임피던스 바이오센서 플랫폼 개발을위한 화학적 표면개질에 관한 연구

Abstract

바이오센서는 DNA, 항체, 효소 등의 표적 물질을 인식할 수 있는 생물학적 식별부와, 감지된 신호를 해석 가능한 신호로 바꾸어 주는 신호 변환기로 이루어진 물리화학적 측정 장치이다. 바이오센서는 생체 물질의 선택적인 반응 및 결합을 이용하므로 바이오센서의 실용화에 있어서 생체 물질의 고정화 방법이 중요하다. 바이오센서는 응용되는 분야에 따라 크게 의료용, 환경용, 군사용, 식품용, 연구용으로 구분할 수 있으며, 간편하고 신속한 분석이 가능하기 때문에 유전질환 또는 감염성 질병의 진단 등에 활용될 수 있다. 임피던스 바이오센서는 전극 표면에서의 단백질 결합의 특이성과 강력한 결합력을 이용한 생물학적 식별부를 형성하여 표적 물질의 커패시턴스(Capacitance) 변화와 저항 변화를 함께 분석할 수 있는 도구이다. 임피던스 바이오센서의 표면개질과 관련하여, 링커를 고정화하기 위한 다양한 방법들이 개발되었으며, 특히, 링커의 고정화 방법으로써 자기조립단분자막(SAM) 방식의 사용이 빠르게 증가하고 있다. 바이오센서를 이용하여 질병을 진단하기 위해서는 바이오센서 표면에서의 다양한 생체 물질의 비특이적인 결합에 자유로운 표면 처리가 선행되어야 한다. 다만, 현재의 표면 처리 기술은 다양한 문제로 인해 실용화가 어려운 실정이다. 특히 임피던스 바이오센서는 센서 표면에 보다 재현성과 감도 높게 링커를 고정화하는 기술의 개발이 우선되어야 하는 바, 최적화된 링커의 고정화 조건을 규명하기 위하여 본 연구를 진행하게 되었다. 본 연구에서는6인치 쿼츠 글래스 웨이퍼(Quartz glass wafer)로 바이오센서를 제작하였다. 먼저 아세톤, 이소프로필 알코올, 초순수를 사용하여 순차적으로 각각 5분간 초음파세척기로 쿼츠 글래스 웨이퍼를 세척한다. 바이오센서의 전극은 7인치 쉐도우 마스크를 사용하여 쿼츠 글래스 웨이퍼 위에 증착 공정으로 진행하였다. 제작된 바이오센서 표면의 불순물을 제거하고 친수성으로 만들기 위해 80°C에서 3:1 H2SO4/H2O2(이하 피라냐 용액) 용액으로 20분 반응시킨 후 초순수를 사용해 남아 있는 피라냐 용액을 모두 제거 한다. 추가적으로 UVO cleaner를 사용해 20분간 UV/Ozone 처리를 통해 최종적으로 친수성 표면을 완성한다. 그 후 에탄올에 희석된 5% (v/v) APTES 용액 10μL를 바이오센서 표면에 떨어뜨려 상온에서 12 시간 이상 건조 시킨 후 초순수로 헹구어 표면에 결합되지 않은 APTES 분자를 하고 실온에서 건조시킨 후 특성 평가를 진행하였다. 0.5V 직류 전압을 기준 전압으로 설정하고 0.1V 교류 전압(Root mean square, RMS)을 주파수에 따라 인가하며 Capacitance 를 측정하였다. 모든 측정 데이터는 최소 50개 이상으로 10Hz부터 1000Hz까지 측정하였다. Nicolet iS50을 사용하여 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)으로 쿼츠 글래스 표면에 결합된 APTES의 존재 여부를 확인하였다. 상온에서 베어(Bare) 센서, UVO 처리된 센서, APTES 분자 처리된 센서 각각의 쿼츠 글래스 표면에 초순수를 처리 후 디지털 카메라(Navitar)로 측면 사진을 촬영하고, UNI-CAM과 ImageJ을 사용하여 이미지 분석을 진행하였다. 본 연구에서는 임피던스 바이오센서의 표면개질을 전기적, 화학적 그리고 물리적 방법을 통해 입증하였다. 첫째, 전기적 방법은 바이오센서의 Capacitance 변화를 측정을 통해 검증하였다. 나노 단위 자가조립단일층 형성을 위해 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) 분자를 바이오센서에 처리하면 즉 두 전극 사이의 APTES 분자의 결합으로 인해 유전 상수가 증가되고 이로 인해 바이오센서의 Capacitance 값이 증가됨을 확인하였다. 둘째, 화학적 방법은 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 측정을 통해 검증하였다. 5% 농도의APTES분자를 처리 후 실온에서 건조시킨 센서는 베어 센서와 다르게 2860 cm-1와1568cm-1에서 흡광피크를 강하게 보여주는데 이 흡광피크는 각각 탄소 골격(C-H)와 아민(N-H)그룹에 의해 발생하기 때문에 이 결과는 상온에서 APTES분자가 성공적으로 쿼츠 글래스 표면에 결합 했음을 말해준다. 셋째, 물리적 방법은 접촉각 측정 및 Atomic force microscopy(AFM) 측정을 통해 입증하였다. APTES 분자 처리 후 접촉각 변화는 39.2°로 확인할 수 있고, AFM 측정 3D는 기존 베어 센서에서 측정된 이미지보다 상대적으로 균일 해짐을 확인할 수 있다. 이는 쿼츠 글래스 표면이 APTES 분자를 통해 효과적으로 개질되었음을 의미한다. 본 연구에서는 쿼츠 글래스 표면과 APTES 분자의 결합 여부를 다양한 방법으로 입증하였다. 먼저 각 단계별 Capacitance 변화 및 FT-IR 측정을 통해 APTES 분자와 쿼츠 글래스간 결합 반응을 증명하였다. 또한 접촉각과 AFM 이미지 분석에 따라 APTES 분자 처리 후 표면 특성이 변형됨을 역시 확인하였다. 본 연구는 APTES 분자를 사용한 바이오센서의 표면개질을 통해 다양한 바이오 물질을 검출할 수 있는 바이오센서의 재현 및 재사용 가능성을 제시하는데 의의를 갖는다.