In this thesis, an innovative and simple electrical method to detect bio-molecules by use of a MEMS electrostatic micro-actuator is proposed. By detecting a shift of pull-in vol-tage in the micro-actuator, we can distinguish the existence of bio-molecules and whether these bio-molecules are characterized as ‘charge property’ or ‘dielectric property’.
The electrostatic micro-actuator detects the immobilization and hybridization of probe and target oligonucleotides using right-hand side pull-in voltage shift in the micro-actuator originated from negative charges of the oligonucleotides. Furthermore, the micro-actuator detects the specific antigen-antibody interaction for the detection of the influenza virus by using decrease in an absolute value of pull-in voltage because the specific binding of antigen-antibody form a dielectric layer on the sensing plate. In addition, the amount of voltage shift is observed by changing the measurement method.
A numerical simulation and modeling is analyzed and a bio-experiment is performed to support this concept.
The proposed bio-molecule detection method using an electrostatic micro-actuator represents a protocol for a new candidate of biosensors.
1. 서론
최근 MEMS 기반 바이오센서는 바이오물질을 검출하는 유용한 도구로 각광받고 있다. 이와 더불어 현장 질병 질단 시스템(Point-Of-Care System)의 실현을 위한 MEMS 바이오센서의 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 구현이 큰 이슈가 되고 있다. 미래의 휴대용 바이오센서 실현을 위한 요소에는 크기의 축소, 신속한 측정, 판독을 위한 회로와 신호변환기의 칩으로의 집적화를 들 수 있다.
기존의 MEMS 기술을 이용한 바이오센서는 표면 굴절 방식, 공진 방식, 임피던스 방식 등이 있다. 하지만 대부분의 표면 굴절 방식 센서는 광학 측정을 요구하고, 이는 광학 측정을 위한 부가적인 장비의 필요로 인해 소형으로 집적화하는데 큰 문제를 야기한다. 또한 공진 방식의 경우 진동 감폭을 고려하여 고진공도의 측정 환경을 필요로 한다. 광학적 검출방식의 대안으로 압전을 이용한 검출방식이 대두되고 있지만, 이 역시도 압전 물질의 본질적인 잡음 및 비선형 반응이 검출의 민감도에 영향을 미치게 된다. 임피던스 방식의 경우, 측정 용액에 민감하고 높은 민감도를 위해 나노 간극 및 넓은 면적이 요구된다.
위와 같은 기존의 MEMS 바이오센서와는 다르게, 본 논문에서는 바이오물질에 의해 유도되는 정전구동식 미소전자기계시스템 구동기의 구동전압 변화를 이용한 검출 방법을 제안한다. 이 정전구동 스위칭 바이오센서는 비표지식 전기적 검출, 간단화, 센서와 회로 및 신호처리기를 단일화된 칩으로 제작이 가능하다는 측면에서 장점을 갖는다.
2. 본론
2.1 모델링, 시뮬레이션 및 소자 제작
본 논문에서는 정전구동식 구동기를 이용하여 제안된 구동기의 동작 예측을 위한 시뮬레이션 검증 및 모델을 제시하였고, 제안된 구동기를 제작하기 위한 공정을 설계 및 진행하였다. 또한, 본 논문에서는 생체물질이 갖게 되는 대표적인 두 가지 특성(전하를 띄는 생체물질, 유전적 성질을 띄는 생체물질)을 구분하여 각 특성에 따라 분석을 진행하였다.
CoventorWareTM 시뮬레이션 프로그램에 따라, 제안된 바이오센서는 검출 전극에 쌓이는 전하의 양이 많을 수록(전하를 띄는 생체물질의 경우), 검출 전극에 형성되는 유전층의 두께가 증가할수록(유전 특성을 갖는 생체물질의 경우) 구동전압의 변화량이 많아짐을 볼 수 있었다. 초기 구동전압 54.9V는 전하밀도 5C/cm2 와 10C/cm2 에 대해 49.5V 와 43.8V로 감소했음을 볼 수 있다. 본 연구에서 사용된 정전구동식 구동기는 브릿지 형태의 니켈 구조체와 금 전극으로 이루어졌고, 구리 희생층을 사용하였다. 제작된 마이크로 스위치의 길이와 너비는 각각 150μm와 50μm이고, 윗 전극의 두께는 1.2μm 이다.
2.2 제작된 소자를 이용한 실험결과
전하를 띄는 생체물질로 DNA 올리고핵산염을 사용하였다. 실험 결과, 1μM 프로브 올리고핵산염과 결합시킨 소자들은 구동전압(Vpi)에 변화를 보였다. 100nM 타겟 올리고핵산염과 하이브리드를 형성한 후에는 추가적인 구동전압의 변화가 관찰되었다. 각 단계에서의 구동전압의 변화는 좌표의 오른쪽으로 변화하는 것으로 보아 올리고핵산염의 음전하에 의해 유도된 전극 충전에 기인한 것으로 볼 수 있다. 초기 스위치를 올리고핵산염이 포함되지 않은 탈염수에 담근 후 측정하였을 경우, 구동전압에 변화가 거의 없었다. 비상보적 타겟 올리고핵산염과의 하이브리드 형성 실험에서도 구동전압의 변화가 무시할만한 수준이었다.
유전적 성질을 나타내는 생체물질로 조류독감 성분 중 H1에 해당하는 항원-항체 반응 물질을 사용하였다. 실험 결과, 1μM 항체와 반응 시켰을 경우 구동전압에 변화가 관찰되지 않았다. 이후1μM 타겟 항체와 반응 시킨 경우, 소자의 간극에 따라 반응성에 차이가 관찰 되었다. 0.9μm, 0.6μm의 간극을 갖는 소자의 경우 구동전압에 변화가 없었지만, 0.3μm의 간극을 갖는 소자의 경우 0.5V정도의 구동전압 변화가 관찰되었다.
3. 결론
본 논문에서는 정전구동MEMS 구동기를 이용한 새로운 전기적 생체물질 검출 방법을 최초로 제안하고, 실험적 결과를 통해 성공적으로 검증하였다. 검출 전극에 결합된 DNA의 부동화에 의한 전하와 항원-항체 반응에 의한 유전층 형성에 의해 구동전압의 변화로 검출할 수 있었다. 정전구동기를 이용한 제안된 생체물질 검출 방법은 간단한 비표지식 전기적 검출 방법과 소형화된 칩으로의 집적화가 가능함으로써, 현장현시 질병진단 시스템을 위한 유망한 대안이 될 수 있을 것이다.
