KR100718144B1

KR100718144B1 - 이온 물질 검출용 ｆｅｔ 기반 센서, 그를 포함하는 이온물질 검출 장치 및 그를 이용한 이온 물질 검출 방법

Info

Publication number: KR100718144B1
Application number: KR1020060002373A
Authority: KR
Inventors: 이규상; 유규태; 심저영; 김진태; 조연자
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-01-09
Filing date: 2006-01-09
Publication date: 2007-05-14
Also published as: EP1806414B1; US20070159216A1; EP1806414A3; EP1806414A2; JP2007183259A; US7859029B2; US20110043213A1; US8357957B2

Abstract

본 발명은 기준 전극 및 복수의 센싱 FET를 포함하는 센싱 챔버; 및 기준 전극 및 복수의 기준 FET를 포함하는 기준 챔버;를 포함하는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 포함하는 이온 물질 검출 장치 및 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용한 이온 물질 검출 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 게이트 전극 표면 반응에 의해 자연적으로 발생하는 드리프트 신호 및 용액의 유입에 따른 압력에 의해 발생하는 신호와 같은 잡음으로부터 표적 생분자에 따른 신호를 명확하게 분리해낼 수 있고, 따라서 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질, 예컨대 핵산 또는 단백질과 같은 생분자도 강건하게 검출할 수 있다.

이온 물질, 생분자, FET, 센서

Description

이온 물질 검출용 ＦＥＴ 기반 센서, 그를 포함하는 이온 물질 검출 장치 및 그를 이용한 이온 물질 검출 방법{FET based sensor for detecting ionic material, device for detecting ionic material comprising the same, and method for detecting ionic material using the FET based sensor}

도 1은 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서의 일 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 포함하는 이온 물질 검출 장치의 일 구체예를 개념적으로 도시한 것이다.

도 3A는 종래의 단일 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출한 개별적인 결과들을 나타내는 그래프이다.

도 3B는 도 3A의 개별적인 결과들의 평균값을 나타내는 그래프이다.

도 4A는 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출한 개별적인 결과들을 나타내는 그래프이다.

도 4B는 도 4A의 개별적인 결과들의 평균값을 나타내는 그래프이다.

도 5A는 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출한 개별적인 결과들을 나타내는 다른 그래프이다.

도 5B는 도 5A의 개별적인 결과들의 평균값을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 이온 물질 검출용 FET 기반 센서, 그를 포함하는 이온 물질 검출 장치 및 그를 이용한 이온 물질 검출 방법에 관한 것이다.

전기적인 신호로 이온 물질, 특히 생분자(Biomolecule)를 검출하는 센서 중 트랜지스터를 포함하는 구조를 지닌 트랜지스터 기반 바이오 센서가 있다. 이는 반도체 공정을 이용하여 제작되는 것으로, 전기적인 신호의 전환이 빠르고, 집적회로(integrated circuit)와 MEMS의 접목이 용이한 장점이 있어, 그 동안 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.

전계 효과 트랜지스터(이하, 'FET'라고도 함)를 사용하여, 생물학적 반응을 측정하는 원천 특허로 미국 특허 제 4,238,757호가 있다. 이는 항원-항체 반응을 표면 전하 밀도(surface charge concentration) 변화로 인한 반도체 inversion 층의 변화를 전류로 측정하는 바이오 센서에 관한 것으로 생분자 중 단백질(protein)에 관한 것이다.

이와 같은 FET를 바이오 센서로 사용하는 경우에는 종래의 방식에 비해 비용 및 시간이 적게 들고, IC(integrated circuit)/MEMS 공정과의 접목이 용이하다는 점에서 큰 장점을 지니고 있다.

상기 FET 기반 바이오 센서의 게이트 전극 표면에 프로브 생분자가 고정되어 있을 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. FET 기반 바이오 센서를 이용한 생분자 검출 방법은 상기 프로브 생분자가 고정되어 있거나 고정되어 있지 않은 게이트 전극 표면에 표적 생분자의 결합에 따른 전류 변화를 측정함으로써 수행될 수 있다. 다른 방법으로, 프로브 생분자가 고정되어 있지 않은 게이트 전극의 일정 거리 내에 표적 생분자의 존재에 따른 전류 변화를 측정함으로써 수행될 수도 있다.

종래 FET 기반 바이오 센서의 예로서 단일의 FET로 구성된 센서가 있다.

하지만, 상기 바이오 센서는 게이트 전극 표면 반응에 의해 자연적으로 발생하는 드리프트 신호 및 용액의 유입에 따른 압력에 의해 발생하는 신호와 같은 잡음으로부터 표적 생분자에 따른 신호를 분리해낼 수 없는 문제점이 있다.

종래 FET 기반 바이오 센서의 다른 예로서 일본 특허 공개 제 2003-322633호가 있다. 상기 바이오 센서는 하나의 챔버 내에 상이한 구조 및 전기적 특성을 갖는 2개의 FET로 구성되고, 그 중 하나의 게이트 표면에 프로브 생분자가 고정되어 있고, 다른 하나는 기준 FET로 이용된다.

하지만, 상기 바이오 센서의 두 FET의 표면 물질이 상이하여 기준 FET의 신호가 센싱 FET와 같은 드리프트를 나타내지 않으므로 신호의 보정에 이용할 수 없다. 따라서, 상기 바이오 센서의 민감도는 여전히 우수하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질도 검출할 수 있는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질도 검 출할 수 있는 이온 물질 검출 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질도 검출할 수 있는 이온 물질의 검출 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기준 전극 및 복수의 센싱 FET를 포함하는 센싱 챔버; 및 기준 전극 및 복수의 기준 FET를 포함하는 기준 챔버;를 포함하는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 제공한다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 센싱 FET 및 기준 FET는 구조 및 전기적 특성이 동일할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 센싱 FET 및 기준 FET는 각각 어레이 형태로 배열되어 있을 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 FET는 기판, 상기 기판의 양측에 형성되고 상기 기판과 반대 극성으로 각각 도핑된 소스 및 드레인, 및 상기 소스 및 드레인과 접촉하고 상기 기판 상에 형성된 게이트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 게이트는 산화층 및 상기 산화층 상의 폴리 실리콘층으로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 물질은 생분자일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 센싱 챔버 및 기준 챔버는 각각 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 센싱 챔버 및 기준 챔버는 각각 용액을 유입 및 유출시키기 위한 마이크로펌프를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 FET 기반 센서를 포함하는 이온 물질 검출 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 FET 기반 센서의 센싱 챔버 및 기준 챔버에 동일한 용액을 유입 및 유출 시키는 단계; 상기 기준 챔버에 계속해서 상기와 동일한 용액을 유입 및 유출시키고, 상기 센싱 챔버에 이온 물질을 함유하는 것으로 추정되는 용액을 유입 및 유출 시키는 단계; 상기 용액의 유입 및 유출 단계 동안에 센싱 FET 및 기준 FET 각각의 소스 및 드레인 사이의 채널 영역에 흐르는 전류 값을 측정하는 단계; 및 상기 센싱 FET의 전류 값에서 기준 FET의 전류 값을 빼서 상기 전류 값을 보정하는 단계;를 포함하는 이온 물질의 검출 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 용액을 유입 및 유출하는 단계는 센싱 챔버 및 기준 챔버에 있어서 동일한 압력으로 수행될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 센싱 FET 및 기준 FET의 전류 값은 각각 복수의 센싱 FET 및 복수의 기준 FET의 평균 전류 값일 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 측면은 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질도 검출할 수 있는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서는 기준 전극(14) 및 복수의 센싱 FET(12)를 포함하는 센싱 챔버(10); 및 기준 전극(14) 및 복수의 기준 FET(13)를 포함하는 기준 챔버(11);를 포함하는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 제공한다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 센싱 챔버(10)는 하부 기판(18), 측벽(15,17), 및 기준 전극(14) 역할을 하는 상부 기판으로 한정된다. 유사하게, 상기 기준 챔버(11)는 하부 기판(18), 측벽(16,17), 및 기준 전극(14) 역할을 하는 상부 기판으로 한정된다.

본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서에 있어서, 상기 센싱 FET 및 기준 FET는 구조 및 전기적 특성이 동일할 수 있다. 상기와 같이, 상기 센싱 FET 및 기준 FET는 구조 및 전기적 특성이 동일한 경우, 각 FET로부터 얻어지는 신호를 보정함으로써 보다 정확하게 신호를 검출해 낼 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 센싱 FET(12) 및 기준 FET(13)는 각각 1개씩 도시 되어 있지만, 이는 도면의 단순화를 위하여 기재를 생략한 것이다.

상기 센싱 FET(12) 및 기준 FET(13)는 다양한 형태로 각각 상기 센싱 챔버(10) 및 기준 챔버(11) 내에 배열될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

예컨대, 상기 센싱 FET(12) 및 기준 FET(13)는 각각 동일한 기판 상에 어레이 형태로 배열되어 있을 수 있다.

본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서에 있어서, 상기 각 FET는 기판, 상기 기판의 양측에 형성되고 상기 기판과 반대 극성으로 각각 도핑된 소스 및 드레인, 및 상기 소스 및 드레인과 접촉하고 상기 기판 상에 형성된 게이트를 포함할 수 있다.

상기 FET는 종래 바이오 센서 또는 CMOS 소자 등에 사용되어오던 어떤 FET도 사용될 수 있으며, n-MOS 및 p-MOS 두 가지가 모두 가능하다. 예컨대, 상기 기판이 n형으로 도핑된 경우, 상기 소스 및 드레인은 각각 p형으로 도핑될 수 있고, 반대로 상기 기판이 p형으로 도핑된 경우, 상기 소스 및 드레인은 각각 n형으로 도핑될 수 있다.

상기 FET에 있어서, 소스는 캐리어, 예컨대 자유전자 또는 정공을 공급하고, 드레인은 상기 소스에서 공급된 캐리어가 도달하는 부위이고, 게이트는 상기 소스 및 드레인 사이의 캐리어의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 상기 FET는 전해질 내에서 생분자와 같은 이온 물질의 검색시 가장 선호되는 센서 형태로서 상기 이온 물질의 유무를 표지 없이(Label-free) 검출할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 게이트는 산화층 및 상기 산화층 상의 폴리 실리콘층으로 구성될 수 있다. 상기 폴리실리콘층이 노출되어 있는 형태는, 예컨대, 시판되는 FET의 패시베이션 층 및 게이트 전극층을 제거함으로써 제작될 수 있다.

또한, 상기 게이트는 산화층, 상기 산화층 상에 형성된 폴리 실리콘층 및 상기 폴리 실리콘층 상에 형성된 게이트 전극층을 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극층은 어떤 재질로도 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 금일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 물질은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 이온 물질은 핵산 또는 단백질과 같은 생분자일 수 있다.

상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질도 검출할 수 있는 이온 물질 검출 장치에 관한 것이다.

도 2를 참조하면, 상기 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 포함하는 이온 물질 검출 장치는 기준 전극 및 복수의 센싱 FET를 포함하는 센싱 챔버(10) 및 기준 전극 및 복수의 기준 FET를 포함하는 기준 챔버(11)를 포함한다.

또한, 상기 이온 물질 검출 장치는 상기 센싱 챔버(10)에 공급할 용액을 저장하는 1차 저장기(21) 및 상기 1차 저장기(21)로부터 센싱 챔버(10)에 용액을 공급하는 1차 마이크로펌프(19)를 포함할 수 있다.

마찬가지로, 상기 이온 물질 검출 장치는 상기 기준 챔버(11)에 공급할 용액을 저장하는 2차 저장기(22) 및 상기 2차 저장기(22)로부터 기준 챔버(11)에 용액을 공급하는 2차 마이크로펌프(20)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 이온 물질 검출 장치는 센싱 챔버(10) 및 기준 챔버(11)로부터 각각 용액을 배출하는 배수(23, 24)를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질도 검출할 수 있는 이온 물질의 검출 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이온 물질의 검출 방법은 본 발명에 따른 FET 기반 센서의 센싱 챔버 및 기준 챔버에 동일한 용액을 유입 및 유출 시키는 단계; 상기 기준 챔버에 계속해서 상기와 동일한 용액을 유입 및 유출시키고, 상기 센싱 챔버에 이온 물질을 함유하는 것으로 추정되는 용액을 유입 및 유출 시키는 단계; 상기 용액의 유입 및 유출 단계 동안에 센싱 FET 및 기준 FET 각각의 소스 및 드레인 사이의 채널 영역에 흐르는 전류 값을 측정하는 단계; 및 상기 센싱 FET의 전류 값에서 기준 FET의 전류 값을 빼서 상기 전류 값을 보정하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 이온 물질의 검출 방법에 있어서, 상기 센싱 챔버 및 기준 챔버에 유입 및 유출 되는 용액은 전해질 수용액인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 이온 물질의 검출 방법에 있어서, 상기 용액을 유입 및 유출하는 단계는 센싱 챔버 및 기준 챔버에 있어서 동일한 압력으로 수행될 수 있다. 이는 상기 챔버들에 용액을 주입하는 압력 자체에 의해, FET에서 측정되는 전류 값이 변할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 이온 물질의 검출 방법에 있어서, 복수의 센싱 FET 중 하나의 전류 값에서 복수의 기준 FET 중 하나의 전류 값을 빼서 전류 값을 보정할 수도 있지만, 이 경우 게이트 전극 표면 반응에 의해 자연적으로 발생하는 드리프트 신호 및 용액의 유입에 따른 압력에 의해 발생하는 신호와 같은 잡음으로부터 표적 생분자에 따른 신호를 강건하게 분리해낼 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 상기 센싱 FET 및 기준 FET의 전류 값은 각각 복수의 센싱 FET 및 복수의 기준 FET의 평균 전류 값인 것이 보다 바람직하다. 상기 센싱 FET 및 기준 FET의 전류 값은 각각 가능한 많은 복수의 센싱 FET 및 복수의 기준 FET로부터 얻은 전류 값들을 평균한 것이 보다 바람직할 것이다.

본 발명에 따른 이온 물질의 검출 방법에 있어서, 상기 이온 물질은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 이온 물질은 핵산 또는 단백질과 같은 생분자일 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 각각 종래의 단일 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서 및 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출할 수 있는지 여부를 확인하였다.

그 결과, 각각 종래의 단일 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용한 경우 DNA를 전혀 검출할 수가 없었다(도 3A 및 도 3B 참조). 반면, 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용한 경우 DNA를 매우 효과적으로 검출할 수 있었다(도 4A 내지 도 5B 참조).

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서 제조

본 발명에서 사용한 FET 소자는 X-FAB Semiconductor Foundries (Germany)로부터 주문 제작하였다. 상기 주문 제작한 제품은 구조 및 전기적 특성이 동일한 192개(4×48)의 FET가 어레이 형태로 배열되어 있는 것이다. 상기 제품은 X-FAB Semiconductor Foundries 사의 설비를 이용하여 제작되었으며 상기 업체의 고유 CMOS 공정을 사용하였다. CMOS 표준 공정은 업체에 따라 약간의 차이가 있으나 FET 소자 특성에 큰 영향을 주는 인자는 아니며 상기 업체의 표준 공정은 본 발명과도 무관하므로 생략하였다.

상기 어레이의 각 FET의 패시베이션 층 및 게이트 전극층을 제거하여 폴리 실리콘층을 외부로 노출시켰다. 다음으로, 노출된 폴리 실리콘층을 포함하는 FET 표면을 주의 깊게 세정하였다. 세정은 순수 아세톤과 물로 수행하고, 씻어 낸 다음, 건조하였다. 상기 기판 세정 과정은 반도체 제조 공정에서 이용되는 웨트 스테이션(wet station)을 이용하였다. 세정이 끝난 후에 스핀 드라이를 이용하여 건조하였다.

상기 어레이 기판 상에 챔버 측벽을 설치하고 기준 전극으로 백금이 코팅된 상부 기판을 설치함으로써 2개의 챔버, 즉, 센싱 챔버 및 기준 챔버를 포함하는 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 제작하였다.

상기 센싱 챔버 및 기준 챔버는 각각 노출된 게이트 표면이 300 ㎛ × 100 ㎛인 FET 기반 센서 12개 (4×3)를 포함하였고, 총 48개 (4×12)의 FET 기반 센서 중 나머지 24개 (4×6)는 상기 제작 과정 중 챔버 측벽에 의해 덮여 챔버 내에 포함되지 못했다.

<비교예 1>

단일 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서 제조

실시예 1에서 사용된 192개(12×16)의 FET 어레이(X-FAB Semiconductor Foundries, Germany)의 각 FET의 패시베이션 층 및 게이트 전극층을 제거하여 폴리 실리콘층을 외부로 노출시켰다.

다음으로, 실시예 1과 동일한 방법으로 노출된 폴리 실리콘층을 포함하는 FET 표면을 주의 깊게 세정하였다.

상기 어레이 기판 상에 챔버 측벽을 설치하고 기준 전극으로 백금이 코팅된 상부 기판을 설치함으로써 1개의 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 제작하였다.

상기 챔버는 총 48(12×4)개의 FET 기반 센서를 포함하였다.

<실험예 1>

단일 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용한 DNA 검출

비교예 1에서 제조한 단일 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서의 챔버에 0.01 mM PBS 완충 용액(pH 7.0) 및 15-mer 올리고뉴클레오티드(TGTTCTCTTGTCTTG)를 포함하는 용액을 번갈아 유입 및 유출시켰다.

구체적으로, 0.5 ㎕/min의 속도로 0.01 mM 농도의 PBS, 40 nM의 올리고뉴클레오티드, 0.01 Mm 농도의 PBS(500 ㎕), PBS(1000 ㎕), 200 nM의 올리고뉴클레오티드(500 ㎕), PBS(500 ㎕), 1 uM의 올리고뉴클레오티드(500 ㎕) 및 PBS(1000 ㎕)의 순서대로 각각의 용액을 챔버에 유입 시킨 후 수 분간 유지하고 나서 다음 용액을 유입 시키면서 기존 용액을 챔버에서 유출시켰다.

비교예 1의 FET 기반 센서 12개를 센싱 FET로 사용하고 나머지 12개를 기준 FET로 사용하여 각각의 전류 값을 측정 및 평균하고, 상기 센싱 FET의 평균 전류 값에서 기준 FET의 평균 전류 값을 빼서 상기 전류 값을 보정하였다. 상기 결과를 도 3A 및 도 3B에 나타내었다.

도 3A는 종래의 단일 챔버로 구성된 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출한 개별적인 결과들을 나타내는 그래프이고, 도 3B는 도 3A의 개별적인 결과들의 평균값을 나타내는 그래프이다.

도 3A에 있어서, 윗 부분의 두 굵은 선은 각각 센싱 FET들 및 기준 FET들의 전류 값의 평균을 나타내고, 아랫 부분의 하나의 굵은 선은 센싱 FET들의 평균 전류 값에서 기준 FET들의 평균 전류 값을 빼어 보정한 값이다. 도 3B는 상기 평균값인 도 3A의 굵은 선을 다시 나타낸 것이다.

도 3A 및 도 3B를 참조하면, 상기 센싱 FET 값 자체 뿐만 아니라 그를 기준 FET 값으로 보정하더라도 DNA를 효과적으로 검출할 수 없음을 알 수 있다.

<실험예 2>

본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용한 DNA 검출-1차 실험

실시예 1에서 제조한 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서의 센싱 챔버 및 기준 챔버에 0.01 mM PBS 완충 용액(pH 7.0)을 동일한 압력으로 유입 및 유출시켰다. 다음으로, 어느 순간에 상기 기준 챔버에는 상기와 동일한 PBS 완충 용액을 유입 및 유출시켰고, 상기 센싱 챔버에는 15-mer 올리고뉴클레오티드(TGTTCTCTTGTCTTG)를 포함하는 용액을 동일한 압력으로 유입 및 유출시켰다.

구체적으로, PBS를 센싱 챔버 및 기준 챔버 각각에 3회 주입하고, 어느 시점에 기준 챔버에는 상기와 동일한 PBS를 주입하고 센싱 챔버에는 1 uM의 올리고뉴클레오티드를 유입시켰고, 다음으로, PBS를 센싱 챔버 및 기준 챔버 각각에 3회 주입하였다. 마지막으로, 기준 챔버 및 센서 챔버에 차례로 공기를 펌핑하였다.

실시예 1의 FET 기반 센서 중 센싱 챔버 내에 있는 FET 기반 센서 12개의 전류 값들을 각각 측정하고, 기준 챔버 내에 있는 FET 기반 센서 12개의 전류 값들을 각각 측정하여 상기 센싱 FET의 평균 전류 값에서 기준 FET의 평균 전류 값을 빼서 상기 전류 값을 보정하였다. 상기 결과를 도 4A 및 도 4B에 나타내었다.

도 4A는 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출한 개별적인 결과들을 나타내는 그래프이고, 도 4B는 도 4A의 개별적인 결과들의 평균값을 나타내는 그래프이다.

도 4A에 있어서, 윗 부분의 두 굵은 선은 각각 센싱 FET들 및 기준 FET들의 전류 값의 평균을 나타내고, 아랫 부분의 하나의 굵은 선은 센싱 FET들의 평균 전류 값에서 기준 FET들의 평균 전류 값을 빼어 보정한 값이다. 도 4B는 상기 평균값인 도 4A의 굵은 선을 다시 나타낸 것이다.

도 4A 및 도 4B를 참조하면, 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하면, 게이트 전극 표면 반응에 의해 자연적으로 발생하는 드리프트 신호 및 용액의 유입에 따른 압력에 의해 발생하는 신호와 같은 잡음으로부터 표적 생분자에 따른 신호를 명확하게 분리해낼 수 있음을 알 수 있다(도 4A 및 도 4B의 사각형 부분 참조). 따라서 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서는 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질, 예컨대 핵산 또는 단백질과 같은 생분자도 강건하게 검출할 수 있음을 알 수 있다.

<실험예 3>

본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용한 DNA 검출-2차 실험

실시예 1에서 제조한 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서에 대하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 주입 시점을 약간 달리하여 DNA 검출 실험을 수행하였다. 상기 결과를 도 5A 및 도 5B에 나타내었다.

도 5A는 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출한 개별적인 결과들을 나타내는 다른 그래프이고, 도 5B는 도 5A의 개별적인 결과들의 평균값을 나타내는 그래프이다.

도 5A는 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하여 DNA를 검출한 개별적인 결과들을 나타내는 그래프이고, 도 5B는 도 5A의 개별적인 결과들의 평균값을 나타내는 그래프이다.

도 5A에 있어서, 윗 부분의 두 굵은 선은 각각 센싱 FET들 및 기준 FET들의 전류 값의 평균을 나타내고, 아랫 부분의 하나의 굵은 선은 센싱 FET들의 평균 전 류 값에서 기준 FET들의 평균 전류 값을 빼어 보정한 값이다. 도 5B는 상기 평균값인 도 5A의 굵은 선을 다시 나타낸 것이다.

도 5A 및 도 5B를 참조하면, 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서를 이용하면, 게이트 전극 표면 반응에 의해 자연적으로 발생하는 드리프트 신호 및 용액의 유입에 따른 압력에 의해 발생하는 신호와 같은 잡음으로부터 표적 생분자에 따른 신호를 명확하게 분리해낼 수 있음을 알 수 있다(도 5A 및 도 5B의 사각형 부분 참조). 따라서 본 발명에 따른 이온 물질 검출용 FET 기반 센서는 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질, 예컨대 핵산 또는 단백질과 같은 생분자도 강건하게 검출할 수 있음을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 게이트 전극 표면 반응에 의해 자연적으로 발생하는 드리프트 신호 및 용액의 유입에 따른 압력에 의해 발생하는 신호와 같은 잡음으로부터 표적 생분자에 따른 신호를 명확하게 분리해낼 수 있 고, 따라서 민감도가 매우 우수하여 낮은 농도의 이온 물질, 예컨대 핵산 또는 단백질과 같은 생분자도 강건하게 검출할 수 있다.

Claims

기준 전극 및 복수의 센싱 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하는 센싱 챔버; 및

기준 전극 및 복수의 기준 FET를 포함하는 기준 챔버;

를 포함하며, 상기 FET는 기판, 상기 기판의 양측에 형성되고 상기 기판과 반대 극성으로 각각 도핑된 소스 및 드레인, 및 상기 소스 및 드레인과 접촉하고 상기 기판 상에 형성된 게이트를 포함하는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서.
제 1항에 있어서,

상기 센싱 FET 및 기준 FET는 구조 및 전기적 특성이 동일한 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 1항에 있어서,

상기 센싱 FET 및 기준 FET는 각각 어레이 형태로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 게이트는 산화층 및 상기 산화층 상의 폴리 실리콘층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 1항에 있어서,

상기 이온 물질은 생분자인 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 6항에 있어서,

상기 생분자는 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 7항에 있어서,

상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 7항에 있어서,

상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 1항에 있어서,

상기 센싱 챔버 및 기준 챔버는 각각 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 1항에 있어서,

상기 센싱 챔버 및 기준 챔버는 각각 용액을 유입 및 유출시키기 위한 마이크로펌프를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 FET 기반 센서.
제 1항 내지 제 3항, 제 5항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 FET 기반 센서를 포함하는 이온 물질 검출 장치.
제 1항 내지 제 3항, 제 5항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 FET 기반 센서의 센싱 챔버 및 기준 챔버에 동일한 용액을 유입 및 유출 시키는 단계;

상기 기준 챔버에 계속해서 상기와 동일한 용액을 유입 및 유출시키고, 상기 센싱 챔버에 이온 물질을 함유하는 것으로 추정되는 용액을 유입 및 유출 시키는 단계;

상기 용액의 유입 및 유출 단계 동안에 센싱 FET 및 기준 FET 각각의 소스 및 드레인 사이의 채널 영역에 흐르는 전류 값을 측정하는 단계; 및

상기 센싱 FET의 전류 값에서 기준 FET의 전류 값을 빼서 상기 전류 값을 보정하는 단계;

를 포함하는 이온 물질의 검출 방법.
제 13항에 있어서,

상기 용액을 유입 및 유출하는 단계는 센싱 챔버 및 기준 챔버에 있어서 동일한 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,

상기 센싱 FET 및 기준 FET의 전류 값은 각각 복수의 센싱 FET 및 복수의 기준 FET의 평균 전류 값인 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,

상기 이온 물질은 생분자인 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항에 있어서,

상기 생분자는 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서,

상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서,

상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.