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예담 원
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1 J. of the Korean Sensors Society Vol. 19, No. (010) pp MOSFETx w xá«*á yá Á ³ Á **Á w ** Detection of deoxynivalenol using a MOSFET-based biosensor Lim Byounghyun, Kwon Insu*,G Lee Hee-Ho, Choi Young-Sam, Shin Jang-Kyoo, Choi Sung-Wook**, and Chun Hyang Sook** Abstract We have detected deoxynivalenol(don) using a metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor(mosfet)-based biosensor. The MOSFET-based biosensor is fabricated by a standard complementary metal-oxide-semiconductor(cmos) process, and the biosensor's electrical characteristics were investigated. The output of the sensor was stabilized by employing a reference electrode that applies a fixed bias to the gate. Au which has a chemical affinity for thiol was used as the gate metal to immobilize a self-assembled monolayer(sam) made of 16-mercaptohexadecanoic acid(mhda). The SAM was used to immobilize anti-deoxynivalenol antibody. The carboxyl group of the SAM was bound to the antideoxynivalenol antibody. Anti-deoxynivalenol antibody and deoxynivalenol were bound by an antigen-antibody reaction. In this study, it is confirmed that the MOSFET-based biosensor can detect deoxynivalenol at concentrations as low as 0.1 µg/ml. The measurements were performed in phosphate buffered saline(pbs; ph 7.) solution. To verify the interaction among the SAM, antibody, and antigen, surface plasmon resonance(spr) measurements were performed. Key Words : deoxynivalenol, mycotoxin, biosensor, antibody-antigen reaction 1. q ƒ (deoxyni- valenol). [3α,7α,15-trihydroxy-1, y w ƒœt 13-epoxytrichothec-9-en-8-one] 96.3 g/mol w q w»(hydroxy group) s w w ƒ ƒ š, wwš [1]. ww ƒ sw w š,,, x, t l w ƒ tƒœ w yw š. ƒ q w q w. w t mw w (mycotoxin) w, ƒœ z m,, x, v j w p ƒ š, t w ù ƒ k. w öe [,3]. x q w» w q ƒ ƒ w w [-6] ƒ š, r Ÿ (optical measure- w»fulw (School of Electrical Engineering and Computer Science, Kyungpook National University) * w v œw (Department of Sensor and Display Engineering, Kyungpook National University) **w t (Korea Food Research Institude) Corresponding author : jkshin@ee.knu.ac.kr (Received : March 18, 010, Revised : May 5, June 8, 010 Accepted : July 5, 010) ment) [7-10],» yw (electrochemistry) [11,1], (mass measurement) [13-16]. ù w šƒ ƒ v wš j» v w, { ƒ š. w ³ ù œ ƒ y j. w 306

형 바이오 센서를 이용한 디옥시 니발레놀의 검출 9 MOSFET Fabrication process flow Step Process 1. Initial cleaning Standard solvent and acid cleaning. Field oxidation 1000 oc, wet oxidation(6000 Å) 3.

Passivation (1000 Å/1000 Å) 8. Cr/Au define Evaporation(500 Å/5000 Å) Table 1. Fig. 1. Cross-sectional view of MOSFET-based biosensor. 이트로 널리 사용되어 지고 있다. Fig. 1은 제작된 MOSFET형 바이오 센서의 단면도이며, Fig.

2 형 바이오 센서를 이용한 디옥시 니발레놀의 검출 9 MOSFET Fabrication process flow Step Process 1. Initial cleaning Standard solvent and acid cleaning. Field oxidation 1000 oc, wet oxidation(6000 Å) 3. Source-drain define Implantation. Gate oxidation 1000 oc, dry oxidation(500 Å) LPCVD Si3N/SiO 5. Insulator layer (1000 Å/6000 Å) 6. Al metalization Sputter Plasma CVD SiO/Si3N 7. Passivation (1000 Å/1000 Å) 8. Cr/Au define Evaporation(500 Å/5000 Å) Table 1. Fig. 1. Cross-sectional view of MOSFET-based biosensor. 이트로 널리 사용되어 지고 있다. Fig. 1은 제작된 MOSFET형 바이오 센서의 단면도이며, Fig. 는 센싱 영역의 구조를 나타내고 있다. Au의 센싱 영역은 30 m 00 m(length와 width)의 크기로 제작하였다. 센서의 공정은 크게 표준 CMOS 공정과 Cr/Au층을 형 성하는 공정의 두 부분으로 나누어진다. Table 1에 센 서의 공정순서를 나타내었다. n형 실리콘 웨이퍼가 기 판으로 사용되었고, SiO (silicon dioxide)의 field oxide 층이 wet oxidation으로 형성된다. 소스와 드레인 형성 을 위하여 붕소 이온의 implantation( 10 ions/cm, 50 kev)을 수행 하고, SiO 의 게이트 oxide 층이 dry oxidation으로 형성되며, insulation 층의 형성을 위하여 Si N (silicon nitride)/sio 가 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 방법으로 증착된다. Si N /SiO 와 contact 부분의 SiO 가 etching이 되면 metalization을 위하여 Al을 증착하고, 이어서 SiO /Si N 가 plasma CVD를 통하여 passivation 층을 형성한다. 그 다음으 로 이 passivation 층이 etching 되면 Cr/Au 층이 thermal evaporation으로 형성되고 lift-off 공정을 통하여 패터닝 된다. [1] µ Fig.. Photograph of the fabricated device. 점들을 보완하고 개선하기 위하여 여러 형태의 바이오 센서들이 개발되고 있는데, 그 가운데 MOSFET형 바 이오 센서는 집적회로 제조 공정을 활용하여 제조되므 로 소형화, 규격화 및 양산화가 가능할 뿐만 아니라 센 서와 회로를 함께 집적화 함으로서 스마트 센서 개발 에도 유리한 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 표준 CMOS(complementary metaloxide-semiconductor) 공정을 이용하여 MOSFET형 바 이오 센서를 제작하였고, 이를 이용하여 곰팡이 독소인 디옥시 니발레놀의 검출을 시도 하였다. 또한 표면 플 라즈몬 공명(SPR: surface plasmon resonance) 실험을 통해 그 타당성을 검증하였으며, 센서의 출력을 안 정화하기 위하여 게이트에 고정 전압을 인가해 주는 은/염화은 기준 전극(Ag/AgCl reference electrode)을 사용하였다. [17-19] [0]. 소자의 제작 디옥시 니발레놀을 검출하기 위한 MOSFET형 바이 오 센서는 표준 CMOS 공정으로 제작되었다. p형 MOSFET으로 제작되어진 센서는 SAM(self-assembled monolayer)을 형성시키기 위하여 게이트 물질로 Au를 사용하였다. Au는 액체 혹은 공기 중에서 수개월 이상 의 기간 동안 안정한 상태로 존재하기 때문에 센싱 게 µ 측정 시스템 및 화학 물질 Fig. 3은 측정시스템의 구조이며, 제작된 본딩 PCB 를 Fig. 에 나타내었다. 제작된 소자는 본딩 PCB위에 고정시키고 와이어 본딩(wire bonding)을 통하여 센서 의 패드 부분과 금속 배선을 한다. 그 후 와이어 본딩 된 부분은 에폭시로 절연을 시킨다. 은/염화은 기준 전 극을 통하여 게이트 바이어스를 인가하고, 반도체 분석 장비를 이용하여 제작된 MOSFET형 바이오 센서의 전기적인 특성을 측정한다. 측정 시 용액의 ph 조절 및 디옥시 니발레놀의 활성화 조건을 형성하고 유지시 307 J. Kor. Sensors Soc., Vol. 19, No., 010

임병현 권인수 이희호 최영삼 신장규 최성욱 전향숙 50 Fig. 3. Measurement systems. Fig.. Photograph of bonding PCB. Fig. 5. I-V characteristics of MOSFET (a) I -V characteristics (b) I -V characteristics. D D 키기 위하여 ph 7.

센서를 PBS 용액에 담그고 센서의 출력값이 안정화 될 때까지 측정한다. SAM을 1 10 M의 농도로 에탄올 속에서 1시간 동 안 형성시킨다. SAM 형성 후 금 표면에 고정화되지 못한 SAM을 제거하기 위해 새로운 에탄올과 PBS에 세척한 후 전류를 측정한다.

3 임병현 권인수 이희호 최영삼 신장규 최성욱 전향숙 50 Fig. 3. Measurement systems. Fig.. Photograph of bonding PCB. Fig. 5. I-V characteristics of MOSFET (a) I -V characteristics (b) I -V characteristics. D D 키기 위하여 ph 7.의 PBS(phosphate buffered saline) 용액속에서 측정을 실시한다. SAM과 항원 및 항체는 각각 그들이 갖고 있는 전하들의 영향으로 센서의 전 류변화를 일으킨다. 먼저 센서와 은/염화은 기준 전극 표면의 유기물과 무기물을 제거하기 위하여 아세톤, 메 탄올, D.I. water 순으로 세척한다. 센서를 PBS 용액에 담그고 센서의 출력값이 안정화 될 때까지 측정한다. SAM을 1 10 M의 농도로 에탄올 속에서 1시간 동 안 형성시킨다. SAM 형성 후 금 표면에 고정화되지 못한 SAM을 제거하기 위해 새로운 에탄올과 PBS에 세척한 후 전류를 측정한다. 항체를 형성하기 전 SAM 의 카르복실기( COOH)를 활성화하기 위하여 EDC (N-ethyl-N-(3-diethylaminopropyl) carbodiimide) 0. M 과 NHS(N-hydroxysuccinimide) 0.1 M을 PBS 용액속 에서 5분간 반응시킨다. PBS로 충분히 세척한 후 디옥 시 니발레놀 항체를 시간 동안 형성시킨다. SAM과 -3 센서학회지 제 권 제 호 19, 010 DS GS 반응을 하지 못한 항체를 제거하기 위해 새로운 PBS 용액에 세적한 후 전류를 측정한다. 이어서 디옥시 니 발레놀을 시간 동안 형성시킨 후, 항체와 반응을 하지 못한 항원을 제거하기 위해 새로운 PBS 용액에 세척 한 후 전류를 측정한다. 본 연구에서 사용한 화학 물질은 다음과 같다. SAM 은 Aldrich의 16-Mercaptohexadecanoic acid(st. louis, MO, USA)를 사용하였으며, 항체는 Beacon Analytical System Inc.의 Anti-deoxynivalenol antibody(saco, ME, USA)를, 항원은 Sigma의 Deoxynivalenol(st. louis, MO, USA)을 사용하였다 결과 및 고찰 반도체 분석 장비를 이용하여 MOSFET형 바이오

4 MOSFETx w 51 Fig. 6. I D -V DS characteristics of SAM, anti-deoxynivalenol antibody, and deoxynivalenol(concentration of deoxynivalenol: 10 µg/ml).» p PBS d w. SAM, w, - p PBS ü d w, d ƒƒ x w (I D ) l (V T ) I D = K(V GS -V T ) y w. w (» K ) []. w mw ƒ w x y l y( V T ) t w. Fig. 6 SAM, w w v Fig. 7 ùkü. l l ƒƒ x y y x, 10 µg/ml.» ƒ. l p w p 3 V š, - w w 5 V, SAM w ƒ, w / p 5 µa, w 10 µa, w x w x 3 µa y. SAM ƒ [3]. p x, p Au SAM MOSFETx - y w w ƒ (thiol) w k w t v œ ƒ ƒw [17,18]. w (SPR) x ww. w ƒ»( NH ) SAM w w SPR Au gq»q BK7 v e ƒ w. w x w ƒ w Fig. 7. Variation of drain current and thresholdvoltage with concentration of deoxynivalenol. p x ƒ w š. Fig. 7 y I D /I D0 l y V T š Fig. 5 MOSFETx - p š. I D0 x w» š. d sy V DS =, I x z 5 V, V GS = 5 V 7.5 µa d š, Fig. 5(a).» w p 3 V px MOSFET, - 3 V ƒw d w p š. Fig. 5(b) w. w -w y MOSFETx p w ƒ 10 µg/ml 1.18, 1 µg/ml 1.08, 0.1 µg/ml p. 1.06, 0.1 µg/ml ¾ ƒ w. MOSFET sy w, v Au»q optical contact refractive index matching fluid(merck, san diego, CA)»( OH) w ƒ ƒw nm ρ-polarized He-Ne laser MOSFETx y mw set probe beam, v mw 309 J. Kor. Sensors Soc., Vol. 19, No., 010

5 5 xá«á yá Á ³Á Á w Fig. 8. Resonant characteristics of interactions between anti-deoxynivalenol antibody and deoxynivalenol. beam»(intensity) sm» d w. v ƒ w ƒ 0.00 o D80 motorized rotary stage fp (suruga seiki, shizuoka, Japan). Fig. 8 SPR x ùkü. SPR d MOSFETx mw w y xw. w w œ ƒ 0.0 o G [5]G Y. Hanazato, M. Nakako, and S. Shiono, Multi- y š, m enzyme electrode using hydrogen ion-sensitive field w y w. effect transistor, IEEE. Trans. Electron Devices, vol. ED-ee. pp. 7-51, G [6]G S. Caras and J. Janata, ph-based enzyme potentiometric sensors. part 1 - part 3, Anal. Chem., vol. t CMOS œ 57, pp , MOSFETx w q w š,» p wì w. g» š j, Au» d(self-assembled monolayer, SAM) MOSFETx q. MOSFETx x p ww» w wz w / p w ƒ v w ƒ. w t BK1 w. š x G [1]G K. Miller, Toxicological aspects of food, Elsevier Applied Science, p. 139, G []G B. A. Rotter, D. B. Prelusky, and J. J. Pestka, Toxicology of deoxynivalenol, J. Toxicol. Environ. Health, vol. 8. pp. 1-3, G [3]G J. J. Pestka, Enhanced surveillance of foodborne mycotoxins by immunochemical assay, J. Assoc. Off. Anal. Chem., vol. 71, pp , G []G E. Tamiya and I. Karube, Micro-biosensors for clinical Analysis, Sensors and Actuators, vol. 15, pp , G [7]G H. Zhu, M. Bilgin, R. Bangham, D. Hall, A. Casamayor, P. Bertone, N. Lan, R. Jansen, S. Bidlingmaier, T. Houfek, T. Mitchell, P. Miller, R. A. Dean, M. Gerstein, and M. Snyder, Global analysis of protein activities using proteome chip, Science, vol. 93, pp , 001. G [8]G C. S. Effenhauser, G. J. M. Bruin, A. Paulus, and M. x w w wš w w -w š k. SAM f w q Ehrat, Integrated capillary electrophoresis on flexible silicone microdevices: Analysis of DNA w -w ƒ MOSFETx restriction fragments and detection of single DNA p w y yw molecules on microchips, Anal. Chem. vol. 7, pp. mw ƒ š w w MOSFET , 1997.» p y g» y y ƒ G [9]G S. A. Zugel, B. J. Burke, F. E. Regnier, and F. E. w. w SPR x mw SAM w Lytle, Electrophoretically mediated microanalysis w y w. of leucine aminopeptidase using two-photon excited l q w -w fluorescence detection on a microchip, Anal. Chem., w w vol. 7, pp , 000. [10]G J. R. Webster, M. A. Burns, D. T. Burke, and C. H. y mw w, wz 19«y,

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7 5 xá«á yá Á ³Á Á w y 008 w»fulw (œw ) x w w»ful w 008 w»fulw (œw ) x w w»ful w ³ wz 3«, 1y p. 6, x w»fulw 007 w w» w x w t : t w w 1993 y w t w x w t : t w wz 19«y,

18211.fm

18211.fm J. of the Korean Sensors Society Vol. 18, No. 2 (2009) pp. 168 172 p k ù p p l xá xá ³ Á *Á w * Fabrication of the CNT-FET biosensors with a double-gate structure Byunghyun Cho, Byounghyun Lim, Jang-Kyoo