| [미국] 놀라운 성능을 가진 하이브리드 그래핀 바이오센서
제약회사의 약 40%는 GPCR을 이용한다.
이번 연구팀은 그래핀 위에 큰 금 스트립의 패턴을 형성하기 위해서 새도우 마스크를 이용했고, 이것은 구리 호일로 구성된 성장 기판 위에 존재했다. 최종 목적지(전극이 장착된 실리콘 웨이퍼)에 그래핀이 전달되면, 금으로 덮여진 그래핀은 호일에 고정된 채 남아 있고, 단지 아무것도 덮여 있지 않는 그래핀은 벗겨진다. 그 후에, 패턴이 형성된 그래핀은 미리 제조된 전극 위에 조심스럽게 이동되었다.
최종 장치는 뛰어난 성능을 가졌다. 예를 들어, 이번 연구진은 FET(전계 효과 트랜지스터) 캐리어 이동도(전자와 홀이 재료를 얼마나 빨리 통과하는지에 대한 척도)는 평균적으로 1500 cm2 V?1 s?1 정도로 높았다. 디랙점(Dirac point, 샘플이 얼마나 청결한지를 보여주는 지수)은 평균적으로 15V였다. 이 수치는 FET가 다른 방법에 의해서 만들어진 그래핀 장치보다 상당히 더 청결하다는 것을 보여준다. 게다가, 이 프로세스의 공정 수율은 99% 이상이다. 이런 모든 특성들은 이전에 만들어진 그래핀 FET에 비해서 비교할 수 없을 정도로 우수하다.
바이오센서로서의 이 장치의 성능을 테스트하기 위해서, 이번 연구진은 소위 디아조늄 화학 기술(diazonium chemistry technique)을 이용해서 그래핀 표면에 뮤 수용기를 공유결합시켰다. 그 후에, 이번 연구진은 장치가 어떻게 반응하는지를 관찰하기 위해서 날트렉손(naltrexone)의 농도를 변화시켰다. 이번 연구진은 뮤 수용기가 날트렉손과 결합하고 이런 결합이 그래핀 채널의 국부적인 도핑 수준을 변화시킨다는 것을 발견했다. 이런 신호는 거의 200개의 그래핀 장치에서 거의 동일하였는데, 이것은 이 연구결과가 통계적으로 신뢰할 수 있다는 것을 의미한다.
한 개 또는 두 개의 장치들이 한 개의 표적을 검출할 수 있다면 매우 좋겠지만, 현실은 20, 200, 2000개의 장치들이 어레이를 형성해서 한 개의 표적을 검출한다. 이 기술은 다른 유형의 바이오센서를 만드는데 사용될 수 있을 것이다. 커플링 화학 기술이 매우 일반적이기 때문에, 매우 민감한 특정 검출기를 만들기 위해서 거의 모든 유형의 단백질과 그래핀 채널을 연결하는데 사용될 수 있다. 단백질 표적은 암, 병원균, 환경 속의 휘발성 유기 화합물을 검출할 수 있는 단백질을 포함한다.
또 다른 적용분야로는 약물 전달을 들 수 있을 것이다. 새로운 약물을 디자인하기 위한 현대의 기술들은 비용이 많이 들고, 여전히 비효율적이다. 그리고 과학자들은 치료를 할 수 있으면서 생물학적 요소를 모니터링할 수 있는 고처리량 분석 기술이 필요하다. 이 기술은 이것을 이루는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
이번 연구진은 혈청과 혈액과 같은 복잡한 생물학적 매체에 이 센서를 테스트할 계획을 가지고 있다. 하이브리드 그래핀 FET가 이런 조건 하에서 잘 작동한다면, 그들은 차세대 분석 장치에 매우 유용할 것이다. 이러한 장치들은 근래에 시장에 출시될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Scalable Production of Highly Sensitive Nanosensors Based on Graphene Functionalized with a Designed G Protein-Coupled Receptor” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl5006349).
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 5월 27일]
[원문보기]
Hybrid graphene biosensor breaks new record
Researchers at the University of Pennsylvania and SPAWAR Systems in San Diego have developed a new method to fabricate large arrays of graphene field effect transistors that does not sacrifice the inherent electronic properties of the carbon material. The team then functionalized the transistors with mu receptors to make hybrid biosensor devices that can detect naltrexone (an opioid receptor antagonist used to treat alcohol dependence) at levels of 10 pg/mL – a value that is around 100 times lower than that obtained using current clinical diagnostic techniques.
Field effect transistors are ideal for studying the electronic properties of the material from which they are made. However, typical lithography techniques to make graphene FETs invariably leave residues that degrade the overall performance of the finished devices. These residues are the bane of graphene research but a team led by A T Charlie Johnson has now developed a method that patterns the graphene devices during transfer from its growth substrate to a Si/SiO2 wafer, so doing away with the lithography step entirely. “With this process, we can fabricate thousands of uniform graphene FETs that are all of equally high quality,” team member Mitchell Lerner told nanotechweb.org.
The researchers made biosensors from their FETs that were composed of a graphene transistor coupled to engineered mu receptor proteins. Mu opioid receptors are members of a class of membrane proteins called G Protein-Coupled Receptors (GPCRs). These receptors naturally exist on cell membranes and detect external stimuli. “As you can guess, this category of proteins is incredibly important to the pharmaceutical industry,” said Lerner. “Indeed, GPCRs are the target of around 40% of all pharmaceuticals today.”
The team employed a shadow mask to pattern large gold stripes over graphene while it was still on its copper foil growth substrate. While transferring the graphene to its final destination (a silicon wafer equipped with electrodes), the graphene covered by gold remained pinned to the foil and only the uncovered graphene peeled off, explained Lerner. The patterned graphene was then carefully placed onto the pre-fabricated electrodes.
The finished devices have excellent properties. For example, the researchers found that the FET carrier mobility (a measure of how fast electrons and holes move through a material) was as high as 1500 cm2 V–1 s–1 on average for a collection of nearly 200 devices. The Dirac point (which indicates how clean a sample is) was 15 V on average – a value that shows that the FET is significantly cleaner than graphene devices made by other methods. “What is more – the yield for our process was over 99% – from device fabrication all the way through to the target sensing,” said Lerner. “All these properties are unparalleled for graphene FETs made to date.”
To test its devices as biosensors, the researchers covalently bound mu receptor proteins to the graphene surface using so-called diazonium chemistry techniques. They then delivered naltrexone to a collection of sensors at varying concentrations to see how the devices reacted. “We found that the mu receptors bind naltrexone as they would do naturally in the body and that this binding causes a change in the local doping levels of the graphene channel,” said Lerner “The signal was seen to be similar over nearly 200 graphene devices, which means that the result is statistically reliable.
It is very nice if one or two devices look like they can detect a target, but it is a whole other ball game to get 20, 200 or even 2000 devices to behave the same way. A few years ago, making that number of graphene transistors would have taken longer than the lifetime of a graduate student.”
The technology could be used to make other types of biosensors, not just the ones studied here, he added. “Our coupling chemistry technique is very general and could be used to link almost any type of protein to the graphene channel to make highly sensitive and specific detectors. Potential targets include proteins for detecting cancers, pathogens and perhaps even volatile organic compounds in the environment – something that might come in useful for defence applications.”
Another application that the team says that it is particularly excited about is drug discovery. “Modern techniques to design new drugs are expensive and still rather inefficient,” says Lerner, “and we need high-throughput analytical techniques able to monitor biological entities in real time while they are being interrogated with potential therapeutic candidates. Our technology could be just the ticket here.”
The researchers now plan to test their sensors in complex biological media, like serum and whole blood. “If our hybrid graphene FETs work just as well under these conditions, they might prove themselves to be tremendously useful in next-generation analytical devices. Hopefully such devices will see their way into the marketplace in the near future.”
[원문출처:http://nanotechweb.org/cws/article/tech/57264] |
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