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Fabrication of electronic biosensor using single-walled carbon nanotube film and its application to detection of DNA hybridization = 탄소나노튜브 필름을 이용한 바이오 전자 센서 제작 및 DNA 센서 응용에 관한 연구
서명 / 저자 Fabrication of electronic biosensor using single-walled carbon nanotube film and its application to detection of DNA hybridization = 탄소나노튜브 필름을 이용한 바이오 전자 센서 제작 및 DNA 센서 응용에 관한 연구 / Dae-Hwan Jung.
저자명 Jung, Dae-Hwan ; 정대환
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2006].
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초록정보

Recent years have witnessed significant interest in biological applications of novel nanomaterials such as nanotubes with the motivation to create new types of analytical tools for life science and biotechnology. Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) are interesting molecular wires with unique electronic properties that have been spotlighted for future solid-state nanoelectronics. Because semiconducting SWNTs could perform as nanoscale Schottky-type field-effect transistors, only semiconducting nanotubes exhibit a large conductance change. For the realization of nanotubebased electronic biosensors, it is necessary to manipulate metallic and semiconducting SWNTs separately. Unfortunately, the conventional synthesis approaches provide SWNT with mixed chiralities, which are not separable on a large scale with current technology. This has open been a bottleneck in the application of SWNT to biosensors that require ready-made semiconducting nanotubes. We have created label-free electronic DNA sensors via large-scale assembly of mixed carbon nanotubes without the need for separating. The electronic structure of metallic SWNTs can be modified by the coupling of π-electrons between a nanotube and aromatic molecules, and that SWNT-based sensors can be use for detecting biological molecules readily without the need for labeling. Sensing for label-free DNA detection was carried out by monitoring electrical current through the SWNT devices dominated by metallic property to each step of the π-stacking of pyrenly group, the immobilization of probe DNA, and the hybridization of target DNA. We observed that the conductance of SWNT film can be substantially decreased by π-stacking of pyrenly group, and regularly increased by probe DNA linkage and target DNA hybridization.

인간게놈이 밝혀진 이후 포스트 게놈시대의 핵심 기술로 바이오센서 연구가 부상하고 있다. 세계 각국의 과학자들은 앞으로 세계를 바꿀 10대 기술의 하나로 바이오센서를 지목했다. 유전자, 단백질 등 생체 유기물과 반도체를 융합한 바이오센서는 이제 기술 선진국이 되기 위해 반드시 넘어야 할 첨단 기술이다. 특히 바이오센서는 생물학적 요소에서 나타나는 변화를 인식 가능한 신호로 변환시켜주어야 하기 때문에 바이오센서 개발은 BT, NT, IT기술이 접목된 대표적인 융합기술이다. 이런 바이오센서 기술을 이용하면 생물의 생명현상에 대한 근본적 원리와 구조를 분석, 새로운 신약을 개발하거나 질병을 진단하고 예측할 수 있다. 최근 DNA센서 개발에 있어 DNA 가닥에 표시되어 있는 표식인자를 사용하지 않고 DNA를 직접 검출 할 수있는 기술이 많은 주목을 받고 있다. 이러한 새로운 형태의 바이오센서를 개발하기 위해 탄소나노튜브와 같은 새로운 나노재료를 생명과학 기술 연구에 응용하기 위한 연구가 또한 큰 관심을 끌고 있다. 탄소나노튜브는 미래에 나노전자재료로 각광받을 수 있는 독특한 전기적 특성을 지닌 흥미로운 분자전선이다. 반도체 성질을 띤 단일벽 탄소나노튜브 (SWNT)는 나노수준의Schottky 형태의 전계효과트랜지스터 (FET)를 구동할 수 있기 때문에, 반도체 탄소나노튜브만이 커다란 컨덕턴스의 신호 변화를 보여줄 수 있다. 이러한 이유로 금속과 반도체 성질을 띤 단일벽 탄소나노튜브에서 반도체 성질을 띤 단일벽 탄소나노튜브만을 분리해 내어야 하나, 이는 현실적으로 매우 어렵다. 이와 같이 대량으로 반도체 성질을 띤 단일벽 탄소나노튜브를 분리해내는데 따른 어려움은 탄소나노튜브의 바이오센서 응용에 기술장벽이 되어왔다. 이에 본 연구에서 이러한 기술 장벽을 극복하여 탄소나노튜브의 분리 없이 전기적 신호만으로 DNA를 검출할 수 있는 무표식(label-free) DNA 전자센서를 개발했다. 방향족분자와 탄소나노튜브 사이의 π-전자의 상호작용을 유도하여 금속성 성질을 띤 탄소나노튜브의 전자 구조를 반도체적 성질과 유사하도록 조절하여, 탄소나노튜브의 전기적 신호 변화를 통해 무표식 DNA를 검출 하고자 하였다. 탄소나노튜브를 이용한 무표식 DNA전자 센서는 다음과 같은 방법으로 만들어 졌다. 강산에서 정제 및 절단 과정을 거치면서 카르복실기가 형성된 탄소나노튜브를 아민기가 형성된 유리 기판 위에 아미드 결합을 통하여 고정시킨 후 아민기를 두 개 가지는 연결 분자를 이용하여 아민기와 탄소나노튜브의 카르복실기의 반복적인 아미드 결합을 통해 탄소나노튜브 필름을 형성하였다. 탄소나노튜브는 포토리쏘그래피 방법과 반응성이온식각법(RIE)을 이용하여 패턴화한 후, 다시 포토리쏘그래피 방법을 이용하여 전자 소자로 제작되었다. 탄소나노튜브를 이용한 전자 소자에 카르복실기를 갖는 파이렌 방향족 분자를 π 결합을 통하여 고정하였고, 파이렌 분자의 카르복실기에 아민기를 갖는 DNA를 아미드 결합을 통하여 고정하였다. 이와 같이 제작된 DNA 전자센서에 다양한 염기 서열을 갖는 무표식 DNA를 혼성화 (hybridization)한 후 전기적 신호인 컨덕턴스를 측정하여 선택적인 DNA만을 검출할 수 있었다. 본 연구에서 이상과 같은 일련의 과정을 통해 무표식 DNA 전자센서를 구현할 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 06008
형태사항 xiii, 149 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정대환
지도교수의 영문표기 : Hee-Tae Jung
지도교수의 한글표기 : 정희태
수록잡지명 : "Carbon nanotube conducting arrays by consecutive amidation reactions". Chemical communications, v.5, pp. 526-527(2004)
수록잡지명 : "Covalent attachment and hybridization of DNA oligonucleotides on patterned single-walled carbon nanotube films". Langmuir, v.20.no.2, pp. 8886-8891(2004)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Includes references
주제 Carbon nanotube
DNA sensor
탄소나노튜브
DNA 센서
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