Development and Characterization of DNA Functionalized Nanopore with an Embedded Gold Layer

Abstract

Nanopore techniques, which have been developed from biological nanopores α-hemolysin and MspA to solid-state nanopores (Si3N4, SiO2 and graphene), have a great potential for electrical single molecule sensing and DNA sequencing. A state of the art nanofabrication technique enables diameter and thickness of solid-state nanopores to be a few nanometers. Furthermore, their chemical functionalization will be studied as a commonsensical step toward the preparation of active nanopore devices. Particularly, DNA modified pores have extremely been important roles which contain the improvement of target molecule-nanopore interaction and the electrostatic sieving controlled externally. In this dissertation, we chose gold as a functionalized material, which has specific binding ability with thiol modified DNA. It interacts with transported bio molecules because we want to obtain signal from the bio molecules as much as possible. However, it is known that gold is hard to fabricate by conventional method such as focused electron beam drilling or e-beam lithography. Because focused ion beam (FIB) is a proper method to apply any materials, we utilize FIB for the formation of gold layer embedded nanopore. The nanopore was successfully fabricated to the ~30nm diameter which was observed by scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). The gold layer was exposed only at the sidewall of nanopore and was functionalized by thiol modified ssDNA which have fluorescence dye. The functionalized nanopore was verified by fluorescence detection from the excitation of fluorescence dye, which is attached at the end of DNA. Also, Au nanoparticle terminated DNA is attached side wall of embedded Au layer, which is observed by TEM. Finally, ionic current through the functionalized nanopore was electrically measured. Ionic current is changed by DNA functionalization, which shows a possibility of active device. In this dissertation, we studied about fabrication and verification of DNA functionalized nanopore with Au layer to apply active device. The verification methods such as fluorescence detection, TEM observation and electrical measurement data are discussed in this dissertation.

나노크기의 hole에서의 이온 또는 분자들의 움직임을 이용하는 nanopore가 바이오 분석 분야에 크게 관심을 받고 있다. 특히, 기존의 방법보다 낮은 가격과 빠른 분석이 가능 할 것이라고 예상되는 DNA 시퀀싱 또는 센싱하는 분야가 활발히 연구 되고 있는데 이러한 나노포어는 biological nanopore 부터 solid-state nanopore으로 발전해 왔다. Solid-state nanopore는 기계적으로 안정하고, 표면처리의 용이함, 다양한 분석 테크닉 등등 다양한 장점을 가지고 있지만, 나노포어를 통해 지나가는 분자의 높은 이동속도로 인하여 현재의 기술 수준에서는 단분자 수준의 분석은 어렵다고 알려져 있다. 이러한 것을 해결하기 위해 나노포어 표면에 DNA를 붙임으로서 포어의 화학적 또는 물리적 성질을 개선하고, 이것을 통해 센싱능력 향상, 포어 부피 또는 표면 전하 변화, 특정 타겟 분자 검출, 능동 소자로의 활용 등등의 장점을 가질 것으로 예상 되는 DNA functionalized nanopore with gold layer embedded structure라는 소자를 제시 하였다. 이러한 소자를 만들기 위해, 실리콘 소자 기반의 나노공정기술을 이용하여 멤브레인 구조를 제작하였고, 집속 이온 빔을 이용하여 gold 나노포어를 제작하고 투과전자현미경을 이용해 확인 하였다. 또한 thiol 을 이용하여 DNA를 gold layer에 특정하게 붙이고, 이것을 형광다이를 이용한 형광현미경 관찰, AuNPs 을 이용한 TEM 관잘을 통해 확인 하였다. DNA functionalization 전 후에 나노포어 ionic current를 측정하여 나노포어의 conductance 변화를 확인할 수 있었고, 이것을 통해 능동 소자로서의 가능성을 제시하였다. 이 연구에서 Au layer가 있는 나노포어 제작과, DNA functionalization을 통해 Au layer에만 특정하게 붙어 있는 DNA 확인 및 전기적 측정을 통한 능동소자의 가능성을 제시하고, 또한 소량의 타겟 molecule도 검출 할 수 있는 나노포어 센서, 특정 molecule만을 이동시키는 디바이스로의 응용이 가능 하다는 것을 보여주었다.