Plasma deposition of parylene-like film

Song Zhiquan Graduate School, Yonsei University 2023 국내박사

본 연구의 목적은 플라즈마 에너지로 열에너지를 대체하여 전통적인 파릴렌 증착 방법을 개선하고자 하는 것이다. 파릴렌은 낮은 유전상수, 높은 열안정성, 우수한 유연성, 낮은 탄성계수와 높은 광 투과성 등 우수한 물리적 성질들을 가지고 있고 생체 친화적이며 우수한 내화학성 등 탁월한 화학적 성질들을 가지고 있다. 그런데 파릴렌의 전통적인 열 증착 방법은 증착 속도가 느리고 증착 시간이 길며 두께의 통제가 어려운 단점들이 있어서 파릴렌의 사용을 제한하였다. 이런 단점들을 야기한 원인은 전통적인 열 증착 방법에서 650℃ 고온을 이용하여 파릴렌 이합체를 분해하기 때문이다. 다양한 요인들이 파릴렌의 증착 속도에 영향을 준다. 먼저, 챔버 안의 파릴렌 이합체와 단위체의 기압은 증착 속도에 직접적인 영향을 준다. 따라서 기화온도와 분해온도를 높이면 이합체와 단위체의 기압이 올라감으로 증착 속도가 빨라진다. 그리고 기판온도를 낮추는 것을 통해 증착 속도를 높일 수 있다. 비슷한 원리로 불활성 가스를 예를 들면 아르곤을 챔버에 주입하는 것을 통해 증착 속도를 높일 수 있다. 그 원인은 분자간의 충돌을 통해 단위체 라디칼들의 온도를 빠르게 천정온도 (중합반응이 일어나는 최고온도) 아래로 떨어지게 하기 때문이다. 증착 두께를 통제하기 어려운 원인은 열 증착에서 이합체를 분해할 때 쓰이는 650℃ 고온이 불안정하기 때문이다. 전통적인 열 증착에서 증착에 영향주는 요인들을 고려한 뒤, 본 연구에서 높은 에너지밀도와 안정적인 에너지 출력을 가진 플라즈마 에너지를 이용하여 파릴렌 이합체를 분해하는 시도를 하였다. 플라즈마의 높은 에너지 밀도가 이합체를 분해하는 데에 유리하고 이로 인해 단위체의 압력을 높일 수 있었다. 그리고 플라즈마의 온도가 낮아 생성된 단위체의 온도도 낮았다. 이런 이유들로 인해 파릴렌의 증착 속도를 높일 수 있었다. 그리고 플라즈마의 에너지 출력이 일정함으로 인해 증착 속도도 안정하였다. 따라서 정확한 두께의 통제가 가능하였다. 본 연구에서는 플라즈마 파릴렌 코터를 제작하였고 고에너지 밀도의 플라즈마를 이용하여 파릴렌 이합체를 쉽게 분해함으로 파릴렌 증착 시간을 30분 안쪽으로 단축하였다. 새로 제작한 파릴렌 코터가 20 분내 (증착 시간 10분)에 증착 할 수 있는 최대 두께가 150-200 nm이고 사용된 플라즈마 일률은 10-30 W이며 소모된 이합체는 80 mg이다. 증착 속도는 20 nm/min이고 이것은 증착 속도가 6 nm/min 밖에 안되는 전통적인 열 증착보다 훨씬 빠르다. 플라즈마 증착 방법으로 증착한 파릴렌의 물리적 화학적 성질을 분석한 결과에 의하면 플라즈마 증착 방법으로 증착한 파릴렌은 교차 연결된 구조를 가지고 있고 비정질 상태이며 밀도는 전통적인 열 증착 방법으로 증착한 파릴렌 보다 더 크다. 플라즈마 증착 방법으로 증착한 파릴렌의 고유한 성질을 이용하여 두가지 응용을 해보았다. 첫째는 탄소전극의 제조이고 둘째는 실리카 에어로겔의 열전도율을 통제하는 것이다. 탄소전극은 전기화학분석에서 많이 쓰인다. Screen print된 탄소박막은 수 마이크로미터의 두께만 제작 가능하고 laser scribing 방법은 복잡한 3D구조에서 탄소전극을 만들기 힘들다. 이런 이유들로 인해 탄소전극의 응용이 제한되어왔다. 파릴렌은 복잡한 3D구조에서도 균일한 박막을 형성할 수 있다. 이번연구에서 열 증착과 플라즈마 증착 두가지 증착 방법으로 증착한 파릴렌-C를 이용하여 질소 분위기에서 900 ℃온도에서 소결하여 탄소전극을 만들었다. 두가지 증착 방법으로부터 제조된 탄소전극의 성질은 비슷하였다. 열 증착과 플라즈마 증착 파릴렌으로 부터 만든 두 탄소전극들의 전자전달 속도와 이중층 정전 용량은 각각 1.2 × 10-3 cm/s, 1.1 × 10-3 cm/s와 2.20 µF/cm2, 2.10 µF/cm2 이였다. 그리고 두 탄소전극의 electrochemical window가 모두 -1 V 부터 2.1 V였다. 제작된 탄소전극은 hHCV검출의 전기화학적 면역분석에 쓰였다. 에어로겔은 다공성 구조를 가진 물체로 아주 작은 열전도율을 가지고 있다. 에어로겔에서 고체로 인한 열전도가 입자 간의 작은 접촉면적으로 인해 제한되었고 기체로 인한 열전도는 기체분자들이 서로 충돌하는 것 보다 에어로겔에 충돌하는 것이 더 빈번하게 일어남으로 제한되었다. 복사로 인한 열전도는 낮은 질량분율과 큰 표면적으로 인해 감소되었다. 따라서 에어로겔은 아주 작은 열전도율을 지니고 있다. 파릴렌은 복잡한 3D구조에서도 균일한 막을 형성할 수 있음으로 에어로겔에 파릴렌을 증착 하면 에어로겔의 기공크기를 줄일 수 있다고 예측하였다. 기공크기가 줄어들면 기체로 인한 열전도가 작아질 수 있다. 그리고 파릴렌-N의 열전도율은 0.12 W/m·K로 매우 작다. 따라서 파릴렌 증착으로 인한 고체 열전도의 영향을 최소화할 수 있다고 예측했다. 이번연구에서 물유리와 tetraethyl orthosilicate (TEOS)로 실리카 에어로겔을 제조하였다. 두가지 에어로겔에 열 증착과 플라즈마 증착 두가지 파릴렌을 증착 하여 전자현미경으로 표면을 관찰하였다. 그리고 BET분석으로 실리카 에어로겔들의 기공구조를 분석했고 파릴렌 증착으로 인한 실리카 에어로겔의 열전도율의 변화를 DSC로 분석했다. 열 증착 방법으로 증착한 파릴렌은 실리카 에어로겔의 backbone의 구조에 따라 증착을 하지 못했고, 반대로 플라즈마 증착 방법으로 증착한 파릴렌은 backbone의 구조에 따라 증착 됐고 실리카 에어로겔의 기공의 구조를 유지하였다. 결과적으로 플라즈마 증착 방법으로 증착한 파릴렌으로만 실리카 에어로겔의 열전도율을 낮출 수 있었다. This work aims to improve the parylene deposition process by replacing the thermal energy used in conventional deposition methods with plasma energy. Parylene has outstanding physical properties, such as a low dielectric constant, high thermal stability, good flexibility, low Young's modulus, and high transparency. And has outstanding chemical properties, including good biocompatibility, chemical stability, and ease of functionalization. There are, however, some drawbacks that limit the use of parylene with conventional thermal deposition methods. The first is a slow deposition rate (several nanometers per minute) and long deposition time, while the other is the non-reproduced coating film thickness caused by using high temperature. All of these drawbacks because of the conventional thermal deposition method need a relatively high temperature (650℃) to decompose the precursor (dimer). Several factors influence the parylene deposition rate. First, the pressure in the chamber containing the dimer or monomer radical is directly related to the deposition rate. By increasing the evaporation and decomposition temperatures, then the pressure applied to the dimer and monomer increased, consequently increasing the deposition rate. Moreover, lowering the temperature of the substrate can caused the deposition rate to increase. Similarly, the presence of inert gases, such as argon in the deposition chamber were also can accelerate the deposition of parylene by cooling the radicals to below the ceiling temperature (the highest temperature witch the film can be deposited) through collision. Non-reproduced coating film thickness caused by significant temperature fluctuation of the high-temperature furnace (650 ℃) used for the decomposition. Considering the effects of these influencing factors on the conventional thermal deposition method, a new approach was developed using high energy density and stable output plasma energy to decompose the parylene precursor (dimer). The high energy density of plasma can increase the decomposition process, resulting in an increase in the pressure of the monomer. On the other hand, the low temperature of plasma can keep the monomer at a low temperature. These can improve the parylene deposition rate. The stable output of plasma energy can ensure the consistent deposition rate and resulting a precise deposition thickness control. In this work, a plasma parylene coater was developed. Its use of plasma energy reduced the time required to deposit parylene films to less than 0.5 h because the parylene dimers are easily decomposed using high-energy-density plasma. The maximum thickness of the parylene film after a processing time of 20 min (deposition time 10 min) was estimated to be approximately 150–200 nm using 80 mg of parylene dimer at a plasma power of 10–30 W. The deposition rate of plasma deposition method is 20 nm/min it is faster than conventional thermal deposition method which is 6 nm/min. The physical and chemical properties of the deposited films were also analyzed. The films deposited by plasma deposition method had an amorphous structure due to their highly cross-linked structure, and the density of the parylene films were higher than the films obtained from the conventional thermal deposition method. Due to the unique properties of plasma-deposited parylene, two applications were implemented: the fabrication of carbon electrodes and the modification of SiO2 aerogel structure to control its thermal conductivity. Carbon electrode have been widely used in analytical electrochemistry. Usually, screen-printed carbon films are made for a carbon layer with the thickness of micrometers, and the laser scribing method has difficulty in making carbon films on complicated 3D shaped substrates. These carbon electrode fabrication methods limited the applications of the carbon electrodes. Parylene has a ability of form a highly uniform film on very complicated 3D structure. In this study, both thermally and plasma-deposited parylene-C were pyrolyzed to fabricate carbon electrodes via pyrolysis of parylene-C at 900 ℃ under N2 gas. The electrical properties of carbon electrodes fabricated from two deposition methods were similar. The electron transfer rate of carbon electrode obtained from pyrolysis of thermally and plasma-deposited parylene-C is 1.2 × 10-3 cm/s and 1.1 × 10-3 cm/s, respectively. And for the double layer capacitance is 2.20 µF/cm2 and 2.10 µF/cm2, respectively. The electro-chemical windows are both from -1 to 2.1 V. The carbon electrodes then used in an hHCV electrochemical immunoassay. Aerogels, which are highly porous, open-cell foam materials, are characterized by their exceptionally low thermal conductivity. The thermal conduction through the solid in aerogels is limited due to the extremely small connections between particles making up the conduction path. And gaseous conduction is impeded because of molecules collide with the solid network more frequently than they collide with each other. In addition, the radiative conductivity through aerogels is significantly reduced owing to their low mass fractions and large surface areas. Parylene has the ability to form a highly uniform thickness film on substrates with complicated three-dimensional structures. After coating the aerogel with parylene, the pore size is estimated to be smaller, which is expected to decrease the gaseous thermal conductivity. Moreover, parylene-N which was used in this study has an extremely low thermal conductivity of about 0.12 W/m·K, which is expected to provide a limited increase in solid thermal conductivity. In this work, the thermal properties of two types of SiO2 aerogels were analyzed, which derived from waterglass and tetraethyl orthosilicate (TEOS) precursors, both before and after coating with parylene using thermal and plasma deposition methods. The surface morphology of SiO2 aerogels were observed through scanning electron microscopy (SEM) and analyzing their pore structures using Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, both before and after parylene coating. The influence of parylene coating on the thermal conductivity was investigated by calculating the thermal conductivity through differential scanning calorimetry (DSC) analysis. The thermally deposited parylene could not form a film along the SiO2 aerogel backbone. On the other hand, plasma-deposited parylene could coat along the backbone structure and maintain the pore structure. Consequently, only plasma-deposited parylene can reduce the thermal conductivity of SiO2 aerogel.

Studies on Deposition and Characterization of Functionalized Parylene Films : 기능성 파릴렌 막의 증착과 특성에 관한 연구

Ko Hyuk 연세대학교 대학원 2016 국내박사

Parylene is deposited as a conformal, uniform film on a sample surface with transparent, chemically resistant, bio-compatible and pinhole free properties. On the basis of these excellent characters, parylenes are used in a wide range of applications such as automotive, medical, electronics and semiconductor industries. Recently parylene application area is more expanding through the development of functionalized parylenes such as sensor applications, Bio-MEMS and tissue engineering. In spite of expanding usage of parylene, the parylene deposition process and equipment have remained since 1960s Union Carbide commercialization. In this circumstance, this research focused on improving parylene deposition process and developing parylene application techniques. In conventional parylene deposition method, parylene film thickness is controlled by loading amount of parylene dimer. This work presents that the quartz crystal microbalance (QCM) sensor can be used for the control of parylene film thickness with a small deviation from the targeted thickness. For the on-line monitoring of parylene thickness, the QCM sensor was installed at the deposition chamber of a parylene coater and the QCM signal was on-line monitored during the whole deposition process. And for the correlation of the QCM response and the thickness of parylene film, the atomic force microscope (AFM) analysis was carried out with standard samples with measured QCM responses. By comparison with the conventional methods by adjusting the amount of parylene dimer and the deposition time, the on-line QCM monitoring is determined to be feasible for the accurate and reproducible control of parylene thickness. Another improvement presented herein is improving the deposition rate. In the conventional parylene system, pyrolysis process hinder increasing deposition rate. Thus in this work, a pyrolysis step is replaced to a plasma cracking step. The deposition parameters (ex. deposition rate) according to the plasma power are measured with by film thickness and informations of deposition condition then compared with conventional parylene deposition parameters. The properties of plasma polymerized parylene film also be characterized in terms of chemical resistance, optical properties, mechanical properties and electrical properties. For developing parylene application technique, two methods are selected. First is using functionalized parylene and the other is modifying the surface of structural parylene (parylene-N). Both research are aimed to generate a biomolecule prefer surface. One-step immobilization method for peptides and proteins is developed by using functionalized parylene with formyl groups which is suitable for microplate-based immunoassay and SPR biosensor application. The immobilization of peptides and proteins is achieved through the covalent bonding of the formyl group with the primary amine groups of peptides and proteins, which no additional activation step is required. In this work, the immobilization efficiency of parylene-H is estimated in comparison with parylene-A and physical adsorption, using biotinylated-cyclic citrullinated peptide (biotinylated-CCP), human chorionicgonadotropin (hCG) and horseradish peroxidase (HRP) as model proteins. The applicability of parylene-H film for short peptide is demonstrated by detecting autoantibodies in rheumatoid arthritis patient serum. And the applicability of parylene-H film to SPR biosensor is demonstrated by estimating the detection range and sensitivity of SPR biosensor. Surface modified parylene-N film was presented for the immobilization of proteins through the physical adsorption. Surface modification was carried out using plasma-treatment and UV-treatment method. The properties of parylene-N in terms of contact angle, roughness, chemical composition and chemical functional group were characterized before and after treatment. The protein immobilization efficiency of the plasma-treated and UV-treated parylene-N was estimated with SPR biosensors using proteins with different surface charges, and the long-term stability of the protein immobilization capabilities were also estimated as compared. For the medical diagnosis application, SPR biosensor based on the plasma-treated parylene-N film was developed for the detection of the human hepatitis virus surface antigen (HBsAg), and the plasma-treated parylene-N film was estimated to improve the sensitivity of SPR biosensor as much as 1000-fold by enhancing immobilization of receptor antibodies.  파릴렌은 증착되는 샘플의 표면에서 내화학성, 생체적합성, 핀홀이 없는 균일한 막을 형성한다. 이러한 우수한 특성을 기반으로 파릴렌은 자동차, 의학, 전자공학 그리고 반도체 산업 등에 널리 사용되고 있다. 최근에는 기능성 파릴렌을 통하여 센서로의 응용, 바이오 맴스 그리고 세포공학에 이르기까지 응용분야를 확대 하고 있다. 이렇게 파릴렌의 응용범위가 확대됨에도 불구하고 파릴렌 증착 과정과 장비는 1960년대 Union Carbide가 파릴렌을 상용화 하였을 때와 별반 다름이 없다. 이러한 시류 속에서 본 연구는 파릴렌 증착 과정을 개선하고 파릴렌 응용 기술을 개발하고자 한다. 일반적인 파릴렌 증착 방법에서는 샘플 표면에 증착되는 파릴렌의 두께를 조절하는 방법으로 파릴렌의 전구체인 다이머의 양을 조절하는 방법을 쓴다. 이 연구에서는 QCM 센서를 사용하여 증착 하고자 하는 두께로부터 작은 편차만을 갖게 증착을 제어하고자 한다. 파릴렌 증착 두께를 온라인으로 실시간 모니터링 하기 위하여 QCM 센서를 파릴렌 증착 챔버 내에 삽입 하였고 증착 전 과정을 모니터링 하였다. 그리고 QCM 반응신호와 파릴렌 필름의 두께의 상관관계를 파악하기 위하여 원자현미경 (AFM)으로 증착된 두께를 측정하였다. 종래에 사용되던 파릴렌 두께 제어 방법인 파릴렌 다이머양 조절과, 파릴렌 증착 시간 조절과 비교해 봤을 때 온라인 QCM 모니터링 방법은 파릴렌막의 두께를 정확하고 재현성있게 제어하는 것으로 판단된다. 또한 이 연구에서는 통상적인 파릴렌 증착법의 낮은 증착속도를 개선하는 방법으로 열분해 과정을 플라스마 분해 과정으로 바꾸는 것을 제안한다. 플라스마 파워에 따른 증착 파라미터는 필름의 증착 두께와 증착 조건의 정보를 통해 측정되고 이 것은 통상적인 파릴렌 증착법의 증착 파라미터와 비교하였다. 또한 플라스마로 중합된 파릴렌 막의 특성을 화학적 내구성, 광학적 특성, 기계적특성, 전기적 특성이라는 범주로 측정하였다. 파릴렌 응용기술을 개발하기 위하여 두 가지 방법이 선택되었다. 하나는 기능성 파릴렌을 이용하는 것이고 나머지 하나는 구조용 파릴렌(Parylene-N)의 표면을 개질 하는 것이다. 두 가지 방법 모두 생체분자가 선호하는 표면을 만드는데 주안점이 있다. 포르밀 작용기를 포함하고 있는 기능성 파릴렌(parylene-H)을 사용하여 단일단계로 peptide와 단백질을 고정화하는 방법을 개발하였다. 이 기능성 파릴렌은 마이크로플레이트 기반의 면역측정법이나 SPR 바이오센서 응용에 적합하다. Peptide와 단백질은 기능성 파릴렌 표면의 포르밀기와 단백질 혹은 peptide 의 1차 아민과의 공유결합으로 고정화가 이루어 진다. 이 연구에서는 파릴렌-H의 고정화 효율을 파릴렌-A 와 물리적 흡착과 비교 하기 위하여 biotinylated-cyclic citrullinated peptide (biotinylated-CCP), 와human chorionicgonadotropin (hCG), 그리고 horseradish peroxidase (HRP) 를 모델 단백질로 사용하였다. 파릴렌-H 의 짧은 peptide로의 응용가능성은 류머티스 관련열 환자의 혈청에 포함되어있는 자가면역항체를 측정하는 방법으로 입증 하였다. 또한 SPR 바이오센서로의 적용가능성은 SPR 바이오센서의 측정 범위와 민감도를 바탕으로 평가하였다. 이 연구에서는 표면 처리된 파릴렌-N 의 물리적 흡착을 통한 단백질 결합 또한 다루었다. 표면 처리는 plasma 처리법과 UV 처리법을 통해 수행되었다. 파릴렌-N의 표면처리 전과 후의 특성이 접촉각, 표면거칠기, 화학적 구성 그리고 내포하고있는 화학작용기로 파악되었다. 플라스마 처리된 파릴렌-N과 UV처리된 파릴렌-N의 단백질 고정화 효율은 SPR 바이오센서를 통해 표면 전하가다른 단백질을 이용하여 평가되었다. 장기적으로 단백질 고정화 능력이 안정한가에 대한 평가또한 진행되었다. 의료 진단 응용을 위하여 플라스마 처리된 파릴렌을 기반으로한 SPR 바이오센서를 이용하여 B형 간염 항원을 측정하는 방법을 개발하였다. 그 결과로 플라스마 처리된 파릴렌-N 막은 SPR 바이오센서의 민감도를 수용항체의 고정화를 향상시키는 방법으로 1000배 향상 시켰다.

Effects of UV irradiated parylene films for PC-12 and MG-63 cells

Liaqat, Usman Graduate School, Yonsei University 2017 국내박사

In recent, parylene films have been widely used for their excellent mechanical, optical and electrical properties as thin, transparent, conformal and stress free properties. Most common applications of parylene in the field of medicine include as a coating insulator (such as in pace maker) and lubricator (such as in catheter and probes). Recent development is to use parylene as a scaffold to replace or restore body defects. Functional parylene films (parylene-A, parylene-H and parylene-AM etc.) have already demonstrated good cell adhesion and proliferation. Structural parylene films (parylene-N and parylene-C) have many applications as biomaterial but has no or low cell adhesion and proliferation because of absence of any functional group on their surface and high hydrophobicity. Their surface has been modified to increase cell adhesion and proliferation by application of oxygen plasma coating. Recently, UV-treatment (photo-oxidation) of parylene-N has demonstrated improved protein immobilization due to induction of oxygen related functional group on the surface of parylene. In this study, surface modification of parylene-N and parylene-C was performed via UV-treatment and the behavior of different cell lines were examined on such modified surfaces. Surface analysis demonstrated that the UV-treatment of parylene-N and parylene-C induced oxygen related functional groups. These functional groups decreased the hydrophobicity of parylene films. To analyze the behavior of cell lines on surface modified parylene films, the first step was to determine the optimize time for the UV-treatment. Second step was to investigate the surface properties of parylene films before and after UV-treatment. It was found that UV-treatment reduced the contact angles of parylene. FT-IR analysis confirmed the presence of oxygen related functional groups after UV-treatment. XPS analysis also showed the induction of atomic oxygen on UV-treated parylene films. AFM analysis was performed to investigate if the roughness has played any role in difference in cell behavior. Third step was to determine the stability of parylene films to check their maximum storage time. After analysis of surface properties, behavior of different cell lines were analyzed on such modified parylene films. These cell lines include PC-12 cells and MG-63 cells. Cell morphology of both cell lines was found to be different on untreated and treated parylene films. Cell adhesion and proliferation were increased significantly on UV-treated parylene films for both PC-12 and MG-63 cells. However differentiation of cells are derived by many different factors. Therefore for differentiation, each cell line demonstrated different behavior. For PC-12 cells, neurite outgrowth is an indicator of cell differentiation. NF-H protein was stained to determine the neurite outgrowth. PC-12 cells cultured on parylene-C, UV-treated parylene-N and UV-treated parylene-C showed the neurite outgrowth. For verification, NF-H protein expression was also determined. Similar results were shown as that of NF-H staining. Protein expression of cyclin D1 was also observed that is reported to be increased during differentiation of PC-12 cells. Here also cyclin D1 expression was increased for each parylene film after UV-treatment. Cell cycle analysis showed that the cell were proliferated for first 24 hours but then the proliferation and differentiation started simultaneously. For MG-63 cells, ALP activity was monitored as a differentiation factor. Unlike PC-12 cells, there was no difference in the differentiation of MG-63 cells cultured on parylene films before and after UV-treatment. UV-treated parylene films significantly increases the cell adhesion and proliferation but their response is variable for differentiation of different cell lines. 파릴렌 막은 우수한 기계적, 광학적, 전기적 특성을 바탕으로 널리 사용되고 있다. 의학에 있어서 파릴렌은 pacemaker 와 같은 생체 내부에 삽입되는 의료기기의 보호층 또는 catheter 와 probe 의 윤활막으로 사용되어 왔다. 최근에는 조직상의 결함을 대체하거나 보강하는 지지체로도 활용되고 있다. 기능성 파릴렌의 경우 (파릴렌-A, 파릴렌-H, 파릴렌-AM 등) 세포의 부착과 증식에 좋은 특성을 보여준다는 것이 알려져 있다. 하지만 파릴렌-N 이나 파릴렌-C와 같은 구조용 파릴렌은 생체재료에 응용되기는 하지만 세포 부착과 증식에 있어서는 낮은 효율을 보인다. 여기에는 구조용 파릴렌 표면에는 기능기가 존재하지 않으며 이로인해 소수성을 띈다는 이유가 있으며 플라스마 처리를 통해 구조용 파릴렌 표면에 세포의 부착과 증식을 증진시키는 시도들이 이루어져 왔다. 최근에는 자외선을 이용한 파릴렌-N의 표면처리가 파릴렌 표면에 산소종을 포함하느 기능기들을 도출 시킴으로서 단백질 고정화 효율을 향상시킨다는 것이 밝혀 졌다. 본 연구에서는 파릴렌-N과 파릴렌-C를 자외선 처리를 통하여 개질하고 그 표면 에서의 세포 거동을 서로 다른 세포주로 파악 하였다. 표면처리된 파릴렌 막에서 세포주들의 거동분석을 위한 첫번째 단계로 UV처리 조건을 최적화 하였다 두번째 단계로 표면처리 전후의 물성을 접촉각 분석, 적외선 분광법, XPS 분석 그리고 AFM 분석을 통하여 그 특성을 조사하였다. 그 결과 표면 거칠기는 증가하지 않으나 접촉각이 15% 증가하였고, 산소를 포함한 기능기가 표면에 도입됨을 알 수 있었다. 세번쨰 단계로 자외선이 처리된 파릴렌 막의 장기 안정성을 파악하였다. 표면 특성을 분석한 뒤에, 자외선 처리된 파릴렌 막이 세포 형태학적 측면과 생리학적 측면에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 PC-12 세포와 MG-63 세포를 배양하였다. 자외선 처리된 파릴렌 막과 처리되지 않은 파릴렌 막 위에서 세포 형태가 두 세포주 모두 다른 양상을 보임을 확인할 수 있었고, 자외선 처리된 파릴렌 표면에서 세포부착과 증식이 향상됨을 확인하였다. 하지만 세포 분화에 있어서는 두 세포주가 다른 양상을 보였다. PC-12 세포주의 경우에 신경돌기의 성장은 세포 분화를 나타낸다 파릴렌-C와 UV처리된 파릴렌-N, C 의 경우 신경돌기의 성장이 관찰 되었다. 신경돌기의 성장에 대한 확인은 NF-H 단백질 염색을 통해서도 확인이 가능하며, 위 세조건의 경우 NF-H 단백질 염색 결과 신경돌기의 성장을 확인할 수 있었다. PC-12 세포의 분화 의 증거가 될 수 있는 Cyclin D1 단백질 발현 또한 관찰 되었고 UV 처리한 파릴렌 N 과 C의 경우에는 Cyclin D1 단백질 발현이 증가함을 확인하였다. 세포주기분석 결과 세포가 처음 24시간 동안 증식만을 하다가 24시간 이후에는 세포 증식과 분화가 동시에 진행되었음을 확인하였다. MG-63 세포의 경우에는 분화를 나타내는 증거로서 ALP 활성을 확인하였다. PC-12와는 다르게 MG-63의 경우 파릴렌 표면 처리에 관계없이 비슷한 분화양상을 보였다. 이를 통해UV 처리된 파릴렌 막은 세포 흡착과 증식 측면에서는 세포주의 종류에 관계없이 큰 효과를 보였으나 세포 분화 면에 있어서는 세포주의 종류에 따라서 다른 양상을 보이는 것을 확인하였다.

Study on feasibility for long-term use of ECoG electrodes based on parylene-treated PDMS

Sumi Park DGIST 2022 국내석사

Engineered Thin Films of Parylene C as Electrical Insulators for Flexible Electronics

Khawaji, Ibrahim H ProQuest Dissertations & Theses The Pennsylvania S 2019 해외박사(DDOD)

The use of a single material as a multifunctional insulator (i.e., substrate, gate dielectric, interlayer dielectric, and passivation layer) in the same device will reduce the cost and improve the sustainability of flexible devices. The major goal of this dissertation was to examine the potential use of the multifunctional insulator Parylene C as a low-κ interlayer dielectric in flexible electronics. Towards this goal, columnar microfibrous thin films (μFTFs) of Parylene C were fabricated and their electrical and mechanical properties, stability, and reliability were studied. The columnar μFTFs were fabricated using a collimated flux of Parylene-C monomers directed at an angle χv ∈ {30◦, 52◦, 60◦, 67◦, 80◦, 90◦} with respect to the substrate plane in a modified vacuum chamber using oblique angle deposition. Also, bulk Parylene-C thin films were fabricated to explore the stability of bulk Parylene C as a gate dielectric in flexible electronics. The significant results of this research are the following:Parylene-C columnar μFTFs can be highly porous. The porosity decreases as the deposition angle χv increases and lies between 0.38 and 0.56. Both the static Young’s modulus and the yield strength of the Parylene-C columnar μFTFs are higher in the morphologically significant plane than in the plane normal to it. In both loading directions, static Young’s moduli and yield strengths are about two orders of magnitude lower for the Parylene-C columnar μFTFs than the corresponding parameters of the bulk Parylene C, making the Parylene-C columnar μFTFs softer. The lowest relative permittivity of the fabricated Parylene-C columnar μFTFs in the 1–1000 kHz frequency range is about 70% of that of the bulk Parylene C. The static Young’s moduli, yield strengths, and the relative permittivity can be correlated to the porosity, crystallinity, and the deposition angle.The d.c. leakage current in the Parylene-C columnar μFTFs at temperatures not exceeding 100 ◦C (373 K) arises from the Poole–Frenkel conduction mechanism with a barrier energy of about 0.77 eV. The a.c. conduction in the Parylene-C columnar μFTFs is attributable to small-polaron-tunneling hopping conduction and depends on the frequency f as fs, with s ∈ [0.82, 0.85] increasing with temperature. Also, a.c. conduction in the Parylene-C columnar μFTFs is temperature-activated with an activation energy that decreases from 0.020 to 0.012 eV as f increases from 1 to 1000 kHz.• Before and after the application of a constant-voltage stress (CVS), roomtemperature leakage current in a metal-insulator-metal (MIM) structure incorporating Parylene-C columnar μFTF as the insulator is space-charge limited. The space charge comprises defects introduced during fabrication. No new defects are induced by the CVS. Kohlrausch–Williams–Watts relaxation can be exploited to understand transient leakage-current behavior, and characteristic times in the 3.5–3.9 s range and stretch factors in the 4.2–5.2 range were determined. These parameters suggest that carrier trapping at defects and their polarization orientation are related to space-charge formation. Moreover, capacitance dependence on time and frequency is a good indicator of the CVSinduced degradation and stability. Charge buildup in the Parylene-C columnar μFTFs is accompanied by capacitance decrease with CVS duration. Extrapolation of the capacitance-decrease dependence on CVS duration indicates that the capacitance would degrade by about 20% in 10 years.• CVS induces charges in bulk Parylene C and its interfaces with gold and Pentacene. The net induced charge is positive and negative for, respectively, negative and positive gate bias polarity during CVS. The magnitude of the charge accumulated following positive CVS is significantly higher than that following negative CVS in the range of 4 to 25 nC cm2. In contrast, the leakage current during the negative CVS is three orders of magnitude higher than that during the positive CVS for the same bias stress magnitude. The charge buildup and leakage current can be explained in terms of electron trapping in the bulk Parylenen-C/Pentacene interface and bulk Parylene C. Before the application of the CVS, a dielectric breakdown occurs at an electric field of 1.62 MV cm−1. After the application of the CVS, the breakdown voltage decreases and the density of the trapped charges increases as the stress voltage increases in magnitude, with the polarity of the trapped charges opposite to that of the stress voltage. Trapped-charge buildup occurs in the bulk Parylene-C layer and in the proximity of the bulk Parylene-C/Pentacene interface during CVS, the magnitude and direction of the capacitance-voltage curve-shift depending on the trapping and recombination of electrons and holes in those regions.The overall conclusion is that both mechanical and dielectric properties of the Parylene-C columnar μFTFs can be controlled by selecting χv appropriately. As a result, Parylene-C columnar μFTFs can be fabricated to deliver κ = 2.02, which is lower than κ = 3.0 of bulk Parylene C by 30%. Therefore, Parylene-C columnar μFTFs are promising candidates for deployment as ultralow-κ ILDs beside their electrical stability and reliability. Finally, the buildup of trapped charges in the bulk Parylene-C used as a gate dielectric and near the Parylene-C/Pentacene interface plays a major role in the degradation of Au/bulk Parylene-C/Pentacene structures. The first-level understanding of charge buildup in Au/bulk Parylene-C/Pentacene structures obtained will serve as the basis of future studies on the defect-generation process and the trapping of charge carriers within the insulator layer in OFETs.

Quantitative analysis of small molecules using MALDI-TOF mass spectrometry

노주윤 Graduate School, Yonsei University 2022 국내박사

Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) was first introduced by Karas and Tanaka, and it has been extensively used to detect high-molecular weight biomolecules. Matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry is a soft ionization method that utilizes matrix to absorb laser energy and desorb/ionize the analyte. However, the application for detecting the analytes with low molecular weight is limited due to conventional MALDI matrices. Organic matri-ces produce unreproducible background noises in the low mass range (m/z < 500). Therefore, detecting small molecules by MALDI-TOF mass spectrometry is suppressed. Another limitation of the organic matrices is the inhomogeneous crystallization of the matrix and analyte, which makes quantitative analysis difficult. Therefore, a variety of studies have been overcome the limitation of conven-tional organic matrices for MALDI-TOF mass spectrometry by developing metal, sem-iconductor, and carbon-based nanomaterials as solid matrices. In these studies, we demonstrated that the parylene matrix chip, gold nanois-lands, and TiO2 nanowires as a solid matrix of MALDI-TOF mass spectrometry ex-tended the application range to the small molecule analysis and improve the sensitivity and reproducibility compared to conventional organic matrices. The first approach was the fabricating the parylene matrix chip for quantita-tive analysis of amino acids using MALDI-TOF mass spectrometry. The porous poly-mer of the ‘parylene-N’ was deposited on the organic matrix array to diminish the background noises related to the organic matrix in the low molecular weight range, but still preserving the ionization efficiency of the organic matrix. A newborn screening for phenylketonuria (PKU), homocystinuria (HCU), and maple syrup urine disease (MSUD) was based on the quantitative detection of four different target biomarkers (phenylala-nine, leucine, methionine, and valine) at specific cut-off concentrations by MALDI-ToF mass spectrometry for the diagnosis of neonatal metabolic disorders. Homogeneous distribution of the matrix and the electrical conductivity was characterized by the fluorescence image and cyclic voltammetry. By the parylene-matrix chip as a matrix for MALDI-TOF mass spectrometry, matrix interference was reduced, and low molecular weight analyte was detectable. Amino acids could be quantitatively analyzed at their specific cut-off concentrations. Methanol extraction was conducted before the mass analysis to precipitate the proteins in the serum samples. Furthermore, simultaneous detection was enabled with the interference of other amino acids. The parylene matrix chip was also applied to the vitamin D analysis. The defi-ciency of vitamin D is highly associated to various diseases and monitored by the con-centration of 25-hydroxycholecalciferol (25(OH)D3) in serum. The chemical derivati-zation of vitamin D using betaine aldehyde was carried out due to the poor ionization efficiency of 25(OH)D3. 25(OH)D3 in serum was extracted by liquid-liquid extraction (LLE) then quantified, and the linearity was good (r2 = 0.992) with low LOD of 0.0056 pmol/μL. Energy drink and vitamin D3 tablet was also detected for the real sample analysis. Finally, chemiluminescence binding assay and MALDI-TOF mass spectrome-try was statistically analyzed for the applicability of the method. Second approach was to develop gold nanoislands chip as a solid matrix for MALDI-TOF mass spectrometry by the deposition of a gold layer on silicon substrate followed by annealing to convert the thin gold layers to form gold nanoislands. Gold nanoislands were characterized with SEM, AFM, and UV-VIS. In this study, eight amino acids from four different families (polar, nonpolar, acidic, and basic) were se-lected as the model analytes. MALDI-TOF mass spectra showed that small molecules with low molecular weight and amino acids of the different classes (polar, nonpolar, acidic, and basic) were quantitatively detectable with less matrix-related noise by gold nanoislands chip as a solid matrix for MALDI-TOF mass spectrometry. From the analysis of amino acid mixtures, gold nanoislands chip was found to be an effective tool for the simultaneous detection of multiple analytes. The TiO2 nanowire chip was applied to MALDI-TOF mass spectrometry for the quantitation of galactose to diagnose the galactosemia in newborn screening test. As monosaccharides is difficult to detect directly by MALDI-TOF mass spectrometry, galactose-OPD assay was conducted, and the products of the assay was detected by MALDI-TOF mass spectrometry. Among the monosaccharides, galactose was reported to have a strong reducing power. To quantify the concentration of galactose, reduction potential of galactose was used for the reaction of galactose with OPD to DA. TiO2 nanowires were synthesized via wet corrosion process. TiO2 nanowires were characterized by XRD, Raman, and optical band-gap energy was calculated. When using TiO2 nanowire chip as a solid matrix for MALDI-TOF mass spectrometry, both OPD and DA were detectable and they ionized in the sodium adduct form of [M+Na]+ with no matrix interference in the low m/z range. The reproducibility was calculated to be within 10 % for both OPD and DA. For serum and dried blood (DBS) samples, OPD oxidation reaction was conducted after methanol ex-traction to precipitate the proteins in the serum. Galactose in buffer (PBS), serum sam-ple as well as DBS were quantitatively analyzed by MALDI-TOF mass spectrometry. The intensities of the mass peaks of OPD and DA were linearly correlated in the con-centration range of galactose of over a range of 57.2 – 220.0 mg/mL (linearity coeffi-cient (r2) = 0.999 and 0.950) for serum samples and 52.5 – 220.0 mg/mL (r2 = 0.993 and 0.985) for DBS. As the cut-off concentration for the medical diagnosis of galacto-semia is 110.0 μg/mL, these results demonstrated that MALDI-TOF mass spectrometry based on TiO2 nanowire chip could be applied to diagnose galactosemia using the oxi-dation of OPD with galactose. To verify the interference of glucose, the mixture of ga-lactose and glucose was analyzed and OPD reaction was selectively performed for ga-lactose. OD measurements from enzyme immunoassay and MALDI-TOF mass spec-trometry results were statistically analyzed. Finally, the mixtures of galactose, phenyl-alanine and 17α-OHP were simultaneously analyzed to demonstrate the effect of other biomarkers of metabolic disorders in newborns to suggest the probability of multiplex test platform by MALDI-TOF mass spectrometry based on TiO2 nanowire chip. As presented in these studies, the parylene matrix chip, gold nanoislands, and TiO2 nanowires were used as a solid matrix for MALDI-TOF mass spectrometry for the quantitative analysis of small molecules. Compared to conventional organic matri-ces, they had many advantages which included reduced matrix-related background noise in the low mass region, homogeneous distribution, and good reproducibility. 말디는 Karas와 Tanaka에 의해 1980년도에 처음 도입되었는데, 이 질량분석법 은 고분자량 바이오 분자를 분석하는데 널리 쓰이고 있다. 말디토프 질량분석법은 약한 이온화 방법으로 매트릭스라는 물질을 이용하여 레이저 에너지를 흡수하고 분석물질을 탈착/이온화한다. 그러나 이 방법은 유기 매트릭스의 단점 때문에 저 분자량 영역의 분석물을 분석하는 데에는 어려움이 많다. 유기 매트릭스는 재현성 이 없는 분석에 방해가 되는 노이즈를 저분자량 영역 (m/z < 500)에서 유발하기 때문에 분자량이 작은 물질 분석에는 응용하기 어렵다. 또 다른 유기 매트릭스의 단점으로는 유기 매트릭스와 분석물질이 마르는 과정에서 불균일한 결정화가 일 어나서 재현성 문제가 생기기 때문에 정량 분석에 응용하기 어렵다. 그래서 유기 매트릭스를 대체하는 다양한 물질들이 반도체 나노물질을 시작으로 금속 나노물질, 탄소 나노 물질까지 말디토프 질량분석법을 위한 고체 매트릭스로 개발되고 연구되었다. 이 연구들에서는 파릴렌 매트릭스 칩, 금 나노입자, 그리고 TiO2 나노선이 말디 토프 질량분석법을 위한 고체 매트릭스로서 쓰여 말디 토프 질량 분석법의 응용 영역을 저분자량 분석까지 확장시키고 민감성과 재현성을 유기 매트릭스보다 향 상시켰다. 첫번째 연구로는 파릴렌 매트릭스 칩을 제작하여 말디토프 질량분석법을 이용하 여 아미노산들을 정량분석 하는데 응용되었다. 다공성 고분자인 파릴렌 N 필름을 얇게 유기 매트릭스 어레이 위에 증착하여 유기 매트릭스의 노이즈는 줄였다. 페 닐케톤뇨증, 호모시스텐뇨, 메이플시럽소변질환 진단을 위한 신생아대사이상검사 를 하기 위해서는 4가지 타겟 바이오마커 (페닐알라닌, 루이신, 메티오닌, 발린)을 특정 컷오프 농도에서 분석해내야 한다. 매트릭스가 균일한 분포를 갖고 파릴렌 매트릭스 칩이 전기적으로 전도성을 갖고있다는 특성은 형광 이미지와 순환 전압 전류법으로 확인할 수 있었다. 파릴렌 매트릭스 칩을 이용하면 매트릭스로 인한 노이즈는 줄이고 저분자량 물질들인 4가지 아미노산들을 모두 특정 컷오프 농도 부근에서 정량적으로 분석해낼 수 있었다. 혈청 샘플을 말디 분석을 하기 전에는 메탄올 추출이라는 전처리를 하였고 이는 혈청 내의 단백질을 침전시키기 위한 과 정이었다. 또한 아미노산 혼합물 분석도 가능하여 동시 분석이 다른 아미노산들의 영향없이 분석되는 것을 확인할 수 있었다. 이전에 사용했던 파릴렌 매트릭스 칩을 비타민 D 분석에도 응용하였다. 비타민 D가 결핍되면 여러 질병들이 발생되게 되는데 혈청내의 25(OH)D3의 농도를 분석 하면 이 질병들을 진단할 수 있다. 비타민 D는 이온화 효율이 낮기 때문에 베테인 알데하이드로 화학적 유도체화를 시켜 분석한다. 혈청 내에 있는 25(OH)D3는 액 체 액체 추출법으로 추출한 후 정량 분석하였고, r 2 = 0.992의 높은 직선성과 0.0056 pmol/μL의 낮은 측정한계를 보였다. 에너지 음료와 비타민 D3 약제 또한 실 제 샘플 측정을 위해 분석되었다. 마지막으로 화학발광 어세이와 말디토프 질량분 석법을 통계적으로 분석하여 이 방법의 적합성을 확인하였다. 두번째 연구로는 금 나노입자를 말디토프 질량분석법을 위한 고체 매트릭스로 사용하였는데, 이 금 나노입자는 실리콘 기판에 얇게 금을 증착한 후 열처리해주 는 방식으로 만들어졌다. 금 나노입자는 SEM, AFM, UV-VIS로 그 특성을 확인하 였다. 이 연구에서는 4가지 다른 특성 (극성, 무극성, 산성, 염기성)을 갖는 8가지 아미노산을 모델 분석물로 선택하여 매트릭스의 노이즈 없이 정량적으로 분석하 는데 금 나노입자가 고체 매트릭스로 응용되었다. 아미노산 혼합물 분석도 진행하 여 금 나노입자로 다양한 분석물을 동시에 측정할 수 있음을 확인했다. 세번째 연구로는 TiO2 나노선이 말디토프 질량분석법을 위한 고체 매트릭스로 응 용되었는데, 이는 갈락토스혈증을 진단하기 위한 목적으로 갈락토오스 정량 분석 에 쓰였다. 갈락토오스가 포함되어 있는 단당류의 경우, 말디토프 질량분석법으로 분석하기 어렵다고 알려져 있어서, 갈락토오스-OPD 어세이를 하여 그 어세이 결 과물을 말디토프 질량분석법으로 분석하였다. 많은 단당류 중에서 갈락토오스는 환원력이 좋은 것으로 알려져 있어서, 이 환원력을 이용하여 OPD를 DA로 분해시 키는데 갈락토오스를 이용하는 반응을 통해 실험하였다. TiO2 나노선은 약한 열수 반응으로 합성되었고, 그 특성은 XRD, 라만을 통해 분석되었다. TiO2 나노선을 말 디토프 질량분석법을 위한 고체 매트릭스로 이용하면, OPD와 DA 모두 매트릭스 의 노이즈 없이 분석되었고 이들은 나트륨이 붙은 이온 형태로 분석되었다. 재현 성은 OPD와 DA 모두 10 % 이내의 값을 나타내었다. 혈청과 마른 혈액 샘플을 분 석하기 전에는 메탄올 추출을 하여 샘플 내의 단백질을 제거한 후에 OPD 산화 반 응을 진행시켰다. 완충용액, 혈청, 그리고 마른 혈액 샘플 내의 갈락토오스는 모두 말디토프 질량분석법으로 정량적으로 분석되었고, OPD와 DA의 질량 피크 크기 는 갈락토오스의 농도와 57.2 – 220.0 mg/mL 농도 범위 구간에서 선형으로 연관 되어 있었다. 갈락토오스 혈증을 진단하기 위한 갈락토오스 농도의 컷오프 농도는 110.0 mg/mL이고 분석 가능한 농도 범위 구간 내에 있기 때문에 이 방법이 잠재 적으로 갈락토오스 혈증을 의학적으로 진단하는데 응용될 수 있음을 확인할 수 있 었다. 글루코오스의 영향은 없는지 확인하기 위해, 갈락토오스와 글루코오스의 혼 합물도 동일한 방법으로 분석되었는데, OPD 반응이 갈락토오스에서만 선택적으 로 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 효소 이뮤노어세이를 통한 흡광도 분석과 말 디토프 질량 분석법의 질량 피크 분석을 통계적으로 분석하였다. 마지막으로 갈락 토오스, 페닐알라닌, 17α-OHP의 혼합물을 동시에 분석하여 이 방법을 이용하여 다양한 분석물을 분석하는 플랫폼으로 응용될 수 있음을 확인하였다. 이번에 제시한 연구들에서는 파릴렌 매트릭스 칩, 금 나노입자, 그리고 TiO2 나 노선을 말디 토프 질량분석법을 위한 고체 매트릭스로 응용하여 저분자량 분석물 을 정량적으로 분석하는데 응용되었다. 유기 매트릭스와 비교하면 매트릭스로 인 한 노이즈를 저분자량 영역에서 확연히 줄일 수 있고, 균일한 분포를 가지며, 재현 성이 좋은 점 등 여러 장점들이 있었다.

Photosensors based on nanomaterials for chemiluminescence immunoassays

김홍래 Graduate School, Yonsei University 2021 국내박사

본 연구에서는 카드뮴 설파이드 (CdS) 나노 와이어와 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷과 같은 나노 물질 기반의 광 센서를 제작하여 화학 발광 임뮤노어세이에 적용하였다. 나노 재료, 특히 CdS 나노 와이어 및 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷은 높은 광 발광 양자 수율, 높은 광 흡수 계수, 긴 캐리어수명 및 확산 길이와 같은 우수한 광학 특성으로 인해 광 센서를 제조하는 유망한 재료이다. 그러나 나노 와이어 제어의 어려움과 나노 물질의 본질적인 불안정성은 광 센서 제작에 걸림돌이 되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 나노 물질의 문제점을 해결하기 위해 나노 물질의 합성 방법을 개선하고 표면 보호 필름을 코팅하여 나노 물질의 안정성을 높였다. 첫번째로, CdS 나노 와이어를 펄스 레이저 증착 방법을 통해 Au 전극에서 직접 합성하였다. 이 방법은 광 센서 제조에 다음의 몇 가지 장점이 있다: (1) 광 센서의 감도와 관련된 나노 와이어의 표면 밀도 향상, (2) 나노 와이어에 물리적 변화를 유도할 수 있는 초음파 처리의 불필요, (3) 나노 와이어와 전극 (IDE) 표면 사이의 접촉 개선. 이와 같은 효과로 인해 in-situ 합성 CdS 나노 와이어 기반 광 센서의 광 민감도는 나노 와이어 현탁액을 디스펜스하여 제작한 기존의 나노 와이어 기반 광 센서에 비해 24 배 이상 향상되었다. 또한 in-situ 합성된 CdS 나노 와이어를 기반으로 한 광 센서 제작의 재현성을 CdS 타겟으로부터의 거리에 따라 분석하였다. 합성 영역은 각각 9, 10, 11 및 12cm의 CdS 타겟으로부터의 거리에 따라 영역 0, 1, 2 및 3으로 설정하였다. 그 결과, 영역 1에서 제작된 광 센서의 광 민감도가 가장 높았으며,동일한 합성 영역에서 제작된 광 센서의 감도 편차는 15 % ~ 20 % 범위로 재현성이 있음을 확인하였다. 두번째로, CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷을 열역학적 제어 방법을 사용하여 합성하였고 직경 5nm 미만의 균일 한 페로브스카이트 퀀텀닷을 합성하였다. 이 방법은 균일 한 크기 분포와 작은 크기로 인해 전극 위의 퀀텀닷의 표면 밀도가 향상될 수 있기 때문에 광 센서 제작에 유리하다. 또한 열처리 온도를 최적화하여 퀀텀닷과 전극 간의 접촉을 개선하였다. 그 결과 300 °C 에서 열처리 한 광 센서의 광 민감도가 가장 우수하였다. 300 °C에서 열처리 한 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷은 X 선 회절 분석, X 선 광전자 분광 분석 (XPS) 및 주사 전자 현미경 분석을 통해 cubic crystal의 결정성을 가지고 있 으며 IDE에 고르게 분포되어 있음을 확인하였다. 또한, 광 센서의 광 반응 성능을 향상시키기 위해 MoS2 나노 플레이크를 전하 전달 층으로 사용하였다. MoS2는 캐리어 이동성이 크고 밴드 갭이 비교적 넓기 때문에 광 센서에 유용한 것으로 알려져 있다. 따라서 페로브스카이트에서 광 에너지에 의해 여기된 전자는 재결합없이 MoS2를 통해 금 전극으로 이동할 수 있으며, MoS2의 적절한 밴드 갭으로 인해 전자의 이동이 가속화될 수 있다. CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 및 MoS2 나노 플레이크를 기반으로 한 광 센서는 0.33 A/W의 반응성 (responsivity), 3.02x10^13 Jones의 높은 광 민감성 (detectivity), 9/12ms의 빠른 상승 및 감쇠 시간을 보여주었다. 세번째로, CdS 나노 와이어 및 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷과 같은 나노 물질의 표면을 보호하기 위해 표면 보호 필름으로 파릴렌-C (parylene-C) 필름을 코팅하였다. 파릴렌 필름은 알코올 및 아세톤과 같은 유기 용매에 대한 높은 내 화학성, 가시 스펙트럼 (400-700nm)에 대한 높은 투과성, 전기 절연성 및 내수성과 같은 우수한 특성을 가지고 있다. 또한, 파릴렌-C 필름의 성능을 확인하기 위해 파릴렌-C 필름으로 코팅 된 CdS 나노와이어와 파릴렌 필름이 코팅 되지 않은 CdS 나노와이어에 반응성이 높은 물질 인 과산화수소를 처리하였다. 그 결과, 파릴렌 -C 필름으로 코팅 되지 않은 CdS 나노 와이 어의 광 민감도는 과산화수소 처리 후 완전히 저하되었다. 그러나 파릴렌-C 필름으로 코팅 된 CdS 나노 와이어의 광 민감도는 과산화수소 처리 전과 유사하게 유지되었다. CdS 나노 와이어의 광 민감도가 감소한 이유를 XPS 분석을 통해 분석하였고, CdS 나노 와이어의 표면이 과산화수소에 의해 산화되어 CdSO4로 변하였음을 확인 하였다. 이 결과는 파릴렌-C 필름 코팅이 나노 와이어를 보호하고 표면 반응을 방지할 수 있음을 보여준다. 또한 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 기반 광 센서에 파릴렌-C 필름을 코팅하였다. 광 센서의 광 민감도에 대한 파릴렌-C 필름의 영향을 확인하기 위해 파릴렌-C 증착 전후에 입사광의 세기를 변화해 가면서 광 센서의 광 민감도를 확인하였다. 그 결과, 광 민감성 (detectivity)이 증착 전 3.31x10^12 Jones에서 증착 후 3.02x10^13 Jones으로 9 배 이상 증가하였다. 패시베이션 필름 코팅의 효과를 연구하는 또 다른 방법으로는 트랩 상태의 막힘을 분석하여 확인할 수 있다. 트랩 상태 밀도의 측정 및 변화는 빛이 없는 조건에서 I–V 측정을 통하여 분석할 수 있다. CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 및 MoS2 기 반 광 센서에 대한 I–V 측정을 빛이 없는 조건에서 parylene-C 증착 전후에 측정하였다. 그 결과, 트랩 상태 밀도는 증착 전 1.64 x 10^15 cm-1 에서 파릴렌-C 필름(180nm) 증착 후 9.11 x 10^14 cm-1로 감소하였다. 이러한 결과는 CsPbBr3 페로브스카이트 퀀텀닷 및 MoS2 기반 광 센서의 광 감도가 파릴렌-C 코팅을 통한 표면의 트랩 상태 차단을 통해 증가되었음을 알 수 있다. 마지막으로 본 연구에서, 광 센서를 화학 발광 면역 분석에 적용하기 위하여 파릴렌-C 보호막이 코팅된 나노 물질 기반 광 센서를 사용하여 효소 결합 면역 흡착 분석 키트 (enzyme-linked immunosorbent assay kits, ELISA kits)에서 발생되는 화학 발광 신호를 측정하였다. 표적 물질의 민감한 검출을 위하여 화학 발광 반응을 적용하였고, HRP 효소와 루미놀의 화학 발광 반응을 통해 420nm 파장의 빛을 생성할 수 있다. 사용한 ELISA 키트는 B 형 간염 표면 항원 (human hepatitis B surface antigen, HBsAg), 인간 면역 결핍 바이러스 항체(human immunodeficiency virus antibody, anti-HIV antibody) 및 암 표적 물질(cancer biomarker, alpha-fetoprotein) 검출 키트이고, 모든 키트에서 발생한 화학 발광 신호를 성공적으로 측정하였고, 항원의 농도에 따른 정량적인 측정도 가능하였다. 본 연구에서는 기존 나노 물질 기반 광 센서 제작의 한계점을 개선하기 위하여 나노 물질의 합성 방법을 개선하였다. CdS 나노와이어의 경우에는 나오 와이어를 전극에서 직접 합성하였다. 또한 CsPbBr3 퀀텀닷 기반 광 센서의 경우에는 광 센서의 광 민감도를 증가시키기 위하여 전하 이동 층을 도입하였다. 또한 나노 물질 기반 광 센서의 안정성을 향상시키기 위하여 파릴렌-C 보호필름을 코팅하였다. 이와 같은 방법으로 기존의 한계점을 극복하여 민감도가 우수한 광 센서를 제작하였다. 또한 바이오 물질을 검출하는 화학 발광 어세이 키트에 광 센서를 적용하여 바이오 물질 검출 시 발생되는 화학 발광 신호를 성공적으로 측정하였다. This work presents photosensors based on nanomaterials such as CdS nanowires and CsPbBr3 perovskite quantum dots (PQDs) for chemiluminescent immunoassay. Nanomaterials, especially CdS nanowires and CsPbBr3 PQDs, are promising materials to fabricate photosensor because of their excellent optical properties, such as high photoluminescence quantum yield, high optical absorption coefficient, and long carrier lifetime and diffusion length. However, the difficulty in controlling the nanowires and intrinsic instability of nanomaterials are obstacles to the fabrication of photosensors. In this study, to solve the problems of nanomaterials, the synthesis method of nanomaterials is improved and a surface protective film is coated to improve the stability of nanomaterials. First, CdS nanowires were directly synthesized on Au electrodes via pulsed laser deposition. This method has several advantages for the fabrication of photosensors: (1) enhanced surface density of nanowires, which is related to the sensitivity of photosensors; (2) ultrasonication, which may induce physical changes to the nanowires, is not required to isolate the nanowires; and (3) the contact between nanowires and interdigitated electrode (IDE) surface can be improved. From these effects, the sensitivity of photosensors based on in-situ synthesized CdS nanowires improved by more than 24 times compared with the conventional nanowire photosensors fabricated by dispensing with nanowire suspensions. In addition, the reproducibility of the fabrication of photosensors based on in-situ synthesized CdS nanowires was analyzed according to the distance from the CdS target. The synthesis zones were established to be zones 0, 1, 2, and 3 according to the distance from the CdS target of 9, 10, 11, and 12 cm, respectively. As a result, the deviation of sensitivity could be estimated in the range of 15%–20% according to the position in the same synthesis zone. Second, the CsPbBr3 PQDs were synthesized using a thermodynamic control method, and uniform quantum dots (QDs) with a diameter of less than 5 nm were synthesized. This method has an advantage for the fabrication of photosensor because the surface density of the QD on the electrode can be improved due to the uniform size distribution and small size. In addition, the heat treatment temperature was optimized to improve the contact between QDs and electrode. As a result, the photosensitivity of the photosensor fabricated by heat treatment at 300 °C was the best. The CsPbBr3 PQDs heat-treated at 300 °C confirmed that cubic crystal phase and evenly distributed on the IDE through X-ray diffractometry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and scanning electron microscopy analysis. Further, MoS2 nanoflakes were used as the charge-transfer layer to improve the photoresponse performance of the photosensor. MoS2 is known to be useful for photosensors because it has a large carrier mobility and a relatively wide bandgap. Therefore, photogenerated electrons in perovskite can move to the Au electrode through MoS2 without recombination, and the movement of electrons can be accelerated owing to the appropriate bandgap of MoS2. The photosensor based on CsPbBr3 PQDs and MoS2 nanoflakes demonstrated a responsivity of 0.112 A/W, high specific detectivity of 1.023x1013 Jones, and rapid rise/decay times of 9/12 ms. Third, parylene-C film as a surface passivation film was coated to protect the surface of nanomaterials, such as CdS nanowires and CsPbBr3 PQDs. The parylene film has excellent properties such as high chemical resistance to organic solvents like alcohols and acetone, high transparency over the visible spectrum (400–700 nm), electrically insulating properties, and water resistance. To confirm the performance of the parylene-C film, CdS nanowires coated with parylene-C film were treated with hydrogen peroxide, a highly reactive material. As a result, the sensitivity of CdS nanowires uncoated with the parylene-C film was completely degraded after hydrogen peroxide treatment. However, the sensitivity of CdS nanowires coated with parylene-C film remained similar to that before hydrogen peroxide treatment. The reason for the decrease in the sensitivity of the CdS nanowire was confirmed through XPS analysis that the surface of the CdS nanowire was oxidized by hydrogen peroxide and turned into CdSO4. This result shows that parylene-C film coating can protect the nanowire and prevent surface reaction. Further, parylene-C film was coated on the PQD-based photosensor. To estimate the influence of the parylene-C film on the sensitivity of the photosensor, the photoresponse of the photosensor were estimated in the different intensity range of incident light, before and after parylene-C deposition. As a result, the detectivity increased more than 3-fold, from 3.31x1012 to 1.023x1013 Jones, before and after deposition, respectively. Another method to study the effect of the passivation film coating is to analyze the blockage of the trap states. The blocking of trap states could be estimated by I–V analysis under dark conditions. I–V curve for the CsPbBr3 PQD and MoS2− based photosensor was measured before and after the parylene-C deposition in dark conditions. As a result, the density of trap states (ntrap) was estimated to be 1.64 x 1015 and 9.11 x 1014 cm−1 before and after parylene-C deposition, respectively, at a thickness of 180 nm. These results indicated that the sensitivity of the photosensor based on the CsPbBr3 PQD and MoS2 could be increased using the parylene-C film as a passivation layer via blocking of trap states on the surface. Finally, the photosensors were applied to a chemiluminescent immunoassay and measure the luminescence signal generated in the immunoassay. The chemiluminescence (CL) reaction between horseradish peroxidase and luminol generates light at a wavelength of 420 nm, and it has been applied to immunoassays for the sensitive detection of target analytes. In this study, the photosensors based on nanomaterials and passivated with parylene-C were demonstrated in the detection of CL signals from enzyme-linked immunosorbent assay kits for detecting human hepatitis B surface antigen, human immunodeficiency virus antibody, and a cancer biomarker—alpha-fetoprotein.

Development of Parylene-C based Peripheral Mesh Electrode

Byung Wook Park DGIST 2020 국내석사

기존의 침습형 신경 인터페이스들은 조직과의 물리적인 특성 차이로 인해 신경조직에 광범위한 면역반응을 야기하며 조직은 반흔 조직을 형성한다. 이는 전극의 측정능력 상실로 이어지기 때문에 최근 이러한 면역반응을 줄이는 신경인터페이스가 연구되어지고 있다. 이러한 면역반응을 최소화 할 수 있는 구조가 그물형 구조로 만든 신경인터페이스다. 본 논문은 이 그물형 구조를 통해 장기적으로 말초신경에서 측정이 가능한 Parylene-C 기반 말초신경 인터페이스 개발을 다룬다. 수분 침투율을 낮추기 위해 기존에 사용되는 SU-8이 아닌 Parylene-C를 이용하여 전극을 제작하였다. 또한 뇌와 다른 특징을 가진 말초신경에 최적화하기 위해서, 늘어날 수는 있는 프렉탈 구조를 도입하고 전극의 측정크기 역시 조절하였다. 전극 제작에 필요한 높은 정확도를 가지며 전극의 손상을 최소화하는 Reactive Ion Etching(RIE) 조건을 확립하였다. 또한 RIE 공정을 2번 나눠서 진행하여 금속 RIE 마스크의 micro-sputtering으로 인한 잔여물 문제를 해결하여 그물형 모양의 Parylene-C 전극을 완성하였다. electrochemical Impedance Spectroscopy를 이용해 전극의 임피던스를 측정한 결과, 전극의 임피던스는 1Khz에서 1.15Mohm이였다. 전극의 in vivo에서 사용 가능성을 알기 위해 Digital Neural Signal Simulator를 이용한 실험에서 모사된 활동전위를 측정하는데 성공하였다. 이어서 진행된 acute animal experiment에서 성공적으로 뉴질랜드 토끼의 좌골신경에서 활동전위를 측정을 하였다. 본 논문은 Parylene-C 기반 말초신경 그물형 전극 개발 및 타당성을 보였다. 앞으로 말초신경에 최소한의 손상을 주며 삽입하는 기술 및 전극 임피던스 등을 개발 및 개선하여 장기적인 말초신경 추적을 하고자 한다. Conventional invasive neural interfaces cause a wide range of immune responses to neural tissues due to differences in their physical properties and tissues form scar tissue. Since this leads to a loss of the measuring ability of the electrode, a neural interface that reduces this immune response has recently been studied. The structure that can minimize this immune response is a neural interface made of a mesh structure. This paper deals with the development of a parylene-c based peripheral nerve interface that can be measured in the peripheral nerve in the long term through this mesh structure. In order to reduce the water penetration rate, electrodes were manufactured using Parylene-C instead of SU-8. In addition, in order to optimize the peripheral nerves with other characteristics of the brain, an stretchable fractal structure was introduced and the measurement size of the electrodes was also adjusted. Reactive Ion Etching (RIE) conditions were established to have high accuracy and minimize damage to electrodes. In addition, the RIE process was divided into two parts to solve the residue problem caused by the micro sputtering of the metal RIE mask, thereby completing a mesh parylene-C electrode. Electrode impedance was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The impedance of the electrode was 1.15 Mohm at 1 kHz. In order to know the potential of electrode use in vivo, I successfully measured the emulated action potential in the experiment using Digital Neural Signal Simulator. Subsequent acute animal experiments were successfully performed to measure activity potential in the sciatic nerve of New Zealand rabbits. This thesis shows the development and validity of Parylene-C based peripheral neural mesh electrode. In the future, I will develop long term peripheral nerve tracking by developing the insertion technique which have minimal damage to peripheral nerve and improving the electrode impedance

MALDI-TOF mass spectrometry based on parylene-matrix chip for medical diagnosis

Park, Jongmin Graduate School, Yonsei University 2019 국내박사

본 연구에서는 파릴렌 매트릭스 칩을 이용하여 말디톱 질량분석 기반 의료진단에 응용하고자 하였다. 말디톱 (matrix-assisted laser desorption/ionization – time of flight, MALDI-TOF) 질량분석법은 유기 매트릭스를 이용하여 펩타이드, 단백질, 뉴클레오타이드와 같은 생체 분자를 분석하는 데 널리 사용되어 온 방법이다. 유기 매트릭스를 사용한 말디톱 질량분석법은 빠른 분석 시간, 높은 감도, 넓은 측정 범위 등 많은 장점을 가지고 있으나, 1,000 Da 이하의 저분자량 분석 영역에서 유기 매트릭스에 의한 무작위적 노이즈 피크가 발생한다는 단점을 가지고 있다. 또한, 유기 매트릭스와 샘플을 혼합하여 건조시킬 때 불균일한 결정이 형성되기 때문에 레이저 조사 위치에 따라 발생되는 이온 양이 달라지고, 이는 말디톱 질량분석법을 이용한 정량분석이 거의 불가능하다는 것을 의미한다. 따라서 말디톱 질량분석법을 이용하여 저분자량 물질을 정량적으로 검출하기 위해서는 유기 매트릭스로부터 나오는 노이즈를 제거해야만 한다. 본 연구에서는 저분자량 물질을 정량적으로 분석하기 위해 건조된 유기 매트릭스 위에 고분자인 파릴렌 (parylene) 박막을 증착시킨 파릴렌 매트릭스 칩을 제작하였다. 파릴렌 필름이 증착된 후에는 유기 매트릭스에서 발생하였던 저분자량 영역의 매트릭스 노이즈가 제거되었고, 파릴렌이 코팅된 스팟 위에 샘플을 떨어뜨린 후 말디톱 분석을 수행했을 때 매트릭스 노이즈 없이 샘플 피크가 높은 신호 대 잡음 (signal-to-noise) 비로 형성되는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 파릴렌 매트릭스 칩의 이러한 특성을 이용하여 다양한 저분자량 생체 분자를 정량적으로 검출할 수 있음을 검증하고 다양한 의료진단에 응용하고자 하였다. 첫 번째로, 간내 담관암 (intrahepatic cholangiocarcinoma, IHCC)과 대장암 (colorectal cancer, CRC)을 진단하기 위해 N-methyl-2-pyridone-5-carboxamide (2PY), 글루타민 (glutamine), 리소포스파티딜콜린 (lysophosphatidylcholine, LPC) 16:0과 LPC 18:0을 저분자량 바이오마커로서 검출하고자 하였다. 파릴렌 매트릭스 칩 기반 말디톱 질량분석법의 측정 재현성을 샘플 스팟 간 (spot-to-spot) 재현성, 동일 스팟 내 위치 간 (shot-to-shot) 재현성으로 나누어 검증하였다. IHCC의 바이오마커인 2PY와 글루타민, CRC의 바이오마커인 LPC 16:0과 LPC 18:0은 파릴렌 매트릭스 칩을 이용하여 각각 정량분석 하였다. 이어서, 정상, 암 조건에 맞게 혼합한 바이오마커 혼합물에 대해서도 파릴렌 매트릭스 칩을 이용하여 동시 분석 가능함을 확인하였다. 또한, 혈청으로부터 추출한 바이오마커 혼합물을 농도 조건에 따라 분석 가능하였다. 마지막으로, 대장암 환자 혈청에서 글루타민과 LPC 16:0을 동시 검출, 분석함으로써 파릴렌 매트릭스 칩 기반 말디톱 질량분석법을 암 진단에 적용할 수 있는지 확인하였다. 두 번째로, 파릴렌 매트릭스 칩을 베타락탐계 항생제 내성균 검사에 적용하고자 하였다. 베타락탐계 항생제 (β-lactam antibiotics)는 내성균 내의 항생제 분해효소인 베타락타메이즈 (β-lactamase)에 의해 가수분해되어 항균능력을 잃게 되는데, 특별히 카바페넴계 (carbapanems) 항생제 분해효소인 카바페네메이즈 (carbapenemase)를 생성하는 내성균 감염증은 법정감염병으로 관리하는 바, 빠르고 정확한 검출이 매우 중요하다. 배양에 오랜 시간이 걸리는 기존 진단법의 문제점을 극복하기 위해, 파릴렌 매트릭스 칩 기반 말디톱 질량분석법을 이용하여 분해효소에 의한 베타락탐계 항생제 가수분해를 정량적으로 검출하고자 하였다. 베타락탐계 항생제 분해효소의 작용을 정량적으로 검출하기 위한 타겟 항생제로 페니실린 (penicillin-G)과 4종류의 카바페넴계 항생제인 도리페넴 (doripenem), 에타페넴 (ertapenem), 이미페넴 (imipenem), 메로페넴 (meropenem)이 사용되었다. 먼저, 베타락탐계 항생제에 대한 말디톱 측정 재현성을 확인하였고, 각각의 항생제를 내성검사 적용범위 내에서 효과적으로 정량분석할 수 있음을 확인하였다. 파릴렌 매트릭스 칩을 이용하여 말디톱 분석을 수행하였을 때 베타락탐계 항생제와 분해효소에 의한 가수분해 산물이 매트릭스 노이즈 없이 정량분석 될 수 있음을 확인하였다. 이어서, 페니실린 내성 E.coli 와 비내성 E.coli 를 이용하여 파릴렌 매트릭스 칩 / 말디톱 질량분석법 기반 페니실린 내성검사를 수행하였을 때, 최소 1,000개 E.coli만으로도 내성 여부가 빠르게 확인되었다. 마지막으로, 카바페네메이즈 생성 내성균, 카바페네메이즈 비생성 내성균, 카바페네메이즈 비내성균을 이용하여 4시간 안에 내성 여부를 정량적으로 검사할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 파릴렌 매트릭스 칩 기반 말디톱 질량분석법을 저분자량 물질인 lysophosphatidylcholine (LPC) 16:0을 바이오마커로 하는 패혈증 진단에 적용하였다. 정상군과 폐렴, 패혈증 환자군 혈청을 각각 파릴렌 매트릭스 칩을 이용하여 말디톱 질량분석하였고, m/z=496.3, 518.3 두 위치에서 그룹별 피크 세기가 달라짐을 확인하였다. 해당 m/z 위치에서 나타나는 물질을 동정하기 위해 이중 질량분석법 (tandem mass spectrometry) 을 수행하였고, 혈청에서 얻은 MS2, MS3 조각이온 패턴을 비교한 결과 특이적으로 검출된 두 피크가 LPC 16:0과 동일하다는 것을 확인하였다. 이어서, 파릴렌 매트릭스 칩 기반 말디톱 질량분석법을 이용하여 혈청 내 LPC 16:0을 정량분석 하였고, 그 결과를 표준방법인 액체 크로마토그래피 이중질량분석법 (liquid chromatography tandem mass spectrometry, LC-MS/MS) 과 높은 상관관계가 있음을 블랜드-알트만 플롯 (Bland-Altman plot), 패싱-바블록 선형회귀법 (Passing-Bablok linear regression)을 이용하여 통계적으로 확인하였다. 결과적으로, 파릴렌 매트릭스 칩 기반 말디톱 질량분석법을 이용하여 패혈증 환자군 (n=144), 폐렴 환자군 (n=12), 정상군 (n=16)의 LPC 16:0 수치를 정량분석 하였을 때, 97.9%의 민감도 (sensitivity)와 95.5%의 선택도 (selectivity)로 패혈증을 진단할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 지금까지 기존 말디톱 질량분석법으로 검출할 수 없었던 저분자량 생체 분자를 파릴렌 매트릭스 칩을 이용하여 정량분석 하였다. 또한 파릴렌 매트릭스 칩의 특성을 이용하여, 저분자량 생체 분자를 바이오마커로 하는 간내 담관암, 대장암, 패혈증과 같은 질병 진단에 적용할 수 있음을 확인하였고, 저분자량 항생제 내성균 검사에도 응용할 수 있음을 확인하였다. This work presents the matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry based on a parylene-matrix chip for medical diagnosis. This technique has been widely used with organic matrices for the analysis of biomolecules having high molecular weight, such as peptides, proteins, and nucleotides. MALDI-TOF mass spectrometry based on organic matrices has various advantages, including easy sample preparation, low sample consumption, short analysis time, high sensitivity, and wide detection range; however, organic matrices generate irreproducible mass peaks, hindering its application in the low mass-to-charge (m/z) range (<1000). Moreover, the quantitative analysis of low-molecular-weight molecules, such as small biomolecules, by MALDI-TOF mass spectrometry is difficult due to the inhomogeneous crystallization of the sample–matrix mixture and, hence, requires the removal of the matrix noise. In this study, for the detection and quantitative analysis of small biomarkers, a parylene-matrix chip was fabricated by the deposition of a partially porous parylene-N thin film on a dried organic matrix array. The mass peaks from the matrix were eliminated after this deposition, while that of the analyte was effectively detected with a high signal-to-noise (S/N) ratio. This chip was used for medical diagnoses based on small biomarkers. First, MALDI-TOF mass spectrometry based on the parylene-matrix chip was applied to diagnose intrahepatic cholangiocarcinoma (IHCC) and colorectal cancer (CRC) by using N-methyl-2-pyridone-5-carboxamide (2PY), glutamine, and lysophosphatidylcholine (LPC, 16:0 and 18:0) as biomarkers. Its feasibility was confirmed via spot-to-spot and shot-to-shot reproducibility tests. Both the water-soluble, serum metabolite markers of IHCC (i.e., 2PY and glutamine) and the water-insoluble biomarkers of CRC (i.e., LPC 16:0 and LPC 18:0) were quantified, proving that this method can yield high-throughput detection of cancer biomarkers in sample mixtures of water-soluble and water-insoluble analytes with serum. Then, a β-lactamase (EC 3.5.2.6) assay based on this technique for the detection of β-lactamase-producing bacteria was performed. β-lactamase is an important family of enzymes that confer resistance to β-lactam antibiotics by catalyzing their hydrolysis. Here, we perform a highly sensitive assay to quantify the β-lactamase-mediated hydrolysis of penicillin and carbapenems, including doripenem, ertapenem, imipenem, and meropenem. As a first step, the reproducibility (spot-to-spot, shot-to-shot, and day-to-day) of the parylene-matrix chip-based MALDI-TOF mass spectrometry and the quantification ranges for the β-lactam antibiotics were assessed. The parylene-matrix chip allowed the successful quantitative determination of the β-lactam antibiotics and their hydrolyzed forms with minimal interference by low molecular weight noise peaks. A penicillin susceptibility test was performed by using penicillin-resistant and penicillin-susceptible E.coli strains; it revealed that the minimum number of E.coli cells required to evaluate the antibiotic resistance is 1000 for a MALDI-TOF mass spectrometry/parylene-matrix chip assay. A carbapenem susceptibility test was also conducted by using the four carbapenems mentioned above and 51 bacterial strains that displayed (1) carbapenem resistance via carbapenemase, (2) carbapenem resistance without carbapenemase, or (3) carbapenem susceptibility. The results showed that the proposed technique is more sensitive and selective to the carbapenemase reaction than conventional MALDI-TOF mass spectrometry based on an organic matrix such as 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB). Finally, the parylene-matrix chip-based MALDI-TOF mass spectrometry was performed for the medical diagnosis of sepsis via the quantitative analysis of LPC 16:0 in sepsis patients sera. First of all, the specific mass peaks for this diagnosis were searched by comparing the MALDI-TOF mass spectra of sepsis patient sera with healthy controls and pneumonia patient sera. The mass peaks at m/z = 496.3 and 518.3 were chosen as specific of the sepsis sera; they were identified as protonated and sodium adduct of LPC 16:0 according to the tandem mass spectra (MS2 and MS3) of purely synthesized LPC 16:0 and LPC 16:0 extracted from a healthy control serum. Next, a standard curve of LPC 16:0 for its quantitative analysis was prepared by the MALDI-TOF mass spectrometry and the statistical correlation to the analysis results of liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC–MS/MS) was demonstrated via the Bland–Altman test and Passing–Bablok regression. Finally, the proposed technique was used for the quantification of LPC 16:0 in serum samples from patients having severe sepsis and septic shock (n = 144), pneumonia patients (n = 12), and healthy controls (n = 16). The estimated sensitivity and selectivity of this medical diagnosis were 97.9% and 95.5%, respectively.

액체 기판 위에 선형 중합체 Parylene-C의 동력학적 거침 연구

신중유 전북대학교 일반대학원 2022 국내석사

In this thesis, the surface morphology of Parylene-C films grown on liquid substrates has been measured and analyzed within the framework of dynamic scaling theory. In the initial growth regime (d < 200 nm), Parylene-C films grown on liquid substrates display a network structure. This growth behavior is completely different from the growth behavior observed on solid substrates in which three-dimensional island growth is observed due to strong intermolecular interactions between polymer chains. However, despite the difference in the initial growth behavior, the surface morphology in the continuous regime over the d = 200nm becomes identical independent of the substrate (or initial growth condition). Characteristic scaling exponents are measured as α = 1.74, β = 0.248 ± 0.01, 1/z = 0.175 ± 0.022, α_loc= 0.738 ± 0.017, and α_s= 0.986 ± 0.056. So α>α_s~1, which correspond to Intrinsic anomalous roughening.