KR101411330B1

KR101411330B1 - 감성 진단 칩과 그 측정장치

Info

Publication number: KR101411330B1
Application number: KR1020120042879A
Authority: KR
Inventors: 정효일; 이정현
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2014-06-25
Also published as: US20130252319A1; KR20120057596A

Abstract

본 발명은 혈액, 침, 소변, 땀 등의 체액을 이용하여 실시간으로 인간의 감성을 정확하게 측정하는 감성진단 칩(Emotion-on-a chip, EOC)에 관한 것으로 보다 상세히는, 혈액, 침, 소변, 땀 등의 체액에서 카테콜아민, 코티졸 등의 감성지표대상물질(대사물질, 생체호르몬 등)을 실시간으로 측정하여, 칩 위에서 여러 감성지표를 측정하는 감성 진단 칩과 그 측정장치에 관한 것이다.
본 발명은, 스트레스를 포함하는 감성신호를 검출하는 바이오센서가 장착된 감성진단칩과, 상기 감성진단칩로부터 수신된 감성신호로부터 감성정도, 즉 감성지수로 환산하여 출력하는 감성진단장치를 포함하는 감성진단 시스템에 있어서, 상기 감성진단칩은, 유전층 위에 위치되며, 일측이 터진 내측의 원과 다른 일측이 터진 외측의 원의 신호선으로 이루어진 원형공진기; 상기 유전층 위에서 상기 원형공진기의 일측에 이격 설치된 직선형의 신호선으로 이루어진 마이크로스트립 전송선로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

감성 진단 칩과 그 측정장치{Emotion-on-a-chip and therof measuring apparatus}

본 발명은 혈액, 침, 소변, 땀 등의 체액을 이용하여 실시간으로 인간의 감성을 정확하게 측정하는 감성진단 칩(Emotion-on-a chip, EOC)에 관한 것으로 보다 상세히는, 혈액, 침, 소변, 땀 등의 체액에서 카테콜아민(catecholamin), 코티졸 등의 감성지표대상물질(대사물질, 생체호르몬 등)을 실시간으로 측정하여, 칩 위에서 여러 감성지표를 측정하는 감성 진단 칩과 그 측정장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 혈액, 침, 땀 등의 체액을 이용해 실시간으로 인간의 감성을 측정하는 바이오칩을 이하 감성 진단 칩(Eomotion-on-a-chip)(이하 EOC라 함)으로 명명한다.

감성과학은 현대 사회에서 점차 중요한 부분을 차지하고 있는 과학, 공학적 영역이다. 감성은 외부의 물리/화학적인 자극에 대한 인간 내부의 고차원적인 심리적 체험으로 기쁨, 슬픔, 쾌적, 불쾌 등에 대한 복합적인 감정이라 할 수 있다. 그러나 감성연구의 가장 큰 어려움은 측정의 문제이다. 기존 감성 측정은 자기보고, 인터뷰, 뇌파 및 자율 신경계 반응, 심장혈관 활동도 등에 국한되어 있고 여전히 객관적인 측정이라 할 수 없다.

반도체공정을 이용하면 전자회로가 집적된 칩(chip)위에 생체물질(DNA, 단백질 등)을 고정하여 생명과학분야의 기초연구 및 의료용 진단에 활용할 수 있다.

이러한 칩 위에 DNA를 올리면 DNA-on-a-chip (또는 DNA chip), protein(단백질)을 올리면 protein-on-a-chip (또는 protein chip), cell(세포)를 올리면 cell-on-a-chip(또는 cell chip)이라고 하여 암을 포함한 인간의 질병을 진단하는 데 사용되고 있다.

1990년대 초에는 칩 위에서 분리, 반응, 혼합, 합성, 분석 등의 일반 생화학적 실험이 이루어지는 개념이 도입되면서 칩 위의 실험실, 즉 Lab-on-a-chip이 대두 되기 시작했다. lab-on-a-chip 기술은 짧은 반응시간, 극미량의 시료사용, 소형화 등의 장점을 가지고 미국, 유럽을 시작으로 일본, 한국 등에서 선두적인 연구를 수행하고 있다.

본 발명에서 제안한 감성 진단칩 (emotion-on-a-chip)은 DNA chip처럼 칩위에서 감성지표를 검침할 수 있는 생체물질을 고정하고 감성지표대상물질(대사물질, 생체호르몬 등)을 실시간으로 현장에서 측정할 수 있거나 혹은 LOC처럼 칩 위에서 여러 감성지표의 복합반응을 수행할 수 있는 차세대 바이오칩 기술이라 할 수 있다.

체액을 통한 감성측정은 외적 자극에 대한 대응으로써 인간의 체액에 나타난 생물학적 표지(biological marker)를 통해 감성의 변화를 측정해 내는 것이다.예를 들어 불안과 밀접한 관련이 된다고 보고된 호르몬이자 신경전달 물질인 카테콜아민(catecholamine)의 분비정도를 통해 불안함의 정도를 측정하거나 코티졸의 농도를 통해 스트레스를 측정하는 것이다.

실험 및 분석을 통해 채취한 혈액이나 소변 안에 포함된 생물학적 표지의 변화를 읽어냄으로써 감성상태를 진단하는 것으로 짧은 시간을 통해 반응을 나타냈다가 없어지는 생물학적 표지에 대한 검사는 현재와 같은 방법으로는 측정하기 어려우며, 특히 생물학적 표지로 이용되는 요소가 체액에 일정 정도 이상의양이 나타날 때 측정이 가능하다는 단점이 있다.

현재 체액을 통한 감성측정 방법에 대한 연구는 신경계의 신호를 기반으로 감성측정을 하는 방법에 비해 덜 활성화되었다.

체액에 드러난 여러 표지들은 감성의 변화뿐 아니라 인체에서 일어나고 있는 모든 상황, 곧 신경계 순환계 소화계의 상황을 동시에 종합적으로 표현해 내고 있다는 점에서 감성의 표지를 읽어내는 것이 용이하지 않기 때문이다. 그러나 역으로 감성이 인간의 인지와 감각, 육체의 모든 상황과 연관이 되어 있다고 볼 때 체액을 통한 감성측정은 인간의 감성 이해 자료로서 이용가치가 높은 것이라 할 수 있으며 그렇기 때문에 인내심을 가지고 연구해야 할 분야인 것이다.

특히 감성 바이오 마커 연구는 매우 초기단계로, 체액 내 상당히 많은 수의 감성 바이오마커의 발견과 개발이 감성진단칩의 개발과 함께 이루어져야할 것이며, 이를 위해서는 단일 감성지표를 정확하게 측정하는 EOC의 개발이 선행되어야 한다.

따라서 타액, 침, 소변, 땀 등의 체액에서 카테콜아민(catecholamin), 코티졸 등의 감성지표대상물질(대사물질, 생체호르몬 등)을 실시간으로 측정하여, 칩 위에서 여러 감성지표를 측정하는 감성 진단 칩을 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 타액, 침, 소변, 땀 등의 체액에서 카테콜아민(catecholamin), 코티졸 등의 감성지표대상물질(대사물질, 생체호르몬 등)을 실시간으로 측정하여, 칩 위에서 여러 감성지표를 측정하는 감성 진단 칩(EOC) 및 그 측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 경제적이며 간편한 정량적 감성측정의 한 방법의 감성 진단칩(EOC) 및 그 측정장치을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기위해, 본 발명의 제1실시예는, 스트레스를 포함하는 감성신호를 검출하는 바이오센서가 장착된 감성진단칩과, 상기 감성진단칩로부터 수신된 감성신호로부터 감성정도, 즉 감성지수로 환산하여 출력하는 감성진단장치를 포함하는 감성진단 시스템에 있어서, 상기 감성진단칩은, 하단에 금속으로 이루어진 접지층; 상기 접지층위에 형성된 유전층; 상기 유전층위에 형성되되, 마이크로스트립 전송선로와 원형공진기를 구비하는 마스킹 층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 감성진단칩은, 유전층 위에 위치되며, 일측이 터진 내측의 원과 다른 일측이 터진 외측의 원의 신호선으로 이루어진 원형공진기; 상기 유전층 위에서 상기 원형공진기의 일측에 이격 설치된 직선형의 신호선으로 이루어진 마이크로스트립 전송선로;를 포함한다.

본 발명의 제2실시예는, 스트레스를 포함하는 감성신호를 검출하는 바이오센서가 장착된 감성진단칩과, 상기 감성진단칩로부터 수신된 감성신호로부터 감성정도, 즉 감성지수로 환산하여 출력하는 감성진단장치를 포함하는 감성진단 시스템에 있어서, 감성진단칩은, 시료주입구, 시스(sheath)용액 주입구, 반응효소 주입구를 포함하는 생체시료 수집부; 시료혼합부에서 시료 주입구로부터 주입된 시료와 반응효소 주입구로부터 주입된 반응효소를 혼합하여서 시료를 반응효소와 반응시킨 후, 시료혼합부의 용액중 감성지표를 분리하는 감성지표 분리 및 정제부; 감성지표 분리 및 정제부에서 출력되어 미세유로를 따라 흐르는 시료 중, 감성지표 검출센서에 의해 감성지표를 검출하는 측정부; 측정부로부에서 검출된 감성지표들의 형광의 세기, 임피던스에서 의해 감성지표의 농도를 산정하는 결과출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1실시예에서, 상기 원형공진기는 상기 마이크로스트립 전송선로의 중앙부에서 이격되어 위치되며, 상기 원형공진기가 위치된 부위의 마이크로스트립 전송선로의 폭은, 상기 분할원형공진기가 위치되지 않은 부위의 마이크로스트립 전송선로의 폭보다 좁도록 이루어진다.

상기 원형공진기는, 회오리 형태의 패턴을 가지는 원형나선형 공진기일 수 있다.

상기 마이크로스트립 전송선로의 양단에 초고주파 교류전압이 인가되어, 시변 전자기장(time-varying electromagnetic field)이 발생되고, 상기 시변 전자기장이 원형공진기에 입사되어 유도기전력을 발생되어 공진을 일으킨다.

상기 원형공진기는, 일측이 오픈(open)된 내측 패턴과, 다른 일측이 오픈(open)되고 상기 내측 패턴의 외측에 위치하는 외측 패턴을, 신호선으로 이루며, 상기 내측 패턴과 외측 패턴은 원형, 사각형, 삼각형, 타원형, 마름모 중 어느 하나일 수 있다.

원형공진기의 신호선 또는 마이크로스트립 전송선로는 금으로 이루어지며, 원형공진기의 신호선의 금 표면에 cys3-protein G를 고정화(immobilization) 처리하여 이루어진다.

본 발명의 제3실시예는, 스트레스를 포함하는 감성신호를 검출하는 바이오센서가 장착된 감성진단칩과, 상기 감성진단칩로부터 수신된 감성신호로부터 감성정도, 즉 감성지수로 환산하여 출력하는 감성진단장치를 포함하는 감성진단 시스템에 있어서, 상기 감성진단장치는, 상기 바이오센서로 부터 스트레스를 나타내는 전기전 신호를 스트레스 신호로 검출하는 신호검출부; 마이크로프로세서로 이루어지며, 신호검출부로부터 수신된 스트레스 검출신호로부터, 기설정된 스트레스 단위값에 따라, 스트레스 지수로 환산하고, 상기 스트레스 지수를 성별 및 연령에 따른 기준범위와 비교한 결과를 출력하는 연산처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3실시예는, 연산처리부로부터 출력된 스트레스 지수 및 기준범위와 비교한 결과를 수신하여 그래프 또는 텍스트로 출력하는 표시부를 더 포함한다.

본 발명의 제3실시예에서, 상기 감성진단칩은, 코티졸 농도를 검출하도록 이루어지되, 유전층 위에 위치되며, 일측이 터진 내측의 원과 다른 일측이 터진 외측의 원의 신호선으로 이루어진 원형공진기; 상기 유전층 위에서 상기 원형공진기의 일측에 이격 설치된 직선형의 신호선으로 이루어진 마이크로스트립 전송선로;를 포함한다.

본 발명의 제3실시예에서, 감성진단칩은, 시료주입구, 시스(sheath)용액 주입구, 반응효소 주입구를 포함하는 생체시료 수집부; 시료혼합부에서 시료 주입구로부터 주입된 시료와 반응효소 주입구로부터 주입된 반응효소를 혼합하여서 시료를 반응효소와 반응시킨 후, 시료혼합부의 용액중 감성지표를 분리하는 감성지표 분리 및 정제부; 감성지표 분리 및 정제부에서 출력되어 미세유로를 따라 흐르는 시료 중, 감성지표 검출센서에 의해 감성지표를 검출하는 측정부; 측정부로부에서 검출된 감성지표들의 형광의 세기, 임피던스에서 의해 감성지표의 농도를 산정하는 결과출력부;를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 제3실시예에서, 상기 감성진단칩은, 엔돌핀의 농도를 검출하도록 이루어지되, 기판에는 항체가 고정화되어 있는 작용 전극과, 상기 작용 전극에 대향해 설치된 대향 전극이 형성되고 있으며, 효소에 의해서 표지화된 표지화 항체는 상기 작용 전극에 고정화되어 있는 항체에 결합되어 있는 항원과 결합하며, 상기 작용 전극 및 상기 대향 전극는 반응조에 노출되어 있다.

본 발명의 제3실시예에서, 상기 감성진단칩은, 유로중에 상류측으로부터 하류측으로 측정 시료를 흘려 카테콜아민 농도를 검출하도록 이루어진 카테콜아민 센서를 포함하여 이루어지되, 상기 카테콜아민 센서는, 유로에 형성되며, 측정 시료에 포함되는, 카테콜아민 및 측정 방해 물질을 산화하기 위한 산화용 전극과, 유로에 대해 산화용 전극보다 하류 측에 형성된, 카테콜아민을 환원하기 위한 환원용 전극과, 유로에 대해 환원용 전극보다 하류 측에 형성된, 카테콜아민을 검출하기 위한 검출용 전극을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 감성 진단 칩 및 그 측정장치에 따르면, 타액, 침, 소변, 땀 등의 체액에서 카테콜아민(catecholamin), 코티졸 등의 감성지표대상물질(대사물질, 생체호르몬 등)을 실시간으로 측정하여, 칩 위에서 여러 감성지표를 측정할 수 있다.

본 발명에 의해 감성측정을 함에 의해, 외적 자극으로 인한 개인의 이상적(異常的) 변화에 대해 인지함으로 이를 긍정적 상태로 회복 혹은 유지하도록 유도할 수 있다는 점에서 장점이 있으며, 또한 감성의 이상적 변화나 긍정적 상태에 대해서 관점에 따라 다양한 해석이 할 수 있다.

예를들어, 청소년 교육의 관점에서 학생이 학교생활에 원만하게 적응하고, 학업에서의 집중도, 이해도, 만족도 등이 높음을 보여주는 것이 긍정적 상태라고 한다면, 이상적 변화는 그러한 긍정적 상태를 방해하는 감성 결과라고 할수 있다.

의학적인 관점에서 이상적 변화는 정신질환을 유발하거나 일반적인 생활을 하지 못하게 방해하는 우울, 불안, 화, 집착, 혐오 등이라고 할 수 있으며 긍정적 상태는 사회 안에서 일반적인 생활을 영위할 수 있는 상태이다.

사회적인 관점에서 과중한 업무와 경쟁적 인간관계에서 오는 스트레스는 이상적 변화에 해당한다고 할 수 있으며, 이를 인지함으로써 휴식, 운동 등을 통해 긍정적인 상태로의 회복을 유도할 수 있다.

본 발명은 간편하고 경제적인 방법을 통해 개인의 감정 상태를 점검하고 측정할 수 있으며, 감성측정의 결과는 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 감성 진단을 하는 바이오 센서의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 바이오센서의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 도 2의 원형공진기에 사용될 수 있는 공진기들의 일예이다.
도 4는 도 2의 바이오센서(코티졸 검출 센서)를 이용하여 코티졸을 측정하는 방법을 설명하는 설명도이다.
도 5는 도 2의 바이오센서로 검출된 샘플의 S21 공진특성과 시뮬레이션 한 결과와 비교한 그래프이다.
도 6은 도 2의 바이오센서에서 코티졸 측정을 위한 센서 표면 처리 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 감성진단칩과 감성진단 장치의 일예를 나타낸다.
도 8은 도 7의 감성진단장치의 구성을 개략적으로 설명하는 블럭도이다.
도 9는 일본 특허공개공보 제2007-17169호의 바이오칩이다.
도 10은 일본 특허공개공보 제2007-163440호의 바이오칩이다.

본 발명의 감성 진단 칩(EOC)과 그 측정장치, 즉 감성진단 시스템의 구성 및 동작을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 감성 진단을 하는 바이오 센서의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도로, 생체시료 수집부(10), 감성지표 분리 및 정제부(20), 측정부(30), 결과출력부(40)를 포함한다.

생체시료 수집부(1)는 3개의 주입구를 구비하며, 그 중의 하나가 시료주입구이다. 나머지의 2개의 주입구는 시스(sheath)용액 주입구와 반응효소 주입구일 수 있다.

감성지표 분리 및 정제부(20)는 시료혼합부(15), 감성지표분리기(25), 감성지표 감지부(35)

시료혼합부(15)는 시료 주입구로부터 주입된 시료와 반응효소 주입구로부터 주입된 반응효소를 혼합시킨다. 여기서, 시료주입구로 주입되는 시료 및 반응효소 주입구로 주입되는 반응효소 용액이 시료혼합부(15)로 잘 밀어넣어져 정확한 혼합이 일어날 수 있도록 하기 위한 쉬스 용액이 쉬스 용액 주입구를 통해 주입될 수 있다. 이때 반응효소와 시료가 혼합되어, 시료가 반응효소에 반응한 결과, 시료혼합부(15) 내의 용액에 감성지표가 포함되게 된다.

감성지표분리기(25)는 시료혼합부(15)의 용액중 감성지표를 분리한다.

감성지표 감지부(35)는 감성지표분리기(25)로부터 분리된 감성지표를 감지한다. 예를 들어 유전영동 방법 등에 의해 감성지표를 감지되어 미세유로를 따라 출력된다.

측정부(30)는 감성지표 감지부(35)의 말단으로부터 미세유로를 따라 흐르는 시료 중, 센서(또는 필터)로부터 감성지표를 검출하고 분순물은 분순물 배출구(46)으로 배출된다.

결과출력부(40)는 형광의 세기, 임피던스 등을 통해 감성지표의 농도를 산정한다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 바이오센서의 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 즉, 도 2에서는 스트레스 측정을 위한 바이오 센서의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.

본 발명의 바이오 센서(110)는 코티졸을 검출하도록 이루어지되, 접지층(ground layer)(130), 유전층(dielectric layer)(160), 마스킹층(masking layer)(100)으로 이루어진다.

접지층(130)은 하단에 금속으로 이루어진 접지층을 형성한다. 상기 금속은 전도성이 있는 금속으로 이루어진다.

유전층(60)은 접지층(130) 위에 유전층을 형성한다.

마스킹층(100)은 소형 패턴을 가지는 전원층이라고도 할 수 있으며, 상기 유전층위에 형성된다. 마스킹층(100)은 신호선(signal line)(120)과 원형공진기(200)을 구비한다.

신호선(120)은 마스킹층(100)의 중앙부를 가로지르는 마이크로스트립 전송선로로, 원형공진기(200)가 위치된 부위의 신호선(120)은 고 임피던스선(140)이다.

고 임피던스선(140)은 원형공진기(200)가 위치된 부위의 신호선(120), 으로, 그 폭은 원형공진기(200)가 위치되지 않은 부위의 신호선(120)의 폭보다 좁게 이루어진다. 고 임피던스선(140)은 50 옴(ohm)으로 정합된 신호선 구간에 상대적으로 높은 임피던스(high-impedance)를 갖는 신호선을 삽입시킴으로써 표면전류밀도를 강화시켰고, 이러한 형태는 원형공진기(200)에 입사되는 시변자기장 세기를 크게 할 수 있다.

신호선(120)의 양단에 초고주파 교류전압이 인가되어, 시변 전자기장(time-varying electromagnetic field)이 발생된다.

원형공진기(200)는 도 2에서는 분할원형공진기(split-ring resonator; SRR)를 사용하고 있으며, 신호선(120)의 중앙부에서 이격되어 위치되며, 일측이 오픈(open)된 2개의 원형 또는 사각형 신호선(220, 240)으로 이루어지되, 2개의 원형 또는 사각형 신호선(220, 240)의 오픈(open) 위치는 서로 겹치지 않도록 이루어진다, 또한 2개의 원형 또는 사각형 신호선(220, 240)은 내측 원형 또는 사각형(220)과 외측 원형 또는 사각형(240)으로 이루어진다. 여기서 2개의 원형 또는 사각형 신호선(220, 240)이라고 기재되어 있지만, 본 발명에서 이를 한정하기위한 것이 아니며, 2개이상 다수개 일 수 있으며, 형태도 원형 또는 사각형뿐만 아니라 삼각형, 타원형, 마름모 등 다양한 형태를 갖을 수 있다.

원형공진기(200)을 원형 또는 사각형 신호선(220, 240) 들은 금으로 이루어질 수 있으며, 금 표면에 cys3-protein G를 고정화(immobilization) 처리한다. 이러한 고정화 단계는 금 표면에서 항체를 고정시켜주는 역할을 하게 되며, protein G의 경우는 항체의 Fc부분과 결합하여 항체고정의 효율을 높이기 위함이다.

원형공진기(200)는 신호선(120)에서 발생한 시변 전자기장이 입사되어 유도기전력을 발생되어 공진을 일으키도록 이루어져 있다.

즉, 본 발명은 코티졸 검출을 위한 공진소자를 제안하며, 이 소자는 마이크로스트립 전송선로 기반위에 원형공진기를 위치시킴으로써 특정 주파수에서 공진현상을 일으킬 수 있는 형태이다.

신호선(120), 즉 마이크로 스트립 전송선로 (원형공진기(200)를 제외한 나머지 부분)는 일반적으로 도 1과 같이 신호선(금속)/유전층/접지층(금속)으로 구성되고, 높은 주파수를 갖는 초고주파 전원으로부터 인가된 교류전압에 의해 신호선에 교류전류가 흐르게 되면 시변 전자기장이 발생된다. 이러한 시변 자기장이 원형공진기(200) 표면에 거의 수직으로 입사되면 패러데이 법칙 (Faraday's law)에 의해서 유도기전력(induced electromagnetic force) 발생되고, 이로 인해 소자 형태의 원형전류에 의한 공진을 일으키게 된다. 특히, 본 발명에서는 50 옴(ohm)으로 정합된 신호선 구간에 상대적으로 높은 임피던스(high-impedance)를 갖는 신호선을 삽입시킴으로써 표면전류밀도를 강화시켰다. 이러한 형태는 원형공진기(200)에 입사되는 시변자기장 세기를 크게 할 수 있기 때문에 결과적으로 공진특성을 향상 시킬 수 있게 된다.

도 2의 스트레스 측정을 위한 바이오 센서의 제조 공정은 다음과 같다.

(a) 양면이 구리 박막으로 코팅된 유전체 기판을 포토레지스트(photoresist)로 얇게 스핀 코팅한 후, 마스크를 통해 자외선에 노출시켰다.

(b) 기판을 현상액에 담근 후, 느슨해진 감광성 고분자 층을 용해시켰다.

(c) 다음으로 기판을 프린트된 회로기판 (printed circuit board; PCB) 에칭액에 담가서 열린 포토레지스트 창에 있는 구리만 에칭시켰다. 남아 있는 포토레지스트는 아세톤을 이용하여 완전히 제거하였다.

(d) 코티졸 결합을 검출하기 위해 금으로 박막 처리하였고, 금과 구리의 중간 결합층으로서 니켈(4 um) 박막을 사용하였다.

(e) 최종적으로 측정을 위해 전자소자의 양끝지점과 코티졸 검출을 위한 공진기부분을 제외하고 전 영역의 공진소자에 코팅 처리하였다.

도 3은 도 2의 원형공진기에 사용될 수 있는 공진기들의 일예이다.

도 3의 (a)는 도 2에서 사용된 분할원형공진기이다.

도 3의 (b)는 회오리 형태를 가지는 원형나선형 공진기이다.

도 3의 (c)는 신호선과 신호선 사이의 거리가 작은 원형나선형 공진기이다.

본 발명의 원형공진기(200)에 적용될 수 있는 공진기로서 분할원형공진기, 나선형 공진기 등을 설명하였지만, 본 발명을 이로써 한정하기 위한 것은 아니면, 다양한 공진기가 적용가능함을 사전에 밝혀둔다.

도 4는 도 2의 바이오센서(코티졸 검출 센서)를 이용하여 코티졸을 측정하는 방법을 설명하는 설명도이다.

도 4의 바이오센서(110)의 샘플에서 코티졸을 측정하기 위한 코티졸 측정장치는, 망분석기(network analyzer; N/A)(300), 바이오센서(코티졸 검출 센서)(10)를 포함하여 이루어진다.

바이오센서(110)의 신호선(120)에 초고주파 교류전압을 인가하면, 신호선(120)에 교류전류가 흐르게 되어 시변 전자기장이 발생되고, 이 시변 자기장이 분할원형공진기(200) 표면에 거의 수직으로 입사되고, 패러데이 법칙 (Faraday's law)에 의해서 유도기전력(induced electromagnetic force) 발생되어, 이로 인해 소자 형태의 원형전류에 의한 공진을 일으키게 된다.

망분석기(300)는 초고주파 측정시스템으로, S-파라미터(scattering parameters) 및 공진주파수를 검출한다.

즉, 본 발명의 바이오센서(110)을 이용한 샘플 측정을 위해, 표준 2-단자 라인-반사-정합 (standard 2-port line-reflect-match; LRM) 교정기법 (calibration method)을 이용하여 초고주파 측정시스템인 망 분석기 (network analyzer; N/A)와 연결된 샘플측정 시스템(test fixture system)을 정밀하게 교정한 후, S-파라미터(scattering parameters)를 측정한다. 입·출력단자를 갖는 망 분석기에서 S₂₁ (=S₁₂) 파라미터는 다음과 같이 수식적으로 정의할 수 있다.

여기서 S21은 입력 전압파 (V₁ ⁺)에 대한 출력 전압파 (V₂ ^-)의 비를 의미한다. 또한 공진주파수는

로 정의되고, 여기서 L과 C는 각각 인덕턴스와 커패시턴스 성분을 의미한다.

도 5는 도 2의 바이오센서로 검출된 샘플의 S21 공진특성과 시뮬레이션 한 결과와 비교한 그래프이다.

도 5는 본 발명에서 제작된 샘플의 S21 공진특성을 시뮬레이션과 비교하여 나타낸 것이며, 각각 9.87 MHz와 10.20 MHz 공진주파수 특성을 나타냈다. 샘플의 공진특성은 보호층 없이 시뮬레이션 된 특성에 비해 △f=33 MHz 만큼 더 낮은 공진주파수로 이동되었고, 동시에 △S₂₁=6.25 dB 만큼 더 높은 신호전송특성을 보였다. 또한 공진소자로서 주파수의 선택성과 손실 특성을 나타내는 품질인자(quality factor; Q-factor)는 수식적으로 수학식 3과 같이 정의된다.

여기서 f_r는 공진주파수 나타내고, △f_3db은 S₂₁ 공진주파수 최저점에서 좌우로 ± 3 dB 크기에 해당되는 주파수 대역폭(frequency bandwidth)을 의미한다. Q 특성 측면에서 시뮬레이션 된 이상적인 소자의 Q 값은 50 정도였고, 실제 제작된 샘플의 Q 값은 30 정도 수준이었다. 이는 샘플 보호층으로 인해 약간 더 손실이 증가되었기 때문에 더 낮은 Q 값을 갖는 공진특성을 보이는 것이다.

도 6은 도 2의 바이오센서에서 코티졸 측정을 위한 센서 표면 처리 과정을 설명하기 위한 설명도이다. 도 6의 (a)는 원형공진기(200)을 구비하는 바이오센서가 코티졸 측정을 위한 센서 표면 처리 과정에 대한 것이고, 도 6의 (b)는 대조군 실험을 위한 센서 표면 처리 과정을 나타낸 것이다.

도 6의 (a)를 참조하여, 원형공진기(200)을 구비하는 바이오센서가 코티졸 측정을 위한 기능성(functionality)을 갖기 위해서 다음과 같은 공정이 필요하다.

(i) 바이오센서의 분할원형공진기(200)의 금 표면에 먼저 cys3-protein G를 고정화(immobilization) 처리하였다. 이러한 고정화 단계는 금 표면에서 항체를 고정 시켜주는 역할을 하게 되며, protein G의 경우는 항체의 Fc부분과 결합하여 항체고정의 효율을 높이기 위함이다.

(ii) 다음으로, PBS(phosphate buffered saline; pH 7.4)로 10 ug/ml의 농도를 만든 후, 1시간동안 반응을 시켰고, 이 후 500 ng/ml의 농도의 코티졸 항체를 처리하여 약 1시간 30분정도를 반응시켰다.

(iii) 그리고 1 mg/ml의 농도로 BSA (bovin serum albumin)을 표면 처리 함으로써 비 특이적인 반응을 최소화시켰다. 반응은 1시간 정도 진행되었고, 이후 1시간 30분 동안 100 ng/ml, 10 ng/ml, 1 ng/ml, 100 pg/ml의 BSA가 결합된 코티졸 (코티졸-BSA) 항원을 반응시켰다. 각 단계의 시료를 처리하는 양은 10 ul로 소자의 금 표면에 결합이 일어날 수 있도록 처리하였고, 초기 온도와 습도 조건을 유지해 줌으로써 반응이 지속적으로 일어날 수 있는 환경을 만들어 주었다. 각 단계를 넘어갈 때는 순수한 PBS용액으로 3번 이상 씻기와 건조를 반복 수행하였다.

이러한 코티졸 측정을 위한 센서 표면 처리 과정을 도 6에서 요약하여 나타냈고, 도 6의 (b)는 대조군 실험을 위한 센서 표면 처리 과정을 나타낸 것이다. 대조군의 경우, cys3-protein G를 고정화시키고, 코티졸 항체 없이 바로 BSA를 금 표면에 처리 한 후, 코티졸-BSA 항원에 결합시켰다.

도 4의 초고주파 측정 시스템을 이용하여 동일한 샘플에 대해서 3번을 반복 측정하였다. 즉 바이오물질을 전혀 처리하지 않은 상태의 샘플, cys3-protein G에 코티졸 항체와 BSA까지 처리한 샘플, 최종적으로 코티졸에 BSA를 처리한 샘플을 각각 측정하였다. 매 측정시 정교하게 초고주파 측정시스템을 다시 교정한 후, 샘플을 완전히 건조 시킨 상태에서 짧은 시간 (∼1분 이내) 안에 측정하였다. 샘플 측정결과에 의하면, 바이오물질 결합에 따른 Q-특성 변화는 거의 일정하거나 미미한 수준의 변화를 보인 반면, 주파수는 바이오물질 결합과 농도에 따라 민감하고 뚜렷한 변화를 보였다.

결과적으로 cys3-protein G에 코티졸 항체와 BSA까지 처리한 샘플들의 경우, 주파수는 △f=25±3 MHz로 비교적 크게 변화되었고, 코티졸-BSA 4가지 항원농도 100 ng/ml, 10 ng/ml, 1 ng/ml, 100 pg/ml에 대해서, 주파수는 각각 △f=11±0.7 MHz, △f=10±1 MHz, △f=9±1.3 MHz, △f=7±1.4MHz로 변화되었다. 대조군의 경우, △f=1±0.5 MHz의 주파수변화를 보였고, 이는 코티졸의 항원-항체 반응이 거의 일어나지 않았음을 확인할 수 있다.

도 2에서는 마이크로스트립 전송선로 (microstrip transmission line) 기반위에 분할원형공진기(split-ring resonator; SRR)를 위치시킴으로써 특정 주파수에서 공진현상을 일으킬 수 있는 구조의 공진소자를 제안하였다. 이러한 공진소자위에 코티졸을 인지하는 항체를 고정하여 코티졸을 포획한 후에 공진주파수를 측정하고 코티졸이 없을 때의 공진 주파수와 비교하여 코티졸의 존재유무를 확인하는 방식으로 0.1 ng/ml 에서 100ng/ml까지의 코티졸 농도에 따라 7MHz에서 11 MHz의 선형적인 주파수 변화를 측정할 수 있었다.

본 발명에서 검출 가능한 최소주파수 범위는 대략 1∼1.5 MHz 해상도을 가진다. 이러한 코티졸 농도에 따른 주파수의 변화는 향후 무선단말시스템에 적용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 감성진단칩과 감성진단 장치의 일예를 나타내고, 도 8은 도 7의 감성진단장치의 구성을 개략적으로 설명하는 블럭도이다.

도 7에서, 감성진단칩(5)는 도 2의 바이오센서(110)가 장착된 감성진단칩으로, 체액이 넣어진 감성진단칩(5)을 감성진단 장치(400)에 장착한다.

감성진단칩(5)이 장착되고, 감성진단 장치(400)의 킵입력부(420)의 시작키를 눌러지면, 감성진단칩(5)은 감성진단칩(5)으로부터 감성 정도, 즉 스트레스 정도, 스트레스 지수를 검출하여, 표시부(410)으로 출력한다.

도 8은 감성진단장치(400)는 표시부(410), 키입력부(420), 연산처리부(450), 공진주파수검출부(460), 입력주파수제어부(470)을 포함하여 이루어진다. 여기서 공진주파수검출부(460), 입력주파수제어부(470)는 신호검출부(480)라 할 수 있다.

도 7과 도 8은 바이오센서 및 신호검출부를 도 2를 기준으로 설명하고 있으나, 이로써 본 발명을 한정하기 위한 것이 아님을 밝혀둔다. 도 7과 도 8의 바이오센서(110)는 도 1의 바이오센서를 포함하는 다양한 바이오센서가 장착될 수 있으며, 신호검출부(480)도 도 2의 바이오센서를 기준하여, 공진주파수검출부(460)와 입력주파수제어부(470)를 포함하여 설명하고 있으나, 다른 다양한 신호검출부가 장착될 수도 있다.

표시부(410)는 연산처리부(450)로부터 출력된 스트레스 지수를 수신하여 그래프 또는 텍스트로 출력한다. 경우에 따라서, 표시부(410)는 LED 등을 구비하여, 스트레스 정도에 따라 색깔을 달리하는 빛으로 출력할 수 있다.

키입력부(420)는 시작키와 종료키를 구비하며, 경우에 따라서는 사용자의 성별 및 연령 설정모드를 더 구비할 수 있다.

연산처리부(450)는 키입력부(420)의 출력 데이터를 수신하고, 신호검출부(480)의 출력신호, 즉 스트레스 검출신호를 수신하여, 스트레스 정도(스트레스 지수)를 계산하고, 연산된 스트레스 정도로부터 정상범위여부판단하여 출력한다.

즉, 연산처리부(450)는 신호검출부(480)의 스트레스 검출신호로부터, 기설정된 스트레스 단위값에 따라, 스트레스 지수로 환산하여 표시부(410)로 출력하고, 상기 스트레스 지수를 성별 및 연령에 따른 기준범위와 비교하여 그 결과를 출력한다. 연산처리부(450)는 마이크로프로세서 또는 마이크로콘트롤러 일 수 있다.

신호검출부(480)는 바이오센서(110)로 부터 스트레스 신호를 검출하는 수단으로, 도 2의 경우는 공진주파수검출부(460)와 입력주파수제어부(470)로 이루어진다.

입력주파수제어부(470)는 도 2의 바이오센서(110)로 공진주파수를 검출하기위해 소정 주파수를 가진 전원(전압 또는 전류)을 입력하기 위한 수단이다.

공진주파수검출부(460)는 공진시의 주파수를 검출하기 위한 수단이다. 바이오센서(110)에서 소정 부분의 전류 또는 전압 검출부로 이를 검출할 수도 있다.

도 9는 일본 특허공개공보 제2007-17169호의 바이오칩으로, 도 7의 바이오칩(110)으로써 도 9의 바이오칩을 사용할 수도 있으며, 이경우, 신호검출부(480)는 전류검출부로 이루어진다.

도 9는 간단한 구조로 설비의 대형화를 할 필요 없이, 항원의 농도를 신속하고 고정밀도로 측정하는 엔돌핀의 농도를 검출하는 바이오 센서, 성분 측정 장치에 관한 것으로, 기판(11)에 형성되고 있는 작용 전극(21)에는, 항체가 고정화되어 있다. 또한, 기판(11)에는, 작용 전극 (21)과 대향해 대향 전극(22)이 형성되고 있다. 효소에 의해서 표지화된 표지화 항체는, 작용 전극(21)에 고정화되고 있는 항체에 결합하고 있는 항원과 결합한다. 작용 전극(21) 및 대향 전극 (22)는, 평평한 반응조(13)에 노출하고 있기 때문에, 작용 전극(21)에 고정화되고 있는 항체와, 항원 및 표지화 항체와의 반응속도가 향상해, 항원의 농도는 신속히 측정된다. 또, 표지화 항체의 효소에 의한 산화 환원 반응은, 항체가 고정화되고 있는 작용 전극(21)의 근방에서 생긴다. 그 때문에, 산화 환원 물질은 작용 전극(21)으로부터 효율적으로 전자를 받아, 작용 전극 (21)으로 대향 전극 (22)와의 사이를 흐르는 전류의 검출 감도가 향상한다.

도 10은 일본 특허공개공보 제2007-163440호의 바이오칩으로, 도 7의 바이오칩(110)으로써, 도 10의 바이오칩을 사용할 수도 있으며, 이경우, 신호검출부(480)는 전류검출부로 이루어진다.

측정 방해 물질의 영향을 경감해, 혈액등의 생체 시료중의 카테콜아민 농도를 연속적으로 모니터 하는 것을 가능하게 하는 카테콜아민 센서에 관한 것으로, 이 발명의 일실시 형태와 관련되는, 카테콜아민 센서는, 유로(62)중에 상류측으로부터 하류측으로 측정 시료(66)을 흘려 카테콜아민 농도를 검출한다. 상기 카테콜아민 센서는, 유로(62)에 형성된, 측정 시료(66)에 포함되는, 카테콜아민 및 측정 방해 물질을 산화하기 위한 산화용 전극(63)과, 유로(62)에 대해 산화용 전극(63)보다 하류 측에 형성된, 카테콜아민을 환원하기 위한 환원용 전극(14)과, 유로(62)에 대해 환원용 전극(64)보다 하류 측에 형성된, 카테콜아민을 검출하기 위한 검출용 전극(65)를 구비한다.

본 발명에서 사용하는 EOC는 감성을 측정하기 위한 바이오 마커와 신호를 얻기 위한 전극, 신호를 변환하기 위한 변환기, 그리고 측정의 결과를 보여주는 부분으로 구성된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

5:감성진단칩 10: 생체시료 수집부
15:시료혼합부 20:감성지표 분리 및 정제부
25:감성지표분리기 30:측정부
35:감성지표 감지부 40:결과출력부
110 : 바이오 센서 130 : 접지층
160 : 유전층 100 : 마스킹층
120 : 신호선 140 : 임피던스선
200 : 분할원형공진기 220, 240 : 원형 또는 사각형 신호선
300 : 망분석기 400: 감성진단 장치
410:표시부 420:키입력부
450:연산처리부 460:공진주파수검출부
470:입력주파수제어부 480:신호검출부

Claims

스트레스를 포함하는 감성신호를 검출하는 바이오센서가 장착된 감성진단칩과, 상기 감성진단칩로부터 수신된 감성신호로부터 감성정도, 즉 감성지수로 환산하여 출력하는 감성진단장치를 포함하는 감성진단 시스템에 있어서,
상기 감성진단칩은,
하단에 금속으로 이루어진 접지층;
상기 접지층위에 형성된 유전층;
상기 유전층위에 형성되되, 마이크로스트립 전송선로와 원형공진기를 구비하는 마스킹 층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
스트레스를 포함하는 감성신호를 검출하는 바이오센서가 장착된 감성진단칩과, 상기 감성진단칩로부터 수신된 감성신호로부터 감성정도, 즉 감성지수로 환산하여 출력하는 감성진단장치를 포함하는 감성진단 시스템에 있어서,
상기 감성진단칩은,
유전층 위에 위치되며, 일측이 터진 내측의 원과 다른 일측이 터진 외측의 원의 신호선으로 이루어진 원형공진기;
상기 유전층 위에서 상기 원형공진기의 일측에 이격 설치된 직선형의 신호선으로 이루어진 마이크로스트립 전송선로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
감성진단칩은,
시료주입구, 시스(sheath)용액 주입구, 반응효소 주입구를 포함하는 생체시료 수집부;
시료혼합부에서 시료 주입구로부터 주입된 시료와 반응효소 주입구로부터 주입된 반응효소를 혼합하여서 시료를 반응효소와 반응시킨 후, 시료혼합부의 용액중 감성지표를 분리하는 감성지표 분리 및 정제부;
감성지표 분리 및 정제부에서 출력되어 미세유로를 따라 흐르는 시료 중, 감성지표 검출센서에 의해 감성지표를 검출하는 측정부;
측정부에서 검출된 감성지표들의 형광의 세기, 임피던스에서 의해 감성지표의 농도를 산정하는 결과출력부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원형공진기는 상기 마이크로스트립 전송선로의 중앙부에서 이격되어 위치되며,
상기 원형공진기가 위치된 부위의 마이크로스트립 전송선로의 폭은, 상기 원형공진기가 위치되지 않은 부위의 마이크로스트립 전송선로의 폭보다 좁도록 이루어진 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원형공진기는, 회오리 형태의 패턴을 가지는 원형나선형 공진기인 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제4항에 있어서,
마이크로스트립 전송선로의 양단에 초고주파 교류전압이 인가되어, 시변 전자기장(time-varying electromagnetic field)이 발생되고, 상기 시변 전자기장이 상기 원형공진기에 입사되어 유도기전력을 발생되어 공진을 일으키는 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원형공진기는, 일측이 오픈(open)된 내측 패턴과, 다른 일측이 오픈(open)되고 상기 내측 패턴의 외측에 위치하는 외측 패턴을, 신호선으로 이루며,
상기 내측 패턴과 외측 패턴은 원형, 사각형, 삼각형, 타원형, 마름모 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
원형공진기의 신호선 또는 마이크로스트립 전송선로는 금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
원형공진기의 신호선의 금 표면에 cys3-protein G를 고정화(immobilization) 처리하여 이루어진 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감성진단장치는,
상기 바이오센서로 부터 스트레스를 나타내는 전기전 신호를 스트레스 신호로 검출하는 신호검출부;
마이크로프로세서로 이루어지며, 신호검출부로부터 수신된 스트레스 검출신호로부터, 기설정된 스트레스 단위값에 따라, 스트레스 지수로 환산하고, 상기 스트레스 지수를 성별 및 연령에 따른 기준범위와 비교한 결과를 출력하는 연산처리부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제10항에 있어서,
연산처리부로부터 출력된 스트레스 지수 및 기준범위와 비교한 결과를 수신하여 그래프 또는 텍스트로 출력하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제10항에 있어서,
상기 감성진단칩은,
코티졸 농도를 검출하도록 이루어지되,
유전층 위에 위치되며, 일측이 터진 내측의 원과 다른 일측이 터진 외측의 원의 신호선으로 이루어진 원형공진기;
상기 유전층 위에서 상기 원형공진기의 일측에 이격 설치된 직선형의 신호선으로 이루어진 마이크로스트립 전송선로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제10항에 있어서,
감성진단칩은,
시료주입구, 시스(sheath)용액 주입구, 반응효소 주입구를 포함하는 생체시료 수집부;
시료혼합부에서 시료 주입구로부터 주입된 시료와 반응효소 주입구로부터 주입된 반응효소를 혼합하여서 시료를 반응효소와 반응시킨 후, 시료혼합부의 용액중 감성지표를 분리하는 감성지표 분리 및 정제부;
감성지표 분리 및 정제부에서 출력되어 미세유로를 따라 흐르는 시료 중, 감성지표 검출센서에 의해 감성지표를 검출하는 측정부;
측정부로부에서 검출된 감성지표들의 형광의 세기, 임피던스에서 의해 감성지표의 농도를 산정하는 결과출력부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제10항에 있어서,
상기 감성진단칩은,
엔돌핀의 농도를 검출하도록 이루어지되,
기판에는 항체가 고정화되어 있는 작용 전극과, 상기 작용 전극에 대향해 설치된 대향 전극이 형성되고 있으며,
효소에 의해서 표지화된 표지화 항체는 상기 작용 전극에 고정화되어 있는 항체에 결합되어 있는 항원과 결합하며,
상기 작용 전극 및 상기 대향 전극는 반응조에 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.
제10항에 있어서,
상기 감성진단칩은,
유로중에 상류측으로부터 하류측으로 측정 시료를 흘려 카테콜아민 농도를 검출하도록 이루어진 카테콜아민 센서를 포함하여 이루어지되,
상기 카테콜아민 센서는, 유로에 형성되며, 측정 시료에 포함되는, 카테콜아민 및 측정 방해 물질을 산화하기 위한 산화용 전극과,
유로에 대해 산화용 전극보다 하류 측에 형성된, 카테콜아민을 환원하기 위한 환원용 전극과,
유로에 대해 환원용 전극보다 하류 측에 형성된, 카테콜아민을 검출하기 위한 검출용 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 감성진단 시스템.