전해질 게이트 트랜지스터 바이오센서의 민감도 향상 전략 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The biosensor based on the electrolyte-gated transistor (EGT) is suitable for opoint of care devices because it can be miniaturized and can be quickly and sensitively detected in real-time with easy operation. It is important to manufacture a biosensor with a low detection limit and a sensitive biosensor because the biosensor that is targeted exists in a low concentration in the body.
In this study, three methods are proposed to manufacture a sensitive EGT biosensor. The first and second are strategies to improve sensitivity by suppressing the formation of an electrical double layer. When the EGT biosensor operates under physiological conditions, it has a problem of a debye length screening that covers the target because the electrical double layer is formed by mobile ions. Due to this, there is a fundamental problem that the sensitivity of the biosensor is greatly lowered. The thickness of the electrical double layer formed when the EGT biosensor is operated under physiological conditions was less than 1 nm, and it was considered that detection beyond this was virtually impossible.
The first method of overcoming these issues and manufacturing a sensitive biosensor is to suppress EDL formation by lowering the surface energy of the biosensor sensing surface, and the second method is to solve the debye length screening problem by suppressing EDL formation by applying an AC voltage to the biosensor. This strategy solves the fundamental problem of the EGT biosensor and can be operated as a biosensor under physiological conditions, making it advantageous for application as a field medical diagnostic device.
The third method is to lower the conductivity of the semiconductor of EGT. It is a method of manufacturing a TFT having low conductivity by changing the composition and manufacturing method of a TFT semiconductor and applying it to a biosensor to manufacture a sensitive biosensor. A biosensor with low conductivity reacts more sensitively to the charge change caused by the interaction between the target and the biomolecule module, lowering the detection limit and improving the sensitivity.
It is possible to manufacture a sensitive electrolyte-gated transistor biosensor that can be used as a field medical diagnosis device by developing the concepts introduced in this study and applying them to next-generation diagnostic technology.

국문 초록 (Abstract)

전해질 게이트 트랜지스터(electrolyte-gated transistor, EGT)를 기반으로 한 바이오센서는 소형화가 가능하고 손쉬운 작동으로 신속하고 민감한 검출이 가능하여 현장 의료 진단 장치에 적합하다. 이러한 바이오센서는 target으로 하는 biomolecule이 체내에 낮은 농도로 존재하기 때문에 검출 한계가 낮고 민감한 바이오센서를 제작하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 민감한 EGT 바이오센서를 제작하기 위해 세 가지 방법을 제시한다. 첫 번째와 두 번째 방법은 전기 이중층 형성 억제를 통한 민감도 향상 전략이다. EGT 바이오센서는 생리학적 조건에서 작동 시 이동성 있는 이온들에 의해 전기 이중층이 형성되기 때문에 target을 가리게 되는 debye length screening 문제가 발생한다. 이로 인해 바이오센서의 민감도가 크게 떨어지는 근본적인 문제점을 가지고 있다. 생리학적 조건에서 EGT 바이오센서 작동 시 형성되는 전기 이중층의 두께는 1 nm 미만으로, 이를 넘어서는 검출은 사실상 불가능하다고 여겨졌다. 이러한 문제를 극복하고 민감한 바이오센서를 제작하는 첫 번째 방법은 바이오센서의 반도체 표면의 표면에너지를 낮춰 전기 이중층 형성을 억제하는 방법이고, 두 번째 방법은 바이오센서에 교류 전압을 인가하여 전기 이중층 형성을 억제하여 debye length screening 문제를 해결하는 방법이다. 이러한 전략은 EGT 바이오센서의 근본적인 문제점을 해결하여 생리학적 조건에서 민감한 바이오센서로 작동이 가능하여 현장 의료 진단 장치로의 적용에 유리하다.
세 번째 방법은 EGT의 반도체의 전도도를 낮추는 방법이다. 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) 반도체의 조성과 제작방법에 변화를 주어 낮은 전도도를 가지는 TFT를 제작하고 바이오센서에 적용하여 민감한 바이오센서를 제작하는 방법이다. 낮은 전도도를 가지는 바이오센서는 target과 biomolecule의 상호작용에 의한 전하 변하를 더 민감하게 반응하여 검출 한계를 낮추고 민감도를 향상시킨다.
본 연구에서 소개한 개념들을 발전시켜 차세대 진단 기술에 적용하면 현장 의료 진단 장치로 사용이 가능한 민감한 전해질 게이트 트랜지스터 바이오센서를 제작할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.1.1 전해질 게이트 트랜지스터 1
• 1.1.2 전해질 게이트 트랜지스터 바이오센서 3
• 1.2 전기 이중층 형성 억제를 통한 민감도 향상 전략 5
• 1.2.1 Debye Length 5
• 1.2.2 전기 이중층 7
• 1.2.3 Debye Length Screening 9
• 1.2.4 Debye Length Screening 극복 전략 11
• 1.3 반도체의 전도도 조절을 통한 민감도 향상 전략 14
• 2. 실험방법 16
• 2.1 기기 및 시약 16
• 2.2 IGO 전해질 게이트 트랜지스터 제작 18
• 2.3 IGZO 전해질 게이트 트랜지스터 제작 20
• 2.3.1 성분 원소 비율이 다른 IGZO 박막 트랜지스터 제작 20
• 2.3.2 경화 온도가 다른 IGZO 박막 트랜지스터 제작 21
• 2.4 EDL Capacitance 측정을 위한 PDMS 우물, 기판 제작 23
• 2.5 자기조립결합으로 전극을 보호한 전해질 게이트 트랜지스터 제작 25
• 2.6 Tau 단백질 검출을 위한 aptamer 기능화 27
• 2.7 표면에너지가 다른 Tau 단백질 검출 환경 제작 29
• 2.8 Tau 단백질 검출 31
• 3. 본론 33
• 3.1 표면에너지를 조절하여 전해질 게이트 트랜지스터 바이오센서의 민감도 향상 연구 33
• 3.1.1 연구방향 33
• 3.1.2 자기조립결합을 이용한 IGO 표면 개질 연구 34
• 3.1.2.1 접촉각 측정 34
• 3.1.2.2 표면에너지 측정 36
• 3.1.2.3 EDL Capacitance 측정 38
• 3.1.3 IGO 박막 트랜지스터의 전기적 특성 분석 40
• 3.1.4 전극 passivation 검증 42
• 3.1.5 감지층 검증 44
• 3.1.6 표면에너지에 따른 IGO 전해질 게이트 트랜지스터의 전기적 특성 연구 46
• 3.1.7 표면에너지에 따른 바이오센서의 Tau 단백질 검출 성능 비교 48
• 3.2 교류 전압을 이용하여 전해질 게이트 트랜지스터 바이오센서의 민감도 향상 연구 53
• 3.2.1 연구방향 53
• 3.2.2 교류 전압 바이오센서 측정 시스템 구축 54
• 3.2.3 EDL Capacitance 측정 56
• 3.2.4 직류, 교류 전압에 따른 IGO 전해질 게이트 트랜지스터의 전기적 특성 비교 58
• 3.2.5 직류, 교류 전압에 따른 바이오센서의 Tau 단백질 검출 성능 비교 60
• 3.3 반도체의 전도도를 조절하여 전해질 게이트 트랜지스터 바이오센서의 민감도 향상 연구 64
• 3.3.1 연구방향 64
• 3.3.2 IGZO 박막 트랜지스터의 전기적 특성 분석 65
• 3.3.3 IGZO 전해질 게이트 트랜지스터의 전기적 특성 분석 67
• 3.3.4 반도체의 전도도에 따른 바이오센서의 Tau 단백질 검출 성능 비교 69
• 3.3.4.1 성분 원소 비율에 따른 바이오센서의 Tau 단백질 검출 성능 비교 69
• 3.3.4.2 경화 온도에 따른 바이오센서의 Tau 단백질 검출 성능 비교 71
• 4. 결론 73
• 참고문헌 74
• Abstract 78