KR102465236B1 - 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트 - Google Patents

랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트 Download PDF

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Abstract

랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트 및 이를 이용한 진단 방법이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트는 pH 센서 및 색채 감지 광센서에 혈액을 공급하기 위한 PDMS 마이크로 플루이딕 채널, 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정하는 pH 센서 및 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단하는 색채 감지 광센서를 포함한다.

Description

랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트{Lab-on-a-chip based portable diagnostic kit for identifying symptoms and causes of human body pH abnormalities}
본 발명은 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트에 관한 것이다.
전기분해법은 전기에너지를 이용하여 용액 내에 존재하는 이온의 산화, 환원 반응을 통해 특정 물질을 포집하는 기술이다. 이를 혈액의 분석에 적용하여 전기분해 기법에 의해 포집되는 수소 기체를 통해 팔라듐(palladium; Pd) 전극의 전기적 특성의 변화를 측정 및 확인할 수 있다[1]. 또한, 이 팔라듐 전극을 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Insulator-semiconductor field-effect transistor; MISFET)의 게이트 전극으로 이용하게 되면, Pd 금속의 일함수 변화를 일으키게 되고[2], 이러한 반응을 통해 초고속, 초정밀의 pH 감지 모듈로 사용될 수 있다.
기존의 광센서 모듈은 광원의 채도, 세기, 파장 등을 통해 분석을 진행한다. 반면, 인간의 피는 혈액의 적혈구에 존재하는 혈색소(다시 말해, 헤모글로빈)에 의해 붉은 빛을 띄게 되고, 붉은 피의 색채는 헤모글로빈과 결합하는 산소(선홍색) 또는 이산화탄소(암적색)의 농도에 의해 결정된다. 이에 용액 상태의 혈액을 투과 및 반사하면서 발생되는 광센서의 센싱 신호에 따라 혈액 내의 산소 또는 이산화탄소의 농도를 역으로 산출해낼 수 있다. 이는 실제 혈액의 색채(붉은 빛의 채도) 정도를 측정하는 것으로, 호흡성 및 대사성의 원인에 따른 산증 및 알칼리증을 구분 가능한 pH 이상 증후 원인 진단용 센서로 활용할 수 있다.
상기한 두 가지 센서를 PDMS 플루이딕스 채널을 이용하여 두 센서에 혈액을 공급할 수 있는 랩온어칩 기반의 진단키트를 구현할 수 있다. PDMS 플루이딕 채널을 통하여 각 센서에 공급되는 혈액으로 신속하고 정밀한 pH 수치 및 체내 산소와 이산화탄소의 양을 검침할 수 있고, 수집된 정보를 바탕으로 하는 의료공학적 수치해석을 통해 pH 수치 이상 환자에 대한 진단키트로 적용될 수 있다.
한국 등록특허공보 제10-0999451호, "전기분해 및 팔라듐의 수소 흡착을 이용한 피에이치 센서 및 그 제조 방법"
R. Dus, E. Nowicka and R. Nowakowski, "The Response of Work Function of Thin Metal Films to Interaction with Hydrogen", ACTA PHYSICA POLONICA A, 114 (2008)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 휴대 가능한 센서 모듈을 개발함으로써 적은 양의 혈액으로 빠른 결과 분석과 함께 작은 pH 변화까지 검출 가능한 진단키트를 제공하는데 있다. 체내의 pH 농도에 따른 산증(<7.35) 및 알칼리증(>7.45)과 같은 pH 이상 증후의 원인이 되는 비정상적인 신진대사 및 호흡성 질환의 총 4가지 형태의 pH 이상 증세 및 원인을 진단 가능한 키트를 제안 하고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트는 pH 센서 및 색채 감지 광센서에 혈액을 공급하기 위한 PDMS 마이크로 플루이딕 채널, 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정하는 pH 센서 및 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단하는 색채 감지 광센서를 포함한다.
pH 센서는 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Insulator-semiconductor field-effect transistor; MISFET)를 포함하고, 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터는 혈액의 pH 농도 변화에 따른 일함수 변화를 발생시키는 팔라듐 게이트 전극, 변화된 일함수에 따른 문턱 전압 변화를 발생시키는 반도체 채널 및 변화된 혈액의 pH 농도에 따른 전기적 특성을 감지하는 소스/드레인 전극을 포함한다.
pH 센서는 혈액의 pH 농도 변화의 초정밀 측정을 위해 준문턱 지점(Subthreshold Region)에서 혈액의 pH 농도의 변화에 따른 전류의 변화를 측정한다.
색채 감지 광센서는 혈액의 채도를 측정하는 빛 반응 물질, 혈액의 색채 정보를 빛 반응 물질에 제공하는 광원, 빛 반응 물질을 액체 상태의 혈액으로부터 보호하는 보호층 및 변화된 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 전기적 특성을 감지하는 소스/드레인 전극을 포함한다.
색채 감지 광센서는 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따라 혈액의 pH 농도가 변화되고, 혈액 내의 과잉 이산화탄소는 혈액에 해리되어 중탄산이온(HCO3)의 형태로 존재하게 되어 혈액 내의 이산화탄소 분압(PaCO2)을 증가시키고, 혈액의 산성화를 유발하여 변화되는 혈액의 색채 변화를 감지함으로써 호흡성 요인에 인한 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단한다.
이후, pH 센서 및 색채 감지 광센서를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력하고, 출력된 센싱 신호를 이용하여 대사성 산증, 호흡성 산증, 대사성 알칼리증, 호흡성 알칼리증을 포함하는 대사성 및 호흡성의 증후 원인을 진단한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트를 이용한 진단 방법은 PDMS 마이크로 플루이딕 채널을 통해 pH 센서 및 색채 감지 광센서에 혈액을 공급하는 단계, pH 센서가 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정하는 단계, 색채 감지 광센서가 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단하는 단계 및 pH 센서 및 색채 감지 광센서를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트는 Pd 전극을 MISFET의 게이트 전극으로 이용함으로써, 작은 pH 변화를 감지할 수 있는 초고속, 초정밀 pH 센서로 활용할 수 있다. 즉, 전기분해법을 기반으로 하는 새로운 방식의 pH 센서를 개발함으로써 소량의 혈액을 통하여 신속하고 정확한 pH 분석을 가능하게 하는 신개념의 pH 센서로 활용할 수 있다. pH 이상 증후 원인은 고감도의 광센서 모듈을 통해 혈액의 색채 분석을 진행하는 새로운 분석법을 적용하여 혈액의 성분 분석 없이 초고속으로 진행되는 진단 센서로써 활용될 수 있다. 이때, 두 센서를 하나의 시스템으로 구성하는 PDMS 마이크로 플루이딕스 채널로 활용함으로써 휴대용 헬스케어 장치의 개발을 이끌어낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 색채 감지 광센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트를 이용한 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트의 구성을 나타내는 도면이다.
제안하는 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트는 pH 농도 측정이 가능한 전기분해법 기반의 pH 센서(110)와 pH 농도 이상 증후 원인 파악이 가능한 색채 감지 광센서(120) 및 소량의 혈액을 흘려 보내는 PDMS 마이크로 플루이딕 채널(130)을 포함한다.
PDMS 마이크로 플루이딕 채널(130)은 pH 센서(110) 및 색채 감지 광센서(120)에 혈액을 공급한다.
pH 센서(110)는 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐(palladium; Pd) 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정한다.
pH 센서(110)는 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Insulator-semiconductor field-effect transistor; MISFET)를 포함한다. 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터는 팔라듐 게이트 전극, 반도체 채널 및 소스/드레인 전극을 포함한다. 팔라듐 게이트 전극은 혈액의 pH 농도 변화에 따른 일함수 변화를 발생시킨다. 반도체 채널은 팔라듐 게이트의 변화된 일함수에 따른 문턱 전압 변화를 발생시켜 정밀성을 증가시킨다. 소스/드레인 전극은 변화된 혈액의 pH 농도에 따른 반도체 채널의 전기적 특성을 감지한다.
pH 센서(110)는 혈액의 pH 농도 변화의 초정밀 측정을 위해 준문턱 지점(Subthreshold Region)에서 혈액의 pH 농도의 변화에 따른 전류의 변화를 측정할 수 있다. 이때 준문턱 지점(Subthreshold Region)에서 pH 센서(110)를 이용하여, pH 농도의 작은 변화(다시 말해, 작은 일함수의 변화)로 높은 전류의 변화를 측정할 수 있는 초정밀 센서로 활용할 수 있다.
색채 감지 광센서(120)는 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단한다.
색채 감지 광센서(120)는 빛 반응 물질, 광원, 보호층 및 소스/드레인 전극을 포함한다. 빛 반응 물질은 혈액의 채도를 측정하고, 광원은 혈액의 색채 정보를 빛 반응 물질에 제공한다. 보호층은 빛 반응 물질을 액체 상태의 혈액으로부터 보호하고, 소스/드레인 전극은 변화된 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 전기적 특성을 감지한다.
혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따라 혈액의 pH 농도가 변화되고, 혈액 내의 과잉 이산화탄소는 혈액에 해리되어 중탄산이온(HCO3)의 형태로 존재하게 되어 혈액 내의 이산화탄소 분압(PaCO2)을 증가시킨다. 색채 감지 광센서(120)는 혈액의 산성화를 유발하여 변화되는 혈액의 색채 변화를 감지함으로써 호흡성 요인에 인한 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단할 수 있다.
이후, pH 센서(110) 및 색채 감지 광센서(120)를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력하고, 출력된 센싱 신호를 이용하여 대사성 산증, 호흡성 산증, 대사성 알칼리증, 호흡성 알칼리증을 포함하는 대사성 및 호흡성의 증후 원인을 진단할 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서는 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 이에 팔라듐(palladium; Pd) 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 팔라듐 전극을 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Insulator-semiconductor field-effect transistor; MISFET)의 게이트 전극으로 이용할 수 있다. 혈액 내의 pH 농도 변화는 MISFET 게이트 전극의 일함수 변화를 발현시키고 이는 문턱 전압(threshold voltage; Vth)을 변화시켜 혈액 내의 수소 이온의 농도를 확인할 수 있는 장치 구현을 가능하게 한다. 이때 준문턱 지점(Subthreshold Region)에서 pH 센서(110)를 이용하여, pH 농도의 작은 변화(다시 말해, 작은 일함수의 변화)로 높은 전류의 변화를 측정할 수 있는 초정밀 센서로 활용할 수 있다.
색채 감지 광센서(120)는 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해, 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채 측정한다. 혈액은 적혈구에 존재하는 혈색소(다시 말해, 헤모글로빈)에 의해 붉은 빛을 띠게 되고, 붉은 피의 색채는 헤모글로빈과 결합하는 산소(선홍색) 또는 이산화탄소(암적색)의 농도에 의해 결정된다. 즉, 혈액의 색채 분석을 통해 혈액 내에 존재하는 산소 및 이산화탄소의 농도를 확인할 수 있으며, 과호흡과 같은 호흡 장애에 따라 혈액 내에 존재하게 되는 이산화탄소의 농도를 통해 혈액의 산도(pH)를 변화시키게 된다. 과잉 이산화탄소는 혈액에 해리되어 HCO3의 형태로 존재하게 되며, 혈액 내의 이산화탄소 분압(PaCO2)을 증가시키고, 혈액의 산성화를 유발하게 된다. 이를 통해 혈액의 색채 변화를 감지함으로써 호흡성 요인에 인한 혈액의 pH 변화를 관찰할 수 있는 진단키트를 제작할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 pH 센서(110) 색채 감지 광센서(120) 및 PDMS 마이크로 플루이딕 채널(130)을 통해 초미량의 혈액으로 초고속, 초정밀 진단이 가능한 랩온어칩 진단키트를 제작할 수 있다. 제안하는 랩온어칩 기반의 pH 센서(110)를 통해 혈액의 pH 변화를 정밀하게 측정할 수 있고, 동시에 색채 감지 광센서(120)를 통해 혈액의 pH 변화의 원인 규명(다시 말해, 호흡성 또는 대사성)이 가능하다. 이는 혈액의 산증 및 알칼리증에 대해 이상 증후 진단 및 원인 규명이 가능한 랩온어칩 기반의 초고속, 초정밀, 휴대용 헬스케어 키트를 제작할 수 있음을 의미한다. 혈액의 pH 이상 증후의 원인(다시 말해, 호흡성 또는 대사성)에 따라 대처방법이 다르기 때문에 pH의 이상 증후 진단 및 원인 규명이 가능한 휴대용 헬스케어 진단키트 개발에 중요성을 갖는다.
다시 도 1을 참조하여, 제안하는 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트의 각 구성의 역할에 대하여 설명한다.
제안하는 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트의 전기분해법 기반 pH 센서(110)는 pH의 변화로 일함수의 변화를 발생시키는 팔라듐 게이트 전극, 변화된 일함수의 변화를 문턱 전압의 변화로 해석하여 정밀성을 증가시키는 반도체 채널, 변화된 물질의 전기적 특성을 감지하는 소스/드레인 전극을 포함할 수 있다.
pH 이상 증후 판단을 위한 색채 감지 광센서(120)는 혈액의 채도를 측정하는 빛 반응 물질, 혈액의 색채 정보를 빛 반응 물질에 제공할 수 있는 광원, 빛 반응 물질을 액체 상태의 혈액으로부터 보호하는 보호층, 변화된 물질의 전기적 특성을 감지하는 소스/드레인 전극을 포함할 수 있다.
이렇게 구성된 두 가지 센서, 다시 말해 전기분해법 기반 pH 센서(110) 및 pH 이상 증후 판단을 위한 색채 감지 광센서(120)는 혈액 주입구(141)로 주입된 혈액을 PDMS 마이크로 플루이틱 채널(130)을 통해 공급 받고 혈액 배출구(142)를 통해 혈액을 배출할 수 있다.
PDMS 마이크로 플루이틱 채널(130)을 통하여 각 센서에 공급되는 혈액으로 전기분해법 기반 pH 센서에서 측정된 pH 수치, pH 이상 증후 판단 광센서를 통해 구분된 대사성, 호흡성 여부를 진단하는 진단키트로 적용될 수 있다. 이에 대한 수평 단면도 및 수직 단면도는 각각 도 1(a) 및 도 1(b)를 통해 확인할 수 있다. 랩온어칩의 혈액 주입구(141)에 주입된 혈액은 PDMS 마이크로 플루이틱 채널(130)을 통해 흘러가 본 발명의 실시예에 따른 pH 센서(110) 및 색채 감지 광센서(120) 위를 흐른 후 혈액 배출구(142)를 통해 배출된다. 배출되기 전 혈액은 먼저 pH 센서(110)를 지나가면서, 팔라듐 게이트 전극과 반응하게 되어 도 2(b)와 같은 결과를 도출해낼 수 있다. 이는 체내 혈액을 통해 pH 농도를 측정해내는 방법으로 활용될 수 있다. 이후, 색채 감지 광센서(120)를 지나게 되면 광원에 의해 투과 및 반사된 혈액의 색채를 빛 반응 물질에 전달할 수 있다. 전달된 혈액의 색채 정보에 따라 도 3(b)와 같은 결과를 나타내며, 혈액 내의 이산화탄소의 양을 해석할 수 있다. 이는 체내 pH 농도 문제에 따른 산증 및 알칼리증의 이상 증후 원인 파악에 대한 진단 방법으로 활용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해법 기반 pH 센서의 소자 모식도를 나타내고, 도 2(b)는 pH 센서의 일함수 변화 동작을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에서 제안하는 pH 센서는 혈액 속의 수소 이온이 팔라듐 전극에 함유됨에 따라 PdHx 물질을 형성하게 되고, pH 농도(다시 말해, 수소 이온의 농도)에 따라 변화되는 표면 퍼텐셜의 변화(다시 말해, 일함수의 변화)를 야기시킬 수 있다.
도 2(a)와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서는 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Insulator-semiconductor field-effect transistor; MISFET)로 구성될 수 있다. 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터는 팔라듐 게이트 전극(210), 반도체 채널(220) 및 소스/드레인 전극(230)을 포함한다. 팔라듐 게이트 전극(210)은 혈액의 pH 농도 변화에 따른 일함수 변화를 발생시킨다. 이와 같이 본 발명은 1. 수동 소자(다시 말해, 저항변화)가 아닌 능동 소자(다시 말해, 일함수 변화)로써의 응용을 통해 반도체 채널(220)의 변화된 일함수에 따른 문턱 전압 변화를 발생시켜 정밀성을 증가시킨다. 소스/드레인 전극(230)은 변화된 혈액의 pH 농도에 따른 전기적 특성을 감지한다.
도 2(a)와 같이 상위-게이트(top-gate)인 팔라듐 게이트 전극(210)을 갖는 구조의 MISFET를 제작하면, 도 2(b)와 같은 결과를 예상할 수 있다. 팔라듐 게이트 전극(210)의 일함수 변화는 MISFET에서의 문턱 전압(Vth)의 변화로 해석할 수 있으며, 0.1 V의 작은 변화는 100배의 전기적 신호(다시 말해, 전류)의 변화로 감지할 수 있다. 이는 작은 pH 농도의 변화까지 확인하여 초정밀 센서로서 이용할 수 있는 본 발명의 전기분해법 기반 pH 센서의 결과를 예상할 수 있다. 이때, 게이트 전극으로 사용될 수 있는 전극은 수소 이온에 대해 일함수가 변화되는 플라티늄(platinum; Pt) 등을 포함할 수 있다. 또한 소자 모식도에 나타나는 소스/드레인 전극, 반도체 채널, 게이트 절연막은 소자의 구동 조건(다시 말해, 적절한 Vth 조절), 변화되는 전기적 신호의 양(다시 말해, 전류의 변화량)에 따라 다양한 물질이 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 색채 감지 광센서를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 색채 감지 광센서는 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단한다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 색채 감지 광센서의 소자 모식도를 나타내고, 도 3(b)는 혈액의 색채에 따라 변화된 빛의 세기의 전기적 특성 변화를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 색채 감지 광센서는 빛 반응 물질(310), 광원(320), 보호층(330) 및 소스/드레인 전극(340)을 포함한다. 빛 반응 물질(310)은 혈액의 채도를 측정하고, 광원(320)은 혈액의 색채 정보를 빛 반응 물질에 제공한다. 보호층(330)은 빛 반응 물질을 액체 상태의 혈액으로부터 보호하고, 소스/드레인 전극(340)은 변화된 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 전기적 특성을 감지한다.
도 3(a)를 참조하면 보호층(passivation layer) 위에 위치한 혈액(350)을 투과하는 광원(320)이 빛 반응 소자(photo sensor device)(310)에 들어가는 모습을 볼 수 있다. 이는 혈액(350)의 색채를 투과 및 반사하는 광원(320)의 빛이 빛 반응 소자(310)에 자극을 주는 모습이며, 혈액(350)의 색채에 따라 다른 빛의 자극이 나타나는 것을 예상할 수 있다. 혈액의 색채에 따라 변화된 빛의 세기의 전기적 특성 변화는 도 3(b)를 통해 확인할 수 있다. 빛의 세기가 강해질수록 증가된 전류 (감소된 빛 반응 물질의 저항)를 예상할 수 있다. 이때 측정을 위해 필요한 광원(320)은 생활 속의 형광등 빛, 레이저 빛, LED 빛 등 모두를 포함할 수 있다. 또한 도 3(a)의 소자 모식도에 나타나는 소스/드레인 전극(340), 빛 반응 물질(310), 보호층(330)은 다양한 물질이 포함될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트를 이용한 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트를 이용한 진단 방법은 PDMS 마이크로 플루이딕 채널을 통해 pH 센서 및 색채 감지 광센서에 혈액을 공급하는 단계(410), pH 센서가 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정하는 단계(420), 색채 감지 광센서가 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단하는 단계(430) 및 pH 센서 및 색채 감지 광센서를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력하는 단계(440)를 포함한다.
단계(410)에서, PDMS 마이크로 플루이딕 채널을 통해 pH 센서 및 색채 감지 광센서에 혈액을 공급한다.
단계(420)에서, pH 센서가 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정한다.
pH 센서는 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Insulator-semiconductor field-effect transistor; MISFET)를 포함한다. 금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터는 팔라듐 게이트 전극, 반도체 채널 및 소스/드레인 전극을 포함한다. 팔라듐 게이트 전극은 혈액의 pH 농도 변화에 따른 일함수 변화를 발생시킨다. 반도체 채널은 변화된 일함수에 따른 문턱 전압 변화를 발생시켜 정밀성을 증가시킨다. 소스/드레인 전극은 변화된 혈액의 pH 농도에 따른 전기적 특성을 감지한다.
pH 센서는 혈액의 pH 농도 변화의 초정밀 측정을 위해 준문턱 지점(Subthreshold Region)에서 혈액의 pH 농도의 변화에 따른 전류의 변화를 측정할 수 있다. 이때 준문턱 지점(Subthreshold Region)에서 pH 센서를 이용하여, pH 농도의 작은 변화(다시 말해, 작은 일함수의 변화)로 높은 전류의 변화를 측정할 수 있는 초정밀 센서로 활용할 수 있다.
단계(430)에서, 색채 감지 광센서가 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단한다.
색채 감지 광센서는 빛 반응 물질, 광원, 보호층 및 소스/드레인 전극을 포함한다. 빛 반응 물질은 혈액의 채도를 측정하고, 광원은 혈액의 색채 정보를 빛 반응 물질에 제공한다. 보호층은 빛 반응 물질을 액체 상태의 혈액으로부터 보호하고, 소스/드레인 전극은 변화된 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 전기적 특성을 감지한다.
혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따라 혈액의 pH 농도가 변화되고, 혈액 내의 과잉 이산화탄소는 혈액에 해리되어 중탄산이온(HCO3)의 형태로 존재하게 되어 혈액 내의 이산화탄소 분압(PaCO2)을 증가시킨다. 색채 감지 광센서(120)는 혈액의 산성화를 유발하여 변화되는 혈액의 색채 변화를 감지함으로써 호흡성 요인에 인한 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단할 수 있다.
단계(440)에서, pH 센서 및 색채 감지 광센서를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력한다.
pH 센서 및 색채 감지 광센서를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력하고, 출력된 센싱 신호를 이용하여 대사성 산증, 호흡성 산증, 대사성 알칼리증, 호흡성 알칼리증을 포함하는 대사성 및 호흡성의 증후 원인을 진단할 수 있다.
요약하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 기반 신체 pH 이상 증후 및 원인 규명을 위한 휴대용 진단키트를 이용한 진단 방법은 주입된 혈액이 본 발명 실시예에 따른 pH 센서에 흐르게 되면 pH 센서의 전기분해를 통해 일함수의 변화를 감지하고 pH 농도를 측정하여 산증 및 알칼리증을 진단할 수 있다. 또한, 본 발명 실시예에 따른 색채 감지 광센서 위에 혈액이 흐르게 되면 광원에 의해 투과 및 반사된 빛에 따라 혈액의 채도를 결정하게 되고, 이에 따른 대사성 및 호흡성의 증후 원인을 진단할 수 있다. 최종적으로 센싱된 두 센싱 신호에 기초하여 대사성 산증, 호흡성 산증, 대사성 알칼리증, 호흡성 알칼리증을 구분함으로써, pH 수치 이상 환자의 진단을 위한 키트로 적용될 수 있다. 이때, 두 센서를 하나의 시스템으로 활용하는 PDMS 마이크로 플루이딕 채널을 활용함으로써 휴대용 헬스케어 장치로의 활용을 이끌어낼 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이 팔라듐 전극을 MISFET의 게이트 전극으로 이용함으로써, 작은 pH 변화를 감지할 수 있는 초고속, 초정밀 pH 센서로 활용할 수 있다. 즉, 전기분해법을 기반으로 하는 새로운 방식의 pH 센서를 개발함으로써 소량의 혈액을 통하여 신속하고 정확한 pH 분석을 가능하게 하는 신개념의 pH 센서로 활용할 수 있다. pH 이상 증후 원인은 고감도의 색채 감지 광센서 모듈을 통해 혈액의 색채 분석을 진행하는 새로운 분석법을 적용하여 혈액의 성분 분석 없이 초고속으로 진행되는 진단 센서로써 활용될 수 있다. 이때, 두 센서를 하나의 시스템으로 구성하는 PDMS 마이크로 플루이딕스 채널을 활용함으로써 휴대용 헬스케어 장치의 개발을 이끌어낼 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　
이상과 같이 실시예들이 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 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 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 (7)

  1. pH 센서 및 색채 감지 광센서에 혈액을 공급하기 위한 PDMS 마이크로 플루이딕 채널;
    전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정하는 pH 센서; 및
    혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단하는 색채 감지 광센서
    를 포함하는 랩온어칩 기반의 휴대용 진단키트.
  2. 제1항에 있어서,
    pH 센서는,
    금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Insulator-semiconductor field-effect transistor; MISFET)를 포함하고,
    금속-유전체-반도체 전계효과 트랜지스터는,
    혈액의 pH 농도 변화에 따른 일함수 변화를 발생시키는 팔라듐 게이트 전극;
    변화된 일함수에 따른 문턱 전압 변화를 발생시키는 반도체 채널; 및
    변화된 혈액의 pH 농도에 따른 전기적 특성을 감지하는 소스/드레인 전극
    을 포함하는 랩온어칩 기반의 휴대용 진단키트.
  3. 제2항에 있어서,
    pH 센서는,
    혈액의 pH 농도 변화의 초정밀 측정을 위해 준문턱 지점(Subthreshold Region)에서 혈액의 pH 농도의 변화에 따른 전류의 변화를 측정하는
    랩온어칩 기반의 휴대용 진단키트.
  4. 제1항에 있어서,
    색채 감지 광센서는,
    혈액의 채도를 측정하는 빛 반응 물질;
    혈액의 색채 정보를 빛 반응 물질에 제공하는 광원;
    빛 반응 물질을 액체 상태의 혈액으로부터 보호하는 보호층; 및
    변화된 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 전기적 특성을 감지하는 소스/드레인 전극
    을 포함하는 랩온어칩 기반의 휴대용 진단키트.
  5. 제4항에 있어서,
    색채 감지 광센서는,
    혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따라 혈액의 pH 농도가 변화되고, 혈액 내의 과잉 이산화탄소는 혈액에 해리되어 중탄산이온(HCO3)의 형태로 존재하게 되어 혈액 내의 이산화탄소 분압(PaCO2)을 증가시키고, 혈액의 산성화를 유발하여 변화되는 혈액의 색채 변화를 감지함으로써 호흡성 요인에 인한 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단하는
    랩온어칩 기반의 휴대용 진단키트.
  6. 제1항에 있어서,
    pH 센서 및 색채 감지 광센서를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력하고, 출력된 센싱 신호를 이용하여 대사성 산증, 호흡성 산증, 대사성 알칼리증, 호흡성 알칼리증을 포함하는 대사성 및 호흡성의 증후 원인을 진단하는
    랩온어칩 기반의 휴대용 진단키트.
  7. PDMS 마이크로 플루이딕 채널을 통해 pH 센서 및 색채 감지 광센서에 혈액을 공급하는 단계;
    pH 센서가 전기분해법을 통해 산화, 환원되는 혈액 내의 수소이온을 수소 가스로 치환시키고, 팔라듐 게이트 전극의 전기적 특성이 변화되는 정도를 측정함으로써 혈액의 pH 농도를 측정하는 단계;
    색채 감지 광센서가 혈액 내의 산소 및 이산화탄소의 농도에 따른 혈액의 색채 변화 감지를 통해 혈액을 투과 및 반사하는 광원의 색채를 측정함으로써 혈액의 pH 농도 이상 증후 원인을 판단하는 단계; 및
    pH 센서 및 색채 감지 광센서를 통해 측정된 혈액의 pH 농도 및 pH 농도 이상 증후 원인에 관한 센싱 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 랩온어칩 기반의 휴대용 진단키트를 이용한 진단 방법.
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