Surface stabilization of piezoelectric thin-film driven microcantilever for label-free DNA detection

Abstract

[한글]바이오센서의 생체물질 검출 능력은 특이적 반응을 증진시키고 비특이적 반응을 억제함으로써 향상시킬 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 압전 박막 구동 캔틸레버의 표면을 퍼플루오로실란이라는 소수성 물질로 코팅하여 DNA의 비특이적 흡착을 최소화 함으로써 신뢰성 있는 캔틸레버 신호를 얻고자 하였다. 퍼플루오로실란층은 이소옥탄을 용매로 이용하였을 경우 짧은 시간의 반응으로도 캔틸레버 위에 안정적으로 형성되었다. 이를 이용하여 캔틸레버의 DNA 비감지표면은 퍼플루오로실란층으로 코팅하였으며 반대쪽의 DNA 감지표면은 자기조립 단분자층 형성을 위해 금막을 코팅하였다. DNA 검출에 있어서 10 μM probe DNA를 고정화하였을 경우 최적의 신호를 얻을 수 있었으며, 10 nM에서 5 μM까지의 target DNA를 적용하여 공진주파수의 변화를 살펴보았다. 또한 100 nM에서 0.7 μm, 1.0 μm의 두께를 갖는 캔틸레버를 이용하여 PZT 두께에 따른 공진주파수 변화도 살펴보았다. 이를 통하여 소수성 표면이 DNA 검출을 위한 캔틸레버 센서의 표면 안정화에 유용함을 알 수 있었고, 수십 nM 농도의 target DNA를 비표지로 검출함으로써 압전 박막 캔틸레버의 고성능 DNA 센서로서의 가능성을 확인할 수 있었다.

[영문]The cantilevers have the mechanical structure, which is composed of the recognition layer on one side and the non-recognition layer on the other side. On account of this aspect, the cantilevers are facile to be influenced by non-specific binding of target or environmental biomolecules. In this thesis, to stabilize the surface and to minimize the nonspecific binding of target DNA, the microcantilevers were coated with perfluoro-silane. The optimal reaction condition is determined as dipping a cantilever in iso-octane at room temperature for 30 minutes. The surface stability under various conditions and the thickness of perfluoro-silane were confirmed by contact angle analyzer and XPS respectively. Based on the reliable surface, the resonant frequency shifts of the cantilever were measured as a function of the concentration between 10 nM and 5 M. The resonant frequency shifts were increased from 10 nM to 100 nM, however they decreased up to 5 M concentration. A tendency of signals according to the concentrations was explained as the release of surface stress by the double stranded DNA formation from 10 nM to 100 nM), and the generation of surface stress by electrostatic force above 100 nM concentrations. As a result, we believe the microcantilevers are useful sensors for the detection of DNA hybridization, and these optimized surfaces, and assay conditions will contribute to the advanced clinical DNA detection based on the cantilever.