KR20220019248A - 화합물, 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 카다베린 또는 푸트레신 검출을 위한 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물, 그래핀 필름; 및 상기 그래핀 필름에 고정화된, 화학식 1로 표시되는 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나의 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재, 기판; 상기 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함하는 그래핀 트랜지스터, 및 이를 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 카다베린 및 푸트레신 검출을 위한 화합물, 이를 포함하는 그래핀 채널 부재 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.
기존의 육류 신선도 판별 플랫폼은 메탈옥사이드 박막 혹은 나노 물질에 기반을 둔 물리적 흡착에 의한 전기저항 변화를 모니터링하는 방식으로, 저분자 화합물(small molecules: 수소, 에탄올, 암모니아, 메탄올, 톨루엔 등)을 검출하는데 적합한 구조이나, 이들이 현재 가지고 있는 한계점은 다음과 같다.
1. 선택성 - 물리적 흡착에 의한 전기저항 변화를 모니터링하기 때문에 가령 같은 농도에서 A물질과 B물질이 모두 반응하지만, A물질이 상대적으로 민감도가 더 높다 하더라도 농도가 다른 상태(B물질이 과량인 경우)에서는 B물질의 반응성이 커지게 모니터링된다.
2. 간접적인 육류 신선도 판별 - 실제 육류가 부패되는 경우, 발생하는 가스는 카다베린(cadaverine)과 푸트레신(putrescine)이지만, 이들은 초분자(supramolecular)로써, 기존의 물리적 흡착에 기반한 플랫폼에는 절대 반응이 오지 않는다. 따라서, 기존 플랫폼은 간접적인 척도로 암모니아 및 톨루엔 등을 검출할 수 밖에 없는 한계점을 가지고 있었다.
본 발명은 위와 같은 기존 육류 신선도 검출기의 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로서, 카다베린 또는 푸트레신을 높은 민감도와 선택성을 가지고 검출하기 위한 새로운 수용체 화합물을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 하나의 센서만으로도 육류 부패 시 발생하는 생체아민 가스(카다베린, 푸트레신 등)를 동시에 선택적으로 실시간으로 검출해 낼 수 있고, 상기 수용체 화합물이 도입된 그래핀 트랜지스터를 이용하여 매우 간편하고도 높은 민감도와 선택성을 가져서 실시간으로 검출이 가능한 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 카다베린 또는 푸트레신 검출을 위한 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1 내지 R7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 아민기; 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기; 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 2 내지 30의 헤테로아릴기이고,
r1 내지 r7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이고,
n1 내지 n4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 5의 정수이고,
m1 내지 m4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 10의 정수이다.
또한 본 발명은 그래핀 필름; 및 상기 그래핀 필름에 고정화된, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나의 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재를 제공한다.
또한 본 발명은 기판; 상기 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
*본 발명의 카다베린(Cadaverine) 또는 푸트레신(Putrescine)에 선택적으로 반응하는 화학식 1의 화합물 또는 화학식 2의 화합물을 포함하는 그래핀 채널 부재를 이용한 그래핀 트랜지스터는, 육류가 부패될 때 발생하는 카다베린 및/또는 푸트레신을 높은 민감도와 선택성을 가지고 실시간으로 검출해 낼 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 그래핀 트랜지스터를 유심칩 형태로 제작하여, 소형화된 바이오 센서(휴대용 전자식 가스 센서 등)에 적용시킬 수 있어서, 이에 따라 육류 신선도를 실시간으로 현장에서 서로 다른 2개의 생체아민 가스를 동시에 선택적으로 판별해 낼 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 트랜지스터를 나타낸 도시이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1에 따른 화합물 A의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에 따른 화합물 A의 Mass Spectrometry를 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 제조예 2에 따른 화합물 B의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물의 푸트레신에 대한 선택성 결과를 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 화학식 2로 표시되는 화합물의 카다베린에 대한 선택성 결과를 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실험예 3에 따른 소고기 부패도를 육안으로 관찰한 사진을 나타낸 도시이다.
도 8은 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 1의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 소고기로부터 발생되는 푸트레신 검출 결과를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 소고기로부터 발생되는 카다베린 검출 결과를 나타낸 도시이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서에 상용화될 수 있는 NO2, VBN, VOC 검출기에서 나타난 결과를 나타낸 도시이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 나타낸 도시이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1에 따른 화합물 A의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에 따른 화합물 A의 Mass Spectrometry를 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 제조예 2에 따른 화합물 B의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물의 푸트레신에 대한 선택성 결과를 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 화학식 2로 표시되는 화합물의 카다베린에 대한 선택성 결과를 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실험예 3에 따른 소고기 부패도를 육안으로 관찰한 사진을 나타낸 도시이다.
도 8은 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 1의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 소고기로부터 발생되는 푸트레신 검출 결과를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 실험예 3에 따라 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 소고기로부터 발생되는 카다베린 검출 결과를 나타낸 도시이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서에 상용화될 수 있는 NO2, VBN, VOC 검출기에서 나타난 결과를 나타낸 도시이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 트랜지스터를 포함하는 바이오 센서를 나타낸 도시이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 화합물
본 발명은 카다베린 또는 푸트레신 검출을 위한 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서,
R1 내지 R7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 아민기; 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기; 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 2 내지 30의 헤테로아릴기이고,
r1 내지 r7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이고,
n1 내지 n4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 5의 정수이고,
m1 내지 m4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 10의 정수이다.
구체적으로 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 푸트레신과 선택적으로 반응하며, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 카다베린과 선택적으로 반응할 수 있다.
하기 식 1a와 같이 상기 화학식 1로 표시되는 화합물(은 푸트레신의 아민기의 수소와 수소 결합을 할 수 있는 반응 공간이 일치하여서 푸트레신에 선택적으로 반응할 수 있으나, 하기 식 1b와 같이 카다베린의 경우에는 수소 결합을 할 수 있는 반응 공간보다 카다베린이 더 크기 때문에 결합할 수 없다.
[식 1a]
[식 1b]
또한 하기 식 2a와 같이 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 카다베린의 아민기의 수소와 수소 결합을 할 수 있는 반응 공간이 일치하여서 카다베린에 선택적으로 반응할 수 있으나, 하기 식 2b와 같이 푸트레신의 경우에는 수소 결합을 할 수 있는 반응 공간보다 푸트레신이 더 작기 때문에 결합이 불가능하다.
[식 2a]
*
[식 2b]
위와 같이, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물에 푸트레신이 접촉되면, 푸트레신은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 구조 내부에 도핑(doping)이 되듯이 결합하게 되고, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물에 카다베린이 접촉되면, 카다베린은 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 구조 내부에 도핑(doping)이 되듯이 결합하게 된다.
한편 아래 화합물 1과 같은 구조를 가지는 화합물의 경우에는 식 3a 및 식 3b에 나타낸 바와 같이 푸트레신 또는 카다베린이 화합물 내의 반응 공간이 좁아서 수직 구조로 수소 결합을 하게 되어, 푸트레신 또는 카다베린에 선택성이 없을뿐더러, 수용체로서 센서에의 활용도 불가능할 것으로 예상된다.
[화합물 1]
[식 3a]
[식 3b]
*
상기 R1 내지 R7은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐기, 히드록시기, 아민기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.
상기 R1 내지 R7은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 아민기, 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.
상기 R1 내지 R7은 각각 독립적으로 수소일 수 있다.
상기 R1, R4 및 R5는 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐기, 히드록시기, 아민기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.
상기 R1, R4 및 R5는 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 아민기, 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.
상기 R1, R4 및 R5는 각각 독립적으로 수소일 수 있다.
상기 R2, R3, R6 및 R7은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐기, 히드록시기, 아민기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 또는 탄소수 6 내지 30의 아릴기일 수 있다.
서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 아민기, 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.
서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.
상기 R2, R3, R6 및 R7은 각각 독립적으로 수소일 수 있다.
상기 할로겐기는 플루오르기, 염소기, 브롬기, 또는 요오드기일 수 있다.
상기 아민기는, -NH2, 알킬아민기, 아릴아민기, 또는 헤테로아릴아민기일 수 있다. 상기 알킬아민기는 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 1 내지 40인 것이 바람직하다. 알킬아민기의 구체적인 예로는 모노알킬아민기, 또는 디알킬아민기가 있고, 예를 들어 메틸아민기, 디메틸아민기, 에틸아민기, 디에틸아민기, 프로필아민기, 디프로필아민기, 부틸아민기, t-부틸아민기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 아릴아민기의 구체적인 예로는 모노아릴아민기, 또는 디아릴아민기가 있다. 상기 아릴아민기 중의 아릴기는 단환식 아릴기일 수 있고, 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 2 이상의 아릴기를 포함하는 디아릴아민기는 단환식 아릴기, 다환식 아릴기, 또는 단환식 아릴기와 다환식 아릴기를 동시에 포함할 수 있다. 상기 아릴아민기의 구체적인 예로는 페닐아민기, 나프틸아민기, 비페닐아민기, 안트라세닐아민기, 3-메틸-페닐아민기, 4-메틸나프틸아민기, 2-메틸-비페닐아민기, 9-메틸-안트라세닐아민기, 디페닐 아민기기, 페닐 나프틸 아민기, 디톨릴 아민기, 페닐 톨릴 아민기, 또는 카바졸기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 헤테로아릴아민기의 구체적인 예로는 모노헤테로아릴아민기, 또는 디헤테로아릴아민기가 있다. 상기 헤테로아릴아민기 중의 헤테로아릴기는 단환식 헤테로 고리기일 수 있고, 다환식 헤테로 고리기일 수 있다. 상기 디헤테로아릴아민기는 단환식 헤테로 고리기, 다환식 헤테로 고리기, 또는 단환식 헤테로 고리기와 다환식 헤테로 고리기를 동시에 포함할 수 있다.
상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수 1 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 10일 수 있다. 더 바람직하게는 탄소수 1 내지 6일 수 있다. 상기 알킬기의 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, n-프로필기, 이소프로필기, 부틸기, n-부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, sec-부틸기, 1-메틸부틸기, 1-에틸부틸기, 펜틸기, n-펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 헥실기, n-헥실기, 1-메틸펜틸기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸-2-펜틸기, 3,3-디메틸 부틸기, 2-에틸부틸기, 헵틸기, n-헵틸기, 1-메틸헥실기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥실메틸기, 옥틸기, n-옥틸기, tert-옥틸기, 1-메틸헵틸기, 2-에틸헥실기, 2-프로필펜틸기, n-노닐기, 2,2-디메틸헵틸기, 1-에틸프로필기, 1,1-디메틸프로필기, 이소헥실기, 4-메틸헥실기, 5-메틸헥실기, 또는 벤질기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 시클로알킬기는 탄소수 3 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 3 내지 10일 수 있다. 상기 시클로알킬기의 구체적인 예로는 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 3-메틸시클로펜틸기, 2,3-디메틸시클로펜틸기, 시클로헥실기, 3-메틸시클로헥실기, 4-메틸시클로헥실기, 2,3-디메틸시클로헥실기, 3,4,5-트리메틸시클로헥실기, 4-tert-부틸시클로헥실기, 시클로헵틸기, 또는 시클로옥틸기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴기는 탄소수 6 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 6 내지 10일 수 있다. 상기 아릴기는 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 단환식 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 바이페닐기, 또는 터페닐기 등이 있고, 상기 다환식 아릴기의 구체적인 예로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 또는 트리페닐렌기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 헤테로아릴기는 이종원자로 N, O, P, S, Si 및 Se 중 선택되는 1개 이상을 포함하는 방향족 고리기로서, 탄소수는 2 내지 30일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 2 내지 20일 수 있다. 상기 헤테로아릴기의 구체적인 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 또는 벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 히드록시기, 아민기, 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 또는 헤테로아릴기는 다시 할로겐기, 히드록시기, 아민기, 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기 또는 헤테로아릴기로 치환 또는 비치환될 수 있다.
상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1로 표시될 수 있고, 상기 화학식 2는 하기 화학식 2-1로 표시될 수 있다.
[화학식 1-1]
[화학식 2-1]
상기 화학식 1-1 및 화학식 2-1에 있어서,
n1 내지 n4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 5의 정수이고,
m1 내지 m4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 10의 정수이다.
상기 n1 내지 n4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 3의 정수, 또는 1 내지 2의 정수일 수 있고, 상기 m1 내지 m4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 5의 정수, 또는 1 내지 3의 정수일 수 있다.
상기 화학식 1은 하기 화학식 1-2로 표시될 수 있고, 상기 화학식 2는 하기 화학식 2-2로 표시될 수 있다.
[화학식 1-2]
[화학식 2-2]
2. 그래핀 채널 부재
또한 본 발명은 그래핀 필름, 및 상기 그래핀 필름에 고정화된 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나의 수용체를 포함하는 그래핀 채널 부재를 제공한다.
상기 수용체는 상기 그래핀 필름에 물리적 결합으로 고정화된 것일 수 있고, 이 때 상기 물리적 결합이란 상기 수용체가 상기 그래핀 필름에 물리적 흡착을 통해 고정화되어 있는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 수용체는 별도의 링커가 없더라도 상기 그래핀 필름의 표면에 물리적 흡착을 통해 고정화될 수 있다.
상기 수용체와 상기 그래핀 필름의 표면은 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction)에 의해 강하게 결합하여 고정화 될 수 있다. 구체적으로 상기 화학식 1에서 벤젠고리를 포함하는 부분(나프탈렌 그룹) 또는 상기 화학식 2에서 벤젠고리를 포함하는 부분(페릴렌 그룹)이 그래핀과 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction)으로 물리적으로 결합하게 된다.
예를 들어, 상기 수용체를 1 내지 10 μM의 농도로 증류수에 녹인 용액을, 상기 그래핀 필름의 표면 상에 5 내지 10 ㎕를 첨가하여 약 10 내지 25분 동안 상온에서 반응시키고, 반응 후에 증류수로 그래핀 필름의 표면을 세척하는 방법을 통해 고정화 될 수 있다.
상기 그래핀 필름은 단층 또는 이층(bi-layer)일 수 있다. 이층의 그래핀 필름을 사용하면 표면저항의 감소로 인해 그래핀 트랜지스터의 민감도가 저하될 수 있는 점에서, 단층의 그래핀 필름을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
상기 그래핀 필름은 패턴화될 수 있고, 구체적으로는 미세 패턴화될 수 있다. 상기 패턴화된 그래핀 필름의 표면에 상기 카다베린 후각 수용체가 결합(고정화)되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필름을 원 또는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형(허니콤(honeycomb)) 등의 다각형의 형태로 다양하게 패턴화시킬 수 있다. 상기와 같이 그래핀 필름을 패턴화하는 경우에는, 다양한 형태의 그래핀 필름의 패턴을 제공할 수 있기 때문에, 바이오 센서가 소형화되어 휴대가 간편해지고 그에 따른 다양한 형태의 그래핀 트랜지스터 디자인의 요구에 부합할 수 있다.
또한 상기 패턴화된 그래핀 필름의 표면의 일부에는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 고정화되어 있을 수 있으며, 상기 패턴화된 그래핀 필름의 표면 중 상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 고정화되지 않은 부위에는 상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 고정화되어 있을 수 있다.
위와 같이, 푸트레신(Putrescine)에 선택적으로 반응하는 화학식 1의 화합물과, 카다베린(Cadaverine)에 선택적으로 반응하는 화학식 2의 화합물을 동시에 포함하는 그래핀 채널 부재를 이용한 그래핀 트랜지스터는, 육류가 부패될 때 발생하는 카다베린 및/또는 푸트레신을 높은 민감도와 선택성을 가지고 검출이 가능한 효과가 있다. 특히, 카다베린과 푸트레신과 같은 초분자(supramolecular)는 기존의 물리적 흡착에 기반한 센서(검출기)로는 검출이 불가능하였으나, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물 및/또는 화학식 2로 표시되는 화합물을 이용하는 경우에는, 하나의 센서만으로도 카다베린과 푸트레신 기체를 동시에 실시간으로 선택적으로 검출해 낼 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 그래핀 채널 부재는 그래핀 필름을 포함하는데, 위와 같이 채널 부재로 그래핀을 이용하는 경우 게이트에 전압이 가해지지 않은 오프 상태에서도 높은 전류가 흘러 작동 전류의 온/오프 비율이 매우 낮으므로 고성능의 트랜지스터를 제조할 수 있는 장점이 있다.
이 때 상기 그래핀 필름의 두께는 0.1 내지 1 ㎚일 수 있다.
3. 그래핀 트랜지스터
또한 본 발명은 상기 그래핀 채널 부재를 포함하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 그래핀 트랜지스터는, 기판; 전술한 그래핀 채널 부재; 및 한 쌍의 전극;을 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 그래핀 채널 부재는 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
구체적으로는 상기 기판 상에 탄화수소 가스를 탄소 공급원으로 하여 화학 기상 증착법으로 그래핀을 성장시켜 그래핀 필름을 형성하는 것일 수 있다.
상기 그래핀 필름은 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.
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 그래핀 필름을 형성할 수 있다.
다만, 상기 그래핀 필름을 형성하는 방법은 화학 기상 증착법에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 방법을 이용하여 그래핀 필름을 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 그래핀 필름을 형성시킬 수 있다.
상기 한 쌍의 전극은 그래핀 채널 부재에 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.
상기 한 쌍의 전극은 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 그래핀 채널 부재는 상기 그래핀 필름 상에 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 물리적인 흡착에 의하여 직접 결합(고정화)되어 있는 것일 수 있다. 상기 그래핀 채널 부재, 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물, 그래핀 필름은 전술한 내용이 동일하게 적용될 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 그래핀 필름에 흐르는 전류가 변하는 반도체 특성을 이용한 것이다.
구체적으로, 그래핀 필름의 표면에 형성된 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 화학식 2로 표시되는 화합물이 카다베린 및/또는 푸트레신과 반응하면, 주변의 전기장에 변화가 일어나며, 이로 인해 소스 전극과 드레인 전극 사이의 그래핀 필름에 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, 그래핀 필름을 채널층으로 사용함으로써 그래핀의 높은 전하 캐리어 이동도와 전도도 특성으로 인하여 우수한 민감도와 실시간 감지 성능을 가지고, 이에 따라 육류가 부패될 때 발생되는 카다베린 및/또는 푸트레신의 검출 한계를 향상시켜서 높은 민감도와 재현성을 가지는 검출이 가능한 효과가 있다.
나아가 전술한 그래핀 트랜지스터는 유심칩 형태로 제작이 되어서 소형화된 바이오 센서(휴대용 전자식 가스 센서 등)에 적용시킬 수 있어서, 육류의 신선도를 매우 간편하고 정확하게 실시간으로 판별할 수 있고, 이를 다양한 식품 산업 및 환경 평가 산업 등에 활용할 수 있다. 구체적으로, 카다베린 및/또는 푸트레신에 선택적으로 반응이 가능한 각각의 화학적 레셉터를 개발하고 이를 그래핀 표면에 부착함으로써 2개의 서로 다른 생체아민 가스(카다베린 및/또는 푸트레신)를 선택적으로 검출할 수 있는 센서 플랫폼을 제조하는데 성공하였다. 특히, 카다베린은 육류가 외부환경에 노출되었을 때 표면에서 나오며, 푸트레신은 일정 시간이 지났을 경우에 나오게 되어 두 가스에 대한 선택성을 가진다면 육류의 신선도를 판별할 수 있기 때문에 육류의 신선도 실시간 판별이 가능한 장점이 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>
250 mL의 플라스크에 1,4,5,8-나프탈렌 테트라 카르복실산 이무수물(1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride) (2.6 g) 및 100 mL EtOH를 혼합한 후에 이를 교반하면서 50 mL EtOH에 녹인 2-아미노 에탄올 (1.2 g)을 첨가 하였다. 혼합물을 환류 하에 밤새 교반하였다. 이어서 실온에서 냉각시킨 후, 혼합물을 600 mL 냉수에 붓고 생성된 침전물을 여과하고, 물 (100 mL), EtOH (75 mL) 및 디에틸 에테르 (75 mL)로 세척하여 화합물 1 (3.2 g, 수율 = 90 %)을 얻었다.
화합물 1 (1.0 g)을 아르곤 분위기 하에서 에틸 아세테이트 (10 mL)에 첨가하였다. 30 분 동안 교반한 후, 포스포러스 트리브로마이드(phosphorous tribromide) (3.36 g)를 적가하고 생성된 혼합물을 7 시간 동안 환류시켰다. 침전물을 여과하고 에틸 아세테이트로 세척하여 화합물 2 (0.94 g, 수율 = 69 %)를 수득하였다.
DMF (4.2 mL)에 화합물 2 (100 mg), 3-모르폴리노 프로필아민(3-Morpholinopropylamine) (66 mg) 및 탄산 세슘(cesium carbonate) (227 mg)을 아르곤 분위기 하에서 80℃에서 12 시간 동안 교반하였다. 암갈색 고체 잔류물을 여과 제거하고, 여액을 감압 하에서 증발시켰다. 미정 제 생성물을 아세토 니트릴 / 물을 사용하여 정제 용 HPLC에 의해 정제하여 수용체 화합물 A를 수득하였다 (21 mg, 수율 = 16 %).
상기 화합물 A의 1H-NMR 스펙트럼을 도 2에 나타내었고, Mass Spectrometry를 도 3에 나타내었다.
<제조예 2>
3,4,9,10- 페릴렌테트라 카르복실산 이무수물(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic Dianhydride) (1.36 g), 에탄올 아민 (0.49 g) 및 아세트산 나트륨 (1 g)의 혼합물을 150℃에서 2 시간 동안 압력 튜브에서 가열 하였다. 혼합물을 실온에서 냉각시키고 EtOH : DMF (2 : 1)의 혼합물로부터 재결정 화하여 화합물 3 (1.3 g, 수율 = 80 %)을 수득하였다.
화합물 3 (1.0 g)을 아르곤 분위기 하에서 에틸 아세테이트 (10 mL)에 첨가 하였다. 30 분 동안 교반한 후, 포스포러스 트리브로마이드(phosphorous tribromide) (3.36g)를 적가하고 생성된 혼합물을 7 시간 동안 환류시켰다. 침전물을 여과하고 에틸 아세테이트로 세척하여 화합물 4 (0.88 g, 수율 = 70 %)를 수득하였다.
DMF (4.2 mL)에 화합물 4 (126 mg), 3- 모르폴리노 프로필 아민(3-Morpholinopropylamine) (66 mg) 및 탄산 세슘(cesium carbonate) (227 mg)을 아르곤 분위기 하에서 80℃에서 12 시간 동안 교반하였다. 암갈색 고체 잔류물을 여과 제거하고, 여액을 감압 하에서 증발시켰다. 미정제 생성물을 아세토 니트릴 / 물을 사용하여 정제 용 HPLC에 의해 정제하여 수용체 화합물 B를 수득하였다 (21 mg, 수율 = 11 %).
상기 화합물 B의 1H-NMR 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.
<실시예 1> 그래핀 트랜지스터 제조
1-1. 기판 상에 그래핀 필름의 형성
구리 호일을 챔버 내에 위치시키고, 이를 1,000℃까지 가열하고, 이를 H2 90 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 단일층의 그래핀 필름(그래핀층)을 형성하였다.
다음으로, 상기 구리 호일 상에 형성된 그래핀 필름 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 그래핀 필름을 상기 구리 호일로부터 분리하였고, 상기와 같이 구리 호일로부티 분리된 그래핀 필름을 10분 동안 탈이온 증류수에 침지하여 상기 그래핀 필름에 남아 있는 잔여 에천트 이온들을 제거하였다.
상기와 같이 세척된 그래핀 필름을 기판인 실리콘 웨이퍼로 전사한 다음, 상기 그래핀 필름 상에 PMMA 용액을 투하하여 상기 그래핀 필름을 코팅하고 있던 PMMA를 제거함으로써, 기판 상에 그래핀 필름을 형성하였다. 이 때 투명성은 97.8%로 유지되었다.
상기 기판 상에 형성된 그래핀 필름에, 포지티브 포토레지스트(AZ5214, Clariant Corp)를 스핀 코팅한 다음, UV 노광, 베이킹 및 현상 과정을 거쳐 통해 그래핀 필름을 패턴화하였다.
1-2. 전극 형성
상기와 같이 패턴화되어 정렬된 그래핀 필름의 양 말단에 RIE(oxygen plasma treatment) 방법을 통해 패턴 전극(폭/길이=W/L=1, L=100 μm 채널 길이)을 형성한 다음, 이미지 반전, 열 증착 및 리프트-오프(Lift-off)의 공정을 통해 상기 그래핀 필름의 일부에 전극(W/L=5, L=100μm 채널 길이)이 형성된 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
1-3. 수용체 고정
상기 제조예 1의 화합물 A를 1 ~ 10 μM의 농도로 증류수에 녹인 후 상기 그래핀 필름에 위에 5 ~ 10 μL을 올려놓고 15분 동안 상온에서 반응시켰다. 반응 완료 후 충분한 증류수로 그래핀 필름의 표면을 씻어주었다.
<실시예 2> 그래핀 트랜지스터 제조
상기 실시예 1의 1-3에서, 제조예 1의 화합물 대신 제조예 2의 화합물을 고정화시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 3> 그래핀 트랜지스터 제조
상기 실시예 1의 1-3에서, 제조예 1의 화합물 대신, 제조예 1의 화합물과 제조예 2의 화합물을 모두 고정화시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
<실험예 1> 푸트레신에 대한 선택성 실험
상기 실시예 1의 그래핀 트랜지스터를 준비하고, 순서대로 암모니아, 카다베린, 푸트레신을 접촉시켰을 때의 그래핀 트랜지스터의 검출 결과를 도 5에 나타내었다.
*상기 실험예 1 및 도 5에 따르면, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물은 푸트레신에만 선택성이 있는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 카다베린에 대한 선택성 실험
상기 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 준비하고, 순서대로 암모니아, 푸트레신, 카다베린을 접촉시켰을 때의 그래핀 트랜지스터의 검출 결과를 도 6에 나타내었다.
상기 실험예 2 및 도 6에 따르면, 본 발명의 화학식 2로 표시되는 화합물은 푸트레신에만 선택성이 있는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 시간에 따른 소고기 부패에 따른 카다베린/푸트레신 실시간 검출 결과
1.8 L의 소고기를 온도 21℃, 습도 30%에서 방치한 후 0 시간부터 60 시간 동안 관찰한 결과를 도 7에 나타내었고, 상기 실시예 1의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 푸트레신을 검출한 결과를 도 8에 나타내었고, 상기 실시예 2의 그래핀 트랜지스터를 이용하여 카다베린을 검출한 결과를 도 9에 나타내었다.
상기 실험예 3 및 도 8, 9에 따르면 소고기로부터 발생되는 카다베린이 약 15시간(900분)이 지난 후 저항의 변화가 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있고, 푸트레신의 경우에는 0시간부터 서서히 검출되다가 약 15시간(900분)이 지난 후에 푸트레신의 양이 급격히 증가하여서 저항이 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 즉 소고기의 부패 초기 단계에서부터 푸트레신이 생성되는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 4> 그래핀 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 검출 결과
상기 실시예 1의 그래핀 트랜지스터와 바이오 센서에 상용되는 NO2, VBN, VOC 검출기를 포함하는 도 11와 같이 제조한 바이오 센서를 이용하여, 상기 실험예 3의 소고기 부패시에 발생하는 NO2, VBN, VOC에 대해서도 실시간 검출한 결과를 도 10에 나타내었다.
Claims (5)
- 카다베린 또는 푸트레신 검출을 위한 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는, 화합물:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서,
R1 내지 R7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 히드록시기; 아민기; 탄소수 1 내지 20의 알킬기; 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기; 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 2 내지 30의 헤테로아릴기이고,
r1 내지 r7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이고,
n1 내지 n4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 5의 정수이고,
m1 내지 m4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 10의 정수이다. - 청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서,
상기 n1 내지 n4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이고,
상기 m1 내지 m4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 3 내지 10의 정수인 것인, 화합물. - 청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1로 표시되고, 상기 화학식 2는 하기 화학식 2-1로 표시되는, 화합물:
[화학식 1-1]
[화학식 2-1]
상기 화학식 1-1 및 화학식 2-1에 있어서,
n1 내지 n4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이고,
m1 내지 m4는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 3 내지 10의 정수이다. - 청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 화학식 1-2로 표시되고, 상기 화학식 2는 하기 화학식 2-2로 표시되는, 화합물:
[화학식 1-2]
[화학식 2-2]
- 청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 푸트레신과 선택적으로 반응하고, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 카다베린과 선택적으로 반응하는, 화합물.
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