KR20030040397A - Method and device for electronic control of the spatial location of charged molecules - Google Patents

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학교법인 포항공과대학교
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Abstract

PURPOSE: A method and a device for electronically controlling the spatial location of charged molecules are provided which are useful in molecular biological reactions, such as nucleic acid hybridizations, nucleic acid amplification, sample preparation, antibody/antigen reactions, clinical diagnostics, and biopolymer synthesis. CONSTITUTION: A method of controlling the spatial location of charged molecules in a reaction unit having a central electrode surrounded by a plurality of outer electrodes on a substrate, wherein the unit being filled with medium for providing frictional resistance to the motion of the molecules, comprises the steps of: (1) placing a charged molecule in the reaction unit; (2) applying predetermined magnitudes of the first voltages to the central electrode and a set of at least one outer electrode selected from a plurality of outer electrodes to generate an electric field; and (3) applying predetermined magnitudes of the second voltages to the central electrode and a set of at least one outer electrode selected from a plurality of outer electrodes to rotate the electric field for controlling the spatial location of the charged molecules, wherein the net charge, generated by the voltage applied to the selected electrodes, across the unit is maintained at zero.

Description

대전 분자의 공간 위치 제어를 위한 전기적 장치 및, 방법{Method and device for electronic control of the spatial location of charged molecules}Electrical apparatus and method for controlling spatial position of charged molecules {Method and device for electronic control of the spatial location of charged molecules}

전기 영동은 전기장내에서 대전된 분자의 운동이며, 대전된 입자, 이온 또는 분자들을 분리하여 식별하는 분석 기술로서 사용되어 왔다.Electrophoresis is the movement of charged molecules in an electric field and has been used as an analytical technique to separate and identify charged particles, ions or molecules.

가장 빈번하게 연구되는 분자들은 단백질과 DNA 파편과 같은 생물학적 분자들이며, 이들은 통상적으로 고분자 전해질들이다. 분리는 생명 과학에서 전기 영동이 가장 자주 사용되는 것이다. 분자들은 그것의 상이한 전하 및, 마찰 저항 특성에 의해서 분리된다. 전기장(E)내에서 대전된 분자의 전기 영동의 운동성(U)은 외부에서 가해진 전기장에 대한 질량 중심의 속도(Vg)의 비율로서 정의된다 (Vg=UE).분자는 더 대전되고 유선형일수록 그들의 운동이 빨라진다.The most frequently studied molecules are biological molecules such as proteins and DNA fragments, which are typically polymer electrolytes. Separation is the most frequently used electrophoresis in the life sciences. The molecules are separated by their different charge and frictional resistance properties. The motility (U) of the electrophoresis of the charged molecules in the electric field (E) is defined as the ratio of the velocity of the center of mass (Vg) to the externally applied electric field (Vg = UE). Exercise is faster.

몇가지 분자의 종들을 포함하는 혼합물이 전기 영동 분리 매질로 도입되어서 전기장이 가해질때, 상이한 대전 성분들이 다양한 속도로 시스템에서 이주하여서 혼합물의 분석에 이르게 된다. 성분들의 특성(nobilities)에 따라서 밴드들이 나타난다. 정확한 위치 (따라서 도입 지점에 반대인 매질의 단부에서 성분들이 나타나는 시간)는 pH, 이온의 강도, 이온 유형의 영향을 통해서, 고분자 전해질과 둘러싸는 매질과의 상호 작용, 그리고 매질이 이온, 중합체 용액 또는 가교 결합된 젤과 같은 젤의 버퍼 용액인지의 여부에 달려있다. 가교 결합된 젤과 중합체 용액은 사이즈 또는 체(sieve)의 작용으로써 분리에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 전기 영동은 (1) 자유 용액 및, (2) 젤 전기 영동을 포함하는 두가지의 기본적인 유형으로 분류될 수 있다. 가장 자주 사용되는 젤 매질은 (PAGE 로 알려진) 폴리아크릴아미드(polyacrilamide) 및, 아가로스(agarose) 젤에 기초한다.When a mixture comprising several molecular species is introduced into an electrophoretic separation medium, when an electric field is applied, different charged components migrate out of the system at various rates, leading to analysis of the mixture. Bands appear depending on the properties of the components. The exact location (and therefore the time the components appear at the end of the medium opposite the point of introduction) is influenced by the pH, the strength of the ions, the type of the ions, the interaction of the polymer electrolyte with the surrounding medium, and the medium is the Or a buffer solution of a gel, such as a crosslinked gel. Crosslinked gels and polymer solutions can affect separation by the action of size or sieve. Thus, electrophoresis can be classified into two basic types, including (1) free solution and (2) gel electrophoresis. The most frequently used gel media is based on polyacrilamide (known as PAGE) and agarose gels.

자유 용액과 젤 전기 영동 분리 조합의 실험은 혼합물내 성분들의 수 및, 상대적인 양과 같은 과잉된 정보를 제공한다. 성분들이 명확하게 식별될때, 예를 들면 항원-항체 결합과 같츤 방법에 의해 식별될때, 주어진 성분에 대한 분명한 동정이 이루어진다. 결과적으로, 전기 영동은 생명 공학에서 거시 분자 분석의 초석이 되었다.Experimentation of free solution and gel electrophoretic separation combinations provides excess information such as the number and relative amounts of components in the mixture. When components are clearly identified, for example by methods such as antigen-antibody binding, clear identification is made for a given component. As a result, electrophoresis has become the cornerstone of macromolecular analysis in biotechnology.

미국 특허 제 5,126,022 호 (소안 발명, 소안 테크놀로지 아이엔씨에 양도됨)는 대전된 분자를 움직이는 전형적인 방법 및, 장치를 개시한다. 이러한 방법은 분자들을 매질내에서 정확한 방식으로 움직이기 위하여 버퍼 용액과 같은 매질에가해지고 있는 복수의 상이한 전기장을 필요로 한다. 이러한 기술은 복잡한 반응 및/또는 분리 계획을 수행하기 위하여 대전된 입자들을 함께 움직이고 그리고 서로로부터 분리하도록 사용될 수 있다.U.S. Patent No. 5,126,022 (Solan invention, assigned to Soan Technology I & C) discloses a typical method and apparatus for moving charged molecules. This method requires a plurality of different electric fields being applied to the medium, such as a buffer solution, in order to move the molecules in the medium in an accurate manner. This technique can be used to move charged particles together and to separate them from each other to perform complex reactions and / or separation schemes.

WO 99/62622 (아놀드, 윌리암, 마이클 발명, 인더스트리얼 리서취 리미티드에 양도됨)는 전압을 전극의 배열에 인가함으로써 매질내에서 입자들을 집중시키고 위치시키는 방법을 개시하다. 이러한 방법에 있어서, 전극의 배열은 이격되어서 서로 깍지 끼워진 손가락과 같은 전극 요소들이 두개의 빗살과 같은 열을 지어서 구비되어 입자들을 매질내에서 부양한다. 아놀드등은 이러한 방법이 입자들을 특정한 영역으로 집중시킴으로써 생물학적인 반응을 수행하는 방법을 제공한다는 것을 나타내지 않았다. 이러한 방법은 특정 입자들을 나머지 버퍼 성분으로부터 분리하거나 식별할 목적으로 입자들을 특정한 영역에 위치시키는 수단을 제공한다.WO 99/62622 (Arnold, William, Michael Invent, Transfered to Industrial Research Limited) discloses a method of concentrating and positioning particles in a medium by applying a voltage to an array of electrodes. In this method, the array of electrodes is spaced apart so that electrode elements, such as fingers interdigitated, are provided in rows, such as two comb teeth, to support the particles in the medium. Arnold et al. Did not indicate that this method provides a way to conduct biological reactions by concentrating particles into specific regions. This method provides a means for locating particles in a particular region for the purpose of separating or identifying the particular particles from the remaining buffer components.

미국 특허 제 6,017,696 호 (마이클 제이 헬러 발명, 나노겐 아이엔씨에 양도됨)는 분자 생물학적 분석 및, 진단학에 대한 전자적인 엄중 제어(electronic stringency control) 방법을 개시한다. 이러한 방법에 있어서, 분자들은 생물학적 분석의 속도가 상당히 향상될 수 있도록 전기 영동의 힘에 의해서 마이크로 위치로 이송된다. 이러한 방법은 또한 DNA 혼성화를 포함하는 다양한 생물학적 분석이 신속하게 수행될 수 있도록 엄밀도(stringency) 제어에 대한 전기장의 장점을 취한다.U. S. Patent No. 6,017, 696 (Michael J. Heller invention, assigned to Nanogen I & C) discloses molecular biological analysis and electronic stringency control methods for diagnostics. In this method, molecules are transported to the micro position by the force of electrophoresis so that the speed of biological analysis can be significantly improved. This method also takes advantage of the electric field for stringency control so that various biological assays, including DNA hybridization, can be performed quickly.

그러나, 이러한 방법에 있어서, 음전하로 그리고 양전하로 대전된 분자들은 동시에 조종될 수 없다. 이것은 대전된 입자를 조작하기 위하여 음으로부터 양으로교대시키는 전극의 극성을 필요로 한다. 예를 들면, 폴리메라제 체인 반응(PCR)은, K2+, Mg2+와 같은 양전하로 대전된 이온 및, 약간 양전하로 대전된 Taq 폴리메라아제와 음전하로 대전된 DNA 분자 사이의 상호 작용을 필요로 한다. PCR 에 대하여, 나노겐(Nanogen)의 방법은 반응을 위해서 필요한 모든 반응물을 동시에 조작할 수 없다. 이는 DNA 분자들이 반응 유니트 안으로 이송되어서 전극들에 고정되어야 하며, 다음에 전극의 극성은 고정되지 않은 DNA 분자들을 씻어내도록 바뀌어야만 하기 때문이다. 전극의 극성은 다시 Taq 폴리메라아제를 반응 유니트로 이송시키도록 바뀌어야만 한다. 이러한 과정은 시간 소모적인 것이며 DNA 의 연장을 위해서 이를 반복하는 것은 효과적인 것이 아니다.However, in this way, negatively and positively charged molecules cannot be manipulated simultaneously. This requires the polarity of the electrodes to alternate from negative to positive in order to manipulate the charged particles. For example, the polymerase chain reaction (PCR) is an interaction between positively charged ions such as K 2+ , Mg 2+, and a slightly positively charged Taq polymerase and a negatively charged DNA molecule. need. For PCR, the Nanoogen method cannot simultaneously manipulate all the reactants needed for the reaction. This is because the DNA molecules must be transported into the reaction unit to be fixed to the electrodes, and then the polarity of the electrodes must be changed to wash away the DNA molecules that are not immobilized. The polarity of the electrode must again be changed to transfer Taq polymerase to the reaction unit. This process is time consuming and it is not effective to repeat it for DNA extension.

이러한 특징들은 위에서 설명한 복잡한 과정 때문에 생물학적인 분석을 위한 장치의 디자인을 제한한다. 엄중 제어가 음전하로 대전된 분자와 양전하로 대전된 분자 사이에서 조작되어야 하는 신규의 생물학적 분석 또는 신규의 진단학적 기술과 관련하여 그 기능성도 더욱 제한된다.These features limit the design of devices for biological analysis because of the complex process described above. The functionality is further limited in relation to new biological assays or new diagnostic techniques in which stringent control must be manipulated between negatively charged molecules and positively charged molecules.

전기장을 트랩 체적(trap volume)에 적용함으로써 이온들을 분리하고 저장하는 방법이 공지되어 있다. 미국 특허 제 6,124,592 호 (스팽글러, 글렌 이 발명, 니카이도등에 양도됨)는 이온의 운동 특성을 이용함으로써 이온을 분리하고 저장하는 방법을 개시한다. 이러한 방법에 있어서, 이온들은 전기장을 트랩 체적에 적용함으로써 그들의 운동 특성에 따라서 분리된다. 다음에 이온들은 운동성의 차이와 전기장의 변화에 기인하여 트랩 체적내의 평형 위치로 이동한다. 이온들은 양전하로 또는 음전하로 대전될 수 있으며, 이온들의 운동은 가해진 전기장의 크기와 방향에 의존한다.It is known to separate and store ions by applying an electric field to a trap volume. U. S. Patent No. 6,124, 592, assigned to Sequiner, Glenn, and Nikaido et al., Discloses a method for separating and storing ions by utilizing the kinetic properties of the ions. In this way, ions are separated according to their kinetic properties by applying an electric field to the trap volume. The ions then move to equilibrium positions in the trap volume due to differences in motility and changes in electric field. Ions can be charged either positively or negatively, and the movement of the ions depends on the magnitude and direction of the applied electric field.

이러한 방법에 있어서, 이온들은 혼성화와 같은 원하는 반응을 가속시키도록 국지화될 수 없다. 전기장을 인가함으로써 트랩 체적 내에 이온화된 샘플은 특정의 시험 장소로 향하게 할 수 없다. 따라서 이러한 방법은 이온 운동성 스펙트로메트리(ion mobility spectrometry; IMS)에서만 사용될 수 있다.In this way, the ions cannot be localized to accelerate the desired reaction, such as hybridization. By applying an electric field, the ionized sample in the trap volume cannot be directed to a particular test site. Thus this method can only be used with ion mobility spectrometry (IMS).

WO 97/34689 (페팅등이 발명, 유니버시티 컬리지 오브 노스 웨일즈에 양도됨)는 액체의 매질내에 현탁된 입자들 사이에서 화학적이거나, 물리적이거나 또는 물리화학적 반응을 수행하는 장치를 개시한다. 이러한 방법에 있어서, 입자들은 이중전기 영동(dielectrophoresis) 또는 이동 웨이브 이중 전기 영동(traveling wave dielectrophoresis)을 사용하여 움직인다.WO 97/34689 (Petting et al., Assigned to University College of North Wales) discloses an apparatus for carrying out chemical, physical or physicochemical reactions between particles suspended in a medium of liquid. In this method, the particles move using dielectrophoresis or traveling wave dielectrophoresis.

랩-온-어-칩(lab-on-a-chip)과 같은 바이오칩에서 전기영동을 사용하는 것과 관련된 몇가지 발명이 존재한다. 전기 영동을 사용하는 바이오칩을 발명하는 이유들중의 하나는 많은 생물학적 반응이 두개의 반대인 대전 분자들의 조작을 필요로 한다는 사실 때문이다. 종래의 발명들은 생물학적인 반응을 위해서 두개의 반대인 대전 분자들을 조작하는데 있어서 곤란성을 가진다.There are several inventions related to the use of electrophoresis in biochips such as lab-on-a-chip. One of the reasons for inventing biochips using electrophoresis is the fact that many biological reactions require manipulation of two opposite charge molecules. Conventional inventions have difficulty in manipulating two opposite charged molecules for biological reactions.

이러한 곤란성은 반응 유니트내에서 인가된 전압의 패턴과 전극 배치의 기하를 통해서 해결되었다. 발명자가 발명한 반응 유니트에는 단일의 중앙 전극이 복수개의 외측 전극들에 의해 둘러싸여서 두개의 반대로 대전된 분자들을 동시에 조작하게 된다.This difficulty was solved through the geometry of the electrode arrangement and the pattern of applied voltage in the reaction unit. In the reaction unit invented by the inventor, a single central electrode is surrounded by a plurality of outer electrodes to simultaneously manipulate two oppositely charged molecules.

본 발명은 대전 입자의 공간 위치를 현미경적인 포맷에서 능동적으로 제어할 수 있는 어드레서블 마이크로전자 시스템(addressable micro-electronic system)의 디자인 및, 사용에 관한 것이다. 상기 제어는 전기 영동의 힘에 기초하고 있으며 특정한 분자의 종(species)을 선택적으로 분리하고 이동시킬 수 있게 한다. 이러한 방법의 하나의 실시예는 생화학 반응의 제어에 있어서이다. 특히, 이러한 반응은 핵산 혼성화, 핵산 증폭, 샘플 준비, 항체/항원 반응, 임상 진단 및, 생물 고분자 물질의 합성과 같은 분자 생물학 반응을 포함한다.The present invention relates to the design and use of an addressable micro-electronic system capable of actively controlling the spatial position of charged particles in a microscopic format. The control is based on the force of electrophoresis and allows the selective separation and transfer of species of specific molecules. One embodiment of this method is in the control of biochemical reactions. In particular, such reactions include molecular biological reactions such as nucleic acid hybridization, nucleic acid amplification, sample preparation, antibody / antigen reactions, clinical diagnostics, and synthesis of biological polymers.

도 1 은 반응 유니트내의 전극 배치 기하이다.1 is the geometry of the electrode arrangement in the reaction unit.

도 2 는 전기 인가의 패턴과 전기장의 회전이다.2 is a pattern of application of electricity and rotation of the electric field.

도 3 은 전기장의 시계 방향 방식의 운동이다.3 is a clockwise movement of the electric field.

도 4 는 움직이는 전기장내에서의 분자의 궤적이다.4 is the trajectory of molecules in a moving electric field.

도 5 는 외측 전극 링을 가진 반응 유니트이다.5 is a reaction unit with an outer electrode ring.

도 6a 는 외측 링이 없는 전기장의 개략적인 다이아그램이다.6A is a schematic diagram of an electric field without an outer ring.

도 6b 는 외측 링을 가진 전기장의 개략적인 다이아그램이다.6b is a schematic diagram of an electric field with an outer ring.

도 7 은 마이크로리소그래피를 사용하여 제조된 반응 유니트의 단면이다.7 is a cross section of a reaction unit made using microlithography.

도 8 은 50 개의 반응 유니트를 구비하는 매트릭스 유형의 장치이다.8 is a matrix type apparatus with 50 reaction units.

도 9 는 반응 유니트 구조에 대한 개략적인 다이아그램이다.9 is a schematic diagram of the reaction unit structure.

도 10a 는 바인딩 층(I)을 형성하는 공정이다.10A is a step of forming the binding layer (I).

도 10b 는 바인딩 층(II)을 형성하는 공정이다.10B is a step of forming the binding layer (II).

도 11 은 마이크로 가공된 장치에 대한 개략적인 다이아그램이다.11 is a schematic diagram of a micromachined device.

본 발명의 장치 및, 관련된 방법들은 완전한 전자 제어하에서 분자 생물할 및, 진단학 반응이 수행될 수 있게 한다. 이러한 방법 및, 장치는 다중의 전극들이 배치된 반응 유니트에 전기장을 인가함으로써 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 것에 대하여 설명한다. 대전 분자의 공간 위치의 제어는 분석 속도가 향상될 수 있도록 생물학적인 분석에 필요한 분자를 제한된 영역에 위치시킬 수 있다.The apparatus of the present invention and related methods enable molecular bioreaction and diagnostic reactions to be carried out under complete electronic control. This method and apparatus describe controlling the spatial position of charged molecules by applying an electric field to a reaction unit in which multiple electrodes are arranged. Control of the spatial position of the charged molecule may place the molecules necessary for biological analysis in a limited region so that the analysis speed can be improved.

본 발명의 제 1 특징에 따르면, 기판 상에서 복수개의 외측 전극에 의해 둘러싸인 중앙의 전극을 가지는 반응 유니트에서 대전된 분자의 공간 위치를 제어하는 방법이 제공되는데, 상기 반응 유니트는 분자의 운동에 마찰 저항을 제공하는 매질로 충전되고, 상기 방법은,According to a first aspect of the invention, there is provided a method of controlling the spatial position of charged molecules in a reaction unit having a central electrode surrounded by a plurality of outer electrodes on a substrate, the reaction unit having a frictional resistance to the motion of the molecules. Filled with a medium that provides the method,

(1) 대전된 분자를 상기 반응 유니트내에 배치하는 단계;(1) placing charged molecules into said reaction unit;

(2) 전기장을 발생시키도록 중앙의 전극 및, 복수개의 외측 전극으로부터 선택된 적어도 하나의 외측 전극의 세트에 소정 크기의 제 1 전압을 인가하는 단계;(2) applying a first voltage of a predetermined magnitude to a set of central electrodes and at least one outer electrode selected from the plurality of outer electrodes to generate an electric field;

(3) 대전된 분자의 공간 위치를 제어하는 전기장을 회전시키도록 중앙의 전극 및, 복수개의 외측 전극들로부터 선택된 적어도 하나의 외측 전극의 세트에 소정 크기의 제 2 전압을 인가하는 단계;를 구비하고,(3) applying a second voltage of a predetermined magnitude to a set of central electrodes and at least one outer electrode selected from the plurality of outer electrodes to rotate the electric field controlling the spatial position of the charged molecule; and,

여기에서 선택된 전극들에 인가된 전압에 의해서 발생된, 상기 유니트를 가로지르는 순전하(net charge)는 제로에서 유지된다.The net charge across the unit, generated by the voltage applied to the electrodes selected here, remains at zero.

본 발명의 제 2 특징에 따르면, 기판상에 복수개의 전극을 가지는 반응 유니트에서 대전된 분자의 공간 위치를 제어하는 방법이 제공되는데, 상기 반응 유니트는 분자의 운동에 마찰 저항을 제공하는 매질로 충전되고, 상기 방법은,According to a second aspect of the invention, there is provided a method of controlling the spatial position of charged molecules in a reaction unit having a plurality of electrodes on a substrate, the reaction unit being filled with a medium providing frictional resistance to the movement of the molecules. The method is

(1) 대전된 분자를 상기 반응 유니트안에 배치하는 단계;(1) placing charged molecules in the reaction unit;

(2) 전기장을 발생시키도록 복수개의 전극들로부터 선택된 적어도 2 개의 전극들의 세트에 소정 크기의 제 1 전압을 인가하는 단계; 및,(2) applying a first voltage of a predetermined magnitude to a set of at least two electrodes selected from the plurality of electrodes to generate an electric field; And,

(3) 대전된 분자의 공간 위치를 제어하는 전기장을 회전시키도록 복수개의 전극들로부터 선택된 적어도 2 개의 다른 전극들의 세트에 소정 크기의 제 2 전압을 인가하는 단계;를 구비하고,(3) applying a second voltage of a predetermined magnitude to a set of at least two different electrodes selected from the plurality of electrodes to rotate the electric field controlling the spatial position of the charged molecule,

여기에서 선택된 전극들에 인가된 전압에 의해 발생된, 상기 반응 유니트를 가로지르는 순전하는 제로에서 유지된다.The net charge across the reaction unit, generated by the voltage applied to the electrodes selected here, remains at zero.

본 발명의 제 3 특징에 따르면, 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 장치가 제공되는데, 이것은According to a third aspect of the invention, there is provided an apparatus for controlling the spatial position of a charged molecule, which is

기판;Board;

기판상에 장착된 중앙의 전극;A central electrode mounted on the substrate;

외측 전극이 중앙의 전극을 둘러싸는, 기판상의 복수개의 외측 전극들; 및,A plurality of outer electrodes on the substrate, the outer electrodes surrounding the center electrode; And,

대전 분자에 마찰 저항을 제공하는 매질;을 가지는 적어도 하나의 반응 유니트를 구비하고,At least one reaction unit having a medium providing frictional resistance to the charged molecules,

매질은 기판상의 중앙의 전극 및, 외측 전극을 덮고,The medium covers the center electrode and the outer electrode on the substrate,

그에 의해서 분자의 위치는 전극에 인가되는 전압의 크기를 변화시킴으로써 발생된 전기장을 회전시킴으로써 제어되고, 선택된 전극에 가해지는 전압에 의해서 발생된, 반응 유니트를 가로지르는 순전하는 제로에서 유지된다.The position of the molecules is thereby controlled by rotating the electric field generated by varying the magnitude of the voltage applied to the electrode, and the net charge across the reaction unit, generated by the voltage applied to the selected electrode, remains at zero.

본 발명의 제 4 특징에 따르면, 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 장치가 제공되는데, 이것은,According to a fourth aspect of the invention, there is provided an apparatus for controlling the spatial position of a charged molecule, which is

기판;Board;

기판상의 복수개의 전극; 및,A plurality of electrodes on the substrate; And,

대전 분자에 마찰 저항을 제공하는 매질;을 가지는 적어도 하나의 반응 유니트를 구비하고,At least one reaction unit having a medium providing frictional resistance to the charged molecules,

매질은 기판상의 전극을 덮고;The medium covers the electrodes on the substrate;

그에 의해서 분자의 위치는 전극에 인가되는 전압의 크기를 변화시킴으로써 발생되는 전기장을 회전시킴으로써 제어되고, 선택된 전극에 가해지는 전압에 의해 발생된, 반응 유니트를 가로지르는 순전하는 제로에서 유지된다.The position of the molecules is thereby controlled by rotating the electric field generated by varying the magnitude of the voltage applied to the electrode, and the net charge across the reaction unit, generated by the voltage applied to the selected electrode, remains at zero.

본 발명의 제 5 특징에 따르면, 분자들 사이의 반응을 위한 장치가 제공되는데, 이것은,According to a fifth aspect of the invention, there is provided an apparatus for reaction between molecules, which is

기판;Board;

기판상의 중앙 전극; 및,A center electrode on the substrate; And,

기판상의 중앙 전극을 둘러싸는 복수개의 외측 전극;을 가지며,A plurality of outer electrodes surrounding the central electrodes on the substrate;

여기에서 상기 중앙의 전극은 1 내지 100 마이크론 사이의 거리로 상기 외측 전극으로부터 분리되고, 반응을 위한 결합 개체들(binding entities)을 가진 침투층들은 상기 중앙의 전극상에 배치되는 반응 유니트; 및,Wherein the center electrode is separated from the outer electrode at a distance between 1 and 100 microns, and the reaction unit having the binding entities for reaction is disposed on the center electrode; And,

상기 전극에 인가된 전압에 의해서 발생된 전기장이 상기 반응 유니트 위로 퍼지는 것을 감소시키도록 상기 반응 유니트를 둘러싸는 접지된 외측 링 전극;을구비한다.And a grounded outer ring electrode surrounding the reaction unit to reduce the spread of the electric field generated by the voltage applied to the electrode over the reaction unit.

본 발명의 개념 및, 실시예들은 2 부분으로 설명된다. 제 1 부분은 분자의 공간 위치를 제어하는 방법이며, 제 2 부분은 이러한 방법을 위한 칩의 디자인 및, 제조에 관한 것이다.The concept and embodiments of the invention are described in two parts. The first part is a method of controlling the spatial position of molecules, and the second part is about the design and manufacture of a chip for this method.

본 발명에서 사용되는 용어의 정의Definition of terms used in the present invention

"음전하 바이어스 우세(negative dominant bias)"라는 용어는 중앙 전극의 극성이 음으로 설정된 것을 나타낸다. 본 발명에서 모든 전극의 순전하는 제로에서 또는 그에 근접하게 유지된다.The term " negative dominant bias " indicates that the polarity of the center electrode is set to negative. In the present invention, the net charge of all electrodes is maintained at or close to zero.

"양전기 바이어스 우세(positive dominant bias)"라는 용어는 중앙 전극의 극성이 양전하로 설정된 것을 나타낸다. 본 발명에서 모든 전극의 순전하는 제로에서 또는 그에 근접하게 유지된다.The term "positive dominant bias" indicates that the polarity of the center electrode is set to positive charge. In the present invention, the net charge of all electrodes is maintained at or close to zero.

"핵산 혼성화"라는 용어는, 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 폴리뉴클레오티드 및, 올리고뉴클레오티드를 포함하는 핵산의 유도체와 모든 자연의 형태와 인공의 형태 사이에서의 모든 혼성화 반응을 포함하는 것을 의미한다.The term "nucleic acid hybridization" includes all hybridization reactions between deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acid (RNA), polynucleotides, and derivatives of nucleic acids including oligonucleotides and all natural and artificial forms. Means that.

"폴리메라아제 체인 반응(PCR)"은 분석을 위해서 DNA 파편을 증폭시키는 방법을 의미한다. 가열(DNA 분자의 이중 가닥을 단일 가닥의 DNA 로 분리함)에 의해서 DNA 를 변성시키는 것으로써 주기가 시작된다. 다음에, 프라이머(primer)(특정의 순서에 상보적인 DNA 의 단편들)는 냉각 도중에 모든 단일 가닥의 DNA 의 특정 부분에 결합된다. 이러한 단계는 어니일링으로 불리운다. 마지막 단계인 연장(extension)에 있어서, 온도는 다시 상승되고 소위 Taq 폴리메라아제인 특정의 효소가 사용되어 상보적인 염기 베이스를 프라이머의 단부로부터의 DNA 에 대하여 나머지 단일 가닥의 DNA 주형을 따라서 부가함으로써, 두개의 프라이머 사이에 DNA 단편의 다중 복사를 만든다. 전체적인 과정은 다중의 횟수(사이클)로 반복되어 다량의 원하는 DNA 영역을 복제한다. 이상적인 조건하에서 DNA 의 양은 각 사이클마다 두배가 되므로, 30 PCR 사이클은 최초 샘플에 비교하여 DNA의 양에 있어서 230(대략 조 단위의 곱)의 증가에 이르게 된다."Polymerase chain reaction (PCR)" means a method of amplifying DNA fragments for analysis. The cycle begins by denaturing the DNA by heating (separating the double strands of the DNA molecule into single strands of DNA). Next, a primer (fragments of DNA complementary to a particular sequence) is bound to a particular portion of every single strand of DNA during cooling. This step is called annealing. In the final step, the temperature is raised again and a specific enzyme, a so-called Taq polymerase, is used to add complementary base bases along the remaining single stranded DNA template to the DNA from the ends of the primers. , Make multiple copies of the DNA fragment between the two primers. The entire process is repeated multiple times (cycles) to replicate a large amount of desired DNA region. Under ideal conditions, the amount of DNA doubles in each cycle, resulting in an increase of 2 30 (approximately trillion times) in the amount of DNA compared to the original sample.

"자기 조립된 단분자층(Self-Assembled Monolayers (SAMs)"은 헤드그룹(headgroup)의 기판에 대한 특정의 친화력을 가진 계면 활성제의 흡착에 의해서 자연스럽게 형성된, 규칙적인 단분자층을 지칭한다.“Self-Assembled Monolayers (SAMs)” refers to regular monolayers, naturally formed by adsorption of a surfactant with a particular affinity for a headgroup of substrate.

"트래핑"은 외부적으로 인가된 전기장의 존재에 의한 대전된 분자(양전하 또는 음전하)의 공간 위치 조절을 지칭한다. 이러한 공간 위치의 제한은 전기장이 정위치에 있는 동안 대전 분자가 지정된 부위에 들어가거나 또는 그로부터 나가는 것을 방지한다."Traping" refers to the spatial location control of charged molecules (positive or negative charges) by the presence of an externally applied electric field. This limitation of spatial location prevents the charging molecule from entering or exiting the designated site while the electric field is in place.

제 1 장. 대전 분자의 공간 위치 제어 방법Chapter 1. Spatial position control method of charged molecule

양전하와 음전하로써, 반대로 대전된 2 개의 분자를 동시에 조작하는 것은 생물학적 분석에 있어서 커다란 장점을 제공할 수 있는데, 이는 대부분의 생물학적인 반응들이 음전하로 대전된 분자들과 양전하로 대전된 분자들 사이에서 상호 작용을 필요로 하기 때문이다.Simultaneously manipulating two oppositely charged molecules with positive and negative charges can provide great advantages in biological analysis, where most biological reactions are between negatively charged and positively charged molecules. This is because it requires interaction.

발명자는 반응 유니트내에서 두개의 반대로 대전된 분자들의 공간 위치를 동시에 제어하는 방법을 실현하였다. 반응 유니트내에 전극을 배치시키는 특별한 기하는 2 개의 반대로 대전된 분자들이 조작할 수 있게 하며 그리고 두개의 대전된 분자들이 원하는 생물학적 반응이 발생하는 특정의 영역 안으로 위치할 수 있게 한다. 이러한 발명에 대한 기하는 상기 반응 유니트내에서 3 개 또는 그 이상의 외측전극들로 둘러싸인 단일의 중앙 전극을 구비한다. 도 1 은 하나의 바람직한 실시예로서 반응 유니트내에서 8 개의 외측 전극(2)으로 둘러싸인 단일의 중앙 전극(1)을 구비하는 전형적인 기하를 도시한다. 처음에, 소정 크기의 제 1 전압이 전기장을 발생시키도록 복수개의 전극들로부터 선택된 적어도 2 개 전극의 세트에 인가되는데, 여기에서 반응 유니트의 전극에 걸친 순전하는 제로 또는 그에 근접하게 유지된다. 인가된 전압은 포지티브 또는 네가티브일 수 있으며, 트래핑(trapping)되어야 하는 분자의 전하에 의존하는 방식으로 배향된다. 다음에, 소정 크기의 제 2 전압이 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 전기장을 회전시키도록 복수개의 외측 전극으로부터 선택된 적어도 2 개의 외측 전극의 세트에 인가된다. 이러한 전극에 대한 전압의 인가는 대전 분자를 트래핑하도록 계속될 수 있다. 회전은 시계 방향으로 또는 시계 반대 방향으로 이루어질 수 있으며 전극 전압의 규칙적인 진행에 의해 수행되는데, 주어진 전극에서의 전압은 앞선 시간 간격 동안에 근접한 전극에서의 값과 같게 설정된다. 도 3 은 2 개의 외측 전극에 각각 양의 전압과 음의 전압을 인가함으로써 발생된 전기장 회전의 예를 나타낸다.The inventors have realized a method of simultaneously controlling the spatial position of two oppositely charged molecules in a reaction unit. The special geometry of placing the electrode in the reaction unit allows two oppositely charged molecules to be manipulated and the two charged molecules to be placed into a specific region where the desired biological reaction occurs. The geometry for this invention comprises a single central electrode surrounded by three or more outer electrodes in the reaction unit. 1 shows a typical geometry with a single central electrode 1 surrounded by eight outer electrodes 2 in a reaction unit as one preferred embodiment. Initially, a first voltage of a predetermined magnitude is applied to a set of at least two electrodes selected from a plurality of electrodes to generate an electric field, wherein the net charge across the electrodes of the reaction unit is maintained at or close to zero. The applied voltage can be positive or negative and is oriented in a manner that depends on the charge of the molecule to be trapped. Next, a second voltage of a predetermined magnitude is applied to the set of at least two outer electrodes selected from the plurality of outer electrodes to rotate the electric field controlling the spatial position of the charged molecule. The application of a voltage to this electrode can continue to trap the charged molecule. The rotation can be made clockwise or counterclockwise and is performed by the regular progression of the electrode voltage, where the voltage at a given electrode is set equal to the value at the adjacent electrode during the preceding time interval. 3 shows an example of electric field rotation generated by applying a positive voltage and a negative voltage to two outer electrodes, respectively.

이러한 방법에 있어서, 대전된 분자를 트래핑하는 것을 보조하도록 전압이 중앙의 전극에 인가될 수 있다. 이러한 전극들에 전압을 인가하여, 순전하를 제로에서 또는 제로에 근접하게 유지하는 것은 중앙의 전극에서 양전하 우세의 또는 음전하 우세의 바이어스를 포함할 수 있다. 도 2 는 전압을 전극에 인가함으로써 발생된 전기장의 패턴을 도시한다. 분자의 궤적을 제어하도록, 양전하 바이어스 우세와 음전하 바이어스 우세의 바이어스의 교번이 필요할 수 있다. 또한 만들어진 전기장은 전자적인 트랩을 만들도록 구성되며, 전자적인 트랩으로부터 대전된 분자들은 트랩(trap)에 들어갈 수 없으며 전기장의 진폭과 회전 주파수는 상이한 전기 영동 운동성의 이온 종들(species)을 분리하는 방식으로 조절될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 중앙의 전극은 0.1 V 로, 외측 전극은 -2 V 로, 그리고 다른 외측의 전극은 1 V 로 설정되는 것과 같이, 각 전극에 대하여 전압을 설정하는 많은 가능한 조합들이 존재한다. 회전 주파수는 또한 대전된 분자의 공간 위치에 영향을 미친다. 예를 들면, 회전 주파수가 보다 커야만 하거나, 또는 외측 전극이 보다 낮은 전압에서 중앙의 전극에 보다 근접하여야 한다.In this method, a voltage can be applied to the central electrode to assist in trapping charged molecules. Applying a voltage to these electrodes to maintain the net charge at or near zero can include a bias of positive or negative charge dominance at the central electrode. 2 shows the pattern of the electric field generated by applying a voltage to the electrode. To control the trajectory of the molecules, alternating biases of positive and negative bias dominance may be required. The resulting electric field is also constructed to create an electronic trap, in which charged molecules from the electronic trap cannot enter the trap and in which the amplitude and rotational frequency of the electric field separate ions of electrophoretic kinetic ions. Can be adjusted. In one preferred embodiment, there are many possible combinations of setting the voltage for each electrode, such that the center electrode is set at 0.1 V, the outer electrode is set at -2 V, and the other outer electrode is set at 1 V. exist. The rotational frequency also affects the spatial position of the charged molecule. For example, the rotation frequency must be greater or the outer electrode must be closer to the center electrode at a lower voltage.

1. 분자의 공간 위치를 제어하기 위한 파라미터들1. Parameters for controlling the spatial location of molecules

1) 전기적인 전하1) electrical charge

반응 유니트내에서 전극의 순전하를 제로 또는 그에 가깝도록 유지하려면, 각 전극에 대하여 적절한 전압의 값을 설정하는 것이 매우 중요하다. 반경이 R 이고 인가된 전압이 V 인 둥근 전극에 대해서, 전극상의 전체 전하 Q 는 방정식 Q=8xVx Rx πxε에 의해서 주어진다. 이것은 전극 표면상의 전하 분포가 σ= Q/(2×π×R×SQRT(R22)에 의해서 주어지는 것을 가정하게 하며, 여기에서 ρ는 전극의 중심으로부터의 거리이며, ε은 자유 공간의 유전율이다. 명백하게 상이한 반경이지만 동일한 전압으로 유지된 전극들은 상이한 양의 전기적인 전하를 가지게 될 것이다. 이러한 방정식에 따르면, 중앙의 전극이 지정된 전압에 배치될때, 하나 또는 그 이상의 외측 전극들은 전하를 균형화시키도록 반대의 전압에 있을 필요가 있다. 중앙 전극과 외측 전극의 반경에서의 차이에 기인하여, 균형화 전압은 일반적으로 중앙 전극의 전압보다 몇배 더 높을 필요가 있다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 중앙 전극에서의 전압의 크기는 비록 그 값이 다른 인자에 높게 의존할지라도 0.01 내지 0.1 V 범위이다.In order to keep the net charge of the electrode in the reaction unit at or close to zero, it is very important to set the value of the appropriate voltage for each electrode. For a round electrode with radius R and applied voltage V, the total charge Q on the electrode is given by the equation Q = 8xVx Rx πxε. This assumes that the charge distribution on the electrode surface is given by σ = Q / (2 × π × R × SQRT (R 22 ), where ρ is the distance from the center of the electrode and ε is the free space Electrodes that are apparently of different radius but kept at the same voltage will have different amounts of electrical charge, according to this equation, when the central electrode is placed at a specified voltage, one or more of the outer electrodes To be balanced, they need to be at opposite voltages Due to the difference in the radius of the center electrode and the outer electrode, the balance voltage generally needs to be several times higher than the voltage of the center electrode. The magnitude of the voltage at the center electrode is in the range of 0.01 to 0.1 V, although its value depends highly on other factors.

정사각형 또는 다른 전극의 기하에 대하여, 전체 전하를 산출하는 방정식은 약간 상이할 것이다. 그러나, 전하는 여전히 전극의 크기에 의존할 것이다. 그것에 더하여, 시스템내의 다른 전극에 기인한 전기장의 존재는 전극 표면상에서의 전하 분포를 변경시킬 것이다. 이것은 전극의 표면에서 외부적으로 인가된 장이 덜 균일하게 되므로 σ에 관련된 가정을 덜 정확하게 만든다. 그러나, 이것은 전체 전하가 전극의 크기에 의존하는 것을 변화시키지 않는다.For the geometry of a square or other electrode, the equation for calculating the total charge will be slightly different. However, the charge will still depend on the size of the electrode. In addition, the presence of an electric field due to other electrodes in the system will alter the charge distribution on the electrode surface. This makes the assumptions related to σ less accurate since the externally applied field at the surface of the electrode becomes less uniform. However, this does not change that the total charge depends on the size of the electrode.

2) 외곽 링2) Outer Ring

주어진 반응 유니트로부터의 전기장은 그 어떤 인접한 반응 유니트에 있는 전기장과 간섭할 수 있는 방식으로 펼쳐진다. 외과 링 전극을 포함시키는 것은 전기장의 이러한 펼침 효과를 감소시키는데 필요한다. 외과 링 전극은, 접지되었을 때, 반응 유니트의 전기장이 원하지 않게 펼쳐지는 것을 방지하는데 도움을 준다. 수학적으로는, 접지된 외측 링이 라플라스 방정식의 해법에 대한 부가적인 경계 조건을 나타내는데, 상기 라플라스 방정식은 이러한 경우에 있어서 전기장의 행동을 지배하는 기본적인 미분 방정식이다. 이러한 부가적인 경계를 배치함으로써, 전기 전위 및, 즉, 전기장은 링 전극의 위치에서 제로로 가도록 강제된다. 이러한 효과는 전극 표면의 위로 수직으로 연장된다. 이것은 전극 위의 모든 지점에서 전위를제로로 강제하지 않지만, 전위를 감소시키는 역할을 한다. 도 5 는 외측 전극 링(3)에 의해서 둘러싸인 반응 유니트의 개략적인 다이아그램을 도시한다. 도 6a 및, 도 6b 는 외측 링의 영향을 도시한다. 도 6a 는 접지된 외측 링이 없는 전기장의 개략적인 다이아그램을 도시하며 도 6b 는 외측 링이 있는 전기장의 개략적인 다이아그램을 도시한다. 외측 전극링의 존재는 전기 전위가 펼쳐지는 것을 명백하게 감소시켜서, 근접한 유니트와의 간섭을 최소화시킨다. 이러한 경우에, 다중의 반응 유니트에 걸친 대전된 분자의 공간 위치에 대한 독립적이고 동시적인 제어가 달성될 수 있다. 이러한 반응 유니트의 배열은 DNA 혼성화 또는 폴리메라아제 체인 반응과 같은 생물학적인 현상(event)의 분석 또는 높은 재료 처리 스크리닝을 위해서 사용될 수 있다.The electric field from a given reaction unit spreads in a way that can interfere with the electric field in any adjacent reaction unit. Inclusion of a surgical ring electrode is necessary to reduce this spreading effect of the electric field. Surgical ring electrodes, when grounded, help to prevent the unfolding of the electric field of the reaction unit. Mathematically, the grounded outer ring represents an additional boundary condition for the solution of the Laplace equation, which in this case is the basic differential equation governing the behavior of the electric field. By placing this additional boundary, the electrical potential and, ie, the electric field, are forced to go to zero at the position of the ring electrode. This effect extends vertically above the electrode surface. This does not force the potential to zero at all points on the electrode, but serves to reduce the potential. 5 shows a schematic diagram of a reaction unit surrounded by an outer electrode ring 3. 6A and 6B show the effect of the outer ring. FIG. 6A shows a schematic diagram of an electric field without a grounded outer ring and FIG. 6B shows a schematic diagram of an electric field with an outer ring. The presence of the outer electrode ring obviously reduces the spread of the electrical potential, minimizing interference with adjacent units. In this case, independent and simultaneous control of the spatial position of charged molecules across multiple reaction units can be achieved. This arrangement of reaction units can be used for high material processing screening or analysis of biological events such as DNA hybridization or polymerase chain reactions.

3) 전극3) electrode

원하는 생물학적인 반응이 발생할 수 있게 하는 전기장의 정밀한 조절을 위해서, 전극의 갯수가 최적화되어야 한다. 원하는 반응에 따라서, 전극의 갯수는 바람직스럽게는 3 내지 30 개의 범위일 수 있다. 그러나, 점 전극이 본 발명을 위해서 사용될 수 있으므로 전극의 갯수는 제한이 없다. 바람직한 실시에 있어서, 단일의 중앙 전극은 8 개의 외측 전극에 의해서 둘러싸여 있다. 중앙 전극내에 있지만 아직 그로부터 전기적으로 절연된 내부 전극들도 생물학적 반응을 위한 전기장의 정밀 조절을 위해서 필요할 수도 있다. 이러한 내측 전극들은 원하는 생물학적 반응을 위해서 분자의 공간 위치를 보다 정확하게 제어하는 방법을 제공할 수 있다.In order to precisely control the electric field so that the desired biological reaction can occur, the number of electrodes must be optimized. Depending on the desired reaction, the number of electrodes may preferably range from 3 to 30. However, the number of electrodes is not limited because point electrodes can be used for the present invention. In a preferred embodiment, a single center electrode is surrounded by eight outer electrodes. Internal electrodes in the central electrode but still electrically isolated from it may also be required for precise control of the electric field for biological reactions. These inner electrodes can provide a more precise way of controlling the spatial location of the molecule for the desired biological reaction.

4) 회전 주파수4) rotation frequency

전기장은 전극의 세트에 인가하는 전압을 교대로 교번함으로써 회전될 수 있는데, 이는 각 전극이 컴퓨터 프로그램을 사용하여 독립적으로 제어될 수 있기 때문이다. 회전 주파수는 전극에 가해지는 전압의 크기에 따라서 0.001 Hz 내지 1,000 Hz 의 범위일 수 있다. 회전 주파수는 전기장이 변화하는데 따라서 분자가 전기장에 보조를 맞출 수 있을 정도로 낮아야만 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 주파수는 0.01 Hz 내지 10 Hz 범위이다. 분자의 회전 속도는, 분자가 하나의 전극으로부터 다음의 전극으로 움직이는데 소요되는 시간이 인가된 전압뿐만 아니라 전극들 사이의 거리에 의존하도록, 전기장의 강도에 직접적으로 비례한다. 전기장이 약할수록, 회전은 느려져야 한다. 낮은 전극의 전압에서, 회전 주파수는 낮아야만 하거나, 또는 외측 전극이 함께 근접해야 한다. 기하에서의 그러한 변화는 보다 많은 외측 전극이나 또는 보다 작은 중앙 전극을 필요로 할 수 있다.The electric field can be rotated by alternating alternating voltages applied to a set of electrodes, since each electrode can be controlled independently using a computer program. The rotation frequency may range from 0.001 Hz to 1,000 Hz depending on the magnitude of the voltage applied to the electrode. The rotational frequency must be low enough that the molecule can keep pace with the electric field as it changes. In a preferred embodiment, the frequency is in the range of 0.01 Hz to 10 Hz. The rotational speed of the molecule is directly proportional to the strength of the electric field, such that the time it takes for the molecule to move from one electrode to the next depends on the distance between the electrodes as well as the applied voltage. The weaker the electric field, the slower the rotation should be. At low electrode voltages, the rotational frequency must be low, or the outer electrodes must be close together. Such a change in geometry may require more outer electrodes or smaller center electrodes.

바람직한 실시예에 있어서, 각 전극의 치수와 전극의 갯수를 다음의 표 1 에 요약하였다.In a preferred embodiment, the dimensions of each electrode and the number of electrodes are summarized in Table 1 below.

표 1. 전극의 치수Table 1. Dimensions of the electrode

중앙 전극 반경Center electrode radius 100㎛100 μm 내측/외측 전극Inner / Outer Electrodes 10 ㎛10 μm 외측 전극의 중심까지의 반경Radius to center of outer electrode 130㎛130㎛ 내측 전극의 중심까지의 반경Radius to center of inner electrode 50㎛50 μm 외측 링까지의 반경Radius to outer ring 200㎛200 μm 외측 링의 폭Width of outer ring 20㎛20 ㎛ 두개의 근접한 바응 유니트 사이의 거리Distance between two adjacent response units 1,000-2,000㎛1,000-2,000㎛

표 2. 반응 유니트내 각 파라메터의 값Table 2. Values of each parameter in the reaction unit

외측 전극의 최소 갯수Minimum number of outer electrodes 33 외측 전극의 최대 갯수Maximum number of outer electrodes 3030 내측 전극의 최소 갯수Minimum number of inner electrodes 00 내측 전극의 최대 갯수Maximum number of inner electrodes 88 그 어떤 전극의 최대 전압The maximum voltage of any electrode ±10 volt± 10 volt 자극용 최소 전압Minimum voltage for stimulation 0.01 volt0.01 volt 최소 회전 주파수Rotational frequency 0.01 Hz0.01 Hz 최대 회전 주파스Rotating frequency 10 Hz10 Hz

5) 기하5) geometric

반응 유니트내에서 전극을 배치하는 기하는 본 발명에서 중요한 인자들중 하나이다. 본 발명의 목표를 위해서, 전극의 배치는 원형, 정사각형, 또는 다이아몬드 형상과 같이 폐쇄 시스템을 만들어야 한다. 바람직한 일 구현예에 있어서, 기하는 환상체의 형태이다.Placement of electrodes in the reaction unit is one of the important factors in the present invention. For the purposes of the present invention, the arrangement of the electrodes must make a closed system, such as circular, square, or diamond shaped. In one preferred embodiment, the geometry is in the form of a toroid.

6) 기타6) Other

이온 집중-버퍼 용액의 이온 집중은 전극에 의해서 발생된 전기장과의 상호 작용을 통해서 분자의 운동성에 영향을 미칠 수도 있다.The ion concentration of the ion concentration-buffer solution may affect the mobility of the molecule through interaction with the electric field generated by the electrode.

탐침-DNA 분자 또는 단백질과 같은 일부 탐침들은 음전하 또는 양전하의 고유한 전기 전하를 가진다. 이것은 외부에서 인가된 전기장에 비교할때 비록 효과가 작을지라도 전기장에 영향을 미칠 수 있다.Some probes, such as probe-DNA molecules or proteins, have an intrinsic electric charge, either negative or positive. This can affect the electric field even though the effect is small compared to the externally applied electric field.

본 발명에 더하여, 생물학적인 반응을 위해서, DNA 단편, 항체 및, 효소를 포함하면서 그에 한정되지 않은 그 어떤 탐침 분자들은 중앙의 전극에 고정될 수 있다. 도 7 은 탐침이 고정되어야 하는 전극을 구비하는 반응 유니트의 단면을 도시한다. 탐침을 전극에 고정화시키는 다수의 방법이 연구되었는데, 이들은 화학적 메카니즘, 사용상의 용이성, 탐침 표면 밀도 및, 고정화 능력에 있어서 광범위하게 변한다. (파라 엔. 레만, 핵산 연구, 1999. 제 27 권 제 2 호, 649-655 페이지) 본발명에 대하여 가장 유망한 고체상 고정화 방법들중에서는 폴리아크릴아미드 지지부와 자기 조립된 단분자층을 사용하는 방법들(SAMs)을 들 수 있다. 이들은 전극 또는 탐침에 결합될 수 있는 티올(thiol)기 (-SH)를 가질 수 있다. 이러한 지지부들의 주된 장점은 높은 탐침의 용량, 낮은 비특이적 결합 레벨 또는 상대적으로 높은 열적 안정성들이다. 더욱이, 탐침 배열의 혼성화 특성을 노말라이징(normalizing)하는데 필요한 탐침의 밀도를 조작하는 것은 상대적으로 용이하다. 폴리아크릴아미드 또는 자기조립 단일막의 고정화층은 침투 층으로서 작용하여 전기 분해에 의하여 발생된 개스의 확산을 가능하게 한다. 침투층 구멍 한계 특성을 가져야만 하는데, 이것은 커다란 결합용 개체들, 반응물 및, 분석대상 물질(analytes)들이 물리적으로 전극과 접촉하는 것을 방지하거나 억제한다. 침투층은 또한 활성의 전극 표면을 결합용 실체물과 물리적으로 억제하여야 한다.In addition to the present invention, any probe molecule, including but not limited to DNA fragments, antibodies, and enzymes, may be immobilized on a central electrode for biological reactions. 7 shows a cross section of a reaction unit with an electrode to which the probe is to be fixed. Many methods of immobilizing probes on electrodes have been studied, which vary widely in chemical mechanisms, ease of use, probe surface density, and immobilization ability. (Para N. Lehman, Nucleic Acid Research, 1999. Vol. 27, No. 2, pages 649-655) Among the most promising solid phase immobilization methods for the present invention are methods using polyacrylamide supports and self-assembled monolayers ( SAMs). They may have a thiol group (-SH) that can be bonded to an electrode or probe. The main advantages of these supports are high probe capacity, low nonspecific binding levels or relatively high thermal stability. Moreover, it is relatively easy to manipulate the density of the probe needed to normalize the hybridization properties of the probe array. The immobilization layer of polyacrylamide or self-assembled monolayers acts as a permeation layer to enable diffusion of the gas generated by electrolysis. It must have a permeation layer pore limit characteristic, which prevents or inhibits large bonding objects, reactants, and analytes from physically contacting the electrode. The penetrating layer must also physically restrain the active electrode surface from the bonding entity.

일단, 침투층이 형성되면, 양전하와 음전하 바이어스 우세의 교번은 대전 분자들을 중앙 전극 주변에 국부적인 고농도 상태로 만들어 원하는 생물학적 반응을 용이하게 한다.Once the infiltration layer is formed, the alternating of positive and negative charge bias dominance causes the charged molecules to be localized at high concentrations around the central electrode to facilitate the desired biological reaction.

제 II 장. 분자를 트래핑하는 장치의 디자인 및, 제조Chapter II. Design and manufacture of devices for trapping molecules

1. 개괄1. Overview

장치는 하나의 반응 유니트와 같이 적게 또는 수백개 또는 수천개의 반응 유니트와 같이 반응 유니트를 가지도록 디자인될 수 있다. 일반적으로, 다수의 반응 유니트를 가지는 복잡한 장치는 마이크로리소그래피 기술을 사용하여 제조된다. 제조는 실리콘 또는 유리, 실리콘 이산화물, 플라스틱 또는 세라믹과 같은 다른 적절한 기판 재료상에서 이루어진다. 이러한 마이크로전자 칩의 디자인은 다수의 배열 또는 복합의 분석 장치로서 고려될 수 있다. 적은 수의 반응 유니트 또는 대형의 반응 유니트를 가진 장치는 마이크로 가공 기술을 사용하여 제조된다.The device can be designed to have as few reaction units as one reaction unit or as hundreds or thousands of reaction units. In general, complex devices with multiple reaction units are manufactured using microlithography techniques. Manufacturing is done on silicon or other suitable substrate materials such as glass, silicon dioxide, plastics or ceramics. The design of such microelectronic chips can be considered as multiple arrays or complex analysis devices. Devices with a small number of reaction units or large reaction units are manufactured using micromachining techniques.

반응 유니트는 그 어떤 형상일 수 있으며, 바람직스럽게는 원형이거나, 정사각형이거나, 또는 사각형일 수 있다. 반응 유니트의 크기는 상기 반응 유니트에 배치된 전극의 크기에 의존한다. 마이크로리소그래피 방법의 해상도보다 작은 반응 유니트를 만들려면 전자 비임 리소그래피, 이온 비임 리소그래피, 또는 분자 비임 에피탁시와 같은 기술을 필요로 할 것이다.The reaction unit may be of any shape and may preferably be circular, square or square. The size of the reaction unit depends on the size of the electrode disposed in the reaction unit. Making reaction units smaller than the resolution of the microlithography method will require techniques such as electron beam lithography, ion beam lithography, or molecular beam epitaxy.

작은 반응 유니트가 분석과 진단 유형의 적용예에 대하여 적합한 반면에, 대형의 반응 유니트는 예비 규모의 생물 폴리머 합성, 샘플 준비, 반응물의 전자적인 분배와 같은 적용예에 적합하지만 그에 한정되는 것은 아니다.While small reaction units are suitable for assay and diagnostic type applications, large reaction units are suitable for applications such as, but not limited to, pre-scale biopolymer synthesis, sample preparation, electronic distribution of reactants.

전극은 그 어떤 크기일 수 있으며, 바람직스럽게는 1 마이크론 미만으로부터 수 센티미터의 범위에 이르며, 5 마이크론 내지 100 마이크론이 마이크로리소그래피 기술을 사용하여 제조된 장치에 대하여 가장 바람직스러운 크기의 범위이며, 100 마이크론 내지 1 밀리미터가 마이크로 가공 기술을 이용하여 제조된 장치에 대하여 가장 바람직스러운 크기의 범위이다. 전극은 그 어떤 형상일 수 있으며, 바람직스럽게는 둥글거나 또는 정사각형이다.The electrodes can be of any size, preferably ranging from less than 1 micron to several centimeters, with 5 microns to 100 microns being the most preferred size range for devices made using microlithography techniques, and 100 microns. To 1 millimeter is the most preferred size range for devices made using micromachining techniques. The electrode can be any shape, and is preferably round or square.

상기 반응 유니트내의 전극 배치의 기하는 그 어떤 형태일 수 있으며, 바람직스럽게는 둥글거나, 정사각형이거나, 또는 사각형일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 하나의 전극은 중심에 있으며 나머지 전극에 의해서 둘러싸인다.The geometry of the electrode arrangement in the reaction unit may be of any shape, preferably round, square or square. In a preferred embodiment, one electrode is centered and surrounded by the other electrode.

상기 반응 유니트내에 배치된 전극의 갯수는 3 개 이상이며, 바람직스럽게는 3 내지 30 개의 전극일 수 있다. (I 장의 1-3 에서, "전극의 갯수는, 원하는 반응에 따라서, 3 내지 30 개 범위인 것이 바람직스러울 수 있다." 고 기재되어 있다. 이것은 정확하게 표 2 와 일치한다.)The number of electrodes arranged in the reaction unit is three or more, preferably 3 to 30 electrodes. (In chapters 1-3 of Chapter I, it is stated that "the number of electrodes may be in the range of 3 to 30, depending on the desired reaction." This is exactly in accordance with Table 2.)

전극을 포함하여 반응 유니트가 마이크로리소그래피 그리고/또는 마이크로-가공 기술을 사용함으로써 만들어진 이후에, 화학적인 변형, 중합 반응, 또는 다른 마이크로그래피 제조 기술이 사용되어 특수화된 고정 및, 침투층을 만들도록 사용된다. 이러한 중요 층들은 결합 개체들을 전극의 금속 표면으로부터 격리한다. 이러한 격리는 DC 모드를 가능하게 하는데, 여기에서 반응 유니트 표면하의 각 전극은 (1) 반응이 발생할 수 있는 반응 영역 안으로 분자들이 자유 장(free field) 전기 영동 이송하는 것을 야기하거나 또는 그에 영향을 미칠 수 있고, (2) 반응이 발생할 수 있는 반응 영역 안으로 분자들을 집중시킬 수 있으며, (3) 분자들이 반응 영역 안으로 국부적으로 집중된 이후에 DC 모드의 인가하에서 능동적으로 기능을 계속할 수 있으며, 그리고 (4) 전기화학적 반응 및, 산물이 그 어떤 생물학적 반응에도 부정적으로 영향을 미치지 않도록 한다.After the reaction unit, including the electrode, is made by using microlithography and / or micro-machining techniques, chemical modification, polymerization, or other micrography manufacturing techniques can be used to create specialized fixation and penetration layers. do. These critical layers isolate the bonding objects from the metal surface of the electrode. This isolation enables DC mode, where each electrode under the reaction unit surface (1) causes or influences free field electrophoretic transfer of molecules into the reaction zone where the reaction can occur. (2) can concentrate molecules into the reaction zone where the reaction can occur, (3) can continue to function actively under the application of DC mode after the molecules have been locally concentrated into the reaction zone, and (4 Electrochemical reactions and products should not adversely affect any biological reactions.

1. 디자인 파라미터(마이크로리소그래피)1. Design Parameters (Microlithography)

반응 유니트 제조Reaction Unit Manufacturing

본 발명의 바람직한 하나의 실시예로서, 도 1 은 마이크로리소그래피를 사용하여 제조된 반응 유니트 안의 전극 배치의 기본적인 기하를 도시한다. 9 개의 전극(E1-E9)들이 절연 마트릭스상에 금의 증착에 의해서 형성된다. 하나의 전극은 중심에 있으며 나머지 전극들(외측 전극들)에 의해서 둘러싸인다. 외측 전극의 갯수는 3 개 이상이며 바람직스럽게는 3-30 이다. 절연체 매트릭스는 전극들을 서로로부터 분리한다. 절연체 물질들은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 유리, 레지스트, 폴리이미드, 고무, 플라스틱, 또는 세라믹 물질들을 포함하지만, 그에 제한된 것은 아니다.As one preferred embodiment of the present invention, FIG. 1 shows the basic geometry of electrode placement in a reaction unit made using microlithography. Nine electrodes E1-E9 are formed by the deposition of gold on the insulating matrix. One electrode is centered and surrounded by the other electrodes (outer electrodes). The number of outer electrodes is three or more, preferably 3-30. The insulator matrix separates the electrodes from each other. Insulator materials include, but are not limited to, silicon dioxide, silicon nitride, glass, resist, polyimide, rubber, plastic, or ceramic materials.

도 7 은 마이크로리소그래피로 제조된 반응 유니트의 기본적인 특성을 도시한다. 중앙의 전극(CE)(1)과 외측 전극(OEs)(2)은 매트릭스(베이스(4)와 절연체(5))상에 형성되며, 침투층(PL)(6)과 결합층(BL)(7)은 CE 상에 편입된다.7 shows the basic properties of a reaction unit made by microlithography. The center electrode CE 1 and the outer electrode OEs 2 are formed on the matrix (base 4 and insulator 5), and the penetration layer PL 6 and the bonding layer BL are formed. (7) is incorporated on the CE.

침투층 안의 OH-((CH)2)6-10-SH 와 같은 알칸티올(alkanethiols)과 같은 티올(thiols)은 탐침이 고정되는 베이스를 제공한다. 침투층은 전극(CE)과 결합층(BL) 사이의 간격을 제공하며 용매 분자, 작은 카운터 이온(counter-ion) 및, 전기 분해 반응 개스들이 전극으로 그리고 전극으로부터 자유롭게 통과될 수 있게 한다. 침투층 안에 전기 분해 반응의 부정적인 물리적 효과 및, 화학적 효과를 감소시킬 수 있는 물질을 포함시킬 수 있으며, 이는 H2에 대한 팔라듐 및, O2와 과산화물에 대한 철 합성물과 같은, 레독스 반응 트래핑 물질을 포함하지만 그에 한정된 것은 아니다. 마이크로리소그래피로 제조된 장치에 대한 침투층의 두께는 대략 1 나노메터(nm) 내지 100 마이크론(㎛)의 범위일 수 있으며, 2nm 내지 10㎛ 이 가장 바람직스럽다.Thiols, such as alkanethiols such as OH-((CH) 2 ) 6-10 -SH in the permeation layer, provide a base on which the probe is fixed. The permeation layer provides a gap between the electrode CE and the bonding layer BL and allows solvent molecules, small counter-ions, and electrolysis reaction gases to pass freely to and from the electrode. In the permeation layer can contain substances which can reduce the negative physical and chemical effects of the electrolysis reaction, which are redox reaction trapping materials, such as palladium for H 2 and iron compounds for O 2 and peroxides. It includes, but is not limited to. The thickness of the penetrating layer for a device made by microlithography can range from approximately 1 nanometer (nm) to 100 microns (μm), with 2 nm to 10 μm being most preferred.

전극들 사이의 간격은 제조의 용이성, 전극들 사이의 검출기 분석에 대한 요건, 트래핑에 필요한 전기장의 특성 및, 장치에 필요한 전극의 갯수에 의해서 결정된다. 전극들 사이의 특정한 간격은 장치의 기능을 위해서 필요한다. 이는 복합적인 전기장 패턴 또는 유전체의 경계가 그 어떤 전극들 사이의 공간 또는 매질에서 특정의 분자들을 선택적으로 움직이거나, 분리하거나, 고정시키거나 또는 배향시키는데 필요하기 때문이다. 장치는, 결합층내에서 티올에 고정된 탐침 둘레의 제한된 영역에서 분자의 공간 위치를 제어함으로써 위와 같은 것을 달성한다. 자유장 전기 영동의 힘은, 장치상의 그 어떤 공간 위치들 사이와 모든 공간 위치들 사이에서, 또는 벌크 용액(bulk solution)으로부터 그 어떤 전극으로도 그 어떤 적극으로도 급속하고 직접적으로 이송되는 것을 제공한다.The spacing between the electrodes is determined by the ease of manufacture, the requirements for detector analysis between the electrodes, the nature of the electric field required for trapping, and the number of electrodes required for the device. Specific spacing between the electrodes is necessary for the function of the device. This is because a complex electric field pattern or dielectric boundary is needed to selectively move, separate, fix or align certain molecules in the space or medium between any of the electrodes. The device achieves this by controlling the spatial location of the molecule in a restricted region around the probe anchored to the thiol in the binding layer. The force of free field electrophoresis provides for the rapid and direct transfer between any spatial locations on the device and between all spatial locations, or from any bulk solution to any electrode, to any positive electrode. do.

도 8 은 50 개의 반응 유니트를 구비하는 매트릭스 유형의 장치를 도시한다. 50 개의 반응 유니트 장치는 사용하기 좋은 디자인이며, 이것은 표준적인 마이크로전자 칩 패키지 구성들과 맞는다. 그러한 장치는 대략 1.5 cm x 1.5 cm 인 실리콘 칩 기판상에서 제조되며, 중앙의 부위는 50 개의 반응 유니트를 포함하는 대략 750 ㎛ x 750 ㎛ 이다. 매트릭스상의 반응 유니트의 갯수는 상기에서 설명된 바와 같이 적용예에 따라서 10 내지 10,000 의 범위일 수 있다 (따라서, 반응 유니트상에 배치된 전극의 치수는 이러한 장치의 적용에 응답하여 변화할 수도 있다.).8 shows a matrix type apparatus with 50 reaction units. The 50 reaction unit devices are of good design and fit into standard microelectronic chip package configurations. Such a device is fabricated on a silicon chip substrate that is approximately 1.5 cm x 1.5 cm with a central portion of approximately 750 μm x 750 μm containing 50 reaction units. The number of reaction units on the matrix can range from 10 to 10,000 depending on the application as described above (therefore, the dimensions of the electrodes disposed on the reaction units may vary in response to the application of such a device). ).

도 9 는 도 8 에 도시된 매트릭스상에 증착될 반응 유니트의 구조에 대한 개략적인 다이아그램을 도시한다.FIG. 9 shows a schematic diagram of the structure of the reaction unit to be deposited on the matrix shown in FIG. 8.

침투 및, 결합층 구성Penetration and bonding layer construction

제조 이후에, 장치상의 중앙 전극은 특수한 침투 및, 결합층으로 변형된다.이것은 본 발명의 중요한 특징이다. 그 목적은 전극상에 선택적인 확산 특성을 가진 중간 침투층과 최적의 결합 특성을 가진 부착 표면층을 만드는 것이다.After manufacture, the central electrode on the device is transformed into a special penetration and bonding layer. This is an important feature of the present invention. The aim is to create an intermediate penetration layer with selective diffusion properties on the electrode and an adhesion surface layer with optimal bonding properties.

결합층은 DNA 프라이머와 같은 다양한 타겟 탐침의 결합을 위한 베이스를 제공한다. 마이크로리소그래피로 제조된 장치에 대한 결합층의 두께는 0.5 nm 내지 5 ㎛ 범위일 수 있으며, 1 nm 내지 500 nm 이 가장 바람직스럽다. 이상적으로는, 특정의 결합층이 (1) 자기 조립된 단분자층(SAM) 또는 (2) 폴리아크릴아미드 젤로 구성된다. SAM 또는 젤 모두는 반응 유니트의 중앙 전극상에 큰 분자들의 결합을 위한 간격을 제공한다.The binding layer provides a base for binding various target probes such as DNA primers. The thickness of the bonding layer for devices made by microlithography can range from 0.5 nm to 5 μm, with 1 nm to 500 nm being most preferred. Ideally, certain bonding layers consist of (1) self-assembled monomolecular layers (SAM) or (2) polyacrylamide gels. Both the SAM or the gel provide a gap for the binding of large molecules on the center electrode of the reaction unit.

(1) SAM(1) SAM

알칸티올 SAM 은 금에 대한 황의 친화력 및, 체인들 사이의 반데르 바알스 힘으로부터 발생되는 비교적 강한 측방향의 상호 작용에 의해서 제공된다. 이러한 측방향 상호 작용은 탄화수소 체인의 길이를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 금은 (111) 면의 크리스탈 구조를 가진다.Alkanthiol SAMs are provided by sulfur's affinity for gold and the relatively strong lateral interactions arising from van der Waals forces between the chains. This lateral interaction can be controlled by changing the length of the hydrocarbon chain. Gold has a crystal structure of (111) plane.

최적으로는, 결합층이 특정한 결합 실체물의 고정화를 위해서 제곱 마이크론(㎛2)당 105내지 107의 기능화된 위치들을 가진다. 결합 개체들의 고정화는 아래에 위치하는 마이크로 전극이 기능하는 것을 방지하기 위하여 표면을 보호 코팅하거나 또는 절연하지 않아야 한다. 기능적인 장치는 용매(H2O) 분자에 접근 가능하게 유지되도록, 그리고 카운터 이온(예를 들면 Na+및, Cl-)과 전기 분해 개스(예를 들면 O2및, H2)가 발생될 수 있도록 실제의 금속 마이크로 전극 표면의 일부 부분(~5% 내지 25%)을 필요로 한다.Optimally, the bonding layer has functionalized positions of 10 5 to 10 7 per square micron (μm 2 ) for immobilization of specific bonding entities. The immobilization of the binding objects must not protectively coat or insulate the surface to prevent the underlying microelectrode from functioning. The functional device is kept accessible to the solvent (H 2 O) molecules, and counter ions (eg Na + and, Cl ) and electrolysis gas (eg O 2 and, H 2 ) are generated. Some portion (~ 5% to 25%) of the actual metal microelectrode surface is required.

중간 침투층도 확산이 발생할 수 있도록 디자인된다. 부가적으로, 침투층은 큰 결합 개체, 반응물 및, 분석 대상 물질(analytes)이 마이크로-전극 표면과 물리적으로 접촉하는 것을 억제하거나 방지하는 구멍 한계 특성을 가져야 한다. 침투층은 활성의 마이크로-전극 표면이 전극의 결합층으로부터 물리적으로 별개인 것으로 유지시킨다.The intermediate penetrating layer is also designed to allow diffusion. In addition, the penetrating layer should have pore limiting properties that prevent or prevent large bonding entities, reactants, and analytes from physically contacting the micro-electrode surface. The penetrating layer keeps the active micro-electrode surface physically separate from the bonding layer of the electrode.

이러한 디자인은 전기 영동 이송에 필요한 전기 분해 반응이 마이크로-전극 표면상에 발생할 수 있게 하지만, 결합 개체, 반응물 및, 분석 대상 물질에 대한 부정적인 전자 화학적 효과를 회피한다.This design allows the electrolysis reactions required for electrophoretic transfer to occur on the micro-electrode surface, but avoids the negative electrochemical effects on the binding entity, reactants and analytes.

침투층은 전기 분해 반응에서 발생된 부정적인 물질들(H2, O2,자유 래디칼(free radicals)등)을 찾는 물질을 포함하도록 설계될 수도 있다. 침투층의 서브층(sub-layer)은 이러한 목적을 위해서 설계될 수 있다.The permeation layer may be designed to include materials that look for negative substances (H 2 , O 2, free radicals, etc.) generated in the electrolysis reaction. The sub-layer of the penetrating layer can be designed for this purpose.

다양한 디자인 및, 기술들이 침투층을 만드는데 사용될 수 있다. 일반적인 디자인은 (1) 물리적인 흡착, (2) 화학적 변형, (3) 유전 공학적 변형을 포함한다.Various designs and techniques can be used to make the permeable layer. Typical designs include (1) physical adsorption, (2) chemical modifications, and (3) genetic engineering modifications.

금속 전극 표면으로부터의 수직의 방향에서 선형 알칸티올 분자의 배치는, 수직 구조들 사이의 최소한의 교차 결합과 함께, 선형의 알칸티올을 금속 전극 표면에 직접적으로 고정화시킴으로써 형성될 수 있다. 이상적으로는 이러한 분자들이 두 기능을 가지는 것으로서, 하나의 터미널 단부는 금속 전극 표면에 대한 공유 결합에 적절하고, 다른 터미널 단부는 결합 실체물의 공유 결합에 적절하다.The placement of linear alkanethiol molecules in the vertical direction from the metal electrode surface can be formed by directly immobilizing the linear alkanethiol directly to the metal electrode surface, with minimal crosslinking between the vertical structures. Ideally, these molecules have two functions, one terminal end suitable for covalent bonds to the metal electrode surface and the other terminal end suitable for covalent bonds of the binding entity.

물리적인 흡착은 조사중인 탐침 분자가 변형되지 않은 기판 표면상으로 소수성 또는 정전기 상호 작용을 통해서 직접적으로 고정되는 것을 포함한다. 그러한 공정은 전체적으로 간단하며 탐침 분자의 조작을 포함하지 않는다. 그러나, 금속 표면상으로 탐침 분자를 직접적으로 고정하는 것은 몇가지 단점을 가진다. 즉, 일부 단백질은 변성되며 나중에 금속 표면과 직접 접촉되었을때 비활성화된다. 단백질과 금속 표면 사이의 결합은 안정적이지 않다. 단백질이 금속 표면상으로 불특정적이면서, 무작위로, 그리고 다중의 배향으로 고정되는 것은 결과의 비재현성을 발생시킬 수 있으며, 다층으로 적층시키는 것은 문제를 나타낼 수 있다. 그리고 단백질의 활성 장소의 무작위적인 배향은 분석 대상 물질의 결합을 방해할 수 있다.Physical adsorption involves the probe molecules under investigation being immobilized directly through hydrophobic or electrostatic interaction onto the unmodified substrate surface. Such a process is simple in its entirety and does not involve manipulation of probe molecules. However, fixing the probe molecules directly onto the metal surface has some disadvantages. That is, some proteins are denatured and later deactivated when in direct contact with the metal surface. The bond between the protein and the metal surface is not stable. While proteins are unspecific on the metal surface, being fixed randomly and in multiple orientations can result in non-reproducibility of results, and lamination in multiple layers can present problems. And random orientation of the active site of the protein can interfere with the binding of the analyte.

물리적인 흡착의 대안은 탐침의 화학적 변용에 의해서 제공된다. 변성되지 않은 조건에서 단백질과 기판 표면 사이에 공유 결합의 형성을 초래하는 다양한 화학적 조작 과정이 있다. 직접적인 고정 방법을 사용하여 얻어진 결과에 비교하여, 자기 조립된 생물 층을 만드는 화학적 조절은 다음과 같은 많은 중요한 장점을 제공한다. 광범위한 조건에 노출되었을 때 기판상의 단백질 단분자층의 재생성 및, 안정성; 고정된 종(species)의 밀도 및, 환경을 제어하는 가능성; 균일한 구조의 발생; 기판 표면의 보다 높은 적용 범위; 그리고 단백질이 표면상에서 취할 수 있는 가능한 무작위 방향의 갯수의 감소 등이다.An alternative to physical adsorption is provided by chemical modification of the probe. There are a variety of chemical manipulation processes that result in the formation of covalent bonds between the protein and the substrate surface under undenatured conditions. Compared with the results obtained using the direct fixation method, the chemical regulation of making self-assembled biolayers offers many important advantages, such as: Regeneration and stability of the protein monolayer on the substrate when exposed to a wide range of conditions; The density of fixed species and the possibility of controlling the environment; Generation of uniform structure; Higher coverage of the substrate surface; And a reduction in the number of possible random directions the protein can take on the surface.

화학적인 변용에 기초한 단분자층을 만드는 바람직한 일 과정은 황을 포함하는 성분들을 포함한다. 금 및, 다른 귀금속에 대한 황을 포함하는 성분들(티올, 티오에테르(thioethers) 및, 2 황화물)의 강한 친화력은, 제 2 의 기능성 그룹, 즉, 생체 분자와 공유 결합을 형성할 수 있는 것이 있다면, 이들이 단백질 변용 및, 차후의 자기 조립에 대하여 훌륭한 표지 분자(tagging molecules)일 수 있다는 것을 의미한다.One preferred process for making monomolecular layers based on chemical modifications includes components containing sulfur. The strong affinity of the constituents (thiols, thioethers and disulfides) containing sulfur for gold and other precious metals is such that they can form covalent bonds with a second functional group, ie a biomolecule. If present, it means that they can be good tagging molecules for protein modification and subsequent self-assembly.

2 개의 상이한 접근법들이 탐침의 화학적 고정을 위해서 사용되는데, 이것은 (1) 단백질 변용, (2) 기판 변용이다.Two different approaches are used for chemical fixation of the probe, which is (1) protein modification and (2) substrate modification.

단백질 변용으로써, 관심 대상인 단백질은 생물 단분자층 표면상에 존재하는 특정의 반응 그룹과, 예를 들면 라이산 잔기의 ε아미노 그룹과의 반응을 통해서 적절한 황-포함 단분자를 가진 용액내에 수식(tagging)된다. 다음에 변용된 단백질은 황 부위의 절반을 통해서 금으로 코팅된 기판상으로 자기 조립된다. 기판의 변용은 우선 황을 포함하는 분자를 자기 조립시킴으로써 기판을 변용하는 것에 의존한다. 단백질은 생물 단분자층 표면상에 존재하는 특정의 부위들과의 반응을 통해서 새롭게 형성된 SAM 과 차후에 결합된다. 도 10a 는 알칸티올을 포함하는 DNA 가 전극 표면에 결합하는 개략적인 과정을 도시한다. 도 10b 는 단백질 결합 층의 형성 과정을 도시한다. 단백질은 처음에 알칸티올과 반응하고, 다음에 단백질을 포함하는 알칸티올은 전극 표면에 결합된다. 금으로 코팅된 기판상에 단백질과 효소를 고정시키는 세번째 대안은 유전 공학적 기술의 최근의 유용성에 의해서 제공된다. 유전 조작의 이용은 단백질 표면상에 특이한 고정화 부위를 만들 기회를 제공하며 훨씬 규칙적인 단백질의 SAM 들을 형성할 수 있게 한다. 유전 공학적 기술을 사용하여, 금 위에서 단백질이 다중으로 그리고 무작위로 배향되는 문제를 극복할 수있는데, 그러한 문제는 화학적 변용에서 잠재적으로 여전히 존재하는 것이다. 효소는 고정화 장소를 특이한 위치로 도입시키는 인공 부위 특이적 돌연변이(site-directed mutagenesis)의 적용 이후에 완전히 활성의 형태로 고정될 수 있다. 양쪽의 천연 시스테인(cysteines)들이 결여된, 재조합 디하이드로폴레이트(dihydrofolate) 환원 효소 돌연변이체의 금으로 코팅된 기판상에 대한 표면 적용 범위는, C-종점(terminus)에 직접적으로 적용된 하나의 시스테인 잔기를 가지는 유사한 돌연 변이체로써 얻어진 것보다 4 배 낮다.By protein modification, the protein of interest is tagged in a solution with the appropriate sulfur-containing monomolecules, for example, by reaction with certain reaction groups present on the surface of the biomonomeric layer and the ε amino group of the lysine residue. do. The altered protein then self-assembles onto a gold-coated substrate through half of the sulfur site. Modification of the substrate relies on modifying the substrate by first self-assembling molecules containing sulfur. The protein is subsequently bound to the newly formed SAM through reaction with specific sites on the surface of the biomonolayer. 10A shows a schematic process of binding DNA comprising alkanediol to the electrode surface. 10B shows the process of forming a protein binding layer. The protein first reacts with the alkanethiol, and then the alkanethiol containing the protein is bound to the electrode surface. A third alternative for immobilizing proteins and enzymes on gold coated substrates is provided by the recent utility of genetic engineering techniques. The use of genetic engineering offers the opportunity to create specific immobilization sites on the protein surface and allows the formation of even more regular SAMs of the protein. Using genetic engineering techniques, one can overcome the problem of multiple and random orientation of proteins on gold, which is potentially still present in chemical transformation. The enzyme can be immobilized in its fully active form after the application of site-directed mutagenesis, which introduces the immobilization site into a specific position. The surface coverage of the recombinant dihydrofolate reductase mutant on the gold-coated substrate, lacking both natural cysteines, is one cysteine applied directly to the C-terminus. 4 times lower than that obtained with similar mutants with residues.

고품질의 단분자층 구조를 얻기 위하여, SAM 의 형성을 위한 충분한 시간을 허용하는 것이 중요하다. 단분자층의 적층 이후에, 표면은 광범위한 버퍼 세정에 노출되어서 표면에 자기 조립되지 않은 모든 단백질 물질을 제거하게 되는데, 세정되는 단백질 물질은 다분자층으로서 적층되었던 것일 수 있다.In order to obtain a high quality monolayer structure, it is important to allow sufficient time for the formation of SAM. After lamination of the monomolecular layer, the surface is exposed to extensive buffer cleaning to remove all protein material that is not self-assembled on the surface, which may have been stacked as a multimolecular layer.

(2) 폴리아크릴아미드 젤(2) polyacrylamide gel

폴리아크릴아미드 젤은 반응 유니트의 중앙 전극상에 대형 분자의 결합을 위한 베이스로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 혼성화 가능한 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide)의 고 밀도를 가지는 폴라아크릴아미드 젤은 아크릴아미드 변형에 의해서 제조될 수 있다. 5'-터미널 아크릴아미드 변형을 가지는 올리고뉴클레오티드는 열적으로 안정된, DNA 를 포함하는 폴리아크릴아미드 공중합체를 형성하도록 아크릴아미드 단량체와 효과적으로 공중합체될 수 있다 (파라 엔. 레만 외. 뉴클레익 리서취 1999, 제 27 권, 2 호, 649-655). 본 발명은 이러한 변형을 포괄하지 않으므로, 그리고 본 발명의 젤에 대하여 상업적으로 이용 가능한많은 제품들, 예를 들면 모자익 테크놀로지 아이엔씨의 제품과 같은 것이 많으므로, 더 이상의 설명은 하지 않기로 한다.Polyacrylamide gels can be used as the base for the binding of large molecules on the central electrode of the reaction unit. For example, polyacrylamide gels having a high density of hybridizable oligonucleotides can be prepared by acrylamide modification. Oligonucleotides with 5'-terminal acrylamide modifications can be effectively copolymerized with acrylamide monomers to form thermally stable polyacrylamide copolymers comprising DNA (Para En. Lehmann et al. Nucleic Research). 1999, Vol. 27, No. 2, 649-655). Since the present invention does not cover such modifications, and many products are commercially available for the gels of the present invention, such as those of MOIC Technologies INC, the description will not be further described.

마이크로 가공된 장치의 디자인 및, 제조Design and manufacture of micromachined devices

여기에서는 장치를 제조하기 위해서 마이크로 가공 기술 (예를 들면 드릴링, 밀링 등) 또는 비-리소그래픽 기술을 어떻게 사용하는지에 대해서 설명하기로 한다. 도 11 은 마이크로 가공된 장치의 개략적인 다이아그램을 도시한다. 일반적으로, 이러한 장치들은 마이크로리소그래피에 의해서 제조된 것들보다 상대적으로 크다 ( > 100 마이크론). 이러한 장치는 생물 고분자 물질의 합성, 샘플의 준비 및, 시약의 분배와 같은 예비적인 적용에 대해서뿐만 아니라, 분석학적인 적용에 대해서도 사용될 수 있다. 저장 위치들은 다량의 결합 개체들을 운반하기 위하여 3 차원 포맷 (예를 들면 튜브 또는 실린더)으로 제조될 수 있다 (예를 들면, 튜브 또는 실린더). 그러한 장치들은 다양한 재료들을 사용하여 제조될 수 있는데, 플라스틱, 고무, 실리콘, 유리 (예를 들면 마이크로 채널이 있거나, 마이크로 모세관이 있는등) 또는 세라믹을 포함하지만, 그에 한정되는 것은 아니다. 저 형광성 재료들은 분석학적 적용에 대해서 보다 이상적이다. 마이크로 가공된 장치의 경우에, 연결 회로 및, 대형의 전극 구조들은 당업자들에게 공지된 표준 회로 기판 인쇄 기술을 사용하여 재료상으로 인쇄될 수 있다.This section describes how to use micromachining techniques (eg drilling, milling, etc.) or non-lithographic techniques to manufacture the device. 11 shows a schematic diagram of a micromachined device. In general, these devices are relatively larger than those produced by microlithography (> 100 microns). Such devices can be used for analytical applications as well as for preliminary applications such as the synthesis of biopolymers, the preparation of samples, and the distribution of reagents. Storage locations can be made in a three-dimensional format (eg a tube or cylinder) to carry large quantities of engagement objects (eg a tube or cylinder). Such devices can be manufactured using a variety of materials, including, but not limited to, plastics, rubber, silicon, glass (eg with microchannels, with microcapillaries, etc.) or ceramics. Low fluorescent materials are more ideal for analytical applications. In the case of a microfabricated device, the connection circuit and the large electrode structures can be printed onto the material using standard circuit board printing techniques known to those skilled in the art.

본 발명의 적용Application of the present invention

일단 장치가 특정의 결합 개체들과 결합되었다면, 다양한 생물 유형의 다단계이며 복합적인 분석들이 장치에서 수행될 수 있다. 본 발명의 장치는 다수의 중요한 반응 파라미터에 걸쳐서 능동적이고 동적인 제어를 전자적으로 제공할 수 있다. 이러한 전자적인 제어는 반응을 제어하는 새로운 물리적 메카니즘과, 반응 비율, 특이성 및, 감도에서의 현저한 향상으로 이끈다. 이러한 파라미터에서의 향상은 장치를 전자적으로 제어하는 가능성으로부터 오며 다음과 같은 것들에 직접적으로 영향을 미친다. (1) 고정화된 특정의 결합 개체들을 포함하는 특정의 반응 유니트로 반응물 또는 분석 대상 물질등을 급속하게 전달함. (2) 특정한 마이크로 전극 표면상의 특정한 결합 개체들에 함께 반응물 또는 분석 대상 물질의 집중에 기인하여 반응 비율이 증가함. (3) 반응하지 않은, 그리고 비 특이적으로 결합된 성분들을 마이크로 전극으로부터 급속하고 선택적으로 제거함. (4) 각 반응 유니트가 샘플을 직렬로 사용할 수 있으므로 생물학적 분석에 필요한 샘플의 양이 소량임. 각 반응은 이전의 반응에서와 같은 샘플을 사용할 수 있는데, 이는 원래의 샘플이 특정의 반응들에 대한 반응에 의해서 변형되지 않기 때문이다. 따라서 각 반응 유니트가 독립적으로 제어되기 때문에 소량의 샘플 재료로 다중의 분석을 수행할 수 있다. (5) 생물학적 반응에 필요한 일부 성분들은 필요하다면 중앙의 전극에 고정될 수 있다. (6) 생물학적 반응에 의해서 제조된 제조물(들)은 차후의 반응을 위한 결합층으로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, PCR 에서, 클론이 만들어진 DNA 는 결합 층으로부터 떨어질 수 있으며 다른 연장이 동일한 결합 초기물 시??스를 사용하여 이루어질 수 있다.Once the device has been associated with specific binding entities, multi-step and complex analyzes of various biological types can be performed on the device. The apparatus of the present invention can electronically provide active and dynamic control over a number of important reaction parameters. This electronic control leads to new physical mechanisms that control the reaction and significant improvements in reaction rate, specificity, and sensitivity. The improvement in these parameters comes from the possibility of controlling the device electronically and directly affects the following: (1) Rapid delivery of reactants or analytes to specific reaction units containing immobilized specific binding entities. (2) The reaction rate increases due to the concentration of reactants or analytes together with certain binding entities on a particular microelectrode surface. (3) Rapid and selective removal of unreacted and nonspecifically bound components from the microelectrode. (4) Small amount of sample required for biological analysis since each reaction unit can use samples in series. Each reaction can use the same sample as in the previous reaction, since the original sample is not modified by the response to certain reactions. Therefore, each reaction unit is controlled independently, enabling multiple analyzes with a small amount of sample material. (5) Some components necessary for biological reaction can be fixed to the central electrode if necessary. (6) The product (s) produced by the biological reaction can be removed from the binding layer for subsequent reaction. For example, in PCR, cloned DNA can be separated from the binding layer and other extensions can be made using the same binding initiator sequence.

본 발명의 자체 어드레스(self-addressed) 장치는 다양한 마이크로 포맷의 다단계 및/또는 복합적인 반응 및, 과정을 급속하게 수행할 수 있는데, 이것은, 예를 들면 고정화 타겟(target) DNA/탐침 DNA, 고정화 탐침 DNA/타겟 DNA, 고정화 포획(capture) DNA/타겟 DNA/탐침 DNA 와 같은 통상적인 포맷에서의 DNA 및, RNA 혼성화 과정 및, 분석; 직렬 방식 또는 병렬 방식에서의 다중 또는 복합적인 혼성화 반응들; 제한 단편(fragment) 및, 전체적인 DNA/RNA 단편 크기의 분석; 제한 효소 반응 및, 분석, 리가제(ligase) 반응, 키나제(kinase) 반응 및, DNA/RNA 증폭과 같은 분자 생물학적 반응; 대형 또는 소형 항원체 및, 부착소(hapten)를 포함하는 항원체/항체원 반응; 예를 들면, (본래 위치(in situ)에서의 혼성화를 포함하는) 혼성화 분석, 유전자 분석, 유전자 지문 및, 면역 진단학과 같은 진단 평가; 샘플의 준비, 세포의 저장, 선택 및, 분석; 생물 단분자층의 접합 과정(biomolecular conjugation)(즉, 형광성, 화학적 발광성, 열량 측정 표지 및, 방사동위원소의 표지(label)를 포함하는 리포터(reporter) 그룹을 가지는 핵산, 효소, 단백질 또는 항제의 공유 및, 비공유 표지 하기(labeling); 예를 들면, 펩타이드 또는 올리고뉴클레오티드의 결합성 합성과 같은 생물 폴리머의 합성; 예를 들면, 탄수화물 또는 선형 폴리아크릴레이트와 같은 수용성 합성 폴리머의 합성; 그리고 매크로분자와 나노구조 (나노미터 크기의 입자 및, 구조)의 합성 및, 제조;를 포함하며, 그러나 그에 한정되지는 않는다.The self-addressed devices of the present invention can rapidly perform multi-step and / or complex reactions and processes in a variety of microformats, for example immobilized target DNA / probe DNA, immobilization DNA and RNA hybridization processes and assays in conventional formats such as probe DNA / target DNA, immobilized capture DNA / target DNA / probe DNA; Multiple or complex hybridization reactions in series or parallel mode; Analysis of restriction fragments and overall DNA / RNA fragment size; Restriction enzyme reactions and molecular biological reactions such as assays, ligase reactions, kinase reactions, and DNA / RNA amplification; Antigen / antibody reactions including large or small antigens and hapten; Diagnostic assessments such as, for example, hybridization assays (including hybridization in situ), genetic analysis, genetic fingerprinting, and immunodiagnostics; Preparation of samples, storage, selection and analysis of cells; Biomolecular conjugation (ie, sharing of nucleic acid, enzymes, proteins or agents with a reporter group comprising a fluorescent, chemiluminescent, calorimetric label, and label of a radioisotope, and Non-covalent labeling; for example, synthesis of biological polymers such as binding synthesis of peptides or oligonucleotides; synthesis of water-soluble synthetic polymers such as carbohydrates or linear polyacrylates; and macromolecules and nano Syntheses and manufactures of structures (particles of nanometer size and structures), including but not limited to.

핵산 혼성화 또는 PCR 은 본 발명의 주요 예로 사용될 수 있는데, 이는 진단학에서의 그들의 중요성 때문이며, 그리고 이들이 결합(친화력) 반응들에 있어서 보다 곤란한 유형들중 하나인 것을 특징으로 하기 때문이다. 이것은 특히 이들이 포맷 다중 형식으로 수행될 때 사실이며, 여기에서 각 개별적인 혼성화 반응은 상이한 엄밀도의 조건을 필요로 한다.Nucleic acid hybridization or PCR can be used as the main example of the present invention because of their importance in diagnostics and because they are characterized by one of the more difficult types in binding (affinity) reactions. This is especially true when they are performed in format multiple format, where each individual hybridization reaction requires conditions of different stringency.

본 발명의 장치 및, 방법은 핵산 혼성화가 다양한 종래 및, 신규한 포맷으로 수행될 수 있게 한다. 장치가 반응 파라미터들을 전자적으로 제어하도록 하는 성능은 핵산 혼성화 분석을 크게 향상시키며, 특히 배열(array)상의 각 개별적인 마이크로전극에 전자 엄중 제어(ESC)를 제공하는 장치의 성능을 향상시킨다. 본질적으로, 이는 공유의 배열상의 (단일 반응 유니트에서의) 개별적인 혼성화 반응이 단일의 튜브 분석처럼 수행될 수 있게 한다.The apparatus and methods of the present invention allow nucleic acid hybridization to be performed in a variety of conventional and novel formats. The ability to allow the device to electronically control the reaction parameters greatly enhances nucleic acid hybridization assays, and in particular the performance of the device to provide electronic stringency control (ESC) to each individual microelectrode on the array. In essence, this allows individual hybridization reactions (in a single reaction unit) on a covalent arrangement to be performed like a single tube analysis.

"핵산 혼성화"라는 용어는 자연 형태와 인조 형태 사이의 모든 혼성화 반응과, 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산 (RNA), 폴리뉴클레오티드 및, 올리고뉴틀레오티드를 포함하는 핵산의 유도체를 포함하는 것을 의미한다.The term "nucleic acid hybridization" is meant to include all hybridization reactions between natural and artificial forms, as well as derivatives of nucleic acids, including deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acid (RNA), polynucleotides, and oligonucleotides. do.

통상적인 폴리메라아제 체인 반응(PCR) 포맷은 다수의 배열 또는 매트릭스 포맷(matrix format) 뿐만 아니라 개시된 장치로써 수행될 수 있다. 일 예로서, DNA 증폭 및, 분석을 위해서 나노겐(Nanogen) 사가 개발한 나노칩(NanoChip;등록상표)과 같은 APEX(Active Programmable Electronic Matrix) 장치는 다음의 방식으로 디자인되고, 제조되며, 사용된다. 마이크로전극을 구비하는 반응 유니트의 배열(Array)는 처음에 마이크로리소그래픽(또는 마이크로가공) 기술을 이용하여 제조된다. 반응 유니트의 갯수와 반응 유니트상의 전극 배치의 기하는 최종의 용도에 의하여 결정된다. 장치는 DNA 초기체로서 올리고뉴클레오티드를 포함하는 알칸티올의 혼합물과 함께 직렬의 방식으로 급속하게 어드레스(address)된다. 이러한 경우에, 올리고뉴클레오티드는 6-mers 내지 100-mers 범위의 3'-터미널 올리고뉴클레오티드이며, 필요하다면 보다 큰 폴리뉴클레오티드가 고정화될 수 있다. 알칸티올의 티올 기능기는 특정한 마이크로 전극 고정화 표면에 공유 결합 부착되는 것을 허용한다 (도 10a). 이러한 특정한 올리고뉴클레오티드의 그룹은 통상의 기술을 사용하여 통상의 DNA 합성기상에서 용이하게 합성될 수 있다. 각각의 특정 올리고뉴틀레오티드의 합성은 리보뉴클레오티드로 제어된 기공 유리(controlled pore glass;CPG) 지지부로부터 개시된다. 따라서, 3'-터미널 위치는 리보뉴클레오티드를 포함하는데, 이것은 합성 및, 정제 이후에 과요오드산염 산화에 의해서 디알데히드(dyaldehyde) 유도체로 용이하게 전환된다. 올리고뉴클레오티드를 포함하는 알칸티올의 하이드록시 그룹은 전극의 표면상에서 기초적인 아민 기능 그룹과 용이하게 반응하게 될 것이다.Conventional polymerase chain reaction (PCR) formats can be performed with the disclosed apparatus as well as with multiple array or matrix formats. As an example, an Active Programmable Electronic Matrix (APEX) device, such as NanoChip®, developed by Nanoogen for DNA amplification and analysis is designed, manufactured, and used in the following manner: . An array of reaction units with microelectrodes is initially manufactured using microlithographic (or micromachining) techniques. The number of reaction units and the geometry of the electrode arrangement on the reaction unit are determined by the end use. The device is rapidly addressed in a serial fashion with a mixture of alkanthiols comprising oligonucleotides as DNA initiators. In this case, the oligonucleotides are 3'-terminal oligonucleotides ranging from 6-mers to 100-mers, and larger polynucleotides can be immobilized if necessary. The thiol functional group of the alkanethiol allows for covalent bond attachment to certain micro electrode immobilized surfaces (FIG. 10A). Such specific groups of oligonucleotides can be readily synthesized on conventional DNA synthesizers using conventional techniques. The synthesis of each particular oligonucleotide is initiated from a ribonucleotide controlled pore glass (CPG) support. Thus, the 3'-terminal position includes ribonucleotides, which are readily converted to dialdehyde derivatives by periodic acid oxidation after synthesis and purification. The hydroxyl group of the alkanethiol comprising the oligonucleotide will readily react with the basic amine functional group on the surface of the electrode.

Yes

이러한 예들은 반응 챔버내에서 대전 입자의 공간 위치를 제어하는 본 기술의 능력을 나타낸다.These examples illustrate the ability of the present technology to control the spatial position of charged particles in the reaction chamber.

반응 챔버는 절연 재료내에 함입되어 있는 독립적으로 어드레스될 수 있는 10 개의 금 전극으로 구성된다. 절연체와 전극 표면들은 생물학적 실험에서 통상적으로 사용되는 침투층과 버퍼 용액으로 덮혀있다.The reaction chamber consists of ten independently addressable gold electrodes embedded in an insulating material. The insulator and electrode surfaces are covered with a permeation layer and buffer solution commonly used in biological experiments.

전극들은 중앙에 단일의, 크고 원형인 전극으로써 배치된다. 이러한 실시예에서 중앙 전극의 반경은 35 마이크론이다. 중앙 전극은 8 개의 외측 전극들에 의해서 둘러싸인다. 이러한 외측 전극들도 둥글며, 중앙 전극의 둘레에 균일하게 위치된다. 외측 전극의 반경은 5 마이크론이다. 중앙 전극의 중간부와 외측 전극의중간부 사이의 거리는 45 마이크론이다. 이것은 중앙의 도전성 표면과 외측 전극 사이에 5 마이크론의 갭을 두게 된다. 고르게 이격된 8 개의 외측 전극으로써, 외측 전극들 사이의 각도는 중앙 전극의 중간부에 대하여 45 도이다. 이것은 외측 전극들 사이의 중심 대 중심의 거리가 34.4 마이크론이 되게 한다. 외측 전극들의 도전성 부위 사이에서의 결과적인 갭은 24.4 마이크론이다. 외측 전극들은 도전성 물질의 링에 의해서 둘러싸이며, 그것의 내측 에지는 중앙 전극의 중간부로부터 70 마이크론에 위치한다. 링은 폭이 10 마이크론이며 항상 제로 볼트로 유지된다. 외측 전극의 전압은 반응 유니트에서 수행되는 작동에 의존하여 변화한다.The electrodes are arranged as a single, large, round electrode in the center. In this embodiment the radius of the center electrode is 35 microns. The central electrode is surrounded by eight outer electrodes. These outer electrodes are also round and uniformly positioned around the center electrode. The radius of the outer electrode is 5 microns. The distance between the middle of the center electrode and the middle of the outer electrode is 45 microns. This leaves a 5 micron gap between the central conductive surface and the outer electrode. With eight evenly spaced outer electrodes, the angle between the outer electrodes is 45 degrees with respect to the middle of the center electrode. This causes the center to center distance between the outer electrodes to be 34.4 microns. The resulting gap between the conductive portions of the outer electrodes is 24.4 microns. The outer electrodes are surrounded by a ring of conductive material, the inner edge of which is located 70 microns from the middle of the center electrode. The ring is 10 microns wide and always stays zero bolted. The voltage of the outer electrode changes depending on the operation performed in the reaction unit.

시뮬레이션의 수행에 있어서, 버퍼는 다음의 특성을 가지도록 취해졌다. 순수한 물의 점성과 같은 점성인 0.891x10-3kg/m x s, 온도는 25℃, 물의 유전 상수와 같은 유전 상수인 78.3, pH 는 8.3, 전체 이온 강도는 0.256M 으로 취해졌다. 입자들은 3 x 10-4cm2/(volt x sec)의 운동성을 가지도록 취해졌다.In performing the simulation, the buffer was taken to have the following characteristics. The viscosity was the same as that of pure water, 0.891x10 -3 kg / mxs, the temperature was 25 ° C, the dielectric constant 78.3, the pH was 8.3, the total ionic strength was 0.256M. The particles were taken to have motility of 3 x 10 -4 cm 2 / (volt x sec).

이러한 버퍼내에 존재하는 대전 입자에서 운동을 유도하도록, 위에서 설명된 전극들에 기지(旣知)의 전압을 적용함으로써 전기장이 발생되었다. 외측 전극들은 12 시 위치에서 시작하여 시계 방향으로 움직이면서 1 내지 8 로 번호를 부여할 수 있다. 전극(1)의 전압을 특정의 값인 V1 으로 설정하고, 전극(2)에는 V2 로 설정하는 식으로 설정된다. 전기장을 회전시키는 이러한 패턴의 반복은 근접한 대전 입자들의 원형 운동을 초래한다. 이것은 전극(1)을 -10 볼트로 , 전극(4)를 10 볼트로, 그리고 모든 다른 전극들을 제로 볼트로 설정함으로써 달성될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 음전하로 대전된 입자들은 전극(4)에 부착되는 반면에 양전하로 대전된 입자들은 전극(1)에 우선적으로 고정화된다. 두개의 제로가 아닌 전극에서 전압을 규칙적으로 변환시킴으로써 전기장은 시계 방향으로 회전함에 따라서, 대전 입자들은 반대 극성의 전극의 새로운 위치에 고정화된다. 이러한 방식으로 입자들은 중앙 전극의 둘레에서 원으로 이끌릴 수 있다.An electric field was generated by applying a known voltage to the electrodes described above to induce motion in the charged particles present in this buffer. The outer electrodes can be numbered from 1 to 8 starting at the 12 o'clock position and moving clockwise. The voltage of the electrode 1 is set to V1 which is a specific value, and the electrode 2 is set to V2. Repetition of this pattern of rotating the electric field results in circular motion of nearby charged particles. This can be achieved by setting electrode 1 to -10 volts, electrode 4 to 10 volts, and all other electrodes to zero volts. In this configuration, the negatively charged particles are attached to the electrode 4 while the positively charged particles are preferentially immobilized on the electrode 1. By regularly converting the voltage at the two non-zero electrodes, the electric field rotates clockwise, so that the charged particles are immobilized at the new position of the electrode of opposite polarity. In this way the particles can be drawn in a circle around the center electrode.

이러한 회전에서 사용된 전압은 입자들의 운동 패턴에 영향을 미친다. 전압을 증가시키는 것은 전기장이 반응 유니트 이상의 체적으로 챔버를 지나서 부피의 안으로 더욱 펴질 수 있게 하지만, 접지된 링은 칩의 표면을 따라서 이렇게 펴지는 것을 방지한다. 전기장은 보다 높은 전압에 기인하여 더 펼쳐지므로, 전압을 증가시키는 것은 대전된 입자들을 보다 먼 거리로부터 유인하는 것을 도울 수 있다. 이것은 중앙 전극에 근접한 대전 입자의 국부적인 집중을 증가시키는데 사용될 수 있다. 보다 큰 전압은 입자의 보다 빠른 운동을 초래할 수도 있다. 입자들의 전압은 그들의 운동성과 전기장의 곱과 같다. 시스템의 기하에 기인하여 전기장의 선은 직선이 아니며, 오히려 전극들 사이에 연장하는 원호를 형성한다. 이러한 원호 형상은 또한 대전 입자의 궤도에 보인다. 입자들이 칩의 표면 위에서 이동하는 높이는 전압이 증가함에 따라서 증가한다. 도 4 는 전극(1,2,3,4)들에 대한 전압을 -4, -1, -1, 10 볼트로 회전시킴으로써 야기된 궤도를 도시한다. 모든 전극들은 접지되었다. 전극(2)을 -1 볼트로 설정하는 것은 전극의 그러한 표면에 근접한 그 어떤 음전하 입자라도 전기장의 회전 이전에 이탈되게 밀리게 한다. 이것은 -4 볼트의 값이 같은 입자들을 보다 강력하게, 그리고 보다 높은 높이로 배출시키므로 유리한것이다. 이것은 일부 적용예에 대해서는 바람직스럽지 않을 수 있는데, 이는 입자가 전극들 사이에서 이동하여야만 하는 전체 거리를 증가시키기 때문이다. 그러한 거리에서의 증가는 회전이 그러한 주파수에서 수행되어야만 하는 주파수에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 만약 입자들이 이러한 회전과 맞출 수 있는 방식으로 전기장이 회전된다면, 입자들의 전체적인 경로 길이를 밝히도록 주의를 기울여야만 한다. 10 볼트 값으로 이어지는 전극에서의 전압은 적어도 약간 음의 값이어야 한다. 이는 커다란 양의 전압이 음의 입자를 유인하기 때문이다. 그러한 값이 반대로 회전하여 제로로 대체되면, 전극의 표면에 근접한 입자들은 근접한 전극들의 전기장으로부터 대규모로 스크린(screen)된다. 전극을 음의 값으로 배치하는 것은 음의 입자들을 표면으로부터 이탈되게 밀어내서, 입자들을 근접한 전극들로부터의 전기장과 보다 강하게 상호 작용할 수 있게 한다. (단지 +/1 볼트 전극들만을 가진 제 1 의 예에서와 같이) 이것이 없으면, 각 전극에 의해 유인된 대부분의 입자들은 반대로 대전된 전극이 그 위치로 회전할때까지 그 전극의 표면에 근접하여 트래핑된(trapped) 상태로 유지될 것이다. 이때, 입자들은 강력하게 배척될 것이며 칩의 표면 위로 멀리 밀려나가게 될 것이다. 이러한 효과는 침투층의 두께, 밀도 및, 물질 특성에 의해서도 조절된다.The voltage used in this rotation affects the pattern of motion of the particles. Increasing the voltage allows the electric field to stretch further into the volume beyond the chamber into the volume above the reaction unit, but the grounded ring prevents this from spreading along the surface of the chip. Since the electric field spreads further due to the higher voltage, increasing the voltage can help attract charged particles from a greater distance. This can be used to increase the local concentration of charged particles in proximity to the center electrode. Larger voltages may result in faster movement of the particles. The voltage of the particles is equal to the product of their motility and electric field. Due to the geometry of the system, the lines of the electric field are not straight, but rather form arcs extending between the electrodes. This arc shape is also visible in the trajectory of the charged particles. The height at which particles move above the surface of the chip increases with increasing voltage. 4 shows the trajectory caused by rotating the voltages on the electrodes 1, 2, 3, 4 to -4, -1, -1, 10 volts. All electrodes are grounded. Setting electrode 2 to -1 volts causes any negatively charged particles proximate such surface of the electrode to be pushed off prior to rotation of the electric field. This is advantageous because it ejects particles with the same value of -4 volts more powerfully and at a higher height. This may not be desirable for some applications because it increases the overall distance that particles must travel between the electrodes. The increase in such distance may affect the frequency at which rotation must be performed at such frequency. In other words, if the electric field is rotated in such a way that the particles can match this rotation, care must be taken to reveal the overall path length of the particles. The voltage at the electrode leading to the 10 volt value should be at least slightly negative. This is because large positive voltages attract negative particles. If such values are reversed and replaced by zero, particles close to the surface of the electrode are screened on a large scale from the electric field of the adjacent electrodes. Positioning the electrode to a negative value pushes the negative particles off the surface, allowing the particles to interact more strongly with the electric field from adjacent electrodes. Without this (as in the first example with only + / 1 volt electrodes), most of the particles attracted by each electrode trapped close to the surface of the electrode until the oppositely charged electrode rotated to that position. It will remain trapped. At this point, the particles will be strongly rejected and pushed away over the surface of the chip. This effect is also controlled by the thickness, density and material properties of the penetrating layer.

전극의 기하도 입자의 궤도에 영향을 미친다. 중앙 전극의 중간부로부터 외측 전극의 중간부로의 거리가 클수록, 회전 주파수는 동일한 운동성의 입자에 대해서 더 낮아져야 한다. 이는 단순히 외측 전극들 사이의 증가된 경로 길이와, 두개의 외측 전극들에서 주어진 전압으로써 발생된 전기장에서의 대응하는 감소에 기인한 것이다. 이러한 증가된 길이는 외측 전극에서 전압을 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 그러한 증가는 보다 높은 회전 주파수를 사용 가능하게 하지만, 경로가 보다 큰 원호로 이루어지는 결과를 초래한다. 전극의 기하와, 회전 주파수와 전압들 사이의 관계는 고도로 상호 관련되어 있다. 다른 고려들은 이러한 값들 중 하나 또는 그 이상에 대하여 제한을 가할 수 있는데, 이것은 전극에 의해서 발생된 외부 인가 전기장에 대한 생화학적 과정의 감도와 같은 것들이다. 예를 들면, 보다 큰 전기장을 허용할 수 없는 적용예에 있어서, 전극의 반경 또는 회전 주파수를 감소시킬 필요가 있다. 위에서 설명된 기하와 전압으로써, 1 Hz 내지 4 Hz 의 회전 주파수는 도 4 에 도시된 것과 동일한 궤도를 초래한다. 그러한 궤도에서의 입자들은 트랩핑된(trapped) 것으로 지칭된다. 이들은 이러한 궤도에서 필요할때까지 무기한으로 유지될 수 있다. 모든 타겟들이 결합되어 있는, 중앙 전극에 근접한 곳에 위치하여, 트래핑된 입자들은 반응들에 대하여 매우 급속하게 이용 가능하도록 만들어질 수 있다.The geometry of the electrode also affects the orbits of the particles. The greater the distance from the middle of the center electrode to the middle of the outer electrode, the lower the rotational frequency should be for particles of the same mobility. This is simply due to the increased path length between the outer electrodes and the corresponding decrease in the electric field generated with the given voltage at the two outer electrodes. This increased length can be compensated for by increasing the voltage at the outer electrode. Such an increase enables the use of higher rotational frequencies, but results in a path consisting of larger arcs. The geometry of the electrode and the relationship between the rotational frequency and the voltages are highly correlated. Other considerations may impose limitations on one or more of these values, such as the sensitivity of the biochemical process to an externally applied electric field generated by the electrode. For example, in applications where a larger electric field cannot be tolerated, it is necessary to reduce the radius or rotational frequency of the electrode. With the geometry and voltage described above, a rotation frequency of 1 Hz to 4 Hz results in the same trajectory as shown in FIG. Particles in such orbits are referred to as trapped. They can remain indefinitely in these orbits until needed. Located close to the central electrode, to which all targets are bound, the trapped particles can be made very rapidly available for reactions.

본 발명은 생물학, 의학등의 분야등에서 대전 입자의 공간 위치 제어에 이용될 수 있다.The present invention can be used for controlling the spatial position of charged particles in the fields of biology, medicine and the like.

Claims (50)

기판상에 복수개의 외측 전극으로 둘러싸인 중앙 전극을 가진 반응 유니트내에서 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 방법으로서, 상기 반응 유니트는 분자의운동에 마찰 저항을 제공하는 매질로 충전되고, 상기 방법은,A method of controlling the spatial position of charged molecules in a reaction unit having a central electrode surrounded by a plurality of outer electrodes on a substrate, the reaction unit being filled with a medium that provides frictional resistance to the motion of the molecules, (1) 대전 분자를 상기 반응 유니트내에 배치하는 단계;(1) placing a charged molecule into said reaction unit; (2) 전기장을 발생시키도록 소정 크기의 제 1 전압들을 중앙 전극과 복수개의 외측 전극들로부터 선택된 적어도 하나의 외측 전극의 한 세트(set)에 인가하는 단계; 및,(2) applying first voltages of a predetermined magnitude to a set of at least one outer electrode selected from the center electrode and the plurality of outer electrodes to generate an electric field; And, (3) 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 전기장을 회전시키도록 소정 크기의 제 2 전압들을 중앙 전극과 복수개의 외측 전극들로부터 선택된 적어도 하나의 외측 전극의 한 세트에 인가하는 단계;를 구비하고,(3) applying second voltages of a predetermined magnitude to at least one set of outer electrodes selected from the center electrode and the plurality of outer electrodes to rotate the electric field controlling the spatial position of the charged molecule; 선택된 전극들에 인가된 전압에 의해 발생된, 반응 유니트에 걸친 순전하는 제로로 유지되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling spatial position of a charged molecule, characterized in that the net charge across the reaction unit generated by the voltage applied to the selected electrodes is maintained at zero. 기판상에 복수개의 전극을 가지는 반응 유니트에서 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 반응 유니트는 분자의 운동에 마찰 저항을 제공하는 매질로 충전되고, 상기 방법은,A method of controlling the spatial position of charged molecules in a reaction unit having a plurality of electrodes on a substrate, wherein the reaction unit is filled with a medium that provides frictional resistance to the movement of the molecules, (1) 대전 분자를 상기 반응 유니트내에 배치하는 단계;(1) placing a charged molecule into said reaction unit; (2) 전기장을 발생시키도록 복수개의 전극들로부터 선택된 적어도 2 개의 전극들의 한 세트에 소정 크기의 제 1 전압을 인가하는 단계; 및,(2) applying a first voltage of a predetermined magnitude to a set of at least two electrodes selected from the plurality of electrodes to generate an electric field; And, (3) 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 전기장을 회전시키도록 복수개의 전극들로부터 선택된 적어도 2 개의 다른 전극들의 한 세트에 소정 크기의 제 2 전압을 인가하는 단계;를 구비하고,(3) applying a second voltage of a predetermined magnitude to a set of at least two other electrodes selected from the plurality of electrodes to rotate the electric field controlling the spatial position of the charged molecule; 선택된 전극들에 인가된 전압에 의해서 발생된, 반응 유니트에 걸친 순전하는 제로에서 유지되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling the spatial position of a charged molecule, characterized in that the net charge across the reaction unit generated by the voltage applied to the selected electrodes is maintained at zero. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 외측 전극의 갯수는 3 내지 30 개인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Space number control method of the charged molecule, characterized in that the number of the outer electrode is 3 to 30. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 전극의 갯수는 3 내지 30 개인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The number of electrodes is 3 to 30, the space position control method of the charged molecule, characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 탐침 분자는 상기 중앙 전극에 고정되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Probe molecules are fixed to the center electrode space position control method of the charged molecule, characterized in that. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 전극들에 인가된 전압들은 -10V 내지 +10V 인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The voltages applied to the electrodes are -10V to + 10V, the spatial position control method of the charged molecule, characterized in that. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 탐침은 DNA, RNA, 효소 또는 단백질들로부터 선택된 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The probe is a spatial position control method of the charging molecule, characterized in that selected from DNA, RNA, enzymes or proteins. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 중앙 전극은 중앙 전극내에 있으면서 중앙 전극으로부터 전기적으로 절연된 하나 또는 그 이상의 내측 전극을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The center electrode may have one or more inner electrodes electrically insulated from the center electrode while in the center electrode. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 전극에 의해서 발생된 전기장은 시계 방향 또는 시계 반대 방향의 방식으로 회전하도록 되고, 상기 회전은 전극 전압의 규칙적인 전진에 의해서 수행되며 여기에서 주어진 전극에서의 전압은 이전의 시간 간격에서 근접한 전극의 값과 같게 설정되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The electric field generated by the electrode is caused to rotate in a clockwise or counterclockwise manner, the rotation being carried out by the regular advancement of the electrode voltage, where the voltage at the given electrode is the value of the electrode proximate to the previous time interval. The space position control method of the charging molecule, characterized in that set as. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 전기장의 진폭 및, 회전 주파수는 상이한 전기 영동의 운동성을 가지는 이온 종(species)들을 분리시키는 방식으로 변조되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling spatial position of a charged molecule, wherein the amplitude of the electric field and the rotational frequency are modulated in a manner that separates ion species having different electrophoretic motility. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 전기장의 회전 주파수는 0.001 Hz 내지 1000 Hz 인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The rotational frequency of the electric field is 0.001 Hz to 1000 Hz method of controlling the spatial position of the charged molecule. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 만들어진 전기장은 전자적인 트랩을 만들도록 구성되며 대전된 분자는 그것을 통해서 트랩에 들어갈 수 없는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The generated electric field is configured to create an electronic trap and charged molecules cannot enter the trap through it. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 전기장은 특정 대전 분자가 트랩으로 들어갈 수 있는 방식으로 일시적으로 재 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Wherein the electric field can be temporarily reconstructed in such a way that a particular charged molecule can enter the trap. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 대전 분자는 생물학적 반응과 관련된 DNA, RNA, 단백질 또는 효소들로부터 선택된 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling spatial position of a charged molecule, wherein the charged molecule is selected from DNA, RNA, protein or enzymes involved in a biological reaction. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 생물학적 반응은 핵산 혼성화, 핵산 증폭, 샘플 준비, 항체/항원 반응, 임상학적 진단 또는 생물 폴리머 합성을 포함하는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Biological responses include nucleic acid hybridization, nucleic acid amplification, sample preparation, antibody / antigen reactions, clinical diagnostics, or biopolymer synthesis. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 반응 유니트내 온도는 점진적으로 증가하거나 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling the spatial position of a charged molecule, characterized in that the temperature in the reaction unit is gradually increased or decreased. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 반응 유니트내 pH 는 점진적으로 증가하거나 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Wherein the pH in the reaction unit is gradually increased or decreased. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 반응 유니트내 이온 농도는 점진적으로 증가하거나 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling the spatial position of charged molecules, characterized in that the ion concentration in the reaction unit is gradually increased or decreased. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 매질은 공통의 버퍼 용액이거나 또는 다공성 물질인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Wherein the medium is a common buffer solution or a porous material. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 침투 층과 결합 층은 상기 중앙 전극상에서 형성되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling spatial position of a charged molecule, characterized in that a permeation layer and a bonding layer are formed on the central electrode. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 상기 침투층은 알칸티올 또는 다공성 물질의 자기 조립된 단분자층인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.And the penetration layer is a self-assembled monomolecular layer of an alkane thiol or a porous material. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 전극은 금, 은, 동 또는 알루미늄으로부터 선택된 전기적으로 도전성인 물질인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.And said electrode is an electrically conductive material selected from gold, silver, copper or aluminum. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 기판은 유리, 실리콘 또는 세라믹으로부터 선택된 전기적으로 절연된 물질인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.And said substrate is an electrically insulated material selected from glass, silicon or ceramic. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 외측 전극들의 배치는 폐쇄된 시스템인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Wherein the arrangement of the outer electrodes is a closed system. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 전극의 배치는 폐쇄된 시스템인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.The method of controlling the spatial position of a charged molecule, wherein the arrangement of the electrodes is a closed system. 기판;Board; 기판상에 장착된 중앙 전극;A central electrode mounted on the substrate; 기판상에서 중앙 전극을 둘러싸는 복수개의 외측 전극; 및,A plurality of outer electrodes surrounding the central electrode on the substrate; And, 대전 분자에 마찰 저항을 제공하며, 기판상의 중앙 전극과 외측 전극들을 덮는 매질;을 가지는 적어도 하나의 유니트를 구비하고,At least one unit having a frictional resistance to the charging molecule, the medium covering the central and outer electrodes on the substrate; 분자 위치는 전극에 인가된 전압 크기를 변화시킴으로써 발생된 전기장을 회전시킴으로써 제어되고,The molecular position is controlled by rotating the electric field generated by varying the magnitude of the voltage applied to the electrode, 선택된 전극에 인가된 전압에 의해서 발생된 반응 유니트에 걸친 순전하는 제로에서 유지되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치를 제어하는 장치.Wherein the net charge across the reaction unit generated by the voltage applied to the selected electrode is maintained at zero. 기판;Board; 기판상의 복수개의 전극; 및,A plurality of electrodes on the substrate; And, 대전 입자에 마찰 저항을 제공하고 기판상의 전극을 덮는 매질;을 가지는 적어도 하나의 반응 유니트를 구비하고,At least one reaction unit having a frictional resistance to the charged particles and a medium covering the electrode on the substrate; 분자의 위치는 전극에 인가된 전압의 크기를 변화시킴으로써 발생된 전기장을 회전시킴으로써 제어되고,The position of the molecule is controlled by rotating the electric field generated by varying the magnitude of the voltage applied to the electrode, 선택된 전극에 인가된 전압에 의해서 발생된, 반응 유니트에 걸친 순전하는 제로에서 유지되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.The space position control device of the charged molecule, characterized in that the net charge across the reaction unit generated by the voltage applied to the selected electrode is maintained at zero. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 기판상의 외측 전극을 둘러싸는 외측 링을 더 구비하고, 외측 링은 상기 반응 유니트에 걸쳐서 상기 전극들에 인가되는 전압에 의해서 발생된 전기장이 퍼지는 것을 감소시키는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.And an outer ring surrounding the outer electrode on the substrate, the outer ring reducing the spread of the electric field generated by the voltage applied to the electrodes across the reaction unit. . 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 복수개의 전극의 갯수는 3 내지 30 개인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.Spatial position control device of the charged molecule, characterized in that the number of the plurality of electrodes is 3 to 30. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 전극 배치의 기하는 원형, 사각형 또는 다이아몬드 형상과 같은 폐쇄 시스템인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.The geometry of the electrode arrangement is a spatial position control device for charged molecules, characterized in that it is a closed system such as a circular, square or diamond shape. 제 26 항에 있어서,The method of claim 26, 탐침 분자는 상기 중앙 전극에 고정되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.Probe molecules are fixed to the center electrode space position control device, characterized in that. 제 31 항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 탐침은 DNA, RNA, 효소 또는 단백질들로부터 선택된 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.The probe is a spatial position control device of the charging molecule, characterized in that selected from DNA, RNA, enzymes or proteins. 제 26 항에 있어서,The method of claim 26, 중앙 전극은 중앙 전극내에 있으면서 중앙 전극으로부터 전기적으로 절연된 하나 또는 그 이상의 내측 전극을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.And wherein the center electrode can have one or more inner electrodes that are in the center electrode and electrically insulated from the center electrode. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 전극에 의해서 발생된 전기장은 시계 방향 또는 시계 반대 방향의 방식으로 회전하도록 되고, 상기 회전은 전극 전압의 규칙적인 전진에 의해서 수행되며 여기에서 주어진 전극에서의 전압은 이전의 시간 간격에서 근접한 전극의 값과 같게 설정되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.The electric field generated by the electrode is caused to rotate in a clockwise or counterclockwise manner, the rotation being carried out by the regular advancement of the electrode voltage, where the voltage at the given electrode is the value of the electrode proximate to the previous time interval. Spatial position control device of the charged molecule, characterized in that the same as set. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 전기장의 진폭 및, 회전 주파수는 상이한 전기 영동의 운동성을 가지는 이온 종(species)들을 분리시키는 방식으로 변조되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.Wherein the amplitude of the electric field and the rotational frequency are modulated in such a way as to separate ionic species having different electrophoretic motility. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 만들어진 전기장은 전자적인 트랩을 만들도록 구성되며 대전된 분자는 그것을 통해서 트랩에 들어갈 수 없는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어장치.The electric field produced is configured to create an electronic trap, and the charged molecule space position control device, characterized in that the trap cannot enter through it. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 전기장은 특정 대전 분자가 트랩으로 들어갈 수 있는 방식으로 일시적으로 재 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.Wherein the electric field can be temporarily reconstructed in such a way that a particular charged molecule can enter the trap. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 대전 분자는 생물학적 반응과 관련된 DNA, RNA, 단백질 또는 효소들로부터 선택된 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling spatial position of a charged molecule, wherein the charged molecule is selected from DNA, RNA, protein or enzymes involved in a biological reaction. 제 38 항에 있어서,The method of claim 38, 생물학적 반응은 핵산 혼성화, 핵산 증폭, 샘플 준비, 항체/항원 반응, 임상학적 진단 또는 생물 폴리머 합성을 포함하는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.Biological reactions include nucleic acid hybridization, nucleic acid amplification, sample preparation, antibody / antigen reactions, clinical diagnostics, or biopolymer synthesis. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 반응 유니트내 온도는 점진적으로 증가하거나 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 방법.A method of controlling the spatial position of a charged molecule, characterized in that the temperature in the reaction unit is gradually increased or decreased. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 반응 유니트내 pH 는 점진적으로 증가하거나 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.Wherein the pH in the reaction unit is gradually increased or decreased. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 반응 유니트내 이온 농도는 점진적으로 증가하거나 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.Spatial position control device of charged molecule, characterized in that the ion concentration in the reaction unit is gradually increased or decreased. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 상기 매질은 공통의 버퍼 용액이거나 또는 다공성 물질인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.And the medium is a common buffer solution or a porous material. 제 26 항에 있어서,The method of claim 26, 침투 층과 결합 층은 상기 중앙 전극상에서 형성되는 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.An infiltration layer and a bonding layer are formed on the central electrode. 제 44 항에 있어서,The method of claim 44, 상기 침투층은 알칸티올 또는 다공성 물질의 자기 조립된 단분자층인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.And the penetration layer is a self-assembled monomolecular layer of an alkane thiol or a porous material. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 상기 전극은 금, 은, 동 또는 알루미늄으로부터 선택된 전기적으로 도전성인 물질인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.And the electrode is an electrically conductive material selected from gold, silver, copper or aluminum. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,The method of claim 26 or 27, 상기 기판은 유리, 실리콘 또는 세라믹으로부터 선택된 전기적으로 절연된 물질인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.And said substrate is an electrically insulated material selected from glass, silicon, or ceramic. 제 26 항에 있어서,The method of claim 26, 외측 전극들의 배치는 폐쇄된 시스템인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.The arrangement of outer electrodes is a spatial position control device of charged molecule, characterized in that the closed system. 제 27 항에 있어서,The method of claim 27, 전극의 배치는 폐쇄된 시스템인 것을 특징으로 하는 대전 분자의 공간 위치 제어 장치.The arrangement of electrodes is a spatial position control device of charged molecules, characterized in that the closed system. 기판,Board, 기판상의 중앙 전극 및,A center electrode on the substrate, 기판상의 중앙 전극을 둘러싸는 복수개의 외측 전극을 가지는 반응 유니트를 구비하고,A reaction unit having a plurality of outer electrodes surrounding the center electrode on the substrate, 상기 중앙 전극은 상기 외측 전극들로부터 1 내지 100 마이크론의 거리로 분리되고, 반응을 위한 결합 실체물을 가진 침투층은 상기 중앙 전극상에 배치되고,The central electrode is separated by a distance of 1 to 100 microns from the outer electrodes, a penetration layer having a binding entity for reaction is disposed on the central electrode, 접지된 외측 링 전극은 상기 반응 유니트에 걸쳐 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 발생된 전기장의 펼쳐짐을 감소시키도록 상기 반응 유니트를 감싸는 것을 특징으로 하는 전극들 사이의 반응을 위한 장치.A grounded outer ring electrode surrounds the reaction unit to reduce spreading of the electric field generated by the voltage applied to the electrode across the reaction unit.
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