KR101354480B1 - Apparatus and method for detecting particle using nanopore combined with nanochannel - Google Patents

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Abstract

입자 검출 장치는, 입자를 포함하는 시료가 도입되도록 구성된 나노채널; 상기 입자가 통과하도록 구성되며 상기 나노채널 내에 위치하는 나노포어를 갖는 검출막; 및 상기 입자가 상기 나노포어를 통과하여 발생되는 전류 변화를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다. 상기 입자 검출 장치에 의하면, 나노 단면적을 갖는 나노채널 내에 핵산이 통과할 나노포어를 배치함으로써, 나노포어 부근에 집중되는 전위차를 완화하고 이온전류 방향으로 상대적으로 넓은 영역에서 전기장 구배가 형성되도록 할 수 있다. 그 결과, 나노포어를 통과하는 핵산의 이동 속도를 감소시킴과 동시에 나노포어에 인게이지(engage)되는 DNA의 형상을 선형으로 유지함으로써 통과속도를 상대적으로 균일하게 유지하도록 하여 용이한 측정이 가능하다.The particle detection device includes a nanochannel configured to introduce a sample containing particles; A detection film configured to pass through the particles and having a nanopore positioned in the nanochannel; And it may include a measuring unit for measuring the current change generated by the particles passing through the nanopores. According to the particle detection device, by arranging nanopores through which nucleic acids will pass in a nanochannel having a nano cross-sectional area, a potential difference concentrated in the vicinity of the nanopores can be alleviated and an electric field gradient can be formed in a relatively wide region in the direction of ion current. have. As a result, it is possible to reduce the moving speed of the nucleic acid passing through the nanopore, and to maintain the passage rate relatively uniformly by linearly maintaining the shape of the DNA engaged in the nanopore, thereby making it easy to measure. .

Figure R1020120051110
Figure R1020120051110

Description

나노채널과 결합된 나노포어를 이용한 입자 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING PARTICLE USING NANOPORE COMBINED WITH NANOCHANNEL}Apparatus and method for detecting particles using nanopores combined with nanochannels {APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING PARTICLE USING NANOPORE COMBINED WITH NANOCHANNEL}

실시예들은 나노포어와 결합된 나노채널을 이용한 입자 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.Embodiments relate to an apparatus and method for detecting particles using nanochannels combined with nanopores.

핵산 분석 방법에 있어서, 나노구조물 가공기술 및 나노측정 등의 나노기술의 발전과 함께 나노포어(nanopore)와 같이 DNA와 비교될 만한 작은 크기의 구조물을 이용하여 DNA의 절단 없이 긴 DNA로부터 각각의 염기서열을 전기적 또는 광학적으로 읽어내는 방법이 개발되고 있다. In nucleic acid analysis method, with the development of nanostructure processing technology and nano measurement, each base from long DNA without cutting of DNA by using small sized structure that can be compared with DNA such as nanopore Methods of reading the sequences electrically or optically have been developed.

이러한 핵산 분석 방법의 예로서는 유체 시료내 핵산을 나노포어로 전기영동시키면서 단일가닥 핵산을 구성하는 염기들의 종류에 따라 발생하는 나노포어를 통해 흐르는 이온 전류(ionic current)의 진폭(amplitude)을 측정하여 염기서열을 검출하는 방법과 나노포어에 핵산을 통과시키면서 나노포어가 형성되어 있는 면에 나노포어를 가로지르는 한 쌍의 전극을 배치하여, 핵산이 전극사이를 지나갈 때 발생하는 터널링 전류(tunneling current)의 변화를 측정하는 방법이 있다.An example of such a nucleic acid analysis method is to measure the amplitude of the ionic current flowing through the nanopores generated according to the types of bases constituting the single-stranded nucleic acid while electrophoresing the nucleic acid in the fluid sample with nanopores. A method of detecting a sequence and placing a pair of electrodes across the nanopores on the side where the nanopores are formed while passing the nucleic acid through the nanopores, to determine the tunneling current generated when the nucleic acid passes between the electrodes. There is a way to measure change.

DNA는 버퍼용액의 pH에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 아무런 외력이 작용하지 않았을 경우 랜덤 워크(random walk)를 하며 엉켜있는 구형 형태로 존재하게 되며, 이러한 DNA들은 시스체임버(cis chamber)와 트렌스체임버(trans chamber)에 인가된 전압에 의해 형성되는 전기장 구배를 따라 시스체임버에서 나노포어를 통과하여 트렌스체임버로 이동한다. 인가된 전압의 강하는 대부분 급격한 단면적의 변화가 발생하는 나노포어 주변에서 발생하게 되며, 따라서 시스체임버와 트렌스체임버에서의 전기장 구배는 미미한 수준이 된다. 따라서 시스체임버 내에서 자유유동에 가깝게 운동하던 DNA들은 나노포어 주변에 이르러서 급격한 전기장 구배에 놓이게 되고 빠른 속도로 나노포어를 통과하게 된다.The DNA varies depending on the pH of the buffer solution, but in general, when no external force is applied, random DNA walks and forms a tangled spherical shape.These DNAs are cis chamber and trans chamber. It moves from the sheath chamber through the nanopores to the transchamber along the electric field gradient formed by the voltage applied to the trans chamber. The drop in applied voltage occurs mostly around the nanopores where sharp cross-sectional changes occur, so that the electric field gradients in the sheath chamber and the transformer chamber are negligible. As a result, DNAs that move close to free-flow within the system chamber are placed around the nanopores and placed in a steep electric field gradient, passing through them rapidly.

전술한 핵산 분석 방법들은 핵산이 나노포어를 통과할때 발생하는 전기적 변화를 측정하여 염기서열을 분석하기 때문에 나노포어를 통과하는 DNA의 속도를 일정하게 측정한계 이하로 유지해 주는 것이 매우 중요하다. 그러나, 나노포어를 통과하는 DNA에는 여러가지 이유에 의해 불균일하고 측정한계를 넘어서는 통과속도가 발생하게 되는 문제를 가지고 있다. 전술한 바와 같이 나노포어 주변의 전기장 구배는 매우 크기 때문에 나노포어를 통과하는, 즉 측정영역을 통과하는 DNA의 속도를 측정한계 이하로 유지하는 것은 매우 어려운 일이다. 또한 나노포어에 인게이지(engage)할 때 DNA 가닥의 형상은 구형에서 부분선형으로 변하게 되는데 이러한 형상은 랜덤한 분포를 갖게 되고 이는 불균일한 통과속도가 발생하는 첫번째 이유이다. 또한, DNA를 구성하는 염기들이 나노포어를 통과하여 트렌스체임버로 빠져나가는 과정에서 시스체임버에 놓여진 염기들의 수는 점차 감소하게 되며, 이러한 과정에서 나노포어가 놓여있는 멤브레인과 시스체임버에 놓여있는 염기들 사이의 마찰이 감소하게 되어 나노포어 통과속도는 기하급수적(ex-ponential)으로 증가하게 된다. The above-described nucleic acid analysis method is very important to keep the rate of DNA passing through the nanopore below a constant measurement limit because the sequence is analyzed by measuring the electrical change that occurs when the nucleic acid passes through the nanopore. However, the DNA passing through the nanopore has a problem that a pass rate occurs beyond a measurement limit due to various reasons. As described above, since the electric field gradient around the nanopores is very large, it is very difficult to keep the rate of DNA passing through the nanopores, that is, through the measurement region, below the measurement limit. Also, when the nanopores are engaged, the shape of the DNA strands changes from spherical to sublinear, which has a random distribution, which is the first reason for uneven passage speed. In addition, as the bases of the DNA pass through the nanopores and exit the trans chamber, the number of bases placed in the cis chamber gradually decreases, and in this process, the bases in the membrane and the cis chamber on which the nanopores are placed are reduced. As the friction between them decreases, the nanopore passage speed increases exponentially.

미국등록특허공보 제6,428,959호US Patent No. 6,428,959

본 발명의 일 측면에 따르면, 핵산의 이송 경로에서 나노 단면적을 갖는 부분의 길이를 연장시킴으로써 나노포어 부근의 전위차를 완화 및 나노포어 부근에서 선형의 DNA 형상을 갖도록 할 수 있는 입자 검출 장치 및 방법을 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a particle detection apparatus and method capable of alleviating the potential difference near the nanopores and having a linear DNA shape near the nanopores by extending the length of the portion having the nano-sectional area in the transport path of the nucleic acid. Can provide.

일 실시예에 따른 입자 검출 장치는, 입자를 포함하는 시료가 도입 및 유출되도록 구성되며 나노포어의 전단 및 후단에 위치하는 나노채널; 상기 입자가 통과하도록 구성된 상기 나노포어를 갖는 검출막; 및 상기 입자가 상기 나노포어를 통과하여 발생되는 전류 변화를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.Particle detection apparatus according to an embodiment is configured to introduce and discharge a sample containing particles and nanochannels located in front and rear ends of the nanopores; A detection film having the nanopores configured to pass the particles; And it may include a measuring unit for measuring the current change generated by the particles passing through the nanopores.

일 실시예에 따른 입자 검출 방법은, 입자를 포함하는 시료를 나노채널 내로 도입하는 단계; 상기 나노채널 내로 도입된 입자를 검출막의 나노포어에 통과시키는 단계; 및 상기 입자가 상기 나노포어를 통과하여 발생되는 전류 변화를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. Particle detection method according to an embodiment, the step of introducing a sample containing particles into the nanochannel; Passing the particles introduced into the nanochannels through the nanopores of the detection layer; And measuring a change in current generated by the particles passing through the nanopores.

본 발명의 일 측면에 따른 입자 검출 장치 및 방법에 의하면, 나노포어 전단 및 후단에 나노 단면적을 갖는 나노채널을 배치함으로써, 나노포어 부근에 집중되는 전위차를 완화하고 상대적으로 넓은 영역에서 전위 변화가 일어나도록 할 수 있다. 그 결과, 나노포어를 통과하는 핵산의 이동 속도를 측정한계 이하로 감소시킬 수 있도록 도움을 줌과 동시에 통과속도를 상대적으로 균일하게 유지할 수 있으며, 핵산의 형상을 나노포어 전단 및 후단에서 선형으로 유지하여 일정한 형상으로 나노포어에 인게이지(engage)될 수 있도록 하여 측정에 정확도를 향상시키는 이점이 있다. According to the particle detection apparatus and method according to an aspect of the present invention, by disposing a nanochannel having a nano cross-sectional area at the front and rear ends of the nano-pores, the potential difference concentrated in the vicinity of the nano-pores is reduced and the potential change occurs in a relatively large area You can do that. As a result, it helps to reduce the moving speed of the nucleic acid passing through the nanopore below the measurement limit, while maintaining a relatively uniform passage speed, and maintains the shape of the nucleic acid linearly at the front and rear of the nanopore. In order to be able to be engaged (gauge) to the nanopores in a certain shape, there is an advantage to improve the accuracy in the measurement.

상기 입자 검출 장치 및 방법은, DNA 염기서열분석(DNA sequencing), DNA 맵핑(mapping), 단일 염기 다형성(single nucleotide polymorphisim) 측정, 또는 단일 염기 다형성의 집합인 헤플로타입(haplotype) 측정 등과 같이 전기 및/또는 광을 이용하여 단일 DNA 상의 염기의 위치와 순서를 읽어내는 일련의 기술에 효과적으로 적용될 수 있다. The particle detection apparatus and method may be used for electrical purposes such as DNA sequencing, DNA mapping, single nucleotide polymorphisim measurement, or haplotype measurement, which is a collection of single nucleotide polymorphisms. And / or can be effectively applied to a series of techniques for reading the position and order of bases on a single DNA using light.

도 1은 일 실시예에 따른 입자 검출 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 입자 검출 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 입자 검출 장치 내의 전기장 분포를 종래의 장치와 비교하여 설명하기 위한 개념도들이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a particle detection apparatus according to an embodiment.
2 is a schematic cross-sectional view of a particle detection device according to another embodiment.
3A and 3B are conceptual views for explaining an electric field distribution in a particle detection device according to an embodiment in comparison with a conventional device.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 입자 검출 장치의 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a particle detection apparatus according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 입자 검출 장치는 나노채널(nanochannel)(10), 나노포어(nanopore)(300)를 포함하는 검출막(30) 및 측정부(40)를 포함할 수 있다. 또한, 입자 검출 장치는 나노포어(300)의 양단 사이에 전기장을 인가하기 위한 전원부(20)를 더 포함할 수도 있다. Referring to FIG. 1, the particle detection apparatus may include a nanochannel 10, a detection layer 30 including a nanopore 300, and a measurement unit 40. In addition, the particle detection device may further include a power supply unit 20 for applying an electric field between both ends of the nanopores (300).

나노채널(10)은 검출하고자 하는 입자(200)를 포함하는 시료가 도입 및 유출되기 위한 부분이다. 나노채널(10)은 나노포어(300)의 전단 및 후단에 위치하며, 나노미터 수준의 폭(W)를 가질 수 있다. 본 명세서에서 폭이란, 나노채널(10) 또는 나노포어(300)의 연장 방향, 즉, 나노채널(10) 또는 나노포어(300)를 통과하는 입자(200)의 이동 방향에 수직한 방향의 단면 길이를 지칭한다. 예컨대, 나노채널(10)이 직사각형 단면을 갖는 경우, 직사각형의 한 변의 길이가 폭(W)에 해당할 수 있다. 또한, 나노채널(10)이 원형 단면을 갖는 경우에는 원의 직경이 폭(W)에 해당할 수 있다. The nanochannel 10 is a portion for introducing and exiting a sample including the particles 200 to be detected. The nanochannel 10 may be positioned at the front and rear ends of the nanopores 300 and may have a width W of the nanometer level. In the present specification, the width is a cross section perpendicular to the direction in which the nanochannel 10 or the nanopores 300 extend, that is, the moving direction of the particles 200 passing through the nanochannel 10 or the nanopores 300. Refers to length. For example, when the nanochannel 10 has a rectangular cross section, the length of one side of the rectangle may correspond to the width (W). In addition, when the nanochannel 10 has a circular cross section, the diameter of the circle may correspond to the width (W).

나노채널(10)은 식각 및 리소그래피(lithography) 공정 등에 의하여 기판(100)을 부분적으로 제거함으로써 기판(100) 내에 형성될 수 있다. 상기 기판(100)은 여러 개의 기판이 서로 접합된 것일 수도 있다. 예컨대, 두 기판의 표면을 각각 나노 수준의 폭 및 깊이로 식각하여 나노구조물을 형성하고, 형성된 나노구조물들이 서로 대향하도록 양 기판을 접합함으로써 도 1에 도시된 것과 같은 나노채널(10)이 형성될 수 있다. The nanochannel 10 may be formed in the substrate 100 by partially removing the substrate 100 by etching, lithography, or the like. The substrate 100 may be a plurality of substrates are bonded to each other. For example, nanochannels 10 as shown in FIG. 1 may be formed by etching the surfaces of two substrates to nanoscale widths and depths, respectively, to form nanostructures, and bonding the two substrates so that the formed nanostructures face each other. Can be.

이상과 같이 형성된 나노채널(10)은, 부분적으로 나노포어(300)의 연장 방향을 따라 연장되는 부분을 포함할 수 있다. 또는, 나노채널(10) 전체가 나노포어(300)의 연장 방향을 따라 연장될 수도 있다. 도 1에 도시된 실시예의 경우, 나노채널(10)에서 중간에 위치하는 부분(12)이 상하 방향으로 연장되어 나노포어(300)를 통과하는 입자(200)의 이동 방향과 정렬된다. 상기 부분(12)의 폭(W)를 나노포어(300)의 폭(w)에 대해 적절한 비율로 결정함으로써, 나노포어(300) 부근의 전위차를 완화할 수 있다. The nanochannel 10 formed as described above may include a portion extending along the extending direction of the nanopores 300. Alternatively, the entire nanochannel 10 may extend along the direction in which the nanopores 300 extend. In the embodiment shown in FIG. 1, the portion 12 located in the middle of the nanochannel 10 extends in the vertical direction and is aligned with the moving direction of the particle 200 passing through the nanopores 300. By determining the width W of the portion 12 at an appropriate ratio with respect to the width w of the nanopores 300, the potential difference in the vicinity of the nanopores 300 can be alleviated.

일 실시예에서, 나노채널(10)의 폭(W)은 나노포어(300)의 폭(w) 이상이고 나노포어(300)의 폭(w)의 50배 이하일 수 있다. 그러나 전술한 수치들은 단지 예시적인 것으로서, 나노포어(300)의 폭(w)과 나노채널(10)의 폭(W)의 비율은 검출하고자 하는 입자(200) 및 입자(200)의 이동을 위하여 인가되는 전기장의 형태 및 크기 등에 기초하여 적절히 결정될 수 있다. In one embodiment, the width W of the nanochannel 10 may be greater than or equal to the width w of the nanopores 300 and less than or equal to 50 times the width w of the nanopores 300. However, the above numerical values are merely exemplary, and the ratio of the width w of the nanopores 300 to the width W of the nanochannels 10 may be used for the movement of the particles 200 and 200 to be detected. It may be appropriately determined based on the shape and size of the electric field applied.

또한, 전술한 나노채널(10)의 형상 및 제조 방법은 단지 예시적인 것으로서, 나노채널(10)은 특정 제조 방법에 의하여 형성된 것으로 한정되지 않으며, 핵산 등 입자(200)를 포함하는 시료가 도입될 수 있는 것이라면 임의의 형상을 가질 수 있다. 나아가, 나노채널(10)을 형성하기 위한 기판(100) 또한 특정 종류, 형상 또는 재질 등에 한정되지 않는다. In addition, the shape and manufacturing method of the above-described nanochannel 10 is merely exemplary, and the nanochannel 10 is not limited to one formed by a specific manufacturing method, and a sample including particles 200 such as nucleic acid may be introduced. If it can, it can have any shape. In addition, the substrate 100 for forming the nanochannel 10 is also not limited to a specific kind, shape, or material.

입자(200)는 전기장에 의하여 운반될 수 있는 극성 물질일 수 있다. 예를 들어, 입자(200)는 DNA, RNA, 단일 가닥(single strand) DNA 또는 단일 가닥 RNA 등을 포함하는 핵산일 수 있다. 또한, 시료는 액체 시료일 수도 있다. 예컨대, 핵산을 포함하는 버퍼 용액이 시료로 이용될 수 있다. 버퍼 용액은 고분자 용액(polymer solution)일 수도 있다. Particle 200 may be a polar material that may be carried by an electric field. For example, particle 200 may be a nucleic acid including DNA, RNA, single stranded DNA or single stranded RNA, and the like. In addition, the sample may be a liquid sample. For example, a buffer solution containing nucleic acid can be used as the sample. The buffer solution may be a polymer solution.

전원부(20)는 나노포어(300)의 양단 사이에 전기장을 인가할 수 있다. 예컨대, 전원부(20)는 나노채널(10)의 양단 사이에 전기장을 인가하고, 입자(200)는 전기장에 의하여 나노채널(10)을 따라 이동하면서 나노포어(300)를 통과할 수 있다. 일 실시예에서, 전원부(20)는 나노채널(10)의 양단에 각각 위치하는 한 쌍의 전극(21, 22) 및 상기 한 쌍의 전극(21, 22) 사이에 전력을 인가하기 위한 전원장치(23)를 포함할 수도 있다. 전원장치(23)에 의해 인가되는 전력은 교류 또는 직류일 수 있으며, 특정 파형 또는 크기에 한정되지 않는다. The power supply unit 20 may apply an electric field between both ends of the nanopores 300. For example, the power supply unit 20 may apply an electric field between both ends of the nanochannel 10, and the particles 200 may pass through the nanopores 300 while moving along the nanochannel 10 by the electric field. In one embodiment, the power supply unit 20 is a power supply for applying power between the pair of electrodes (21, 22) and the pair of electrodes (21, 22) respectively located at both ends of the nano-channel (10) (23) may be included. The power applied by the power supply 23 may be alternating current or direct current, and is not limited to a particular waveform or size.

검출막(30)은 입자(200)가 통과하기 위한 나노포어(300)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 검출막(30)은 도전막(31) 및 도전막(31)의 양 표면에 코팅된 절연막(32, 33)을 포함할 수 있다. 도전막(31)은 금속 등 도전 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 절연막(32, 33)은 도전막(31)을 외부로부터 전기적으로 절연할 수 있는 임의의 절연 물질로 이루어질 수 있다. 나노포어(300)는 도전막(31) 및 절연막(32, 33)을 통과하여 연장될 수 있다. 도전막(31)의 양단은 나노포어(300)에 의하여 전기적으로 분리될 수 있다. The detection layer 30 may include nanopores 300 for the particles 200 to pass therethrough. In one embodiment, the detection layer 30 may include a conductive layer 31 and insulating layers 32 and 33 coated on both surfaces of the conductive layer 31. The conductive film 31 may be made of a conductive material such as metal. In addition, the insulating films 32 and 33 may be made of any insulating material capable of electrically insulating the conductive film 31 from the outside. The nanopores 300 may extend through the conductive layer 31 and the insulating layers 32 and 33. Both ends of the conductive layer 31 may be electrically separated by the nanopores 300.

측정부(40)는 도전막(31)의 양단에 전기적으로 연결되어, 나노포어(300)를 통과하는 입자(200)를 검출하기 위한 부분이다. 입자(200)는 DNA와 같은 극성 물질이므로, 전원부(20)에 의하여 전기장이 인가되면, 입자(200)는 전기장에 의하여 나노채널(10) 내를 이동하게 된다. 나노채널(10)은 나노포어(300)의 전단 및 후단에 위치하므로, 나노채널(10) 내를 이동하는 입자(200)는 나노포어(300)를 통과하게 된다. 입자(200)가 나노포어(300)를 통과하는 동안, 입자(200)로 인하여 나노포어(300)를 사이에 둔 양 측의 도전막(31) 사이에 터널링 전류(tunneling current)가 흐를 수 있다. 측정부(40)는 이 터널링 전류를 측정함으로써 나노포어(300)를 통과하는 입자(200)의 유무 및 종류를 특정할 수 있다. The measuring unit 40 is electrically connected to both ends of the conductive layer 31 to detect the particles 200 passing through the nanopores 300. Since the particle 200 is a polar material such as DNA, when an electric field is applied by the power supply unit 20, the particle 200 moves in the nanochannel 10 by the electric field. Since the nanochannel 10 is located at the front and rear ends of the nanopores 300, the particles 200 moving in the nanochannels 10 pass through the nanopores 300. While the particles 200 pass through the nanopores 300, a tunneling current may flow between the conductive layers 31 on both sides with the nanopores 300 interposed therebetween. . The measurement unit 40 may specify the presence or absence of the particles 200 passing through the nanopores 300 by measuring the tunneling current.

터널링 전류를 이용한 핵산 등 염기서열 분석(sequencing) 방법에 대해서는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 자세한 설명은 생략한다. Since sequencing methods such as nucleic acids using tunneling currents are well known in the art, detailed descriptions thereof will be omitted for clarity.

이상과 같이 구성된 입자 검출 장치를 이용하면, 핵산 등 입자의 이송 경로에서 나노 단면적을 갖는 부분의 길이를 연장시킴으로써 나노포어 부근의 전위차를 완화할 수 있다. 이는 이하에서 도 3a 및 3b를 참조하여 자세한 설명한다. By using the particle detection device configured as described above, the potential difference in the vicinity of the nanopores can be alleviated by extending the length of the portion having the nano cross-sectional area in the transport path of the particles such as nucleic acid. This will be described in detail with reference to FIGS. 3A and 3B below.

도 3a은 나노채널을 포함하지 않는 종래의 장치에서 나노포어 주변의 전기장 분포를 나타내는 개념도이다. Figure 3a is a conceptual diagram showing the electric field distribution around the nanopores in a conventional device that does not include nanochannels.

도 3a를 참조하면, 종래의 장치의 경우 시료 용액 내에 나노포어만이 배치되므로 나노포어의 폭(w)에 비해 입자가 이송되는 다른 공간의 폭(W)이 매우 크다. 도 3a에서 각 부분의 색은 해당 부분의 전위를 나타내며, 전위는 무지개색을 따라 보라색으로부터 빨간색까지 변화하는 것으로 나타내었다. 도시되는 바와 같이, 나노포어를 통과하는 부분에서 급격한 전위 변화가 일어난다. 그 결과, 엉켜 있는 핵산의 염기들이 일렬로 정렬되는 구간의 길이(h)가 작고, 나노포어를 통과하는 핵산의 이동 속도가 균일하지 않으며, 핵산이 지나치게 빠른 속도로 나노포어를 통과하는 문제점이 있다. Referring to FIG. 3A, since only the nanopores are disposed in the sample solution in the conventional apparatus, the width W of the other space in which the particles are transported is very large compared to the width w of the nanopores. In FIG. 3A, the color of each part represents the potential of the corresponding part, and the potential is shown to change from purple to red along the rainbow color. As shown, a sharp potential change occurs at the portion passing through the nanopores. As a result, the length (h) of the section in which the bases of the tangled nucleic acids are arranged in a line is small, the movement speed of the nucleic acid passing through the nanopores is not uniform, and the nucleic acid passes through the nanopores at an excessively high speed. .

도 3b는 일 실시예에 따른 입자 검출 장치 내에서 나노포어 주변의 전기장 분포를 나타내는 개념도이다. 3B is a conceptual diagram illustrating electric field distribution around nanopores in a particle detection device according to an embodiment.

도 3a와 마찬가지로, 도 3b에서 각 부분의 색은 해당 부분의 전위를 나타나며, 전위는 무지개색을 따라 보라색으로부터 빨간색까지 변화하는 것으로 나타내었다. 도시되는 바와 같이, 나노 수준의 폭(W)을 갖는 나노채널 내에 나노포어를 배치함에 따라, 나노채널의 폭(W)과 나노포어의 폭(w)의 비율이 종래의 장치에 비해 상대적으로 작다. 따라서, 전위 변화가 상대적으로 넓은 영역에 걸쳐 일어나 핵산의 염기들이 일렬로 정렬되는 구간의 길이(h)가 길어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 나노포어를 통과하는 핵산의 이동 속도를 상대적으로 균일하게 유지할 수 있으며, 핵산의 이동 속도를 측정에 용이한 속도로 제어할 수 있고, 그 결과 용이한 측정이 가능해지는 이점이 있다. Like FIG. 3A, the color of each part represents the potential of the corresponding part in FIG. 3B, and the potential is changed from purple to red along the rainbow color. As shown, as the nanopores are placed within nanochannels having a nano-level width W, the ratio of the width W of the nanochannels to the width w of the nanopores is relatively small compared to conventional devices. . Thus, it can be seen that the change in potential occurs over a relatively wide region, and thus the length (h) of the section in which the bases of the nucleic acids are aligned in a line is long. Therefore, the moving speed of the nucleic acid passing through the nanopores can be maintained relatively uniform, the moving speed of the nucleic acid can be controlled at an easy speed for measurement, and as a result, there is an advantage that easy measurement is possible.

도 2는 다른 실시예에 따른 입자 검출 장치의 개략적인 단면도이다. 2 is a schematic cross-sectional view of a particle detection device according to another embodiment.

도 2에 도시된 실시예의 설명에 있어서, 실시예의 요지를 명확하게 하기 위하여 도 1을 참조하여 전술한 실시예의 설명으로부터 용이하게 이해될 수 있는 부분에 대해서는 설명을 생략한다. In the description of the embodiment shown in FIG. 2, in order to clarify the gist of the embodiment, the description of parts that can be easily understood from the description of the embodiment described above with reference to FIG. 1 will be omitted.

도 1을 참조하여 전술한 실시예에 따른 입자 검출 장치는 터널링 전류를 측정함으로써 입자를 검출하였으나, 도 2에 도시된 실시예에 따른 입자 검출 장치는 나노포어를 통해 흐르는 전류 진폭(current amplitude)을 측정하여 전류의 차단(blockade)에 의해 입자를 검출하도록 구성된다. 도 2를 참조하면, 상기 실시예에 따른 입자 검출 장치는 나노포어(500)를 갖는 검출막(50) 및 측정부(60)를 포함할 수 있다.Although the particle detection device according to the embodiment described above with reference to FIG. 1 detects particles by measuring a tunneling current, the particle detection device according to the embodiment shown in FIG. 2 measures the current amplitude flowing through the nanopores. It is configured to measure and detect particles by blockade of current. Referring to FIG. 2, the particle detection apparatus according to the embodiment may include a detection film 50 having a nanopore 500 and a measurement unit 60.

측정부(60)는 입자(200)가 나노포어(500)를 통과하는 동안 나노포어(500)를 통해 흐르는 전류의 변화를 측정할 수 있다. 예컨대, 측정부(60)는 나노채널(10)의 양단에 각각 위치하는 단자(미도시)를 통해 나노채널(10)에 흐르는 전류를 측정할 수도 있다. 입자(200)가 나노포어(500) 내에 위치되면, 나노포어(500)의 전기 저항이 변화하게 되므로 측정부(60)에 의해 측정되는 전류의 진폭이 변화하게 된다. 측정부(60)는 전류 진폭의 변화를 이용하여 나노포어(500) 내를 통과하는 입자(200)의 존재 및 종류를 특정할 수 있다. The measurement unit 60 may measure a change in current flowing through the nanopores 500 while the particles 200 pass through the nanopores 500. For example, the measurement unit 60 may measure a current flowing through the nanochannel 10 through terminals (not shown) respectively positioned at both ends of the nanochannel 10. When the particles 200 are located in the nanopores 500, since the electrical resistance of the nanopores 500 is changed, the amplitude of the current measured by the measuring unit 60 is changed. The measurement unit 60 may specify the presence and type of the particles 200 passing through the nanopores 500 using the change in the current amplitude.

전류의 차단을 이용한 핵산 등 염기서열 분석 방법에 대해서는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 자세한 설명은 생략한다. 또한, 본 명세서에서는 터널링 전류를 이용하여 입자를 검출하는 실시예 및 전류 차단을 이용하여 입자를 검출하는 실시예를 도시하였으나, 이는 단지 예시적인 것으로서, 본 발명은 특정 측정 방식에 한정되지 않는다. Since the method for sequencing a nucleic acid such as a nucleic acid using a current blocking method is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted for clarity. In addition, the present specification has shown an embodiment for detecting particles using a tunneling current and an embodiment for detecting particles using a current interruption, but these are merely exemplary, and the present invention is not limited to a specific measurement method.

실시예들에 따른 입자 검출 장치 및 방법에 의하면, 나노 단면적을 갖는 나노채널 내에 핵산이 통과할 나노포어를 배치함으로써, 나노포어 부근에 집중되는 전위차를 완화하고 이온전류 방향으로 상대적으로 넓은 영역에서 전기장의 구배가 형성되도록 할 수 있다. 그 결과, 나노포어를 통과하는 핵산의 이동 속도를 감소시킴과 동시에 나노포어에 인게이지(engage)되는 DNA의 형상을 선형으로 유지함으로써 통과속도를 상대적으로 균일하게 유지하도록 하여 용이한 측정이 가능하다. According to the particle detection apparatus and method according to the embodiment, by arranging the nanopores for the passage of nucleic acid in the nanochannel having a nano-cross-sectional area, to reduce the potential difference concentrated in the vicinity of the nanopore and the electric field in a relatively large area in the ion current direction A gradient of can be formed. As a result, it is possible to reduce the moving speed of the nucleic acid passing through the nanopore, and to maintain the passage rate relatively uniformly by linearly maintaining the shape of the DNA engaged in the nanopore, thereby making it easy to measure. .

이러한 입자 검출 장치 및 방법은, DNA 염기서열분석(DNA sequencing), DNA 맵핑(mapping), 단일 염기 다형성(single nucleotide polymorphisim) 측정, 또는 단일 염기 다형성의 집합인 헤플로타입(haplotype) 측정 등과 같이 전기 및/또는 광을 이용하여 단일 DNA 상의 염기의 위치와 순서를 읽어내는 일련의 기술에 효과적으로 적용될 수 있다. Such particle detection devices and methods can be used for electrical purposes such as DNA sequencing, DNA mapping, single nucleotide polymorphisim measurements, or haplotype measurements, which are sets of single nucleotide polymorphisms. And / or can be effectively applied to a series of techniques for reading the position and order of bases on a single DNA using light.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (12)

입자가 통과하도록 구성된 나노포어를 갖는 검출막;
상기 입자를 포함하는 시료가 도입 및 유출되도록 구성되며, 상기 나노포어 부근의 전위차를 완화하도록, 상기 나노포어 내로 상기 입자가 도입되는 상기 나노포어의 전단 및 상기 나노포어로부터 상기 입자가 유출되는 상기 나노포어의 후단에 위치하는 나노채널; 및
상기 입자가 상기 나노포어를 통과하여 발생되는 전류 변화를 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
A detection film having nanopores configured to pass particles;
A sample containing the particles is configured to be introduced and outflowed, so that the nanoparticles are sheared out of the nanopores into which the particles are introduced into the nanopores and the nanoparticles outflow from the nanopores to mitigate the potential difference near the nanopores. A nanochannel positioned at the rear of the pore; And
Particle detection device characterized in that it comprises a measuring unit for measuring the current change generated by the particle passing through the nanopores.
제 1항에 있어서,
상기 나노채널은 상기 나노포어의 연장 방향을 따라 연장되는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
The method of claim 1,
The nanochannel particle detection device, characterized in that it comprises a portion extending in the extending direction of the nanopores.
제 1항에 있어서,
상기 나노채널의 폭은 상기 나노포어의 폭 이상이며 상기 나노포어의 폭의 50배 이하인 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
The method of claim 1,
The width of the nanochannel is a particle detection device, characterized in that more than the width of the nanopore and 50 times or less of the width of the nanopore.
제 1항에 있어서,
상기 나노포어의 양단 사이에 전기장을 인가하는 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
The method of claim 1,
Particle detection device further comprises a power supply for applying an electric field between both ends of the nano-pores.
제 4항에 있어서,
상기 측정부는, 상기 입자가 상기 나노포어를 통과하는 동안 상기 나노포어를 통해 흐르는 전류의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
5. The method of claim 4,
The measuring unit, the particle detection device, characterized in that for measuring the change in the current flowing through the nanopore while the particle passes through the nanopore.
제 4항에 있어서,
상기 검출막은 도전막 및 상기 도전막의 표면에 코팅된 절연막을 포함하며,
상기 측정부는, 상기 입자가 상기 나노포어를 통과하는 동안 상기 도전막에 발생하는 터널링 전류의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
5. The method of claim 4,
The detection film includes a conductive film and an insulating film coated on the surface of the conductive film,
The measurement unit, the particle detection device, characterized in that for measuring the change in the tunneling current generated in the conductive film while the particles pass through the nanopores.
나노포어를 갖는 검출막, 및 상기 나노포어 부근의 전위차를 완화하도록 상기 나노포어 내로 입자가 도입되는 상기 나노포어의 전단 및 상기 나노포어로부터 상기 입자가 유출되는 상기 나노포어의 후단에 위치하는 나노채널을 제공하는 단계;
상기 입자를 포함하는 시료를 상기 나노채널 내로 도입하는 단계;
상기 나노채널 내로 도입된 상기 입자를 상기 나노포어에 통과시키는 단계; 및
상기 입자가 상기 나노포어를 통과하여 발생되는 전류 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 방법.
A nanochannel positioned at the front end of the nanopores into which the particles are introduced into the nanopores and at the rear end of the nanopores from which the particles are discharged from the nanopores so as to mitigate the potential difference near the nanopores. Providing a;
Introducing a sample comprising said particles into said nanochannels;
Passing the particles introduced into the nanochannel through the nanopores; And
And measuring a change in current generated by the particles passing through the nanopores.
제 7항에 있어서,
상기 나노채널은 상기 나노포어의 연장 방향을 따라 연장되는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 방법.
8. The method of claim 7,
The nanochannel particle detection method characterized in that it comprises a portion extending in the extending direction of the nanopores.
제 7항에 있어서,
상기 나노채널의 폭은 상기 나노포어의 폭 이상이며 상기 나노포어의 폭의 10배 이하인 것을 특징으로 하는 입자 검출 방법.
8. The method of claim 7,
The width of the nanochannel is a particle detection method, characterized in that more than the width of the nanopore and less than 10 times the width of the nanopore.
제 7항에 있어서,
상기 전류 변화를 측정하는 단계 전에, 상기 나노채널의 양단 사이에 전기장을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 방법.
8. The method of claim 7,
And before applying the current change, applying an electric field between both ends of the nanochannel.
제 10항에 있어서,
상기 전류 변화를 측정하는 단계는, 상기 입자가 상기 나노포어를 통과하는 동안 상기 나노포어를 통해 흐르는 전류의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 방법.
The method of claim 10,
Measuring the current change comprises measuring a change in current flowing through the nanopore while the particle passes through the nanopore.
제 10항에 있어서,
상기 검출막은 도전막 및 상기 도전막의 표면에 코팅된 절연막을 포함하며,
상기 전류 변화를 측정하는 단계는, 상기 입자가 상기 나노포어를 통과하는 동안 상기 도전막에 발생하는 터널링 전류의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 방법. The method of claim 10,
The detection film includes a conductive film and an insulating film coated on the surface of the conductive film,
Measuring the current change comprises measuring a change in tunneling current occurring in the conductive film while the particle passes through the nanopores.
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