KR20170135255A - 단백질 검출용 소자 및 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서 - Google Patents

단백질 검출용 소자 및 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단백질 검출용 소자 및 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서, 그리고 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 그래핀 층, 및 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층, 및 상기 탄소 나노튜브 층에 결합된 항체를 포함하고, 링커 분자를 포함하지 않는 단백질 검출용 소자, 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서, 그리고 이들의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

단백질 검출용 소자 및 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서{Protein Detecting Device and Biosensor for Detecting Protein Using the Same}
본 발명은 단백질 검출용 소자 및 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서, 그리고 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 그래핀 층, 및 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층, 및 상기 탄소 나노튜브 층에 결합된 항체를 포함하고, 링커 분자를 포함하지 않는 단백질 검출용 소자, 이를 이용한 단백질 검출용 바이오센서, 그리고 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
특정 생체분자를 검출하는 것은 바이오센서 연구 분야에서 주요한 과제 중 하나이다. 표적 단백질 분자의 검출 및 동정을 위한 종래의 방법은 효소 상호작용, 핵산 상호작용, 후생유전학, 세포, 조직, 및 항체-항원 상호작용과 같은 상호작용적인 바이오수용체에 주로 의존한다. 특정 단백질을 검출하는 센서에 있어서, (1) 특정 물질에만 반응하는 선택도, (2) 적은 양에도 반응할 수 있는 민감성, (3) 물질 검출 후 재사용성 등의 특성이 중요하다.
현재까지 제안된 특정 단백질, 즉 항원을 검출하기 위해 제안된 센서는 높은 선택도를 갖추기 위해 항원과 결합하는 항체를 이용하는 방향으로 개발되어 왔다. 이러한 항체들은 기본 물질(base material)의 표면에 부착된 특별한 링커에 결합하고, 특별한 항원은 항체에 결합한다. 따라서 항원이 항체에 결합한 후에 전기전도도의 변화를 측정함으로써 표적 단백질을 검출할 수 있다. 그러나 아직까지 미세한 전기 신호를 효과적으로 검출하기 위한 방법이 제시되지 않았다.
많은 연구자들이 그래핀 및 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 유망한 물질을 사용하여, 뛰어난 전기적 및 기계적 특성과 함께, 기본 물질의 전기전도도 특성을 향상시키려는 시도를 하고 있다.
그러나 그래핀과 CNT에 항체를 붙이기 위해서는, 항체와 그래핀 또는 CNT를 연결하는 링커라는 분자가 필요하다는 문제점이 있다. 이 때문에 링커가 결합할 수 있는, 카르복실기와 같은 결합 부위를 가지지 않는 단일층 그래핀 또는 CNT에 항체를 결합시켜야 한다는 점을 포함하는 몇 가지 문제가 존재한다.
따라서 몇몇 연구자들은 O2 플라즈마 및 KOH 용액의 화학적 처리에 의해 Si 바인더를 -OH 바인더로 교체하는 것을 연구하였다. 그러나 이러한 처리 도중에, 그래핀 및 CNT의 표면에 결함이 생기고, 이로 인해 전기전도도가 크게 줄어 바이오센서의 전기적 감도를 감소시킨다.
본 명세서에서, 바인더를 생성하기 위한 어떠한 처리 공정 없이, 단일층 그래핀 상의 플라즈몬 용접된 단일벽 탄소 나노튜브에 기초한 항원 분자 검출용 바이오센서가 개시된다.
본 발명의 목적은 링커 분자의 사용 없이 단백질, 특히 항체를 이용하여 다른 단백질, 특히 항원을 민감하게 검출할 수 있는 바이오센서를 제공하는 것이다.
이러한 바이오센서는 제작 비용을 절감할 수 있게 하고, 무엇보다도 전기적 특성을 개선함으로써 감도가 높은 바이오센서를 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 목적은 그래핀 층, 및 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층, 및 상기 탄소 나노튜브 층에 결합된 항체를 포함하고, 링커 분자를 포함하지 않는, 단백질 검출용 소자를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 (i) 구리 호일 위에 그래핀 층을 형성하는 단계; (ii) 상기 그래핀 층을 기판 위에 전사하는 단계; (iii) 상기 전사된 그래핀 층 위에 탄소 나노튜브를 증착하는 단계; 및 (iv) 플라즈몬 용접 방법을 통해 상기 증착된 탄소 나노튜브를 상기 그래핀 층에 용접하는 단계를 포함하는, 단백질 검출용 소자 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극이 형성된 기판; 상기 기판 위에 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층; 상기 탄소 나노튜브 층 위에 공간을 형성하면서 출구와 입구를 가지는 상부 덮개를 포함하고, 상기 탄소 나노튜브 층에 항체가 결합되어 있으며, 상기 탄소 나노튜브 층과 상기 항체를 결합하기 위한 링커를 사용하지 않는 것인, 단백질 검출용 바이오센서를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 (i) 유리 기판, 상기 유리 기판 위에 형성된 게이트 전극, 상기 유리 기판과 게이트 전극을 피복한 금속산화물 층 및 상기 금속산화물 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어진 기판을 준비하는 단계; (ii) 상기 기판 위에 그래핀 층을 형성하는 단계; (iii) 상기 그래핀 층 위에 탄소 나노튜브 층을 형성하는 단계; (iv) 플라즈몬 용접 방법을 통해 상기 그래핀 층과 상기 탄소 나노튜브 층을 결합시키는 단계; (v) 상기 탄소 나노튜브 층 위에 항체를 결합하는 단계; (vi) 상기 탄소 나노튜브 층 위에 공간을 형성하면서 출구와 입구를 가지는 상부 덮개를 부착하는 단계; 및 (vii) 상기 탄소 나노튜브 층에 항체를 결합하는 단계를 포함하는, 단백질 검출용 바이오센서 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 기술과 대비하여 링커 분자를 사용하지 않기 때문에, 단백질 검출용 소자/바이오센서를 더 용이하고 저렴하게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 소자/바이오센서는 결함이 없기 때문에, 제조된 소자 또는 바이오센서의 전기적 특성이 종래 기술에 따른 센서보다 더 우수하다.
도 1은 특정 단백질 검출을 위한 단일층 그래핀 위의 단일벽 탄소 나노튜브의 플라즈몬 용접 공정에 대한 모사도이다.
도 2는 플라즈몬 용접 전과 후의 그래핀 위의 탄소 나노튜브의 특성을 분석한 결과를 보여준다.
도 3은 BSA (bovine serum albumin) 단백질 결합 공정 전후에 단일층 그래핀 상의 (a) SWCNT와 (b) 용접된 SWCNT의 소스/드레인 전압 입력을 통해 얻은 드레인 전류값을 보여준다.
도 4는 특정 단백질 BSA 결합 후, 용접 전후의 신호 변화값을 비교한 그래프이다.
도 5는 특정 단백질 항원 결합 시와 BSA 결합 시의 용접 전후의 신호 (민)감도 차이를 보여 준다.
본 발명의 하나의 측면에서, 그래핀 층, 및 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층, 및 상기 탄소 나노튜브 층에 결합된 항체를 포함하고, 링커 분자를 포함하지 않는, 단백질 검출용 소자가 제공된다.
본 발명에 따른 단백질 검출용 소자에 있어서, 상기 그래핀 층은 단일층(monolayer)인 것이 바람직하고, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽(single walled) 형태인 것이 바람직하다. 물론, 다중층의 그래핀이나 다중벽 탄소 나노튜브도 본 발명의 단백질 검출용 소자에 사용될 수 있다.
이러한 단백질 검출용 소자는 항체와 결합할 수 있는 단백질, 즉 항원을 검출할 수 있다(항원-항체 관계에 있는 단백질). 종래의 기술과 달리, 본 발명에 따른 단백질 검출용 소자의 경우 링커 분자(linker molecule)를 사용하지 않기 때문에, 결함(defect) 없이 제작될 수 있고, 이로써 높은 감도(sensitivity)를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, (i) 구리 호일 위에 그래핀 층을 형성하는 단계; (ii) 상기 그래핀 층을 기판 위에 전사하는 단계; (iii) 상기 전사된 그래핀 층 위에 탄소 나노튜브를 증착하는 단계; 및 (iv) 플라즈몬 용접 방법을 통해 상기 증착된 탄소 나노튜브를 상기 그래핀 층에 용접하는 단계를 포함하는, 단백질 검출용 소자 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 단백질 검출용 소자 제조 방법에 있어서, 상기 그래핀 층은 단일층(monolayer)인 것이 바람직하고, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽(single walled) 형태인 것이 바람직하다. 물론, 다중층의 그래핀이나 다중벽 탄소 나노튜브도 본 발명의 단백질 검출용 소자 제조 방법에 사용될 수 있다. 상기 그래핀 층은 단일벽 탄소 나노튜브(single walled carbon nanotube (SWCNT)) 층(멤브레인)의 전기적 특성을 향상시키는 역할을 한다.
전술한 단일층 그래핀은 종래의 단일층 그래핀 형성 방법에 따라 증착될 수 있다. 예를 들면, 열화학증기증착 장비를 사용하여 단일층 그래핀을 구리 호일(copper foil) 위에 성장시킬 수 있다.
구체적으로, 열화학증기증착 장비를 사용하여 석영 튜브 내에서 H2 및 Ar 흐름 하의 약 1000℃의 고온 및 약 0.5 mTorr의 압력에서 구리 호일을 어닐링한다. 이후, H2:CH4 기체 흐름을 도입하여 그래핀을 합성한다.
이어서, 예를 들어, 습식 전사 방법에 따라 상기 단일층 그래핀을 유리 웨이퍼로 전사한다. 구체적으로, 상기 구리 호일의 한 쪽 면 위의 그래핀을 O2 플라즈마를 사용하여 식각하고, 이후에 상기 구리 호일의 반대 쪽 면을 PMMA로 스핀코팅하여 기계적 지지층을 형성한다. 상기 샘플을 암모늄 설페이트 식각액에 넣어 구리를 식각한다. 구리 식각 후에, 상기 PMMA/그래핀을 표적 유리기판 위에 전사하고, 상기 PMMA 층을 아세톤으로 세척하여 제거한다.
다음으로, 그래핀 전사 후에, SWCNT 막을 증착한다. 구체적으로, WCNT 분말 및 소듐 도데실 설페이트를 탈이온수에 첨가하여 SWCNT 분산 용액을 제조하고, 이어서 이 용액을 초음파처리하여 SWCNT를 분산시켰다. 상기 SWCNT를 Anodisc 무기 필터 멤브레인 위에 증착한다. 상기 멤브레인(SWCNT 층)을 NaOH 용액에 부유시켜 상기 Anodisc 필터를 용해시키고, 상기 SWCNT 멤브레인을 탈이온수로 희석한 NaOH 용액으로 수차례 세척한 후 표적 기판으로 전사한다.
이어서, 표면 플라즈몬 효과에 기초하여 할로겐 램프를 사용하는 플라즈몬 용접 방법(plasmonic welding)에 의해 상기 SWCNT 멤브레인에 높은 열 에너지를 가하여 상기 SWCNT 간의 접촉점에서 원자 네트워크(atomic network)를 형성한다. 이러한 접합(junction)은 전기적 면저항(sheet resistance)을 증가시키고, 항체와 같은 단백질 분자에 결합 부위를 제공한다.
종래 기술에 따라 그래핀과 탄소나노튜브에 항체를 붙이기 위해선, 항체와 그래핀 또는 탄소 나노튜브를 연결시켜주는 링커 분자를 결합시켜야만 한다는 문제가 있다. 링커를 그래핀과 탄소 나노튜브 위에 결합시키기 위해선 O2 플라즈마를 이용하여 표면의 C-C 구조를 깨고 -COOH 기를 노출시키는 과정이 필요하다. 그러나, 이러한 과정 중에, 그래핀과 탄소 나노튜브에 결함이 생성되며, 이로 인해 전기 전도도가 매우 크게 떨어진다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따라, 할로겐 램프를 이용하여 그래핀 단일층 위에 증착된 탄소 나노튜브 위에 표면 프라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 일으켰다. 그 결과, 각각의 탄소 나노튜브가 겹쳐지는 국소적인 접합 부위에서 열 에너지(heating energy)가 발생하게 되며, 이를 통해 원자 네트워크(atomic networks)가 형성된다.
이를 통해서 접촉 저항이 감소함에 따라 면저항이 줄어들게 되며, 전기적 특성이 크게 향상된다. 또한, 추가적으로 결함이 발생하는 것이 아니라, 표면 플라즈몬 공명이 일정시간 동안 가해지게 될 경우 원자 네트워크가 발생하는 부분에서 자체 치유(self healing) 현상을 유발하여 결함이 발생하지 않는다. 즉, 플라즈몬 용접 공정을 통해서, 결함 유발 없이 면저항을 감소시켜 전기적인 특성을 좋아진다.
전술한 바와 같이, 플라즈몬 용접 공정은 링커 분자의 사용 없이, 항체를 탄소 나노튜브의 접합 부위에 결합시킬 수 있도록 한다. 접합 부위에서 항체는 아민기(-NH2)를 갖고 있다. 이러한 아민기는 탄소 나노튜브의 -COOH기와 함께 탈수(dehydration) 과정을 통해 -CONH기를 생성하게 된다. 이러한 COOH기는 플라즈몬 용접 과정을 통해서 접합 부위에 생성되게 된다.
즉, 이와 같은 플라즈몬 용접 과정을 통하여 탄소 나노튜브 표면에 원자 네트워크인 접합 부위를 만들게 되며, 이를 통해 결함 없이 전기 전도도를 좋게 하고, -COOH기를 형성시켜 링커 없이 항체를 결합시켜 항원을 포획할 수 있는 구조를 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극이 형성된 기판; 상기 기판 위에 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층; 상기 탄소 나노튜브 층 위에 공간을 형성하면서 출구와 입구를 가지는 상부 덮개를 포함하고, 상기 탄소 나노튜브 층에 항체가 결합되어 있으며, 상기 탄소 나노튜브 층과 상기 항체를 결합하기 위한 링커를 사용하지 않는 것인, 단백질 검출용 바이오센서가 제공된다.
본 발명에 따른 단백질 검출용 바이오센서에 있어서, 상기 기판은 유리 기판, 상기 유리 기판 위에 형성된 게이트 전극, 상기 유리 기판과 게이트 전극을 피복한 금속산화물 층 및 상기 금속산화물 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명에 따른 단백질 검출용 바이오센서에 있어서, 상기 그래핀 층은 단일층(monolayer)인 것이 바람직하고, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽(single walled) 형태인 것이 바람직하다. 물론, 다중층의 그래핀이나 다중벽 탄소 나노튜브도 본 발명의 단백질 검출용 바이오센서에 사용될 수 있다. 또한, 상기 상부 덮개는 유리 또는 폴리디메틸실록산일 수 있으며, 이들은 O2 플라즈마를 이용하여 접합할 수 있다. 또한, 에폭시 수지를 이용하여 접합할 수 있는 다른 재료들도, 상부를 덮고 내부의 기밀성을 유지할 수 있다면, 사용가능하다.
항원을 포함하는 흐름이 상기 상부 덮개의 입구로 들어왔다가 출구로 배출되는 과정에서 항원이 상기 항체에 결합하고, 이에 따른 전기적 특성의 변화를 감지하여 항원을 감지하게 된다(항원-항체 관계의 단백질 검출).
본 발명의 또 다른 측면에서, (i) 유리 기판, 상기 유리 기판 위에 형성된 게이트 전극, 상기 유리 기판과 게이트 전극을 피복한 금속산화물 층 및 상기 금속산화물 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어진 기판을 준비하는 단계; (ii) 상기 기판 위에 그래핀 층을 형성하는 단계; (iii) 상기 그래핀 층 위에 탄소 나노튜브 층을 형성하는 단계; (iv) 플라즈몬 용접 방법을 통해 상기 그래핀 층과 상기 탄소 나노튜브 층을 결합시키는 단계; (v) 상기 탄소 나노튜브 층 위에 항체를 결합하는 단계; (vi) 상기 탄소 나노튜브 층 위에 공간을 형성하면서 출구와 입구를 가지는 상부 덮개를 부착하는 단계; 및 (vii) 상기 탄소 나노튜브 층에 항체를 결합하는 단계를 포함하는, 단백질 검출용 바이오센서 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 단백질 검출용 바이오센서 제조 방법에 있어서, 상기 기판은 유리 기판, 상기 유리 기판 위에 형성된 게이트 전극, 상기 유리 기판과 게이트 전극을 피복한 금속산화물 층 및 상기 금속산화물 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명에 따른 단백질 검출용 단백질 검출용 바이오센서 제조 방법, 상기 그래핀 층은 단일층(monolayer)인 것이 바람직하고, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽(single walled) 형태인 것이 바람직하다. 물론, 다중층의 그래핀이나 다중벽 탄소 나노튜브도 본 발명의 단백질 검출용 바이오센서 제조 방법에 사용될 수 있다. 또한, 상기 상부 덮개는 유리 또는 폴리디메틸실록산일 수 있으며, 이들은 O2 플라즈마를 이용하여 접합할 수 있다. 또한, 에폭시 수지를 이용하여 접합할 수 있는 다른 재료들도, 상부를 덮고 내부의 기밀성을 유지할 수 있다면, 사용 가능하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 태양을 다음의 실시예 및 도면을 들어 설명한다. 그러나 본 발명의 범위는 하기 실시예에 대한 설명 또는 도면에 제한되지 아니한다.
실시예
열화학증기증착 장비를 사용하여 단일층 그래핀을 구리 호일(copper foil: 99.8%, Alfa Aesar, No. 13382) 위에 성장시켰다. 석영 튜브 내에서 20 sccm의 H2 및 50 sccm의 Ar 흐름 하의 1000℃ 및 0.5 mTorr에서 30분 동안 상기 25 μm 두께의 구리 호일을 어닐링하였다. 0.45 Torr 및 1000℃에서 25분 동안 H2:CH4 (30:30 sccm) 기체 흐름을 도입하여 합성을 수행하였다. 그래핀 합성 후에, Ar 흐름을 사용하여 노(furnace)를 실온으로 냉각하였다.
도 1(a)에 나타난 종래의 습식 전사 방법에 따라 상기 단일층 그래핀을 유리 웨이퍼로 전사하였다. 먼저, 상기 구리 호일의 한 쪽 면 위의 그래핀을 20초 동안 30 sccm의 O2 플라즈마를 사용하여 식각하였고, 이후에 1550 rpm으로 80초 동안 상기 구리 호일의 반대 쪽 면을 PMMA로 스핀코팅하여 기계적 지지층을 형성하였다. 상기 샘플을 암모늄 설페이트(APS-100, 1 M)의 구리 식각액에 3시간 동안 부유시켰다. 구리 식각 후에, 상기 PMMA/그래핀을 표적 유리기판 위에 전사하였고, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 상기 PMMA 층을 아세톤으로 세척하여 제거하였다. 상기 그래핀 층은 단일벽 탄소 나노튜브(single walled carbon nanotube (SWCNT)) 멤브레인의 전기적 특성을 향상시키는 역할을 한다.
그래핀 전사 후에, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 진공여과장치(Aspirator A-1000S, EYELA, Co.)를 사용하여 SWCNT 막을 증착하였다. 먼저, 15 mg의 SWCNT 분말 및 500 mg의 소듐 도데실 설페이트를 50 mL의 탈이온수에 첨가하여 SWCNT 분산 용액을 제조하였고, 이어서 이 용액을 150 W에서 30분 동안 30% 하에서 초음파처리하여 SWCNT를 분산시켰다. 상기 SWCNT를 Anodisc 무기 필터 멤브레인(0.2 μm 구경) 위에 증착하였다. 50 μL의 SWCNT 용액을 100 mL의 탈이온수와 함께 플라스크에 채웠고, 동시에 진공 흡인기로 공기를 뺐다. 상기 멤브레인을 10% NaOH 용액에 5시간 동안 부유시켜 상기 Anodisc 필터를 용해시켰고, 상기 SWCNT 멤브레인을 탈이온수로 희석한 NaOH 용액으로 수차례 세척한 후 표적 기판으로 전사하였다. 이 SWCNT 멤브레인을 진공 오븐 내에서 3시간 동안 150℃에서 어닐링하여 수분을 제거하였다.
이어서, 표면 플라즈몬 효과에 기초하여 50 W의 할로겐 램프를 사용하는 플라즈몬 용접(plasmonic welding)에 의해 상기 SWCNT 멤브레인에 높은 열 에너지를 가하여 상기 SWCNT 간의 접촉점에서 원자 네트워크(atomic network)를 형성하였다(도 1(c)). 이러한 접합(junction)은 전기적 면저항(sheet resistance)을 증가시켰고 항체 분자에 결합 부위를 제공하였다. 상기 SWCNT 멤브레인을 상기 램프 아래 4.5 mm에 30분 동안 두어 균일한 열 에너지를 가하였다.
항체 및 항원 용액을 주입하기 위해, 150 mTorr 하에서 18 W의 RF 파워를 가지는 O2 플라즈마 장치(PDC-32G-2)를 사용하여 PDMS 기판을 상기 SWCNT/그래핀 기판에 결합함으로써 저장용기(reservoir)를 제작하였다. 이후에, 상기 항체를 상기 기판에 부착하였다. 상기 표적 항체는 항인간(anti-human) IgG이었고, 상기 항원은 Fc-융합 단백질이었다. 정상적인 SWCNT (normal SWCNT) 상의 항체에 의해 항원 분자를 감지하기 위해 여러 단계가 있다: 첫째, 35℃에서 5분 동안 1% KOH 용액 처리에 의해 SWCNT의 표면 위에 하이드록실기(-OH)를 형성하는 단계; 둘째, 상기 하이드록실기를 실란 커플링제(silane coupler)와 치환하여 상기 SWCNT의 표면에서 3-아미노프로필트리에톡시실란 링커를 결합하는 단계; 셋째, 인산염완충 식염용액으로 세척한 후 지베렐린산을 상기 저장용기에 삽입하여 15분 동안 바인더를 형성하고 오븐 내에서 수분을 제거하는 단계; 및 마지막으로, 상기 항체를 상기 SWCNT의 표면에 부착하는 단계이다. 용접된 SWCNT의 경우에, 상기 접합점(junction spots)에서 카르복실기를 가지는 바인더가 있다. 따라서 다른 링커 없이도 상기 항체 분자를 이러한 접합점에 직접 결합시킬 수 있고, 이로써 전기적 감도를 향상시킨다.
단일층 그래핀 위의 SWCNT에 대한 용접 효과(welding effect)를 조사하기 위해, 도 2(a)에 나타나 있는 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)을 사용하였다. 플라즈몬 용접을 하기 전의 SEM 사진은 개별화된(분산된) SWCNT를 보여준다. 그러나 플라즈몬 용접을 한 후에는 용접된 SWCNT를 관찰할 수 있다. 할로겐과 텅스텐 원자 간의 반복적인 결합 및 분해에 의해 생성되는, 할로겐 램프의 광(light)은 상기 SWCNT 상에서 표면 플라즈몬 공명을 일으킨다. 이러한 상기 할로겐 램프의 광 파장은 SWCNT 내부에서 이동성 운반체(mobile carrier)를 강력하게 유도한다. 이러한 운반체는 SWCNT 사이에 가교된(cross-linked) 영역에 집중되고, 이어서, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, SWCNT 사이에서 원자 네트워크 및 접합이라 칭해지는 용접된 영역을 생성한다. 도핑(doping), 결함 및 반금속 유형(semi-metallic type)과 같은, 상기 용접된 SWCNT의 특성을 구명하기 위해, 514.5 nm의 여기 파장에서 고해상도 분산 라만 현미경(ARAMIS, Horiba Jobin Yvon)을 사용하여 라만 스펙트럼을 얻었다. 도 2(c)는 상기 플라즈몬 용접 전후, 1350 cm-1에서의 D 피크의 세기(intensity), 1590 cm-1에서의 G+ 피크의 세기, 및 IG/ID 피크의 세기 비율을 보여 준다. 용접 전에, SWCNT의 IG/ID 피크 비율은 약 8.71이었다. 그러나 이러한 IG/ID 피크 비율은 상기 플라즈몬 용접 후에 약 11.66까지 증가하였다. 이러한 결과는, 고온 가열 조건에서 접합(junction)에서와 동시에 댕글링 본드(dangling bond)를 포화시켜 원자 네트워크를 재건함으로써, 결함 생성(defect production)과 결함 치료(defect healing)와 같은 두 개의 경쟁적인 과정으로부터 순효과(net effect)에 의해 분석될 수 있다.
이러한 원자 네트워크는 에너지 장벽의 감소와 함께 단일층 그래핀 상의 상기 SWCNT 멤브레인의 전기적 면저항을 감소시켜 SWCNT 간에 전류가 흐른다. 상기 SWCNT 멤브레인은 상기 용접 공정 이후보다 용접 전에 비교적 더 큰 접촉 저항(contact resistance)을 갖는다. AIT Co.의 CMT-100S 장비를 사용하여 상기 전기적 면저항을 관측하였다(도 2(d)). SWCNT의 전기적 면저항은 용접 후에 10.5±5.1 kΩ/□에서 4.12±2.2 kΩ/□까지 현저히 감소하였다. 이렇게 감소된 전기적 저항은 항원을 감지할 정도로 전기적 감도를 향상시켰다. 또한, 도 2(e) 및 2(f)에 나타낸 바와 같이, 태핑 모드(tapping mode)의 AFM(atomic field microscope)을 사용하여 상기 용접 전후에 단일층 그래핀 상의 SWCNT의 표면 거칠기(surface roughness)를 구했다. RMS (root mean square) 표면 거칠기는 플라즈몬 용접 후에 각각 16.86 nm에서 11.14 nm로 감소하였다.
이렇게 제작된 칩을 사용하여, 항인간 IgG 결합과 동일한 아민 작용기 결합 구조를 가지는 BSA (bovine serum albumin) 단백질 주입 후에 소스/드레인 전압을 통해 드레인 전류의 변화를 측정하였다. 항인간 IgG와 같은 항체는 아민기(-NH2)를 갖고, 이어서 L 사슬(light chain)과 라이신(lysine) 잔기 부분에 결합한다. 따라서 이러한 아민기는 카르복실기(-COOH)와 탈수 반응(dehydrated reaction)에 의해 CO-NH 커플링을 형성할 수 있다. 이러한 SWCNT의 카르복실기는 대기 조건(ambient condition)에서 플라즈몬 용접 공정에 의해 쉽게 생성된다. 용접 전의 경우에, 측정된 드레인 전류는 단백질 결합 훙에 5 V에서 0.42 mA로 감소하였다(도 3(a)). 그러나 단일층 그래핀 상에 용접된 SWCNT는 5 V에서 2.46 mA의 드레인 전류의 매우 민감한 변화를 보였다. 상기 용접된 SWCNT의 전기적 감도로서 드레인 전류의 변화는 용접 전 정상 SWCNT의 경우보다 5.8배 더 크다. 상기 정상 SWCNT의 전기적 저항이 KOH 용액 처리에 의해 증가했음에도, 원자 네트워크를 갖는 상기 용접된 SWCNT의 전기적 저항은 감소하였다. 또한, 항체를 사용하는 항원 감지 실험을 수행하였다. 항인간 IgG 결합 과정 후에, 항원 및 Fc 융합 단백질을 주입하였고, 단일층 그래핀 상의 각 SWCNT 칩의 드레인 전류에서의 전기적 변화를 얻었다. 항원 결합 전의 정상 SWCNT는, 도 4(a)에 나타난 바와 같이, 낮은 입력 전압에서 0.0752의 기울기로 드레인 전류가 점진적으로 감소하였고, 1.3 V를 초과할 때 -0.097 A의 일정한 드레인 전류에 도달하였다는 점을 보여준다. 항원 결합 후, 상기 드레인 전류는, 0.9 V까지 0.0595의 기울기로, 감소하였고 0.9 V 이상에서는 -0.046 A의 일정한 영역에 도달하였다. 항원 결합에 의한 드레인 전류의 변화는 2.5 V에서 49 mA이었다. 상기 용접된 SWCNT는 항원 결합 전후에 2.5 V에서 76 mA의 매우 민감한 전류 변화를 보였다. 또한, 기울기는 0.089에서 0.0134로 극적으로 변했다. 이러한 결과는, 도 5에 나타난 바와 같이, 용접된 SWCNT 샘플이 항원 Fc 융합 단백질을 감지하기에 더 효과적이고 전기적으로 민감하다는 점을 보여준다. 이러한 용접된 SWCNT의 탁월함은 향상된 전기적 면저항과 카르복실기를 갖는 접합 영역에서 항원의 공유결합에 기초한 것이었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 요지로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형 예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다.

Claims (7)

  1. 그래핀 층, 및 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층, 및 상기 탄소 나노튜브 층에 결합된 항체를 포함하고, 링커 분자를 포함하지 않는, 단백질 검출용 소자.
  2. (i) 구리 호일 위에 그래핀 층을 형성하는 단계;
    (ii) 상기 그래핀 층을 기판 위에 전사하는 단계;
    (iii) 상기 전사된 그래핀 층 위에 탄소 나노튜브를 증착하는 단계; 및
    (iv) 플라즈몬 용접 방법을 통해 상기 증착된 탄소 나노튜브를 상기 그래핀 층에 용접하는 단계를 포함하는, 단백질 검출용 소자 제조 방법.
  3. 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극이 형성된 기판; 상기 기판 위에 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층 위에 형성된 탄소 나노튜브 층; 상기 탄소 나노튜브 층 위에 공간을 형성하면서 출구와 입구를 가지는 상부 덮개를 포함하고, 상기 탄소 나노튜브 층에 항체가 결합되어 있으며, 상기 탄소 나노튜브 층과 상기 항체를 결합하기 위한 링커를 사용하지 않는 것인, 단백질 검출용 바이오센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판, 상기 유리 기판 위에 형성된 게이트 전극, 상기 유리 기판과 게이트 전극을 피복한 금속산화물 층 및 상기 금속산화물 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단백질 검출용 바이오센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 상부 덮개는 유리 또는 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는 단백질 검출용 바이오센서.
  6. (i) 유리 기판, 상기 유리 기판 위에 형성된 게이트 전극, 상기 유리 기판과 게이트 전극을 피복한 금속산화물 층 및 상기 금속산화물 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어진 기판을 준비하는 단계;
    (ii) 상기 기판 위에 그래핀 층을 형성하는 단계;
    (iii) 상기 그래핀 층 위에 탄소 나노튜브 층을 형성하는 단계;
    (iv) 플라즈몬 용접 방법을 통해 상기 그래핀 층과 상기 탄소 나노튜브 층을 결합시키는 단계;
    (v) 상기 탄소 나노튜브 층 위에 항체를 결합하는 단계;
    (vi) 상기 탄소 나노튜브 층 위에 공간을 형성하면서 출구와 입구를 가지는 상부 덮개를 부착하는 단계; 및
    (vii) 상기 탄소 나노튜브 층에 항체를 결합하는 단계를 포함하는, 단백질 검출용 바이오센서 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 상부 덮개는 유리 또는 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는 단백질 검출용 바이오센서 제조 방법.
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