KR102575511B1 - 센서 장치 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

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Abstract

센서 장치가 제공된다. 센서 장치는 제 1 기판, 제 2 기판, 유동 채널 및 제 1 반응 그룹을 포함한다. 제 2 기판은 제 1 기판의 반대편에 배치된다. 유동 채널은 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치되고, 이 유동 채널은 유체 경계를 포함한다. 제 1 반응 그룹은 제 1 기판 상에 배치되고, 제 1 반응 부위, 제 2 반응 부위 및 제 3 반응 부위를 포함한다. 제 1 반응 부위는 제 2 반응 부위보다 유체 경계에 더 가깝고, 제 1 반응 부위의 사이즈는 제 2 반응 부위의 사이즈보다 크거나 같다. 제 2 반응 부위는 제 3 반응 부위보다 유체 경계에 더 가깝고, 제 2 반응 부위의 사이즈는 제 3 반응 부위의 사이즈보다 크다.

Description

센서 장치 및 이를 이용한 방법{SENSOR DEVICE AND METHOD OF USING THE SAME}
본 개시는 센서 장치 및 그 센서 장치를 이용한 방법에 관한 것이다. 특히 본 개시는 유체 바이오칩(fluidic biochip) 및 이를 사용한 방법에 관한 것이다.
항원-항체, 단백질-단백질, 단백질-DNA 등과 같은 정교한 생체 분자 식별 기능을 이용한 측정 반응은 임상 시험 및 생화학 분야의 측정에서 중요한 기술이 되고 있다. 또한, DNA 혼성화(hybridization) 분석 또는 DNA 시퀀싱(sequencing)이 또한 생화학 연구 분야에서 광범위하게 사용된다.
마이크로 유체 칩(microfluidic chip), 마이크로 어레이 칩(micro-array chip), 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip)과 같은 다양한 바이오칩이 생물학적 및 화학적 분석을 위해 개발되었다. 센서 장치의 융성한 개발을 통해, 사람들은 이러한 바이오칩의 신뢰성, 품질 및 비용에 대한 높은 기대를 갖게 되었다.
기존의 바이오칩은 일반적으로 의도된 목적에 적합했지만, 모든 면에서 완전히 만족스럽지는 않았다. 예를 들어, 서로 다른 반응 부위들에서의 샘플의 유체 속도 분포가 균일하지 않으며, 예를 들어 중심 근처 반응 부위들에서의 유체 속도가 경계 근처의 유체 속도보다 높다. 따라서, 서로 다른 반응 부위들에서의 샘플들의 전체적인 로딩(loading) 속도가 균일하지 않아, 테스트 결과가 부정확하게 될 수 있다. 따라서 아직 해결해야 할 상태로 남아 있는 바이오칩에 대한 몇 가지 문제점들이 존재한다.
WO2013/063230
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치가 제공된다. 센서 장치는 제 1 기판, 제 2 기판, 유동 채널(flow channel) 및 제 1 반응 그룹을 포함한다. 제 2 기판은 제 1 기판의 반대편에 배치된다. 유동 채널은 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치되며, 이 유동 채널은 유체 경계(fluidic boundary)를 포함한다. 제 1 반응 그룹은 제 1 기판 상에 배치되며, 이 제 1 반응 그룹은 제 1 반응 부위, 제 2 반응 부위 및 제 3 반응 부위를 포함한다. 제 1 반응 부위는 제 2 반응 부위보다 유체 경계에 더 가깝고, 제 1 반응 부위의 사이즈는 제 2 반응 부위의 사이즈보다 크거나 같다. 제 2 반응 부위는 제 3 반응 부위보다 유체 경계에 더 가깝고, 제 2 반응 부위의 사이즈는 제 3 반응 부위의 사이즈보다 크다.
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치를 이용한 방법이 제공된다. 이 방법은 센서 장치를 제공하는 것을 포함한다. 센서 장치는 제 1 기판, 제 2 기판, 유동 채널 및 제 1 반응 그룹을 포함한다. 제 2 기판은 제 1 기판의 반대편에 배치된다. 유동 채널은 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치되고, 이 유동 채널은 유체 경계를 포함한다. 제 1 반응 그룹은 제 1 기판 상에 배치되고, 이 제 1 반응 그룹은 제 1 반응 부위, 제 2 반응 부위 및 제 3 반응 부위를 포함한다. 제 1 반응 부위는 제 2 반응 부위보다 유체 경계에 더 가깝고, 제 1 반응 부위의 사이즈는 제 2 반응 부위의 사이즈보다 크거나 같다. 제 2 반응 부위는 제 3 반응 부위보다 유체 경계에 더 가깝고, 제 2 반응 부위의 사이즈는 제 3 반응 부위의 사이즈보다 크다. 또한, 이 방법은, 바이오 샘플을 포함하는 용액을 유동 채널에 로딩하는 단계; 제 1 전도 층에 전압을 인가하여 제 1 반응 그룹 상에 바이오 샘플을 고정화하는 단계; 제 1 전도 층에 인가되는 전압을 턴오프(turn off)하는 단계; 및 유동 채널로부터 잉여 바이오 샘플을 세척하는 단계;를 또한 포함한다.
이하의 실시예들에서 첨부된 도면들을 참조하여 상세한 설명이 제공된다.
본 개시는 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명 및 예들을 읽음으로써 보다 완전히 이해될 수 있다.
도 1a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 개략도이다.
도 1b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 평면도이다.
도 1c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 도 1b의 단면 라인 A-A'에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 유동 채널의 평면도이다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 6은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 8은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 9는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 10은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 11은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도이다.
도 12a 내지 도 12e는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치를 이용한 방법의 중간 단계들 동안의 센서 장치의 단면도들이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치를 이용한 방법의 중간 단계들 동안의 센서 장치의 단면도들이다.
도 14a 내지 도 14d는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치를 이용한 방법의 중간 단계들 동안의 센서 장치의 단면도이다.
본 개시의 센서 장치 및 이 센서 장치를 이용한 방법이 이하의 설명에서 상세히 설명된다. 다음의 상세한 설명에서는, 설명의 목적으로, 본 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항 및 실시예가 제시된다. 이하의 상세한 설명에서 설명하는 특정 구성 요소 및 구성은 본 개시를 명확하게 설명하기 위해 제시된다. 다만, 여기에서 설명되는 예시적인 실시예들은 단지 예시의 목적을 위해 사용된 것이며, 본 개시의 개념이 이러한 예시적인 실시예들에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있음은 자명하다.
또한, 상이한 실시예들의 도면들은 본 개시를 명확하게 설명하기 위해 유사 및/또는 대응하는 요소들을 나타내기 위해 유사 및/또는 대응하는 숫자를 사용할 수 있다. 그러나, 상이한 실시예들의 도면들에서 유사 및/또는 대응하는 숫자들의 사용은 상이한 실시예들 사이의 어떠한 상관 관계도 시사하지 않는다. 이러한 예시적인 실시예들의 설명은 전체 기록된 설명의 일부로 간주되는 첨부 도면들과 함께 읽어지도록 의도된 것임을 이해해야 한다. 도면들은 축척에 따라 도시된 것이 아니다. 또한, 도면을 단순화하기 위해 구조 및 장치가 개략적으로 도시되어 있다.
또한, "다른 층 위에 놓인(overlying) 층", "다른 층 위에 배치된(disposed above) 층", "다른 층 상에 배치된(disposed on) 층" 및 "다른 층 상부에 배치된(disposed over) 층"이라는 표현은 그 층이 다른 층과 직접 접촉하는 것을 나타내거나, 또는 그 층이 다른 층과 직접 접촉하지 않으며, 그 층과 다른 층 사이에 배치된 하나 이상의 중간 층이 있다는 것을 나타낼 수 있다.
또한, 본 명세서에서는 상대적 표현들이 사용된다. 예를 들어, "하부(lower)", "하단(bottom)", "상부(higher)" 또는 "상단(top)"이 다른 것에 대한 일 요소의 위치를 설명하는데 사용된다. 장치가 거꾸로 뒤집힌 경우, "하부"인 요소는 "상부"인 요소가 될 것이다.
제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 층, 부분 및/또는 섹션을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성 요소, 영역, 층, 부분 및/또는 섹션이 이러한 용어에 의해 제한되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다. 이러한 용어는 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 층, 부분 또는 섹션을 다른 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 아래에서 논의되는 제 1 요소, 구성 요소, 영역, 층, 부분 또는 섹션은 본 개시의 교시에서 벗어나지 않는 범위 내에서 제 2 요소, 구성 요소, 영역, 층, 부분 또는 섹션으로 지칭될 수도 있다.
"약" 및 "실질적으로"라는 용어는 일반적으로 언급된 값의 +/- 10%를 의미하고, 더 일반적으로는 언급된 값의 +/- 5%, 더 일반적으로는 언급된 값의 +/- 3%, 더 일반적으로는 언급된 값의 +/- 2%, 더 일반적으로는 언급된 값의 +/- 1%를 의미하며, 훨씬 더 일반적으로는 언급된 값의 +/- 0.5%를 의미한다. 본 개시의 언급된 값은 대략적인 값이다. 구체적인 설명이 없는 경우, 언급된 값은 "약" 또는 "실질적으로"의 의미를 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 각각의 경우에, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어는 본 개시의 상대적인 기술과 본 개시의 배경 또는 맥락에 부합하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 함을 이해하여야 하며, 그렇게 정의되지 않는 한 이상화되거나 지나치게 형식적인 방식으로 해석되어서는 안된다.
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치는, 유동 채널에서의 포물선형 유동 속도 프로파일로 인한 낮은 샘플 로딩 속도를 보상하기 위해, 중앙 영역보다 유체 경계 영역 근처에 더 큰 사이즈의 반응 부위를 갖는 반응 그룹을 포함할 수 있다. 따라서, 반응 부위들의 샘플 로딩 속도는 유동 채널의 서로 다른 위치들(예를 들면, 중앙 영역 또는 경계 영역)에서 균일할 수 있으며 센서 장치의 신뢰성 또는 성능이 향상될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치는 기판들 상에 배치된 전도 층들을 추가로 포함할 수 있으며, 이에 따라 DEP(dielectrophoretic) 또는 EP(electrophoretic) 힘이 생성되어 유전체 또는 대전된 샘플들을 각각 반응 부위들로 끌어 당기는 것을 도울 수 있다. 이에 따라 샘플들의 로딩 효율이 증가할 수 있다.
도 1a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치(10)의 개략도이다. 명확성을 위해 도 1에서는 센서 장치(10)의 일부 구성 요소가 생략되어 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들에 따라 센서 장치(10)에 추가적인 특징들이 추가될 수 있음을 이해해야 한다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 센서 장치(10)는 특정 용도로 제한되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10)는 생물학적 또는 생화학적 분석에 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서 장치(10)는 DNA 서열, DNA-DNA 혼성화, 단일 뉴클레오티드(nucleotide) 다형성, 단백질 상호 작용, 펩티드 상호 작용, 항원-항체 상호 작용, 단백질 마이크로어레이(microarray), 액체 생검, 정량적 중합 효소 연쇄 반응(qPCR, quantitative polymerase chain reaction), 포도당 모니터링, 콜레스테롤 모니터링 등을 측정하거나 분석하는데 사용될 수 있다.
센서 장치(10)는 제 1 기판(100), 제 2 기판(200) 및 유동 채널(300)을 포함할 수 있다. 제 2 기판(200)은 제 1 기판(100)의 반대편에 배치될 수 있다. 유동 채널(300)은 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)은 일정 거리만큼 이격될 수 있으며, 유동 채널(300)은 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이에 형성된 공간일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)의 재료는 유기 재료, 무기 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유기 재료는 에폭시 수지, 실리콘 수지(예를 들면, 폴리디메틸실록산(PDMS)), 아크릴 수지(예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA), 기타 적합한 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 무기 재료는 유리, 세라믹, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 산화물, 기타 적합한 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 제 1 기판(100)의 재료는 제 2 기판(200)과 동일하거나 상이할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100)은 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 기판일 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(100)의 재료는 실리콘, 실리콘 상의 III-V 족, 그래핀-온-실리콘(graphene-on-silicon), 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 검출 또는 분석될 샘플들을 포함하는 용액은 유동 채널(300)을 통해 흐를 수 있으며, 샘플들은 제 1 기판(100) 상의 반응 부위들(102)(도 1b에 도시된 바와 같이) 상에 위치될 수 있다. 또한, 유동 채널(300)은 유체 경계(300s)(도면에서 점선으로 도시됨)를 포함할 수 있고, 유체 경계(300s)는 유동 채널(300)의 주변 영역에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 유체 경계(300s)는 유동 채널(300)의 에지(edge) 근처에 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 유동 채널(300)을 흐르는 용액은 포물선형 유동 속도 프로파일을 나타낼 수 있다. 즉, 유체 경계(300s) 근처의 샘플 로딩 속도는 중앙 영역보다 낮을 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10)는, 유동 채널(300)에서의 포물선형 유동 속도 프로파일로 인한 낮은 샘플 로딩 속도를 보상하기 위해, 중앙 영역보다 유체 경계(300s) 근처에 더 큰 크기의 반응 부위(102)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치(10)의 제 1 기판(100)의 평면도인, 도 1b를 참조하도록 한다.
센서 장치(10)는 복수의 제 1 반응 그룹(102R)을 포함할 수 있다. 제 1 반응 그룹(102R)은 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있고, 각각의 제 1 반응 그룹(102R)은 복수의 반응 부위(102)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102)는 나노 스폿(nanospot) 또는 나노 웰(nanowell)일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 반응 그룹(102R)은 동일한 행에 위치된 반응 부위들(102)을 포함하며, 이 행은 유동 채널(300)의 연장 방향에 실질적으로 수직일 수 있다. 본 개시의 실시예들에 따르면, 물체의 "연장 방향"은 물체의 장축(long axis)을 따르거나 또는 이에 실질적으로 평행한 방향을 의미한다. 예를 들어, 물체는 최소 직사각형으로 둘러싸일 수 있으며, 최소 직사각형의 긴 변의 연장 방향은 장축의 방향이다.
명확한 설명을 위해, 3 개의 반응 부위(102)는 반응 부위(102A), 반응 부위(102B) 및 반응 부위(102C)로 표시된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 반응 부위(102A)는 반응 부위(102B)보다 유체 경계(300s)에 더 가깝고, 반응 부위(102A)의 크기는 반응 부위(102B)의 크기보다 크거나 같다. 또한, 반응 부위(102B)는 반응 부위(102C)보다 유체 경계(300s)에 더 가깝고, 반응 부위(102B)의 크기는 반응 부위(102C)의 크기보다 크다.
일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102A)의 면적 대 반응 부위(102C)의 면적의 비율은 1.1:1 내지 2:1의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102A)의 면적 대 반응 부위(102B)의 면적의 비율은 1.1:1 내지 1.5:1의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102)의 면적은 반응 부위(102)의 바닥 표면의 면적을 지칭한다.
즉, 반응 부위들(102)의 일부(예를 들어, 도면에 도시된 반응 부위들(102A 및 102B))의 크기는 일부 실시예들에 따라 유체 경계(300s)에 가까워짐에 따라 점차적으로 증가할 수 있다. 한편, 유체 경계(300s)로부터 더 멀리 떨어져 있는 반응 부위들(102)의 일부(예를 들어, 도면에 도시된 반응 부위들(102C))의 크기는 일부 실시예들에 따라 실질적으로 동일할 수 있다.
구체적으로, 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102A)의 직경(d1)은 제 2 반응 부위(102B)의 직경(d2) 이상이고, 반응 부위(102B)의 직경(d2)는 반응 부위(102C)의 직경(d3)보다 크다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102A)의 직경(d1) 대 반응 부위(102C)의 직경(d3)의 비율은 1.1:1 내지 2:1의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102A)의 직경(d1) 대 반응 부위(102B)의 직경(d2)의 비율은 1.1:1 내지 1.5:1의 범위일 수 있다.
반응 부위들(102)의 양은 도면들에 도시된 것에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 다양한 실시예들에 따르면, 반응 부위들(102A)(예를 들어, 가장 큰 반응 부위), 반응 부위들(102B)(예를 들어, 중간 크기 반응 부위) 및 반응 부위들(102C)(예를 들어, 가장 작은 부위)이 더 많거나 적을 수 있으며 필요에 따라 조정될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 상이한 개수의 사이즈들의 반응 부위들(102)이 존재할 수 있다. 예를 들어, 4 개, 5 개, 6 개 또는 7 개의 상이한 사이즈와 같이, 3 개보다 많은 사이즈들의 반응 부위(102)가 있을 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 다양한 실시예들에 따르면, 반응 부위들(102)은 직사각형 어레이 또는 육각형 어레이로 배열될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
또한, 반응 부위들(102)의 형상은 도 1b에 도시된 바와 같은 원형으로 제한되지 않는다. 일부 다른 실시예들에 따르면, 반응 부위들(102)은 다른 적합한 형상, 예를 들어 타원형, 직사각형, 육각형 또는 임의의 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위들(102)의 가능한 형상은 하나보다 많을 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른, 도 1b의 단면 라인 A-A'에 따른 센서 장치(10)의 단면도인 도 1c를 참조하도록 한다. 또한, 도 1c는 또한 유동 채널(300)에서 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액의 평균 유동 속도를 나타낸다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10)는, 제 1 기판(100) 상에 배치되어 있으며 또한 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이에 있는 제 1 스페이서 층(spacer layer, 104)을 더 포함할 수 있다(도 3에 도시됨). 일부 실시예들에 따르면, 제 1 스페이서 층(104)은 복수의 개구들을 포함할 수 있으며, 이 개구들이 반응 부위들(102)을 형성한다. 그러나, 일부 다른 실시예들에 따르면, 반응 부위들(102)은 제 1 기판(100)에 형성된 개구들일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 반응 부위들(102)(반응 부위들(102A, 102B 및 102C))의 피치들(P)이 동일할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 부위(102A)와 반응 부위(102B) 사이에 위치된 제 1 스페이서 층(104)의 폭(W1)은, 반응 부위(102B)와 반응 부위(102C) 사이에 위치된 제 1 스페이서 층(104)의 폭(W2)보다 작을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 스페이서 층(104)의 폭(W1) 및 폭(W2)은 각각 반응 부위(102A)와 반응 부위(102B) 사이의 제 1 스페이서 층(104)의 최소 폭 및 반응 부위(102B)와 반응 부위(102C) 사이의 제 1 스페이서 층(104)의 최소 폭을 나타낸다.
일부 실시예들에 따르면, 제 1 스페이서 층(104)의 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 유리, SiO2, SiON, SiN, TiO2, TiN, Al2O3, Ta2O5, Nb2O5, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 바이오 샘플(400)은 DNA, RNA, 단백질, 항원, 항체, 지질 미셀, 생체 분자 코팅된 나노 입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 반응 그룹(102R)의 반응 부위들(102)은 용액에 바이오 샘플(400)을 고정화하기 위해 자가-조립 단층(self-assembly monolayer)으로 변형될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10)는 바이오 샘플(400)에 의해 방출되는 형광 또는 화학 발광을 측정 또는 분석할 수 있다.
구체적으로, 일부 실시예들에 따르면, 선택적으로 반응 부위들(102)은 반응 부위들(102) 상의 바이오 샘플(400)을 포획 및 고정화하기 위해 작용기(functional group)로 변형될 수 있으며, 이 고정화 메커니즘은 표면 전하 인력, 자기 조립 공유 결합, 또는 생체 친화성을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 바이오 샘플(400)이 음으로 대전될 경우, 반응 부위(102)는 양으로 대전되도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 반응 부위(102)는 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES) 또는 (3-글리시딜옥시프로필) 트리에톡시실란(GPTES)과 같은 실란(silane)으로 변형될 수 있다. 일부 다른 실시예들에 따르면, 바이오 샘플(400)이 비오틴 태그(biotin tag)로 변형될 경우, 반응 부위(102)는 스트렙타비딘(streptavidin)으로 변형될 수 있다.
전술한 바와 같이, 유동 채널(300)을 흐르는 용액은 포물선형 유동 속도 프로파일을 나타낼 수 있고, 반응 부위(102A)에서의 평균 유동 속도 또는 샘플 로딩 속도는 반응 부위(102B)에서의 것보다 낮을 수 있다. 유사하게, 반응 부위(102B)에서의 평균 유동 속도 또는 샘플 로딩 속도는 반응 부위(102C)에서의 것보다 낮을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 유체 경계(300s) 근처에 있는 반응 부위(102A) 또는 반응 부위(102B)의 사이즈가 경계(300s)에서 멀리 떨어진 반응 부위(102C)의 사이즈보다 크기 때문에, 반응 부위(102A) 또는 반응 부위(102B)에서의 낮은 샘플 로딩 속도가 보상될 수 있다. 이러한 구성을 통해, 반응 부위(102)의 전체 로딩 속도(즉, 바이오 샘플들(400)의 로딩 양)는 유동 채널(300)의 서로 다른 영역들에서 실질적으로 균일하다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 유동 채널(300)의 평면도인 도 2a 내지 도 2c를 참조하도록 한다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 유동 채널(300)은 유입구(302) 및 유출구(304)를 포함할 수 있다. 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액은 유입구(302)에서 유동 채널(300)로 들어가고 유출구(304)에서 유동 채널(300)을 빠져 나갈 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 반응 그룹(102R)(예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같은 반응 부위들(102A, 102B 및 102C)을 포함함)은 동일한 단면 라인 A-A' 상에 위치될 수 있으며, 이 단면 라인 A-A'은 유입구(302) 및 유출구(304)의 연장 라인(Ex)에 수직일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 연장 라인(Ex)은 유입구(302) 및 유출구(304)의 중심점들 사이의 연결 라인을 지칭한다. 일부 실시예들에 따르면, 연장 라인(Ex)은 유동 채널(300)의 연장 방향에 실질적으로 평행할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 유동 채널(300)은 일부 실시예들에 따라 육각형 형상을 가질 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 유동 채널(300)은 일부 실시예들에 따라 리프(leaf) 형상을 가지거나 또는 만곡된 측면들을 가질 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 유동 채널(300)은 일부 실시예들에 따라 타원형 형상을 가질 수 있다. 또한, 유입구(302) 및 유출구(304)는 유동 채널(300)의 두 개의 반대편 단부들에 위치될 수 있다. 유동 채널(300)의 형상은 전술한 것에 한정되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 다양한 실시예들에 따르면, 유동 채널(300)은 필요에 따라 임의의 다른 적절한 형상을 가질 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치(10A)의 단면도인 도 3을 참조하도록 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10A)는 제 1 전도 층(110) 및 제 2 전도 층(210)을 더 포함할 수 있다. 제 1 전도 층(110)은 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있으며 또한 제 1 기판(100)과 제 1 스페이서 층(104) 사이에 있다. 제 2 전도 층(210)은 제 2 기판(200) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10A)는 제 2 기판(200) 상의 제 2 스페이서 층(204)을 더 포함할 수 있으며, 제 2 전도 층(210)은 제 2 기판(200)과 제 2 스페이서 층(204) 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10A)는 제 2 기판(200) 상에 배치된 제 2 반응 그룹(202R)을 더 포함할 수 있다. 제 2 반응 그룹(202R)은 제 2 기판(200) 상에 배치될 수 있으며, 각각의 제 2 반응 그룹(202R)은 복수의 반응 부위들(202)을 포함할 수 있다. 제 2 반응 그룹(202R)은 전술한 제 1 반응 그룹(102R)과 유사할 수 있으며, 따라서 여기서는 이에 대해 반복 설명하지 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 바이오 샘플(400)은 제 1 기판(100) 상의 반응 부위들(102) 및 제 2 기판(200) 상의 반응 부위들(202)에 위치될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)은 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200) 사이의 거리(DS)만큼 이격될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 거리(DS)는 10 μm 내지 3 mm, 또는 25 μm 내지 1 mm의 범위일 수 있으며, 예를 들어 50 μm, 100 μm, 250 μm, 또는 500 μm일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제 1 전도 층(110) 및 제 2 전도 층(210)의 재료는 금속 전도성 재료, 투명 전도성 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 금속 전도성 재료는 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 금(Au), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 구리 합금, 은 합금, 주석 합금, 알루미늄 합금, 몰리브덴 합금, 텅스텐 합금, 금 합금, 크롬 합금, 니켈 합금, 백금 합금, 티타늄 합금, 기타 적합한 전도성 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 투명 전도성 재료는 TCO(Transparent Conductive Oxide)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 투명 전도성 산화물은 인듐 주석 산화물(ITO), 주석 산화물(SnO), 아연 산화물(ZnO), 인듐 아연 산화물(IZO), 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO), 인듐 주석 아연 산화물(ITZO), 안티몬 주석 산화물(ATO), 안티몬 아연 산화물(AZO) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 반응 부위들(102) 아래에 배치된 제 1 전도 층(110) 및 반응 부위들(202) 아래에 배치된 제 2 전도 층(210)은 바이오 샘플들(400)을 반응 부위들(102) 및 반응 부위들(202)의 표면들로 끌어 당기기 위한 능동적 힘(예를 들어, 유전영동력 또는 전기영동력)을 추가로 제공할 수 있다. 따라서, 바이오 샘플들(400)의 로딩 효율이 향상될 수 있다.
본 개시의 일부 다른 실시예들에 따른 센서 장치(10B)의 단면도인 도 4를 참조하도록 한다. 상기 및 하기에서 제공되는 설명의 맥락에서 동일하거나 유사한 구성 요소들 또는 요소들은 동일하거나 유사한 참조 번호로 표시된다는 것을 이해해야 한다. 이러한 구성 요소들 또는 요소들의 재료, 제조 방법 및 기능은 위에서 설명된 것들과 동일하거나 유사하므로, 여기서는 반복하지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10B)는 단 하나의 스페이서 층만을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10B)는 제 1 전도 층(110) 상의 제 1 스페이서 층(104)을 포함하지만, 제 2 전도 층(210) 상에 제 2 스페이서 층(204)을 포함하지 않는다. 즉, 센서 장치(10B)는 기판(즉, 제 1 기판(100))의 한쪽 면 상에만 반응 부위들(102)을 포함한다.
본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 센서 장치(10C)의 단면도인 도 5를 참조하도록 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10C)는, 제 1 기판(100) 상에 배치되며 또한 제 1 기판(100)과 제 1 스페이서 층(104) 사이에 있는 유전체 층(112)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 유전체 층(112)은 제 1 반응 그룹(102R)과 부분적으로 중첩될 수 있다. 즉, 유전체 층(112)은 반응 부위들(102)의 일부와 중첩될 수 있지만 반응 부위들(102)의 다른 일부와 중첩되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 유전체 층(112)은 제 1 전도 층(110)을 분리시킬 수 있으며, 유전체 층(112)이 제 1 전도 층(110)의 분리된 부분들 사이에 개재될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 유전체 층(112)은 유동 채널(300)의 중심 영역 근처에 그리고 유체 경계(300s)로부터 멀리 위치될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 유전체 층(112)의 재료는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 티타늄 질화물, 포토레지스트, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 기타 적합한 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도인 도 6 내지 도 8을 참조하도록 한다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100)은 불투명, 투명 또는 반투명일 수 있으며, 제 2 기판(200)은 투명 또는 반투명일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제 2 기판(200)은 센서 장치의 상부 기판을 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상부 기판(예를 들어, 제 2 기판(200))의 재료는, 광(light)이 상부 기판을 투과할 수 있으며 광학 현미경(500)을 사용하여 바이오 샘플(400)을 관찰할 수 있도록 투명 또는 반투명해야 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100) 상의 반응 부위들(102)에서 바이오 샘플(400)을 관측하고 제 2 기판(200) 상의 반응 부위(202)에서 바이오 샘플(400)을 관찰하기 위해, 광학 현미경(500)이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200) 상의 바이오 샘플들(400)의 관찰은 동시에 수행될 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치는 제 1 기판(100) 상에만 반응 부위들(102)을 포함하고, 광학 현미경(500)은 제 1 기판(100) 상의 반응 부위(102)에서 바이오 샘플(400)을 관찰하는데 사용될 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치의 단면도인 도 9 내지 도 11을 참조하도록 한다. 일부 실시예들에 따르면, 제 1 기판(100) 및/또는 제 2 기판(200)은 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 기판일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 제 1 기판(100) 및/또는 제 2 기판(200)은 불투명할 수 있다. 또한, 도 9 내지 도11에 도시된 바와 같이, 센서 장치는 복수의 센서 요소들(120)을 더 포함할 수 있으며, 센서 요소들(120)은 제 1 기판(100) 및/또는 제 2 기판(200) 내에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서 요소(120)는 포토다이오드이거나, 또는 측정된 광을 전류로 변환할 수 있는 다른 적절한 광 감지 구성 요소일 수 있다. 구체적으로, 일부 실시예들에 따르면, 센서 요소(120)는 전류를 다른 MOS 트랜지스터와 같은 다른 구성 요소로 전달할 수 있는 MOS(metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터(도시되지 않음)의 소스 및 드레인을 포함할 수 있다. 다른 구성 요소는 리셋 트랜지스터, 전류 소스 팔로워 또는 전류를 디지털 신호로 변환하기 위한 행 선택기를 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.
도 9에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10A')에서, 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200)은 모두 CMOS 기판이다. 센서 요소들(120)이 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(200) 내에 배치될 수 있으며, 각각 제 1 전도 층(110) 및 제 2 전도 층(210)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10B')에서, 제 1 기판(100)은 CMOS 기판이고 제 2 기판(200)은 그렇지 않다. 일부 실시예들에 따르면, 센서 요소들(120)은 제 1 전도 층(110)과 접촉할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치(10C')에서, 제 1 기판(100)은 CMOS 기판이고 제 2 기판(200)은 그렇지 않다. 일부 실시예들에 따르면, 센서 요소들(120)은 제 1 전도 층(110) 및 유전체 층(112)과 접촉할 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치(10A)를 이용한 방법의 중간 단계들 동안의 센서 장치(10A)의 단면도들인 도 12a 내지 도 12e를 참조하도록 한다. 센서 장치(10A)를 이용한 방법의 이전, 도중 및/또는 이후에 추가 동작들이 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시예들에 따르면, 아래에서 설명되는 동작들 중 일부가 대체 또는 제거될 수 있다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 본 방법은 전술한 바와 같은 센서 장치(10A)를 제공하고, 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액을 유동 채널(300)에 로딩하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액을 유동 채널(300)에 로딩한 이후에, 유동이 중단될 수 있으며 바이오 샘플들(400) 중 일부가 반응 부위들(102) 및 반응 부위들(202) 상에 고정화될 수 있다.
다음으로, 도 12b를 참조하면, 본 방법은 제 1 반응 그룹(102R)의 반응 부위들(102) 상에 바이오 샘플(400)을 고정화하기 위해 제 1 전도 층(110)에 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전압은 직류(DC) 전압일 수 있으며 바이오 샘플들(400)은 전기영동력에 의해서 반응 부위들(102) 상에 고정화될 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 이 단계에서, 제 1 전도 층(110)은 음으로 대전된 바이오 샘플들(400)이 반응 부위들(102)에 이끌릴 수 있도록 양으로 대전될 수 있다. 또한, 본 방법은 제 1 전도 층(110)에 인가되는 전압을 턴오프시키는 것을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 12c를 참조하면, 제 1 반응 그룹(102R) 상에 바이오 샘플들(400)을 고정화하기 위해 제 1 전도 층(110)에 전압을 인가하는 단계 이후에, 본 방법은 제 2 반응 그룹(202R)의 반응 부위들(202) 상에 바이오 샘플들(400)을 고정화하기 위해 전압의 방향을 반전시키는 것을 더 포함할 수 있다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 이 단계에서는, 제 2 전도 층(210)이 양으로 대전될 수 있으며 이에 따라 음으로 대전된 바이오 샘플들(400)이 반응 부위들(202)로 이끌릴 수 있다. 반응 부위들(102) 상의 바이오 샘플들(400)이 작용기들의 상호 작용을 통해 반응 부위들(102)의 표면에 가교되었기 때문에, 반응 부위들(102) 상에 고정화된 바이오 샘플들(400)이 반응 부위들(202)로 이끌리지 않을 수 있다.
또한, 일부 실시예들에 따르면, 제 1 반응 그룹(102R) 상에 바이오 샘플들(400)을 고정화하기 위해 제 1 전도 층(110)에 전압을 인가하는 단계 이후에, 본 방법은 고정화 안정을 허용하는 시간을 기다리는 것을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이 시간은 5 초 내지 5 시간, 또는 10 초 내지 3 시간, 또는 30 초 내지 1 시간의 범위일 수 있으며, 예를 들어 1 분, 3 분, 5 분, 10 분, 또는 30 분일 수 있다.
다음으로, 도 12d를 참조하면, 본 방법은 유동 채널(300)로부터 잉여 바이오 샘플들(400)을 세척하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 버퍼 용액(410)은 잉여 바이오 샘플들(400)을 세척한 다음 유동 채널(300)을 다시 채우는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 버퍼 용액(410)은 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액과 동일한 유형의 용액일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 버퍼 용액(410)은 PBS(phosphate-buffered saline) 또는 TE(Tris-EDTA) 버퍼를 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.
그 후, 도 12e에 도시된 바와 같이, 바이오 샘플들(400)은 제 1 기판(100) 상의 각 반응 부위들(102) 및 제 2 기판(200) 상의 각 반응 부위들(202) 상에 고정될 수 있다. 바이오 샘플들(400)은 센서 장치(10A)의 반응 부위들 상에 완전히 로딩될 수 있다.
도 12a 내지 도 12e에 도시된 실시예들에 따르면, 제 1 전도 층(110)과 제 2 전도 층(210)이 대칭이기 때문에, 즉, 노출되는 제 1 전도 층(110)과 제 2 전도 층(210)의 패턴들이 동일하기 때문에, 바이오 샘플들(400)은 전기영동력에 의해 반응 부위들(102 및 202)에 이끌릴 수 있도록 음으로 대전되거나 또는 양으로 대전되어야 한다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치(10B)를 이용한 방법의 중간 단계들 동안의 센서 장치(10B)의 단면도인 도 13a 내지 도 13d를 참조하도록 한다. 센서 장치(10B)를 이용한 방법의 이전, 도중 및/또는 이후에 추가 동작들이 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시예들에 따르면, 아래에서 설명되는 동작들 중 일부가 대체 또는 제거될 수 있다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 본 방법은 전술한 바와 같은 센서 장치(10B)를 제공하고, 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액을 유동 채널(300)에 로딩하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액을 유동 채널(300)에 로딩한 이후에, 유동이 중단될 수 있으며 바이오 샘플들(400) 중 일부가 반응 부위들(102) 상에 고정화될 수 있다.
다음으로, 도 13b를 참조하면, 본 방법은 제 1 반응 그룹(102R)의 반응 부위들(102) 상에 바이오 샘플(400)을 고정화하기 위해 제 1 전도 층(110)에 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전압은 교류(AC) 전압일 수 있으며 바이오 샘플들(400)은 유전영동력에 의해서 제 1 반응 그룹(102R)의 반응 부위들(102) 상에 고정화될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 교류 전압의 주파수는 1 KHz 내지 1 GHz의 범위일 수 있으며, 예를 들어 1 MHz일 수 있다. 또한, 본 방법은 제 1 전도 층(110)에 인가되는 전압을 턴오프시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 일부 실시예들에 따르면, 제 1 반응 그룹(102R) 상에 바이오 샘플들(400)을 고정화하기 위해 제 1 전도 층(110)에 전압을 인가하는 단계 이후에, 본 방법은 고정화 안정을 허용하는 시간을 기다리는 것을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이 시간은 5 초 내지 5 시간, 또는 10 초 내지 3 시간, 또는 30 초 내지 1 시간의 범위일 수 있으며, 예를 들어 1 분, 3 분, 5 분, 10 분, 또는 30 분일 수 있다.
다음으로, 도 13c를 참조하면, 본 방법은 유동 채널(300)로부터 잉여 바이오 샘플들(400)을 세척하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 버퍼 용액(410)은 잉여 바이오 샘플들(400)을 세척한 다음 유동 채널(300)을 다시 채우는데 사용될 수 있다. 그 후, 도 13d에 도시된 바와 같이, 바이오 샘플들(400)은 제 1 기판(100) 상의 각 반응 부위들(102) 상에 고정화될 수 있다. 바이오 샘플들(400)은 센서 장치(10B)의 반응 부위들에 완전히 로딩될 수 있다.
도 13a 내지 도 13d에 도시된 실시예들에 따르면, 제 1 전도 층(110)과 제 2 전도 층(210)은 비대칭이기 때문에, 즉, 노출되는 제 1 전도 층(110)과 제 2 전도 층(210)의 패턴들이 상이하기 때문에, 바이오 샘플들(400)이 대전되지 않거나, 음으로 대전되거나 또는 양으로 대전될 수 있으며, 이들 모두는 유전영동력에 의해서 반응 부위들(102)로 이끌릴 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 장치(10C)를 이용한 방법의 중간 단계들 동안의 센서 장치(10C)의 단면도들인 도 14a 내지 도 14d를 참조하도록 한다. 센서 장치(10C)를 이용한 방법의 이전, 도중 및/또는 이후에 추가 동작들이 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시예들에 따르면, 아래에서 설명되는 동작들 중 일부가 대체 또는 제거될 수 있다.
도 14a에 도시된 바와 같이, 본 방법은 전술한 바와 같은 센서 장치(10C)를 제공하고, 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액을 유동 채널(300)에 로딩하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 바이오 샘플들(400)을 포함하는 용액을 유동 채널(300)에 로딩한 이후에, 유동이 중단될 수 있으며 바이오 샘플들(400) 중 일부는 적절한 휴지 시간(resting time)에 의해 반응 부위들(102) 상에 고정화될 수 있다. 센서 장치(10C)는, 평균 유동 속도가 상대적으로 높고 균일한 반응 부위들(102C) 아래에 유전체 층(112)을 포함하며, 따라서 추가적인 전기적 인력이 필요하지 않을 수 있다.
다음으로, 도 14b를 참조하면, 본 방법은 제 1 반응 그룹(102R)의 반응 부위들(102A 및 102B) 상에 바이오 샘플들(400)을 고정화하기 위해 제 1 전도 층(110)에 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전압은 교류(AC) 전압일 수 있으며 바이오 샘플들(400)은 유전영동력에 의해서 제 1 반응 그룹(102R)의 반응 부위들(102A 및 102B) 상에 고정화될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 교류 전압의 주파수는 1 KHz 내지 1 GHz의 범위일 수 있으며, 예를 들어 1 MHz일 수 있다. 또한, 본 방법은 제 1 전도 층(110)에 인가되는 전압을 턴오프시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 일부 실시예들에 따르면, 제 1 반응 그룹(102R) 상에 바이오 샘플들(400)을 고정화하기 위해 제 1 전도 층(110)에 전압을 인가하는 단계 이후에, 본 방법은 고정화 안정을 허용하는 시간을 기다리는 것을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이 시간은 5 초 내지 5 시간, 또는 10 초 내지 3 시간, 또는 30 초 내지 1 시간의 범위일 수 있으며, 예를 들어 1 분, 3 분, 5 분, 10 분, 또는 30 분일 수 있다.
다음으로, 도 14c를 참조하면, 본 방법은 유동 채널(300)로부터 잉여 바이오 샘플들(400)을 세척하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 버퍼 용액(410)은 잉여 바이오 샘플들(400)을 세척한 다음 유동 채널(300)을 다시 채우는데 사용될 수 있다. 그 후, 도 14d에 도시된 바와 같이, 바이오 샘플들(400)은 제 1 기판(100) 상의 각 반응 부위들(102) 상에 고정화될 수 있으며 바이오 샘플들(400)의 일부는 유전체 층(112) 상에 위치될 수 있다. 바이오 샘플들(400)은 센서 장치(10C)의 반응 부위들에 완전히 로딩될 수 있다.
도 14a 내지 도 14d에 도시된 실시예들에 따르면, 제 1 전도 층(110)과 제 2 전도 층(210)은 비대칭이기 때문에, 즉, 노출되는 제 1 전도 층(110)과 제 2 전도 층(210)의 패턴들이 상이하기 때문에, 바이오 샘플들(400)이 대전되지 않거나, 음으로 대전되거나 또는 양으로 대전될 수 있으며, 이들 모두는 유전영동력에 의해서 반응 부위들(102)로 이끌릴 수 있다.
이상을 요약하면, 일부 실시예들에 따라, 센서 장치는, 유동 채널에서의 포물선형 유동 속도 프로파일로 인한 낮은 샘플 로딩 속도를 보상하기 위해, 중앙 영역보다 유체 경계 영역 근처에 더 큰 사이즈의 반응 부위를 갖는 반응 그룹을 포함할 수 있다. 따라서, 반응 부위들의 샘플 로딩 속도는 유동 채널의 서로 다른 위치들(예를 들면, 중앙 영역 또는 경계 영역)에서 균일할 수 있으며 센서 장치의 신뢰성 또는 성능이 향상될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에 따르면, 센서 장치는 기판들 상에 배치된 전도 층들을 추가로 포함할 수 있으며, 이에 따라 유전영동력이 생성되어 대전된 샘플들을 반응 부위들로 끌어 당기는 것을 도울 수 있다. 이에 따라 샘플들의 로딩 효율이 증가할 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들 및 그 이점들이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 개시 내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경, 대체 및 개조가 본 명세서에서 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 다수의 특징, 기능, 프로세스 및 재료가 본 개시의 범위 내에서 유지되면서 변경될 수 있다는 것이 당업자에 의해 용이하게 이해될 것이다. 또한, 본 출원의 범위는 명세서에 기술된 공정, 기계, 제조, 물질의 구성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에 설명된 대응하는 실시예들이 본 개시에 따라 이용될 수 있으므로, 당업자는 본 개시로부터 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는, 현재 존재하거나 이후에 개발될 공정, 기계, 제조, 물질의 구성, 수단, 방법 또는 단계를 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 구성, 수단, 방법 또는 단계와 같은 범위를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (11)

  1. 바이오센서 장치로서,
    제 1 기판;
    상기 제 1 기판의 반대편에 배치된 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치되는 유동 채널; 및
    상기 제 1 기판 상에 배치되고, 제 1 반응 부위, 제 2 반응 부위 및 제 3 반응 부위를 포함하는 제 1 반응 그룹;을 포함하며,
    상기 유동 채널의 가장 자리 측의 경계를 기준으로, 상기 제 1 반응 부위는 상기 제 2 반응 부위보다 상기 경계에 더 가깝고, 상기 제 1 반응 부위의 사이즈는 상기 제 2 반응 부위의 사이즈보다 크거나 같으며,
    상기 제 2 반응 부위는 상기 제 3 반응 부위보다 상기 경계에 더 가깝고, 상기 제 2 반응 부위의 사이즈는 상기 제 3 반응 부위의 사이즈보다 큰, 바이오센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반응 부위의 직경은 상기 제 2 반응 부위의 직경보다 크고, 상기 제 2 반응 부위의 직경은 상기 제 3 반응 부위의 직경보다 크며, 여기서 상기 제 1 반응 부위의 직경 대 상기 제 3 반응 부위의 직경의 비율은 1.1:1 내지 2:1의 범위에 있고, 상기 제 1 반응 부위의 직경 대 상기 제 2 반응 부위의 직경의 비율은 1.1:1 내지 1.5:1의 범위에 있는, 바이오센서 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 채널은 유입구 및 유출구를 포함하고, 상기 제 1 반응 부위 및 상기 제 2 반응 부위는 단면 라인(cross-sectional line) 상에 있으며, 상기 단면 라인은 상기 유입구 및 상기 유출구의 연장 라인에 수직인, 바이오센서 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치된 스페이서 층;
    상기 제 1 기판과 상기 스페이서 층 사이에 배치된 제 1 전도 층;
    상기 제 2 기판 상에 배치된 제 2 전도 층; 및
    상기 제 1 기판 상에 배치되고 상기 제 1 기판과 상기 스페이서 층 사이에 있는 유전체 층;을 더 포함하며,
    상기 유전체 층은 상기 제 1 반응 그룹과 부분적으로 중첩되는, 바이오센서 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은 불투명하거나, 투명하거나 또는 반투명하고, 상기 제 2 기판은 투명하거나 또는 반투명하며, 상기 제 1 기판은 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 기판인, 바이오센서 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반응 그룹은 용액에 바이오 샘플을 고정화하기 위해 자기 조립 단층(self-assembly monolayer)으로 변형되고, 상기 바이오센서 장치는 상기 제 2 기판 상에 배치된 제 2 반응 그룹을 더 포함하는, 바이오센서 장치.
  7. 바이오센서 장치를 이용한 방법으로서,
    바이오센서 장치를 제공하는 단계로서, 상기 바이오센서 장치는,
    제 1 기판;
    상기 제 1 기판의 반대편에 배치된 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치되는 유동 채널;
    상기 제 1 기판 상에 배치된 제 1 전도 층;
    상기 제 2 기판 상에 배치된 제 2 전도 층; 및
    상기 제 1 기판 상에 배치된 제 1 반응 그룹으로서, 상기 제 1 반응 그룹은 제 1 반응 부위, 제 2 반응 부위 및 제 3 반응 부위를 포함하고, 상기 유동 채널의 가장 자리 측의 경계를 기준으로, 상기 제 1 반응 부위는 상기 제 2 반응 부위보다 상기 경계에 더 가깝고, 상기 제 1 반응 부위의 사이즈는 상기 제 2 반응 부위의 사이즈보다 크거나 같으며, 또한 상기 제 2 반응 부위는 상기 제 3 반응 부위보다 상기 경계에 더 가깝고, 상기 제 2 반응 부위의 사이즈는 상기 제 3 반응 부위의 사이즈보다 큰, 상기 제 1 반응 그룹;을 포함하는, 상기 바이오센서 장치를 제공하는 단계;
    바이오 샘플을 포함하는 용액을 상기 유동 채널에 로딩(loading)하는 단계;
    상기 제 1 반응 그룹 상에 상기 바이오 샘플을 고정화하기 위해 상기 제 1 전도 층에 전압을 인가하는 단계;
    상기 제 1 전도 층에 인가되는 전압을 턴오프하는 단계; 및
    상기 유동 채널에서 잉여 바이오 샘플을 세척하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전압은 직류(DC) 전압이고, 상기 바이오 샘플은 전기영동력에 의해 상기 제 1 반응 그룹 상에 고정화되는, 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전압은 교류(AC) 전압이고, 상기 바이오 샘플은 유전영동력에 의해 상기 제 1 반응 그룹 상에 고정화되며, 상기 교류 전압의 주파수는 1 KHz 내지 1 GHz의 범위에 있는, 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전도 층에 전압을 인가하여 상기 제 1 반응 그룹 상에 상기 바이오 샘플을 고정화하는 단계 이후에, 상기 전압의 방향을 반전시켜 제 2 반응 그룹 상에 상기 바이오 샘플을 고정화하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전도 층에 전압을 인가하여 상기 제 1 반응 그룹 상에 상기 바이오 샘플을 고정화하는 단계 이후에, 일정 시간을 기다리는 단계를 더 포함하며, 상기 시간은 5 초 내지 5 시간의 범위에 있는, 방법.
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