KR20210051874A

KR20210051874A - Trpv1 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름, 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터 및 바이오 센서

Info

Publication number: KR20210051874A
Application number: KR1020190137696A
Authority: KR
Inventors: 권오석; 박선주; 박철순; 이지연; 김다혜; 김경호; 김진영; 서성은
Original assignee: 한국생명공학연구원
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-05-10
Also published as: KR102334358B1

Abstract

본 발명은 TRPV1(Transient Receptor Potential Vanilloid 1) 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름, 기판; 상기 그래핀 필름; 및 한 쌍의 전극;을 포함하는 그래핀 트랜지스터, 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 그래핀층에 한 쌍의 전극을 형성하는 단계; 상기 그래핀층의 외부로 노출되는 표면 상에 링커층을 형성하는 단계; 및 상기 링커층 상에 TRPV1 수용체층을 형성하는 단계;를 포함하는 그래핀 트랜지스터의 제조 방법, 및 상기 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.

Description

TRPV1 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름, 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터 및 바이오 센서{Graphene Film Comprising TRPV1 Receptor and Linker, Graphene Transistor Comprising The Same, and Biosensor}

본 발명은 TRPV1 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름, 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터 및 바이오 센서에 관한 것이다.

캡사이신(capsaicin)은 알칼로이드의 일종으로 통각 신경을 자극하여 국소 자극 작용 혹은 매운 맛을 느끼게 한다. 캡사이신은 고추의 매운 맛을 이끄는 주성분으로, 매운 맛의 국제 표준 지표인 스코빌 척도(Scoville scale)의 표준 물질이다. 고추에 포함된 캡사이신 농도를 스코빌 매운 단위(Scoville Heat Unit, SHU)로 계량화하여 표준시 한다. 그런데 현재 개발된 매운맛 측정 장치들은 그 종류가 많지 않고, 부피가 크기 때문에 공장 등 산업용으로 개발된 것이 전부이며, 장비의 비싼 가격 등으로 인해 휴대용으로 사용하기 어렵다는 단점이 있다.

한편 그래핀은 탄소 원자로 이루어진 탄소 동소체 중의 하나로서, 탄소의 sp² 혼성으로 이루어진 2차원의 평면 층상 구조를 갖는다. 이러한 그래핀은 기존의 탄소 소재에 비해 표면적이 매우 넓고, 화학적으로 안정하며, 기계적 안정성과 열전도도(~5,000 W/mK)가 우수하고, 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550 ㎚의 파장의 빛에 대한 투과율이 97%에 이르는 등 우수한 투명성을 가지며, 탄력이 매우 강하여 물리적으로 이를 20% 신장시키더라도 전기전자적 성질이 그대로 보존되는 뛰어난 유연성을 갖는다.

또한, 그래핀은 전기적으로 반금속 성질을 가지면서도, 그 내부에서 전하가 제로 유효 질량 입자로 작용하기 때문에, 매우 높은 전기 전도도(20,000 cm²/Vs의 진성 전자 이동도)를 가지는 것으로 알려져 있다. 특히, 그라파이트를 기계적으로 박리하여 6각 구조의 2차원 형상의 탄소 원자로 구성된 그래핀을 트랜지스터에 이용한 경우에 전계효과(field effect) 특성이 있다는 것이 보고된 이후로, 그래핀은 종래의 실리콘과 같은 반도체 물질을 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있다.

다만, 그래핀 간에 작용하는 반데르발스힘에 따른 균일성, 분산성의 저하 또는 구조적 안정성으로 인해, 위와 같이 우수한 물성에도 불구하고 실제 적용 가능한 기술에 대한 연구가 매우 제한적이었다. 최근에는, 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 다양한 방법이 시도되고 있으며, 이를 위해 관능기를 활용하여 그래핀의 표면을 개질하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 용액 중의 이온에 대한 트랜지스터의 안정성이나 이를 포함하는 바이오 센서의 선택성 및 민감도에 영향을 미치는 점에서, 그래핀의 표면에 대한 개질이 요구되고 있다.

이에 따라, 그래핀 본연의 뛰어난 전기 전도도를 가지면서도, 이를 포함하는 바이오 센서의 선택성과 민감도가 향상되며, 추가적인 화학 반응 단계 없이 신속하게 그래핀의 표면을 개질시키고, 바이오 수용체를 안정적으로 고정화시키기 위한 기술에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

본 발명은 TRPV1 수용체를 안정적으로 고정화시키면서도, 적은 양의 통증 물질 및/또는 독성 물질을 포함하는 시료만으로도 높은 민감도를 가지는 바이오 센서에 이용되는 그래핀 필름 및 그래핀 트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 TRPV1(Transient Receptor Potential Vanilloid 1) 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 전술한 그래핀 필름을 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.

또한 본 발명의 또 다른 측면은 전술한 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.

본 발명의 그래핀 필름은 TRPV1 수용체를 이용함에 따라, 캡사이신(capsaicin) 등의 통증 물질 및/또는 레시니페라톡신(resiniferatoxin) 등의 독성 물질을 선택적, 특이적으로 검출해 낼 수 있으며, 종래의 비파괴적 분석법에 비하여 매우 고감도를 가지는 바이오 센서로 이용할 수 있는 효과가 있다.

나아가 TRPV1 수용체가 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물 유래의 링커를 통해 그래핀에 고정화 됨으로써, 이를 그래핀 트랜지스터에 이용하는 경우에 외부 환경 변화에 대한 우수한 안정성 및 향상된 성능을 가지며, 이러한 그래핀 트랜지스터를 소형화함에 따라 휴대성이 우수한 효과도 있다.

도 1은 그래핀층에 링커와 TRPV1 수용체가 고정화되는 본 발명의 그래핀 필름의 개략적인 모식도를 나타낸 도시이다.
도 2는 본 발명의 그래핀 트랜지스터에 포함되는 전극의 배열 및 실제 이미지를 나타낸 도시이다.
도 3은 제조예 1에 따라 발현된 TRPV1의 western blot 결과를 나타낸 도시이다.
도 4는 실험예 1에 따라 TRPV1 고정 전/후의 그래핀 트랜지스터의 전기적 특성을 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 5는 실험예 2에 따라 본 발명의 그래핀 트랜지스터 바이오 센서를 이용하여 캡사이신 농도별 검출 결과를 나타낸 도시이다.
도 6은 실험예 3에 따라 본 발명의 그래핀 트랜지스터 바이오 센서를 이용하여 레시니페라톡신 농도별 검출 결과를 나타낸 도시이다.
도 7은 제조예 2에 따른 (4-(4-트리메틸실릴에티닐)페닐에티닐)아닐린의 ¹H-NMR(300 MHz, CDCl₃) 스펙트럼을 나타낸 도시이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

1. 그래핀 필름

본 발명의 일 측면은 그래핀 필름을 제공한다.

본 발명의 그래핀 필름은 TRPV1(Transient Receptor Potential Vanilloid 1) 수용체 및 링커를 포함한다.

먼저 TRPV1 수용체는 일과성 수용체 전압(transient receptor potential, TRP) 이온통로의 하나로서, TRPV1 수용체는 온도를 감지하는 수용체 중의 하나이며, 상기 TRPV1 수용체는 통증 물질 및 독성 물질 중에 선택되는 적어도 하나에 선택적으로 반응할 수 있다. 이 때 상기 통증 물질은 캡사이신(capsaicin)을 포함할 수 있으며, 상기 독성 물질은 레시니페라톡신(resiniferatoxin)을 포함할 수 있다.

즉, 상기 TRPV1 수용체는 위와 같은 통증 물질 및/또는 독성 물질에 특이적으로 결합하여서 활성화될 수 있다.

상기 링커는 상기 TRPV1 수용체를 그래핀층 상에 고정화시키기 위한 매개체의 역할을 할 수 있다. 즉 상기 그래핀 필름은 그래핀층 상에 링커의 일말단이 결합되고, 링커의 타말단에 TRPV1 수용체가 고정화되는 형태일 수 있다.

이러한 상기 링커는 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물 유래의 링커를 포함할 수 있고, 상기 그래핀 필름이 상기 링커를 포함하여 TRPV1 수용체를 고정화하는 경우에는 외부 환경 변화에 대한 안정성이 우수해지고 그래핀 트랜지스터의 성능이 향상될 수 있다.

상기 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물 유래의 링커는 말단에 질소 작용기를 포함할 수 있다.

상기 질소 작용기는 상기 TRPV1 수용체를 고정화하는 역할을 하며, 예를 들어 상기 질소 작용기는 아민기(amine), 아자이드기(azide), 또는 말레이미드기(maleimide) 등일 수 있으나, 상기 TRPV1 수용체를 고정화할 수 있는 질소 작용기이면 제한없이 이용할 수 있다.

상기 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에 있어서,

R₁ 내지 R₅는 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 또는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이고,

A는 아민기, 아자이드기, 또는 말레이미드기고,

n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 4이다.

상기 R₁ 내지 R₅는 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.

상기 R₁ 내지 R₃은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.

상기 R₁ 내지 R₃은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기일 수 있다.

상기 R₁ 내지 R₃은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 메틸기, 에틸기, 프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, neo-펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 노닐기, 또는 데실기 등일 수 있다.

상기 R₄ 및 R₅은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소일 수 있다.

상기 링커는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.

[화학식 2]

상기 화학식 2에 있어서,

는 그래핀 필름에 결합되는 부위이고,

R₆ 및 R₇은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 또는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이고,

Z는 아민기, 아자이드기, 또는 말레이미드기고,

p 및 q는 각각 독립적으로 1 내지 4이다.

상기 R₆ 및 R₇은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소일 수 있다.

상기 그래핀 필름은 그래핀으로 이루어질 수 있는데, 이 경우 게이트에 전압이 가해지지 않은 오프 상태에서도 높은 전류가 흘러 작동 전류의 온/오프 비율이 매우 낮으므로 고성능의 트랜지스터를 제조할 수 있다.

상기 그래핀 필름은 단층 또는 이층(bi-layer)의 그래핀으로 이루어질 수 있으나, 이층의 그래핀을 사용하면 표면저항의 감소로 인해 바이오 센서의 민감도가 저하될 수 있는 점에서, 단층의 그래핀으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.

2. 그래핀 트랜지스터

본 발명의 다른 측면은 그래핀 트랜지스터를 제공한다.

본 발명의 그래핀 트랜지스터는 기판, 전술한 그래핀 필름, 및 한 쌍의 전극을 포함한다.

상기 기판은 본 발명의 그래핀 트랜지스터의 구성들이 지지되는 지지대로서의 역할을 하는 것으로서, Si 기판, 유리 기판, GaN 기판, 실리카(SiO₂) 기판 등의 절연성 무기물 기판, Ni, Cu, W 등의 금속 기판 또는 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있으며, 절연성 기판을 사용하는 경우, 그래핀 필름과의 친화력이 우수한 점에서, 실리카(SiO₂) 기판, 또는 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판은 그래핀의 증착이 가능한 다양한 물질 중에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 실리콘-게르마늄, 실리콘 카바이드(SiC) 등의 물질로 구성될 수 있고, 에피택셜(epitaxial) 층, 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator) 층, 반도체-온-절연체(semiconductor-on-insulator) 층 등을 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 전극은 그래핀 필름에 전압을 인가하기 위해 상기 그래핀 필름 상에서 서로 이격되어 형성되는 소스 전극과 드레인 전극일 수 있다.

이러한 소스 전극과 드레인 전극은 상기 그래핀 필름을 통하여 전기적으로 연결될 수 있고, 도전성을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 금속 합금, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다.

상기 소스 전극과 드레인 전극은 각각 독립적으로 Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그래핀과의 접촉성 및 식각의 용이성 측면에서, Au, 또는 Cr/Au 합금인 것이 바람직하다.

도 2는 상기 그래핀 트랜지스터에 이용되는 한 상의 전극의 배치 및 실제 이미지를 나타낸 도시이다.

전술한 그래핀 필름은 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 한 쌍의 금속의 이격된 사이에 노출되어서 배치될 수 있다.

상기 그래핀 필름은 TRPV1 수용체가 상기 링커를 통해 그래핀층에 고정화되어 있으며, 상기 TRPV1 수용체 및 상기 링커는 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

또한 상기 그래핀 필름 상에 형성된 링커는 단일층의 형태로 링커층을 형성할 수 있고, 상기 링커에 고정된 TRPV1 수용체 역시 단일층의 형태로 수용체층을 형성할 수 있다.

상기 링커층이 단일층으로 형성되는 경우, 그래핀 본연의 우수한 전하 이동도, 투명도 및 유연성을 가질 뿐만 아니라, 외부의 비특이적 전하들의 접근에 의한 노이즈 신호를 차단할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 링커층은 그 두께가 0.1 내지 2 ㎚일 수 있다. 상기 링커층의 두께가 0.1 ㎚보다 얇은 경우 저항이 증가하는 문제점이 있고, 2 ㎚보다 두꺼운 경우 투명도가 감소하는 문제가 있다.

3. 그래핀 트랜지스터의 제조 방법

본 발명의 다른 측면은, 그래핀 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 그래핀 트랜지스터의 제조 방법은, 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 그래핀층에 한 쌍의 전극을 형성하는 단계; 상기 그래핀층의 외부로 노출되는 표면 상에 링커층을 형성하는 단계; 및 상기 링커층 상에 TRPV1 수용체층을 형성하는 단계;를 포함한다.

먼저 상기 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계는, 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 화학 기상 증착법으로 그래핀을 성장시켜 그래핀층을 형성하는 것일 수 있다.

상기 그래핀층은 예를 들면, 화학 기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있으며, 이를 이용하면 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있다.

상기 화학 기상 증착법은 기판 표면에 높은 운동 에너지를 갖는 기체 또는 증기 형태의 탄소 전구체를 흡착, 분해 또는 반응시켜 탄소 원자로 분리시키고, 해당 탄소 원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다.

본 발명에 있어서, 상기 화학 기상 증착법은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) 및 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 넓은 면적에 결점을 최소화하여 증착이 가능한 점에서 상기 화학 기상 증착법은 LPCVD인 것이 바람직하다.

상기 화학 기상 증착의 구체적인 방법으로서, 예를 들면 니켈, 구리, 알루미늄, 철 등의 금속 촉매를 스퍼터링 장치 및 전자빔 증발 장치를 이용하여 산화 실리콘층을 가지는 웨이퍼 상에 증착시켜 금속 촉매층을 형성하고, 이를 CH₄, C₂H₂ 등의 탄소를 포함하는 가스와 함께 반응기에 넣고 가열하여, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 하고, 이를 냉각하여 상기 금속 촉매층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시킨 후, 최종적으로 상기 금속 촉매층을 제거함으로써 그래핀층을 형성할 수 있다.

다만, 상기 그래핀층을 형성하는 방법은 화학 기상 증착법에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 방법을 이용하여 그래핀층을 형성할 수 있다.

예를 들어, 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 물리적 박리법, 산화-환원 특성을 활용한 화학적 박리법 또는 SiC와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 1,500℃의 고온 상태에서 열처리하는 에피텍셜 합성법을 이용하여 그래핀층을 형성시킬 수 있다.

상기 한 쌍의 전극은, 소스 전극과 드레인 전극일 수 있으며, 이들은 당업계에 공지된 방법으로 형성할 수 있으나, 예를 들어, 포토리소그라피(photolithography), 열증착 공정(Thermal Deposition), 이빔증착 공정(E-beam Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 증착 방법에 의하여 형성할 수 있다.

상기 그래핀층의 외부로 노출되는 표면 상에 링커층을 형성하는 단계는 그래핀층이 형성된 기판을 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물 용액에서 상온에서 일정 시간 침지하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 그래핀층과 링커층은 추가적인 화학 반응 단계가 없더라도 5 내지 900초 동안 반응하는 것에 의해 그래핀층의 표면을 개질시킬 수 있으며, 제조 편의성이 증대되고 제조 비용이 절감되는 점에서, 상기 반응은 300 내지 900초 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 종래에 비해 더욱 간단하고 신속하다는 장점이 있다.

상기 링커층 상에 TRPV1 수용체층을 형성하는 단계는, 링커층이 그래핀층과 결합되지 않은 말단의 질소 작용기가 노출된 상태에서 TRPV1 수용체와 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로 링커층의 말단에 노출되어 있는 질소 작용기에 아마이드 결합 형성을 활성화 시켜주는 EDC-HCl (1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide Hydrochloride) 및 NHS (N-hydroxysuccinimide), DMTMM (4-(4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium chloride), 또는 글루타르알데히드 (Glutaraldehyde) 등의 시약을 도입한 후에, TRPV1 수용체를 첨가하면 공유결합으로 안정하게 결합할 수 있다.

4. 바이오 센서

본 발명의 또 다른 측면은, 전술한 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.

본 발명에 따른 바이오 센서는, 전기장 효과에 의해 소스 및 드레인 전극 사이의 그래핀층(그래핀 채널층)을 흐르는 전류가 변하는 반도체 특성을 이용한 것이다.

구체적으로, 그래핀층의 표면에 형성된 TRPV1 수용체가 표적물(통증 물질 및/또는 독성 물질)과 반응하면, 주변의 전기장에 변화가 일어나며, 이로 인해 소스 전극과 드레인 전극 사이의 그래핀층에 흐르는 전류 값이 함께 변하고, 이러한 전류의 변화를 측정하는 방식으로 표적물을 검출할 수 있다.

이러한 바이오 센서는, 위와 같은 그래핀 트랜지스터를 이용함으로써 민감도, 특이성, 신속성 및/또는 휴대성이 우수하며, 특히, 그래핀을 채널층으로 사용함으로써 그래핀의 높은 전하 캐리어 이동도와 전도도 특성으로 인하여 우수한 민감도와 실시간 감지 성능을 가진다.

또한, 위와 같이 링커층을 트랜지스터 내의 그래핀층에 형성시켜 이에 결합하는 TRPV1 수용체층를 트랜지스터의 채널 영역에 존재시킴으로써 센서의 민감도가 더욱 향상될 뿐만 아니라, 도핑 처리와 TRPV1 수용체의 부착을 동시에 실시할 수 있게 되어 공정이 간소화되는 효과가 있다.

특히 캡사이신과 같은 통증 물질 및/또는 레시니페라톡신과 같은 독성 물질과 직간접적으로 상호작용하는 TRPV1 수용체를 그래핀 트랜지스터에 적용한 휴대용 바이오 센서를 개발함으로써, 통증의 정도 및/또는 독성 물질의 유무를 판단할 수 있는 휴대용 바이오 센서를 구축할 수 있으며, 이는 다양한 식품 산업 및 환경 평가 산업 등에 활용될 수 있다.

이하에서, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<제조예 1> TRPV1 수용체 발현

BL21 (DE3) 대장균 세포를 TRPV1 유전자를 함유하는 pET-DEST42 벡터로 형질 전환시키고 암피실린 (50 μg/mL)을 함유하는 LB(Luria Bertani) 배지에서 배양 하였다. OD600이 0.4에 도달했을 때 이소프로필 β-D-티오갈락토시드 (IPTG, 0.5 mM)를 대장균 배양물에 첨가하고, 이어서 세포를 37℃에서 추가로 4 시간 동안 배양하였다. 세포를 원심 분리 (4℃, 7000g, 30 분)에 의해 수확하고 프로테아제 억제제 칵테일 (Sigma)을 함유하는 PBS에 재현탁시켰다. 이어서, 세포를 초음파 처리에 의해 용해시키고, 불용성 분획을 원심 분리 (4℃, 7000g, 30 분)에 의해 수집하였다. TRPV1을 함유하는 불용성 분획을 5% Triton X-100을 함유한 PBS에 재현탁시켜 불필요한 단백질 성분을 제거하였다. 이어서 TRPV1을 함유하는 불용성 분획을 원심분리 (4℃, 15000g, 30 분)에 의해 수집하였다. TRPV1을 함유하는 불용성 분획은 1% N-Lauroylsarcosine 이 포함된 PBS에 재현탁시켜 최종적으로 TRPV1을 얻었다.

얻어진 TRPV1의 양은 비친코닌산(bicinchoninic acid) (BCA) 총 단백질 분석 키트 (Pierce)를 사용하여 결정되었다.

얻어진 TRPV1에 대해서 웨스턴 블랏(Weston blot)을 이용하여 발현 결과를 확인한 결과를 도 3에 나타내었다.

<제조예 2> OPE 링커((4-(4-트리메틸실릴에티닐)페닐에티닐)아닐린) 제조

4-에티닐아닐린(1.29 g), (4-브로모페닐 에티닐)트리메틸실레인 (2.68 g), 요오드화 구리(I) (32 mg), 그리고 염화 비스(트리페닐포스핀) 팔라듐(II) (54 mg)을 트리메틸아민 (50 mL)에 첨가한 후 아르곤 존재 하에서 15 시간 동안 교반 및 환류하였다. 반응 생성물을 상온으로 식히고, 침전물을 감압 필터로 제거하였다. 필터 여액의 용매를 제거하고, 고정상인 실리카 컬럼 크로마토그래피와 이동상을 에틸 아세테이트/n-헥산 혼합용매로 정제하여 고체 생성물((4-(4-트리메틸실릴에티닐)페닐에티닐)아닐린)을 획득하였다. (1.7 g)

(4-(4-트리메틸실릴에티닐)페닐에티닐)아닐린의 ¹H-NMR(300 MHz, CDCl₃)을 측정한 결과를 도 7에 나타내었다.

<실시예 1> 그래핀 트랜지스터 제조

1-1. 기판 상에 그래핀 채널층의 형성

구리 호일을 챔버 내에 위치시키고, 이를 1,000℃까지 가열하고, 이를 H₂90 mTorr 및 8 sccm으로 30분(20분의 프리 어닐링과 10분의 안정화) 동안 유지한 후, CH₄를 20 sccm으로 40분 동안 총 압력이 560 mTorr인 상태로 가한 다음, 이를 35℃/min로 200℃까지 냉각시키고, 로(furnace)를 상온까지 냉각하여 상기 구리 호일 상에 단일의 그래핀층을 형성하였다.

다음으로, 상기 구리 호일 상에 형성된 그래핀층 상에 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, MicroChem Corp, 950 PMMA A4, 4% in anisole) 용액을 분당 6,000 rpm의 속도로 스핀 코팅하고, 에천트(etchant)를 이용하여 상기 PMMA가 코팅된 그래핀층을 상기 구리 호일로부터 분리하였고, 상기와 같이 구리 호일로부티 분리된 그래핀층을 10분 동안 탈이온 증류수에 침지하여 상기 그래핀 층에 남아 있는 잔여 에천트 이온들을 제거하였다.

상기와 같이 세척된 그래핀층을 기판인 실리콘 웨이퍼로 전사한 다음, 상기 그래핀층 상에 PMMA 용액을 투하하여 상기 그래핀층을 코팅하고 있던 PMMA를 제거함으로써, 기판 상에 그래핀 채널층을 형성하였다. 이 때 투명성은 97.8%로 유지되었다.

상기 기판 상에 형성된 그래핀 채널층에, 포지티브 포토레지스트(AZ5214, Clariant Corp)를 스핀 코팅한 다음, UV 노광, 베이킹 및 현상 과정을 거쳐 통해 그래핀 채널층을 패턴화하였다.

1-2. 전극 형성

상기와 같이 패턴화되어 정렬된 그래핀 채널층의 양 말단에 RIE(oxygen plasma treatment) 방법을 통해 패턴 전극(폭/길이=W/L=1, L=100μm 채널 길이)을 형성한 다음, 이미지 반전, 열 증착 및 리프트-오프(Lift-off)의 공정을 통해 상기 그래핀 채널층 상에 전극(W/L=5, L=100μm 채널 길이)이 형성된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.

1-3. 링커층의 형성

제조예 2의 4-(4-트리메틸실릴에티닐)페닐에티닐)아닐린 (2.9 mg)을 THF 용매 (10mL)에 녹이고 그래핀 채널층에 첨가하고 2 mM 플루오르화 테트라부틸암모늄을 혼합한 후 상온에서 30분 동안 반응시켰다. 이어서 THF로 씻어주고 용매를 제거하여 링커층을 형성하였다.

1-4. TRPV1 수용체 고정

상기 링커층에 EDC-HCl 및 NHS를 첨가한 뒤에, 상기 제조예 1의 TRPV1과 반응시켜 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.

<실험예 1> TRPV1 수용체 고정 전/후 전기적 특성 측정 결과

상기 실시예 1-3까지 제조된 그래핀 트랜지스터(TRPV1 고정 전)와, 실시예 1의 그래핀 트랜지스터의 전기적 특성을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다.

상기 실험예 1 및 도 4에 따르면, 본 발명의 그래핀 트랜지스터는 TRPV1 수용체가 고정화한 후에, 고정 전에 비하여 저항의 기울기가 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 수용체가 그래핀 표면상에 고정화됨에 따라 발생하는 저항이므로 TRPV1 수용체의 고정화가 이루어진 것을 전기적 특성을 통해 확인할 수 있었다.

<실험예 2> 캡사이신 농도별 측정 결과

상기 실시예 1의 그래핀 트랜지스터를 준비하고, 100 fM, 1 pM, 10 pM의 농도의 캡사이신을 투입하여 검출 실험을 실시하고 그 결과를 도 5에 나타내었다.

상기 실험예 2 및 도 5에 따르면 본 발명의 그래핀 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 캡사이신의 농도 100 fM까지도 전기적 신호가 감지되는 것을 확인할 수 있어서, 매우 높은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 3> 레시니페라톡신 농도별 측정 결과

상기 실시예 1의 그래핀 트랜지스터를 준비하고, 10 pM, 100 pM, 1 nM의 농도의 레시니페라톡신을 투입하여 검출 실험을 실시하고 그 결과를 도 6에 나타내었다.

상기 실험예 3 및 도 6에 따르면 본 발명의 그래핀 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 레시니페라톡신의 농도 10 pM까지도 전기적 신호가 감지되는 것을 확인할 수 있어서, 매우 높은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

TRPV1(Transient Receptor Potential Vanilloid 1) 수용체 및 링커를 포함하는 그래핀 필름.
청구항 1에 있어서,
상기 TRPV1 수용체는 통증 물질 및 독성 물질 중에 선택되는 적어도 하나에 선택적으로 반응하는 그래핀 필름.
청구항 2에 있어서,
상기 통증 물질은 캡사이신(capsaicin)을 포함하고, 상기 독성 물질은 레시니페라톡신(resiniferatoxin)을 포함하는 그래핀 필름.
청구항 1에 있어서,
상기 링커는 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물 유래의 링커를 포함하는 그래핀 필름.
청구항 4에 있어서,
상기 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물 유래의 링커는 말단에 질소 작용기를 포함하는 그래핀 필름.
청구항 4에 있어서,
상기 올리고(페닐렌 에틸렌) 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 그래핀 필름:
[화학식 1]

상기 화학식 1에 있어서,
R₁ 내지 R₅는 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 또는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이고,
A는 아민기, 아자이드기, 또는 말레이미드기고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 4이다.
청구항 1에 있어서,
상기 통각 수용체는 상기 링커를 매개로 고정화되는 그래핀 필름.
청구항 1에 있어서,
상기 그래핀 필름은 단층 또는 이층(bi-layer)의 그래핀으로 이루어진 그래핀 필름.
기판;
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 그래핀 필름; 및
한 쌍의 전극;
을 포함하는 그래핀 트랜지스터.
기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 그래핀층에 한 쌍의 전극을 형성하는 단계;
상기 그래핀층의 외부로 노출되는 표면 상에 링커층을 형성하는 단계; 및
상기 링커층 상에 TRPV1 수용체층을 형성하는 단계;
를 포함하는 그래핀 트랜지스터의 제조 방법.
청구항 9의 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서.