KR101340400B1 - 피검 물질 검지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 화학 계측값의 불균일이 작은 피검 물질 검지 센서를 제공하는 것이며, 작용 전극(1)과 대전극(2, counter electrode)이 절연체(3)를 통하여 일체화되어 이루어지고, 작용 전극(1)에 피검 물질이 접촉함으로써 출력 전압이 변화하는 피검 물질 검지 센서(100)로서, 작용 전극(1)은 대전극(2) 및 절연체(3)보다 작게 형성되어 절연체(3)의 표면의 일부에 설치되고, 절연체(3)에는 작용 전극(1)을 둘러싸는 주위벽(4)이 형성되어 있고, 주위벽(4)이 피검 물질을 수용하는 수용부로서 기능한다.

Description

피검 물질 검지 센서{SENSOR FOR DETECTING MATERIAL TO BE TESTED}

본 발명은, 대전극(counter electrode)과 작용 전극이 절연체를 통하여 일체화되어 이루어지며, 예를 들면, 생체 중의 단백질, 생리 활성 물질 등의 피검 물질을 작용 전극에 접촉시켜 출력 전압의 변화로부터 피검 물질을 검지하는 피검 물질 검지 센서에 관한 것으로서, 특히, 소량의 검체량(檢體量)으로 신속하게 피검 물질을 검출하는 피검 물질 검지 센서에 관한 것이다.

생체 중의 단백질이나, 미량 성분의 생리 활성 물질 등을 검출하는 피검 물질 검지 센서는, 분자 인식 소자에 더하여, 트랜스듀서인 신호 변환 소자를 가진다. 분자 인식 소자는 화학 반응이나 물리 반응을 검출하는 것으로서, 검출된 신호를 신호 변환 소자가 전기 신호로 변환함으로써, 피검 물질이 검출된다.

이와 같은 센서의 하나로서, 전계 효과형 트랜지스터(이하, FET라고 함)를 신호 변환 소자로 하는 센서가 공지되어 있고, 이온 선택성 막을 가지는 이온 감응성 전계 효과형 트랜지스터를 사용하는 pH 센서, 글루코오스 센서 등이 실용화되어 있다. FET를 신호 변환 소자로 함으로써, 기존의 반도체 제조 기술을 사용하여 센서의 소형화나 집적화를 실현할 수 있다.

최근에는, 종래의 항체 검사 시약 및 장치나 바이러스 등의 항원 검사 시약 및 장치에 비해 신속하면서도, 간편하고, 양호한 감도로 동작하는 센서를 실현하는 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 하기 특허 문헌 1, 2에 개시되어 있는 바와 같이, FET를 신호 변환 소자로 하는 바이오 센서가 몇 가지 제안되어 있다. 또한, 2단자 소자를 신호 변환 소자로 하는 센서도 제안되어 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 3 참조).

이와 같은 센서에 대하여, 본 발명자들은, 하기 특허 문헌 4에 나타낸 바와 같이, 구조가 단순하며, FET를 신호 변환 소자로 하는 센서에 필적할 정도의 고감도를 가지면서, 또한 구조의 자유도가 높은, 2단자의 신호 변환 소자를 가지는 센서를 제안하였다.

그러나, 현재 실용화되어 있는 센서는, 전술한 pH 센서나 글루코오스 센서 등의 신호 변환 소자를 구비한 센서로서, 소수의 예가 있을 뿐이다. 즉, 생체 중의 단백질이나 미량 성분의 생리 활성 물질 등을 검출하기 위한, 분자 인식 소자와 신호 변환 소자를 구비하는 피검 물질 검지 센서는, 아직도 실용화에는 이르지 않고 있다.

일본 특허출원 공개번호 2005-218310호 공보 일본 특허출원 공개번호 2004-347532호 공보 일본 특허출원 공개번호 2004-108815호 공보 일본 특허출원 공개번호 2008-116210호 공보

본 발명은, 전기 화학 계측값의 불균일이 작은 피검 물질 검지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 구성은, 작용 전극과 대전극이 절연체를 통하여 일체화되어 있고, 작용 전극에 피검 물질이 접촉함으로써 출력 전압이 변화하는 피검 물질 검지 센서로서, 작용 전극은 대전극 및 절연체보다 작게 형성되어 절연체의 표면의 일부에 설치되어 있고, 절연체에는 작용 전극을 둘러싸는 주위벽이 형성되어 있고, 주위벽이 피검 물질을 수용하는 수용부(storage part)로서 기능하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로는, 작용 전극과 대전극이 절연체를 통하여 일체화되어 있고, 작용 전극에 피검 물질이 접촉함으로써 출력 전압이 변화하는 피검 물질 검지 센서에 있어서, 대전극은 판형으로 형성되고, 절연체는 대전극의 상면을 덮고 있으며, 작용 전극은 절연체의 표면의 일부에 설치되고, 절연체에는 작용 전극을 둘러싸는 주위벽이 형성되고, 작용 전극과 절연체와의 접촉 면적이 대전극과 절연체와의 접촉 면적보다 작게 설정되고, 작용 전극과 대전극에 전원이 접속되어 구성되어 있다.

제1 구성에 있어서, 주위벽은 작용 전극 상에 형성되어도 된다. 구체적으로는, 작용 전극과 대전극이 절연체를 통하여 일체화되어 있고, 작용 전극에 피검 물질이 접촉함으로써 출력 전압이 변화하는 피검 물질 검지 센서로서, 작용 전극 상에 형성된 벽부를 가지고, 벽부는 피검 물질을 유지하기 위한 개구부를 가지고, 작용 전극은 절연체의 표면을 노출시키기 위한 개구부를 가지고, 벽부의 개구부 내에 유지되는 피검 물질은, 작용 전극의 개구부를 통하여 절연체의 표면에 접하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제2 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제1 피검 물질 검지 센서에 있어서, 상기 작용 전극과는 별도로 참조 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제3 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제2 피검 물질 검지 센서에 있어서, 참조 전극을 상기 수용부의 외측에 배치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제4 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제2 피검 물질 검지 센서에 있어서, 참조 전극을, 상기 수용부를 형성하는 주위벽 내에 매몰하여 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제5 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제2 피검 물질 검지 센서에 있어서, 참조 전극을, 수용부 내에 배치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제6 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제1 내지 제5 구성의 피검 물질 검지 센서 중 어느 하나에 작용 전극을 복수개 설치하고, 각각의 작용 전극에 각각 상기 수용부를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제7 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제1 내지 제6 구성의 피검 물질 검지 센서 중 어느 하나에 1개의 수용부 내에 복수개의 작용 전극을 배치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제8 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제1 내지 제7 구성의 피검 물질 검지 센서 중 어느 하나에, 수용부가, 작용 전극의 안정 작용을 보상하도록 소정량의 피검 물질을 저류(貯留)한다.

본 발명에 의한 제9 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제1 내지 제8 구성의 피검 물질 검지 센서 중 어느 하나에, 상기 수용부를 형성하는 주위벽에 대하여 발수성(撥水性)을 부여한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제10 구성의 피검 물질 검지 센서는, 제1 내지 제8 구성의 피검 물질 검지 센서 중 어느 하나에, 상기 수용부를 형성하는 주위벽에 대하여 발유성(撥油性)을 부여한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 종래에 비하여, 출력 전압의 변화를 양호한 정밀도로 검출할 수 있으므로, 피검 물질에 대하여 안정된 전기 화학 계측 데이터를 얻을 수 있다.

이는, 본 센서의 새로운 가능성을 여는 것이며, 종래에는 분석 불가능했던 물질의 상이(相異)(물질의 상이점)도 전기 화학적으로 분석 가능하게 될 것으로 기대된다.

또한, 제2 구성의 피검 물질 검지 센서 내지 제5 구성의 피검 물질 검지 센서에서는, 기준으로서의 어스의 역할을 하는, 즉 전위가 변화하지 않는 참조 전극을 설치하고 있다. 따라서, 작용 전극과 참조 전극의 각각에 분자가 부착되어 전위가 어긋나더라도, 참조 전극이 기준을 나타내므로, 작용 전극의 참 전위를 결정할 수 있다. 즉, 참조 전극을 설치함으로써, 양 전극의 전위를 안정적으로 결정할 수 있다.

또한, 이 참조 전극은, 항원 항체 반응의 경시적(經時的) 변화를 관측하기 위해 작용 전극에 일정한 전위를 인가한 경우, 작용 전극의 표면의 항체에 항원이 반응하기 시작하여, 작용 전극의 표면의 전계가 변화되었을 때 등에도 유용하다.

제2 구성의 피검 물질 검지 센서 내지 제5 구성의 피검 물질 검지 센서 중, 제4 구성의 피검 물질 검지 센서에 나타낸 바와 같이, 수용부를 구성하는 주위벽 내에 참조 전극을 매립함으로써, 참조 전극이 오염되는 것을 완전히 회피할 수 있다.

또한, 제6 구성의 피검 물질 검지 센서와 같이, 복수개의 작용 전극 각각에 수용부를 설치함으로써, 전술한 이점에 더하여, 다수의 샘플을 동시에 처리할 수 있다.

또한, 제7 구성의 피검 물질 검지 센서와 같이 1개의 수용부 내에 복수개의 작용 전극을 설치함으로써, 수용부 내에 피검 물질이 불균일하게 모이는 경우라도 피검 물질의 평균적인 값을 검출할 수 있고, 일부 작용 전극을 참조 전극으로서 기능시킬 수 있어, 이 경우에는 작용 전극과는 별도로 참조 전극을 설치할 필요가 없게 된다. 또한, 제9 구성의 피검 물질 검지 센서에서는 친수성의 피검 물질이 주위벽을 따라 상승하지 않고, 제10 구성의 피검 물질 검지 센서에서는 친유성의 피검 물질이 주위벽을 따라 상승하지 않으므로, 수용부로부터 누출되는 것을 저지하게 된다. 특히, 수용부의 용량이 작을수록, 이 누출 저지의 효과는 안정된 검지 데이터를 얻는데 있어서 유용하다.

도 1의 (a)는 본 발명의 실시형태에 따른 수용부 중에 작용 전극을 가지는 단일 셀 피검 물질 검지 센서의 평면도이며, 도 1의 (b)는 도의 1(a)의 파단선을 따라 절단하여 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 단일 셀 피검 물질 검지 센서에 배선과 전류계와 전압계를 배치한 접속예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른, 수용부 중에 작용 전극 외에 참조 전극을 설치한 단일 셀 피검 물질 검지 센서의 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른, 수용부 외에 참조 전극을 설치한 단일 셀 피검 물질 검지 센서의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른, 주위벽 중에 참조 전극을 매립하여 설치한 단일 셀 피검 물질 검지 센서의 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른, 수용부 중에 작용 전극 및 참조 전극을 설치하고, 작용 전극과 참조 전극을 염교(salt bridge)에 의해 격리시킨 단일 셀 피검 물질 검지 센서의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른, 수용부 중에 작용 전극 및 참조 전극을 설치하고, 그 작용 전극과 참조 전극을 주위벽으로 완전히 격리시킨 단일 셀 피검 물질 검지 센서의 종단면도이다.
도 8은 도 7에서 나타낸 단일 셀 피검 물질 검지 센서에 배선과 전류계와 전압계를 배치한 접속예를 나타낸 도면이다.
도 9의 (a)는 발형(簾型) 형상(shape of blind)의 작용 전극 또는 참조 전극을 나타낸 평면도이며, 도 9의 (b)는 9의 (a)의 파단선을 따라 절단하여 나타낸 종단면도이다.
도 10의 (a)는 도너츠형 형상의 작용 전극 또는 참조 전극을 나타낸 평면도이며, 도 10의 (b)는 도 10의 (a)의 파단선을 따라 절단하여 나타낸 종단면도이다.
도 11의 (a)는 격자 형상의 작용 전극 또는 참조 전극을 나타낸 평면도이며, 도 11의 (b)는 도 10의 (a)의 파단선을 따라 절단하여 나타낸 종단면도이다.
도 12는, 기판과, 절연막과, 전극과, 포토레지스트로 만들어지는 주위벽으로부터 구축되는 피검 물질 검지 센서의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태에 따른, 단일 셀 피검 물질 검지 센서를 포함하는 패키지의 종단면도이다.
도 14는 도 13의 패키지에 소켓을 부착한 단일 셀 피검 물질 검지 센서 유닛의 종단면도이다.
도 15는 도 14의 패키지 및 소켓에 울타리(enclosure)를 설치하고, 또한 분리 가능한 커버를 셋팅한 단일 셀 피검 물질 검지 센서 장치를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른, 셀의 수를 8개로 한 다셀식의 피검 물질 검지 센서의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 실시형태에 따른 피검 물질 검지 센서의 반응장(反應場)을 나타내는 설명도이다.
도 18은 종래의 2단자 신호 변환 소자를 가지는 센서의 반응장을 나타내는 설명도이다.
도 19는 출력 전압의 항원 농도 의존성을 나타내는 그래프로서, ■은 항체 존재 하에서의 반응을 나타내고, ◆는 항체 비존재 하에서의 반응을 나타낸다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1의 (a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 피검 물질 검지 센서(100)를 나타낸 평면도이며, 도 1의 (b)는 그 단면도이다. 또한, 도 2는 도 1에서 나타낸 단일 셀 피검 물질 검지 센서(100)에 배선과, 전류계와, 전압계와, 전원을 배치한 접속예를 나타낸 도면이다. 피검 물질 검지 센서(100)는, 작용 전극(1)과, 대전극(2)과, 절연체(3)와, 주위벽(4)을 구비하고 있다. 이하, 이들 구성으로 이루어지는 것을, 피검 물질 검지 센서 본체부라고 할 경우가 있다.

대전극(2)은, 반도체 또는 도전체로서의 기능을 가지는 재질로 판형으로 형성되어 있다. 이와 같이 판형으로 형성함으로써 자립보형성(自立保形性)을 가진다. 이로써, 센서 전체를 자립보형하기에 유용하다. 반도체 물질로서는, 실리콘, 게르마늄 등의 IV족 원소, 비화 갈륨, 인화 인듐 등의 III-V 화합물, 텔루르화 아연 등의 II-VI 화합물 등이 알려져 있고, 도전체 물질로서는, 알루미늄이나 니켈 등이 알려져 있으며, 모두 하기 실시예와 동일하게 사용할 수 있다. 판의 두께는, 통상적으로는 0.1 mm ∼ 1.0 mm인 것이 바람직하고, 0.3 mm∼ 0.5 mm가 더욱 바람직하다. 본 실시형태에서 대전극(2)은 실리콘 기판으로 구성되어 있다.

절연체(3)는, 작용 전극(1)과 대전극(2)를 절연시키는 부재이다. 절연체(3)로서는, 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알류미늄, 산화 티탄 등의 무기 화합물, 또는 아크릴 수지, 폴리이미드 등의 유기 화합물 등이 알려져 있다. 무기물질을 절연체로서 사용하는 경우에는, 증착 등의 방법으로 막상(膜狀)으로 만들어 상기 대전극(2)의 표면에 형성할 수 있지만, 유기물질에서는 그 필름을 대전극(2)의 표면에 부착하는 등에 의해 일체화할 수 있다.

절연체(3)의 표면에는, 수산기, 아미노기, 카르복실기 등의 관능기가 도입되어 있어도 된다.

절연체막의 표면에 항체 등을 고정화할 때, 미리 관능기를 표면에 결합시켜 둠으로써, 이들 관능기에 항체를 결합시킨다. 이로써, 보다 안정적인 고정화를 실현하거나, 또는 항체를 배향시킬 수 있게 된다.

절연체(3)의 두께는, 통상적으로 10∼1000 nm가 바람직하고, 20∼500 nm가 더욱 바람직하다. 절연체(3)가 지나치게 얇으면 터널 전류가 흐를 우려가 있고, 절연체(3)가 지나치게 두꺼우면 감도가 저하될 우려가 있다.

본 실시형태에서는, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 절연체(3)는 대전극(2)의 상면 전체를 덮도록, 본 예에서는 거의 동일한 면적으로 형성되어 있다.

작용 전극(1)은, 대전극(2)에 전압을 인가하는 전극이며, 절연체(3)를 사이에 두고 대전극(2)과 일체화되어 있다. 본 실시형태에 따른 피검 물질 검지 센서(100)에서는, 작용 전극(1)은 대전극(2)의 형상과 비대칭으로 형성되어 있다. 또한, 작용 전극(1)의 재질은 대전극(2)의 재질과 상이하다. 구체적으로는, 작용 전극(1)은 대전극(2)의 상면 및 전극(2)의 상면을 덮는 절연체(3)보다 사이즈가 작게 설정되어 있다. 즉, 작용 전극(1)은 절연체(3)의 일부만을 덮도록 구성되어 있다. 이로써, 절연체(3)의 표면은 부분적으로 드러나 있다. 작용 전극(1)과 절연체(3)와의 접촉 면적은 대전극(2)과 절연체(3)와의 접촉 면적보다 작게 설정되어 있다. 작용 전극(1)의 재질로서는, 금, 백금, 티탄, 알루미늄 등의 금속이 바람직하게 사용되고, 또는 도전성 플라스틱 등을 사용할 수도 있다.

작용 전극(1)의 형상은, 샘플액의 단위 체적당 접촉 면적이 커지도록 하는 것이 바람직하다. 그렇게 하면, 작용 전극(1)이 샘플액의 유전율 등의 영향을 받기 쉽게 되어, 샘플액에 포함되는 피검 물질의 농도를 양호한 감도로 검지할 수 있다.

또한, 샘플액의 단위 체적당 접촉 면적을 크게 하기 위해서는, 예를 들면, 작용 전극(1)의 형상을 다수의 개구부를 가지는 형상으로 하면 된다. 다수의 개구부를 가지는 형상의 예로는, 도 9에 나타내는 발형, 도 10에 나타내는 동심원형 또는 도너츠형, 도 11에 나타내는 격자형 등이 있다.

도 9에 나타낸 금속으로 이루어지는 발 형상의 작용 전극의 경우, 그 금속 각각의 살(slat)의 폭은, 10 ㎛∼수백 ㎛ 정도의 굵기가 바람직하다. 살의 폭이 이 정도로 가늘면 전극의 개구부 면적을 넓게 할 수 있으므로, 필요에 따라 상기 개구부 영역의 절연막에 피검 물질 인식 분자를 많이 결합시킬 수 있다. 한편, 살의 폭이 10 ㎛ 미만으로 지나치게 가늘면, 작용 전극으로부터 박막형의 샘플액에 흐르는 전류값이 감소하여, 전극으로서의 효과를 나타내기 어려워진다. 이는, 작용 전극 하의 전계의 구조가 “면”으로부터 “선”으로 변화됨으로써, 실리콘 기판이나 절연막에 대하여 수직인 전기력선이 작용 전극 하에서 방사상(放射狀)으로 분산되어, 충분히 높은 전계를 얻을 수 없기 때문인 것으로 여겨진다.

금속으로 이루어지는 발 형상의 작용 전극에 있어서, 작용 전극 사이의 간격, 즉 살 사이의 간격은 100∼200 ㎛ 정도가 바람직하다. 이는, 필요에 따라 상기 개구부 영역의 절연막에 피검 물질 인식 분자를 많이 결합시키기 위해서이며, 또한, 충분히 넓은 반응장을 제공하기 위해서이다.

또한, 작용 전극의 높이는, 샘플액의 단위 체적당 작용 전극의 유효 접촉 면적을 크게 하는 것을 고려하여, 0.1 ㎛∼수 100 ㎛ 정도가 바람직하다.

본 실시형태의 피검 물질 검지 센서(100)는, 작용 전극(1)의 전체 또는 일부를 둘러싸는 주위벽(4)을 구비하고 있다. 주위벽(4)은 절연체(3)의 표면에 형성되어 있다. 이 주위벽(4)과 절연체(3)에 의해 수용부(11)가 구성되어 있다. 이 수용부(11)는 샘플액을 수용하는 용기로서 기능한다.

주위벽의 표면 성상(性狀)으로는, 피검 물질의 성상에 반발하도록 하는 것이 바람직하며, 피검 물질이 친수성인 경우에는, 주위벽의 표면은 발수성으로 하고, 피검 물질이 친유성인 경우에는, 발유성으로 하는 것이 바람직하다. 이는, 주위벽을 넘어 수용부(11)의 밖으로 액상의 피검 물질을 유출시키지 않도록 하기 위해서이다. 이와 같은 주위벽의 재질로서는, 예를 들면, 클라이언트재팬 제품인 AZ5214E 등의 포토레지스트나 PIQ 등의 폴리이미드 수지 등의 발수성 수지나, 테플론(상표)을 대표예로 하는 불소계 수지 등을 적절하게 사용할 수 있다. 그리고, 이와 같은 수지를 구성 재료가 아닌 주위벽 표면의 코팅제로서 사용할 수도 있다.

수용부(11)에 모인 피검 물질의 깊이는, 가능한 균일하게 하는 것이 안정된 데이터를 얻는데 있어서 바람직하다. 그러므로, 수용부(11)의 바닥부가 되는 절연체(3)의 표면을 평탄하게 형성하고, 또한 주위벽(4)의 높이를 일정하게 하는 것이 바람직하다.

수용부(11)의 수용량은, 피검 물질의 전기적인 특성에 의해 정해지는 것이지만, 하기 실시예와 같은 생체 재료의 검지에 있어서는, 0.001∼25 uL(마이크로 리터)가 바람직하고, 나아가서는 0.1 uL∼2.0 uL가 더욱 바람직하다.

또한, 주위벽의 높이는, 작용 전극(1)의 높이보다 높게 하여 저류된 피검 물질에 의해 상기 작용 전극의 상면이 덮이도록 통상 1㎛∼2mm로 설정되고, 바람직하게는 2㎛∼10㎛이다.

주위벽과 절연막으로 둘러싸인 공간이 수용부(11)가 되고, 여기에 소정량의 샘플액을 유지할 수 있다. 주위벽은 발수성 부재인 경우, 샘플액, 통상은 수용액이 수용부(11)로부터 위로 돌출하듯이 높아지지만, 통상은 수용부 밖으로 유출되지 않는다.

상기 수용부(11)의 평면에서 볼 때의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 제조의 용이성 면에서, 통상은, 사각형(직사각형을 포함함) 또는 원형(타원형을 포함함)이 바람직하다. 사각형인 경우의 한 변의 길이 또는 원형의 경우의 직경은, 취급의 용이성, 반응장의 넓이, 필요한 샘플액량 등을 고려하면, 2∼4 mm 정도가 바람직하다.

본 발명에서의 피검 물질 검지 센서(100)에는, 필요에 따라, 절연막 상에 작용 전극(1)과는 별도로 참조 전극(6)을 설치해도 된다. 참조 전극(6)은, 도 3에 나타낸 바와 같이 수용부(11) 밖에 설치해도 되고, 도 4에 나타낸 바와 같이 수용부(11) 중에 설치해도 된다. 도 5에 나타낸 바와 같이 참조 전극(6)을 주위벽(4) 중에 매립해도 된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 수용부(11) 중에 작용 전극(1) 및 참조 전극(6)을 설치하고, 작용 전극(1)과 참조 전극(6)은 염교(7)를 형성할 수 있는 주위벽(4')에 의해 격리해도 된다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 수용부(11) 중에 작용 전극(1) 및 참조 전극(6)을 설치하여, 그 작용 전극(1)과 참조 전극(6)을 주위벽(4)으로 완전히 격리해도 된다. 도 8은, 도 7에 나타낸 단일 셀 피검 물질 검지 센서 본체부에 배선과 전류계와 전압계를 배치한 접속예를 나타낸 도면이다. 도 8중의 (18)은 포텐시오스탯(potentiostat)이다.

본 발명의 피검 물질 검지 센서(100)는, 공지의 반도체 제조 기술, 즉 전자 빔 리소그래피나 포토리소그래피 등에 의해 제조할 수 있다. 실리콘 등으로 이루어지는 기판 상태의 대전극(2), 즉 실리콘 기판의 상측 표면에 절연체(3)를 형성하고, 이 절연체(3)의 상측 표면에 원하는 패턴의 작용 전극(1) 및/또는 참조 전극(6)(금속)을 형성한다. 작용 전극(1) 및/또는 참조 전극(6)의 주위에 원하는 패턴의 주위벽(4)을 형성하여 수용부(11)로 만든다. 도 12는, 대전극(2)과, 절연체(3)와, 작용 전극(1)과, 및 포토레지스트로 만들어지는 주위벽(4)의 구성예를 나타내고 있다. 대전극(2), 절연체(3), 작용 전극(1) 및 주위벽(4)은 실제로는 서로 밀착되어 있다.

전술한 도 1∼도 11의 피검 물질 검지 센서(100)에서는, 작용 전극(1)의 주위에 원하는 패턴의 주위벽(4)을 형성하여 수용부(11)로 하고 있지만, 이들 주위벽(4) 대신, 도 12에 나타낸 바와 같이 구성해도 된다. 도 12의 구성예에서는, 작용 전극(1) 상에 주위벽이 형성되어 있다. 이 주위벽은, 전술한 주위벽(4)과 동일한 재료이지만, 배치 위치가 상이하므로, 이하, 벽부(4A)라고 한다. 이 벽부(4A)는 시료를 유지하기 위한 개구부(4B)를 가진다. 이 개구부(4B) 영역의 아래쪽에 설치되는 작용 전극(1)의 영역에, 절연체(3)의 표면을 노출시키기 위한 개구부(1A)가 형성되어 있다. 그러므로, 벽부(4A)의 개구부(4B) 내에 유지되는 시료액은, 작용 전극(1)의 개구부(1A)를 통하여, 절연체(3)의 표면에 접한다. 작용 전극(1)의 개구부(1A)의 형상이나 개수는, 도 12로 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 9에 나타내는 발형, 도 10에 나타내는 동심원형 또는 도너츠형, 도 11에 나타내는 격자형 등이라도 된다.

작용 전극(1) 상에 형성되는 벽부(4A)나 작용 전극(1) 주위에 형성되는 주위벽(4)은, 개구 전체를 덮는 형상 외에, 예를 들면, 벽의 일부가 도려내어져 평면에서 볼 때 C자형으로 형성되어 있어도 된다.

이와 같이 하여 얻어진 피검 물질 검지 센서(100)를 사용하여, 단일 셀 피검 물질 검지 센서 본체부를 포함하는 패키지(도 13 참조)(110), 그 패키지(110)에 소켓(14)을 부착한 유닛(도 14 참조)(120), 또한 그 유닛(120)에 울타리(15)를 설치하고, 또한 자유자재로 떼어낼 수 있는, 예를 들면, 투명한 커버(16)를 장착한 단일 셀 피검 물질 검지 센서 장치(도 15 참조)(130)를 조립할 수 있다.

구체적으로는, 도 13에 나타내는 패키지(110)에서는, 유리 에폭시 기판(10) 상에 대전극(2)이 설치되어 있다. 이 대전극(2) 상에는 전극 패드(8A)와 절연체(3)가 형성되어 있다. 전극 패드(8A)는 전극 패드(8B)에 본딩 와이어(9A)를 통하여 접속되어 있다. 전극 패드(8B)는 유리 에폭시 기판(10)을 관통하여 장착되어 있다. 절연체(3) 상에는, 작용 전극(1)과 그것을 둘러싸는 주위벽(4)이 형성되어 있다. 작용 전극(1)은, 절연체(3) 상에 형성된 전극 패드(8C)에 본딩 와이어(9B)를 통하여 접속되어 있다. 전극 패드(8C)는, 유리 에폭시 기판(10)을 관통하여 장착된 전극 패드(8D)에 본딩 와이어(9C)를 통하여 접속되어 있다.

도 14에 나타내는 유닛(120)에서는, 도 13에 나타내는 패키지(110)가 고정대(50)의 상면에 고정되어 있다. 고정대(50)에는, 전극 패드(8B 및 8D)에 대응한 위치에 고정대(50)를 관통하는 구멍(51)이 형성되어 있다. 이 고정대(50)의 아래쪽에는 복수개의 스프링(13)을 통하여 베이스(14)가 장착되어 있다. 스프링(13)은 베이스(14)로부터 고정대(50)를 밀어내도록 가압하고 있다. 베이스(14)에는 상면으로부터 위쪽으로 핀형 전극(12, 12)이 돌출되어 있다. 이들 핀형 전극(12, 12)은 고정대(50)의 구멍(51)에 끼워져 있고, 스프링(13)의 가압력에 저항하여, 고정대(50)를 베이스 측으로 가압하면 핀형 전극(12, 12)이 전극 패드(8B, 8D)에 접촉한다. 이로써, 도시하지 않은 전원 장치로부터의 전력이 전극 패드(8B, 8D)를 통하여 피검 물질 검지 센서(100)에 공급된다.

이상 설명한 본 발명의 실시형태에 따른 피검 물질 검지 센서(100)에서는, 작용 전극(1)으로부터 나온 전기력선의 대부분이 절연체막인 절연체(3)를 통과하여 실리콘 기판으로 되는 대전극(2)으로 들어가 있다. 작용 전극의 누출 전장(電場)이 검출에 기여한다.

여기서, 도 17은 본 발명에 따른 피검 물질 검지 센서(100)의 반응장 R의 설명도이다. 종래의 2단자 신호 변환 소자를 가지는 센서의 반응장 R은 도 18에 나타낸 바와 같이 작용 전극 상으로 한정되어 있었다. 본 발명에 따른 피검 물질 검지 센서(100)에서는, 피검 물질에 접하는 작용 전극 측면으로부터 나온 전기력선 A의 대부분이 작용 전극(1) 주위의 절연체(3)를 통과하여 대전극(2)에 들어가도록, 반응장 R이 넓게 구성된다. 이와 같이, 피검 물질 검지 센서(100)에 의하면, 작용 전극(1) 주위의 절연체막의 넓고 평탄한 영역에 균일 전계(homogeneous electric field)를 인가할 수 있다.

이로써, 피검 물질 검지 센서(100)에 의하면 종래에 비해 고정밀도로 동일한 피검 물질에 대한 전압을 얻을 수 있으므로, 안정된 전기 화학 계측 데이터가 얻어지게 된다.

이상의 설명은, 하나의 대전극(2) 상에 배치되는 작용 전극(1)의 개수를 하나로 하였으나, 작용 전극(1)의 개수는 다수라도 된다. 도 16은, 복수개의 작용 전극(1)과, 각각의 작용 전극(1) 상에 수용부(11)가 하나의 대전극(2) 상에 설치되는 다셀 피검 물질 검지 센서를 나타낸다. 예를 들면, 셀의 수가 8개인 다셀 피검 물질 검지 센서(100)를 나타내고 있다. 이 경우, PN 접합 등을 사용하여 각 작용 전극 사이를 전기적으로 분리하여, 각각이 독립적으로 검지 데이터를 송출 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 피검 물질 검지 센서(100)의 수용부 중의 절연체(3)에는, 헤테로지니어스법(heterogeneous method)에 따라 항체나 효소 등의 피검 물질 인식 분자를 미리 결합시켜도 되고, 또는 이들 피검 물질 인식 분자를 결합시키지 않고, 호모지니어스법(homogeneous method)으로서 용액 반응에 사용해도 된다. 피검 물질 인식 분자를 결합시킴으로써, 특정 단백질이나 화학 물질 등을 특이적으로 검출할 수 있어, 바이오 센서로서 사용할 수 있다.

[실시예 1]

도 16에 나타내는 8셀 집적형 피검 물질 검지 센서(T0005, 실시예 1)를 제작하였다. 대전극(2)으로서는 한쪽 면에 막 두께 0.3 ㎛의 절연체(3)인 SiO₂막이 형성된 실리콘 기판을 사용하였다. 실리콘 기판의 크기는 가로 15 mm × 세로 15 mm, 두께는 550 ㎛이다. 작용 전극(1)으로서는 두께 0.77 ㎛의 발형 금 전극(도 12 참조)을 사용하였고, 수용부 형성용 주위벽(4)으로서는 포토레지스트(클라이언트재팬 제품, AZ5214E)를 사용하였다. 포토레지스트의 두께는 2 ㎛, 수용부의 직경은 2 mm이다. 그리고, 비교예로서, 수용부(11)를 가지지 않는 8셀 집적형 피검 물질 검지 센서(T0020, 비교예 1)를 제작하였다.

본 발명의 피검 물질 검지 센서(T0005)와 비교용 센서(T0020)의 동작 특성을 조사하였다. 각각의 센서 칩을 도 2에 준거하여 접속하여 동작 특성을 조사하였다. 단, 전원은 교류 전원으로서 함수발생기(function generator)를 사용하였고, 전류계 대신 오실로스코프(oscilloscope)를 사용하였다. 각각의 센서의 반응장에 초순수, 인산 완충 생리 식염수(PBS) 및 혈청을 각각, 마이크로 피펫으로 일정량, 예를 들면, 1 uL를 적하하고, 출력 전압의 최대값을 비교하였다. 함수발생기를 사용하여 전압 50 mV, 주파수 100 Hz의 정현파를 입력하고, 그 출력 전압을 오실로스코프를 사용하여 계측하였다. 오실로스코프의 출력 전압은 16 주기의 평균값으로 표시하고, 그 최대값을 자동 측정 모드로 취득하였다. 전압값의 최소단위는 4 mV이다. 얻어진 데이터를 표 1에 정리하였다. 함수발생기로서 이와쓰 계측 주식회사 제품인 함수발생기 SG-4104를 사용하였고, 오실로스코프로서 이와쓰 계측 주식회사 제품인 디지털 오실로스코프 DS-5102를 사용하였다.

[표 1]

샘플 적하 전에는 양 센서 모두 표준편차 0.0 mV를 나타내어, 반응장의 균일성이 나타나 있다. 초순수를 적하하였을 때 양 센서 사이에 현저한 전압의 차이는 관찰되지 않았지만, PBS, 혈청을 적하한 경우에는 양 센서 사이의 전압차는 컸다. 혈청을 적하한 경우, 비교예 1에서는 표준편차가 3.9 mV인데 비해, 실시예 1에서는 2 mV로, 비교예 1에 비해 불균일이 거의 절반으로 작아졌다. PBS의 경우에는 비교예 1에서는 표준 편차가 5.8 mV인데 비해, 실시예 1에서는 1.3 mV로, 비교예 1에 비해 불균일이 약 1/4로 작아졌다.

출력 전압값의 불균일에 큰 차이가 나는 요인의 하나로서, 수용부(11)를 구비하고 있는 경우에는 샘플이 셀 바닥부의 반응장에 접하는 면적이 일정하지만, 수용부(11)를 구비하고 있지 않은 경우에는 반응장에 접하는 면적이 일정하지 않기 때문으로 여겨진다. 또한, 한편, 초순수의 경우에는, 높은 표면 장력에 의해, 용액이 퍼지지 않고 반응장에 접하는 면적이 일정하게 유지되기 쉽기 때문에, 양 센서 모두 출력 전압값의 불균일이 작은 것으로 추정하고 있다. 또한, 수용부를 가지지 않는 비교 센서의 경우, 수용부를 가지는 실시예 1에 비해 출력 전압의 평균값이 초순수 적하에서 2.5 mV, PBS 적하에서 4 mV 및 혈청 적하에서 5 mV 만큼 증대하고 있다. 비교 센서의 경우에는, 표준편차의 크기에 더하여, 계통 오차(systematic error)가 포함되어 있는 것으로 여겨진다.

그리고, 후술하는 실시예 2에서는 용매로서 PBS를 사용하였지만, 셀을 가지지 않는 비교예 1에서는, PBS를 사용한 경우의 표준편차가 5.8 mV이며, 그래프 상의 최소 눈금, 즉 2 mV를 크게 상회하기 때문에(도 19 참조), 이것을 항원 항체 반응의 고감도 검출에 사용하기는 곤란하다.

[실시예 2]

(호모지니어스법, 교류 계측)

실시예 1에 나타낸 피검 물질 검지 센서로서 8셀 집적형 피검 물질 검지 센서를 사용하고, 특정 단백질인 α-fetoprotein(AFP)를 호모지니어스법과 교류 계측으로 검지와 측정을 행하였다. 수순은 하기와 같다.

(1) 농도 100 ng/mL의 항AFP(α-fetoprotein) 항체의 PBS 희석액을, 4개의 시험관에 각각 5 uL씩 넣었다. 이와 같이 하여 항체 함유 시험관을 준비하였다.

(2) 4개의 시험관에, AFP를 포함하지 않는 PBS를 각각 5 uL씩 넣었다. 이와 같이 하여 항체 비함유 시험관을 준비하였다.

(3) 농도 0.0, 1.6, 6.25, 25 ng/mL의 AFP의 PBS 희석액 5 uL를 전술한 각 시리즈의 시험관, 즉 항체 함유 시험관과 항체 비함유 시험관에 적하하고, 교반하였다. 그 결과, 하기의 8종류의 반응액을 포함하는 시험관을 얻을 수 있었다.

·샘플 A: AFP 항체(100 ng/mL) 5 uL + AFP 항원(0 ng/mL)(PBS) 5 uL

·샘플 B: AFP 항체(100 ng/mL) 5 uL + AFP 항원(1.6 ng/mL) 5 uL

·샘플 C: AFP 항체(100 ng/mL) 5 uL + AFP 항원(6.25 ng/mL) 5 uL

·샘플 D: AFP 항체(100 ng/mL) 5 uL + AFP 항원(25 ng/mL) 5 uL

·샘플 E: PBS 5 uL + AFP 항원(0 ng/mL)(PBS) 5 uL

·샘플 F: PBS 5 uL + AFP 항원(1.6 ng/mL) 5 uL

·샘플 G: PBS 5 uL + AFP 항원(6.25 ng/mL) 5 uL

·샘플 H: PBS 5 uL + AFP 항원(25 ng/mL) 5 uL

(4) 전술한 각 시험관을 밀폐하고, 실온에서 일주야 동안 보존하였다.

(5) 상기 8종류의 반응액을 1칩 상의 8개의 셀에 각각 0.85 uL씩 적하하었다.

(6) 전극 사이에 진폭 10V, 주파수 20 Hz의 정현파의 전압을 인가하여, 농도가 상이한 셀마다 출력 전압을 계속적으로 계측하였다.

(7) 동일한 실험을, 다른 8셀 집적형 피검 물질 검지 센서를 3개 사용하여 실행하여, 출력 전압의 평균값을 구하였다.

항체가 존재한 경우 및 항체가 존재하지 않는 경우에 있어서, 항원 농도에 대응하는 출력 전압의 최대값, 즉 평균값의 결과를, 하기의 표 2에 나타낸다.

[표 2]

표 2의 결과를, 그래프에 플롯팅한 것이 도 19이다. 도면 중의 ■은 항원만을 포함하는 계(係)를 나타내고, ◆는 항원과 항체를 포함하는 계를 나타낸다. 항원만을 포함하는 계에서는 보다 일정값에 가까운 전압 특성을 나타내는 한편, 항원과 항체를 포함하는 계에서는 항원 농도의 증대에 호응하여, 출력 전압이 저하되어 있는 것을 알 수 있다. 이는, 항원과 항체 양쪽을 포함하는 계의 전기적 특성이 항원 항체 반응에 의한 것이기 때문으로 여겨진다.

그리고, 본 실시예에서는, 피검 물질 검지 센서의 절연체(3)에 미리 항체를 결합시키지 않는 호모지니어스법으로 행하였으나, 피검 물질 검지 센서의 절연체(3)에 미리 항체를 결합시킨 헤테로지니어스법으로 행할 수 있고, 또한, 교류 계측 대신 직류 계측도 가능하다.

도 3 ∼ 도 7은, 참조 전극의 배치에 대한 예를 나타낸 것이다. 상기 센서의 제조 수순은, 이미 설명한 내용과 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.

도 3에는, 수용부(11)의 내부에 작용 전극(1) 외에 참조 전극(6)을 설치한 구조를 나타낸다. 작용 전극(1)과 대전극(2)의 2개의 전극에서는 양자의 전위의 차이를 결정할 수 있지만, 전극 상에 분자가 부착되어, 각각의 전위, 특히 기판 상의 전극 전위가 변화되면, 참 전위를 결정할 수 없다. 그러므로, 기준으로서 어스의 역할을 하는, 즉 전위가 변화하지 않는 참조 전극(6)을 준비하면 양 전극의 전위를 결정할 수 있다.

또한, 항원 항체 반응의 경시적 변화를 관측하고자 할 때, 작용 전극(1)에 일정한 전위를 인가하는 경우, 표면의 항체에 항원이 반응하기 시작하여, 표면의 전계가 변화되었을 때 등에 상기 참조 전극이 유용하다. 그리고, 배선은 도 8에 나타낸 바와 같다.

도 4에는, 수용부(11)의 외측에 참조 전극(6)을 설치한 구조를 나타낸다.

전기 화학 셀에서의 참조 전극(1)의 접지 위치는, 작용 전극(1) 및 대전극(2)과 같은 셀 내로 한다. 도 4, 5, 7, 8과 같은 구조에서는 통상의 전기 화학적 의미의 참조 전극으로서의 역할을 행할 수 없다. 그러나, 피검 물질 검지 센서에서는, 기판 상의 작용 전극(1)이나 참조 전극(6)으로부터 나와 있는 전기력선의 대부분은 절연체막을 통과하여 기판에 들어간다. 말하자면, 작용 전극(1)의 누출 전장이 검출에 기여한다. 그러므로, 외부에 참조 전극(6)을 노출시켜도, 대전극(2)과 참조 전극(6) 사이의 전위차는 일정하게 유지되며, 참조 전극(6)과 작용 전극(1)의 전위차를 계측함으로써, 참조 전극(6)의 전위를 결정할 수 있다.

도 5는, 주위벽(4)에 참조 전극(6)을 매립한 구조를 나타낸다.

도 4와 동일한 이유로 참조 전극(6)으로서 기능하지만, 도 4에서는 참조 전극(6)을 노출시킨데 비해 도 5에서는 참조 전극(6)을 매설함으로써, 참조 전극(6)을 방호할 수 있다. 참조 전극(6)이 노출되어 있는 경우에는, 도 16과 같이 복수개 있는 전극 중, 임의의 전극을 참조 전극(6)으로서 사용할 수 있지만, 수용부(11)의 샘플이나 먼지에 의해 참조 전극(6)이 오염될 가능성이 있다. 이것을 회피하기 위해, 미리 참조 전극(6)으로 특화시킨 전극을 주위벽(4)에 매립함으로써, 안정된 전위 계측이 가능하게 된다.

도 6에는, 수용부 중에 작용 전극(1) 및 참조 전극(6)을 설치하고, 작용 전극(1)과 참조 전극(6)은 격벽, 즉 염교(7)에 의해 격리되어 있는 구조를 나타낸다.

피검 물질은 주로 단백질이 되며, 항원 항체 반응 중의 하전 상태는, 통상적으로는 문제시되지 않는다. 그러나, 발명자의 경험에 따르면, 이온성이 높고 대전되기 쉬운 피검 물질, 예를 들면, 칼슘을 배위하는 칼모듈린(calmodulin) 등에서는 고감도를 얻을 수 있는 경향이 있지만, 대전되어 있을 가능성이 있다. 이러한 샘플에 대해서는 염교를 사용하여 이온 농도를 컨트롤함으로써, 안정된 반응이 얻어질 가능성이 있다. 장래에는, 하나의 검체에 대하여 다른 항목을 검출할 때 이온 교환막을 반응장 사이에 형성함으로써, 피검 물질의 교차(交差)를 어느 정도 회피시킬 수 있을 것으로 여겨진다.

칼모듈린의 경우에는 칼슘 이온의 교환막을 형성하는 것이 효과적인 것으로 여겨진다. 피검 물질에 따라 교환막을 준비할 필요가 있다. 하나의 검체에 대하여 다른 항목을 검출할 때, 복수개의 피검 물질의 크기가 상이한 경우에는 염교의 크기나 직경을 피검 물질의 크기에 맞추어, 선택적으로 염교를 통과시키는 것을 고려할 수 있다.

도 7에는, 수용부(11) 중에 작용 전극(1) 및 참조 전극(6)을 설치하고, 이 작용 전극(1)과 참조 전극(6)은 주위벽(4)에 의해 완전히 격리되어 있는 구조를 나타낸다. 이 경우, 참조 전극(6)으로서 기능하지만, 도 7에서는 참조 전극(6)을 접지한 수용부(11)에는 항체만을 수용하고, 작용 전극(1) 측의 수용부(11)에는 동일한 양의 항체에 더하여 피검 물질의 항원을 적하한다. 이로써, 항원의 양과, 항원 항체 반응의 진행에 따른 용액의 유전율의 변화를 참조 전극과 작용 전극의 전위차에 의해 결정할 수 있게 된다.

1: 작용 전극 2: 대전극
3: 절연체 4, 4': 주위벽
5: 시료액 6: 참조 전극
7: 격벽 8A∼8D: 전극 패드
9A∼9C: 본딩 와이어 10: 유리 에폭시 기판
11: 수용부 12: 핀형 전극
13: 스프링 14: 소켓
15: 울타리 16: 커버
17: 개구부 18: 포텐시오스탯
21: 작용 전극 22: 대전극
23: 절연체 24: 주위벽
25: 시료액 100:피검 물질 검지 센서
110: 패키지 120: 유닛
130: 피검 물질 검지 센서 장치
R: 반응장

Claims (12)

1. 작용 전극과 대전극이 절연체를 통하여 일체화되어 이루어지고, 상기 작용 전극에 피검 물질이 접촉함으로써 출력 전압이 변화하는 피검 물질 검지 센서로서,
   상기 작용 전극 상에 형성된 벽부를 가지고,
   상기 벽부는 상기 피검 물질을 수용하는 개구부를 가지고,
   상기 작용 전극은 상기 절연체의 표면을 노출시키기 위한 개구부를 가지고,
   상기 벽부의 개구부 내에 수용되는 상기 피검 물질은, 상기 작용 전극의 상기 개구부를 통하여 상기 절연체의 표면에 접하는, 피검 물질 검지 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 작용 전극과는 별도로 참조 전극이 설치되어 있는, 피검 물질 검지 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 작용 전극이 복수개 설치되어 있으며, 각각의 상기 작용 전극 상에 각각 상기 벽부가 형성되어 있는, 피검 물질 검지 센서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 피검 물질을 수용하는 개구부 내에 복수개의 작용 전극이 배치되어 이루어지는, 피검 물질 검지 센서.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 피검 물질을 수용하는 개구부는, 작용 전극의 안정 작용을 보상하도록 소정량의 피검 물질을 저류(貯留)하는, 피검 물질 검지 센서.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 벽부가 발수성(撥水性)을 가지는, 피검 물질 검지 센서.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 벽부가 발유성(撥油性)을 가지는, 피검 물질 검지 센서.
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