KR20140031559A

KR20140031559A - 그래핀을 이용한 핵산 염기서열결정 장치

Info

Publication number: KR20140031559A
Application number: KR1020120097846A
Authority: KR
Inventors: 전홍석
Original assignee: 전홍석
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-03-13

Abstract

본 발명은 나노포어를 이용해서 DNA 염기서열을 알아내는 장치다. 나노포어가 있는 그래핀 두 장을 나노포어끼리 서로 엇갈리게 겹쳐서 나노포어 크기를 DNA가 겨우 통과할 수 있는 크기로 만들 수 있다. 이러면 DNA가 적당한 속도로 나노포어를 통과하여 염기서열을 읽을 수 있다. DNA가 지나면서 나노포어를 뉴클레오티드가 막으면 나노포어를 통해 흐르는 이온의 흐름이 변하고 이 변화를 읽어서 나노포어를 지나는 DNA 염기가 무엇인지 알아낸다. 나노포어가 있는 그래핀 두 장을 엇갈려서 나노포어를 만들면 나노포어 둘레의 대부분은 그래핀 한 장 두께가 되어 해상도가 높다. 압전세라믹 등으로 만든 NEMS나 MEMS 액추에이터를 이용해서 나노포어의 크기를 연속으로 조절할 수 있다. 나노포어로 DNA 염기가 통과할 때 전류의 변화(ionic current change)로 염기서열을 알아내는 동시에 추가로 전자 터널 효과(electron tunneling effect)를 측정하여 DNA 염기서열을 알아낼 수도 있다. 본 발명은 나노제조기술(nanofabrication technology)로 만들며 반도체 칩에 여러 개를 집적하여 배열로 만들면 인간 게놈을 몇 분 안에 알아낼 수도 있다.

Description

그래핀을 이용한 핵산 염기서열결정 장치{DNA Sequencing devices with graphenes}

본 발명은 DNA 염기서열을 알아내기 위한 장치에 관한 것이다.

나노포어 기술http://www.youtube.com/watch?v=Sx6FbYoFGmM&feature=related

나노포어(nanopore)를 이용한 DNA 염기서열을 알아내는 방법은 여러 가지가 있지만 DNA 단분자(single molecule)를 가지고 한 번에 수백~수십 킬로 바이트를 읽는 것은 아직 없다. 나노포어의 두께가 너무 두껍거나 DNA가 너무 빨리 통과하는 문제를 아직 해결하지 못했기 때문이다. 100명의 게놈(genome)을 30일 안에 1인당 100만원 이하로 백만 염기쌍 당 1개 이하 오류로 알아내면 100억의 상금을 주는 프로젝트(Archon Genomics X PRIZE)가 있지만 아무도 달성하지 못했다.

나노포어로 DNA 분자가 지나갈 때 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 시토신(cytosine), 티민(thymine)이 나노포어를 지나가는 전기영동액의 전해질 이온의 흐름을 막는 정도가 다 다르다. 이 때 생기는 전류 변화를 전류계(Ammeter)로 측정하여 염기를 확인할 수 있다. 현재 전류계는 나노 암페어, 피코 암페어는 물론 서브 펨토 암페어, 아토 암페어도 측정할 수 있다. 전류의 변화가 미미하고 잡신호도 있지만 물리적으로 전류변화를 감지하고 소프트웨어적으로 의미있는 변화만을 검출할 수 있다. 후생유전학(epigenetics)에서 중요한 5-메틸시토신, 5-하이드록시메틸시토신, 5-포르밀시토신, 5-카복실시토신 등을 구분할 수도 있다. DNA 염기는 다른 식으로도 변형될 수 있는데 이는 유전과 질병의 중요한 원인 중 하나다. 나노포어를 통해 DNA 분자가 1초에 100만 뉴클레오티드(nucleotide) 속도로 지나가 버리면(1 base / 1 microsecond) 염기 순서를 확인할 수 없다. 통과 속도를 초당 몇 만 뉴클레오티드정도로 감소시켜야 한다. 본 발명은 작은 나노포어가 있는 그래핀 두 장을 나노포어가 엇갈리게 겹쳐서 생기는 더 작은 나노포어를 이용해서 DNA 분자가 느리게 지나가도록 한다. 나노포어가 극히 작으면 DNA도 저항을 받아 빨리 지나갈 수 없다. 나노포어를 DNA 사슬이 겨우 지나갈 만큼 작게 만들어 속도를 줄인다. 보조적으로 두 장의 그래핀은 각각 전극 구실도 하게 만들어 두 장 사이를 지나는 염기의 정체를 전자 터널 효과(electron tunneling effect = quantum tunnelling effect)를 이용하여 알아낼 수도 있다. 전자터널 효과는 터널 간격과 염기의 방향(orientation)에 큰 영향을 받는데 겹쳐서 생기는 나노포어 모양이 원이 아니라 납작한 타원이나 좁은 직사각형 모양이 되어 DNA가 통과하려면 특정 방향이어야 하고 DNA 염기와 나노포어의 간격도 매우 좁고 일정하여 기존의 어떤 방법보다 유리하다. 나노포어 크기를 DNA가 겨우 지나가게 조절하는 것 외에 나노포어의 크기를 실시간으로 계속 변화를 주며 조절하여 통과속도를 더욱 정교하게 제어함으로써 효율을 높일 수 있다. 기존의 고정된 나노포어 방법은 이렇게 할 수 없다. 나노포어가 매우 작아서 겹친 그래핀에 전류를 지나게 하여 정전기력(electrostatic force)으로 DNA를 지체시킬 수도 있다. DNA 분자를 한 번 읽고 나서 전기영동 방향을 바꿔서 다시 거꾸로 염기 서열을 읽어 재 확인할 수도 있다.

본 발명을 이용하면 한 번에 아주 긴 DNA 사슬의 염기서열을 알아낼 수 있다. 본 발명은 비생물학적 장치라 견고하여 여러 번 사용할 수 있다. 본 발명은 크기가 작아 여러 개를 한 장치에 집적하여 배열(array)로 만들 수 있어 염기 서열 결정 비용을 크게 낮출 수 있다. 첫 인간 게놈(genome) DNA 염기서열 결정에 3조 원이 들었다. 현재 많은 회사들이 100만원 이하로 비용을 낮출 수 있는 장치를 연구하고 있다. 본 발명은 비용을 그보다 더 낮출 수도 있다. 꾸준히 발전하는 반도체 집적회로 제조 기술(IC technoogy)과 나노 제조 기술(nanofabrication technology)로 한 칩에 매우 많은 수를 집적하면 인간의 게놈(genome)을 몇 분 안에 알아낼 수도 있다. 1초에 1000bp를 읽을 수 있는 장치를 1만 개 집적하면 한 시간에 인간 게놈을 5번 읽을 수 있다. 본 발명은 나노포어가 매우 작을 뿐만 아니라 나노포어 크기를 작게 크게 변화시킬 수도 있으므로 DNA, RNA, 폴리펩타이드(polypeptide) 등 다양한 고분자의 정체를 알아내는 데 사용할 수 있다. 환자의 게놈을 모두 읽어서 개인 맞춤형 의료(personalized medicine)이 가능해진다. 암, 백혈병 환자의 게놈을 모두 알고 나면 보다 효과적으로 치료할 수 있다. 본 발명은 일종의 반도체 칩과 같아서 전류측정장치와 데이터를 처리하고 저장하는 마이크로프로세서와 대량의 메모리를 한 칩에 통합하여 컴퓨터나 스마트폰의 USB 포트같은 I/O 포트에 장치를 꽂으면 읽은 DNA 정보를 컴퓨터나 스마트폰에 전달하거나 아예 정보를 필요한 분석까지 끝내어 전달할 수 있다.

제1도는 그래핀의 나노포어를 서로 겹쳐 놓은 모습.
제2도는 겹칠 그래핀 나노포어 위에 것과 아래 것 모습.
제3도는 그래핀 나노포어를 엇갈리게 겹쳐서 생긴 서브나노포어(옹스트롱수준).
제4도는 위아래 나노포어를 엇갈리게 하기 전(a)과 엇갈리게 하여 생긴 서브나노포어(b)
제5도는 그래핀끼리 잘 밀착시키기 위한 스프링 구실을 하는 실리콘 팔.
제6도는 그래핀을 움직이는 PZT 액추에이터에 실리콘 스프링을 추가한 예.
제7도는 나노포어가 엇갈리기 전(a)과 후(b)의 또 다른 예.
제8도는 액추에이터로 움직일 그래핀과 그 틀의 위 아래 모습.
제9도는 제8도에서 그래핀 테두리에 실리콘을 대지 않은 경우의 예.
제10도는 그래핀 나노포어가 있는 실리콘 판의 아래쪽 모습.
제11도는 제8도, 제9도와 제10도에 있는 요소를 겹친 모습.
제12도는 전자터널링효과를 이용한 서열결정 때 전극의 배치 모습.
제13도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예1).
제14도는 예1의 아래쪽 모습
제15도는 제14도에서 전기영동의 음극쪽과 양극쪽 경계가 되는 실리콘 판을 생략한 모습
제16도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예2).
제17도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예3).
제18도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 위 아래 모습 (예4).
제19도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 위 아래 모습(예5).
제20도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 위 아래 모습(예6).
제21도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 두 예 (예7, 예8).
제22도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예9).
제23도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예10).
제24도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예11).
제25도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예12).
제26도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예13).
제27도는 예13의 옆 모습
제28도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예14).
제29도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 한 예 (예15).
제30도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치의 두 예 (예16, 예17).
제31도는 길이가 다른 여러 DNA 분자들을 짧은 것부터 차례로 읽는 장치의 예.
제32도는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치와 염기서열 분석 마이크로프로세서와 메모리와 통신회로를 한 장치로 통합한 예.
제33도는 나노포어가 있는 그래핀 두 장을 나노포어가 엇갈리게 겹쳐서 생긴 서브나노포어와 그래핀 두께 분포와 나노포어의 모양 예.

본 발명은 나노포어가 있는 그래핀을 두 장 겹쳐서(도1,도4,도7,도33) 위 아래 나노포어를 서로 엇갈리게 하여 생기는 구멍 크기를 조절하므로 구멍 크기를 한 장의 그래핀에서 만들 수 없는 아주 작은 크기로 만들 수 있다(도4 b, 도7b, 도33). 이렇게 만든 나노포어는 탄소와 탄소 사이 거리의 1배 뿐 아니라 0.5배나 1.5배 크기로도 만들 수 있다. 그래핀에 뚫은 나노포어는 원형, 타원형, 삼각형, 기타 다각형도 가능하다. 두 나노포어를 겹칠 때 생기기를 원하는 서브나노포어 모양에 따라 선택하면 된다. 나노포어가 있는 그래핀을 두 장 겹쳐서 서브나노포어를 만든다는 의미는 그래핀을 꼭 두 장만 사용해야 한다는 뜻은 아니다. 테라스식으로 여러 장을 사용하지만 최종적으로 위 아래 그래핀이 겹쳐서 나노포어를 만드는 부분에는 두 장의 그래핀이 위 아래로 겹친다는 뜻이다. 겹치는 두 장의 그래핀이 마주보는 면이 아닌 반대쪽 면에는 나노포어에서 어느정도 떨어진 부분에 부분에 SiO2같은 물질을 절연겸 지지목적으로 증착(deposition)할 수도 있다. DNA가 통과하는 서브나노포어 주변에 두 장의 그래핀만 있게 하여 서브나노포어 둘레의 두께가 그래핀 한장 두께인 부분이 대부분이 되게 하고 일부분은 두 장 두께가 되게 하는 것이다(도4 b, 도7 b, 도33). DNA 염기의 푸린(purine)과 피리미딘(pyrimidine) 링이 옆으로 지나야 통과할 만큼 작은 구멍을 만들 수 있다. 두 장의 그래핀을 사용하여 구멍의 크기를 DNA가 빨리 지날 수 없을 만큼 아주 작게 만들 수 있을 뿐만 아니라 구멍의 크기를 크게 했다 작게 했다 원하는 대로 조절할 수 있다. 그래핀을 겹쳐도 나노포어 둘레의 대부분이 두 장의 두께가 되지 않아 해상도가 높다. 작기 때문에 장치를 여러 대 집적하여 배열로 만들어 DNA 분자 처리량과 속도를 크게 높일 수 있다. 비생물학적인 장치라 여러 번 사용도 가능하다. 한 DNA 분자를 읽고 나서 그 것과 같은 분자를 또 읽거나 전기영동 방향을 바꿔서 거꾸로 다시 읽을 수도 있어 서열을 재확인 할 수도 있고 다른 DNA 분자를 읽을 수도 있다.

DNA를 읽기 전에 PZT 스캐너로 그래핀 나노포어가 원하는 만큼 정확히 겹치도록 이온만 통과하게 하여서 정확히 겹쳤는지도 확인하고 기준이될 전류량도 알아낸다. DNA를 읽을 때는 나노포의 겹치는 정도를 조정하여 더 작은 나노포어를 만들어서 DNA가 측정할 수 없을만큼 빨리 지나가지 못하게 하고 DNA가 지나가면서 전류가 감소하는 정도를 측정하여 DNA 염기서열을 알아낸다.

xyz PZT 튜브 스캐너는 원자현미경(AFM: atomic force microscope), 주사 터널링 현미경 (STM: scanning tunneling microscope)에서 사용하는 것은 비교적 큰 편이므로 이런걸 그대로 사용하는 비교적 큰 염기서열 결정 장치를 만들 수도 있고 나노제조기술(nanofabrication technology)을 사용해서 반도체 칩안에 넣을 수 있게 작게 만들 수도 있다. 반도체 칩에 집적할 경우 그래핀 나노포어는 이미 매우 정밀한 수준으로 겹쳐 있어서 아주 적은 범위로 조금만 움직여도 되므로 원자현미경의 튜브스캐너만큼 크게 만들 필요도 없고, 속이 빈 형태로 만들 필요도 없다. PZT 스캐너는 xyz 일체형 대신 x,y,z 각각 따로 만들 수도 있다. 스캐너와 액추에이터를 일체형으로 만들거나 스캐너가 액추에이터 구실도 겸할 수 있게 만들 수도 있다. xyz 압전 스캐너(piezoelectric scanner)는 다양한 종류와 형태를 이용할 수 있다. 압전 스캐너 외에 다른 여러 종류의 NEMS나 MEMS 액추에이터들을 스캐너로 사용할 수 있다.

그래핀 나노포어의 겹치는 정도로 나노포어 크기를 조절할 수 있으므로 DNA외에도 RNA, 폴리펩타이드, 바이러스, 세균 등이 적당한 속도로 지나게 조절하여 이들 분자의 RNA의 염기 서열이나 polypeptide의 아미노산 서열을 알아낼 수 있고, 탐지하고자 하는 바이러스나 세균이 시료에 있는지 없는지, 있다면 얼마나 있는지도 알아낼 수 있다.

20나노 공정에 이른 반도체 집적회로 기술과 MEMS(Microelectromechanical system), NEMS(Nanoelectromechanical system) 제조기술을 이용해서 그래핀을 이용한 DNA 염기서열 결정장치를 만든다. 나노포어가 있는 그래핀이 부착된 틀을 움직이는 액추에이터로는 PZT(Lead zirconate titanate) 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)나 콤 드라이브(comb drive),모노리틱 콤드라이브 (monolithic comb drive) 같은 다양한 NEMS나 MEMS 액추에이터들을 사용할 수 있다. 움직이는 정밀도가 원자 수준(atomic scale)인 것들도 많다. 너무 크게 움직이는 것은 지레나 타원체를 이용해서 움직임을 옹스트롱(Å) 수준으로 줄일 수도 있다. 긴 줄은 가운데가 많이 움직여도 양끝은 조금 움직인다. 나노스케일에서도 마찬가지다. PZT 같은 압전(piezoelectricity) 물질로 액추에이터(actuator)를 만들어 나노포어 크기를 서브나노미터(sub-nanometer) 수준으로 조절할 수 있다. 나노 암페어나 피코 암페어 측정기를 이미 다른 나노포어 DNA 서열결정장치에서도 쓰고 있다. 나노포어를 통한 이온 흐름(ionic current) 변화에 따른 전류변화는 전류계(Ammeter)를 이용해서 피코암페어 수준으로 측정하고 측정값들 패턴을 소프트웨어로 분석해서 정확히 DNA 염기서열을 밝힌다. 필요하면 더 큰 나노암페어나 더 작은 펨토암페어를 측정할 수도있고 서브펨토암페어를 측정할 수도있다.

압전물질은 극성과 전류방향에 따라 수축, 팽창을 하므로 스캐너나 액추에이터로 적당한데 고속으로 진동하하게 하여 나노포어 크기를 조절하는데 이용할 수도 있다. 나노와이어나(nanowire)나 나노튜닝포크(nanotuning fork), 나노스케일 실리콘 튜닝포크, 그래핀 공진기 (graphene resonator) 같은 것 등 다양한 것들을 단독으로 또는 조합해서 이용할 수도 있다.

읽을 DNA 분자의 크기(molecular weight), DNA 단일사슬(single-strand), DNA 이중사슬(double-strnad), 그래핀에 낸 나노포어의 모양, 크기, 겹치는 방법, 최대일 때 나노포어 크기, 최소일 때 나노포어 크기, 전해질 조성, pH, 온도, 액추에이터의 반응속도, 액추에이터의 움직임 속도, 액추에이터의 움직임 크기, 전압, 장치의 크기 등 조건에 따라 나노포어 크기를 실시간으로 적당하게 조절한다.

그래핀에 구멍을 내는 방법도 electron beam lithography, focused ion beam etching, helium ion beam lithography, plasma etching 등 다양한 방법이 있다. 그패핀은 CVD (chemical vapor deposition)이나 exfoliate 방법 등으로 만들면 된다. 극히 짧은 파장의 자외선을 사용하는 extreme-uv photolithography도 발전하고 있다. 아주 복잡한 미세구조물을 만들 기술은 이미 충분히 있고 더 정교한 기술들이 계속 나오고 있다. 앞으로 CPU, RAM, IC 등 제조기술 발전으로 본 발명장치를 더욱 잘 만들 수 있다. 기계적으로 구멍의 크기를 조절하는 것이므로 다양한 NEMS와 MEMS 마이크로 머신을 액추에이터로 사용할 수 있다.

도면은 이상적인 개략도(schematic representation)로서 각 구성요소간 비율이나 척도는 수백 수천배에 달할 수도 있어 무시한 것이고(not to scale) 액추에이터나 스캐너의 전극이나 전선, 절연층(insulation layer) 등은 생략한 것이다. PZT 액추에이터나 PZT스캐너는 액추에이터나 스캐너의 한 종류일 뿐 본 발명의 목적에 적합한 기능을 하는 다른 많은 종류의 액추에이터와 스캐너도 사용할 수 있다 (The device includes but not is limited to PZT scanners and actuators). 나노포어가 있는 그래핀 두 장을 나노포어가 서로 엇갈리게 하여 작은 구멍을 만들고 이를 조절하는 장치는 도면으로 제시한 여러가지 외에도 다양한 모양과 방법의 것들이 가능하며 이는 본 발명 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정 장치에 포함된다.

100. DNA 분자 (DNA molecule)
101. 그래핀에 뚫린 나노포어 (nanopore)
102. 그래핀 (graphene)
103. 실리콘 나이트라이드 (silicon nitride)
104. 실리콘 다이옥사이드 (silicon dioxide)
105. 실리콘 (silicon)
106. 실리콘 판(silicon plate)
107. 실리콘 팔(silicon arm)
108. 나노포어가 엇갈리게 겹쳐 생긴 작은 서브나노포어 (sub-nanopore)
109. 전자터널효과용 전극(electrode)
150. PZT 액추에이터 (actuator)
151. 실리콘 스프링 (spring)
152. Z축 PZT 스캐너 (scanner)
153. X축 PZT 스캐너 (scanner)
154. Y축 PZT 스캐너 (scanner)
155. Z축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
156. Y축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
157. X축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
160. Y축 PZT 액추에이터 (actuator)
161. Y축 PZT 스캐너 (scanner)
162. Y축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
163. X축 PZT 스캐너 (scanner)
164. X축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
165. Z축 PZT 스캐너 (scanner)
166. Z축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
167. X축 PZT 액추에이터 (actuator)
170. Z축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
171. Z축 PZT 스캐너 (scanner)
172. PTZ 액추에이터와 Z축 PZT 스캐너 연결부 (link)
173. PZT 액추에이터 (actuator)
174. X축 PZT 스캐너 (scanner)
175. X축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
176. Y축 PZT 스캐너 지지대(supporter)
177. Y축 PZT 스캐너 (scanner)
180. PZT xyz 스캐너 (scanner)
181. PZT 액추에이터 (actuator)
190. 그래핀 두 장 두께 부분
191. 그래핀 한 장 두께 부분
200. PZT xyz 스캐너 (scanner)
201. PZT 액추에이터 (actuator)
202. 전기영동과 전류측정용 전극 (electrode)
300. PZT 액추에이터 (actuator)
301. PZT xyz 스캐너 (scanner)
400. PZT 액추에이터 (actuator)
401. PZT xyz 스캐너 (scanner)
500. PZT 액추에이터 (actuator)
501. Y축 PZT 스캐너 (scanner)
502. X축 PZT 스캐너 (scanner)
503. Z축 PZT 스캐너 (scanner)
504. 500, 501, 502와 붙어있고 106과 분리되어 떠 있는 틀(frame)
505. PZT 액추에이터 (actuator)
506. Z축 PZT 스캐너 (scanner)
600. 늘어났다 줄었다 하는 PZT 액추에이터 (actuator)
601. 실리콘 스프링 (spring)
602. PZT 스캐너와 연결부 (link)
700. 그래핀 나노포어, PZT 스캐너, PZT 액추에이터 조립체 (assembly)
701. 하부 기둥 플레이트 (plate)
702. 상부 기둥 플레이트 (plate)
703. DNA 분자들을 길게 펼치고 분자량 별로 분리하기 위한 기둥 (pillar)
704. DNA 분자들을 길게 펼치고 분자량 별로 분리하기 위한 미로용 벽 (wall)
705. DNA 분자들을 주입하는 주입구와 뚜껑 (cap)
800. PZT xyz 스캐너 (scanner)
801. PZT 액추에이터 (actuator)
900. PZT 액추에이터 (actuator)
901. PZT xyz 스캐너 (scanner)
902. 실리콘 스프링 (spring)
903. 실리콘 막대 (rod)

Claims

나노포어가 있는 그래핀 두 장을 위 아래 나노포어가 서로 엇갈리게 겹치고 겹치는 정도를 액추에이터로 조절해서 겹쳐서 생기는 나노포어의 크기를 아주 작게 만들어 DNA 통과 속도를 적당히 조절하고 DNA가 전기영동으로 나노포어를 통과할 때 나노포어를 지나는 이온 흐름이 변화하는 것을 측정하여 염기 서열을 알아내는 그래핀을 이용한 나노포어 DNA 염기서열 결정장치.
나노포어가 있는 그래핀 두 장을 위 아래 나노포어가 서로 엇갈리게 겹치고 겹치는 정도를 액추에이터로 조절해서 겹쳐서 생기는 나노포어의 크기를 아주 작게 만들어 DNA, RNA, polypeptide, virus, bacteria 등 통과 속도를 적당히 조절하고 이들이 전기영동으로 나노포어를 통과할 때 나노포어를 지나는 이온 흐름이 변화하는 것을 측정하여 염기나 아미노산 서열을 알아내거나 바이러스나 세균의 정체와 숫자를 알아내는 그래핀 나노포어 엇갈려 겹침을 이용한 분자와 미생물 분석장치.
청구항 1에 있어서 서로 엇갈린 그래핀을 둘 다 또는 한쪽만 액추에이터로 움직여서 실시간으로 겹쳐 생기는 나노포어 크기를 계속 조절함으로써 DNA 통과 속도를 적당히 조절하고 DNA가 전기영동으로 나노포어를 통과할 때 나노포어를 지나는 이온 흐름이 변화하는 것을 측정하여 염기 서열을 알아내는 그래핀을 이용한 나노포어 DNA 염기서열 결정장치.
청구항 1에 있어서 서로 엇갈린 그래핀 각각에 전극을 연결하여 두 그래핀 전극 사이에 DNA가 지나갈 때 transverse electron tunneling을 측정하여 DNA의 염기서열을 알아내는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정장치(도12).
청구항 3에 있어서 서로 엇갈린 그래핀 각각에 전극을 연결하여 두 그래핀 전극 사이에 DNA가 지나갈 때 전류를 흐르게 하여 정전기력이 발생하게 해서 DNA의 방향(orientation)을 일정하게 하고 DNA의 통과 속도를 제어하는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정장치.
청구항 1과 2 같은 장치를 두 대 연속 배치하여 한 대는 주로 나노포어 크기를 조절해서 DNA 통과 속도를 제어하는 구실만 하고 다른 한 대는 주로 ion current 측정을 위한 최적의 나노포어 크기를 유지하는 구실만 하는 그래핀을 이용한 DNA 염기서열결정장치.
청구항 1에 있어서 그래핀을 이용한 나노포어 DNA 염기서열 결정장치를 한 칩에 여러 개 집적하여 처리 용량을 크게 늘린 장치.
그래핀을 이용한 DNA 염기서열 결정장치와 세포에서 추출한 DNA를 주입하면 DNA 분자량에 따라 작은 DNA 분자부터 큰 DNA분자로 서로 분리하는 장치를 결합하여 순수한 DNA만 추출하여 주입하면 DNA분자가 몇 개이든 가벼운 분자부터 차례로 염기서열을 읽어내는 장치(도31).
그래핀을 이용한 DNA 염기서열 결정장치와 이 것이 읽은 데이터를 처리하고 저장하는 마이크로프로세서와 메모리를 모두 포함하여 DNA 분자를 주입하면 염기서열을 모두 읽어서 서열을 저장하거나 생물정보처리(bioinformatics)까지 끝낸 후 필요한정보를 USB 포트 같은 I/O 포트나 무선 링크(wireless link)를 통해서 다른 컴퓨터나 스마트폰, 휴대폰, 레이저 프린터, LCD 디스플레이 같은 장치에 보내는 장치(도32).