KR20060089613A - Sensing switch and detecting method using the same - Google Patents

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KR20060089613A
KR20060089613A KR1020050092668A KR20050092668A KR20060089613A KR 20060089613 A KR20060089613 A KR 20060089613A KR 1020050092668 A KR1020050092668 A KR 1020050092668A KR 20050092668 A KR20050092668 A KR 20050092668A KR 20060089613 A KR20060089613 A KR 20060089613A
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Abstract

본 발명은 생분자 또는 화학 물질의 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판; 상기 기판 위에 놓인 지지대; 상기 지지대 측면으로부터 연결된 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트; 상기 센싱 플레이트 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역; 상기 리셉터 결합 영역에 결합한 리셉터가 전기적 또는 자기적 활성을 띈 리간드와 선택적으로 결합하는 경우 상기 센싱 플레이트의 휨(deflection)을 유도하는 전기장 또는 자기장 발생 수단; 및 상기 센싱 플레이트의 휨에 의해 센싱 플레이트가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 포함하는 센싱 스위치 및 그를 이용한 검출방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 표적물질을 형광 표지화(labelling)할 필요가 없으며, 형광 또는 전기적 검출신호를 분석장치에서 별도로 시그날 프로세싱할 필요가 없으며, 스위칭의 온/오프에 의한 전류 흐름의 유무로서 신호를 바로 판독할 수 있다는 장점이 있다.The present invention relates to a detection device for biomolecules or chemicals, more specifically, a substrate; A support placed on the substrate; Sensing plates extending in parallel and spaced apart from the substrate connected from the side of the support; A receptor coupling region located on an upper surface of the sensing plate end; Electric or magnetic field generating means for inducing deflection of the sensing plate when the receptor bound to the receptor binding region selectively binds to a ligand that is electrically or magnetically active; And a pair of switching electrodes spaced apart from each other by a predetermined distance, which may be connected when the sensing plate contacts the substrate by bending of the sensing plate, and a sensing method using the same. According to the present invention, there is no need to fluorescently label the target material, and there is no need to separately signal the fluorescence or electrical detection signal in the analyzer, and the signal can be directly transmitted or not by the current flow by switching on or off. It has the advantage of being readable.

Description

센싱 스위치 및 그를 이용한 검출방법{sensing switch and detecting method using the same}Sensing switch and detecting method using the same

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 센싱 스위치(외팔보)의 정면도이다.1 is a front view of a sensing switch (cantilever) according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 센싱 스위치(외팔보)의 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view of a sensing switch (cantilever) according to another embodiment of the present invention.

도 3a는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센싱 스위치(양팔보)의 정면도이고, 도 3b는 센싱에 의해 스위치가 작동되는 것을 보여주는 도면이고, 도 3c는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센싱 스위치(양팔보)의 사시도이다.Figure 3a is a front view of the sensing switch (yangbobo) according to another embodiment of the present invention, Figure 3b is a view showing that the switch is activated by the sensing, Figure 3c is a sensing according to another embodiment of the present invention A perspective view of a switch (bottle beam).

도 4a는 도 3의 센싱 스위치의 온 상태(On-state)를 나타내는 개념도이고, 도 4b는 도 3의 센싱 스위치의 오프 상태(Off-state)를 나타내는 개념도이다. 4A is a conceptual diagram illustrating an on-state of the sensing switch of FIG. 3, and FIG. 4B is a conceptual diagram illustrating an off-state of the sensing switch of FIG. 3.

도 5a는 기존의 방식의 DNA chip 검출 시스템을 개념적으로 도시한 것이고, 도 5b는 본 발명에 따른 DNA chip 검출 시스템을 개념적으로 도시한 것이다.5A conceptually illustrates a conventional DNA chip detection system, and FIG. 5B conceptually illustrates a DNA chip detection system according to the present invention.

도 6a는 종래 방식의 차별적(differential) 센싱 시스템을 개념적으로 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명에 따른 차별적 센싱 시스템을 도시한 것이다.6A conceptually illustrates a differential sensing system in a conventional manner, and FIG. 6B illustrates a differential sensing system according to the present invention.

도 7은 도 6의 차별적 센싱 결과의 한 예를 개념적으로 도시한 것이다.FIG. 7 conceptually illustrates an example of the differential sensing result of FIG. 6.

도 8a는 본 발명의 일 구체예에 따른 센싱 회로 중 '및(and)' 논리 회로를 도시한 것이고, 도 8b는 '또는(or)' 논리 회로를 도시한 것이고, 도 8c는 '및 (and)' 및 '또는(or)' 논리 회로를 도시한 것이다.FIG. 8A illustrates an 'and' logic circuit of a sensing circuit according to an embodiment of the present invention, FIG. 8B illustrates an 'or' logic circuit, and FIG. 8C illustrates an 'and (and) ) 'And' or (or) 'logic circuits.

도 9a와 9b는 도 3의 센싱 스위치의 작용 토크를 계산하기 위한 스케일을 도시한 것이다.9A and 9B illustrate scales for calculating the operating torque of the sensing switch of FIG. 3.

도 10은 본 발명의 일 실시예에서 센싱 스위치의 simulation에 사용된 장치의 개략도이다.10 is a schematic diagram of an apparatus used for the simulation of a sensing switch in one embodiment of the invention.

도 11은 본 발명에 따른 센싱 스위치의 simulation 결과를 도시한 것이다.11 shows a simulation result of the sensing switch according to the present invention.

도 12는 도 2의 센싱 스위치에 있어서, 자기성 비드 및 자기 발생 수단의 거리에 따른 그들 사이에 작용하는 힘을 도시한 그래프이다. FIG. 12 is a graph showing the force acting between the magnetic beads and the distance between the magnetic generating means in the sensing switch of FIG. 2.

도 13a는 도 2의 센싱 스위치의 simulation에 사용한 센싱 플레이트의 스케일을 도시한 것이다. FIG. 13A illustrates a scale of a sensing plate used for simulation of the sensing switch of FIG. 2.

도 13b 및 도 13c는 도 13a의 센싱 플레이트를 사용하여 수행한 simulation 결과를 도시한 것이다.13B and 13C illustrate simulation results performed by using the sensing plate of FIG. 13A.

도 14는 도 2의 본 발명에 따른 센싱 스위치의 제조 공정을 개념적으로 도시한 것이다.FIG. 14 conceptually illustrates a manufacturing process of a sensing switch according to the present invention of FIG. 2.

도 15a 및 15b는 상기 공정을 통해 제조된 센싱 스위치의 센싱 플레이트를 확대한 SEM 사진이다. 15A and 15B are enlarged SEM photographs of a sensing plate of a sensing switch manufactured through the above process.

도 16은 도 15의 센싱 스위치가 리셉터를 효과적으로 검출하는 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 16 is a graph illustrating a result of effectively detecting a receptor by the sensing switch of FIG. 15.

본 발명은 생분자 또는 화학 물질의 검출장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 리간드와 동일 또는 반대 극성의 전극들 사이의 정전기력를 이용하거나 리간드와 결합된 자기성 비드와 자기장 발생 수단 사이의 자기력을 이용하여 센서 자체가 물리적으로 움직여 스위치의 역할을 겸하는 센싱 스위치 및 이를 이용한 검출방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device for detecting biomolecules or chemicals, and more particularly, by using an electrostatic force between electrodes of the same or opposite polarity of the ligand or a magnetic force between the magnetic beads and the magnetic field generating means coupled to the ligand. The present invention relates to a sensing switch that physically moves itself as a switch and a detection method using the same.

생분자 및 화학 물질의 효과적인 검출법이 다양한 분야에서 요구되고 있다. 상기 생분자 검출이 필요한 대표적인 분야가 바이오칩이다. 바이오칩(bio chip)이란 기질상에 분석하고자 하는 DNA, 단백질 등의 리셉터(biomolecules) 리셉터를 고밀도로 부착시킨 칩으로서, 샘플내 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등을 분석해낼 수 있다. 바이오칩은 리셉터의 부착형태에 따라 고체 기질상에 부착된 마이크로어레이 칩(microarray chip)과 미세채널상에 부착된 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로 나눌 수 있다. 이러한 바이오칩에서는, 샘플에 리셉터와 결합할 수 있는 표적 물질이 존재하는지를 알아내기 위하여, 기질상에 고정된 리셉터와 표적 물질의 결합 여부를 검출할 수 있는 시스템이 필요하다.Effective detection of biomolecules and chemicals is required in various fields. Biochips are a typical field for detecting biomolecules. A biochip is a chip in which a high density of biomolecules receptors such as DNA and protein to be analyzed are attached onto a substrate, and the gene expression patterns, gene defects, protein distributions, and reaction patterns in the sample can be analyzed. . Biochips may be classified into microarray chips attached to a solid substrate and lab-on-a-chips attached to microchannels according to the attachment form of the receptor. In such biochips, a system capable of detecting whether a target material is bound to a receptor immobilized on a substrate is required to determine whether a target material capable of binding to a receptor exists in a sample.

현재 유전자 분석용 DNA 칩은 대부분 샘플 DNA에 형광색소를 라벨링하고, 칩 위의 리셉터(probe)와 반응시킨 후 공초점 현미경(confocal microscope)나 CCD 카메라를 사용하여 칩 표면에 남은 형광 물질을 검출하는 방법을 사용한다 (미국 특허 제 6,141,096호 참조). 그러나, 이러한 광학적인 검출법은 소형화가 어렵고, 디지털화된 출력을 볼 수 없기 때문에, 전기적인 신호로 결과를 낼 수 있는 새로운 검출법의 개발에 관하여 많은 연구가 진행 중이다.Most DNA chips for genetic analysis now label fluorescent dyes on sample DNA, react with a probe on the chip, and detect condensed phosphors on the chip surface using a confocal microscope or CCD camera. Method is used (see US Pat. No. 6,141,096). However, since such an optical detection method is difficult to miniaturize and the digitized output cannot be seen, much research is being conducted on the development of a new detection method capable of producing an electrical signal.

Clinical Micro Sensor를 비롯한 많은 연구 기관들이 산화/환원이 쉬운 금속 화합물을 이용하여 DNA 혼성화(hybridization)를 전기화학적으로 검출하는 방법에 관하여 연구하고 있다(참조 : 미국특허 제 6096273, 6090933). DNA가 혼성화되었을 때, 산화/환원이 쉬운 금속을 포함한 다른 화합물이 같이 착체(complex)를 이루게 되고, 이를 전기화학적으로 검출하는 것이다(참조 :Anal. Chem., Vol. 70, pp. 4670-4677, 1998, J. Am. Chem. Soc., Vol. 119, pp. 9861-9870, 1997, Analytica Chimica Acta, Vol. 286, pp.219-224, 1994., Bioconjugate Chem., Vol. 8, pp. 906-913, 1997.) 그러나, 전기화학적 방법도 역시 별도의 라벨링이 필요하다는 단점이 있다.Many research institutes, including Clinical Micro Sensors, are investigating a method of electrochemically detecting DNA hybridization using metal compounds that are easy to oxidize / reduce (see US Patent No. 6096273, 6090933). When DNA hybridizes, other compounds, including metals that are easily oxidized / reduced, form a complex together and are detected electrochemically (Anal. Chem., Vol. 70, pp. 4670-4677). , 1998, J. Am. Chem. Soc., Vol. 119, pp. 9861-9870, 1997, Analytica Chimica Acta, Vol. 286, pp. 219-224, 1994., Bioconjugate Chem., Vol. 8, pp 906-913, 1997.) However, electrochemical methods also have the disadvantage of requiring separate labeling.

상기 방법들 외에 광학적 검출법 및 압전 물질을 이용한 검출법이 있다. 상기 광학적 검출법은 조사된 빛의 반사도 변화로부터 센서의 이동을 측정한다. 상기 압전 물질을 이용한 검출법은 다양한 압전 물질들로 이루어진 다중층으로 센서를 제조하고, 센서의 저항의 변화로부터 센서의 이동을 측정하는 것으로, 상기 센서의 설계 및 제작이 까다롭다(미국 특허 제 5,807,758호 참조). In addition to the above methods, there are optical detection methods and detection methods using piezoelectric materials. The optical detection method measures the movement of the sensor from the change in reflectance of the irradiated light. The detection method using the piezoelectric material is to manufacture the sensor with multiple layers of various piezoelectric materials, and to measure the movement of the sensor from the change of the resistance of the sensor, which is difficult to design and manufacture of the sensor (US Patent No. 5,807,758). Reference).

상기 종래의 형광 검출방법, 전기화학적 검출방법, 광학적 검출방법 및 압전 물질을 이용한 검출방법은 센서 자체와 별도로 센서를 측정하는 측정 장비 뿐만 아니라 측정 장비에서 얻어진 신호를 시그날 프로세싱(signal processing)하는 별도의 분석 장치를 요구하고 있으므로 전체 시스템이 거대해지며 고가의 여러 장비가 필요하며 각 단계별 숙련된 기술자들을 필요로 함에도 불구하고, 최종 판단을 내리 기까지 많은 시간이 소요되고 각 장비 사이의 연결 노이즈(connection noise)가 발생하는 단점이 있다. The conventional fluorescence detection method, electrochemical detection method, optical detection method and detection method using piezoelectric materials are separate from signal processing of signals obtained from the measurement equipment as well as measurement equipment for measuring the sensor separately from the sensor itself. Because of the demand for analytical devices, the entire system is huge, requires expensive equipment and requires skilled technicians at each stage, but it takes a lot of time to make final decisions and connection noise between the devices. ) Has the disadvantage that occurs.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 리간드와 동일 또는 반대 극성의 전극들 사이의 정전기력를 이용하거나 리간드와 결합된 자기성 비드와 자기장 발생 수단 사이의 자기력을 이용하여 센서 자체가 물리적으로 움직여 스위치의 역할을 겸하게 함으로써 더 이상의 시그날 프로세싱이 필요없는 소형화된 센싱 스위치가 가능함을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have diligently researched to overcome the problems of the prior arts. As a result, the present inventors have used the electrostatic force between electrodes having the same or opposite polarity as the ligand or the magnetic force between magnetic beads and magnetic field generating means coupled with the ligand The sensor itself is physically moved to act as a switch, confirming that a miniaturized sensing switch that does not require any further signal processing is completed, and the present invention has been completed.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 기존의 센싱후 별도의 시그날 프로세싱을 할 필요없이 기계적인 센싱(mechanical sensing)과 전기적인 스위칭(electrical switching)을 동시에 할 수 있는 새로운 센싱 스위치를 제공하는 데 있다.Accordingly, a main object of the present invention is to provide a new sensing switch capable of simultaneously performing mechanical sensing and electrical switching without the need for separate signal processing after conventional sensing.

본 발명의 다른 목적은 상기 복수의 센싱 스위치를 논리적 회로 관계로 포함하는 센싱 회로를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a sensing circuit including the plurality of sensing switches in a logical circuit relationship.

본 발명의 다른 목적은 상기 센싱 스위치를 이용한 리간드의 결합 여부 검출방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for detecting the binding of a ligand using the sensing switch.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 위에 놓인 지지대; 상기 지지대 측면으로부터 연결된 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트; 상기 센싱 플레이트 말단의 상면에 위치한 리셉 터 결합 영역; 상기 리셉터 결합 영역에 결합한 리셉터가 전기적 또는 자기적 활성을 띈 리간드와 선택적으로 결합하는 경우 상기 센싱 플레이트의 휨(deflection)을 유도하는 전기장 또는 자기장 발생 수단; 및 상기 센싱 플레이트의 휨에 의해 센싱 플레이트가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 포함하는 센싱 스위치를 제공한다. In order to achieve the object of the present invention, the present invention is a substrate; A support placed on the substrate; Sensing plates extending in parallel and spaced apart from the substrate connected from the side of the support; A receptor coupling region located on an upper surface of the sensing plate end; Electric or magnetic field generating means for inducing deflection of the sensing plate when the receptor bound to the receptor binding region selectively binds to a ligand that is electrically or magnetically active; And a pair of switching electrodes spaced apart from each other by a bending of the sensing plate, which may be connected when the sensing plate contacts the substrate.

본 발명에 따른 센싱 스위치의 일 구체예는 기판; 상기 기판 위에 놓인 지지대; 상기 지지대 측면으로부터 연결된 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트; 상기 센싱 플레이트 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역; 상기 센싱 플레이트의 위에 위치한 리간드와 동일 극성의 배척(push-out) 전극, 상기 센싱 플레이트의 아래에 위치한 리간드와 반대 극성의 유인(pull-in) 전극, 및 상기 배척 전극과 유인 전극의 척력 및 인력에 의해 센싱 플레이트가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 포함하는 센싱 스위치를 제공한다. One embodiment of the sensing switch according to the present invention is a substrate; A support placed on the substrate; Sensing plates extending in parallel and spaced apart from the substrate connected from the side of the support; A receptor coupling region located on an upper surface of the sensing plate end; A push-out electrode of the same polarity as the ligand located above the sensing plate, a pull-in electrode of opposite polarity to the ligand located below the sensing plate, and the repulsive force and attraction of the evacuation electrode and the attracting electrode By providing a sensing switch comprising a pair of switching electrodes spaced apart from each other that can be connected when the sensing plate is in contact with the substrate.

본 발명에 따른 센싱 스위치의 다른 구체예는 기판; 상기 기판 위에 놓인 지지대; 상기 지지대 측면으로부터 연결된 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트; 상기 센싱 플레이트 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역; 리간드를 통하여 상기 리셉터 결합 영역에 결합한 리셉터와 선택적으로 결합하는 자기성 비드(magnetic bead); 상기 센싱 플레이트의 아래에 위치한 자기장 발생 수단; 및 상기 발생된 자기장에 의해 센싱 플레이트가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 포함하는 센싱 스위치를 제공한다.Another embodiment of the sensing switch according to the present invention is a substrate; A support placed on the substrate; Sensing plates extending in parallel and spaced apart from the substrate connected from the side of the support; A receptor coupling region located on an upper surface of the sensing plate end; Magnetic beads that selectively bind to a receptor bound to the receptor binding region through a ligand; Magnetic field generating means located below the sensing plate; And a pair of switching electrodes spaced apart from each other by a generated magnetic field, which may be connected when the sensing plate contacts the substrate.

본 발명에 있어서, 상기 센싱 플레이트는 외팔보(cantilever)일 수도 있고 양팔보(시소 모양)일 수도 있으나, 바람직하게는 양팔보인 것을 특징으로 한다. 양팔보의 경우, 상기 센싱 플레이트는 상기 기판 위에 놓인 두 개의 지지대를 연결하는 연결빔의 중앙으로부터 양쪽으로 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있고, 상기 센싱 플레이트의 양팔의 상면에 두 개의 리셉터 결합 영역이 존재하는 것을 특징으로 한다. 상기 센싱 플레이트의 양팔은 상기 연결빔의 회전에 의해 시소처럼 아래 위로 이동하여 상기 기판 위의 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 개폐한다. In the present invention, the sensing plate may be a cantilever or may be a cantilever (seesaw shape), it is preferably characterized in that the cantilever. In the case of a two-palm beam, the sensing plate extends in parallel and spaced apart from the substrate to both sides from the center of the connecting beam connecting the two supports placed on the substrate, two receptor coupling on the upper surface of both arms of the sensing plate It is characterized by the presence of an area. Both arms of the sensing plate move upward and downward like a seesaw by rotation of the connecting beam to open and close a pair of switching electrodes spaced apart from each other on the substrate.

본 발명에 있어서, 상기 지지대는 상기 기판 위에 놓여 기판과 일정 간격 이격되어 떠 있는 센싱 플레이트 또는 연결빔을 지지하는 역할을 하며, 또한 상기 연결빔이 회전할 수 있는 피봇(pivot) 기능을 한다.In the present invention, the support serves to support the floating sensing plate or the connecting beam which is placed on the substrate and spaced apart from the substrate at a predetermined distance, and also serves as a pivot (pivot) that the connecting beam can rotate.

본 발명에 있어서, 상기 센싱 플레이트는 상기 배척 전극과 유인 전극의 척력 및 인력에 의해 쉽게 휘어질 수 있는 재질로 된 것이 바람직하며, 아래로 휘어졌을 때 기판 위의 스위칭 전극을 개폐하여야 하므로 전체 또는 적어도 상기 스위칭 전극과 맞닿는 부분은 전기 도체여야 한다.In the present invention, the sensing plate is preferably made of a material that can be easily bent by the repulsive force and attraction force of the reject electrode and the attracting electrode, and when bent down to open or close the switching electrode on the substrate in whole or at least The portion in contact with the switching electrode should be an electrical conductor.

본 발명에 있어서, 상기 연결빔은 바람직하게는 상기 센싱 플레이트보다 좁거나 가늘어서 상기 배척 전극과 유인 전극의 척력 및 인력에 의해 쉽게 휘어질 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기 연결빔은 센싱 플레이트와 일체 또는 별도로 형성될 수 있다.In the present invention, the connecting beam is preferably narrower or thinner than the sensing plate so that it can be easily bent by the repulsive force and attractive force of the reject electrode and the attracting electrode. The connecting beam may be formed integrally or separately from the sensing plate.

본 발명에 있어서, 상기 리간드는 전하를 띌 수 있는 어떤 생분자 또는 화학 물질도 가능하고, 바람직하게 리셉터와 선택적으로 결합하는 핵산, 단백질, 펩타이드, 항체, 항원, 폴리머, 액상 또는 기상의 화학 물질일 수 있다. In the present invention, the ligand may be any biomolecule or chemical which can be charged, and preferably a nucleic acid, protein, peptide, antibody, antigen, polymer, liquid or gaseous chemical that selectively binds to the receptor. Can be.

본 발명에 있어서, 상기 리셉터 결합 영역은 리간드가 직접 결합할 수도 있으나, 바람직하게는 리간드와 결합할 수 있는 리셉터가 결합되어 있는 것을 특징으로 한다. 후자의 경우 상기 리셉터는 리간드와 결합가능한 어떤 물질도 가능하나, 바람직하게는 DNA, RNA, PNA(peptide nucleic acid), LNA(locked nucleic acid), 단백질, 펩타이드, 및 화학 물질들일 수 있다. 본 명세서에서, 결합이란 핵산의 혼성화(hybridization)와 항원-항체(Ag-Ab) 상호작용과 같은 특이적 결합을 포함하는 것으로 해석된다. In the present invention, the receptor binding region may be directly bound to the ligand, but is preferably characterized in that the receptor capable of binding the ligand is bound. In the latter case, the receptor may be any substance capable of binding to a ligand, but may preferably be DNA, RNA, peptide nucleic acid (PNA), locked nucleic acid (LNA), protein, peptide, and chemicals. In the present specification, binding is to be understood to include specific binding, such as hybridization of nucleic acid and antigen-antibody (Ag-Ab) interaction.

본 발명에 있어서, 상기 리셉터 결합 영역은 바이오분자 또는 화학 물질이 결합 될 수 있는 어떤 재질로 될 수도 있으나, 바람직하게는 유리, 금속, 플라스틱, 실리콘으로 구성된 군에서 선택된 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 리셉터 결합 영역은 종래 알려진 바이오칩의 표면개질방법을 이용하여 리셉터 또는 리간드가 결합될 수 있도록 카르복실기(-COOH), 티올기(-SH), 수산기(-OH), 실란기, 아민기 또는 에폭시기를 갖도록 표면개질될 수 있다.In the present invention, the receptor binding region may be made of any material to which biomolecules or chemicals can be bonded, but is preferably made of a material selected from the group consisting of glass, metal, plastic, and silicon. In addition, the receptor binding region may be a carboxyl group (-COOH), a thiol group (-SH), a hydroxyl group (-OH), a silane group, an amine group or the like so that a receptor or a ligand can be bound using a surface modification method of a conventional biochip. It may be surface modified to have an epoxy group.

상기 자기성 비드에는 리셉터와 선택적으로 결합하는 리간드가 부착되어 있을 수 있고, 상기 리셉터와 선택적으로결합하는 리간드와 선택적으로 결합하는 2차 리셉터가 부착되어 있을 수도 있다. The magnetic beads may be attached with a ligand that selectively binds to a receptor, or a secondary receptor that selectively binds to a ligand that selectively binds to the receptor.

본 발명에 있어서, 상기 리셉터 결합 영역은 두 개 중 한 개의 영역에만 리 셉터가 고정화될 수도 있으나, 바람직하게는 두 개의 리셉터 결합 영역에 서로 다른 종류의 리셉터가 고정화되어 있는 것을 특징으로 한다. 후자의 경우, 두 종류의 리셉터 중 한 종류는 다른 하나에 대한 레퍼런스(reference) 리셉터로 작용하여 차별적(differential) 검출이 가능할 뿐만 아니라, 백그라운드 시그날을 효과적으로 제거할 수 있다.In the present invention, the receptor coupling region may be immobilized in only one of two regions, but preferably, two different types of receptors are immobilized in the two receptor coupling regions. In the latter case, one of the two types of receptors acts as a reference receptor for the other, allowing differential detection as well as effectively eliminating background signals.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상기 본 발명의 복수 개의 센싱 스위치가 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 '및(and)' 및/또는 '또는(or)'의 논리 회로를 구성하는 센싱 회로를 제공한다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention is a plurality of sensing switches of the present invention are connected in series and / or parallel to constitute a logic circuit 'and' and / or 'or' It provides a sensing circuit.

본 발명에 있어서, '및(and)'의 논리회로는 두 개 이상의 센싱 스위치가 직렬로 연결되어 모든 스위치가 온 상태(on state)인 경우에만 전류가 흐르게 되며, '또는(or)'의 논리회로는 두 개 이상의 센싱 스위치가 병렬로 연결되어 이들 중 하나 이상이 온 상태(on state)인 경우에 전류가 흐르게 된다. 본 발명에서는 이들 '및(and)' 및/또는 '또는(or)'의 논리 회로가 복수 개 복합적으로 연결되어 다양한 논리회로를 구성할 수 있다.In the present invention, the logic circuit of 'and (and)' current flows only when two or more sensing switches are connected in series so that all the switches are in an on state, and logic of 'or' In a circuit, two or more sensing switches are connected in parallel so that current flows when at least one of them is on. In the present invention, a plurality of these logic circuits 'and' and / or 'or' may be connected in combination to form various logic circuits.

본 발명에 있어서, 상기 및(and)' 및/또는 '또는(or)'의 논리 회로를 거쳐서 나오는 아웃풋(output)의 신호를 보고 복수 개의 리간드에 대한 검출 및 분석을 동시에 하는 것을 특징으로 하는 센싱 회로를 제공한다. 본 발명의 회로에는 하나 이상의 인풋 라인과 하나 이상의 아웃풋 라인이 존재할 수 있으며, 인풋 라인에 전류를 인가한 후 각 아웃풋 라인에서 나오는 전류를 측정하여 복수 개의 리셉터에 대한 검출 및 분석을 동시에 할 수 있다. 또한, 본 발명은 신호 검출 후 시그날 프로세싱을 할 필요없이 아웃풋 라인으로 나오는 전류의 온/오프(on/off), 예컨대 램프의 온/오프에 의해 회로를 구성하는 각 센싱 스위치마다의 서로 다른 리셉터의 결합 유무를 효과적으로 분석할 수 있다.In the present invention, the sensing and analysis of a plurality of ligands at the same time by looking at the output signal output through the logic circuit of and (and) and / or (or) sensing Provide a circuit. In the circuit of the present invention, one or more input lines and one or more output lines may exist, and current may be measured from the output lines after applying current to the input lines to simultaneously detect and analyze a plurality of receptors. In addition, the present invention provides a method for the detection of different receptors for each sensing switch constituting a circuit by turning on / off the current to the output line without the need for signal processing after signal detection. Effectively analyze the presence or absence of binding.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기장을 이용하는 본 발명에 따른 센싱 스위치의 리셉터 결합 영역에 리간드를 도입하는 단계; 상기 리간드와 리셉터 결합 영역에 고정된 리셉터의 결합반응을 시키는 단계; 상기 배척 전극에 리간드와 동일 극성의 전압과 상기 유인 전극에 리간드와 반대 극성의 전압을 인가하는 단계; 상기 리간드와 배척 전극 및 유인 전극 사이의 척력 및 인력에 의해 센싱 플레이트가 상하 이동하여 상기 기판 상의 한 쌍의 스위칭 전극을 개폐시키는 단계; 및 상기 스위칭 전극사이의 전류의 흐름 유무를 측정하는 단계를 포함하는 리간드 결합 여부 검출방법을 제공한다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention comprises the steps of introducing a ligand to the receptor binding region of the sensing switch according to the invention using an electric field; Subjecting the ligand to a receptor fixed to the receptor binding region; Applying a voltage of the same polarity as the ligand to the reject electrode and a voltage of the opposite polarity to the ligand to the attracting electrode; Sensing plates are moved up and down by repulsion and attraction between the ligand, the reject electrode and the attracting electrode to open and close a pair of switching electrodes on the substrate; And it provides a ligand binding detection method comprising the step of measuring the flow of current between the switching electrode.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리셉터와 선택적으로 결합하는 리간드, 또는 상기 리간드와 선택적으로 결합하는 2차 리셉터에 자기성 비드(magnetic bead)를 부착시키는 단계; 자기장을 이용하는 본 발명에 따른 센싱 스위치의 리셉터 결합 영역에 고정된 리셉터에 상기 자기성 비드가 부착된 리간드 또는 2차 리셉터를 도입하는 단계; 상기 리간드와 리셉터 간의 선택적 결합 반응에 의해 자기성 비드를 리셉터 결합 영역에 부착시키는 단계; 결합반응에 참가하지 않은 자기성 비드 부착의 리간드 또는 2차 리셉터를 제거하는 단계; 센싱 플레이트의 아래에 위치한 자기장 발생수단으로부터 자기장을 발생시키는 단계; 상기 자기장에 의해 센싱 플레이트가 상하 이동하여 상기 기판 상의 한 쌍의 스위칭 전 극을 개폐시키는 단계; 및 상기 스위칭 전극 사이의 전류의 흐름 유무를 측정하는 단계를 포함하는 리간드 결합 여부 검출방법을 제공한다. In addition, to achieve another object of the present invention, the present invention includes the steps of attaching a magnetic bead to a ligand that selectively binds to the receptor, or a secondary receptor that selectively binds to the ligand; Introducing a ligand or secondary receptor to which the magnetic beads are attached to a receptor fixed to a receptor binding region of a sensing switch according to the present invention using a magnetic field; Attaching magnetic beads to the receptor binding region by a selective binding reaction between the ligand and the receptor; Removing the ligand or secondary receptor of magnetic bead attachment that did not participate in the binding reaction; Generating a magnetic field from a magnetic field generating means located below the sensing plate; Moving the sensing plate up and down by the magnetic field to open and close a pair of switching electrodes on the substrate; And it provides a ligand binding detection method comprising the step of measuring the flow of current between the switching electrode.

본 발명에 있어서, 상기 센싱 스위치의 리셉터 결합 영역은 두 개 중 한 개 의 영역에만 리셉터가 고정화될 수도 있으나, 바람직하게는 두 개의 리셉터 결합 영역에 서로 다른 종류의 리셉터가 고정화되어 서로 다른 리간드 간의 차별적(differential) 결합 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 리간드 결합 여부 검출방법을 제공한다. 후자의 경우, 두 개의 리셉터 결합 영역은 시소처럼 작용하여 둘중 더 많은 리셉터가 결합한 센싱 플레이트 말단이 아래로 움직이게 된다. 이때, 두 종류의 리셉터 중 한 종류는 다른 하나에 대한 레퍼런스(reference) 리셉터로 작용하여 백그라운드 시그날을 효과적으로 제거할 수 있다.In the present invention, the receptor binding region of the sensing switch may be immobilized in only one of two regions, but preferably, different types of receptors are immobilized in two receptor binding regions to discriminate between different ligands. (differential) provides a method for detecting ligand binding whether characterized in that the binding. In the latter case, the two receptor binding regions act like a seesaw, causing the sensing plate ends to which more of the two receptors bind move downward. In this case, one of the two types of receptors may act as a reference receptor for the other to effectively remove the background signal.

본 발명에 따르면, 종래 전기적 검출방법에서 저항, 임피던스, 및 전류량 등을 별도의 측정장비로 측정한 후 시그날 프로세싱을 하는 것과 달리, 단순히 센싱 스위치의 전류 흐름의 유무, 예컨대 램프의 온/오프만을 판독하면 되므로 손쉽게 결합 여부를 검출할 수 있다.According to the present invention, unlike the signal processing after measuring the resistance, impedance, and current in a conventional electrical detection method with a separate measuring device, and simply read the presence or absence of current flow of the sensing switch, for example, the on / off of the lamp You can easily detect whether the coupling.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 센싱 스위치(외팔보)의 정면도이다. 본 도면의 센싱 스위치는 기판(1), 상기 기판(1) 위에 놓인 지지대(2), 상기 지지대(2) 측면으로부터 연결된 상기 기판(1)으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트(4), 상기 센싱 플레이트(4)의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역 (5), 상기 센싱 플레이트(4)의 위에 위치한 리간드와 동일 극성의 배척(push-out) 전극(6), 상기 센싱 플레이트(4)의 아래에 위치한 리간드와 반대 극성의 유인(pull-in) 전극(7), 및 상기 배척 전극(6)과 유인 전극(7)의 척력 및 인력에 의해 센싱 플레이트(4)가 상기 기판(1)에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극(8)을 포함하는 센싱 스위치를 제공한다. 1 is a front view of a sensing switch (cantilever) according to an embodiment of the present invention. The sensing switch shown in the figure is a sensing plate 4 extending in parallel and spaced apart from the substrate 1, the support 2 placed on the substrate 1, and the substrate 1 connected from the side of the support 2. Receptor binding region (5) located on the upper surface of the sensing plate (4), push-out electrode (6) of the same polarity as the ligand located on the sensing plate (4), of the sensing plate (4) A pull-in electrode 7 of opposite polarity to the ligand located below, and the sensing plate 4 is applied to the substrate 1 by the repulsive force and attractive force of the reject electrode 6 and the attracting electrode 7. Provided is a sensing switch comprising a pair of switching electrodes 8 spaced apart from each other that can be connected when touched.

도 1에서, 상기 리셉터 결합영역(5)에는 리간드와 결합할 수 있는 리셉터가 고정화될 수 있다. 상기 리셉터 결합영역(5)에 리간드가 직접 또는 간접으로 결합하게 되면 리간드와 배척 전극(6)이 서로 동일 극성으로 척력이 작용하게 되고 리간드와 유인 전극(7)이 서로 반대 극성으로 인력이 작용하게 되어 상기 센싱 플레이트(4)를 아래로 휘게 만든다. 이때, 상기 센싱 플레이트(4)의 말단이 상기 기판상의 한 쌍의 스위칭 전극(8)에 닿아 전류를 통하게 한다. In FIG. 1, a receptor capable of binding a ligand may be immobilized in the receptor binding region 5. When a ligand is directly or indirectly bound to the receptor binding region 5, the repulsive force acts on the ligand and the reject electrode 6 with the same polarity and the attraction force of the ligand and the attractant electrode 7 act on the opposite polarity. To bend the sensing plate 4 downward. At this time, the end of the sensing plate 4 touches the pair of switching electrodes 8 on the substrate to allow current to flow through.

도 1에서, 상기 한 쌍의 스위칭 전극(8)는 편의상 한 개의 line으로 표현하였지만 센싱 플레이트가 맞닿기 전에는 서로 일정 간격 떨어져서 전류를 통하지 않는 한 쌍의 스위칭 전극으로 구성되어 있다.In FIG. 1, the pair of switching electrodes 8 is represented by a single line for convenience, but is composed of a pair of switching electrodes that do not pass current at a predetermined interval from each other before the sensing plates contact each other.

도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 센싱 스위치(외팔보)의 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 구체예에 따른 센싱 스위치는 기판(1); 상기 기판(1) 위에 놓인 지지대(2); 상기 지지대(2) 측면으로부터 연결된 상기 기판(1)으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트(4); 상기 센싱 플레이트(4) 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역(5); 리간드(11)를 통하여 상기 리셉터 결합 영역(5)에 결합한 리셉터(12)와 선택적으로 결합하는 자기성 비드 (magnetic bead)(10); 상기 센싱 플레이트(4)의 아래에 위치한 자기장 발생 수단(13); 및 상기 발생된 자기장에 의해 센싱 플레이트(4)가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극(9,9')을 포함한다. 2 is an exploded perspective view of a sensing switch (cantilever) according to another embodiment of the present invention. 2, a sensing switch according to another embodiment of the present invention is a substrate (1); A support (2) on the substrate (1); Sensing plates (4) extending in parallel and spaced apart from the substrate (1) connected from the side of the support (2); A receptor coupling region 5 located on an upper surface of the sensing plate 4 end; Magnetic beads (10) that selectively bind to the receptor (12) bound to the receptor binding region (5) via a ligand (11); Magnetic field generating means (13) located below the sensing plate (4); And a pair of switching electrodes 9 and 9 'spaced apart from each other by which the sensing plate 4 can be connected when the sensing plate 4 touches the substrate by the generated magnetic field.

도 2에서, 상기 리셉터 결합영역(5)에는 리셉터(12)가 고정화되어 있다. 또한, 자기성 비드(10)는 리간드(11)와 결합되어 있고, 상기 리간드(11) 및 리셉터(12) 간의 선택적인 결합을 통해 상기 비드는 상기 센싱 플레이트(4) 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역(5)과 결합한다. 상기 리셉터 결합 영역(5)에 결합한 자기성 비드(10)는 자기장 발생 수단(13)에 의해 발생되는 자기장에 의해 기판 방향으로 이동하고, 그에 의해 센싱 플레이트(4)도 휘게 된다. In FIG. 2, a receptor 12 is immobilized in the receptor coupling region 5. In addition, the magnetic beads 10 are coupled to the ligand 11, and through the selective binding between the ligand 11 and the receptor 12, the beads are bound to the receptor located on the upper surface of the sensing plate (4) end Engage with region (5). The magnetic bead 10 coupled to the receptor engagement region 5 is moved in the direction of the substrate by the magnetic field generated by the magnetic field generating means 13, whereby the sensing plate 4 is also bent.

상기 자기성 비드는 주로 현탁액의 형태로, 예컨대 Dynal AS사로부터 구입하여 사용할 수 있다. 상기 자기성 비드는 강장성, 상자성 및 초상자성 비드를 포함한다. 상기 자기성 비드는 예컨대, EP 제 0106873호에 개시된 방법에 의해 제조될 수 있다.The magnetic beads can be used mainly in the form of suspensions, for example, available from Dynal AS. The magnetic beads include tonic, paramagnetic and superparamagnetic beads. The magnetic beads can be produced, for example, by the method disclosed in EP 0106873.

도 3a는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센싱 스위치(양팔보)의 정면도이고, 도 3b는 센싱에 의해 스위치가 작동되는 것을 보여주는 도면이다. 본 도면의 센싱 스위치는 기판(1), 상기 기판 위에 놓인 두 개의 지지대(2,2'), 상기 지지대(2,2')를 연결하는 연결빔(3), 상기 연결빔(3) 중앙에 위치하고 상기 기판(1)으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 가로놓인 센싱 플레이트(4), 상기 센싱 플레이트(4)의 양팔의 상면에 위치한 두 개의 리셉터 결합 영역(5,5'), 상기 센싱 플레이트(4)의 위에 위치한 리간드와 동일 극성의 배척(push-out) 전극(6), 상기 센싱 플 레이트의 아래에 위치한 리간드와 반대 극성의 유인(pull-in) 전극(7,7'), 및 상기 배척 전극(6)과 유인 전극(7,7')의 척력 및 인력에 의해 센싱 플레이트(4)가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극(미도시)을 포함한다. 3A is a front view of a sensing switch (bottle beam) according to another embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a view showing that the switch is operated by sensing. The sensing switch of the figure is located in the center of the substrate 1, the two supports (2, 2 ') placed on the substrate, the connection beam (3) connecting the support (2, 2'), the connection beam (3) in the center A sensing plate 4 positioned parallel to the substrate 1 and spaced apart from the substrate 1 in parallel, two receptor coupling regions 5 and 5 ′ positioned on upper surfaces of both arms of the sensing plate 4, and the sensing plate 4. A push-out electrode 6 of the same polarity as the ligand located above, and a pull-in electrode 7,7 'of the opposite polarity to the ligand located below the sensing plate, and the rejection. And a pair of switching electrodes (not shown) spaced apart from each other, which may be connected when the sensing plate 4 contacts the substrate due to the repulsive force and attraction of the electrode 6 and the attracting electrodes 7, 7 '. .

도 3a에서, 상기 리셉터 결합영역(5,5')에는 서로 다른 리셉터, 예컨대 올리고뉴클레오티드가 고정화되어 있으며, 한 리셉터 결합영역(5)이 다른 리셉터 결합영역(5')보다 더 많은 표적 DNA 분자가 결합되어 있어서 더 음성 전하(More negative charge)를 띄며, 상기 센싱 플레이트의 위에 배척 전극(6)은 DNA와 동일 극성의 음극(anode)을 띄며, 상시 센싱 플레이트 아래의 유인 전극(7,7')은 DNA와 반대 극성의 양극(cathode)을 띈다. 상기 유인전극(7,7')은 서로 떨어져 있을 수도 있지만 일체형일 수도 있다. 도 3b에서, 상기 리셉터 결합영역(5)이 더 음성 전하(More negative charge)를 띔으로써 음성 배척 전극(6)과 양성 유인 전극(7) 사이의 유효 정전기 힘(effective electrostatic forces), 즉 척력과 인력에 의해 시소처럼 아래로 움직이게 된다.In FIG. 3A, different receptors such as oligonucleotides are immobilized in the receptor binding regions 5 and 5 ', and more receptor DNA regions 5' have more target DNA molecules than other receptor binding regions 5 '. Combined to give more negative charge, the reject electrode 6 on the sensing plate has an anode of the same polarity as the DNA, and the attracting electrodes 7, 7 ′ under the sensing plate at all times. Is a cathode of opposite polarity to DNA. The attracting electrodes 7 and 7 'may be separated from each other but may be integral. In FIG. 3B, the receptor coupling region 5 draws more negative charge so that the effective electrostatic forces between the negative reject electrode 6 and the positive attracting electrode 7, i.e. It is moved down like a seesaw by the attraction.

도 3c는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센싱 스위치(양팔보)의 사시도이다. 편의상, 센싱 플레이트(4)의 양팔의 상면에 위치한 두 개의 리셉터 결합 영역과, 상기 센싱 플레이트의 위 및 아래에 위치한 배척 전극 및 유인 전극, 및 기판 상의 스위칭 전극을 생략하여 도시하였다.Figure 3c is a perspective view of a sensing switch (yangpalbo) according to another embodiment of the present invention. For convenience, the two receptor coupling regions located on the upper surface of both arms of the sensing plate 4, the rejection and attracting electrodes located above and below the sensing plate, and the switching electrodes on the substrate are omitted.

도 4a는 도 3의 센싱 스위치의 온 상태(On-state)를 나타내는 개념도이고, 도 4b는 도 3의 센싱 스위치의 오프 상태(Off-state)를 나타내는 개념도이다. 4A is a conceptual diagram illustrating an on-state of the sensing switch of FIG. 3, and FIG. 4B is a conceptual diagram illustrating an off-state of the sensing switch of FIG. 3.

도 4a에서 스위치가 온(On) 되어 기판상의 스위칭 전극 사이에 전류가 흐르게 되며, 도 3b에서 스위치가 오프(Off) 되어 기판상의 스위칭 전극 사이에 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 본 발명의 센싱 스위치는 센싱(Sensing)과 스위치(Switch)의 역할을 동시에 수행하여 리간드와의 결합 반응시 전하량 변화의 감지 (sensing)가 바로 스위치를 켜지게 한다(switching-on). 이와 같이, 본 발명은 온 상태(On-state)와 오프 상태(off-state)가 존재하는 sensing switch 이므로 통상의 전자회로와 같은 논리회로(logic-circuit)를 만들 수 있다.In FIG. 4A, the switch is turned on to allow current to flow between the switching electrodes on the substrate. In FIG. 3B, the switch is turned off to prevent current from flowing between the switching electrodes on the substrate. Therefore, the sensing switch of the present invention performs a role of sensing and switching at the same time so that the sensing of the charge amount change during the binding reaction with the ligand (switching-on) immediately. As described above, the present invention is a sensing switch having an on-state and an off-state, so that a logic circuit such as a normal electronic circuit can be made.

본 발명의 센싱 스위치는 Mechanical Sensing과 electrical Switching을 동시에 수행함으로써 기존에 sensing 후 acquired signal 을 processing해야 하는 불편함을 해소하였다. 또한, 최소한의 circuitry와 최소한의 power를 필요로 함으로써 지금까지 나온 어떤 검출 방식(sensing & signal processing)보다도 작아질 수 있다(Miniaturization). 또한, 최소한의 circuit nose (flicker, white noise)를 가지며 sensor 와 post processor 사이의 connection noise를 줄임으로서 노이즈를 최소화할 수 있다(Noise minimization).The sensing switch of the present invention solves the inconvenience of processing the acquired signal after sensing by performing mechanical sensing and electrical switching at the same time. In addition, by requiring minimal circuitry and minimal power, it can be smaller than any sensing and signal processing method ever encountered (Miniaturization). In addition, it has minimal circuit nose (flicker, white noise) and can minimize noise by reducing connection noise between sensor and post processor (Noise minimization).

도 5a는 기존의 방식의 DNA chip 검출 시스템을 개념적으로 도시한 것이고, 도 5b는 본 발명에 따른 DNA chip 검출 시스템을 개념적으로 도시한 것이다. 도 5a의 기존 방식에서는 DNA chip 상의 스팟 A, B, C를 스캐너로 측정한 후 분석 장치로 시그날 프로세싱한 후에야 스팟 A, B, C에서 어느 이상의 intensity를 보이므로 대상 환자는 MODY 환자라고 판별할 수 있지만, 도 5b의 본 발명의 방식에서는 하나의 DNA chip상의 3개의 센싱 스위치가 센싱과 분석을 모두 수행하여 최종 아웃 풋 라인이 온(On) 되는 것을 램프와 같은 간단한 장치로 측정하여 대상환자가 MODY 환자라는 것을 손쉽게 판별할 수 있다.5A conceptually illustrates a conventional DNA chip detection system, and FIG. 5B conceptually illustrates a DNA chip detection system according to the present invention. In the conventional method of FIG. 5A, since the spots A, B, and C on the DNA chip are measured by a scanner and then signal processed by an analysis device, the target patient may be determined to be a MODY patient since the spots A, B, and C exhibit more than one intensity. However, in the method of the present invention of FIG. 5B, three sensing switches on one DNA chip perform both sensing and analysis, and the final output line is turned on. It can be easily identified as a patient.

도 6a는 종래 방식의 차별적(differential) 센싱 시스템을 개념적으로 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명에 따른 차별적 센싱 시스템을 도시한 것이다. 차별적 센싱(Differential sensing)이란 common noise factor/back ground noise를 줄임으로써 S/N ratio를 줄이는 sensing 방식으로서, 기존의 모든 방식은 도 6a와 같이 실제 분석 sensor와 동일한 또 하나의 Reference spot/sensor (identical)를 사용하였으며, 양 센서에서 나온 결과를 analytical tool/electrical circuit을 사용하여 분석하였기 때문에 최소한 two identical spot/sensor와 얻어진 시그날의 differential amplification / post analysis를 필요로 하였다. 이에 비해, 본 발명의 차별적 센싱은 도 6b와 같이 한 개의 센싱 스위치가 상기 종래 각기 다른 장치가 수행하던 기능들을 모두 다 함으로써 소형화(Miniaturization)가 가능하며, 최소한의 전력을 소모하며(Minimal power consumption), 높은 S/N 비 (less noise)와 현저히 높은 민감도(sensitivity)를 얻을 수 있다.6A conceptually illustrates a differential sensing system in a conventional manner, and FIG. 6B illustrates a differential sensing system according to the present invention. Differential sensing is a sensing method that reduces S / N ratio by reducing common noise factor / back ground noise, and all existing methods are another reference spot / sensor (identical) identical to the actual analysis sensor as shown in FIG. The results from both sensors were analyzed using an analytical tool / electrical circuit, requiring at least two identical spot / sensors and differential amplification / post analysis of the signals obtained. In contrast, in the differential sensing of the present invention, as shown in FIG. 6B, one sensing switch performs all functions performed by the conventional devices, thereby miniaturizing, minimizing power consumption, and minimizing power consumption. High S / N ratio noise and remarkably high sensitivity can be obtained.

도 7은 상기 도 6의 차별적 센싱 결과의 한예를 개념적으로 도시한 것이다. 도 7a는 종래 방식에 따른 것으로 DNA chip의 스팟 A, B, C의 차별적 센싱을 위해 각각 스캐너로 측정한 후 시그날 프로세싱에 의해 각 스팟의 intensity에서 백그라운드 스팟 B의 intensity를 빼준후에야 스팟 A와 B의 차별적 intensity를 구할 수 있었으나, 도 7b는 본 발명의 방식에 따른 것으로 한 센싱 스위치가 센싱 플레이트의 양팔의 센싱 양을 시소처럼 비교해줌으로써 스팟 A와 C의 차별적 센싱을 바로 가능케 하며, common noise인 Background signal을 자동적으로 제거해 준다.FIG. 7 conceptually illustrates an example of the differential sensing result of FIG. 6. FIG. 7A is a conventional method, which is measured by a scanner for differential sensing of spots A, B, and C of a DNA chip, and after the intensity of the background spot B is subtracted from the intensity of each spot by signal processing. 7b is a method of the present invention, the sensing switch compares the sensing amount of both arms of the sensing plate like a seesaw, and enables differential sensing of spots A and C. Will be removed automatically.

도 8a는 본 발명의 일 구체예에 따른 센싱회로 중 '및(and)' 논리 회로를 도시한 것이고, 도 8b는 '또는(or)' 논리 회로를 도시한 것이다. 도 8a의 '및(and)' 논리 회로에서는, 센싱 스위치 1과 2가 모두 온(On) 되면(예컨대, HP2 및 HP3 두 개에 감염됐을 경우) 회로의 아웃풋도 온(On)이 되나, 도 8b의 '또는(or)' 논리 회로에서는 센싱 스위치 1 또는 2가 온(On)이 되면(예컨대, HP2 또는 HP3 감염됐을 경우) 회로의 아웃풋도 온(On)이 된다.FIG. 8A illustrates an 'and' logic circuit of a sensing circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8B illustrates an 'or' logic circuit. In the 'and' logic circuit of FIG. 8A, when sensing switches 1 and 2 are both on (eg, infected with two HP2 and HP3), the output of the circuit is also on. In the 'or' logic circuit of 8b, when sensing switches 1 or 2 are turned on (eg, when HP2 or HP3 is infected), the output of the circuit also turns on.

도 8c는 본 발명의 일 구체예에 따른 센싱 회로 중 '및(and)' 과 '또는(or)' 논리 회로가 복수 개 존재하여 하나의 복합 회로를 구성한 것으로서, 두 개의 아웃풋 1,2에서의 온(1) 또는 오프(0)를 측정함으로써 HP2 및/또는 HP3의 감염 여부를 정확히 진단할 수 있다. 상기 도 8c의 아웃풋 신호로부터 진단된 결과를 아래 표 1에 정리하였다.FIG. 8C illustrates a composite circuit in which a plurality of “and” and “or” logic circuits exist in a sensing circuit according to an embodiment of the present invention, and thus, a single composite circuit may be formed. By measuring on (1) or off (0) it is possible to accurately diagnose the infection of HP2 and / or HP3. Diagnosis results from the output signal of FIG. 8C are summarized in Table 1 below.

[표 1]TABLE 1

Figure 112005055864108-PAT00001
Figure 112005055864108-PAT00001

본 발명에 따른 highly sensitive sensing logic circuit은 기존의 device sensor (DNA chip)+ Scanner/controller+analysis tool (PC)를 replace 할 수 있는 LOC의 획기적인 디자인이 될 것이다.Highly sensitive sensing logic circuit according to the present invention will be a breakthrough design of LOC that can replace the existing device sensor (DNA chip) + Scanner / controller + analysis tool (PC).

본 발명의 센싱 스위치의 구동 원리(working principle)를 살펴보면, 센싱 플레이트에 작용하는 4개의 토크(Torque=Forces X distance)는 다음과 같다.Looking at the working principle of the sensing switch of the present invention, the four torques (Torque = Forces X distance) acting on the sensing plate is as follows.

정전기적 또는 자기적 토크(Electrostatic or magnetic torque, Me) : 센싱 플레이트의 움직임을 유발하며, 전극 또는 자기 발생 수단의 배치/기하학, 전기장 또는 자기장, 리셉터의 전하 또는 자기성 비드에 의존한다.Electrostatic or magnetic torque (Me): Induces the movement of the sensing plate and depends on the placement / geometric of the electrode or magnetic generating means, the electric or magnetic field, the charge or magnetic beads of the receptor.

관성 토크(Inertia torque, I) : angular acceleration에 비례하며, 회전하는 연결빔의 회전 관성(rotational inertia, I)에 의존한다.Inertia torque (I): proportional to angular acceleration and dependent on the rotational inertia (I) of the rotating connecting beam.

댐핑 토크(Damping torque, D) : 회전 속도에 비례하며, 댐핑 팩터(damping factor, F) (medium's viscosity, sensor dimension)에 의존한다.Damping torque (D): proportional to the rotational speed and depends on the damping factor (F) (medium's viscosity, sensor dimension).

기계적 복원 토크(Mechanical restoring torque, Mm) : 틸트각(tilting angle)에 비례하며, 센서의 재료 및 기하학/디자인에 의존한다.Mechanical restoring torque (Mm): proportional to the tilting angle, depending on the material and geometry / design of the sensor.

상기 4개의 토크 사이의 관계식은 다음 식과 같다.The relationship between the four torques is as follows.

[식1][Equation 1]

Figure 112005055864108-PAT00002
Figure 112005055864108-PAT00002

도 9a와 9b는 본 발명의 다른 구체예에 따른 센싱 스위치의 작용 토크를 계산하기 위한 스케일을 도시한 것이다. 리셉터 결합 영역은 80×30 um2이고, 센서의 재질은 doped polysilicon이고, E (Young's modulus) = 150 Gpa, ν(poisson ratio) = 0.22, εb (relative dielectric constant of buffer) = 50, Voltage = 10V이다. 따라서, 정상 상태(Steady state)에서, 아래 식과 같은 결론을 내릴 수 있다.9A and 9B illustrate scales for calculating the operating torque of a sensing switch in accordance with another embodiment of the present invention. The receptor coupling area is 80 × 30 um 2 , the material of the sensor is doped polysilicon, E (Young's modulus) = 150 Gpa, ν (poisson ratio) = 0.22, ε b (relative dielectric constant of buffer) = 50, Voltage = 10V. Therefore, in steady state, the following equation can be concluded.

[식1][Equation 1]

Figure 112005055864108-PAT00003
Figure 112005055864108-PAT00003

[식2][Equation 2]

Figure 112005055864108-PAT00004
Figure 112005055864108-PAT00004

라면Ramen

[식3][Equation 3]

Figure 112005055864108-PAT00005
Figure 112005055864108-PAT00005

이와 같이, Analytical solution을 통해 design parameter/requirement을 정할 수 있으며, 무엇보다도 작동 여부를 판단할 수 있다. sensor의 response speed 등 dynamical response는 full equation을 풀어야 하나 feasibility 보는 시점에선 중요하지 않다.As such, design parameters / requirements can be determined through analytical solutions, and above all, operation can be determined. The dynamical response, such as the response speed of the sensor, must be solved for the full equation, but it is not important at the time of feasibility.

기계적 토크(Mechanical torque)를 아래와 같이 계산하면(B.R. Hopkins, design analysis of shafts and beams, 2nd edition 참조),The mechanical torque is calculated as follows (see B.R. Hopkins, design analysis of shafts and beams, 2nd edition):

[식4][Equation 4]

Figure 112005055864108-PAT00006
Figure 112005055864108-PAT00006

[식5][Equation 5]

Figure 112005055864108-PAT00007
Figure 112005055864108-PAT00007

[식6][Equation 6]

Figure 112005055864108-PAT00008
Figure 112005055864108-PAT00008

아래 결과를 알 수 있다.You can see the result below.

K (Stiffness coeff. Of the beam) = 2.25 × 10-24 m4 ,K (Stiffness coeff. Of the beam) = 2.25 × 10 -24 m 4 ,

G (elastic modulus of the beam in shear ) = 61.47 × 109 N/m2 G (elastic modulus of the beam in shear) = 61.47 × 10 9 N / m 2

Restoring torque = 9.22 × 10-9 NmRestoring torque = 9.22 × 10 -9 Nm

정전기적 토크(Electrostatic torque)는 아래 식과 같다.Electrostatic torque is given by

Electrostatic torque = electrostatic force × distanceElectrostatic torque = electrostatic force × distance

[식7][Equation 7]

Figure 112005055864108-PAT00009
Figure 112005055864108-PAT00009

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. Since these examples are only for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

<실시예 1><Example 1>

상기 도 9에 도시된 본 발명의 센싱 스위치를 사용하여 다음과 같은 조건으 로 토크를 계산하였다(A. Peterson, the effect of surface probe density on DNA hybridization, Nucleic Acid Research 2001, 29, 24,5163-5168 참조). 80% non-specific binding to mismatched probe (single mismatch probe, hypothetically), Immobilized 25mer probe DNA density = 2×1012 molecules/cm2, 100 % hybridization with perfect matched DNA (25mer), Probe: 5'-SH-C6-AGATCAGTGCGTCTGTACTAGCACA-3'Torque was calculated under the following conditions using the sensing switch of the present invention shown in FIG. 9 (A. Peterson, the effect of surface probe density on DNA hybridization, Nucleic Acid Research 2001, 29, 24,5163- 5168). 80% non-specific binding to mismatched probe (single mismatch probe, hypothetically), Immobilized 25mer probe DNA density = 2 × 10 12 molecules / cm 2 , 100% hybridization with perfect matched DNA (25mer), Probe: 5'-SH- C6-AGATCAGTGCGTCTGTACTAGCACA-3 '

정상 상태 분석(steady state analysis) 결과는 다음과 같다.The steady state analysis results are as follows.

Total effective charge (charge difference ) q = reactive surface area × molecule/area × # of electrons/molecule × charge/electron = 6 × 10 -11 C Total effective charge (charge difference) q = reactive surface area × molecule / area × # of electrons / molecule × charge / electron = 6 × 10 -11 C

Electric Field = 10V / (50×10um) = 2 × 105 N/CElectric Field = 10V / (50 × 10um) = 2 × 10 5 N / C

Fe = 1.2 × 10-5 NFe = 1.2 × 10 -5 N

따라서, 아래와 같이 정전기적 토크는 기계적 복원 토크보다 작아서 센서는 움직이지 않게 된다.Therefore, as shown below, the electrostatic torque is smaller than the mechanical restoring torque so that the sensor does not move.

Electrostatic Torque = Fe × 40 um = 4.8 × 10-10 Nm Electrostatic Torque = Fe × 40 um = 4.8 × 10 -10 Nm

< Restoring torque = 9.22 × 10-9 Nm<Restoring torque = 9.22 × 10 -9 Nm

만약 상시 실시예에서 몇 가지 디자인/실험을 변형시키면 다음과 같이 서로 다른 결과가 나오게 된다.If some of the designs / experiments are modified in the permanent embodiment, different results are obtained as follows.

첫째, 만약 전압을 200V로 증가시키면 아래와 같은 결과가 된다.First, if the voltage is increased to 200V, the result is as follows.

Electrostatic Torque = 9.6 × 10-9 Nm > 9.22 × 10-9 Nm (Restoring torque)Electrostatic Torque = 9.6 × 10 -9 Nm> 9.22 × 10 -9 Nm (Restoring torque)

옥사이드 절연층을 갖는 전극들이 가수분해를 방해한다. 이론적으로, 전압이 dielectric breakdown voltage (Oxide > 10 MV/cm, liquid ~1MV/cm) (~ 1000V/10 um in our case)까지 증가할 수 있다. 상기 전압 증가로 인해 정전기적 토크는 기계적 복원 토크보다 커져 스위치가 움직이게 된다.Electrodes with an oxide insulating layer interfere with hydrolysis. Theoretically, the voltage can increase to dielectric breakdown voltage (Oxide> 10 MV / cm, liquid ~ 1MV / cm) (~ 1000V / 10 um in our case). The voltage increase causes the electrostatic torque to be greater than the mechanical restorative torque, causing the switch to move.

둘째, 만약 RCA를 이용하여 effective charges를 증가시키면, 100 times rolling multiplication (few minutes)이 되고, 정전기적 토크가 아래와 같이 기계적 복원 토크보다 크게 되어 센서가 움직이게 된다.Secondly, if RCA is used to increase the effective charges, it becomes 100 times rolling multiplication (few minutes), and the electrostatic torque is greater than the mechanical recovery torque as shown below.

Electrostatic Torque = 48 × 10-9 Nm > 9.22 × 10-9 Nm (Restoring torque)Electrostatic Torque = 48 × 10 -9 Nm> 9.22 × 10 -9 Nm (Restoring torque)

셋째, beam designs 과 materials를 변형한다면 lower young's modulus와 longer beam length를 얻을 수 있다. 이로 인해 정전기적 토크에 비해, 기계적 복원 토크를 낮추어서 스위치를 움직이게 할 수 있다.Third, modifying beam designs and materials yields lower young's modulus and longer beam length. This allows the switch to move by lowering the mechanical recovery torque compared to the electrostatic torque.

<실시예 2><Example 2>

도 10의 본 발명에 따른 센싱 스위치가 실제 switch 역할을 할 수 있는지를 알아보기 위해 nucleic acid를 biomolecule로 사용해서 simulation 실험을 하였다( A. Peterson, the effect of surface probe density on DNA hybridization, Nucleic Acid Research 2001, 29, 24,5163-5168 참조). Simulation tool로서 ANSYS 8.0(ANSYS, Inc., USA)을 사용하였고, simulation 조건은 다음과 같았다. Element : shell 93 (suited for large deflection), Beam material : Gold, Young's modulus = 75 GPa (silicon ~ 169 GPa), Poisson's ratio = 0.42, Density = 1.932×104 kg/m3 (silicon ~ 2.33×103 kg/m3), Beam thickness = 1um, Relative permitivity = 80 (실험 buffer solution), Gap between two electrodes = 100 um, Applied potential = 10 V, Immobilized 25mer probe DNA density = 2×1012 molecules/cm2, 100 % hybridization with perfect matched DNA (25mer), Probe: 5' SH-C6-AGATCAGTGCGTCTGTACTAGCACA 3'. 빔(플레이트의 팔)의 개수에 따라 아래 표 2와 같이 다른 디자인을 적용하였다. 그 simulation 결과를 도 11a(빔이 3개) 및 11b(빔이 6개)에 도시하였다(Etch hole : 5um × 5um, Distance between holes : 5um). Simulation 결과에서 보듯이, 주어진 조건에서 충분히 휘어져서, 두 개의 electrode를 연결시켜 switch 역할을 할 수 있음을 보여준다.In order to find out whether the sensing switch according to the present invention of FIG. 10 can act as a real switch, a simulation experiment was performed using nucleic acid as a biomolecule (A. Peterson, the effect of surface probe density on DNA hybridization, Nucleic Acid Research). 2001, 29, 24,5163-5168). ANSYS 8.0 (ANSYS, Inc., USA) was used as the simulation tool, and the simulation conditions were as follows. Element: shell 93 (suited for large deflection), Beam material: Gold, Young's modulus = 75 GPa (silicon ~ 169 GPa), Poisson's ratio = 0.42, Density = 1.932 × 10 4 kg / m 3 (silicon ~ 2.33 × 10 3 kg / m 3 ), Beam thickness = 1um, Relative permitivity = 80 (experimental buffer solution), Gap between two electrodes = 100 um, Applied potential = 10 V, Immobilized 25mer probe DNA density = 2 × 10 12 molecules / cm 2 , 100% hybridization with perfect matched DNA (25mer), Probe: 5 'SH-C6-AGATCAGTGCGTCTGTACTAGCACA 3'. Depending on the number of beams (arms of the plate), different designs were applied as shown in Table 2 below. The simulation results are shown in FIGS. 11a (three beams) and 11b (six beams) (Etch holes: 5um × 5um, Distance between holes: 5um). As shown in the simulation results, it is shown that it can be bent sufficiently under a given condition and can act as a switch by connecting two electrodes.

[표 2]TABLE 2

Figure 112005055864108-PAT00010
Figure 112005055864108-PAT00010

<실시예 3><Example 3>

도 2에 도시된 장치에 있어서, 리셉터-리간드 간의 결합력 보다는 약하고, 스위치를 움직이는데 충분한 힘이 자기성 비드 및 자기장 발생 수단 사이에서 발생 하는지를 조사하였다. In the apparatus shown in Fig. 2, it was examined whether the force less than the coupling force between the receptor and the ligand and enough force to move the switch occurred between the magnetic beads and the magnetic field generating means.

자기성 비드로 BioMag® BM551을 사용하였다. 상기 자기성 비드는 리간드로서 스트렙타비딘(streptavidin)이 표면에 고정되어 있다. 또한, 자기 발생 장치로서 네오디움 자석을 사용하였다. 상기 자기성 비드 및 네오디움 자석의 특성은 다음과 같다: Br = 1.22 Tesla, μ0 = 1.26×10-6 H/m, magnetic mass susceptibility = 2.54×10-3 m3/kg, density = 1.70×103 kg/m3, magnetic susceptibility = 4.31, bead diameter = 1.50×10-6 m, V = 1.77×10-18 m3, L_magnet = 0.003 m. BioMag ® BM551 was used as magnetic beads. The magnetic beads have a streptavidin immobilized on the surface as a ligand. In addition, a neodymium magnet was used as the magnetic generating device. The properties of the magnetic beads and neodymium magnets are as follows: Br = 1.22 Tesla, μ 0 = 1.26 × 10 -6 H / m, magnetic mass susceptibility = 2.54 × 10 -3 m 3 / kg, density = 1.70 × 10 3 kg / m 3 , magnetic susceptibility = 4.31, bead diameter = 1.50 × 10 −6 m, V = 1.77 × 10 −18 m 3 , L_magnet = 0.003 m.

상기 값 및 식 8을 이용하여 자기성 비드와 자기 발생 수단의 거리에 따른 힘을 계산하였다. Using the above values and Equation 8, the force according to the distance between the magnetic beads and the magnetic generating means was calculated.

[식 8][Equation 8]

Figure 112005055864108-PAT00011
Figure 112005055864108-PAT00011

상기 계산 결과를 도 12에 도시하였다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 예컨대, 1 mm 거리에서 90 pN/㎛2의 값을 가졌다. The calculation result is shown in FIG. As shown in FIG. 12, for example, it had a value of 90 pN / μm 2 at a distance of 1 mm.

한편, 스트렙타비딘과 바이오틴(biotin)의 상호 결합력은 260±20 pN으로 알려져 있다(Proc. IEEE 85(4), 672-680, 1997). On the other hand, the mutual binding force of streptavidin and biotin is known to be 260 ± 20 pN (Proc. IEEE 85 (4), 672-680, 1997).

상기 결과들로부터 본 발명에 따른 센싱 스위치에 있어서, 리셉터-리간드 간의 결합력(260±20 pN) 보다는 약하여 그 결합을 방해하지 않으면서도, 스위치를 움직이는데 충분한 힘(90 pN)이 자기성 비드 및 자기장 발생 수단 사이에서 발생함을 알 수 있다. From the above results, in the sensing switch according to the present invention, a force (90 pN) sufficient to move the switch while not disturbing the coupling is weaker than the coupling force between the receptor-ligand (260 ± 20 pN) and generates magnetic beads and magnetic fields. It can be seen that it occurs between means.

<실시예 4><Example 4>

도 2의 본 발명에 따른 센싱 스위치가 실제 switch 역할을 할 수 있는지를 알아보기 위해 실시예 2의 방법을 응용하여 simulation 실험을 하였다. 도 13a는 도 2의 센싱 스위치의 simulation에 사용한 센싱 플레이트의 스케일을 도시한 것이다. simulation 조건은 다음과 같았다: 센싱 플레이트 두께는 3 ㎛이고, 재질은 실리콘(single crystal, Young's modulus = 169 GPa, Density = 2330 kg/m3)이다. In order to find out whether the sensing switch according to the present invention of FIG. 2 can serve as a real switch, a simulation experiment was applied by applying the method of Example 2. FIG. 13A illustrates a scale of a sensing plate used for simulation of the sensing switch of FIG. 2. The simulation conditions were as follows: the sensing plate thickness was 3 μm and the material was silicon (single crystal, Young's modulus = 169 GPa, Density = 2330 kg / m 3 ).

상기 조건으로 계산한 결과, 압력은 0.1×90 N/m2 = 9 Pa이었다. 상기 압력을 기준으로, 센싱 플레이트가 충분히 휘어져서 한 쌍의 스위칭 전극을 연결 시킬 수 있는 센싱 플레이트와 스위칭 전극 간의 거리를 계산하였다. 센싱 플레이트 단면의 10%에만 자기성 비드가 결합하는 것으로 가정하였다. 도 13b는 상기 simulation 결과를 도시한 것이다.The pressure was 0.1 × 90 N / m 2 = 9 Pa as a result of calculation under the above conditions. Based on the pressure, the distance between the sensing plate and the switching electrode to which the sensing plate is sufficiently curved to connect the pair of switching electrodes was calculated. It is assumed that magnetic beads only bind to 10% of the sensing plate cross section. Figure 13b shows the simulation result.

상기 결과로부터, 센싱 플레이트와 스위칭 전극 간의 거리는 180 ㎛ 이하가 되어야 자기장 인가시 센싱 플레이트가 스위칭 전극에 연결될 수 있음을 알 수 있었다. From the above results, it can be seen that the distance between the sensing plate and the switching electrode should be 180 μm or less so that the sensing plate can be connected to the switching electrode when the magnetic field is applied.

또한, 센싱 플레이트 자체 및 자기성 비드의 무게로 인해 상기 센싱 플레이 트가 아래로 휘어져서, 자기장을 인가시키지 않을 때에도 스위칭 전극에 연결되는지를 조사하였다. 센싱 플레이트 단면의 전체, 즉 100%에 자기성 비드가 결합하는 것으로 가정하였다. 도 13c는 상기 simulation 결과를 도시한 것이다.In addition, the sensing plate was bent downward due to the weight of the sensing plate itself and the magnetic beads, so that it was connected to the switching electrode even when no magnetic field was applied. It is assumed that magnetic beads bind to the entirety of the sensing plate cross section, ie 100%. Figure 13c shows the simulation results.

상기 결과로부터, 센싱 플레이트와 스위칭 전극 간의 거리는 1.6 ㎛ 이상이 되면 자기장 비인가시 센싱 플레이트가 스위칭 전극에 연결되지 않음을 알 수 있었다. From the above results, it can be seen that when the distance between the sensing plate and the switching electrode is 1.6 μm or more, the sensing plate is not connected to the switching electrode when the magnetic field is not applied.

즉, 상기 센싱 플레이트가 스위치 역할을 할 수 있기 위한 센싱 플레이트와 스위칭 전극 사이의 거리는 1.6~180 ㎛임을 확인할 수 있다. That is, it can be seen that the distance between the sensing plate and the switching electrode for the sensing plate to act as a switch is 1.6 to 180 μm.

<실시예 5>Example 5

도 2의 본 발명에 따른 센싱 스위치를 반도체 공정 기술을 응용하여 실제로 제조하였다. The sensing switch according to the present invention of FIG. 2 was actually manufactured by applying a semiconductor process technology.

도 14는 도 2의 본 발명에 따른 센싱 스위치의 제조 공정을 개념적으로 도시한 것이다. FIG. 14 conceptually illustrates a manufacturing process of a sensing switch according to the present invention of FIG. 2.

도 14를 참조하면, 센싱 플레이트를 제조하기 위해, 먼저 SOI 웨이퍼(21) 상에 산화층(22)을 만들고 그 위에 다시 SOI 웨이퍼(23)를 올린다. SOI 웨이퍼(21) 표면에 PR(24)을 코팅하고 mask 1을 이용하여 통상적인 방법으로 SOI 웨이퍼(21)를 에칭한다(단계 (a)). 다음으로, 반대 쪽의 SOI 웨이퍼(23) 표면에 PR(25)을 코팅하고 mask 2를 이용하여 통상적인 방법으로 SOI 웨이퍼(23)를 에칭한다(단계 (b)). 이후, SOI 웨이퍼(23) 방향에서 노출된 산화층(22)을 에칭하여 센싱 플레이트를 제조한다(단계 (c)). Referring to FIG. 14, in order to manufacture a sensing plate, an oxide layer 22 is first formed on an SOI wafer 21 and the SOI wafer 23 is again placed thereon. A PR 24 is coated on the surface of the SOI wafer 21 and the SOI wafer 21 is etched in a conventional manner using mask 1 (step (a)). Next, PR 25 is coated on the surface of the opposite SOI wafer 23 and the SOI wafer 23 is etched in a conventional manner using mask 2 (step (b)). Thereafter, the oxide layer 22 exposed in the direction of the SOI wafer 23 is etched to manufacture a sensing plate (step (c)).

다음으로, poly-Si(27)을 코팅하고 mask 3을 이용하여 산화층(26)을 에칭하고(단계 (d)), mask 4를 이용하여 한 쌍의 스위칭 전극(29)과 그에 연결된 콘택트 패드(contact pad)를 패터닝한다(단계 (e)). Next, the poly-Si 27 is coated and the oxide layer 26 is etched using mask 3 (step (d)), and a pair of switching electrodes 29 and contact pads connected thereto are used using mask 4 ( contact pad) (step (e)).

상기에서 제조된 기판 및 센싱 스위치를 결합한다(단계 (f)). 도 14의 단계 (f)에 도시된 센싱 스위치는 도 2의 것과 대응되고, 그의 식별 번호를 도 2와 일치시켜 나타내었다. The substrate and the sensing switch manufactured above are combined (step (f)). The sensing switch shown in step (f) of FIG. 14 corresponds to that of FIG. 2, and its identification number is shown in accordance with FIG.

도 15a 및 15b는 상기 공정을 통해 제조된 센싱 스위치의 센싱 플레이트를 확대한 SEM 사진이다. 15A and 15B are enlarged SEM photographs of a sensing plate of a sensing switch manufactured through the above process.

<실시예 6><Example 6>

실시예 5에서 제작한 센싱 스위치가 실제로 검출 기능을 수행하는지 여부를 확인하였다. It was confirmed whether the sensing switch manufactured in Example 5 actually performs the detection function.

자기성 비드로 BioMag® BM551을 사용하였다. 상기 자기성 비드는 리간드로서 스트렙타비딘(streptavidin)이 표면에 고정되어 있다. 자기 발생 장치로서 네오디움 자석을 사용하였다. 한 쌍의 스위칭 전극에는 1V 직류 전압을 인가하였다. BioMag ® BM551 was used as magnetic beads. The magnetic beads have a streptavidin immobilized on the surface as a ligand. A neodymium magnet was used as the magnetic generating device. 1V DC voltage was applied to the pair of switching electrodes.

센싱 플레이트의 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역에 바이오틴을 결합한 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어서 실험을 수행하였다. The experiment was performed by dividing the biotin into the case where the biotin was bound to the receptor binding region located on the upper end of the sensing plate.

그 결과를 도 16에 도시하였다. 도 16으로부터, 바이오틴이 센싱 플레이트의 리셉터 결합 영역에 결합한 경우 자기장을 작동시키면 전류가 흐르지만, 바이오틴이 결합하지 않은 경우 전류가 흐르지 않음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 센싱 스위치는 리셉터의 검출을 효과적으로 수행할 수 있음을 확인하였다. The result is shown in FIG. 16, it can be seen that when biotin is bound to the receptor binding region of the sensing plate, current flows when the magnetic field is operated, but no current flows when the biotin is not bound. Therefore, it was confirmed that the sensing switch according to the present invention can effectively perform the detection of the receptor.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 생분자 및 화학물질과 같은 표적 물질을 형광 표지화(labelling)할 필요가 없으며, 형광 또는 전기적 검출신호를 분석장치에서 별도로 시그날 프로세싱할 필요가 없으며, 스위칭의 온/오프에 의한 전류 흐름의 유무로서 신호를 바로 판독할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 센싱 스위치는 Mechanical Sensing과 electrical Switching을 동시에 수행함으로써 기존에 sensing 후 acquired signal을 processing 해야 하는 불편함을 해소하였다. 또한, 최소한의 circuitry와 최소한의 power를 필요로 함으로써 지금까지 나온 어떤 검출 방식(sensing & signal processing)보다도 작아질 수 있다(Miniaturization). 또한, 최소한의 circuit nose (flicker, white noise)를 가지며 sensor 와 post processor 사이의 connection noise를 줄임으로써 노이즈를 최소화할 수 있다(Noise minimization).As described above, according to the present invention, there is no need to fluorescently label target substances such as biomolecules and chemicals, and there is no need to separately signal the fluorescence or electrical detection signals in the analyzer, and The advantage is that the signal can be read directly with or without current flow due to the off. That is, the sensing switch of the present invention solves the inconvenience of processing the acquired signal after sensing by performing mechanical sensing and electrical switching at the same time. In addition, by requiring minimal circuitry and minimal power, it can be smaller than any sensing and signal processing method ever encountered (Miniaturization). In addition, it has minimal circuit nose (flicker, white noise) and can minimize noise by reducing connection noise between sensor and post processor (Noise minimization).

Claims (13)

기판; 상기 기판 위에 놓인 지지대; 상기 지지대 측면으로부터 연결된 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트; 상기 센싱 플레이트 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역; 상기 리셉터 결합 영역에 결합한 리셉터가 전기적 또는 자기적 활성을 띈 리간드와 선택적으로 결합하는 경우 상기 센싱 플레이트의 휨(deflection)을 유도하는 전기장 또는 자기장 발생 수단; 및 상기 센싱 플레이트의 휨에 의해 센싱 플레이트가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 포함하는 센싱 스위치.Board; A support placed on the substrate; Sensing plates extending in parallel and spaced apart from the substrate connected from the side of the support; A receptor coupling region located on an upper surface of the sensing plate end; Electric or magnetic field generating means for inducing deflection of the sensing plate when the receptor bound to the receptor binding region selectively binds to a ligand that is electrically or magnetically active; And a pair of switching electrodes spaced apart from each other by a bending of the sensing plate, which may be connected when the sensing plate contacts the substrate. 기판; 상기 기판 위에 놓인 지지대; 상기 지지대 측면으로부터 연결된 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트; 상기 센싱 플레이트 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역; 상기 센싱 플레이트의 위에 위치한 리간드와 동일 극성의 배척(push-out) 전극, 상기 센싱 플레이트의 아래에 위치한 리간드와 반대 극성의 유인(pull-in) 전극, 및 상기 배척 전극과 유인 전극의 척력 및 인력에 의해 센싱 플레이트가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 포함하는 센싱 스위치.Board; A support placed on the substrate; Sensing plates extending in parallel and spaced apart from the substrate connected from the side of the support; A receptor coupling region located on an upper surface of the sensing plate end; A push-out electrode of the same polarity as the ligand located above the sensing plate, a pull-in electrode of opposite polarity to the ligand located below the sensing plate, and the repulsive force and attraction of the evacuation electrode and the attracting electrode And a pair of switching electrodes spaced apart from each other by which a sensing plate may be connected when the sensing plate contacts the substrate. 기판; 상기 기판 위에 놓인 지지대; 상기 지지대 측면으로부터 연결된 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있는 센싱 플레이트; 상기 센싱 플 레이트 말단의 상면에 위치한 리셉터 결합 영역; 리간드를 통하여 상기 리셉터 결합 영역에 결합한 리셉터와 선택적으로 결합하는 자기성 비드(magnetic bead); 상기 센싱 플레이트의 아래에 위치한 자기장 발생 수단; 및 상기 발생된 자기장에 의해 센싱 플레이트가 상기 기판에 닿았을 때 연결될 수 있는 서로 일정 간격 떨어진 한 쌍의 스위칭 전극을 포함하는 센싱 스위치.Board; A support placed on the substrate; Sensing plates extending in parallel and spaced apart from the substrate connected from the side of the support; A receptor coupling region located on an upper surface of the sensing plate end; Magnetic beads that selectively bind to a receptor bound to the receptor binding region through a ligand; Magnetic field generating means located below the sensing plate; And a pair of switching electrodes spaced apart from each other by a generated magnetic field, which may be connected when the sensing plate contacts the substrate. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 리간드는 리셉터와 선택적으로 결합하는 핵산, 단백질, 펩타이드, 항체, 항원, 폴리머, 액상 또는 기상의 화학 물질(chemical agent)인 것을 특징으로 하는 센싱 스위치.Wherein said ligand is a nucleic acid, protein, peptide, antibody, antigen, polymer, liquid or gaseous chemical agent that selectively binds to a receptor. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 자기성 비드에는 리셉터와 선택적으로 결합하는 리간드, 또는 리셉터와 선택적으로 결합하는 리간드와 선택적으로 결합하는 2차 리셉터가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 센싱 스위치. The magnetic bead is attached to the magnetic bead selectively binds to the receptor, or a second receptor that selectively binds to the ligand selectively binding to the sensing switch. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 센싱 플레이트는 상기 기판 위에 놓인 두 개의 지지대를 연결하는 연결빔의 중앙으로부터 양쪽으로 상기 기판으로부터 일정 간격 이격되어 평행하게 뻗어있고, 상기 센싱 플레이트의 양팔의 상면에 두 개의 리셉터 결합 영역이 존재하는 것을 특징으로 하는 센싱 스위치.The sensing plate extends in parallel and spaced apart from the substrate to both sides from the center of the connecting beam connecting the two supports placed on the substrate, there are two receptor coupling regions on the upper surface of both arms of the sensing plate Sensing switch characterized by. 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 두 개의 리셉터 결합 영역에 서로 다른 종류의 리셉터가 고정화되어 있는 것을 특징으로 하는 센싱 스위치.And a different type of receptor is immobilized in the two receptor coupling regions. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 복수 개의 센싱 스위치가 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 '및(and)' 및/또는 '또는(or)'의 논리 회로를 구성하는 센싱 회로. A sensing circuit in which a plurality of sensing switches of any one of claims 1 to 7 are connected in series and / or in parallel to form a logic circuit of 'and' and / or 'or'. 제 8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 및(and)' 및/또는 '또는(or)'의 논리 회로를 거쳐서 나오는 아웃풋(output)의 신호를 보고 복수 개의 리간드에 대한 검출 및 분석을 동시에 하는 것을 특징으로 하는 센싱 회로.And a detection circuit for simultaneously detecting and analyzing a plurality of ligands by viewing an output signal output through the logic circuits of 'and' and / or 'or'. 제 2항 또는 제 6항의 센싱 스위치의 리셉터 결합 영역에 리간드를 도입하는 단계;Introducing a ligand into the receptor binding region of the sensing switch of claim 2; 상기 리간드와 리셉터 결합 영역에 고정된 리셉터의 결합반응을 시키는 단계;Subjecting the ligand to a receptor fixed to the receptor binding region; 상기 배척 전극에 리간드와 동일 극성의 전압과 상기 유인 전극에 리간드와 반대 극성의 전압을 인가하는 단계;Applying a voltage of the same polarity as the ligand to the reject electrode and a voltage of the opposite polarity to the ligand to the attracting electrode; 상기 리간드와 배척 전극 및 유인 전극 사이의 척력 및 인력에 의해 센싱 플레이트가 상하 이동하여 상기 기판 상의 한 쌍의 스위칭 전극을 개폐시키는 단계; 및 Sensing plates are moved up and down by repulsion and attraction between the ligand, the reject electrode and the attracting electrode to open and close a pair of switching electrodes on the substrate; And 상기 스위칭 전극사이의 전류의 흐름 유무를 측정하는 단계를 포함하는 리간드 결합 여부 검출방법.Ligand binding detection method comprising the step of measuring the flow of current between the switching electrode. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 센싱 스위치의 두 개의 리셉터 결합 영역에 서로 다른 종류의 리셉터가 고정화되어 서로 다른 리간드간의 차별적(differential) 결합 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 리간드 결합 여부 검출방법.And a different type of receptor is immobilized in two receptor binding regions of the sensing switch to detect whether there is a differential binding between different ligands. 리셉터와 선택적으로 결합하는 리간드, 또는 상기 리간드와 선택적으로 결합하는 2차 리셉터에 자기성 비드(magnetic bead)를 부착시키는 단계;Attaching a magnetic bead to a ligand that selectively binds to the receptor, or to a secondary receptor that selectively binds to the ligand; 제 3항 또는 제 6항의 센싱 스위치의 리셉터 결합 영역에 고정된 리셉터에 상기 자기성 비드가 부착된 리간드 또는 2차 리셉터를 도입하는 단계; Introducing a ligand or secondary receptor to which the magnetic beads are attached to a receptor fixed to the receptor binding region of the sensing switch of claim 3 or 6; 상기 리간드와 리셉터 간의 선택적 결합 반응에 의해 자기성 비드를 리셉터 결합 영역에 부착시키는 단계; Attaching magnetic beads to the receptor binding region by a selective binding reaction between the ligand and the receptor; 결합반응에 참가하지 않은 자기성 비드 부착의 리간드 또는 2차 리셉터를 제거하는 단계;Removing the ligand or secondary receptor of magnetic bead attachment that did not participate in the binding reaction; 센싱 플레이트의 아래에 위치한 자기장 발생수단으로부터 자기장을 발생시키는 단계;Generating a magnetic field from a magnetic field generating means located below the sensing plate; 상기 자기장에 의해 센싱 플레이트가 상하 이동하여 상기 기판 상의 한 쌍의 스위칭 전극을 개폐시키는 단계; 및 Moving the sensing plate up and down by the magnetic field to open and close a pair of switching electrodes on the substrate; And 상기 스위칭 전극 사이의 전류의 흐름 유무를 측정하는 단계를 포함하는 리간드 결합 여부 검출방법. Ligand binding detection method comprising the step of measuring the flow of current between the switching electrode. 제 12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 센싱 스위치의 두 개의 리셉터 결합 영역에 서로 다른 종류의 리셉터가 고정화되어 서로 다른 리간드간의 차별적(differential) 결합 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 리간드 결합 여부 검출방법. And a different type of receptor is immobilized in two receptor binding regions of the sensing switch to detect whether there is a differential binding between different ligands.
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