KR101165860B1 - 생물학적 샘플에서 핵산을 검출하는 장치 및 방법 - Google Patents

생물학적 샘플에서 핵산을 검출하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 특히 생물학적 샘플에서 타겟 DNA의 검출을 포함하는, 하전된 개체를 수반하는 생물학적 처리의 전기장-보조된 가속화 장치 및 방법을 개시하고 있다. 반응 셀은 유전체 표면을 구비하고, 유전체 물질과 접촉하는 전극에 전위를 인가함으로써 유전체 물질에서 전하-분리를 유도하여 장을 발생시킨다.

Description

생물학적 샘플에서 핵산을 검출하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR DETECTING NUCLEIC ACID IN BIOLOGICAL SAMPLES}
본 발명은 생물학적 샘플에서 핵산을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기장-보조된(field-assisted) 핵산 혼성화를 사용하여 DNA 서열을 검출하는 신규한 장치 및 방법, 및 이러한 장치의 성능을 최적화하기 위한 방법에 관한 것이며, 또한 본 발명은 하전된 개체(entity)를 포함하는 임의의 생물학적 처리에 전기장-보조된 혼성화를 이용하는 데까지 확장된다.
고밀도의 폴리뉴클레오타이드(예, DNA 또는 RNA) 어레이(array) 기법의 출현으로 게놈 및 프로테오믹 분석의 기본 개념이 변형되었다. 대규모 임상 진단 시험 및 스크리닝 처리를 실질적인 용도에 사용하여 "도트 블랏(dot blot)"을 "유리 슬라이드 상의 어레이"로 전환시킨 후 DNA 마이크로어레이(또한 DNA 칩으로서 공지됨)로 변화시키는 것은 산업적인 면에서 큰 변화이었다. 잘-알려진 바와 같이, 기판 상에 미리결정된 배치 내의 반응 부위를 갖는 전형적인 마이크로어레이는, 반응 부위에 부착된 캡쳐(capture) 단편의 염기 서열에 대해 상보적인 염기 서열을 갖는 타겟 핵산 단편을 지닌 샘플에 노출되는 경우 결합 패턴을 나타낼 것이다. 결합 패턴 및 결합 효율은, 적절한 검출 메카니즘이 사용되는 경우, 광학 또는 전자적 방법(예컨대, 형광 라벨링, 전류 검출 또는 임피던스 측정이 포함될 수 있다)에 의해 검출될 수 있다.
전기적으로-보조된 핵산 혼성화의 사용은 DNA를 함유하는 생물학적 샘플, 예를 들어 혈액, 혈장, 뇨 등의 분석에 있어 공지된 기법이다. 통상적으로, DNA 검출을 위한 칩은 유리, 실리카 및 금속을 포함하는 다양한 물질 중 하나로부터 형성된다. 칩의 표면상에, 공지된 기술을 사용하여 많은 전기적 접촉이 형성된다. 생물학적 샘플에서 특정 DNA 서열을 검출하기 위해, 상보성 DNA 단편으로 이루어진 캡쳐 프로브(capture probe)가, 통상적으로 아가로스 겔인 부착 층에 의해 칩 표면에 부착된다. 만일 생물학적 샘플이 타겟 DNA를 함유한다면, 타겟 DNA는 혼성화에 의해 상기 상보성 DNA 단편에 결합될 것이고, 다양한 이미징 기법을 사용하여 이러한 혼성화 및 그에 따른 타겟 DNA의 샘플내에서의 존재를 검출할 수 있다.
종래 기술
전극을 사용함으로써, 핵산 단편이 전기적으로 하전되고 이에 따라 정전기적 인력에 의해 특정 부위로 끌려갈 수 있다. 또한 적절한 전류를 인가함으로써 혼성화 처리를 가속화할 수 있으며 이에 따라 검출 처리 또한 가속화된다. 그러나, 샘플의 전기화학적 분해 또는 전해의 위험성 때문에 전극을 핵산 단편과 직접 접촉시켜 사용하는 것은 불가능하다. 따라서, 통상적으로 미국 특허 제 5,605,662 호 및 제 6,306,348 호에 제시된 바와 같이 침투 층/부착 층이 일반적으로 전극에 코팅된다. 침투 층/부착 층은 일반적으로 다공성 물질, 예컨대 졸-겔 물질, 다공성 하이드로겔 물질, 다공성 산화물로 제조되어, 작은 이온의 선택적인 확산을 허용하고 캡쳐 프로브에 대한 부착 표면으로서 작용한다. 다공성 물질의 구멍의 크기는 일반적으로 너무 작아서, 보다 큰 핵산 단편은 통과하지 못하기 때문에, 핵산 단편과 전극의 직접적인 접촉이 감소된다.
침투 층/부착 층 아래의 전극에 전압이 인가되는 경우, 종래 기술의 장치는 샘플의 전기화학적 분해 없이 전기영동 운반 효과를 제공할 수 있고, 따라서 혼성화가 강화될 수 있다. 그러나, 전기적으로-유도된 혼성화를 가능하게 하는 상기 종래 기법에 단점이 없지는 않다. 예를 들어, 다공성 물질, 예컨대 하이드로겔 및 중합체는 수용액, 다양한 화학물질 및 수많은 주변 요소와 접촉되어 열화되기 쉽다. 졸-겔 물질의 제조는 값이 비싸고 복잡하여, 제조 비용을 증가시킨다. 또한, 다공성 물질은 성질상 부서지기 쉬우며 공기 중의 습한 탄화수소와 같은 바람직하지 않은 이물질을 흡착 및 포획하여, 장치의 보존 수명을 단축시킨다.
발명의 요약
본 발명에 따라서, 핵산 캡쳐 프로브의 부착을 위한 유전체 물질로 형성된 부착 표면을 포함하는 하나 이상의 반응 셀로 형성된 기판을 포함하고, 상기 유전체 물질과 집적 접촉된 금속 전극을 구비한, 샘플에서 타겟 핵산을 검출하는 장치가 제공된다. 샘플은 생물학적 물질을 포함할 수 있고, 샘플은 폐수, 용액 또는 시약일 수 있다. 또한, 샘플은 혈액, 혈장 또는 뇨와 같은 생물학적 샘플일 수 있다.
바람직하게는, 전극은 부착 표면 바로 아래, 즉 부착 표면과 반대쪽의 유전체 물질 면과 접촉하게 제공된다. 그러나, 유전체 물질 면과 접촉하거나 심지어 부착 표면 그 자체와 접촉하여 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 유전체 물질은 바람직하게는 산화물, 예컨대 Al2O3, SiO2 및 Ta2O5로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 금속 전극은 알루미늄으로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 장치는 제 1 베이스(base) 층, 상기 베이스 층 상에 형성된 제 2 절연 층, 상기 절연 층 상에 형성되고 하나 이상의 금속 전극을 한정하는 패턴화된 전도성 구역을 포함하는 제 3 층, 및 하나 이상의 유전체 물질 구역을 포함하는 제 4 층을 포함하는 다층 구조를 포함하되, 상기 제 3 층에서의 상기 금속 전극 각각이 상기 제 4 층에서의 유전체 물질 구역에 의해 커버될 수 있다. 바람직하게는, 제 3 층의 패턴화된 전도성 구역은 유전체 물질로 형성된 구역에 의해 분리된다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 제 4 층에서의 유전체 물질 구역은 패시베이션(passivation) 물질 구역에 의해 분리되고, 패시베이션 물질 구역은 상기 유전체 물질 구역의 가장자리까지 확장되어 상기 반응 셀을 한정할 수 있다.
또다른 넓은 양상에 있어서, 본 발명은 유전체 물질로 형성된 부착 표면을 갖는 반응 셀을 제공하는 단계, 상기 유전체 물질의 아래에 직접 접촉된 금속 전극을 제공하는 단계, 핵산 캡쳐 프로브를 상기 부착 표면에 부착시키는 단계, 샘플을 상기 반응 셀에 첨가하는 단계, 및 상기 전극에 전위를 인가하는 단계를 포함하는, 생물학적 샘플로부터의 핵산 타겟의 검출에서 전기장-보조된 혼성화를 수행하는 방법을 제공한다. 샘플은 생물학적 물질을 포함할 수 있고, 샘플은 폐수, 용액 또는 시약일 수 있다. 또한, 샘플은 혈액, 혈장 또는 뇨와 같은 생물학적 샘플일 수 있다.
전위는 연속식 전위로서 인가되거나, 또는 완만한 변화식 또는 펄스식 전위로서 인가될 수 있다.
또한, 또다른 넓은 양상에 있어서, 본 발명은 생물학적 반응의 수행시, 전기적으로-하전된 개체를 반응 셀의 표면으로 끌려가게하거나 또는 표면으로부터 반발시키는 방법으로서, 상기 표면으로서 유전체 물질을 제공하는 단계 및 상기 유전체 물질에서 전하-분리를 유도함으로써 전기장을 발생시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 전기적으로 하전된 개체는 핵산 분자일 수 있다.
또한, 또다른 양상에 있어서, 본 발명은 절연 기판 상에 금속 전극을 패턴화하는 단계, 상기 금속 전극 상에 유전체 물질 구역을 증착시키는 단계, 및 상기 유전체 물질 구역의 위쪽 표면 가장자리 주위로 테두리를 형성시켜 상기 반응 셀을 한정하는 단계를 포함하는, 생물학적 분석을 수행하기 위한 반응 셀의 어레이를 형성하는 방법으로 확장된다.
바람직하게는, 예를 들어, 상기 방법은 절연 표면 상에 금속 층을 증착시키는 단계, 바람직한 패턴의 상기 금속 층을 포토레지스트로 커버하고 에칭 공정에 의해 상기 금속 층의 잔여물을 제거하는 단계, 상기 패턴화된 금속 상에 유전체 물질 층을 증착시켜 상기 유전체 물질이 상기 패턴화된 금속을 커버하고 상기 패턴화 된 전극 사이의 영역을 채우는 단계, 상기 유전체 물질 층 상에 패시베이션 층을 증착시키는 단계, 상기 패시베이션 층을 포토레지스트로 패턴화하는 단계 및 상기 패시베이션 층을 제거하여, 상기 금속 전극을 커버하고 있는 상기 유전체 물질을 노출시켜 반응 셀을 한정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시양태가 첨부된 도면과 관련하여 하나의 보기로서 후술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 칩의 단면도이다.
도 2는 도 1과 유사하지만, 사용시 칩을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시양태의 기본 원리를 나타내는 개략도이다.
도 4A 및 4B는 가능한 제조 공정 단계를 도시하고 있다.
도 5(a) 및 (b)는 제 1 시험 결과를 나타내고 있다.
도 6(a) 및 (b)는 제 2 시험 결과를 나타내고 있다.
도 7(a) 내지 (c)는 제 3 시험 결과를 나타내고 있다.
도 1은 샘플-함유 완충액을 수용하는 세 개의 셀을 포함하는 본 발명의 실시양태의 일부분을 나타내지만, 임의의 수의 셀이 제공될 수 있고, 일반적으로 이들은 직사각형 어레이로 형성되는 것으로 이해될 것이다.
본 발명의 실시양태에 따른 장치는 통상적인 증착 기법을 사용하여 규소 기판 상으로 순차적으로 증착되어 제조된다. 먼저, 열적 산화를 포함한 임의의 적합한 기법 또는 스퍼터링, 전자 빔 증발 등과 같은 임의의 적합한 증착 기법에 의해 약 200nm 내지 500nm 두께의 SiO2로 형성된 절연 층이 Si 기판 상에 형성된다(도 4A(a)). 절연 층의 상부에서, 임의의 통상적인 증착 기법을 사용하여 약 500nm 내지 1000nm 두께의 알루미늄 층이 다시 형성된다(도 4A(b)).
일단 알루미늄 층이 형성되면, 포토레지스트 층을 사용하여 패턴화하고(도 4A(c)), 마스킹되지 않은(unmasked) 영역을 에칭에 의해 제거하고(도 4A(d)), 포토레지스트를 제거한다(도 4A(e)). 그 후, 상기 칩에 50 내지 500nm 두께로 Al2O3를 코팅하고, 이산화규소 기판 상에 형성된 알루미늄 구역 사이에 Al2O3 구역을 형성시킨다(도 4A(f)). 그 후, 플라즈마 강화된 화학적 증착 또는 이와 유사한 기법을 사용하여, (예컨대) Si3N4의 패시베이션 층을 Al2O3 상에 증착시킨다(도 4A(g)). 그 후, 패시베이션 층을 포토레지스트로 패턴화한 후(도 4B(h)), 반응 셀의 부착 표면이 되는 Al2O3 영역을 노출시키기 위해 패시베이션 층을 에칭한다(도 4B(i)). 최종적으로 포토레지스트를 제거한다(도 4B(j)).
이러한 제조 공정의 결과가 도 1의 다층 구조이다. 알루미늄 구역은 이산화규소의 절연 층 상에 형성되고, 이러한 알루미늄 구역은 Al2O3에 의해 분리된다. 알루미늄 구역 상에 위치하고 패시베이션 물질 Si3N4에 의해 서로 분리된 Al2O3 구역을 포함하는 층이 알루미늄 및 Al2O3 층의 상부에서 형성되는데, 이때 패시베이션 물질 Si3N4는 이보다 더 아래의 층 상의 알루미늄 구역을 분리하는 Al2O3 구역을 커버한다. 또한, 패시베이션 물질은 확장되어 Al2O3 상부의 가장자리를 커버하여 분석을 위해 배치될 생물학적 샘플에 대한 표면을 한정한다.
따라서, 도 1에 도시된 예에서 칩은, 하부의 알루미늄 패드와 함께 Al2O3로 각각 형성된 세 개의 셀(1 내지 3)로 형성되는 것으로 이해될 것이다. 도 1에 나타내지는 않았지만, 알루미늄 구역이 에칭에 의해 형성되는 경우, 전위가 알루미늄 구역에 인가되도록 전기적 접촉부가 또한 형성될 수 있다.
일단 도 1의 칩이 제조되면, 다수의 상이한 생물학적 시험 및 분석에 대한 기본으로서 이를 사용할 수 있다. 특히 도 1에서의 각각의 셀(1 내지 3)은 도 2에 도시된 바와 같이 적합한 캡쳐 프로브를 구비할 수 있다. 수행되는 시험에 따라, 각각의 셀은 동일한 캡쳐 프로브 또는 상이한 캡쳐 프로브를 구비할 수 있고, 이때 상기 캡쳐 프로브는, 시험되거나 분석될 샘플 중의 단편과 상보적인 핵산 단편을 갖는다. 도 2의 예에서, 세 개의 셀(1 내지 3)은 모두 동일하며, 상기 세 개의 셀을 모두 커버하도록, 상기 셀에 샘플 함유 완충액의 소적을 가한다.
당해 분야의 숙련자에 의해 이해되는 바와 같이, 샘플이 캡쳐 프로브에 상보적인 핵산 단편을 함유한다면, 이들은 혼성화 처리에 의해 캡쳐 프로브에 결합될 것이고, 이는 공지된 기법에 의해 검출될 수 있다. 핵산 단편이 전기적으로 하전되기 때문에, 부착 표면 및 캡쳐 프로브 쪽으로 목적하는 핵산 단편을 끌어당기는 전기장을 제공함으로써 상기 혼성화를 강화할 수 있다. 이를 수행할 수 있는 메카니즘은 도 3에 나타나 있다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 전위가 셀 하부의 알루미늄 전극에 인가된다면, Al2O3는 유전체 물질이기 때문에 전하 분리가 Al2O3 내에서 일어나고, 이들의 극성은 Al2O3 아래의 알루미늄 전극에 인가된 전압의 극성에 따라 좌우될 것이다. 도 3의 왼편에 도시된 바와 같이, 양전위가 알루미늄 전극에 인가된다면, 또한 Al2O3의 위쪽 표면은 음으로 하전된 단편을 끌어당기고 양으로 하전된 단편을 반발하는 양전위를 가질 것이다. 반대로, 도 3의 오른편에 도시된 바와 같이, 음전위가 알루미늄 전극에 인가된다면, 또한 Al2O3의 위쪽 표면은 양으로 하전된 단편을 끌어당기고 음으로 하전된 단편을 반발하는 음전위를 가질 것이다. 따라서, Al2O3 부착 표면과 직접 접촉하고 직접적으로 바로 아래 위치한 알루미늄 전극에 선택적으로 전위를 인가하여 핵산 단편의 선택적 인력/반발을 가능하게 하고, 따라서 전기적으로-유도된 혼성화가 가능하다. 전위는 다수의 상이한 방식으로 인가될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 전위는 일정한 연속식 전위일 수 있고, 완만한 변화식이거나 또는 규칙적인 펄스 또는 임의의 바람직한 패턴의 펄스일 수 있다.
적어도 바람직한 형태에 있어서 본 발명의 특별한 장점은, 종래 기술과 대조적으로, 샘플 용액과 유전체 층의 표면 사이에 전자 이동이 존재하지 않기 때문에, 바람직하지 않은 전기화학적 반응 및/또는 전해가 완전하게 방지될 수 있다는 점이다. 따라서, 핵산 단편은 전기화학적 분해 없이 부착 표면으로 전기적으로 끌려갈 수 있다. 적어도 바람직한 형태에 있어서, 본 발명의 전기장-보조된 혼성화 방법 및 장치의 추가의 중요한 장점은, 샘플의 염 농도 및 pH 값이 변화되지 않을 것이라는 점이다. 이러한 파라미터는 혼성화 효율 및 혼성된 핵산 단편의 안정성에 영향을 주는 중요한 요소이다. 종래 기술의 전기적으로-보조된 혼성화 기법은 상기 효과를 보상하기 위해 요구되는 전기화학적 반응 및 다른 기법, 예컨대 특정 완충액으로 인해 염 농도 및 pH의 상당한 변화를 일으킨다. 본 발명의 추가의 장점은 전기화학적 반응이 일어나지 않는다는 점이고, 결국 이는 검출 처리에 수반되는 용액/시약이 교란되지 않을 것이라는 점을 의미한다. 검출 처리 동안 기포 형성 및/또는 침전이 존재하지 않을 것이며, 이는 검출된 신호의 질을 개선시키는데 중요한 것이다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시양태를 핵산 단편의 검출시 가속화된 혼성화와 관련하여 기술하였지만, 본 발명은 전기적으로-하전된 개체를 포함하고, 상기 개체를 표면으로 끌려가게하거나 또는 표면으로부터 반발시킴으로써 상기 전기적으로-하전된 개체의 이동을 조절할 수 있는 것이 바람직한 임의의 생물학적 방법에 보다 일반적으로 적용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
도 5 내지 도 7은 셀 아래의 알루미늄 전극에 전위를 인가하거나 또는 인가하지 않으면서 도 1 내지 3의 구조를 사용한 다수의 실험 결과를 도시하고 있다. 상기 모든 예에서 반응 시간, 인가된 전압 및 다른 파라미터는 순전히 예시적인 것이며, 필요한 경우 변화될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
도 5 (a) 및 (b) 모두는, 알루미늄 전극에 전위가 인가되지 않고, 따라서 전기적 보조없이 혼성화가 진행되는 대조군을 나타내고 있다. 이러한 예에서, 샘플 중의 타겟 올리고머는 합성 β-액틴(91개의 염기, 순수)이고, 혼성화 시간은 90분이다. 타겟 올리고머는 도 5(a)의 샘플에만 존재하고 도 5(b)의 샘플에는 존재하지 않는다. 도 5(a) 또는 도 5(b) 둘 다에서, 알루미늄 전극에 전위가 인가되지 않지만, 도 5(a)의 샘플 중의 타겟 올리고머의 존재로 인해 도 5(b)보다 도 5(a)에서 셀이 분명히 더 진해졌다.
도 6(a) 및 도 6(b)에서의 조건은, 도 6(a)의 샘플에는 동일한 타겟 올리고머가 제공되고, 도 6(b)에는 아무런 타겟 올리고머도 제공되지 않는다는 점에서 도 5(a) 및 도 5(b)와 동일하다. 그러나, 이러한 예에서 +10V의 전위가 알루미늄 전극에 인가되고 혼성 시간은 10분으로 감소된다. 도 5(a)와 도 6(a)를 비교하면, 도 6(a)에서의 셀은 혼성화 시간이 실질적으로 감소되었음에도 불구하고 훨씬 더 진해진 것이 분명히 보이며, 이는 혼성화 가속시의 인가된 전압의 유효성을 입증해준다. 타겟 올리고머가 존재하지 않는 도 5(b)와 6(b)의 유사성은 인가된 전압으로 임의의 잘못된 긍정적 결과가 야기되지 않음을 보여준다.
도 7(a) 내지 (c)는 샘플 중의 타겟 올리고머가 조류 인플루엔자 바이러스(AIV) H5 아형(subtype)(다른 비특이적 올리고머와 혼합된 250개의 염기)인 세번째 예를 보여주고 있다. 도 7(a) 내지 (c)에서, 세 가지 경우 모두 혼성화 시간은 10분이다. 도 7 (a) 내지 (c)의 차이점은 다음과 같다: 도 7(a)에서는 타겟 올리고머가 샘플 중에 존재하며, +10V의 전위가 셀 아래의 알루미늄 전극에 인가되고; 도 7(b)에서는 타겟 올리고머가 샘플 중에 존재하지 않으며, +10V의 전위가 셀 아래의 알루미늄 전극에 인가되고; 도 7(c)에서는 타겟 올리고머가 샘플 중에 존재하지만, 셀 아래의 알루미늄 전극에 전위가 인가되지 않는다. 상기 예는 단지 10분의 혼성 시간과 전극에 +10V 전위를 인가하는 것이 혼성화를 가속시키고 강한 신호를 생성시킴을 다시 한번 더 보여준다(도 7(a)의 셀 중 매우 진한 영역). 비교하자면, 도 7(b)(타겟이 없고 전위가 인가됨)와 도 7(c)(타겟이 있지만 전위가 인가되지 않음) 간의 생김새의 유사성은 전기적으로 보조된 혼성화 없이 동일한 시간(10분) 내에 효과적인 혼성화를 달성하는 것이 불가능함을 보여준다.
적어도 이의 적용된 형태에 있어서, 본 발명은 대다수의 가능한 용도에 적용될 수 있으며, 높은 성능과 더 빠른 속도로 핵산의 전기장-보조된 혼성화 및/또는 다른 생물학적 처리가 가능하고, 단순한 저가 장치를 제공한다. 본 발명은 전위가 인가되는 전극과 접촉한 유전체 물질 중의 전하-분리 원리를 사용한다. 상기 기재한 실시양태에서, 전극은 알루미늄이고 유전체 물질은 Al2O3이지만, 금속 전극 및 유전체 부착 표면의 다른 조합도 또한 가능하다. 예를 들어, SiO2, Ta2O5가 부착 표면에 대한 산화물 계 유전체 물질로서 사용될 수 있다.
침투층을 사용하는 종래 기술의 장치와 대조적으로, 전극과 직접 접촉된 산화물 계 유전체 층은 견고하고, 치밀하며, 생물학적 반응에 일반적으로 사용된 대부분의 산, 알칼리 및 다른 시약에 대해 화학적으로 비활성인 구조를 제공한다. 또한, 상기 구조는 온도 및 습도와 같은 주변 요소에 대해 안정하며 물리적 손상을 덜 받을 수 있다. 본 발명의 장치는 제조 비용이 더 낮으며, 표준 증착 기법 및 다른 극소 전자 공학 제조 기법을 사용하여 매우 쉽게 제조될 수 있다. 또한, 실제로 본 발명의 장치의 제조에서 상기 극소 전자 공학 증착 및 제조 기법을 사용하는 것은, 동일하거나 유사한 기법을 사용하여 제조된 다른 장치로 상기 장치가 용이하게 혼입될 수 있는 장점을 가진다.

Claims (34)

  1. 하나 이상의 반응 셀로 형성된 기판을 포함하는, 샘플에서 타겟 핵산을 검출하는 장치로서, 상기 반응 셀은 핵산 캡쳐 프로브(capture probe)의 부착을 위한 부착 표면을 한정하는 유전체 물질로 형성된 층을 포함하고, 금속 전극이 상기 유전체 물질로 형성된 층과 직접 접촉하도록 제공되어 있으며, 상기 유전체 물질로 형성된 층은 상기 금속 전극에 전위를 인가하면 상기 유전체 물질로 형성된 층과 상기 반응 셀 중의 샘플 사이에서 전류의 흐름이 발생하거나 전자의 이동이 일어나지 않으면서 상기 유전체 물질로 형성된 층 내에서 전하 분리가 일어나도록 하는 방식으로 구조화되는 것인, 샘플에서 타겟 핵산을 검출하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극이 상기 유전체 물질의 상기 부착 표면과 반대쪽 면과 접촉하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 물질이 산화물인 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유전체 물질이 Al2O3, SiO2 및 Ta2O5로 이루어진 군 중에서 선택된 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극이 알루미늄으로 형성된 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 물질이 Al2O3를 포함하고, 상기 전극이 알루미늄으로 형성된 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 베이스(base) 층, 상기 제 1 베이스 층 상에 형성된 제 2 절연 층, 상기 제 2 절연 층 상에 형성되고 하나 이상의 금속 전극을 한정하는 패턴화된 전도성 구역을 포함하는 제 3 층, 및 하나 이상의 유전체 물질 구역을 포함하는 제 4 층을 포함하는 다층 구조를 포함하되, 상기 제 3 층에서의 상기 금속 전극 각각이 상기 제 4 층에서의 유전체 물질 구역에 의해 커버된, 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 층의 패턴화된 전도성 구역이 유전체 물질로 형성된 구역에 의해 분리된, 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 4 층의 유전체 물질 구역이 패시베이션(passivation) 물질 구역에 의해 분리된, 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 패시베이션 물질 구역이 상기 유전체 물질 구역의 가장자리까지 확장되어 상기 반응 셀을 한정하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플이 생물학적 물질을 포함하는 장치.
  12. 하나 이상의 반응 셀로 형성된 기판을 포함하는, 샘플에서 타겟 생물학적 물질을 검출하는 장치로서, 상기 반응 셀은 유전체 물질로 형성된 표면을 포함하고, 금속 전극이 상기 유전체 물질과 직접 접촉되도록 제공되어 있으며, 상기 유전체 물질은 상기 금속 전극에 전위를 인가하면 상기 전극 및 상기 유전체 물질과 접촉하는 샘플 사이에서 전류의 흐름이 발생하거나 전자의 이동이 일어나지 않으면서 상기 유전체 물질 내에서 전하 분리가 일어나도록 하는 방식으로 구조화되는 것인, 샘플에서 타겟 생물학적 물질을 검출하는 장치.
  13. 부착 표면을 한정하는 유전체 물질로 형성된 층을 갖는 반응 셀을 제공하는 단계, 상기 유전체 물질로 형성된 층과 직접 접촉된 금속 전극을 제공하는 단계, 핵산 캡쳐 프로브를 상기 유전체 물질로 형성된 층에 부착시키는 단계, 샘플을 상기 반응 셀에 첨가하는 단계, 및 상기 금속 전극에 전위를 인가하여 상기 유전체 물질로 형성된 층과 샘플 사이에서 전류의 흐름이 발생하거나 전자의 이동이 일어나지 않으면서 상기 유전체 물질로 형성된 층 중에서 전하 분리가 일어나도록 하는 단계를 포함하는, 샘플로부터의 핵산 타겟의 검출에서 전기장-보조된 혼성화(field-assisted hybridization)를 수행하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 부착 표면과 반대쪽의 상기 유전체 물질로 형성된 층의 표면과 접촉하도록 제공되는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 전위가 연속적으로 인가되는 전위인 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 전위가 직렬 펄스로서 인가되는 전위인 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 샘플이 생물학적 물질을 포함하는 방법.
  18. 생물학적 반응의 수행시, 전기적으로 하전된 개체(entity)를 반응 셀의 표면으로 끌려가게하거나 또는 표면으로부터 반발시키는 방법으로서,
    상기 표면을 한정하는 유전체 물질로 형성된 층을 제공하는 단계 및 상기 유전체 물질로 형성된 층과 샘플 사이에서 전류의 흐름을 발생시키거나 전자의 이동을 일으키지 않으면서 상기 유전체 물질로 형성된 층 중에서 전하 분리를 유도함으로써 전기장을 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    전극을 상기 유전체 물질로 형성된 층과 직접 접촉하도록 배치하고 상기 전극에 전위를 인가함으로써 상기 유전체 물질로 형성된 층 중의 전하 분리가 유도되는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    연속식 전위를 상기 전극에 인가하는, 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    펄스식 전위를 상기 전극에 인가하는, 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 전극은 하전된 개체가 끌려가거나 반발하는 표면과 반대쪽의 유전체 물질 표면과 접촉하도록 배치되는, 방법.
  23. 반응 셀에서 수행되는 생물학적 분자의 검출 처리를 가속화하는 방법으로서,
    상기 반응 셀의 부착 표면을 한정하는 유전체 물질로 형성된 층을 제공하는 단계 및 상기 유전체 물질로 형성된 층과 생물학적 분자 또는 생물학적 분자가 속한 매질 사이에서 전류의 흐름을 발생시키거나 전자의 이동을 일으키지 않으면서 상기 유전체 물질 중에서 전하 분리를 유도함으로써 전기장을 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    분자가 핵산 분자인 방법.
  25. 생물학적 분석을 수행하기 위한 반응 셀의 어레이(array)를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은 절연 기판 상에 금속 전극을 패턴화하는 단계, 상기 금속 전극 상에 유전체 물질 구역을 증착시키는 단계, 및 상기 유전체 물질 구역의 위쪽 표면 가장자리 주위에 테두리를 형성시켜 상기 반응 셀을 한정하는 단계를 포함하고, 상기 유전체 물질은 상기 금속 전극에 전위를 인가하면 상기 전극과 반응 셀 중의 샘플 사이에서 전류의 흐름이 발생하거나 전자의 이동이 일어나지 않으면서 상기 유전체 물질 중에서 전하 분리가 일어나도록 하는 방식으로 증착된 것인, 생물학적 분석을 수행하기 위한 반응 셀의 어레이를 형성하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    절연 표면 상에 금속 층을 증착시키는 단계, 목적하는 패턴의 상기 금속 층을 포토레지스트로 커버하고 에칭 공정에 의해 상기 금속 층의 나머지 부분을 제거하여 패턴화된 금속을 형성하는 단계, 상기 패턴화된 금속 상에 유전체 물질 층을 증착시켜 상기 유전체 물질이 상기 패턴화된 금속을 커버하고 상기 패턴화된 금속 사이의 영역을 채우도록 하는 단계, 상기 유전체 물질 층 상에 패시베이션 층을 증착시키는 단계, 상기 패시베이션 층을 포토레지스트로 패턴화하는 단계, 및 상기 패시베이션 층을 제거하여 상기 금속 전극을 커버하고 있는 상기 유전체 물질을 노출시켜 상기 반응 셀을 한정하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제 13 항에 있어서,
    상기 전극이 상기 부착 표면과 반대쪽의 상기 유전체 물질로 형성된 층의 면과 접촉하는, 방법.
  28. 제 13 항에 있어서,
    상기 유전체 물질이 산화물인 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 유전체 물질이 Al2O3, SiO2 및 Ta2O5로 이루어진 군 중에서 선택되는 방법.
  30. 제 13 항에 있어서,
    상기 전극이 알루미늄으로 형성된 방법.
  31. 제 13 항에 있어서,
    상기 유전체 물질이 Al2O3를 포함하고, 상기 전극이 알루미늄으로 형성된 방법.
  32. 제 13 항에 있어서,
    상기 유전체 물질로 형성된 층이 상기 샘플 중의 분자에 대하여 비침투성인, 방법.
  33. 제 18 항에 있어서,
    상기 유전체 물질로 형성된 층이 전기적으로 하전된 개체를 함유하는 샘플 중의 성분에 대하여 비침투성인, 방법.
  34. 제 23 항에 있어서,
    상기 유전체 물질로 형성된 층이 상기 생물학적 분자를 함유하는 샘플 중의 성분에 대하여 비침투성이고 비다공성인, 방법.
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