Electrokinetic Transport of DNA in Structurally/Chemically Modified Solid-State Nanopore

Abstract

본 학위논문에서는 솔리드 스테이트 나노포어(solid-state nanopore, 나노포어) 분야의 현존하는 세 가지 쟁점에 대해 논의하고 이에 대한 접근법으로 DNA의 전기동역학적인 이동에 대한 물리적인 분석을 채택하였다. 현재 활발히 연구가 진행되고 있는 솔리드 스테이트 나노포어의 세부분야는 (1) DNA 감도 향상, (2) 소자 신뢰성 강화, 그리고 (3) 전기적 감지 외에 솔리드 스테이트 나노포어 및 파생된 시스템의 다른 활용 분야를 찾는 것이다. 위의 이슈에 대한 기존의 연구 결과들과 소자의 노이즈에 관련된 연구 결과들을 본 학위논문에 요약하였다. 한편 기존 연구들은 주로 비교적 간단하거나 실험적인 접근에서 이루어진 것이므로, 솔리드 스테이트 나노포어 플랫폼의 성능을 향상하기 위한 체계적이며 물리적인 연구가 지속적으로 필요한 상황이다. 이에 첫째로, 나노포어의 DNA 감도를 향상하기 위해 가이드 구조물로 명명된 구조를 기존의 나노포어에 삽입한 새로운 소자가 제작되었다. 또한 이 구조물이 나노포어를 통한 DNA 분자 이동(translocation)에 미치는 영향을 파악하기 위해 유한요소해석법을 이용한 전기동역학적 시뮬레이션을 수행하였다. DNA 감도 향상은 translocation 시그널의 크기(G) 및 지속 시간(td)의 증가를 목적으로 하게 되는데, 가이드 구조물이 삽입된 경우에는 두 목표를 모두 달성할 수 있었다. 구체적으로, DNA가 나노포어를 통과할 때 가이드 구조물 내에 잔존하는 DNA의 부분들이 이온의 흐름을 추가적으로 방해해서 시그널 크기가 증가하였다. 그리고 시뮬레이션으로부터 가이드 구조물 내에는 강한 전기 삼투 유동(electroosmosis flow)이 DNA 이동의 역방향으로 발생하며, 이 유동이 DNA의 나노포어 통과 중에 속도를 늦추는 요소로 작용하였음도 밝혔다. 둘째로, 소자의 신뢰성과 관련된 기존 연구 결과에서 발전하여 본 연구에서는 poly(ethylene glycol)(PEG)이 액상의 자가조립법 대신 기상의 플라즈마 중합 방식으로 나노포어 멤브레인 위에 증착되었다. 기상 증착 방식은 액상 코팅법에 비해 작업의 효율, 작업 상의 조절, 재현성 등의 측면에서 장점을 가지고 있음이 알려져 있다. 플라즈마 중합 PEG(PP-PEG)와 일반 실리콘 나이트라이드(SiNx) 표면의 DNA 흡착 방지 특성을 실제 나노포어 실험 상황을 고려해 평가하기 위해 time to adsorption이라는 새 개념을 고안하고 도입하였다. 그 결과, PP-PEG 표면이 코팅된 경우 약 2배 더 긴 시간 동안 DNA의 표면 흡착 없이 실험이 가능했다. 여기에는 DNA와 PP-PEG 간의 서로 밀어내는 상호 작용력이 영향을 주었으며, 이 상호 작용은 DNA translocation 시그널 상의 변화를 일으키기도 하였다. 여기에 더하여 상호 작용력을 고려해 나노포어 표면에 DNA가 흡착되는 현상을 물리적 및 미시적으로 분석하였다. 셋째로, DNA가 전기적으로 나노포어를 통과하는 것으로부터 파생하여 새로운 바이오시료 전처리 방법인 전기영동 핵산 추출법을 고안하였다. 이 방법에서는 바이오시료 속 핵산이 공정을 통해 제작된 나노 다공성 막을 통해 전기적으로 이동하게 되며, 반대로 양의 전하를 띠거나 막의 구멍보다 더 큰 입자들은 막의 반대편으로 이동하지 못하게 된다. 이 원리를 구현하는 시스템을 마련한 이후, 전기영동 핵산 추출의 원리를 microRNA를 사용한 실험을 통해 확인하였고 시스템의 안정성 또한 확보하였다. 여기에 더하여 사람의 혈청 샘플을 이용한 액상 생검의 시연을 통해 전기영동 핵산 추출법의 실용성을 평가하였다. 본 학위논문은 솔리드 스테이트 나노포어를 통과하는 DNA의 전기적인 움직임을 물리적 및 구조적으로 이해하고, 그 이해를 바탕으로 해당 시스템의 새로운 활용을 고안하였다. 반대로 솔리드 스테이트 나노포어 성능의 체계적인 변화와 개선을 위해서는 DNA의 전기적인 이동에 미치는 물리적인 영향들을 분석하는 것이 중요하다는 점이 본 학위논문의 논의를 통해 드러났다.

In this thesis, the current issues in solid-state nanopore and were discussed and electrokinetic approaches to the issues were introduced with physical analysis on the DNA transport through the nanopores. The active subfields of solid-state nanopore research include (1) enhancing DNA sensitivity, (2) improving the reliability of the device, and (3) searching for a new biotechnological application of solid-state nanopore or fabricated nanoporous structures other than electrical sensing. The previous studies on the subjects were summarized in the thesis, with the state-of-art improvements on the electrical noise properties of the nanopore devices. Nevertheless, the reports mainly were based on simple and empirical ideas to examine the raised issues, thus the research field still required more systematic and physical approaches to improve the performance of the solid-state nanopore platform. First, to enhance the DNA sensitivity of the device, a structural modification named guide structure was introduced to the nanopore device. Further, the effect of the inserted structure on DNA translocations was systematically analyzed in electrokinetics simulations using the finite element method. The goal of improving DNA sensitivity was to increase the translocation signal magnitude (dG) and duration (td) of DNA molecules. dG was increased in the presence of the guide structure, which geometrically hindered the ionic movement with the DNA segments in the guide structure waiting for translocation. The simulations identified a strong electroosmotic flow inside the guide structure in the opposite direction to the translocation, and the fluid flow acted as an extra drag on the remaining DNA parts to slow down its translocation. Secondly, as an advanced approach to the device reliability over the previous reports, plasma polymerization of poly(ethylene glycol) (PEG) was selected to prepare the polymeric coating on the nanopore membrane instead of the liquid phase self-assembly method. The gas-phase deposition was well known for its advantages in fabrication efficiency, controllability, and reproducibility over the self-assembly method. To assess the anti-DNA adsorption properties of the plasma-polymerized PEG (PP-PEG) and the bare silicon nitride (SiNx) surface in consideration of actual nanopore experiment situations, time to adsorption concept was designed and compared on the two surfaces. As a result, the functionalized surface was stable against DNA adsorptions for ~2 times longer time than the bare surface. The repulsive interaction between PP-PEG and DNA affected to the increased reliability, and induced changes in DNA translocation behaviors that exhibited fast translocations of fully stretched molecules. In addition, a physical and microscopic analysis of the DNA adsorption onto the nanopore surface was conducted, considering the interaction between the surface and DNA. Thirdly, the electrophoretic nucleic acid preparation method was introduced, which was derived from the electrical translocations of DNA through solid-state nanopores. In the new application, nucleic acids from a biosample were allowed to pass through a fabricated nanoporous structure, nanofilter membrane, when other molecules with positive charges or sizes larger than the nanoporous structure stayed in the biosample. After establishing the system to realize the physical idea, the principle and the stability of the electrophoretic operation were confirmed in the electrical transport experiment of microRNA. Further, the clinical applicability of the electrophoretic preparation system was validated by demonstrating liquid biopsy process with clinical human blood serum. The analysis provided physical and structural understandings and application of the electrokinetic DNA transports in solid-state nanopore and its derived platform. Conversely, from this thesis, it was made clear that analyzing the physical contributions to DNA translocations was a key to systematic manipulations and improvements to the solid-state nanopore performances.