KR20130118573A - Method and analysis system for real-time molecular sequencing with stacked nanoribbon - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적층 나노리본(stacked nanoribbon)을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적어도 네 개 이상의 나노리본이 절연층을 사이에 두고 기판 위에 적층되어 있고, 기판, 절연층 및 나노리본의 중심을 수직 방향으로 관통하는 나노포어(nanopore)가 형성되어 있으며, 생체고분자(biological polymer)가 나노포어를 통과하는 동안 생체고분자를 구성하는 단위분자와 나노리본 사이의 상호작용에 의해 나노리본을 통해 흐르는 전류가 변화되고, 그 변화를 나노리본의 길이 방향 양 끝에 각각 형성된 측정전극(measurement electrode)을 통해 감지하여 단위구성분자의 정체를 실시간(real-time)으로 분석하는 분자서열 분석시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a real-time molecular sequence analysis system using stacked nanoribbons, and more particularly, at least four nanoribbons are stacked on a substrate with an insulating layer interposed therebetween, the substrate, the insulating layer and the nano A nanopore is formed penetrating the center of the ribbon in a vertical direction, and the nanoribbons are formed by the interaction between the unit molecules and the nanoribbons constituting the biopolymer while the biopolymer passes through the nanopore. A molecular sequence analysis system that detects the change of the unit spherical component in real-time by sensing the current flowing through the measured and measured change through a measurement electrode formed at each end of the longitudinal length of the nanoribbon, and It's about how.
생체고분자(biological polymer)를 구성하는 단위분자서열(단백질의 아미노산 분자서열, DNA 염기분자 서열)을 해독하는 것은 생체 정보를 해독한다는 의미로, 분자 유전학적 이해를 통해 인체 질환의 조기 진단을 이룰 수 있다는 점에서 매우 중요하다. 예를 들어 DNA는 뉴클레오티드 단위체로 구성되며 각각의 뉴클레오티드는 동일한 하나의 디옥시리보오스 및 인산기를 갖으며 서로 다른 네 종류의 염기인 아데닌(Adenine; A), 구아닌(Guanine; G), 시토신(Cytosine; C), 티민(Thymine; T)이 존재하며 A,G는 두 개의 고리형 구조를 갖는 퓨린(Purine) 계열이며, C, T는 하나의 고리형 구조를 갖는 피리미딘(Pyrimidine)계열이다. 디옥시리보핵산에 기록되어 있는 뉴클레오티드를 바탕으로 메신저알엔에이(messenger RNA:mRNA)가 전사되며 리보솜(ribosome) 내에서 아미노산(amino-acid)의 결합을 통해 단백질이 합성된다. 만일 본래의 염기서열과 다른 변이된 염기서열이 존재할 경우 단백질 합성이 불가능하거나 이상 단백질이 합성, 발현되어 생리적 문제를 초래할 수 있다. 이러한 이유로 DNA가 가진 정보를 해독한다는 의미는 질병의 조기 진단과 치료에 대한 병리학적 관점에서 매우 중요하다. Decoding the unit molecule sequence (amino acid molecule sequence of the protein, DNA base molecule sequence) constituting the biological polymer means decoding the biometric information, the molecular genetic understanding can make early diagnosis of human disease It is very important in that it is. For example, DNA is composed of nucleotide units, and each nucleotide has the same one deoxyribose and phosphate group and has four different bases: adenine (A), guanine (G), and cytosine (C). ), Thymine (T) is present, and A and G are Purine series having two cyclic structures, and C and T are Pyrimidine series having one cyclic structure. Based on the nucleotides recorded in the deoxyribonucleic acid, messenger RNA (mRNA) is transcribed and proteins are synthesized through the binding of amino-acids in ribosomes. If there is a mutated nucleotide sequence different from the original nucleotide sequence, protein synthesis may not be possible or abnormal proteins may be synthesized and expressed, resulting in physiological problems. For this reason, the meaning of deciphering the information possessed by DNA is very important from a pathological point of view for the early diagnosis and treatment of diseases.
DNA 염기 서열의 분석 방법은 초기 Maxam-Gilbert sequencing에서부터 Dye-Terminator sequencing에 이르기까지 다양한 방법들이 개발되었다. 그러나 이러한 방법들은 단위 시간당 분석 할 수 있는 DNA 길 제한되며 정확한 분석을 위한 DNA의 증폭, 방사성 동위원소의 치환 및 염색 과정을 반복하는 등의 오랜 준비 과정이 소요 된다. 또한, DNA의 조각들을 통한 전체 DNA의 분석은 많은 데이터의 처리를 통해 이루어지며 소요되는 시간과 분석에 필요한 약품 등의 이유로 많은 비용이 필요하다. 이와 같은 분석 방법이 당면한 문제점은 급속도로 발전한 나노기술과 바이오 기술의 융합을 통해 다양한 해법들이 제시되고 있으며, 무한한 잠재적 기술을 제공할 수 있다. 대표적인 예로 기존의 화학적 반응에 의한 분석방법에서 탈피하여 반영구적으로 사용할 수 있는 고체 소자를 응용하여 전기적 분석 방법들이 제시되고 있다. 이러한 기술들이 구현에 성공할 경우 준비과정 및 분석과정에 소요되는 시간을 단축할 수 있고 소모되는 화학약품들을 줄임으로써 폐기물을 줄일 수 있으며, 보다 간편하고 정확한 분석이 가능할 것으로 기대된다. Various methods have been developed for DNA sequencing, ranging from early Maxam-Gilbert sequencing to Dye-Terminator sequencing. However, these methods limit the length of DNA that can be analyzed per unit time, and require a long preparation process such as repeating DNA amplification, radioisotope substitution and staining for accurate analysis. In addition, the analysis of the entire DNA through the pieces of DNA is done through the processing of a lot of data, and requires a lot of money because of the time required and the chemicals required for analysis. The problem faced by this analytical method is that various solutions have been proposed through the convergence of rapidly developed nanotechnology and biotechnology, and can provide infinite potential technology. As a representative example, electrical analysis methods have been proposed by applying a solid element that can be used semi-permanently by breaking away from conventional chemical reaction methods. Successful implementation of these technologies can reduce the time required for preparation and analysis, reduce waste by reducing chemicals, and enable simpler and more accurate analysis.
본 발명은 나노기술을 이용하여 기존의 단위분자서열 분석시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분자서열 분석을 위한 사전작업에 투자되는 과다한 시간 및 유해한 화학물질의 배출을 줄이며, 소모적인 기존 방식과는 달리 반영구적인 고체소자를 이용하여 고속으로 실시간 단위분자 분석이 가능하며 보다 저렴한 분자서열분석시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the existing unit molecular sequence analysis system using nanotechnology, to reduce the excessive time and harmful chemicals that are invested in the preliminary work for molecular sequence analysis, and compared to the wasteful conventional method Unlike other semi-permanent solid-state devices, it is possible to analyze real-time unit molecules at high speed, and to provide a cheaper molecular sequence analysis system.
본 발명에 따른 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템은 다양한 생체고분자를 해독하는데 이용될 수 있다. 예를 들어 단백질 및 DNA를 구성하고 있는 단위분자서열을 해독할 수 있으며, 이를 통해 생체정보를 이해할 수 있다. 구체적으로는 인접한 생체고분자를 이루는 단위분자들의 전기쌍극자에 의해 전하분포 변화가 유도되며 이로 인해 가장자리를 통해 흐르는 전류 (edge current)의 변화가 유도되는 소정의 너비의 나노리본과 상기 나노리본의 윗면과 아랫면에 형성되어 나노리본을 주변의 전해질 및 다른 나노리본과 절연시키는 절연 층; 과 상기 각 나노리본에 길이방향 양끝에 형성되어 전기적으로 연결되어 있으며 소정의 전압을 가해주고 전류측정 장치와 결합하여 전류의 변화를 측정하기 위한 측정 전극; 과 상기 절연 층 및 측정 전극이 형성되어 있는 나노리본을 기계적으로 지지하는 기판; 및 생체고분자가 꼬임이나 겹쳐짐 없이 지나갈 수 있으며 지름을 가지고 있으며, 상기 기판, 상기 절연 층 및 상기 나노리본의 중심을 수직방향으로 관통하는 나노포어; 를 포함한다. 여기서 상기 형성된 나노포어의 각각의 나노리본에 나노포어를 통과하는 생체고분자의 단위분자들과 상호작용을 크게 하여 전류변화를 극대화할 수 있도록 상보적 결합을 유도할 수 있는 서로 다른 상보적 분자(complementary molecules) 들을 코팅할 수 있다. 예를 들어 외가닥 DNA(single-stranded DNA; ss-DNA)가 한 번 이동하는 동안 구성단위분자인 4종류의 뉴클레오티드 모두를 감지하기 위해 적어도 4개 이상의 나노리본이 절연 층을 사이에 두고 기판 위에 적층되어 있으며, 그 중심에 수직으로 관통되어 형성된 나노포어 내부의 각 나노리본에 서로 다른 염기 A, G, T, C 중 어느 하나로 코팅시키고 나노포어 내로 이동하는 DNA 염기와 상보적인 결합(A-T 또는 G-C)을 통해 나노리본의 전하분포 변화를 극대화하여 가장자리를 통해 흐르는 전류변화의 감지효율 및 신뢰도를 극대화시킬 수 있다.Real-time molecular sequence analysis system using laminated nanoribbons according to the present invention can be used to decode a variety of biopolymers. For example, it is possible to decode the unit molecule constituting the protein and DNA, thereby understanding the biometric information. Specifically, the change in charge distribution is induced by the electric dipoles of unit molecules forming adjacent biopolymers, and thus the nanoribbons of a predetermined width and the top surface of the nanoribbons, which induce a change in edge current flowing through the edges, are induced. An insulating layer formed on an underside to insulate the nanoribbons from the surrounding electrolyte and other nanoribbons; Measuring electrodes formed at both ends of the nanoribbons at both ends of the nanoribbons and electrically connected to each other, applying a predetermined voltage, and measuring a change in current by combining with a current measuring device; And a substrate that mechanically supports the nanoribbon on which the insulating layer and the measurement electrode are formed; And nanopores that can pass through the biopolymer without twisting or overlapping and have a diameter and penetrate vertically through the center of the substrate, the insulating layer, and the nanoribbon; . Wherein the complementary molecules (complementary) that can induce complementary bonds to maximize the current change by increasing the interaction with the unit molecules of the biopolymer through the nanopore to each nanoribbon of the formed nanopore molecules can be coated. For example, at least four nanoribbons are stacked on a substrate with an insulating layer interposed to detect all four types of nucleotides that are structural units during single-stranded DNA (ss-DNA) movements. Each nanoribbon inside the nanopore formed through the center perpendicularly to the center thereof and coated with one of the different bases A, G, T, and C, and complementary to the DNA base moving into the nanopore (AT or GC). By maximizing the charge distribution change of the nanoribbon, it is possible to maximize the detection efficiency and reliability of the current change flowing through the edge.
또한, 상기 나노포어 및 나노리본 가장자리(edge)의 매달린 결합(dangling bond)을 갖는 탄소 원자에 수소 원자 또는 질소 원자를 결합시킴으로써 생체고분자의 구성단위분자와 나노리본의 상호작용을 극대화할 수 있다.In addition, by combining a hydrogen atom or a nitrogen atom to a carbon atom having a dangling bond of the nanopore and the nanoribbon edge, the interaction between the structural unit molecules of the biopolymer and the nanoribbon can be maximized.
상기 생체고분자의 단위분자 서열을 해독하기 위한 구조로는 지그재그 그래핀(zig-zag graphene) 나노리본과 절연 층의 접합구조 또는 2차원 위상기하학적 부도체 (two-dimensional topological insulators) 나노리본과 절연 층의 접합구조가 될 수 있고, 상기 접합구조 폭과 중심을 수직방향으로 관통하는 나노포어의 지름은 각각 1나노미터 내지 수십 나노미터를 갖는다. 여기서 2차원 위상기하학적 부도체 (two-dimensional topological insulators) 나노리본의 특성은 내부는 거의 절연성 (nearly insulating)을 갖는 반면 가장자리는 전도성을 갖는 것을 특징으로 한다.The structure for decoding the unit molecule sequence of the biopolymer may include a junction structure of a zig-zag graphene nanoribbon and an insulation layer or a two-dimensional topological insulators nanoribbon and an insulation layer. It may be a junction structure, the diameter of the nanopores penetrating the junction structure width and the center in the vertical direction each have a nanometer to several tens of nanometers. Here, two-dimensional topological insulators are characterized in that the nanoribbons have an almost insulating interior while their edges are conductive.
상기 측정 전극은 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 티타늄, 니켈, 코발트를 포함 하는 도체로 이루어지고, 상기 나노리본의 길이 방향 양끝에서 전기적으로 연결되어 있으며, 소정의 전압을 가해줌으로써 나노리본에 소정의 전류를 흘려주게 되며 단위분자와 나노리본의 상호작용에 의한 전류변화를 측정할 수 있다.The measuring electrode is made of a conductor including gold, silver, copper, platinum, palladium, titanium, nickel, and cobalt, and is electrically connected at both ends in the longitudinal direction of the nanoribbon, and applies a predetermined voltage to the nanoribbon. A predetermined current flows and the current change due to the interaction between the unit molecules and the nanoribbons can be measured.
상기 절연 층은 실리콘 산화 막, 질화 규소 막, 알루미늄 산화 막, 산화 은막, 산화아연 막, 하프늄 산화 막을 포함하는 전기적 부도체로 이루어지며 나노리본을 주변 전해질 및 다른 나노리본과 절연시킬 수 있다.The insulating layer may be formed of an electrical insulator including a silicon oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, a silver oxide film, a zinc oxide film, and a hafnium oxide film, and may insulate the nanoribbon from the surrounding electrolyte and other nanoribbons.
한편, 본 발명에 따른 적층 나노리본을 이용한 분자서열 분석방법은, 각 나노리본에 형성되어 있는 측정 전극에 소정의 전압을 가해주어 나노리본에 소정의 전류를 흐르도록 하는 단계; 와 기판에 한 면과 다른 면 사이에 전압 또는 유체압력을 가하여 나노포어를 통해 생체고분자가 통과하도록 하는 단계; 와 상기 생체고분자를 이루는 단위분자가 나노리본과 상호작용하여 나노리본을 통해 흐르는 전류를 변화시키는 단계; 와 상기 나노리본을 통해 흐르는 전류를 감지하는 단계; 및 상기 각 나노리본을 통해 흐른 전류 데이터를 조합-분석하여 단위분자들의 서열을 파악하는 단계; 를 포함한다.On the other hand, the molecular sequence analysis method using the laminated nanoribbon according to the present invention, by applying a predetermined voltage to the measurement electrode formed on each nanoribbon to flow a predetermined current through the nanoribbon; And applying a voltage or a fluid pressure between one side and the other side of the substrate to allow the biopolymer to pass through the nanopores; And the unit molecules forming the biopolymer interact with the nanoribbons to change a current flowing through the nanoribbons; Sensing current flowing through the nanoribbon; And combining-analyzing current data flowing through the nanoribbons to determine the sequence of unit molecules. .
또한, 다음 나노리본의 적층을 추가함으로써 하나의 생체고분자를 1회 이동시키는 동안 각 나노리본을 통해 다수 회 분석하여 신뢰도를 높이면서 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있다.In addition, by adding a stack of the next nanoribbons, one nanopolymer may be moved once, and analyzed several times through each nanoribbon, thereby greatly reducing the time required while increasing reliability.
본 발명은 나노리본이 절연 층을 사이에 두고 기판 위에 적층되어 있으며 기판의 한 면과 다른 면에 전압 또는 유체압력 압력에 의해 기판, 절연 층 및 나노리본의 중심을 수직으로 관통하는 나노포어를 이동하는 생체고분자의 각 단위분자 고유의 전기쌍극자로부터 나노리본의 전류변화를 나노리본과 전기적으로 연결된 측정 전극을 통해 실시간으로 감지하여 각각의 단위분자의 정체를 분석함으로써, 기존 화학적인 방법으로부터 탈피한 고체소자를 이용하여 소요되는 시간 및 화학약품들의 사용을 큰 폭으로 줄일 수 있으며 고속으로 정밀하게 단위분자서열을 분석할 수 있다는 장점을 가진다. 특히 ss-DNA의 염기서열을 분석하기 위해 적어도 4층 이상의 나노리본이 절연 층을 사이에 둔 구조, 그리고 그 중심에 형성된 나노포어의 각 나노리본에 서로 다른 4종류의 DNA 염기분자(A, G, T, C)를 코팅시켜 나노포어 내로 이동하는 염기분자와의 상보적 결합을 통해 나노리본의 전류변화를 극대화하여 감지효율 및 신뢰도를 극대화시킬 수 있으며, 한 번의 ss-DNA의 이동을 통해서 4개의 염기 분자로 구성된 모든 염기서열을 분석할 수 있다.According to the present invention, a nanoribbon is stacked on a substrate with an insulating layer interposed therebetween and moves nanopores vertically through the center of the substrate, the insulating layer and the nanoribbon by voltage or fluid pressure pressure on one side and the other side of the substrate. Solids escaped from conventional chemical methods by analyzing the current change of nanoribbons from the unique electric dipoles of biopolymers in real time through measuring electrodes electrically connected to nanoribbons and analyzing the identity of each unit molecule. The device can significantly reduce the time required and the use of chemicals, and has the advantage of being able to analyze unit molecule sequences with high speed and precision. In particular, in order to analyze the sequence of ss-DNA, at least four layers of nanoribbons are sandwiched between insulating layers, and four different DNA base molecules (A and G) are present in each nanoribbon of nanopores formed at the center thereof. , T, C) can be maximized the detection efficiency and reliability by maximizing the current change of the nanoribbon through complementary bonding with base molecules moving into the nanopore, and through a single ss-
도 1은 발명의 일 실시 예로서 DNA 염기분자서열 해독에 적용한 단일염기서열 분석시스템의 전체적인 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 A-A 단면을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 적용 가능한 상기 서로 다른 4개의 염기로 코팅된 나노리본을 이용하여 예측할 수 있는 측정 데이터를 실시간으로 보여주는 도면.1 is a view showing the overall configuration of a single nucleotide sequence analysis system applied to the DNA base molecule sequence translation as an embodiment of the invention.
2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1.
FIG. 3 shows measured data predictable in real time using nanoribbons coated with four different bases applicable to the present invention. FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 단위분자 분석시스템의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of a unit molecule analysis system according to the present invention.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. In describing the embodiments of the present invention, a description of well-known structures that can be understood by those skilled in the art will be omitted so as not to obscure the gist of the present invention.
또한, 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 하며, 상대적인 위치를 지시하는 전후나 상하좌우, 내외 등의 용어는 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 한다.In addition, when referring to the drawings, it should be considered that the thickness of the lines shown in the drawings, the size of the components, etc. may be exaggerated for the sake of clarity and convenience of the description. The term is based on the direction shown in the drawings unless otherwise noted.
본 발명에 따른 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템은 단백질 혹은 DNA 등과 같은 다양한 생체고분자들을 구성하고 있는 단위분자서열 (예를 들어, 단백질의 아미노산 분자, 혹은 DNA의 염기분자 서열 등)을 해독하는데 이용될 수 있다. 구체적인 실시 예로서 DNA 염기분자서열 분석에 적용하는 구체적인 내용을 아래에 기술한다. The real-time molecular sequence analysis system using the stacked nanoribbons according to the present invention decodes the unit molecule sequence (for example, amino acid molecules of proteins, or base molecule sequences of DNA, etc.) constituting various biopolymers such as proteins or DNA. It can be used to As a specific example, specific contents applied to DNA nucleotide sequence analysis will be described below.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템은 크게 나노포어(100), 나노리본(200 : 200A, 200G, 200T, 200C), 측정 전극(300), 절연 층(400) 및 기판(500)을 포함한다. 1 and 2, the real-time molecular sequence analysis system using the stacked nanoribbons according to the present invention is largely
위와 같은 구성을 가진 본 발명의 기본적인 기능을 설명하면, 측정 전극(300)에 소정의 전압을 가하여 나노리본(200)을 통해 소정의 전류가 흐르도록 하고, 기판(500)의 한 면과 다른 면 사이에 가해지는 전압 또는 유체 압력에 의해 나노포어(100)를 통과하는 외가닥 DNA(single-stranded DNA; ss-DNA), 10)를 이루는 서로 다른 뉴클레오티드 고유의 전기쌍극자로부터 나노포어(100) 주변의 나노리본의 전하분포를 유도하고 이 변화로부터, 나노리본(200)의 가장자리를 통해 흐르는 전류 (edge current)의 변화를 분석함으로써 ss-DNA(10)를 구성하는 뉴클레오티드의 정체를 분석할 수 있다. 이때 나노포어(100)의 내부의 각 나노리본에 서로 다른 염기 A, G, T, C 중 어느 하나로 코팅하여 나노포어(100)를 통과하는 ss-DNA(10)를 이루는 뉴클레오티드와 상보적인 결합(A-T 또는 G-C)을 통해 나노리본(200)과의 상호작용을 극대화함으로써 나노리본(200)의 가장자리를 통해 흐르는 전류 변화를 극대화하게 된다. Referring to the basic function of the present invention having the above configuration, a predetermined voltage is applied to the
위와 같은 본 발명의 구성을 각 구성요소별로 차례로 상세히 설명하면 다음과 같다. The constitution of the present invention as described above will be described in detail for each constituent element in turn as follows.
먼저, 나노포어(100)는 상기 기판(500), 절연 층(400), 및 나노리본(200)의 중심을 수직하여 관통하여 형성되어 있으며, ss-DNA(10)가 꼬임이나 겹쳐짐 없이 지나갈 수 있는 지름을 가지는데 통상 2nm 이하의 범위를 갖는다. ss-DNA(10)는 기판(500)의 한 면과 다른 면 사이에 가해지는 전압 또는 유체압력에 의해 나노포어(100)를 통과하게 된다. First, the
여기서 ss-DNA(10)를 사용하는 것은 염기를 외부로 노출시켜 서로 다른 뉴클레오티드의 전기쌍극자로부터 나노리본(200)의 전하분포의 변화를 유도하기 위해서이며, DNA는 이중나선구조로 한 가닥에 대한 다른 한 가닥은 상보적인 서열을 가지므로 하나의 ss-DNA(10)로 염기서열을 분석하는 것이 가능하다.Here, ss-DNA (10) is used to induce a change in the charge distribution of the
실질적인 뉴클레오티드를 감지하기 위해 나노리본(200)이 사용되는데 이는 ss-DNA(10)를 이루고 있는 서로 다른 염기가 떨어져 있는 거리가 5Å 이하이며, 나노리본(200)의 두께의 범주가 그 안에 속해야 뉴클레오티드를 분석할 때 다른 인접한 뉴클레오티드에 대해 큰 간섭을 받지 않는 것이 가능하다. 또한, 염기의 전기쌍극자로부터 나노리본(200)의 효과적인 전류의 변화를 유도하기 위해서는 10nm 이하의 너비를 가져야한다. 또한, 위의 조건을 만족하는 지그재그 그래핀(zig-zag graphene) 또는 2차원 위상기하학적 부도체(Two-dimensional Topological Insulator)가 나노리본(200)의 역할을 할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시되어있는 나노리본 중 200A는 나노포어(100)에 아데닌 또는 아데닌을 염기로 갖는 디옥시리보뉴클레오티드(dATP)가 코팅되어있으며, 200G는 마찬가지로 구아닌 또는 구아닌을 염기로 갖는 디옥시리보뉴클레오티드(dGTP)가, 200T는 티민 또는 티민을 염기로 갖는 디옥시리보뉴클레오티드(dTTP)가, 200C는 시토신 또는 시토신을 염기로 갖는 디옥시리보뉴클레오티드(dCTP)가 코팅되어 있다. 여기서 ss-DNA(10)가 나노포어(100)를 통과할 때 ss-DNA(10)를 구성하는 염기와 나노리본(200)에 코팅된 염기의 상보적인 결합(A-T 또는 C-G)을 통해 나노리본의 전하분포 변화가 극대화되고, 그에 따른 나노리본의 가장자리 전류의 변화가 극대화되게 된다. 또한, 상기 뉴클레오티드의 코팅 이외에 나노포어(100) 및 나노리본(200)의 가장자리의 매달린 결합(dangling bond)을 갖는 탄소 원자에 수소 원자 또는 질소 원자를 결합시킴으로써 생체고분자의 구성단위분자와 나노리본의 상호작용을 극대화할 수도 있다.The
측정 전극(300)은 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 티타늄, 니켈, 코발트를 포함 하는 도체로 이루어질 수 있으며, 나노리본(200)의 길이 방향 양끝과 전기적으로 연결되어 있다. The measuring
또한, 적층된 나노리본(200)이 각각의 뉴클레오티드의 분석을 위해서는 나노리본(200)의 윗면과 아랫면에 전기적 부도체인 절연 층(400)이 형성되어 있으며 하나의 나노리본(200)과 길이 방향으로 양끝에 형성된 측정 전극(300)을 외부의 전해질 또는 다른 나노리본(200)으로부터 전기적으로 절연한다. In addition, the
상기 절연 층(400), 측정 전극(300)이 형성된 나노리본(200)은 기계적으로 기판(500)이 지지하고 있다.The
도 3은 나노포어(100)를 통과하는 ss-DNA(10)를 각각의 다른 염기로 코팅된 상기 4개의 독립적인 나노리본의 가장자리 전류 변조를 통해 예측할 수 있는 측정 데이터를 실시간으로 보여준다. 이들 4개의 데이터를 실시간으로 조합-분석하여 나노채널을 통과한 ss-DNA(10)의 염기서열 AGTCAGTC를 판독할 수 있다. FIG. 3 shows in real time measurement data predictable through the edge current modulation of the four independent nanoribbons coated with ss-
10: ss-DNA
100: 나노포어
200: 나노리본
200A: A가 코팅된 나노리본
200G: G가 코팅된 나노리본
200T: T가 코팅된 나노리본
200C: C가 코팅된 나노리본
300: 측정전극
400: 절연층
500: 기판10: ss-DNA
100: nanopores
200: nanoribbon
200A: A-coated nanoribbons
200G: G-coated nanoribbons
200T: T-coated nanoribbons
200C: C coated nanoribbons
300: measuring electrode
400: insulation layer
500: substrate
Claims (10)
상기 나노리본의 길이 방향 양끝에 각각 형성되어 있는 측정 전극;
상기 나노리본의 윗면과 아랫면에 형성되어 상기 나노리본을 전기적으로 절연하는 절연 층;
상기 절연 층 및 측정 전극이 형성되어 있는 나노리본을 기계적으로 지지하는 기판;
상기 기판, 상기 절연 층 및 상기 나노리본의 중심을 수직방향으로 관통하는 나노포어;
로 구성된 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.A nanoribbon having a predetermined width at which a change in current is induced by interaction with the nearest unit molecule of the biomolecules;
Measuring electrodes formed at both ends of the nanoribbon in the longitudinal direction;
An insulating layer formed on the top and bottom surfaces of the nanoribbons to electrically insulate the nanoribbons;
A substrate that mechanically supports the nanoribbon on which the insulating layer and the measurement electrode are formed;
Nanopores penetrating the center of the substrate, the insulating layer and the nanoribbons in a vertical direction;
Real-time molecular sequence analysis system using laminated nanoribbons consisting of.
적어도 네 개 이상의 나노리본이 절연 층을 사이에 두고 기판 위에 적층되어 있으며, 상기 기판, 상기 절연 층 및 상기 각 나노리본의 중심을 수직 방향으로 관통하는 나노포어로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.The method of claim 1,
At least four nanoribbons are stacked on the substrate with an insulating layer interposed therebetween, wherein the stacked nanoribbons are composed of nanopores penetrating the center of the substrate, the insulating layer and each of the nanoribbons in a vertical direction. Real-time molecular sequence analysis system using.
상기 나노리본을 각각 생체고분자의 서로 다른 단위분자로 코팅함으로써 나노포어 내부를 통과하는 단위분자와 상보적 결합을 유도하여, 나노리본의 전류변화를 극대화하는 것을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.3. The method of claim 2,
By coating the nanoribbons with different unit molecules of biopolymers, inducing complementary bonding with unit molecules passing through the nanopores, real-time molecules using stacked nanoribbons, maximizing the current change of the nanoribbons Sequence Analysis System.
상기 나노리본은 지그재그 그래핀(zig-zag graphene) 또는 2차원 위상기하학적 부도체(Two-dimensional Topological Insulator)를 포함하여 나노리본 내부는 거의 절연성(nearly insulating)을 지니고 가장자리는 전도성을 지닌 특성을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.The method of claim 1,
The nanoribbons include zig-zag graphene or two-dimensional topological insulators, and the inside of the nanoribbon is almost insulating and the edges are conductive. Real-time molecular sequence analysis system using laminated nanoribbons.
상기 측정 전극은 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 티타늄, 니켈, 코발트를 포함 하는 도체로 이루어지고, 상기 나노리본과 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.The method of claim 1,
The measuring electrode is made of a conductor comprising gold, silver, copper, platinum, palladium, titanium, nickel, cobalt, and is electrically connected to the nanoribbon, real-time molecular sequence analysis system using a laminated nanoribbon .
상기 절연 층은 실리콘 산화 막, 질화 규소 막, 알루미늄 산화 막, 산화 은막, 산화아연 막, 하프늄 산화 막을 포함하는 전기적 부도체로 이루어지며, 나노리본을 주변 전해질 및 다른 나노리본과 절연시키는 것을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.The method of claim 1,
The insulating layer is formed of an electrical insulator including a silicon oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, a silver oxide film, a zinc oxide film, and a hafnium oxide film, and insulates the nanoribbons from the surrounding electrolyte and other nanoribbons. Real-time molecular sequence analysis system using stacked nanoribbons.
상기 나노포어 및 나노리본의 가장자리에 형성된 매달린 결합(dangling bond)을 갖는 탄소 원자에 수소 원자 또는 질소 원자를 결합시키는 것을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.The method of claim 1, wherein
Real-time molecular sequence analysis system using a laminated nanoribbon, characterized in that for bonding a hydrogen atom or a nitrogen atom to a carbon atom having a dangling bond formed on the edge of the nanopore and nanoribbon.
상기 나노리본의 폭과 상기 나노포어의 지름은 각각 1나노미터 내지 수십 나노미터인 것을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석시스템.The method of claim 1,
The width of the nanoribbon and the diameter of the nanopore is a real-time molecular sequence analysis system using a stacked nanoribbon, characterized in that each of 1 nanometer to several tens of nanometers.
기판의 한 면과 다른 면 사이에 전압 또는 유체압력을 가하여 나노포어를 통해 생체고분자가 통과하도록 하는 단계;
생체고분자를 이루는 단위분자가 나노리본과 상호작용하여 나노리본을 통해 흐르는 전류를 변화시키는 단계;
상기 나노리본을 통해 흐르는 전류를 감지하는 단계; 및
각 나노리본을 통해 흐른 전류 데이터를 조합-분석하여 단위분자들의 서열을 파악하는 단계;
로 이루어진 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석방법.Applying a predetermined voltage to the measurement electrodes formed on each nanoribbon such that a predetermined current flows through the nanoribbon;
Applying a voltage or fluid pressure between one side and the other side of the substrate to allow the biopolymer to pass through the nanopores;
Changing the current flowing through the nanoribbons by interacting with the nanoribbons unit molecules forming the biopolymer;
Sensing a current flowing through the nanoribbon; And
Combining and analyzing current data flowing through each nanoribbon to determine the sequence of unit molecules;
Real-time molecular sequence analysis method using a laminated nanoribbon consisting of.
상기 나노리본을 통해 흐르는 전류는 거의 대부분이 가장자리 전류(edge current)인 것을 특징으로 하는 적층 나노리본을 이용한 실시간 분자서열 분석방법.
The method of claim 9,
Real-time molecular sequence analysis method using the stacked nanoribbons, characterized in that the current flowing through the nanoribbon is almost the edge current (edge current).
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KR20180095463A (en) * | 2017-02-17 | 2018-08-27 | 우석대학교 산학협력단 | Method for manufacturing nitrogen doped graphene gas sensor and gas sensor made by the same |
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- 2012-04-20 KR KR1020120041539A patent/KR101600132B1/en active IP Right Grant
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