KR20200017428A - 전계 효과 트랜지스터 센서(a field-effect transistor sensor) - Google Patents

Abstract

다음을 포함하는 전계 효과 트랜지스터 센서(BS)가 여기에서 설명된다:
-기판(1)
-소스 전극(2,4)
-드레인 전극(3,4)
-생물학적 인식 요소들의 층(9)으로 기능화된 게이트 전극(5, 6),
-소스-드레인 채널(4)
-반도체 층.
여기에서 게이트 전극(5, 6; G1, G2, G3; G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8)은 복수의 비커플링된(uncoupled) 도메인들(9D)로 패턴화됨.

Description

전계 효과 트랜지스터 센서(A FIELD-EFFECT TRANSISTOR SENSOR)

본 발명은 전계 효과 트랜지스터 센서들, 특히 바이오 센서들에 관한 것이다.

바이오 센서들, 및 특히 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서들의 분야에서, 질병의 가능한 가장 초기 단계에서 바이오 마커들을 검출할 수 있는 감지 시스템에 대한 연구는 새로운 기술들이 더욱 더 민감하고 신뢰할 수 있는 검출들을 허용함에 따라 추진력을 얻고 있다.

그러나, 지금까지 방법론적 접근은 검출기의 감지 표면을 가능한 한 최소화하는 것이 진행을 위한 방법이라는 생각에 의해 추진되었다. 비표지(label-free) 단일 분자 검출은 크기 제약들 때문에 매우 적은 생물학적 수용체들을 통합하거나(incorporate) 호스팅(host)할 수 있는 나노-시스템들을 통해 달성되었다.

단일 DNA 검출은 단일 탄소-나노튜브 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 한 바이오 센서에 의해 수행되었다. 이 트랜지스터에서, DNA 프로브(probe)는 상보적(complementary) DNA 표적의 존재에 의해 컨덕턴스가 영향을 받는 나노-채널의 점 결함(point defect)에 부착된다.

비표지 단일 분자 검출은 또한 위스퍼링 갤러리 모드 마이크로캐비티(whispering gallery mode microcavity)를 통해 수행되었다. 감지는 골드 나노막대들에서 생성된 플라즈몬-강화 필드를 통해 발생하는데, 이는 나노-대상들 종횡비, 배향 및 표면 거칠기에 크게 좌우된다.

포스 분광기들(force spectroscopies)(광학 및 자기 핀셋들, 원자 포스 현미경) 또는 이온 채널들 및 나노 기공들을 기반으로 한 플랫폼들은 나노 크기의 공간적 위치 파악을 위해 나노 도구들에 또한 의존한다. 이러한 시스템들은 본질적으로 매우 적은 생물학적 인식 요소들과의 상호 작용을 위해 많은(실제로는 매우 많은) 바이오 마커들을 유입시킨다(funnel). 이는 가능성이 매우 높은 단일 결합 검출 이벤트들의 시퀀스로 이어진다. 상기 단일 이벤트는 상호 작용에 관여하는 나노-표면의 상대적으로 큰 부분을 변화시킴에 따라 측정 가능하다.

많은 양의 생물학적 유체에 분산된 단일 바이오 마커(즉, 매우 낮은 농도를 갖는 바이오 마커)를 실제로 감지하기 위해, 결합 이벤트들의 발생빈도가 매우 낮아져서 나노 센서가 몇몇의 바이오 마커들을 실제로 검출하기 위해서는 비실용적으로 긴 시간을 기다려야 한다. 따라서, 상기 모든 검출 기술들은 본질적으로 예를 들어 이른 시기에 바이오 마커들 검출에 필요한 생물학적으로 관련된 매체 내 약간의 리간드들을 추적할 수 없으며, 이때 리간드 농도는 매우 낮다.

이러한 나노 시스템들은 생산 확장성 및 검출 이벤트들의 낮은 재현성(및 관련 결과들)에 의해서 또한 여전히 제한되며, 이들 둘 다 기술적인 플랫폼을 실제 임상 응용들로 옮기는 데 주요한 문제들이 된다.

놀랍게도, 생물학적 세포들은 표면에 존재하는 많은 수의 수용체들을 통 해 단일 분자 감도로 신호화학물질들(semiochemicals)을 해독할 수 있다. 이에 대한 예로는 난자(난세포)를 위치시키기 위해(to locate) 난자 세포와 관련된 환경 신호들을 물리적 검출 한계까지 감지할 수 있는 정자 세포들이 있다.

화학 유인 물질과 하나의 수용체 사이의 결합 이벤트는 발생원을 가리키는 증가하는 신호화학물질들 그레디언트를 향하여 세포 배향을 개시한다. 세포가 더 민감할수록, 이의 내비게이션이 표적을 향해 더 빠르게 배향될 것이다. 정자 세포는 3-4 개의 리간드들만큼 적은 것을 검출할 수 있지만, 단일 이온 채널 연결 수용체들(예를들면 니코틴성 아세틸콜린 수용체들)은 화학적 신호를 검출 가능한 이온 전류로 전환시킬 수 있다.

특히, 화학 유인물질-수용체 상호작용 단면적이 충분히 높도록 하기 위해서는, 세포 표면이 매우 많은 수의 조밀하게 팩된(packed) 수용체들에 의해 덮여야만 한다.

생체전자공학(bioelectronics)은 인쇄 가능하거나 또는 저비용 생산 전자 장치 및 전계 효과 트랜지스터(FET)에서 가장 유망한 지침들 중 하나이다. 크기가 μm부터 mm 크기까지 걸쳐 있는 이러한 장치들은 인쇄 가능한 유기 반도체들(OSCs)뿐만 아니라 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO), 탄소 나노 튜브 박막들, 또는 그래핀과 같은 2D 물질들과 같은 물질들을 기반으로 한다. 그 중에서도 유기 FET, 특히 전해질 게이팅 FET는 성능이 우수한 바이오 전자 FET(bio-FET) 센서들로 작동하는 것으로 입증되었다.

FET 변환(transduction) 메커니즘에 높은 감도가 보장되는 반면, 선택성은 전자적 인터페이스와 직접 커플링된 기능적 생물학적 인식 요소들의 층을 통합함으로써 달성된다. 이러한 생물학적 인터페이스들의 연구는 수용체 바이오 시스템들의 형태 변화들에 통찰력을 제공하였고, 또한 비표지이고, 민감하며 선택적인 바이오 센싱 기술임을 입증했다. 전해질 게이트 센서들은 피코 몰(10^-12 M)까지 검출 한계들을 나타내며, 센서 반응들의 높은 반복성은 수백 번의 반복 측정들의 3-5%의 낮은 상대 표준 편차를 특징으로 한다. 해수에서 최대 104회의 반복 측정들이 매우 높은 반복성으로 성공적으로 수행되었다. 또한, 인간의 후각 수용체들 2AG1로 변형된 그래핀 FET로 서브 펨토몰(10^-15 M, fM) 검출들이 이루어졌다. 바이오-FET들에서 일반적으로 사용되는 부피들(100μL)을 고려할 때, 검출된 리간드들의 수는 pM 농도에서 10⁸이고, fM 농도에서 10⁵이었으므로, 전자 비표지 감지 기술은 여전히 단일 분자 검출과 매우 거리가 멀다.

다수의 생물학적 인식 요소들에 의해 채워진 생체-인터페이스로 구성된 종래 기술의 바이오 센서들의 또 다른 주요한 단점은 단일 또는 매우 적은 리간드 인식 이벤트들에 따른 이들의 불활성화에 있다. 종래 기술의 기능화된 게이트 전극에서, 리간드 인식 이벤트가 발생할 때마다, 기능화된 게이트 전극 상에 팩된 수용체들에 의해 발생된 전기적 신호의 증폭 과정을 나타내는 동일한 형태 변화들이 생물학적 인식 층의 나머지로 매우 빠르게 확산한다. 이는 게이트 전극 상에 남아있는 모든 수용체들이 불활성화되기 때문에 바이오 센서가 빠르게 추가적인 리간드 인식 이벤트들에 소위 "블라인드"되게 한다-아마도 상이한 리간드 농도들에서 발생함-. 이러한 바이오 센서들은 사실상 소수의 리간드들의 존재에 반응하여 급격하게 포화에 도달하는 일종의 바이너리 장치들로서 작용할 수 있다.

이러한 현상은 밀리미터 크기의 장치로 거의 단백질들을 검출할 수는 없지만, 바이오 센서가 본질적으로 단일/소수의 리간드들 인식 이벤트들 및 또한 적어도 세 배 더 큰 리간드 농도들 모두를 감지할 수 없기 때문에 바이오 센서가 넓은 농도 동적 범위를 갖는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 목적은 전술한 기술적 단점들을 극복하는 것이다. 구체적으로, 본 발명은 매우 낮은 농도들에서 바이오 마커들(리간드들)을 검출할 수 있지만(임상 스크리닝에서 바이오 마커들의 조기 검출을 가능하게 할 수 있음), 몇 배의 동적 범위에 걸친 충분히 넓은 농도 동적 범위를 나타내는 FET 바이오 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 반도체 층 자체를 덮고 아마도 밀봉하는 소수성 이온 전도성 물질에 의해 물리적으로 보호되는 동안 워터 환경에서 완전히 안정하지는 않더라도 반도체가 워터 전해질 또는 심지어 생체 유체와 전기/이온적 접촉될 수 있게 하는 새로운 바이오 센서 구조를 다룬다. 이온 전도성이나, 워터로부터 반도체를 물리적으로 덮고 보호하는 이러한 층은 게이팅 매체 및 FET 채널 사이의 용량성(capacitive) 커플링을 손상시키지 않으므로, 따라서 이온 매체로 인터페이스에서 유도된 고 커패시턴스 전하 더블층(high capacitance charge double layer)에 의해 전계 효과 채널이 반도체 층 내에 설치되도록 허용한다.

본 발명의 목적은 본원 발명과 관련하여 본원에서 제공된 기술적 개시의 필수적인 부분을 형성하는, 다음의 청구 범위의 주제를 형성하는 특징들을 갖는 전계 효과 트랜지스터 센서에 의해 달성된다.

본 발명의 추가적인 특징들 및 장점들은 비-제한적인 실시예로서 순전히 제공된 첨부 도면들을 참조하여 다음 설명으로부터 명백해질 것이다:
-도 1은 본 발명에 따른 FET 바이오 센서를 도시한 개략적인 3차원 도면이다.
-도 2는 도 1의 FET 바이오 센서를 도시한 2차원 도면이다.
-도 2a는 도 1의 바이오 센서의 서브-유닛의 개략도이다.
-도 2b는 본 발명에 따른 FET 바이오 센서에서 소스 및 드레인 전극들의 예시적인 패턴을 도시한다.
-도 2c는 도 2a의 서브-유닛에 대응하는 도 2b의 채널 영역의 확대도이다.
-도 2d는 도 2의 FET 바이오 센서의 변형 구현예를 도시한다.
-도 3은 본 발명에 따른 바이오 센서의 게이트 전극의 개략적인 부분 분해도이며, 도 3a는 도 3의 화살표 IIIA에 의해 나타낸 세부 사항의 확대도를 제공한다.
-도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 바이오 센서의 게이트 전극의 기능화의 상이한 단계들을 도시한다.
-도 5는 본 발명의 추가적인 구현예에 따른 FET 바이오 센서를 도시하는 개략적인 평면도이다.
-도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 FET 바이오 센서의 추가적인 구현예를 나타내고, 도 5b는 도 5a의 확대된 세부 사항을 도시하며, 및
-도 6은 본 발명에 따른 바이오 센서에 의해 수행되는 예시적인 측정 절차를 도시하는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 약지 BS는 전체적으로 본 발명의 방법에 따라 기능화된 게이트 전극을 특징으로 하는 FET 바이오 센서를 나타낸다. 바이오 센서(BS)는 바람직하게는 Si/SiO₂로 만들어진 기판(1)을 포함한다. 기판(1)은 편평하고 비-전도성이다. 대안적으로 유리 슬라이드 또는 폴리이미드(Kapton®), 운모(2 차원 시트 또는 층 구조를 나타내는 필로실리케이트), 폴리(에틸렌 2,6-나프탈레이트) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 가요성 플라스틱 기판이 사용될 수 있다.

상기 기판(1) 상에, 소스(S) 및 드레인(D) 전극들이 (포토)리소그래피에 의해 제조된 골드 패드들로서 제공되며, 각각 참조 번호 2 및 3으로 표시되었다. 리소프래피 공정에서, 소스(S) 및 드레인(D) 패드들(및 깍지형 전극들(interdigitated electrodes))은 접착층 역할을 하는 사전에 증착된 티타늄 (50nm 두께)과 전자-빔 증발된 골드(50nm 두께)로 정의된다(are defined). 대안적으로, 이 패드들은 쉐도우 마스크를 통한 선 티타늄, 후 골드의 e-빔 증발 또는 소트 서멀(thought thermal) 또는 전도성 잉크의 스크린 인쇄에 의해 정의될 수 있다. 설명 전반에 걸쳐, 소스 및 드레인 전극들은 각각 "소스 패드" 및 "드레인 패드"로서 지칭될 수 있으며, 각각의 참조 번호 2 및 3과 관련하거나 관련하지 않을 수 있다.

소스 및 드레인 패드들은 FET 채널을 정의하는 골드 전극들의 깍지형 패턴(4)과 연결되며, 이의 개략도가 도 2a에 제공된다. 도 2b는 바람직한 구현예의 일부 치수 값들과 함께 깍지형 패턴을 보다 상세하게 나타내는 반면, 도 2c는 도 2b의 일부분의 확대도를 제공한다. 도 2d는 내부에 게이트 전극이 제조되고, 단단한 기판에 천공되는 웰(10)을 포함하는 바이오 센서(BS)의 또다른 구현예의 단면도를 제공한다. 이하의 설명에서, 이러한 깍지형 패턴은 흔히 "깍지형 S 및 D 패턴"으로 지칭될 것이다.

바람직한 구현예에서, 상기 깍지형 패턴(FET 채널)은 폭(W, 등위전극 영역)이 1280㎛ 및 길이(L, 두 개의 상이하게 바이어스된 영역들을 분리하는 거리)가 5㎛이다. 바람직하게는, 깍지형 패턴은 골드 패드들(2, 3)과 유사하게 포토-리소그래피로 또한 정의된다. 두 개의 상이하게 바이어스된 영역들을 분리하는 영역(L)은 5 내지 200㎛만큼 클 수 있고, 만일 전반적인 패턴의 크기가 게이트 영역보다 커지면 더 적은 핑거들(fingers) 및 채널들 또는 비례적으로 스케일링된 폭(W)과 함께 사용될 수 있다. L 간격이 100μm보다 크면, 깍지형 패턴의 스크린 마스크를 통한 정의(definition) 또는 인쇄를 가능하게 하는 것으로 또한 고려될 수 있다.

FET 바이오 센서(BS)는 게이트 컨택트 패드(5) 및 이에 전기적으로 커플링된 게이트 전극 플레이트(6)를 포함하는 게이트 전극을 포함한다. 게이트는 사이에 0.1 μm 내지 10 cm 간격을 둔 깍지형 S 및 D 패드들과 나란히 위치된다. 게이트 전극(6)은 골드 플레이트릿(platelet)(0.1 내지 3mm 두께의 자립식 3차원 골드 조각)이거나 또는 예를 들면 운모 또는 유리와 같은 다른 임의의 기판 상의 Au(50 nm) 및 Ti(50 nm)의 박막(e-빔 또는 열 증발뿐만 아니라 인쇄에 의해)으로 정의될 수 있다. 게이트가 픽셀들로 완전히 구조화되고 기능하는 데 필요한 모든 것으로 생물학 기능화되면, BS 기판에 부착된다. 대안적으로, 게이트 전극(6)은 박막으로서 또는 BS 기판 상에 직접 인쇄함으로써 정의될 수 있다. 후자는 폴리이미드, 운모, 폴리(에틸렌 2,6-나프탈레이트) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 가요성 기판뿐만 아니라 Si/SiO₂, 유리 또는 플라스틱과 같은 단단한 기판 상일 수도 있다.

도 2에는 게이트가 깍지형 S 및 D 구조와 동일 평면에 있는 바이오 센서(BS)의 구현예가 도시되나, 도 2d에는 게이트 구조가 BS 기판 내에 뚫린 웰 내부에 배치되거나 3D 인쇄에 의해 실현된다. 게이트 층(6)은 도 2, 도 2d 및 도 5에 나타낸 바와 같이 단단한 기판 내 웰들의 바닥 상에 직접 실현되거나 다시 부착된다.

실제 게이팅 성능은 게이트 전극(6) 상에 있는 반면, 패드(5)는 본질적으로 외부 장비들에 전기적 인터페이스 역할을 하므로, 다음 설명에서 종종 게이트 전극과 관련하여 기술적 개시가 제공되거나 참조가 이루어질 때마다 게이트 전극 판(6)을 -사실상- "게이트 전극"으로 지정함으로써 동일하게 될 것이다.

게이트 전극(6)(평평한 기판 상에 증착 또는 부착된 것 - 도 2a - 또는 기판 내에 뚫린 웰 내에 놓인 것 - 도 2d)은 0.001 내지 1cm² 범위, 임의의 경우에 전체 깍지형 S 및 D 패턴(4)의 영역에 1(1) 내지 10(10)을 곱한 표면적을 갖는 골드 전극이다. 또한, 게이트는 티타늄 접착층(하기 참조) 상의 골드의 전자-빔 증발 또는 열에 의한 박막으로 정의될 수 있다. 골드 게이트 영역은 Si0₂ 기판뿐만 아니라 Kapton 상 및 다른 견고하거나 가요성 플라스틱 기판들에도 정의될 수 있다. 이미 대안적으로 언급된 바와 같이, 골드 게이트는 기판 내 실현된 웰 내부로 정의될 수 있다.

플레이트릿으로서 또는 증착된 박막으로서의 게이트 전극(6)은 생물학적 인식 요소들의 층(9)으로 기능화된 기판(1)에 반대되는 표면(6F)을 포함한다. 도 4C를 참조하면, 생물학적 인식 요소들의 층(9)은 복수의 비커플링된(uncoupled) 도메인들(9D)로 패턴화된다.

도 3 및 4a 내지 4c를 참조하면, 생물학적 인식 요소들의 층(9)은 전체 표면이 필요한 만큼 많이 작은 영역들로 분할되기 위해 복수의 도메인들(9D)로 패턴화된다. 본질적으로, 생물학적 인식 요소들의 층(9)은 -소위- "픽셀 단위"로 형성되며, 여기에서 각각의 도메인(9D)은 단일 "픽셀"을 구성하고, 이는 다른 "픽셀들"과 비커플링된다. 각각의 픽셀은 다른 픽셀들과 물리적으로 분리 즉, 인접한 픽셀들을 물리적으로 연결하는 물질이 없는 것을 의미하거나, 또는 인접한 픽셀들을 정전기적으로 및 기계적으로 모두 탈커플링하는 물질을 통해 연결될 수 있다. 후자의 대안(인접한 픽셀들을 정전기적으로 및 기계적으로 모두 탈커플링하는 물질을 통해 연결됨)은 본 발명의 바람직한 구현예들을 나타낸다.

생물학적 인식 요소들의 층(9)은 바람직하게는 네트 경계들에 의해 분리된 도메인들(9D)로 패턴화되는 생물학적 인식 요소들(화학적-SAM에 부착)의 자기조립단층(SAM)으로서 제공된다.

바람직하게는, 복수의 도메인들은 매트릭스에 따라 배열된다. 더욱 바람직하게는, 상기 복수의 도메인들의 각각은 사각형 -바람직하게는 정사각형- 형상이므로, 각각의 도메인(9D)은 매트릭스 셀을 구성한다. 그러나, 다른 구현예들에서 도메인들(9D)은 허니콤 패턴으로 배열되기 위해 원형 또는 삼각형 형상, 또는 육각형일 수 있다.

도메인들(9D)의 형상이 무엇이든, 각각은 10^-7 - 10-⁴ cm² 내지 10^-5 - 10^-1 cm² 범위의 표면 확장(surface extension)을 가진다. 특히, 상기 표면 확장은 10^-7 - 10-⁴ cm² 내지 10^-5 - 10^-1 cm², 특히 10^-7 cm² 내지 10^-1 cm², 또는 특히 10^-5 cm² 내지 10^-4 cm², 또는 특히 10^-7 cm² 내지 10^-5 cm², 또는 특히 10^-5 cm² 내지 10^-4 cm², 또는 특히 10^-4 cm² 내지 10^-1 cm², 또는 특히 10^-7 cm² 내지 10^-4 cm², 또는 특히 10-⁵ cm² 내지 10-¹ cm² 범위일 수 있다. 이는 도 3 및 4a 내지 4c에 따른 구현예들, 및 도 5, 5a, 5b의 구현예들 모두에 적용된다.

생체-기능화 공정은 다음 단락들에서 설명될 방법들 중 하나를 사용하여 수행된다. 생체-기능화는 SAM 층이 각각의 도메인(9D) 내에 한정되고, 둘 이상의 인접한 도메인들(9D)이 중합체(12)의 패터닝에 의해 분리됨에 따라 모든 도메인들(9D)에 적용된다. 벽들로 게이트 영역을 둘러싸는 웰(10)은 웰 내에 각각의 화학적(C_SAM) 또는 생체-기능화(B_SAM) 단계에 필요한 모든 용액들을 붓는 것에 의해 게이트를 생체-기능화하기 위해 사용된다. 각각의 기능화 단계 사이에서 웰들(10)은 용액을 피펫팅함으로써 비워지고(또는 다른 수단으로 용액을 제거함), 이후 HPLC-급 워터로 완전히 세척된다. 마찬가지로, 필요한 경우 웰(10)을 사용하는 세척 단계들이 수행된다.

표면(6F)은 그 위에 생물학적 인식 요소들(9)의 "픽셀화된" 층을 형성함으로써 생체-기능화된다. 상기 생물학적 인식 요소들의 층(9)은 -각각의 도메인(9D) 내에- 다음 중 하나를 포함한다:

-하나 이상의 특이적 결합쌍 형성 물질들의 생물학적 자기 조립 구조 및 화학적 자기-조립 구조의 복합체, 여기에서 상기 생물학적 자기 조립 구조는 상기 화학적 자기 조립 구조 상에 화학적으로 그라프트됨, 또는

-하나 그 이상의 특이적 결합쌍 형성 물질들의 생물학적 자기 조립 구조, 여기에서 상기 생물학적 자기 조립 구조의 구조 유닛들은 그들이 그라프트 되고자 하는 기판, 즉, 게이트 전극(6)의 골드 표면과 관련하여 그라프팅 특성들을 나타내도록 처리됨.

특이적 결합쌍 형성 물질들은 스트렙트아비딘(streptavidin)(그러나 또한, 아비딘(avidin) 또는 뉴트라비딘(neutravidin))과 같은 고정 단백질(anchoring protein)을 사용함으로써 또한 골드 층(6)에 부착될 수 있다. 이 비오틴(biotin)-바인딩 단백질들은 골드에 물리적으로 흡착되거나 또는 C-SAM에 부착될 수 있다. 비오티닐화된 특이적 결합쌍 형성 물질들은 이러한 경우에 스트렙트아비딘뿐만 아니라 아비딘에도 부착된다. G-단백질은 또한 특이적 결합쌍 형성 물질들 고정 시스템으로서 작용할 수 있다. 이 방법들 모두는 게이트 표면에 부착될 때 특이적 결합쌍 형성 물질들을 보다 더 잘 배향시킬 수 있게 한다. 자세한 내용은 Manoli et al. Angewandte Chemie Volume 54, Issue 43, October 19, 2015 Pages 12562-12576의 도 2를 참조한다.

바람직한 구현예에서, 생물학적 인식 요소들의 층(9)은 하나 그 이상의 특이적 결합쌍 형성 물질들의 생물학적 자기 조립 단층(생물학적 SAM, 도면들에서 B_SAM) 및 화학적 자기 조립 단층(화학적 SAM, 도면들에서 C_SAM)을 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 하나 이상의 특이적 결합쌍 형성 물질들은 다음 중 하나 이상을 포함한다:

-선택된 바이오 마커에 대한 항체들(하나 이상)

-항-인간 면역 글로불린(항- hIG) 항체들,

-항-인간 면역 글로불린 G(항- IgG) 항체들,

-항-인간 면역 글로불린 M (항- IgM) 항체들,

-항-C 반응 단백질(항-CRP)

-항-트로포닌

-펩티드들

-도파민, 키랄 오더들(oders), DNA, PNA, 펩티드들, 폴리펩티드들, 인간 당 단백질, 염증성 사이토카인들, C-반응성 단백질들, 바이러스들을 위한 특이적 결합쌍 형성 물질들.

생물학적 자기 조립 구조만을 특징으로 하는 구현예들에서, 이에 한정되는 것은 아니지만 노출된 시스테인을 갖도록 변형된 단백질들과 같이 골드 표면에 자발적으로 부착할 수 있는 티올 기를 갖는 하나 이상의 특이적 결합쌍 형성 물질들의 자기 조립 단일 층이 동일한 것이다. 포획 단백질들 또는 특이적 결합쌍 형성 물질들의 직접적인 물리적 흡착 또한 고려된다. 즉, 특이적 결합쌍 형성 물질들은 임의의 유형의 의도적으로 부착된 C_SAM의 존재 없이 골드 표면(이하에서 구체화된 바와 같이 세척됨)에 직접 부착(물리적 흡착)되도록 한다.

바람직한 구현예에서, 게이트 전극 기능화 방법은 항-인간 면역 글로불린 G (바람직하게는 항- IgG), 항-인간 면역 글로불린 M(항- IgM), 항-C 반응성 단백질(항-CRP) 또는 항-트로포닌, 항체들 또는 펩티드들의 SAM 층(B_SAM)이 전체 게이트 표면을 덮도록 첨가되고, 그리고 구체적으로 기능화되기 위해 게이트 전극(6)의 표면(6F)에 적용된 화학적 SAM 층(C_SAM) 상에 그라프트된다. 명백하게, 본 발명은 예를 들면 종양들 또는 신경 퇴행성뿐만 아니라 다른 진행성 질환 바이오 마커들과 같은 다른 특이적 결합쌍 형성 물질들(예를 들면, 표적 바이오 마커에 대해 선택된 항체)로 실행될 수 있다.

실제로, 본원에서 제안된 플랫폼은 관련된 특이적 결합쌍 형성 물질들이 이용가능하기만 한다면 주어진 바이오 마커에 대해 선택적이 되도록 특정될 수 있는 범용 목적의 초-민감 검출 도구로서 이해된다. 더욱이, 도 5에 소개된 바에 따른 2-10 바이오 센서 시스템들의 어레이는 주어진 병의 진단 또는 이의 진행의 평가에 필요한 것으로 알려진 다수의 바이오 마커들을 동시에 정량화하기 위해 실현될 수 있다.

생물학적 SAM을 형성하기 위해 화학적 SAM에 단백질들을 부착시키는 데 사용되는 절차들은 모든 단백질들 및 또한 다른 특이적 결합쌍 형성 물질들 또는 항체들에서만의 특징인 PNA들에 편재하는(ubiquitary) 노출된 아미노 또는 카복시 기들(선택된 활성화 화학에 따라)과의 반응들을 포함함에 따라 일반적이다. 이는 상기 증착 방법을 즉, 상기 언급된 모든 생물학적 종 (모든 항체들, DNA, PNA, 인간 당 단백질, 또는 트로포닌, 펩티드들, C-반응성 단백질들, 염증성 사이토카인들, 키랄 오더들, 도파민을 위한 수용체들)까지 확장가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 생물학적 인식 요소들의 층(9) )(특히 생물학적 SAM에서)에서 고정된 하나 이상의 특이적 결합쌍 형성 물질들(예를 들면 항- hIg, 항-IgG, 항-IgM, 항-CRP, 항-트로포닌, 그러나 또한 일반적인 항체들뿐만 아니라 펩티드들과 같은)은 0.1 x 10⁴ μm^-2 및 10 x 10⁴ μm^-2, 바람직하게는 1 x 10⁴ μm^-2 및 2 x 10⁴ μm^-2 사이를 포함하는 밀도에서 팩 된다.

바람직한 구현예에서, 게이트 전극(6)의 표면(6F) 상의 화학적 SAM(C_SAM)은 우선 다음과 같이 골드 자유-입식 플레이트릿(게이트 전극(6))을 세척함으로써 생성된다:

첫째, 골드 플레이트릿이 5초 동안 Bunsen을 태워지고(플레임 어닐링됨), 이후 20분 동안 피라니아 용액[H₂SO₄ (97% v/v) 및 H₂O₂(30% v/v) 3:1 v/v]에 침지된다. 상기 플레임 어닐링은 약 20초 동안 지속될 수 있으며, 피라니아에서의 침지는 10-30분 동안 지속될 수 있다.

-이후, 플레이트릿은 10분 동안 끓는 물에 보관된 다음, 오존 클리너에서 10분동안 처리된다.

-대안으로, 게이트 전극 표면은 일반적으로 '전기 화학적 연마 (electrochemical polishing)'로서 흔히 불리는 순환 전압 측정법(a cyclic voltammetry based technique)에 의해 연마될 수 있다. 사이클릭-전압 전류법 연마는 전기 화학 분석기를 사용하여 세 전극들 구성에서 수행될 수 있다.

KCl 용액 내 Ag/AgCl 전극이 기준 전극으로 사용되어 0.5M 황산(H2SO₄4(97% v/v))이 전기화학적 셀의 전해질로서 사용될 수 있다. 게이트 전극(6)은 표준 전극 홀더를 사용하여 용액에 보유된 작용 전극으로서 놓인다.

골드 작용 전극(6)의 면적보다 약 10배 더 큰 비교적 넓은 면적의 백금 플레이트가 제어 전극으로 작용한다. 전위는 적어도 30 사이클들 동안 0V 내지 +1.5V 사이에서 스캔된다. 스캔 속도는 0.1V/s로 유지된다. 모든 측정 전에, 용존 산소 함량을 제거하기 위해 전해질 용액은 새로운 용액으로 교체될 수 있으며, N₂는 적어도 10분 동안 전해질을 통해 버블링되어 용존 산소 함량을 제거한다.

전기화학적 연마 후, 게이트 전극(6)을 초순수 HPLC급 워터로 헹궈진 다음 에탄올로 헹궈지고, 기체 질소(N₂) 스트림 하에서 건조된다.

대안적으로, 게이트 전극(6)은 Ti(50nm) 및 Au(50nm)의 전자 빔 증착 또는 열 증발뿐만 아니라, 폴리이미드, 운모, 폴리(에틸렌 2,6-나프탈레이트) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 유연한 기판뿐만 아니라 Si/SiO₂ 또는 유리 또는 단단한 플라스틱과 같은 단단한 기판들 상에 인쇄하는 것 또는 쉐도우 마스크를 통한 열 증발에 의해서도 박막으로서 정의되거나 증착될 수 있다. 이 게이트는 생체-기능화 전에 다음과 같이 세척된다: 이소프로필 알코올(IPA) 초음파 욕조에서 10분; 끓는 워터(고성능 액체 크로마토그래피 -HPLC 급)에서 10분; UV/오존 표면 세척 10분. 설명된 전기화학적 연마는 박막 게이트에서 또한 사용될 수 있다.

골드 게이트 전극의 연마 후, 도 4A-4C를 참조하면, 층(9)의 도메인 패턴은 그 안에 나타낸 상이한 방법들에 따라 제공된다.

영역 6A(및 결과적으로 도메인들 또는 "픽셀들"(9D)의 수)는 다음 절차 중 하나에 따라 구분된다:

-게이트 전극(6)은 9D 픽셀 영역들을 구분하는 다수의 스트립들(12)을 제조함으로써 정의될 수 있다. 스트립의 폭에 따라 쉐도우 마스킹, 포토 리소그래피 또는 e-빔 리소그래피. 스트립의 폭은 1 μm 내지 10-100 μm의 범위일 수 있다. 각각의 스트립의 높이는 0.1 μm - 3 μm일 것이다. 따라서, 게이트 전극 플레이트(6)로부터 시작하여(도 4A), 기판(1)과 반대되는 표면이 불활성이고, 물에 용해되지 않는 Cytop와 같은 다른 소수성 패턴화 가능한 비정형 플루오로중합체들 중합체들 또는 포토레지스트로 이루어진 스트립들(12)에 의해 구분되는 복수의 비피복 골드 영역들(6A)로 패턴화된다.

이러한 스트립들을 제공하기 위해 포토 리소그래피 또는 전자-빔 리소그래피가 사용될 수 있다. 정의될 특징들의 크기에 따라 인쇄가 또한 사용될 수도 있다. 포토 리소그래피의 경우, AZ5214 E와 같은 포토레지스트가 절연 기판에 미리 증착된 전체 골드 박막을 덮는 데 사용된다. 얇은 포토레지스트 층(~ 0.5-3 μm 두께)이 형성되기 위해 포토레지스트는 스핀-코팅(30초 동안 3000 rpm)에 의해 증착된다. 전자-빔 리소그래피의 경우, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)가 사용된다. 세척 후, PMMA 레지스트는 1000rpm에서 20-60초 동안 스핀-코팅에 의해 디스펜스된다. 생성된 레지스트 두께는 100-500 nm이다. 샘플들의 소프트 베이크는 핫 플레이트 상에서 수행된다: 포토레지스트의 경우 90 °C에서 30-80초, 및 PMMA 레지스트의 경우 180 °C에서 50-120초.

포토 리소그래피는 9D 픽셀 영역들을 구분하는 스트립 네트워크(12)와 동일한 패턴으로 크롬 처리된(chromed) 단면을 갖는 UVL 쿼츠 마크스로 수행된다. 마스크-크롬 처리된 단면은 샘플과 접촉되고 포토레지스트는 20-50초 동안 UV 광선(180-3000 mW)에 노출된다. EBL은 0.5-1 μm 너비의 스트립들을 제조하도록 허용한다. EBL 공정의 파라미터들은: 1-20 kV의 인가전압, 1-100 μC/cm²의 용량, 10-500 pA의 빔 전류이다. 마지막으로, 현상; 포토레지스트의 경우, 샘플들은 40-60초 동안 현상 용액(예를 들면 AZ 726 MIF)에 침지되고 천천히 교반된다. 현상은 샘플을 탈이온화된 물 흐름 아래 놓는 것이 중단되고 질소 흐름으로 건조된다. PMMA의 경우, 샘플들은 현상 용액(예를 들면 AR 600-56과 같은)에 담가진 후, 20-60초 동안 초음파 처리된다. 이후, 샘플들은 IPA에 침지되고 다시 20-60초 동안 초음파 처리되며, 이후 질소 흐름에서 건조된다.

포토레지스트 스트립들(12)은 -도 3a에 보다 잘 도시된 바와 같이-게이트 전극(6)의 기능화 후에도 제자리에 유지된다는 점을 주목해야 한다: 이는 포토레지스트가 산 용액에 의해 세척될 때 생물학적 인식 층(9) (도메인들(9D)로 패턴화됨)에 대한 손상을 피하기 위한 것이다. 포토레지스트는 또한 이온 전도체 이외 도메인들(9D)의 탈커플링을 제공하는 데 동의한다.

골드 박막 상에 소수성 스트립들을 정의하는 두 번째 방법은 2-4 마이크로미터 두께의 Cytop 필름을 포토리소그래피 방식으로 패턴화하는 것이다. Cytop 필름은 스핀 코팅(1500 rpm), 50°C에서 1시간 동안 베이킹하고, 180°C 오븐에서 1시간 동안 베이킹함으로써 증착된다. 포토리소그래피는 9D 픽셀 영역들을 구분하는 스트립 네트워크(12)와 동일한 패턴을 정의하기 위해 수행될 것이다. 레지스트 액(Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) OFPR-800 또는 이와 유사한 것이 사용될 것이다. 레지스트는 2000 rpm에서 스핀 코팅 후 90°C에서 20분 동안 베이킹함으로써 증착될 것이다. 마스크-크롬 처리된 단면은 샘플과 접촉되고 포토레지스트는 UV 광선 (152 mJ/cm²)에 40 초 동안 노출된 후 90°C에서 20분 동안 베이킹된다. 산소 반응성 이온 에칭은 도메인 영역들(9D)로부터 Cytop 필름을 제거하기 위해 사용된다. 마지막으로, 포토레지스트는 Peel fluid 106(Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.)에 3분 동안 침지된 후, IPA에 3분 동안 침지하고 초순수 워터로 세척하여 제거될 것이다.

이러한 공정들의 목적은 특이적 결합쌍 형성 물질들이 그라프트될 수 있는 비피복 골드의 인접한 픽셀들을 분리하는 소수성 스트립들을 정의하는 것이다. 스트립들이 골드를 덮고 소수성이기 때문에, 화학적 SAM(C_SAM)과 생물학적 SAM(B_SAM) 모두 스트립들 표면에 부착되지 않으므로 인접한 생체-기능화된 픽셀들 사이에서 탈커플링 시스템들로서 작용한다. 따라서, 이 스트립들은 표적화된 바이오 마커와 접촉하는 특이적 결합쌍 형성 물질들을 포함하는 바인딩 이벤트에 의해 유도되는 변화의 확산을 지연시킬 것이다. 즉, 바이오 센서가 추가적인 리간드 인식 이벤트들에 "블라인드" 되는 것을 신속하게 지연시킬 것이다. 픽셀들(6A)의 수 (및 결과적으로 도메인들(9D)의 수)는 게이트의 면적, 스트립들의 크기 및 최종 적용에 필요한 농도 동적 범위에 따라 최대 1000의 범위로 정의될 수 있다.

이후, 바람직한 구현예에서 화학적 SAM 층(C_SAM)은 표면(9) 상에 증착되며 일부 또는 전부가 카르복실 작용기들로 종결되는 알칸 티올들의 층으로 이루어진 프리커서에 의해 스트립들로 패턴화된 게이트 전극(6)에 첨가된다.

이를 위해, 10:1 비율의 3-머캅토 프로피온산(3-MPA) 대 11-머캅토 운데카노산(11-MUA)으로 이루어진 10mM용액이 에탄올 등급, 정제(puriss).p.a. 분석, =99.8으로 준비되었다. 대안적으로, 3-머캅토 프로피온산은 1-부탄티올 또는 다른 짧은(3 내지 5의 탄소쇄들) 머캅탄들(티오-알코올들, TA)로 치환될 수 있다.

비피복 및 세척된 골드 영역들(6A)을 갖는 세척되고 픽셀화된 골드 표면(도 4B)이 3-MPA 및 11-MUA 용액에 침지되고 22℃에서 18시간 동안 일정한 기체 질소(N₂) 흐름 하에서 암흑 상태(즉, 가시광선 및 자외선이 없는 상태)로 유지되었다. 그러나, 본 발명자들은 상기 바람직한 파라미터들 이외에, 동일한 단계가 에탄올 등급이 10:1 내지 1:1 비율의 3-머캅토 프로피온산(3-MPA) 또는 머캅탄들(티오-알코올들) 대 11-머캅토 운데카노산(11 MUA)으로 이루어진 10mM 내지 100mM 범위의 농도를 갖는 용액으로 수행될 수 있음을 관찰하였으며, 그러나 또한 단일 3-머캅토 프로피온산 또는 단일 11-머캅토 운데카노산으로 구성될 수도 있고, 그리고 게이트 전극(6)을 15 내지 28°C의 온도 및 15-24시간을 포함하는 체류 시간 내 침지시켜 수행될 수 있다.

강한 골드-황 상호 작용은 카르복실 기들의 노출, 이후 200 mM의 1-에틸-3-(3-디메틸 아미노 프로필)카르보디이미드(EDC) 및 50 mM의 술포-N-하이드록시숙신이미드(술포-NHS) 수용액에서 25°C로 2시간 동안 상기에서와 같이 부분적으로 처리된 게이트 전극을 반응시킴에 의해 활성화되는 것을 초래한다. 다시, 본 발명자들은 그러나, 상기 바람직한 파라미터들 이외에, 동일한 단계가 22 내지 28℃로 온도 및 1 내지 3시간 동안을 포함하는 체류 시간에서 50mM 내지 250mM의 1-에틸-3-(3-디메틸 아미노 프로필)카르보디이미드(EDC) 및 50mM 내지 250mM의 술포-N-하이드록시숙신이미드(술포-NHS) 내 게이트 전극(6)을 반응시킴으로써 수행될 수 있음을 관찰하였다. 술포-NHS 수용액 대신 N-하이드록시숙신이미드(NHS) 수용액이 사용될 수 있다.

따라서, 바람직한 구현예에서, 항-인간 면역 글로불린 G(항-IgG) 또는 항-인간 면역 글로블린 M(항-IgM) SAM 층(생물학적 SAM)은 게이트 전극(6)을 항체들이 포함된 인산염 완충 식염수(PBS) 용액에 25°C에서 2시간 동안 침지시킴에 의해, 화학적 SAM(C_SAM), 특히 이전 단락에 기술된 화학적 활성화에 기인한 NHS 모이티스 또는 술포-NHS에 연결된 카르복시 기들에 항체들(또는 일반적으로 특이적 결합쌍 형성 물질)을 고정하여 생성된다. 인산염 완충 식염수(PBS) 용액은 비 제한적으로 항- IgG 또는 항- IgM과 같은 0.1 내지 1 mg ml^-1의 항체들, 그리고 5 내지 8 범위의 pH 및 10 mM 내지 200 mM 범위의 생리학적으로 관련된 이온 강도를 갖는 5 내지 25 mM의 인산 완충액으로 이루어질 수 있다.

바람직한 구현예에서, 상기 용액은 10mM의 인산염, KCl 2.7mM 및 7.4의 PH와 162 mM의 이온 강도를 갖는 137 mM NaCl에 의해 제조된 PBS 내 0.7 μM(0.1mg ml^-1)의 항체들로 구성된다.

그러나 다시, 본 발명자들은 상기 바람직한 파라미터들 이외에, 동일한 단계가 항-IgG 항체들 또는 항-IgM 항체들(일반적으로 다른 항체들뿐만 아니라 특이적 결합쌍 형성 물질들)을 포함하는 완충 용액에 게이트 전극(6)을 침지함으로써 수행될 수 있음을 관찰하였으며, 상기 완충 용액은 다음 중 하나를 포함한다:

-둘베코 인산염 완충 식염수의 Na 인삼염 완충 용액(D-PBS, KCl: 2.7 mM, NaCl: 136 mM, KH₂PO₄: 1.5 mM, Na₂HPO₄: 8.1 mM)

-23 내지 26℃의 온도 및 15 분 내지 3시간을 포함하는 체류 시간에서의 20 mM 및 pH 8의 인산 완충 용액

또한, 항체 용액(예를 들면 항-IgG 또는 항-IgM)은 항체들의 공급원에 따라 최적의 pH 및 이온 강도를 가져야 한다.

적합한 pH 값은 5 내지 9 범위이고 이온 강도는 10mM 내지 200mM이다.

본 발명에 따른 방법을 수행하는 데 사용될 수 있는 다른 완충제들은 다음을 포함한다(원하는 pH 값에 따라): 트리스-HCl, 인산염, 구연산염, 이미다졸-Cl, PIPES, ACES MOPSO, BES, TES, MOPS, DIPSO, TAPSO, HEPPSO, POPSO, TEA, EPPS, 트리신, 글리신, 바이신, HEPBS, TAPS, AMPD, 보레이트. 이온 강도는 항체가 게이트에 공유 결합하는 것 및 항체의 본래의 형태를 방해하지 않는 임의의 염에 의해 조절될 수 있다. 일반적으로 사용되는 염들은 NaCl 및 KCl이다.

대안적으로, 다음 프로토콜들은 양호한 정도의 선택성을 갖는 바이오 센서 BS(특히 이 같은 물질이 EG-OFET로 구현되는 경우)를 부여할 상이한 생물학적 인식 요소들을 부착시키는 데 사용될 수 있다. 즉, 예를 들면:

-도파민을 검출하기 위해 40℃에서 2시간 동안 1,4-디옥산 내에서 포화된 4-포르밀 페닐보론 산을 공유결합 고정화한 시스타민 1mM 수용액에서 얻은 SAM.

-인터루킨-4를 검출하기 위해 5°C에서 1시간동안 IL4 단일 클론 항체(0.25mg/mL 항- IL4)를 부착하기 위해 PBS(100 mM의 PBS, pH 7.4) 내 히스티딘 태그 단백질 G(5mg/mL)를 물리적 흡착.

-SAM 기능화: 22℃에서 18시간 동안 어두운 곳에서 질소 하에 5%의 아세트산을 함유하는 에탄올 중 3-머캅토 프로피온산(3MPA)의 50mM 용액. 활성화: 25°C에서 1시간동안 100 mM EDC 및 200 mM NHS 수용액. 카본(carvone)과 같은 키랄 냄새들(chiral odors)을 검출하기 위해 냄새 물질 결합 단백질들인 pOBP(20 mM Na 인산염 완충액 중 0.7mg ml^-1, pH 8.0)를 25°C에서 2시간 동안 공유결합 고정화.

-공유결합 고정화: 0.1M NaCl에서 2시간 동안 트리스(tris) 완충액(10 mM 트리스, 1mM EDTA, pH 8.0)의 부유 게이트 전극 상에서 티올화된 ssDNA-프로브들(7 pmol/cm²)을 감소시킴(reduced). NaCl이 없는 트리스로 씻어 낸다.

-SAM: 10-카르복시-1-데칸티올(헥산 내 1mM), 1시간, 실온. 에탄올과 물로 씻는다. 활성화: 5mM 술포-NHS, N,N'-디-이소 프로필-카르보디이미드(DIC, 40mM) 및 염화나트륨(500 mM)을 함유하는 5μl 2-모르폴리노-에탄-술폰산 완충액(MES, 100 mM, pH 6.0), 15분. 공유결합 고정화: 전극 상의 탄산염 완충액(Na₂CO₃: 15 mM, NaHCO₃: 35mM, pH 9.6) 5μl중 스트렙트아비딘(500μg/ml), 15분. 물리적 흡착: 0.05wt. % 트윈 (Tween) 20, 0.1 중량% BSA를 함유하는 D-PBS 내 15 분 침지.

- SAM: 5-카르복시-1-펜탄에티올. 활성화: 5mM 술포-NHS, DIC(40 mM)를 함유하는 5μl의 2-모르폴리노-에탄-술폰산 완충액(MES, 100 mM, pH 5.5), 15분. 공유결합 고정화: 전극 상의 탄산염 완충 용액 (Na₂CO₃: 15mM, NaHCO₃: 35 mM, pH 9.6) 5μl 중 스트렙트아비딘(500 μg/ml), 2시간, 상온. 물리적 흡착: 0.05wt. % 트윈 20, 0.1중량% 인간 혈청 알부민(HMS)을 함유하는 D-PBS 내 침지, 15분. 0.1중량 %의 HSA PBS 용액과 함께 비오틴-태그 항-CgA 항체(30 μg/mL) 내 항온 처리(incubation), 30분 상온.

일단 항-IgG 또는 항-IgM SAM(B_SAM)이 제자리에 놓이면 생체-기능화된 층(9)을 "차단"할 필요가 있다(이는 SAM이 만들어지는 모든 특이적 결합쌍 형성 물질에 적용됨). 특히, 생물학적 인식 요소들의 층(9)은 하나 이상의 차단제들을 함유하는 용액으로 처리되어 공극들을 채우고 자기조립 구조에서의 비특이적 바인딩을 방지한다.

바람직한 구현예에서, 이는 특히 모든 활성화된 카르복실 기들과의 반응을 허용하기에 충분한 긴 시간 동안(대개 30분 내지 수 시간들) 아민들의 농축 용액들에 의해 기능화된 화학적 SAM 층의 미반응 활성 카르복시 기들의 포화를 통해 수행된다. 아민들은 완충액(PBS에서 1 M 에탄올 아민과 같은)에 첨가제로서 공급되거나 린스 완충액 자체(트리스와같은)일 수 있다.

이를 위해, 바람직한 구현예에서 항-IgG 또는 항-IgM 층은 25℃에서 1시간 동안 PBS 내 1M의 에탄올 아민으로 처리된다.

마지막으로, 생체-기능화된 게이트 전극(6), 특히 층(9)이 25℃에서 1시간동안 PBS 10mM 내 1.5μM(0.1 mgml^-1) BSA(소 혈청 알부민) 용액에 침지된다. 따라서, 바람직한 구현예들에서, 에탄올 아민 및 BSA는 차단제들로서 사용된다. 그러나, 본 발명자들은 차단 단계가 생체-기능화된 게이트 전극(6), 특히 층(9)을 22℃ 내지 26℃를 포함하는 온도에서 30분 내지 2시간을 포함하는 체류 시간 동안 80mM 내지 350mM의 범위의 이온 강도에서 및 5 mM 내지 20 mM의 인산염에 의해 구성된 pH=7.4에서의 완충액 내 0.05 내지 1mg ml^-1 BSA용액에 침지시킴으로써 수행될 수 있음을 관찰하였다.

대안적으로, 다른 차단제들은 둘벨코(Dulbecco) 인산 완충 식염수(D-PBS, KCl: 2.7 mM, NaCl: 136 mM, KH₂PO₄: 1.5 mM, Na₂HPO₄: 8.1 mM) 5 μl 내 인간 혈청 알부민(0.01-3 % W) 트윈 20, 카제인 또는 1 mM 6-머캅토 헥산올(MCH), 2-아미노 에탄올(1M)을 포함한다. 이러한 용액들에 대한 노출(체류 시간)은 15 분에서 3 시간까지 다양할 수 있다.

상기한 바와 같은 "표면 차단" 단계는 일반적으로 비특이적 바인딩을 최소화하기 위해 수행된다. 본 발명자들은 또한 본 발명에 따른 방법에서 수행될 때, 이러한 단계는 또한 바이오 센서(BS)의 감도를 획기적으로 향상시킬 수 있음을 주목하였다. "표면을 차단"하는 데 사용된 분자들은 항-IgG 또는 항-IgM(또는 항체 단백질들에 의해 일반적으로 더욱 많이)에 의해 완전히 덮이지 않는 게이트 전극 영역들에 대한 생체분자들의 비특이적 흡착을 최소화한다. 또한 BSA는 -소위- 생물학적 자기조립 구조를 위한 기계적 및 정전기적 커플러(coupler) 역할을 한다.

깍지형 S 및 D 패턴(4)은 그 위에 배치된 반도체 층(7)에 의해 추가로 덮이되, 이는 차례로 이온 전도성 물질에 의해 덮인다.

바람직하게는, 반도체(7)는 유기적이며, 인쇄 가능한 유기 물질 (P3HT, PEDOT-PSS, PBTTT-Cx)로 만들어진다.

바람직한 구현예에서, 반도체(7)는 다음의 특성들을 나타내는 소수성 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일) - 또는 P3HT-으로 만들어진다: 위치 규칙성(regioregularity)>99%, 17.5 kDa g mol^-1의 평균 분자량. 0.2μm 필터로 여과된 P3HT 용액(1,2-디클로로 벤젠 내 2.6 mg ml^-1)이 20초간 2,000 rpm으로 스핀 코팅되었으며, 80℃에서 1시간 동안 어닐링 되었다. 바람직한 구현예에서, 전체 반도체 면적은 6.5Х10-³cm-²이다.

접촉 각이 103±3°만큼 높기 때문에 P3HT 표면은 매우 소수성이다. 대안적으로, 폴리[2,5-비스(3-테트라 데실티오펜-2-일) 티에노[3,2-b]티오펜](PBTTT-C14), 폴리(2,5-비스(3-헥사데실티오펜-2-일) 티에노[3,2-b]티오펜(pBTTT-C16), pBTTT-C14뿐만 아니라 용액 처리된 펜타센, 그래핀이 반도체(7) 물질로 사용될 수 있다.

구체적으로 PBTTT-C14는 1,2-디클로로벤젠 및 클로로포름의 혼합물(9:1 비율)에 용해(7mg/ml)될 수 있다. PBTTT-C14 용액은 7,000 r.p.m.에서 60초 동안 스핀 증착되고 120℃에서 10분 동안 어닐링될 수 있다.

그러나 대안적으로, 예를 들면, 그래핀 또는 포스포린뿐만 아니라 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO) 또는 탄소 나노튜브들과 같은 2차원 물질들이 사용될 수 있다.

바람직한 기능화 및 전반적인 바이오센서 제조 방법들에 관한 추가적인 세부 사항들은 동일한 출원인의 이름으로 2016년 12월 30일에 출원된 유럽 특허 출원 16207596.4에서 찾을 수 있다.

예상한 바와 같이, 본 발명은 또한 반도체 층 자체를 덮고 아마도 밀봉하는 소수성 이온 전도성 물질(층(8))을 첨가하는 것에 의해 물 환경에서 완전히 안정하지는 않더라도 반도체(층(7))가 물 전해질 또는 심지어 생체 유체와 전기적 접촉될 수 있게 하는 새로운 BS 구조를 다룬다. 이러한 층은 이온 전도성인 반면, 물로부터 반도체를 물리적으로 덮고 보호하는 동안 게이팅 매체 및 FET 채널 사이의 용량성 커플링을 손상시키지 않으므로, 이온성 매체와의 인터페이스에서 유도된 고 커패시턴스 전하 더블층에 의해 반도체 층 내부에 전계 효과 채널이 설치될 수 있다.

만일, 층(7)이 물에서 충분히 안정하다면 층(8)에 의해 덮이지 않을 것이다. 층(8)의 증착 전에, 반도체 층(7)은 탄화수소들, 실리콘 또는 플루오르화된 화합물들과 같은 소수성 작용기들을 표면 상에 첨가하고, 또한 게이팅 시스템의 화학적 접착을 향상시키기 위해 화학적으로 또는 마일드 플라즈마로 처리될 수 있다. 화학적 및 플라즈마 처리들의 예들은 다음과 같다: 장쇄 탄화수소들 또는 플루오르화된 탄소들의 단층들, 실리콘 오일, 폴리에틸렌 유사, 실리콘 유사 또는 플루오르화된 플라즈마 중합체 박막들의 플라즈마 강화된 화학적 기상 증착.

반도체 층(7)을 덮는 이온 전도성 물질(8)은 다음 중 하나로서 선택될 수 있다:

-이온 전도성 전자 절연(ICEI) 액체

-이온 전도성 전자 절연 고체

-이온 전도성 전자 절연 젤 층

-단지 HPLC 급 워터.

또다른 구현예에서, 이온 전도성 물질은 다음 중 하나를 포함한다:

-이온성 액체

-불수용성 중합체들(예를 들면 PS-PMMMA-PS 또는 PS-PEO-PS) 및 소수성 이온성 액체들과 같은 이온성 젤들.

이온 전도성 물질(8)은 스핀 또는 캐스트 증착뿐만 아니라 인쇄되는 것을 포함하는 다양한 방법들에 의해 증착될 수 있고, 이러한 물질이 고체 ICEI 층인 구현예들에서 동일한 것이 이후 열 처리될 수 있다.

바람직하게 상기 IECI 층(8)은 물로부터 반도체(7)를 보호하기 위해 소수성이다.

그러나, 반도체(7)가 PEDOT-PSS 또는 다른 전도성 중합체들 물질들(즉, 전자 및 이온성 전도체들인 물질들)로 만들어진 구현예들에서, 상기 ICEI 층(8)은 존재하지 않고, 반도체(7)의 전기화학적 도핑을 허용하기 위해 PEDOT-PSS 층 내로 물 침투가 필요하기 때문에 층(7)이 직접 수계 용액과 접촉된다.

이러한 용액들의 예들은 인산염 완충 식염수 용액뿐만 아니라 다음을 포함하는 다른 완충 용액들을 포함한다,

-둘베코 인산염 완충 식염수의 Na 인삼염 완충 용액(D-PBS, KCl: 2.7 mM, NaCl: 136 mM, KH₂PO₄: 1.5 mM, Na₂HPO₄: 8.1 mM)

-20 mM 및 pH 8의 인산 완충 용액

본 발명에 따른 방법을 수행하는 데 사용될 수 있는 다른 완충제들은 다음을 포함한다(원하는 pH 값에 따라): 트리스-HCl, 인산염, 구연산염, 이미다졸-Cl, PIPES, ACES MOPSO, BES, TES, MOPS, DIPSO, TAPSO, HEPPSO, POPSO, TEA, EPPS, 트리신, 글리신, 바이신, HEPBS, TAPS, AMPD, 보레이트.

바이오 센서(BS)는 또한 단독 게이트 영역을 구분하는 이미 도입된 웰(10)을 포함한다. 웰(10)은 내부에 용액들을 부을 수 있도록 상단이 개방되어 있다. 이는 몰딩 또는 3D 인쇄에 의해 실현될 수 있으며, 전체 게이트 표면을 완전히 둘러싼다. 대안적으로, 도 2d를 참조하면, 웰은 게이트 표면과 접촉되는 10 내지 1000 μl 범위의 액체 체적을 함유하기 위해 단단한 플라스틱 기판 내로 웰을 2차원(2D-)인쇄하는 것에 의해 생성되거나 기판 내를 뚫는 것을 통해 실현될 수 있다. 이들은 게이트를 기능화 하는 데 필요한 모든 용액들이거나 바인딩이 발생하도록 충분히 긴 시간 동안 항온 처리하기 위해 생물학적 인식 층(9)과 접촉되는 임의의 바이오 마커 용액을 포함할 수 있다.

제 2 - 더 넓은 - 웰(11)은 게이트 전극(6) 및 층(8)에 의해 덮인 반도체(7) 및 깍지형 패턴(4)을 포함하는 총체(ensemble) 모두를 덮는 영역에 걸쳐 연장된다. 또한, 웰(11)은 용액들을 부을 수 있도록 상단이 개방되어 있다. 웰(11)은 바람직하게는 바이오 센서 BS가 전자 및 감지 측정들을 수행하기 위한 전기화학적 FET (J.T. Mabeck, G.G. Malliaras, Anal. Bioanal. Chem., vol. 384, pp. 343-353, 2006) 또는 전해질 게이트 FET(EG-FET, L. Torsi et al Chem. Soc. Rev., 2013,42, 8612-8628)로서 작동하도록 하기 위해 전해질로서 작용하는 HPLC-급 워터로 채워진다.

반도체(7)가 층(8)에 의해 덮이거나 또는 덮이지 않은 바이오 센서 BS의 구현예들에서, 반도체(7)는 웰(11) 내 HPLC 급 워터에 커플링된다. 상이한 pH(6.5 내지 8의 범위), 이온 강도(0.001 - 100 mM 범위)에서의 PBS 기반의 전해질들 또한 사용될 수 있다. 소수성 ICEI 중합체 또는 젤의 층들을 통해, 바이오 센서는 반도체(7)가 물과 직접 접촉하는 것을 방지함으로써 전해질-게이트 FET로서 작동하도록 구성된다.

반대로, 반도체(7)로서 PEDOT-PSS가 사용된 구현예들에서, 바이오 센서 (BS)는 전기화학적 트랜지스터로서 작동하고, PEDOT-PSS 층 및 이 경우 직접적으로 완충액, 특히 10mM 인산염, KCl 2.7mM 및 7.4의 pH와 162 mM의 이온 강도를 갖는 137 mM NaCl에 의해 제조되는 인산염 완충 용액(PBS)이 될 수 있는 웰(11) 내 게이팅 전해질 사이에는 이온 전도체가 필요하지 않다. 본 발명자는 1-100 mM 인산염, KCl 5-7 mM 및 6.5-8의 pH 및 10-1000 mM의 이온 강도를 갖는 50-250 mM NaCl로 제조되는 PBS 또한 바람직한 용액으로 사용될 수 있음을 주목했다.

도 5에 개략적으로 도시된 것과 같은 추가적인 구현예들에서 바이오 센서 (BS)는 각각 복수의 비커플링된 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 해당하는 층(9) 및 각각의 웰(10) 내에 둘러싸인 각각(웰(10)은 게이트 전극(6) 및 층(9) 모두를 둘러쌈)을 특징으로 하는 복수의 게이트 전극 플레이트들(6)을 포함한다.

도 5에 도시된 바람직한 구현예에서, 바이오 센서(BS)는 네 개의 게이트 전극 플레이트들(6)을 포함한다. 셋은 생물학적 인식 요소들의 B_SAM 층으로 덮여 있고(G1, G2 및 G3), 하나(G_G)는 화학적으로 기능화되거나 도메인들로 패턴화되지 않으며, 내부 기준으로서 기능하는 비피복 골드 층으로서 남아 있다.

전류 기준 수준은 웰(11)에 부어진 워터를 통해 커플링된, 배열의 중심에 정의된 전자 채널 및 G_G 게이트(도 5 및 5a)에 의해 형성된 트랜지스터의 출력 전류를 측정함으로써 설정될 것이다. 동일한 전자 채널에 커플링된 다른 게이트들 중 하나를 사용하여 선량 곡선을 측정하기 전후에(하기 참조), 전류는 G_G를 사용하여 측정될 것이다. 선량 곡선의 평가 전후에 이 "기준" 트랜지스터에 의해 제공된 전류 수준의 차이는 감지 측정 동안 전자 채널의 성능 수준을 설정할 것이고, 보정 또는 샘플들에서 측정된 출력 전류들을 관련 보정 곡선들 또는 대조 실험들의 그것과 정량적으로 비교하는 데 사용될 수 있다.

G_G는 단지 골드(6) 층에 의해서 형성되지만, 게이트들(G1, G2 및 Gn)은 게이트를 복수의 비커플링된 도메인들(6A)로 패턴화한 후 전술한 바와 같이 기능화된 생물학적 인식 도메인들(9D)을 포함한다. 네 개의 게이트 전극 플레이트들(6)은 소스 및 드레인 채널(4) 및 반도체(7)를 포함하는 총체 주위로 십자형으로 배열된다. 즉, 이들은 깍지형 S 및 D 패턴(4)과 반도체(7)가 마치 십자가의 팔들처럼 두 직교 방향들을 따라 쌍으로 정렬된 총체의 각 측면들 주위에 평행하게 배열된다.

별도의 접촉 패드들이 도 5의 소스(S, 2), 드레인(D, 3) 및 게이트들(G1, G2, G3, G_G)의 각각에 제공되며 커뮤니케이션 소켓/슬롯을 통해 처리 장비로의 바이오 센서(BS)의 도킹을 허용하기 위해 기판의 한 측면에 빗살-모양(comb-wise)(선형 배열)으로 배열된다. 접촉 패드들은 연결된 구성 요소들(2, 3, G1, G2, G3, G_G)이 나타내는 동일한 참조 번호로 표지된다. 도 5a에 보고된 구조에 대해 원형의 도킹이 고려될 수 있다.

웰(10)은 용액이 게이트 표면과 접촉을 유지하도록 허용하기 위해 각각의 게이트를 둘러싼다. 도 %에서는 시스템이 정사각형 형상이고, 도 5a에서는 원형일 것이다. 웰(10)은 게이트를 기능화하는 데 필요한 모든 용액들을 함유하거나 이를 상이한 바이오 마커 표준 용액들에 노출시키는 역할을 한다. 웰(10)(높이 0.2 - 1 cm)은 3D 인쇄 또는 몰딩에 의해 실현되며 도 2에 나타난 바와 같이 기판 상에 부착된다.

대안적으로, 웰들(10)은 도 2d에서 도시된 바와 같이 0.2 - 1cm 깊이의 정사각형 또는 원형 기공들로서 기판에 천공된 구조들로서 실현될 수 있다. 게이트는 웰의 바닥 상에 전술된 바와 같이 제조된다(웰(10B), 도 2d).

또한, 3D 인쇄 또는 플라스틱 몰딩 기술들에 의해 실현되고, 기판에 부착되는 웰(11)은 따라서 모든 웰들(10)(동일한 물질로 만들어짐) 및 깍지형 S 및 D 패턴과 반도체(7)를 포함하는 총체을 수용하도록 십자형이다. 도 5의 구조에서 웰(11)은 원형 형상이다. 웰(11)은 이 웰이 게이팅 전해질로 채워질 때 웰(11) 내 모든 영역이 이온 접촉되도록 웰들의 적어도 두 배인 0.5-2 cm의 높이를 가진다.

웰(11)은 다음에 기록된 바와 같이 트랜지스터를 바이어싱 함으로써 트랜지스터를 작동시키기 위해 게이팅 전해질(HPLC 급 워터 또는 PBS)로 채워진다. 각각의 게이트는 사용 시 V_GS 바이어스에 연결(외부 회로 또는 시스템을 통해 적용됨)되는 자체 패드를 가진다.

골드 게이트(G_G)는 감지가 수행되기 전 트랜지스터 내에 흐르는 전류 수준을 측정하기 위해 우선 사용된다. 이 전류는 CL1로서 처리된다. 다른 게이트들(G1, G2, G3)은 분석될 바이오 마커(리간드)를 위한 수용체(특이적 결합쌍 형성 물질)로 모두 기능화된다. 예를 들면, 관심이 있는 바이오 마커가 IgG인 경우, 게이트들은 항-IgG로 기능화될 수 있다. 예를 들면, G1은 pH 7.4, 10mM PBS 내 리간드의 표준 용액들을 사용함으로써 보정 곡선을 수행하는 데 사용된다. 6 zM 내지 6 nM 범위의 IgG 용액들이 사용될 수 있다. 더 희석된 용액들은 어떠한 리간드도 함유하지 않아야 한다. 전체 보정 곡선이 측정된 후, G_G 게이트 상의 전류의 수준이 측정되고(CL2), CL1 및 CL2의 상대적인 차이는 측정과 관련된 오류의 수준(트랜지스터 베이스-라인 전류 내 변화와 관련됨)을 평가한다. 이는 또한 보정 곡선의 반응이 분석될 점진적으로 희석된 샘플(타액, 혈청, 척수, 눈물, 땀, 강들로부터의 워터, 바다들, 식수, 음식, 음료 등)에서 이루어진 측정들과 비교될 때 보정 목적들로서 역할을 한다. 또한, 만일 선량 곡선 전후에 G_G 상에서 측정된 전류 수준들의 상대적인 변화가 매우 높고(바람직하게는 3-5%보다 크나, 감지 반응의 진폭에 따라 또한 10-20%보다 큼) 및 감지 반응과 동일한 방향인 경우, 감지 선량 곡선은 폐기된다. G2는 분석될 생체-유체, 예를 들면 타액 내 바이오 마커(리간드)를 검출하기 위해 사용된다. 생체-유체는 가장 희석된 용액이 트랜지스터 내에서 아무런 반응도 나타내지 않을 때까지 n-번 동안(1 내지 21의 범위) 1:10으로 희석된다. 게이트 G3는 샘플의 또는 PBS 내 보정 곡선 중 하나의 반복실험(a replicate)을 측정하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, G3는 음성 대조군 실험들에 사용될 수 있다. 이 경우, 예를 들면 IgM에 대한 선량 곡선이 항-IgG 패턴 게이트 상에 사용될 수 있다. 도 5a에 제안된 구조의 경우, 여분의 게이트들이 점진적으로 희석된 샘플 유체 내 바이오 마커의 측정들의 선량 곡선 중 하나의 복제실험들을 수행하는 데 사용될 수 있다.

대안적인 구현예들에서, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 바이오 센서들(BS)의 주요 구성 요소들을 위해 원형 구조가 채택될 수 있다.

도 5에 도시된 바이오 센서(BS)의 구현예에서, 기판 1(도 5a를 따라 또한 원형이거나 도 5를 따라 빗살모양 접촉 패드들을 갖는 사각형일 수 있음) 상의 여덟 개의 게이트 전극들(G_G, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8)은 원주를 따라, 바람직하게는 동일한 간격으로 배열된다. 일반적으로, 원형 배열은 도 5의 십자형 배열보다 기판(1) 상의 이용가능한 공간의 더 많은 사용을 허용할 수 있다. 도 5의 구현예에 따라, 게이트(G_G)는 화학적으로 기능화되거나 도메인들로 패턴화되지 않으며, 내부 기준으로서 기능하는 비피복 골드 층으로서 남아 있는 반면, 게이트들(G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8)(및 일반적으로 G2 내지 Gn)은 복수의 비커플링된 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 대응하는 층(9) 및 각각의 웰(10) 내에 둘러싸인 각각(웰(10)은 게이트 전극(6) 및 층(9) 모두를 둘러쌈)을 특징으로 한다.

여분의 게이트들은 본원에 개시된 다른 구현예들과 비교하여 더 많은 바이오 마커들을 정량화하거나 동일한 선량 곡선들의 더 많은 복제실험들을 갖도록 하는 데 사용될 수 있다.

깍지형 소스 및 드레인 패턴(4)(소스 및 드레인 채널(4)), 상기 소스 및 그레인 채널(4) 상부에 설치된 반도체(7), 및 상기 소스 및 드레인 채널(4)과 상기 반도체(7) 모두를 둘러싸는 웰(8)(상부 개방)을 포함하는 복합체는 게이트들 (G_G 및 G2 내지 Gn)이 놓인 원주의 중심에 대응하는 위치에 배열된다. 소스 및 드레인 채널(4)의 세부사항들은 도 5b의 확대도에 제공된다(S 및 D 패드들(2,3) 포함).

더 큰 웰(11)은 모든 게이트들(G_G 및 G2 내지 Gn) 및 웰(10)을 에워싸고 둘러싼다. 웰(11)은 전술한 바와 같이 상부에서 개방된다.

접촉 패드들(5)은 각각의 게이트 전극(G_G 및 G2 내지 Gn)과 관련하여 제공되며, 구현예에 따라 기판(1)의 측면 부분 상에(다시 웰(11)의 바깥쪽) 빗살모양으로 배열되거나 게이트 전극들의 외부 원주를 따라서 및 웰(11)의 외부를 따라 배열된다.

접촉 패드(5)와 각각의 게이트(G2-Gn) 사이뿐만 아니라 접촉 패드들(2,3)과 소스 및 드레인 채널(4) 사이의 모든 전기적 연결은 전기적으로 절연된다.

요약하면, 도 5, 5a의 각각의 구현예들은 복수의 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 층을 갖는 복수의 게이트 전극들, 비피복 게이트 전극(6), 비커플링된 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 층(9)이 없는 G_G를 더 포함하되, 상기 비피복 게이트 전극은 각각의 제 1 웰(10)에 둘러싸인다.

복수의 비커플링된 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 층을 갖는 복수의 게이트 전극들 및 비피복 게이트 전극(6)은 대안적으로, 십자형(G1, G2, G3, G_G) 또는 원주를 따라(G_G, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8) 배열된다. 어느 정도의 중심 대칭을 허용하는 다른 배열, (완벽한 중심 대칭일 필요는 없지만, 원칙적으로 중심 또는 중앙 위치가 식별될 수 있음)이 대안으로서 사용 가능하다.

중심 대칭을 기반으로 하는 게이트 배열들은 어쨌든 바람직한 구현예들에 대응한다. 도면들에 도시된 두 배열들(십자형 및 원형)은 중심 대칭 배열에 대응한다는 점에 주목한다: 이는 원형 배열에 관해서는 명백한 반면, 십자형 배열의 경우 대칭의 중심에 대응하는 위치에서 소스 및 드레인 채널(4)과 함께 게이트 전극들(G1, G2, G3 G_G)를 원주 주위의 극 위치들에 위치시키는 것이 동일하다는 것이 관찰되었다. 배열이 무엇이든, 소스 및 드레인 채널(4)은 대칭의 중심 또는 어느 정도의 중심 대칭을 특징으로 하는 대응하는 배열의 중심점에 위치된다.

소스-드레인 채널(4) 및 반도체 층(7)을 포함하는 복합체는 각각 십자형 배열 또는 원주형 배열(또는 일반적인 배열)의 중심 위치에 배열되고, 및 제 1 웰(10)에 둘러싸인다. 제 2 웰(11)은 모든 제 1 웰들(10)을 둘러싸고, 따라서 구성요소들은 차례로 후자에 의해 둘러싸인다.

기본적으로, 셋의 픽셀화된 게이트들 및 하나의 비피복 골드 게이트를 특징으로 하는 도 5의 바이오 센서(BS)는 단일 분석물 인식에 사용되는 반면, 도 5a 및 5b의 바이오 센서(BS)는 단일 및 다중-분석물 인식 모두(특히 다중-분석물)에 사용된다.

중심 대칭 게이트 배열을 유지하고 하나의 비피복 게이트 전극, 바람직하게는 비피복 골드 전극을 특징으로 하는 멀티-게이트 바이오 센서들은 또한 유리하게 비-픽셀화된 게이트 전극들과 함께 사용될 수 있음을 주목해야 한다(즉, 전체 게이트 표면을 덮는 단 하나의 픽셀을 특징으로 하는 게이트 전극들). 본 발명의 상이한 유리한 양태에 기반하여, 바이오 센서는 도 5, 5a, 5b의 것들과 비교하여 기능화된 게이트 전극들에 대한 더 통상적인 설계로 되돌아가면서 위에서 전술한 다중-게이트 배열을 유지함으로써 바이오 센서가 설치될 수 있음을 의미한다. 이러한 바이오 센서들은 심지어 단일 분자 수준에서 의미하는 경우에도 생물학적 인식 이벤트가 필요한 경우 특히 유용한 것으로 결정되었다. 비-픽셀화된 게이트는 일반적으로 이미 예상되는 바와 같이 큰 동적 범위를 제공할 수 없으나, 이러한 이벤트들에 대해 만족스럽게 테스트되었다. 비피복 전극 이외의 게이트 전극들은 비록 도메인 패턴화 단계들이 없더라도 본원에서 설명되거나 상기된 어떠한 방법들에 의해서도 기능화될 수 있다.

본질적으로, 다른 종류의 필드 효과 트랜지스터 센서들은 다음을 포함하도록 정의될 수 있다:

-기판(1)

-소스 전극(2,4)

-드레인 전극(3,4)

-생물학적 인식 요소들의 층(9)을 갖는 하나 이상의 게이트 전극들

-생물학적 인식 요소들의 층이 없는 비피복 게이트 전극인 하나의 게이트 전극

-소스-드레인 채널(4)

-반도체 층(7)

여기에서 생물학적 인식 요소들의 층으로 기능화된 하나 이상의 게이트 전극들 및 비피복 게이트 전극은 중심 대칭 패턴의 중심 위치에 배열된 소스-드레인 채널(4) 및 반도체(7)를 포함하는 복합체와 함께 중심 대칭 패턴에 따라 배열된다. 이러한 복합체는 차례로 웰(8)에 둘러싸이고, 게이트 전극들의 각각은 각각의 웰(10)에 둘러싸인다. 웰(11)은 전술한 바와 같이 모든 이러한 요소들 및 각각의 웰들(소스 및 드레인 채널(4) + 반도체(7) + 웰(8)뿐만 아니라 게이트들 + 각각의 웰들(10))을 둘러싼다.

분명히, 본 발명 및 도 5, 5a, 5b에 의해 구현된 바에 따른 바이오 센서들은 매우 소수의 바이오 마커들을 포함하는 인식 이벤트들에서 또한 성공적으로 사용될 수 있으나, 매우 적은 수의 생물학적 인식 이벤트들 때문에 게이트 전극들의 생물학적 인식 층의 픽셀화된 구조는 본질적으로 실제의 가능출력(capabilities)의 매우 낮은 비율에서 작동하며, 생물학적 인식 층(9)의 비커플링된 도메인 패턴 때문에 기능화된 게이트 상에 어떠한 "블라인딩" 효과 없이 모두 검출되는, 더 많은 바이오 마커들을 포함하는 다중 인식 이벤트들과 함께 혜택을 누릴 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 센서(BS)는 다음과 같이 작동한다. 이하의 설명은 십자형 게이트 배열을 특징으로 하는 바이오 센서(BS)와 관련하여 구체적으로 제공되나, 원형 배열을 특징으로 하는 도 5a, 5b의 바이오 센서(BS)에 대해서 동일한 것이 유효하다.

다수의 9D 영역들로 구성된 생체-기능화되고 픽셀화된 게이트(6)는 표면 상에 SAM으로서 부착된 생물학적-인식 요소들의 친화성 리간드들 또는 음성 및 양성 대조군 종으로 선택된 임의의 다른 종과 접촉하게 된다. 이는 바이오-마커의 용액들에서 항온 처리된 게이트(6)가 검출될 때 발생한다. 용액은 사용 시 게이트를 둘러싸는 웰(10)에 부어진다.

일반적으로, 항온 처리는 몇 분에서 수 시간까지 지속될 수 있다. 바람직하게는 10분이다. 바이오 마커 용액은 예를 들면 알려진 양의 표적 바이오 마커를 함유하는 7.4 pH에서 10 mM의 인산염 완충 식염수(PBS)로 만들어진 표준 용액일 수 있다. 대안적으로, 완충 용액은 희석된 또는 전체의 타액, 혈청, 땀, 척수 등의 실제 생물학적 샘플일 수 있다.

항온 처리 후, 웰(10)은 비워지고(예를 들면 피펫 또는 미소유체 입구 및 출구 시스템을 통해) HPLC 급 정제 워터로 완전히 세척된다. 전기화학적 트랜지스터를 위한 PBS 또는 물은 웰(11) 내에 부어진다. 웰(11)의 벽들이 웰들(10)의 벽들보다 높기 때문에 바이어스된 게이트 및 트랜지스터 채널은 수계 용액의 연속적인 층을 통해 용량성으로 커플링된다.

보다 구체적으로, 감지 측정들은 일정한 소스-드레인 바이어스(V_DS)의 적용 후 보다 일반적으로 소스-드레인 전류(I_DS) 또는 전달 특성을 측정함으로써 도 6에 보고된 프로토콜에 따라 수행된다.

측정 방법은 먼저 웰(11)에 HPLC-급 워터를 넣고 드레인 전류(채널 전류) I_DS 트레이스가 오버랩될 때까지 -0.7V에서 설정된 드레인-소스 전압 V_DS와 함께 게이트-소스 전압(V_GS)을 -0.1 내지 -0.7V 사이에서 순환시킴으로써 바이오 센서(BS)를 안정화시키는 것을 구상한다(단계(101)). FET는 공통의 소스 모드에서 작동하며, 자세한 세부사항은 (L. Torsi et al Chem. Soc. Rev., 2013,42, 8612-8628)을 참조한다. 이는 G_G 게이트를 사용하고 안정적인 소스-드레인(I_DS) 전류가 측정될 때까지 도출된 범위에서 게이트 전위를 순환시켜 수행된다. V_DS를 일반적으로 -0.4 내지 -0.7V의 일정한 값으로 설정하면서 트랜지스터가 순환되는 V_G 전위 범위는 가능한 한 넓게 설정되지만, 동시에 게이트 전극에서 발생하는 전기화학적 공정들과 일반적으로 관련된 게이트 누설 전류(I_GS)의 흐름을 최소화한다.

다음으로, 단계(102)에서, 웰(10)을 완충 용액, 바람직하게는 인산염 완충 식염수(PBS) 용액으로 채우는 것이 구상된다. 이 경우, 생체-기능화된 게이트는 예를 들면 게이트(G1)를 위해 사용된다. 구체적인 테스트된 예에서, PBS 용액은 7.4 pH의 10 mM 용액이다. 동일한 테스트된 예에서, 이 단계는 10분의 항온 처리 시간에 걸쳐 수행된다.

게이트 전극 플레이트(6)(G1)는 이후 임의의 PBS 잔류물을 제거하기 위해 HPLC-급 워터로 완전히 세척된다(단계(103)).

이후, 단계(104)에서, 웰(11)은 순수한 워터(또는 전기화학적 PEDOT-PSS 트랜지스터를 위한 PBS)로 채워지고 드레인 전류(채널 전류) I_DS는 -0.7V에서 설정된 드레인-소스 전압 V_DS에서 게이트-소스 전압 V_GS를 -0.1 내지 -0.7V 사이에서 바이오 센서(BS)를 바이어싱 함으로써 측정된다. 측정된 드레인 전류는 베이스라인 1₀이다. 웰(11)은 후에 비워진다.

단계(105)에서 웰(10)은 1-6 zM(1-6·10^-21) 농도에서 바이오 마커(리간드)를 함유하는 PBS 보정 용액이 채워지고, 10분간 항온 처리된다.

이후, 단계(106)에서, 게이트 전극 플레이트(6)(G1)는 미반응 종을 제거하기 위해 워터로 세척된다.

다음, 단계(107)에서, 웰(11)은 순수한 워터(또는 전기화학적 트랜지스터를 위한 PBS)로 채워지고 드레인 전류(채널 전류) I_DS는 -0.7V에서 설정된 드레인-소스 전압 V_DS에서 게이트-소스 전압 V_GS를 -0.1 내지 -0.7V 사이에서 바이오 센서(BS)를 바이어싱 함으로써 다시 측정된다. 웰(11)은 후에 비워진다.

단계(108)에서 예를 들면 1zM에서 10nM까지의 모든 범위를 스위핑 함으로써 단계들(105) 내지 (107)을 반복하는 것을 더 고려한다. 일반적으로, 농도가 10배 증가할 때마다 한 번의 측정이 이루어진다. 필요한 경우, 농도에서의 임의의 2-9배 증가 단계가 사용될 수 있다. 측정들은 항상 가장 희석된 용액부터 가장 농축된 용액으로 수행된다.

이후, 검사된 범위에서 충분히 밀도 높은 수의 포인트들을 얻기 위해 n-번 1:10(또는 심지어 1:2; 1:3 또는 1:5)으로 희석된 타액과 같은 실제 샘플을 사용하여 G2 상에서 동일한 측정 세트가 반복된다. 가장 희석된 샘플들에 대한 게이트의 엑스포지션(exposition)은 0 반응을 보고해야만 한다. 그렇지 않은 경우 추가 희석이 필요하다. I₀과 비교하여 동일한 게이트 및 소스 바이어스에서 상당한 전류 변화가 없음을 의미한다.

실험들의 세트는 게이트(G3) 상에 표준 선량 곡선(G1)의 복제실험으로서 또는 실제 샘플(G2)의 분석으로서 반복된다. G3는 또한 음성 대조군 실험을 수행하기 위해 사용될 수 있다.

검사된 농도 범위에서 G2 및 G3 상에서 수행된 측정들 전후에, 트랜지스터에 의해 전달되는 전류 수준은 G_G를 게이트로서 사용함으로써 평가된다. 이는 웰(11)을 워터로 채우고 일반적인 범위에서 전달 특성을 측정함으로써 이루어진다. 이미 언급한 바와 같이, 이는 상이한 게이트들 상에서 측정된 신호를 정량적으로 비교할 수 있게 허용한다. 또한, 만일 선량 곡선 전후에 G_G 상에서 측정된 전류 수준들의 상대적인 변화가 매우 높으면(바람직하게는 3-5%보다 크나, 감지 반응의 진폭에 따라 또한 10-20%보다 큼) 및 감지 반응과 동일한 방향인 경우, 감지 선량 곡선은 폐기된다.

단계(109)에서, 모든 데이터가 수집될 때, 상대적인 퍼센트의 소스-드레인 전류(I_DS) 변화(ΔI/I)% 가 측정되며, 다음과 같이 정의된다

(ΔI/I)% = (I₀-I)/I

상이한 바이오 마커 농도들에서 및 게이트-소스 전압 V_GS에서 상대적인 드레인 전류 변화를 최대화한다. 이는 각각의 G1, G2 및 G3 게이트 상에서 측정된 데이터에 대해 수행된다.

마지막으로, 스텝(110)에서, 샘플의 알려지지 않은 농도가 계산된다. 이를 위해 게이트(G1) 상에서 측정된 선량 곡선은 동일한 출원인의 이름으로 2016년 12월 30일에 출원된 유럽 특허 출원 제16207596.4호에 보고된 독점 모델을 사용하여 모델링된다.

이 모델은 상이한 희석에서 실제 유체의 측정들에서 기인한 데이터를 정량화하는 데 사용되는 곡선을 도출하고 보간하는(interpolating) 데 사용된다. 즉, 각각의 희석에서의 비교로부터 실제 샘플에서 바이오 마커의 정량화를 가능하게 하는 농도가 관련된다.

이 방법을 사용하면 매우 낮은 농도에서 바이오-마커들의 매우 소수의 입자들을 정량화하는 것이 가능하다. 동일한 출원인의 이름으로 2016년 12월 30일에 출원된 유럽 특허 출원 제16207596.4호에는 게이트의 큰 부분이 특이적 결합쌍 형성 물질들의 완전히 연속적인 층으로 구성됨을 보여주었다. 게이트의 큰 부분은 매우 소수의 리간드들의 존재에서 반응하고 있었다. 어떤 의미에서 전체 게이트 표면은 소수의 바이오 마커들과의 상호작용 후에 "블라인드"된다.

본 경우에, 감지 측정 동안 게이트 상에 생성된 탈커플링된 9D 도메인들의 존재로 인해, 단단한 중합체 배리어의 존재에 의해 두 개의 연속적인 도메인들(9D)은 기계적으로 및 정전기적으로 탈커플링되며, 리간드 인식 이벤트 때문에 한 개의 도메인에서 발생하는 화학적 또는 생화학적 변화는 한 도메인으로부터 다른 도메인으로 형태 변화 또는 상 전이(인식 이벤트 때문에)의 전이를 방해하기 위해 9D 작은 도메인 내에의 제한이 유지된다. 특히, 본 발명에 따른 게이트(6)의 패턴화된 구조는 적어도 하나의 리간드가 하나의 도메인들(9D) 상에 충돌할 때 반응을 제공하도록 의도된다. 근거는 하나의 단일 이벤트의 증폭이 최대 하나의 도메인들(9D)을 포함한다는 사실에 의존한다. 주어진 패턴화된 게이트의 전체 표면의 스위칭은 생성된 탈커플링된 도메인들의 수에 의존하는 다수의 배율 농도 순서에 걸쳐 이루어질 것이다.

이는 바이오 마커들의 조기 검출의 주요 측면이다(예를 들면 조기 진단 응용의 경우): -증가하는 병리학적 상태의 대표인 바이오 마커가 신체 내에서 매우 낮은 농도를 갖는 것으로 예상되는 질병의 매우 발달 초기 단계들에서 발생하는 것과 같은-하나의 리간드 및 하나의 수용체를 포함하는 상호작용은 검출가능한 신호를 유발할 수 없다. 후자의 관점에서, 증폭은 달리 검출 불가능한 이벤트들을 검출하도록 허용한다.

생물학적 세포들에서 이는 아직 완전히 이해되지는 않았으나, 매우 많은 수의 인식 요소들을 필요로하는 것으로 알려진 상이한 과정들에 의해 달성된다. 바이오 센서(BS)는 본질적으로 단일 광자를 감지하거나 단일 또는 소수의 화학유인물질들을 추적할 수 있고, 동시에 적어도 세 배의 농도 범위에 걸쳐 있을 수 있는 생물학적 세포로서 작동한다.

이러한 이벤트들이 발생하기 위한 전제 조건은 대개 세포 수용체들이 표면 상에 제한되는 방식에 관한 것이다. XX YY와 같은 세포들에서, 실제로 다음과 같은 특징이 있다:

-매우 높은 밀도로 표면 상에 팩됨

-검출될 리간드에 대해 높은 친화성을 나타냄;

-넓은 동적 범위의 리간드 농도들(3배까지)에 반응함.

유사하게, 하나 또는 소수의 광자들이 망막에 영향을 줄 때, 마찬가지로 매우 팩된 수백만 개의 막대 세포들 광-검출기들이 반응할 수 있다.

이들의 친화성 리간드들과 또한 안정한 복합체를 형성하는 고도로 팩된 수용체들의 이러한 시스템은 광자 및 광검출기 사이뿐만 아니라 수용체 및 이의 친화성 리간드 사이의 상호작용 과정의 단면을 최대화하도록 허용한다.

바이오 센서(BS)에서, 각각의 도메인(9D)에서 고도로 팩된 생물학적 인식 요소들로 인한 근접성은 생물학적 세포들에서와 같은 도미노 효과같이 이웃하는 수용체들로 확산되기 위한 제 1 리간드-수용체 복합체의 형성에 의해 유도된 동요(perturbation)를 허용한다. 그러나, 도메인들(9D)의 나머지는 각각의 인식 이벤트들에 의해 모두 비활성화될 때까지 리간드 인식 이벤트들을 변환할 준비가 되어 있다.

이는 이용 가능한 종래 기술에 비해 본 발명의 기술적 이점이다: 본 발명에 따른 바이오 센서(BS)의 게이트 전극(6)에서, "블라인딩" 또는 탈-활성화 효과는 기껏해야 인식 이벤트가 발생하는 도메인(또는 기껏해야 이웃하는 도메인들, 상술한 바와 같이)을 포함하며, 반면에 다른 도메인들은 리간드들의 생물학적 인식에 관한 한 완전히 활성을 유지하므로, 모든 도메인이 리간드 인식 이벤트에 관여하고 대응하는 신호를 반환할 때까지 추가 검출을 허용한다(복수 크기의 범위까지의 리간드 농도 차이에도 불구하고).

도메인들(9D) 영역들은 패치-형성 과정(즉, 인식 이벤트 후에 패치방식으로 확산되는 형태 변화)을 전극의 주어진 부분으로 분리하여 바이오 센서(BS)가 단일 리간드 인식 이벤트들뿐만 아니라 적어도 세 배 더 큰 리간드 농도 모두를 감지할 수 있도록 한다. 도메인들(9D)의 수가 많을수록 농도 동적 범위는 더 커진다. 패치들의 최대 수는 신호 대 노이즈의 비가 검정색의 표준 편차(베이스 라인, 또는 분석 물질이 존재하지 않는 상태의 전류)의 적어도 10배가 되도록 제한될 것이다.

기능화된 게이트 전극(6) 상의 생물학적 인식 요소들의 밀도는 SAM 층(9)을 형성하는 화학적으로 그라프트된 생물학적 인식 요소들 사이의 가능한 공극들을 채우는 소 혈청 알부민(BSA)과 같은 단백질을 첨가함으로써 더욱 향상될 수 있다. 이는 또한 비특이적 바인딩을 최소화하기 위해 작용할 것이다. BSA의 사용을 포함하는 바람직한 기능화 방법의 예는 동일한 출원인의 이름으로 2016년 12월 30일에 출원된 동시 계류중인 유럽 특허 출원 제16207596.4호에 개시되어 있다.

당연히, 구성 및 구현예들의 세부사항들은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 단지 예시로서 설명되고 도시된 것이며, 따라서 광범위하게 변화될 수 있다.

Claims (18)

1. 전계 효과 트랜지스터 센서(BS)에 있어서,
   -기판(1)
   -소스 전극(2, 4)
   -드레인 전극(3, 4)
   -생물학적 인식 요소들의 층(9)으로 기능화된 게이트 전극(5, 6; G1, G2, G3; G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8),
   -소스-드레인 채널(4)
   -반도체 층(7)을 포함하되,
   상기 전계 효과 트랜지스터 센서(BS)는 상기 생물학적 인식 요소들의 층(9)이 복수의 비커플링된(uncoupled) 도메인들(9D)로 패턴화되는,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
2. 제 1항에 있어서,
   상기 반도체 층(7)은 이온 전도성 물질로 덮여 있는,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
3. 제 2항에 있어서,
   상기 이온 전도성 물질은 이온 전도성 전자 절연 물질인,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
4. 제 3항에 있어서,
   상기 이온 전도성 전자 절연 물질은 다음 중 하나를 포함하는:
   -이온 전도성 전자 절연 액체
   -이온 전도성 전자 절연 젤
   -이온 전도성 전자 절연 고체
   -HPLC 급 워터,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
5. 제 2항에 있어서,
   상기 이온 전도성 물질은 다음 중 하나를 포함하는:
   -이온성 액체
   -이온 전도성 고분자 전해질 중합체,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이온 전도성 물질은 소수성인,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
7. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이온 전도성 물질은 친수성인,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
8. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 도메인들은 화학적으로 탈커플링되며(decoupled), 이에 의해 리간드 인식 이벤트(ligand recognition event)에 의한 도메인 내 화학적 변화가 상기 도메인 내에 한정되는,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
9. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 도메인들(9D)은 매트릭스를 따라 배열되는,
   전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
10. 제 9항에 있어서,
    각각의 도메인(9D)은 10^-7 - 10-⁴ cm² 내지 10^-5 - 10^-1 cm², 10^-7 cm² 내지 10^-1 cm², 또는 10^-5 cm² 내지 10^-4 cm², 또는 10^-7 cm² 내지 10^-5 cm², 또는 10^-5 cm² 내지 10^-4 cm², 또는 10^-4 cm² 내지 10^-1 cm², 또는 10^-7 cm² 내지 10^-4 cm², 또는 10-⁵ cm² 내지 10-¹ cm² 범위의 표면 확장(surface extension)을 가지는,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
11. 제 1항에 있어서,
    상기 생물학적 인식 요소들의 층(9)은 생물학적 인식 요소들의 자기조립단층(SAM)인,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
12. 제 11항에 있어서,
    상기 생물학적 인식 요소들의 자기조립단층(SAM)은 소 혈청 알부민(BSA)로 더 기능화되는,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
13. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극(6) 및 상기 생물학적 인식 요소들의 층(9)을 둘러싸는 제 1 웰(10)을 더 포함하는,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
14. 제 13항에 있어서,
    복수의 비커플링된 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 층을 갖는 복수의 게이트 전극들(6; G1, G2, G3; G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8)을 포함하되, 각각의 생물학적 인식 요소들의 층(9)을 갖는 각각의 게이트 전극(6)은 분리되고 대응하는 제 1 웰(10)에 둘러싸인,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
15. 제 14항에 있어서,
    복수의 비커플링된 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 층을 갖는 상기 복수의 게이트 전극들(6; G1, G2, G3; G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8)에 더하여, 상기 복수의 비커플링된 도메인들로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 층이 없는 비피복 게이트 전극을 포함하되, 상기 비피복 게이트 전극은 각각의 제 1 웰(10)에 둘러싸인,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
16. 제 15항에 있어서,
    복수의 비커플링된 도메인들(9D)로 패턴화된 생물학적 인식 요소들의 층을 갖는 상기 복수의 게이트 전극들 및 상기 비피복 게이트 전극(G_G)이 십자형(G1, G2, G3, G_G) 또는 원주를 따라(G_G, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8), 또는 중심 대칭 배열에 따라 배열되고, 및
    상기 소스-드레인 채널(4) 및 상 기 반도체 층(7)을 포함하는 복합체(complex)는 십자형 배열, 원주 배열, 또는 중심 대칭 배열의 중심 위치에 각각 배열되며, 그리고 각각의 제 1 웰(8)에 둘러싸이는,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
17. 제 13항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 따르면,
    각각의 제 1 웰(10), 상기 소스-드레인 채널(4) 및 상기 반도체 층(7)을 둘러싸는 제 2 웰(11)을 더 포함하는,
    전계 효과 트랜지스터 센서(BS).
18. 전계 효과 트랜지스터(BS) 센서에 있어서,
    -기판(1),
    -소스 전극(2, 4)
    -드레인 전극(3, 4)
    -생물학적 인식 요소들의 층(9)으로 기능화된 하나 이상의 게이트 전극들,
    -생물학적 인식 요소들의 층이 없는 비피복 게이트 전극인 하나의 게이트 전극
    -소스-드레인 채널(4)
    -반도체 층(7)을 포함하되,
    상기 전계 효과 트랜지스터 센서(BS)는 생물학적 인식 요소들의 층(9)으로 기능화된 하나 이상의 상기 게이트 전극들 및 상기 비피복 게이트 전극이 중심 대칭 패턴의 중심 위치에 배열된 상기 반도체 층(7) 및 상기 소스-드레인 채널(4)을 포함하는 복합체를 갖는 중심 대칭 패턴에 따라 배열되는,
    전계 효과 트랜지스터(BS) 센서.

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