KR100876158B1 - 압전 센서를 이용한 생체물질 검출 장치 및 검출 방법 - Google Patents

압전 센서를 이용한 생체물질 검출 장치 및 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체물질이 압전물질에 가하는 압력 및 질량변화에 따라 발생되는 발진신호의 클럭의 개수를 측정하는 센서부, 상기 센서부에서 측정한 클럭의 개수에 따라 상기 생체물질의 양을 계산하는 연산부, 및 트리거 신호를 발생하는 트리거 신호 발생부를 포함하는 생체물질 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 상기 트리거 신호 발생부는 상기 센서부에서 사용되는 압전센서와 동일한 종류의 압전센서를 사용하여 트리거 신호를 발생한다. 따라서, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등이 센서부의 압전센서 및 트리거 신호 발생부의 압전센서에 동일하게 영향을 미치므로, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등에 의하여 오차가 발생하는 것을 방지한다.
생체물질, 압전센서, SAW, 트리거, 클럭의 개수

Description

압전 센서를 이용한 생체물질 검출 장치 및 검출 방법 {A device and a method for detecting a bio molecule using piezoelectric sensor}
본 발명은 압전 센서를 이용한 생체물질 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다.
단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 동물 세포, 식물 세포, 조직 등의 생체물질 및 이러한 생체물질에 의하여 발생된 가스 및 독소 등의 생성물(본 명세서에서는 이와 같은 생체물질 및 생성물 등을 통칭하여 "생체물질"이라 칭한다)을 정성 및 정량 분석함으로써, 질병을 진단하거나 모니터링할 수 있다. 따라서, 상기 생체물질을 검출할 수 있는 센서를 사용하여, 표적 생체물질의 유무 및 그 양을 측정할 수 있다면, 질병을 진단하거나 모니터링 하는데 유용하게 사용될 수 있다.
상기한 바와 같은 생체물질을 검출하기 위하여 압전센서를 사용하는 방법이 알려져 있다. 상기 방법에 의하면, 압전센서 상에 특정 단백질과 특이적으로 결합하는 수용체를 부착하며, 상기 수용체에 상기 특정 단백질이 결합하는 경우에 발생되는 중량 변화에 의하여 상기 압전 센서의 공진 파형이 변화하고, 상기 공진 파형의 변화를 관찰하여 상기 수용체에 결합된 단백질의 양을 계산한다.
일반적으로 상기 압전센서의 공진 파형의 변화를 검출하기 위하여 주파수 계수기(frequency counter), 위상 검출기, 망 분석기(network analyzer), 및 오실로스코프 등을 사용한다. 이러한 기기들을 사용하여, 상기 압전센서의 공진 파형의 주파수, 위상, 및 진폭 등의 변화를 관찰할 수 있다.
그러나, 압전센서의 공진 파형의 변화를 검출하기 위한 상기 기기들은 제작하는데 고난도의 기술이 필요하고, 고가이며, 정기적인 튜닝이 필요하다. 또한, 해상도(resolution)의 한계가 있으며, 아날로그 신호를 처리하기 때문에 회로의 크기가 증가한다. 또한, 회로 소자에서 발생하는 열로 인하여, 압전센서의 신호에 잡음이 발생한다. 또한, 소자 간의 차이에 의하여, 동일한 조건 하에서도 서로 상이한 출력 신호를 나타내기도 한다.
따라서, 소형이고, 휴대가 간편하며, 정확도가 높은 생체물질 검출 장치의 개발이 필요하다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치는 생체물질이 압전물질에 가하는 압력에 따라 발생되는 발진신호의 클럭의 개수를 측정하는 센서부, 상기 센서부에서 측정한 클럭의 개수에 따라 상기 생체물질의 양을 계산하는 연산부, 및 트리거 신호를 발생하는 트리거 신호 발생부를 포함하되, 상기 트리거 신호 발생부는 상기 센서부에서 사용되는 압전센서와 동일한 종류의 압전센서를 사용하여 트리거 신호를 발생한다.
따라서, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등이 센서부의 압전센서 및 트리거 신호 발생부의 압전센서에 동일하게 영향을 미치므로, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등에 의하여 오차가 발생하는 것을 방지한다.
따라서, 본 발명의 목적은 생체물질을 검출하는 장치를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 생체물질을 검출하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 생체물질을 검출하는 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치는, 생체물질이 압전물질에 가하는 압력에 따라 발생되는 발진신호의 클럭의 개수를 측정하는 센서부; 상기 센서부에서 측정한 클럭의 개수에 따라 상기 생체물질의 양을 계산하는 연산부; 및 트리거 신호를 발생하는 트리거 신호 발생부를 포함한다.
본 발명에서 상기 센서부는, 상기 생체물질이 압전물질에 가한 압력에 따라 발진신호를 발생하는 제1압전센서; 상기 제1압전센서에서 발생되는 발진신호와 소정의 전압치를 비교하여 클럭신호를 발생하는 제1전압비교기; 및 상기 트리거 신호 발생부가 발생하는 트리거 신호를 입력받으며, 상기 트리거 신호 사이에 발생되는 상기 제1전압비교기의 클럭신호를 계수하여 상기 제1전압비교기의 클럭신호의 개수를 측정하는 카운터를 포함한다.
본 발명에서 상기 트리거 신호 발생부는, 압전물질에 가해진 압력에 따라 발진신호를 발생하는 제2압전센서; 상기 제2압전센서에서 발생되는 발진신호와 소정의 전압치를 비교하여 클럭신호를 발생하는 제2전압비교기; 상기 제2전압비교기에서 발생된 클럭신호의 주기를 길게 늘려주는 분주기; 및 상기 분주기의 출력신호로부터 트리거 신호를 발생시켜 상기 카운터로 전송하는 트리거를 포함한다.
본 발명에서 상기 센서부의 제1압전센서 및 상기 트리거 신호 발생부의 제2압전센서로는 동일한 종류의 압전센서를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하는 경우, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등이 상기 센서부의 압전센서 및 상기 트리거 신호 발생부의 압전센서에 동일하게 영향을 미치므로, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등에 의하여 오차가 발생하는 것을 방지한다.
본 발명에서 사용되는 상기 제1압전센서 및 상기 제2압전센서로는, SAW(surface acoustic wave, 표면탄성파) 필터, SAW 발진기(resonator), QCM(quartz crystal microbalance, 수정 결정 미소저울), 캔티레버, FBAR(film bulk acoustic resonance, 박막 용적 탄성 공진기) 필터, 또는 수정 발진기 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 생체물질 검출 방법에 관한 것으로서, 생체물질과 결합할 수 있는 수용체가 부착되어 있지 아니한 제2압전센서로부터 출력되는 발진신호를 소정의 전압치와 비교하여 클럭신호를 발생시키는 단계(a); 상기 단계(a)의 클럭신호의 주기를 늘린 후, 상기 클럭신호로부터 트리거 신호를 발생시키는 단계(b); 생체물질과 결합할 수 있는 수용체가 부착되어 있는 제1압전센서로부터 출력되는 발진신호를 소정의 전압치와 비교하여 클럭신호를 발생시키는 단계(c); 상기 단계(b)의 트리거 신호 사이에서 발생된는 상기 단계(c)의 클럭신호를 계수하여, 클럭신호를 측정하는 단계(d); 및 상기 단계(d)에서 측정된 클럭신호의 개수로부터 상기 제1압전센서의 수용체에 결합된 생체물질의 양을 계산하는 단계(e)를 포함한다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.　 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치의 구성을 도시한 것이다. 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치는 생체물질이 압전물질에 가하는 압력에 따라 발생되는 발진신호의 클럭의 개수를 측정하는 센서부(10, 20); 상기 센서부(10, 20)에서 측정한 클럭의 개수에 따라 상기 생체물질의 양을 계산하는 연산부(40); 및 트리거 신호를 발생하는 트리거 신호 발생부(30)를 포함한다.
상기 센서부(10, 20)는 상기 생체물질이 압전물질에 가한 압력에 따라 발진신호를 발생하는 제1압전센서(11, 21); 상기 제1압전센서(11, 21)에서 발생되는 발진신호와 소정의 전압치를 비교하여 클럭신호를 발생하는 제1전압비교기(14, 24); 및 상기 트리거 신호 발생부(30)가 발생하는 트리거 신호를 입력받으며, 상기 트리거 신호 사이에 발생되는 상기 제1전압비교기(14, 24)의 클럭신호를 계수하여 상기 제1전압비교기(14, 24)의 클럭신호를 측정하는 카운터(15, 25)를 포함한다.
본 실시예에서는 생체물질 검출 장치가 2개의 센서부, 즉 제1센서부(10) 및 제2센서부(20)를 포함하는 것으로 구성하였으나, 상기 센서부의 개수는 필요에 따라 증감될 수 있다. 즉, 필요에 따라 하나의 센서부만이 포함되도록 구성하거나, 3개 이상의 센서부가 포함되도록 구성할 수 있다.
상기 센서부(10, 20)의 제1압전센서(11, 21)는 압전기판(12, 22) 및 상기 압전기판에 가해진 압력에 따라 발진신호를 발생하는 발진기(13, 23)를 포함한다. 상기 제1압전센서(11, 21)로서 사용할 수 있는 압전센서로는, SAW(surface acoustic wave, 표면탄성파) 필터, SAW 발진기, QCM(quartz crystal microbalance, 수정 결정 미소저울), 캔티레버, 또는 FBAR(film bulk acoustic resonance, 박막 용적 탄성 공진기) 필터 등을 사용할 수 있다.
상기 제1압전센서(11, 21)의 압전기판(12, 22) 상에는 특정 단백질 또는 특정 생체물질과 특이적으로 결합하는 수용체(5-1, 5-2)를 부착한다. 상기 수용체(5-1, 5-2)에 상기 특정 단백질 또는 특정 생체물질이 결합하는 경우, 상기 압전기판(12, 22)에 가해지는 압력이 변화하게 된다. 따라서, 상기 압전기판(12, 22)과 연결된 발진기(13, 23)에서 생성하는 발진신호의 클럭의 개수도 변화하게 된다. 본 발명에서는 상기 발진신호의 클럭의 개수를 측정하여 상기 수용체에 결합된 특정 단백질 또는 특정 생체물질의 양을 계산할 수 있다.
본 실시예에서 사용될 수 있는 수용체(5-1, 5-2)로는 단백질, 항원, 항체, 효소, DNA, RNA, PNA(peptide nucleic acid, 인공 DNA), 세포, 및 후각신경(olfactory) 등을 사용할 수 있으며, 상기 수용체에 특이적으로 결합하는 단백질, 항체, 항원, DNA, RNA, 세균, 동물세포, 바이러스 등을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 생체물질 검출 장치에서 상기 트리거 신호 발생부(30)는, 압전물질에 가해진 압력에 따라 발진신호를 발생하는 제2압전센서(31); 상기 제2압전센서(31)에서 발생되는 발진신호와 소정의 전압치를 비교하여 클럭신호를 발생하는 제2전압비교기(34); 상기 제2전압비교기(34)에서 발생된 클럭신호의 주기를 늘려주는 분주기(divider)(36); 및 상기 분주기(36)의 출력신호로부터 트리거 신호를 발생시켜 상기 카운터(15, 25)로 전송하는 트리거(37)를 포함한다.
상기 트리거 신호 발생부(30)의 제2압전센서(31)로는 상기 센서부(10, 20)에서 사용된 제1압전센서(11, 21)과 동일한 종류의 압전센서를 사용하며, 상기 제2압전센서에는 생체물질과 결합할 수 있는 수용체를 부착하지 아니한다.
따라서, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등이 상기 센서부(10, 20)의 제1압전센서(11, 21) 및 상기 트리거 신호 발생부(30)의 제2압전센서(31)에 동일하게 영향을 미치므로, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등에 의하여 압전센서에 오차가 발생하는 것을 방지한다. 상기 오차 방지에 대한 상세한 설명은 후술한다.
도 2a는 상기 트리거 신호 발생부(30)의 트리거 신호 발생 과정을 설명하기 위한 파형도이다. 상기 트리거 신호 발생부(30)의 압전기판(32) 상에는 수용체가 부착되어 있지 아니하며, 이러한 상태에서 발진신호가 발진기(33)로부터 출력된다. 도 2a의 (a)는 상기 발진기(33)의 발진신호 파형을 도시한 것이다.
이후, 상기 제2전압비교기(34)에서는 상기 발진신호를 소정 전압치와 비교하여 클럭신호를 출력한다(도 2a의 (b)). 상기 전압비교기(34)를 통하여 압전센서(31)의 발진신호가 디지털 신호로 변환된다. 이후 분주기(36)에 의하여 주기를 4배 늘린다(도 2a의 (c)).
상기 분주기(36)를 사용하여 주기를 필요에 따라 늘릴 수 있다. 도 2b는 분주기에 의하여 클럭의 개수를 2n 까지 순차적으로 증가시키는 과정을 예시적으로 도시한 것이다.
이후, 상기 분주기(36)의 출력신호를 트리거(37)에 입력시켜 트리거 신호를 얻는다. 도 2c는 상기 트리거(37)의 논리 회로의 일예를 도시한 것으로서, 하나의 인버터 및 하나의 AND 게이트로 구성된다. 상기 트리거에는 하나의 입력신호(1), 및 상기 입력신호(1)를 인버터로 반전시켜 버퍼링한 또다른 입력신호(2)가 AND 연산되어 출력된다(3).
도 2a의 (d), (e) 및 (f)는 각각 상기 트리거 논리회로의 제1입력신호, 제2입력신호 및 출력신호의 파형을 도시한 것이다. 상기 도 2a의 (f)에 도시된 파형이 트리거 신호로서 상기 카운터(15, 25)에 입력된다. 상기 트리거 신호의 주기가 길수록 해상도가 우수하다.
도 2d는 상기 트리거 신호를 사용하여, 제1센서부(10)에서 발생된 발진신호의 클럭의 개수를 측정하는 과정을 설명하기 위한 파형도이다. 상기 제1센서부(10)의 압전기판(32) 상에는 수용체가 부착되어 있으며, 이러한 상태에서 발진신호가 발진기(13)로부터 출력된다. 도 2d의 (a)는 상기 발진기(33)의 발진신호 파형을 도시한 것이다.
이후, 상기 제2전압비교기(34)와 유사하게, 상기 제1전압비교기(14)에서도 상기 발진신호를 소정 전압치와 비교하여 클럭신호를 출력한다(도 2a의 (b)). 상기 전압비교기(14)를 통하여 압전센서(11)의 발진신호가 디지털 신호로 변환된다.
이후, 카운터(15)에서는 상기 트리거 신호 발생부(30)의 트리거(37)에서 출력되는 신호(도 2d의 (c))를 입력받으며, 상기 트리거 신호 주기 사이에 발생된 상기 제1전압비교기(14)의 출력 클럭신호를 계수하여, 상기 제1전압비교기(14)의 클럭신호를 측정한다(도 2d의 (d)).
이러한 과정을 거쳐서, 상기 센서부(10)에서 생성되는 발진신호의 클럭의 수를 디지털 방식으로 측정한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등이 센서부의 압전센서 및 트리거 신호 발생부의 압전센서에 미치는 영향을 설명하기 위한 파형도이다.
우선, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치 를 시료 챔버(8)에 설치한다. 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치 중에서 제1센서부(10)의 제1압전센서(11)의 압전기판(12)을, 상기 제1센서부(10)의 상기 압전기판(12) 상에 부착된 수용체(5-1)와 특이적으로 결합하는 특정 단백질이 포함되어 있는 시료 챔버(8) 내 바닥면에 설치한다. 또한, 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치 중 트리거 신호 발생부(30)의 압전기판(32)도 동일 시료를 포함하는 챔버(8) 내 바닥면에 설치한다.
이 때, 상기 시료의 온도 및 시료의 점도 등과 같이 압전기판(12, 32) 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 요인 등에 의하여, 상기 제1센서부(10)의 제1압전센서(11) 및 트리거 신호 발생부(30)의 제2압전센서(31)의 공진 파형이 변화하게 된다.
이를 구체적으로 설명하면, 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이, 트리거 신호 발생부(30)의 제2압전센서(31)의 공진 파형이 변화하여, 발진기(33)에서 출력되는 발진신호의 클럭수가 감소하게 된다(도 3a의 (a)). 본 도면에서 변화되기 이전의 파형은 점선으로 표시하였으며, 변화된 파형은 실선으로 표시하였다. 이와 같이 제2압전센서(31)의 공진 파형이 변화함에 따라, 트리거 신호의 주기도 길어진다(도 3a의 (f)).
한편, 제1센서부(10)의 제1압전센서(11)도 주변 환경 요인에 의하여, 마찬가지 공진 파형이 변화하여, 발진기(13)에서 출력되는 발진신호의 클럭수가 감소하게 된다(도 3b의 (a)). 본 도면에서 변화되기 이전의 파형은 점선으로 표시하였으며, 변화된 파형은 실선으로 표시하였다.
그러나, 카운터(15)에 입력되는 트리거 신호 주기도 마찬가지 비율로 길어지기 때문에(도 3b의 (c)), 상기 변화된 트리거 신호 주기 사이에 발생된 상기 제1전압비교기(14)의 출력 클럭신호를 계수한 결과는, 도 2d의 (d)에 도시되어 있는 바와 같이 주변 환경이 변화하기 이전에 계수한 클럭신호의 수와 동일하다.
즉, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등과 같은 요소가 압전센서에 영향을 미치더라도, 상기 센서부(10, 20)의 제1압전센서(11, 21), 및 트리거 신호를 발생시키는 상기 트리거 신호 발생부(30)의 제2압전센서(31)에 동일하게 영향을 미치기 때문에, 트리거 신호 주기 사이에 발생된 제1전압비교기(14)의 출력 클럭신호를 계수한 결과는 변동이 없다. 따라서, 상기한 바와 같은 주변 환경 요소에 의하여 발생되는 압전센서의 오차를 제거할 수 있으며, 주변 환경 요소에 의한 신호 변화를 보정할 필요가 없다.
도 5a 및 도 5b는 센서부(10)의 수용체에 특정 단백질이 결합하여 센서부(10)의 발진 클럭 개수가 변화한 경우에, 상기 센서부(10)의 클럭 개수를 측정하는 과정을 설명하기 위한 파형도이다. 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 생체물질 검출 장치 중에서 제1센서부(10)의 압전기판(12) 및 트리거 신호 발생부(30)의 압전기판(31)을 모두, 상기 제1센서부의 상기 압전기판(12) 상에 부착된 수용체(5-1)와 특이적으로 결합하는 특정 단백질이 포함되어 있는 시료 챔버(8) 내 바닥면에 설치한 상태에서, 센서부(10)의 수용체(5-1)에 특정 단백질이 결합한 것으로 가정한다.
우선, 트리거 신호 발생부(30)에서는 도 5a에 도시되어 있는 바와 같은 과정으로 거쳐서 트리거 신호를 발생한다(도 5a의 (f)). 상기 트리거 신호 발생 과정은 도 2a와 관련하여 이미 설명하였으므로, 여기에서는 구체적인 설명을 생략한다.
한편, 제1센서부(10)의 제1압전센서(11)는 상기 수용체(5-1)에 결합된 단백질로 인하여 공진 파형이 변화한다(도 5b의 (a)). 본 도면에서 변화되기 이전의 파형은 점선으로 표시하였으며, 변화된 파형은 실선으로 표시하였다.
상기 제1센서부(10)의 카운터(15)에서는 입력되는 트리거 신호 주기(도 5b의 (c), 이는 도 5a의 (f) 파형과 동일함) 동안에 발생된 상기 제1전압비교기(14)의 출력 클럭신호를 계수하여, 상기 제1전압비교기(14)의 클럭신호의 클럭 개수를 계산한다(도 5b의 (d)). 이때 계수한 클럭신호의 수는, 특정 단백질이 결합하기 이전보다 감소함을 알 수 있다. 즉, 센서부(10)의 압전기판(11)의 공진 신호의 클럭 개수는 특정 단백질이 결합함에 따라 감소함을 알 수 있다.
상기 카운터(15)에서 측정된 클럭 개수는 연산부(40)로 입력되고, 상기 연산부에서는 상기 클럭 개수에 따라 상기 수용체에 결합한 생체물질의 양을 계산할 수 있다. 예를 들어, 상기 압전기판(11)에 결합되는 생체물질의 중량과 이에 따른 발진 클럭 개수 사이의 관계를 미리 실험적으로 구하고, 이를 이용하여 상기 연산부(40)에서 상기 카운터(15)에서 계산한 클럭 개수 값으로부터 상기 수용체에 결합한 생체물질의 양을 추정할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 압전기판에 부착된 수용체에 결합하는 생체물질의 양 을 구하는 것으로 구성하였으나, 상기 압전기판에 부착된 수용체에 결합하지 않는 물질에 대해서도 그 양을 측정할 수 있다. 예를 들어, 특정 효소에 의하여 독소물질(toxin)이 생성되는 경우, 상기 독소물질에 의하여 시료의 점도가 증가하고, 상기 점도가 증가된 시료에 의하여 압전기판에 가해지는 압력이 증가된다. 따라서, 상기 압전기판에 가해지는 압력의 변화에 따라서 압전기판의 공진 신호의 클럭 개수가 변화하며, 상기 공진 신호의 클럭 개수의 변화를 감지하여, 상기 시료의 점도 및 상기 독소물질의 밀도 등을 추정할 수 있다.
도 6은 상기한 바와 같이 효소가 발생시킨 독소물질을 검출하기 위하여 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치를 시료 챔버 내에 설치한 모습을 도시한 것이다. 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치 중 제1센서부(10)의 제1압전센서(11)의 압전기판(12), 및 트리거 신호 발생부(30)의 압전기판(32)을 각각 다른 챔버(8-1, 8-2) 내 바닥변에 설치한다. 여기에서, 상기 챔버(8-1, 8-2) 내에는 동일한 완충액이 담겨 있으며, 상기 제1압전센서(11)의 압전기판(12)에는 독소물질을 생성하는 효소(5-3)가 결합되어 있다.
시간이 경과함에 따라, 상기 효소(5-3)로부터 독소물질이 방출되고, 상기 독소물질로 인하여 상기 챔버(8-1) 내 완충액의 점도가 증가하며, 이에 따라 상기 점도가 증가된 완충액(챔버 8-1 내의 완충액)에 의하여 상기 압전기판(12)에 가해지는 압력이 증가된다. 따라서, 상기 압전기판(12)에 가해지는 압력의 변화에 따라서 압전기판(12)의 공진 신호의 클럭 개수가 변화하며, 상기 공진 신호의 클럭 개수의 변화를 감지하여, 상기 챔버(8-1) 내에 들어있는 완충액의 점도 및 상기 독 소물질의 양 등을 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 생체물질 검출 장치 및 검출 방법에 의하면, 압전 센서를 이용하여 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 동물 세포, 식물 세포, 조직 등의 생체물질 및 생체물질에 의하여 발생된 가스 및 독소 등의 생성물의 정성 및 정량 분석에 사용할 수 있다.
특히, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등이 센서부의 압전센서 및 트리거 신호 발생부의 압전센서에 동일하게 영향을 미치므로, 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등에 의하여 오차가 발생하는 것을 방지한다.
또한, 압전센서의 발진신호를 디지털 신호로 변환하여, 신호처리하기 때문에 회로의 크기를 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치는, 생체물질 등의 유무 및 그 양을 측정하여 질병을 진단하거나 모니터링하기 위한 생체 센서에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치의 구성도.
도 2a는 본 발명에 사용되는 트리거 신호 발생부의 트리거 신호 발생 과정을 도시한 파형도.
도 2b는 트리거 신호 발생부에서 사용되는 분주기에 의하여 클럭의 주기가 길어지는 과정을 설명하기 위한 파형도.
도 2c는 트리거의 논리 회로의 구성을 도시한 것.
도 2d는 센서부에서 발생되는 발진신호의 클럭의 개수를 측정하는 과정을 설명하기 위한 파형도.
도 3a 및 도 3b는 각각 주변 환경의 온도변화 및 압력변화 등이 센서부의 압전센서 및 트리거 신호 발생부의 압전센서에 미치는 영향을 설명하기 위한 파형도.
도 4는 시료 내의 생체물질을 검출하기 위하여 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치를 시료 챔버 내에 설치한 모습을 도시한 것.
도 5a 및 도 5b는 센서부의 수용체에 생체물질이 결합하여 센서부의 발진 클럭의 개수가 변화한 경우에, 상기 센서부의 클럭의 개수를 측정하는 과정을 설명하기 위한 파형도.
도 6은 효소가 발생시킨 독소물질을 검출하기 위하여 본 발명에 따른 생체물질 검출 장치를 시료 챔버 내에 설치한 모습을 도시한 것.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 제1센서부 20 : 제2센서부
30 : 트리거 신호 발생부 40 : 연산부
11, 21, 31 : 압전센서 12, 22, 32 : 압전기판
13, 23, 33 : 발진기 14, 24, 34 : 전압비교기
15, 25 : 카운터 36 : 분주기(Divider)
37 : 트리거 1 : 트리거의 제1입력부
2 : 트리거의 제2입력부 3 : 트리거의 출력부
5-1, 5-2 : 수용체 5-3 : 효소
8, 8-1, 8-2 : 챔버

Claims (12)

  1. 생체물질이 압전물질에 가하는 압력에 따라 발생되는 발진신호의 클럭신호의 개수를 측정하는 센서부;
    상기 센서부에서 측정한 클럭신호의 개수에 따라 상기 생체물질의 양을 계산하는 연산부; 및
    트리거 신호를 발생하는 트리거 신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는생체물질 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 생체물질이 압전물질에 가한 압력에 따라 발진신호를 발생하는 제1압전센서;
    상기 제1압전센서에서 발생되는 발진신호와 소정의 전압치를 비교하여 클럭신호를 발생하는 제1전압비교기; 및
    상기 트리거 신호 발생부가 발생하는 트리거 신호를 입력받으며, 상기 트리거 신호 사이에 발생되는 상기 제1전압비교기의 클럭신호를 계수하여 상기 제1전압비교기의 클럭신호의 개수를 측정하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 트리거 신호 발생부는,
    압전물질에 가해진 압력에 따라 발진신호를 발생하는 제2압전센서;
    상기 제2압전센서에서 발생되는 발진신호와 소정의 전압치를 비교하여 클럭신호를 발생하는 제2전압비교기;
    상기 제2전압비교기에서 발생된 클럭신호의 주기를 늘려주는 분주기; 및
    상기 분주기의 출력신호로부터 트리거 신호를 발생시켜 상기 카운터로 전송하는 트리거를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1압전센서 및 상기 제2압전센서는 동일한 종류의 압전센서인 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1압전센서는 특정 생체물질과 결합하는 수용체가 부착되어 있고,
    상기 제2압전센서는 생체물질과 결합할 수 있는 수용체가 부착되어 있지 아니한 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1압전센서는 특정 생체물질을 생성하는 효소가 부착되어 있고,
    상기 제2압전센서는 생체물질을 생성하는 효소가 부착되어 있지 아니한 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제1압전센서 및 상기 제2압전센서는,
    SAW(surface acoustic wave, 표면탄성파) 필터,
    SAW 발진기(SAW resonator),
    QCM(quartz crystal microbalance, 수정 결정 미소저울),
    캔티레버, 또는
    FBAR(film bulk acoustic resonance, 박막 용적 탄성 공진기) 필터인 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서부는 복수개 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 장치.
  9. 생체물질과 결합할 수 있는 수용체가 부착되어 있지 아니한 제2압전센서로부터 출력되는 발진신호를 소정의 전압치와 비교하여 클럭신호를 발생시키는 단계(a);
    상기 단계(a)의 클럭신호의 주기를 늘린 후, 주기가 늘어난 상기 클럭신호로부터 트리거 신호를 발생시키는 단계(b);
    생체물질과 결합할 수 있는 수용체가 부착되어 있는 제1압전센서로부터 출력되는 발진신호를 소정의 전압치와 비교하여 클럭신호를 발생시키는 단계(c);
    상기 단계(b)의 트리거 신호 사이에서 발생된 상기 단계(c)의 클럭신호를 계수하여, 클럭 개수를 측정하는 단계(d); 및
    상기 단계(d)에서 측정된 클럭의 개수로부터 상기 제1압전센서의 수용체에 결합된 생체물질의 양을 계산하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 방법.
  10. 생체물질을 생성하는 효소가 부착되어 있지 아니한 제2압전센서로부터 출력되는 발진신호를 소정의 전압치와 비교하여 클럭신호를 발생시키는 단계(a);
    상기 단계(a)의 클럭신호의 주기를 늘린 후, 주기가 늘어난 상기 클럭신호로부터 트리거 신호를 발생시키는 단계(b);
    생체물질을 생성하는 효소가 부착되어 있는 제1압전센서로부터 출력되는 발진신호를 소정의 전압치와 비교하여 클럭신호를 발생시키는 단계(c);
    상기 단계(b)의 트리거 신호 사이에서 발생된는 상기 단계(c)의 클럭신호를 계수하여, 클럭의 개수를 측정하는 단계(d); 및
    상기 단계(d)에서 측정된 클럭의 개수로부터 상기 제1압전센서의 효소에 의하여 생성된 생체물질의 양을 계산하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 제1압전센서 및 상기 제2압전센서는 동일한 종류의 압전센서인 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 방법.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 제1압전센서 및 상기 제2압전센서는, SAW 필터, SAW 발진기, QCM, 캔티레버, 또는 FBAR 필터인 것을 특징으로 하는 생체물질 검출 방법.
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