KR100561911B1 - Apparatus for analyzing of characteristics of biomolecules - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 게재된 전하를 띠고 있는 생체분자를 포함하여, 두 전극 사이의 전하량의 차이 변화시킴에 따라 측정되는 커패시턴스의 변화값을 측정하여 생체분자간의 화학적 결합정도를 분석하는 분석장치를 제공한다. 두 전극사이의 거리를 마이크로미터 원리를 이용해서 조절가능케 함으로써 편리성를 높이는 장점을 제공한다.The present invention includes a biomolecule having a charge placed between the first electrode and the second electrode, and measures the change in capacitance measured as the difference in the amount of charge between the two electrodes changes, thereby measuring the chemical bonding between the biomolecules. It provides an analysis device for analyzing the. The distance between the two electrodes can be adjusted using the micrometer principle, providing the advantage of convenience.

커패시턴스, 생체분자, DNA, SNPCapacitance, Biomolecule, DNA, SNP

Description

커패시턴스측정을 통한 생체분자의 특성 분석장치{Apparatus for analyzing of characteristics of biomolecules}Apparatus for analyzing of characteristics of biomolecules}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체분자의 특성 분석장치의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for characterizing biomolecules according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체분자의 특성 분석장치에서 DNA분석용(예: genotyping)으로 적용예를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an application example for DNA analysis (eg, genotyping) in a device for characterizing biomolecules according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 C-V 측정에서 기본적인 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 3 is a conceptual diagram illustrating a basic principle in the C-V measurement according to an embodiment of the present invention.

도 4a, 4b 및 4c는 MOS구조를 이용하여 생체분자 특성측정 장치를 제작할 수 있음을 개념적으로 보여주기 위한 개념도들이다. 4A, 4B, and 4C are conceptual views for conceptually illustrating that a biomolecule characterization apparatus may be manufactured using a MOS structure.

도 5 내지 7은 전극 상단에 전압을 변화시켜 커패시턴스의 변화를 관찰하여 생체분자의 특성을 측정할 수 있는 원리를 설명하기 위한 캐퍼시턴스-전압 곡선들이다.5 to 7 are capacitance-voltage curves for explaining the principle of measuring a characteristic of a biomolecule by observing a change in capacitance by changing a voltage on an electrode.

본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 게재된 전기적 성질를 띠고 있는 생체분자를 포함하여, 두 전극 사이의 전하량의 차이를 변화시킴에 따라서 측정되는 커패시턴스의 값을 측정하여 생체분자의 특성을 분석하는 생체분자의 특성 분석장치를 제공한다. The present invention includes biomolecules having electrical properties between the first electrode and the second electrode, and analyzes the characteristics of the biomolecules by measuring capacitance values measured as the difference in the amount of charge between the two electrodes changes. It provides a biomolecule characterization device.

생체분자간의 상호작용은 기본적으로 단백질, DNA, RNA사이의 반응이 기본이라고 할 수있다. DNA, RNA, 단백질(protein) 상호간의 반응은 southern analysis(DNA to DNA), western analysis (protein to protein), northern analysis (DNA, RNA to RNA )방법을 기본으로 다양한 변형, 예를 들면 probe의 라벨방법, 기타 탐지방법, 을 주는 방법이 주로 사용되어 왔다.The interaction between biomolecules is basically the reaction between protein, DNA and RNA. DNA, RNA, and protein interactions are based on southern analysis (DNA to DNA), western analysis (protein to protein), and northern analysis (DNA, RNA to RNA) methods. Methods, other detection methods, and giving methods have been mainly used.

이와 같은 방법으로 유전자 기능연구, 돌연변이연구, 세포신호전달, 기타 분자생물학적 연구 뿐 만 아니라 질병진단등의 목적이 수행될 수 있는 데 좀더 상세히 그 응용에 대해 설명하면 다음과 같다.In this way, not only gene function studies, mutation studies, cell signaling, and other molecular biological studies but also diseases diagnosis can be performed.

DNA와 DNA의 상호반응을 분석함으로써 유전자의 탐지, 질병 예측 등을 수행할 수 있다. DNA 탐지자와 탐지 대상 DNA를 반응 시킨 후 반응 전후의 결과를 분석하게 된다. 탐지대상 DNA(Genomic DNA, phage library, metagenome....)를 고체 표면(solid surface)에 고정하고 라벨된 탐지자를 반응 시키면 서열상보성의 여부에 따라 친화도가 다른 데 이를 이용해서 앞서 말한 유전자존재 탐지, 질병예측등의 진단을 할 수 있게 된다. 탐지방법은 라벨의 종류에 따라 달라질 수 있고, 이와 같은 방법으로 이미 많은 회사에서 상용화된 DNA칩이 개발되어 판매되고 있으며 다양한 콘텐츠 개발이 향후 연구의 주된 흐름이 될 것이다.By analyzing DNA and its interactions, gene detection and disease prediction can be performed. After the reaction between the DNA detector and the target DNA, the results are analyzed before and after the reaction. When the DNA to be detected (Genomic DNA, phage library, metagenome ....) is fixed on a solid surface and the labeled detector is reacted, the affinity is different depending on the sequence complementarity. Diagnosis such as detection and disease prediction becomes possible. The detection method may vary depending on the type of label. In this way, a commercialized DNA chip has been developed and sold by many companies, and various content development will be the main flow of future research.

단백질과 단백질, 단백질과 DNA의 상호작용 역시 위와 같은 원리가 응용될 수 있는 데 임신진단, 간염진단 등 다양한 진단키드에 이미 응용되고 있다. 분석탐지 방법은 형광, 겔 이동도 쉬프트(gel mobility shift), 침전, 크로마토그라피(chromatography) 등 여러 가지가 있다.  The interaction between protein and protein, protein and DNA can also be applied to the above principles, such as pregnancy diagnosis, hepatitis diagnosis and various diagnostic kits have already been applied. Analytical detection methods include various methods such as fluorescence, gel mobility shift, precipitation, and chromatography.

생체분자의 상호작용을 측정하는 방법은 이미 다양한 방법이 있으며 각각 장단점을 갖고 있다. 장점은 앞서 개발되고 이용되어 왔기 때문에 최적 프로토콜에 의해 어렵지 않게 원하는 측정을 할 수 있지만 단점으로 전체 분석시간이 오래 걸리며 방법에 따라서는 reagent 비용도 적지 않다. There are a variety of methods for measuring the interaction of biomolecules and each has advantages and disadvantages. The advantage has been developed and used in the past, so that the desired measurement can be made easily by the optimal protocol, but the disadvantage is that the whole analysis takes a long time and depending on the method, the reagent cost is not small.

상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 생체 분자의 특성을 측정하는 새로운 장치를 제공하는 것이다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a new device for measuring the properties of biological molecules.

본 발명의 다른 목적은 동일 분자를 미리 박막에 고정하고 반응샘플을 달리해서 두 샘플내 특정분자의 존재량 비교, 특정분자의 성질 비교 등의 작업을 할 수 있도록 구성하는 것이다. Another object of the present invention is to fix the same molecule to the thin film in advance and to change the reaction sample so that the operation of comparing the amount of specific molecules in the two samples, comparing the properties of the specific molecules.

본 발명의 다른 목적은 고정된 분자와 유체샘플속의 대상분자의 상호작용을 살펴보기 위해, 그 측정에 있어서 커패시턴스 값 및 그 값의 변화를 이용하는 것이다.Another object of the present invention is to use the capacitance value and the change of the value in the measurement to examine the interaction of the fixed molecule and the target molecule in the fluid sample.

본 발명의 또 다른 목적은 전하를 띄는 생체분자간의 상호작용으로 반응 전후 금속박막위의 잔존반응물의 커패시턴스를 측정함으로써 분자간의 반응을 탐지하 는 장치를 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide an apparatus for detecting an intermolecular reaction by measuring the capacitance of the remaining reactant on the metal thin film before and after the reaction by interaction between charged biomolecules.

상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 제 1 전극과, 제 1 전극과 소정거리 이격되어 형성된 제 2 전극과, 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 한 전극에 고정된 전하를 띠고 있는 제 1 생체분자를 포함하되, 분석대상인 제 2 생체분자가 들어있는 샘플과 상기 제 1 생체 분자의 반응 에 의해 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전하량의 변화에 따라 측정되는 커패시턴스의 값을 이용하여, 상기 제 1 생체분자와 제 2 생체분자의 상호작용 정도를 분석하는 생체분자의 특성 분석장치를 제공한다. As a technical means for achieving the above object, one side of the present invention is fixed to at least one of the first electrode, the second electrode formed to be spaced apart from the first electrode a predetermined distance, the first electrode and the second electrode Capacitance measured as a change in the amount of charge between the first electrode and the second electrode by the reaction of the first biomolecule, including the first biomolecule that is charged, the sample containing the second biomolecule to be analyzed A biomolecule characterization apparatus for analyzing the degree of interaction between the first biomolecule and the second biomolecule using the value of is provided.

바람직하게는, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 이격된 거리는 가변적이도록 구성가능하고, 제 1 전극에는 반도체가 부착될 수 있다. 두 전극의 거리를 마이크로미터의 원리처럼 미세하게 조정해 가면서 커패시턴스의 변화패턴을 통해 원하는 생체분자의 특성을 얻을 수도 있다. Preferably, the spaced distance between the first electrode and the second electrode is configurable to be variable, and a semiconductor may be attached to the first electrode. The distance between two electrodes can be finely adjusted like the principle of micrometer, and the desired pattern of biomolecules can be obtained through the change pattern of capacitance.

생체분자는 전하를 띤 DNA, RNA, 단백질등 전하를 띤 성분으로 구성되거나, 전하를 띤 합성화합물 등일 수 있다. The biomolecule may be composed of charged components such as charged DNA, RNA, protein, or charged synthetic compounds.

바람직하게는, 게제되는 반응 샘플을 달리해서 두 샘플내 특정 분자의 존재량 또는 성질을 비교한다. 예를 들어, 상호작용하는 두 생체분자 중 하나를 전극 표면에 고정하고 다른 생체분자가 포함된 시료에 노출시키면 상호친화력(affinity)이 있는 두 생체분자 사이에 결합이 생기고 이것은 양쪽에 걸어준 전압하에서 커패 시턴스를 측정함으로써 탐지가 가능하다. 친화력이 클수록 탐지체와 결합하고 있는 특정분자의 존재량이 크므로 커패시턴스가 크게 나타나게 된다.Preferably, the reaction sample to be submitted is compared to compare the amount or nature of the specific molecule in the two samples. For example, anchoring one of the two interacting biomolecules to an electrode surface and exposing it to a sample containing the other biomolecule creates a bond between the two affinity biomolecules, Detection can be made by measuring the capacitance. The greater the affinity, the greater the amount of specific molecule binding to the detector, resulting in greater capacitance.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체분자의 특성 분석장치를 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전 하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, an apparatus for characterizing a biomolecule according to a preferred embodiment of the present invention will be described. The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, only the embodiments to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention It is provided to inform you.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체분자의 특성 분석장치의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for characterizing biomolecules according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체분자의 특성 분석장치는 제 1 전극(10), 제 1 전극(10)과 소정거리 이격되어 형성된 제 2 전극(20), 및 제 1 전극(10)과 제 2 전극(20) 사이에 게재된 전하를 띠고 있는 생체분자(40)를 포함하여 구성된다. 제 1 전극(10)과 제 2 전극(20) 사이의 전하량의 차이를 변화시킴에 따라서 측정되는 커패시턴스의 값을 측정하여 상기 생체분자의 특성을 분석할 수 있다. 전극들은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1, the apparatus for characterizing a biomolecule according to an exemplary embodiment of the present invention may include a first electrode 10, a second electrode 20 formed to be spaced apart from the first electrode 10 by a predetermined distance, and a first electrode. And a biomolecule 40 having a charge placed between the electrode 10 and the second electrode 20. The characteristics of the biomolecules may be analyzed by measuring capacitance values measured as the difference in the amount of charge between the first electrode 10 and the second electrode 20 is changed. The electrodes are preferably made of metal.

한편, 제 1 전극(10)에는 반도체층(30)을 미리 표면에 고정하고, 게제되는 반응샘플을 달리해서 두 샘플내 특정 분자의 존재량 또는 성질을 비교할 수도 있다. 제 1 전극(10)에는 반도체가 부착될 수도 있고 아니될 수도 있다. 전극사이의 거리는 미세하게 조절할 수 있도록 통상 두께 측정에 사용되는 마이크로미터의 구조를 갖는다. Meanwhile, the semiconductor layer 30 may be fixed to the surface of the first electrode 10 in advance, and the amount or properties of specific molecules in the two samples may be compared by varying the reaction samples. A semiconductor may or may not be attached to the first electrode 10. The distance between the electrodes has a micrometer structure that is usually used for thickness measurement so that the distance can be finely adjusted.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체분자의 특성 분석장치에서 DNA분석용으로 적용예를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram illustrating an application example for DNA analysis in the apparatus for characterizing biomolecules according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 생체분자의 특성 분석장치는 제 1 전극(100), 제 2 전극(110), 절연막들(120,130), 탐지체 분자(150,160) 및 탐지 대상(170)을 포함한다. Referring to FIG. 2, the apparatus for analyzing the characteristics of the biomolecule includes a first electrode 100, a second electrode 110, insulating layers 120 and 130, detector molecules 150 and 160, and a detection target 170.

먼저, 탐지체(probe)분자(150,160)를 절연막들(120,130)의 표면에 고정한다. 예를 들면, DNA 경우 변형을 통해 티올(thiol), 아민(amine), 카볼실기, 미오틴(biotin) 등이 붙은 상태를 만들어 고정이 가능하며 단백질은 자체의 기능기를 사용하거나 고정 항체(immobilization antibody)를 이용할 수 있다. First, the probe molecules 150 and 160 are fixed to the surfaces of the insulating layers 120 and 130. For example, in case of DNA, thiol, amine, carbosyl group, biotin, etc. are attached to fix the DNA, and the protein can be fixed using its own functional group or immobilization antibody. ) Can be used.

다음으로, 탐지 대상(170)을 포함하는 유체를 탐지체 분자가 붙어있는 박막에 흘려 지나가게 한 후 salt가 제거된 세척액을 사용해서 비특이적 반응물들을 제거한다. 유체의 수분을 제거하기 위해 건조한 후 실리콘 반도체의 배면을 마이크로미터의 한쪽 전극에 부착할 수 있다. Next, after passing the fluid including the detection target 170 to the thin film on which the detector molecules are attached, the non-specific reactants are removed using a salt-free washing solution. After drying to remove moisture from the fluid, the backside of the silicon semiconductor can be attached to one electrode of the micrometer.

그런 다음, 커패시턴스-전압특성을 측정한 후 DNA의 양을 측정한다. 또한 좌우 미세 변위 조절이 가능한 전극을 이동시켜 거리에 따른 커패시턴스를 측정할 수가 있다. 박막내의 탐지체와 탐지 대상의 상호작용이 많이 일어나서 남아 있는 탐지대상 분자가 많을수록, 두 전극 사이의 거리가 짧을수록 커패시턴스는 증가한다.Then, after measuring the capacitance-voltage characteristic, the amount of DNA is measured. In addition, the capacitance according to the distance can be measured by moving the electrode that can adjust the left and right fine displacement. The more interaction between the detector and the target in the thin film, the more molecules to be detected and the shorter the distance between the two electrodes, the higher the capacitance.

이하, 본 발명에 의한 생체분자의 특성 분석장치의 동작원리를 상세히 분석한다. 도 3은 C-V 측정에서 기본적인 원리를 설명하기 위한 개념도이다. Hereinafter, the operation principle of the device for analyzing the characteristics of biomolecules according to the present invention will be analyzed in detail. 3 is a conceptual diagram illustrating a basic principle in C-V measurement.

축전기의 두판(210,220) 사이의 공간이 비어 있거나 공기로 가득 찼다고 하면, 이 축전기는 거의 같은 전기용량을 갖는다. 그것은 진공(유전율 1)과 공기(유전율(1.0006)의 유전율이 비슷하기 때문이다. 따라서, 전기용량의 기준값을 공기로 하여도 무방하다. 이제 축전기의 두 판사이에 어떤 물질을 넣으면 축전기의 전기용량이 증가하는데 이런 물질을 유전체라고 하며 DNA도 일반적인 의미에서 유전물질에 속한다. If the space between the two plates 210,220 of the capacitor is empty or full of air, the capacitor has about the same capacitance. This is because the dielectric constants of vacuum (dielectric constant 1) and air (dielectric constant (1.0006) are similar. Therefore, you can use air as the reference value of the capacitance. Now if you put a substance between the two plates of the capacitor, the capacitance of the capacitor Increasingly, these materials are called genomes, and DNA, in a general sense, belongs to genetic material.

대전된 축전기에는 두 판(210,220)사이의 전위차를 측정할 수 있는 전압계에 연결되어 있다. 여기에 유전 물질(230)을 삽입하면 전위차가 감소한다. 또한, C=Q/V의 정의에서 Q(전하량)를 일정하게 유지하면서 V(전압)를 감소시킴으로, C(정전용량)의 값이 증가된다. 전하량 Q가 불변임은 유전물질을 다시 제거해보면 전압이 처음의 위치로 돌아올 것이다. 이 때 전압계가 원래 위치로 돌아왔으므로 V나 C가 원상태 값으로 돌아올 것이다. The charged capacitor is connected to a voltmeter capable of measuring the potential difference between the two plates 210 and 220. Inserting dielectric material 230 here reduces the potential difference. In addition, the value of C (capacitance) is increased by decreasing V (voltage) while keeping Q (charge amount) constant in the definition of C = Q / V. The charge Q is invariant. The voltage will return to its original position when the dielectric material is removed again. At this point, the voltmeter has returned to its original position, so V or C will return to its original value.

유전체가 축전기의 전기용량을 증가시키는 이유는 유전체의 분극현상에서 기인하는데 분자들은 평상시에 중성 상태를 유지하다 전기장속에 놓이면 전자는 (+)전극 쪽으로 핵은 (-)전극 쪽으로 대전된다. 부도체속의 전자는 자유롭게 이동할 수는 없지만 평행 위치에서 약간의 변위를 가질 수 있으므로 이때 이분자에 의해 발생된 국소적인 전기장은 원래의 전기장과는 그 반대 방향으로 생성된다. 그 결과 축전기의 유효전하는 원래전하의 변동 없이도 줄어들게 된다. 결국 유효전기장 의 감소를 초래한다. DNA를 유전체의 일종으로 간주하면 전극속에서의 DNA의 분극으로 커패시턴스 C의 증가를 관찰 할 수 있을 것이며, 전극속의 DNA의 양에 따른 커패시턴스 C값의 변화를 분석할 수 있다. The reason why the dielectric increases the capacitance of the capacitor is due to the polarization of the dielectric. The molecules are normally neutral. When placed in an electric field, electrons are charged toward the positive electrode and the nucleus toward the negative electrode. The electrons in the insulator cannot move freely, but may have some displacement in parallel, so that the local electric field generated by the bimolecules is created in the opposite direction to the original electric field. As a result, the effective charge of the capacitor is reduced without changing the original charge. This results in a reduction of the effective electric field. If we consider DNA as a kind of genome, we can observe the increase of capacitance C due to the polarization of DNA in the electrode and analyze the change in capacitance C value according to the amount of DNA in the electrode.

도 4a, 4b 및 4c는 MOS(Metal Oxide Semiconductor)구조를 이용하여 생체분자 특성측정 장치를 제작할 수 있음을 개념적으로 보여주기 위한 개념도이다. 즉, 도 4에서는 MOS, MAS(Metal Air Semiconductor) , MDS(Metal DNA Semiconductor)구조를 비교하였으며, 각각 전극들 사이에 산화막, 공기, DNA속의 음전하를 게재한 경우를 나타내고 있다. 4A, 4B, and 4C are conceptual views for conceptually illustrating that a biomolecule characterization apparatus may be manufactured using a metal oxide semiconductor (MOS) structure. That is, in FIG. 4, MOS, metal air semiconductor (MAS), and metal DNA semiconductor (MDS) structures are compared, and negative charges in the oxide film, air, and DNA are shown between the electrodes.

도 4a를 참조하면, MOS소자는 실리콘 기판(310), 산화막(320) 및 금속막(330)을 포함하여 구성된다. 산화막(320) 내의 전하성분을 분석하는 방법으로는, 금속막(330)과 실리콘 기판(310)의 전극에 전압을 인가하여 산화막(320) 속의 전하량에 기인한 커패시턴스의 변화를 관측한다. 전압의 변화에 따르는 커패시턴스의 변화를 측정하면 실리콘 기판의 플렛밴드 전압(Vfb), 산화막(20)중의 전하밀도등을 계산할 수 있다. Referring to FIG. 4A, the MOS device includes a silicon substrate 310, an oxide film 320, and a metal film 330. As a method of analyzing the charge component in the oxide film 320, a voltage is applied to the electrodes of the metal film 330 and the silicon substrate 310 to observe a change in capacitance caused by the amount of charge in the oxide film 320. By measuring the change in capacitance according to the change in voltage, the flat band voltage Vfb of the silicon substrate, the charge density in the oxide film 20, and the like can be calculated.

도 4b를 참조하면, MOS소자의 구성요소 중 산화막(320)을 일정 두께의 공기층으로 대체한다. 이는 MOS구조와 유사하므로 MAS구조라 칭한다. A는 AIR의 initial문자이다. 산화막(320)의 유전율은 10정도이며 공기의 유전율은 대략 1이다. 두 유전체의 차이점은, 전극 양단에 걸리는 동일한 전압에 대해서 유전율이 큰 산화막에는 큰 커패시턴스가 측정되고 공기에 대해선 산화막의 경우에 비해 1/10 만큼 커패시턴스가 생성된다. Referring to FIG. 4B, the oxide film 320 is replaced with an air layer having a predetermined thickness among the components of the MOS device. This is called a MAS structure because it is similar to the MOS structure. A is the initial character of AIR. The dielectric constant of the oxide film 320 is about 10 and the dielectric constant of air is approximately 1. The difference between the two dielectrics is that a large capacitance is measured in the oxide film having a high dielectric constant with respect to the same voltage across the electrode, and 1/10 capacitance is generated in the air compared with the oxide film.

도 4c를 참조하면, 도 4b의 MAS구조 중 공기 대신에 DNA를 유전체로 사용한다면, 금속/DNA/반도체(MDS) 구조를 얻을 수 있다. 이 경우, DNA의 유전율, 유전체의 두께, 전극의 면적, 인가 전압을 알면 그 DNA의 커패시턴스를 알 수가 있다. MOS구조와 MDS구조에서의 전하량의 정성 분석방법에 의하면, 전압을 변화시켜 커패시턴스의 변화를 관찰하는 반적인 캐퍼시턴스-전압 곡선을 구할 수 있다. Referring to FIG. 4C, if DNA is used as a dielectric instead of air in the MAS structure of FIG. 4B, a metal / DNA / semiconductor (MDS) structure may be obtained. In this case, knowing the dielectric constant of the DNA, the thickness of the dielectric, the area of the electrode, and the applied voltage, the capacitance of the DNA can be known. According to the qualitative analysis method of the charge amount in the MOS structure and the MDS structure, it is possible to obtain the inverse capacitance-voltage curve which observes the change in capacitance by changing the voltage.

도 5는 MOS구조 양단에 전압을 변화시켜 커패시턴스의 변화를 관찰하는 일반적인 캐퍼시턴스-전압 곡선이다. 5 is a typical capacitance-voltage curve that observes a change in capacitance by varying the voltage across the MOS structure.

사용된 반도체층은 다수캐리어(majority carrior)가 정공인 P-형 실리콘 반도체이다. 따라서 소수캐리어(minority carrior)는 전자가 된다. 실선은 전형적인 열산화막의 C-V (Capacitance-Voltage)곡선이다. 여기에 산화막 중의 음의 전하가 존재하면 곡선이 오른쪽으로 움직인다. 이것은 산화막 중의 음전하가 반도체층의 벌크에 고르게 분포되어 있던 다수캐리어(majority carrier)인 정공을 반도체쪽 계면에 몰려들게 하기 때문이다. 마찬가지 원리로 음의 전기를 띄는 DNA가 많이 포함될 수록 C-V곡선은 오른쪽으로 이동하게 된다.The semiconductor layer used is a P-type silicon semiconductor with a majority carrier of holes. Thus, the minority carrier becomes an electron. The solid line is the C-V (Capacitance-Voltage) curve of a typical thermal oxide film. If there is a negative charge in the oxide film, the curve moves to the right. This is because negative charges in the oxide film attract holes in the semiconductor-side interface, which are majority carriers, which are evenly distributed in the bulk of the semiconductor layer. Similarly, the more negatively charged DNA, the more the C-V curve shifts to the right.

일반적으로 C-V 측정을 위해서 사용되는 측정용 전압의 예는 대신호로서 DC전압, 소신호로서 AC전압를 사용하거나, DC 만을 사용하거나, DC에 AC를 실어 보내는 방법 등이 있다. In general, examples of measurement voltages used for C-V measurement include a DC signal as a large signal, an AC voltage as a small signal, a DC only, or a method of sending AC to DC.

한편, 도 6을 참조하면, 음전하의 양에 따라 곡선이 오른쪽으로 움직이는 정도가 달라지기 때문에 음전하의 양을 플렛밴드 전압(Vfb)의 변화에서 수식적으로 계산해 낼 수가 있다. 다만, 이 경우 반도체는 P형인 경우이다. 이와 같은 원리는 당업계에서는 공지되어 있다. Meanwhile, referring to FIG. 6, since the degree of movement of the curve to the right varies depending on the amount of negative charge, the amount of negative charge can be calculated by changing the flat band voltage Vfb. In this case, however, the semiconductor is a P type. This principle is known in the art.

한편, 도 7을 참조하면, 산화막 대신 MDS구조를 형성하면 DNA층에서의 전하밀도를 계산 할 수가 있다. DNA는 포스페이트(phophate) 구조 중에 음전하를 가지므로 DNA의 양에 따라 음전하의 양이 결정되므로 케퍼시턴스-전압 측정에서 쉽게 그 양을 결정할 수 가 있다. 도 7은 음의 전하를 띠는 DNA의 양이 증가에 따른 특성은 도 6의 경우를 유추해서 해석할 수 있을 것이다. 한편, 유전체가 양의 전하를 갖는다면 C-V곡선이 왼쪽으로 이동할 것이나 DNA는 일반적으로 음의 전하를 갖는 것으로 알려져 있으므로 오른쪽으로 이동된다. On the other hand, referring to Figure 7, if the MDS structure instead of the oxide film can be formed, the charge density in the DNA layer can be calculated. Since DNA has a negative charge in the phosphate structure, the amount of negative charge is determined according to the amount of DNA so that the amount can be easily determined in the capacitance-voltage measurement. 7 may be interpreted by inferring the case of FIG. 6 as the amount of negatively charged DNA increases. On the other hand, if the dielectric has a positive charge, the C-V curve will shift to the left, but DNA is generally known to have a negative charge, so it shifts to the right.

한편, 본 발명은 본체와 카트리지로 나누어 개발하고, 본체에서는 측정관련장치가 탑재되고, 카트리지에서는 플루이딕 제어(fluidic control)가 되는 칩으로 구성할 수 있을 것이다. On the other hand, the present invention is developed by dividing the main body and the cartridge, the measurement related device is mounted on the main body, it will be able to be configured as a chip in the fluidic control (fluidic control) in the cartridge.

하나의 카트리지내에 여러 개의 전극/프로브(probe)/전극 구조를 반도체 공정을 이용하여 제조가 가능하므로 한 번에 여러 가지 분자간의 상호작용을 동시에 측정가능하다. 한편, 1회용 카드리지를 사용하면 시험 및 측정 비용을 최소화 할 수 있고 시간도 절약할 수 있는 장점이 있으리라 판단된다.Since multiple electrodes / probes / electrode structures can be manufactured in a single cartridge using a semiconductor process, the interaction between various molecules can be measured simultaneously. On the other hand, the use of disposable cartridges can minimize the cost of testing and measurement, and it can be considered to have the advantage of saving time.

DNA, RNA, 단백질과 같은 생체분자는 상보적인 서열 또는 특정 분자에 대해 높은 특이성을 띄는 상호작용을 한다. 상호작용하는 두 생체분자중 하나를 금속박막 표면에 고정하고 다른 생체분자가 포함된 시료에 노출시키면 상호친화력(affinity)이 있는 두 분자사이에 결합이 생기고 이것은 양쪽에 걸어준 전압하에서 커패시턴스를 측정함으로써 탐지가 가능하다.  Biomolecules such as DNA, RNA, and proteins interact with high specificity for complementary sequences or specific molecules. When one of the two interacting biomolecules is immobilized on a metal thin film surface and exposed to a sample containing other biomolecules, a bond is formed between the two molecules with mutual affinity, which is measured by measuring the capacitance under the voltage applied to both sides. Detection is possible.

예를 들면 DNA probe와 타겟DNA의 혼성화의 차이를 이용해서 SNP분석과 같은 genotyping을 할 수 있고, DNA probe와 서열특이적인 DNA 결합성 단백질(DNA binding protein)의 탐색 및 정성분석을 할 수도 있을 것이다. For example, genotyping such as SNP analysis can be performed by using the hybridization of DNA probe and target DNA, and the DNA probe and sequence specific DNA binding protein can be searched and qualitatively analyzed. .

이런 반응을 쉽게 탐지하고 소형화, 대량분석을 가능케 하기위한 노력이 진단기기, 연구용기기 개발부문에서 현재도 비약적으로 늘고 있고 포스트게놈시대에는 더욱더 커질것으로 예상된다. Efforts to easily detect, miniaturize and enable mass analysis of these reactions are growing rapidly in the development of diagnostic and research equipment, and are expected to grow even more in the post-genome era.

생체분자들간의 상호작용을 분석하는 하나의 기술로서 본 발명은 실리콘 공정을 이용해 칩형태로 제조 가능하리라 기대되므로 대량생산을 통해 적은 비용과 짧은 분석시간이라는 장점을 가질 것으로 생각된다.As one technique for analyzing the interactions between biomolecules, the present invention is expected to be manufactured in a chip form using a silicon process, and thus, it is expected to have advantages of low cost and short analysis time through mass production.

Claims (11)

제 1 전극;A first electrode; 상기 제 1 전극과 소정거리 이격되어 형성된 제 2 전극; 및A second electrode formed to be spaced apart from the first electrode by a predetermined distance; And 상기 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 한 전극에 고정된 전하를 띠고 있는 제 1 생체분자를 포함하되, A first biomolecule having a charge fixed to at least one of the first electrode and the second electrode, 분석대상인 제 2 생체분자가 들어있는 샘플과 상기 제 1 생체 분자의 반응 에 의하여 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전하량의 변화에 따라 측정되는 커패시턴스의 값을 이용하여, 상기 제 1 생체분자와 제 2 생체분자의 상호작용 정도를 분석하는 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치. The first biomolecule and the first biomolecule are reacted by the reaction between the sample containing the second biomolecule to be analyzed and the first biomolecule, and the capacitance is measured according to the change in the amount of charge between the first electrode and the second electrode. Characterization apparatus of the biomolecule, characterized in that for analyzing the degree of interaction of the second biomolecule. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 이격된 거리는 가변적인 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.Characterized in that the distance between the first electrode and the second electrode is a biomolecule characterized in that the variable. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 전극은 반도체가 부착되어 형성된 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.The first electrode is a characteristic analysis device of the biomolecule characterized in that the semiconductor is attached. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 생체 분자와 제 2 생체 분자는 전하를 띤 DNA, RNA, 단백질 같은 전하를 띤 성분으로 구성되거나, 전하를 띤 합성 화합물인 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.The first biomolecule and the second biomolecule may be composed of charged components such as charged DNA, RNA, protein, or charged synthetic compounds. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 생체분자가 음전하를 띨 경우 상기 반도체는 P-형 반도체, 양전하를 띨 경우 상기 반도체는 N-형 반도체를 사용하는 것.When the biomolecule is negatively charged, the semiconductor is a P-type semiconductor, when the positive charge is used, the semiconductor is an N-type semiconductor. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제 2 생체 분자가 음전하를 띠고 있는 DNA인 경우, 상기 반도체는 P-형 반도체인 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.And wherein the semiconductor is a P-type semiconductor when the second biomolecule is a negatively charged DNA. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 생체분자의 특성은 반응 전후 또는 대조군과의 커패시턴스 차를 이용하여 분석되는 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.Characterization of the biomolecule is characterized in that the analysis of the characteristics of the biomolecule, characterized in that using the difference in capacitance with the control group. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 생체분자 및 상기 제 2 생체분자에서 특정 분자의 존재량 또는 성질을 비교하는 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.Characterizing apparatus for biomolecules, characterized in that the amount or properties of the specific molecules in the first biomolecule and the second biomolecule are compared. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 특정분자의 분자량은 반응 후 상기 제 1 생체 분자에 대한 친화성을 나타내는 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.The molecular weight of the specific molecule is characterized in that the biomolecule characterization device characterized in that the affinity for the first biomolecule after the reaction. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에는 절연체가 더 추가된 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.The device of claim 1, wherein an insulator is further added to the first electrode and / or the second electrode. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 절연체는 제 1 생체 분자의 고정을 가능케 하는 물질인 것을 특징으로 하는 생체분자의 특성 분석장치.The insulator is a device for characterizing the biomolecule, characterized in that the material which enables the fixation of the first biomolecule.
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