WO2011162582A2 - Dna analysis device using nano pore structure, analysis method and pcr quantitative detecting device - Google Patents

Dna analysis device using nano pore structure, analysis method and pcr quantitative detecting device Download PDF

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WO2011162582A2
WO2011162582A2 PCT/KR2011/004653 KR2011004653W WO2011162582A2 WO 2011162582 A2 WO2011162582 A2 WO 2011162582A2 KR 2011004653 W KR2011004653 W KR 2011004653W WO 2011162582 A2 WO2011162582 A2 WO 2011162582A2
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dna
nano
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electrical signal
conductive layer
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PCT/KR2011/004653
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김기범
김현미
이민현
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서울대학교 산학협력단
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/487Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48721Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for DNA analysis using a nano-pore structure, an analytical method and a PCR quantitative detection apparatus using the same, and more particularly, an apparatus for DNA analysis using nano-pores capable of analyzing DNA without labeling. It relates to an analysis method and a PCR quantitative detection device using the same.
  • Another object of the present invention is to provide a method for easily analyzing DNA by applying and detecting an electrical signal using a DNA analysis apparatus.
  • the device for DNA analysis using the nano-pore structure includes a chamber containing a solution and including a first region and a second region; A first electrode positioned in the first region; A second electrode positioned in the second region opposite the first electrode; And a nano pore film disposed between the first electrode and the second electrode and including a conductive layer and a nano pore passing through the conductive layer. And an electrical signal unit electrically connected to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode to apply a first electrical signal and receive a second electrical signal therefrom. It is characterized by detecting the DNA in the solution.
  • the second electrical signal that changes when the DNA passes through the nanopores may be used to detect one or more bases constituting the DNA.
  • the DNA may be sequentially sequenced by detecting the second electrical signal having a different value depending on the base constituting the DNA.
  • the nano-pore film may further include a first insulating layer stacked on the upper side, the lower side, or both sides of the conductive layer.
  • the nano-pore film may include a second insulating layer formed on a side of the conductive layer adjacent to the nano-pore and a side of the first insulating layer and surrounding the first insulating layer. It may further include.
  • the conductive layer includes titanium nitride (TiN), the first insulating layer includes silicon oxide (SiO 2 ), and the second insulating layer is titanium oxide (TiO 2). ) May be included.
  • the DNA analysis device may operate as an ion field transistor by a voltage applied by the electrical signal unit to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode.
  • the DNA analysis device the nano-pores may have a cylindrical shape of the same diameter of the upper and lower sides or a truncated conical shape of the diameter of the upper and lower sides.
  • a DNA analysis method using a device for DNA analysis using a nano-pore structure is provided.
  • DNA analysis method using the nano-pore structure preparing the DNA analysis apparatus; Receiving a solution containing DNA in the chamber of the DNA analysis device; Applying a first electrical signal to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode from the electrical signal portion; And receiving the second electrical signal generated when the DNA passes through the nanopores.
  • the receiving of the second electrical signal may include changing and applying the first electrical signal applied to the conductive layer in order to control the moving speed of the DNA. It may further include.
  • the moving speed of the DNA may be reduced.
  • PCR quantitative detection apparatus using the nano-pore structure at least one input unit for providing a sample and a buffer solution containing DNA; A reaction unit in which amplification of the DNA is performed; And a DNA analyzing apparatus according to any one of claims 1 to 8, and comprising a detection unit for quantitatively analyzing the DNA through an electrical signal generated while the amplified DNA passes through the nanopores. .
  • a concentration controller may be further disposed between the reaction unit and the detection unit to control the concentration of the amplified DNA by receiving the buffer solution from the input unit.
  • the apparatus for DNA analysis using the nano-pore structure of the present invention by using a nano-pore having a size of less than 10nm and can easily control the charge on the surface of the nano-pores, it is possible to efficiently control the movement speed of DNA. As a result, time for DNA analysis can be secured and the magnitude of the electrical signal can be adjusted.
  • the DNA analysis method using the nano-pore structure of the present invention it is possible to efficiently sequence the DNA by controlling the movement of the DNA through the regulation of the voltage applied to the membrane on which the nano-pores are formed.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a device for DNA analysis using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the structure of a nano-pore membrane according to the present invention.
  • 3A-3E are cross-sectional views shown in order of process to illustrate an exemplary method for producing nanopore membranes in accordance with the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B are photographs showing a state in which nanopores are formed according to the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing ion conductance according to the concentration of potassium chloride (KCl) solution measured in the nano-pore structure of the DNA analysis device according to the present invention.
  • 6A and 6B are graphs showing ion currents according to a drain voltage V D and a gate voltage V G of an ion transistor of a device for DNA analysis according to the present invention.
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing DNA passing through the nanopores according to the present invention
  • FIG. 7B is a graph showing the flow of electric current to explain the method of sequencing DNA.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a DNA analysis process using a device for DNA analysis using the nanopore structure according to the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a PCR quantitative detection apparatus using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Thus, the first member, part, region, layer or portion, which will be discussed below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a device for DNA analysis 100 using a nano-pore structure according to the technical idea of the present invention.
  • the apparatus 100 for DNA analysis includes a membrane (hereinafter, referred to as a “nanopore membrane”) 20 in which a chamber 10 and nanopores 25 are formed.
  • the first region 12 and the second region 14 of the chamber 10 are disposed on both sides of the nanopore film 20.
  • the first electrode 30 and the second electrode 40 are disposed in the first region 12 and the second region 14, respectively.
  • the nano pore membrane 20 includes a nano pore 25, which may be located at the center of the nano pore membrane 20, for example.
  • the nano-pore film 20 may include a conductive layer 21, first insulating layers 22a and 22b on both sides of the conductive layer 21, and side surfaces of the conductive layer 21 adjacent to the nano-pores 25.
  • the second insulating layer 24 is formed on the side surfaces of the first insulating layers 22a and 22b and surrounds the first insulating layers 22a and 22b.
  • the electrical signal unit 50 that can transmit and receive electrical signals is disposed outside the chamber 10.
  • the chamber 10 may be separated into the first region 12 and the second region 14 by the nano-pore membrane 20, and may be configured as separate chambers, respectively.
  • the chamber 10 is for containing a solution containing DNA, and the first electrode 30 and the second electrode 40 in each of the first region 12 and the second region 14 of the chamber 10. Place it.
  • the chamber 10 may be made of one or more materials of glass, polydimethylsiloxane (PDMS), and plastic.
  • the solution contained in the chamber 10 is a solution containing DNA, and is prepared in a fluid state by dissolving DNA in a conductive solvent, and any conductive solvent may be used.
  • the subject of analysis is not limited to DNA, but may be DNA, RNA, peptide or protein.
  • the solution may be an electrolyte solvent such as hydrochloric acid (HCl), sodium chloride (NaCl) or potassium chloride (KCl). Potassium chloride (KCl) has almost no difference in ion mobility between cations and anions.
  • the apparatus may further include an injection unit (not shown) and a discharge unit (not shown) capable of injecting and discharging the solution in the chamber 10 from the outside of the chamber 10.
  • the chamber 10 may have a small capacity, and the length of either direction may have a dimension of several micrometers.
  • the first electrode 30 may be disposed in the first region 12 of the chamber 10, and the second electrode 40 may be disposed in the second region 14 of the chamber 10.
  • the first electrode 30 and the second electrode 40 may apply a voltage to the solution in the chamber 10 to flow ions in the solution, resulting in the flow of current.
  • the first electrode 30 and the second electrode 40 are aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), and manganese.
  • the first electrode 30 and the second electrode 40 may each be a single layer or a composite layer.
  • the first electrode 30 and the second electrode 40 may be a composite layer of silver (Ag) or silver chloride (AgCl).
  • the first electrode 30 and the second electrode 40 may be configured to include the same material or different materials.
  • the first electrode 30 and the second electrode 40 may be disposed to be close to the nano-pore film 20.
  • the nano-pore film 20 may include a conductive layer 21, first insulating layers 22a and 22b on both sides of the conductive layer 21, and side surfaces of the conductive layer 21 adjacent to the nano-pores 25.
  • the second insulating layer 24 is formed on the side surfaces of the first insulating layers 22a and 22b and surrounds the first insulating layers 22a and 22b.
  • the nano pore membrane 20 includes a nano pore 25 formed at a central portion, and the nano pore 25 penetrates through the nano pore membrane 20. The nano-pore membrane 20 will be described in detail below with reference to FIG. 2.
  • the electrical signal unit 50 may apply a first electrical signal, for example, a voltage, to the conductive layer 21 of the first electrode 30, the second electrode 40, and the nanopore film 20.
  • the electrical signal unit 50 may receive a second electrical signal, for example, a current, from the conductive layer 21 of the first electrode 30, the second electrode 40, and the nanopore film 20. .
  • the voltage applied to the conductive layer 21 of the nanopore film 20 is a gate voltage (V G ), the voltage applied to the first electrode 30 is a source voltage (V S ), the second electrode 40 ) May be referred to as a drain voltage (V D ).
  • the electrical signal part 100b may be electrically connected to the conductive layer 21, the first electrode 30, and the second electrode 40 of the nanopore film 20 through a conductive member, for example, a conductive wire.
  • the portion connected to the conductive layer 21 may be connected by a probe (not shown).
  • the device for DNA analysis 100 is an ionic field effect transistor (IFET).
  • IFET ionic field effect transistor
  • Can be operated as Ion field transistors are similar in principle to conventional semiconductor field effect transistors except that the carriers traveling through the channel are electrolyte ions, not electrons or holes. Therefore, the ion current flows due to the movement of the ions, not the movement of the electrons, and the nanopores 25 serve as channels for the movement of the ions.
  • the ionized cations and anions can be moved in either direction by the source voltage (V S ) and the drain voltage (V D ) applied to the chamber 10,
  • the on state and the off state of the transistor may be controlled by the gate voltage V G applied to the conductive layer 21 of the nanopore film 20.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the nano-pore membrane 20 according to the present invention.
  • the nano pore film 20 may include a conductive layer 21, first insulating layers 22a and 22b on both sides of the conductive layer 21, and the conductive layer adjacent to the nanopore 25. 21 and a second insulating layer 24 formed on the side surfaces of the first insulating layers 22a and 22b and surrounding the first insulating layers 22a and 22b. That is, the periphery of the nano pore 25 is a form in which the second insulating layer 24 extends to surround the conductive layer 21 and the first insulating layers 22a and 22b, and the second periphery of the nano pore 25.
  • the insulating layer 24 may serve as a gate insulating film of the ion transistor.
  • the nano pores 25 may have a cylindrical shape having the same upper and lower diameters or a truncated conical shape having different upper and lower diameters.
  • the thickness of the conductive layer 21, the first insulating layers 22a and 22b, and the second insulating layer 24 constituting the nanopore film 20 may be several tens of nanometers. 21) may have a thickness of 20 nm to 40 nm, for example about 30 nm, and the first insulating layers 22a and 22b may each have a thickness of 15 nm to 25 nm, for example about 20 nm.
  • the second insulating layer 24 may have a thickness of 20 nm to 40 nm.
  • the conductive layer 21 includes aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), manganese (Mn), and molybdenum (Mo). , Nickel (Ni), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tellurium (Te), titanium (Ti) , Tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), nitrides thereof, and silicides thereof.
  • the conductive layer 21 may be a single layer or a composite layer.
  • the first insulating layers 22a and 22b and the second insulating layer 24 may be formed of silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), or high-k dielectric constant (high-k). It may include any one or more of the dielectric layer.
  • the first insulating layers 22a and 22b and the second insulating layer 24 may be a single layer or a composite layer.
  • the high-k dielectric layer includes aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2) ), Zirconium silicon oxide (ZrSi x O y ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium silicon oxide (HfSi x O y ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), lanthanum aluminum oxide (LaAl x O y ), lanthanum hafnium At least one of an oxide (LaHf x O y ), a hafnium aluminum oxide (HfAl x O y ), and a praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ) may be included.
  • 3A to 3E are cross-sectional views according to a process sequence to explain an exemplary method for manufacturing a nano-pore film according to the spirit of the present invention.
  • a laminated film 20a in which the first insulating layer 22b, the conductive layer 21, and the second insulating layer 22a are sequentially stacked is formed on the substrate 60, and the first insulating layer 22b is formed on the substrate 60.
  • 1 mask layer 70 is laminated.
  • the films may be deposited using a deposition method such as chemical vapor deposition (CVD) or reactive sputtering.
  • second mask layers 80a and 80b are stacked on the lower surface of the substrate 60 and the first mask layer 70.
  • the substrate 60 may be, for example, a silicon (Si) substrate.
  • the first mask layer 70 and the second mask layers 80a and 80b may include oxides, nitrides, and oxynitrides.
  • the first mask layer 70 and the second mask layers 80a and 80b may include a material having different etching selectivity.
  • the first mask layer 70 may include silicon oxide (SiO 2 ), and the second mask layers 80a and 80b may include silicon nitride (Si 3 N 4 ). Or vice versa.
  • the step of etching the substrate 60 is performed.
  • a pattern is formed in the second mask layer 80b on the lower surface of the substrate 60.
  • a pattern may be formed using a separate mask layer (not shown), and the pattern may be formed by etching the second mask layer 80b.
  • the etching may use reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • the substrate 60 is etched using the patterned second mask layer 80b.
  • the substrate 60 may be etched using anisotropic wet etching using potassium hydroxide (KOH). By etching the central portion of the substrate 60 in this step, the formation of the openings 25a (see FIG. 3D) in a later process may be facilitated.
  • KOH potassium hydroxide
  • a pattern for forming nanopores is formed by using electron beam lithography.
  • the photoresist layer 90 may include poly methyl methacrylate (PMMA) and may be applied by spin-coating. Using the pattern, the second mask layer 80a is etched to remove the photoresist layer 90.
  • PMMA poly methyl methacrylate
  • a two-step etching process of forming the opening 25a in the center of the stacked film 20a is performed.
  • the first mask layer 70 is etched using the second mask layer 80a on which the pattern is formed.
  • the etching may use RIE.
  • the laminated film 20a is etched using the patterned first mask layer 70.
  • the opening part 25a is formed in the center of the laminated film 20a.
  • the etching may use RIE, and the opening 25a may be formed using a focused ion beam (FIB).
  • the opening 25a may have a diameter of 100 nm or less.
  • the laminate layer 20a may remove the substrate 60, the first mask layer 70, and the second mask layers 80a and 80b existing in the peripheral portion of the lower portion through an additional etching process, and the laminate layer 20a may be removed. It may be used to manufacture the device in a state including the remaining portion of the lower substrate 60 and the second mask layer 80b.
  • the second insulating layer 24 may be deposited to form the nanopore film 20 of FIG. 2.
  • Atomic layer deposition may be used as the deposition method of the second insulating layer 24.
  • ALD Atomic layer deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • a film of several nanometers in thickness can be uniformly grown, thereby allowing a uniform film to be grown around the opening 25a (see FIG. 3D).
  • the second insulating material is deposited around the opening 25a, the circumference of the opening 25a becomes smaller and smaller, and the gas molecules serving as the source are no longer allowed to enter the opening 25a so that the deposition cannot be continued. Done.
  • a nano pore 25 having a uniform size can be formed.
  • the deposition thickness of the second insulating layer 24 is controlled according to the size of the desired nano-pore 25, thereby forming a nano-pore 25 having a size of 10nm or less.
  • 4A and 4B are photographs showing how the nanopores 25 are formed.
  • FIGS. 4A and 4B are photographs of the opening 25a before the second insulating layer 24 is deposited, and FIG. 4B is a photograph of the nano pores 25 after the second insulating layer 24 is deposited.
  • FIG. 4A is a scanning electron microscopy (SEM) micrograph showing an opening 25a formed using electron beam lithography and reactive ion etching, wherein the opening 25a is about 70 to 80 nm in size.
  • 4B is a scanning electron micrograph showing a state in which nanopores 25 of 10 nm or less are formed after deposition of the second insulating layer 24.
  • FIG. 5 is a graph showing ion conductance according to the concentration of potassium chloride (KCl) solution measured in the nano-pore structure of the device for DNA analysis according to the technical idea of the present invention.
  • KCl potassium chloride
  • the nano-pore film 20 used for the measurement is the electrode layer 21 of 30 nm titanium nitride (TiN), the first insulating layers 22a and 22b of 20 nm silicon nitride (Si 3 N 4 ), and by ALD It is a nano-pore film 20 in which titanium oxide (TiO 2 ), which is the second insulating layer 24, is deposited to form nano-pores 25 of 10 nm or less.
  • TiN titanium nitride
  • TiO 2 titanium oxide
  • the concentration of potassium chloride (KCl) is lowered, the ion conductance does not have a linear proportional relationship as described above, and exhibits a specific conductance.
  • This conductance characteristic is that the second insulating layer 24 itself has a surface charge, and an electrical double layer 26 composed of counter ions is formed around the second insulating layer 24 so that the second insulating layer is formed. This is because screening the surface charge of (24).
  • the surface charge of the second insulating layer 24, which is a gate insulating film, may vary depending on an insulating material. For example, silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and tin oxide (SnO 2 ) may have surface charges. Negative, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and zinc oxide (ZnO) may have a positive surface charge.
  • Debye leghth which is inversely proportional to the square root of the concentration of the electrolyte in the solution.
  • a relatively thick electrical bilayer 26 is formed.
  • the electrical double layer 26 overlaps in the nanopores 25 so that the interior of the nanopores 25 is filled with counter ions, and the type and amount of ions present in the nanopores 25 are potassium chloride (KCl). It does not change according to the concentration of the concentration range in which the saturation of the ion conductance occurs. This ion selectivity is the basis for operating as an ion transistor.
  • the electrical double layer 26 may overlap in the nano-pores 25 even if the draw length is small.
  • the nanopores 25 can have ion selectivity. In the case of using a high concentration of solution, the high ion concentration also increases the measured ion current, thereby increasing the accuracy of the measurement.
  • 6A and 6B are graphs illustrating ion currents according to a drain voltage V D and a gate voltage V G of an ion transistor of a device for DNA analysis according to the inventive concept. This is the result of using a nanopore membrane having the same structure as in the conductance measurement of FIG. 5 and using potassium chloride (KCl) at a concentration of 10 ⁇ 4 M.
  • KCl potassium chloride
  • FIG. 6A the characteristics of the ion current I D according to the drain voltage V D when the gate voltage V G changes from ⁇ 1 V to 1 V are illustrated, and the characteristics of the diode are shown. This is due to the asymmetrical shape of the fabricated nanopores.
  • FIG. 6B when the drain voltage V D changes from 0V to 1V, characteristics of the ion current I D according to the gate voltage V G are shown.
  • the graph inserted therein is a graph showing the value of the ion current I D on a log scale. It can be seen that the ion current I D is controlled according to the gate voltage V G , and the ion transistor behaves similarly to a conventional p-type field effect transistor (pFET).
  • the ions flowing into the nanopores through the flow of the ion current I D at the negative gate voltage V G may be considered to have a positive charge, and may be potassium ions (K +) in a potassium chloride (KCl) solution.
  • Figure 7a is a schematic diagram showing the DNA passing through the nano-pores 25 in accordance with the spirit of the present invention
  • Figure 7b is a graph showing the flow of current to explain the DNA sequencing method.
  • the DNA in the solution containing the DNA passes through the nanopores 25 as shown.
  • the DNA contained in the solution passes through the nanopores 25, there is an energy barrier due to elements such as electrostatic interaction or geometric limitations in the nanopores 25.
  • DNA can pass in one direction to overcome the barrier.
  • DNA is a polymer of nucleotides, and the nucleotide is composed of pentose sugar, phosphoric acid and base, and the phosphate group has a negative charge due to the difference in electronegativity between phosphorus and oxygen constituting the phosphate group. Therefore, the movement can be adjusted by the ion field effect mentioned above.
  • the charge of the DNA, RNA, peptide or protein to be analyzed can be controlled by using a high charge or a specific charge to have a specific charge.
  • the current is blocked by the ions flowing in the nano-pores (25) to generate a blockade signal (blockade signal), whereby the adenine (A), the constituent base of the DNA, According to the type of thymine (T), guanine (G), and cytokine (C), a second electrical signal, for example, a current value, may be displayed.
  • the current may be measured from the first electrode 30 and the second electrode 40 of the DNA analysis apparatus 100 of FIG. 1, through which the base of the DNA may be analyzed.
  • the nano-pores 25 of 10nm or less it is possible to distinguish between single stranded and double stranded DNA (double stranded) of the DNA, according to the DNA analysis apparatus according to the present invention 10nm or less Since the nano pores 25 are used, such a distinction may be possible.
  • the transit time through which the DNA passes through the nanopores 25 should be sufficient.
  • the first electrical signal applied for example, a voltage
  • the charge in the nano-pores 25 corresponding to the channel of the ion transistor it is possible to control the rate of DNA movement have. A detailed control process will be described below with reference to FIG. 8.
  • each of the bases A, T, G, and C constituting the DNA may represent a detection current having a different magnitude. Therefore, the sequential detection of each base of the DNA is possible through the magnitude of the detection current, thereby enabling the sequencing of the base sequence of the DNA.
  • the second electrical signal it is required that the amount of current detected is large and the difference in the current value according to the base sequence is large.
  • the gate voltage (V G ) and the surface charge of the second insulating layer 24 applied to the conductive layer 21 of the nano-pore membrane 20 of FIG. 7A may also be adjustable, thereby facilitating sequencing of DNA.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an exemplary DNA analysis process using a device for DNA analysis using a nano-pore structure according to the spirit of the present invention.
  • a first signal in the chamber 10 in the electrical signal unit 50 may be used.
  • a first electrical signal for example, a predetermined voltage is applied to the electrode layer 21 of the electrode 30, the second electrode 40, and / or the nanopore layer 20.
  • a positive gate voltage V G and a drain voltage V D and a negative source voltage V S may be applied.
  • the step S115 of moving the DNA in the solution of the chamber 10 proceeds, and the DNA may be moved from the first region 12 of the chamber 10 to the second region 14.
  • the gate voltage V G may be 1 V or less so that the first insulating layers 22a and 22b and the second insulating layer 24 of the nanopore film 20 do not breakdown or leak current flows. In the step S110, a separate voltage may not be applied to the gate voltage V G.
  • the second electrical signal may be a current generated by the flow of ions.
  • the above-described blocking signal is generated, through the reception of the current, it is possible to detect the DNA and sequencing the base sequence. If detection of DNA is recognized, it may be necessary to slow down or stop the movement for analysis of DNA.
  • step S130 of adjusting the gate voltage V G which is the first electrical signal applied to the conductive layer 21 of the nano-pore film 20, is performed. This is to control the movement of DNA for analysis after detecting the DNA through the current received in the receiving and analyzing step (S120).
  • step S130 the step S135 of controlling the moving speed of the DNA in the nanopores 25 is performed. For example, when a positive voltage is applied to the gate voltage V G , the movement of DNA having a negative charge may be stopped or the movement speed may be reduced according to the magnitude of the voltage. Therefore, it is possible to secure a transit time for analysis of DNA.
  • the entry of DNA into the nanopores 25 may be prevented as necessary.
  • the DNA may be blocked from moving into the nanopores 25.
  • the analysis of DNA is performed again through the step of receiving and analyzing current (S120), controlling the gate voltage (V G ) (S130), controlling the movement of DNA (S135), and receiving a current.
  • the process of analyzing (S120) may be repeated.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a PCR quantitative detection apparatus using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention.
  • PCR Polymerase chain reaction
  • the PCR quantitative detection apparatus 1000 using the nano-pore structure includes a buffer solution input unit 210, a sample input unit 220, a reaction unit 230, a concentration control unit 240, and a detection unit 250. ) And a disposal unit 260.
  • a plurality of opening and closing portions are positioned between the buffer solution input unit 210, the sample input unit 220, the reaction unit 230, the concentration control unit 240, the detection unit 250, and the disposal unit 260, and independently May be performed.
  • the buffer solution input unit 210 may inject a buffer solution into the reaction unit 230 and the concentration controller 240.
  • the buffer solution may provide a buffer solution or dilution solution for the amplification and detection environment composition of DNA.
  • the buffer solution inlet 210 may be configured in the form of a syringe, in which case it may be controlled and operated by pneumatic pressure, such as a syringe pump.
  • the buffer solution input unit 210 may include a plurality of the syringes.
  • the sample input unit 220 may input samples for amplification of the DNA into the reaction unit 230.
  • the sample may be a template for amplifying DNA, primers, DNA nucleotides, DNA polymerases, and the like.
  • Sample input unit 220 may also be configured in the form of a syringe.
  • the reaction unit 230 is a chamber in which PCR is performed and may have a size of several nanoliters to several microliters.
  • the reaction unit 230 may receive a material necessary for performing PCR from the buffer solution input unit 210 and the sample input unit 220 to perform a reaction.
  • the reaction unit 230 may include a peltier element, a resistance heater, or the like, whereby the temperature required to perform PCR may be controlled.
  • the concentration control unit 240 may control the concentration of the DNA amplified by the reaction unit 230 by the buffer solution from the buffer solution input unit 210 to optimize the detection of the DNA in the detection unit 250.
  • the concentration controller 240 may be configured in the form of a channel as shown in the figure, and may dilute the DNA by a dilution solution such as potassium chloride (KCl) solution.
  • KCl potassium chloride
  • the detector 250 may include a device for DNA analysis 100 using the nanopore structure of FIG. 1. DNA moved by electrophoresis may be quantitatively analyzed while passing through the nanopores in the detector 250. Similar to the sequencing of the DNA described above with reference to FIGS. 7A and 7B, the detection unit 250 may analyze the length of the DNA and the amount of DNA by the change of the ion current caused by the DNA passing through the nanopores.
  • the absolute quantitative analysis is possible by analyzing the DNA through the nanopore.
  • quantitative analysis may be performed in a short time through dilution after amplification, and may be analyzed at low cost since it is a non-labeled method.
  • the present embodiment the case of quantitatively analyzing DNA amplified by PCR, but the present invention is not limited to this, it will be understood that it can be used for quantitative analysis of DNA in various applications.

Abstract

Provided are a DNA analysis device using a nano pore structure, a DNA analysis method and a PCR quantitative detecting device. A DNA analysis device using a nano pore structure according to an embodiment of the present invention includes: a chamber receiving a solution and having a first area and a second area; a first electrode positioned in the first area; a second electrode positioned in the second area, facing the first electrode; a nano pore film positioned between the first electrode and the second electrode and having a conductive layer and nano pores penetrating the conductive layer; and an electric signal section electrically connected to the conductive layer, the first electrode and the second electrode, applying first electric signals thereto and receiving second electric signals therefrom, wherein DNA in the solution is detected using the second electric signals.

Description

나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치, 분석 방법 및 PCR 정량 검출 장치DNA analysis device, analysis method and PCR quantitative detection device using nanopore structure
본 발명은 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치, 이를 이용한 분석 방법 및 PCR 정량 검출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, DNA를 레이블링(labeling) 없이 분석할 수 있는 나노 포어를 이용한 DNA 분석용 장치, 이를 이용한 분석 방법 및 PCR 정량 검출 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for DNA analysis using a nano-pore structure, an analytical method and a PCR quantitative detection apparatus using the same, and more particularly, an apparatus for DNA analysis using nano-pores capable of analyzing DNA without labeling. It relates to an analysis method and a PCR quantitative detection device using the same.
용매 내에 양이온과 음이온이 존재하는 경우, 이온의 움직임을 선택적으로 조절하여, 용매 내에서 전하를 갖고 있는 입자의 흐름을 조절할 수 있게 하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이와 같은 노력은 최근에 들어 DNA, RNA 및 단백질과 같은 생체 물질의 흐름을 조절함으로써, 생체 기작의 원리를 규명하고자 하는 전 세계적인 연구방향과 일치하여 많은 연구가 진행되고 있다.  이러한 소자를 제조하기 위해서는 나노미터 크기의 채널(channel) 구조 또는 포어(pore) 구조를 형성하는 것이 요구된다.When cations and anions are present in the solvent, studies are being actively conducted to selectively control the movement of ions to control the flow of charged particles in the solvent. In recent years, many researches are being conducted in accordance with the global research direction to determine the principle of biological mechanisms by regulating the flow of biological materials such as DNA, RNA and protein. In order to manufacture such a device, it is required to form a nanometer-sized channel structure or a pore structure.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 나노 포어 구조를 이용하여 전기적 신호를 검출하여 DNA를 용이하게 분석할 수 있는 DNA 분석용 장치 및 PCR 정량 검출 장치를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an apparatus for DNA analysis and a PCR quantitative detection apparatus that can easily analyze DNA by detecting an electrical signal using a nanopore structure.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, DNA 분석용 장치를 이용하여 전기적 신호를 인가하고 검출함으로써 용이하게 DNA를 분석하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for easily analyzing DNA by applying and detecting an electrical signal using a DNA analysis apparatus.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치가 제공된다. 상기 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치는, 용액을 수용하고, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버; 상기 제1 영역에 위치하는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 상기 제2 영역에 위치하는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 위치하고, 도전층 및 상기 도전층을 관통하는 나노 포어를 포함하는 나노 포어 막; 상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되어, 제1 전기적 신호를 인가하고, 그들로부터 제2 전기적 신호를 수신하는 전기 신호부;를 포함하고, 상기 제2 전기적 신호를 이용하여 상기 용액 내의 DNA를 검출하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for DNA analysis using a nanopore structure according to an embodiment of the present invention is provided. The device for DNA analysis using the nano-pore structure includes a chamber containing a solution and including a first region and a second region; A first electrode positioned in the first region; A second electrode positioned in the second region opposite the first electrode; And a nano pore film disposed between the first electrode and the second electrode and including a conductive layer and a nano pore passing through the conductive layer. And an electrical signal unit electrically connected to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode to apply a first electrical signal and receive a second electrical signal therefrom. It is characterized by detecting the DNA in the solution.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 DNA가 상기 나노 포어를 통과할 때 변화하는 상기 제2 전기적 신호를 이용하여, 상기 DNA를 구성하는 하나 또는 그 이상의 염기들을 검출할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the second electrical signal that changes when the DNA passes through the nanopores may be used to detect one or more bases constituting the DNA.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 DNA를 구성하는 염기에 따라 다른 값을 나타내는 상기 제2 전기적 신호를 순차적으로 검출하여, 상기 DNA의 시퀀싱을 수행할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the DNA may be sequentially sequenced by detecting the second electrical signal having a different value depending on the base constituting the DNA.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 포어 막은, 상기 도전층의 상측, 하측 또는 양측에 적층된 제1 절연층을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the nano-pore film may further include a first insulating layer stacked on the upper side, the lower side, or both sides of the conductive layer.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 포어 막은, 상기 나노 포어에 인접한 상기 도전층의 측면 및 상기 제1 절연층의 측면 상에 형성되며 상기 제1 절연층을 둘러싸는 제2 절연층을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the nano-pore film may include a second insulating layer formed on a side of the conductive layer adjacent to the nano-pore and a side of the first insulating layer and surrounding the first insulating layer. It may further include.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 도전층은 티타늄 질화물(TiN)을 포함하고, 상기 제1 절연층은 실리콘 산화물(SiO2)을 포함하며, 상기 제2 절연층은 티타늄 산화물(TiO2)을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the conductive layer includes titanium nitride (TiN), the first insulating layer includes silicon oxide (SiO 2 ), and the second insulating layer is titanium oxide (TiO 2). ) May be included.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 DNA 분석용 장치는, 상기 전기 신호부가 상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가하는 전압에 의하여 이온 전계 트랜지스터로 동작할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, the DNA analysis device may operate as an ion field transistor by a voltage applied by the electrical signal unit to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 DNA 분석용 장치는, 상기 나노 포어는 상하측의 지름이 동일한 원기둥 형상이거나 또는 상하측의 지름이 상이한 원뿔대 형상일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the DNA analysis device, the nano-pores may have a cylindrical shape of the same diameter of the upper and lower sides or a truncated conical shape of the diameter of the upper and lower sides.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치를 이용한 DNA 분석 방법이 제공된다. 상기 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석 방법은, 상기의 DNA 분석용 장치를 준비하는 단계; 상기 DNA 분석용 장치의 상기 챔버 내에 DNA를 포함하는 용액을 수용시키는 단계; 상기 전기 신호부로부터 상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 제1 전기적 신호를 인가하는 단계; 및 상기 DNA가 상기 나노 포어를 통과할 때 발생하는 상기 제2 전기적 신호를 수신하는 단계;를 포함한다.A DNA analysis method using a device for DNA analysis using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention is provided. DNA analysis method using the nano-pore structure, preparing the DNA analysis apparatus; Receiving a solution containing DNA in the chamber of the DNA analysis device; Applying a first electrical signal to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode from the electrical signal portion; And receiving the second electrical signal generated when the DNA passes through the nanopores.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 전기적 신호를 수신하는 단계는, 상기 DNA의 이동 속도를 제어하기 위하여, 상기 도전층에 인가되는 상기 제1 전기적 신호를 변화시켜 인가하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, the receiving of the second electrical signal may include changing and applying the first electrical signal applied to the conductive layer in order to control the moving speed of the DNA. It may further include.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 도전층에 인가되는 상기 제1 전기적 신호가 증가됨에 따라 상기 DNA의 이동 속도는 감소될 수 있다.In some embodiments of the present invention, as the first electrical signal applied to the conductive layer is increased, the moving speed of the DNA may be reduced.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치가 제공된다. 상기 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치는 DNA를 포함하는 시료 및 버퍼 용액을 제공하는 적어도 하나의 투입부; 상기 DNA의 증폭이 수행되는 반응부; 및 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 DNA 분석용 장치를 포함하며, 증폭된 상기 DNA가 상기 나노 포어를 통과하면서 발생되는 전기적 신호를 통해 상기 DNA를 정량적으로 분석하는 검출부를 포함한다.Provided is a PCR quantitative detection apparatus using a nanopore structure according to an embodiment of the present invention. PCR quantitative detection apparatus using the nano-pore structure at least one input unit for providing a sample and a buffer solution containing DNA; A reaction unit in which amplification of the DNA is performed; And a DNA analyzing apparatus according to any one of claims 1 to 8, and comprising a detection unit for quantitatively analyzing the DNA through an electrical signal generated while the amplified DNA passes through the nanopores. .
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응부와 상기 검출부 사이에 위치하며, 상기 투입부로부터 상기 버퍼 용액을 공급받아, 증폭된 상기 DNA의 농도를 제어하는 농도 제어부를 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, a concentration controller may be further disposed between the reaction unit and the detection unit to control the concentration of the amplified DNA by receiving the buffer solution from the input unit.
본 발명의 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치에 따르면, 10nm 이하의 크기를 갖는 나노 포어를 이용하며 나노 포어 표면의 전하를 용이하게 조절 가능하여, DNA의 이동 속도를 효율적으로 조절할 수 있다. 이에 의해, DNA의 분석을 위한 시간을 확보할 수 있으며, 전기적 신호의 크기도 조절할 수 있다. According to the apparatus for DNA analysis using the nano-pore structure of the present invention, by using a nano-pore having a size of less than 10nm and can easily control the charge on the surface of the nano-pores, it is possible to efficiently control the movement speed of DNA. As a result, time for DNA analysis can be secured and the magnitude of the electrical signal can be adjusted.
또한, 본 발명의 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석 방법에 따르면, 나노 포어가 형성된 막에 인가되는 전압의 조절을 통해 DNA의 이동을 조절하여 DNA의 효율적인 시퀀싱이 가능하게 된다.In addition, according to the DNA analysis method using the nano-pore structure of the present invention, it is possible to efficiently sequence the DNA by controlling the movement of the DNA through the regulation of the voltage applied to the membrane on which the nano-pores are formed.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치를 도시하는 사시도이다.1 is a perspective view showing a device for DNA analysis using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 나노 포어 막의 구조를 도시하는 사시도이다.2 is a perspective view showing the structure of a nano-pore membrane according to the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 나노 포어 막을 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.3A-3E are cross-sectional views shown in order of process to illustrate an exemplary method for producing nanopore membranes in accordance with the present invention.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 나노 포어가 형성되는 모습을 도시하는 사진들이다.4A and 4B are photographs showing a state in which nanopores are formed according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 DNA 분석용 장치의 나노 포어 구조에서 측정된 염화칼륨(KCl) 용액의 농도에 따른 이온 컨덕턴스(conductance)를 도시한 그래프이다.5 is a graph showing ion conductance according to the concentration of potassium chloride (KCl) solution measured in the nano-pore structure of the DNA analysis device according to the present invention.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 DNA 분석용 장치의 이온 트랜지스터의 드레인 전압(VD) 및 게이트 전압(VG)에 따른 이온 전류를 도시하는 그래프들이다.6A and 6B are graphs showing ion currents according to a drain voltage V D and a gate voltage V G of an ion transistor of a device for DNA analysis according to the present invention.
도 7a는 본 발명에 따른 나노 포어를 통과하는 DNA를 도시하는 개략도이고, 도 7b는 DNA의 시퀀싱 방법을 설명하기 위해 전류의 흐름을 도시하는 그래프이다.FIG. 7A is a schematic diagram showing DNA passing through the nanopores according to the present invention, and FIG. 7B is a graph showing the flow of electric current to explain the method of sequencing DNA.
도 8은 본 발명에 따른 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치를 이용한 DNA의 분석 과정을 도시하는 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a DNA analysis process using a device for DNA analysis using the nanopore structure according to the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치를 도시하는 개략도이다.9 is a schematic diagram showing a PCR quantitative detection apparatus using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.
이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다.  또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.  In the following description, when a layer is described as being on top of another layer, it may be directly on top of another layer, and a third layer may be interposed therebetween. In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity, the same reference numerals in the drawings refer to the same elements.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.  이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.  따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다. Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Thus, the first member, part, region, layer or portion, which will be discussed below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다.  도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다.  따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings, which schematically illustrate ideal embodiments of the present invention. In the figures, for example, variations in the shape shown may be expected, depending on manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to the specific shapes of the regions shown herein, but should include, for example, changes in shape resulting from manufacturing.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치(100)의 일 실시예를 도시하는 사시도이다.1 is a perspective view showing an embodiment of a device for DNA analysis 100 using a nano-pore structure according to the technical idea of the present invention.
도 1을 참조하면, DNA 분석용 장치(100)는 챔버(10) 및 나노 포어(25)가 형성된 막(membrane)(이하, '나노 포어 막'이라 한다)(20)을 포함한다. 나노 포어 막(20)의 양 측에 챔버(10)의 제1 영역(12) 및 제2 영역(14)이 배치된다. 제1 영역(12) 및 제2 영역(14) 내에는 각각 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)이 배치된다. 나노 포어 막(20)은 나노 포어(25)를 포함하며, 나노 포어(25)는 예를 들어 나노 포어 막(20)의 중앙에 위치할 수 있다. 나노 포어 막(20)은 도전층(21), 도전층(21)의 양측의 제1 절연층들(22a, 22b), 및 나노 포어(25)에 인접한 상기 도전층(21)의 측면 및 상기 제1 절연층들(22a, 22b)의 측면 상에 형성되며, 상기 제1 절연막들(22a, 22b)을 둘러싸는 제2 절연층(24)을 포함한다. 챔버(10) 외부에는 전기적 신호를 주고 받을 수 있는 전기 신호부(50)가 배치된다.Referring to FIG. 1, the apparatus 100 for DNA analysis includes a membrane (hereinafter, referred to as a “nanopore membrane”) 20 in which a chamber 10 and nanopores 25 are formed. The first region 12 and the second region 14 of the chamber 10 are disposed on both sides of the nanopore film 20. The first electrode 30 and the second electrode 40 are disposed in the first region 12 and the second region 14, respectively. The nano pore membrane 20 includes a nano pore 25, which may be located at the center of the nano pore membrane 20, for example. The nano-pore film 20 may include a conductive layer 21, first insulating layers 22a and 22b on both sides of the conductive layer 21, and side surfaces of the conductive layer 21 adjacent to the nano-pores 25. The second insulating layer 24 is formed on the side surfaces of the first insulating layers 22a and 22b and surrounds the first insulating layers 22a and 22b. The electrical signal unit 50 that can transmit and receive electrical signals is disposed outside the chamber 10.
챔버(10)는 나노 포어 막(20)에 의해 제1 영역(12) 및 제2 영역(14)으로 분리될 수 있으며, 각각 별개의 챔버로 구성되는 것도 가능하다. 챔버(10)는 DNA를 포함하는 용액을 담기 위한 것으로, 챔버(10)의 상기 제1 영역(12) 및 상기 제2 영역(14) 각각에 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)을 배치한다. 챔버(10)는 유리, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 플라스틱 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 챔버(10)에 담기는 용액은 DNA를 포함하는 용액으로, 전도성을 갖는 용매에 DNA를 용해시켜 유체 상태로 준비되며, 임의의 전도성 용매가 사용될 수 있다. 분석의 대상은 DNA에 한정되지 않으며, DNA, RNA, 펩타이드(peptide) 또는 단백질일 수 있다. 상기 용액은 염산(HCl), 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼륨(KCl) 등의 전해질 용매를 사용할 수 있다. 염화칼륨(KCl)의 경우 양이온과 음이온의 이온 이동도(mobility)의 차이가 거의 없는 특징을 갖는다. 챔버(10)의 외부에서 챔버(10) 내에 상기 용액을 주입 및 배출할 수 있는 주입부(미도시) 및 배출부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 챔버(10)는 미소한 용량을 가질 수 있으며, 어느 한 방향의 길이가 수 마이크로 미터의 치수를 가질 수 있다.The chamber 10 may be separated into the first region 12 and the second region 14 by the nano-pore membrane 20, and may be configured as separate chambers, respectively. The chamber 10 is for containing a solution containing DNA, and the first electrode 30 and the second electrode 40 in each of the first region 12 and the second region 14 of the chamber 10. Place it. The chamber 10 may be made of one or more materials of glass, polydimethylsiloxane (PDMS), and plastic. The solution contained in the chamber 10 is a solution containing DNA, and is prepared in a fluid state by dissolving DNA in a conductive solvent, and any conductive solvent may be used. The subject of analysis is not limited to DNA, but may be DNA, RNA, peptide or protein. The solution may be an electrolyte solvent such as hydrochloric acid (HCl), sodium chloride (NaCl) or potassium chloride (KCl). Potassium chloride (KCl) has almost no difference in ion mobility between cations and anions. The apparatus may further include an injection unit (not shown) and a discharge unit (not shown) capable of injecting and discharging the solution in the chamber 10 from the outside of the chamber 10. The chamber 10 may have a small capacity, and the length of either direction may have a dimension of several micrometers.
제1 전극(30)은 챔버(10)의 제1 영역(12)에 배치될 수 있고, 제2 전극(40)은 챔버(10)의 제2 영역(14)에 배치될 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 챔버(10) 내의 용액에 전압을 인가하여, 상기 용액 내의 이온을 유동시켜 결과적으로 전류의 흐름을 발생시킬 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 각각 단일층이거나 또는 복합층일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 은(Ag) 또는 염화은(AgCl)의 복합층일 수 있다. 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 동일한 물질을 포함하거나 또는 서로 다른 물질을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)은 나노 포어 막(20)에 근접하도록 배치될 수 있다.The first electrode 30 may be disposed in the first region 12 of the chamber 10, and the second electrode 40 may be disposed in the second region 14 of the chamber 10. The first electrode 30 and the second electrode 40 may apply a voltage to the solution in the chamber 10 to flow ions in the solution, resulting in the flow of current. The first electrode 30 and the second electrode 40 are aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), and manganese. (Mn), molybdenum (Mo), nickel (Ni), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tellium (Te), titanium (Ti), tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), nitrides thereof, and silicides thereof. The first electrode 30 and the second electrode 40 may each be a single layer or a composite layer. For example, the first electrode 30 and the second electrode 40 may be a composite layer of silver (Ag) or silver chloride (AgCl). The first electrode 30 and the second electrode 40 may be configured to include the same material or different materials. In addition, the first electrode 30 and the second electrode 40 may be disposed to be close to the nano-pore film 20.
나노 포어 막(20)은 도전층(21), 도전층(21)의 양측의 제1 절연층들(22a, 22b), 및 나노 포어(25)에 인접한 상기 도전층(21)의 측면 및 상기 제1 절연층들(22a, 22b)의 측면 상에 형성되며, 상기 제1 절연막들(22a, 22b)을 둘러싸는 제2 절연층(24)을 포함한다. 나노 포어 막(20)은 중앙부에 형성된 나노 포어(25)를 포함하며, 나노 포어(25)는 나노 포어 막(20)을 관통한다. 나노 포어 막(20)에 대해서는 도 2를 참조하여 하기에 상세히 설명한다.The nano-pore film 20 may include a conductive layer 21, first insulating layers 22a and 22b on both sides of the conductive layer 21, and side surfaces of the conductive layer 21 adjacent to the nano-pores 25. The second insulating layer 24 is formed on the side surfaces of the first insulating layers 22a and 22b and surrounds the first insulating layers 22a and 22b. The nano pore membrane 20 includes a nano pore 25 formed at a central portion, and the nano pore 25 penetrates through the nano pore membrane 20. The nano-pore membrane 20 will be described in detail below with reference to FIG. 2.
전기 신호부(50)는 제1 전극(30), 제2 전극(40) 및 나노 포어 막(20)의 도전층(21)에 제1 전기적 신호, 예를 들어 전압을 인가할 수 있다. 또한, 전기 신호부(50)는 제1 전극(30), 제2 전극(40) 및 나노 포어 막(20)의 도전층(21)으로부터 제2 전기적 신호, 예를 들어 전류를 수신할 수 있다.The electrical signal unit 50 may apply a first electrical signal, for example, a voltage, to the conductive layer 21 of the first electrode 30, the second electrode 40, and the nanopore film 20. In addition, the electrical signal unit 50 may receive a second electrical signal, for example, a current, from the conductive layer 21 of the first electrode 30, the second electrode 40, and the nanopore film 20. .
상기 나노 포어 막(20)의 도전층(21)에 인가되는 전압은 게이트 전압(VG), 상기 제1 전극(30)에 인가되는 전압은 소스 전압(VS), 상기 제2 전극(40)에 인가되는 전압은 드레인 전압(VD)으로 지칭할 수 있다. 상기 전기 신호부(100b)는 도전성 부재, 예를 들어 도전성 와이어를 통해 나노 포어 막(20)의 도전층(21), 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 특히 도전층(21)과 연결되는 부분은 탐침(probe)(미도시)에 의해 연결될 수 있다. The voltage applied to the conductive layer 21 of the nanopore film 20 is a gate voltage (V G ), the voltage applied to the first electrode 30 is a source voltage (V S ), the second electrode 40 ) May be referred to as a drain voltage (V D ). The electrical signal part 100b may be electrically connected to the conductive layer 21, the first electrode 30, and the second electrode 40 of the nanopore film 20 through a conductive member, for example, a conductive wire. In particular, the portion connected to the conductive layer 21 may be connected by a probe (not shown).
전기 신호부(50)에 의해 인가되는 게이트 전압(VG), 소스 전압(VS) 및 드레인 전압(VD)에 의해 DNA 분석용 장치(100)는 이온 전계 트랜지스터(ionic field effect transistor, IFET)로 동작할 수 있다. 이온 전계 트랜지스터는 채널을 이동하는 캐리어들이 전자 또는 홀이 아닌 전해질 이온들이라는 점을 제외하고는 통상적인 반도체 전계 효과 트랜지스터와 그 원리가 유사하다. 따라서, 전자의 이동이 아닌 이온의 이동에 의한 이온 전류가 흐르게 되며 나노 포어(25)는 이온의 이동에 대한 채널로서 작용한다. 챔버(10) 내에 전해질 용액을 수용하는 경우, 이온화된 양이온 및 음이온이 챔버(10)에 인가되는 소스 전압(VS), 및 드레인 전압(VD)에 의해 어느 한 방향으로 이동할 수 있게 되며, 나노 포어 막(20)의 도전층(21)에 인가되는 게이트 전압(VG)에 의해 트랜지스터의 온(on) 상태 및 오프(off) 상태를 제어할 수 있다. 용액 내에 DNA가 포함되는 경우, 전기적 신호에 따른 DNA의 거동에 대해서는 도 7a 및 7b를 참조하여 하기에 상세히 기술한다. By the gate voltage (V G ), the source voltage (V S ) and the drain voltage (V D ) applied by the electrical signal unit 50, the device for DNA analysis 100 is an ionic field effect transistor (IFET). Can be operated as Ion field transistors are similar in principle to conventional semiconductor field effect transistors except that the carriers traveling through the channel are electrolyte ions, not electrons or holes. Therefore, the ion current flows due to the movement of the ions, not the movement of the electrons, and the nanopores 25 serve as channels for the movement of the ions. When receiving the electrolyte solution in the chamber 10, the ionized cations and anions can be moved in either direction by the source voltage (V S ) and the drain voltage (V D ) applied to the chamber 10, The on state and the off state of the transistor may be controlled by the gate voltage V G applied to the conductive layer 21 of the nanopore film 20. When DNA is included in the solution, the behavior of the DNA according to the electrical signal is described in detail below with reference to FIGS. 7A and 7B.
도 2는 본 발명에 따른 나노 포어 막(20)의 구조를 도시하는 사시도이다.2 is a perspective view showing the structure of the nano-pore membrane 20 according to the present invention.
도 2를 참조하면, 나노 포어 막(20)은 도전층(21), 도전층(21)의 양측의 제1 절연층들(22a, 22b), 및 나노 포어(25)에 인접한 상기 도전층(21)의 측면 및 상기 제1 절연층들(22a, 22b)의 측면 상에 형성되고, 상기 제1 절연막들(22a, 22b)을 둘러싸는 제2 절연층(24)을 포함한다. 즉, 나노 포어(25)의 둘레는 제2 절연층(24)이 연장되어 도전층(21) 및 제1 절연층들(22a, 22b)을 감싸는 형태이며, 나노 포어(25) 둘레의 제2 절연층(24)은 이온 트랜지스터의 게이트 절연막으로 작용할 수 있다. 나노 포어(25)는 상하측의 지름이 동일한 원기둥 형상이거나 또는 상하측의 지름이 상이한 원뿔대 형상일 수 있다. 나노 포어 막(20)을 구성하는 도전층(21), 제1 절연층들(22a, 22b), 및 제2 절연층(24)의 두께는 수십 나노 미터일 수 있으며, 예를 들어 도전층(21)은 20nm 내지 40nm, 예를 들어 약 30nm의 두께를 가질 수 있고, 제1 절연층들(22a, 22b)은 각각 15nm 내지 25nm, 예를 들어 약 20nm의 두께를 가질 수 있다. 제2 절연층(24)은 20nm 내지 40nm의 두께를 가질 수 있다.Referring to FIG. 2, the nano pore film 20 may include a conductive layer 21, first insulating layers 22a and 22b on both sides of the conductive layer 21, and the conductive layer adjacent to the nanopore 25. 21 and a second insulating layer 24 formed on the side surfaces of the first insulating layers 22a and 22b and surrounding the first insulating layers 22a and 22b. That is, the periphery of the nano pore 25 is a form in which the second insulating layer 24 extends to surround the conductive layer 21 and the first insulating layers 22a and 22b, and the second periphery of the nano pore 25. The insulating layer 24 may serve as a gate insulating film of the ion transistor. The nano pores 25 may have a cylindrical shape having the same upper and lower diameters or a truncated conical shape having different upper and lower diameters. The thickness of the conductive layer 21, the first insulating layers 22a and 22b, and the second insulating layer 24 constituting the nanopore film 20 may be several tens of nanometers. 21) may have a thickness of 20 nm to 40 nm, for example about 30 nm, and the first insulating layers 22a and 22b may each have a thickness of 15 nm to 25 nm, for example about 20 nm. The second insulating layer 24 may have a thickness of 20 nm to 40 nm.
도전층(21)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 도전층(21)은 단일층이거나 또는 복합층일 수 있다.The conductive layer 21 includes aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), manganese (Mn), and molybdenum (Mo). , Nickel (Ni), lead (Pb), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tellurium (Te), titanium (Ti) , Tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), nitrides thereof, and silicides thereof. The conductive layer 21 may be a single layer or a composite layer.
제1 절연층들(22a, 22b) 및 제2 절연층(24)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 또는 고유전율(high-k) 유전물층 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 제1 절연층들(22a, 22b) 및 제2 절연층(24)은 단일층이거나 또는 복합층일 수 있다. 상기 고유전율(high-k) 유전물층은 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The first insulating layers 22a and 22b and the second insulating layer 24 may be formed of silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), or high-k dielectric constant (high-k). It may include any one or more of the dielectric layer. The first insulating layers 22a and 22b and the second insulating layer 24 may be a single layer or a composite layer. The high-k dielectric layer includes aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2) ), Zirconium silicon oxide (ZrSi x O y ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium silicon oxide (HfSi x O y ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), lanthanum aluminum oxide (LaAl x O y ), lanthanum hafnium At least one of an oxide (LaHf x O y ), a hafnium aluminum oxide (HfAl x O y ), and a praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ) may be included.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 포어 막을 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.3A to 3E are cross-sectional views according to a process sequence to explain an exemplary method for manufacturing a nano-pore film according to the spirit of the present invention.
도 3a를 참조하면, 기판(60) 상에 제1 절연층(22b), 도전층(21) 및 제2 절연층(22a)이 순서대로 적층된 적층막(20a)을 형성하고, 그 위에 제1 마스크층(70)을 적층한다. 상기 막들은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등의 증착 방법을 이용하여 적층할 수 있다. 이어서, 기판(60)의 하면 및 제1 마스크층(70) 상에 제2 마스크층들(80a, 80b)을 적층한다. 기판(60)은, 예를 들어 실리콘(Si) 기판일 수 있다. 제1 마스크층(70) 및 제2 마스크층들(80a, 80b)은 산화물, 질화물, 산질화물을 포함할 수 있다. 제1 마스크층(70)과 제2 마스크층들(80a, 80b)은 서로 다른 식각 선택비를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 제1 마스크층(70)은 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있고, 제2 마스크층들(80a, 80b)은 실리콘 질화물(Si3N4)을 포함할 수 있다. 또는 이와 반대일 수 있다.Referring to FIG. 3A, a laminated film 20a in which the first insulating layer 22b, the conductive layer 21, and the second insulating layer 22a are sequentially stacked is formed on the substrate 60, and the first insulating layer 22b is formed on the substrate 60. 1 mask layer 70 is laminated. The films may be deposited using a deposition method such as chemical vapor deposition (CVD) or reactive sputtering. Subsequently, second mask layers 80a and 80b are stacked on the lower surface of the substrate 60 and the first mask layer 70. The substrate 60 may be, for example, a silicon (Si) substrate. The first mask layer 70 and the second mask layers 80a and 80b may include oxides, nitrides, and oxynitrides. The first mask layer 70 and the second mask layers 80a and 80b may include a material having different etching selectivity. For example, the first mask layer 70 may include silicon oxide (SiO 2 ), and the second mask layers 80a and 80b may include silicon nitride (Si 3 N 4 ). Or vice versa.
도 3b를 참조하면, 기판(60)을 식각하는 단계가 진행된다. 기판(60)의 하면의 제2 마스크층(80b)에 패턴을 형성한다. 별도의 마스크층(미도시)을 사용하여 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 제2 마스크층(80b)을 식각하여 상기 패턴을 형성할 수 있다. 상기 식각은 반응성 이온 식각법(reactive ion etching, RIE)을 이용할 수 있다. 다음으로, 패턴된 하면의 제2 마스크층(80b)을 이용하여 기판(60)을 식각한다. 기판(60)의 식각은 수산화칼륨(KOH)를 이용한 비등방성 습식 식각법을 이용할 수 있다. 본 단계에서 기판(60)의 중앙부를 식각함으로써, 후 공정에서의 개구부(25a, 도 3d 참조)의 형성이 용이해질 수 있다.Referring to FIG. 3B, the step of etching the substrate 60 is performed. A pattern is formed in the second mask layer 80b on the lower surface of the substrate 60. A pattern may be formed using a separate mask layer (not shown), and the pattern may be formed by etching the second mask layer 80b. The etching may use reactive ion etching (RIE). Next, the substrate 60 is etched using the patterned second mask layer 80b. The substrate 60 may be etched using anisotropic wet etching using potassium hydroxide (KOH). By etching the central portion of the substrate 60 in this step, the formation of the openings 25a (see FIG. 3D) in a later process may be facilitated.
도 3c를 참조하면, 제2 마스크층(80a) 상에 포토 레지스트층(90)을 적층한 후, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하여 나노 포어 형성을 위한 패턴을 형성한다. 포토 레지스트층(90)은 폴리메틸메타크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA)을 포함할 수 있으며, 스핀 코팅(spin-coating)법에 의해 도포될 수 있다. 상기 패턴을 이용하여, 제2 마스크층(80a)을 식각하고, 포토 레지스트층(90)을 제거한다.Referring to FIG. 3C, after the photoresist layer 90 is stacked on the second mask layer 80a, a pattern for forming nanopores is formed by using electron beam lithography. The photoresist layer 90 may include poly methyl methacrylate (PMMA) and may be applied by spin-coating. Using the pattern, the second mask layer 80a is etched to remove the photoresist layer 90.
도 3d를 참조하면, 적층막(20a)의 중앙에 개구부(25a)를 형성하는 2 단계 식각 공정이 진행된다. 먼저, 패턴이 형성된 제2 마스크층(80a)을 이용하여 제1 마스크층(70)을 식각한다. 상기 식각은 RIE를 이용할 수 있다. 다음으로, 패턴된 제1 마스크층(70)을 이용하여 적층막(20a)을 식각한다. 이에 의해 적층막(20a)의 중앙에 개구부(25a)가 형성된다. 상기 식각은 RIE를 이용할 수 있으며, 집속 이온빔(focused ion beam, FIB)을 사용하여 개구부(25a)를 형성할 수도 있다. 개구부(25a)는 100nm 이하의 지름을 가질 수 있다. 적층막(20a)은 추가적인 식각 공정을 통해 하부의 주변부에 존재하는 기판(60), 제1 마스크층(70) 및 제2 마스크층들(80a, 80b)을 제거할 수 있으며, 적층막(20a) 하부의 기판(60) 및 제2 마스크층(80b)의 잔존 부분을 포함한 상태로 소자의 제조에 사용될 수도 있다.Referring to FIG. 3D, a two-step etching process of forming the opening 25a in the center of the stacked film 20a is performed. First, the first mask layer 70 is etched using the second mask layer 80a on which the pattern is formed. The etching may use RIE. Next, the laminated film 20a is etched using the patterned first mask layer 70. Thereby, the opening part 25a is formed in the center of the laminated film 20a. The etching may use RIE, and the opening 25a may be formed using a focused ion beam (FIB). The opening 25a may have a diameter of 100 nm or less. The laminate layer 20a may remove the substrate 60, the first mask layer 70, and the second mask layers 80a and 80b existing in the peripheral portion of the lower portion through an additional etching process, and the laminate layer 20a may be removed. It may be used to manufacture the device in a state including the remaining portion of the lower substrate 60 and the second mask layer 80b.
도 3e를 참조하면, 제2 절연층(24)을 증착하여, 도 2의 나노 포어 막(20)을 형성할 수 있다. 제2 절연층(24)의 증착법으로는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용할 수 있다. CVD를 사용하는 경우에 비하여 ALD를 사용하는 경우, 수 나노 미터 두께의 막을 균일하게 성장시킬 수 있으며, 이에 의해 개구부(25a, 도 3d 참조) 둘레에도 균일한 막의 성장이 가능하다. 개구부(25a) 둘레에 제2 절연 물질이 증착되면서 개구부(25a)의 둘레가 점점 작아지게 되고, 소스가 되는 가스 분자가 더 이상 개구부(25a) 내로 들어가지 못하게 되어 증착이 계속되지 못하는 한계가 발생하게 된다. 이를 셀프-리미팅(self-limiting) 효과라고 하며, 이에 의해 균일하게 일정 크기를 갖는 나노 포어(25)가 형성될 수 있다. 제2 절연층(24)의 증착 두께는 목적하는 나노 포어(25)의 크기에 따라 제어되며, 이에 의해 10nm 이하의 크기를 갖는 나노 포어(25)를 형성할 수 있게 된다.  Referring to FIG. 3E, the second insulating layer 24 may be deposited to form the nanopore film 20 of FIG. 2. Atomic layer deposition (ALD) may be used as the deposition method of the second insulating layer 24. When ALD is used as compared with the case of using CVD, a film of several nanometers in thickness can be uniformly grown, thereby allowing a uniform film to be grown around the opening 25a (see FIG. 3D). As the second insulating material is deposited around the opening 25a, the circumference of the opening 25a becomes smaller and smaller, and the gas molecules serving as the source are no longer allowed to enter the opening 25a so that the deposition cannot be continued. Done. This is called a self-limiting effect, whereby a nano pore 25 having a uniform size can be formed. The deposition thickness of the second insulating layer 24 is controlled according to the size of the desired nano-pore 25, thereby forming a nano-pore 25 having a size of 10nm or less.
도 4a 및 도 4b는 나노 포어(25)가 형성되는 모습을 도시하는 사진들이다.4A and 4B are photographs showing how the nanopores 25 are formed.
도 2와 함께, 도 4a 및 도 4b를 참조한다. 도 4a는 제2 절연층(24)이 증착되기 전의 개구부(25a)의 사진이고, 도 4b는 제2 절연층(24)이 증착된 후의 나노 포어(25)의 사진이다. In conjunction with FIG. 2, reference is made to FIGS. 4A and 4B. 4A is a photograph of the opening 25a before the second insulating layer 24 is deposited, and FIG. 4B is a photograph of the nano pores 25 after the second insulating layer 24 is deposited.
도 4a는 전자빔 리소그래피 및 반응성 이온 식각법을 사용하여 형성한 개구부(25a)를 도시하는 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진으로, 개구부(25a)의 크기는 70 내지 80nm 정도이다. 도 4b는 제2 절연층(24)의 증착 후 10nm 이하의 나노 포어(25)가 형성된 모습을 도시하는 주사 전자 현미경 사진이다. 상술한 셀프-리미팅 효과에 의해 개구부(25a)로부터 지름이 60nm 내지 70nm 정도 축소된 나노 포어(25)가 형성될 수 있다.FIG. 4A is a scanning electron microscopy (SEM) micrograph showing an opening 25a formed using electron beam lithography and reactive ion etching, wherein the opening 25a is about 70 to 80 nm in size. 4B is a scanning electron micrograph showing a state in which nanopores 25 of 10 nm or less are formed after deposition of the second insulating layer 24. By the above-described self-limiting effect, the nanopores 25 having a diameter reduced by about 60 nm to 70 nm may be formed from the opening 25a.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 따른 DNA 분석용 장치의 나노 포어 구조에서 측정된 염화칼륨(KCl) 용액의 농도에 따른 이온 컨덕턴스(conductance)를 도시한 그래프이다.5 is a graph showing ion conductance according to the concentration of potassium chloride (KCl) solution measured in the nano-pore structure of the device for DNA analysis according to the technical idea of the present invention.
도 5를 참조하면, 염화칼륨(KCl)의 농도가 높은 경우, 이온 컨덕턴스는 전해질 농도에 선형적으로 비례한다. 측정에 사용된 나노 포어 막(20)은 전극층(21)이 30nm의 티타늄 질화물(TiN)이고, 제1 절연층(22a, 22b)이 20nm의 실리콘 질화물(Si3N4)이며, ALD에 의해 제2 절연층(24)인 티타늄산화물(TiO2)을 증착하여, 10nm 이하의 나노 포어(25)가 형성된 나노 포어 막(20)이다. 상기 염화칼륨(KCl)의 농도가 낮아지면, 이온 컨덕턴스는 상기와 같은 선형 비례 관계를 가지지 않게 되고, 특정 컨덕턴스를 나타내게 된다. Referring to FIG. 5, when the concentration of potassium chloride (KCl) is high, the ionic conductance is linearly proportional to the electrolyte concentration. The nano-pore film 20 used for the measurement is the electrode layer 21 of 30 nm titanium nitride (TiN), the first insulating layers 22a and 22b of 20 nm silicon nitride (Si 3 N 4 ), and by ALD It is a nano-pore film 20 in which titanium oxide (TiO 2 ), which is the second insulating layer 24, is deposited to form nano-pores 25 of 10 nm or less. When the concentration of potassium chloride (KCl) is lowered, the ion conductance does not have a linear proportional relationship as described above, and exhibits a specific conductance.
이와 같은 컨덕턴스 특성은, 제2 절연층(24) 자체가 표면 전하를 가지는데, 반대 이온(counter ion)으로 구성된 전기적 이중층(26)이 제2 절연층(24) 둘레에 형성되어 제2 절연층(24)의 표면 전하를 가리기(screening) 때문이다. 게이트 절연막인 제2 절연층(24)이 가지는 표면 전하는 절연 물질에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2) 및 주석 산화물(SnO2)은 표면 전하가 음이고, 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 아연 산화물(ZnO)은 표면 전하가 양일 수 있다. 상기와 같이 표면 전하를 가리는 현상은 드바이 길이(Debye leghth)에 의해 해석 가능하며, 드바이 길이는 용액 내의 전해질의 농도의 제곱근에 반비례한다. This conductance characteristic is that the second insulating layer 24 itself has a surface charge, and an electrical double layer 26 composed of counter ions is formed around the second insulating layer 24 so that the second insulating layer is formed. This is because screening the surface charge of (24). The surface charge of the second insulating layer 24, which is a gate insulating film, may vary depending on an insulating material. For example, silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and tin oxide (SnO 2 ) may have surface charges. Negative, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and zinc oxide (ZnO) may have a positive surface charge. The phenomenon of masking the surface charge as described above can be interpreted by Debye leghth, which is inversely proportional to the square root of the concentration of the electrolyte in the solution.
도 5의 그래프 안에 삽입된 나노 포어 막(20)의 도시를 참조하면, 낮은 농도에서는 상대적으로 전기적 이중층(26)이 두껍게 형성 된다. 나노 포어(25) 내에서 전기적 이중층(26)이 겹쳐지게 되어 나노 포어(25)의 내부가 반대 이온들에 의해 채워지며, 나노 포어(25) 내에 존재하는 이온의 종류와 양이 염화칼륨(KCl)의 농도에 따라 변하지 않게 되어 이온 컨덕턴스의 포화가 일어나는 농도 구간이 발생하게 된다. 이와 같은 이온 선택성은 이온 트랜지스터로 동작하는 기반이 된다. 나노 포어(25)의 크기가 작아지면, 드바이 길이가 작아도 나노 포어(25) 내에서 전기적 이중층(26)이 겹쳐질 수 있다. 따라서, 더 높은 농도의 용액을 사용하더라도 나노 포어(25)가 이온 선택성을 가질 수 있게 된다. 높은 농도의 용액을 사용하는 경우, 이온 농도가 높아서 측정되는 이온 전류도 증가하므로 측정의 정밀도가 높아질 수 있다.Referring to the illustration of the nano-pore film 20 inserted in the graph of FIG. 5, at a low concentration, a relatively thick electrical bilayer 26 is formed. The electrical double layer 26 overlaps in the nanopores 25 so that the interior of the nanopores 25 is filled with counter ions, and the type and amount of ions present in the nanopores 25 are potassium chloride (KCl). It does not change according to the concentration of the concentration range in which the saturation of the ion conductance occurs. This ion selectivity is the basis for operating as an ion transistor. As the size of the nano-pores 25 becomes smaller, the electrical double layer 26 may overlap in the nano-pores 25 even if the draw length is small. Thus, even if a higher concentration of solution is used, the nanopores 25 can have ion selectivity. In the case of using a high concentration of solution, the high ion concentration also increases the measured ion current, thereby increasing the accuracy of the measurement.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 기술적 사상에 따른 DNA 분석용 장치의 이온 트랜지스터의 드레인 전압(VD) 및 게이트 전압(VG)에 따른 이온 전류를 도시하는 그래프들이다. 도 5의 컨덕턴스 측정의 경우와 동일한 구조의 나노 포어 막을 사용하고, 10-4M 농도의 염화칼륨(KCl)을 사용한 결과이다.6A and 6B are graphs illustrating ion currents according to a drain voltage V D and a gate voltage V G of an ion transistor of a device for DNA analysis according to the inventive concept. This is the result of using a nanopore membrane having the same structure as in the conductance measurement of FIG. 5 and using potassium chloride (KCl) at a concentration of 10 −4 M.
도 6a를 참조하면, 게이트 전압(VG)이 -1V에서 1V로 변화할 때의 드레인 전압(VD)에 따른 이온 전류(ID)의 특성을 나타내며, 다이오드의 특성을 보인다. 이는 제작된 나노 포어의 비대칭적인 형상에 기인한 것으로 해석된다. Referring to FIG. 6A, the characteristics of the ion current I D according to the drain voltage V D when the gate voltage V G changes from −1 V to 1 V are illustrated, and the characteristics of the diode are shown. This is due to the asymmetrical shape of the fabricated nanopores.
도 6b를 참조하면, 드레인 전압(VD)이 0V에서 1V로 변화할 때, 게이트 전압(VG)에 따른 이온 전류(ID)의 특성을 나타낸다. 내부에 삽입된 그래프는 이온 전류(ID)의 값을 로그(log) 스케일로 나타낸 그래프이다. 게이트 전압(VG)에 따라 이온 전류(ID)가 제어됨을 확인할 수 있으며, 상기 이온 트랜지스터는 통상적인 p-타입의 전계 효과 트랜지스터(pFET)와 유사하게 거동한다. 음의 게이트 전압(VG)에서 이온 전류(ID)가 흐르는 것을 통해 나노 포어 내부로 흐르는 이온은 양전하를 가진 것으로 생각할 수 있으며, 염화칼륨(KCl) 용액의 칼륨이온(K+)일 수 있다. 제2 절연층(24)인 티타늄산화물(TiO2)은 표면 전하가 음이므로 양이온인 K+이 나노 포어(25) 내에 채워져 채널을 통해 흐르는 것일 수 있으며, 이온의 이동도(mobility)는 약 1cm2/secV로 측정되었다. Referring to FIG. 6B, when the drain voltage V D changes from 0V to 1V, characteristics of the ion current I D according to the gate voltage V G are shown. The graph inserted therein is a graph showing the value of the ion current I D on a log scale. It can be seen that the ion current I D is controlled according to the gate voltage V G , and the ion transistor behaves similarly to a conventional p-type field effect transistor (pFET). The ions flowing into the nanopores through the flow of the ion current I D at the negative gate voltage V G may be considered to have a positive charge, and may be potassium ions (K +) in a potassium chloride (KCl) solution. Titanium oxide (TiO 2 ), which is the second insulating layer 24, has a negative surface charge, and thus, K +, which is a cation, may be filled in the nanopores 25 and flow through the channel, and the mobility of ions may be about 1 cm 2. It was measured at / secV.
도 7a는 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 포어(25)를 통과하는 DNA를 도시하는 개략도이고, 도 7b는 DNA의 시퀀싱 방법을 설명하기 위해 전류의 흐름을 나타내는 그래프이다.Figure 7a is a schematic diagram showing the DNA passing through the nano-pores 25 in accordance with the spirit of the present invention, Figure 7b is a graph showing the flow of current to explain the DNA sequencing method.
도 7a를 참조하면, DNA를 포함하는 용액 내의 DNA는 도시된 바와 같이 나노 포어(25)를 통과하게 된다. 용액에 포함된 DNA가 나노 포어(25)를 통과할 때, 나노 포어(25) 내의 정전기적 상호 작용(electrostatic interaction) 또는 기하학적인 제한 등의 요소들에 의한 에너지 장벽(energy barrier)이 존재한다. 용액 및 나노 포어 막(20)의 전극층(21)에 인가되는 전압에 의해 DNA는 상기 장벽을 극복하며 일 방향으로 통과할 수 있다. DNA는 뉴클레오티드(nucleotide)들의 중합체이며, 뉴클레오티드는 5탄당, 인산 및 염기로 구성되어 있으며, 상기 인산기는 인산기를 구성하는 산소와 인과의 전기 음성도의 차이에 의해 음전하를 갖는다. 따라서, 상술한 이온 전계 효과에 의해 그 이동을 조절할 수 있다. 분석의 대상이 되는 DNA, RNA, 펩타이드 또는 단백질이 갖는 전하는 고유전하를 이용하거나, 특정 전하를 갖도록 용액의 pH를 제어할 수 있다. DNA가 나노 포어(25)를 통과하는 경우, 나노 포어(25) 내에 흐르는 이온에 의한 전류를 차단하게 되어 차단 신호(blockade signal)가 발생하게 되는데, 이에 의해 DNA의 구성 염기인 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G) 및 시토닌(C)의 종류에 따라 다른 제2 전기적 신호, 예컨대 전류값을 나타낼 수 있다. 상기 전류는 도 1의 DNA 분석 장치(100)의 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)으로부터 측정될 수 있으며, 이를 통해 DNA의 구성 염기를 분석할 수 있다. Referring to FIG. 7A, the DNA in the solution containing the DNA passes through the nanopores 25 as shown. When the DNA contained in the solution passes through the nanopores 25, there is an energy barrier due to elements such as electrostatic interaction or geometric limitations in the nanopores 25. By the voltage applied to the electrode layer 21 of the solution and the nano-pore membrane 20, DNA can pass in one direction to overcome the barrier. DNA is a polymer of nucleotides, and the nucleotide is composed of pentose sugar, phosphoric acid and base, and the phosphate group has a negative charge due to the difference in electronegativity between phosphorus and oxygen constituting the phosphate group. Therefore, the movement can be adjusted by the ion field effect mentioned above. The charge of the DNA, RNA, peptide or protein to be analyzed can be controlled by using a high charge or a specific charge to have a specific charge. When the DNA passes through the nano-pores (25), the current is blocked by the ions flowing in the nano-pores (25) to generate a blockade signal (blockade signal), whereby the adenine (A), the constituent base of the DNA, According to the type of thymine (T), guanine (G), and cytokine (C), a second electrical signal, for example, a current value, may be displayed. The current may be measured from the first electrode 30 and the second electrode 40 of the DNA analysis apparatus 100 of FIG. 1, through which the base of the DNA may be analyzed.
일반적으로 10nm 이하의 나노 포어(25)를 사용하는 경우, DNA의 단일 가닥(single stranded) 및 이중 가닥(double stranded)의 구별이 가능할 수 있으며, 본 발명에 따른 DNA 분석용 장치에 의하면 10nm 이하의 나노 포어(25)를 사용하므로 상기와 같은 구별이 가능할 수 있다. DNA의 분석을 위해서는 DNA가 나노 포어(25)를 통과하는 통과 시간이 충분하여야 한다. 본 발명에 따른 DNA 분석용 장치의 경우, 인가되는 제1 전기적 신호, 예컨대 전압을 제어하여, 이온 트랜지스터의 채널에 해당하는 나노 포어(25) 내부의 전하를 제어함으로써, DNA의 이동 속도를 조절할 수 있다. 구체적인 제어 과정은 도 8을 참조하여 하기에 설명한다.In general, when using the nano-pores 25 of 10nm or less, it is possible to distinguish between single stranded and double stranded DNA (double stranded) of the DNA, according to the DNA analysis apparatus according to the present invention 10nm or less Since the nano pores 25 are used, such a distinction may be possible. For the analysis of DNA, the transit time through which the DNA passes through the nanopores 25 should be sufficient. In the device for DNA analysis according to the present invention, by controlling the first electrical signal applied, for example, a voltage, by controlling the charge in the nano-pores 25 corresponding to the channel of the ion transistor, it is possible to control the rate of DNA movement have. A detailed control process will be described below with reference to FIG. 8.
도 7b를 참조하면, 상기 차단 신호에 의해 수신되는 전류와 같은 제2 전기적 신호를 이용하여, DNA 염기 서열을 시퀀싱(sequencing)하는 예시적인 방법을 나타낸다. 상기 제2 전기적 신호를 검출 전류라 칭하면, DNA를 구성하는 각 염기들(A, T, G, C)은 다른 크기의 검출 전류를 나타낼 수 있다. 따라서 상기 검출 전류의 크기를 통해 DNA의 각각의 염기에 대한 순차적인 검출이 가능하며, 이에 의해 상기 DNA의 염기 서열의 시퀀싱이 가능하게 된다. 이 경우, 상기 제2 전기적 신호의 용이한 분석을 위해서, 검출되는 전류량이 많고 염기 서열에 따른 전류값의 차이가 클 것이 요구된다. 본 발명에 따른 DNA 분석용 장치의 경우, 도 7a의 나노 포어 막(20)의 도전층(21)에 인가되는 게이트 전압(VG) 및 제2 절연층(24)의 표면 전하를 제어함으로써, 나노 포어(25)를 통과하는 전류의 양도 조절 가능할 수 있어, DNA의 시퀀싱이 용이해질 수 있다.Referring to FIG. 7B, an exemplary method of sequencing DNA base sequences using a second electrical signal, such as the current received by the blocking signal, is shown. When the second electrical signal is referred to as a detection current, each of the bases A, T, G, and C constituting the DNA may represent a detection current having a different magnitude. Therefore, the sequential detection of each base of the DNA is possible through the magnitude of the detection current, thereby enabling the sequencing of the base sequence of the DNA. In this case, for easy analysis of the second electrical signal, it is required that the amount of current detected is large and the difference in the current value according to the base sequence is large. In the device for DNA analysis according to the present invention, by controlling the gate voltage (V G ) and the surface charge of the second insulating layer 24 applied to the conductive layer 21 of the nano-pore membrane 20 of FIG. 7A, The amount of current passing through the nanopores 25 may also be adjustable, thereby facilitating sequencing of DNA.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치를 이용한 예시적인 DNA의 분석 과정을 도시하는 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating an exemplary DNA analysis process using a device for DNA analysis using a nano-pore structure according to the spirit of the present invention.
도 1과 함께, 도 8을 참조하면, 도 1의 DNA 분석용 장치(100)를 준비하고, 챔버(10) 내에 용액을 수용시킨 후, 전기 신호부(50)에서 챔버(10) 내의 제1 전극(30), 제2 전극(40) 및/또는 나노 포어 막(20)의 전극층(21)에 제1 전기적 신호, 예컨대 일정의 전압을 인가하는 단계(S110)가 진행된다. 예를 들어, 양의 게이트 전압(VG) 및 드레인 전압(VD)과 음의 소스 전압(VS)을 인가할 수 있다. 이에 의해, 챔버(10)의 용액 내의 DNA가 이동하는 단계(S115)가 진행되며, 챔버(10)의 제1 영역(12)에서 제2 영역(14)으로 DNA가 이동될 수 있다. 게이트 전압(VG)은 나노 포어 막(20)의 제1 절연층들(22a, 22b) 및 제2 절연층(24)이 항복(breakdown)되거나 누설 전류(leakage current)가 흐르지 않도록 1V 이하일 수 있으며, 본 단계(S110)에서는 게이트 전압(VG)에 별도의 전압을 인가하지 않을 수도 있다. Referring to FIG. 8 together with FIG. 1, after preparing the device for DNA analysis 100 of FIG. 1, accommodating a solution in the chamber 10, a first signal in the chamber 10 in the electrical signal unit 50 may be used. In operation S110, a first electrical signal, for example, a predetermined voltage is applied to the electrode layer 21 of the electrode 30, the second electrode 40, and / or the nanopore layer 20. For example, a positive gate voltage V G and a drain voltage V D and a negative source voltage V S may be applied. As a result, the step S115 of moving the DNA in the solution of the chamber 10 proceeds, and the DNA may be moved from the first region 12 of the chamber 10 to the second region 14. The gate voltage V G may be 1 V or less so that the first insulating layers 22a and 22b and the second insulating layer 24 of the nanopore film 20 do not breakdown or leak current flows. In the step S110, a separate voltage may not be applied to the gate voltage V G.
다음으로, 전기 신호부(50)에서 제2 전기적 신호, 예컨대 전류를 수신하고 분석하는 단계(S120)가 진행된다. 상기 제2 전기적 신호는 이온의 흐름에 의해 발생하는 전류일 수 있다. DNA가 나노 포어(25)를 통과하는 경우, 상술한 차단 신호가 발생하게 되어 상기 전류의 수신을 통해, DNA의 검출이 가능하며 염기 서열의 시퀀싱이 가능하다. DNA의 검출이 인지된 경우, DNA의 분석을 위해 이동 속도를 느리게 하거나 정지하게 할 필요가 있을 수 있다.Next, an operation (S120) of receiving and analyzing a second electrical signal, for example, a current, from the electrical signal unit 50 is performed. The second electrical signal may be a current generated by the flow of ions. When the DNA passes through the nano-pores 25, the above-described blocking signal is generated, through the reception of the current, it is possible to detect the DNA and sequencing the base sequence. If detection of DNA is recognized, it may be necessary to slow down or stop the movement for analysis of DNA.
다음 단계에서, 나노 포어 막(20)의 도전층(21)에 인가되는 제1 전기적 신호인 게이트 전압(VG)를 조절하는 단계(S130)가 진행된다. 상기 전류의 수신 및 분석 단계(S120)에서 수신된 전류를 통해 DNA를 검출한 후 분석을 위해 DNA의 이동을 조절하기 위함이다. 본 단계(S130)에 의해 나노 포어(25) 내의 DNA의 이동 속도를 제어하는 단계(S135)가 수행된다. 예를 들어, 게이트 전압(VG)에 양의 전압을 인가하는 경우, 전압의 크기에 따라서 음의 전하를 갖는 DNA의 이동이 정지되거나 이동 속도가 줄어들도록 할 수 있다. 따라서, DNA의 분석을 위한 통과 시간의 확보가 가능하다. 또한, 상기 전류의 수신 및 분석 단계(S120)에서 DNA가 검출되지 않은 경우에도, 필요에 따라 나노 포어(25) 내로 DNA의 진입을 막을 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트 전압(VG)에 음의 전압을 인가하는 경우, DNA가 나노 포어(25) 내로 이동되지 않도록 차단 가능할 것이다.In the next step, step S130 of adjusting the gate voltage V G , which is the first electrical signal applied to the conductive layer 21 of the nano-pore film 20, is performed. This is to control the movement of DNA for analysis after detecting the DNA through the current received in the receiving and analyzing step (S120). In step S130, the step S135 of controlling the moving speed of the DNA in the nanopores 25 is performed. For example, when a positive voltage is applied to the gate voltage V G , the movement of DNA having a negative charge may be stopped or the movement speed may be reduced according to the magnitude of the voltage. Therefore, it is possible to secure a transit time for analysis of DNA. In addition, even when DNA is not detected in the reception and analysis step (S120), the entry of DNA into the nanopores 25 may be prevented as necessary. For example, when a negative voltage is applied to the gate voltage V G , the DNA may be blocked from moving into the nanopores 25.
DNA의 이동을 제어하면서 다시 전류의 수신 및 분석 단계(S120)를 통해 DNA의 분석이 수행되며, 게이트 전압(VG)를 조절하며(S130) DNA의 이동을 제어(S135)하고 전류를 수신하고 분석(S120)하는 과정이 반복될 수 있다.While controlling the movement of DNA, the analysis of DNA is performed again through the step of receiving and analyzing current (S120), controlling the gate voltage (V G ) (S130), controlling the movement of DNA (S135), and receiving a current. The process of analyzing (S120) may be repeated.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치를 도시하는 개략도이다.9 is a schematic diagram showing a PCR quantitative detection apparatus using a nano-pore structure according to an embodiment of the present invention.
중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)은 DNA의 특정 부분을 복제 및 증폭시키는 기술로, 증폭된 DNA의 정량적 분석을 위해 리얼 타임 PCR 장치와 같은 다양한 기술들이 이용되고 있다.Polymerase chain reaction (PCR) is a technique for copying and amplifying specific portions of DNA. Various techniques, such as real-time PCR apparatus, are used for quantitative analysis of amplified DNA.
도 9를 참조하면, 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치(1000)는, 버퍼 용액 투입부(210), 시료 투입부(220), 반응부(230), 농도 제어부(240), 검출부(250) 및 폐기부(260)를 포함할 수 있다. 버퍼 용액 투입부(210), 시료 투입부(220), 반응부(230), 농도 제어부(240), 검출부(250) 및 폐기부(260)의 사이는 복수 개의 개폐부가 위치하여, 독립적으로 물질의 이동이 수행될 수 있다.9, the PCR quantitative detection apparatus 1000 using the nano-pore structure includes a buffer solution input unit 210, a sample input unit 220, a reaction unit 230, a concentration control unit 240, and a detection unit 250. ) And a disposal unit 260. A plurality of opening and closing portions are positioned between the buffer solution input unit 210, the sample input unit 220, the reaction unit 230, the concentration control unit 240, the detection unit 250, and the disposal unit 260, and independently May be performed.
버퍼 용액 투입부(210)는 버퍼(buffer) 용액을 반응부(230) 및 농도 제어부(240)에 투입할 수 있다. 상기 버퍼 용액은 DNA의 증폭 및 검출 환경 조성을 위한 버퍼 용액 또는 희석 용액을 제공할 수 있다. 버퍼 용액 투입부(210)는 시린지(syringe) 형태로 구성될 수 있으며, 이 경우 시린지 펌프와 같이 공압에 의해 제어되고 동작될 수 있다. 버퍼 용액 투입부(210)는 복수 개의 상기 시린지를 포함할 수도 있다.The buffer solution input unit 210 may inject a buffer solution into the reaction unit 230 and the concentration controller 240. The buffer solution may provide a buffer solution or dilution solution for the amplification and detection environment composition of DNA. The buffer solution inlet 210 may be configured in the form of a syringe, in which case it may be controlled and operated by pneumatic pressure, such as a syringe pump. The buffer solution input unit 210 may include a plurality of the syringes.
시료 투입부(220)는 DNA의 증폭을 위한 시료들을 반응부(230)에 투입할 수 있다. 상기 시료는 DNA의 증폭을 위한 템플레이트(template) DAN, 프라이머(primer), DNA 뉴클레오티드(nucleotide), DNA 중합효소 등일 수 있다. 시료 투입부(220)도 시린지 형태로 구성될 수 있다.The sample input unit 220 may input samples for amplification of the DNA into the reaction unit 230. The sample may be a template for amplifying DNA, primers, DNA nucleotides, DNA polymerases, and the like. Sample input unit 220 may also be configured in the form of a syringe.
반응부(230)는 PCR이 수행되는 챔버로서, 수 나노 리터 내지 수 마이크로 리터의 크기를 가질 수 있다. 반응부(230)는 버퍼 용액 투입부(210) 및 시료 투입부(220)로부터 PCR 수행에 필요한 물질을 제공받아 반응이 이루어질 수 있다. 반응부(230)는 펠티예(peltier) 소자 또는 저항 발열기 등을 포함할 수 있으며, 이에 의해 PCR이 수행되는 데 요구되는 온도가 제어될 수 있다.The reaction unit 230 is a chamber in which PCR is performed and may have a size of several nanoliters to several microliters. The reaction unit 230 may receive a material necessary for performing PCR from the buffer solution input unit 210 and the sample input unit 220 to perform a reaction. The reaction unit 230 may include a peltier element, a resistance heater, or the like, whereby the temperature required to perform PCR may be controlled.
농도 제어부(240)는 검출부(250)에서의 DNA의 검출을 최적화하기 위하여 반응부(230)에서 증폭된 DNA의 농도를 버퍼 용액 투입부(210)로부터의 버퍼 용액에 의해 제어할 수 있다. 농도 제어부(240)는 도면에 도시된 바와 같이 채널 형태로 구성될 수 있으며, 염화칼륨(KCl) 용액과 같은 희석 용액에 의해 DNA를 희석할 수 있다.The concentration control unit 240 may control the concentration of the DNA amplified by the reaction unit 230 by the buffer solution from the buffer solution input unit 210 to optimize the detection of the DNA in the detection unit 250. The concentration controller 240 may be configured in the form of a channel as shown in the figure, and may dilute the DNA by a dilution solution such as potassium chloride (KCl) solution.
검출부(250)는 도 1의 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치(100)를 포함할 수 있다. 전기 영동에 의해 이동된 DNA는 검출부(250) 내의 나노 포어를 통과하면서 정량적으로 분석될 수 있다. 검출부(250)는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 상술한 DNA의 시퀀싱과 유사하게, 나노 포어를 통과하는 DNA에 의한 이온 전류의 변화에 의해 DNA의 길이 및 DNA의 양을 분석할 수 있다.The detector 250 may include a device for DNA analysis 100 using the nanopore structure of FIG. 1. DNA moved by electrophoresis may be quantitatively analyzed while passing through the nanopores in the detector 250. Similar to the sequencing of the DNA described above with reference to FIGS. 7A and 7B, the detection unit 250 may analyze the length of the DNA and the amount of DNA by the change of the ion current caused by the DNA passing through the nanopores.
본 발명의 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치(1000)에 따르면, 나노포어를 통과시켜 DNA를 분석함으로써, 절대적인 정량 분석이 가능하다. 또한, 증폭 후 희석화를 거쳐 단시간에 정량 분석이 수행될 수 있으며, 비표지 방식이므로 저비용으로 분석이 가능하다. 본 실시예에서는 PCR에 의해 증폭된 DNA를 정량적으로 분석하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 용도에 있어 DNA의 정량적 분석에 사용될 수 있음이 이해될 것이다.According to the PCR quantitative detection apparatus 1000 using the nanopore structure of the present invention, the absolute quantitative analysis is possible by analyzing the DNA through the nanopore. In addition, quantitative analysis may be performed in a short time through dilution after amplification, and may be analyzed at low cost since it is a non-labeled method. In the present embodiment, the case of quantitatively analyzing DNA amplified by PCR, but the present invention is not limited to this, it will be understood that it can be used for quantitative analysis of DNA in various applications.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope not departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

Claims (13)

  1. 용액을 수용하고, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버;A chamber containing a solution, the chamber comprising a first region and a second region;
    상기 제1 영역에 위치하는 제1 전극;A first electrode positioned in the first region;
    상기 제1 전극에 대향하여 상기 제2 영역에 위치하는 제2 전극; 및A second electrode positioned in the second region opposite the first electrode; And
    상기 제1 전극 및 제2 전극의 사이에 위치하고, 도전층 및 상기 도전층을 관통하는 나노 포어를 포함하는 나노 포어 막;A nano pore film disposed between the first electrode and the second electrode and including a conductive layer and a nano pore passing through the conductive layer;
    상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되어, 제1 전기적 신호를 인가하고, 그들로부터 제2 전기적 신호를 수신하는 전기 신호부;를 포함하고,And an electrical signal unit electrically connected to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode to apply a first electrical signal and receive a second electrical signal therefrom.
    상기 제2 전기적 신호를 이용하여 상기 용액 내의 DNA를 검출하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치.DNA analysis device using a nano-pore structure, characterized in that for detecting the DNA in the solution using the second electrical signal.
  2. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 DNA가 상기 나노 포어를 통과할 때 변화하는 상기 제2 전기적 신호를 이용하여, 상기 DNA를 구성하는 하나 또는 그 이상의 염기들을 검출하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치.And detecting one or more bases constituting the DNA using the second electrical signal that changes when the DNA passes through the nanopores.
  3. 제2 항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 DNA를 구성하는 염기에 따라 다른 값을 나타내는 상기 제2 전기적 신호를 순차적으로 검출하여, 상기 DNA의 시퀀싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치. DNA detection device using a nano-pore structure characterized in that to sequentially detect the second electrical signal having a different value according to the base constituting the DNA, the sequencing of the DNA.
  4. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 나노 포어 막은, 상기 도전층의 상측, 하측 또는 양측에 적층된 제1 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치.The nano-pore membrane further comprises a first insulating layer laminated on the upper, lower or both sides of the conductive layer.
  5. 제4 항에 있어서, The method of claim 4, wherein
    상기 나노 포어 막은, 상기 나노 포어에 인접한 상기 도전층의 측면 및 상기 제1 절연층의 측면 상에 형성되며 상기 제1 절연층을 둘러싸는 제2 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치.The nano-pore film further comprises a second insulating layer formed on the side of the conductive layer adjacent to the nano-pore and the side of the first insulating layer and surrounding the first insulating layer. DNA analysis apparatus using.
  6. 제5 항에 있어서, The method of claim 5,
    상기 도전층은 티타늄 질화물(TiN)을 포함하고, 상기 제1 절연층은 실리콘 산화물(SiO2)을 포함하며, 상기 제2 절연층은 티타늄 산화물(TiO2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치.The conductive layer may include titanium nitride (TiN), the first insulating layer may include silicon oxide (SiO 2 ), and the second insulating layer may include titanium oxide (TiO 2 ). DNA analysis device using the structure.
  7. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 DNA 분석용 장치는, 상기 전기 신호부가 상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가하는 전압에 의하여 이온 전계 트랜지스터로 동작하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치.The device for DNA analysis is a device for DNA analysis using a nano-pore structure, characterized in that the electric signal portion operates as an ion field transistor by a voltage applied to the conductive layer, the first electrode and the second electrode.
  8. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 나노 포어는 상하측의 지름이 동일한 원기둥 형상이거나 또는 상하측의 지름이 상이한 원뿔대 형상인 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석용 장치. The nano-pore is a device for DNA analysis using a nano-pore structure, characterized in that the cylindrical shape of the upper and lower sides are the same or the truncated conical shape of the diameter of the upper and lower sides.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항의 DNA 분석용 장치를 준비하는 단계;Preparing a device for DNA analysis of any one of claims 1 to 8;
    상기 DNA 분석용 장치의 상기 챔버 내에 DNA를 포함하는 용액을 수용시키는 단계;Receiving a solution containing DNA in the chamber of the DNA analysis device;
    상기 전기 신호부로부터 상기 도전층, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 제1 전기적 신호를 인가하는 단계; 및Applying a first electrical signal to the conductive layer, the first electrode, and the second electrode from the electrical signal portion; And
    상기 DNA가 상기 나노 포어를 통과할 때 발생하는 상기 제2 전기적 신호를 수신하는 단계;를 포함하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석 방법.Receiving the second electrical signal generated when the DNA passes through the nano-pores; DNA analysis method using a nano-pore structure comprising a.
  10. 제9 항에 있어서, The method of claim 9,
    상기 제2 전기적 신호를 수신하는 단계는, Receiving the second electrical signal,
    상기 DNA의 이동 속도를 제어하기 위하여, 상기 도전층에 인가되는 상기 제1 전기적 신호를 변화시켜 인가하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석 방법.And changing and applying the first electrical signal applied to the conductive layer in order to control the moving speed of the DNA.
  11. 제10 항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 도전층에 인가되는 상기 제1 전기적 신호가 증가됨에 따라 상기 DNA의 이동 속도는 감소되는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 DNA 분석 방법.DNA moving method using a nano-pore structure, characterized in that the movement speed of the DNA is reduced as the first electrical signal applied to the conductive layer is increased.
  12. DNA를 포함하는 시료 및 버퍼 용액을 제공하는 적어도 하나의 투입부;At least one input unit providing a sample and a buffer solution containing DNA;
    상기 DNA의 증폭이 수행되는 반응부; 및A reaction unit in which amplification of the DNA is performed; And
    제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 DNA 분석용 장치를 포함하며, 증폭된 상기 DNA가 상기 나노 포어를 통과하면서 발생되는 전기적 신호를 통해 상기 DNA를 정량적으로 분석하는 검출부를 포함하는 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치. Claims 1 to 8 including the DNA analysis device according to any one of claims 1 to 8, wherein the amplified DNA comprising a detection unit for quantitatively analyzing the DNA through an electrical signal generated while passing through the nano-pores PCR quantitative detection apparatus using a pore structure.
  13. 제12 항에 있어서, The method of claim 12,
    상기 반응부와 상기 검출부 사이에 위치하며, 상기 투입부로부터 상기 버퍼 용액을 공급받아, 증폭된 상기 DNA의 농도를 제어하는 농도 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 구조를 이용한 PCR 정량 검출 장치.Located between the reaction unit and the detection unit, receiving the buffer solution from the input unit, PCR quantitative detection device using a nano-pore structure further comprises a concentration control unit for controlling the concentration of the amplified DNA .
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