[논문]다공질 실리콘을 이용한 요소검출용 바이오 센서 제작

진준형; 강철구; 강문식; 송민정; 민남기; 홍석인

[국내논문] 다공질 실리콘을 이용한 요소검출용 바이오 센서 제작
Fabrication and Characterization of Porous Silicon-based Urea Sensor Syst 원문보기

진준형 (고려대학교) , 강철구 (고려대학교) , 강문식 (고려대학교) , 송민정 (고려대학교) , 민남기 (고려대학교) , 홍석인 (고려대학교)

바이오 마이크로 시스템 및 바이오 MEMS 분야, 특히 실리콘을 기질로 하는 바이오 센서 제작에서 반도체 공정 기술은 센서의 대량 생산과 초소형화를 위해서 반드시 필요한 기술이다. 그러나, 감지전극의 마이크로화에 따른 센서의 감도 및 안정성 저하 문제는 해결해야 할 과제이다. 최근, 다공질 실리콘이 갖는 대면적이 실리콘 기질과 생체 고분자 (예: 단백질, 핵산 등) 간의 결합력을 향상시킬 수 있음이 알려지면서, 바이오 센서 분야에서, 새로운 형태의 드랜스듀서 재료로서의 다공질 실리콘에 대한 논의가 활발히 전개되고 있으며 또한, ISFET (Ion-Selective Field-Effect Transistors) 와는 달리 다공질 실리콘 층은 저항이 크기 때문에 센서 제작 과정에서의 부가적인 절연막을 필요로 하지 않는다. 본 연구에서는, 백금을 증착한 다공질 실리콘 표면에 전도성 고분자로서 Polypyrrole (PPy) 필름과 생체 고분자 물질로서 Urease를 각각 전기화학적으로 흡착하였다. 다공질 실리콘 층의 형성을 위해 테플론 소재의 전기화학 전지에 불산 (49%), 에탄올 (95%), $H_2O$ 혼합 용액을 넣고 실리콘 웨이퍼에 일정시간 수 mA의 산화 전류를 흘려주었으며, 약 $200{\AA}$의 티타늄 박막과 $200{\AA}$의 백금 박막을 RF 스퍼터링하여 작업 전극을 제작하였고, 백금 박막 및 Ag를 기화 증착하여 제작한 Ag/AgCl 박막을 각각 상대 전극과 기준전극으로 하였다. 박막 전극의 표면 분석을 위해 SEM (Scanning Electron Microscopy), EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 등을 이용하였다. 제작된 요소 센서로부터 요소 농도 범위 0.01 mmol/L ${\sim}$ 100 mmol/L에서 약 0.2 mA/decade의 감도를 얻었다.

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문제 정의

그러나 여전혀, 내구성이나 재현성 및 복잡한공정과정 등, 해결해야 할 문제가 남아 있다. 본 논문은 PS를 이용한 요소 감지전극 (PSUE) 및 Ag/AgCl 박막기준전극 (TFRE)의 전기화학적 방법을 이용한 제작과특성 분석을 제시하고, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) 등을 이용한 표면 분석 결과를 보였다.

제안 방법

PPy 필름 전기중합에 이어, urease (EC 3.5.1.5, type IV, Jack beans, Sigma chemical Co)를 PPy 필름에 도우핑하였다 1 mmol/L의 인산완충용액 (PBS)에 5 mg/mL 농도로 urease를 용해시켜 Pt 도우핑을 위한 전해질 용액을 제조하고 수소이온 농도를 중성으로 하였다. 중성 용액에서 urease 분자는 음으로 하전되기 때문에 600 mV의 양전압이 인가된 전극으로 이동하여 PPy 필름의 표면층에 도우핑 된다.
PS를 이용하여 안정하고 재현성있는 PSUE와 Ag/AgCl TFRE를 제작하였다. PS 표면의 대면적이 박막과 urease 가 도우핑된 고분자 필름 및 AgCl 사이의 결합력을 강화시켜, 감도가 향상된 센서 전극을 제작할 수 있었으며, 특히, TFRE의 경우, 71 구성 성분이 탈착되는 기존의 문제점을 해결할 수 있었고 TFRE 표면 보호를 위한 보호층도 필요로 하지 않았다.
그림 1. 서로 다른 조건에서 PS 층을 형성시키고 그 표면에 Pt 와 Ag를 증착한 후, PPy와 urease 및 Ag/AgCl 층을 코팅하여 PSUE 와 TFRE흘 제작한 다음 얻은, 각각의 단면에 대한 SEM 사진.

이론/모형

Pt 샹대 전극과 SCE (saturated calomel electrode)# 기준 젼극으로 하는 3 전극 전기화학 전지에서 산화적전기중합법 (anodical electropolymerization)-2.^ Pt 뵶}막에 PPy 필름을 코팅하였다 전해질 수용액의 조성은 KNO₃ 0.1 mol/L, pyrrole 단량체 0.2 mol/였으며, SCE 룗 기준으로 0에서 &X) mV외 전위 범위에서 순환 주:압전류법 (Cyclic Voltammetry)으로 10회 주사하여 검온색의 PPy 필름 표면을 얻었다. 또한, 순환 전압전류 곡선으로부터 충전전류 (capacitive current)가 주사 횟수에따라 증가함을 관찰함으로써 PPy 필름이 성장하고 있음을 확인하였다

성능/효과

제작하였다. PS 표면의 대면적이 박막과 urease 가 도우핑된 고분자 필름 및 AgCl 사이의 결합력을 강화시켜, 감도가 향상된 센서 전극을 제작할 수 있었으며, 특히, TFRE의 경우, 71 구성 성분이 탈착되는 기존의 문제점을 해결할 수 있었고 TFRE 표면 보호를 위한 보호층도 필요로 하지 않았다. 또한, Ag/AgCl TFRE의 EDX 스펙드럼 분석 결과 TFRE를 구성하는 성분이 여러 차례의 특성 분석 실험 후에도 탈착되지 않는 것으로나타났다.
또한, Ag/AgCl TFRE의 EDX 스펙드럼 분석 결과 TFRE를 구성하는 성분이 여러 차례의 특성 분석 실험 후에도 탈착되지 않는 것으로나타났다. PSUE의 EDX 스펙드럼 분석결과 urease가도우핑된 PPy 필름으로 인한 탄소, 질소, 항에 대한 피크가 관찰돠는 것으로 보아, PSUE 표면에 고정화된 필름도 견고하게 흡착되어 있음을 알 수 있었다. TFRE의염소 음이온 농도에 대한 전지전위변화는 선형적이었으며, 그 기울기는 약 50 mV/pC「로서 Nemst 식에 비교적 잘 적용되었다.
PSUE의 EDX 스펙드럼 분석결과 urease가도우핑된 PPy 필름으로 인한 탄소, 질소, 항에 대한 피크가 관찰돠는 것으로 보아, PSUE 표면에 고정화된 필름도 견고하게 흡착되어 있음을 알 수 있었다. TFRE의염소 음이온 농도에 대한 전지전위변화는 선형적이었으며, 그 기울기는 약 50 mV/pC「로서 Nemst 식에 비교적 잘 적용되었다. TFRE를 기준으로 한 PSUE의 요소농도 변화에 대한 포화 전류값 측정 결과 약 200 M /decade .
PS 표면의 대면적이 박막과 urease 가 도우핑된 고분자 필름 및 AgCl 사이의 결합력을 강화시켜, 감도가 향상된 센서 전극을 제작할 수 있었으며, 특히, TFRE의 경우, 71 구성 성분이 탈착되는 기존의 문제점을 해결할 수 있었고 TFRE 표면 보호를 위한 보호층도 필요로 하지 않았다. 또한, Ag/AgCl TFRE의 EDX 스펙드럼 분석 결과 TFRE를 구성하는 성분이 여러 차례의 특성 분석 실험 후에도 탈착되지 않는 것으로나타났다. PSUE의 EDX 스펙드럼 분석결과 urease가도우핑된 PPy 필름으로 인한 탄소, 질소, 항에 대한 피크가 관찰돠는 것으로 보아, PSUE 표면에 고정화된 필름도 견고하게 흡착되어 있음을 알 수 있었다.
2 mol/였으며, SCE 룗 기준으로 0에서 &X) mV외 전위 범위에서 순환 주:압전류법 (Cyclic Voltammetry)으로 10회 주사하여 검온색의 PPy 필름 표면을 얻었다. 또한, 순환 전압전류 곡선으로부터 충전전류 (capacitive current)가 주사 횟수에따라 증가함을 관찰함으로써 PPy 필름이 성장하고 있음을 확인하였다

후속연구

의학용 효소 센서, DNA 칩을 비롯한 실리콘을 기본으로하는 바이오 마이크로 시스템 구축 분야에서 다공질실리콘을 이용한 박막 기준전극 및 요소 검출용 센서 전극의 이용이 활발히 전개될 것으로 판단된다

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