코티솔 고감도 검출을 위한 압타머 기반 확장 게이트 MOSFET 바이오센서 시스템 설계

Abstract

In this study, to design an aptamer-modified extended-gate MOSFET biosensor system capable of sensitively detecting cortisol, the effect of regulating systemic elements of two major components of the extendedgate MOSFET biosensor system, the extended-gate, which acts as a biorecognition part by immobilizing the aptamer, and the MOSFET signal transducer, which converts the response from the biorecognition part into an electrical signal, on the sensing performance was investigated. This was accomplished by controlling the density of aptamers immobilized at the biorecognition part, as well as the difference in capacitance ratio between the extended-gate and the MOSFET signal transducer. Furthermore, to understand how changes in the electrical properties of the biorecognition part, due to the binding between the aptamer and cortisol, affect the operation of the sensor, an aptamer behavior simulation system was introduced. Experimental results revealed that adjusting aptamer density significantly improved sensor detection performance. In addition, experiments on the capacitance ratio difference showed sensitivity variation based on the electrical characteristic changes on the extended-gate surface. Additionally, results demonstrated that the small electrical changes at the interface of the sensing part due to the binding of cortisol to the aptamer can be amplified by adjusting the ratio of the capacitance of the extendedgate and the MOSFET. This indicated that adjusting the density of the aptamer and the ratio of the extended-gate to the MOSFET capacitance could amplify slight changes in the biorecognition part interface due to cortisol-aptamer binding. An important aspect of this study is that in addition to providing innovative insights into the development of an aptamer-modified extendedgate MOSFET biosensor system for the sensitive detection of cortisol, the design can be utilized to detect a variety of other small molecules detectable by aptamers with high sensitivity. The results are expected to serve as a new strategy for sensitivity enhancement for aptamer-modified extendedgate MOSFET biosensors and provide an effective method for designing sensitive biosensing interfaces, with potential applications in medicine and environment monitoring.

본 연구는 확장 게이트 MOSFET 바이오센서 시스템의 주요 구성 성분으로서 압타머가 고정되어 감지부 역할로 작동하는 확장 게이트와 감지부에서의 반응을 전기적 신호로 변환시켜주는 MOSFET 신호 변환기 사이의 시스템적 요소 조절이 검출 성능에 미치는 영향을 확인하고 이를 바탕으로 코티솔을 민감하게 검출할 수 있는 압타머 기반의 확장 게이트 MOSFET 바이오센서 시스템을 설계하였다. 이를 위해 감지부인 확장 게이트 계면에 고정된 압타머의 밀도 뿐만 아니라 확장 게이트와 MOSFET 신호 변환기 사이의 정전용량 비율 차이를 조절하였다. 또한, 압타머와 코티솔의 결합으로 인한 감지부 계면의 전기적 특성 변화가 센서의 구동에 미치는 영향에 대한 이해를 도모하기 위해 코티솔 압타머 결합 모사 시스템을 도입하였다. 감지부 계면에 고정된 압타머의 밀도가 바이오센서의 검출 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 실험 결과에 따르면, 압타머 밀도를 적절하게 조절하는 것이 센서의 검출 성능 향상에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 또한, 확장 게이트와 MOSFET 사이의 정전용량 비율이 바이오센서의 검출 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 실험 결과에 따르면, 확장 게이트와 MOSFET 정전용량 비율에 따라 센서의 감도에 차이가 발생하는 것으로 확인하였다. 이와 더불어, 코티솔과 압타머의 결합으로 인한 감지부 계면의 미세한 전기적 변화도 확장 게이트와 MOSFET 정전용량의 비율을 조절함에 따라 증폭될 수 있음을 입증하였다. 이러한 결과는 압타머 기반의 확장 게이트 MOSFET 바이오센서에서 감도를 향상하기 위해 압타머의 밀도 조절과 확장 게이트와 MOSFET 사이의 정전용량 비율을 신중하게 고려해야 함을 보여준다. 본 연구의 중요한 측면은 코티솔의 민감한 검출을 위한 압타머 기반 확장 게이트 MOSFET 바이오센서 시스템 개발에 혁신적인 통찰력을 제공할 뿐만 아니라, 해당 설계가 코티솔 외에도 압타머로 검출 가능한 다양한 저분자 물질들을 높은 감도로 검출하는데 활용할 수 있다는 것이다. 이는 압타머 기반 확장 게이트 MOSFET 바이오센서에 대한 감도 향상을 위한 새로운 전략으로 사용될 수 있을 것으로 기대되며, 민감한 바이오센싱 인터페이스를 설계하기 위한 효과적인 방법 제시로 의학 및 환경 감지 분야에서 유용한 활용 가능성을 가지고 있다.