KR101050468B1 - 바이오 칩 및 이를 이용한 바이오 분자 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 칩 및 이를 이용한 DNA 또는 단백질 등의 바이오 분자 검출 시스템에 관한 것이다. 하부 구조물; 상기 하부 구조물 상으로부터 수직 방향으로 정렬되어 형성된 전도성 물질; 및 상기 전도성 물질에 부착되어 타겟 바이오 분자와 결합하는 프로브 바이오 분자;를 포함하고, 상기 하부 구조물은, 기판, 상기 기판의 양측부에 형성된 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역 그리고 상기 제1 불순물 영역 및 상기 제2 불순물 영역과 접촉되어 상기 기판 상에 형성된 게이트를 포함하는 바이오 칩과 이를 이용한 바이오 분자 검출 장치를 제공하여, 고밀도의 정밀한 바이오 분자의 검출 및 분포를 조사할 수 있다.

Description

바이오 칩 및 이를 이용한 바이오 분자 검출 시스템{Bio-Chip and Detection System of Biomolecular Using The Same}
도 1a는 본 발명에 의한 바이오 칩의 기본 구조를 나타낸 도면이다.
도 1b는 본 발명에 의한 바이오 칩의 하부에 신호의 전달 또는 전위 인가를 위한 트랜지스터 구조를 형성시킨 것을 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 기판 등의 하부 구조물 상에 수직 방향으로 형성시킨 탄소 나노튜브에 프로브 및 타겟 바이오 분자가 부착되는 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 탄소 나노튜브 상의 프로브와 타겟 바이오 분자와의 결합 유무에 따른 전하량의 변화를 전기적으로 측정하는 바이오 분자 검출 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 바이오 칩에 레이저 빔을 조사하여 프로브와 타겟 바이오 분자의 결합 정도를 분석하는 바이오 분자 검출시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 바이오 칩의 탄소 나노튜브 단부에 전이 금속 등의 촉매를 부착시키고, 외부 전자기장(electromagnetic field))을 인가하여 타겟 바이오 분자의 결합 여부를 분석하는 바이오 분자 검출 시스템을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 바이오 칩을 이용하여 프로브와 타겟 바이오 분자의 결합 여부를 표면 탄성파(surface acoustic wave)에 의해 검출하는 바이오 분자 검출 시스템을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10... 하부 구조물 11... 기판
12a... 제 1불순물(소스) 12b... 제 2불순물(드레인)
13... 절연층 14... 게이트
16... 전도성 물질
17... 프로브 바이오 분자 18... 기능성 물질
19... 타겟 바이오 분자
본 발명은 바이오 칩 및 이를 포함하는 DNA 또는 단백질 등의 바이오 분자 검출 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 트랜지스터 등의 하부 구조물 상에 탄소 나노튜브 또는 나노 와이어에 프로브(probe) 바이오 분자를 부착하여 높은 밀도를 지니며 고속 센싱이 가능한 바이오 칩 및 이를 이용한 바이오 분자 검출 시스템에 관한 것이다.
게놈 분석 프로젝트의 발전에 의해, 다양한 유기체의 게놈 뉴클레오티드의 서열이 밝혀지고 있다. 뉴클레오티드 서열의 정보에 기초한 전 게놈의 수준에서 유전자 발현 패턴 및 유전자 생성물의 기능을 조사하기 위한 새로운 연구가 현재 매 우 활발하게 진행중이다.
바이오 칩은 이와 같은 유전자 분석 프로젝트를 촉진시키는 수단으로 개발되어 왔으며, 핵산, 단백질, 다당류 등의 생물 분자, 효모 유전자, 배양된 세포 또는 기관에서의 유전자 발현 등을 분석하는 수단으로 사용되어왔다. 바이오 기술, 나노기술 및 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술의 융합에 의해 DNA 칩을 비롯한 바이오 칩이라는 새로운 기술 분야를 창조하였으며, 어레이(array) 형태의 DNA 칩과 단백질 칩의 초기 상품화 단계에 이르렀다.
최근에는 이러한 바이오 칩에 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, 검출, 분석 등의 모든 실험실 작업을 한 칩에 통합하려는 DNA-LOC 및 단백질-LOC 개발이 진행 중이다. (참조: Stuart F. Brown, Fortune, Oct. 11 1999, Good-bye Test Tubes Hello, Labs-on-a-Chip).
한편, 10년 전 일본의 한 현미경학자에 의해 발견된 탄소 나노튜브는 현재 소형화된 cathode-ray tube의 주요성분으로 역할을 하고 있으며 많은 분야에 응용되고 있다. 그 예로, Lieber 등은 나노미터 크기의 현미경 검사용 프로브 (microscopy probes) 제작을 위해 탄소 소재 나노튜브(carbon-based nanotube)를 사용하였으며(참조: USP 6159742, 2000, Charles M. Lieber, Stanislaus S. Wong, Adam T. Woolley, Ernesto Joselevich. NANOMETER-SCALE MICROSCOPY PROBES), Eklund 등은 요오드(iodine)로 탄소 나노튜브를 도핑(doping)하여 안정한 요오드가 도핑된 탄소 나노튜브 (iodine-doped carbon nanotube)나 금속으로 된 나노 크기의 섬유(metalic nanoscale fiber)를 제작할 수 있었다(참조: USP 6139919, 2000, METHALLIC NANOSCALE FIBERS FROM STABLE IODINE-DOPED CARBON NANOTUBES').
또한, Massey 등은 생분자-변형 작용기 나노튜브 (functional group biomolecule-modified nanotube)로 전자화학적발광 루테눔 착화합물 (electrochemiluminescent ruthenium complex) 들을 제작하였다(참조: USP 5866434, 1999, Richard J. Massey et al., GRAPHITIC NANOTUNES IN LUMINESCEN ASSAYS). 최근에는 탄소 나노튜브가 고밀도의 다용량의 바이오센서 개발에 응용되고 있다 (참조: 본 출원인의 한국 특허 출원 번호 제 2001-49033호 탄소나노튜브를 이용한 고용량의 바이오 분자 검출센서).
프로브를 기판 상에 부착시킨 바이오 칩은 단일 가닥의 DNA를 기판 상의 원하는 영역에서 합성하는 방법을 이용하거나 미리 제조된 단일 또는 이중 가닥의 DNA를 기판 상의 소정 영역에 스펏팅(spotting)하는 방법을 사용하였다. 그러나, 종래의 바이오 칩은 부착되는 생체 분자가 기판 상에 무작위로 배열될 우려가 크고, 그 부착되는 영역의 밀도도 낮기 때문에 정밀한 분석이 어려운 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 작은 면적에 다량의 프로브 바이오 분자를 결합하여 그 결합 밀도가 높으며, 정밀한 생물 분자 검출 및 센싱이 가능한 바이오 칩 및 이를 이용한 바이오 분자 검출 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
하부 구조물;
상기 하부 구조물 상으로부터 수직 방향으로 정렬되어 형성된 전도성 물질; 및
상기 전도성 물질에 부착되어 타겟 바이오 분자와 결합하는 프로브 바이오 분자;를 포함하고,
상기 하부 구조물은, 기판, 상기 기판의 양측부에 형성된 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역 그리고 상기 제1 불순물 영역 및 상기 제2 불순물 영역과 접촉되어 상기 기판 상에 형성된 게이트를 포함하는 바이오 칩을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 전도성 물질은 탄소 나노튜브 또는 봉형상의 금속 전도성 물질인 나노 와이어인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 구조물에는 하나 이상의 홀이 형성되며, 상기 전도성 물질은 상기 홀로부터 수직 방향 또는 특정 각도 방향으로 정렬되어 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 바이오 분자는 핵산, 단백질 또는 다당류로 상기 프로브 바이오 분자와 결합할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 구조물 상에 형성된 전도성 물질 상부에 형성된 마이크로 채널들을 더 포함할 수 있다.
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삭제
삭제
삭제
본 발명에 있어서, 상기 전도성 물질은 상기 제 1불순물 영역 또는 상기 제 2불순물 영역 상에 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 바이오 칩을 포함하여, 상기 프로브 바이오 분자에 대해 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 바이오 분자 검출 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서,
상기 전도성 물질에 전위를 인가하는 전위 인가부; 및
상기 프로브 바이오 분자와 상기 전도성 물질 사이의 캐패시턴스를 측정하여, 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 측정부;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프로브 바이오 분자 또는 상기 전도성 물질에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기; 및 상기 조사된 레이저 빔에 의해 상기 프로브 바이오 분자 또는 상기 전도성 물질에서 방출되는 광신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 디텍터;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 레이저 발생기에서 조사된 레이저 빔에 의해 상기 프로브 바이오 분자 또는 상기 전도성 물질에서 발생하는 전기 신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 전기 신호검출기;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 바이오 칩 하부에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기; 및 상기 조사된 레이저 빔의 조사에 의해 상기 바이오 칩 하부에서 방출되는 광신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 디텍터;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 레이저 발생기에서 조사된 레이저 빔에 의해 상기 바이오 칩에서 발생하는 전기 신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 전기 신호검출기;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 바이오 칩 상하부에 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기; 및 상기 전자기장 발생기에 의해 발생된 전자기장에 따라 상기 전도성 물질 또는 상기 프로브 바이오 분자에서 발생된 전기 신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자에 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 전기 신호 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 구조물은, 압전 기판; 상기 압전 기판 일측부에 형성되어 신호를 입력하는 신호 입력부; 및 상기 압전 기판의 타측부에 형성되어 상기 프로브 바이오 분자에 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부에 따른 신호의 변화를 감지하는 신호 출력부;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 구조물은 홀로그램 물질을 포함하며,
상기 바이오 칩에 물체광과 참조광을 조사하는 광 조사부; 및
상기 프로브 바이오 분자에 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부에 따른 전기 신호의 변화를 감지하는 전기 신호 검출부;를 포함할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 바이오 칩 및 이를 이용한 생체 분자 검출 시스템에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 의한 바이오 칩의 단위 구조를 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명에 의한 이용한 바이오 칩은 절연체 물질 또는 반도체 물질의 하부 구조물(10) 상에 수직으로 성장시킨 탄소 나노튜브 또는 금속 전도성 물질인 나노 와이어(nanowire) 등의 전도성 물질(16)에 프로브 바이오 분자(17)를 부착시킨 구조를 나타내었다. 그리고, 도 1b에서는 전도성 물질(16)이 기판(11) 상에 형성된 박막 트랜지스터 구조체의 제 1 불순물 영역(12a) 또는 제 2 불순물 영역(12b)과 연결된 구조를 제시하였다. 즉, 본 발명의 바이오 칩은 하부 구조물(10)로 박막 트랜지스터(thin film transistor) 구조체를 형성시킨 것을 사용할 수 있다.
이 경우, 박막 트랜지스터 구조체의 제 1불순물 영역(12a) 또는 제 2불순물 영역(12b)과 전기적으로 연결된 전도성 물질(16) 및 상기 전도성 물질(16)에 고착된 프로브 바이오 분자(17)를 포함한다. 여기서 트랜지스터 구조체는 실리콘 등의 기판(11)에 소정 불순물로 도핑된 제 1 불순물 영역(12a) 및 제 2 불순물 영역(12b)이 형성되며, 그 상부에 게이트(14)가 형성된 구조를 지니고 있다.
박막 트랜지스터 구조체는 종래의 일반적으로 사용되는 반도체 공정을 이용하여 용이하게 제조할 수 있다. 이를 간단히 설명하면 다음과 같다. 먼저 기판(11)을 마련하고 상기 기판 상에 게이트(14)를 형성하는 물질을 도포한 뒤, 그 양쪽을 식각하여 기판(11)의 양쪽 표면이 드러나도록 한다. 다음으로, 기판(11)의 양쪽 표면에 대해 소정 물질을 도핑하여 제 1 불순물 영역(12a) 및 제 2 불순물 영역(12b)을 형성시킨다. 그리고, 기판(11) 및 게이트 구조물(14) 상에 Al2O3나 산화물 등을 도포하여 절연층(13)을 형성시킨다. 이와 같은 공정은 종래의 트랜지스터 형성공정과 유사하다. 그리고 나서, 제 1 불순물 영역(12a) 또는 제 2 불순물 영역(12b)이 드러나도록 절연층(13)을 식각하여 홀을 형성시킨다. 형성된 홀 위치에 대해 열 화학 기상법, 플라즈마 보조 화학기상법으로 전도성 물질(16)을 수직 방향 또는 특정 각도 방향으로 성장시킨다.
상기한 바와 같은 공정을 어레이 형태로 제작하면 도 2a와 같이 박막 트랜지스터 어레이 상에 다수의 전도성 물질(16)이 수직으로 정렬된 형태로 나타난다. 이때, 각각의 전도성 물질(16)은 그 하부에 트랜지스터 구조체의 제 1 불순물 영역(12a) 또는 제 2 불순물 영역(12b)과 전기적으로 접촉된 형태가 된다. 그리고 나서, 도 2b와 같이 절연층(13) 표면에 수직 방향으로 성장된 전도성 물질(16)의 표면에 아미노기와 같은 관능기를 갖는 화합물, 즉 기능성 물질(18)을 코팅한다. 그리고 나서, 도 2b에 나타낸 바와 같이 이미 합성된 프로브 바이오 분자(17)를 전도성 물질(16)의 기능성 물질(18)에 부착시킨다. 이러한 고정화 방법은 직접 접촉법, 잉크 제트 법과 같은 압전 방법 또는 전기적 방법을 이용할 수 있다.
상기한 바와 같은 방법으로 본 발명에 의한 바이오 칩을 용이하게 형성시킬 수 있다. 결과적으로, 각각의 탄소 나노튜브 또는 나노 와이어 등의 전도성 물질(16)에 대해 프로브 바이오 분자(17)가 개별적으로 부착되어 프로브 바이오 분자(17)의 밀도는 형성된 트랜지스터 및 전도성 물질(16)의 집적도를 향상시킴으로써 얼마든지 조절이 가능하다.
다음으로, 본 발명에 의한 바이오 칩에 의해 핵산, 단백질 또는 다당류 등의 생물 분자 검출 시스템에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 여기서는 특히, 상기 생물 분자 중 변성이 쉽게 되지 않으며, 분석하기 용이한 DNA를 예를 들어 설명하고자 한다. 이러한 분석 시스템의 목적은 예를 들어, 프로브 DNA(16)가 배열되어 있는 바이오 칩에 대해 분석하고자 하는 DNA 시료(Target DNA:표적 DNA)를 접촉시켜, 도 2c와 같이 혼성화(hybridization)시키고, 그 혼성화 결과를 정확히 측정하고자 하는 것이다. 결과적으로, 분석하고자 하는 시료 내에 특정 서열을 지닌 DNA가 얼마나 분포하는지 측정하는 것이다.
도 3은 전도성 물질(16) 상의 프로브 바이오 분자(17)와 타겟 DNA(19)와의 결합 유무에 따른 전하량의 변화를 전기적으로 측정하여 타겟 DNA(19)의 결합 여부를 측정할 수 있는 바이오 분자 검출 시스템에 관한 도면이다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도 1a의 제 2 불순물 영역에 전도성 물질(16)을 형성시키고, 프로브 바이오 분자(17)를 부착시킨 경우, 도 3의 Vin에 일정 전압을 가하고 Vcontrol을 on시켜주면 C1에 가해지는 전압은 Vin과 같다. 이 상태에서, 바이오 칩에 대해 분석하고자 하는 DNA 시료(Target DNA:표적 DNA)를 접촉시키면, 타겟 DNA(19)가 프로브 바이오 분자(17)와 수소 결합을 하여 혼성화(hybridization)된다. 이때, DNA는 -로 대전되고, C1에 인가되는 전압은 Cv에 걸리는 전압과 전도성 물질 어레이에 인가되는 전압과 같다. 결합후 Vin을 off 시키면 Cv 값이 0이 되고 전도성 물질(16)에 인가되는 전압은 타겟 DNA 결합에 따른 전압이 된다. 즉, 전도성 물질(16)과 결합된 프로브 바이오 분자(17)와 타겟 DNA(19) 사이의 캐패시턴스가 변화하여 Cv 값이 얻어진다. 따라서, 캐패시턴스의 변화 값을 읽어 내어 이 변화량에 따른 바이오 칩 어레이 구조에서의 프로브 바이오 분자(17)와 타겟 DNA(19)의 결합 정도를 분석할 수 있다. Cv값의 변화를 측정하기 위해 외부에 별도의 차등 증폭기(미도시)를 더 포함하여 Cv 값의 변화량 또는 C1과 Cv의 차이값을 증폭하여 분석하는 것이 바람직하다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 바이오 칩을 이용하여 분석하고자 할 때, 레이저를 이용하여 프로브 바이오 분자(17)와 타겟 바이오 분자, 예를 들어 타겟 DNA(19)의 결합 정도를 분석하는 시스템을 도시한 것이다.
도 4a를 참조하면, 레이저 빔 발생기로부터 발생한 소정 파장의 레이저 빔을 초고속 X-Y 스캐너를 통하여 각각의 바이오 칩의 단위 셀 위치의 전도성 물질(16)에 형성된 프로브 바이오 분자(17)에 대해 미리 조사한다. 검출되는 광신호를 디텍터를 이용하여 각각의 위치에 따른 광신호를 입력해 둔다. 또한, 전도체인 전도성 물질과 연결된 전극에 의해 레이저 빔 조사에 의한 각 단위 셀에서의 전기 신호를 상기에서 언급한 절차에 의해 검출할 수 있다.
다음으로, 바이오 칩에 대해 분석하고자 하는 DNA 시료를 접촉시키면, 타겟 DNA(19)가 프로브 바이오 분자(17)와 수소 결합을 하면서 혼성화(hybridization)되도록 한다. 그리고 나서, 다시 위치에 따른 프로브 바이오 분자(17)와 타겟 DNA(19)의 결합 여부를 알아내기 위해 다시 동일한 파장을 지닌 레이저 빔을 조사한다. 타겟 DNA(19)와 프로브 바이오 분자(17)가 결합한 경우, 디텍터에 의해 검출된 광신호가 초기 값과 차이를 나타낸다. 또한, 혼성화 후의 전기 신호를 다시 검출하여 초기 값과의 차이를 비교할 수 있다. 이와 같은 값을 각 바이오 칩 단위 셀에 대해 측정하여 각각의 혼성화 여부, 즉 프로브 바이오 분자(17)와 타겟 DNA(19)의 결합 여부를 판별한다. 이에 따라, 분석하고자 하는 DNA의 검출, 분포 밀도를 분석할 수 있다.
도 4b는 도 4a와 달리, 바이오 칩 하부에서도 레이저 빔을 조사하여 각 바이오 칩 단위 셀에서의 출력 광신호를 외부 디텍터에 의해 검출하거나 전기 신호를 검출하는 것이다. 이는 상기 도 4a의 구성에서 기판 하부에도 레이저 빔 발생기를 위치시키고, 기판의 전반사 각에 가까운 각도로 각 단위 셀에 대해 레이저 빔을 조사하고, 산란된 레이저 빔에 의한 전기적 신호를 혼성화 전후로 측정하는 것이다. 따라서, 각 바이오 칩 단위 셀에서의 혼성화 여부 및 전체적인 바이오 칩 어레이에서의 혼성화 정도를 보다 정밀하게 분석할 수 있다.
도 4c는 바이오 칩 상에 미세 채널을 형성시키고 채널 내의 전도성 물질에 프로브 바이오 분자(17)를 부착시킨 형태를 나타낸 것이다. 이와 같은 구조는 어레이 형태의 바이오 칩을 형성시키는 경우, 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)에 기능성 물질을 코팅하는 공정을 한 후에, 채널 구조를 지닌 글래스 등을 원하는 영역에 얼라인 하여 장착시킨 것이다. 이와 같은 채널 구조를 지닌 바이오 칩 어레이 구조는 다양한 종류의 바이오 분자를 분석하고자 하는 경우 매우 유용하다. 즉, 분석하고자 하는 바이오 분자, 예를 들어 종류가 다른 바이러스의 경우에 각 영역에 해당하는 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16) 어레이를 형성하고, 각 영역에 종류가 다른 프로브 바이오 분자(17)를 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)에 고착시킨다. 만일, 분석하고자 하는 바이러스 종류가 다수인 경우에는 각 종류에 따른 채널 영역을 형성시키고, 그에 맞는 프로브 바이오 분자(17)를 영역별로 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)에 부착시켜 분석할 수 있다. 즉, 어레이 형태의 바이오 칩은 각 단위 셀의 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)에 대해 전체적으로 동일한 프로브 바이오 분자(17)를 부착시킬 수도 있고, 도 4c와 같이 마이크로 채널을 형성시켜 마이크로 채널 내부의 탄소 나노튜브에 각각 다른 프로브 바이오 분자(17)를 부착시켜, 종류에 따른 결합 정도를 측정할 수 있는 장점이 있다.
분석하고자 하는 시료는 채널의 한쪽 끝에서 투입하여 모세관 현상 또는 채널 양쪽 단부에서 전기장을 걸어주어 유체를 마이크로 채널 내부로 이동시키는 방법을 사용할 수 있다. 도 4c에서는 도 4a와 같이 기판 상부에서 레이저 빔을 조사하여, 출력되는 광신호 또는 전기 신호를 측정하여, 혼성화 정도를 측정하는 것을 도시하였으나, 상기 도 3, 또는 도 4b와 같은 분석 시스템을 모두 이용할 수 있다.
도 5는 도 1의 본 발명에 의한 바이오 칩의 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(6)의 단부에 전이 금속 등의 촉매를 부착시키거나, 촉매를 포함한 탄소나노튜브를 사용하여 외부 전자기장(electromagnetic field))을 인가하여 혼성화 정도를 분석할 수 있는 검출 시스템을 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 전자기장이 전이 금속 등의 촉매에 인가되면, 촉매에서 열 또는 전기 신호가 발생하여 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(6)를 통해 트랜지스터의 전도성 전극으로 전기 신호가 흐르게 된다. 이를 외부 전기 신호 검출기(미도시)에서 검출하여 타겟 DNA와 프로브 DNA와 같은 프로브 바이오 분자의 결합 정도, 즉 혼성화 정도를 측정할 수 있다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16) 단부에 전이 금속 등의 촉매를 부착시키고, 프로브 DNA와 같은 프로브 바이오 분자만 부착시킨 상태에서 외부 코일 등에 의해 전자기장을 가해주면 전기 신호가 검출된다. 이 상태를 초기값으로 지정하고, 분석하고자 하는 DNA 시료를 바이오 칩 어레이 상에 접촉시키면, 타겟 DNA(19)가 프로브 DNA와 같은 프로브 바이오 분자(17)와 수소 결합을 하여 혼성화(hybridization)된다. 그리고 나서, 다시 혼성화되거나, 혼성화되지 못한 DNA에 대해 전자기장을 가해준다. 그리하여, 각 바이오 칩 단위 셀에서의 혼성화 여부에 따른 전기 신호의 차이를 조사하여 각 위치에서의 혼성화 여부 및 전체 바이오 칩 어레이에서의 혼성화 밀도를 조사한다.
도 6은 본 발명에 의한 바이오 칩을 이용하여 프로브 DNA와 같은 프로브 바이오 분자(7)와 타겟 DNA의 결합 여부를 표면 탄성파(surface acoustic wave)에 의해 검출하는 바이오 분자 검출 시스템을 나타낸 도면이다. 이는 본 발명에 의한 바이오 칩의 형성시 압전 기판을 사용하여 홀을 형성시키고, 그 내부에 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)을 형성시킨 것으로, 압전 기판 양쪽에 인풋 라인과 아웃풋 라인을 각각 형성시킨 것이다. 여기서, 인풋 라인으로 전기적 신호를 가해주게 되면, 압전 기판 표면으로 표면 탄성파가 흐르게 되며, 이를 아웃풋 라인을 통해 검출할 수 있다. 이 경우, 프로브 DNA와 같은 프로브 바이오 분자(17)만 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)에 부착된 경우와 프로브 DNA와 같은 프로브 바이오 분자(17)에 타겟 DNA(19)가 부착된 경우의 아웃풋 라인을 통해 검출된 전기적 신호는 각각 차이가 생기게 된다. 따라서, 이러한 차이 값의 변화를 감지하여, 프로브 DNA와 같은 프로브 바이오 분자(17)에 부착된 타겟 DNA(19)의 상대적인 양을 검출하게 되는 것이다. 이때의 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)은 도 1과 같은 트랜지스터의 제 2 불순물 영역(12a)에 형성시키지 않고, 바로 압전체 기판을 사용하여 형성시킬 수도 있다.
또한, 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질(16)을 홀로그램 물질이 포함된 기판에 홀을 형성시켜, 홀 내부로부터 기판 상에 수직 방향으로 성장시키고, 프로브 바이오 분자(17)를 부착시켜 바이오 칩으로 사용할 수 있다. 그리하여 물체광(object beam)과 참조광(reference beam)을 조사한 뒤 검출되는 전기 신호의 변화를 혼성화 전후로 검출하여, 각각의 바이오 칩 단위 셀에서의 혼성화 여부 또는 바이오 칩 어레이에서의 혼성화 정도를 측정할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명은 다음과 같은 장점을 가지고 있다.
첫째, 수 나노 크기의 탄소 나노튜브 또는 나노 와이어와 같은 전도성 물질을 사용하여 프로브 바이오 분자를 부착시킴으로써, 다량의 바이오 분자의 검출이 가능하다.
둘째, 하나의 탄소 나노튜브 또는 나노 와이어에서 바이오 분자의 검출 여부를 조사할 수 있으므로, 정확한 생체 분자 검출 여부 및 검출 밀도를 조사할 수 있다.
세째, 다수의 바이오 칩 어레이에 마이크로 채널을 형성하여 동시에 여러 종류의 바이오 분자의 검출이 가능하다.
넷째, 여러 가지 방법으로 바이오 분자의 검출 여부를 바이오 칩의 각 단위 셀마다 검사가 가능하므로, 신뢰성 있는 검출 결과를 얻을 수 있다.

Claims (16)

  1. 하부 구조물;
    상기 하부 구조물 상으로부터 수직 방향으로 정렬되어 형성된 전도성 물질; 및
    상기 전도성 물질에 부착되어 타겟 바이오 분자와 결합하는 프로브 바이오 분자;를 포함하고,
    상기 하부 구조물은, 기판, 상기 기판의 양측부에 형성된 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역 그리고 상기 제1 불순물 영역 및 상기 제2 불순물 영역과 접촉되어 상기 기판 상에 형성된 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 탄소 나노튜브 또는 봉형상의 금속 전도성 물질인 나노 와이어인 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 구조물에는 하나 이상의 홀이 형성되며, 상기 전도성 물질은 상기 홀로부터 수직 또는 특정 각도 방향으로 정렬되어 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟 바이오 분자는 상기 프로브 바이오 분자와 결합할 수 있는 핵산, 단백질 또는 다당류인 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 구조물 상에 형성된 전도성 물질 상부에 형성된 마이크로 채널들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 상기 제 1불순물 영역 또는 상기 제 2불순물 영역 상에 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 바이오 칩을 포함하여,
    상기 프로브 바이오 분자에 대해 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전도성 물질에 전위를 인가하는 전위 인가부; 및
    상기 프로브 바이오 분자와 상기 전도성 물질 사이의 캐패시턴스를 측정하여, 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 프로브 바이오 분자 또는 상기 전도성 물질에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기; 및
    상기 조사된 레이저 빔에 의해 상기 프로브 바이오 분자 또는 상기 전도성 물질에서 방출되는 광신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 레이저 발생기에서 조사된 레이저 빔에 의해 상기 프로브 바이오 분자 또는 상기 전도성 물질에서 발생하는 전기 신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 전기 신호검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 바이오 칩 하부에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기; 및
    상기 조사된 레이저 빔의 조사에 의해 상기 바이오 칩 하부에서 방출되는 광신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 레이저 발생기에서 조사된 레이저 빔에 의해 상기 바이오 칩에서 발생하는 전기 신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자와 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 전기 신호검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 바이오 칩 상하부에 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생기; 및
    상기 전자기장 발생기에 의해 발생된 전자기장에 따라 상기 전도성 물질 또는 상기 프로브 바이오 분자에서 발생된 전기 신호를 측정하여 상기 프로브 바이오 분자에 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부를 검출하는 전기 신호 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 하부 구조물은,
    압전 기판;
    상기 압전 기판 일측부에 형성되어 신호를 입력하는 신호 입력부; 및
    상기 압전 기판의 타측부에 형성되어 상기 프로브 바이오 분자에 상기 타겟 바이오 분자의 부착 여부에 따른 신호의 변화를 감지하는 신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
  16. 제 8항에 있어서,
    상기 하부 구조물은 홀로그램 물질을 포함하여,
    상기 바이오 칩에 물체광과 참조광을 조사하는 광 조사부; 및
    상기 프로브 바이오 분자에 타겟 바이오 분자의 부착 여부에 따른 전기 신호의 변화를 감지하는 전기 신호 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 검출 장치.
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