Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 8 pp. 5586-5590, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.8.5586 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 황현석 1, 김형진 2* 1 서일대학교전기과, 2 구미전자정보기술원 Directed Alignment of DNA Molecule between the gold electrodes Hyun Suk Hwang 1, Hyung Jin Kim 2* 1 Dept. of Electrical Engineering, Seoil University 2 Gumi Electronics and Information Technology Research Institute 요약본논문에서는 DNA 분자를나노소자에응용하기위하여, 금전극사이에 DNA 분자를간단하고효율적으로정렬하기위한연구를수행하였다. DNA를코팅한나노소자의제작을위하여 SiO 2/Si 기판위에 photo-lithograpy 공정에의해형성되어진금전극위에 2-Aminoethanthiol(AET) 을코팅하였다. AET 는양전하를띄는 NH 3 를가지고있어서음전하를띄는 DNA 분자와정전기적상호작용에의하여강하게결합하게된다. 이러한원리에의해 AET가코팅되어진금전극 (AET-금전극 ) 사이에 DNA 용액을도포함으로서금전극들사이에 DNA 분자를간단하고효율적으로정렬시킬수있다. 두전극사이에정렬되어진 DNA 분자는 AFM(Atomic force microscope) 을이용하여조사하였으며, Au 전극위에코팅되어지는 AET 농도변화에따라두전극사이에정렬되어지는 DNA-bridge 가단일형태에서번들형태로변화하는것을확인하였다. Abstract In this paper, the directed alignment methode of the DNA molecule between the s was suggested for the application of nano devices. To fabricate the nano device coated DNA, 2-Aminoethanthiol(AET) was coated on s which was formed using photo-lithography process on SiO 2/Si substrates. In general, the AET that was a positive charge with NH 3 was strongly combined under the electrostatic interaction with DNA molecule which had to be a negative charge. The DNA molecules could be easily aligned between s coated with AET. The structures of the DNA molecules were investigated using AFM(Atomic force microscope), they were changed from single types to bundle according to the AET concentrations. Keywords : s, DNA, nano-electrodes, 2-Aminoethanthiol(AET), λ-dna bridge 1. 서론반도체소자의고집적화공정개발이지속적으로요구되면서미래반도체산업을이끌어가기위한실리콘반도체계열의나노공정및나노물질개발에대한연구가국내외에서활발히진행되고있다. 이와더불어, 비실리콘반도체계열의물질에극한기술을적용한새로운개념의소자개발을위한초기연구결과들이속속발표되고있다. 특히, 나노규격을가지는분자들의전도특성을이 용한분자전자소자 (molecular electronics) 개발연구가활발히진행되고있으며, 대표적인전자소자로는 Si 나노선소자, Carbon Nanotube(CNT) 소자, DNA, 그리고 graphene 소자등이있다 [1,2,3]. Double helix 구조의 DNA는반도체수준으로전기전도성을가지고있어서 chip과 transistor에서극세전선으로사용될수있음을 Fink 연구팀외에많은연구가들에의해증명되었다 [4]. 특히, micrometer에서 nanometer까지인위적으로길이조절이가능하고, 4개의 본논문은 2015년도서일대학교학술연구비에의해연구되었음. * Corresponding Author : Hyung Jin Kim(GERI) Tel: 82-54-467-8021 email: hjkim745@geri.re.kr Received June 10, 2015 Accepted August 6, 2015 Revised June 25, 2015 Published August 31, 2015 5586
염기 (Guanine, Cytosine, Adenine 그리고 Thymine) 의조작및배열방식의변경에따라서다야한나노구조물을제작할수있어서새로운형태의나노소자개발을위한최적의물질로인식되고있다 [5]. 최근에는 DNA에금속입자를코팅함으로서전도성나노선제작및이를이용한나노소자에관한연구들이보고되고있다 [6]. 하지만, 이러한 DNA 기반나노소자개발에있어서전기적특성을관찰하기위해전극사이에정확하게정렬및고착시키는것은기술적어려움이있다. 본논문에서는 AET를이용한단분자막을금전극표면에형성함으로서전극들사이에 DNA를간단하고효율적으로정렬하기위한연구를수행하였다. 에 30분동안침지시켰다. 30분후, 샘플을이차정류수로세척하고, N 2 가스로건조시켰다. 본실험에서사용한 DNA 분자는 λ-phage DNA [Seoulin Bioscience( 주 )] 이며 DNA의평균길이는약 16 μm(48,502 bp) 이다. DNA는 TE buffer((10 mm Tris.HCl과 1mM EDTA, ph 8.0) 를용매로하여 1 ng/μ L로각각희석시켜준비하였다. 다음으로, DNA 분자를금전극들사이에정렬시키기위하여 DNA 용액을피펫 (pipet) 을이용하여전극들위에도포하였다. 도포되어진 DNA는인산 (phosphate) 의음전하와 AET의양전하사이의정전기적상호작용에의해 Au 전극표면에고착된다. 3분후, 금전극표면에도포되어진 DNA 용액를제거하고, 동시에두전극사이에선형 DNA를정렬시키기위하여피펫을사용하여 DNA 용액을한쪽전극방향으로흡입 (suction) 하여제거하였다. DNA 용액을제거한후시편을상온에서완전히건조시켰다. 두전극사이에정렬및고착되어진 DNA를확인하기위하여 AFM(Seiko, SPA 400) 장비를사용하여측정하였다. Fig. 1. Schematic drawing showing the procedures to align DNA strands onto s. Modifying the s to have an aminoterminated surface to firmly anchor the DNA strands. Connecting the DNA strands between two terminal by molecular combing method. 3. 결과및고찰 Photo lithograpy 법을이용하여제작한 Au 나노전극의간격은 FE-SEM(JEOL, JSM-6700F) 분석을통하여확인할수있으며, 그림 2 는 FE-SEM을통해본 Au 전극의단면도이다. SiO 2 가증착되어진 Si 기판위에 Ti 와 Au 가각각 20 nm 와 30 nm 씩증착되었음을확인할 2. 실험방법 본실험에서금전극들은 100 nm의 SiO 2 가층착되어진 Si(p-type, 100) 기판에포토리소그라피공정을이용하여제작되었다. 금전극표면에 AET를보다효과적으로코팅하기위하여, piranha( 황산 : 과산화수소 =2:1) 용액과이차정류수로각각세척을하고, N 2 가스를이용하여완전히건조시켰다. 다음으로, 금전극위에 AET 단분자막을형성하기위하여, 세척되어진금전극을각각서로다른농도 (10 mm, 20 mm, 30 mm) 의 AET 용액 200 nm Fig. 2. SEM images of nano s fabricated using photo lithograpy cross image electrodes distances : 200 nm. 5587
한국산학기술학회논문지제 16 권제 8 호, 2015 DNA AET-coated 500 nm DNA AET-coated 500 nm Fig. 3. Tapping-mode AFM images for DNA strands attached and aligned on AET-coated s. Scan profile along the white line of the image. 수있다. 그림 2 의 는나노전극간격은 200 nm 이며, 전극간격이나노크기임을확인하였다. 이렇게제작되어진 Au 나노전극사이에 λ-dna bridge를형성하기전에 APS가코팅되어진 Si 기판위에서 λ-dna의존재여부및선형 bridge를형성하기위한실험을하였다. 그림 3은 AET가코팅되어진 Au 전극위에정렬되어진 DNA에대한 AFM이미지 ( 그림 3 ) 와 DNA에대한 profile 이미지 ( 그림 3 ) 를보여준다. 그림 3 에서 AET가코팅되어진 Au 전극위에정렬되어진 DNA의높이는 1.2 ± 0.1 nm이다. 이러한결과는타그룹 [7] 및이전우리그룹의연구결과 [8] 과유사하다. 그림 3을통해 AET는 Au 전극위에잘코팅되어졌으며, 또한 DNA 가잘정렬되어짐을확인하였다. 이결과를토대로 500 nm 간격을가지는두전극사이에 DNA를정렬시키기위한실험을진행하였다. 그림 4 는본연구의주목적인두 Au 나노전극사이에 DNA-bridge를형성하기위하여 DNA 농도변화에따른두전극사이에형성되어진 DNA에대한 AFM 이미지이다. 분석은 AFM의 tapping mode를사용하였다. 그림 4의 에는 10 mm의 AET에의해처리되어진 Au 전극사이에형성되어진 DNA-bridge에대한 phase image를 Fig. 4. Tapping-mode AFM images for DNA strands connected between AET-coated s with 1 ng/μl and 3 ng/μl of DNA concentration, respectively. 보여준다. 그림 4 는 20 mm의 AET에의해처리되어진 Au 전극사이에형성된 DNA-bridge를 phase image 로나타내었다. 두시편의전극간격은모두 500 nm이다. 그림 4 의 AFM image에서는한가닥의 DNA-bridge가형성되었다. 20 mm의 AET에의해처리되어진 Au 전극사이에는두가닥의 DNA-bridge가형성되었고, 전극주위로불필요한 DNA가붙어있음을확인할수있다. 그림 4 에서많이볼수있는전극주위의불필요한 DNA가보이지않는다. 이러한결과는 AET의농도가증가할수록 Au 전극표면에코팅되어진 AET의 NH 3 와 DNA의음이온과의정전기적상호작용이증가하게되어나타나는현상이다. 그림 5는이러한현상을뒷받침하는결과이다. 그림 5 는 30 mm의 AET에의해처리되어진 Au 전극사이에형성되어진 DNA-bridge에대한 height image를보여준다. 이미지에서와같이여러가닥의 DNA-bridge가형성되어져있음을확인할수있다. 그림 5 는그림 5 의흰색선에대한 profile 이미지이다. 이미지를통해 DNA의높이는 9.3 ± 0.7 nm임을확인할수있다. 이것은그림 3의결과보다약 9배증가한결과로서, AET의농도가증가할수록 AET가코팅되어진 Au 전극사이에정렬되어지는 DNA-bridge는 bundle 형태로변 5588
극위의양전하가변화하게되고, 이양전하는 DNA와의정전기력이변화함으로서일어나는현상임을확인할수있었다. References Fig. 5. Tapping-mode AFM images for DNA strands connected between AET-coated Au electrodes with 5 ng/μl of DNA concentration. Scan profile along the white line of the image. 하는것을할수있다. 이러한현상은그림 4 와같이 Au 전극표면에코팅되어진 AET의량이증가하여 NH 3 에의한양전하가증가하게되어 bundle 형태의 DNA가 Au 전극사이에정렬된다. 4. 결론 본논문에서 DNA를이용한나노소자를제작하기위하여, AET를 Au 전극위에코팅함으로서 DNA 분자를보다간단하고효율적으로정렬시킬수있음을확인하였다. 그리고 Au 전극위에코팅되어지는 AET의농도변화에따라두전극사이에정렬되어지는 DNA-bridge가단일 (AET : 10 mm) 모양에서 bundle(aet : 30 mm) 모양으로변화는것을확인하였으며, 이러한현상은 Au 전극위에코팅되어지는 AET 농도변화에따라 Au 전 [1] A. Kingon, Memories are made of ferroelectric thin films, Nature 401, pp.658, 1999. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/44307 [2] A. Javey, J. Guo, D. B. Farmer, Q. Wang, D. Wang, R. G. Gordon, M. Lundstrom, and H. Dai, Carbon Nanotube Field-Effect Transistors With Integrated Ohmic Contacts and High-k Gate Dielectrics, Nano Letter, 4, pp.447, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl035185x [3] O. Akhavan, E. Ghaderi and R. Rahighi, Toward single-dna electrochemical biosensing by graphene nanowalls, ACS Nano 6, pp.2904, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nn300261t [4] L. Cai, H. Tabata, and T. Kawai, Self-assembled DNA networks and their electrical conductivity, Appl. Phys. Lett. 77, pp.3105, 2000. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1323546 [5] K.-H. Yoo, D.H. Ha, J.-O. Lee, J.W. Park, Jinhee Kim, J. J. Kim, H.-Y. Lee, T. Kawai, and H. Y. Choi, Electrical Conduction through Poly(dA)-Poly(dT) and Poly(dG)-Poly(dC) DNA Molecules, Phys. Rev. Lett. 87, pp.19, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.87.198102 [6] A. Bezryadin and C. Dkker, Nanofabrication of electrodes with sub-5 nm spacing for transport experiments on single molecules and metal clusters, J. Vac. Sci. Technol. B 15, pp.793, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1116/1.589411 [7] H. Nakao, H. Hayashi, F. Iwata, H. Karasawa, Koji Hirano, S. Sugiyama and T. Ohtani, Fabricating and aligning pi-conjugated polymer-functionalized DNA nanowires: atomic force microscopic and scanning near-field optical microscopic studies, Langmuir 21, pp.7945, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/la050145p [8] H. J. Kim, Y. Roh and B. Hong, Selective Formation of a Latticed Nanostructure with the Precise Alignment of DNA-Templated Gold Nanowires, Langmuir 26, pp.18315, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/la101086h 5589
한국산학기술학회논문지제 16 권제 8 호, 2015 황현석 (Hyun Suk Hwang) [ 정회원 ] 1997 년 2 월 : 성균관대학교전기공학과 ( 석사 ) 2007 년 8 월 : 성균관대학교전기전자및컴퓨터공학부 ( 박사 ) 1997 년 3 월 ~ 2004 년 11 월 : 한국산업기술평가원선임연구원 2009 년 3 월 ~ 현재 : 서일대학교전기과조교수 < 관심분야 > 정보통신부품, USN 김형진 (Hyung Jin Kim) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 성균관대학교전자전기학과 ( 석사 ) 2011 년 2 월 : 성균관대학교전자전기컴퓨터공학과 ( 박사 ) 2011 년 3 월 ~ 2013 년 2 월 : 성균관대학교박사후연구원 2013 년 3 월 ~ 현재 : 구미전자정보기술원선임연구원 < 관심분야 > 바이오센서, 스마트헬스케어디바이스 5590