KR100667314B1 - 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법 - Google Patents

초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100667314B1
KR100667314B1 KR1020050001286A KR20050001286A KR100667314B1 KR 100667314 B1 KR100667314 B1 KR 100667314B1 KR 1020050001286 A KR1020050001286 A KR 1020050001286A KR 20050001286 A KR20050001286 A KR 20050001286A KR 100667314 B1 KR100667314 B1 KR 100667314B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
converter
change
bio
ultrasonic
capacitance
Prior art date
Application number
KR1020050001286A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20060080992A (ko
Inventor
김영일
강정호
박남수
박태식
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020050001286A priority Critical patent/KR100667314B1/ko
Priority to US11/282,233 priority patent/US20060148067A1/en
Priority to JP2006000619A priority patent/JP2006189447A/ja
Publication of KR20060080992A publication Critical patent/KR20060080992A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100667314B1 publication Critical patent/KR100667314B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876—Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2412—Probes using the magnetostrictive properties of the material to be examined, e.g. electromagnetic acoustic transducers [EMAT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16B—BIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
    • G16B25/00—ICT specially adapted for hybridisation; ICT specially adapted for gene or protein expression
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/024—Mixtures
    • G01N2291/02466—Biological material, e.g. blood
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/025—Change of phase or condition
    • G01N2291/0256—Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0423—Surface waves, e.g. Rayleigh waves, Love waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

생분자가 형성된 변환부 하부에서 초음파를 발생시켜 변환부의 진동 변화를 측정함으로써 바이오결합 유무를 검출하는 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치 및 그 방법이 개시된다. 본 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치는 초음파를 발생시키는 발생부, 발생부 상부와 소정거리 이격되어 형성되어 발생된 초음파에 의해 진동을 하며 초음파의 특성을 변화시키는 변환부, 변환부 위에 형성되며, 분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자, 변환부 상부와 소정거리 이격되어 형성되는 금속판, 및 프로브 생분자와 시료의 바이오 결합 유무에 따른 변환부와 금속판 사이의 거리가 변화에 의한 캐패시턴스의 변화를 측정하는 분석부를 포함한다. 이에 의해, 초음파를 이용하여 바이오결합 전후의 초음파 신호의 특성 변화 및 캐패시턴스의 변화를 측정함으로써 용이하게 바이오결합 유무를 검출한다.
초음파, 캐패시턴스, 멤브레인, 소닉 필터

Description

초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법{bio-bonding detecting apparatus using ultrasonic waves and method thereof}
도 1a 내지 도 1c는 종래의 광학적 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면,
도 2a 내지 도 2c는 종래의 기계적 변화를 이용한 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면,
도 3는 종래의 화학적 변화를 이용한 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면,
도 4a 내지 도 4c는 종래의 전기적 변화를 이용한 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면,
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치를 나타낸 도면,
도 6a 내지 도 6c는 도 5a에 따른 초음파를 이용한 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면, 그리고
도 7a 내지 도 7c는 도 5b에 따른 초음파를 이용한 바이오 결합 검출 방법을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 발생부 200: 변환부
300: 프로브 생분자 400: 금속판
500: 수신부 600: 시료 생분자
본 발명은 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파에 의해 진동되며 생분자(biomolecules)가 형성되는 변환부가 바이오 결합에 따라 진동이 변화하는 것을 측정하여 바이오결합 유무를 검출하는 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
바이오칩은 유리, 실리콘, 또는 나일론 등의 재질로 된 작은 고형의 기판 위에 그 서열이 알려진 DNA, DNA 조각, RNA 등의 생분자들(biomolecules)을 수백 개부터 수십만 개까지 일정 간격으로 배열하여 부착시킴으로써 유전자의 발현 방식, 분포 양상 및 돌연변이 등을 분석할 수 있는 생물학적 마이크로칩을 말한다. 바이오칩 기술은 이처럼 좁은 의미로는 유전자 분석의 첨단기술로 인정되고 있는 DNA 마이크로어레이 기술을 의미하나, 넓은 의미로는 생체물질과 기존의 물리, 화학, 및 광변환기를 조합한 바이오센서(biosensor), DNA 탐침이 내장된 DNA 마이크로어레이, 효소나 항체항원 등과 같은 단백질이 사용된 단백질 칩, 식물세포를 이용한 셀칩(cell chip), 신경세포를 직접 사용한 뉴런칩(nureon chip) 등을 의미한다.
최근에는 이러한 바이오칩에 랩온어칩(LOC: Lab-On-a-Chip)의 개념을 도입하여 혈액, 뇨, 셀, 침 등과 같은 실질적인 생체시료나 천연물, 약품, 식품, 의약 등 다양한 종류의 시료를 직접 사용하여 칩 안에서 시료의 전처리, 유도체화, 분리, 분석 등의 모든 실험실 작업을 한 칩에 통합하려는 DNA-LOC 및 단백질-LOC 개발이 진행 중이다. 이러한, 랩온어칩은 생화학물질의 분석시 사용되는 자동분석장치의 시료 전처리 과정에 필요한 밸브, 액체량 측정기, 반응기, 추출기 및 분리시스템의 기능과 센서 기술을 동일한 칩에 집속시킨 것을 말한다.
바이오칩 상에는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브(probe)의 역할을 할 수 있는 물질들을 칩의 표면에 고정시킨다. 바이오칩에 분석하고자 하는 시료를 반응시키면 시료에 함유되어 있는 물질과 바이오칩 표면에 고정된 프로브는 각기 결합하여 혼성화(hybridization) 상태를 이루게 되며, 이를 검출하고 해석함으로써 시료가 함유하고 있는 물질에 관한 정보를 동시에 얻을 수 있다.
바이오칩과 관련된 기술로는 프로브의 부착 및 고정 기술, 신호 검출 기술 및 정보 처리기술 등을 들 수 있다. 현재 사용되는 신호 검출 방법은 광학적 바이오 결합 검출법, 화학적 변화를 이용한 바이오 결합 검출법, 기계적 변화를 이용한 바이오 결합 검출법 등이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 광학적 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면이다.
시료에 형광 물질을 결합시키고, 시료와 프로브 생분자의 결합 반응 후에 형광 검출 기기로 그 결과를 판독함으로써 광학적으로 프로브 생분자와의 결합 여부를 구별하는 방법이다. 그러나 이 방법은 프로브 생분자와 시료 생분자의 결합 반응 전에 시료 생분자에 형광 물질을 결합시키는 전처리 반응을 필요로 하기 때문에 시료의 손실이나 오염을 유발할 수 있다. 또한, 프로브 생분자와 시료 생분자의 결합 반응 후에 이를 판별하기 위한 광학 판독계가 복잡하며 고가의 계측장비가 필요로 하는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 광학적인 검출법은 소형화가 어렵고, 디지털화된 출력을 볼 수 없는 문제점도 있다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 도 1a은 프로브 생분자에 형광 물질이 결합된 시료 생분자가 결합한 것을 나타낸 것이며, 도 1b는 시료 생분자 중 프로브 생분자와 결합하지 않은 시료 생분자가 클리닝(cleaning)되는 것을 나타낸 것이다. 그리고, 도 1c는 바이오 결합한 생분자에 광을 조사하여 발광의 광량을 측정하여 바이오 결합 유무 및 검출량을 분석하는 것을 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 기계적 변화를 이용한 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면이다. 도 2a는 캔틸레버(cantilever)를 이용하는 경우이며, 도 2b는 SAW 바이오센서를 이용하는 경우이며, 도 2c는 SPM(Scanning Probe Microscope)을 이용하는 경우이다.
캔틸레버를 이용하는 방법은 프로브 생분자와 시료 생분자의 결합 전후의 분자간 결합력을 측정하여 바이오 결합 유무를 검출한다. 그러나 이 방법은 캔틸레버빔(beam)의 굴절을 아주 정밀하게 측정하여야 하는데, 이를 위하여 레이저 등의 부수적인 장비가 필요하다.
SAW 바이오센서를 이용하는 방법은 특정 주파수의 신호를 입력하고 SAW 필터 위에 형성된 프로브 생분자와 시료 생분자의 반응으로 인한 SAW 필터의 필터링의 변화를 이용하여 바이오 결합 유무를 검출한다.
그리고, SPM(Scanning Probe Microscope)을 이용한 바이오결합 검출방법은 레이저 장비와 포토다이오드(photo diode) 등의 부수적인 장비가 필요하다는 문제점이 있다.
도 3는 종래의 화학적 변화를 이용한 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 프로브 생분자와 시료 생분자의 결합이 일어난 전극 상에서 다른 화학물질의 전기화학반응, 즉 반응의 정도를 이용하여 프로브 생분자의 결합여부를 검출하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 광학적 바이오 결합 검출법에 비해 비교적 검출력이 떨어지는 문제점이 있다.
도 4a 내지 도 4c는 종래의 전기적 변화를 이용한 바이오결합 검출 방법을 나타낸 도면이다. 도 4a 및 도 4b는 트랜치 형태의 캐패시턴스 소자를 이용하는 경우이며, 도 4c는 평면형태의 캐패시턴스 소자를 이용하는 경우이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 캐패시턴스 소자의 특성 변화를 이용할 경우 소형의 캐패시턴스 소자를 형성하는 것에는 문제점이 있다. 캐패시턴스는 단면적에 비례하고 두께에 반비례하기 때문에 단면적을 넓히면서 바이오 처리가 용이하도록 설계하는 것은 매우 어렵다. 도 4a 및 도 4b와 같은 트렌치 형태의 캐패시터를 이용한 바이오 결합 검출 방법은 트렌치를 깊게 형성시켜 두께를 얇게하고 단면적을 넓히는 방법을 이용한 것으로 실제 갭이 매우 작아 바이오 처리가 매우 어려운 문제점이 있다.
도 4c와 같은 평면에서 콤(comb) 모양으로 캐패시턴스 소자를 형성한 캐패시 터를 이용한 바이오결합 검출 방법은 금속막의 두께가 매우 얇아 소량의 캐패시턴스 소자가 형성되며, 바이오결합 검출 감도가 좋지 않다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 생분자가 형성된 변환부 하부에서 초음파를 발생시켜 변환부의 진동 변화를 측정함으로써 바이오결합 유무를 검출하는 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치는 초음파를 발생시키는 발생부, 발생부 상부와 소정거리 이격되어 형성되어 발생된 초음파에 의해 진동을 하며 초음파의 특성을 변화시키는 변환부, 변환부 위에 형성되며, 분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자, 변환부 상부와 소정거리 이격되어 형성되는 금속판, 및 프로브 생분자와 시료의 바이오 결합 유무에 따른 변환부와 금속판 사이의 거리가 변화에 의한 캐패시턴스의 변화를 측정하는 분석부를 포함한다.
바람직하게는 발생부는 자기변형발진기, 수정발진기, 및 반도체를 이용한 초음파발진기 중 어느 하나이다.
또한, 바람직하게는 변환부는, 초음파에 의해 진동하는 멤브레인(membrane), 진동판(vibrator), 및 초고역의 잡음을 제거하는 소닉 필터(sonic filter) 중 어느 하나이다.
바람직하게는 분석부는, 캐패시턴스를 전압으로 변환하는CV 컨버터, 및 캐패 시턴스를 전류로 변환하는 CI 컨버터 중 어느 하나이다.
본 발명에 따른 다른 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치는 초음파를 발생시키는 발생부, 발생부 상부와 소정거리 이격되어 형성되어 발생된 초음파에 의해 진동을 하며 초음파의 특성을 변화시키는 변환부, 변환부 위에 형성되며, 분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자, 및 변환부 상부와 소정거리 이격되어 형성되며, 프로브 분자와 시료의 바이오결합 전후의 초음파 신호의 특성 변화를 분석하는 수신부를 포함한다.
바람직하게는 발생부는 자기변형발진기, 수정발진기, 및 반도체를 이용한 초음파발진기 중 어느 하나이다.
또한, 바람직하게는 변환부는, 초음파에 의해 진동하는 멤브레인(membrane), 진동판(vibrator), 및 초고역의 잡음을 제거하는 소닉 필터(sonic filter) 중 어느 하나이다.
바람직하게는 수신부는 변환부를 통과한 초음파의 주파수, 진폭, 시간 지연, 에너지, 그리고 위상의 변화 중 어느 하나를 분석한다.
한편, 본 발명의 초음파를 이용한 바이오결합 검출방법은 초음파를 발생시키는 발생부, 발생부 상부에 형성되며 프로브 생분자가 형성된 변환부, 및 변환부 상부에 형성되는 금속판을 포함하는 바이오결합 검출장치를 이용한 검출방법에 있어서, 프로브 생분자가 형성된 변환부에 초음파를 투과시키는 단계, 발생된 초음파에 의해 진동하며, 초음파의 특성을 변화시키는 변환부와 금속판 사이의 캐패시턴스를 측정하는 단계, 및 프로브 생분자와 분석하고자 하는 시료를 바이오 결합시키는 단 계, 및 바이오결합 후의 변환부의 진동의 변화에 의해 변화하는 금속판과 변환부 사이의 거리 변화에 따른 캐피시턴스의 변화를 측정하여 바이오 결합 유무를 검출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 바이오 결합 유무를 검출하는 단계는, 캐패시턴스를 전압으로 변환하는 CV 컨버터 및 캐패시턴스를 전류로 변환하는 CI 컨버터 중 어느 하나이다.
본 발명에 따른 다른 초음파를 이용한 바이오결합 검출방법은 초음파를 발생시키는 발생부, 발생부 상부에 형성되는 변환부, 및 변환부 상부에 형성되며 변환부을 통과한 초음파를 수신하는 수신부를 포함하는 바이오결합 검출장치를 이용한 검출방법에 있어서, 분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자가 형성된 변환부에 초음파를 투과시키는 단계, 변환부를 통과한 초음파 신호의 특성을 분석하는 단계, 프로브 생분자와 분석하고자 하는 시료를 바이오 결합시키는 단계, 및 바이오 결합 후에 변환부을 통과한 초음파 신호의 특성을 분석하여 초음파 신호의 특성 변화에 따라 바이오 결합 유무를 검출하는 단계를 포함한다.
여기서, 초음파 신호의 특성은 변환부를 통과한 상기 초음파의 주파수, 진폭, 위상, 시간 지연, 그리고 에너지 중 어느 하나이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치를 나타낸 도면이다. 도 5a는 바이오결합 전후의 캐패시턴스의 변화 를 이용하는 경우이며, 도 5b는 바이오결합 전후의 초음파 신호의 특성 변화를 이용하는 경우이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치는 발생부(100), 변환부(200), 프로브 생분자(300), 및 금속판(400)을 포함한다.
먼저, 발생부(100)는 약 2만 Hz 이상의 주파수를 갖는 초음파를 변환부(200)에 발생시키는 시킨다. 이때, 발생부(100)는 반도체를 이용한 초음파 발진기, 금속이 자화(磁化)할 때 찌그러지는 현상을 이용한 자기변형발진기, 고주파전압을 수정판에 가해서 공진시키는 수정발진기 등이 될 수 있다.
변환부(200)는 생부(100)에서 발생된 초음파에 의해 진동을 하며, 발생부(100)에서 발생된 초음파의 특성을 변화시킨다. 그리고, 변환부(200) 상부에는 분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자(300)가 형성되며, 발생부(100) 상부에 소정간격으로 이격되어 형성된다. 이때, 변환부(200)은 초음파에 의해 진동하는 멤브레인(membrane), 진동판(vibrator), 초고역의 잡음을 제거하는 소닉 필터(sonic filter) 등이 될 수 있다.
그리고, 변환부(200) 상부에 형성된 프로브 생분자(300)가 시료와 결합할 경우, 발생부(100)에서 발생된 초음파에 의한 변환부(200)의 진동은 시료가 결합하지 않은 경우와 달라지게 된다. 이는 프로브 생분자(300)에 결합한 시료에 의해 변환부(200)의 질량이 달라지기 때문에 변환부(200)의 진동 운동도 변화하는 것이며, 이는 물리법칙 F = m ㆍ a (힘의 법칙)에서 질량 m 이 변하므로 진동운동의 원인이 되는 힘의 크기가 달라진다는 데서 기인한다.
금속판(400)은 변환부(200) 상부에 변환부(200)와 소정간격으로 이격되어 형성된다. 변환부(200)에 형성된 프로브 생분자(300)와 시료가 바이오 결합함으로써 초음파에 의해 진동하는 변환부(200)의 진동 운동은 변화하게 된다. 따라서, 변환부(200)과 금속판(400)사이의 거리는 상이하게 되고, 변환부(200)과 금속판(400) 사이의 캐피시턴스(capacitance)도 변하게 된다. 캐피시턴스(전기용량)는 실험에 의하여 증명된 식 C = εㆍA/d ( ε : 두 평행판 사이의 유전체의 유전용량, A : 마주 보는 넓이, d : 두 평행판 사이의 거리) 에 의해 계산할 수 있고, 변환부와 금속판 사이의 거리 d 가 달라지게 되므로 양자 사이의 캐패시턴스도 달라지기 때문이다.
따라서, 바이오결합의 유무는 금속판(400)과 변환부(200)간의 거리변화에 따른 캐패시턴스 변화를 측정함으로써 검출할 수 있다. 금속판(400)과 변환부(200)사이의 캐패시턴스의 변화는 분석부(미도시)에서 분석되며, 분석부(미도시)는 캐패시턴스를 전압으로 변환하는 CV 컨버터, 캐패시턴스를 전류로 변환하는 CI 컨버터가 될 수 있다.
한편, 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 다른 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치는 발생부(100), 변환부(200), 프로브 생분자(300), 금속판(400), 및 수신부(500)를 포함한다. 발생부(100), 변환부(200), 프로브 생분자(300), 및 금속판(400)의 동작은 도 5a를 참조하여 상술한 바와 같다.
수신부(500)는 변환부(200)을 통과한 초음파를 수신하며, 수신한 초음파 신호의 특성을 분석한다. 즉, 초음파의 진폭, 주파수, 위상, 에너지, 시간 지연 등을 분석한다. 음파는 보통 직진하여 전파되는 것이 아니라 넓게 퍼져 나가면서 직진하는데, 초음파의 경우는 파장이 짧아서 퍼지는 정도가 매우 작아 수신부에서의 감도가 좋다는 특징이 있기 때문이다. 도 5a를 참조하여 상술한 바와 같이 변환부(200) 상부에 형성된 프로브 생분자(300)와 시료가 바이오결합을 할 경우, 변환부(200)은 프로브 생분자(300)에 결합하는 시료에 의해 질량이 증가하게 된다. 따라서, 질량이 증가한 변환부(200)를 통과한 초음파의 신호 특성은 바이오결합 전의 프로브 생분자(300)만 형성된 변환부(200)를 통과한 초음파의 신호 특성과 상이하다. 초음파는 각각의 매질에 특유한 전파속도와 반사, 간섭, 회전등의 성질을 지니고 있기 때문이다. 즉, 바이오결합 전후의 변환부(200)를 통과한 초음파의 신호 특성을 비교함으로써 바이오결합 유무를 검출할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5a에 따른 바이오 결합 검출 방법을 나타낸 도면이다. 도 6a는 바이오결합 전의 프로브 생분자(300)가 변환부(200) 상부에 형성된 경우이며, 도 6b는 프로브 생분자(300)와 시료 생분자(600)가 바이오 결합하는 경우이다. 그리고, 도 6c는 프로브 생분자(300)와 결합하지 않는 시료 생분자(600)가 클리닝된 경우이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 발생부(100)와 금속판(400) 사이에 형성되는 변환부(200) 상부에 프로브 생분자(300)를 형성시키고, 초음파를 변환부(200)에 발생시킨 후, 변환부(200)와 금속판(400) 사이의 캐패시턴스를 측정한다. 그리고, 분석하고자 하는 시료 생분자(600)를 변환부(200) 상부에 형성된 프로브 생분자(300)와 바이오 결합시킨 후, 프로브 생분자(300)와 결합하지 않는 시료 생분자(600)를 클리닝한다.
프로브 생분자(300)와 결합하지 않은 시료 생분자(600)를 클리닝한 후, 발생부(100)에서 발생된 초음파에 의해 진동하는 변환부(200)와 금속판(400) 사이의 캐패시턴스를 측정하여 캐패시턴스의 변화 유무에 의해 바이오결합 유무를 검출한다.
도 7a 내지 도 7c는 도 5b에 따른 바이오 결합 검출 방법을 나타낸 도면이다. 도 7a는 바이오결합 전의 프로브 생분자(300)가 변환부(200) 상부에 형성된 경우이며, 도 7b는 프로브 생분자(300)와 시료 생분자(600)가 바이오 결합하는 경우이다. 그리고, 도 7c는 프로브 생분자(300)와 결합하지 않는 시료 생분자(600)가 클리닝된 경우이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 발생부(100)와 금속판(400) 사이에 형성되는 변환부(200) 상부에 프로브 생분자(300)를 형성시킨 후, 변환부(200)를 통과한 초음파 신호의 특성을 분석한다. 여기서, 초음파 신호의 특성은 초음파의 주파수, 진폭, 에너지, 위상, 시간 지연 등이 될 수 있다.
그리고, 변환부(200) 상부에 형성된 프로브 생분자(300)와 분석하고자 하는 시료 생분자(600)를 바이오 결합시킨 후, 프로브 생분자(300)와 결합하지 않는 시료 생분자(600)를 클리닝한다. 프로브 생분자(300)와 결합하지 않은 시료 생분자(600)를 클리닝한 후, 변환부(200)를 통과한 초음파 신호의 특성을 분석하여 초음파 신호의 특성 변화 여부에 의해 바이오결합 유무를 검출한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 결합 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 초음파에 의해 진동하는 변환부(200) 상부에 프로브 생분자(300)를 형성한다(S801). 변환부(200)은 초음파에 의해 진동을 하며, 발생된 초음파의 특성을 변화시킨다. 이때, 변환부(200)는 초음파에 의해 진동하는 멤브레인(membrane), 진동판(vibrator), 초고역의 잡음을 제거하는 소닉 필터(sonic filter) 등이 될 수 있다.
이어, 변환부(200) 상부에 위치하는 금속판(400)에 변환부(200)를 통과한 초음파를 수신하는 수신부(500)가 존재하는지 여부를 판단한다(S803).
수신부(500)가 존재하지 않는 경우에는 반도체를 이용한 초음파 발진기, 자기변형발진기, 수정발진기 등을 이용하여 발생되는 초음파를 프로브 생분자(300)가 형성된 변환부(200)에 투과시킨 후, 변환부(200)와 금속판(400) 사이의 캐패시턴스를 측정한다(S805). 이때, 변환부(200)와 금속판(400) 사이의 캐패시턴스의 측정은 캐패시턴스를 전압으로 변환하는 CV 컨버터, 캐패시턴스를 전류로 변환하는 CI 컨버터 등을 이용하여 측정할 수 있다.
그러나, 수신부(500)가 존재하는 경우에는 프로브 생분자(300)가 형성된 변환부(200)를 투과한 초음파 신호의 특성을 분석한다(S807). 즉, 변환부(200)를 투과한 초음파 신호의 주파수, 진폭, 위상, 시간지연, 에너지 등을 분석한다.
이어, 변환부(200) 상부에 형성된 프로브 생분자(300)와 분석하고자 하는 시료 생분자(600)를 결합시킨다(S809). 그리고, 프로브 생분자(300)와 결합하지 않는 시료 생분자(600)를 제거한다.
이어, 바이오결합 후의 캐패시턴스의 변화 또는 초음파 신호의 특성 변화를 측정한다(S811). 캐패시턴스의 변화를 측정하는 경우, 바이오결합 후의 캐패시턴스의 측정하여 바이오결합 전의 캐패시턴스와 비교하여 변화 유무를 판단한다. 즉, 바이오결합 후의 변환부(200) 상부에 형성된 프로브 생분자와 바이오결합하는 시료 생분자(600)에 의해 변환부(200)의 질량이 증가함으로써 초음파에 의한 변환부(200)의 진동 운동의 변화에 의해 캐패시턴스가 변화하였는지 여부를 판단한다.
변환부(200)가 바이오결합에 의한 질량 증가로 진동 운동의 변화가 발생하고, 이로 인하여 금속판(400)과 변환부(200) 사이의 거리가 변화함으로써 캐패시턴스가 달라지는지 여부를 판단한다. 캐패시턴스는 양 평면판의 면적(A) 및 두 평면판 사이의 매질의 유전율(ε)에 비례하고, 양 평면판간의 거리(d)에 반비례한다. 따라서, 변환부(200)의 진동 운동 변화에 의해 변환부(200)과 금속판(400)간의 거리가 변화함으로써 캐패시턴스는 달라지게 된다. 따라서, 바이오결합 전후의 캐패시턴스의 변화를 측정함으로써 바이오결합 유무를 검출할 수 있다.
한편, 바이오결합 후의 초음파 신호의 특성을 분석하는 경우, 바이오결합 전후의 초음파의 주파수, 진폭, 시간지연, 에너지, 위상 등의 신호 특성의 변화를 분석하여 바이오결합 유무를 검출한다. 바이오결합 후의 프로브 생분자(300)에 결합한 시료 생분자(600)의 질량에 의해 변환부(200)의 질량의 증가로 인한 변환부(200)의 진동 운동의 변화에 의해 변환부(200)을 통과한 초음파의 신호의 특성은 변화하게 된다.
초음파에 의해 진동 운동을 하는 변환부(200)은 다음의 수학식에 의해 나타낼 수 있다.
Figure 112005000779406-pat00001
여기서, f는 진동운동을 나타내며, k는 탄성계수, m은 변환부(200)의 질량을 나타낸다. 이때, 탄성계수 k는 변환부(200) 및 프로브 생분자(300)의 두께에 비례한다.
예를 들어, 변환부(200)인 실리콘의 밀도가 2.33[g/cm3], 변환부(200)의 디멘젼(dimension)이 100×100×1[μm], 변환부(200)의 두께가 1[μm], 프로브 생분자(300)의 두께가 50[nm], 그리고 탄성계수(k)가 10[N/m]인 경우, 바이오결합 후의 탄성계수의 변화(△k)는 0.5[N/m]가 된다. 즉, 변환부(200)의 진동 운동은 바이오결합 전후에 달라지게 되고, 진동 운동의 변화로 금속판(400)과 변환부(200) 사이의 캐패시턴스 및 변환부(200)를 통과한 초음파 신호의 특성은 달라지게 된다.
이어, 캐패시턴스의 변화 또는 초음파 신호의 특성 변화 검출 여부에 따라 바이오결합 유무를 검출한다(S813). 즉, 프로브 생분자(300)와 시료 생분자(600)가 바이오결합한 후에 캐패시턴스가 변화하거나 변환부(200)를 통과한 초음파 신호의 특성이 변화한 경우에는 바이오결합이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 초음파를 이용하여 바이오결합 전후의 초음파 신호의 특성 변화 및 캐패시턴스의 변화를 측정함으로써 용이하게 바이오결합 유무를 검출한다.
그리고, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치의 제조 및 구조가 간단하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (12)

  1. 초음파를 발생시키는 발생부;
    상기 발생부 상부와 소정거리 이격되어 형성되어 상기 발생된 초음파에 의해 진동을 하며 상기 초음파의 특성을 변화시키는 변환부;
    상기 변환부 위에 형성되며, 분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자;
    상기 변환부 상부와 소정거리 이격되어 형성되는 금속판; 및
    상기 프로브 생분자와 상기 시료의 바이오 결합 유무에 따른 상기 변환부와 상기 금속판 사이의 거리가 변화에 의한 캐패시턴스의 변화를 측정하는 분석부;를 포함하는 것을 특징 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발생부는 자기변형발진기, 수정발진기, 및 반도체를 이용한 초음파발진기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오결합 검출장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변환부는, 상기 초음파에 의해 진동하는 멤브레인(membrane), 진동판(vibrator), 및 초고역의 잡음을 제거하는 소닉 필터(sonic filter) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오결합 검출장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분석부는, 상기 캐패시턴스를 전압으로 변환하는 CV 컨버터, 및 상기 캐패시턴스를 전류로 변환하는 CI 컨버터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치.
  5. 초음파를 발생시키는 발생부;
    상기 발생부 상부와 소정거리 이격되어 형성되어 상기 발생된 초음파에 의해 진동을 하며 상기 초음파의 특성을 변화시키는 변환부;
    상기 변환부 위에 형성되며, 분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자; 및
    상기 변환부 상부와 소정거리 이격되어 형성되며, 상기 프로브 분자와 상기 시료의 바이오결합 전후의 초음파 신호의 특성 변화를 분석하는 수신부;를 포함하는 것을 특징 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발생부는 자기변형발진기, 수정발진기, 및 반도체를 이용한 초음파발진기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오결합 검출장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 변환부는, 상기 초음파에 의해 진동하는 멤브레인(membrane), 진동판(vibrator), 및 초고역의 잡음을 제거하는 소닉 필터(sonic filter) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 바이오결합 검출장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 수신부는 상기 변환부를 통과한 상기 초음파의 주파수, 진폭, 시간 지연, 에너지, 그리고 위상의 변화 중 어느 하나를 분석하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 바이오결합 검출장치.
  9. 초음파를 발생시키는 발생부, 상기 발생부 상부에 형성되며 프로브 생분자가 형성된 변환부, 및 상기 변환부 상부에 형성되는 금속판을 포함하는 바이오결합 검출장치를 이용한 검출방법에 있어서,
    상기 프로브 생분자가 형성된 상기 변환부에 초음파를 투과시키는 단계;
    상기 발생된 초음파에 의해 진동하며, 상기 초음파의 특성을 변화시키는 상기 변환부와 상기 금속판 사이의 캐패시턴스를 측정하는 단계;
    상기 프로브 생분자와 분석하고자 하는 시료를 바이오 결합시키는 단계; 및
    상기 바이오결합 후의 상기 변환부의 진동의 변화에 의해 변화하는 상기 금속판과 상기 변환부 사이의 거리 변화에 따른 캐피시턴스의 변화를 측정하여 상기 바이오 결합 유무를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징 초음파를 이용한 바이오결합 검출방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 바이오 결합 유무를 검출하는 단계는,
    상기 캐패시턴스를 전압으로 변환하는 CV 컨버터 및 상기 캐패시턴스를 전류로 변환하는 CI 컨버터 중 어느 하나를 이용하여 상기 캐패시턴스의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 비이오결합 검출방법.
  11. 초음파를 발생시키는 발생부, 상기 발생부 상부에 형성되며 프로브 생분자가 형성된 변환부, 및 상기 변환부 상부에 형성되는 금속판을 포함하는 바이오결합 검출장치를 이용한 검출방법에 있어서,
    분석하고자 하는 시료에 포함된 특정 유전 정보를 탐색할 수 있게 하는 프로브 생분자가 형성된 변환부에 초음파를 투과시키는 단계;
    상기 변환부를 통과한 초음파 신호의 특성을 분석하는 단계;
    상기 프로브 생분자와 상기 분석하고자 하는 시료를 바이오 결합시키는 단계; 및
    상기 바이오 결합 후에 상기 변환부를 통과한 상기 초음파 신호의 특성을 분석하여 상기 초음파 신호의 특성 변화에 따라 상기 바이오 결합 유무를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 바이오결합 검출방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 초음파 신호의 특성은 상기 변환부를 통과한 상기 초음파의 주파수, 진폭, 위상, 시간 지연, 그리고 에너지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 바이오결합 검출방법.
KR1020050001286A 2005-01-06 2005-01-06 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법 KR100667314B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050001286A KR100667314B1 (ko) 2005-01-06 2005-01-06 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법
US11/282,233 US20060148067A1 (en) 2005-01-06 2005-11-17 Bio-bonding detection apparatus using ultrasonic waves and method thereof
JP2006000619A JP2006189447A (ja) 2005-01-06 2006-01-05 超音波を利用したバイオ結合検出装置及びその方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050001286A KR100667314B1 (ko) 2005-01-06 2005-01-06 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060080992A KR20060080992A (ko) 2006-07-12
KR100667314B1 true KR100667314B1 (ko) 2007-01-12

Family

ID=36640984

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050001286A KR100667314B1 (ko) 2005-01-06 2005-01-06 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20060148067A1 (ko)
JP (1) JP2006189447A (ko)
KR (1) KR100667314B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10108698A (ja) 1996-10-02 1998-04-28 Toyobo Co Ltd 超音波を利用する核酸ハイブリダイゼーション反応方法およびそのための装置
KR20060024039A (ko) * 2004-09-13 2006-03-16 삼성전자주식회사 바이오결합 검출장치 및 그 방법

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3465155A (en) * 1965-09-16 1969-09-02 Us Army Laser output control system
US6306584B1 (en) * 1997-01-21 2001-10-23 President And Fellows Of Harvard College Electronic-property probing of biological molecules at surfaces
US6004752A (en) * 1997-07-29 1999-12-21 Sarnoff Corporation Solid support with attached molecules
GB9820119D0 (en) * 1998-09-15 1998-11-11 Univ Cranfield Ultrasound couplant
US7998746B2 (en) * 2000-08-24 2011-08-16 Robert Otillar Systems and methods for localizing and analyzing samples on a bio-sensor chip
DE10113254A1 (de) * 2001-03-19 2002-10-02 Infineon Technologies Ag Mikromechanik-Sensorelement und elektrische Schaltungsanordnung
US6889165B2 (en) * 2001-07-02 2005-05-03 Battelle Memorial Institute Application specific intelligent microsensors
KR100442822B1 (ko) * 2001-10-23 2004-08-02 삼성전자주식회사 전단응력 측정을 이용한 생분자들간의 결합 여부 검출 방법
DE60306892T2 (de) * 2003-05-02 2007-08-30 Stmicroelectronics S.R.L., Agrate Brianza Verfahren und Anordnung zur Messung der Kopplungskapazität zwischen zwei Leiterbahnen

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10108698A (ja) 1996-10-02 1998-04-28 Toyobo Co Ltd 超音波を利用する核酸ハイブリダイゼーション反応方法およびそのための装置
KR20060024039A (ko) * 2004-09-13 2006-03-16 삼성전자주식회사 바이오결합 검출장치 및 그 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20060080992A (ko) 2006-07-12
JP2006189447A (ja) 2006-07-20
US20060148067A1 (en) 2006-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7330795B2 (en) Method and apparatus for providing signal analysis of a BioNEMS resonator or transducer
US7458265B2 (en) Piezoelectric cantilever sensors
US8349611B2 (en) Resonant sensors and methods of use thereof for the determination of analytes
JP5295149B2 (ja) 生体物質分析方法並びにそれに用いられる生体物質分析セル、チップおよび装置
US20090227042A1 (en) Coustic Concentration Method and Device and a Reaction Method
JP2004510145A (ja) 共鳴センサーとして使用するための微細加工された超音波アレイ
US8508742B2 (en) Integrated shear-vertical surface acoustic wave and surface plasmon resonance sensing device and method
WO2007006843A1 (en) Micromechanical sensor, sensor array and method
JP2007506977A (ja) つり式マイクロチャネル検出器の製造およびパッケージング
EP2635900A2 (en) Miniaturized integrated micro electo-mechanical systems (mems) optical sensor array
White Acoustic sensors for physical, chemical and biochemical applications
Durmuş et al. Acoustic-based biosensors
EP3044577A1 (en) Miniaturized integrated micro electo-mechanical systems (mems) optical sensor array for viscosity and mass detection
KR100667307B1 (ko) Ｒｆ 무선 에너지 전송을 이용한 바이오결합 검출장치 및그 방법
CN102520062B (zh) 基于声消逝场耦合的回音壁式传感器
Hwang et al. Label-free detection of prostate specific antigen (PSA) using a bridge-shaped PZT resonator
KR20100133254A (ko) Ｓａｗ 센서 디바이스
KR100667314B1 (ko) 초음파를 이용한 바이오결합 검출 장치 및 그 방법
JP2005315888A (ja) インダクタンス素子およびキャパシタンス素子を用いたバイオ結合検出装置およびその方法
JP2008241619A (ja) カンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡
WO2005090973A1 (en) Biosensors for detecting bond rupture
KR100737860B1 (ko) 무선 안테나를 이용한 바이오결합 검출장치 및 그 방법
CN110168350B (zh) 采用集成光干涉测量的具有声学检测器的多模式生物传感器
da Silva Granja et al. Characterisation of particle-surface interactions via anharmonic acoustic transduction
JP2011180036A (ja) 表面弾性波センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee