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문제 정의
- 이를 위해 카르복실 산이 연결된 BD 물질을 전기 화학적 환원반응을 통해 고정하여 실리콘 표면을 활성화 하는 방식을 선택하였다. 그리고 활성화 된 표면에서만 기능성 물질이 고정된 것을 확인함을 통하여 BD 양이온를 사용한 고정화의 방법이 선택적 활성화를 위한 효과 적인 방법임을 증명하고자 한다. 이것은 두 가지 경우로 나누어 진행된다.
- 나노 소자상의 실리콘 나노와이어 어레이를 전극으로 사용함에 앞서 실리콘 웨이퍼를 일정한 크기로 잘라서 전극으로 사용하여 선택적 활성화 반응을 연구하고 이결과를 나노소자를 이용하는데 반영하고자 하였다. 실리콘의 산화막은 나노전자소자 센서의 감도를 감소시키므로 전기화학 반응시 환원반응에 의한 앵커 물질의 고정화가 일어나게 하는 것이 유리하다.
- 1과 같은 메커니즘으로 실리콘 표면에 고정하게 된다. 다양한 작용기 중에서 carboxyl 작용기를 가지는 BD 이온을 고정시킨 뒤 추가의 표면 반응을 진행하여 생체분자나 나노입자를 선택적으로 고정시키는 과정을 구현하고자 하였다. 또한 carboxyl 작용기의 반응성을 검정하기 위해 Bromobenzenediazonium (BrBD)을 사용하였다.
- 본 연구에서는 실리콘 표면을 전기화학적으로 활성화 하여 활성화된 표면에만 선택적으로 생체물질이나 나노 입자 등의 기능성 물질을 고정화하는 방법을 개발하고자 한다. 이를 위해 카르복실 산이 연결된 BD 물질을 전기 화학적 환원반응을 통해 고정하여 실리콘 표면을 활성화 하는 방식을 선택하였다.
제안 방법
- 앞서 실리콘 웨이퍼를 잘라 작업 전극 기판으로 사용한 경우와 달리 나노와이어가 탑재된 소자 상에서는 10 nm 크기의 금 나노입자의 선택적 고정 현상을 관찰하였다. (Fig. 6 참고) 하나의 소자 당 총 33개의 와이어 중에서 인접하지 않은 두 세 개의 번호를 임의로 선택하여 전기화학 반응을 진행시킨 후 그 번호와 인접한 와이어와 고정된 나노입자의 양을 SEM 이미지를 통해 비교하는 식으로 진행하였다. 면적이 크고두터운 실리콘 전극에 비해 실리콘 와이어는 저항이커지므로 전기화학적 반응의 조건이 달라질 수 있으므로 세척 또는 반응시간 등의 조절에 있어 보다 조심스런 접근이 필요하다.
- 표면에 고정시킬 CMBD 용액을 피펫을 사용하여 PDMS 셀 내에 삽입하고 Fig. 6의 (c)와 같이 기준전극과 작업전극을 연결한 뒤 일정전위기를 이용하여 CV를 수행하였다. CMBD의 고정화 반응 후 소자를 세척한 뒤 Fig.
- 사용 전에 4% NH4F 수용액에서 10 초에서 1 분 정도 에칭시켜 실리콘 산화막을 제거하였다. 33개의 나노선 중에서 특정한 몇 개의번호만 골라 그 번호에 해당되는 나노와이어에 연결된금 재질의 패드에 작업전극에 대한 금속 프루브를 눌러접촉시켜 전기화학적인 신호를 가하였다.
- CMBD 양이온의 전기화학적 고정반응을 통해 효소 단백질과 금 나노입자 등의 기능성 물질을 실리콘 전극 표면상에 공간 선택적으로 고정시키는 방법을 개발하였다. CMBD를 반응시킨 영역에만 작용기 물질이 지배적으로 고정됨을 확인하여 우리의 방법이 높은 선택성의 고정화에 효율적임을 증명하였다.
- CMBD의 고정화반응 의해 생성된 박막이 #이온에 대한 실리콘 전극 표면으로의 전자전달 반응을 방해하는 현상을 관찰하였다. Fig.
- HRP를 직접 사용하는 대신 보다 용이한 고정화연구를 위해 단백질인 SA가 연결된 형태인 HRP-SA를 사용하였다. SA이란 단백질은 avidin 처럼 biotin이란 리간드물질과 매우 강하게 비가역적으로 결합한다고 알려져있다.
- 이 셀을 실리콘 나노와이어 칩 상에 밀착시켜 용액이 새어 나가지 못하게 하였다. 각 나노와이어를 작업 전극으로 사용하기 위하여 핀 형태의 프루브를 나노와이어에 연결된 금 박막패드에 눌러 접촉시키고 일정전위기 (potentiostat)에 연결하였다. 표면에 고정시킬 CMBD 용액을 피펫을 사용하여 PDMS 셀 내에 삽입하고 Fig.
- 먼저 진한 황산과 30% 과산화수소 (3 : 1) 용액에서 1분간 씻어준 뒤 40% NH4F 수용액에서 20 분간 담가 산화막을 제거하였다. 과량의 3차 증류수로 씻어준뒤 미리 준비한 BD의 전해질 용액에 노출시켜 전기화학 반응을 수행하였다. Fig.
- 세척과정에서는 4% NH4F 용액을 제조하여 소자 전체를 담가 10초에서 1분 까지 다양한 시간 동안 자연적으로 생성된 SiO2 를 제거하였다. 다양한 길이와 폭을 가지는 실리콘 나노와이어 어레이가 탑재된칩 상에서 전기화학 반응을 수행하기 위해 PDMS 재질의 전기화학 셀을 제작하였다. 이 셀을 실리콘 나노와이어 칩 상에 밀착시켜 용액이 새어 나가지 못하게 하였다.
- 첫째 실리콘 웨이퍼를 두 구역으로 나누어 생체물질인 효소단백질을 공간 선택적으로 고정화 한다. 둘째 실리콘 나노소자에 탑재된 실리콘 나노선 어레이 중 선택된 나노선의 표면만을 활성화하고 금 나노입자를 선택적으로 고정한다. BD 양이온의 전기화학반응을 이용한 실리콘 나노선 어레이 상으로의 선택적 고정화에 관한 연구는 아직 보고된 적이 없다.
- 실리콘의 산화막은 나노전자소자 센서의 감도를 감소시키므로 전기화학 반응시 환원반응에 의한 앵커 물질의 고정화가 일어나게 하는 것이 유리하다. 따라서 본 연구에서는 앵커 물질로 전기화학적 환원에 의해 반응을 일으키는 benzenediazonium (BD) 이온을 선택하였고 실리콘 전극에서 환원반응을 시켜 Fig. 1과 같은 메커니즘으로 실리콘 표면에 고정하게 된다. 다양한 작용기 중에서 carboxyl 작용기를 가지는 BD 이온을 고정시킨 뒤 추가의 표면 반응을 진행하여 생체분자나 나노입자를 선택적으로 고정시키는 과정을 구현하고자 하였다.
- 다양한 작용기 중에서 carboxyl 작용기를 가지는 BD 이온을 고정시킨 뒤 추가의 표면 반응을 진행하여 생체분자나 나노입자를 선택적으로 고정시키는 과정을 구현하고자 하였다. 또한 carboxyl 작용기의 반응성을 검정하기 위해 Bromobenzenediazonium (BrBD)을 사용하였다. carboxyl 작용기가 도입된 BD는 상업적으로 판매되지 않으므로 직접 합성하였다.
- 05% Tween) 용액과 기판 전체를 접촉시켜 표면 biotin과 반응시켰다. 반응 후의 표면에서 HRP의 효소반응을 일으키기 위하여 이후 HRP의 기질인 4-Chloronaphtol, 1 mM를 녹인 5 mL의 메탄올과 PBS의혼합 용액에 HRP-SA가 고정된 기판 표면을 노출시킨 상태에서 수 μL의 과산화수소를 가하여 효소의 촉매반응을 일으키게 하였다. HRP가 고정된 곳에는 수용액에 녹지 않는 촉매반응의 생성물 침전이 쌓이게 되어 색깔이 짙게 변하고 이것은 눈이나 현미경으로 식별이 가능하다.
- 보고된 문헌을 참고하여 CMBD를 합성하였다. 합성 후정제는 따로 하지 않았으며 혼합물의 상태로 전기화학 실험에 사용하였다.
- 이 작용기를 Nh y d r o x y s u c c i n i m d e ( N H S )와 1 - E t h y l - 3 - ( 3 -dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC)의 혼합용액을 사용하여 NHS의 ester를 생성시켜 이 표면이 용액 중의 일차 아민과 빠른 반응이 가능하도록 한다. 선택 적으로 표면 반응이 진행된 것을 확인하기 위하여 효소가 만드는 침전반응을 관찰하였다. 이 방법은 이미 발표된 논문의 방법을 그대로 이용하였다.
- 표면에 비특이적인 단백질의 흡착을 방지하기 위하여 Bovine serum albumin (BSA)가 혼합된 PBS 용액에서 10 분간 노출시켰다. 세척 후 HRP-SA의 PBST (PBS ＋ 0.05% Tween) 용액과 기판 전체를 접촉시켜 표면 biotin과 반응시켰다. 반응 후의 표면에서 HRP의 효소반응을 일으키기 위하여 이후 HRP의 기질인 4-Chloronaphtol, 1 mM를 녹인 5 mL의 메탄올과 PBS의혼합 용액에 HRP-SA가 고정된 기판 표면을 노출시킨 상태에서 수 μL의 과산화수소를 가하여 효소의 촉매반응을 일으키게 하였다.
- 작업전극으로는 실리콘 표면을 기준전극은 Cypress 사의 Ag/AgCl를 보조전극으로는 백금 선을 사용하였다. 소자상의 나노선을 작업전극으로 사용할 경우 polydimethylsiloxane (PDMS) 재질의 전기화학 셀을 제작하여 소자 기판 상에 눌러 고정시켜 전해질 용액이 새지 않게 하였다. 실리콘 나노선이 탑재된 소자는 이미 보고된 문헌대로 제작되었다.
- 실리콘 표면 전극을 선택적으로 활성화하기 위하여 실리콘 웨이퍼 조각의 일부분만을 CMBD를 포함한 혼합용액에 담가 전기화학반응을 시키거나 O-ring으로 전극을 한정시켜 전기화학반응을 진행하였다. CMBD의고정으로 활성화된 부분에만 선택적으로 기능성 물질을 고정시키기 위해 carboxyl 작용기에 추가적인 반응을 시켰고 기능성 물질로는 생체물질인 과산화효소나 금나노입자를 사용하였다.
- 7에 나타내었다. 실제 소자 상에서는 인접한 나노와이어 사이의간격이 200 μm 이나 나노와이어간의 비교를 용이하게 하기위하여 겹쳐 제시하였다. 전기화학 반응으로 CMBD를 선택적으로 반응시킨 아래 부분의 나노와이어에만 주로 금 나노입자가 고정된 것을 볼 수 있다.
- 이번에는 SOI 기판 상에 제작된 실리콘 나노와이어 어레이를 이용하여 선택적으로 나노입자를 고정시키는 연구를 수행하였다. 앞서 실리콘 웨이퍼를 잘라 작업 전극 기판으로 사용한 경우와 달리 나노와이어가 탑재된 소자 상에서는 10 nm 크기의 금 나노입자의 선택적 고정 현상을 관찰하였다. (Fig.
- 본 연구에서는 실리콘 표면을 전기화학적으로 활성화 하여 활성화된 표면에만 선택적으로 생체물질이나 나노 입자 등의 기능성 물질을 고정화하는 방법을 개발하고자 한다. 이를 위해 카르복실 산이 연결된 BD 물질을 전기 화학적 환원반응을 통해 고정하여 실리콘 표면을 활성화 하는 방식을 선택하였다. 그리고 활성화 된 표면에서만 기능성 물질이 고정된 것을 확인함을 통하여 BD 양이온를 사용한 고정화의 방법이 선택적 활성화를 위한 효과 적인 방법임을 증명하고자 한다.
- 이번에는 SOI 기판 상에 제작된 실리콘 나노와이어 어레이를 이용하여 선택적으로 나노입자를 고정시키는 연구를 수행하였다. 앞서 실리콘 웨이퍼를 잘라 작업 전극 기판으로 사용한 경우와 달리 나노와이어가 탑재된 소자 상에서는 10 nm 크기의 금 나노입자의 선택적 고정 현상을 관찰하였다.
- 4) 용액에 노출시켜 아마이드 결합을 통해 biotin이 드러난 표면을 만들었다. 표면에 비특이적인 단백질의 흡착을 방지하기 위하여 Bovine serum albumin (BSA)가 혼합된 PBS 용액에서 10 분간 노출시켰다. 세척 후 HRP-SA의 PBST (PBS ＋ 0.
대상 데이터
- 4-carboxymethylaniline (CMAn) bromobenzenediazonium (BrBD) salt, ammonium fluoride, 금 나노입자 콜로이드 (10 nm)는 시그마-알드리치, biotin-(PEO)4 -amine 은 Pierce, Horseradish peroxidase (HRP)-conjugated streptavidin (SA)은 Endogen에서 구입하였다. 다른 시약은 특별한 언급이 없으면 시그마-알드리치에서 구입하여 사용하였다.
- 실리콘 표면 전극을 선택적으로 활성화하기 위하여 실리콘 웨이퍼 조각의 일부분만을 CMBD를 포함한 혼합용액에 담가 전기화학반응을 시키거나 O-ring으로 전극을 한정시켜 전기화학반응을 진행하였다. CMBD의고정으로 활성화된 부분에만 선택적으로 기능성 물질을 고정시키기 위해 carboxyl 작용기에 추가적인 반응을 시켰고 기능성 물질로는 생체물질인 과산화효소나 금나노입자를 사용하였다. 과산화효소를 선택한 것은 과산화효소의 촉매 반응을 이용하여 고정화 여부를 쉽게 판단할 수 있을 뿐 아니라 이 효소를 표지로 한 바이오센서 연구가 활발하게 진행되기 때문이다.
- -amine 은 Pierce, Horseradish peroxidase (HRP)-conjugated streptavidin (SA)은 Endogen에서 구입하였다. 다른 시약은 특별한 언급이 없으면 시그마-알드리치에서 구입하여 사용하였다. 사용한 실리콘 웨이퍼로는 저항이 <0.
- 사용한 실리콘 웨이퍼로는 저항이 <0.005 ohm.cm 인 N-type Si(100) (prime 급)을 사용하였으며 폴리싱이 이루진 면만 전극부분으로 활용 하였다.
- 모든 전기화학 실험은 Ivium사의 compactstat을 사용하여 수행하였다. 작업전극으로는 실리콘 표면을 기준전극은 Cypress 사의 Ag/AgCl를 보조전극으로는 백금 선을 사용하였다. 소자상의 나노선을 작업전극으로 사용할 경우 polydimethylsiloxane (PDMS) 재질의 전기화학 셀을 제작하여 소자 기판 상에 눌러 고정시켜 전해질 용액이 새지 않게 하였다.
이론/모형
- 모든 전기화학 실험은 Ivium사의 compactstat을 사용하여 수행하였다. 작업전극으로는 실리콘 표면을 기준전극은 Cypress 사의 Ag/AgCl를 보조전극으로는 백금 선을 사용하였다.
성능/효과
- CMBD 양이온의 전기화학적 고정반응을 통해 효소 단백질과 금 나노입자 등의 기능성 물질을 실리콘 전극 표면상에 공간 선택적으로 고정시키는 방법을 개발하였다. CMBD를 반응시킨 영역에만 작용기 물질이 지배적으로 고정됨을 확인하여 우리의 방법이 높은 선택성의 고정화에 효율적임을 증명하였다. 이 방법은 다중의 물질을 서로 다른 실리콘 나노와이어에 고정하여 다중의 기능을 가지는 센서 소자의 제작에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
후속연구
- 전기화학 반응으로 CMBD를 선택적으로 반응시킨 아래 부분의 나노와이어에만 주로 금 나노입자가 고정된 것을 볼 수 있다. CMBD를 전기화학 반응시키는 시간 및 이후 화학 반응 시간 등을 조절하면 보다 선택성이 높은 고정화가 가능할 것으로 예상된다. 또한 전기화학 반응이 진행된 나노와이어 가까이의 SiO2 표면상에도 나노입자가 많이 발견되었다.
- CMBD를 반응시킨 영역에만 작용기 물질이 지배적으로 고정됨을 확인하여 우리의 방법이 높은 선택성의 고정화에 효율적임을 증명하였다. 이 방법은 다중의 물질을 서로 다른 실리콘 나노와이어에 고정하여 다중의 기능을 가지는 센서 소자의 제작에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
- 그 부분에는 와이어에 걸어준 전류의 누설이 생길 수 있고 그 결과 CMBD의 흡착이 가능하게 된다. 이결과로 볼 때 전류의 누설이 있는 경우라 하더라도 500 nm 정도 까지는 영향을 받지않기 때문에 보다 밀집된 어레이의 제작이 가능할 것으로 본다.
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