KR20050050425A - 캔틸레버 센서형 분석 시스템, 제조 방법 및 이를 이용한극미세 물질 감지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 미세 물질을 감지하는 분석 시스템에 있어서, 반응물을 주입할 수 있는 유입구와, 상기 유입구와 반응 챔버를 연결하는 미소 유입 채널이 형성된 미소 유체 전달 시스템과; 일단이 기판에 고정된 캔틸레버와, 상기 캔틸레버의 상면 하면 중 적어도 어느 한 면에 적층되며 압전막과 상기 압전막의 하면에 형성된 하부 전극과 상기 압전막의 상면에 형성된 상부 전극으로 이루어진 구동막과, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극에 전기를 가하는 전기 패드와, 상기 캔틸레버 및 상기 구동막 중 적어도 어느 한면의 상면에 형성되어 분석물과 반응하기 위한 분자 인식층을 포함하며 상기 반응 챔버에 설치된 캔틸레버 센서를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 극미세 물질 감지 방법을 제공함으로써, 별도의 외부 액튜에이터 없이 캔틸레버에 일정한 주파수의 진동을 가할 수 있으므로, 캔틸레버 센서의 크기를 현저히 줄여 미세 유체 전달시스템과 결합할 수 있어 극 소량의 반응물질을 측정할 수 있도록 한다.

Description

캔틸레버 센서형 분석 시스템, 제조 방법 및 이를 이용한 극미세 물질 감지 방법{ELEMENT DETECTING SYSTEM USING CANTILEVER, METHOD FOR FABRICATION OF THE SAME SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING MICRO ELEMENT USING THE SAME SYSTEM}
본 발명은 미세 물질을 감지하는 분석 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 소형화 가능할 뿐만 아니라, 공기 중은 물론 액체내에서도 미세 물질을 감지할 수 있어, 연속적인 반응량을 감지할 수 있는 캔틸레버 센서형 분석 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 특히 혈액내에 DNA, 단백질, 효소, 또는 셀과 같은 다양한 바이오물질을 감지하는 감지 칩(Sensing Chip)에 관한 것이다. 전기적으로 또는 광학적으로 미세물질을 감지하는 시스템은 종래에 Quartz Crystal Mass Balance (QCM) 가 있었으나, 종래의 QCM은 Quartz 단결정이 깨지기 쉬워 (brittle) 작고 얇게 만드는 것이 어려워 대량 생산이 적합하지 않다는 단점이 있다.
또한, 현재 연구되어지고 있는 캔틸레버를 이용한 센서들은 캔틸레버가 열이나 혹은 가스의 흡착에 의한 질량(Mass)의 변화 등 캔틸레버 표면의 변화에 의한 정적인 휨(static deflection)을 레이저와 같은 광원을 이용하여 측정하고 있다. 이러한 휨에 의한 센싱방법을 바이오물질의 감지에 적용한 경우로 미국 버클리 대학의 Majumdar 등과 IBM 스위스 Zurich 연구소의 Fritz 등을 들 수 있으며 Nature Biotechnology 19, 856-860 (2001) 과 Science 288, 316-318 (2000)에 마이크로 캔틸레버 표면에서 발생하는 생물학적 반응에 의한 단백질과 유전자의 감지방법을 발표하고 있다. 이들 정적인 휨에 의한 센싱 방법은 레이저와 같은 광원을 이용하여 캔틸레버 표면에 포커싱하여 위치인식 다이오드(sensing position diode)로 집광시킴으로써 센싱이 이루어진다. 이 경우 외부의 열에 의한 마이크로 캔틸레버의 움직임을 최소화하기 위하여 항온장치가 필요하고 정밀한 휨 평가를 위하여 최소한의 광학적 공간이 요구되는 등 작은 크기의 시스템 구현에 한계가 있다. 이러한 휨에 의한 센싱이외에 공진주파수 변화를 이용하여 센싱하는 방법이 있다. Oak Ridge national lab의 Thundat 등은 Applied Physics Letters 80, 2219-2221 (2002)에서 공진주파수 측정에 의하여 마이크로 캔틸레버의 표면에 Na+ 이온의 흡착에 의한 스프링콘스탄트 변화를 측정가능함을 보였고, IBM 스위스 Zurich 연구소를 비롯한 몇몇 연구자들에 의하여 공기중의 특정 가스를 감지하는데 공진주파수 측정에 의하여 센싱이 가능함을 보고한바 있다. 그러나 이들 경우 모두 외부에 별도의 액츄에이터를 부착하여 공진시킨 것이다. 그러나, 외부의 액츄에이터에 의하여 공진시킬 경우 결정적인 문제는 마이크로캔틸레버에 의하여 센싱하게되는 샘플과의 표면 반응에 필요한 공간인 챔버의 크기가 커져야 하고 따라서 수 pico litter에서 수십 ㎕정도의 미량과 반응하기 위한 진단칩이나 혹은 분석장치를 구현하기에는 어려움이 있다.
또한 이러한 마이크로 캔틸레버를 이용한 센서이외에 DNA, Protein 등 생체 물질의 감지를 위해서 종래의 칩들은 유리, 실리콘 웨이퍼 등 기판 위에 어레이 형태로 여러 개의 금(gold) 패턴을 만들어 그 위에 생체인식 유기분자막이 형성될 수 있도록 하고, 표면개질을 수행하고 대상 감지 생체물질을 프루브(probe)를 사용하여 분석물질 내에 함유된 측정 대상 물질과 결합할 경우, 부착된 형광물질에 의하여 레이져 등으로 스케닝될 경우 형광을 발하게 되고, 상기 형광을 광 감지 소자(또는 검출기)를 이용 감지하도록 하고 있다. 이러한 방법 역시 광원과 검출기를 동시에 내장하여야 하고 포커싱에 필요한 광학계도 장착하여야 하는 등 소형화에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 소형화 가능할 뿐만 아니라, 공기 중은 물론 액체내에서도 미세 물질을 감지할 수 있어, 연속적인 반응량을 감지할 수 있는 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 반응물을 주입할 수 있는 유입구와, 상기 유입구와 반응 챔버를 연결하는 미소 유입 채널이 형성된 미소 유체 전달 시스템과; 일단이 기판에 고정된 캔틸레버와, 상기 캔틸레버의 상면 하면 중 적어도 어느 한 면에 적층되며 압전막과 상기 압전막의 하면에 형성된 하부 전극과 상기 압전막의 상면에 형성된 상부 전극으로 이루어진 구동막과, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극에 전기를 가하는 전기 패드와, 상기 캔틸레버 및 상기 구동막 중 적어도 어느 한면의 상면에 형성되어 분석물과 반응하기 위한 분자 인식층을 포함하며 상기 반응 챔버에 설치된 캔틸레버 센서를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 분야에 따르면, MEMS 기술을 이용하여 캔틸레버를 제작하는 단계와, 상기 캔틸레버의 표면에 압전막과 상기 압전막의 상하면에 상부 전극 및 하부 전극을 적층하는 구동막 형성하는 단계와, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 일부에 전극 패드를 적층하는 단계와, 상기 캔틸레버와 상기 구동막 중 적어도 어느 한면에 분자 인식층을 형성하는 단계를 포함하는 캔틸레버 센서 형성단계와; 유입구와 반응 챔버와 상기 유입구와 상기 반응 챔버를 연결하기 위한 미소 유입 채널을 형성하기 위한 상하부 몰드를 형성하는 단계와; 상기 몰드에 용해된 몰드재료를 부은 후 고형화 시켜 상하부 플레이트를 형성하는 단계와; 상기 캔틸레버 센서 형성단계에서 형성된 캔틸레버 센서를 상기 반응 챔버 내에 고정하는 단계와; 상기 상하부 플레이트를 접합하는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템의 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 하기 위하여 생략하기로 한다.
도1 내지 도3은 본 발명의 일실시예의 구조를 도시한 도면으로서, 도1은 본 발명의 일실시예의 캔틸레버 센서형 분석 시스템의 투시 사시도, 도2는 도1의 캔틸레버 센서의 사시도, 도3은 도2의 절단선 Ⅲ -Ⅲ에 따른 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 미소 유체 전달 시스템(100)과, 상기 미소 유체 전달 시스템(100)의 반응 챔버(115) 내에 고정된 캔틸레버 센서(200)를 포함하여 구성된다.
상기 미소 유체 전달 시스템(100)은 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)가 서로 마주 보고 접합되어 형성된다. 상기 상부 플레이트(110)는 상부 플레이트(110)가 관통되어 형성된 유입구(111a, 111b) 및 유출구(117)와, 상부 플레이트(110)의 상기 하부 플레이트를 바라보는 면이 깊에 요입되며 관통되지 않게 형성된 혼합 챔버(113) 및 반응 챔버(115)와, 상부 플레이트(110)의 상기 하부 플레이트(120)를 바라보는 면이 요입되어 형성된 유입 채널(112a, 112b, 114) 및 유출 채널(116)을 포함하여 구성된다.
상기 유입 채널(112a, 112b, 114)은 상기 유입구(111a, 111b)와 상기 혼합 챔버(113)를 연결하는 입구측 채널(112a, 112b)과, 상기 혼합 챔버(113)와 상기 반응 챔버(115)를 연결하는 혼합 채널(114)을 포함하며, 상기 유출 채널(116)은 상기 반응 챔버(115)와 상기 유출구(117)를 연결하도록 구성된다.
그리고, 상기 혼합 채널(114)은 상기 반응 챔버의 하단, 즉 하부 플레이트(120)에 가까운 위치에 연결되며, 상기 유출 채널(116)은 상기 반응 챔버(115)의 상단에 위치하도록 연결된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 채널과 챔버들이 모두 상부 플레이트(110)에 형성되는 것을 예시하고 있으나, 반드시 상부 플레이트(110)에 형성되어야만 하는 것은 아니며, 하부 플레이트(120)에 형성될 수도 있으며, 상 하부 플레이트(110, 120) 양측에 형성될 수도 있다. 상기 상부 플레이트(110) 및 상기 하부 플레이트(120)는 폴리머 재료인 PDMS 혹은 폴리카보네이트로 형성될 수 있으며, 유리 재료인 Pyrex 혹은 석영으로 형성될 수도 있다.
상기 캔틸레버 센서(200)는 일단이 기판(210)에 고정된 캔틸레버(220)와, 상기 캔틸레버(220)의 상면에 적층된 구동막(230)과, 상기 구동막(230)에 전기를 공급하기위한 전기 패드(241, 242)와, 전기 신호를 검출하기 위한 전기 신호 패드(미도시)와, 액체 내에서 통전이 일어나는 것을 방지하기 위해 상기 구동막(230)을 감싸도록 형성된 절연막(250)과, 상기 캔틸레버(220)의 하면에 형성되어 분석물과 반응하기 위한 분자 인식층(260)을 포함하여 구성된다.
상기 캔틸레버(220)는 실리콘 산화막(221)과, 상기 실리콘 산화막(221) 위에 적층된 실리콘 질화막(222)과 상기 실리콘 질화막(222) 위에 적층된 실리콘 산화막(223)으로 삼중층으로 형성된다. 다만, 반드시 삼중층으로 형성되어야 하는 것은 아니며, 실리콘 산화막 혹은 실리콘 질화막과 실리콘의 이중층으로 형성될 수 있으며, 실리콘 혹은 실리콘 질화막의 단층으로 형성될 수도 있다.
상기 구동막(230)은 상기 캔틸레버(220)의 상면에 적층된 하부 전극(233)과, 상기 하부 전극에 적층된 압전막(232)과, 상기 압전막(232)의 상면에 적층된 상부 전극(231)로 구성된다.
상기 절연막(250)은 SiOx와 같은 무기 물질을 PECVD, APCVD 혹은 Evaporation 장치 등을 이용하여 정착하거나, Parylene와 같은 유기 물질로 구성된 막을 증착하여 형성한다. 다만, 전기 패드(240)와 상부 전극(231) 및 하부 전극(233)의 연결을 위해 상부 전극 개구(251) 및 하부 전극 개구(242)가 형성된다.
상기 전기 패드는 상기 상부 전극(231)과 연결된 상부 전기 패드(241)과 하부 전극(233)과 연결된 하부 전기 패드(242)로 구성된다. 또한, 상기 전기 신호 패드 또한 상기 상부 전극(231)과 하부 전극(233)에 각각 연결된다. 다만, 상기 전기 신호 패드는 공진 주파수를 전기적 신호로 검출하기 위한 것이며, 광학적으로 검출하기 위해서는 외부에서 반응 챔버(115) 내부간에 광학적으로 투명하도록 윈도우가 상기 미소 유체 전달 시스템에 형성된다.
상기 분자 인식층(250)은 Self Assembled Monolayer(이하, 'SAM'이라 한다.)를 상기 캔틸레버(220)의 하면에 개질한 후 피측증 물질에 반응하는 물질을 고정하거나, 캔틸레버(220)의 하면에 Cr과 Au을 증착한 후 그 위에 Calixcrown SAM을 개질한 후 피측정 물질에 반응하는 물질을 고정하여 형성된다. 예를 들면 Prostate Specific Antibody와 같은 물질을 SAM 상에 고정할 수 있다. 그러나, 피측증 물질의 종류에 따라 상기 SAM 상에 고정되는 물질은 다양하게 구성이 가능하다.
상기와 같이 구성된 캔틸레버 센서는 도2에 도시된 바와 같이, 하나의 기판(210) 상에 2 이상의 캔틸레버(220)가 형성되며, 각각의 캔틸레버(220) 상에 각각 상기 구동막(230), 절연막(250), 전극 패드(240), 전기 신호 패드(미도시) 및 분자 인식층(260)이 형성된다. 다만, 기준 공진 주파수를 구하기 위해 일부 캔틸레버(220) 상에 분자 인식층(260)이 형성되지 않을 수도 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 캔틸레버 센서형 분석 시스템은 MEMS 기술을 이용하여 캔틸레버 센서를 형성하는 단계와, 상기 미소 유체 전달 시스템의 상 하부 플레이트를 형성하는 단계와, 상기 상 하부 플레이트와 상기 캔틸레버 센서를 고정하는 단계로 구성된다.
상기 캔틸레버 센서를 형성하는 단계는 MEMS 기술을 이용하여 기판 상에 증착과 식각을 반복하여 구동막과 전극 패드와 분자 인식층을 형성한다.
상기 상 하부 플레이트를 형성하는 단계는 유입구(111a, 111b), 유출구(117), 채널(112a, 112b, 114, 116), 혼합 챔버(113) 및 반응 챔버(115)가 형성하기 위한 몰드를 형성하는 단계이후, 상기 몰드에 용해된 몰드 재료를 부은 후 고형화시켜 상 하부 플레이트를 형성하게 된다.
상기 상 하부 플레이트와 상기 캔틸레버 센서를 고정하는 단계에서는 상기 캔틸레버 센서 형성단계에서 형성된 캔틸레버 센서(200)를 상기 반응 챔버(115)에 고정한다. 고정하는 방법은 캔틸레버(220)가 상기 반응 챔버(115) 내에 돌출되도록 상기 기판(210)을 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 사이에 고정한 후 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 접합하는 것이다. 상기 몰드 재료는 PDMS인 것이 바람직하며, 상기 몰드는 금형강, 테프론 혹은 실리콘 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일실시예의 캔틸레버 센서형 분석 시스템의 동작에 관하여 살펴본다.
유입구(111a, 111b)에 각각 상이한 반응물을 주입하면, 상기 유입구(111a, 111b)에 주입된 반응물은 상기 입구측 채널(112a, 112b)를 통해 혼합 챔버(113)와 혼합 채널(114)을 통과하면서 서로 혼합된다. 혼합된 반응물은 혼합 채널(114)을 통해 반응 챔버(115)의 하부에서 상부까지 채워진 후 유출 채널(116)을 거쳐 유출구(117)를 통해 외부로 유출된다.
한편, 상기 반응 챔버(115)에 채워진 반응물의 특정 물질은 상기 캔틸레버 센서(200)의 분자 인식층(260)에 고정된다. 분자 인식층(260)에 반응 물질이 고착된 후 전기 패드(251, 252)에 전기를 주파수를 변화시키면서 가하게 되면 압전막(232)이 상하로 굽힘 진동을 발생시키며, 이때 전기 신호 패드를 통해서 캔틸레버(220)의 주파수를 감지하여 공진 주파수를 감지할 수 있게 된다.
이후, 상기 공진 주파수와 분자 인식층(260)에 반응 물질이 고착되지 않은 상태에서 측정한 공진 주파수를 비교하여 분자 인식층(260)에 고착된 반응 물질의 질량을 구할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일실시예의 캔틸레버 센서형 분석 시스템은 별도의 압전막으로 구성된 구동막이 형성되어, 외부에서 별도의 액튜에이터 장치가 필요치 않아 전체의 크기를 현저히 줄일 수 있으며, 미소 유체 전달 시스템과 결합되어 수 nano 리터부터 수십 마이크로 리터에 이르는 미량의 샘플을 이용하여 손쉽게 원하는 반응물질을 감지할 수 있다.
또한, 공진 주파수를 전기 신호 패드를 구비하여 별도의 광학적 공간이 필요없다는 장점이 있다. 그러나, 본 발명의 변형 가능한 실시예로 광학적 투명한 윈도를 형성하여 광학적으로 측정 가능한 방법도 제시하고 있다.
그리고, 캔틸레버(220)를 하나의 기판(210)에 여럿 형성함으로써, 하나는 기준 주파수 측정에 사용하고, 나머지는 센싱 주파수 측정을 위한 것으로 구분함으로써 여러 가지 인지로 인한 오류의 가능성을 줄여 줄 수 있을 뿐만 아니라, 공진 주파수를 구하는 횟수를 줄여 줄수 있다. 또한, 각 캔틸레버(220) 마다 상기 분자 인식층을 상이한 물질로 형성하여 한번에 여러 물질을 검출할 수 있도록 할 수 있다.
이하, 본 발명의 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용한 극미세 물질의 감지 방법에 대하여 설명한다.
먼저 액체 내에서 극미세 물질을 감지하는 방법으로서, 상기 유입구(111a, 111b) 측에 PBS 용액과 같은 세정액을 주입하여 반응 챔버(115) 내에 세정액을 채우는 제1단계와, 상기 제1단계 이후 상기 전기 패드(251, 252)에 전기를 가하여 캔틸레버의 기준 공진 주파수를 구하는 제2단계와, 상기 제2단계 이후 분석 용액을 상기 유입구(111a, 111b) 측으로 공급한 후 상기 분자 인식층(260)과 반응하도록 일정시간 유지하는 제3단계와; 제3단계 이후 상기 유입구(111a, 111b) 측에 세정액을 주입하여 챔버(115) 내에 세정액을 채우는 제4단계와; 상기 제4단계 이후 상기 전기 패드(251, 252)에 전기를 가하여 캔틸레버의 공진 주파수를 구하는 제5단계와; 상기 제2단계의 기준 공진 주파수와 제 5단계의 공진 주파수를 비교함으로써, 분석 용액 내의 특정 물질을 분석할 수 있다.
도6 내지 도8은 액체내에서 상기 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 사용하여 분석한 결과를 도시한 그래프이다.
도6은 제2단계의 공진 주파수를 구한 결과를 도시한 것이다. 따라서, 본 발명의 캔틸레버 센서형 분석 시스템이 액체 내에서도 공진 주파수를 구할 수 있음을 알 수 있다.
도7은 액체중에서 PSA(Prostate Specific Antibody) 혈청을 이용하여 액체 중에서 전립선암의 질량 감지한 결과를 도시한 것이다. 도7은 분석용액을 상기 유입구(111a, 111b)에 주입하여 상기 반응 챔버 내에 채워지도록 한 후 일정시간마다 상기 전기 패드에 전기를 가하여 캔틸레버의 공진 주파수를 구한 것이다. 이러한 측정은 전립선 암환자의 혈청을 희석하여 1ng/ml의 PSA 항원 농도를 갖는 전립선 암환자 측정 결과이다. 이러한 결과로부터 1ng/ml 농도의 PSA를 분석 가능하였으며, 이러한 측정은 혈청 혹은 혈액 혹은 혈장 내의 여러 단백질을 수 ng 혹은 pg의 범위 내에서 측정 가능함을 보여준다.
도8은 본 발명의 일실시예의 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 액체의 점도 및 밀도를 측정한 결과를 도시한 것이다. 이는 물과 글리세롤의 함량의 변화에 따라 즉 액체의 점도 및 밀도에 따라 공진 주파수가 변화하고 있음을 보여 주고 있다. 이러한 결과는 미세한 혈액의 점도 변화에 따른 전기적 공진 신호의 감지를 통해 질병의 정도를 판단할 수 있는 혈액 감지 센서로 응용이 가능함을 보여주고 있다. 따라서, 혈청 혹은 혈액의 점도 및 밀도를 측정하여 적혈구의 감소 및 증가를 감지하여 질병의 정도를 판단할 수 있다.
공기중에서 극 미세 물질을 감지하는 방법은 상기 유입구(111a, 111b)에 세정액을 주입하여 챔버(115) 내에 세정액을 채우는 제1단계와; 상기 제1단계 이후 상기 유입구(111a, 111b)에 질소 가스를 주입하여 상기 챔버(115) 내의 세정액을 제거하는 제2단계와; 상기 제2단계 이후 상기 전기 패드(251, 252)에 전기를 가하여 캔틸레버의 기준 공진 주파수를 구하는 제3단계와; 상기 제3단계 이후 분석 용액을 상기 유입구(111a, 111b) 측으로 공급한 후 상기 분자 인식층(260)과 반응하도록 일정시간 유지하는 제4단계와; 제4단계 이후 상기 유입구(111a, 111b) 측에 세정액을 주입하여 챔버(115) 내에 세정액을 채우는 제5단계와; 상기 제5단계 이후 상기 유입구(111a, 111b)에 질소 가스를 주입하여 상기 챔버(115) 내의 세정액을 제거하는 제6단계와; 상기 제6단계 이후 상기 전기 패드(251, 252)에 전기를 가하여 캔틸레버의 공진 주파수를 구하는 제7단계와; 상기 제3단계의 기준 공진 주파수와 제7단계의 공진 주파수를 비교하는 단계로 구성된다.
상기 세정액은 PBS인 것이 바람직하다.
도4 및 도5는 공기 중에서 극미세 물질을 감지한 결과를 도시한 것으로서, 도4은 공기 중의 공진 주파수의 개형을 도시한 것이며, 도5는 본 발명의 일실시예의 극미세 물질 감지 방법을 이용하여 공기중의 CRP (C reactive protein)의 정량적 분석 결과를 도시한 것이다.
상기와 같이, 본 발명은 공기 중은 물론 액체 내에서도 공진 주파수를 측정할 수 있으므로, 생체 물질을 감지하는 센서로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 분자 인식층을 젤라틴(gelatin)으로 형성하여 습도 센서로 사용할 수 있으며, 머큐리 감지 센서, 고감도 가스 센서, 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 무게를 감지할수 있는 무게 센서 등으로도 이용이 가능하다.
한편, 단백질 DNA 등의 생체물질을 감지하기 위해서는 상기 분자 인식층에 항체를 형성한 후, 단백질 DNA 등의 생체물질의 특성을 변화시키지 않기 위해 상온에서 온도는 변화시키지 않고 압력만을 떨어뜨려 검출 대상인 생체물질을 기화 시킨 후 상기 분자 인식층과 반응하도록 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
먼저, 압전막을 이용한 캔틸레버를 제공함으로써, 별도의 외부 액튜에이터 없이 캔틸레버에 일정한 주파수의 진동을 가할 수 있으므로, 캔틸레버 센서의 크기를 현저히 줄여 미세 유체 전달시스템과 결합할 수 있어 극 소량의 반응물질을 측정할 수 있다.또한, 절연막을 구비함으로써, 액체내에서도 공진 주파수를 구할 수 있으며, 액체 내에서 시간에 따라 변화되는 양의 공진 주파수를 구할 수 있다.
도1 내지 도3은 본 발명의 일실시예의 구조를 도시한 도면으로서,
도1은 본 발명의 일실시예의 캔틸레버 센서형 분석 시스템의 투시 사시도
도2는 도1의 캔틸레버 센서의 사시도
도3은 도2의 절단선 Ⅲ -Ⅲ에 따른 단면도
도4 및 도5는 공기 중에서 극미세 물질을 감지한 결과를 도시한 것으로서,
도4는 공기 중의 공진 주파수의 개형을 도시한 그래프
도5는 본 발명의 일실시예의 극미세 물질 감지 방법을 이용하여 공기중의 CRP (C reactive protein)의 정량적 분석 결과를 도시한 그래프
도6 내지 도8은 액체내에서 상기 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 사용하여 분석한 결과를 도시한 그래프
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100: 미소 유체 전달 시스템 110: 상부 플레이트
111a, 111b: 유입구 112a, 112b: 입구측 채널
113: 혼합 챔버 114: 혼합 채널
115: 반응 챔버 116: 유출 채널
117: 유출구 120: 하부 플레이트
200: 캔틸레버 센서 210: 기판
220: 캔틸레버 230: 구동막
231: 상부 전극 232: 압전막
233: 하부 전극 240: 전기 패드
250: 절연막

Claims (42)

  1. 반응물을 주입할 수 있는 유입구와, 상기 유입구와 반응 챔버를 연결하는 미소 유입 채널이 형성된 미소 유체 전달 시스템과;
    일단이 기판에 고정된 캔틸레버와, 상기 캔틸레버의 상면 하면 중 적어도 어느 한 면에 적층되며 압전막과 상기 압전막의 하면에 형성된 하부 전극과 상기 압전막의 상면에 형성된 상부 전극으로 이루어진 구동막과, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극에 전기를 가하는 전기 패드를 포함하며 상기 반응 챔버에 설치된 캔틸레버 센서를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버 및 상기 구동막 중 적어도 어느 한면의 상면에 형성되어 분석물과 반응하기 위한 분자 인식층을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미소 유체 전달 시스템은
    상기 유입구가 2 이상 형성되며,
    상기 유입 채널은 일단이 상기 유입구들에 연결된 입구측 채널과, 일단은 상기 입구측 채널들이 만나는 지점에 연결되며 타단은 상기 반응 챔버와 연결된 혼합 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입구측 채널과 상기 혼합 채널이 만나는 지점에 형성된 혼합 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미소 유체 전달 시스템은
    반응물이 유출될 수 있도록 형성된 유출구와;
    상기 유출구와 상기 반응 챔버를 연결하는 유출 채널을;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유출 채널은 상기 반응 챔버의 상단에 연결된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유입 채널은 상기 반응 챔버의 하단에 연결된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    광학적 측정을 가능하게 하기 위해 외부에서 반응 챔버의 내부로 광학적 투명한 윈도우가 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 미소 유체 전달 시스템은 폴리머 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 폴리머 재료는 PDMS인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 미소 유체 전달 시스템은 유리 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유리 재료는 Pyrex 혹은 석영으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    액체내에서 통전이 일어나는 것을 방지하기 위해 상기 구동막을 감싸는 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 절연막은
    무기질 절연물인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 무기질 절연물은 SiOx인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 절연막은
    유기질 절연물인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유기질 절연물은 Parylene인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 연결되어 전기적 신호를 검출할 수 있는 전기 신호 패드를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 2 이상이 배열되어 형성되며, 상기 구동막, 상기 전극 패드 는 각각의 상기 캔틸레버 마다 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 2 이상이 배열되어 형성되며, 상기 구동막, 상기 전극 패드 및 상기 분자 인식층은 각각의 상기 캔틸레버 마다 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버는
    실리콘 혹은 실리콘 질화막의 단층으로 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버는
    실린콘 질화막과 실리콘의 이중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버는
    실리콘 산화막과 실리콘의 이중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버는
    실리콘 산화막과 실리콘 질화막과 실리콘 산화막의 삼중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  25. 제2항에 있어서, 상기 분자 인식층은
    SAM 층 위에 피측증물질에 반응하는 물질을 고정하여 형성되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 표면에 Cr과 Au을 증착한 후 그 위에 SAM층이 형성되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  27. MEMS 기술을 이용하여 캔틸레버를 제작하는 단계와, 상기 캔틸레버의 표면에 압전막과 상기 압전막의 상하면에 상부 전극 및 하부 전극을 적층하는 구동막 형성하는 단계와, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 일부에 전극 패드를 적층하는 단계와, 상기 캔틸레버와 상기 구동막 중 적어도 어느 한면에 분자 인식층을 형성하는 단계를 포함하는 캔틸레버 센서 형성단계와;
    유입구와 반응 챔버와 상기 유입구와 상기 반응 챔버를 연결하기 위한 미소 유입 채널을 형성하기 위한 상하부 몰드를 형성하는 단계와;
    상기 몰드에 용해된 몰드재료를 부은 후 고형화 시켜 상하부 플레이트를 형성하는 단계와;
    상기 캔틸레버 센서 형성단계에서 형성된 캔틸레버 센서를 상기 반응 챔버 내에 고정하는 단계와;
    상기 상하부 플레이트를 접합하는 단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템의 제조방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 몰드 재료는 PDMS인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템의 제조방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 몰드는
    금형강 혹은 테프론 혹은 실리콘위에 형성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 몰드 재료는 글래스인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  31. 제27항에 있어서, 상기 전극 패드를 형성한 후
    상기 구동막을 감싸는 절연막을 형성하는 단계를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서형 분석 시스템.
  32. 제2항의 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 극미세 물질의 감지 방법으로서,
    상기 유입구 측에 세정액을 주입하여 챔버 내에 세정액을 채우는 제1단계와;
    상기 제1단계 이후 상기 전기 패드에 전기를 가하여 캔틸레버의 기준 공진 주파수를 구하는 제2단계와;
    상기 제2단계 이후 분석 용액을 상기 유입구 측으로 공급한 후 상기 분자 인식층과 반응하도록 일정시간 유지하는 제3단계와;
    제3단계 이후 상기 유입구 측에 세정액을 주입하여 챔버 내에 세정액을 채우는 제4단계와;
    상기 제4단계 이후 상기 전기 패드에 전기를 가하여 캔틸레버의 공진 주파수를 구하는 제5단계와;
    상기 제2단계의 기준 공진 주파수와 제 5단계의 공진 주파수를 비교하는 단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 극미세 물질 감지 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 세정액은
    PBS 용액인 것을 특징으로 하는 극미세 물질 감지 방법.
  34. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항의 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 극미세 물질의 감지 방법으로서,
    분석 용액을 상기 유입구에 주입하여 상기 반응 챔버 내에 채워지도록 한 후 일정 시간마다 상기 전기 패드에 전기를 가하여 캔틸레버의 공진 주파수를 구하는 것을 특징으로 하는 극미세 물질 감지 방법.
  35. 제2항의 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 극미세 물질의 감지 방법으로서,
    상기 유입구에 세정액을 주입하여 챔버 내에 세정액을 채우는 제1단계와;
    상기 제1단계 이후 상기 유입구에 질소 가스를 주입하여 상기 챔버 내의 세정액을 제거하는 제2단계와;
    상기 제2단계 이후 상기 전기 패드에 전기를 가하여 캔틸레버의 기준 공진 주파수를 구하는 제3단계와;
    상기 제3단계 이후 분석 용액을 상기 유입구 측으로 공급한 후 상기 분자 인식층과 반응하도록 일정시간 유지하는 제4단계와;
    제4단계 이후 상기 유입구 측에 세정액을 주입하여 챔버 내에 세정액을 채우는 제5단계와;
    상기 제5단계 이후 상기 유입구에 질소 가스를 주입하여 상기 챔버 내의 세정액을 제거하는 제6단계와
    상기 제6단계 이후 상기 전기 패드에 전기를 가하여 캔틸레버의 공진 주파수를 구하는 제7단계와;
    상기 제3단계의 기준 공진 주파수와 제7단계의 공진 주파수를 비교하는 단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 극미세 물질 감지 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 세정액은
    PBS인 것을 특징으로 하는 극미세 물질 감지 방법.
  37. 제20항의 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 물질을 감지하는 방법으로서,
    각각의 상기 캔틸레버의 상기 분자 인식층 마다 상이한 표면 처리를 하여 한번에 여러 물질을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 물질 감지 방법.
  38. 제1항의 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 액체의 점도 및 밀도를 측정하는 방법으로서,
    상기 반응 챔버에 액체를 주입한 후 마이크로 캔틸레버의 공진 주파수 및 폭의 변화를 측정하여 액체의 점도 및 밀도를 측정하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용한 액체의 점도 및 밀도를 측정하는 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 액체는 혈장 혹은 혈청 혹은 혈액으로서, 혈장 혹은 혈청 혹은 혈액의 점도 및 밀도를 측정하여 적혈구의 감소 및 증가를 감지하하여 질병의 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용한 액체의 점도 및 밀도를 측정하는 방법.
  40. 제2항의 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 물질을 감지하는 방법으로서,
    상기 분자 인식층은 그 반응 물질이 가스(gas) 상태인 것을 특징으로 하는 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 물질을 감지하는 방법.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 분자 인식층은 젤라틴(gelatin)을 고정화 시켜서 형성되며, 상기 가스는 습도인 것을 특징으로 하는 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 물질을 감지하는 방법.
  42. 제2항의 마이크로 캔틸레버 센서형 분석 시스템을 이용하여 생체물질을 감지하는 방법으로서,
    상기 분자 인식층은 단백질 DNA 등에 반응하는 항체 혹은 상보 디엔에이(DNA)로 구성되며, 상기 단백질 DNA 등의 반응 물질을 상온에서 압력을 낮춤으로서 기화 시켜 상기 분자 인식층과 반응하도록 한 것을 특징으로 하는 생체물질 감지하는 방법.
KR1020030084160A 2003-11-25 2003-11-25 캔틸레버 센서형 분석 시스템, 제조 방법 및 이를 이용한극미세 물질 감지 방법 KR100613398B1 (ko)

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