Recently, silicon devices offer label-free and direct electrical detection when used to quantify the hybridization of DNA molecules, resulting in a rapid, robust, and inexpensive measurement and compatibility with commercial microfabrication technology. In this thesis, we developed detection technologies focusing on the impedance changes and surface potential variations on bio-modified electrodes after the hybridization of DNA strands.
The sensor measures changes in the reactive capacitance and the charge-transfer resistance independently after hybridization with complementary DNA strands, which results in robust and reliable measurement.
The sensor measures capacitive changes in the electrode-electrolyte interface according to a charg-ing-discharging principle that is limited by the hysteresis window. In addition, a novel autonomous searching technique, which exclusively monitors desorption-free hybridized electrodes among electrode arrays.
The sensor directly and repeatedly measures the charges that correspond to the surface potential in-duced by intrinsic negative charges in immobilized molecules, resulting in an improved signal-to-noise ratio (SNR) through the oversampling effect of accumulation and differential architecture.
The sensor measures capacitive changes in the electrode-electrolyte interface using the excitation current. The device includes differential electrode pairs that are located in a single current-source line with sensing circuits, resulting in the perfect elimination of current mismatch and the improved signal to noise ra-tio. The individual control of the switch controller offers robust and reproducible measurement capabilities independent of duty asymmetry and pre-charged initial offset.
The proposed sensor allows quantitative evaluation of the molecule densities on the chip with dis-tinguishable variation in the impedance and surface potential. Our electrical biosensor has great potential as a bio analytical tool for point-of-care diagnoses.
DNA나 단백질과 같은 바이오 물질을 분석하는 일은 유전학, 신약 개발, 임상 진단학, 의학 등 많은 분야의 연구에 있어서 아주 중요하다. 기존 연구의 경우, 바이오 물질에 형광/색을 발현하는 label을 붙여 물질의 해당 특성을 파악하고자 하는 노력이 주로 이루어졌었다. 이러한 기술은 높은 민감도를 가지는 특성을 가지고 있다. 그러나, 추가적인 물질 부착 작업으로 인하여 많은 시간이 소요되며 복잡성이 증가한다. 뿐만 아니라, 광학/형광 현미경과 같은 부피가 큰 장비를 이용하여 분석이 이루어져야 하므로 소형화 측면에서 한계를 가진다. 그리고 고가의 시스템 구축이 필요하다. 본 논문에서는 바이오 물질 반응을 감지하고자 전기적인 접근법을 시도한다. 기존의 나노갭(nano-gap), 나노와이어(nanowire), 캔틸레버(cantilever) 방식이 아닌, CMOS공정 기반으로 한 플랫한 전극을 사용하여 바이오 센서를 연구하였다. 이 센서는 측정 재현성이 우수하고, 상용 공정의 도입으로 가격을 낮출 수 있으며, CMOS 회로를 전극과 함께 온-칩화하여 향후 소형화, 보급화에 기여할 수 있는 장점을 가진다.
제안한 센서는 DNA간의 상보적 결합에 따른 전기적 임피던스의 변화 또는 전압의 변화가 유도될 때, 효과적인 검출 회로를 통해서 그 특성을 파악한다. 본 연구는 총 네 가지의 검출 방법을 제안하고 있으며, 모두 기존의 방식에 비해서 우수한 성능을 보였다.
첫째, DNA의 상보적 결합 후에 나타나는 전극-전해질 용액 계면 간의 임피던스(저항, 커패시턴스) 변화에 주목한다. 기존의 연구들이 병렬 저항을 무시하여 커패시턴스만을 측정해오고 있으나, 이러한 방법은 측정 결과에 대한 민감도를 떨어트리게 된다. 따라서 본 해당 연구에서는 커패시턴스 뿐만 아니라, 저항을 동시 측정하기 위한 삼각파 인가 후 전류 감지법을 제안한다. 이 방법을 통해 실험한 결과, 신뢰성이 높고 안정된 센서를 개발할 수 있었다.
둘째, 전극-전해질 용액 계면에 나타나는 커패시턴스의 변화를 충-방전 전류를 통해 감지한다. 이 방법은 아주 간단한 방법으로 물질 감지가 가능하므로 고해상도의 센서 제작에 용이하다. 또한 전극 표면의 물질 이탈현상(desorption)이 없는 전극을 자동적으로 검출하는 방법을 제안하여, 측정 결과에 있어 민감도를 더욱 높였다.
셋째, DNA가 가지고 있는 음전하를 이용하여, 부착전극에 반대가 되는 전하가 유도되는 현상을 이용하여 유도된 전하로 인한 발생된 전압의 변화를 직접적으로 검출한다. 뿐만 아니라, 검출 전압을 반복 적분하여 신호 대 잡음 비를 높일 수 있었다
넷째, 커패시턴스를 이용한 바이오센서에서, 민감도를 낮추는 요인을 찾아 분석하고 해결하는 시도를 진행하였다. 단일 전류원에 차동 전극을 직렬로 배치하여 전류 비대칭, 동상 노이즈, offset 전압 및 전기분해 발생현상을 제거할 수 있었다. 측정 결과, 높은 민감도를 확보할 수 있었다.
이러한 연구는 향후 질병의 진단 및 예방에 적용 가능하며, 개인의 맞춤형 의료화에 기여할 것으로 기대된다.
