KR101789978B1

KR101789978B1 - 바이오 물질 분석용 전극 장치

Info

Publication number: KR101789978B1
Application number: KR1020170048029A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 이지형; 김상윤; 박아름; 김인영; 정두희
Original assignee: 주식회사 랩 지노믹스
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2017-10-25
Also published as: US20200011858A1; JP6764041B2; WO2018190459A1; JP2020511673A

Abstract

본 발명에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는, 판상의 기판에 이격 되게 배열된 복수의 전극이 구비되며 상기 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 상기 기판에 형성된 바이오 물질 투입부를 구비한 전극부; 일면이 개방되어 상기 전극부를 수용하는 전극 수용부를 구비한 하우징; 상기 하우징에 고정된 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 일단부에 형성되며 분석 장치에 전기적으로 착탈 가능하게 결합 되는 커넥터부; 상기 커넥터부에 전기적으로 연결되며 일단부가 상기 인쇄회로기판에 고정되고 타단부가 상기 전극부에 가압 접촉되도록 형성된 전기 전도성이 있는 물질로 형성되고 상기 복수의 전극에 대응되도록 배치된 연결 기둥; 및 상기 인쇄회로기판의 상면과 하면을 관통하도록 형성되어 상기 전극부와 연통되는 투입공;을 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

바이오 물질 분석용 전극 장치{Electrode device for analyzing bio-material}

본 발명은 바이오 물질을 분석하는 장치에 착탈 가능하게 결합 되며 바이오 물질이 투입되는 전극 장치에 관한 것이다. 본 발명은 산업통상자원부에서 지원하는 글로벌전문기술개발사업(과제번호 : 10052106)의 성과물이다.

현대 의학과 생물학의 발전에 따라 인간의 유전자 정보를 정확하고 세밀하게 알수 있다. 이에 따라 질병과 관계있는 DNA, RNA, 단백질 등에 관한 정보가 점점 더 많이 밝혀지고 있다.

암과 같은 질병을 조기에 진단하기 위해서 질병의 초기 단계에서 질병과 관련된 극소량의 단백질이나 DNA와 같은 바이오 물질을 환자의 혈액이나 체액으로부터 민감하게 검출할 필요가 있다.

전자공학과 유전자 공학의 발전에 따라 바이오 물질의 검출에 전자 기술이 융합되는 경향이 커지고 있다. 통상적으로 바이오 물질의 검출은 바이오 칩에 미량의 바이오 물질을 수용하여 광학적인 방식이나 전기 화학적 방식으로 그 바이오 물질에 대한 정보를 얻는다. 이와 같은 바이오 물질의 검출을 위한 바이오 칩에 대한 기술의 일 예가 대한민국 등록특허 제1218987호에 개시되어 있다.

종래의 광학적인 방식은 바이오 물질에 광원을 조사한 후 그 바이오 물지로부터 발생하는 형광을 분석한다. 이러한 광학적 방식은 형광 분석을 위해 기준이 되는 바이오 물질의 표지가 필요하므로 번거롭고 분석비용이 비싼 문제점이 있다.

한편, 상기 등록특허 제1218987호에 개시된 바와 같은 전기화학적 방식은 바이오 물질에 전자공학 기술을 이용한 직접 디지털 합성(direct digital systhesis)과 트랜스 임피던스 증폭기(trans impedance amplifier)를 이용한 락인 디텍션 기술(lock-in detection technique)로 생성된 전기 신호를 바이오 물질에 통과시켜 얻은 신호를 분석함으로써 바이오 물질에 대한 정보를 얻고 있다.

그런데 상기 등록특허에 개시된 종래의 바이오 칩은 유리 기판에 바이오 물질을 반응시키기 위한 반응부와 그 반응부에 전기적으로 연결된 커넥터가 금 또는 구리와 같은 물질이 유리 기판에 도금된 형태로 구성되어 있다. 유리 기판에 도금된 금 또는 구리는 부착력이 약하다. 따라서 바이오 칩의 반복적인 사용에 따라 커넥터가 쉽게 손상되는 문제점이 있다. 특히 바이오 칩의 커넥터는 분석을 위한 전자 장치의 소켓에 결합 되는 과정에서 물리적으로 큰 마찰력을 받게 되므로 더 빨리 마모되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출 된 것으로서 바이오 물질의 분석을 위한 전극 장치의 구조를 개선함으로써 반복적인 사용시에 내구성이 현저하게 향상된 바이오 물질 분석용 전극 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는, 판상의 기판에 이격 되게 배열된 복수의 전극이 구비되며 상기 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 상기 기판에 형성된 바이오 물질 투입부를 구비한 전극부;

일면이 개방되어 상기 전극부를 수용하는 전극 수용부를 구비한 하우징;

상기 하우징에 고정된 인쇄회로기판;

상기 인쇄회로기판의 일단부에 형성되며 분석 장치에 전기적으로 착탈 가능하게 결합 되는 커넥터부;

상기 커넥터부에 전기적으로 연결되며 일단부가 상기 인쇄회로기판에 고정되고 타단부가 상기 전극부에 가압 접촉되도록 형성된 전기 전도성이 있는 물질로 형성되고 상기 복수의 전극에 대응되도록 배치된 연결 기둥; 및

상기 인쇄회로기판의 상면과 하면을 관통하도록 형성되어 상기 전극부와 연통되는 투입공;을 포함한 점에 특징이 있다.

상기 전극은 환상으로 이격 되게 배열되며, 상기 바이오 물질 투입부는 상기 기판의 중심에 형성되며,

상기 연결 기둥은 상기 복수의 전극에 대응되도록 환상으로 배치된 것이 바람직하다.

상기 연결 기둥은 상기 인쇄회로기판에 고정된 고정부; 및

상기 고정부에 슬라이딩 가능하게 결합 되며 상기 고정부로부터 상기 전극을 향해 탄성 가압 되는 가동부를 포함한 것이 바람직하다.

상기 전극 수용부에 인접하게 형성되며 상기 전극 수용부에 수용된 전극부의 분리시 기구가 삽입될 수 있는 기구 삽입부를 구비한 것이 바람직하다.

상기 커넥터부는 SD카드 슬롯과 호환되도록 구성된 것이 바람직하다.

상기 전극부는 정사각형 기판으로 구성되며 상기 기판의 각 모서리를 따라 2개의 전극이 배치된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는, 바이오 물질이 투입되는 전극부와 분석 장치에 반복적으로 착탈 되는 커넥터부의 구성을 분리함으로써 상기 커넥터부의 내구성을 강화하여 향상시켜 전극 장치의 수명을 현혀하게 향상시키는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는 전극부의 교체가 가능하게 구성함으로써 전극부만을 경제적인 비용으로 제조하여 교체할 수 있으므로 전극 장치의 제조 비용이 절감되는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는 인쇄회로기판에 투입공을 구비함으로써 전극부에 바이오 물질의 투입 및 제거가 용이하여 전극부의 재사용이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전극 장치의 분리 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 Ⅲ - Ⅲ 선 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전극부의 구조를 상세하여 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 하우징의 구조를 상세하여 보여주는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 연결 기둥의 배치 구조를 상세하게 보여주는 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 전극 장치가 SD카드 슬롯에 결합 되는 상태를 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 7을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치(10, 이하 ""전극 장치"라 함)는 전기 화학적 방식에 따른 바이오 물질의 분석 장치에 착탈 가능하게 결합되도록 구성된 일종의 바이오 센서이다.

상기 전극 장치(10)는 전극부(20)와, 하우징(30)과, 인쇄회로기판(40)과, 커넥터부(50)와, 연결 기둥(60)과, 투입공(44)을 구비한다.

상기 전극부(20)는 판상의 기판으로 구성된다. 상기 전극부(20)는 복수의 전극을 구비한다. 복수의 전극(22)은 서로 이격되게 배열된다. 본 실시 예에서 복수의 전극(22)은 환상으로 배치된다.

본 실시 예에서 상기 전극부(20)는 정사각형 기판으로 구성된다. 상기 전극부(20)는 상기 기판의 각 모서리를 따라 2개의 전극이 배치된다. 따라서 본 실시 예에서 상기 전극(22)은 8개가 구비된다.

상기 전극부(20)는 바이오 물질 투입부(24)를 구비한다. 상기 바이오 물질 투입부(24)는 상기 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 배치된다. 본 실시 예에서 상기 바이오 물질 투입부(24)는 상기 기판의 중심에 배치된다. 상기 바이오 물질 투입부(24)는 상기 기판의 중심에서 일측으로 편심된 위치에 배치될 수도 있다. 상기 바이오 물질 투입부(24)는 DNA와 같은 바이오 물질이 마이크로 리터(㎕) 단위의 미량이 투입되는 부위다. 상기 바이오 물질 투입부(24)에 투입되는 바이오 물질은 후술하는 커넥터부(50)를 통해 입력되는 전기 펄스 신호와 반응하여 출력 펄스를 생성한다. 상기 커넥터부(50)로 입력되는 전기 펄스 신호는 NI-DAQ와 같은 범용 디지털 신호 변환 장치와 직접 디지털 신호 합성장치(direct digital synthesis device)인 AD9837과 같은 범용 신호처리 모듈을 통해 생성된 아날로그 전압 펄스 신호이다.

상기 바이오 물질 투입부(24)를 통과한 전기 펄스 신호는 전류 펄스 신호로 생성되어 별도로 형성된 공지된 신호처리 소자인 트랜스 임피던스 증폭기(trans impedance amplifier)에서 전압 신호로 변환되어 NI-DAQ을 통해 디지털 신호로 변환된다. NI-DAQ에서 디지털 신호로 변환된 디지털 값은 공지의 수학 계산 프로그램인 MATLAB을 통해 사용자가 활용할 수 있는 수치 데이타나 영상 데이타로 가공될 수 있다.

상기 하우징(30)은 상기 전극부(20)를 수용하여 고정하는 부재이다.

상기 하우징(30)은 일면이 개방된 전극 수용부(32)를 구비한다. 상기 전극 수용부(32)에는 상기 전극부(20)가 끼워져 수용된다. 상기 하우징(30)은 전기적으로 부도체인 합성수지로 제조될 수 있다. 상기 하우징(30)은 기구 삽입부(34)를 구비한다. 상기 기구 삽입부(34)는 상기 전극 수용부(32)에 인접하도록 형성된다. 상기 기구 삽입부(34)는 상기 전극 수용부(32)에 수용된 전극부(20)의 분리시 기구가 삽입될 수 있도록 공간을 형성한 것이다. 본 실시 예에서 상기 전극 수용부(32)는 정사각형 형태의 오목한 홈부로 구성된다. 또한, 상기 기구 삽입부(34)는 상기 전극 수용부(32)의 각 꼭지점 부위에 각각 형성된다. 상기 하우징(30)은 후술하는 인쇄회로기판(40)과의 결합을 위해 복수의 결합홈(36)이 구비된다. 상기 결합홈(36)의 내주면에는 암나사부가 형성된다. 본 실시 예에서 상기 결합홈(36)은 4개소가 구비된다.

상기 인쇄회로기판(40)은 상기 하우징(30)에 고정된다. 상기 인쇄회로기판(40)은 일방향으로 길게 형성된 판상의 부재이다. 상기 인쇄회로기판(40)은 전기적으로 부도체인 몸체의 일면에 회로 도선부(42)가 형성된 부재이다. 상기 회로 도선부(42)는 도금과 식각 공정의 조합에 의해 형성될 수 있다. 상기 인쇄회로기판(40)은 체결 볼트(38)가 상기 인쇄회로기판(40)을 관통하여 상기 하우징(30)에 형성된 상기 결합홈(36)에 나사 결합 됨으로써 상기 하우징(30)과 견고하게 고정된다.

상기 커넥터부(50)는 상기 인쇄회로기판(40)의 일단부에 형성된다. 상기 커넥터부(50)는 상기 회로 도선부(42)와 전기적으로 연결된다. 상기 커넥터부(50)는 상기 인쇄회로기판(40)의 몸체 표면에 구리 또는 금과 같이 전기 전도성이 우수한 금속 물질을 도금하여 형성한다. 상기 커넥터부(50)가 인쇄회로기판(40)에 일체로 형성되는 경우 종래의 유리 기판에 커넥터부가 형성되는 구조에 비하여 내구성이 현저하게 향상된다. 상기 커넥터부(50)는 별도의 바이오 물질 분석 장치에 전기적으로 착탈 가능하게 결합 된다. 상기 커넥터부(50)는 SD카드 슬롯과 호환되도록 구성하는 것이 바람직하다. 일반적으로 SD카드 슬롯은 전자기기에 널리 사용되고 있는 인터페이스 구조이므로 부품의 공급이 용이하고 비용이 저렴한 장점이 있다.

상기 연결 기둥(60)은 상기 커넥터부(50)에 전기적으로 연결된다. 상기 연결 기둥(60)의 일단부는 상기 인쇄회로기판(40)에 고정된다. 상기 연결 기둥(60)의 타단부는 상기 전극부(20)에 가압 접촉되도록 형성된다. 더 구체적으로 상기 연결 기둥(60)은 상기 전극부(20)에 형성된 전극(22)에 가압 되도록 배치된다. 상기 연결 기둥(60)은 전기 전도성이 있는 물질로 형성된다. 예컨대 상기 연결 기둥(60)은 구리, 알루미늄, 금, 은 등으로 제조될 수 있다. 상기 연결 기둥(60)은 복수의 상기 전극(22)에 대응되도록 배치된다. 본 실시 예에서 상기 연결 기둥(60)은 상기 전극(22)의 배치에 대응하도록 환상으로 배치된다. 상기 연결 기둥(60)은 고정부(62)와 가동부(64)를 포함한다.

상기 고정부(62)는 상기 회로 도선부(42)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 고정부(62)는 상기 인쇄회로기판(40)에 기계적으로 고정된다. 상기 고정부(62)는 외팔보 형태로 상기 인쇄회로기판(40)으로부터 상기 전극부(20)를 향해 돌출된다.

상기 가동부(64)는 상기 고정부(62)에 슬라이딩 가능하게 결합 된다. 상기 가동부(64)는 상기 고정부(62)로부터 상기 전극(22)을 향해 탄성 가압 되도록 결합 된다. 상기 고정부(62)와 상기 가동부(64)는 예컨대 코일 스프링과 같은 탄성 부재(66)를 매개로 결합될 수 있다. 상기 가동부(64)는 상기 커넥터부(50)와 상기 전극부(20)와 전기적인 연결이 항상 양호하게 유지될 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 가동부(64)는 상기 연결 기둥(60)을 제작하는 과정에서 발생하는 공차를 흡수함으로써 전극 장치(10)의 조립 품질을 우수하게 유지할 수 있는 작용 효과를 제공한다.

상기 투입공(44)은 상기 인쇄회로기판(40)의 상면과 하면을 관통하도록 형성된다. 상기 투입공(44)은 상기 전극부(20)와 연통된다. 더 구체적으로 상기 투입공(44)은 상기 바이오 물질 투입부(24)와 연통된다. 사용자는 상기 투입공(44)를 통해 미량의 바이오 물질을 상기 전극부(20)에 투입하거나 그 전극부(20)에 투입된 바이오 물질을 제거할 수 있다. 바이오 물질의 투입은 피펫과 같은 도구를 사용할 수 있다. 바이오 물질의 제거는 면봉과 같은 도구를 사용할 수 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 바이오 물질 분석용 전극 장치(10)의 사용 방법을 예로 들어 설명하면서 본 발명의 작용 효과를 상세하게 설명하기로 한다.

DNA의 농도는 일정한 주파수 값을 가진 전기 펄스 신호로 인가로 인해 발생되는 임피던스와 밀접한 상관관계가 있다고 알려져 있다. 도 1을 참조하여 DNA와 같은 바이오 물질을 전극 장치에 투입하는 경우를 설명한다.

피펫과 같이 미세한 액상의 바이오 물질을 전극 장치에 투입하는 경우 상기 투입공(44)을 통해 상기 바이오 물질 투입부(24)에 미량의 바이오 물질을 투입한다. 그리고 상기 커넥터부(50)를 분석 장치에 결합한다. 상기 커넥터부(50)는 SD카드 슬롯과 호환성을 가지므로 SD카드 슬롯을 구비한 분석 장치에 용이하게 결합할 수 있다. 그리고 공지된 전기신호처리장치인 NI-DAQ과 디지털신호합성장치인 AD9837를 통해 특정한 주파수 값을 가진 아날로그 전압 신호를 상기 커넥터부(50)에 인가한다. 상기 커넥터부(50)에 인가된 아날로그 펄스 전압 신호는 상기 회로 도선부(42)와 상기 연결 기둥(60)을 통해 상기 전극부(20)에 전달된다. 상기 전극부(20)에 전달된 아날로그 펄스 전압 신호는 상기 바이오 물질 투입부(24)에 투입된 바이오 물질을 통과하면서 임피던스(저항)에 의해 입력 펄스와 다른 펄스 신호를 발생한다. 상기 바이오 물질 투입부(24)에서 발생된 출력 펄스는 상기 연결 기둥(60)과 상기 회로 도선부(42)를 통하여 상기 커넥터부(50)로 피드백 된다. 상기 커넥터부(50)를 통해 출력되는 전기 펄스 신호는 분석 장치 내에 구비된 트랜스 임피던스 증폭기를 통과하면서 전류 펄스 신호가 전압 펄스 신호로 변환된다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기에서 출력된 전압 펄스 신호는 아날로그 신호로서 공지된 신호처리장치인 NI-DAQ에 입력된 후 MATLAB과 같은 수학계산 프로그램을 이용하여 사용자가 쉽게 이해할 수 있는 수치 또는 영상 데이타로 가공된다.

이와 같은 과정에서 상기 전극 장치(10)는 분석 장치에 전기적으로 연결되는 커넥터부(50)가 바이오 물질이 투입되는 전극부(20)와 물리적으로 분리되도록 구성된다. 이에 따라 상기 전극 장치(10)가 반복적으로 분석 장치와 결합 또는 분리됨에 따라 상기 커넥터부(50)에는 마찰력이 반복적으로 발생한다. 그런데 상기 커넥터부(50)는 합성수지로 이루어진 인쇄회로기판(40)의 일단부에 형성되므로, 유리 기판의 표면에 커넥터부를 형성하는 종래의 전극 장치 구조에 비하여 내구성을 현저하게 높일 수 있다. 즉, 합성수지 표면에 커넥터부를 형성하는 것은 유리 기판에 커넥터부를 형성하는 것보다 더 높은 강도와 접착력을 가진다. 이에 따라 전극 장치(10)의 반복적인 사용시에 내구성이 종래 전극 장치에 비하여 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 전극 장치(10)는 분석 장치와 반복적으로 접촉하지 않은 전극부만을 교체 가능하도록 구성되므로, 전극부(20)의 제조 비용이 저렴한 장점이 있다. 또한, 전극부(20) 만을 교체하면 반 영구적으로 전극 장치(10)를 사용할 수 있다는 점에서 종래의 구조에 비하여 유리하다.

이와 같이 본 발명에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는, 바이오 물질이 투입되는 전극부와 분석 장치에 반복적으로 착탈 되는 커넥터부의 구성을 분리함으로써 상기 커넥터부의 내구성을 강화하여 향상시켜 전극 장치의 수명을 현저하게 향상시키는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는 전극부의 교체가 가능하게 구성함으로써 전극부만을 경제적인 비용으로 제조하여 교체할 수 있으므로 전극 장치의 제조 비용이 절감되는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 물질 분석용 전극 장치는 인쇄회로기판에 투입공을 구비함으로써 전극부에 바이오 물질의 투입 및 제거가 용이하여 전극부의 재사용이 가능한 장점이 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

10 : 바이오 물질 분석용 전극 장치
20 : 전극부
22 : 전극
24 : 바이오 물질 투입부
30 : 하우징
32 : 전극 수용부
34 : 기구 삽입부
36 : 결합 홈
38 : 체결 볼트
40 : 인쇄회로기판
42 : 회로 도선부
44 : 투입공
50 : 커넥터부
60 : 연결 기둥
62 : 고정부
64 : 가동부
66 : 탄성 부재

Claims

판상의 기판에 이격 되게 배열된 복수의 전극이 구비되며 상기 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 상기 기판에 형성된 바이오 물질 투입부를 구비한 전극부;
일면이 개방되어 상기 전극부를 수용하는 전극 수용부를 구비한 하우징;
상기 하우징에 고정된 인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판의 일단부에 형성되며 분석 장치에 전기적으로 착탈 가능하게 결합 되는 커넥터부;
상기 커넥터부에 전기적으로 연결되며 일단부가 상기 인쇄회로기판에 고정되고 타단부가 상기 전극부에 가압 접촉되도록 형성된 전기 전도성이 있는 물질로 형성되고 상기 복수의 전극에 대응되도록 배치된 연결 기둥; 및
상기 인쇄회로기판의 상면과 하면을 관통하도록 형성되어 상기 전극부와 연통되는 투입공;을 포함한 것을 특징으로 하는 바이오 물질 분석용 전극 장치.
제1항에 있어서,
상기 전극은 환상으로 이격 되게 배열되며, 상기 바이오 물질 투입부는 상기 기판의 중심에 형성되며,
상기 연결 기둥은 상기 복수의 전극에 대응되도록 환상으로 배치된 것을 특징으로 하는 바이오 물질 분석용 전극 장치.
제1항에 있어서,
상기 연결 기둥은 상기 인쇄회로기판에 고정된 고정부; 및
상기 고정부에 슬라이딩 가능하게 결합 되며 상기 고정부로부터 상기 전극을 향해 탄성 가압 되는 가동부를 포함한 것을 특징으로 하는 바이오 물질 분석용 전극 장치.
제1항에 있어서,
상기 전극 수용부에 인접하게 형성되며 상기 전극 수용부에 수용된 전극부의 분리시 기구가 삽입될 수 있는 기구 삽입부를 구비한 것을 특징으로 하는 바이오 물질 분석용 전극 장치.
제1항에 있어서,
상기 커넥터부는 SD카드 슬롯과 호환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 물질 분석용 전극 장치.
제1항에 있어서,
상기 전극부는 정사각형 기판으로 구성되며 상기 기판의 각 모서리를 따라 2개의 전극이 배치된 것을 특징으로 하는 바이오 물질 분석용 전극 장치.