KR20130030003A - 전기화학적 바이오 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원의 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서는 기판, 상기 기판 위에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 기판 위에 배치되며 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물 및 상기 복수의 나노구조물 상에 배치되며 생체분자의 부착에 따라 상기 복수의 나노구조물의 전기적 특성을 변화시키는 복수의 금속나노입자를 포함한다. 상기 복수의 금속나노입자는 복수의 크기를 가지는 분포를 이루도록 제어된다. 상기 전기화학적 바이오 센서는 상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 구별되는 복수의 동작 범위를 가지도록 구성된다.

Description

전기화학적 바이오 센서 및 이의 제조 방법{Electrochemical bio sensor}
본 출원은 전기화학적 바이오 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 동작범위를 갖는 전기화학적 바이오 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 바이오 센서란 기질 상에 소정의 DNA, 단백질 등과 특이 반응을 하는 프로브를 고밀도로 부착시킨 센서를 말한다. 상기 프로브와 결합하는 혈액이나 기타 바이오 물질 등의 샘플 시료 내의 특이 표적분자를 검출함으로써, 상기 특이 표적분자의 유전자 발현 현상, 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등의 특성을 분석할 수 있다.
바이오 센서는 프로브의 부착형태에 따라 고체 기질 상에 부착된 마이크로어레이센서와 미세 채널 상에 부착된 랩온어칩 등으로 분류할 수 있다. 마이크로어레이센서란 여러 개의 바이오센서칩이 모여있는 형태로서 여러가지 종류의 특성이 다른 프로브들을 어레이 형태로 칩위에 형성시켜 샘플 시료내에 존재하는 여러가지 표적 분자를 한꺼번에 검출하기 위해 제작된다.
최근에는, 주위의 환경에 민감한 나노구조물(일례로 탄소 나노튜브)을 이용한 전기화학적 바이오 센서가 활발히 연구되고 있다. 전기화학적 바이오 센서는 바이오 센서의 일종으로서, 프로브와 상기 특이 표적분자와의 화학 반응에 의해 발생하는 전기 신호를 검출하는 방식을 채택하고 있다. 종래기술에 의한 나노구조물을 이용하는 바이오 센서로서 Gui 등의 “DNA Sensing by Field-Effect Transistors Based on Networks of Carbon Nanotubes”, J.AM. CHEM. SOC. 2007에 개시된 센서가 있다. 상기 논문은 나노구조물에 단일가닥 DNA(single-stranded DNA, 이하 ssDNA라 함)를 부착하고, 이를 프로브(probe) ssDNA로 이용하여 상보적인(complementary) ssDNA를 교배(hybridization)시킬 때 발생하는 전기전도도의 변화를 측정함으로써, 특정 DNA를 감지하는 기술이다. 상기 선행 문헌에 제안된 DNA 감지 기술은 전극(일례로 금(Au)) 상에서 이루어지는 프로브 ssDNA와 상보적 ssDNA간의 교배에 따른 전기전도도의 변화를 감지하는 방법이다.
이러한 바이오센서를 이용하면, DNA와 같은 특정 바이오 분자를 감지할 때, 바이오 분자의 농도에 따라 감지되는 전기신호는 달라지므로 바이오 분자의 정량적 검사가 가능해진다. 이때, 바이오 분자가 감지 가능한 최소 농도에서 최대 신호를 내는 포화농도 간의 비율로 정의할 수 있는 동작 범위는 약 103 내지 104 정도로 보고되고 있다. 바이오 센서를 실용화시키려면 이러한 동작 범위를 보다 증가시킬 필요가 있으며, 이에 대한 연구가 지속적으로 요청되고 있는 실정이다.
본 출원이 이루고자 하는 기술적 과제는 동작 범위가 개선된 전기 화학적 바이오 센서를 제공하는 것이다.
본 출원이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 전기 화학적 바이오 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면에 따른 전기화학적 바이오 센서는 기판, 상기 기판 위에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 기판 위에 배치되며 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물 및 상기 복수의 나노구조물 상에 배치되며 생체분자의 부착에 따라 상기 복수의 나노구조물의 전기적 특성을 변화시키는 복수의 금속나노입자를 포함한다. 상기 복수의 금속나노입자는 복수의 크기를 가지는 분포를 이루도록 제어된다. 상기 전기화학적 바이오 센서는 상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 구별되는 복수의 동작 범위를 가지도록 구성된다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따른 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법이 개시된다. 상기 바이오 센서의 제조 방법에 있어서, 먼저 기판을 준비한다. 상기 기판 위에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성한다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물을 형성한다. 상기 복수의 나노구조물 상에 복수의 금속나노입자들을 형성한다. 상기 복수의 금속나노입자는 복수의 크기를 가지는 분포를 이루도록 제어된다. 상기 전기화학적 바이오 센서는 상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 구별되는 복수의 동작 범위를 가지도록 구성된다.
본 출원의 일 실시 예에 의하면, 감지 전극으로서의 복수의 금속나노입자가 다양한 크기를 가지도록 제어함으로써, 전기화학적 바이오 센서가 상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 다양한 동작 범위의 조합을 가지도록 구성할 수 있다. 이로서, 전기화학적 바이오 센서는 상기 다양한 동작 범위의 중첩을 통하여 전체적으로 종래에 비해 넓은 동작 범위를 가질 수 있게 된다.
본 출원의 일 실시 예에 의하면, 나노 수준의 두께를 가지는 금속층을 형성하고 이를 열처리함으로써, 감지 전극으로서 다양한 크기 분포를 가지는 복수의 금속나노입자를 나노구조물 상에 형성할 수 있다. 이로서, 종래에 비해 상대적으로 넓은 동작 범위를 가지는 전기화학적 바이오 센서를 제조할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 일 실시 예에 따르는 마이크로어레이 센싱부 및 상기 마이크로어레이 센싱부의 복수의 전기화학적 바이오 센서를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 본 출원에 따르는 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1 ” 또는 “제2 ” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수도 있다.
또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다”등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 출원의 발명자는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서에서, 전기화학적 바이오 센서의 동작 범위가 감지 전극의 크기와 관련이 있다는 사실을 발견하였다. 즉, 감지 전극의 크기가 클수록 생체분자가 상대적으로 고농도로 존재하는 영역에서 소정의 동작 범위를 갖고, 감지 전극의 크기가 작을수록 생체분자가 상대적으로 저농도로 존재하는 영역에서 소정의 동작 범위를 갖게 된다는 사실을 발견하였다. 이에 근거하여, 본 출원의 발명자는 상기 감지 전극이 다양한 크기를 가지는 분포를 이루도록 분산 배치시키는 구성을 제안한다. 상기 감지 전극이 다양한 크기를 가지는 분포를 이룸으로써, 생체 분자가 저농도로 존재하는 경우 상대적으로 작은 크기의 감지 전극이 상기 저농도의 생체 분자와의 반응을 통하여 상기 저농도의 생체 분자를 감지할 수 있다. 이 경우 상대적으로 큰 크기의 감지 전극은 상기 저농도의 생체 분자와의 반응을 통해서는 의미 있는 전기적 신호를 발생하지 않는다. 반면, 생체 분자가 고농도로 존재하는 경우 상대적으로 큰 크기의 감지 전극은 상기 고농도의 생체 분자와의 반응을 통하여 상기 고농도의 생체 분자를 감지할 수 있다. 이 경우, 상대적으로 작은 크기의 감지 전극들은 이미 저농도의 생체 분자와 반응을 완료하여 더 이상 상기 고농도의 생체 분자와의 관계에서 의미 있는 전기적 신호를 발생하지 않는다. 이와 같이, 상기 감지 전극이 크기 분포를 가지고 있고 나노 구조물 상의 위치 또한 무작위적(random)이기 때문에, 상기 감지 전극을 통한 마이크로 어레이로부터 얻어지는 전기적 신호의 처리는 통계적인 방법으로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 도 2는 일 실시 예에 따르는 마이크로어레이 센싱부 및 상기 마이크로어레이 센싱부의 복수의 전기화학적 바이오 센서를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 3은 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서를 개략적으로 도시하는 도면이다. 구체적으로 도 3의 (a)는 일 실시 예에 따르는 바이오 센서를 나타내는 사시도이며, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 바이오 센서를 A-A' 방향으로 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서 시스템(100)는 마이크로어레이 센싱부(110) 및 연산부(130)를 포함한다. 마이크로어레이 센싱부(110)는 복수의 전기화학적 바이오 센서를 포함할 수 있다. 상기 복수의 전기화학적 바이오 센서는 각각 개별적으로 센서로서 동작한다. 연산부(130)는 마이크로어레이 센싱부(110)와 전기적으로 연결되어 있으며, 마이크로어레이 센싱부(110)를 동작시키기 위한 컨트롤 회로, 증폭기, 스위치, 연산기, A/D 컨버터, 입출력 회로 등을 포함할 수 있다. 연산부(130)는 마이크로어레이 센싱부(110)의 상기 복수의 전기화학적 바이오 센서 각각으로부터 전기적 측정치를 수신할 수 있다. 또한, 상기 수신한 전기적 측정치에 대한 다양한 연산을 진행할 수 있다. 연산부(130)는 마이크로어레이 센싱부의 복수의 전기화학적 바이오 센서의 주소를 각각 지정하며, 특정 주소를 가지는 전기화학적 바이오 센서를 구동할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로어레이 센싱부(110)에는 일 예로서, 각각의 전기적 신호로 센싱되는 소자를 포함하는 복수의 전기화학적 바이오 센서(120)가 배열될 수 있다. 도 2의 확대 도면에서는 복수의 전기화학적 바이오 센서(120)의 구체적인 구성을 도시하고 있다. 복수의 전기화학적 바이오 센서(120)의 전기적 신호로 센싱되는 소자는 일 예로서, 전계효과 소자일 수 있으나, 이에 한정되지는 않고 전기적 신호에 의해 소정의 물질의 존재나 량을 감지할 수 있는 공지의 다양한 소자가 이에 해당할 수 있다.
도 2, 도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 전기화학적 바이오 센서(120)는 기판(105) 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극(121) 및 제2 전극(123), 제1 전극(121) 및 제2 전극(123)을 연결하는 복수의 나노구조물(125) 및 복수의 나노구조물(125) 상에 배치되는 복수의 금속나노입자(127)를 포함한다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(123)은 서로 물리적으로 격리되도록 배치될 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 일 예로서 금속 또는 도핑(doping)된 다결정 실리콘(poly silicon)일 수 있지만 이에 한정되지는 않고 다양한 전기적 전도체가 적용될 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 일 예로서 금(Au)일 수 있다.
복수의 나노구조물(125)은 제1 전극(121) 및 제2 전극(123)을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 나노구조물(125)은 일 예로서, 탄소나노튜브 또는 그라핀 등의 채널구조물로 이루어질 수 있지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 나노구조물(125)은 일 예로서, 나노튜브, 나노와이어, 나노막대, 나노리본, 나노필름 또는 나노볼의 형태를 가질 수 있다. 하나의 나노구조물(125)은 제1 전극(121) 및 제2 전극(123)과 직접 물리적으로 접촉할 수 있다. 다르게는 하나의 나노구조물(125)은 다른 나노구조물을 경유하여, 제1 전극(121) 및 제2 전극(123)과 전기적으로 접촉할 수 있다.
복수의 금속나노입자(127)는 복수의 나노구조물(125) 상에 분산되어 배치된다. 금속나노입자(127)는 복수의 크기 분포를 이루도록 제어된다. 일 예로서, 금속나노입자(127)는 일 예로서, 약 1 nm 내지 약 10 nm의 사이에서 크기 분포를 가지도록 제어될 수 있다. 즉, 서로 다른 다양한 크기를 가지는 복수의 금속나노입자(127)는 복수의 나노구조물 상에 무작위적으로 분산되어 배치될 수 있다. 금속나노입자(127)는 일 예로서 금(Au)일 수 있다.
금속나노입자(127) 상에는 감지하고자 하는 생체물질에 반응하는 수용체(127)를 부착하는 기능화가 수행될 수 있다. 상기 감지하고자 하는 생체물질은 일 예로서, 단백질, DNA, 세포, 바이러스, 분자 등 일 수 있다. 상기 기능화란 일 예로, 상기 감지하고자 하는 생체물질인 특정 단백질, 종양 표지, 분자, 바이러스 등과 반응하는 수용체로서 기능하는 일종의 분자 물질을, 금속나노입자(127)에 고정시키는 것을 의미한다. 본 출원에서는 상기의 수용체(129)를 프로브(129)로 명명하기로 한다. 복수의 단위센서(120) 내의 금속나노입자(127)에 대한 기능화는 일 예로서, 공지의 스포팅 공정에 의해 수행될 수 있다. 도 3의 (b)는 상기 기능화가 진행된 후의 전기화학적 바이오 센서를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 나노구조물(125) 상에는 서로 다른 크기의 금속나노입자(127)가 배치되며, 상기 금속나노입자(127) 상에는 복수의 프로브(129)가 고정될 수 있다. 고정되는 프로브(129)의 개수는 금속나노입자(127)의 크기에 비례할 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이, 금속나노입자(127)의 크기가 클수록 상대적으로 많은 프로브(129)가 고정될 수 있다.
프로브(129)에 상기 생체물질이 부착될 때, 금속나노입자(127)는 나노구조물(125)의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상술한 바와 같이, 바이오 센서(120)는 전기적 신호를 센싱하는 소자로서, 전계효과 소자일 수 있으며, 나노구조물(125)은 상기 전계효과 소자의 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이에서 전기적 신호가 이동하는 채널층으로 작용할 수 있다. 감지하고자 하는 생체물질의 존재 여부 또는 상기 존재하는 생체물질의 농도에 따라 상기 채널층인 나노구조물(125)을 통과하는 전기적 신호의 특성이 변화할 수 있다. 상기 전기적 신호의 특성은 일 예로서, 전류, 전압 또는 저항일 수 있다. 따라서, 본 출원에서는 금속나노입자(127)가, 감지하고자 하는 생체물질에 근거하여 바이오 센서(120)의 채널층에 대한 전기적 특성을 변화시키는 역할을 수행하므로 바이오 센서(120)의 감지 전극으로 지칭하고자 한다.
바이오 센서(120)의 감지 전극의 기능을 보다 구체적으로 알아보면, 일 실시 예에 있어서, 나노구조물(125)로서의 탄소나노튜브 상에, 금속나노입자(127)로서 금입자를 배치시킬 수 있다. 상기 금입자 상에는 프로브 물질을 고정시킬 수 있다. 이때, 상기 금입자는 상기 탄소나노튜브와의 계면에서 쏘트키 장벽층을 생성시킬 수 있다. 상기 금입자 상의 상기 프로브 물질과 특이반응을 일으키는 상기 생체물질의 존재 여부에 따라 전하의 이동으로 인한 금입자의 일함수가 변하여 결과적으로 상기 쏘트키 장벽층의 에너지 준위가 변화할 수 있으며, 이에 따라 나노구조물(125)을 통하여 제1 전극 및 제2 전극 사이를 흐르는 전류가 변화할 수 있다. 상기 전류의 변화를 측정함으로써 감지하고자 하는 상기 생체물질의 존재 여부를 확인할 수 있다. 복수의 나노구조물(125)을 채용함으로써, 상기 생체물질의 농도도 확인할 수 있게 된다.
도 2를 다시 참조하면, 제1 전극(121)은 입출력 단자(122)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 전극(123)은 입출력 단자(224)와 전기적으로 연결될 수 있다. 입출력 단자(122, 124)는 전기화학적 바이오 센서(120)에 인가되는 전압을 공급받을 수 있다. 또는, 입출력 단자(122, 124)는 복수의 전기화학적 바이오 센서(120)에서 측정된 전기적 신호를 외부 회로로 전달하는 기능을 수행할 수 있다. 도 2에서, 제1 전극(121)은 전기화학적 바이오 센서(120) 내부의 전도성 패턴을 경유하여 각각의 대응하는 입출력 단자(122)와 연결되고, 제2 전극(123)은 공통전극으로 기능하는 전기화학적 바이오 센서(120) 표면의 전도성 패턴을 경유하여 입출력 단자(124)와 연결되고 있다. 하지만, 도시된 실시예와 다르게 제1 전극 및 제2 전극과 입출력 단자를 연결시키는 변형례는 다양하게 존재할 수 있다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 전기화학적 바이오 센서(120)에서, 제2 전극(123)이 제1 전극(121)을 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 제2 전극(123)은 복수의 제1 전극(121)에 공통으로 작용할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 도시되지는 않았지만, 제2 전극(123)이 하나의 제1 전극(121)에 대응하도록 제조되어, 상기 제1 전극(121) 및 제2 전극(123) 각각의 쌍이 별도로 하나의 단위센서가 되도록 구성할 수 있다. 복수의 전기화학적 바이오 센서(120)는 전기적 신호로 센싱되는 소자로서 상기의 기능을 수행하는 조건을 만족하는 한, 도 2 및 도 3의 구조와 다른 다양한 변형된 형상 및 구성을 가질 수 있다. 상기 복수의 전기화학적 바이오 센서(120)가 배열되는 마이크로어레이 센싱부(110)의 제조 방법은 공지의 반도체 소자 제조 공정이 적용될 수 있으며, 일 예로서, 한국등록공보 제0993167의 제조 방법 중 일부분 또는 전부가 적용될 수 있다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. 구체적으로, 도 4의 (a)는 일 실시 예에 있어서의 전기화학적 바이오 센서를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 4의 (b)는 도 4의 전기화학적 바이오 센서의 부분 확대도이다. 도 4의 (c)는 일 실시 예에 있어서, 전기화학적 바이오 센서의 금속나노입자의 크기에 따른 동작 범위를 개략적으로 도시하는 그래프이며, 도 4의 (d)는 일 실시 예에 있어서, 크기 분포를 가지는 금속나노입자를 포함하는 전기화학적 바이오 센서의 동작 범위를 나타내는 그래프이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 전기화학적 바이오 센서(400)는 기판(미도시) 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극(121) 및 제2 전극(123), 제1 전극(121) 및 제2 전극(123)을 연결하는 복수의 나노구조물(125) 및 복수의 나노구조물(125) 상에 배치되는 복수의 금속나노입자(127)를 포함한다. 동일한 도면부호에 대한 구성요소의 설명은 이미 상술된 바가 있으므로, 중복을 배제하기 위해 생략한다.
복수의 금속나노입자(127)는 복수의 나노구조물(125) 상에서 다양한 크기 분포를 가지도록 제어된다. 전기화학적 바이오 센서(400)에서 복수의 금속나노입자(127)는 생체물질의 부착에 따라 복수의 나노구조물(125)의 전기적 특성을 변화시키는 역할을 수행하므로, 일종의 감지 전극으로서 작동할 수 있다.
본 출원의 발명자는 종래의 전기화학적 바이오 센서에서, 동작 범위가 감지 전극의 크기와 관련이 있다는 사실을 발견하였다. 즉, 감지 전극의 크기가 클수록 생체분자가 상대적으로 고농도로 존재하는 영역에서 소정의 동작 범위를 갖고, 감지 전극의 크기가 작을수록 생체분자가 상대적으로 저농도로 존재하는 영역에서 소정의 동작 범위를 갖게 된다는 사실을 발견하였다. 이에 근거하여, 본 출원의 발명자는 상기 감지 전극이 다양한 크기를 가지는 분포를 이루도록 분산 배치시키는 구성을 제안한다. 상기 감지 전극이 다양한 크기를 가지는 분포를 이룸으로써, 생체 분자가 저농도로 존재하는 경우 상대적으로 작은 크기의 감지 전극을 통하여 상기 생체 분자를 감지할 수 있으며, 생체 분자가 고농도로 존재하는 경우 상대적으로 큰 크기의 감지 전극을 통하여 상기 생체 분자를 감지할 수 있다.
도 4의 (b) 및 (c)를 참조하면, 감지 전극으로서의 금속나노입자(127)은 크기에 따라 고유의 동작 범위를 가질 수 있다. 금속나노입자(127)의 크기가 클수록 상대적으로 많은 프로브가 고정될 수 있으며, 금속나노입자(127)의 크기가 작을수록 상대적으로 적은 프로브가 고정될 수 있다. 발명자에 따르면, 감지하고자 하는 생체 물질이 금속나노입자(127) 상에 고정된 상기 프로브와 반응하여 나노구조물(125)의 전기적 특성에 변화가 발생하려면, 소정의 문턱값 이상으로 상기 생체 물질과 상기 프로브 간의 반응이 일어나야 한다. 상기 문턱값은 (생체 물질와 결합한 프로브 개수) / (하나의 금속나노입자에 고정된 전체 프로브 수)의 비율에 비례하며, 하나의 나노구조물에 대하여 전기적 특성의 변화를 일으키는 상기 문턱값은 일정한 상수값을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 발명자는, 금속나노입자(127)의 크기가 증가할 수록, 금속나노입자(127)에 부착되는 프로브의 개수도 증가한다고 판단한다. 따라서, 금속나노입자(127)의 크기가 증가할수록, 소정의 문턱값에 도달하기 위해 요구되는 '생체 물질과 결합한 프로브 개수'도 증가한다고 판단한다. 일 예로서, 상기 문턱값을 0.5 라고 하고, 한 개의 프로브가 고정될 정도로 금속나노입자(127)의 크기가 작은 경우, 상기 한 개의 프로브는 하나의 생체 물질과의 반응에 의하여 나노구조물(125)을 통해 흐르는 전류를 변화시킬 수 있다. 한편, 상기 문턱값을 0.5 라고 하고, 100개의 프로브가 고정될 정도의 크기를 가지는 금속나노입자(127)인 경우, 상기 100개 중 50 개 이상의 프로브가 상기 생체 물질과 반응을 할 때 문턱값에 도달함으로써 나노구조물(125)을 통해 흐르는 전류를 변화시킬 수 있다.
한편, 상기 생체 물질과 결합하는 상기 프로브의 개수는 상기 생체물질의 농도와 관련된다. 구체적으로, 상대적으로 저농도의 생체 물질이 존재할 때, 상대적으로 크기가 작은 금속나노입자(127)는 상기 문턱값을 넘기는 확률이 높지만, 상대적으로 크기가 큰 금속나노입자(127)의 경우 상기 문턱값을 넘기는 확률이 상대적으로 낮게 된다. 그리고, 상기 생체 물질의 농도가 증가할수록, 이에 비례하여 상대적으로 크기가 큰 금속나노입자(127)가 상기 문턱값을 넘기는 확률이 높아지게 된다. 따라서, 상대적으로 저농도의 생체 물질인 경우, 상대적으로 크기가 작은 금속나노입자가 상기 생체 물질을 감지하는 데 주도적으로 기능하고, 상대적으로 고농도의 생체 물질인 경우, 상대적으로 크기가 큰 금속나노입자가 상기 생체 물질을 감지하는 데 주도적인 기능을 수행할 수 있다.
일 예로서, 도 4의 (b) 및 (c)를 참조하여 다시 설명하면, 먼저, 금속나노입자(125)를 크기에 따라, a, b, c 및 d로 표기하여 분류할 수 있다. 상술한 바에 따라, 바이오 센서(400)는 금속나노입자(125)의 크기에 따라 별도의 동작 범위를 가질 수 있다. 즉, 금속나노입자(125)의 크기가 상대적으로 가장 작은 a 입자의 경우, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상대적으로 가장 작은 생체 물질의 농도 범위에서 작동할 수 있다. 이보다 생체 물질의 농도가 증가할 경우, b 입자가 새롭게 동작에 참여하여, 상기 a 입자 및 상기 b 입자가 함께 기능하는 동작 범위를 가질 수 있다. 이보다 더 생체 물질의 농도가 증가할 경우, 바이오 센서(400)는 상기 c 입자 및 상기 d 입자가 차례로 새롭게 동작에 참여할 수 있게 되어 바이오 센서(400)의 동작 범위를 증가시킬 수 있게 된다.
일 예로서, 동일한 나노구조물에 대하여 복수의 다른 크기의 금속나노입자(125)가 배치되는 경우, 상기 동일한 나노구조물에 배치된 금속나노입자(125) 중 가장 작은 크기의 금속나노입자(125)의 동작 범위에 의하여서만 상기 나노구조물을 통해 흐르는 전류가 제어될 수 있다. 즉, 가장 작은 크기의 금속나노입자(125)는 상응하는 저농도의 생체물질을 감지하고 이후에 이보다 고농도의 생체물질이 제공되더라도 금속나노입자(125)는 더 이상 기능하지 않게 된다.
도 4의 (d)를 참조하면, 도 4의 (c)에 도시된 다양한 크기의 금속나노입자에 의해 나타나는 동작 범위가 중첩됨으로써, 넓은 동작 범위를 가지는 바이오 센서의 감도를 도시하고 있다. 종래의 전기 화학적 바이오 센서의 경우 생체물질을 감지할 수 있는 최소 농도에서 최대 신호를 내는 포화농도 비율인 동작 범위가 약 103 내지 104 정도로 보고되고 있다. 본 출원의 일 실시 예에 따르는 바이오 센서는 종래보다 넓은 동작 범위를 구현할 수 있으며, 일 예로서, 107 이상의 동작 범위를 구현할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르는 전기화학적 바이오 센서는 감지 전극으로서의 복수의 금속나노입자가 다양한 크기를 가지도록 제어함으로써, 전기화학적 바이오 센서가 상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 다양한 동작 범위의 조합을 가지도록 구성할 수 있다. 이로서, 전기화학적 바이오 센서는 상기 다양한 동작 범위의 중첩을 통하여 전체적으로 종래에 비해 넓은 동작 범위를 구현할 수 있게 된다.
도 5는 본 출원에 따르는 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 5를 참조하면, 먼저 510 블록에서, 기판 위에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성한다. 상기 기판은 일 예로서 반도체 기판, 도전성 기판, 비전도성 기판 또는 실리콘 온 인슐레이터(silicon on insulator, SOI) 기판일 수 있다. 상기 기판으로서, 반도체 기판 또는 도전성 기판이 적용되는 경우, 상기 기판 상에는 절연층이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 일 예로서 금속 또는 도핑(doping)된 다결정 실리콘(poly silicon)일 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 일 예로서 금(Au)일 수 있다. 도 1 내지 도 4와 관련하여 상술한 실시 예에서는 사각형 형상의 제1 전극 및 제2 전극(121, 123)이 예시되어 있으나 서로 전기적으로 절연된다면 타원형, 원형, 다각형 또는 이들의 조합으로 이루어진 형태 등과 같이 다양한 모양을 가질 수 있다. 상술한 제1 전극 및 상기 제2 전극은 전도성 박막을 공지의 방법으로 형성하고, 상기 전도성 박막을 공지의 방법으로 패터닝하여 형성할 수 있다.
520 블록에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물을 형성한다. 일 실시 예에 의하면, 복수의 나노구조물들을 용액에 분산시키고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 형성된 상기 기판을 상기 분산 용액에 침지시킨다. 그리고, 상기 기판을 상기 용액에서 인출한다. 다만, 본 과정은 반드시 이에 한정되지는 않고 공지된 다양한 방법을 적용하여 복수의 나노구조물을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 분산시킬 수 있다.
530 블록에서, 상기 복수의 나노구조물 상에 복수의 금속나노입자를 형성한다. 이때, 복수의 금속나노입자는 복수의 크기를 가지는 분포를 이루도록 제어될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 먼저 상기 복수의 나노구조물 상에 금속층을 형성한다. 상기 금속층은 물리적 기상증착법에 의하여 증착될 수 있다. 상기 물리적 기상 증착법으로는 일 예로서, 열 증발 증착((thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering), PLD(pulsed laser deposition), ALD(atomic layer deposition) 등을 포함할 수 있다. 상기 복수의 나노구조물 상에 형성된 상기 금속층을 열처리한다. 상기 열처리 공정을 통하여, 상기 금촉층이 응집하여 다양한 크기를 가지는 입자형태의 복수의 금속나노입자를 형성할 수 있다. 상기 열처리 공정은 로(furnace) 또는 급속열처리장치(Rapid Thermal Processor)를 적용할 수 있으며, 온도, 압력 및 공정 시간을 조절하여 이루어질 수 있다. 상기 열처리 공정을 통해 형성되는 상기 복수의 금속나노입자는 약 1 nm 내지 10 nm의 크기를 가질 수 있다.
추가적으로, 540 블록의 공정을 통하여, 상기 복수의 금속나노입자 상에 생체물질과 반응하는 적어도 하나의 프로브를 형성할 수 있다. 상기 적어도 하나의 프로브를 형성하는 과정은 일 예로서, 공지의 스포팅 공정에 의하여 진행될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 다양한 공지의 방법이 적용될 수 있다.
상술한 방법은 단위센서로서의 바이오 센서의 제조 방법이나, 동일한 방법을 적용하여, 도 2에 도시된 바와 같은 복수의 단위센서의 집합체인 마이크로어레이 센싱부를 형성할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전기화학적 바이오 센서 시스템, 110: 마이크로어레이 센싱부, 130: 연산부, 120:전기화학적 바이오 센서, 121: 제1 전극, 122, 124: 입출력단자, 123:제2 전극, 125: 나노구조물, 127: 금속나노입자, 129: 프로브, 400: 전기화학적 바이오 센서.

Claims (11)

  1. 기판 위에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 기판 위에 배치되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물; 및
    상기 복수의 나노구조물 상에 배치되며 생체물질의 부착에 따라 상기 복수의 나노구조물의 전기적 특성을 변화시키는 복수의 금속나노입자를 포함하되,
    상기 복수의 금속나노입자는 복수의 크기를 가지는 분포를 이루도록 제어되며,
    상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 구별되는 복수의 동작 범위를 가지도록 구성되는
    전기화학적 바이오 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 금속나노입자는 1 nm 내지 10 nm의 크기를 가지는 전기화학적 바이오 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 금속나노입자는 금을 포함하는 전기화학적 바이오 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 금속나노입자 상에 배치되며 상기 생체물질과 반응하는 적어도 하나의 프로브를 추가적으로 포함하는 전기화학적 바이오 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 금속나노입자 상에 배치되는 상기 적어도 하나의 프로브의 개수는 상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 결정되는 전기화학적 바이오 센서.
  6. 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법에 있어서,
    (a) 기판 위에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 과정;
    (b) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물을 형성하는 과정; 및
    (c) 상기 복수의 나노구조물 상에 복수의 금속나노입자들을 형성하는 과정을 포함하되,
    상기 복수의 금속나노입자는 복수의 크기를 가지는 분포를 이루도록 제어되며,
    상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 구별되는 복수의 동작 범위를 가지도록 구성되는
    전기화학적 바이오 센서의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    (c) 과정은
    상기 복수의 나노구조물 상에 금속층을 형성하고 상기 금속층을 열처리하는 과정을 포함하는 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서
    상기 복수의 금속나노입자는 1 nm 내지 10 nm의 크기를 가지는 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법.
  9. 제6 항에 있어서
    상기 금속층은 금을 포함하며, 상기 금속층의 형성 방법은 물리적 기상 증착법에 의해 수행되는 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법.
  10. 제6 항에 있어서
    (d) 상기 복수의 금속나노입자 상에 생체물질과 반응하는 적어도 하나의 프로브를 형성하는 과정을 추가적으로 포함하는 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 금속나노입자 상에 형성되는 적어도 하나의 프로브의 개수는 상기 복수의 금속나노입자의 크기에 따라 결정되는 전기화학적 바이오 센서의 제조 방법.
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