KR20170048896A - Bio-sensor and manufacturing Method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a biosensor and a manufacturing method thereof. According to the present invention, the biosensor comprises a graphene layer having a patterned convex portion on an insulating substrate to detect a change in weight changed when a probe material coupled on the graphene layer is coupled to a target material through a resonance portion structurally having a hollow structure therein. As such, the target material is able to effectively be detected without an additional labeling treatment.

Description

바이오 센서 및 그 제조 방법{Bio-sensor and manufacturing Method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bio-sensor and a manufacturing method thereof,

본 발명은 바이오 센서, 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor and a manufacturing method thereof.

화학적, 생명공학적으로 위험 요소가 다양화 되고 있는 추세에서 점점 관심의 대상이 되고 있는 Bio-molecule의 존재여부 또는 특정 항원-항체 반응의 발생 여부를 판단하고 각 molecule의 종류를 알아내는 일은 현대 생화학분야에서 필수적인 기술로 발전되어 오고 있다.In the trend of diversification of chemical and biotechnological risk factors, determining the presence of a bio-molecule or the occurrence of a specific antigen-antibody reaction, which is becoming more and more interesting subject, Has been developed as an essential technology.

이를 위하여 오늘날 다양한 종류의 바이오 센서가 개발되고 있으며, 이렇게 개발된 센서들은 저마다의 장점과 단점을 가지고 있다. 그 중에서도 기판 및 그 기판 상에 특정한 표적 물질을 고정하고, 그에 특이적으로 결합하는 표적 프로브 물질이 결합 시, 표적으로 하는 프로브 물질을 검출 또는 분석하는 다양한 바이오 센서들이 알려져 있었다. To this end, various kinds of biosensors are being developed today, and the sensors thus developed have advantages and disadvantages. Among them, various types of biosensors have been known which detect or analyze a target probe substance when a target substance immobilized on a substrate and its substrate is immobilized and a target probe substance specifically binding thereto is bound thereto.

기존의 바이오 센서는 전극 표면 처리를 통한 감도 향상에 중점을 두고 개발되고 있었다. 그러나, 바이오 센서의 표면 처리를 진행시 표적 물질에 라벨링 처리를 통하여 형광 마킹등을 형성하여, 고감도 및 미량의 농도 검출과 재현성이 부족한 경향이 있다.Conventional biosensors have been developed with an emphasis on sensitivity improvement through electrode surface treatment. However, when the surface treatment of the biosensor is carried out, fluorescent marking or the like is formed through labeling treatment on the target substance, and there is a tendency that high sensitivity and low concentration detection and reproducibility are lacking.

이에, 상기 표적 물질이 결합되는 기판의 표면을 개질하거나, 바이오 센서를 구현하는 표면층 자체의 구조를 변경하는 등의 다양한 연구가 진행되고 있으며, 이들을 이용한 바이오 센서 개발이 요구되고 있다.Various studies have been carried out to modify the surface of the substrate to which the target substance is bonded or to change the structure of the surface layer itself, which realizes the biosensor, and development of a biosensor using the same is desired.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여, 프로브 물질이 결합되는 기판 부재를 그래핀층으로 이용하면서도, 기판 표면의 그래핀층의 구조를 볼록부로 패턴화시켜 중공 구조를 포함함으로써, 표적 물질에 라벨링 공정을 필요로 하지 않는 바이오 센서를 제공하는 데 있다. In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, which includes using a substrate member to which a probe material is bonded as a graphene layer, and patterning the structure of the graphene layer on the substrate surface as a convex portion to include a hollow structure, And to provide a biosensor not required.

또한, 본 발명의 다른 과제는 상기 바이오 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the biosensor.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 절연성 기판을 포함하는 지지부, 상기 지지부 상에 배치되고 패턴화된 볼록부를 포함하며, 외부로 노출된 표면 상에 관능기를 포함하는 공명부, 상기 관능기와 결합하여 공명부 상에 배치된 탐지부 및 상기 탐지부의 무게 변화를 측정할 수 있도록 상기 지지부와 공명부 사이에 배치된 측정부를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a support including an insulating substrate; a resonator including a functional group on a surface exposed on the outside, the pattern including a patterned convex portion; And a measurement unit disposed between the support unit and the resonance unit so as to measure a change in weight of the detection unit.

또한, 본 발명은 기판의 일면상에 패턴화된 볼록 형상을 형성하는 단계, 상기 패턴이 형성화된 볼록 형상이 형성된 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)으로 그래핀을 기판상에 직접 성장시켜 상기 기판의 패턴에 역상으로 패턴화된 볼록부를 포함하는 그래핀층을 얻는 단계, 상기 기판과 상기 그래핀층을 분리시키고, 상기 분리된 그래핀층을 절연성 기판을 포함하는 지지부에 배치하여 상기 지지부와 상기 그래핀층의 사이에 중공 구조를 형성하는 단계, 상기 그래핀층의 외부로 노출된 표면 상에 관능기를 포함하는 표면처리제로 표면을 처리하여 공명부를 형성하는 단계, 및 상기 관능기를 포함하는 공명부 상에 탐지부를 결합하는 단계를 포함하는 바이오 센서의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for fabricating a semiconductor device, comprising: forming a patterned convex pattern on a surface of a substrate; forming a convex pattern on the patterned convex pattern by using a hydrocarbon gas as a carbon source, Directly on the substrate to obtain a graphene layer including convex portions patterned in opposite phases on the pattern of the substrate, separating the graphene layer from the substrate, separating the separated graphene layer into a support portion including an insulating substrate Forming a hollow structure between the support portion and the graphene layer, treating the surface of the graphene layer with a surface treatment agent containing a functional group on the surface exposed to the outside of the graphene layer to form a resonance portion, And combining the detection part on the resonance part included in the biosensor.

본 발명에 따른 바이오 센서는 기판에 볼록부를 포함하는 그래핀층으로부터 형성되는 일정한 형태의 중공 구조를 포함함으로써, 상기 그래핀층의 표면 상에 프로브 물질이 결합되고, 탐지하려는 표적 물질의 라벨링 없이도 프로브 물질이 상기 표적물질에 결합 시 무게 증가에 따라서 기판에 형성된 중공 구조의 공명 진동의 변동을 이용하여 보다 효율적으로 분석을 수행할 수 있다.The biosensor according to the present invention includes a certain type of hollow structure formed from a graphene layer including convex portions on a substrate so that the probe material is bonded on the surface of the graphene layer and the probe material The analysis can be performed more efficiently by using the fluctuation of the resonance vibration of the hollow structure formed on the substrate according to the increase in weight upon binding to the target material.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 표적 물질과 결합된 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 표적 물질이 결합 시 공명부의 변화를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 바이오 센서를 제조하기 위한 PECVD 기기의 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공명부가 형성된 그래핀층의 AFM 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층을 quartz 기판 상에 위 동일 과정에 의해 성장된 그래핀을 이용하여 투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiO2 기판상에 그래핀층을 직성장 시킨 후 만들어진 샘플을 이용하여 라만 분광(Raman Spectrum)을 측정한 결과이다.
1 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention combined with a target material.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a change in resonance part when a target substance is bound to a biosensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view of a PECVD apparatus for manufacturing the biosensor of the present invention.
5 is an AFM photograph of a graphene layer formed with a resonance portion according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a result of measuring transmittance of a graphene layer according to an embodiment of the present invention using graphene grown on the quartz substrate by the same process.
FIG. 7 is a graph showing Raman spectroscopy using a sample prepared by directly growing a graphene layer on a SiO 2 substrate according to an embodiment of the present invention. FIG.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바이오 센서 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 층이 개재 될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of a biosensor and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know completely. Therefore, the shapes and the like of the elements in the drawings are exaggerated in order to emphasize a clearer description, and elements denoted by the same symbols in the drawings denote the same elements. Also, where a layer is described as being "on" another layer or substrate, the layer may be in direct contact with the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween .

도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한 평면도를 개시하고 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 절연성 기판(111)을 포함하는 지지부(110), 상기 지지부(110) 상에 배치되고 그래핀층(121)에 패턴화된 볼록부(122)를 포함하며, 외부로 노출된 표면 상에 관능기(123)를 포함하는 공명부(120), 및 상기 관능기(123)와 결합하여 상기 공명부(120) 상에 배치된 탐지부(130) 및 상기 탐지부의 무게 변화를 측정할 수 있도록 상기 지지부와 공명부 사이에 배치된 측정부(150)를 포함할 수 있다.1 is a plan view of a biosensor according to an embodiment of the present invention. 1, a biosensor 100 according to the present invention includes a support 110 including an insulating substrate 111, a convex portion (not shown) disposed on the support 110 and patterned on the graphene layer 121 And a detection unit 130 disposed on the resonance unit 120 in combination with the functional group 123. The resonance unit 120 includes a functional group 123 on a surface exposed to the outside, And a measurement unit 150 disposed between the support unit and the resonance unit to measure a change in weight of the detection unit.

상기 지지부(110)는 지지 기판(112) 및 절연성 기판(111)을 포함할 수 있으며,사용 가능한 기판으로서는 Si 기판, 글래스 기판, GaN 기판, 실리카 기판 등의 무기물 기판과 Ni, Cu, W 등의 금속 기판 등을 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판으로서는 예를 들어 절연성 기판으로서는 SiO2 기판으로서 예를 들어 SiO2 웨이퍼를 사용할 수 있고, 지지 기판으로서는 Si 웨이퍼를 사용할 수 있다. 공정상, 상기 절연성 기판(111) 상에 공명부(120)를 형성하기 위하여 그래핀층(121)을 배치하는 경우에는 절연성 및 그래핀층과의 친화력에서 유리한 SiO2 기판이 바람직하다.The supporting portion 110 may include a supporting substrate 112 and an insulating substrate 111. Examples of the usable substrate include an inorganic substrate such as an Si substrate, a glass substrate, a GaN substrate, and a silica substrate, and an inorganic substrate such as Ni, Cu, A metal substrate, or the like can be used. According to one embodiment of the present invention, for example, as the insulating substrate, for example, a SiO 2 wafer can be used as the SiO 2 substrate, and a Si wafer can be used as the supporting substrate . In the process, when the graphene layer 121 is disposed on the insulating substrate 111 to form the resonance unit 120, a SiO 2 substrate favorable in insulating property and affinity with the graphene layer is preferable.

상기 그래핀층(121)은 단일층 그래핀 또는 다중층 그래핀으로 이루어질 수 있으며, 상기 다중층 그래핀은 예를 들어 약 3층 내지 약 300 층 두께를 가질 수 있다.The graphene layer 121 may be composed of a single layer graphene or a multilayer graphene, and the multilayer graphene may have a thickness of, for example, about 3 to about 300 layers.

상기 공명부(120)는 일반적으로 평판인 지지부(110) 상에 패턴화된 볼록부(122)가 형성된 그래핀층(121)이 배치되어, 지지부(110)와 그래핀층(121)의 볼록부(122)의 구조적인 형상으로부터 만들어지는 중공 구조(124)를 포함할 수 있다. The resonance unit 120 includes a graphene layer 121 on which a patterned convex portion 122 is formed on a support 110 that is generally a flat plate and a convex portion 121 of the graphene layer 121 122 formed from the structural features of the hollow structure.

여기서, 상기 그래핀층(121)의 패턴화된 볼록부(122)는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어 돌기 형상의 볼록부(122, 예를 들어 凸 형상)가 일정 주기로 반복되어 형성되는 것일 수 있다. 볼록부(122)의 형상은 상기 그래핀층(121)의 볼록하지 않은 부분의 수평면 보다 높이가 상대적으로 높게 형성될 수 있으면 되지만, 구체적인 형상으로 원기둥형, 반구형 등 다양한 형태를 가질 수 있다. Here, the patterned convex portions 122 of the graphene layer 121 may exist in various forms. For example, protrusions 122 (for example, protrusions) having protrusions may be repeatedly formed at regular intervals. The shape of the convex portion 122 may be formed to be relatively higher than the horizontal plane of the non-convex portion of the graphene layer 121, but may have various shapes such as a columnar shape or a hemisphere shape in a specific shape.

상기 그래핀층(121)에 형성된 패턴화된 볼록부(122)와 같은 형상들은 상기 그래핀층(121) 상에 일정한 배열을 가지고 존재할 수 있으며, 예를 들어 상기 볼록부(122)는 0.1㎛ 내지 100 ㎛의 크기(예를 들어, 상부에서 평면을 보았을 때 형성된 볼록부의 직경)를 갖는 볼록부(122)가 볼록부(122)의 중심점을 기준으로 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛의 간격으로 일정하게 엠보 형태로 배열될 수 있다. 이때 상기 볼록부 (122)의 높이는 그래핀층(121)의 수평면으로부터 볼록부(122)의 최상단까지 예를 들어, 10 nm 내지 10 ㎛의 범위를 가질 수 있다.For example, the convex portion 122 may have a shape such that the convex portion 122 has a size of 0.1 to 100 μm, for example, The convex portions 122 having a size of 탆 (for example, the diameter of the convex portions formed when the flat surface is viewed from the top) are uniformly embossed at intervals of 0.1 탆 to 100 탆 with respect to the center point of the convex portions 122 Lt; / RTI > The height of the convex portion 122 may range from the horizontal plane of the graphene layer 121 to the top of the convex portion 122, for example, in the range of 10 nm to 10 μm.

상기 그래핀층(121)의 외부로 노출된 표면 상에는 관능기(123)를 포함할 수 있다. 상기 관능기(123)는 상기 그래핀층(121)의 표면에 화학적인 표면처리를 통하여 관능기(123)를 형성시킬 수 있으며, 이 관능기(123)는 말단에 -NH2, -COOH, -CHO -OH로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.The surface exposed to the outside of the graphene layer 121 may include a functional group 123. The functional group 123 may be formed on the surface of the graphene layer 121 through a chemical surface treatment. The functional group 123 may include -NH 2 , -COOH, -CHO-OH , And the like.

상기 탐지부(130)는 그래핀층(121)의 표면 상에 형성된 관능기(123)와 결합하는 것으로 프로브 물질을 포함할 수 있다. 상기 프로브 물질은 센서 역할을 하여 추후 탐지하려는 표적물질과 결합할 수 있는 것으로서, 그 종류에 제한은 없지만 구체적인 예로서, DNA, 항원, 항체, 펩타이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. The detection unit 130 may include a probe material in combination with the functional group 123 formed on the surface of the graphene layer 121. The probe material serves as a sensor and is capable of binding with a target substance to be detected at a later time. The probe material is not limited to a specific one, but specific examples thereof include at least one selected from DNA, antigens, antibodies, and peptides .

바이오 물질의 존재를 검출하기 위한 바이오 센서는 표적 물질(즉, 탐지 대상 물질)과 프로브 물질(즉, 원하는 물질과 특이적, 선택적으로 결합 가능한 물질)의 결합을 통하여 물질의 종류를 식별하게 된다. 이러한 바이오 센서의 검출 방식은 다양한데, 예를 들면, 전기적, 광학적 방식 등이 있다.A biosensor for detecting the presence of a biomaterial identifies the type of a substance through the combination of a target substance (that is, a substance to be detected) and a probe substance (that is, a substance that is specifically and selectively bindable with a desired substance). Such a biosensor detection method may be various, for example, an electrical or optical method.

이 중 광학적 방식은 별도의 전기 장치 없이 광학 현미경 등으로 원하는 표적물질의 결합여부를 검출 가능하므로, 비교적 단순하고, 경제적인 장점이 있다. 하지만, 광학적 방식은 물질간의 결합에 따른 광학적 특성 변화를 유도하기 위한 염료(dye)가 필요하며, 표적물질 또는 프로브 물질을 염료로 표지화(labeling)시켜야 되는 공정상의 문제가 있고, 또한 합성이 까다로운 염료는 그 가격이 비싸므로, 경제성이 상대적으로 떨어지는 문제가 있다.Among these, the optical system can detect whether a target substance is bound to a desired object by means of an optical microscope or the like without a separate electric device, and thus has a relatively simple and economical advantage. However, the optical system requires a dye to induce a change in optical characteristics due to bonding between materials, and there is a problem in the process of labeling the target material or the probe material with a dye. In addition, There is a problem that the economical efficiency is relatively low because the price is high.

따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 인식하여, 바이오 센서의 기판에 중공 구조를 포함하는 공명부(120)를 그래핀층(121)의 패턴화된 볼록부(122)로 형성함으로써, 공명진동의 변동을 감지하여 별도의 염료-표지화 없이 표적 물질을 탐지 가능한 바이오 센서를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention recognizes the problem of the prior art, and by forming the resonance part 120 including the hollow structure on the substrate of the biosensor as the patterned convex part 122 of the graphene layer 121, The present invention can provide a biosensor capable of detecting a target substance without further dye-labeling.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 탐지 과정에 대하여 설명한다. 도~를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 그래핀층(121) 및 상기 그래핀 층(121)의 표면에 결합된 탐지부(130)의 프로브 물질을 이용한다. 여기에서 프로브 물질은 탐지를 원하는 표적 바이오 물질의 종류에 따라 상기 표적 바이오 물질과 선택적, 특이적으로 결합 가능한 임의의 어떠한 물질이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 바이오 물질로 DNA를, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 항원-항체를 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.The detection process of the biosensor according to one embodiment of the present invention will be described in detail. A biosensor according to the present invention uses a probe material of a detection unit 130 coupled to a graphene layer 121 and a surface of the graphene layer 121. Here, the probe substance may be any substance capable of selectively and specifically binding with the target biomaterial according to the type of the target biomaterial to be detected. In one embodiment of the present invention, the DNA is used as the bio-material and the antigen-antibody is used in another embodiment of the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.

이후, 상기 프로브 물질에 표적 물질(140)이 결합하는데, 상기 표적 물질(140)의 결합에 의하여 프로브 물질의 총 무게가 증가하게 된다 이 경우, 도 2 내지 도 3의 기재로부터 알 수 있듯이 공명부(120)의 중공 구조(124)에 무게 증가로 인한 진동수의 변동이 생기게 된다. 즉, 무게 차이에 따른 중공 구조(124)의 고유 진동수의 변동으로부터 상기 프로브 물질과 표적물질의 결합을 확인할 수 있다.The target substance 140 binds to the probe material, and the total weight of the probe material increases due to binding of the target material 140. In this case, as shown in FIGS. 2 to 3, A variation in the number of vibrations due to an increase in weight is caused in the hollow structure 124 of the body 120. That is, from the fluctuation of the natural frequency of the hollow structure 124 due to the weight difference, the binding between the probe material and the target material can be confirmed.

여기서 상기 중공 구조(124)는 평면의 절연성 기판(111)과 패턴화된 볼록부(122)를 포함하는 그래핀층(121)에 의하여 형성되는 것으로서, 절연성 기판(111)과 그래핀층(121)의 층간에 빈 공간이 형성되어, 무게변동을 측정할 수 있는 구조체가 되는 것이며, 상기 중공 구조(124)는 그 빈 공간의 내용적이 1.0 x 107 nm3 -내지 1.0 x 1011 nm3 이며, 중공 구조(124)의 크기가 1.0 x 107 nm3 보다 작을 경우 그래핀층(121) 상에 결합된 프로브 물질과 표적 물질의 결합 효율이 너무 낮아, 측정이 이루어 질 수 없을 수 있으며, 내용적이 1.0 x 1011 nm3 초과인 경우, 중공 구조(124)의 빈 공간이 너무 커서 패턴화된 볼록부(122)의 형상 유지가 어렵거나, 중공 구조(124)의 붕괴를 가져올 수 있다. The hollow structure 124 is formed by a graphene layer 121 including a planar insulating substrate 111 and patterned convex portions 122. The hollow structure 124 includes an insulating substrate 111 and a graphene layer 121 Wherein the hollow structure (124) has a volume content of 1.0 x 10 7 nm 3 - to 1.0 x 10 11 nm 3 And, the size of the hollow structure (124) 1.0 x 10 7 nm 3 If more smaller yes if the pinned layer 121, coupling efficiency of the probe material and the target material bonded to a too low phase, can not be measured is made, the content never exceeded 1.0 x 10 11 nm 3, a hollow structure (124) The hollow space of the hollow structure 124 is too large to maintain the shape of the patterned convex portion 122 or may cause collapse of the hollow structure 124.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 중공 구조(124)의 진동수의 변동을 측정하기 위하여 절연성 기판(111)을 포함하는 상기 지지부(110)와 공명부(120) 사이에 배치된 측정부(150)를 이용할 수 있다.The measurement unit 150 disposed between the support unit 110 and the resonance unit 120 including the insulating substrate 111 may be used to measure the variation of the frequency of the hollow structure 124, Can be used.

상기 측정부(150)는 절연성 기판에 임베디드 형식의 전자 소자로 상기 중공 구조(124) 내부에 자리잡을 수 있도록 미리 그 위치를 설정하여 배치될 수 있다. 상기 중공구조 상에 선택적으로 흡착된 프로브 물질의 양의 질량의 변동에 따른 공명 진동수의 변화를 측정하는 방법으로 다음의 공식을 이용하여, 간접적으로 유도할 수 있다.The measurement unit 150 may be disposed on the insulating substrate in an embedded type electronic device so as to be positioned inside the hollow structure 124 in advance. A method of measuring a change in the resonance frequency according to a change in the mass of the probe material selectively adsorbed on the hollow structure can be indirectly induced by using the following formula.

f01 = (α01√N* RR)/√(4πM)f 01 = (? 01 ? N * RR ) /? (4? M)

상기 식에서, f01 : resonance frequency of fundamental mode, N* RR : radial membrane resultant at the membrane boundary, α01 : positive root of Bessel function J0, M : total mass of vibrating parts을 의미하고, 상기 프로브 물질에 상기 표적 물질(140)의 결합에 의하여 프로브 물질의 총 무게가 증가하고 이에 상기 M 값이 증가하여 상기 식에서의 f01 값이 변동하게 되는 것이다.In the above formula, f 01 denotes a resonance frequency of fundamental mode, N * RR denotes a radial membrane resultant at the membrane boundary, α 01 denotes a positive root of Bessel function J 0 , M denotes a total mass of vibrating parts, The total weight of the probe material increases due to the binding of the target material 140, and the M value increases to change the f 01 value in the above equation.

이하에서는 이러한 바이오 센서를 제조하는 방법과 구체적인 실험 평가 결과에 대해 도면 및 실험예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to drawings and Experimental Examples with respect to a method of manufacturing such a biosensor and a specific experiment evaluation result.

그래핀Grapina 층의 제조 Fabrication of the layer

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 제조를 위하여, 우선 절연성 기판의 적어도 일면 상에 패턴화된 볼록 형상을 부여한 후, 상기 패턴이 형성된 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)으로 그래핀을 기판상에 직접 성장시켜 상기 기판의 패턴에 역상으로 패턴화된 볼록부를 포함하는 그래핀층 얻을 수 있다.In order to manufacture a biosensor according to an embodiment of the present invention, a patterned convex shape is first formed on at least one surface of an insulating substrate, a hydrocarbon gas is used as a carbon source on the substrate having the pattern formed thereon, (PECVD), graphene is grown directly on the substrate to obtain a graphene layer including convex portions patterned in opposite phases on the pattern of the substrate.

종래 패턴화된 그래핀층을 얻기 위하여는 그래파이트화 촉매금속을 기판 상에 적층한 후 여기에 패턴을 형성하거나, 또는 패턴이 형성된 그래파이트화 촉매 금속층을 기판 상에 적층하였으나, 본 발명의 일 실시예에 의하면 플라즈마를 이용한 화학기상증착법을 통하여 탄소공급원으로부터 입체화 표면 처리된 기판상에 그래핀층을 직접 성장시킬 수 있다.In order to obtain a conventional patterned graphene layer, a graphitizing catalyst metal layer is laminated on a substrate and then a pattern is formed thereon, or a patterned graphitizing catalyst metal layer is laminated on a substrate. However, A graphene layer can be directly grown on a substrate subjected to a three-dimensional surface treatment from a carbon source through a chemical vapor deposition method using a plasma.

이때 사용 가능한 기판으로서는 Si 기판, 글래스 기판, GaN 기판, 실리카 기판 등의 무기물 기판과 Ni, Cu, W 등의 금속 기판 등을 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판으로서는 예를 들어 SiO2 기판, 예를 들어 SiO2 웨이퍼를 사용할 수 있다. SiO2 웨이퍼를 이용함으로써, 표면 상에서 탄소공급원으로부터 PECVD를 이용하여 그래핀을 직접 성장 시키는 경우 보다 우수한 균일성을 갖는 그래핀층을 얻을 수 있다.In this case, an inorganic substrate such as a Si substrate, a glass substrate, a GaN substrate, or a silica substrate, and a metal substrate such as Ni, Cu, W, or the like can be used as the substrate that can be used at this time. According to one embodiment of the present invention, For example, a SiO 2 substrate, for example a SiO 2 wafer, can be used. By using SiO 2 wafers, a graphene layer having better uniformity can be obtained than when graphene is grown directly from a carbon source on the surface using PECVD.

상기 기판에 형성되는 패턴의 깊이 또는 높이는 사용된 에칭 공정의 강도에 따라 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어 현상액을 사용하는 경우, 현상액의 종류, 농도, 침지 시간 등에 따라 조절할 수 있으며, 현상가스의 종류, 농도, 반응시간 등에 따라 조절할 수 있다.The depth or height of the pattern formed on the substrate can be appropriately adjusted according to the intensity of the etching process used. For example, when a developing solution is used, it can be adjusted depending on the type, concentration, immersion time, etc. of the developing solution and can be adjusted depending on the type, concentration, reaction time, etc. of the developing gas.

이후, 패턴이 형성된 기판을 도 4에 기재된 것 과 같은 PECVD 챔버로 옮긴 후, 기판 상에 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로하여 챔버 내에 가스를 투입하면서 열처리하여, 상기 패턴이 형성된 기판 상에 그래핀층을 생성시킨 후, 이를 냉각 하에 성장시킴으로써 패턴화된 볼록부를 포함하는 그래핀층이 형성될 수 있다. 구체적으로, 탄화수소 가스를 PECVD 기기를 이용하여 플라즈마화 하여, 종래 그래핀의 성장에 필요하던 촉매금속(copper, nickel, ruthenium 등) 없더라도, 기상의 탄소 공급원을 소정 압력으로 공급하는 것 만으로 기판 상에 그래핀층을 직접 형성시킬 수 있다. 이후, 소정의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 열처리하면, 상기 탄화수소의 탄소 공급원에 존재하는 탄소성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀 층이 생성되며, 이를 소정 냉각 속도로 냉각하면 균일한 두께의 필름형태를 갖는 그래핀 층을 얻을 수 있다.Thereafter, the substrate on which the pattern was formed was transferred to a PECVD chamber as shown in FIG. 4, and then heat treatment was performed while introducing gas into the chamber using a hydrocarbon gas as a carbon source on the substrate to form a graphene layer And then growing it under cooling, a graphene layer including a patterned convex portion can be formed. Specifically, hydrocarbon gas is converted into a plasma using a PECVD apparatus, and even if there is no catalyst metal (copper, nickel, ruthenium, etc.) required for growing graphene, The graphene layer can be directly formed. Thereafter, when heat treatment is performed at a predetermined temperature for 1 to 10 hours, the carbon components present in the carbon source of the hydrocarbon bond with each other to form a hexagonal plate-like structure, and a graphene layer is formed. A graphene layer having a uniform film thickness can be obtained.

상기 그래핀층의 형성 과정에서 탄화수소 가스는 탄소를 공급할 수 있으며, 약 300℃ 이상의 온도에서 기상으로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 탄화수소 가스로서는 탄소를 함유하는 화합물이면 가능하며, 예를 들어 탄소수 6개 이하, 또는 탄소수 4개 이하의 화합물 또는 탄소수 2개 이하의 화합물을 사용할 수 있다. 그러한 예로서는 메탄, 에탄, 프로판, 헵탄, 아세틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.During the formation of the graphene layer, the hydrocarbon gas can supply carbon and can be used without any particular limitation as long as the material can exist in a gaseous phase at a temperature of about 300 ° C or higher. The hydrocarbon gas may be a compound containing carbon, for example, a compound having 6 or less carbon atoms, or 4 or less carbon atoms, or a compound having 2 or less carbon atoms. Examples thereof include at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, heptane and acetylene.

이와 같은 탄소 공급원은 챔버 내에 일정한 압력, 예를 들어 1 내지 100 sccm으로 투입되는 것이 바람직하며, 상기 챔버 내에서는 상기 탄소공급원만 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스 또는 수소 (H2) 가스와 함께 존재하는 것도 가능하다.Preferably, the carbon source is introduced into the chamber at a constant pressure, for example, 1 to 100 sccm. In the chamber, only the carbon source is present, or an inert gas such as helium or argon or hydrogen (H 2 ) It is also possible to exist with the gas.

또한, 상기 기상 탄소 공급에 앞서 더불어 산소를 사용할 수 있다. 산소는 SiO2/Si 기판 상에 존재할 수 있는 유기물들을 제거하여 반응이 일어나게 될 기판의 표면을 깨끗하게 유지하여 균일하고 고품질의 그래핀 필름의 성장을 유도 하기 위하여 사용될 수 있으며, Flow Rate를 약 30 sccm 내지 120 sccm 으로, 약 3 분 내지 20 분의 시간 동안 처리해 줄 수 있다. Further, oxygen may be used in addition to the vapor carbon supply. Oxygen can be used to remove organic materials that may be present on the SiO2 / Si substrate to maintain the surface of the substrate to be reacted and to induce the growth of a uniform and high quality graphene film. The flow rate is about 30 sccm 120 sccm for about 3 to 20 minutes.

상기 챔버 내에 상기 기상의 탄소 공급원을 투입한 후, 이를 소정 온도, 소정 플라즈마 파워 조건에서 열처리하면 그래핀층이 상기 기판의 표면 상에 형성된다. 상기 그래핀 층 성장온도와 플라즈마 파워는 그래핀의 생성에 있어서 중요한 요소로 작용하며, 성장온도는 약 400 내지 약 1000℃, 예를 들어 약 600 내지 약 800℃일 수 있으며, 플라즈마 파워는 약 5 W 내지 100 W 를 택할 수 있다. After the gaseous carbon source is introduced into the chamber, it is heat-treated at a predetermined temperature and a predetermined plasma power condition to form a graphene layer on the surface of the substrate. The graphene layer growth temperature and the plasma power are important factors in the formation of graphene, and the growth temperature may be about 400 to about 1000 캜, for example, about 600 to about 800 캜, and the plasma power may be about 5 W to 100 W can be selected.

상기 그래핀이 다중층으로 형성되는 경우, 예를 들어 폴리크리스탈린 그래핀을 형성할 수 있다. 폴리크리스탈린 그래핀은 자연적으로 존재하는 그래핀에서 각 그래핀층이 아래층에 대하여 60도 회전하여 성장된 것과는 상이한 구조를 가지며, 자연적으로 존재하는 그래파이트에 속한 그래핀의 경우, 대부분의 부피가 단일 결정으로 이루어져 있는데 반해, 폴리크리스탈린 그래핀의 경우 단결정 (Single Crystal)으로 이루어진 영역(domain)의 사이즈가 1 nm ~ 1000 nm 의 범위를 가진다. When the graphene is formed into multiple layers, for example, polycrystalline graphene can be formed. Polycrystalline graphene has a structure different from naturally occurring graphene in that each graphene layer is grown by rotating at 60 degrees with respect to the underlying layer, and in the case of graphene belonging to naturally occurring graphite, In the case of polycrystalline graphene, the size of a single crystal domain ranges from 1 nm to 1000 nm.

다음으로 상기 공정으로부터 형성된 단층 또는 다층의 그래핀층을 접착부재와 결합한 후 상기 기판과 상기 그래핀층을 분리시키고, 상기 분리된 그래핀층을 절연성 기판을 포함하는 지지부에 배치하여 상기 지지부와 상기 그래핀층의 사이에 중공 구조를 형성할 수 있다.Next, a single or multi-layered graphene layer formed from the above process is bonded to an adhesive member, and then the substrate and the graphene layer are separated, and the separated graphene layer is disposed on a support portion including an insulating substrate, A hollow structure can be formed.

중공 구조를 형성하는 공정은 기판 상에서 성장한 그래핀층을 분리하여 평면의 절연성 기판 상에 옮겨 형성할 수 있으며, 상술한 바와 같이 PECVD로부터 형성된 그래핀층을 다양한 소자에 응용 가능한 절연성 필름, 예를 들어 실리콘 SiO2 필름으로 옮기는 과정을 의미한다.In the process of forming the hollow structure, the graphene layer grown on the substrate may be separated and transferred on a planar insulating substrate. As described above, the graphene layer formed from PECVD may be formed on an insulating film applicable to various devices, 2 film. ≪ / RTI >

이와 같은 공정은 상기와 같이 형성된 그래핀층과 기판 사이에 가스를 삽입하여 이들의 결합력을 감소시킨 후, 상기 그래핀층을 접착부재와 결합시켜 상기 기판으로부터 분리하고, 이어서 상기 접착부재와 결합된 그래핀층을 절연성 기판 상에 결합시킨 후, 상기 접착 부재를 제거하는 단계를 포함한다.In such a process, a gas is inserted between the graphene layer formed as described above and the substrate to reduce their bonding force, and then the graphene layer is separated from the substrate by bonding with the adhesive member, and then, And then removing the adhesive member.

접착성 지지체로 상기 접착부재를 사용하여 그래핀층을 용이하게 분리할 수 있게 된다. 이때 사용 가능한 접착부재로서는 PMMA, PDMS, PEDOT:PSS, Pentacene, Gold, Thermal Release Tape로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.It is possible to easily separate the graphene layer using the adhesive member with the adhesive support. At this time, the adhesive member usable may include one or more selected from the group consisting of PMMA, PDMS, PEDOT: PSS, Pentacene, Gold, and Thermal Release Tape.

이후, 분리된 그래핀층을 절연성 기판을 포함하는 지지부에 배치한다. 이 때 사용 가능한 절연성 기판으로서는 Si 기판, 글래스 기판, GaN 기판, 실리카 기판 등의 무기물 기판과 Ni, Cu, W 등의 금속 기판 등을 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판으로서는 예를 들어 SiO2 기판, 예를 들어 SiO2 웨이퍼를 사용할 수 있다. 공정상, 상기 절연성 기판 상에 중공 구조를 형성하기 위하여 그래핀층을 배치하는 경우에는 절연성 및 그래핀 층과의 친화력에서 유리한 SiO2 기판이 바람직하고 용이한 지지를 위하여 지지 기판으로서는 Si 기판이 바람직하다.Thereafter, the separated graphene layer is disposed on the supporting portion including the insulating substrate. An inorganic substrate such as a Si substrate, a glass substrate, a GaN substrate, or a silica substrate and a metal substrate such as Ni, Cu, W, or the like can be used as the insulating substrate that can be used at this time. According to one embodiment of the present invention, For example, a SiO 2 substrate, for example a SiO 2 wafer, can be used. When a graphene layer is disposed on the insulating substrate in order to form a hollow structure on the insulating substrate, a SiO 2 substrate favorable in terms of insulating property and affinity with the graphene layer is preferable, and as the supporting substrate, a Si substrate is preferable .

상기 절연성 기판 상에 그래핀층을 배치한 후, 상기 접착 부재에서 그래핀층을 다시 분리해야 하기 때문에, 이때 접착의 접착 부재와 그래핀층의 결합성으로 인해 그래핀층이 파단 되거나 형태가 변경될 수 있다. 이에, 상기 접착 부재를 아세톤 등의 용매로 그래핀층의 손상 없이 제거하여 그래핀층을 용이하게 절연성 기판 상에 잔존 시킬 수 있다.Since the graphene layer is separated from the adhesive member after the graphene layer is disposed on the insulating substrate, the graphene layer may be broken or the shape may be changed due to the bonding property between the adhesive member and the graphene layer. Thus, the adhesive member can be removed with a solvent such as acetone without damaging the graphene layer, and the graphene layer can be easily left on the insulating substrate.

상기 절연성 기판에는 미리 측정부를 배치하여 놓을 수 있다. 구체적으로 상기 측정부(150)는 절연성 기판에 임베디드 형식의 전자 소자로 상기 중공 구조(124) 내부에 자리잡을 수 있도록 미리 그 위치를 설정하여 배치될 수 있다. 상기 측정부(150)는 중공 구조상에 선택적으로 흡착된 프로브 물질의 양을 질량의 변동에 공명 진동수의 변화를 측정하는 방법으로 다음의의 공식을 이용하여 간접적으로 유도할 수 있다.A measurement unit may be previously arranged on the insulating substrate. Specifically, the measurement unit 150 may be disposed on the insulating substrate in an embedded type electronic device so as to be positioned inside the hollow structure 124 in advance. The measurement unit 150 measures the amount of probe material selectively adsorbed on the hollow structure This method can be indirectly derived by using the following formula as a method of measuring the change of the resonance frequency with the change of the mass.

f01 = (α01√N* RR)/√(4πM)f 01 = (? 01 ? N * RR ) /? (4? M)

(f01 : resonance frequency of fundamental mode, N* RR : radial membrane resultant at the membrane boundary, α01 : positive root of Bessel function J0, M : total mass of vibrating parts)(f 01 : resonance frequency of fundamental mode, N * RR : radial membrane resultant at the membrane boundary, α 01 : positive root of Bessel function J 0 , M: total mass of vibrating parts)

이후, 상기 그래핀층의 외부로 노출된 표면 상에 관능기를 포함하는 표면처리제로 표면을 처리하여 공명부를 형성하는 단계 및 상기 관능기를 포함하는 공명부 상에 탐지부의 결합을 수행할 수 있다.Thereafter, the surface of the graphene layer exposed to the outside may be treated with a surface treatment agent containing a functional group to form a resonance portion, and the detection portion may be coupled onto the resonance portion including the functional group.

상기 표면처리는 그래핀층에 탐지부로서 프로브 물질을 용이하게 결합시키기 위한 관능기를 도입하는 과정을 말하며, 구체적으로 상기 그래핀층에 -NH2, -COOH, -CHO -OH로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 관능기가 프로브 물질과 결합될 수 있도록 화학처리를 수행할 수 있다.The surface treatment refers to a process of introducing a functional group for facilitating binding of a probe material to a graphene layer as a detection portion. Specifically, the graphene layer is coated with one kind selected from the group consisting of -NH2, -COOH, and -CHO-OH A chemical treatment may be performed so that the functional group is bonded to the probe material.

상기 화학처리는 스핀코터 또는 비커에 담긴 용액 상에 샘플을 딥핑하는 방법)을 이용하여, 상기 그래핀층 상에 도포하는 방법을 통하여 이루어 질 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 그래핀층 상을 piranha 용액 (황산과 30%-과산화 수소를 3:1로 혼합한 용액)에약 15 분간 디핑 처리하여 이루어질 수 있다.The chemical treatment may be performed by a method of dipping the sample on a solution containing the spin coater or the beaker. According to an embodiment of the present invention, the graphene layer To a piranha solution (a solution of sulfuric acid and 30% - hydrogen peroxide in a ratio of 3: 1) for 15 minutes.

상기 그래핀층 상에 표면 화학처리를 거쳐 관능기를 형성 한 후, 탐지부로서 프로브 물질을 결합할 수 있다. 구체적으로, 상기 탐지부는 그래핀층의 표면 상에 형성된 관능기와 결합하는 것으로 프로브 물질을 포함할 수 있다. 상기 프로브 물질은 센서 역할을 하여 추후 탐지하려는 표적물질과 결합할 수 있는 것으로서, 그 종류에 제한은 없지만 구체적인 예로서, DNA, 항원, 항체, 펩타이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. After the surface chemical treatment is performed on the graphene layer to form a functional group, the probe material can be bonded as a detection portion. Specifically, the detection unit may include a probe material in combination with a functional group formed on a surface of the graphene layer. The probe material serves as a sensor and is capable of binding with a target substance to be detected at a later time. The probe material is not limited to a specific one, but specific examples thereof include at least one selected from DNA, antigens, antibodies, and peptides .

이하에서는 실시예를 들어 본 발명의 구현예를 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예Example

기판으로서 Si(300nm 이하)/Si02(300nm)가 순차적으로 적층된 웨이퍼를 사용하였으며, 하기 에칭 공정에 따라 패터닝을 수행하였다.A wafer in which Si (300 nm or less) / SiO 2 (300 nm) were sequentially laminated was used as a substrate, and patterning was performed according to the following etching process.

상기 Si(300nm 이하)/Si02(300nm) 기판을 이소프로필 알코올에 디핑 후 10분간 초음파파쇄(sonification)을 진행하였다. 이후 기판 상에 존재하는 유기 오염물 또는 자연 산화막(native oxide)를 제거하기 위하여, 상기 기판을 아세톤에 디핑 후 추가로 약 10분간 초음파 파쇄를 진행하였다.The Si (300 nm or less) / Si0 2 (300 nm) substrate was dipped in isopropyl alcohol and ultrasonically sonicated for 10 minutes. Thereafter, in order to remove organic contaminants or native oxide existing on the substrate, the substrate was dipped in acetone, and ultrasonication was further performed for about 10 minutes.

이후, 포토마스크(Soda Lime/Chrome 마스크, LMTEC 社)를 이용하여 기판 전체 표면에 포토레지스트를 스핀 코팅한 후 약 2~7 ㎛의 지름을 가진 원이 규칙적으로 배열된 형태의 패턴을 형성하였다. 생성된 패턴을 식각 배리어로 하여 높이 70~250 nm를 가지는 원기둥이 규칙적으로 배열되도록 패턴화된 볼록부를 형성하였다.Thereafter, a photoresist was spin-coated on the entire surface of the substrate using a photomask (Soda Lime / Chrome mask, LMTEC), and a pattern having a regularly arranged circle having a diameter of about 2 to 7 μm was formed. Patterned protrusions were formed so that cylinders having a height of 70 to 250 nm were regularly arranged using the generated pattern as an etching barrier.

상기 패턴이 형성된 기판 상에 Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD, A-Tech System사) 챔버를 이용하고, CH4 가스를 약 10-2 Torr 압력, 약 500 도 의 온도에서 약 1시간 동안 공급하여 그래핀층을 얻을 수 있었다. 상기 가스 주입시 CH4의 가스 유량을 1 ~ 100 sccm 범위에서 변화시켰으며, H2 가스 유량은 약 20 sccm, 으로 고정한 채 진행하고, RF 전력은 1-100 W 사이의 값으로 고정시켰다. 상기 PECVD 증착을 통하여 얻어진 그래핀층을 별도의 quartz 기판 상에 위 동일 과정에 의해 성장된 그래핀을 이용하여 투과율을 측정한 결과를 도 6 에 나타내었다. 그래핀의 성장 이후, 전체적인 투과율이 절반 가량으로 하강하였고, 200~300 nm 파장대에서는 그래핀 고유의 exciton에 의한 흡수가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.Using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD, A-Tech System) chamber on the patterned substrate, CH 4 gas was supplied at a pressure of about 10 -2 Torr and a temperature of about 500 ° C for about 1 hour A graphene layer was obtained. During the gas injection, the gas flow rate of CH 4 was changed in a range of 1 to 100 sccm, the H 2 gas flow rate was fixed at about 20 sccm, and the RF power was fixed to a value between 1-100 W. The transmittance of the graphene layer obtained through the PECVD deposition was measured on a separate quartz substrate using graphene grown by the same procedure as above, and the result is shown in FIG. After the growth of graphene, the overall transmittance decreased by about half, and it was confirmed that graphene-specific exciton absorption occurs at the wavelength range of 200 to 300 nm.

도 7은 동일한 조건으로 본 발명의 실시예 1에 따른 SiO2 기판상에 그래핀층을 직성장 시킨 후 만들어진 샘플을 이용하여 라만 분광(Raman Spectrum)을 측정한 결과를 나타내었다. 가로 축은 라만 이동(Raman Shift)의 크기를, 세로축은 라만 산란의 세기(Intensity in Arbitrary Units)를 나타낸다. 그래핀이 절연성 기판에 성장된 이후, 1350 cm-1 근처의 D band, 1580 cm-1 근처의 G band, 2700 cm-1 근처의 2D band가 발생되었음을 확인 할 수 있었다.FIG. 7 shows Raman spectroscopy measurement using a sample prepared by directly growing a graphene layer on a SiO 2 substrate according to Example 1 of the present invention under the same conditions. The horizontal axis represents the magnitude of the Raman shift and the vertical axis represents the intensity in Arbitrary Units. After growing graphene on an insulating substrate, it was confirmed that a D band near 1350 cm -1 , a G band near 1580 cm -1 , and a 2D band near 2700 cm -1 were generated.

그 다음으로, 상기 기판(SiO2) 상에 패턴화된 볼록부를 포함하는 그래핀층을 분리시키기 위하여 실온에서 상기 그래핀층 상에 접착부재로서 Chloro-Benzene (Sigma Aldrich 社) 용매에 용해된 PMMA (Polymethylmethacrylate, Sigma Aldrich 社) 용액 (농도는 약 20 내지 120 mg/mL)로 접착시키고 기판인 SiO2를 에칭하여 상기 그래핀층을 웨이퍼로부터 분리한 후, 이를 300 nm의 두께를 갖는 절연성 기판(SiO2)에 전사하여 상기 절연성 기판과 패턴화된 볼록부를 가지는 그래핀층으로 중공구조를 형성한다. 이후, 상기 접착부재를 아세톤을 사용하여 제거 시킨다.Next, to separate the graphene layer including the patterned protrusions on the substrate (SiO 2 ), a layer of PMMA (Polymethylmethacrylate) dissolved in a solvent of Chloro-Benzene (Sigma Aldrich) (Sigma Aldrich) solution (concentration is about 20 to 120 mg / mL), etching the substrate SiO 2 to separate the graphene layer from the wafer, and then removing the graphene layer from the wafer using an insulating substrate (SiO 2 ) And a hollow structure is formed by a graphene layer having convex portions patterned with the insulating substrate. Thereafter, the adhesive member is removed using acetone.

이후, 상기 패턴화된 볼록부를 포함하는 그래핀층 상에 관능기를 포함하는 탐지부를 도입시키기 위하여, 표면 처리를 수행한다. 말단에 -COOH를 갖도록 그래핀층을 강산(황산과 질산의 혼합물)에서 산화 처리한 후 스트렙타비딘(streptavidin)을 도입하면 그래핀층 상에 탐지부로서 스트렙타비딘(streptavidin)이 결합된 바이오 센서를 얻을 수 있었다. 여기에 스트렙타비딘과 강하게 결합을 하는 아비딘(avidin)을 반응시킴으로서 바이오 센서를 구현할 수 있었다. Thereafter, a surface treatment is performed to introduce a detection portion containing a functional group onto the graphene layer including the patterned convex portion. When a graphene layer is oxidized in a strong acid (a mixture of sulfuric acid and nitric acid) so as to have -COOH at the end and then streptavidin is introduced, a biosensor in which streptavidin is coupled as a detection part to the graphene layer . A biosensor could be constructed by reacting avidin, which strongly binds to streptavidin.

도 5는 절연성 기판인 SiO2에 전사된 그래핀층의 AFM 사진을 나타낸다. 상기 그래핀층에 패턴화된 볼록부가 형성된 것으로부터 상기 그래핀층의 볼록부와 절연성 기판의 편평면으로 내부에 중공 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다.5 shows an AFM photograph of a graphene layer transferred to SiO 2 as an insulating substrate. It can be confirmed that a hollow structure is formed inside the convex portion of the graphene layer and the flat surface of the insulating substrate since the patterned convex portion is formed in the graphene layer.

바이오 센서(100)
지지부(110)
절연성 기판(111)
지지 기판(112)
공명부(120)
그래핀층(121)
볼록부(122)
관능기(123)
중공 구조(124)
탐지부(130)
표적 물질(140)
측정부(150)
The biosensor (100)
The support 110,
The insulating substrate 111,
The support substrate 112,
The resonance unit 120,
In the graphene layer 121,
The convex portion 122,
Functional Group (123)
The hollow structure (124)
The detection unit 130 detects,
The target material (140)
The measuring unit 150 measures,

Claims (15)

절연성 기판을 포함하는 지지부;
상기 지지부 상에 배치되고 패턴화된 볼록부를 포함하며, 외부로 노출된 표면 상에 관능기를 포함하는 공명부;
상기 관능기와 결합하여 공명부 상에 배치된 탐지부; 및
상기 탐지부의 무게 변화를 측정할 수 있도록 상기 지지부와 공명부 사이에 배치된 측정부를 포함하는 바이오 센서.
A support including an insulating substrate;
A resonance portion disposed on the support portion and including a patterned convex portion, the resonance portion including a functional group on an externally exposed surface;
A detection unit disposed on the resonance unit in combination with the functional group; And
And a measurement unit disposed between the support unit and the resonance unit to measure a change in weight of the detection unit.
청구항 1에 있어서,
상기 절연성 기판은 SiO2를 포함하는 것인 바이오 센서.
The method according to claim 1,
The biosensor said insulating substrate comprises SiO 2.
청구항 1에 있어서,
상기 공명부는 단층 또는 다층의 그래핀을 포함하는 것인 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the resonance part includes a single layer or multiple layers of graphene.
청구항 1에 있어서,
상기 패턴화된 볼록부는 원기둥, 타원기둥, 반구형 및 타원 반구형으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 볼록한 중공 구조를 포함하는 것인 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the patterned convex portion includes at least one convex hollow structure selected from the group consisting of cylinders, ellipses, hemispheres, and ellipse hemispheres.
청구항 4에 있어서,
상기 중공 구조는 내용적이 1.0 x 107 nm3 -내지 1.0 x 1011 nm3 인 것인 바이오 센서.
The method of claim 4,
The hollow structure information have 1.0 x 10 7 nm 3 - to 1.0 x 10 11 nm 3 .
청구항 1에 있어서,
상기 관능기는 -NH2, -COOH, -CHO -OH로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the functional group comprises at least one selected from the group consisting of -NH 2 , -COOH, and -CHO -OH.
청구항 1에 있어서,
상기 탐지부는 DNA, 항원, 항체, 펩타이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 프로브 물질을 포함하는 것인 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the detection unit comprises a probe material comprising at least one selected from the group consisting of DNA, antigen, antibody, and peptide.
청구항 1에 있어서,
상기 탐지부는 프로브 물질을 포함하고, 상기 프로브 물질은 탐지하려는 표적 물질과 결합되어 무게가 증가되고, 상기 패턴화된 볼록부를 포함하는 그래핀층의 중공 구조의 고유 진동수가 변동되어 표적물질과 프로브 물질간의 결합을 확인할 수 있는 바이오 센서.
The method according to claim 1,
The detection unit includes a probe material, the probe material is combined with a target material to be detected to increase its weight, and the natural frequency of the hollow structure of the graphene layer including the patterned convex portion varies, A biosensor capable of verifying binding.
청구항 8에 있어서,
상기 표적물질 및 프로브 물질은 각각 항원 및 항체인 것인 바이오 센서.
The method of claim 8,
Wherein the target substance and the probe substance are respectively an antigen and an antibody.
청구항 8에 있어서,
상기 표적물질 및 프로브 물질은 각각 DNA 인 것인 바이오 센서.
The method of claim 8,
Wherein the target material and the probe material are DNA, respectively.
기판의 일면상에 패턴화된 볼록 형상을 형성하는 단계;
상기 패턴이 형성화된 볼록 형상이 형성된 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)으로 그래핀을 기판상에 직접 성장시켜 상기 기판의 패턴에 역상으로 패턴화된 볼록부를 포함하는 그래핀층을 얻는 단계;
상기 기판과 상기 그래핀층을 분리시키고, 상기 분리된 그래핀층을 절연성 기판을 포함하는 지지부에 배치하여 상기 지지부와 상기 그래핀층의 사이에 중공 구조를 형성하는 단계;
상기 그래핀층의 외부로 노출된 표면 상에 관능기를 포함하는 표면처리제로 표면을 처리하여 공명부를 형성하는 단계; 및
상기 관능기를 포함하는 공명부 상에 탐지부를 결합하는 단계를 포함하는 바이오 센서의 제조방법.
Forming a patterned convex shape on one side of the substrate;
The graphene is directly grown on the substrate by plasma chemical vapor deposition (PECVD) using a hydrocarbon gas as a carbon source on the substrate on which the pattern is formed, and convex portions patterned in a reversed phase are included in the pattern of the substrate To obtain a graphene layer;
Separating the substrate and the graphene layer, and disposing the separated graphene layer in a support including an insulating substrate to form a hollow structure between the support and the graphene layer;
Treating the surface of the graphene layer with a surface treatment agent containing a functional group on a surface exposed to the outside of the graphene layer to form a resonance portion; And
And bonding the detection unit on the resonance unit including the functional group.
청구항 11에 있어서,
상기 탄화수소 소스는 메탄, 에탄, 프로판, 헵탄, 아세틸렌로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 센서의 제조방법.
The method of claim 11,
Wherein the hydrocarbon source comprises at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, heptane, and acetylene.
청구항 11에 있어서,
상기 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD)은 1 x 10-4 Torr 내지 1 x 10-2 Torr 압력, 400℃ 내지 1000℃의 온도 조건 하에서 그래핀을 기판상에 직접 성장 시키는 것인 바이오 센서의 제조방법.
The method of claim 11,
Wherein the plasma chemical vapor deposition (PECVD) is a process of directly growing graphene on a substrate under a temperature condition of 1 占10-4 Torr to 1 占10-2 Torr and a temperature of 400 占 폚 to 1000 占 폚.
청구항 11에 있어서,
상기 기판과 상기 그래핀층을 분리는 접착 부재를 이용하고, 상기 접착 부재는 PMMA, PDMS, PEDOT:PSS, Pentacene, Gold, Thermal Release Tape로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 센서의 제조방법.
The method of claim 11,
Wherein a bonding member is used to separate the substrate and the graphene layer, and the bonding member includes at least one selected from the group consisting of PMMA, PDMS, PEDOT: PSS, Pentacene, Gold, and Thermal Release Tape Gt;
청구항 11에 있어서,
상기 절연성 기판 상에는 임베디드 형식으로 측정부가 배치되어 있는 것인 바이오 센서의 제조방법.
The method of claim 11,
Wherein the measurement portion is disposed in an embedded form on the insulating substrate.
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