KR101427001B1 - 결합촉진 장치와 이를 이용한 결합 촉진 방법 및 바이오 센서와 이를 이용한 센싱 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 결합 촉진 장치는, 제1 전극과, 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극과, 상기 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 채널부(channel unit)과 상기 채널부와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원(stimuli source) 및 상기 채널부에 연결되어 감지하고자 하는 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 프로브(probe)를 포함한다.

Description

결합촉진 장치와 이를 이용한 결합 촉진 방법 및 바이오 센서와 이를 이용한 센싱 방법{Bonding Accelerating Apparatus, Method of Bonding Acceleration using the same and Biosensor, Biosensor Array and Sensing Method Using The Same}
본 발명은 바이오 센서와 이를 이용한 감지 방법에 관한 것이다.
바이오 센서는 효소, 항체, 항원, 단백질, 호르몬, DNA등의 생체 물질의 존재 여부, 그 농도 등을 검출할 수 있는 센서에 관한 것으로, 의료 분야, 제약 분야, 환경 분야, 농업 분야 및 식품 분야 등 여러 산업 분야에 활용할 수 있는 기술이다.
종래의 바이오 센서는 감지하고자 하는 물질(타겟물질)이 포함된 성분을 생체 감지 물질(Bio receptor, Probe)과 반응시키고, 반응에 의한 현상을 육안으로 감지하거나, 전기화학적(Electro-chemical), 광학적(Optical) 방법 등 여러한 방법으로 감지하여 분석하는 방법을 취한다.
친화도 기반의 바이오 센서(affinity based bio sensor)는 전하를 띈 타겟 물질과 상보적(complementary)으로 결합하는 물질을 프로브로 하여 타겟 물질과 프로브와의 결합이 이루어지는 경우에 타겟 물질의 전하에 의하여 기판에 유도된 전하(induced charge)를 감지하고 아날로그/디지털 전자회로로 신호처리하여 데이터를 얻는 구성을 가진다.
유동성이 적거나, 농도가 낮은 타겟 물질을 감지하는 경우 단위시간당 프로브와 타겟 물질과의 결합율이 낮아 타겟 물질에 대한 센싱 감도가 낮아지며, 버퍼 용액(buffer solution)등과 같은 전해질 내에 포함된 타겟 물질을 감지하고자 하는 경우에는 타겟 물질과 반대 전하를 띈 물질이 타겟 물질의 주위를 에워싼다. 따라서 타겟 물질로부터 이격되어 관찰하면 결과적으로 타겟 물질이 가지는 전하는 반대 전하에 의하여 상쇄되는데, 이를 전하 스크린 효과(charge screen effect)라 한다. 이러한 전하 스크린 효과에 의하여 기판에 유도되는 전하량은 스크린 효과가 발생하지 않았을 경우에 비하여 줄어들어 센싱 감도가 낮아진다.
본 발명은 목적 중 하나는 센싱 감도가 향상된 친화도 기반의 바이오 센서를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 친화도 기반의 바이오 센서의 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 측정 방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 친화도 기반의 바이오 센서에서 프로브(P)와 타겟 물질과의 결합을 촉진하는 방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 프로브(P)와 타겟 물질과의 결합을 촉진할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 결합 촉진 장치는, 제1 전극과, 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극과, 상기 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 채널부(channel unit)과 상기 채널부와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원(stimuli source) 및 상기 채널부에 연결되어 감지하고자 하는 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 프로브(probe)를 포함한다.
본 발명에 의한 결합 촉진 방법은, 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 적어도 하나의 프로브를 포함하는 결합촉진 장치를 준비하는 단계와, 상기 결합촉진 장치에 상기 프로브와 상보적으로 결합하는 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시키는 단계 및 자극원이 전기적 자극을 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 바이오 센서는, 제1 전극과, 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극과, 상기 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 채널부(channel unit)와, 상기 채널부와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원(stimuli source) 및 상기 채널부에 연결되어 감지하고자 하는 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 프로브를 포함한다.
본 발명에 의한 바이오 센서는, 반도체 기판과, 상기 기판 상에 절연막을 개재하여 형성된 게이트(gate)와 상기 반도체 기판에 형성된 소스(source) 및 드레인(drain)과, 상기 게이트의 표면에 위치하는 프로브 및상기 게이트와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원을 포함한다.
본 발명에 의한 바이오 센서 어레이는 기판과, 상기 기판의 일면을 덮으며, 상기 기판을 노출하는 복수의 홀들(holes)을 가지는 제2 전극과, 상기 홀들 내에 각각 위치하며 상기 제2 전극과는 이격되어 위치하는 복수의 제1 전극들과, 상기 제2 전극과 제1 전극을 전기적으로 연결하는 채널부와, 상기 채널부에 연결된 프로브(probe) 물질과, 상기 제1 전극들 중 적어도 어느 하나 및 상기 제2 전극 중 어느 하나에 전기적 자극을 인가하는 자극원을 포함하며, 상기 복수의 홀들은 어레이(array)로 배열된다.
본 발명에 의한 센싱 방법은 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 적어도 하나의 프로브를 포함하는 바이오 센서를 준비하는 단계와, 상기 바이오 센서에 상기 프로브와 상보적으로 결합하는 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시키는 단계와, 자극원이 전기적 자극을 인가하는 단계 및 상기 인가된 전기적 자극에 대한 과도상태에서 타겟 물질을 센싱하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 결합 촉진 방법 및 결합 촉진 장치에 의한다면, 자극원이 인가하는 전기적 자극에 의하여 프로브가 신장 및 수축을 반복하면서 타겟 물질과 보다 넓은 범위에서 조우하여 결합이 이루어지므로 단위 시간당 결합율이 향상된다. 타겟 물질의 이동도가 낮거나 또는 타겟 물질의 농도가 낮은 경우에도 효과적으로 프로브와 결합을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 바이오 센서 및 센싱 방법에 의한다면 자극원이 인가하는 전기적 자극에 의하여 프로브와 타겟 물질을 포위하는 반대 전하를 가진 이온들을 반발한 후 센싱을 수행할 수 있어 타겟 물질의 센싱 감도가 향상된다. 타겟 물질의 농도가 낮은 경우에도 효과적으로 센싱할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 결합촉진 장치의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 결합촉진 장치를 어레이로 형성한 것을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 결합촉진 장치에 타겟 물질(T)이 포함된 용액(S)이 위치한 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 자극원이 전기적 자극을 인가한 상태로, 전기적 자극이 음전위인 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 자극원이 전기적 자극을 인가하는 상태로, 전기적 자극이 양전위인 상태를 도시한 도면이다.
도 6는 자극원이 인가하는 전기적 자극의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 결합 촉진 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 바이오 센서의 단면도이다.
도 9는 자극원이 인가하는 스텝 파형의 전기적 자극의 형태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오 센서의 동작을 시간에 따라 나누어 도시한 개요도이다.
도 11은 자극원이 인가하는 전기적 자극에 대한 과도 상태를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 실시예에 의한 바이오 센서의 개요를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 실시예에 의한 바이오 센서에 타겟 물질(T)를 포함하는 용액을 위치시킨 상태를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 의한 센싱 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 순서도 이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "상부에" 또는 "위에"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접촉하여" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "개재하여"와 "바로 ~개재하여", "~사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
본 발명의 실시예에 따른 결합 촉진 장치와 바이오 센서는 동일하거나 유사한 외관 및 구성을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 결합촉진 장치에 관한 도면으로 바이오 센서를 설명할 수 있음을 이해하여야 한다.
실시예 1
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 결합 촉진 장치의 일 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 결합촉진 장치는 제1 전극, 제1 전극과 이격된 제2 전극, 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 채널부, 채널부와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원(stimuli source)과 채널부에 연결되어 감지하고자 하는 타겟 물질(target material)과 상보적(complemetary) 결합하는 프로브(P, probe)를 포함한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 결합촉진장치 및 결합촉진 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 결합촉진 장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 제1 전극(100) 및 제2 전극(110)은 도전성을 가지는 금속으로 형성된다. 일 예로, 제1 전극(100) 및 제2 전극은 금(Au)을 포함한다. 도시된 바와 같이 제1 전극(100)은 제2 전극(110)과 이격되어 위치한다. 일 예에서, 제1 전극(100)과 제2 전극(110)이 이격된 간극에는 에어 갭(air gap)이 위치한다. 다른 예에서, 제1 전극(100)과 제2 전극(110)이 이격된 간극은 산화막, 질화막 등의 절연막으로 매립될 수 있다.
채널부(120)는 제1 전극(100)과 제2 전극(110)을 전기적으로 연결한다. 즉 채널부(120)의 일부분은 제1 전극(100)과 전기적으로 연결되며, 다른 부분은 제2 전극(110)과 전기적으로 연결된다. 일 예로, 채널부는 하나의 반도체 물질로 형성된다. 다른 예로, 채널부는 복수의 반도체 물질(semiconductor material), 나노 튜브(nano tube), 나노 와이어(nano wire), 나노 로드(nano rod), 나노 리본(nano ribbon), 나노 필름(nano film) 및 나노 볼(nano ball) 중 적어도 하나가 상호 전기적으로 연결되어 형성된다. 이와 같이 제1 전극과 전기적으로 연결된 적어도 하나의 채널 서브 유닛은 다른 적어도 하나의 채널 서브 유닛과 전기적으로 연결되며, 이들은 제2 전극과 전기적으로 연결된 적어도 하나의 채널 서브 유닛과 전기적으로 연결된다.
자극원(140)은 채널부(120)와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가한다. 일 실시예로, 자극원(140)은 펄스를 인가하며, 이러한 펄스는 일 예로, 스텝 펄스, 사각 펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스 등일 수 있으며, 이들이 선형 중첩된 펄스, 또는 이들 중 어느 하나 이상이 시간적으로 연속된 펄스를 인가할 수 있다. 일 실시예로, 자극원(140)은 제1 전극(100)과 전기적으로 연결되어 채널부(120)에 전기적 자극을 인가할 수 있다. 자극원이 직류를 인가하거나 낮은 주파수를 가지는 전기적 자극을 지속적으로 인가한다면 자극원과 전기적으로 연결된 제1 전극에서 용액의 전기 분해 등의 의도하지 않은 반응들이 발생하거나, 프로브(P)의 변성이 일어날 수 있다. 따라서, 자극원에 의하여 인가되는 전기적 자극은 의도하지 않은 반응 또는 프로브(P)등의 변성이 발생하지 않도록 전압값, 주파수 또는 인가 시간이 조절된다. 일 예에서, 인가되는 전기적 자극은 -10V 내지 10V의 범위 내에서 스윙할 수 있다. 다른 예에서, 인가되는 전기적 자극은 0을 초과하여 10GHz의 주파수를 가질 수 있다.
프로브(P)는 채널부(120)에 연결되어 타겟 물질과 상보적으로 결합한다. 일 실시예에서, 타겟 물질이 특정한 염기 서열을 가지는 디옥시리보핵산(DNA, DeoxyriboNucleic Acid)이라면, 프로브(P)는 타겟 물질의 염기 서열과 상보적 결합(complementary binding)하는 서열을 가지는 물질이다. 이와 마찬가지로, DNA, 리보핵산(RNA, RiboNucleic Acid), 단백질(protein), 호르몬(hormone), 항원(antigen)등을 검출하고자 한다면, 이들 각각의 DNA, RNA, 단백질, 호르몬 및 항원과 상보적으로 결합하는 물질을 프로브(P)로 사용한다. 추후에 설명되겠지만, 프로브(P)는 자극원이 인가하는 전기적 자극에 변형되어야 하므로, 일정한 전하를 띄어야 한다. 다만, 전하를 띄는 것으로 족하며, 양전하인지 음전하인지는 문제되지 않으며, 전하량이 큰지 작은지 문제되지 않는다. 프로브(P)는 채널부와 직접적으로 연결될 수 있으나, 도시된 실시예와 같이 프로브(P)는 링커(linker, L)에 의하여 채널부(120)와 연결될 수 있다. 일 예로서, 링커는 금, 은 등의 금속을 포함하는 나노 파티클이다. 일 예로서, 링커(L)는 제1 링커와 제2 링커의 이중 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 링커는 금, 은 등의 금속을 포함하는 나노 파티클이며, 제1 링커는 제2 링커인 나노 파티클과 프로브와의 접착을 위한 링커로, 제1 링커인 나노 파티클과의 접착을 위한 타이올(Thiol)기로 처리된 영역과 프로브와의 접착을 위하여 아민기 또는 카르복실기를 가지는 유기화합물 영역을 포함하는 2중 구조일 수 있다. 이러한 2중 구조는 아민기 또는 카르복실기를 가지는 유기화합물 영역뿐만 아니라, 프로브에 따라 항원 또는 항체를 가지는 영역일 수 있다. 다른 실시예에서, 프로브는 링커없이 채널부에 연결될 수 있다. 일 예로, DNA를 프로브로 이용하는 경우, DNA의 일단을 타이올기로 처리하여 채널부에 직접 연결할 수 있다.
일 실시예에서, 배선층(150)은 전도패턴(152a, 152b, conduction pattern)과 절연패턴(154, insulation pattern)을 포함하며, 제1 전극(100) 및 제2 전극(110)이 위치한 층 하부에 위치한다. 전도패턴(152a)은 제2 전극(110)과 제2 전극을 전기적으로 연결한다. 전도패턴(152b)는 제1 전극(100)과 자극원(140)을 전기적으로 연결한다. 절연패턴(154)은 전도패턴(152a)과 전도패턴(152b) 및 전도패턴과 제1 전극 또는 제2 전극 사이와 같이 상호 전기적 절연이 필요한 요소를 절연한다. 일 예에서, 전도 패턴(152a, 152b)은 전도성 물질로 형성하되, 금, 은, 구리, 알루미늄 등의 높은 전도성을 가진 물질로 형성된다. 일 예에서, 절연패턴은 산화막, 질화막등 절연막으로 형성된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 결합촉진 장치를 어레이로 형성한 것을 도시한 도면이다. 도 2a에서 도면부호 120a는 채널부, 도면부호 100a는 제1 전극을 나타내며, 도면부호 110a는 제2 전극을 나타낸다. 또한, 도 2b에서, 도면부호 120b는 채널부, 도면부호 100b는 제1 전극을 나타내며, 도면부호 110b는 제2 전극을 나타낸다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 결합촉진 장치들이 어레이로 위치한 것을 예시하고 있으며, 도 2b와 같이 한 줄의 결합촉진 장치들과 다음 줄의 센서들이 서로 엇갈려 배치된 어레이 형태도 무방하다. 또한, 도시되지 않은 형태로 형성하는 것도 당연히 가능하며 가로 및 세로로 배치된 센서의 개수는 실시예에 따라 변화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 결합촉진 장치에 타겟 물질(T)이 포함된 용액(S)이 위치한 상태를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 7를 통하여 본 발명의 실시예에 의한 결합촉진 장치와 결합촉진 방법을 설명한다. 도 3을 참조하면, 자극원(140)이 자극을 인가하기 이전에 프로브(P)는 도시된 바와 같이 신장되거나 수축되지 않은 이완된 상태(relaxed state)에 있다. 또한, 각각의 프로브(P)는 상술한 바와 같이 전하를 띄고 있다. 본 실시예에서는 각각의 프로브(P)들이 음전하를 가지고 있는 것으로 예시하나, 상술한 바와 같이 프로브(P)는 양전하 또는 음전하 중 어느 전하형을 가져도 무방하다. 타겟 물질(T)을 포함하는 용액(S)을 결합촉진 장치에 위치시킨 경우에는 타겟 물질의 확산에 의하여 프로브(P)와 타겟 물질간 결합이 이루어진다. 따라서 타겟 물질과 프로브(P) 사이의 단위 시간당 결합율은 타겟 물질의 확산 속도에 의존하며, 용액내 타겟 물질의 농도가 낮거나, 타겟 물질의 확산 속도가 낮은 경우에는 타겟 물질과 프로브(P) 사이의 단위 시간당 결합율은 낮아진다.
도 4는 자극원이 전기적 자극을 인가한 상태로, 전기적 자극이 음전위인 상태를 도시한 도면이며, 도 5는 자극원이 전기적 자극을 인가하는 상태로, 전기적 자극이 양전위인 상태를 도시한 도면이다. 도 6는 자극원으로 인가하는 전기적 자극의 일 예를 도시한 도면이다. 도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 자극원(140)이 제1 전극(100)을 통하여 프로브(P)에 전기적 자극을 인가한다. 일 예로, 도 4 및 도 5에서 자극원(140)이 인가하는 전기적 자극은 사각 펄스인 것으로 도시되어 있으나 이는 예시를 위한 것으로, 자극원(140)이 인가하는 전기적 펄스는 도 6a에 도시된 바와 같은 사각펄스, 도 6b에 도시된 바와 같은 정현 펄스, 도 6c에 도시된 삼각 펄스일 수 있으며, 도 6d에 도시된 바와 같이 사각 펄스와 정현 펄스가 시간적으로 교차하여 연속된 펄스, 도 6e와 같이 삼각 펄스와 사각 펄스가 시간적으로 교차하여 연속된 펄스와 같이 시간에 따라 그 크기(amplitude) 또는 극성(polarity)이 변화하는 전기적 펄스이면 충분하다. 또한, 도 6f에 도시된 바와 같이 일정한 오프셋을 가지는 신호와 펄스가 중첩된 신호를 인가할 수 있다. 다만, 도 6에 도시된 각각의 펄스는 모두 같은 스윙을 가지는 것으로 도시되었으나, 이는 순전히 예시를 위한 것이며 펄스의 스윙은 시간에 따라 변동할 수 있고 서로 다른 스윙을 가지는 펄스가 시간적으로 교차하여 연속될 수 있다. 나아가, 어느 한 펄스를 소정 주기 인가하고, 휴지기동안 어떠한 자극도 인가하지 않은 후, 다시 전기적 자극을 인가할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 자극원(140)이 인가하는 전기적 자극에 의하여 프로브(P)가 변형된다. 일 실시예로, 자극원(140)이 일정한 주기로 양전위와 음전위를 교번하는 전기적 자극을 인가한다. 자극원(140)이 인가하는 펄스가 음전위인 구간에서는 자극원(140)과 전기적으로 연결된 채널부에 음전위가 인가되므로 음의 전하를 띈 프로브(P)는 반발되어 도 4에 도시된 바와 같이 신장된다. 자극원이 인가하는 펄스가 양전위인 구간에서는 자극원과 연결된 채널부(120)에 양전위가 인가된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 음 전하를 띈 프로브(P)는 쿨롱의 힘에 의하여 채널부(120) 방향으로 수축된다. 따라서, 극성을 교번하는 펄스를 인가함에 따라서 프로브(P)는 신장과 수축을 반복한다. 용액 내에 포함된 타겟 물질(T)은 자유로이 운동하여 용액의 모든 부분에 균일하게 존재하므로, 용액 내의 타겟 물질이 확산하여 조우한 프로브(P)와 결합하는 경우뿐만 아니라 프로브(P)가 신장 및 수축을 반복하면서 타겟 물질과 보다 넓은 범위에서 조우하여 결합이 이루어지므로 단위 시간당 결합율이 향상된다.
다른 실시예로, 타겟 물질, 타겟 물질을 포함하는 용액 또는 프로브(P)가 인가된 전기적 자극에 취약하여 계속적으로 전기적 펄스를 인가하면 타겟 물질, 타겟 물질을 포함하는 용액 또는 프로브(P)에 변성이 발생할 수 있다. 이러한 경우에는 펄스를 인가하는 구간과 펄스를 인가하지 않는 휴지기를 소정의 주기로 교번하여 타겟 물질, 타겟 물질을 포함하는 용액 및 프로브(P)에 변성이 발생하지 않도록 전기적 자극을 인가할 수 있다. 일 예로, 자극원이 인가하는 전기적 자극이 음전위라면, 음전위가 인가되는 구간에서는 상술한 바와 같이 프로브(P)가 신장된다. 이어서 휴지기에서는 자극원이 전압을 인가하지 않으므로, 프로브(P)는 신장되거나 수축되지 않고 이완 상태(relaxation state)에 있다. 따라서, 음전위와 휴지기를 교번하여 인가하는 경우 프로브(P)는 신장상태와 이완 상태를 천이하여 용액내의 타겟 물질과 결합한다. 본 실시예에 의하여도 마찬가지로 프로브(P)가 신장하거나 수축되면서 타겟 물질과 조우하여 결합이 이루어지므로 단위 시간당 결합율이 향상된다. 본 실시예는 음전위 인가구간과 휴지기를 교번하는 형태를 예시하였으나, 프로브(P)가 가지는 전하의 극성에 따라 양전위 인가구간과 휴지기를 교번하는 실시예도 가능하다. 다른 실시예에서, 자극원을 통하여 도 6f에 도시된 바와 같이 직류와 펄스가 중첩되어 양의 최대값과 양의 최소값을 가지는 펄스를 인가할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 결합 촉진 방법의 일 실시예를 설명한다. 도 7은 본 발명에 의한 결합 촉진 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 순서도이다. 본 발명의 일 실시예에 의한 결합 촉진 방법은 타겟물질과 상보적으로 결합하는 적어도 하나의 프로브를 포함하는 결합촉진 장치를 준비하는 단계(S100)와, 결합촉진 장치에 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시키는 단계(S200) 및 자극원이 전기적 자극을 인가하는 단계(S300)를 포함한다. 간략하고 명확한 설명을 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 결합 촉진 장치와 중복되는 부분의 설명은 생략될 수 있다.
도 7을 참조하면, 타겟 물질(target material)과 상보적(complemetary)으로 결합하는 프로브(P)를 포함하는 결합촉진 장치를 준비한다(S100). 일 실시예로, 결합촉진 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 전극(100)과 제2 전극(110)을 전기적으로 연결하는 프로브(P)를 포함하는 구성일 수 있다. 다른 실시예로, 결합촉진 장치는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 어레이 형태로 형성될 수 있으며, 또한, 도시되지 않은 어떠한 어레이 형태로 형성될 수도 있다. 다른 실시예로, 결합 촉진 장치는 도 12에 도시된 바와 같이 게이트 표면에 형성된 프로브를 포함할 수 있다.
결합촉진 장치에 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시킨다(S200). 결합촉진 장치에 형성된 프로브(P) 물질은 일정한 전하를 가질 수 있고, 자극원이 전기적 자극을 인가하지 않는 상태에서 프로브(P)는 이완(relax)되어 있으며, 타겟 물질(T)들은 용액 내에 고르게 분포되어 있다. 따라서, 이완되어 있는 프로브(P)와 타겟 물질이 조우하여 결합하는 단위시간당 결합율은 타겟 물질의 확산 속도에 의하여 좌우된다. 특히 타겟 물질의 이동도가 낮거나, 타겟 물질의 농도가 낮은 경우에는 프로브(P)와 타겟 물질의 단위시간당 결합율은 더욱 낮다.
자극원이 전기적 자극을 인가한다(S300). 일 실시예에서, 자극원이 인가하는 전기적 자극은 도 6에 도시된 바와 같이 사각 펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스, 이들의 중첩 및 이들의 조합이 시간적으로 연속된 파형 중 중 적어도 하나일 수 있다. 다른 실시예에서, 도시되지는 않았지만, 자극원은 전기적 자극을 인가하는 구간과 일정한 휴지기를 교번하여 전기적 자극을 인가할 수 있다.
본 단계에서 자극원이 인가하는 전기적 자극에 따라 프로브(P)는 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이 수축되거나 신장된다. 따라서, 프로브(P)는 보다 넓은 범위에서 타겟 물질과 조우하여 결합할 수 있어 단위시간당 결합율 및 결합수가 증가한다. 특히, 타겟 물질의 이동도가 낮거나 또는 타겟 물질의 농도가 낮은 경우에도 효과적으로 프로브(P)와 결합을 이룰 수 있다.
실시예 2
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 바이오 센서를 설명한다. 간략하고 명확한 설명을 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 결합 촉진 장치와 중복되는 부분의 설명은 생략될 수 있다. 도 8 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 의한 바이오 센서를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 바이오 센서의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 제1 전극(300), 제1 전극과 이격된 제2 전극(310), 제1 전극과 일부분이 전기적으로 연결되고, 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 채널부(channel unit, 320), 채널부와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원(stimuli source, 340) 및 채널부에 연결되어 감지하고자 하는 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 프로브(probe, P)를 포함한다. 프로브(P)는 채널부와 직접적으로 연결될 수 있으나, 도시된 실시예와 같이 프로브(P)는 링커(L)에 의하여 채널부(320)와 연결될 수 있다. 일 예로서, 링커는 금, 은 등의 금속을 포함하는 나노 파티클이다. 일 예로서, 링커(L)는 제1 링커와 제2 링커의 이중 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 링커는 금, 은 등의 금속을 포함하는 나노 파티클이며, 제1 링커는 제2 링커인 나노 파티클과 프로브와의 접착을 위한 링커로, 제1 링커인 나노 파티클과의 접착을 위한 타이올(Thiol)기로 처리된 영역과 프로브와의 접착을 위하여 아민기 또는 카르복실기를 가지는 유기화합물 영역을 포함하는 2중 구조일 수 있다. 이러한 2중 구조는 아민기 또는 카르복실기를 가지는 유기화합물 영역뿐만 아니라, 프로브에 따라 항원 또는 항체를 가지는 영역일 수 있다. 다른 실시예에서, 프로브는 링커없이 채널부에 연결될 수 있다. 일 예로, DNA를 프로브로 이용하는 경우, DNA의 일단을 타이올기로 처리하여 채널부에 직접 연결할 수 있다.
일 실시예에서, 프로브(P)는 감지하고자 하는 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 물질이다. 일 예로, 타겟 물질이 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 효소(enzyme), 단백질(proteimn) 및 호르몬(hormone) 중 어느 하나라면, 프로브(P)는 이와 같은 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 효소(enzyme), 단백질(proteimn) 및 호르몬(hormone) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 의한 바이오 센서는 어레이 형태를 가질 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 바이오 센서를 어레이로 형성한 것을 도시한 도면이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 의한 바이오 센서는 기판과, 상기 기판의 일면을 덮으며, 상기 기판을 노출하는 복수의 홀들(holes)을 가지는 제2 전극과, 상기 홀들 내에 각각 형성되며 상기 제2 전극과는 이격되어 형성된 복수의 제1 전극들과 상기 제2 전극과 제1 전극을 전기적으로 연결하는 채널부와, 상기 채널부에 연결된 프로브(P) 물질과 상기 제1 전극들 중 적어도 어느 하나 및 상기 제2 전극 중 어느 하나에 전기적 자극을 인가하는 자극원을 포함하며 상기 복수의 홀들은 어레이(array)로 배열될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 센서들이 장방형의 어레이로 위치한 것을 예시하고 있으며, 도 2b와 같이 한 줄의 센서들과 다음 줄의 센서들이 서로 엇갈려 배치된 어레이 형태도 무방하다. 또한, 도시되지 않은 형태로 형성하는 것도 당연히 가능하며 가로 및 세로로 배치된 센서의 개수는 실시예에 따라 변화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 바이오 센서를 도시된 바와 같이 어레이로 구성하면, 제2 전극과 타겟 물질이 포함된 용액이 접하는 면적이 증가하므로, 제2 전극과 용액 사이의 커패시턴스(capacitance)도 마찬가지로 증가한다. 따라서, 제1 전극과 전기적으로 연결된 자극원을 통하여 전기적 자극을 인가하는 경우에도 용액의 전위가 변동되지 않는다. 이와 같이 본 발명에 의한 센서를 어레이로 형성하는 구성을 취한다면, 타겟 물질을 포함하는 용액의 전위를 일정하게 유지하기 위하여 용액에 일정한 전압을 인가하는 부가 전극을 도입할 필요가 없다.
일 실시예에서, 배선층(350)은 전도패턴(352a, 352b, conduction pattern)과 절연패턴(354, insulation pattern)을 포함하며, 제1 전극(300) 및 제2 전극(310)이 위치한 층 하부에 위치한다. 전도패턴(352a)은 제1 전극(300)과 제1 전극 또는 제1 전극(300)과 리드 아웃 회로부(read out circuit unit, 370)를 전기적으로 연결한다. 전도패턴(152b)는 제2 전극(310)과 자극원(340)을 전기적으로 연결한다. 절연패턴(354)은 전도패턴(352a)과 전도패턴(352b) 및 전도패턴과 제1 전극 또는 제2 전극 사이와 같이 상호 전기적 절연이 필요한 요소들을 절연한다. 일 예에서, 전도 패턴(352a, 352b)은 전도성 물질로 형성하되, 금, 은, 구리, 알루미늄 등의 높은 전도성을 가진 물질로 형성된다. 일 예에서, 절연패턴은 산화막, 질화막등 절연막으로 형성된다.
리드 아웃 회로부(read out circuit unit, 370)는 프로브(P)와 결합한 타겟 물질에 의하여 채널부에 유도된 전하를 감지하여 출력한다. 일 실시예에서, 리드 아웃 회로는 전하 증폭기(charge amplifier)를 포함한다. 리드 아웃 회로부(370)는 채널부에 유도된 전하를 전하 증폭기의 입력단에 연결된 커패시터(capacitor, 미도시)에 저장한 후, 전하 증폭기는 커패시터에 저장된 전하량에 비례하는 전기적 신호를 출력한다. 다만 타겟 물질에 의하여 채널부에 유도된 전하를 감지하여 전기적 신호로 출력하는 구성은 당업자에게 자명한 바, 상기에서 개시된 전하 증폭기 이외의 구성으로도 구현할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 바이오 센서의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이오 센서의 동작을 시간에 따라 나누어 도시한 개요도로, 자극원이 도 9a에 도시된 스텝 파형의 전기적 자극을 인가하기 이전의 정상상태로부터 전기적 자극을 인가한 이후의 정상상태까지의 개요를 도시한 도면이다. 도 10a는 스텝 파형이 인가되기 직전의 정상상태를 도시한 도면이다.
도 10a를 참조하면, 프로브(P)들과 타겟 물질(T)이 결합된 상태를 도시한다. 타겟 물질(T)이 포함된 용액을 센서에 위치시키면 타겟 물질의 확산 운동에 의하여 프로브(P)와 타겟 물질이 조우하므로 단위 시간당 결합율이 낮다. 또한, 타겟 물질(T)의 이동도가 낮고 타겟 물질의 농도가 낮은 경우에는 프로브(P)와 타겟 물질 사이의 단위 시간당 결합율은 더 낮아진다. 본 발명의 실시예에 따른 결합 촉진 방법을 수행하여 제1 전극 및 제2 전극상에 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시키고 자극원을 통하여 자극을 인가하면 프로브(P)와 타겟 물질 사이의 단위시간당 결합율 및 결합수가 증가하는 것은 상술한 바이다. 또한, 도 10은 하나의 프로브(P)만을 도시하고 있으나, 이는 간명하고 용이한 설명을 위한 것으로, 실제적으로는 복수의 프로브(P)들에 타겟 물질이 결합되어있는 것이 자명하다.
타겟 물질(T)이 프로브(P)와 상보적으로 결합되면 타겟 물질이 가진 전하에 의하여 채널부(320)에 전하가 유도된다. 즉, 타겟 물질이 음전하를 가진다면 음전하에 의하여 채널부에는 양전하가 유도되며, 타겟 물질이 양전하를 가진다면 양전하에 의하여 채널부에는 음전하가 유도된다. 이와 같이 유도된 전하를 리드 아웃 회로(570)로 센싱하여 타겟 물질의 농도 등을 측정할 수 있다.
그러나, 타겟 물질(T)이 혈액과 같은 전해질 용액에 존재한다면 이와 같은 방법으로 센싱하는 경우에는 센싱 감도가 낮아진다. 도 10a에 도시된 바와 같이 프로브(P) 및 프로브(P)와 결합한 타겟 물질(T)은 전하를 띄고 있으며 전해질 용액에 존재하는 반대 전하를 가진 이온들과, 반대 전하를 가진 이온들과 반대 전하(즉, 프로브 물질이 가진 전하형과 동일한 전하형)를 가지는 이온들이 타겟 물질의 주위를 둘러싸고 있어서 타겟 물질에 의하여 채널부에 반대전하가 유도되지 못하기 때문이다. 이러한 효과를 전하 스크리닝 효과(charge screening effect)라 한다. 즉, 타겟 물질이 발산하는 전기력선이 채널부에 도달하여야 채널부에 유도된 전하가 발생하나, 타겟 물질이 발산하는 전기력선의 대다수는 타겟 물질의 주위에 존재하는 반대 전하를 가지는 이온들에 의하여 차단된다. 따라서 전하 스크리닝 효과에 의하여 채널부에 유도되는 전하량은 감소하므로 친화도 기반의 바이오 센서의 감도는 낮아진다.
도 10b는 자극원이 스텝 파형을 인가한 직후인 t=0+에서의 상태를 도시한 개요도이다. 도 10b를 참조하면, 자극원이 인가한 스텝 파형을 가지는 전기적 자극은 도전패턴(352b), 제1 전극(300)을 통하여 및 채널부에 인가된다. 전기적 자극을 인가한 직후 프로브(P, 330)는 인가된 양전위에 의하여 수축되고, 전기 이중층(EDL, Electrical Double Layer)은 확장된다. 즉, 전기 이중층(EDL)을 이루는 양이온들과 음이온들은 자극원이 인가한 전기적 자극에 따른 전기장(Electrical Field)에 의하여 재분배되며, 이러한 재분배 과정에서 양이온과 음이온의 규칙적인 이중층 배열이 깨져 양이온과 음이온들이 혼재되고, 전기장이 미치는 범위까지 확장된다. 따라서, 전기장은 전기이중층에 의하여 차폐(Shield)되지 못하고 전기 이중층이 확장된 영역까지 투과하므로, 프로브(P)과 프로브(P) 주위를 둘러싼 양이온들에 영향을 미친다.
도 10c를 참조하면, t=0+ 이후 과도상태(transient period)에서 전기 이중층이 확장되면서 전기장이 침투하게 되므로 프로브(P)와 타겟 물질 주위를 둘러싼 양이온들이 반발되어 밀려난다. 따라서, 과도상태에서 타겟 물질에 의한 전기력선은 주변의 양이온에 차단되지 않고 채널부(530)로 향하여 채널부에 전하를 유도하므로, 리드 아웃 회로부(370)가 유도된 전하를 감지하여 용액 내의 타겟 물질 농도를 측정할 수 있다.
도 10d를 참조하면, t>0에서의 과도 상태 이후 정상상태에서는 확장되었던 전기 이중층이 재분배되어 다시 채널부의 표면에 위치하여 전기장을 차폐한다. 따라서, 자극원(340)이 계속적으로 양전위를 인가하여도 전기장이 투과하지 못하므로, 반발되어 밀려났던 양이온들은 프로브(P)와 타겟 물질이 가지는 음전하에 의하여 이끌려 다시 프로브(P) 주위를 포위한다. 따라서, 과도 상태가 종료되고 정상상태에 진입한 후 타겟 물질을 측정하는 경우에는 과도 상태에서 측정하는 경우보다 센싱 감도가 낮다.
본 실시예에서는 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 음의 전하를 가지고, 자극원으로 도 9a에 도시된 양의 전위를 가지는 스텝파형을 인가하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이와 달리 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 음전하를 가지고, 자극원으로 도 9b에 도시된 음의 전위를 가지는 스텝파형을 인가하는 경우도 있을 수 있다. 이와 같이 음전위를 인가하는 경우에도 마찬가지로 전기 이중층이 확산되고, 전기 이중층이 확산된 영역까지 전기장이 투과하므로 프로브(P)와 타겟 물질(T) 인근에 위치하는 이온들을 프로브(P)와 타겟 물질(T) 인근에서 반발시켜 밀어낼 수 있다. 따라서, 프로브(P)와 타겟 물질(T) 인근에서 이온들이 반발된 후, 다시 전기 이중층이 재분배되어 형성될 때까지의 과도상태에서 채널부에 유도된 전하를 측정할 수 있다.
또한, 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 양 전하를 가지는 경우에는 자극원으로 도 9b에 도시된 바와 같이 음의 전위를 가지는 스텝파형을 인가하는 경우도 있을 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 어느 하나의 펄스를 인가한 후, 그에 따른 과도 상태에서 센싱을 수행할 수 있다. 다만, 이는 당업자에게 자명한 것이므로 간략하고 명확한 설명을 위하여 생략한다.
도 11은 자극원이 인가하는 전기적 자극에 대한 과도 상태를 도시하는 도면이다. 도 11을 참조하면, 전기적 자극을 인가한 후, 그 과도상태에서 센싱을 수행한다. 과도상태는 위에서 설명한 바와 같이 자극을 인가한 후, 전기 이중층이 확산되어 침투한 전기장에 의하여 프로브(P)와 타겟 물질(T)의 주위에 위치하던 이온들이 이동하고, 전기 이중층이 재배치되어 전기장을 차폐하여 프로브(P)와 타겟 물질(T)의 주위를 이온들이 다시 포위할 때까지의 상태를 말한다. 따라서, 과도상태의 시간적 길이는 바이오 센서의 구조 및 프로브(P)와 타겟 물질(T)을 둘러싼 이온들의 농도에 따라서도 좌우된다. 즉, 이온들의 농도가 높으면 과도상태가 짧아지며, 이온들의 농도가 낮으면 과도 상태가 길어진다.
일반적으로 바이오 물질의 센싱에 사용되는 염화나트륨(NaCl)이 포함된 버퍼 용액의 경우, 전위를 인가한 시점부터 전기이중층이 재배치되는 O(10^(-6)) sec 초까지 과도 상태라 할 수 있으며, 불순물이 일정한 정도로 정제된 물(H2O)에서 측정시 0 - O(10^(-2)) sec 정도까지 과도상태라 할 수 있다. 또한, 소정의 측정 플랫폼에서 상기한 상태에 비하여 더 높은 정제도로 다른 이온을 정제한 경우 과도 상태는 500msec까지 증가할 수 있으며, 높은 농도로 NaCl이 포함된 버퍼 용액의 경우에는 과도상태가 0.1nsec까지 줄어들 수 있다.
일 실시예로, 바이오 물질의 센싱에는 PBS(Phosphate Buffered Saline) 또는 TE(Tris-EDTA) 버퍼 용액을 사용할 수 있다. PBS 또는 TE 버퍼 용액에 높은 농도로 이온들이 포함된 경우에는, 타겟 물질을 감지하는 경우에 과도상태는 0.1 nsec 정도의 시간일 수 있으나, 낮은 농도로 이온들이 포함된 경우에 과도상태는 500msec 정도의 시간일 수 있다.
일 예로, 도 11a를 참조하면, 자극원이 양 전위의 스텝 파형을 가지는 자극을 인가한 경우, 상승 에지로부터 최대 500msec 이내(tsense)에 센싱을 수행한다. 다른 예로, 도 11b를 참조하면, 자극원이 음 전위의 스텝 파형을 가지는 자극을 인가한 경우, 하강 에지로부터 최대 500msec 이내(tsense)에 센싱을 수행한다. 다른 예로, 도 11c를 참조하면, 자극원이 사각 펄스 파형을 가지는 자극을 인가한 경우, 상승에지(t0)로부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행하고 그리고/또는 하강에지(t1)로부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행한다. 다른 예로, 도 11d를 참조하면, 자극원이 정현파형을 가지는 전기적 자극을 인가한 경우, 상승에지 종료(t2)부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행하고 그리고/또는 하강에지 종료(t3)부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행한다. 다만, 이는 센싱을 수행하는 구간을 도시한 것이며, 센싱 구간(tsense)동안 계속하여 센싱을 수행할 수 있으며, 해당구간에서 1회 또는 복수회 센싱을 수행하는 것도 가능하다. 또한, 도 11c 및 도 11d처럼 연속적인 펄스가 인가되는 경우, 각각의 상승에지 및/또는 하강에지 이후 500msec 의 구간에서 센싱을 수행하는 것도 가능하다.
다만, 도시된 500msec 동안 센싱을 수행한다는 것은, 자극 인가후 500msec 이내에 센싱을 수행할 수 있다는 것을 의미하는 것으로, 반드시 500msec가 필요하다거나 500msec 동안 계속 센싱을 수행하여야만 한다는 것을 의미하는 것이 아니며, 자극 인가후 500msec 동안 어느 한 구간동안 센싱을 수행할 수 있다.
따라서, 자극을 인가하고 센싱하는 구간은 용액에 포함된 이온들의 농도 및 타겟 물질의 농도에 따라 좌우되는 바, 과도상태는 0.1 nsec 정도의 시간일 수 있으며, 이 때 인가되는 자극의 주파수는 최대 10GHz 일 수 있다. 또한, 과도상태는 500msec 일 수 있으며, 이 때 인가되는 자극의 주파수는 최대 2Hz일 수 있다.
본 발명에 의한 바이오 센서의 다른 실시예를 설명한다. 본 실시예에 의한 바이오 센서는, 반도체 기판과, 기판 상에 절연막을 개재하여 형성된 게이트(gate)와, 반도체 기판에 형성된 소스(source) 및 드레인(drain)과, 게이트의 표면에 위치하는 적어도 하나의 프로브(P) 및 게이트와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원을 포함한다. 일 실시예에서, 본 실시예에 의한 바이오 센서는 소스(S) 또는 드레인(D)과 전기적으로 연결된 리드 아웃 회로부를 더 포함한다. 본 실시예의 간략하고 명확한 설명을 위하여 종전의 실시예와 중복되는 경우 설명을 생략할 수 있다.
도 12는 본 실시예에 의한 바이오 센서의 개요를 나타내는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 반도체 기판(500)에는 소스(S)와 드레인(D)이 형성된다. 일 실시예에서, 도시되지는 않았지만, 소스(S) 또는 드레인(D)에는 본 실시예에 의한 바이오 센서가 출력한 신호를 읽어서 처리하는 리드 아웃 회로부가 연결된다. 기판에 절연막(522)을 개재하여 형성된 게이트(520)가 위치하며, 게이트의 표면에는 본 실시예에 의한 바이오 센서를 이용하여 감지하고자 하는 타겟 물질(T)과 상보적으로 결합하는 프로브(P)가 위치한다. 일 예로, 프로브(P)는 링커(L)를 통하여 게이트 표면에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 도전 패턴(552)은 게이트(520)와 자극원(540)을 전기적으로 연결한다. 일 실시예에서, 절연 패턴(554)는 소스(S), 드레인(D), 게이트(520) 및 도전 패턴(552)과 같이 상호 절연이 필요한 요소를 절연한다.
도 13은 본 실시예에 의한 바이오 센서에 타겟 물질(T)를 포함하는 용액을 위치시킨 상태를 도시한 도면이다. 프로브(P)가 음전하를 띄고 있으며, 자극원(540)이 양의 전위를 가지는 스텝 펄스를 인가하는 경우를 이용하여 본 실시예에 의한 바이오 센서를 설명한다.
도 13과 도 10을 참조하면, 본 실시예에 의한 바이오 센서를 이용하여 타겟 물질의 농도를 측정하기 이전에 일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 결합 촉진 장치를 사용하거나 결합 촉진 방법을 수행하여 프로브(P)와 타겟 물질을 결합하는 것이 바람직하다. 혈액과 같은 전해질 용액에 센싱하고자 하는 타겟 물질(T)이 존재하는 경우에는 전하 스크리닝 효과에 의하여 상술한 바와 같이 센싱 감도가 낮아진다. 이것은 도 10a에 도시된 바와 같이 프로브(P) 및 프로브(P)와 결합한 타겟 물질(T)은 전하를 띄고 있으며 전해질 용액에 존재하는 반대 전하를 가진 이온들이 타겟 물질의 주위를 둘러싸고 있어서 타겟 물질에 의하여 채널부에 반대전하가 유도되지 못하기 때문이다.
도 10b는 자극원이 스텝 파형을 인가한 직후인 t=0+에서의 상태를 도시한 개요도이다. 도 12와 도 10b를 참조하면, 자극원은 도전패턴, 게이트를 통하여 스텝 파형의 전기적 자극을 인가한다. 자극원이 스텝 파형을 인가한 직후 프로브(P)는 인가된 양전위에 의하여 수축되고, 전기 이중층(EDL, Electrical Double Layer)은 확장된다. 따라서, 전기장은 차폐(Shield)되지 못하고 전기 이중층이 확장된 영역까지 투과하므로, 프로브(P)와 프로브(P) 주위를 둘러싼 양이온들에 영향을 미친다.
도 13 및 도 10c를 참조하면, t=0+ 이후 과도상태(transient period)에서 전기 이중층이 확장되면서 전기장이 침투하게 되므로 프로브(P)와 타겟 물질 주위를 포위한 양이온들이 반발되어 밀려난다. 따라서, 타겟 물질(T)에 의한 전기력선은 주변의 양이온에 차단되지 않은 채 게이트로 향하여 게이트에 전하를 유도한다. 따라서, 게이트에 유도된 전하에 의하여 MOS 트랜지스터의 문턱전압은 변화된다. 이러한 MOS 트랜지스터의 문턱전압의 변화를 감지하여 용액 내의 타겟 물질 농도를 측정할 수 있다.
도 10d를 참조하면, t>0에서의 과도 상태 이후 정상상태에서는 확장되었던 전기 이중층이 재분배되어 다시 채널부의 표면에 위치하여 전기장을 차폐하므로, 반발되어 밀려났던 양이온들은 프로브(P)와 타겟 물질이 가지는 음전하에 의하여 이끌려 다시 프로브(P) 주위를 포위한다.
본 실시예에서는 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 음의 전하를 가지고, 자극원으로 도 9a에 도시된 양의 전위를 가지는 스텝파형을 인가하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이와 달리 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 음전하를 가지고, 자극원으로 도 9b에 도시된 음의 전위를 가지는 스텝파형을 인가하는 경우도 있을 수 있다. 이와 같이 음전위를 인가하는 경우에도 마찬가지로 전기 이중층이 확산되고, 전기 이중층이 확산된 영역까지 전기장이 투과하므로 프로브(P)와 타겟 물질(T) 인근에 위치하는 이온들을 프로브(P)와 타겟 물질(T) 인근에서 반발시켜 밀어낼 수 있다. 따라서, 프로브(P)와 타겟 물질(T) 인근에서 이온들이 반발된 후, 다시 전기 이중층이 재분배되어 형성될 때 까지의 과도상태에서 채널부에 유도된 전하를 측정할 수 있다.
또한, 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 양 전하를 가지는 경우에는 자극원으로 도 9b에 도시된 바와 같이 음의 전위를 가지는 스텝파형을 인가하는 경우도 있을 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 어느 하나의 펄스를 인가한 후, 그에 따른 과도 상태에서 센싱을 수행할 수 있다. 다만, 이는 당업자에게 자명한 것이므로 간략하고 명확한 설명을 위하여 생략한다.
본 발명에 의한 바이오 센서의 일 실시예에서, 전기적 자극을 인가한 후, 그 과도상태에서 센싱을 수행한다. 도 11은 자극원이 인가하는 전기적 자극에 대한 과도 상태를 도시하는 도면이다. 도 11을 참조하면, 전기적 자극을 인가한 후, 그 과도상태에서 센싱을 수행한다. 과도상태는 위에서 설명한 바와 같이 자극을 인가한 후, 전기 이중층이 확산되어 침투한 전기장에 의하여 프로브(P)와 타겟 물질(T)의 주위에 위치하던 이온들이 이동하고, 전기 이중층이 재배치되어 전기장을 차폐하여 프로브(P)와 타겟 물질(T)의 주위를 이온들이 다시 포위할 때까지의 상태를 의미한다. 따라서, 과도상태의 시간적 길이는 바이오 센서의 구조 및 프로브(P)와 타겟 물질(T)을 둘러싼 이온들의 농도에 따라서도 좌우된다. 즉, 이온들의 농도가 높으면 과도상태가 짧아지며, 이온들의 농도가 낮으면 과도 상태가 길어진다.
일반적으로 바이오 물질의 센싱에 사용되는 염화나트륨(NaCl)이 포함된 버퍼 용액의 경우, 전위를 인가한 시점부터 전기이중층이 재배치되는 O(10^(-6)) sec 초까지 과도 상태라 할 수 있으며, 불순물이 일정한 정도로 정제된 물(H2O)에서 측정시 0 - O(10^(-2)) sec 정도까지 과도상태라 할 수 있다. 또한, 소정의 측정 플랫폼에서 상기한 상태에 비하여 더 높은 정제도로 다른 이온을 정제한 경우 과도 상태는 500msec까지 증가할 수 있으며, 높은 농도로 NaCl이 포함된 버퍼 용액의 경우에는 과도상태가 0.1nsec까지 줄어들 수 있다.
일 실시예로, 바이오 물질의 센싱에는 PBS(Phosphate Buffered Saline) 또는 TE(Tris-EDTA) 버퍼 용액을 사용할 수 있다. PBS 또는 TE 버퍼 용액에 높은 농도로 이온들이 포함된 경우에는, 타겟 물질을 감지하는 경우에 과도상태는 0.1nsec 정도의 시간일 수 있으나, 낮은 농도로 이온들이 포함된 경우에 과도상태는 500msec 정도의 시간일 수 있다.
일 예로, 도 11a를 참조하면, 자극원이 양 전위의 스텝 파형을 가지는 자극을 인가한 경우, 상승 에지로부터 최대 500msec 이내(tsense)에 센싱을 수행한다. 다른 예로, 도 11b를 참조하면, 자극원이 음 전위의 스텝 파형을 가지는 자극을 인가한 경우, 하강 에지로부터 최대 500msec 이내(tsense)에 센싱을 수행한다. 다른 예로, 도 11c를 참조하면, 자극원이 사각 펄스 파형을 가지는 자극을 인가한 경우, 상승에지(t0)로부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행하고 그리고/또는 하강에지(t1)로부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행한다. 다른 예로, 도 11d를 참조하면, 자극원이 정현파형을 가지는 전기적 자극을 인가한 경우, 상승에지 종료(t2)부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행하고 그리고/또는 하강에지 종료(t3)부터 500msec 이내 구간(tsense)에서 센싱을 수행한다. 다만, 이는 센싱을 수행하는 구간을 도시한 것이며, 센싱 구간(tsense)동안 계속하여 센싱을 수행할 수 있으며, 해당구간에서 1회 또는 복수회 센싱을 수행하는 것도 가능하다. 또한, 도 11c 및 도 11d처럼 연속적인 펄스가 인가되는 경우, 각각의 상승에지 및/또는 하강에지 이후 500msec 의 구간에서 센싱을 수행하는 것도 가능하다.
다만, 도시된 500msec 동안 센싱을 수행한다는 것은, 자극 인가후 500msec 이내에 센싱을 수행할 수 있다는 것을 의미하는 것으로, 반드시 500msec가 필요하다거나 500msec 동안 계속 센싱을 수행하여야만 한다는 것을 의미하는 것이 아니며, 자극 인가후 500msec 동안 어느 한 구간동안 센싱을 수행할 수 있다.
따라서, 자극을 인가하고 센싱하는 구간은 용액에 포함된 이온들의 농도 및 타겟 물질의 농도에 따라 좌우되는 바, 과도상태는 0.1 nsec 정도의 시간일 수 있으며, 이 때 인가되는 자극의 주파수는 최대 10GHz 일 수 있다. 또한, 과도상태는 500msec 일 수 있으며, 이 때 인가되는 자극의 주파수는 최대 2Hz일 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 센싱 방법의 일 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시예에 의한 센싱 방법은 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 적어도 하나의 프로브(P)를 포함하는 바이오 센서를 준비하는 단계와, 상기 바이오 센서에 상기 프로브(P)와 상보적으로 결합하는 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시키는 단계와, 자극원이 전기적 자극을 인가하는 단계 및 상기 인가된 전기적 자극에 대한 과도상태에서 타겟 물질을 센싱하는 단계를 포함한다. 간략하고 명확한 설명을 위하여 이전 실시예들과 중복되는 부분은 설명을 생략할 수 있다.
도 14는 본 발명에 의한 센싱 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 순서도 이다. 도 14를 참조하면, 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 적어도 하나의 프로브(P)를 포함하는 바이오 센서를 준비한다(S500). 일 실시예로, 바이오 센서는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 어레이 형태로 형성될 수 있으며, 또한, 도시되지 않은 어떠한 어레이 형태로 형성될 수도 있다. 다른 실시예로, 바이오 센서는 도 8과 같이 제1 전극 및 제2 전극을 가지며, 제1 전극(300)과 제2 전극(310)을 연결하는 채널부(320)에 형성된 프로브(P)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에로, 바이오 센서는 도 11과 같이 소스(S), 드레인(D) 및 게이트(520)를 가지며, 게이트 표면에 형성된 프로브(P)를 포함할 수 있다.
바이오 센서에 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시킨다(S200). 결합촉진 장치에 형성된 프로브(P) 물질은 일정한 전하를 가질 수 있으며, 자극원이 전기적 자극을 인가하지 않는 상태에서 프로브(P)는 이완(relax)되어 있으며, 타겟 물질들은 용액 내에 고르게 분포되어 있다. 따라서, 이완되어 있는 프로브(P)와 타겟 물질이 조우하여 결합하는 단위시간당 결합율은 낮으며, 특히 타겟 물질의 이동도가 낮거나, 타겟 물질의 농도가 낮은 경우에는 프로브(P)와 타겟 물질의 단위시간당 결합율은 더욱 낮다.
자극원이 전기적 자극을 인가한다(S300). 일 실시예에서, 자극원이 인가하는 전기적 자극은 도 9a에 도시된 바와 같이 양의 전위를 가지는 스텝 파형일 수 있다. 다른 실시예에서, 자극원이 인가하는 전기적 자극은 도 9b에 도시된 음의 전위를 가지는 스텝 파형일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 자극원이 인가하는 전기적 자극은 도 6에 도시된 바와 같이 사각 펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스, 이들의 중첩 및 이들의 조합이 시간적으로 연속된 파형 중 중 적어도 하나일 수 있다. 다른 실시예에서, 도시되지는 않았지만, 자극원은 전기적 자극을 인가하는 구간과 일정한 휴지기를 교번하여 전기적 자극을 인가할 수 있다.
본 단계에서 자극원이 인가하는 전기적 자극에 의하여 전기 이중층(EDL)을 이루는 양이온들과 음이온들은 자극원이 인가한 전위에 따른 전기장(Electrical Field)에 의하여 재분배되는 과정에서 혼재되므로,전기장은 차폐(Shield)되지 못하고 전기 이중층이 확장된 영역까지 투과하여 프로브(P)와 프로브(P) 주위를 둘러싼 이온들에 영향을 미친다.
일 실시예에서, 인가되는 전기적 자극의 스윙폭이 크거나, 낮은 주파수이거나, 지속적으로 인가하는 경우에는 타겟 물질을 포함하는 용액이 전기 분해되거나, 프로브(P), 타겟 물질에 변성이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 변성이나 전기분해가 발생하는 것을 막기 위하여는 적절한 스윙폭과 주파수를 가지는 전기적 자극을 인가하여야 하며, 인가 시간을 적절히 조절하여야 한다. 일 예로, 전기적 자극의 스윙폭은 -10V 내지 10V의 범위 내에서 스윙(swing)하는 전기적 자극을 인가한다. 일 예로, 전기적 자극의 주파수는 0을 초과하여 10GHz이내의 주파수를 가지는 전기적 자극을 인가한다. 일 예로, 전기적 자극을 인가하는 시간은 0을 초과하여 1시간 이내로 인가한다.
인가된 전기적 자극에 대한 과도상태에서 타겟 물질을 센싱한다(S400). 일 실시예에서, 과도상태(transient period)에서 전기 이중층이 확장되면서 전기장이 침투하게 되므로 프로브(P)와 타겟 물질 주위를 둘러싼 이온들이 반발되어 밀려난다. 따라서, 타겟 물질에 의한 전기력선은 주변의 이온에 차단되지 않은 채 채널부(530)로 향하여 채널부에 전하를 유도하며, 리드 아웃 회로부가 유도된 전하를 감지하여 용액 내의 타겟 물질 농도를 측정할 수 있다.
따라서, 인가된 전기장에 의하여 프로브(P)와 타겟 물질을 포위하고 있던 이온들이 반발된 과도 상태에서 센싱이 수행되어야한다. 센싱을 수행하는 실시예는 도 11을 통하여 상술한 바와 같다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 제1 전극 110: 제2 전극
120: 채널부 140: 자극원
150: 배선층 152a, 152b: 전도 패턴
154: 절연패턴 300: 제1 전극
310: 제2 전극 320: 채널부
340: 자극원 350: 배선층
352a, 352b: 전도 패턴 370: 리드 아웃 회로부
500: 반도체 기판 520: 게이트
522: 절연막 540: 자극원
552: 도전 패턴 554: 절연 패턴
P: 프로브 L: 링커
T: 타겟 물질 S: 용액
E: 전기장
S100 내지 S300: 본 발명의 실시예에 따른 결합 촉진 방법의 각 단계
S500 내지 S800: 본 발명의 실시예에 따른 센싱 방법의 각 단계

Claims (58)

  1. 기판;
    상기 기판의 일면을 덮으며, 상기 기판의 일부를 노출하는 복수의 홀들(holes)을 가지는 제2 전극;
    상기 홀 들 내에 각각 위치하며 상기 제2 전극과 이격되어 위치하는 제1 전극들;
    상기 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 채널부(channel unit);
    상기 채널부와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원(stimuli source); 및
    상기 채널부에 연결되어 감지하고자 하는 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 프로브(probe)를 포함하며,
    상기 복수의 홀들은 어레이로 배열된 결합 촉진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널 부는 하나의 채널 서브 유닛으로 형성되거나, 적어도 하나 이상의 채널 서브 유닛이 전기적으로 연결되어 형성된 결합 촉진 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 채널 서브 유닛은 반도체, 나노 구조물 및 메탈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 결합 촉진 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 나노 구조물은 나노 튜브, 나노 와이어, 나노로드, 나노리본, 나노필름 및 나노볼 중 적어도 하나를 포함하는 결합 촉진 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 액체에 포함된 결합 촉진 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극은 상기 자극원과 전기적으로 연결된 결합 촉진 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 자극원은 펄스를 인가하는 결합 촉진 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펄스는 사각펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스, 이들의 중첩 및 이들 중 적어도 하나가 시간적으로 연속된 파형인 결합 촉진 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 에워싸는 결합 촉진 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 결합 촉진 장치는 복수 개의 상기 결합 촉진 장치가 어레이로 형성되되, 상기 제1 전극들은 상호 전기적으로 연결된 결합 촉진 장치.
  11. 기판의 일면을 덮으며, 어레이 형태로 배열되어 상기 기판의 일부를 노출하는 복수의 홀 들(holes)을 가지는 제2 전극과 상기 홀들 내에 각각 위치하며 상기 제2 전극과 이격되어 위치하는 제1 전극과, 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 적어도 하나의 프로브를 포함하며, 상기 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결되며, 상기 프로브와 연결된 채널부를 포함하는 결합촉진 장치를 준비하는 단계와,
    상기 결합촉진 장치에 상기 프로브와 상보적으로 결합하는 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시키는 단계 및
    상기 채널부와 전기적으로 연결된 자극원이 상기 채널부에 전기적 자극을 인가하는 단계를 포함하는 결합 촉진 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기적 자극은 사각 펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스, 이들의 중첩 및 이들의 조합이 시간적으로 연속된 파형 중 중 적어도 하나인 결합 촉진 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전기적 자극을 인가하는 단계는, -10V 내지 10V의 범위 내에서 스윙(swing)하고, 0을 초과하여 10GHz이내의 주파수를 가지는 전기적 자극을 인가하여 수행하는 결합 촉진 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전기적 자극을 인가하는 단계는, 0을 초과하여 1시간 이내로 수행하는 결합 촉진 방법.
  15. 기판;
    상기 기판의 일면을 덮으며, 상기 기판의 일부를 노출하는 복수의 홀 들(holes)을 가지는 제2 전극;
    상기 홀 들 내에 각각 위치하며 상기 제2 전극과 이격되어 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 채널부(channel unit);
    상기 채널부와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원(stimuli source); 및
    상기 채널부에 연결되어 감지하고자 하는 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 프로브를 포함하며,
    상기 복수의 홀들은 어레이로 배열된 바이오 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 채널 부는 하나의 채널 서브 유닛으로 형성되거나, 적어도 하나 이상의 채널 서브 유닛이 전기적으로 연결되어 형성된 바이오 센서.
  17. 제16항에 있어서, 상기 채널 서브 유닛은 반도체, 나노 구조물 및 메탈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 바이오 센서.
  18. 제17항에 있어서, 상기 나노 구조물은 나노 튜브, 나노 와이어, 나노로드, 나노리본, 나노필름 및 나노볼 중 적어도 하나를 포함하는 바이오 센서.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 액체에 포함된 바이오 센서.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나의 전극은 상기 자극원과 전기적으로 연결된 바이오 센서.
  21. 제15항에 있어서, 상기 자극원은 펄스를 인가하는 바이오 센서.
  22. 제21항에 있어서, 상기 펄스는 스텝 펄스인 바이오 센서.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 펄스는 사각펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스, 이들의 중첩 및 이들 중 적어도 하나가 시간적으로 연속된 파형인 바이오 센서.
  24. 제15항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 에워싸는 바이오 센서.
  25. 제15항에 있어서, 상기 바이오 센서는 복수 개의 상기 바이오 센서가 어레이로 형성되되, 상기 제1 전극들은 상호 전기적으로 연결된 바이오 센서.
  26. 제15항에 있어서, 상기 바이오 센서는 인가된 상기 전기적 자극에 대한 과도상태에서 상기 타겟 물질을 센싱하는 바이오 센서.
  27. 제26항에 있어서, 상기 과도 상태는 상기 전기적 자극의 상승 에지(rising edge) 또는 하강 에지(falling edge) 이후 500msec 이내인 바이오 센서.
  28. 바이오 센서에 있어서, 상기 바이오 센서는
    반도체 기판;
    상기 기판 상에 절연막을 개재하여 형성된 게이트(gate);
    상기 반도체 기판에 형성된 소스(source) 및 드레인(drain);
    상기 게이트의 표면에 위치하는 프로브; 및
    상기 게이트와 전기적으로 연결되어 전기적 자극을 인가하는 자극원을 포함하며,
    상기 바이오 센서는 어레이로 배열된 바이오 센서.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 게이트는 금속으로 형성된 바이오 센서.
  30. 제28항에 있어서, 상기 자극원은 펄스를 인가하는 바이오 센서.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 펄스는 스텝 펄스인 바이오 센서
  32. 제30항에 있어서,
    상기 펄스는 사각 펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스, 이들의 중첩 및 이들 중 적어도 하나가 시간적으로 연속된 파형인 바이오 센서.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 소스 및 드레인을 매립하되, 적어도 상기 게이트 표면에 위치하는 프로브(P)를 노출하는 절연막을 더 포함하는 바이오 센서.
  34. 제28항에 있어서,
    상기 바이오 센서는 액체에 포함된 타겟 물질을 센싱하는 바이오 센서.
  35. 제28항에 있어서, 상기 프로브(P)는 감지하고자 하는 DNA, RNA, 효소, 단백질 및 호르몬 중 어느 하나와 상보적 결합을 하는 물질인 바이오 센서.
  36. 제28항에 있어서, 상기 바이오 센서는 인가된 상기 전기적 자극에 대한 과도상태에서 타겟 물질을 센싱하는 바이오 센서.
  37. 제36항에 있어서, 상기 과도 상태는 상기 전기적 자극 최후의 상승 에지(rising edge) 또는 하강 에지(falling edge) 이후 500msec 이내인 바이오 센서.
  38. 기판;
    상기 기판의 일면을 덮으며, 상기 기판을 노출하는 복수의 홀들(holes)을 가지는 제2 전극;
    상기 홀들 내에 각각 위치하며 상기 제2 전극과는 이격되어 위치하는 복수의 제1 전극들;
    상기 제2 전극과 제1 전극을 전기적으로 연결하는 채널 부;
    상기 채널부에 연결된 프로브(probe);
    상기 채널부와 전기적으로 연결되어 상기 채널부에 전기적 자극을 인가하는 자극원을 포함하며,
    상기 복수의 홀들은 어레이(array)로 배열된 바이오 센서 어레이.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 채널 부는 하나의 채널 서브 유닛으로 형성되거나, 적어도 하나 이상의 채널 서브 유닛이 전기적으로 연결되어 형성된 바이오 센서 어레이.
  40. 제39항에 있어서, 상기 채널 서브 유닛은 반도체, 나노 구조물 및 메탈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 바이오 센서 어레이.
  41. 제40항에 있어서, 상기 나노 구조물은 나노 튜브, 나노 와이어, 나노로드, 나노리본, 나노필름 및 나노볼 중 적어도 하나를 포함하는 바이오 센서 어레이.
  42. 제38항에 있어서,
    상기 제2 전극의 면적이 상기 제1 전극들의 면적에 비하여 큰 바이오 센서 어레이.
  43. 제38항에 있어서,
    상기 바이오 센서 어레이는 액체에 포함된 타겟 물질을 센싱하는 바이오 센서 어레이.
  44. 제38항에 있어서,
    상기 프로브는 감지하고자 하는 물질과 상보적으로 결합하는 바이오 센서 어레이.
  45. 제38항에 있어서, 상기 채널 부에 부착된 프로브(P)는 감지하고자 하는 DNA, RNA, 효소, 단백질 및 호르몬 중 어느 하나와 상보적 결합을 하는 물질인 바이오 센서 어레이.
  46. 제38항에 있어서, 상기 자극원은 펄스를 인가하는 바이오 센서 어레이.
  47. 제46항에 있어서, 상기 펄스는 스텝 펄스인 바이오 센서 어레이.
  48. 제46항에 있어서,
    상기 펄스는 사각 펄스, 삼각 펄스, 정현 펄스, 이들의 중첩 및 이들의 조합이 시간적으로 연속된 파형 중 중 적어도 하나인 바이오 센서 어레이.
  49. 제38항에 있어서, 상기 바이오 센서 어레이는 인가된 상기 전기적 자극에 대한 과도상태에서 타겟 물질을 센싱하는 바이오 센서 어레이.
  50. 제49항에 있어서, 상기 과도 상태는 상기 전기적 자극 최후의 상승 에지 (rising edge) 또는 하강 에지(falling edge) 이후 500msec 이내인 바이오 센서 어레이.
  51. 기판의 일면을 덮으며, 어레이 형태로 배열되어 상기 기판의 일부를 노출하는 복수의 홀들(holes)을 가지는 제2 전극과, 상기 홀들 내에 각각 위치하며 상기 제2 전극과 이격되어 위치하는 제1 전극과, 타겟 물질과 상보적으로 결합하는 적어도 하나의 프로브와 상기 프로브가 연결된 채널부를 포함하며, 상기 채널부는 상기 제1 전극과 일 부분이 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극과 다른 부분이 전기적으로 연결된 바이오 센서를 준비하는 단계와,
    상기 바이오 센서에 상기 프로브와 상보적으로 결합하는 타겟 물질을 포함하는 용액을 위치시키는 단계와,
    상기 채널부와 전기적으로 연결된 자극원이 상기 채널부에 전기적 자극을 인가하는 단계 및
    상기 인가된 전기적 자극 인가 후, 프로브와 반대 전하를 가지는 물질들이 재배치되기까지의 과도상태에서 타겟 물질을 센싱하는 단계를 포함하는 센싱 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 전기적 자극을 인가하는 단계는 스텝 펄스를 인가하여 수행하는 센싱 방법.
  53. 제51항에 있어서, 상기 전기적 자극을 인가하는 단계는 사각 펄스, 삼각펄스, 정현펄스, 이들의 중첩 및 이들이 시간적으로 연속된 파형 중 적어도 어느 하나를 인가하여 수행하는 센싱 방법.
  54. 제51항에 있어서, 상기 전기적 자극을 인가하는 단계는, -10V 내지 10V의 범위 내에서 스윙(swing)하는 전기적 자극을 인가하여 수행하는 센싱 방법.
  55. 제51항에 있어서, 상기 전기적 자극을 인가하는 단계는, 0을 초과하여 10 GHz이내의 주파수를 가지는 전기적 자극을 인가하여 수행하는 센싱 방법.
  56. 제51항에 있어서, 상기 전기적 자극을 인가하는 단계는, 0을 초과하여 1시간 이내로 수행하는 센싱 방법.
  57. 제51항에 있어서, 상기 과도 상태에서 센싱을 수행하는 단계는,
    상기 전기적 자극의 상승 에지(rising edge) 이후 500msec 이내에 수행하는 센싱 방법.
  58. 제51항에 있어서, 상기 과도 상태에서 센싱을 수행하는 단계는,
    상기 전기적 자극의 하강 에지(falling edge) 이후 500msec 이내에 수행하는 센싱 방법.

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