1. Biosensor의 종류, 원리와 ISFET, EGFET의 원리 (feat. Graphene, ISM, Bio Receptor의 정의)

Intro

이 글을 들어오신 분들은 '한글 자료'를 보시고 달려오셨을 것이라고 생각합니다.
  
2달 정도밖에 Biosensor 관련 연구를 진행했기 때문에, 전문성이 조금 떨어질 수 있습니다. 하지만  공부 및 연구해본 결과, 위 내용들은 정말 피가 되고 살이 되는 내용이니 들어주시고, 틀린 내용이 있다면 댓글을 적어 공유해 주시면 감사드리겠습니다.
 

Biosensor의 종류

Biosensor의 종류는 정말 다양합니다.
 
COVID-19 Virus를 sensing 하려고 합니다. COVID-19 Virus를 편의상 A라고 하겠습니다.

광학적 센싱 : A가 특정 원자와 결합을 하게 되면  색깔이 변합니다. 이 색깔을 측정합니다.

전기적 센싱 : A가 특정 원자와 결합을 하게 되면  전기 전도도/ 컨덕턴스가 바뀝니다. 이 전도도/컨덕턴스의 변화량을 측정합니다. 
 
광학적 센싱은 색깔을 측정하는 장치가 필요하기 때문에 '대면적'의 장비가 필요합니다.

전기적 센싱은 초소형화가 가능할 뿐만 아니라, 자체적으로 전자기기에 바로 신호를 보낼 수 있습니다.

이러한 장점으로, 위 블로그에서는 전기적 센싱을 이용한 biosensor에 대해 설명해 드리겠습니다.
 
전기적 센싱은 SCISE라는 전극을 이용하거나, EGFET이라는 FET을 이용합니다. 
FET의 특징은 다음과 같습니다.
1. 속도가 매우 빠릅니다.
2. Multi-sensing이 가능합니다.
3. MOSFET과 공정이 비슷하여 공정 단가도 비교적 싸고 쉽습니다.
 
Biosensor의 연구 방향은, Ultra-response, Multi-Sensing이 되는 EGFET입니다.

근데 이 EGFET은 저희가 아는 그 MOSFET이 아닙니다. 좀 더 신기한 구조이죠. 
 

Receptor, ISM의 대략적인 개념

COVID 19 센서인데 지카 바이러스가 감염되어 있다고 COVID 19 키트가 양성이 뜨면 어떡하나요?
COVID 19 센서는 COVID 19 바이러스만 센싱이 되어야 합니다.
즉, selectivity가 중요하죠.
이 selectivity를 위해 Receptor 혹은 ISM을 이용합니다. 
대략적으로 Ion을 detect 할 때 ISM을 사용하며, 나머지는 다 Receptor을 사용합니다.

Matti kaisti et al. Detection principles of biological and chemical FET sensors. ELSEVIER.2017

Graphene base EGFET 

저는 Ultra-response를 중점으로 연구를 진행하였습니다. 특히 '그래핀'이라는 물질을 FET의 channel 층으로 형성시키는 논문을 위주로 공부하였습니다.
이 Graphene base EGFET의 mechanism을 설명해 드리겠습니다.
왜 그래핀을 사용하는가?에 대해서의 장점은 바로 아래 블로그 링크에 적어놓았습니다.
2022.10.05 - [전자공학/Graphene] - 그래핀(Graphene) 특성, 응용 (Application)

그래핀(Graphene) 특성, 응용 (Application)

 

Graphene base EGFET의 mechanism

1. Target Bio 물질이 날아와 EGFET Receptor, ISM 등에 결합됩니다.
2. 이 원자들로 인해 Receptor, ISM의 전기적 성질이 변화됩니다 
3. 이로 인해 아래에 있는 Graphene channel의 전도도가 변화됩니다
 
 

Mackin, C. et al. A current-voltage model for graphene electrolyte gated field-effect transistors. IEEE Trans. Electron Devices 61, 3971–3977 (2014).

위 그림은 EGFET의 대략적인 figure입니다.

Biosensor은 크게 두 가지로 나뉩니다. 
Selective layer로 ISM을 사용하는 Ion biosensor와, selective layer로 bio-receptor을 사용하는 virus, bacteria, dna biosensor로 구분됩니다.
 
이번 부분에서는 ISM을 사용하는 Ion biosensor에 대해서 설명해 드리겠습니다. 

Ion Biosensor

K+ 혹은 Na2+ 등의 '이온'을 detect 하려고 합니다. 
윗 그림은 Biosensor로 쓰기엔 이온을 '선별'하는 selective layer가 없습니다. 따라서 biosensing을 위해 EGFET에 ISM을 증착시키면 이온 센싱 EGFET이 구현됩니다.

Mantian Xue. et.al Integrated biosensor platform based on graphene transistor arrays for  real-time high-accuracy ion sensing. Nature(2022).

 
2022년 8월 Nature에서 발행된 따끈따끈한 논문입니다. 이 논문을 예시로 biosensor를 설명드리겠습니다. 
소변으로 나트륨, 칼륨, 칼슘 등을 multi-sensing 할 수 있게 구현한 소자이지요.

EGFET 정의

EGFET이란, Electrolyte Gate Field Effect Transistor의 약자로, Electrolyte가 gate 역할을 하는 transistor입니다. 전해질이 전기적 변화를 이끌어주죠! 

Electrolyte(전해질)

이 내용을 제대로 아시기 위해서 Electrolyte가 뭔지 아시고 넘어가셔야 합니다. 
Electrolyte : 체액에 녹아서 이온을 형성하는 물질로 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘이 대표적인 물질입니다. 
 
 
 

위 사진은 ISM 층이 없다고 가정하에 그린 사진입니다.
그래핀이 electrolyte electrolyte에 침수되면 Electrochemical potential 차이 때문에 이온이 축적되어 Electrolyte와 Graphene 와의 EDL이 생성이 되는 원리입니다.(저는 그냥 받아 드렸습니다......ㅜㅜ) 
EDL은 Electric double layer로 graphene과 Electrolyte 계면을 보시면 양이온/전자로 나뉘어 있는 부분을 말합니다.

Ion sensitive membrane(Ion selective membrane)

그럼 ISM은 무엇일까요?! (생명 파이팅!)
ISM은 특정 '이온'만 channel 계면까지 확산될 수 있게 만드는 층입니다. 
성분은 Ionophore로 되어 있는데요, 이 부분은 '생명', '화학' 연구실에서 연구를 진행해 주고, 저희는 이를 국한시키는  membrane을 설계합니다. 

Molecular structure of the ionophore: a Valinomycin for K ISM, b Sodium ionophore X for Na ISM, c ETH129 for Ca ISM.

윗 그림처럼 각 센싱 소자마다 ISM의 Ionophore 성분이 다릅니다.  
Multi-Sensing device는 각기 다른 Ionophore 성분을 국한시킨 membrane을 증착시켜 응용시킨 소자입니다.
 
원하는 '이온'이 channel 위에서 축적이 되면 channel은 electrochemical potential 차이에 의해 그 '양' 만큼 channel의 n-doped 양이 많아지고, I-V current가 shift가 되게 됩니다. 
즉, 이온의 양이 많아지면 많아질수록, I-V current가 더 크게 변화가 되는 것으로 이해하시면 됩니다. 

요약

Electrolyte의 수 많은 이온들이 ISM을 통해 '한 종류'의 이온으로 걸러지고 확산이 되어 channel 위 바로 위 막에 양이온 형태로 축적이 되게 되고, 이 축적된 양만큼 electrochemical potential 차이로 인해 전자가 channel에서 축적되어, n-doped 효과가 증가하여 전기적 성질이 바뀌는 것을 이용한 소자입니다. 
cf) Graphene은 전자 이동도가 매우 빠릅니다. 즉 Ultra response가 가능하겠지요.
 
 

그럼 포텐셜 입장에서 이해해 볼까요?
1. 특정 양이온이 ISM으로 들어옵니다.
2. ISM은 전기적 중성을 맞추기 위해 이제 들어오지 말라고 전기장(Vm-Vgs)을 위로 가해줍니다. (공간 전하 영역과 비슷하다 생각하시면 됩니다.)
3. 농도가 커짐에 따라, (Vm-Vgs)의 증가량이 더 커진다고 생각하시면 됩니다.
4. ISM은 Ionic sites라는 특정 부분 도핑을 통해, 전기장의 세기는 쭉 일정합니다.
5. graphene을 만나자마자, Electropotential drop이 크게 일어납니다. (양이 많을수록 drop이 크게 일어나겠죠?)
6. Electropotential drop의 크기를 감지하는 sensor라고 생각하시면 됩니다.
 
 
이 EGFET(ISFET)은 '이온 센싱'을 기준으로 설명드렸습니다.
이온 센싱으로는 '음성/양성'이 아니라 기준치에 벗어난 경우 몸에 이상이 있다고 생각하시면 됩니다. 
ex) 나트륨 수치가 너무 높다!! 칼슘 수치가 너무 낮다!! 뭐라도 해봐~~
 
하지만, 바이오센서는 '이온 센싱' 뿐 아니라 '암'. 'DNA', 'Virus' 등 다양한 biosensor가 필요합니다.
 
다음 포스팅은 다양한 bio-markers를 센싱 할 수 있는 Bio-receptor에 대해서 설명을 드리고 Biosensor 연구 포스팅을 마치도록 하겠습니다.