KR100773548B1 - 이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출하는 방법 및 장치 - Google Patents

이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출하는 방법 및 장치를 제공한다. 상기 본 발명에 따른 방법은 적어도 2개의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET(Field Effect Transistor) 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려진 적어도 3종류의 이온 물질들의 전압 강하 값들을 측정하는 단계; 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 이온 물질들의 알려진 크기 값과 농도 값, 및 상기 측정된 전압 강하 값으로부터 크기, 농도 및 전압 강하로 이루어진 3차원 공간에서 적어도 3개의 점들을 결정하는 단계; 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 3 차원공간에서의 점들을 하나의 평면으로 근사화하는 단계; 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 측정하는 단계; 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 이용하여 상기 평면 상에 존재하는 등전압선을 결정하는 단계; 및 적어도 2 개의 상기 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 단계;를 포함한다.

Description

이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출하는 방법 및 장치{Method of simultaneously detecting size and concentration of ionic material}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 물질의 분자당 전하 크기 및 농도 검출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 과정을 개념적으로 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 물질의 크기 및 농도 검출 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 도 3의 전압 강하 측정부에 포함된 FET 기반 센서들의 일 실시예를 개략적으로 도시한 측면 단면도이다.
도 5는 도 3의 전압 강하 측정부에 포함된 FET 기반 센서들의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 측면 단면도이다.
도 6은 도 3의 전압 강하 측정부에 포함된 FET 기반 센서들의 또 다른 실시예를 개념적으로 도시한 상면도이다.
본 발명은 이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출하는 방법, 및 이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출하는 장치에 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 빠른 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 또는 전압 변화를 측정함으로써 수행될 수 있다. 다른 방법으로, 프로브 생분자가 고정되어 있지 않은 게이트 전극의 일정 거리 내에 표적 생분자의 존재에 따른 전류 또는 전압 변화를 측정함으로써 수 행될 수도 있다.
하지만, 종래의 FET 기반 바이오 센서를 이용하여 표적 이온 물질을 검출하고자 하는 경우, 전압 또는 전류 변화에 따른 불특정 이온 물질들의 농도를 알 수 있지만 상기 전압 또는 전류 변화가 상기 표적 이온 물질에 기인하는지에 대한 확신을 제공하지 못하는 문제점이 있다.
예컨대, 이상적으로 미리 특정 PCR이 일어날 수 밖에 없도록 프라이머를 정확하게 선정하고 어세이 조건을 정확하게 설정하면 밴드 유무만으로 표적 핵산의 유무를 충분히 확인할 수 있지만, 실제로 미지의 샘플을 이용하여 PCR을 수행하는 경우 상기와 같은 최적이 아닌 차선의 조건 하에서 얻어지는 반응물이 검출되어 오류가 빈발하게 된다.
따라서, 상기와 같은 오류 여부를 판단하기 위해서는 이온 물질의 농도와 동시에 이온 물질의 크기, 예컨대 핵산의 길이를 동시에 측정할 필요가 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이온 물질의 크기 및 농도를 동시에 검출할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 적어도 2개의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET(Field Effect Transistor) 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려진 적어도 3종류의 이온 물질들의 전압 강하 값들을 측정하는 단계;
상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 이온 물질들의 알려진 크기 값과 농도 값, 및 상기 측정된 전압 강하 값으로부터 크기, 농도 및 전압 강하로 이루어진 3차원 공간에서 적어도 3개의 점들을 결정하는 단계;
상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 3 차원공간에서의 점들을 하나의 평면으로 근사화 하는 단계;
상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 측정하는 단계;
상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 이용하여 상기 평면 상에 존재하는 등전압선을 결정하는 단계; 및
적어도 2 개의 상기 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 단계;를 포함하는 이온 물질의 크기 및 농도 검출 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정은 상기 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 포함하는 챔버에 상기 이온 물질을 함유하는 용액을 유입 시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들의 상이한 전기적 특성은 센서 표면 물질, 센서 구조 또는 센서 크기의 차이에 의해 나타날 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각은 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정은 상기 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들을 이용하여 측정한 전압 강하 값들을 평균함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 물질의 크기는 이온 물질의 전하 또는 길이일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 평면으로 근사화 하는 단계는 3개의 점을 이용하여 수학식 1의 상수 a, b 및 c를 구하는 것일 수 있다:
<수학식 1>
ax + by + cz + 1 = 0
상기 식에서, x는 이온 물질의 분자당 전하 크기 값, y는 농도 값 및 z는 전압 강하 값을 나타낸다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 등전압선을 결정하는 단계는 상기 측정된 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 수학식 1에 대입하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 단계는 3개 이상의 등전압선들이 존재하는 경우 상기 3개 이상의 등전압선들 중 각 2개씩의 등전압선들 사이의 교차점들을 구하고, 상기 교차점들의 평균점을 구하는 것일 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 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 포함하고 이온 물질의 전압 강하 값을 측정하는 전압 강하 측정부; 이온 물질의 알려진 크기 값과 농도 값, 및 상기 전압 강하 측정부에서 측정된 전압 강하 값으로부터 크기, 농도 및 전압 강하로 이루어진 3차원 공간에서 점을 결정하는 점 결정부; 상기 점 결정부에서 결정된 3개 이상의 점들을 하나의 평면으로 근사화 하는 평면 근사화부; 상기 전압 강하 측정부에서 측정된 크기 및 농도가 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 이용하여 상기 평면 근사화부에서 생성되는 평면 상에 존재하는 등전압선을 결정하는 등전압선 결정부; 및 상기 등전압선 결정부에서 결정된 2개 이상의 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 교차점 결정부;를 포함하는 이온 물질의 크기 및 농도 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전압 강하 측정부는 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 하나의 챔버 내에 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들의 상이한 전기적 특성은 센서 표면 물질, 센서 구조 또는 센서 크기의 차이에 의해 나타날 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각은 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 물질의 크기는 이온 물질의 전하 또는 길이일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 평면 근사화부는 3개의 점을 이용하여 수학식 1의 상수 a, b 및 c를 구하는 과정을 수행할 수 있다:
<수학식 1>
ax + by + cz + 1 = 0
상기 식에서, x는 이온 물질의 분자당 전하 크기 값, y는 농도 값 및 z는 전압 강하 값을 나타낸다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 등전압선 결정부는 상기 측정된 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 수학식 1에 대입하는 과정을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 교차점 결정부는 3개 이상의 등전압선들이 존재하는 경우 상기 3개 이상의 등전압선들 중 각 2개씩의 등전압선들 사이의 교차점들을 구하고, 상기 교차점들의 평균점을 구하는 과정을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 물질은 생분자일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 물질의 분자당 전하 크기 및 농도 검출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검 출용 FET 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려진 3종류 이상의 이온 물질들의 전압 강하 값들을 측정한다(11).
상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정 단계(11)는 상기 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 포함하는 챔버에 상기 이온 물질을 함유하는 용액을 유입 시킴으로써 수행될 수 있다.
상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들의 상이한 전기적 특성은 센서 표면 물질, 센서 구조 또는 센서 크기의 차이에 의해 나타날 수 있다. 상기 센서 구조의 차이는 동일한 센서를 제조하는 공정 상에 발생하는 미세한 구조의 차이일 수도 있다.
상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각은 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들로 구성될 수 있다. 이 경우 상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정은 상기 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들을 이용하여 측정한 전압 강하 값들을 평균함으로써 수행될 수 있다.
상기 FET는 종래 바이오 센서 또는 CMOS 소자 등에 사용되어오던 임의의 FET일 수 있으며, n-MOS 및 p-MOS 두 가지 모두 가능하다. 예컨대, 상기 기판이 n형으로 도핑된 경우 상기 소드 및 드레인은 각각 p형으로 도핑될 수 있고, 반대로 상기 기판이 p형으로 도핑된 경우 상기 소스 및 드레인은 각각 n형으로 도핑될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이온 물질은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 이온 원자, 이온 분자 또는 생분자일 수 있다. 상기 생분자는 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택되는 핵산이거나, 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 단백질일 수 있다.
상기 이온 물질의 분자당 전하 크기는 예컨대, 상기 이온 물질이 이온 원자인 경우 그의 전하일 수 있고, 또한 상기 이온 물질이 핵산인 경우 그의 길이일 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 다음으로 상기 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 3종류 이상의 이온 물질들의 알려진 분자당 전하 크기 값과 농도 값, 및 상기 측정된 전압 강하 값으로부터 크기, 농도 및 전압 강하로 이루어진 3차원 공간에서 3개 이상의 점들을 결정한다(12).
상기 3차원 공간은 예컨대, 크기를 x축으로, 농도를 y축으로, 및 전압 강하를 z축으로 하여 구성될 수 있다. 본 3개 이상의 점 결정 단계(12)는 먼저 크기 및 농도를 알고 있는 1종류의 이온 물질을 이용하여 전압 강하 값을 측정하고, 상기 크기, 농도 및 전압 강하를 상기 3차원 공간에 표시한다. 다음으로, 상기 방법과 마찬가지로 나머지 2종류의 이온 물질에 대한 점들도 상기 3차원 공간에 표시한다.
다음으로, 상기 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 3개 이상의 점들을 하나의 평면으로 근사화 한다(13).
본 평면 근사화 단계(13)는 당업계에 알려져 있는 모든 평면 근사화 통계 방법을 포함하며, 특정 종류에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 3개의 점을 이용하여 평면으로 근사화 하는 경우, 본 평면 근사화 단계는 수학식 1의 상수 a, b 및 c를 구하는 것일 수 있다. 그에 의해, x, y 및 z의 세 변수로 구성된 수학식 1을 얻을 수 있다.
<수학식 1>
ax + by + cz + 1 = 0
상기 식에서, x는 이온 물질의 분자당 전하 크기 값, y는 농도 값 및 z는 전압 강하 값을 나타낸다.
다음으로, 상기 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 측정한다(14).
상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정(14)은 상기 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 포함하는 챔버에 상기 이온 물질을 함유하는 용액을 유입 시킴으로써 수행될 수 있다.
상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각은 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들로 구성될 수 있다. 이 경우 상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정은 상기 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들을 이용하여 측정한 전압 강하 값들을 평균함으로써 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 이용하여 상기 평면 상에 존재하는 등전압선을 결정한다(15).
예컨대, 상기에서 3개의 점을 이용하여 평면으로 근사화 한 경우, 본 등전압선 결정 단계(15)는 상기 측정된 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값, z를 수학식 1에 대입하는 것일 수 있다. 그에 의해 x 및 y의 두 변수로 구성된 수학식을 얻을 수 있다.
다음으로, 상기 2개 이상의 등전압선들 사이의 교차점을 결정한다(16).
도 2는 도 1의 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 과정을 개념적으로 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, DNA 크기(bp)의 x축 및 농도의 y축으로 이루어진 2차원 평면 상에 등전압선이 표시되어 있다. FET A의 경우 15, 20, 25, 30 및 35 mV의 등전압선이 도시 되어 있고, FET B의 경우 12, 14, 16, 18, 20 및 22 mV의 등전압선이 도시 되어 있다. 만약 2개의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET A 및 B에 대해 길이 및 농도가 알려지지 않은 어떤 DNA의 전압 강하 값을 측정한 결과 각각 30 mV 및 18 mV였다면, 상기 결과를 이용하여 2개의 등전압선을 얻고 그들의 교차점을 결정한다. 상기 교차점의 x 값 및 y 값이 각각 상기 알려지지 않은 DNA의 길이(bp) 및 농도이다.
본 교차점 결정 단계는 3개 이상의 등전압선들이 존재하는 경우 상기 3개 이상의 등전압선들 중 각 2개씩의 등전압선들 사이의 교차점들을 구하고, 상기 교차점들의 평균점을 구하는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 물질의 크기 및 농도 검출 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 장치는 전압 강하 측정부(31), 점 결정부(32), 평면 근사화부(33), 등전압선 결정부(34) 및 교차점 결정부(35)를 포함한다.
상기 전압 강하 측정부(31)는 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 포함하고 이온 물질의 전압 강하 값을 측정한다.
또한, 상기 전압 강하 측정부(31)는 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 하나의 챔버 내에 포함할 수 있다.
상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들의 상이한 전기적 특성은 센서 표면 물질, 센서 구조 또는 센서 크기의 차이에 의해 나타날 수 있다. 상기 센서 구조의 차이는 동일한 센서를 제조하는 공정 상에 발생하는 미세한 구조의 차이일 수도 있다.
또한, 상기 2개 이상의 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각은 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들로 구성될 수 있다.
상기 FET는 종래 바이오 센서 또는 CMOS 소자 등에 사용되어오던 임의의 FET일 수 있으며, n-MOS 및 p-MOS 두 가지 모두 가능하다. 예컨대, 상기 기판이 n형으로 도핑된 경우 상기 소드 및 드레인은 각각 p형으로 도핑될 수 있고, 반대로 상기 기판이 p형으로 도핑된 경우 상기 소스 및 드레인은 각각 n형으로 도핑될 수 있다.
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 상 에 형성된 게이트를 포함할 수 있다. 상기 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.
상기 FET를 포함하는 챔버는 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함할 수 있고, 용액을 유입 및 유출시키기 위한 마이크로펌프를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이온 물질은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 이온 원자, 이온 분자 또는 생분자일 수 있다. 상기 생분자는 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택되는 핵산이거나, 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 단백질일 수 있다.
상기 이온 물질의 크기는 상기 이온 물질이 이온 원자인 경우 그의 전하일 수 있고, 또한 상기 이온 물질이 핵산인 경우 그의 길이일 수 있다.
도 4는 도 3의 전압 강하 측정부에 포함된 FET 기반 센서들의 일 실시예를 개략적으로 도시한 측면 단면도이다. 도 4를 참조하면, 2개의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서(42,43)가 하나의 챔버(41) 내에 구비되어 있다. 화살표 방향으로 이온 물질을 함유하는 샘플 용액을 유동시킨다.
도 5는 도 3의 전압 강하 측정부에 포함된 FET 기반 센서들의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 측면 단면도이다. 도 5를 참조하면, 3개의 상이한 전기적 특성 을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서(52,53,54)가 하나의 챔버(51) 내에 구비되어 있다.
도 6은 도 3의 전압 강하 측정부에 포함된 FET 기반 센서들의 또 다른 실시예를 개념적으로 도시한 상면도이다. 도 6을 참조하면, 복수의 FET 기반 센서 A 그룹(A1,A2,A3,..,Am), B 그룹(B1,B2,B3,..,Bm), C 그룹(C1,C2,C3,..,Cm) 등이 구비되어 있다. 상기 각 그룹의 FET들은 서로에 대해서는 동일한 전기적 특성을 나타내지만, 다른 그룹들의 FET들과는 상이한 전기적 특성을 나타낸다.
상기 점 결정부(32)는 이온 물질의 알려진 크기 값과 농도 값, 및 상기 전압 강하 측정부에서 측정된 전압 강하 값으로부터 크기, 농도 및 전압 강하로 이루어진 3차원 공간에서 점을 결정한다.
상기 평면 근사화부(33)는 상기 점 결정부에서 결정된 3개 이상의 점들을 하나의 평면으로 근사화 한다.
상기 평면 근사화부(33)는 3개의 점을 이용하여 수학식 1의 상수 a, b 및 c를 구하는 과정을 수행할 수 있다.
<수학식 1>
ax + by + cz + 1 = 0
상기 식에서, x는 이온 물질의 분자당 전하 크기 값, y는 농도 값 및 z는 전압 강하 값을 나타낸다.
상기 등전압선 결정부(34)는 상기 전압 강하 측정부에서 측정된 크기 및 농도가 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 이용하여 상기 평면 근사화부에서 생성되는 평면 상에 존재하는 등전압선을 결정한다.
상기 등전압선 결정부(34)는 상기 측정된 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 수학식 1에 대입하는 과정을 수행할 수 있다.
상기 교차점 결정부(35)는 상기 등전압선 결정부에서 결정된 2개 이상의 등전압선들 사이의 교차점을 결정한다.
상기 교차점 결정부(35)는 3개 이상의 등전압선들이 존재하는 경우 상기 3개 이상의 등전압선들 중 각 2개씩의 등전압선들 사이의 교차점들을 구하고, 상기 교차점들의 평균점을 구하는 과정을 수행할 수 있다.
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>
FET 기반 바이오 센서의 제조
본 실시예에서 사용한 FET 소자는 X-FAB Semiconductor Foundries (Germany)로부터 주문 제작하였다. 상기 주문 제작한 제품은 구조 및 전기적 특성이 동일하도록 설계된 48개(4 * 12)의 FL FET가 배열되어 있는 어레이, 및 구조 및 전기적 특성이 상기 FL FET와는 상이하지만 서로에 대해서는 동일하도록 설계된 192개(12 * 16)의 NMOS FET가 배열되어 있는 어레이였다. 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 설치하여, 12개의 FL FET 및 36개의 NMOS FET를 포함하는 챔버 A, 12개의 FL FET를 포함하는 챔버 B, 및 36개의 NMOS FET를 포함하는 챔버 C를 각각 제작하였다.
<실험예 1>
본 발명에 따른 방법을 이용한 DNA의 길이 및 농도 검출
실시예 1에서 제작한 챔버 A, 챔버 B 및 챔버 C를 각각 이용하여 임의의 표적 DNA의 길이 및 농도를 유의하게 측정할 수 있는지를 확인하였다.
상기 표적 DNA로서 12 ng/㎕의 농도 및 249 bp의 길이를 갖는 DNA를 사용하였다.
1-1: 2개의 상이한 FET 그룹 이용
챔버 A에 포함된 12개의 FL FET를 하나의 그룹으로 및 36개의 NMOS FET를 다 른 하나의 그룹으로 하여 도 1에 따른 방법을 수행하였다.
즉, 상기 각 그룹에 대해 이미 길이 및 농도를 알고 있는 3 종류의 DNA들의 전압 강하 값들을 측정하였다. 다음으로, 12개의 FL FET 그룹에서 측정된 각 DNA의 전압 강하 값들을 평균하고, 36개의 NMOS FET 그룹에서 측정된 각 DNA의 전압 강하 값들을 평균하였다.
다음으로, 상기 FL FET 그룹에 대해서, 길이(x), 농도(y) 및 전압 강하(z)로 이루어진 3차원 공간에 3개의 점을 결정하고, 그로부터 하나의 평면을 근사화 하였다. 구체적으로, 상기 3 종류의 DNA의 알고 있는 길이 및 농도가 각각 x1, y1; x2, y2; 및 x3, y3이고, 측정된 전압 강하 값이 각각 z1, z2 및 z3인 경우, 3개의 식, 즉 a1x1 + b1y1 + c1z1 + 1 = 0; a1x2 + b1y2 + c1z2 + 1 = 0; 및 a1x3 + b1y3 + c1z3 + 1 = 0을 연립으로 풀어서 상기 a, b 및 c를 결정하여, 평면 식 a1x + b1y + c1z + 1 = 0을 구하였다.
마찬가지로, 상기 NMOS FET 그룹에 대해서도 동일한 방법을 수행하여 다른 평면 식 a2x + b2y + c2z + 1 = 0을 구하였다.
이후, 상기 각 그룹에 대해 길이 및 농도를 검출하고자 하는 표적 DNA의 전압 강하 값들을 측정 및 평균하여 z4 및 z5를 얻었고, 이를 상기 평면 식에 대입하여, 2개의 등전압선 식, 즉 a1x + b1y + c1z4 + 1 = 0; 및 a2x + b2y + c2z5 + 1 = 0을 얻었고, 이를 연립으로 풀어서 하나의 교차점의 x 및 y 값을 얻어 표적 DNA의 길이 및 농도를 구하였다.
상기 결과를 표 1에 나타내었다.
1-2: 12개의 FET 이용
챔버 B에 포함된 12개의 FL FET 각각이 제작 공정상 미세한 전기적 차이가 있을 것으로 추정하고, 각각을 상이한 FET로 하여 상기 실험예 1-2에 따른 방법을 수행하였다.
그 결과 12개의 등전압선을 얻었고, 12 * 11개의 교차점을 얻었으며, 상기 교차점들의 x 값들 및 y 값들을 각각 평균하여 표적 DNA의 길이 및 농도를 구하였다. 상기 결과를 표 1에 나타내었다.
1-3: 36개의 FET 이용
챔버 C에 포함된 36개의 NMOS FET 각각이 제작 공정상 미세한 전기적 차이가 있을 것으로 추정하고, 각각을 상이한 FET로 하여 상기 실험예 1-2에 따른 방법을 수행하였다.
그 결과 36개의 등전압선을 얻었고, 36 * 35개의 교차점을 얻었으며, 상기 교차점들의 x 값들 및 y 값들을 각각 평균하여 표적 DNA의 길이 및 농도를 구하였다. 상기 결과를 표 1에 나타내었다.
1-4: 48개의 FET 이용
챔버 A에 포함된 12개의 FL FET 및 36개의 NMOS FET 각각이 제작 공정상 미세한 전기적 차이가 있을 것으로 추정하고, 각각을 상이한 FET로 하여 상기 실험예 1-2에 따른 방법을 수행하였다.
그 결과 48개의 등전압선을 얻었고, 48 * 47개의 교차점을 얻었으며, 상기 교차점들의 x 값들 및 y 값들을 각각 평균하여 표적 DNA의 길이 및 농도를 구하였다. 상기 결과를 표 1에 나타내었다.
<표 1>
실험예 x: 길이 (bp) y: 농도 (ng/㎕)
1-1 321.067621 36.743186
1-2 756.196412 -13.164146
1-3 124.486370 12.876566
1-4 264.433197 7.496748
실제 249 12
표 1에 나타낸 바와 같이, 동일한 전기적 특성을 갖는 FET를 제작하는 공정상 미세한 전기적 차이가 있을 것으로 추정하여 본 발명을 수행하는 경우 결과가 양호하지 않았다. 반면, 전기적 특성이 상이한 FET를 이용하여 본 발명을 수행하는 경우 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
본 발명의 방법의 전체 또는 일부는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크 및 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
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 특허청구범위 에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 핵산과 같은 이온 물질의 농도와 동시에 이온 물질의 크기를 동시에 측정할 수 있다. 따라서, FET 기반 바이오 센서를 이용하여 표적 이온 물질을 검출하고자 하는 경우 전압 또는 전류 변화에 따른 이온 물질의 농도를 알 수 있을 뿐만 아니라, 상기 전압 또는 전류 변화가 상기 표적 이온 물질에 기인하는지에 대한 확신을 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 적어도 2개의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET(Field Effect Transistor) 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려진 적어도 3종류의 이온 물질들의 전압 강하 값들을 측정하는 단계;
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 이온 물질들의 알려진 크기 값과 농도 값, 및 상기 측정된 전압 강하 값으로부터 크기, 농도 및 전압 강하로 이루어진 3차원 공간에서 적어도 3개의 점들을 결정하는 단계;
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 3 차원공간에서의 점들을 하나의 평면으로 근사화 하는 단계;
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각을 이용하여 크기 및 농도가 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 측정하는 단계;
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각에 대해, 상기 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 이용하여 상기 평면 상에 존재하는 등전압선을 결정하는 단계; 및
    적어도 2 개의 상기 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 단계;를 포함하는 이온 물질의 크기 및 농도 검출 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정은 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 포함하는 챔버에 상기 이온 물질을 함유하는 용액을 유입 시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들의 상이한 전기적 특성은 센서 표면 물질, 센서 구조 또는 센서 크기의 차이에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각은 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이온 물질의 전압 강하 값 측정은 상기 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들을 이용하여 측정한 전압 강하 값들을 평균하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 물질의 크기는 이온 물질의 전하 또는 길이인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 평면으로 근사화 하는 단계는 3개의 점을 이용하여 수학식 1의 상수 a, b 및 c를 구하는 것임을 특징으로 하는 방법:
    <수학식 1>
    ax + by + cz + 1 = 0
    상기 식에서, x는 이온 물질의 분자당 전하 크기 값, y는 농도 값 및 z는 전압 강하 값을 나타낸다.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 등전압선을 결정하는 단계는 상기 측정된 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 수학식 1에 대입하는 것임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 단계는 적어도 3개의 등전압선들이 존재하는 경우 상기 등전압선들 중 각 2개씩의 등전압선들 사이의 교차점들을 구하고, 상기 교차점들의 평균점을 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 물질은 생분자인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 생분자는 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 2개 이상의 상이한 전기적 특성을 갖는 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 포함하고 이온 물질의 전압 강하 값을 측정하는 전압 강하 측정부;
    이온 물질의 알려진 크기 값과 농도 값, 및 상기 전압 강하 측정부에서 측정된 전압 강하 값으로부터 크기, 농도 및 전압 강하로 이루어진 3차원 공간에서 점을 결정하는 점 결정부;
    상기 점 결정부에서 결정된 적어도 3개의 점들을 하나의 평면으로 근사화 하는 평면 근사화부;
    상기 전압 강하 측정부에서 측정된 크기 및 농도가 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 이용하여 상기 평면 근사화부에서 생성되는 평면 상에 존재하는 등전압선을 결정하는 등전압선 결정부; 및
    상기 등전압선 결정부에서 결정된 적어도 2개의 등전압선들 사이의 교차점을 결정하는 교차점 결정부;를 포함하는 이온 물질의 크기 및 농도 검출 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전압 강하 측정부는 상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들을 하나의 챔버 내에 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들의 상이한 전기적 특성은 센서 표면 물질, 센서 구조 또는 센서 크기의 차이에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 이온 물질 검출용 FET 기반 센서들 각각은 동일한 전기적 특성을 갖는 복수의 FET 기반 센서들로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 이온 물질의 크기는 이온 물질의 전하 또는 길이인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 평면 근사화부는 3개의 점을 이용하여 수학식 1의 상수 a, b 및 c를 구하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치:
    <수학식 1>
    ax + by + cz + 1 = 0
    상기 식에서, x는 이온 물질의 분자당 전하 크기 값, y는 농도 값 및 z는 전압 강하 값을 나타낸다.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 등전압선 결정부는 상기 측정된 알려지지 않은 이온 물질의 전압 강하 값을 수학식 1에 대입하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 교차점 결정부는 적어도 3개의 등전압선들이 존재하는 경우 상기 등전압선들 중 각 2개씩의 등전압선들 사이의 교차점들을 구하고, 상기 교차점들의 평균점을 구하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 이온 물질은 생분자인 것을 특징으로 하는 장치.
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