KR101304323B1 - 자기 센싱 방식을 이용한 생체물질 분석장치 - Google Patents

Abstract

생체물질 분석장치 및 이에 적용가능한 자기 센서가 제공된다. 본 생체물질 분석장치는, 자기장 인가부 및 타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 물질에 의한 자기장 인가부에 인가되는 자기장의 변화를 감지하는 자기 센서를 포함하고, 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장과 자기 센서의 각도는 조정가능하다. 이에 의해, 타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 물질에 의한 자기장의 변화를 감지 센서로 감지하되 자기장과 자기 센서의 각도가 조정가능할 수 있어, 비교적 높은 감도로 자기장 감지를 분별력 있게 수행할 수 있게 된다.

Description

자기 센싱 방식을 이용한 생체물질 분석장치 {Apparatus for analyzing bio material using magnetic sensing method}

본 발명은 생체물질 분석장치 및 이에 적용가능한 자기 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기 센서를 이용하여 샘플 내의 생체물질 농도를 파악하는 생체물질 분석장치 및 이에 적용가능한 자기 센서에 관한 것이다.

생명공학, 의학, 화학 분야에서 미량의 생체물질 분석은 매우 중요한 과제 중의 하나이다. 이러한 측면에서, 좀 더 쉬운 분석 방법을 개발하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔으며, 혁신적인 분석 방법의 개발은 생명공학이나 이에 연관된 분야의 학문적 경향을 바꿀 정도로 영향력이 매우 크다고 할 수 있다.

스트립을 이용한 바이오 센서는 배뇨분석을 통한 임신 진단 스트립, 요 검사 스트립에서부터 현장에서 환자의 체액을 이용하여 심근경색을 진단할 수 있는 스트립에 이르기까지 다양하게 활용되고 있다.

멤브레인으로 구성되는 스트립은 니트로셀룰로우즈(NC)와 같이 다공성이 풍부해 고정상 표면적을 극대화 시킨 후 테스트 용액에 혼재된 화학물질 특히, 생체분자 등이 멤브레인을 이동해가면서 서로 분리되거나 반응하도록 하는 특징으로 이용하여 특정 생체분자를 검출하는 데 유용하게 사용된다. 특정 생체분자의 존재를 인지하기 위해 효소반응을 이용하여 발생의 특성을 관찰하거나 형광물질로 라벨링하여 형광을 관측하거나 나노입자를 라벨링 하여 광학적 특성의 변화를 읽어서 검출대상의 물질을 분석한다.

한편, 더 미세한 농도를 검출하고 정량적으로 분석하기 위해서 포토디텍터, CCD 카메라, 이미지센서, 형광스캐너 등으로 라벨링 물질을 검출하는 장비가 개발되고 있다.

그러나, 형광을 분석하는 진단기기는 기기 가격이 비싸고, 카메라 센서와 이미지 센서를 이용한 기기는 감도가 낮은 단점이 있으며, 감도가 높은 카메라 센서와 이미지 센서는 센서 카트리지 또는 기기 가격이 비싼 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자성 나노입자를 이용하여 생체분자를 라벨링하고 자기 센서(예컨대, GMR 센서 등)를 이용하는 방식으로서, 본 발명의 목적은, 타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 나노입자에 의한 자기장의 변화를 자기 센서로 감지함으로써 역으로 타겟 생체물질의 농도를 찾아낼 수 있는 생체물질 분석장치 및 이에 적용 가능한 자기 센서 신호처리 회로를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 생체물질 분석장치는, 자기장 인가부; 및 타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 나노입자에 의한 상기 자기장 인가부에 인가되는 자기장의 변화를 감지하는 자기 센서;를 포함하고, 상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장과 상기 자기 센서의 각도는 조정가능하다.

그리고, 상기 자기 센서는, 상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장과 특정 각도를 유지하며, 상기 특정 각도는, 상기 자기장의 변화에 따른 상기 자기 센서의 출력을 선형적인 감도 영역에 두게 하는 각도일 수 있다.

그리고, 상기 자기 센서는, 서로 마주보는 2개의 기준 저항들과 서로 마주보는 2개의 자기 저항들을 포함하는 휘스톤 브리지 회로;를 포함하고, 상기 휘스톤 브리지 회로의 마주보는 2개의 노드들 간의 전압 변화가 자기장 변화 감지결과로 출력될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른, 생체물질 분석장치는, 상기 2개의 기준 저항들 중 어느 하나에 병렬 연결되는 가변 저항을 더 포함하고, 상기 가변 저항의 저항값은, 상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장에 의한 상기 휘스톤 브리지 회로의 불평형 상태를 평형 상태로 조정하기 위한 저항값일 수 있다.

그리고, 상기 타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 나노입자들은, 인체로부터 획득한 샘플이 주입되는 스트립에 마련되며, 상기 샘플에 포함된 타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 나노입자들일 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 나노입자에 의한 자기장의 변화를 자기 센서로 감지하되, 자기장인가장치를 구성하는 영구자석의 위치를 조정하여 자기 센서로 인가되는 자기장의 세기 및 방향을 조정할 수 있다.

그리고 자기 센서를 구성하는 2개의 기준저항 및 2개의 자기 저항 중 2개의 기준저항 중 하나에 가변저항을 병렬 연결함으로써 외부자기장 인가시 가변저항값을 조절하여 휘스톤 브리지를 평형상태로 만들어 출력값을 0이 되게 함으로써 외부자기장에 의한 자기 센서 신호 출력을 없앨 수 있고, 성 나노입자에 의한 stray field에 의한 자기 저항의 변화에 기인한 휘스톤 브리지 출력전압을 고배율로 증폭할 수 있으므로 비교적 높은 감도로 자성 나노입자의 농도를 분별력 있게 수행하여, 생체물질 농도에 대한 충실한 분석의 기틀을 마련할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 분석장치의 제작 과정을 도시한 외관 사시도,
도 5는 스트립 홀더의 상세 도면,
도 6은 자기 센서의 구조와 등가 회로를 도시한 도면,
도 7은, 도 6에 도시된 자기센서의 기준 저항에 가변저항이 병렬 연결된 자기 센서 회로도,
도 8은 외부 자기장 세기 변화에 대한 도 6의 자기센서(휘스톤 브리지 회로)의 출력 전압 변화를 나타낸 그래프,
도 9는 GMR 특성의 설명에 제공되는 도면,
도 10은, 자기 센서의 GMR들과 인가되는 자기장의 방향에 따른, 자기 센서 출력 변화의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 11은, 자기 센서와 자기장 세기 및 방향 결정에 대한 부연설명에 제공되는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 분석장치의 제작 과정을 도시한 외관 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 생체물질 분석장치는, 수평 베이스 플레이트(110), 수직 베이스 플레이트(120), 고정부들(131, 132, 133), 영구자석들(141, 142) 및 자기 센서(150)를 구비한다.

수평 베이스 플레이트(110)는 수직 베이스 플레이트(120)를 지지하기 위한 수단이고, 수직 베이스 플레이트(120)에는 고정부들(131, 132, 133)이 설치되어 고정된다.

고정부-1(131)에는 영구자석-1(141)이 설치되어 고정되는데, 영구자석-1(141)의 설치 위치는 고정부-1(131) 상에서 가변가능하다. 마찬가지로, 고정부-2(132)에는 영구자석-2(142)가 설치되어 고정되는데, 영구자석-2(142)의 설치 위치는 고정부-2(132) 상에서 가변가능하다.

한편, 고정부-3(133)에는 자기 센서(150)가 설치되어 고정되는데, 자기 센서(150)의 설치 위치는 고정부-3(133) 상에서 가변가능하다.

영구자석-1(141)과 영구자석-2(142)는 자기 센서(150)에 자기장을 인가하는 수단이다. 영구자석들(141, 142)은 전자석으로 대체가능하지만, 안정적인 자기장 인가를 위해서는 영구자석들로 구현함이 바람직하다.

도 2에는 도 1에 도시된 생체물질 분석장치의 수평 베이스 플레이트(110)에 포스트들(161, 162)을 설치한 상태를 도시하였고, 도 3에는 포스트들(161, 162) 상에 스트립 홀더 장착부(170)를 설치한 상태를 도시하였다.

그리고, 도 4에는 스트립 홀더 장착부(170)에 스트립 홀더(180)가 장착되는 메커니즘을 도시하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스트립 홀더(180)는 스트립 홀더 장착부(170)에 형성된 레일들(171, 172)을 따라 슬라이드 되면서 고정수단(173, 174)에 의해 고정되어 스트립 홀더 장착부(170)에 장착된다.

레일들(171, 172)과 고정수단(173, 174)을 포함한 스트립 홀더 장착부(170)의 모든 재질은 비자성체로 구현함이 바람직하다. 이는, 영구자석들(141, 142)에 의해 생성되는 자기장이 스트립 홀더 장착부(170)에 의해 변화하지 않도록 하기 위함이다.

도 5는 스트립 홀더(180)의 상세 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스트립 홀더(180)는, 본체(181), 손잡이(182), 샘플 주입부(183)를 포함하고, 스트립 홀더(180)에는 스트립(184)이 장착된다. 그리고 스트립 홀더(180)가 스트립 홀더 장착부(170)에 슬리이딩 되면서 장착될 때, 돌출된 자기 센서(150)에 걸리지 않도록 하우징의 한쪽이 개방되어 있어서 자기 센서(150)와 테스트 영역(185)이 밀착될 수 있다.

샘플 주입부(183)를 통해 주입된 인체로부터 획득한 샘플은 스트립(184)으로 전달된다. 스트립(184)의 테스트 영역(185)은 '리셉터 물질이 부착되어 있으며 샘플 주입구(183) 부근에는 자성 나노입자와 리셉터 물질이 결합된 물질이 준비되어 있어 샘플에 포함된 타겟 생체물질과 결합된 후 스트립을 따라 흘러 들어가다가 리셉터가 형성된 테스트 영역(185)에서 자성 나노입자와 함께 포획되어 고정된다.

여기서, 타겟 생체물질은 항원이고 리셉터는 항체일 수 있지만, 이외의 다른 물질들로 구현가능하다.

인체로부터 획득한 샘플에 타겟 생체물질들이 많은 경우, 테스트 영역 스트립(184)의 테스트 영역(185)에 포획되는 리셉터들이 많아져, 궁극적으로 스트립(184)의 테스트 영역(185)에 자성 나노입자들이 많아지게 된다.

도 4에 도시된 바를 참고하면, 스트립 홀더(180)에 장착된 스트립(184)의 테스트 영역(185)은 자기 센서(150)에 인접하여 있음을 알 수 있다. 따라서, 스트립(184)의 테스트 영역(185) 내에서 자성 나노입자의 변화는 자기 센서(150)에 의해 감지되는 자기장의 변화를 유발하게 되며, 자기 센서(150)는 이 자기장의 변화를 샘플 내에서의 타겟 생체물질 농도로 출력하게 된다.

이하에서, 자기 센서(150)에 대해 상세히 설명한다. 도 6에는 자기 센서(150)의 구조와 등가 회로를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 자기 센서(150)는 서로 마주보는 2개의 기준 저항(Reference Resistor)들과 서로 마주보는 2개의 GMR(Giant Magneto-Resistance)들을 포함하는 휘스톤 브리지 회로(Wheat-stone Bridge Circuit)로 구현 가능하다.

기준 저항들은 외부 자기장에 의해 저항값이 영향받지 않도록 실드(Shield) 처리되어 있다. GMR는 외부 자기장의 변화에 따라 저항값이 변하는 저항으로, 상세 구조에 대해서는 상세히 후술한다.

휘스톤 브리지 회로의 마주보는 상/하 노드들에는 바이어스 전원이 인가된다. 그리고, 휘스톤 브리지 회로의 마주보는 좌/우 노드들은 출력 단자에 연결되는데, 출력 단자들 간 전압은 GMR들의 저항값들의 변화에 따라 변화한다.

한편, GMR들의 저항값들은 외부 자기장에 의해 변화하므로, 휘스톤 브리지 회로의 출력 단자들 간 전압은 외부 자기장의 변화에 따라 변화하게 된다. 구체적으로 외부 자기장의 세기가 증가할수록 전압이 증가한다.

한편, GMR의 주변에는 외부로부터 인가되는 자기장을 GMR로 집중시키 위한 자속 집중기(Flux Concentrator)들이 마련되는데, 자속 집중기들은 외부 자기장에 쉽게 자화되는 물질로 구현함이 바람직하다.

도 7은, 도 6에 도시된 것과 다른 구조의 자기 센서에 대한 회로도를 도시하였다. 도 7에서는, 바이어스 전원(Vbias)과 휘스톤 브리지 회로의 출력 단자들 간 전압을 증폭하는 증폭기(OP Amp.)를 명시적으로 나타내었다.

그리고, 도 7에서는 휘스톤 브리지에 마련된 2개의 기준 저항 중 하나(Rb)에 가변 저항(Rad)이 병렬로 연결되어 있음을 확인할 수 있다. 가변 저항(Rad)은 영구자석들(141, 142)에 의해 인가되는 자기장에 의한 휘스톤 브리지 회로의 불평형 상태를 평형 상태로 조정하기 위한 저항이다.

휘스톤 브리지 회로가 평형 상태[(Rgmr_a)(Rgmr_b) = (Ra)(Rb)]를 이루도록 설계되었다 하더라도, 영구자석들(141, 142)에 의해 불평형 상태[(Rgmr_a)(Rgmr_b) ≠ (Ra)(Rb)]로 전이될 수 있다. 이와 같은 불평형은 영구자석들(141, 142)에 의해 형성되는 수평 자기장 성분에 기인한다.

휘스톤 브리지 회로가 불평형 상태로 전이되면, 휘스톤 브리지 회로의 출력 단자들 간 전압 크기는, 수직 자기장 성분에 크게 의존하게 되어 전압 초기값이 매우 높게 나타난다.

따라서, '스트립(184)의 테스트 영역(185) 내에서의 자성 물질량의 변화'에 의한 자기장 변화의 감도가 상대적으로 떨어지므로, 타겟 생체물질 농도 측정의 감도(해상도) 저하를 유발하는 바, 초기값을 '0'에 가깝게 조절하는 것이 바람직하다.

따라서, 영구자석들(141, 142)에 의한 수직 자기장이 인가되는 상황에서, 휘스톤 브리지 회로는 평형 상태를 이룰 것이 요구되는 바, 가변 저항(Rad)의 저항값은 영구자석들(141, 142)에 의해 인가되는 초기 자기장에 의한 휘스톤 브리지 회로의 불평형 상태를 평형 상태로 조정하기 위한 저항값으로 결정된다.

즉, 아래의 식이 만족되도록 가변 저항(Rad)의 저항값을 결정하는 것이 바람직하다.

[(Rgmr_a)(Rgmr_b) = (Ra)(Rb∥Rad)]

도 8은 외부 자기장 세기 변화에 대한 휘스톤 브리지 회로의 출력 전압 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, GMR을 종류(AA002-02 Type, AA004-02 Type, AA005-02 type)에 따라 차이는 있지만, 휘스톤 브리지 회로의 출력 전압은 외부 자기장 증가에 따라 선형적으로 증가하다가 포화됨을 확인할 수 있다.

도 9는 GMR 특성의 설명에 제공되는 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, GMR은 강자성체와 비자성체의 겹층 구조로서, 비자성체를 사이에 두고 각기 다른 방향의 필드 배열 구조의 강자성체가 배열된 스핀 밸브(spin valve) 구조이다.

이에 따라, 외부 자기장이 강자성체의 배열 방향과 "수평" 방향으로 인가되면, 강자성체의 배열 방향이 외부 자기장과 같은 방향으로 맞춰지게 되어, 궁극적으로 GMR의 저항값이 매우 낮아지게 된다. 반면, 외부 자기장이 강자성체의 배열 방향과 "수직" 방향으로 인가되면, GMR의 저항값이 매우 높아지게 된다.

이와 같은, GMR의 특성에 따라, 도 10의 좌측에 도시된 바와 같이, 자기 센서(150)의 GMR들이 영구자석들(131, 132)에 의해 인가되는 자기장에 수직하게 배치된 경우, GMR의 저항이 매우 높아져 자기장 변화에 따른 자기 센서(150)의 출력 변화는 발생하지 않는다.

하지만, 도 10의 우측에 도시된 바와 같이, 자기 센서(150)의 GMR들이 영구자석들(131, 132)에 의해 인가되는 자기장에 비스듬히 배치된 경우, 자기장 변화에 따라 GMR들의 저항값들이 변화한다. 이는, 자기 센서(150)의 GMR들에 자기장의 수직 성분 외에 수평 성분이 인가됨에 기인한다.

'자기 센서(150)의 GMR'과 '영구자석들(131, 132)에 의해 인가되는 자기장'이 이루는 각도는 0°~ 90°에서 결정가능한데, 도 11에 도시된 바와 같이, 스트립(184)의 테스트 영역 내에서 자성 물질량의 변화에 따른 자기 센서(150)의 출력을 선형으로 하는 각도로 결정함이 바람직하다.

구체적으로는, 스트립(184)이 자기 센서(150)에 영향을 주지 않도록 스트립을 자기장 인가장치에서 제거한 후, 즉, '영구자석들(131, 132)에 의한 자기장'만이 자기 센서(150)에 인가되는 경우, 자기 센서(150)의 출력이 선형 구간의 중심에 위치하도록 각도로 영구자석들(131, 132)을 배치하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 : 수평 베이스 플레이트 120 : 수직 베이스 플레이트
131, 132, 133 : 고정부 141, 142 : 영구자석
150 : 자기 센서 161, 162 : 포스트
170 : 스트립 홀더 장착부 180 : 스트립 홀더
184 : 스트립 185 : 테스트 영역

Claims (8)

1. 자기장 인가부; 및
   타겟 생체물질을 포획하는 리셉터에 부착된 자성 물질에 의한 상기 자기장 인가부에 인가되는 자기장의 변화를 감지하는 자기 센서;를 포함하고,
   상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장과 상기 자기 센서의 각도는 조정 가능한 것을 특징으로 하는 생체물질 분석장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 자기 센서는,
   상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장과 특정 각도를 유지하며,
   상기 특정 각도는,
   상기 자기장의 변화에 따른 상기 자기 센서의 출력을 선형으로 하는 각도인 것을 특징으로 하는 생체물질 분석장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 특정 각도는,
   상기 자성 물질에 의한 자기장의 변화가 없는 경우, 상기 자기 센서의 출력을 선형 구간의 중심으로 하는 각도인 것을 특징으로 하는 생체물질 분석장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   수평 베이스 플레이트;
   상기 수평 베이스 플레이트에 의해 지지되는 수직 베이스 플레이트;
   상기 수직 베이스 플레이트에 고정되며, 상기 자기장 인가부 및 상기 자기 센서가 설치되는 복수의 고정부들;
   상기 수평 베이스 플레이트에 고정되는 복수의 포스트들;
   상기 복수의 포스트들에 고정되는 스트립 홀더 장착부 및 스트립 홀더;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 분석장치.
   
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서,
   상기 복수의 고정부들 중, 일부는 상기 자기장 인가부가 설치되고 설치위치가 가변 가능하며, 다른 일부는 상기 자기 센서가 설치되며 설치위치가 가변 가능한 것을 특징으로 하는 생체물질 분석장치.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 스트립 홀더는 본체, 손잡이 및 샘플 주입부를 포함하고,
   상기 스트립 홀더의 일측은, 상기 스트립 홀더 장착부에 슬라이드 되면서 고정될 때 돌출되어 있는 상기 자기 센서와 부딪히지 않고 상기 자기 센서와 스트립이 밀착될 수 있도록 일측이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 생체물질 분석장치.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 자기 센서는,
   서로 마주보는 2개의 기준 저항들과 서로 마주보는 2개의 자기 저항들을 포함하는 휘스톤 브리지 회로; 및
   상기 2개의 기준 저항들 중 어느 하나에 병렬 연결되는 가변 저항;을 포함하고,
   상기 휘스톤 브리지 회로의 마주보는 2개의 노드들 간의 전압 변화가 자기장 변화 감지결과로 출력되고,
   상기 가변 저항의 저항값은, 상기 자기장 인가부에 의해 인가되는 자기장에 의한 상기 휘스톤 브리지 회로의 불평형 상태를 평형 상태로 조정하기 위한 저항값인 것을 특징으로 하는 생체물질 분석장치.
   

Images