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미국 하버드 대학(Harvard University)의 연구진은 고이온성 용액에서 작동되는 새로운 바이오센서를 만드는데 성공했다. 그래핀 트랜지스터로 만들어진 이 새로운 바이오센서는 표적 형광 라벨링을 사용하지 않고도 단백질, 핵산, 기타 분자들을 실시간으로 분석할 수 있다. 이 바이오센서는 뇌 속의 중요한 신경 전달 물질 신호를 검출하는 것과 같은 이식형 전자 탐침에도 활용될 수 있을 것이다. 나노크기 전계효과 트랜지스터 센서는 생체 분자의 실시간 검출에 이상적일 수 있지만, 다음과 같은 극복할 수 없는 한계가 존재한다고 많은 과학자들은 생각하고 있었다. 문제점은 생리학적 시스템 속에서 일반적으로 발생하는 고이온성으로 인해서 짧은 디바이 길이(Debye length)를 생성하기 때문에 나노크기 트랜지스터 센서를 생리학적 조건 하에서 사용할 수 없다는 것이다. 이번 연구진은 그래핀 전계효과 트랜지스터 센서의 표면을 폴리에틸렌글리콜과 스페이서 분자(spacer molecule)로 만들어진 생체분자 투과성 폴리머 층으로 개질시켰다. 이 폴리머 층은 전계 효과 트랜지스터 표면 근처의 효과적인 디바이 검출 길이를 증가시키고, 실시간으로 고이온성 용액 속의 분자들을 직접 검출할 수 있게 한다. 이번 연구진은 생리학적 농도(100 mM 버퍼 용액)에서 폴리에틸렌글리콜로 코팅된 그래핀 전계효과 트랜지스터가 1 ~ 1000 nM의 농도에서 분자를 검출할 수 있다는 것을 증명했다. 또 다른 중요한 결과는 폴리에틸렌글리콜과 앱타머(aptamer)로 그래핀 장치를 개질시켰을 때 다른 단백질에 대해서 높은 선택성을 가진다는 것이다. 이번 연구진은 폴리에틸렌글리콜/앱타머로 개질된 바이오센서가 생리학적 조건 하에서 다용도 선택형 바이오센서로서 적용될 수 있다는 것을 입증했다. 이번 연구진은 다음과 같은 세 단계를 거쳐서 그래핀 트랜지스터를 만들었다. 첫 번째 단계로, 화학 기상 증착으로 성장된 그래핀을 실리콘 웨이퍼 위로 전사시켰다. 그 후에, 그래핀 전계효과 트랜지스터 채널들은 포토리소그래피와 산소 플라즈마 에칭(oxygen plasma etching)으로 만들어졌다. 마지막으로, 부동태화된 금속 소스/드레인 접점을 2차 포토리소그래피 단계를 거쳐서 제조하였다. 이 연구결과는 혈액과 체액을 직접 분석하는 센서 개발 등과 같은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 비파괴적인 검출 능력은 삽입형 전자 탐침 기술에 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 그래서 주사기로 인체에 주입될 수 있는 전자 소자를 개발할 수 있게 할 것이다. 이 연구는 주사기를 통해서 건강 상태를 체크하고 질병을 치료할 수 있는 치료용 로봇 개발에도 크게 기여할 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 PNAS에 ldquo;Specific detection of biomolecules in physiological solutions using graphene transistor biosensors rdquo; 라는 제목으로 게재되었다. |
