초록 ▼

● 기존 연구계획의 16x16 array를 통한 측정을 계획하였고 이는 32x32 array c-chip을 통해 달성함

● 기존 계획서에서 DNA와 단백질을 최소 측정농도 100fM 까지 검출을 목표로 함. 개발된 나노박막 센서를 통해 DNA의 경우 최소 측정농도 10fM, 단백질(트롬빈)의 경우 최소 측정농도 10 pM로 초과 달성하였으며 이는 임상학적으로 유의한(clinically significant) 결과임

● 추가적으로 간암 판별을 위한 단백질 통합 시험을 수행

● 나노박막 센서 이외에

● 기존 연구계획의 16x16 array를 통한 측정을 계획하였고 이는 32x32 array c-chip을 통해 달성함

● 기존 계획서에서 DNA와 단백질을 최소 측정농도 100fM 까지 검출을 목표로 함. 개발된 나노박막 센서를 통해 DNA의 경우 최소 측정농도 10fM, 단백질(트롬빈)의 경우 최소 측정농도 10 pM로 초과 달성하였으며 이는 임상학적으로 유의한(clinically significant) 결과임

● 추가적으로 간암 판별을 위한 단백질 통합 시험을 수행

● 나노박막 센서 이외에 병렬적으로 진행한 계면트랜스듀서의 연구를 높은 완성도로 진행하였으며 platform 기술 단계를 완성하여 기존 계획을 초과 달성함

● 결과적으로 해당 과제를 통해 완성된 나노박막 센서 플랫폼을 핵심으로 한 벤처를 창업함(2014년 2월 예정)

(출처 : 요약서 3p)

Abstract ▼

III. Results
We developed various basic techniques for nanomembrane transducers to detect biomolecular interaction using chemomechanical surface force and also verified usefulness of pattern-analysis-based convergence systems with single-chip array structure.

The technique for fabrication

III. Results
We developed various basic techniques for nanomembrane transducers to detect biomolecular interaction using chemomechanical surface force and also verified usefulness of pattern-analysis-based convergence systems with single-chip array structure.

The technique for fabrication of nanomembrane is a key factor to realize bio-sensing contents based on CMOS. Nanomembranes have been fabricated with bio-compatible polymers or Au/Si3N4 bi-films and their properties have been measured through 1st step research period.
According to the dynamic properties of bio-molecular interactions through chemomechanical surface force, thinner membrane might increase its sensitivity. Then, we tried to reduce the thickness of the membrane under tens of nanometer in case of bio-compatible polymer. The methods for stacking polymers by coating and chemical self-assembling have been designed and extremely thin nanomembrane with 7 nm-thick polymer film which has similar thickness with that of cell membrane has been developed on 100 μm by 100 μm area.
The development of fabrication methods to integrate membrane structure and other electronic parts into single-chip array is necessary to prepare the sensor configuration using CMOS-based capacitive sensing.

The electrode structure measuring the deflection of the membrane was fabricated using dry-etchable sacrificial layer at room temperature. In detail, we developed sacrificial process based on polymer such as photoresist and electroplating for reliable fabrication of the electrodes.

We also realized 3-dimensional design of each element in order to minimize parasitic capacitance for increasing accuracy of capacitive data.

We developed the system packaging CMOS capacitance measurement chip with SOP to evaluate nano-membrane transducer bio sensing performance. We combined our system with microfluidic system and fixed DNA receptors and compared the response signals according to the specific DNA bindings. We applied certain fixing technologies for each polymer membrane and gold/nitric one. We collected response time, noise effects and response pattern in terms of time data and based on this, 1st and 2nd sub division's CMOS, processor, and 3rd's bio diagnostic team shared their own ideas and contributed to the development of fusion and original system. The LOD results was 0.1 pM which was much lower than we suggested in the proposal.

We attained the sensitivity competing with optical method's, enhance the reliability, and checked technical barriers with an analysis of membrane modeling based on surface tension to improve the reliability of fabrication process and finally builded up patent portfolio which has high originality.

We found that it reduced the sensitivity and reliability of nano-transducer that the residual stress from the fabrication process and pressure effects when the sensing part was combined with microfluidic circuit. There are two solutions. First is that we invented a new nano-transducer design which is not affected by pressure at all.
Secondly, increase the sensitivity and reliability using thicker membrane and compensating the reduction of sensitivity due to the membrane thickness with the various techniques to amplify the surface tension ;
Nanorode and CNT combined surface which was already made by our team.

CMOS readout circuit which is compatible with our nano-membrane transducer mentioned above was developed. Capacitance to Frequency Converter(CFC) circuit and capacitance to digital converter(CDC) were designed and residual charge integration, zero point calibrator, time stretcher that are our own creative designs were applied.

We found that our system was able to measure 0.48 fF capacitance difference within ±0.5 pF error with a chip made by 0.35 ㎛ CMOS process and the power consumption was 212 ㎼ which is world class level.

In addition, we tested 8 × 8 SoC in the first term, which invented our own creative signal processing method based on array, fitted 2nd sub division's process design and algorithm and contributed the development of the whole system

(출처 : SUMMARY 8p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 11
• 목차 ... 12
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 제 1 절 연구 개발의 목적 ... 14
• 제 2 절 연구 개발의 필요성 ... 14
• 1 . 기술적 측면 ... 14
• 2 . 경제․산업적 측면 ... 16
• 3 . 사회․문화적 측면 ... 17
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 18
• 제 1 절 국내외 관련분야의 환경변화 ... 18
• 1. 화학기계적 센싱 ... 18
• 2. 마이크로 어레이 기술 ... 20
• 3. CMOS 기반의 바이오센서 ... 23
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 25
• 제 1 절 나노박막 트랜스듀서 ... 25
• 1. 분자 실험을 위한 고품질 반응 표면 (나노 박막트랜스듀서) ... 33
• 2. 생화학 분자 실험을 위한 리셉터 나노구조 최적화 ... 36
• 제 2 절 나노 트랜스 듀서 제작 및 동작 특성 ... 41
• 1. 나노 트랜스 듀서 제작 ... 42
• 2. 측정 및 동작 특성 ... 43
• 3. 화학기계변환 시스템 ... 46
• 제 3 절 계면에너지, 표면력 측정 기술을 통한 단백질 검출형센서 실험 ... 56
• 제 4 절 이멀전(emulsion)의 입자크기 변화를 이용한 바이오분자 감지 방법 ... 76
• 1. 개요 ... 76
• 2. 도입 ... 76
• 3. 실험방법 ... 77
• 4. 결과 ... 79
• 5. 결론 ... 81
• 제 5 절 AAO 제작 실험 system ... 82
• 1. AAO fabrication set up ... 84
• 2. 금나노 막대기 ... 85
• 제 6 절 C-Chip 센서 플랫폼 기술 ... 87
• 1. 서울대 나노응용시스템연구소의 C-chip 센서 플랫폼 기술 ... 87
• 2. C-chip 센서 플랫폼 설계 및 제작 ... 88
• 3. 양산 가능한 탄소나노튜브 센서 공정 개발 ... 90
• 4. Spotter를 이용한 선택적 탄소나노튜브 코팅기술의 개발 ... 91
• 5. AC 측정방식을 이용한 결합촉진 및 민감도 향상 방식 개발 ... 92
• 6. AC 측정방식의 multi-channel 측정시스템 구축 ... 96
• 7. Multi-channel 측정 시스템 구성도 ... 96
• 8. Multi-channel 측정시스템의 측정기법 ... 97
• 9. 4-channel AC biasing 측정결과 ... 99
• 10. AC/DC biasing 및 transient response 측정방식을 CMOS센서칩에 적용하기 위한 방식 개발 및 측정 자료 ... 103
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 105
• 제 1 절 연도별 연구 목표 ... 105
• 제 2 절 연구 개발 목표의 달성도 ... 106
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 107
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 107
• 제 7 장 참고문헌 ... 110
• 끝페이지 ... 112