 신호의 강도 차로부터, 시험 용액 중에 존재하는, 그 1 또는 복수의 프로브 물질과 특이적 결합하는 비표시 타겟 분자를 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.A biosensor comprising at least a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode, wherein the working electrode is a biochip in which one or a plurality of wells are formed for arranging and immobilizing a probe material, wherein the working electrode is a biosensor formed on a substrate. Electrode wirings are formed, and the one or more electrode wirings are covered with an insulating film of metal oxide, and one or more holes reaching the electrode surface are formed in the insulating film on each region of the one or the plurality of electrode wirings. A biochip in which one or a plurality of wells is formed by forming,
A probe substance selected from the group consisting of nucleic acids, proteins, peptides, liposomes, β-amyloid oligomers and reducing sugars is immobilized on the electrode wiring surface exposed to the bottom of one or the plurality of wells,
Before processing, the first electrical signal of the biochip is measured,
After processing the biochip in a test solution, the second electrical signal of the biochip is measured; next,
And detecting the non-labeled target molecule specifically binding to the one or the plurality of probe substances present in the test solution from the difference in intensity between the first electrical signal and the second electrical signal.
그 전기적 신호가, 산화 환원 전류값인 바이오센서.5. The method of claim 4,
The biosensor whose electrical signal is a redox current value.
기판 상에 1 또는 복수의 전극 배선을 형성하고,
그 1 또는 복수의 전극 배선을 금속산화물의 절역막으로 피복하고, 이어서,
그 1 또는 복수의 전극 배선의 각각의 일 영역상의 절연막에, 전극 표면에 도달하는 1 또는 복수의 구멍을 형성함으로써 1 또는 복수의 웰을 형성하는, 바이오 칩의 제조 방법.A method of manufacturing a biochip having one or a plurality of wells for arranging and immobilizing probe materials, the method comprising:
Forming one or a plurality of electrode wirings on the substrate,
The one or more electrode wirings are covered with a metal oxide blocking film, and then
A method for manufacturing a biochip, wherein one or a plurality of wells are formed in an insulating film on each region of the one or a plurality of electrode wirings by forming one or a plurality of holes reaching the electrode surface.
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