KR101845627B1 - 전기삼투 및 유전영동을 이용한 전기화학적 바이오 센서 및 그를 포함하는 공기 중의 바이오 입자 감지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 본 발명은 전기화학적 바이오 센서 및 그를 이용한 공기중 바이오 입자 감지 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 상대전극 및 상기 상대전극과 대향하여 이격 형성된 기준전극; 상기 상대전극 및 상기 기준전극 사이에 이격 형성된 작업전극;을 포함하고, 상기 상대전극 및 상기 기준전극은 전기삼투 유동을 발생시키고, 상기 작업전극은 항체를 포함하는 것인, 전기화학적 바이오 센서가 제공된다.

Description

전기삼투 및 유전영동을 이용한 전기화학적 바이오 센서 및 그를 포함하는 공기 중의 바이오 입자 감지 장치 {ELECTROCHEMICAL BIO-SENSOR BASED ON ELECTROOSMOSIS AND DIELECTROPHORESIS AND AN AIRBORNE BIO PARTICLES SENSING EQUIPMENT INCLUDING THE SAME}

본 발명은 전기화학적 바이오 센서 및 그를 이용한 바이오 입자 감지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기삼투 및 유전영동을 이용한 전기화학적 바이오 센서 모듈, 전기화학적 바이오 센서 어댑터 및 그를 포함하는 공기 중의 바이오 입자의 감지 장치에 관한 것이다.

최근 화학 또는 생물 분자를 검출하는데 있어서, 신속성과 편리성이 강조되면서 센서 제작에 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 특히 바이오 센서는 생물 분자를 검출하기 위한 센서로써 전기화학, 광학, 전기 및 기계적 신호 등과 같은 신호 변환을 이용하고 있다. 이들 중 전기적 신호를 이용하는 바이오 센서는 신호 전환이 빠르고 소형화가 용이하다는 장점이 있으며, 반도체 공정을 이용하여 제작되기 때문에 집적회로나 MEMS 접목이 용이하여 초소형화에 유리하여 생산비용이 저렴하다는 장점도 있다. 최근에는 특히, 탄소나노튜브 또는 그래핀을 이용하여 바이오 입자를 검출하는 센서들이 다수 제안되어 있다.

한편, 공기 중에 존재하는 바이오 입자 검출을 위해서는, 공기 중에 존재하는 바이오 입자를 액상으로 채집하기 위한 채집 장치를 필요로 한다. 이후, 채집 장치에 채집된 바이오 입자를 상기의 바이오 입자 검출 센서를 이용하여 감지하는 작업을 수행하여 왔다. 이 과정에서 숙련자의 별도의 시간 투자 및 고가의 장비가 필요로 되어 그 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 바이오 입자의 채집 및 감지를 동시에 수행할 수 있는 간단하면서도 효과적인 방법은 현재까지도 제공되지 않고 있는 실정이었다.

본 발명의 목적은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기삼투 및 유전영동을 이용한 전기화학적 바이오 센서 및 바이오 입자 감지 장치를 제공함으로써 높은 채집 효율로 신속하고 정밀하게 공기 중의 바이오 입자를 감지할 수 있는 센서 장치를 제공할 수 있다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 상대전극 및 상기 상대전극과 대향하여 이격 형성된 기준전극; 상기 상대전극 및 상기 기준전극 사이에 이격 형성된 작업전극;을 포함하고, 상기 상대전극 및 상기 기준전극은 전기삼투 유동을 발생시키고, 상기 작업전극은 항체를 포함하는 것인, 전기화학적 바이오 센서가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판과, 상기 상대전극, 상기 기준전극 및 상기 작업전극 사이에 형성된 절연체층;을 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상대전극 및 상기 기준전극 사이의 이격 간격은 5 ㎛ 내지 99 ㎛ 인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 작업전극은 유전영동을 발생시키는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상대전극, 상기 기준전극 및 상기 작업전극은, 각각, 복수 개의 가지부를 포함하고, 기준전극 가지부, 작업전극 가지부, 상대전극 가지부, 작업전극 가지부, 기준전극 가지부, 작업전극 가지부 및 상대전극 가지부 순서로 배열되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 작업전극은 서로 분리 형성되는 제 1 작업전극 및 제 2 작업전극을 포함하고, 상기 제 1 작업전극은 상기 기준전극에 가까이 형성되고, 상기 제 2 작업전극은 상기 상대전극에 가까이 형성되며, 상기 제 1 작업전극 및 상기 제 2 작업전극은 일정한 패턴을 가지고 서로를 향해 형성되는 각각의 미세 가지부를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 작업전극 미세 가지부 및 제 2 작업전극 미세 가지부 사이의 이격 간격은 1.0 ㎛ 내지 39.9 ㎛ 인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상면, 측면 및 하면으로 구성되는 원통형의 몸체; 상기 몸체 상면 중앙에 형성되는 유입구; 상기 몸체 상면 유입구 인근에 형성되는 복수의 유출구; 상기 몸체 하면 중앙에 내부 공간으로 돌출 형성되는 원통형의 돌출부; 상기 돌출부 상단에 내부 공간으로 돌출 형성되는 원통형의 절연부; 상기 절연부 상단에 형성되는 전극부; 및 상기 전극부 상단에 형성되는 본 발명의 실시예에서 제공하는 전기화학적 바이오 센서 중 어느 하나;를 포함하는, 바이오 입자 감지 장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유출구는 동일한 직경으로 두 개 이상 형성되며, 상기 유출구는 상기 유입구를 중심으로 동일한 거리에 직선으로 배치되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기화학적 바이오 센서가 장착되는 센서 어댑터를 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 센서 어댑터는 하나 이상의 주입구 및 배출구를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 입자 감지 장치는 접지되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유입구 및 유출구 중 하나 이상은 공기의 유속을 조절할 수 있는 밸브를 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 입자 센서 및 바이오 입자 감지 장치는, 수십 나노 이하의 작은 입자들로부터 수 마이크로미터에 이르기까지 다양한 크기의 바이오 입자들에 대해 간단한 기기장치로 높은 감도 및 빠른 시간 내의 효과적 채집이 가능하다. 또한, 민감한 바이오 입자의 안전한 채집이 가능하며, 낮은 압력강하로 전력소모가 적어 휴대용 제작이 가능한 측면이 있다. 또한, 채집된 바이오 입자의 별도의 추출 및 샘플 제작 과정의 필요 없이 직접 채집 및 감지가 가능하여 숙련자 및 고가의 장비가 필요 없는 효과가 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서 구조를 도시한 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서 구조를 도시한 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 가지부를 포함하는 기준전극, 작업전극 및 상대전극이 형성되어 있는 바이오 센서 구조를 도시한 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제 1 작업전극 및 제 2 작업전극의 미세 가지부를 포함하는 전기화학적 바이오 센서 구조를 도시한 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에서 전기삼투 유동 및 유전영동에 의한 바이오 센서의 구동 과정을 표현한 개략도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기중의 바이오 입자 감지 장치의 구조를 도시한 개략도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기중의 바이오 입자 감지 장치의 상면에 형성된 유입구 및 유출구의 구조를 도시한 개략도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 삽입된 센서 어댑터의 구조를 도시한 개략도이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 입자 감지 장치에 형성된 돌출부, 절연부 및 센서 어댑터의 구조를 도시한 개략도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 입자 감지 장치의 유입구에 밸브가 형성된 구조를 도시한 개략도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일 측면에서는, 전기삼투 유동을 발생시켜 효과적인 바이오 입자 센싱을 위한 구성을 제공한다. 전기삼투란 유체가, 가해진 전압에 의해, 흐름을 가지고 이동하는 현상을 의미한다.

본 발명의 다른 일 측면에서는, 효과적인 바이오 입자 센싱을 위해 상술한 전기삼투 외에 유전영동 효과를 추가로 이용할 수 있다. 유전영동이란 유체에 분산되어 있는 유전입자가, 비 균질 전기장 하에서 입자 내부에 형성되는 극성 힘에 의해, 전기장의 크기가 크거나 작은 방향으로 이동하는 현상을 의미한다. 일반적으로 이러한 유전영동 현상으로 얻을 수 있는 힘의 크기는 매우 작아서 종래의 일반 기계시스템에서 이용되는 예가 거의 없었다. 그러나 최근 들어 MEMS 분야가 발전함에 따라 전체적인 시스템의 크기가 작아지면서 그 활용이 조금씩 증가하고 있는 추세이다. 이러한 유전영동 현상은 별도의 이동수단이 없이도 단순히 전극 만으로 작동이 가능하고, 샘플의 라벨링이 필요 없는 장점이 있다. 또한, 작은 전압에서도 작동이 가능하여, 다른 방법에 비해 안정성이 높고 미세 입자 분리 등의 경우에 성공률이 매우 높은 장점이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전기삼투 유동을 이용하여 와류를 형성함으로써 비교적 원거리에 있는 넓은 면적에 존재하는 바이오 입자를 전기화학적 바이오 센서의 작업전극 근처로 접근시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 유전영동을 이용하여 비교적 근거리에 있는 바이오 입자를 바이오 센서의 작업 전극의 항체까지 접근 및 바인딩시킴으로써 센서의 감도를 높일 수 있다. 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 전기삼투 유동과 유전영동을 함께 이용하는 방법을 제공하는데, 상기 전기삼투 유동으로 인한 와류의 정체점이 작업 전극의 중앙이 되도록 형성하고, 그 부근에서 다시 유전영동을 발생시켜 바이오 입자의 두 단계에 걸친 농축이 가능해 질 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서(100) 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 예에 따르면, 기판(110); 상기 기판 상에 형성된 상대전극(130) 및 상기 상대전극과 대향하여 이격 형성된 기준전극(140); 상기 상대전극 및 상기 기준전극 사이에 이격 형성된 작업전극(150);을 포함하고, 상기 상대전극 및 상기 기준전극은 전기삼투 유동을 발생시키고, 상기 작업전극은 항체를 포함하는 것인, 전기화학적 바이오 센서가 제공된다.

상대전극 및 기준전극은 전기삼투 유동을 발생시키는 기능을 한다. 이 때, 상기 전기삼투 유동은 원거리에 있는 유체를 당겨와서, 작업전극 중앙 상부에서 정체점을 만드는 흐름을 형성할 수 있다. 이로써 작업전극에서는 농축된 입자의 채집, 감지가 가능해진다. 전기삼투 유동을 이용하여, 입자의 손실이 큰 미세유동 채널을 사용하지 않고도 센서 대부분의 면적을 활용하여 낮은 농도의 바이오 입자 까지도 쉽고 빠르게 감지할 수 있는 효과가 있다.

이 때, 상기 작업전극에는 바이오 입자와 반응할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 상기 바이오 입자와 반응할 수 있는 물질은 항체(antibody) 압타머(aptamer), 핵산(nucleic acid) 등을 포함할 수 있다.

상기 바이오 입자는 바이러스, 살모넬라, 대장균, 리스테리아, 레지오넬라균, 박테리아, DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판과, 상기 상대전극, 상기 기준전극 및 상기 작업전극 사이에 형성된 절연체층(121 및 122);을 더 포함하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 절연체층은 기판과 상대전극, 기준전극 및 작업전극을 이격 형성할 수 있는 구조라면 다양한 형태로 구성될 수 있다.

상기 절연체층은 단층으로 구성될 수 있다. 또한 상기 절연체층은 복수 층으로 구성될 수도 있다. 도 1은 절연체층이 두 개의 층(121 및 122)으로 형성된 구성을 도시하고 있다. 도 1에 따르면, 상기 작업전극은 122 절연체층으로 인해 기준전극, 상대전극 및 기판과 그 접촉이 차단될 수 있다. 상기 작업전극은 수직 단면 상으로 볼 때 그 높이가 122 절연체층 상에 형성되기에 상기 기준전극 및 상대전극보다 높은 위치에 형성될 수 있다. 상기 작업전극은 그 수평 면적이 122 절연체층의 수평 면적보다 작게 형성될 수 있다.

도 2는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기화학적 바이오 센서 구조를 도시한 개략도이다. 도 2는 절연체층이 세 개의 층(121, 122 및 123)으로 형성된 구성을 도시하고 있다. 이 때 작업전극은 그 수평 면적이 123 절연체층의 수평 면적보다 작게 형성될 수 있다. 상기 123 절연체층을 더 포함함으로써 수직 단면 상으로 볼 때 작업전극의 높이가 122 절연체층 상에 바로 작업전극을 형성하는 것보다 더 높게 형성될 수 있다. 이로써 더 효과적인 바이오 입자의 흡착, 채집이 가능해 질 수 있는 효과가 발생할 수도 있다. 또한 123 절연체층의 수평 면적은 122 절연체층 보다 넓게 형성되어, 상대전극 및 기준전극의 상면 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 때문에, 그 위에 형성되는 작업 전극은 122 절연체층 위에 바로 형성된 경우보다 더 넓은 면적을 가지고 형성될 수 있다. 이로써 더 효과적인 바이오 입자의 흡착, 채집이 가능해 질 수 있는 효과가 있다. 이와 같이 본 발명의 실시예에서 적용 가능한 절연체층은 다양한 구성으로 형성될 수 있다.

상기 절연체층은, 산화규소, 질화규소, 알루미나, 하프늄 디옥사이드, 지르코니아, 실리콘, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상대전극 및 상기 기준전극 사이의 이격 간격은 5 ㎛ 내지 99 ㎛ 인 것일 수 있다.

상대전극 및 기준전극은 전기적 효과에 의해 전기삼투 유동을 발생시키기에 적합하도록 디자인 되어야 한다. 바이오 입자의 효과적인 흡착, 채집을 위해서는 충분한 유속의 와류가 형성되는 것이 중요한데, 상대전극 및 기준전극 사이의 평균 간격은 와류의 유속을 결정하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 즉, 상대전극 및 기준전극 사이의 평균 간격은 5 ㎛ 내지 99 ㎛ 일 때, 전기삼투 유동으로 인해 적절한 유속의 유체 와류를 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 작업전극은 유전영동을 발생시키는 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르는 작업 전극은 그 효율을 높이기 위해 유전영동을 발생시키는 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 일차적으로 원거리에 존재하는 바이오 입자가 전기삼투에 의해 비교적 근거리까지 다가오게 되고, 이차적으로 근거리에서 유전영동을 발생시켜 바이오 입자를 흡착, 채집할 수 있다.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 가지부를 포함하는 기준전극, 작업전극 및 상대전극이 형성되어 있는 바이오 센서 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상대전극(130), 상기 기준전극(140) 및 상기 작업전극(150)은, 각각, 복수 개의 가지부를 포함하고, 기준전극 가지부, 작업전극 가지부, 상대전극 가지부, 작업전극 가지부, 기준전극 가지부, 작업전극 가지부 및 상대전극 가지부 순서로 배열되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르는 바이오 센서는, 최대한 넓은 면적에서 효과적으로 선택적인 바이오 입자를 채집할 수 있는 구조인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 측면에 따르는 바이오 센서는, 상기 상대전극, 상기 기준전극 및 상기 작업전극을 복수 개 포함할 수 있다. 이 때, 작업전극은 상대전극과 기준전극 사이에 형성되는 것이므로, 그 배열이 기준전극, 작업전극, 상대전극, 작업전극, 기준전극, 작업전극 및 상대전극 순으로 형성될 수 있다. 이렇게 구성되는 배열의 경우 복수 개의 전극을 비교적 좁은 면적에 형성할 수 있는 이점이 있다. 한편, 상기 상대전극, 상기 기준전극 및 상기 작업전극은 하나의 전극에서 뻗어 나온 전극의 가지부를 형성하여 상기 배열을 형성할 수도 있다. 상기 가지부는 복수 개 형성될 수 있다. 형성된 각 전극의 복수 개의 가지부는 해당 전극의 다른 가지부와 서로 병렬적으로 배치된 것일 수 있다. 각 가지부의 병렬적 배치는 직렬적 배치의 경우에 비해 일부의 전극 가지부에 결함이 있어도 전체적인 센서의 구동이 가능해지는 장점이 있다.

도 4는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제 1 작업전극 및 제 2 작업전극의 미세 가지부를 포함하는 전기화학적 바이오 센서 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 작업전극은 서로 분리 형성되는 제 1 작업전극(152) 및 제 2 작업전극(154)을 포함하고, 상기 제 1 작업전극은 상기 상대전극(130)에 가까이 형성되고, 상기 제 2 작업전극은 상기 기준전극(140)에 가까이 형성되며, 상기 제 1 작업전극 및 상기 제 2 작업전극은 일정한 패턴을 가지고 서로를 향해 형성되는 각각의 미세 가지부(156)를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 기준전극 및 상대전극 사이에 형성되는 상기 작업 전극은 서로 분리 형성되는 복수의 작업 전극으로 구성될 수 있는데, 그 일 예로서 제 1 작업전극 및 제 2 작업전극을 포함할 수 있다. 이 때, 기준전극에 가까이 형성된 것을 제 1 작업전극, 상대전극에 가까이 형성된 것을 제 2 작업전극이라 칭할 수 있다. 제 1 작업전극 및 제 2 작업전극은 일정한 패턴을 가질 수 있고, 서로를 향해 형성되는 미세 가지부를 포함할 수 있다. 제 1 작업전극과 제 2 작업전극은 서로 대칭적인 구조로 형성될 수 도 있다. 이 때, 제 1 작업전극 및 제 2 작업전극 사이에 유전영동의 전압이 가해질 수 있다. 이 전압은 바이오 입자를 효과적으로 감지하기에 적절한 입자의 속도를 형성할 수 있는 정도가 바람직하다. 또한, 이러한 작업 전극의 미세 가지부 형태는 효과적인 유전영동을 발생시켜 바이오 입자를 이동시킬 수 있는 형태라면, 다양한 구조를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 작업전극 미세 가지부 및 제 2 작업전극 미세 가지부 사이의 이격 간격은 1.0 ㎛ 내지 39.9 ㎛ 인 것일 수 있다.

제 1 작업전극 미세 가지부 및 제 2 작업전극 미세 가지부 사이의 이격 간격은, 상대전극 및 기준전극의 간격보다 작게 형성되는 것이 적절한데, 이로서 낮은 전압으로도 큰 전기장의 세기를 형성할 수 있기 때문이다. 이는 유전영동의 힘을 강하게 할 뿐 아니라, 바이오 센서 모듈의 전기화학적 감도를 향상시키는데도 기여하는 효과가 있다.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에서 전기삼투 유동 및 유전영동에 의한 바이오 센서의 구동 과정을 표현한 개략도이다.

높은 곳에서부터 전기삼투에 의해 끌려 내려온 바이오 입자는, 유전영동에 의해 제 1 작업전극 미세 가지부 및 제 2 작업전극 미세가지부에 포함된 항체(160)에 효과적으로 채집될 수 있다.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기중의 바이오 입자 감지 장치의 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상면(312), 측면(314) 및 하면(316)으로 구성되는 원통형의 몸체; 상기 몸체 상면 중앙에 형성되는 유입구(320); 상기 몸체 상면 유입구 인근에 형성되는 복수의 유출구(332 및 334); 상기 몸체 하면 중앙에 내부 공간으로 돌출 형성되는 원통형의 돌출부(340); 상기 돌출부 상단에 내부 공간으로 돌출 형성되는 원통형의 절연부(350); 상기 절연부 상단에 형성되는 전극부; 및 상기 전극부 상단에 형성되는 본 발명의 실시예에서 제공하는 전기화학적 바이오 센서 중 어느 하나;를 포함하는, 바이오 입자 감지 장치(300)가 제공된다.

상기 몸체의 상면, 측면 및 하면은 동일한 금속재질로 구성될 수 있다. 상기 몸체의 상면에는 중앙에 유입구가 형성될 수 있으며, 이를 통해 바이오 입자를 포함하는 공기가 유입될 수 있다. 또한, 상기 몸체의 상면 유입구 인근에는 하나 이상의 유출구를 포함할 수 있으며, 유입구를 통해 유입된 공기는 몸체 내부 공간을 이동한 후, 이 유출구를 통해 유출될 수 있다. 상기 유입구는 유입되는 공기의 속도를 고려하여 적절한 크기의 원형일 수 있다. 또한, 상기 유출구는 유출되는 공기의 속도를 고려하여 적절한 크기의 원형인 것일 수 있으며, 복수 개 형성될 경우 그 직경이 서로 동일하고, 필요할 경우 유입구의 직경과도 동일하게 형성될 수도 있다. 한편, 상기 유출구는 공기의 효과적인 배출을 위하여 하면에 추가적으로 형성될 수도 있다.

상기 원통형 돌출부 및 절연부는 그 높이가 바이오 입자 집적도에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 원통형 돌출부 및 절연부를 합한 높이는 상기 몸체 높이의 5 % 내지 20 % 로 형성되는 것일 수 있다. 상기 원통형 돌출부 및 절연부를 합한 높이가 몸체 높이의 5 % 미만인 경우에는 몸체 내부 공기 유동이 통상의 원통 유동과 유사하여 그 효과가 미미해지는 문제가 생길 수 있고, 상기 원통형 돌출부 및 절연부의 높이가 몸체 높이의 20 % 를 초과하는 경우 집적부가 공기 유동을 방해하고 집적부에 도달하는 입자의 속도가 높아서 입자의 집적도가 떨어지는 문제가 생길 수 있다.

상기 절연부 상단에는 전극부가 형성될 수 있다. 한편, 상기 전극부는 원통형의 절연부 측면에 둘러쌓인 형태로 형성될 수도 있다. 상기 전극부 상단에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기화학적 바이오 센서가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전기화학적 바이오 센서 어댑터 직경은 상기 몸체 직경의 1/5 내지 1/3 인 것일 수 있다. 상기 채집부의 직경이 몸체 직경의 1/5 미만인 경우에는 채집부의 바이오 입자 채집 효율이 떨어지는 문제가 있고, 몸체 직경의 1/3 를 초과하는 경우 바이오 입자의 집적밀도가 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 절연부 직경은 상기 돌출부 직경의 4/5 내지 9/10 인 것이고, 상기 전기화학적 바이오 센서 어댑터 채집부 직경은 상기 절연부 직경과 동일하게 형성되는 것일 수 있다. 상기 절연부 직경은 상기 돌출부 직경 에 비해 그 크기가 같거나 작을 수 있다. 이 때 상기 절연부 직경은 상기 돌출부 직경의 4/5 내지 9/10 인 것일 수 있다. 상기 채집부 직경은 상기 절연부 직경에 비해 그 크기가 같거나 작을 수 있다. 또한, 상기 채집부 직경은 상기 절연부 직경과 동일한 것일 수 있다.

도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 입자 감지 장치의 상면(312)에 형성된 유입구 및 유출구의 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유출구는 동일한 직경으로 두 개(332 및 334) 이상 형성되며, 상기 유출구는 상기 유입구(320)를 중심으로 동일한 거리에 직선으로 배치되는 것일 수 있다.

몸체 내에서 적절한 공기의 유동 후 유출구를 통해 유출되는 적절한 유체의 경로를 형성하기 위해, 상기 유출구는 동일한 직경으로 두 개 또는 그 이상 형성될 수 있고, 유입구를 중심으로 동일한 거리에 직선으로 배치되는 것일 수 있다.

도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 삽입된 센서 어댑터의 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 입자 감지 장치는 상기 전기화학적 바이오 센서가 장착되는 센서 어댑터(200)를 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 센서 어댑터에는 본 발명의 일 실시예에 따르는 바이오 센서(100)가 장착될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 센서 어댑터는 원통형으로 형성된 측면(212)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 센서 어댑터는 상기 바이오 센서와 연결된 신호 감지부(220)를 추가적으로 포함할 수 있다. 신호 감지부는 센서에서 발생한 전기화학적 신호를 감지, 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 센서 어댑터는 하나 이상의 주입구(214) 및 배출구(216)를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 원통형으로 구성될 수 있는 센서 어댑터에는, 바이오 입자 채집용 액체가 담길 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르는 센서 어댑터는, 채집용 액체를 담을 수 있는 채집부를 포함할 수도 있다. 이러한 채집용 액체는 상기 주입구 및 배출구를 통하여 주입되고 배출될 수 있다. 센서 어댑터는 상기 채집용 액체를 이용하여 바이오 입자를 채집할 수 있다. 이 때, 채집용 액체는 항체(antibody), 압타머(aptamer), 핵산(nucleic acid) 등의 반응 물질군과 바이오 입자와의 작용에 영향을 미치지 않는 것이 바람직하다. 장기적인 바이오 입자 채집이 필요한 경우에는 상기 센서 어댑터에 지속적으로 채집용 액체를 공급할 수 있다.

상기 센서 어댑터는 채집용 액체를 이용한 바이오 입자 채집이 끝난 후, 전기삼투 및 유전영동을 위한 제 1 전해액으로 채집용 액체를 교환할 수 있다. 이 후에, 전기삼투 및 유전영동을 위한 제 1 전해액은 전기화학적 감지를 위한 제 2 전해액으로 다시 교환될 수도 있다. 이 때, 채집용 액체, 제 1 전해액 및 제 2 전해액은 각각 같은 물질일 수도 있으며, 상호간의 교환이 반드시 필수적인 것은 아닐 수 있다. 즉, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 센서 어댑터는 상기 채집용 액체 및 전해액 중 하나 이상을 이용하여, 채집 단계, 전기삼투 및 유전영동 단계 및 전기화학적 감지 단계를 수행할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 주입구 및 배출구 중 하나 이상은 효과적인 액체 유입 및 배출을 위해 복수 개 형성되는 것일 수 있다. 상기 채집용 액체, 제 1 전해액 및 제 2 전해액이 각각 상이한 성분일 경우 그 성분의 혼합이 바람직하지 않을 경우를 고려하여, 주입구가 세 개 형성되는 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르는 바이오 센서 어댑터는 각 액체 별로 개별적인 입구를 확보함으로써, 채집용 액체, 제 1 전해액 및 제 2 전해액 각각이 효과적으로 기능하여 채집단계, 전기삼투 및 유전영동 단계 및 전기화학적 감지 단계를 수행하는 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 사용 후 용액의 개별적 배출을 위해 배출구를 복수 개 형성하는 구성 또한 포함할 수 있다.

도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 입자 감지 장치에 형성된 돌출부(340), 절연부(350) 및 센서 어댑터의 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 입자 감지 장치는 접지되는 것일 수 있다.

또한, 상기 바이오 입자 감지 장치는 외부로부터 전원이 연결되도록 형성될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 공기 중의 바이오 입자들을 센서 어댑터 상부로 모으는데 전원이 필요할 수 있다. 이 때, 전원은 AC 혹은 DC로 연결할 수 있으며, 비교적 높은 전압을 필요로 하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 바이오 센서에서 전기 삼투 및 유전 영동을 일으키기 위한 전원이 필요할 수 있다. 이 전원은 상대적으로 비교적 낮은 전압을 필요로 하는 것일 수 있다.

도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 입자 감지 장치의 유입구에 밸브가 형성된 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유입구(320) 및 유출구(332 및 334) 중 하나 이상은 공기의 유속을 조절할 수 있는 밸브를 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 유입구 및 유출구를 통하여 형성되는 공기의 흐름에서, 유속이 일정 수준보다 낮거나 빠를 경우 바이오 입자의 채집 효율이 떨어질 수 있는데, 이 경우 유입구 또는 유출구에 포함된 밸브를 이용하여 그 유체의 유속을 조절할 수 있다. 밸브의 개폐 판단을 위한 공기의 유속은 사전 시험에 의하여 설정할 수 있으며, 몸체 전체 크기에 따라 그 유속을 변경할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예들은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

1. 기판;
   상기 기판 상에 형성된 상대전극 및 상기 상대전극과 대향하여 이격 형성된 기준전극; 및
   상기 상대전극 및 상기 기준전극 사이에 이격 형성된 작업전극;을 포함하고,
   상기 상대전극 및 상기 기준전극은 전기삼투 유동을 발생시키고,
   상기 작업전극은 항체를 포함하는 것이고,
   상기 작업전극은 서로 분리 형성되는 제 1 작업전극 및 제 2 작업전극을 포함하고,
   상기 제 1 작업전극은 상기 기준전극에 가까이 형성되고, 상기 제 2 작업전극은 상기 상대전극에 가까이 형성되며,
   상기 제 1 작업전극 및 상기 제 2 작업전극은 일정한 패턴을 가지고 서로를 향해 형성되는 각각의 미세 가지부를 포함하는 것인,
   전기화학적 바이오 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판과, 상기 상대전극, 상기 기준전극 및 상기 작업전극 사이에 형성된 절연체층;을 더 포함하는 것인,
   전기화학적 바이오 센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 상대전극 및 상기 기준전극 사이의 이격 간격은 5 ㎛ 내지 99 ㎛ 인 것인,
   전기화학적 바이오 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 상대전극, 상기 기준전극 및 상기 작업전극은, 각각, 복 수개의 가지부를 포함하고,
   기준전극 가지부, 작업전극 가지부, 상대전극 가지부, 작업전극 가지부, 기준전극 가지부, 작업전극 가지부 및 상대전극 가지부 순서로 배열되는 것인,
   전기화학적 바이오 센서.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 작업전극은 유전영동을 발생시키는 것인,
   전기화학적 바이오 센서.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제 1 작업전극 미세 가지부 및 제 2 작업전극 미세 가지부 사이의 이격 간격은 1.0 ㎛ 내지 39.9 ㎛ 인 것인,
   전기화학적 바이오 센서.
   
8. 상면, 측면 및 하면으로 구성되는 원통형의 몸체;
   상기 몸체 상면 중앙에 형성되는 유입구;
   상기 몸체 상면 유입구 인근에 형성되는 복수의 유출구;
   상기 몸체 하면 중앙에 내부 공간으로 돌출 형성되는 원통형의 돌출부;
   상기 돌출부 상단에 내부 공간으로 돌출 형성되는 원통형의 절연부;
   상기 절연부 상단에 형성되는 전극부; 및
   상기 전극부 상단에 형성되는 제1항 내지 제5항, 제7항 중 어느 한 항의 전기화학적 바이오 센서;를 포함하는,
   바이오 입자 감지 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 유출구는 동일한 직경으로 두 개 이상 형성되며, 상기 유출구는 상기 유입구를 중심으로 동일한 거리에 직선으로 배치되는 것인,
   바이오 입자 감지 장치.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 전기화학적 바이오 센서가 장착되는
    센서 어댑터를 더 포함하는 것인,
    바이오 입자 감지 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 센서 어댑터는 하나 이상의 주입구 및 배출구를 포함하는 것인,
    바이오 입자 감지 장치.
    
12. 제8항에 있어서
    상기 바이오 입자 감지 장치는 접지되는 것인,
    바이오 입자 감지 장치.
    
13. 제8항에 있어서,
    상기 유입구 및 유출구 중 하나 이상은 공기의 유속을 조절할 수 있는 밸브를 더 포함하는 것인,
    바이오 입자 감지 장치.
    

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