Advanced Industrial Science and Technology Institute (Yoshikawa Hiroyuki 회장) (이하 AIST ") 바카라 커뮤니티아몬드 연구 센터 [연구 센터 이사 Fujimori Naoharu] Uezuka Hiroshi 연구원 및Nianjun YangAIST 특별 연구 동료 동료는 바카라 커뮤니티아몬드 표면에 10nm 간격으로 미세한 칼 마운틴 구조를 만듭니다전기 화학 센서-12)가 성공했습니다 이 검출 감도는 전극 재료를 사용하는 종래의 전기 화학 센서보다 몇 배 더 높습니다
이 센서는 전도성 바카라 커뮤니티아몬드 표면과 검 마운틴 바늘 끝에 10nm 간격으로 미세한 칼 마운틴 구조를 만듭니다프로브 DNA(단일 가닥, 길이가 23 개 기저)가 심었습니다 측정 된 DNA는이 프로브 DNA 서열에 특이 적으로 결합하고 이중 가닥이되어 바카라 커뮤니티아몬드 표면의 갭이 좁아져 이온 전류가 감소한다 이 전류 변화는 특정 서열의 DNA를 감지합니다 금 또는 탄소로 만든 기존 센서보다 2 ~ 3 배 높은 것으로 확인되었습니다
프로브 DNA 서열을 변경함으로써 다양한 DNA를 검출하는 데 사용될 수 있으며,이 방법을 단백질에 적용함으로써 광범위한 질병과 미생물의 검출 및 측정에 적용될 수있어 큰 영향을 미치는 기술이됩니다
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전도성 바카라 커뮤니티아몬드 검에 고정 된 프로브 DNA를 사용한 DNA 민감성 검출의 원리 바카라 커뮤니티어그램
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DNA,종양 마커9572_9690
또한, 생활 신체 상태를 지속적으로 측정하거나 식품 검사와 같은 모니터 라인을 지속적으로 측정하는 센서는 장기간 안정적인 신호를 얻어야합니다 이러한 요구 사항을 충족시키는 센서는 센서 재료 자체의 화학적 안정성과 표면에 고정 된 측정 객체에 내재 된 생물학적 물질의 안정성을 모두 필요로합니다
바카라 커뮤니티아몬드는 우수한 화학적 안정성을 가지며 매우 독특한 전기 화학적 특성을 가지고 있습니다 또한 DNA와 같은 생물학적 물질을 강력하게 고정시킬 수 있습니다DNA Chip에 적용된 경우도 있습니다
바카라 커뮤니티아몬드를 사용하는 바이오 센서는 표면 전기 전도성 층과 전기 화학적 특성을 사용하는 유형을 사용하는 유형으로 광범위하게 나눌 수 있습니다 바카라 커뮤니티아몬드의 전기 화학적 특성은 전류와 작은 배경 전류를 측정 할 수있는 넓은 전압 범위를 가지며, 고감도 센서에 적용될 수있을 것으로 예상되었습니다
AIST Diamond Research Center는 DIAMOND 표면에 DNA를 고치는 기술을 연구했으며, 광활성 및 전기 화학 반응을 통해 다양한 고정화 기술을 확립했습니다 또한 결합 강도는 다른 물질에 고정하는 것보다 훨씬 강하다고 발표되었습니다
우리는이 바카라 커뮤니티아몬드 표면 처리 기술을 사용하여 특정 기본 서열로 DNA를 감지하는 센서를 개발했습니다
그림 1은 높은 감도를 보여준 전기 화학 센서의 측정 원리를 보여줍니다 붕소로 도핑 된 전도성 바카라 커뮤니티아몬드 (붕소)붕소 도핑 바카라 커뮤니티아몬드)는 작동 전극 (직경 2mm)으로 사용되며 카운터 전극은 이온이 존재하는 용액에 배치됩니다 이들 전극 사이에 전압 (-1V ~ 1V)을 적용함으로써, 바카라 커뮤니티아몬드 전극에 도달하는 이온의 산화 감소 반응에 의해 생성 된 전류가 측정된다
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그림 1 : 바카라 커뮤니티아몬드 전기 화학 센서의 개략도
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이 측정 시스템을 사용하여 깨끗한 표면의 전극을 측정 할 때, 재료에 고유 한 전기 화학적 특성 (전압 전위 곡선)을 얻을 수 있습니다 표면의 고정화 DNA는 노출 된 전극 영역을 감소시키고 전류를 감소시킵니다 그림과 같이 도 2에서, 단일 가닥 프로브 DNA 만 표면에 고정 될 때, DNA 사이의 거리는 넓고 이온은 전극의 표면에 쉽게 도달 할 수있다 DNA (측정 된 DNA)가 프로브 DNA에 상보한 서열에있을 때, 이중 가닥 (하이브리드 화라고 함)을 형성하여 갭을 좁히고 통과 할 수있는 이온의 수를 줄이고 이온 전류가 감소합니다 즉, 단일 가닥과 이중 가닥 가닥의 차이는 전류의 양으로 감지 될 수 있습니다 감도를 향상시키기 위해서는 최적의 간격으로 프로브 DNA를 배열하는 것이 매우 중요합니다
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그림 2 : 전기 화학 센서의 작동 원리
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나노 미터 스케일 (NM) 에서이 전기 화학 센서에서 바카라 커뮤니티아몬드 표면의 모양을 제어함으로써, 우리는 특성을 더욱 향상시키는 요소를 개발했습니다 단일 가닥 DNA에 필요한 간격은 이중 가닥 DNA를 형성하기 위해 하이브리드 화하는 간격은 대략 10 nm이다 따라서, 단일 가닥 프로브 DNA를 10 nm의 간격으로 배치 할 수있는 경우, 이중 가닥 DNA가 형성 될 때 관찰 된 전류를 최소화 할 수 있고 감도는 가장 높은 것으로 간주된다
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그림 3 : 바카라 커뮤니티아몬드 표면에 나노 스폰드 산을 제작하는 방법
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그래서 우리는 10 nm의 간격으로 바카라 커뮤니티아몬드 표면에 DNA를 배열하기 위해 미세 가축 기술을 조사했습니다 바카라 커뮤니티아몬드는 산소 혈장으로 쉽게 에칭 (산화) 할 수있는 것으로 알려져 있습니다 10 nm 간격으로 DNA 부착 장소를 만드는 것은 반도체 장치 제조에 사용되는 것과 같은 기존의 미세 가공 기술을 사용하여 제조 할 수 없습니다 따라서, 직경이 10 nm 인 나노 디아몬드 입자를 바카라 커뮤니티아몬드 표면 상에 코팅하여 마스크 재료를 형성 하였다 이 상태에서 산소 혈장을 사용하여 에칭을 수행 할 때, 10nm 간격으로 불균일 한 표면 (나노 케냐마)이 형성됩니다 과정은도 1에 개략적으로 설명된다 3
완성 된 바카라 커뮤니티아몬드 표면의 불균일성은 그림 4AFM (원자력 현미경)이미지와 그 단면 모양에 표시된대로 AFM 분석에 따르면 검 장착 구조가 바카라 커뮤니티아몬드 표면에 제작되었음을 확인합니다
원자력 현미경 (AFM) 이미지
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왼쪽 단면 모양
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그림 4 : 10nm 나노-스워드 산 구조
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DIAMOND NANO-SWORD MOUNTAIN에 DNA를 바인딩하려면링커 분자라는 바인딩 재료를 배치해야합니다 링커 분자 인 니트로 페닐을 전기 화학 기술을 사용하여 검 모양의 바카라 커뮤니티아몬드의 표면에 부착시켰다 이 반응에서, 전기장은 볼록 부분의 끝에서 농축되고, 니트로 페닐 링커는 선택적으로 고정 될 수있다
부착 된 링커에 DNA를 부착하는 것은 과거에 우리 센터에서 개발 된 화학 반응입니다 무화과 도 5는 니트로 페닐 및 프로브 DNA 부착의 형태를 개략적으로 보여준다 여기서, 종양 마커 중 하나로 알려진 단백질에 대한 유전자 정보를 포함하는 23 개의 염기로 구성된 단일 가닥 DNA를 프로브 DNA로 사용 하였다 프로토 타입 작동 전극 (직경 2 mm)을 갖는 센서의 외부는도 1에 도시되어있다
그림 5 : 팁에서 니트로 페닐 및 프로브 DNA의 고정화
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그림 6 : 센서 모양
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그림 7 : 바카라 커뮤니티아몬드 DNA 센서의 특성
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그림 7은 제조 된 센서의 상대적 전류 값 (감도)을 용액의 DNA 농도를 변화시켜 측정 한 것을 보여줍니다 오후 2시 (피코 몰/리터 : 10-12)의 농도에서 측정이 가능하다는 것이 밝혀졌다 금 (AU) 및 기타 제품을 사용하는 기존 센서보다 2 ~ 3 배 높은 것으로 확인되었습니다
측정 된 DNA는 고정화 된 프로브 DNA에 결합하고 이중 가닥이되지만 온도를 증가시킴으로써 이중 가닥 가닥이 분리되므로 프로브 DNA를 단일 가닥 가닥으로 되돌릴 수 있습니다 이 절차는 장기 안정성을 조사하기 위해 반복되었고, 그림과 같이 도 8, 100 회 반복 후에도 안정적인 측정이 달성 될 수 있음이 확인되었다
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그림 8 : 100 반복 측정
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우리는 향후 훨씬 더 민감한 센서를 개발하는 것을 목표로합니다 단백질 항체 및 효소의 검출을 위해서는 고 민감도 검사가 필요하며 FM (Femtomole/Liter : Femto는 10-15)의 감도입니다 이를 달성하기 위해 센서 모양의 소형화가 중요한 문제입니다 5µm (10 1µm 마이크로 미터)-6m) 센서가 성공적으로 제작되었지만 추가 500nm (1nm 나노 미터는 10-9m) 아래의 모양을 목표로합니다 모양으로 100fm의 민감도가있을 것으로 예상됩니다
과제는 의료 검사로 확장하기 위해 간섭 요인의 영향을 얼마나 줄일 수 있는지입니다 현재, 우리는 특정 질병, 미생물 등과 관련된 DNA 또는 단백질을 대상으로하는 연구를 수행하지 않았지만, 향후 개별 생물학적 물질에 대한 최적의 센서를 개발할 계획입니다