KR20110113610A - 현장진단 분석기를 위한 미세유체 기반의 랩온어 테스트 카드 - Google Patents

현장진단 분석기를 위한 미세유체 기반의 랩온어 테스트 카드 Download PDF

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KR20110113610A
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써니 박 김
영식 신
챙겅 리우
로리 켈리
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나노아이브이디, 인크.
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Abstract

미소유체 기반의 랩온어 테스트 카드가 소개된다. 테스트 카드는 현장진단(POC) 분석기로 사용된다. 테스트 카드는 샘플을 받도록 설계되며, 그 후 POC 분석기로 사용하여 샘플 내의 특정 물질을 정량화하거나 카운팅한다. 테스트 카드는 다수의 층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 테스트 카드는 여과면, 포획 채널 및 입자 검출기를 갖는 1차 분리 챔버를 포함한다. 또한, 테스트 카드는 나노와이어 센서를 포함한다.

Description

현장진단 분석기를 위한 미세유체 기반의 랩온어 테스트 카드{MICROFLUIDIC-BASED LAB-ON-A-TEST CARD FOR A POINT-OF-CARE ANALYZER}
본원은 2008년 12월 5일 출원된 미국 가출원번호 61/120,253, 발명의 명칭 "INTEGRATED SEMICONDUCTOR-NANOSENSOR ANALYSIS SYSTEM"을 기초로 우선권을 주장한다.
본 발명은 현장진단 분석기를 위한 미세유체 기반의 랩온어 테스트 카드에 관한 것이다.
혈액, 소변 및 다른 체액과 같은 생물학적 샘플 내의 특정 세포 타입 또는 물질의 항체, 단백질, 펩티드, 핵산, 압타머(aptamer) 및 세포 수용체는 병의 진단, 치료 효과의 평가 및 다수의 다른 목적에 사용된다. 의사를 방문하거나 실험실을 찾는 환자에게 전류 진단 분석이 필요한 곳에서, 현장진단 분석은 병원에서 주치의 또는 집에서 환자에 의해 수행될 뿐만 아니라, 지리적으로 원거리에서 또는 침상생활을 하는 환자를 위해 병원에서 간병인에 의해 수행될 수도 있다.
미세유체 기술은 종래의 실험 기술의 일부 단점을 해결하려는 시도로 적용되어 왔다. 예컨대, 미세유체 기술은 아주 작은 양의 반응물을 필요로 한다. 하지만 미세유체 기술은 종종 검출되는 특정 세포 또는 물질의 양이 아주 드물거나 양이 극히 적은 경우, 아주 작은 부피의 생물학적 샘플을 다루며, 이는 민감도(sensitivity)를 제한할 수 있다.
본 발명은 저렴하고 노동집약적이지 않은, 생물학적 샘플 내의 특정 물질을 검출하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 현상진단에서 신속한 결과를 제공할 수 있는 생물학적 샘플 내의 특정 물질을 검출하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 매우 민감한 생물학적 샘플 내의 특정 물질을 검출하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 내의 성분을 분리하는 장치는, 복수의 구멍을 정의하는 여과면을 갖는 1차 분리 챔버; 상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 1차 분리 챔버의 구멍보다 작은 성분은 통과시키고 큰 성분은 유지시키는 상기 여과면에 실질적으로 수직한 방향으로, 상기 1차 분리 챔버에 상기 샘플을 도입하도록 구성되는 샘플 입구; 상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 구체적으로 표적이 된 상기 구멍보다 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합하는 포획제로 처리된 벽을 갖는 포획 채널; 및 상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 큰 성분을 상기 포획 채널로 쓸어가도록, 상기 여과면에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 1차 분리 챔버에 버퍼를 도입하도록 구성되는 버퍼 입구를 포함하고, 상기 포획 채널의 벽은 상기 큰 성분이 상기 포획 채널을 통과함에 따라 상기 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 내의 성분을 분리하는 방법은, 복수의 구멍을 정의하는 여과면을 갖는 1차 분리 챔버를 제공하는 단계; 상기 1차 분리 챔버 내의 상기 구멍보다 작은 성분은 통과시키고 큰 성분은 유지시키는 상기 여과면에 실질적으로 수직한 방향으로, 상기 1차 분리 챔버에 상기 샘플을 도입하는 단계; 상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 큰 성분 중 적어도 하나를 선택적으로 결합시키기 위한 포획제로 처리된 벽을 갖는 포획 채널을 제공하는 단계; 및 상기 큰 성분을 상기 포획 채널로 쓸어가도록 상기 여과면에 실질적으로 평행한 방향으로 버퍼를 도입하는 단계를 포함하고, 상기 포획 채널의 벽은 상기 큰 성분이 상기 포획 채널을 통과함에 따라 상기 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 내의 성분을 분리하는 장치는, 복수의 구멍을 정의하는 여과면을 갖는 1차 분리 챔버; 상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 1차 분리 챔버의 구멍보다 작은 성분은 통과시키고 큰 성분은 유지시키는 상기 여과면에 실질적으로 수직한 방향으로, 상기 1차 분리 챔버에 상기 샘플을 도입하도록 구성되는 샘플 입구; 및 상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 여과면의 큰 성분을 쓸어가도록, 상기 여과면에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 1차 분리 챔버에 버퍼를 도입하도록 구성되는 버퍼 입구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치는, 베이스, 상기 베이스에 결합되는 소스 전극, 상기 베이스에 결합되고, 상기 소스 전극보다 낮은 포텐셜을 갖는 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극에 결합되는 반도체 나노와이어 및 상기 베이스에 결합되고, 표면의 적어도 일부가 상기 물질과 선택적으로 결합되는 포획제로 처리되는 제어 전극을 포함하고, 상기 나노와이어를 통해 흐르는 전류의 양은 상기 제어 전극에 인가된 전압에 대응하고, 상기 제어 전극에 결합된 물질의 양에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치는 상기 샘플을 포함하도록 구성되는 테스트 챔버, 소스 전극, 상기 소스 전극보다 낮은 포텐셜을 갖는 드레인 전극, 상기 테스트 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극과 결합되는 반도체 나노와이어, 상기 나노와이어를 통해 흐르는 전류의 양을 측정하는 검출기 및 상기 테스트 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 표면의 적어도 일부가 상기 물질과 선택적으로 결합하는 포획제로 처리된 제어 전극을 포함하고, 상기 나노와이어를 통해 흐르는 전류의 양은 상기 제어 전극에 인가된 전압에 대응하고, 상기 제어 전극에 결합된 물질의 양에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 내의 입자를 검출하는 장치는, 주 흐름 채널; 상기 주 흐름 채널과 유체를 교환하고, 상기 주 흐름 채널 내에서 샘플 내의 입자를 유체역학적으로 집중시키기 위해 상기 주 흐름 채널에 버퍼를 도입하는 것을 가능하게 하는 버퍼 도입 채널; 상기 주 흐름 채널의 제 1 대향 측 및 제 2 대향 측과 각각 유체를 교환하고, 적어도 부분적으로 한천(agar)으로 채워진 제 1 염다리 챔버 및 제 2 염다리 챔버; 상기 제 1 염다리 챔버 및 상기 제 2 염다리 챔버와 각각 유체를 교환하고, 적어도 부분적으로 전해질로 채워진 제 1 전해질 챔버 및 제 2 전해질 챔버; 상기 제 1 전해질 챔버 및 상기 제 2 전해질 챔버 내에 각각 배치되고, 상기 제 1 전해질 챔버 및 상기 제 2 전해질 챔버와 상기 제 1 염다리 챔버 및 상기 제 2 염다리 챔버에 각각 여기 신호를 인가할 수 있는 제 1 전극 및 제 2 전극; 및 상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 1 염다리 챔버 사이의 임피던스를 측정하기 위해, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 결합되는 임피던스 분석기를 포함하고, 상기 주 흐름 채널을 통해 상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 2 염다리 챔버 사이를 통과하는 입자는, 상기 여기 신호가 인가되는 동안, 상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 2 염다리 챔버 사이의 임피던스에 검출 가능한 변화를 유발하는 것을 특징으로 한다.
도 1a 및 도 1b는 테스트 카드로 사용하는 현장진단(POC) 분석기의 일 실시예를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 테스트 카드의 일 실시예의 조립도 및 분해도를 도시한다.
도 3a는 1차 분리 챔버의 확대도를 도시한다.
도 3b는 구멍의 확대도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 포획 채널(238)의 일 실시예의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 입자 검출기의 일 실시예의 확대도를 도시한다.
도 5c는 입자 검출기의 또 다른 실시예의 확대도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 테스트 카드의 또 다른 실시예의 조립도 및 분해도를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 테스트 카드의 또 다른 실시예의 조립도 및 분해도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 2차 분리 층의 상부 및 바닥 측 각각의 확대도를 도시한다.
도 9a는 나노와이어 센서의 일 실시예의 확대도를 도시한다.
도 9b는 나노와이어 센서의 개략적인 응답을 도시한다.
도 9c는 펩티드 핵산(PNA) 및 머캅토에탄올의 혼합된 자가조립 단층(SAM)의 개략적인 도면을 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 테스트 카드(200)로 사용하기 적합한 현장진단(point-of-care, POC) 분석기(100)의 일 실시예를 도시한다. POC 분석기(100)는 카드 슬롯(112), 디스플레이부(114) 및 제어부(116)를 포함한다. 카드 슬롯(112)은 테스트 카드(200)를 수용하도록 구성된다. 디스플레이부(114)는 POC 분석기(100)의 상태 및 테스트 결과를 도시한다. 제어부(116)는 POC 분석기(100)를 켜고 끄고, 테스트를 시작하고 중단하며, 디스플레이부(114)를 변경한다.
POC 분석기(100)는 테스트 카드(200)에 압력을 적용하기 위해, 실린지 펌프, 연동 펌프 또는 임의의 다른 적합한 펌프와 같은 압력 장치를 포함한다. 샘플은 전혈(whole blood), 혈장, 혈청, 세침 흡인물(fine needle aspirate), 골수 샘플, 척수액, 췌장낭액(cyst fluid), 관절액 또는 활액(joint or synovial fluid), 자궁내막 흡인 샘플, 위액, 안구액, 난소액, 조직 배양 배지, 소변, 또는 다른 생물학적 또는 비생물학적 샘플일 수 있다.
일 실시예에서, 테스트 카드(200)는 전혈의 샘플을 수용하고, 샘플 내의 혈중종양세포(circulating tumor cell, CTC)의 수의 근사한 카운트를 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서 또는 다른 실시예에서, 테스트 카드(200)는 임의의 CD45, CD14, CD33, CD16, CD24, CD64 또는 CD15 세포 표면 표지자가 부족한 샘플 내의 백혈구 수의 근사한 카운트를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 또는 여전히 다른 실시예에서, 테스트 카드(200)는 암세포에 대한 표피성장인자수용체(epidermal growth factor receptor, EGFR) 확대, 암 줄기세포에 대한 CD133 또는 항원 특이성에 대한 T-세포 수용체와 같은 특정 표면 표지자를 사용하여 세포의 근사한 카운트를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
테스트 카드(200)는 플라스틱, 유리 또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 테스트 카드(200)는 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다. 층은 에폭시, 열 접착 또는 임의의 다른 적합한 방법 및/또는 물질을 사용하여 함께 결합될 수 있다. 테스트 카드(200)는 약 70 mm × 55 mm × 5 mm의 크기를 가질 수 있다. 테스트 카드(200)는 버퍼 공급체와 함께 패키징될 수 있고, 접근이 용이하도록 구성되는 전기적인 접촉부를 가질 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 테스트 카드(200)의 일 실시예의 조립도 및 분해도를 도시한다. 테스트 카드(200)는 전혈의 샘플을 수용하고 CTC의 근사한 카운트를 제공하기에 적합하다. 테스트 카드(200)는 상부 층(210), 입자 검출 층(220), 1차 분리 층(230) 및 폐기물 수집층(260)을 포함하는 층의 더미로 구성된다. 이 층의 상관관계는 제조 및 비용을 고려하여 더 적은 층 또는 더 많은 층으로 결합되거나 분리될 수 있다.
1차 분리 층(230)은 샘플 입구(231)를 포함한다. 샘플 입구(231)는 약 0.01 ml 내지 10 ml의 샘플 크기를 수용할 수 있다. 샘플 입구(231)는 응고의 가능성을 최소화하는 사이즈로 정해진다. 샘플 입구(231)는 약 0.5 mm 내지 10 mm, 바람직하게는 약 5 mm의 직경을 가질 수 있다. 샘플 입구(231)는 상부 층(210) 및 입자 검출 층(220)을 통과하여, 1차 분리 층(230)에 도달할 수 있다.
또한, 1차 분리 층(230)은 샘플 입구(231)와 유체를 교환하는 1차 분리 챔버(235)를 포함한다. 또한, 1차 분리 층(230)은 1차 분리 챔버(235)와 유체를 교환하는 포획 채널(238)을 포함할 수 있다.
도 3a는 1차 분리 챔버(235)의 확대도를 도시한다. 1차 분리 챔버(235)는 여과면(236)을 포함한다. 여과면(236)은 적합한 사이즈의 복수의 구멍(237)을 포함한다. 전혈에서 CTC를 검출하기 위해, 구멍(237)은 CTC와 큰 백혈구 또는 약 1 ㎛ 내지 30 ㎛, 바람직하게는 16 ㎛의 직경이 구멍을 통과하는 것을 방지하고, 동시에 작은 백혈구, 적혈구, 혈소판, 혈장 및 다른 혈액 성분이 통과하는 것을 허용하는 사이즈를 갖는다. 다른 적용, 예컨대 암세포의 항원, 핵산, 항체, 면역 글로불린 항체, 다른 생물학적 표지자 및 병원균을 검출하기 위해, 구멍(237)은 약 1 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 여과면(236)은 50 %보다 큰 공극률을 가질 수 있다. 공극률은 구멍(237)으로 구성된 여과면(236)의 부분 또는 퍼센트를 말한다. 도 3b는 구멍(237)의 확대도를 도시한다. 구멍(237)은 원형, 육각형 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 구멍(237)은 균일한 사이즈 또는 상이한 사이즈일 수 있다. 여과면(236)은 약 6 mm 길이 × 6 mm 폭일 수 있고, 약 100,000 개의 구멍을 포함할 수 있다.
샘플 입구(231)는 여과면(236) 위에 배치된다. 샘플 입구(231)는 여과면(236) 위로부터 1차 분리 챔버(235)에 전혈의 샘플을 향하게 하고, 여과면(236)에 실질적으로 수직인 방향으로 샘플을 흐르게 한다. 이것은 흐름 비율의 증가 및 테스트 시간의 감소의 효과를 갖는다.
또한, 1차 분리 층(230)은 1차 분리 챔버(235)와 유체를 교환하는 버퍼 입구(232)를 포함한다. 버퍼 입구(232)는 상부 층(210) 및 입자 검출 층(220)을 통과하여, 1차 분리 층(230)에 도달할 수 있다. 버퍼 입구(232)는 POC 분석기(100) 내의 압력 장치와 유체를 교환할 수 있다. 버퍼 입구(232)는 여과면(236)에 실질적으로 평행한 방향으로 1차 분리 챔버(235)에 버퍼를 향하게 하여, 여과면(236)을 가로질러 포획 채널(238)을 향하는 "쓸어가는(sweeping)" 동작을 형성한다. 버퍼 입구(232)는 우선 여과면(236)의 전체 측을 실질적으로 가로질러 연장되는 버퍼 트로프(trough)(233)에 버퍼를 도입할 수 있다. 버퍼는 버퍼 트로프(233)를 채운 후 여과면(236)에 가득 찬다. 버퍼 트로프(233)는 여과면(236)과 거의 동일한 층에 배치되는 상부를 갖는다. 대안적으로, 버퍼 입구(232)는 여과면(236)의 전체 측을 실질적으로 가로질러 버퍼를 분배하는 버퍼 확산기를 포함할 수 있다. 버퍼 입구(232)는 여과면(236)을 가로질러 버퍼를 향하게 하고, 버퍼 입구(232)로부터 포획 채널(238)을 향하는 버퍼 흐름에 따라 여과면(236)에서 쓸어가는 동작을 유발한다.
여과면(236)은 1차 분리 층(230)의 일부로 형성될 수 있거나, 개별적으로 제조되어 1차 분리 층(230)에 결합될 수 있다. 여과면(236)은 사출 성형, 마이크로 리소그래피, 포토이미징과 같은 마이크로머시닝 기술, 습식 식각과 건식 식각, 방사선 "언지핑(unzipping)"과 같은 프로세싱 기반의 방사선 및 레이저 어블리에이션(laser ablation)에 의해 제조될 수 있다. "습식 식각"은 일반적으로 액체 성분과 접촉함으로써 식각되는 것을 말한다. "건식 식각"은 일반적으로 가스 또는 플라즈마와 접촉함으로써 식각되는 것을 말한다. 레이저 어블리에이션으로 레이저 광의 각각의 펄스는 폴리머 물질의 작은 부분을 제거한다. 싱크로트론(synchrotron)은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA)와 같은 아크릴 물질의 폴리머 백본(polymer backbone)을 본딩하지 않거나 "언지핑"하기 위해 사용될 수 있는 높은 방향 x-레이 방사선을 전달한다. 이러한 개념을 사용하여, 요구되는 패턴을 정의하는 흡수 섹션 및 전송 섹션을 갖는 x-레이 마스크에 의해 정의되는 것과 같은 폴리머 막의 확대된 영역은 이온화 방사선에 의해 "언지핑"될 수 있고, 그 후 용매 배스(bath)에 의해 현상될 수 있다.
부피당 CTC의 수는 매우 작기 때문에, CTC를 카운팅하기 위해, 민감도는 샘플 부피에 대응해야 한다. 테스트 카드(200)는 10 ml 이상에 이르는 부피를 갖는 혈액 샘플을 여과할 수 있다. 이 샘플 사이즈는 미세유체 장치에서 일반적으로 적용되는 샘플 사이즈보다 10 배 클 수 있다. 그 결과, 이 큰 샘플 사이즈는 10 배 클 수 있는 민감도를 야기한다.
도 4a 및 도 4b는 포획 채널(238)의 일 실시예의 사시도 및 단면도를 도시한다. 포획 채널(238)은 샘플 내의 명확하게 표적이 된 성분이 선택적으로 결합될 포획제를 사용하여 처리되는 벽을 포함한다. 일 실시예에서, 포획 채널(238)은 백혈구와 결합될 CD45 항체를 사용하여 처리되는 벽을 갖는다. 다른 실시예에서, 포획 채널(238)은 벽을 갖되, 상기 벽은 원하지 않는 성분이 선택적으로 결합될 수 있는 항체, 압타머, 펩티드 및/또는 저분자를 사용하여 처리될 것이다. 포획 채널(28)은 백혈구 또는 다른 혈액 성분(239)이 벽과 결합됨에 따라 응고되지 않도록 충분히 넓다. 포획 채널(238)은 약 20 ㎛ 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 400 ㎛의 폭을 가질 수 있다. 또한, 포획 채널(238)은 백혈구 또는 다른 혈액 성분의 포획을 강화하기에 충분히 길다. 포획 채널(238)은 약 0.1 cm 내지 10 cm, 바람직하게는 약 5 cm의 총 경로 길이를 가질 수 있다. 포획 채널(238)은 백혈구 또는 다른 혈액 성분의 포획을 강화하는 사행 경로(meandering path)를 나타낸다. 도시된 실시예에서 포획 채널(238)은 몇 번의 약 90 도의 턴(turn)으로 나선형 같은 경로를 나타내고, 이것은 백혈구 또는 다른 혈액 성분을 벽과 접촉하도록 한다. 또한, 이 턴은 입자가 흐름의 직선 경로로부터 벽에 충돌하고 다른 입자와 충돌하는 경우 난류(turbulence)를 생성하고, 벽과 접촉의 증가된 주파수를 유발한다. 포획 채널(238)은 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 임의의 다른 적합한 형상인 단면 형상을 가질 수 있다.
입자 검출 층(220)은 포획 채널(238)과 유체를 교환하는 입자 검출기(300)를 포함한다. 입자 검출기(300)는 특정 물질의 양을 정량하거나, 샘플 내의 세포의 수를 카운팅할 수 있다. 입자 검출기(300)는 한천 기반의 염다리 임피던스 센서, DADMAC 염다리 임피던스 센서 또는 임의의 다른 적합한 센서일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 입자 검출기(300)의 일 실시예의 확대도를 도시한다. 입자 검출기(300)는 염다리 임피던스 센서, 구체적으로 한천 기반의 염다리 임피던스 센서이다. 입자 검출기(300)는 포획 채널(238)로부터 샘플을 수용하여 주 흐름 채널(302)로 향하게 하는 센서 입구(301)를 포함한다. 주 흐름 채널(302)은 약 0.05 mm 내지 0.5 mm, 바람직하게는 약 0.1 mm의 폭을 가질 수 있다. 또한, 입자 검출기(300)는 버퍼 저장소(303) 및 주 흐름 채널(302)의 양 측 상에 버퍼를 도입하는 버퍼 도입 채널(304, 305)을 포함할 수 있다. 버퍼 도입 채널(304, 305)은 주 흐름 채널(302)의 중심에 샘플을 유체역학적으로 집중시킨다. 이것은 실질적으로 하나의 라인으로 샘플 내의 세포 또는 입자를 배열한다. 대안적으로, 하나의 버퍼 도입 채널은 주 흐름 채널(302)의 하나의 측 상에 샘플을 유체역학적으로 집중시키기 위해 사용될 수 있다.
또한, 입자 검출기(300)는 염다리 챔버(311, 312)를 포함하되, 상기 염다리 챔버는 한천을 포함하고, 연결 채널(313, 314)을 통해 주 흐름 채널(302)에 결합된다. 연결 채널(313, 314)은 약 0.001 mm 내지 0.05 mm의 폭 및 0.01 mm 내지 0.2의 길이, 바람직하게는 약 0.01 mm 폭 및 0.1 mm 길이를 가질 수 있다. 전해질 입구(315, 316)는 전해질을 포함하고, 염다리 챔버(311, 312)와 유체를 교환한다. 전해질 입구(315, 316)는 전극(325, 326)에 결합된다. 전극(325, 326)은 상부 층(210)을 통과하고, POC 분석기(100)에 전기적으로 결합될 수 있다. 전극(325, 326)은 Ag/AgCl 또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 주 흐름 채널(302)과 유체를 교환하는 수집 챔버(319)는 단부에서 샘플을 수집한다.
입자 검출기(300)는 염다리 챔버(311, 312)의 제조를 용이하게 하는 한천 입구(317, 318)를 포함할 수 있다. 염다리 챔버(311, 312)는 약 2 % 내지 10 % 한천 및 1 M KCl(중량/부피)의 한천 혼합물과 함께 한천 입구(317, 318)를 채움으로써 제조될 수 있다. 이 한천 혼합물은 한천이 완전히 분해될 때까지 가열된다. 한천 혼합물은 준비가 되면 맑아지고, 준비가 된 경우 즉시 한천 입구(317, 318)로 도입된다. 한천 혼합물은 모세관력 또는 양(positive)의 힘에 의해 한천 입구(317, 318)로 도입될 수 있다. 한천 혼합물은 한천 입구(317, 318) 및 염다리 챔버(311, 312)에 우선 채워질 것이다. 연결 채널(313, 314)은 좁으며, 높은 흐름 저항이 주 흐름 채널(302)로 한천 혼합물이 흐르는 것을 방지할 것이다. 연결 채널(313, 314)의 사이즈는 사용되는 작은 부피로 인해 채널 내에 한천 또는 다른 폴리머가 보다 견고하게 채워지게 한다. 더 큰 연결 채널의 경우에서와 같이 더 많은 폴리머로 채워지는 경우, 이것은 상이하게 중합된 염다리를 덜 갖게 한다. 이것은 테스트 결과의 더 나은 재현성을 유도할 수 있다. 우선 염다리 챔버(311, 312)가 한천 혼합물로 채워지면, 흐름이 멈출 수 있다. 입자 검출기(300)는 한천 혼합물이 냉각되고 응고될 때까지 실내 온도에 보관될 수 있다. 입자 검출기(300)는 1 M KCl 용액이 전해질 입구(315, 316)에 도입된 후 사용될 수 있다. 한천 기반의 염다리 센서의 제조는 포토리소그래피를 필요로 하지 않는다. 한천 기반의 염다리 센서의 제조는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 연질 물질을 포함하는 넓은 범위의 물질과 호환될 수 있다. 한천 기반의 염다리 센서의 제조는 광개시재(photoinitiator)와 같은 UV 및 크로스링커(cross linker)를 필요로 하지 않는다.
도 5c는 입자 검출기(300)의 또 다른 실시예의 확대도를 도시한다. 입자 검출기(300)는 염다리 임피던스 센서, 구체적으로 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(diallyldimethylammonium chloride, DADMAC) 염다리 센서이다. 입자 검출기(300)는 센서 입구(301)를 포함하되, 상기 센서 입구는 포획 채널(238)로부터 샘플을 수용하여, 주 흐름 채널(302)로 향하게 한다. 주 흐름 채널(302)은 약 0.05 mm 내지 0.5 mm, 바람직하게는 약 0.1 mm의 폭을 가질 수 있다. 또한, 입자 검출기(300)는 버퍼 저장소(303) 및 주 흐름 채널(302)의 양 측 상에 버퍼를 도입하는 버퍼 도입 채널(304, 305)을 포함할 수 있다. 버퍼 도입 채널(304, 305)은 주 흐름 채널(302)의 중심에 샘플을 유체 역학적으로 집중시킨다. 이것은 실질적으로 하나의 라인으로 샘플 내의 세포를 배열한다. 대안적으로, 하나의 버퍼 도입 채널은 주 흐름 채널의 하나의 측 상에 샘플을 유체역학적으로 집중시키기 위해 사용될 수 있다.
또한, 입자 검출기(300)는 염다리 챔버(321, 322)를 포함하되, 상기 염다리 챔버는 DADMAC를 포함하고, 주 흐름 채널(302)과 유체를 교환한다. 전해질 입구(315, 316)는 전해질을 포함하고, 염다리 챔버(311, 312)와 유체를 교환한다. 전해질 입구(315, 316)는 전극(325, 326)에 결합된다. 전극(325, 326)은 상부 층(210)을 통과하고, POC 분석기(100)에 전기적으로 결합될 수 있다. 전극(325, 326)은 Ag/AgCl 또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 주 흐름 채널(302)과 유체를 교환하는 수집 챔버(319)는 단부에서 샘플을 수집한다.
입자 검출기(300)는 표준 소프트 리소그래피 프로세스를 사용하여 제작될 수 있다. SU-8 또는 실리콘 기반의 몰드는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane PDMS)을 사용한 포토리소그래피에 의해 제작된다. 입자 검출기(300)는 광개시제 및 모노머의 프리폴리머 혼합물을 사용하여 염다리 챔버(321, 322)를 채우고, UV를 사용하여 노출시킴으로써 제조된다. 프리폴리머 혼합물은 65 % 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(diallyldimethylammonium chloride) 수용액, 2 % 2-히드록시-4'-(2-히드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논(2-dydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone)(광개시제) 및 2 % N,N'-메릴렌비스아크릴아미드(N,N'-methylenebisacrylamide)(크로스링커)로 구성된다. 중합 후, 잔여 프리폴리머 혼합물은 버퍼 솔루션(1 M KCl)으로 세척된다. 전기적인 측정을 위해, KCl 용액은 전해질 입구(315, 316)에 채워지고, 염다리 챔버(321, 322)에 연결되고, 음이온, Cl- 이온은 이 경우 KCl 용액 내의 전극(325, 326) 사이에 DC 바이어스를 인가함으로써 염다리 챔버(321, 322)를 통해 흐른다. 이것은 염다리 챔버(321, 322) 사이에 전류를 구동시키고, 세포가 전극(325, 326)을 가로질러 임피던스 변화를 발생시키는 염다리 챔버(321, 322) 사이의 주 흐름 채널(302)을 통과하는 동시에, 염다리 챔버(321, 322) 사이의 임피던스가 모니터링된다. 여기 신호는 약 0.01 V 내지 10 V AC 또는 DC의 전압을 갖고, AC가 사용된다면 50 Hz 내지 10 kHz의 주파수를 가질 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 테스트 카드(200)의 또 다른 실시예의 조립도 및 분해도를 도시한다. 테스트 카드(200)는 상부 층(210), 결합 층(225) 및 폐기물 층(260)을 포함한다. 결합 층(225)은 입자 검출 층(220) 및 1차 분리 층(230)에서 발견된 성분을 결합 층(225)에서 결합시킨다. 결합 층(225)은 1차 분리 챔버(235), 포획 채널(238) 및 입자 검출기(300)를 포함한다. 샘플 입구(231)는 샘플이 1차 분리 챔버(235)로 도입되도록 한다. 버퍼 입구(232)는 버퍼가 주 흐름 채널(302)뿐만 아니라 1차 분리 챔버(235)로 도입되도록 한다.
예 1 : 혈중종양세포(CTC)
테스트 카드(200)는 전혈 내의 혈중종양세포(CTC)를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 혈장, 혈소판, 적혈구, 백혈구 및 CTC를 포함하는 전혈의 샘플은 항응고제와 함께 수집되고, 샘플 입구(231)로 삽입된다. 그 후, 테스트 카드(200)는 POC 분석기(100)로 삽입된다. 샘플은 1차 분리 챔버(235)에 도달하고, 샘플 입구(231)에 의해 여과면(236)에 실절적으로 수직으로 도입된다. 혈장, 혈소판, 적혈구 및 작은 백혈구는 구멍(237)을 통과하여 폐기물 챔버(260)에 도달한다. 구멍(237)은 약 14 내지 18 ㎛, 바람직하게는 약 16 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 더 큰 백혈구 및 CTC는 너무 커서 구멍(237)을 통과하지 못하고, 1차 분리 챔버(235)에 남는다. POC 분석기(100)는 여과 프로세스를 용이하게 하기 위해 1 내지 3분 동안 샘플 입구(231)에 약 0 내지 50 psi의 압력을 적용할 수 있다.
버퍼는 여과면(236)에 실질적으로 평행한 방향으로 1차 분리 챔버(235)에 도입된다. 샘플 입구(231)는 버퍼의 역류를 방지하기 위해 폐쇄될 수 있다. 버퍼는 버퍼 입구(232)로부터 여과면(236)에 실질적으로 평행하게 들어가서, 여과면(236)을 가로질러 포획 채널(238)로 향하는 "쓸어가는(sweeping)" 동작을 형성한다. 1차 분리 챔버(235)로 들어가는 진입점에서 버퍼 입구(232) 높이는 감소되고, 동시에 가로 길이는 버퍼가 버퍼 입구(232)로부터 흐르고 포획 채널(238)을 향해 이동함에 따라 여과면(236)에서의 쓸어가는 동작의 완료를 유발하기 위해 버퍼의 분배를 유발하도록 넓어진다. 정상적인 세포 기능을 유지하기 위해 킬로그램당 약 275 내지 299 밀리-오스몰의 삼투몰 농도(osmolality)를 갖는 인산염 완충 식염수 또는 다른 pH 완충 버퍼가 사용될 수 있다. 이것은 여과면(236) 상의 백혈구 및 CTC, 구체적으로 구멍(237)에 부분적으로 "고착(stuck)"되거나 배치될 수 있는 백혈구 및 CTC를 포획 채널(238)로 "쓸어감" 또는 이동시키는 효과를 갖는다. 게다가, POC 분석기(100)는 쓸어가는 프로세스를 용이하게 하기 위해 버퍼 입구(232)에 압력을 적용할 수 있다.
버퍼는 포획 채널(238)을 통해 여과되지 않은 잔여 백혈구 및 CTC를 수송한다. 포획 채널(238)의 사행 경로는 백혈구가 포획 채널(238)의 벽에 접촉하고 벽에 결합할 확률을 증가시키고, 상기 벽은 CD45 항체 또는 구체적으로 백혈구와 결합되는 다른 포획제를 사용하여 처리된다. CTC는 벽과 결합하지 않고, 포획 채널(238)을 통과한다.
버퍼는 입자 검출기(300)로 CTC를 수송한다. CTC는 센서 입구(301)를 통해 주 흐름 채널(302)로 들어간다. 버퍼 저장소(303)로부터의 추가적인 버퍼는 버퍼 도입 채널(304, 305)을 통해 주 흐름 채널(302)로 도입되어, 주 흐름 채널(302)의 중심에 CTC를 유체역학적으로 집중시킨다. 유체역학적으로 집중시킨 CTC는 연결 채널(313, 314) 사이를 통과하고, 카운팅된다. 약 5 mV 내지 약 500 mV의 전압이 전극(325, 326) 사이에 인가될 수 있고, POC 분석기(100)에 의해 임피던스가 측정된다.
CTC는 요구된다면 추가적인 분석을 위해 테스트 카드(200)로부터 제거되는 경우 수집 챔버(319)에 수집될 수 있다.
예 2: 이식 조직 검사
테스트 카드(200)는 예상되는 기증자 및 수여자의 조직이 이식에 앞서 적합성에 대해 테스트되는 경우, 조직 검사에 사용될 수 있다. 배아(embryo)는 주입되는 배아가 아픈 형제를 위해 제대혈 줄기세포(cord-blood stem cell) 기증자가 될 수 있음을 보장하기 위해 조직이 검사될 수 있다.
이 적용은 약 5 ㎛의 직경의 구멍(237)을 갖는 여과면(236)을 사용한다. 샘플로부터의 백혈구의 적은 양은 1차 분리 챔버(235)에 유지되고, 구체적으로, 공지된 항-HLA(인체 백혈구 항원(human leukocyte antigen)) 항체로 처리된 벽을 갖는 포획 채널(238)을 통해 이동한다. 항체가 주조직적합성 복합체(major histocompatibility complex, MHC) 상의 에피토프(epitope)를 인식하면, 백혈구는 포획 채널(238)의 벽과 결합하고, 입자 검출기(300)에 의해 카운팅되지 않는다. 이것은 포획 채널(238) 내에 존재하는 공지된 항체의 특이성을 기반으로 간접적으로 세포의 MHC를 확인하게 한다.
예 3 : 질병 연관성을 위한 HLA 검사
테스트 카드(200)는 특정 인간 질병 상태와 관련하여 유용할 수 있는 HLA A, B, C를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
이 적용은 약 5 ㎛의 직경의 구멍(237)을 갖는 여과면(236)을 사용한다. 샘플 내의 백혈구는 1차 분리 챔버(235)에 유지되고, 구체적으로 항-HLA 항체로 처리된 벽을 갖는 포획 채널(238)을 통해 이동한다. 항체가 백혈구 상의 HLA 항원을 인식하면, 백혈구는 포획 채널(238)의 벽과 결합하고 입자 검출기(300)에 의해 카운팅된다. 이것은 포획 채널(238) 내에 존재하는 공지된 항체의 특이성을 기반으로 간접적으로 세포의 HLA을 확인하게 한다.
예 4 : 후천적인 조혈모세포(hematopoietic stem cell) 장애
테스트 카드(200)는 발작성야간혈색소뇨증(paroxysmal nocturnal hemoglobinuria, PNH)를 확인하기 위해 사용될 수 있고, 특정 세포 표면 표지자가 없어진 혈액 세포의 후천적인 조혈모세포 장애는 신체의 적혈구(RBC)의 일부 또는 전부가 용혈이라 불리는 과정에 의해 파괴되는 것을 유발한다. 테스트 카드(200)는 표면 표지자 CD45, CD14, CD33, CD16, CD24, CD64 및 CD15의 조합이 부족한 혈액 세포를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
이 적용은 약 5 ㎛의 직경의 구멍(237)을 갖는 여과면(236)을 사용한다. 포획 채널(238)은 CD45, CD14 및/또는 CD33 항체를 사용하여 처리된 벽을 갖는다. PNH에 의해 영향을 받은 백혈구는 벽과 결합하지 않고 포획 채널(238)을 통과하여, 입자 검출기(300)에 의해 카운팅된다.
도 7a 및 도 7b는 테스트 카드(200)의 또 다른 실시예의 조립도 및 분해도를 도시한다. 테스트 카드(200)는 상부 층(210), 1차 분리 층(230), 2차 분리 층(240), 나노와이어 센서 층(250) 및 폐기물 수집 층(260)을 포함한다.
도 8a 및 도 8b는 2차 분리 층(240)의 확대도를 도시한다. 2차 분리 층(240)은 구멍(237)을 통해 1차 분리 챔버(235)와 유체를 교환하는 2차 분리 챔버(245)를 포함한다. 2차 분리 챔버(245)는 혈장, 적혈구, 혈소판 및 구멍(237)의 사이즈보다 작은 다른 혈액 성분을 수집한다. 2차 분리 챔버(245)는 내부 벽(241) 및 외부 벽(242)을 갖는다. 내부 벽(241)은 약 400 ㎛ 폭의 개방된 공간을 갖고, 상기 공간은 입자가 2차 분리 챔버(245)의 밖으로, 그리고 2차 분리 챔버(245)의 내부 벽(241)과 외부 벽(242) 사이의 채널(248)로 이동하는 것을 허용한다. 채널(248)의 벽은 2차 분리 챔버(245) 내에 수집되는 입자와 확실히 결합되기 위한 포획제로 처리될 수 있다. 샘플은 채널(249)을 통해 이동하고, 나노와이어 센서(350)에 도달하기 전에 2차 분리 층(240)의 상부 및 하부를 따라 이동할 수 있다.
나노와이어 센서층(250)은 나노와이어 센서(350)을 포함한다. 나노와이어 센서(350)는 혈장 또는 다른 샘플 내의 특정 물질을 정량할 수 있다.
도 9a는 나노와이어 센서(350)의 일 실시예의 확대도를 도시한다. 나노와이어 센서(350)는 실리콘 나노와이어 FET(field effect transistor)이다. 나노와이어 센서(350)는 베이스(352)를 포함한다. 또한, 나노와이어 센서(350)는 소스 전극(353) 및 드레인 전극(354)을 포함하며, 둘 모두는 베이스(352) 상에 배치된다. 소스 전극(353) 및 드레인 전극(354)은 절연층으로 감싸질 수 있다. 또한, 나노와이어 센서(350)는 소스 전극(353) 및 드레인 전극(354)에 결합되는 나노와이어(355)를 포함한다. 나노와이어(355)는 반도체이고, Si, Ge, InAs, ZnO, SiGe 또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 나노와이어(355)는 약 1 nm 내지 500 nm, 바람직하게는 약 20 nm의 두께를 가질 수 있다. 나노와이어(355)는 약 1016/cm3 내지 1020/cm3, 바람직하게는 약 1018/cm3으로 도핑될 수 있다. 또한, 나노와이어 센서(350)는 베이스(352)에 배치되는 제어 전극(356)을 포함한다.
또한, 나노와이어 센서(350)는 제어 전극(356)을 포함한다. 제어 전극(356)은 나노와이어(355)로부터 약 0.01 mm 내지 1 mm, 바람직하게는 약 0.1 mm로 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 전극(356)은 Au로 만들어지지만, Ag, Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co 또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수도 있다. 일 실시예에서, 제어 전극(356)은 예컨대 아민, 카르복실산, 알데히드 또는 티올(thiol) 결합을 통해 제어 전극(356)에 부착되는 표적 분자에 대한 펩티드 핵산(PNA) 특이성으로 기능화된다. 표적 분자는 기선택된 뉴클레이티드 서열을 포함하는 PNA일 수 있다. PNA는 스페이서(spacer) 유닛, 예컨대 아미노산 링커(linker) 또는 모노머나 멀티머, 예컨대 9-아미노-3,6-다이옥사옥탄산(9-amino-3,6-dioxaoctanoic acid) 또는 제어 전극(356)에 부착되는 경우 PNA에 연성을 제공하는 임의의 다른 적합한 스페이서를 포함할 수 있다. 신호 변화는 FET에 응답하는 게이팅(gating)을 측정함으로써 검출될 수 있다. 제어 전극(356)에 인가된 전압(VCE)은 FET를 위해 게이팅 입력을 제공한다. 표적 분자가 제어 전극(356)에 결합하는 경우, 제어 전극(356)과 나노와이어(355) 사이의 캐패시턴스는 변경되고, 게이팅 응답은 동일한 VCE에 대해 서로 달라질 것이다. 제어 전극(356)은, 예컨대 5 ㎛ × 5 ㎛ 내지 500 ㎛ × 500 ㎛의 크기일 수 있고, 제어 전극(356)에 결합되는 표적 분자의 수를 증가시키고 검출 민감도를 강화시키기 위해 바람직하게는 약 50 ㎛ × 50 ㎛의 크기일 수 있다. 제어 전극(356)은 임의의 적합한 두께, 예컨대 약 10 nm 내지 약 200 nm일 수 있다. 나노와이어(355)보다 증가된 제어 전극(356)의 사이즈 및 제어 전극(356)의 기능화는 나노와이어 센서(350)의 증가된 민감도 및 특이성에 기여한다.
나노와이어(355) 및 제어 전극(356)은 서로 유체를 교환한다. 일 실시예에서, 나노와이어(355) 및 제어 전극(356)은 미세유체 채널(357)에 배치된다. 대안적으로, 나노와이어(355) 및 제어 전극(356)은 샘플이 정지되거나 교환되는 샘플 챔버 내에 배치될 수 있다. 제어 전극(356)은 미세유채 채널(357)과 실질적으로 동일한 폭 또는 임의의 다른 적합한 사이즈 또는 폭을 가질 수 있다.
제어 전극(356)은 다수의 암 항원 중 어느 하나로 기능화될 수 있다. 제어 전극(356)은 단백질 53(p53) 핵산(종양 억제) 또는 인간 표피성장인자 수용체 2, HER2/neu 핵산 또는 다른 것에 상보적인 펩티드 핵산(PNA)으로 기능화될 수 있다. 제어 전극(356)은 CA27.29, 암배아성 항원(carcinoembryonic antigen, CEA), CA15-3, 전립선-특이 항원(prostate-specific antigen, PSA) 또는 다른 것과 같은 암 항원에 항체로 기능화될 수 있다.
제어 전극(356)은 다수의 단백질 생물학적 표지자 중 어느 하나를 검출하기 위해 기능화될 수 있다. 제어 전극(356)은 C-반응성 단백질(C-reactive protein, CRP)에 대한 항체, 심장병과 뇌졸중 위험 인자, 울혈성 심부전증(congestive heart failure, CHF)을 진단하기 위한 B-타입 나트륨이뇨펩티드(B-type natriuretic peptide, BNP)에 대한 항체, 급성 심근경색증 및 골격근 손상에 대한 테스트를 위한 크레아티닌 키나아제(creatinine kinase)에 대한 항체, 영양 상태 또는 간 기능에 대한 테스트를 위한 트랜스페린(transferrin)에 대한 항체, 당뇨병 테스트를 위한 포도당과 같은 작은 혈액 분자에 대한 항체 또는 급성 감염의 존재에 대한 테스트를 위한 B형 간염 표면항원(hepatitis B surface antigen, HBsAG)에 대한 항체로 기능화될 수 있다.
제어 전극(356)은 암, 질병, 감염 및 면역 상태의 특정 타입을 검출하기 위해 면역 글로불린 및 항체를 검출하도록 다수의 항체 중 어느 하나로 기능화될 수 있다. 제어 전극(356)은 골수종(myeloma), 발덴스트롬(Waldenstrom)의 거대글로불린혈증(macroglobulinemia)을 진단하고, 단클로성 감마글로불린병증(monoclonal gammopathy) 및 아밀로이드증(amyloidosis)을 평가하기 위해 특정 면역 글로불린(IgA, IgG 및 IgM)에 대한 항체로 기능화될 수 있다. 제어 전극(356)은 임상적인 회복 및 이후 B형 간염 바이러스에 대한 면역성의 척도로 사용되는 B형 간염 백신에 대한 항체, 전신 홍반성 루프스(systemic lupus erythematosus, SLE)와 관련된 항체를 검출하기 위한 항 이중나선 DNA(anti-dsDNA)에 대한 항체 또는 아토피성 피부염, 습진, 기생충 감염, 알레르기성 기관지 폐아스페르질루스증(allergic bronchopulmonary aspergillosis) 및 면역 결핍을 진단하기 위한 IgE에 대한 항체로 기능화될 수 있다.
제어 전극(356)은 다양한 감염 질병을 검출하기 위해 다수의 상보성 펩티드 핵산(PNA) 중 어느 하나로 기능화될 수 있다. 제어 전극(356)은 HSV 핵산, C형 감염 핵산, HIV-1 핵산, 뉴모시스티스 카리니 폐렴 (Pneumocystis carinii pneumonia, PCP) 핵산, 박테리아 핵산, 레지오넬라증(legionella pneumophila) 핵산 또는 연쇄상구균 B(streptococcus B) 핵산에 상보적인 PNA로 기능화될 수 있다.
비록 전술한 예는 샘플로 전혈을 사용하지만, 소변과 같은 다른 샘플도 테스트 카드(200)에 사용될 수 있다. 예컨대, 제어 전극(356)은 당뇨병의 징후로서 소변 내의 알부민을 검출하기 위해 알부민에 대한 항체로 기능화될 수 있다.
테스트 카드(200)는 다른 나노스케일 장치와 비교하여 검출 민감도 및 특이성을 강화하도록 설계된다. 테스트 카드(200)는 전하뿐만 아니라 사이즈에 의해서 샘플 내의 성분을 분리하는 미세유체 장치 및 분자의 생화학적이고 물리적인 특성을 기반으로 표적 생체분자를 검출하는 나노와이어 센서(350)를 포함한다. 또한 샘플 내의 하나 이상의 생체분자의 존재 또는 부재를 검출하는 방법 및 대상이 된 샘플 내의 생체분자의 존재를 기반으로 대상 내의 질병 상태를 진단하는 방법이 설명된다. 여기에서 설명되는 방법은 핵산의 피코몰(picomolar) 및 펨토몰(femtomolar) 양을 검출하고, 샘플 내의 생체분자를 검출하기 위해 개선된 민감도를 제공하도록 설계된다.
테스트 카드(200)는 미세유체 장치 및 나노와이어 센서(350)를 포함한다. 미세유체 장치는 적어도 사이즈, 구조 및 전하 중 하나 이상을 기반으로 샘플 내의 분자를 분리하기 위해 사이즈 배제 메커니즘을 포함한다. 나노와이어 센서(350)는 베이스(352) 및 게이티드 NW-FET(gated nanowire field effect transistor)를 포함하고, 상기 게이티드 NW-FET는 기결정된 전류-전압 특성을 갖고 생물학적 센서로 사용되도록 구성된다. 또한, 나노와이어 센서(350)는 입구를 갖는 미세유체 채널(357)을 포함한다. 나노와이어 센서(350)는 소스 전극(353), 드레인 전극(354), 나노와이어(355) 및 제어 전극(356)을 포함하고, 상기 나노와이어는 소스 전극과(353) 드레인 전극(354) 사이에 연결되고 배치되고, 상기 제어 전극은 기결정된 전류-전압 특성을 갖는 FET를 형성하는 표적 분자를 위한 결합 부위 특이성으로 기능화된다. NW-FET는 베이스(352) 상에 배치되고, 베이스(352)와 미세유체 채널(357) 사이에 배치된다. 제어 전극(356) 상의 표적 분자와 결합 부위 사이에 발생하는 결합은 NW-FET의 전류-전압 특성에서 검출 가능한 변화를 유발한다. 바람직한 실시예에서, 나노와이어(355)는 실리콘 기반의 나노와이어이지만, Ge, InAs, ZnO와 SiGe 또는 임의의 다른 반도체 물질일 수도 있다. 제어 전극(356)은 예컨대 금속 제어 전극, 예컨대 Au, Ag, Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co 또는 임의의 다른 적합한 성분 또는 화합물일 수 있다. 바람직하게는, 제어 전극(356)은 Au이다. 결합 부위는, 예컨대 펩티드 핵산(PNA), 항체, 압타머, 펩티드, 또는 예컨대 아민, 카르복실산, 알데히드 또는 티올 결합(예컨대, 도 9c 참조)을 통해 제어 전극(356)에 부착되는 표적 분자에 대한 다른 병원균 특이성 부위일 수 있다. 표적 분자는, 예컨대 기선택된 뉴클레오티드 서열을 포함하는 핵산 분자일 수 있다. PNA는 스페이서 유닛,예컨대 아미노산 링커 또는 모노머나 멀티머, 예컨대 8-아미노-3,6-다이옥사옥탄산(8-amino-3,6-dioxaoctanoic acid) 또는 제어 전극(356)에 부착되는 경우 PNA에 연성을 제공하는 임의의 다른 적합한 스페이서를 포함할 수 있다. 신호 변화는 FET에 응답하는 게이팅(gating)을 측정함으로써 검출될 수 있다. 제어 전극(356)에 인가된 전압(VCE)은 FET를 위해 게이팅 입력을 제공한다. 표적 분자가 제어 전극(356)에 결합되는 경우, 제어 전극(356)과 나노와이어(355) 사이의 캐패시턴스는 변경되고, 게이팅 응답은 동일한 VCE에 대해 서로 달라질 것이다. 제어 전극(356)은, 예컨대 5 ㎛ × 5 ㎛ 내지 500 ㎛ × 500 ㎛의 크기일 수 있고, 제어 전극(356)에 결합되는 표적 분자의 수를 증가시키고 검출 민감도를 강화시키기 위해 바람직하게는 약 50 ㎛ × 50 ㎛(길이 × 폭)의 크기일 수 있다. 제어 전극(356)은 임의의 적합한 두께, 예컨대 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛일 수 있다. 나노와이어(355)보다 증가된 제어 전극(356)의 사이즈 및 제어 전극(356)의 기능화는 나노와이어 센서(350)의 증가된 민감도 및 특이성에 기여한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 나노와이어 센서(350)에 샘플을 적용하고 나노와이어 센서(350)의 신호 변화를 검출함으로써 샘플, 구체적으로 생물학적 샘플 내의 표적 핵산 분자의 존재 또는 부재를 검출하는 방법이고, 신호 변화는 나노와이어 센서(350) 내의 제어 전극(356) 상의 결합 부위에 샘플 내의 표적 분자가 결합됨으로써 강화된다. 샘플은 생물학적 샘플, 예컨대 혈액 또는 혈장 샘플일 수 있다. 표적 분자는 바람직하게 기결정된 서열, 예컨대 종양이 존재하는 경우의 특성인 종양-유도성 DNA의 서열을 포함하는 DNA 분자이다. 종양-유도성 DNA는 표지자 또는 잠재적인 표지자일 수 있고, 상기 표지자는 종양의 존재 및 경과의 진단 지표와 징후 지표 및 예측 지표 또는 치료에 대한 반응을 제공한다. DNA는, 예컨대 돌연변이 K-ras일 수 있고, 종양은 췌장암, 구체적으로 췌장 선암(pancreatic adenocarcinoma)일 수 있다.
또한, 방법은 생물학적 샘플 내의 표적 DNA의 농도와 암 상태 사이에 상관 관계를 확립하는데 유용하다. 또한, 방법은 유도된 표적 DNA로부터 종양의 조기 검출을 위해 또는 종양의 진행을 분석하기 위해 스크리닝(screening) 방법으로 사용될 수 있다. 예컨대, 방법은, 대상으로부터 샘플 내의 추가적인 돌연변이 K-ras의 존재에 대해 췌장 병변을 갖는 대상에 대한 샘플을 분석함으로써 또는 임상학적으로 중요한 돌연변이 K-ras DNA 레벨 이상의 돌연변이 K-ras DNA의 상승된 레벨의 존재에 대해 대상으로부터 샘플을 분석함으로써, 비암성 췌장 병변(non-cancerous pancreatic lesion)으로부터 암성 췌장 병변까지의 변화를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 추가적인 돌연변이 K-ras DNA의 존재 또는 대상 샘플 내의 돌연변이 K-ras DNA의 상승은 췌장 병변이 암이거나 암이 될 될 징조이다. 추가적으로, 방법은 치료에 대한 반응을 예측하거나 특정 치료를 사용하여 가장 적절하게 치료된 환자를 선택하기 위해 유용하다. 예컨대, 2008년 American Society of Clinical Oncology 및 European Society of Medical Oncology에 소개된 바와 같이, 전이성 직장결장암에서 K-ras 돌연변이의 존재는 일반적으로 Cetuximab(Erbitux, Imclone, Inc.) 및 Panitumumab(Vectibix, Amgen Inc.)와 같은 표피성장인자 수용체(EGFR) 키나아제로 유도된 항체에 대한 비호전된 반응과 관련되었다.
이 발명의 추가적인 실시예는 조직 샘플로부터 격리된 유전체 DNA(genomic DNA)에서 기선택된 DNA 서열을 검출하는 방법이다. 유전체 DNA 샘플은 나노와이어 센서(350)에서 제어 전극(356)에 접촉되고, 제어 전극(356)은 기선택된 DNA에 대한 결합 부위 특이성으로 기능화되고, 전도성 또는 전류의 변화가 검출된다. 기선택된 DNA 서열은, 예컨대 B형 간염 바이러스, 인체 면역 결핍 바이러스 또는 사이토메갈로 바이러스(cytomegalovirus)와 같은 바이러스에 대한 DNA 서열 특이성일 수 있다.
FET는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 세 개의 전극 장치이다. FET는 1989년 Cambridge University Press, Paul Horowitz 및 Winfield Hill에 의한 The Art of Electronics, Second Edition pp. 113-174에서 더욱 상세하게 설명되고, 상기 문헌의 전체적인 개념은 여기에서 참조로 도입된다. 전하 캐리어의 이용 가능성은 게이트 전극으로서 또한 알려진 제 3 "제어 전극"에 인가된 전압에 의해 제어된다. 채널 내의 전도는 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 제어되고, 채널을 가로질러 전기장을 형성한다.
센싱 장치는 (a) 소스 전극(353)과 드레인 전극(354) 사이에 연결되고 배치되는 나노와이어(355), (b) 게이트 전극 또는 제어 전극(356) 및 (c) 선택적으로, 유체 입구 및 출구를 갖는 미세유체 채널(357)을 포함한다. 소스 전극(353), 드레인 전극(354), 나노와이어(355) 및 제어 전극(356)은 나노와이어 센서(350)를 형성한다. 나노와이어(355) 및 제어 전극(356)은 물리적으로 분리되고, 제어 전극(356)은 미세유체 채널(357)의 흐름 내에 있다. 나노와이어 센서(350) 및 미세유체 채널(357)은 지지 베이스(352) 상에 배치된다. 나노와이어 센서(350)는 베이스(352)와 미세유체 채널(357) 사이에 위치한다. 제어 전극(356)은 기선택된 표적 분자에 대한 결합 부위로 기능화된다. 제어 전극(356) 상의 결합 부위에 결합되는 표적 분자는 게이트에 전압을 제공하고, 이것은 나노와이어(355)의 캐리어 분포를 변경하는 전기장을 형성한다. 나노와이어(355) 내의 캐리어 분포의 이러한 변경은 나노와이어(355)를 통한 전류의 흐름에 영향을 주고, 이것은 전압계를 사용한 I-V 스캐닝과 같은 검출기에 의해 검출될 수 있다.
측정이 액상에서 수행되기 때문에, 나노와이어(355)에 부착되는 소스 전극(353) 및 드레인 전극(354)은 절연 물질로 소스 전극(353) 및 드레인 전극(354)이 코팅됨으로써 노출로부터 미세유체 채널(357) 내의 샘플까지 보호된다. 다양한 절연 물질, 예컨대 실리콘 나이트라이드(silicon nitride), 실리콘 옥사이드 및 임의의 다른 적합한 물질이 이용가능하다. 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 옥사이드는 절연ㄴ을 제공하기 위해 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)에 의해 소스 전극(353) 및 드레인 전극(354) 상에 증착될 수 있다. PECVD를 사용하여 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 옥사이드를 박막으로 증착하기 위한 조건은 더욱 최적화될 수 있다.
또한, 나노와이어 센서(350)는 캐패시턴스 변화 및 제어 전극(356)의 다른 특성을 측정하는 장치를 포함할 수 있다. 나노와이어 센서(350)는 간단한 전자기기, 바람직하게는 마이크론 사이즈 소스 전극(353)으로 작동되고, 상기 마이크론 사이즈 소스 전극은 포토리소그래피에 의해 정의되고, 나노와이어(355) 및 전력원, 증폭기, 전압계와 같은 다른 전기적인 구성요소에 연결된다. 미세유체 채널(357) 내의 샘플을 포함하는 전해질을 통해 기생 전류를 최소화하기 위해, 소스 전극(353) 및 드레인 전극(354)은 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 다이옥사이드와 같은 절연 물질로 격리된다. 제어 전극(356)은 미세유체 채널(357)의 흐름 내에 있다. 미세유체 채널(357)의 작은 사이즈 때문에, 샘플의 작은 부피(일반적으로 1 밀리리터 보다 작음)만이 요구될 것이다. 샘플 용액은 중력에 의해 또는 미세유체채널(357)을 통한 펌핑에 의해 고정된 흐름 비율로 미세유체 채널(357)을 통해 흐른다. 샘플은 실린지(syringe) 펌프, 연동 펌프 또는 임의의 다른 적합한 장치를 통해 펌핑될 수 있다. 또한, 샘플은 압축 공기 또는 질소 레귤레이터(regulator)를 사용하여 미세유체 채널(357)을 통해 흐르도록 힘이 가해질 수 있다. 샘플은 약 1 내지 100 ㎕/min의 비율로 펌핑될 수 있다.
여기에서 사용된 용어 "나노와이어"는 미국 특허번호 7,385,267에 설명되며, 그 내용 모두는 여기에서 참조로 도입되고, 길이 방향을 따라 임의의 위치에서 연장된 나노스케일 반도체를 정의하고, 적어도 하나의 단면 면적을 갖고 일부 실시예에서 500 nm보다 작고, 바람직하게는 200 nm보다 작고, 더욱 바람직하게는 150 nm보다 작고, 여전히 더욱 바람직하게는 100 nm보다 작고, 보다 더 바람직하게는 70 nm보다 작고, 여전히 더욱 바람직하게는 10 nm보다 작고, 심지어 5 nm보다 작은 두 개의 직교 단면 면적을 갖는다. 다른 실시예에서, 단면 면적은 2 nm 또는 1 nm보다 작을 수 있다. 하나의 세트의 실시예에서, 나노와이어는 약 0.5nm 내지 200 nm 범위의 적어도 하나의 단면적을 갖는다. 나노와이어가 중심 및 바깥 영역을 갖는 곳에서, 상기 면적은 중심과 관련된다. 연장된 반도체의 단면은 원형 정사각형, 직사각형, 타원형 및 튜브형을 제한 없이 포함하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 규칙적이고 불규칙적인 형상이 포함된다. 본 발명의 나노와이어로부터 물질의 비제한적인 예는 아래에 제시될 수 있다. 나노튜브는 본 발명에서 사용될 수 있는 나노와이어의 종류이고, 일 실시예에서 본 발명의 장치는 나노튜브를 사용한 적합한 스케일의 와이어를 포함한다. 여기에서 사용된 "나노튜브"는 속이 빈 아웃코어(out core)를 갖는 나노와이어이고, 통상의 실시자에게 공지된 나노튜브를 포함한다. "비-나노튜브 나노와이어"는 나노튜브가 아닌 임의의 나노와이어이다. 본 발명의 하나의 세트의 실시예에서, 변경되지 않은 표면(보조 반응 엔티티(entity)를 포함하지 않고, 배치된 환경에서 고유의 나노튜브가 아님)을 갖는 비-나노튜브 나노와이어는 나노와이어 또는 나노튜브가 사용될 수 있는 여기에서 설명된 본 발명의 임의의 구성에 사용된다. "와이어"는 일반적으로 적어도 반도체 또는 금속의 전도성을 갖는 임의의 물질을 말한다. 예컨대, 용어 "전기적인 전도성", "전도체" 또는 "전기적인 전도체"는 "전도성" 와이어 또는 나노와이어에 대한 참조로 사용되는 경우 그것들을 통해 전하가 통과하는 와이어의 능력을 말한다. 바람직한 전기적인 전도성 물질은 약 10-3보다 작고, 보다 바람직하게 약 10-4보다 작고, 가장 바람직하게 10-6 또는 10-7 Ωm보다 작은 저항을 갖는다.
나노와이어(355)는 탄소 나노튜브, 나노로드(nanorod), 나노와이어, 유기 및 무기 전도성 및 반도체성 폴리머, 및 다른 열거되지 않은 유사한 것을 포함할 수 있다. 다른 전도성 또는 반도체성 요소는 분자 와이어일 수 없지만, 다양한 작은 나노스코픽(nanoscopic)-스케일 면적을 갖고, 또한 일부 사례, 예컨대 주 그룹과 메탈 원자 기반의 실리콘 같은 와이어, 전이 금속 포함 와이어, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 갈륨 나이트라이드, 인듐 포스파이드(indium phosphide), 게르마늄, 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide) 구조체 또는 임의의 다른 적합한 성분과 같은 무기 구조체로 사용될 수 있다. 이러한 나노와이어 및 다른 나노와이어의 넓은 다양성은 과도한 실험 없이 나노와이어를 포함하는 전술한 기술과 유사한 방식으로 전자 장치를 위해 유용한 패턴으로 표면을 성장시키고/성장시키거나 적용될 수 있다. 나노와이어(355)는 적어도 1 ㎛, 바람직하게 적어도 3 ㎛, 보다 바람직하게 적어도 5 ㎛, 여전히 보다 바람직하게 10 또는 20 ㎛의 길이로 형성될 수 있고, 바람직하게 약 100 nm보다 작고, 보다 바람직하게 약 75 nm보다 작고, 보다 바람직하게 50 nm보다 작고, 여전히 보다 바람직하게 25 nm보다 작은 두께(높이 또는 폭)로 형성될 수 있다. 나노와이어(355)는 적어도 약 2 : 1, 바람직하게 약 10 : 1보다 크고, 보다 바람직하게 약 1000 : 1보다 큰 종횡비(길이 대 두께)를 가져야 한다.
바람직하게 나노와이어(355)는 실리콘 나노와이어(SiNW), 바람직하게 실리콘 비-나노튜브 (고체) 나노와이어이다. 하지만 임의의 적합한 물질이 사용될 수 있다.
다양한 방법들이, 예컨대 여기에서 내용 모두가 참조로서 도입되는 미국 특허번호 7,301,199 및 미국 특허번호 7,410,904의 나노와이어(355)를 만들기 위한 기술로 이용 가능하다. "바텀-업(bottom-up)" 방식과 같은 방법이 이용 가능하며, 이것은 VLS(vapor-liquid-solid) 기술에 의해 벌크 물질로 나노와이어를 성장시킨다. 이 방법은 고 품질의 나노와이어를 생산하지만, 길이 및 직경의 관점에서 균질한 나노와이어를 만들기가 어렵다. 또한, 예상되는 지점에 나노와이어를 배치하기가 어렵고, 전극을 포함하는 나노와이어 센서(350)의 다른 구성요소를 정렬하기가 어렵고, 이것은 낮은 장치 대 장치 균일성(2007년 Gao 등의 Anal Chem ; 79:3291-7)을 초래한다. 사용될 수 있는 다른 방법은 전자빔 리소그래피 및 습식/건식 식각을 기반으로 한 "탑-다운(top-down)" 기술이다. 이 탑-다운 기술은 나노와이어의 사이즈 및 위치 이상의 제어 가능성을 제공함으로써 바람직하고, 높은 처리량 및 생산의 자동화가 가능하다.
다양한 실시예에서, 다음과 같은 예 및 조합: 임프린팅(imprinting), 리소그래피, CVD, 식각, 레이저 절삭, 아크 방전(arc discharge) 및/또는 전기화학적인 방법을 포함하는 다수의 상이한 방법은 제어 전극(356)을 제작하기 위해 사용될 수 있다. 제어 전극(356)은 5 ㎛ × 5 ㎛ 내지 500 ㎛ × 500 ㎛ 면적, 바람직하게는 50 ㎛ × 50 ㎛(길이 × 폭) 또는 임의의 다른 적합한 면적을 가질 수 있다. 제어 전극(356)은 임의의 적합한 두께, 예컨대 약 10 내지 약 200 ㎛일 수 있다.
"기능적인 물질"로 제어 전극(356)을 코팅하는 프로세스는 여기에서 "기능화(functionalization)"로 언급될 수 있고, 코팅된 제어 전극은 "기능화된(functionalized)"으로 언급될 수 있다. 기능성 물질은 일부 생물학적인 예를 제공하기 위해, 예컨대 티올 그룹, 핵산(예컨대 디옥시리보핵산 또는 "DNA", 펩티드 핵산 또는 "PNA" 및 리보 핵산 또는 "RNA"), 압타머, 호르몬, 탄수화물, 단백질, 항체, 항원, 분자 수용체 및/또는 세포의 표면 결합 부위와 같은, 결합 특이 화학적 및/또는 생물학적인 관계가 있는 종류일 수 있다. 이 발명에서, 결합 부위를 형성하기 위해 제어 전극(356)에 결합되는 기능적인 물질은 샘플 내의 표적 분자에 대해 특이성을 갖거나 상보적이다. 예컨대, 제 1 전착된(electrodeposited) 금 기능성 물질은 티올 말단을 갖는 PNA 기능성 물질일 수 있거나 거기에 결합될 수 있고, 번갈아, 분석되는 샘플 내의 상보적인 DNA 표적 분자에 결합될 수 있다. 제어 전극(356)은 약 0.1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 바람직하게는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ PNA에 결합될 수 있다.
SiNW 및 비금속 제어 전극(356)은 p-타입 또는 n-타입 도펀트 중 어느 하나로 도핑될 수 있다. 제어 전극(356)의 표면은 포획제, K-ras 돌연변이 ssDNA와 같은 기선택된 DNA 서열에 상보적인 서열을 포함하는 PNA로 수정될 수 있다. 나노와이어(355), 제어 전극(356) 또는 둘 모두는 도핑될 수 있다. 두 개의 상이한 방법, 즉 스핀-온 도펀트 기반의 도핑 또는 이온 주입은 추가적인 최적화를 위해 나노와이어(355) 및/또는 제어 전극(356)에 도핑을 하기 위해 사용될 수 있다. 스핀-온 도펀트 방법을 위해 기판은 고온에서 확산 공정 후 p-타입 또는 n-타입 스핀-온 도펀트 용액을 사용하여 스핀 코팅될 수 있다. 최종 도핑 레벨은 가열 공정의 온도 및 시간에 의해 결정될 수 있다. 이온 주입을 위해, 보론, 인(phosphorus) 또는 비소(arsenic)와 같은 고에너지 이온은 가속 장치에서 다양한 가스 소스로부터 생산되고, 기판으로 향한다. 이온은 기판의 표면 근처 영역으로 주입된다. 두 가지 방법은 우수한 결과를 제공하는 것으로 기록되어 있다(2007년 Gao 등의 Anal Chem;79:3291-7 및 2006년 Wang 등의 Nano Lett;6(6):1096-1100). 최적의 도핑 레벨은 4탐침법(four point probe measurement)을 기반으로 선택될 수 있다(예컨대, Robert F.Pierret의 'Semiconductor Device Fundamentals', Addison Wesley, Cahpter 3, pp.85-93과 section 3.1.4 및 Sato 등의 Journal of Surface Analysis 11(2)58-61(2004)를 참조). 약 1018 홀 또는 도너 원자/cm3의 도핑 레벨은 최적화를 위한 기점으로 사용될 수 있다. 도핑 레벨은 필요에 따라 증가되거나 감소될 수 있다.
합성 펩티드 핵산 올리고머(PNA)는 다수의 소스로부터 통상적으로 획득될 수 있다. 이 발명에서, PNA는 결합 부위를 형성하도록 제어 전극(356)에 결합될 수 있다. PNA는 샘플 내의 표적 분자 내의 기선택된 핵산 서열, 예컨대 DNA, RNA, 바람직하게는 ssDNA에 특이적/상보적이다. 바람직하게는, 본 발명에서 사용되는 PNA는 샘플 내에 존재하는 표적 DNA, 예컨대 약 5 내지 75, 바람직하게는 약 20 내지 약 50 개의 뉴클레오티드에 특이적으로 결합하기 위해 적합한 길이 및 서열을 갖고, 표적 DNA 내의 기선택된 서열에 80 %, 85 %, 90 %, 95 %, 99 % 또는 100 % 상보적이다. 바람직하게, PNA의 서열은 기선택된 서열에 100 % 상보적이다. PNA는 상보적이거나 SEQ ID NO:2, 3, 4, 5 또는 6 중 어느 하나의 서열을 포함할 수 있다. 바람직하게, 표적 DNA는 기선택된 표적 DNA의 서열과 제어 전극(356)에 부착된 PNA 사이에 하나의 염기쌍 불일치를 검출하기 위한 적합한 조건에서, 제어 전극(356)에 부착된 PNA에 혼성된다. 바람직하게, 조건은 저염 혼성 조건, 예컨대 10 mM Tris HCl, pH 8.0 또는 당량 조건이다.
하나 이상의 나노와이어 센서(350)가 사용될 수 있고, 각각의 센서는 샘플 내의 상이한 표적 분자를 검출하도록 설계된다. 또한, 센싱 장치는 하나 이상의 NW-FET를 포함할 수 있고, 각각의 NW-FET는 상이한 표적 분자를 검출하도록 설계된다. 예컨대, 센싱 장치는 전술한 복수의 NW-FET를 포함할 수 있고, 각각의 NW-FET는 서열 SEQ ID NO:2 내지 6 중 하나를 포함하는 표적 분자에 대해 결합 부위로 기능화되는 제어 전극(356)을 포함한다.
용어 "샘플"은 내용 모두가 여기에서 참조로 도입되는 미국 특허번호 7,385,267에 설명되고, 임의의 세포, 세포 배양 배지, 조직 또는 생물학적인 소스("생물학적인 샘플")로부터의 유체 또는, 예컨대 혈장, 혈청 또는 물을 포함하는 본 발명에 따라 평가될 수 있는 생물학적 또는 비생물학적인 임의의 다른 배지를 말한다. 샘플은 유기체로부터 획득된 생물학적 샘플(예컨대, 인간, 비인간 포유동물, 무척추동물, 식물, 균류, 조류, 박테리아, 바이러스 등), 인간이 소비하기 위해 만들어진 음식으로부터 획득된 샘플, 가축 사료, 우유와 같은 동물이 소비하기 위해 만들어진 음식을 포함하는 샘플, 장기 기증 샘플, 혈액 공급이 예정된 혈액의 샘플, 물 공급으로부터의 샘플 또는 그와 유사한 것들을 제한 없이 포함한다. 샘플의 일 예는 특이적인 핵산 서열의 존재 또는 부재를 결정하기 위한 인간 또는 동물로부터 획득된 샘플이다.
바람직한 샘플은 혈액, 혈장,또는 혈청 샘플, 바람직하게는 췌장 종양과 같은 종양을 갖거나 갖는 것으로 짐작되는 대상으로부터의 혈액, 혈장 또는 혈청이다. 샘플은 균질한 조직 샘플일 수 있고, 용액에 넣어진다.
나노와이어 센서(350)는 다음과 같이 제조될 수 있다:
전극 상에 PNA 고정 : 고정은 X-선 광전자 분광기(XPS)에 의해 특성화될 수 있다. XPS는 박막의 구조적인 특성뿐만 아니라 화학적인 특성을 평가하는 현장외(ex-situ) 방법이다. HS-ssPNA 고정 후 표면 상의 정량 분석 또한 결정될 수 있다. 표면 커버리지의 변화는 HS-ssPNA 단일층 및 차단제(머캅토에탄올(mercaptoethanol))를 포함하는 혼합된 자가조립 PNA 단층에 대해 모니터링된다. 푸리에 변환 적외선(fourier transform infrared, FTIR) 분광기는 분자 지문 및 방향에 대한 추가적인 정보를 제공한다. 두 가지 방법을 기반으로, 표면 상태는 커버리지뿐만 아니라 PNA 방향과 관련하여 결정될 수 있다.
절연막의 형성 : 측정이 액상에서 수행되기 때문에, 금속 전극은 액체에 노출되는 것으로부터 보호된다. 실리콘 나이트라이드 및 실리콘 옥사이드는 그러한 목적을 위한 가장 일반적인 물질이다. 예컨대, PECVD를 사용하여 박막 증착이 최적화될 것이다. 이중-층 리프트 오프(bi-layer lift-off) 방법은 패턴화된 절연막을 형성하기 위해 사용된다. 하층막은 포토레지스트에 의해 스핀-코팅된다. 동일한 노광 및 현상 조건 하에서, 하부 층은 포토레지스트보다 더 용이하고 빠르게 현상된다. 금속 증착 단계 중 마스크로서 작용하는 정지 포토레지스트 패턴은 금속 증착 후 기판 상에 새롭게 형성된 금속 패턴 주위의 공간에 제공되도록 형성된다. PECVD 공정이 리프트 오프 이후 이방성으로 박막을 형성한 후, 메탈 전극 패턴은 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 옥사이드로 덮여진다.
도핑 공정 : 적어도 두 개의 상이한 도핑 방법, 즉 스핀-온 도펀트 방법 및 이온 주입이 적합하다. 도핑 후, 예상된 도핑 레벨은 4탐침법에 의해 계산된다. 막의 시트 저항(ρs)이 측정된다. 4 개의 탐침은 선형 방식으로 배열된다. 고정된 전류는 외부의 두 개의 탐침에 공급되고, 동시에 고정된 전류를 유지하는 전압은 두 개의 안쪽 탐침으로부터 측정된다. 전류 및 전압 값 사이의 관계로부터 시트 저항이 계산된다. 도핑 레벨은 저항 대 도펀트 농도 곡선으로부터 계산된다. 도핑 레벨을 위한 초기 목표는 1018/cm3일 것이다. 목표가 된 도핑 레벨은 백게이팅(back gating) 측정으로부터 NW-FET의 게이팅 수행을 기반으로 조절된다.
나노와이어 FET 장치 : 전자빔 리소그래피 및 다양한 식각 기술은 나노와이어 제작하기 위해 사용될 수 있다. 나노와이어 제작 후, SEM(scanning electron microscope)를 사용하여 이미지화함으로써 특성화된다. 그리고나서, 금속 전극은 예컨대, 전자빔 리소그래피, 포토리소그래피 및 리프트 오프 방법에 의해 정의된다. 게다가, 패턴의 사이즈 및 품질은 예컨대, SEM을 사용하여 모니터링된다. 장치의 전기적인 수행은 I-V 측정 및 백게이팅 측정을 사용하여 테스트된다. 도핑 레벨은 게이팅 수행을 기반으로 변경될 수 있다.
절연막 : 금속 전극의 풀 커버리지(full coverage)는 예컨대 SEM 이미징에 의해 확인될 수 있다. 전기적인 절연은 예컨대, 마찬가지로 액체에서 I-V 측정에 의해 조사될 수 있다.
예 5 : 표적 분자
췌장암과 관련된 4 개의 중요한 K-ras 점돌연변이(아래 표의 #1 내지 4)가 있다. 추가적인 점돌연변이(아래 표의 #5)는 췌장암에서 극히 낮은 빈도로 발생한다. 표적 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide)는 K-ras에 대한 핵산 서열의 적어도 약 20 내지 50 개의 뉴클레이티드를 포함하고 #5 돌연변이를 포함하고, 췌장암 검출을 위한 특이성을 증가시키도록 대조군으로 제공된다.
또한, 아래 표에 기재되고 약 20 내지 50 개의 뉴클레이티드를 포함하는 돌연변이 #1 내지 5의 각각에 대한 상보적인 PNA가 합성된다. 모든 합성된 올리고뉴클레이티드는 상업적인 공급원으로부터 구입될 수 있다.
K-RAS 코딩 서열(1-60, 정상):
ATG ACT GAA TAT AAA CTT GTG GTA GTT GGA GCT GGT GGC GTA GGC AAG AGT GCC TTG ACG
K-RAS 코딩 서열(1-60, 돌연변이 #1-5):
# 코딩 서열
돌연변이		 아미노산
돌연변이		 췌장(N) 대장(N) 폐(N) 담도(biliary tract)(N)
1 c.34G>C(치환) p.G12A 338 57 48 21
2 c.35G>A(치환) p.G12D 1340 1752 270 228
3 c.35G>T(치환) p.G12V 829 1085 357 87
4 c.34G>T(치환) p.G12C 94 422 735 37
5 c.38G>A(치환) p.G13D <18 738 36 <18
#1 : ATG ACT GAA TAT AAA CTT GTG GTA GTT GGA GCT CGT GGC GTA GGC AAG AGT GCC TTG ACG
#2 : ATG ACT GAA TAT AAA CTT GTG GTA GTT GGA GCT GAT GGC GTA GGC AAG AGT GCC TTG ACG
#3 : ATG ACT GAA TAT AAA CTT GTG GTA GTT GGA GCT GTT GGC GTA GGC AAG AGT GCC TTG ACG
#4 : ATG ACT GAA TAT AAA CTT GTG GTA GTT GGA GCT TGT GGC GTA GGC AAG AGT GCC TTG ACG
#5 : ATG ACT GAA TAT AAA CTT GTG GTA GTT GGA GCT GGT GAC GTA GGC AAC AGT GCC TTG ACG
펩티드 핵산(PNA) 고정 방법:
하나의 염기 민감도를 사용하여 DNA를 검출할 수 있는 PNA(1996년 Wang 등의 J.Amer Chem Soc;118(33):7667-7670) 및 상보적인 ssDNA의 특이성 인식을 나타내는 금 표면 상의 하나의 표준 PNA 분자의 정리된 자가조립 단층(SAM)(2004년 Briones 등의 Physical Review Letters;93(20):208103)이 제시된다. PNA는 여기에서 DNA에 대한 높은 결합 친화력으로 인해 결합 부위로 사용된다. PNA는 기본적으로 여기에서 모든 내용이 참조로 도입되는 2004년 Briones 등의 Phy. Rev. Lett.93, 208103에 의해 설명된 것과 같이, 단층을 형성하기 위한 티올 기반의 고정을 사용하여 제어 전극(356)의 표면 상에 고정된다. 단층을 형성하기 위한 조건은 PNA 농도, 스페이서의 길이 및 PNA 고정 후 제어 전극의 표면을 차단하기 위해 사용되는 티올 용액을 기반으로 최적화된다.
PNA 농도는 적합하게 채워진 단층, 예컨대 약 0.1 내지 약 10 ㎛로 형성되도록 최적화된다; 매우 높은 PNA 농도는 금 표면을 완전히 감싸고, 입체 효과(steric effect)로 인해 결합 효율성을 낮출 수 있다.
스페이서 효과 : 나노표면 상의 결합의 특성은 벌크 용액과 매우 상이하다. 결합에 대한 벽 효과를 감소시키고 PNA를 위해 더 큰 연성을 제공하는 8-아미노-3,6-다이옥사옥탄산(8-amino-3,6-dioxaoctanoic acid)의 스페이서는 PNA에 포함되고, 멀티머, 예컨대 8-아미노-3,6-다이옥사옥탄산의 다이머(dimer) 및 트라이머(trimer)는 결합 분석에 사용하기 위한 스페이서의 최적화된 길이를 결정하기 위해 사용된다.
티올 용액 차단 효과 : 성공적인 후속 DNA 혼성화를 위한 티올-PNA 고정 후 제어 전극의 금 표면을 차단하기 위해, 머캅토에탄올 용액은 차단제로 사용된다. 도 9c는 PNA 및 머캅토에탄올의 결합된 SAM의 개략적인 도면을 도시한다.
미세유체 장치의 설계 및 프로세스
샘플 및 샘플 처리:
샘플은 미세유체 장치에 넣어지고, 혈장은 약 1 ㎛ 사이즈 구멍(237)에 의해 혈액 세포 및 혈소판으로부터 분리되고, 2차 분리 챔버(245)로 들어간다.
샘플은 채널(248)로 흐르거나 펌핑되고, 채널(248)은 채널(248) 벽에 결합된 실리콘 및 유리를 갖는다. 충분히 포화된 카오트로픽제(chaotropic agent)(예컨대, NaI 및 구아디움 염화 반응물(guanidium chloride reagent))는 샘플과 혼합되고, 샘플은 DNA가 유리 표면에 결합되도록 하기 위한 온도와 충분한 시간 동안, 즉 25 ℃에서 약 5분간 채널(248)에 접촉한다; 결합 조건 및 시간은 더욱 최적화될 수 있다. 카오트로픽염(chaotropic salt)이 존재하는 곳에서 유리와 실리카의 표면에 대한 DNA의 흡착은 Vogelstein 및 Cillespic에 의해 유리 파우더에 의한 아가로스(agarose)로부터 순수한 DNA 조각 상의 작용으로 처음 설명된다(1979년Vogelstein 등의 Proc Natl Acad Sci USA;76(2):615-619).
결합된 DNA와 함께 미세유체 채널은 NaI를 제거하기 위해 50 % 에탄올 및 50 % 버퍼의 혼합물(20 mM Tris-HCl, pH 7.2, 0.2 M NaCl, 2 mM EDTA)로 세정된다. 그리고 나서 DNA는 탈이온수 또는 저염 용리(elution) 완충물을 사용하여 실리콘 또는 유리 표면으로부터 용리된다. 센싱 장치에 표적 DNA를 운반하는 용리 완충물의 염 및 pH는 제어 전극에 결합되는 PNA에 표적 DNA의 혼성화를 위해 적합하게, 예컨대 10 nM Tris HCl, pH 8.0으로 조절된다. 염 및 pH가 조절된 용리된 DNA를 운반하는 혼성화 용액은 미세유체 채널(357)을 통해 나노와이어 센서(350)로 흐르거나 펌핑되고, 상기 나노와이어 센서(350)는 기선택된 표적 분자 및 표적 DNA가 PNA에 혼성화되기 위해 특이적인 펩티드 핵산 분자로 기능화되는 제어 전극(356)에 접촉된다.
실리콘 나노와이어 기반의 센서 설계/개발
본 발명의 센싱 장치의 나노와이어(355) 및 표적 분자가 결합되는 제어 전극(356)은 물리적으로 분리된다. 나노와이어 센서(350)의 일 실시예의 개략도는 도 9a에 도시된다. 도시된 바와 같이, 나노와이어 센서(350)는 두 개의 구성요소, 즉 소스 전극(353)과 드레인 전극(354) 사이에 배치되는 나노와이어(355) 및 제어 전극(356)에 의해 작동된다. 타켓 분자는 적합한 혼성화 조건 하에서 제어 전극(356)의 표면에 결합된 PNA와 혼성화된다. SiNW-FET는 변화되는 게이팅 응답에 의해 제어 전극(356)과 나노와이어(355) 표면 사이의 캐패시턴스 변화를 검출한다. 전압 VCE는 제어 전극(356)에 인가되고, 나노와이어(355) 상의 이온화된 이중 층은 이동하는 이온에 의해 형성된다. 이 현상은 게이트 전압으로서 작동하고, 나노와이어(355) 내의 전하 농도의 변화를 유도한다. DNA 표적 분자가 제어 전극(356) 결합 부위에 결합되는 경우, 제어 전극(356)과 나노와이어(355) 사이의 캐패시턴스는 변경되고, 나노와이어(355)로부터의 게이팅 응답은 동일한 VCE를 위해 마찬가지로 변경된다. 변경은 나노와이어(355)를 통해 전도성을 측정함으로써, 예컨대 전압계를 사용하여 전류를 모니터링함으로써 검출된다.
도 9b는 나노와이어 센서(350)의 개략적인 응답, 컨덕턴스 대 제어 전극 전압을 도시한다. 임계 전압 Vth는 선형 외삽법을 기반으로 전도성의 선형 영역의 제로로 설정된다. 타켓 분자(ssDNA)가 제어 전극(356) 표면에 결합되는 경우, 제어 전극(356)과 나노와이어(355)표면 사이의 캐패시턴스는 변경된다. 나노와이어 센서(350)의 출력 신호인 이 캐패시턴스 변경은 나노와이어(355)의 임계 전압을 이동시킨다.
상이한 검출 계획
K-ras 유전자에서 점돌연변이를 검출하기 위해, 혈액 샘플은 하나의 염기 돌연변이를 포함하는 DNA에 대해 분석된다.
다수의 생물학적 성분으로 구성되는 인간의 혈액 샘플은 수집되고, 항응고제(예컨대, EDTA, 구연산염(citrate), 헤파린)와 결합된다. EDTA로 응고 억제된 혈액이 바람직하다. 응고 억제된 혈액 샘플은 미세유체 장치의 사이즈 배제 메커니즘을 통해 수집되고 통과되며, DNA는 미세유체 채널에 DNA가 결합됨으로써 샘플 내의 비-DNA 분자로부터 분리되고, 이후 전술한 바와 같이 결합된 DNA가 용리된다. 용리된 DNA를 포함하는 샘플은 샘플 내의 표적 DNA가 PNA에 혼성화되는 조건 하에서, 두 개의 나노와이어 센서(350), 즉 표적 핵산 분자에 대해 결합된 PNA 특이성을 갖는 제 1 나노와이어 센서(350)(샘플 나노와이어 센서(350)) 및 표적 핵산 분자에 대해 결합된 PNA를 포함하지 않는 제 2 나노와이어 센서(350)(제어 나노와이어 센서(350))에 적용된다. 혈액 샘플 내의 표적 DNA와 다른 신호는 유사한 방식으로 두 개의 센싱 장치에 영향을 주고, 나노스케일에서 두 개의 나노와이어 센서(350)로부터 상이한 응답을 가져옴으로써 평가된다(샘플 나노와이어 센서(350)로부터 제어 나노와이어 센서의 신호가 감산됨).
하나의 나노와이어 센서 내의 상이한 검출 및 두 개의 NW-FET:
일회용의 단일 사용 테스트 카트리지 장치는 적어도 두 세트의 SiNW-FET 및제어 전극(356)을 포함하도록 준비된다: 하나의 세트는 제 1 SiNW-FET 및 포획-PNA로 기능화되는 제 1 제어 전극(356)으로 구성되고, 제 2 세트는 제 2 SiNW-FET 및 포획-PNA가 없는 제 2 제어 전극(356)이다. 추가적인 세트는 추가적인 SiNW-FET 및 상이한 포획-PNA로 기능화되는 제어 전극(356)이다. SiNW-FET는 두 개의 세트가 동일하다(I-V 측정 및 게이팅 응답과 관련된 유사한 수행을 가짐). 장치는 동일한 입구를 공유하는 적어도 두 개의 미세유체 채널을 포함한다. 각각의 채널은 하나의 SiNW-FET를 포함한다. 용리된 DNA 샘플은 미세유체 채널로 흐르고, 각각의 채널 내에 배치되는 SiNW-FET로부터의 신호는 검출 수단으로 검출되고 비교된다.
본 발명의 다른 양태는 통상의 기술자에게 명백할 것이며, 여기에서 반복되지 않을 것이다. 사용된 용어 및 표현은 서술을 위한 용어로서 제한 없이 사용되며, 그러한 용어 및 표현이 사용으로 도시되고 설명된 특징 또는 부분과 동일한 것을 배제하려고 의도하지 않고, 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능함이 인식될 것이다.
100: POC 분석기 112: 카드 슬롯
114: 디스플레이부 116: 제어부
200: 테스트 카드 220: 입자 검출 층
230: 1차 분리 층 231: 샘플 입구
232: 버퍼 입구 233: 버퍼 트로프
235: 1차 분리 챔버 236: 여과면
238: 포획 채널 240: 2차 분리 층
345: 2차 분리 챔버 350: 나노와이어 센서
353: 소스 전극 354: 드레인 전극
355: 나노와이어 357: 미세유체 채널
366: 제어 전극

Claims (48)

  1. 샘플 내의 성분을 분리하는 장치에 있어서,
    복수의 구멍을 정의하는 여과면을 갖는 1차 분리 챔버;
    상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 1차 분리 챔버의 구멍보다 작은 성분은 통과시키고 큰 성분은 유지시키는 상기 여과면에 실질적으로 수직한 방향으로, 상기 1차 분리 챔버에 상기 샘플을 도입하도록 구성되는 샘플 입구;
    상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 구체적으로 표적이 된 상기 구멍보다 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합하는 포획제로 처리된 벽을 갖는 포획 채널; 및
    상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 큰 성분을 상기 포획 채널로 쓸어가도록, 상기 여과면에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 1차 분리 챔버에 버퍼를 도입하도록 구성되는 버퍼 입구를 포함하고,
    상기 포획 채널의 벽은, 상기 큰 성분이 상기 포획 채널을 통과함에 따라 상기 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 여과면은 약 0.01 내지 10 ml의 샘플을 수용할 수 있는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 여과면은 약 1 mm × 1 mm 내지 100 mm ×100 mm의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 여과면은 적어도 50 %의 공극률을 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 샘플은 전혈(whole blood)인 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 구멍은 약 1 ㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 작은 성분은 혈장을 포함하는 것을 특징을 하는 성분 분리 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 구멍은 약 5 ㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 큰 성분은 백혈구를 포함하는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 구멍은 약 16 ㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 큰 성분은 더 큰 백혈구 및 혈중종양세포(circulating tumor cell, CTC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 샘플 입구는 약 0.5 내지 10 mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 포획 채널은 사행(meandering) 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  14. 제 1항에 있어서
    상기 포획 채널은 약 20 내지 1000 ㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 포획 채널은 약 0.1 내지 10 cm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 포획 채널은 복수의 각진 모퉁이를 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 포획제는 항체, 펩티드, 저분자 또는 압타머(aptamer)인 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼 입구는 버퍼 트로프(trough)를 포함하고, 상기 버퍼 트로프는 실질적으로 상기 여과면의 전체 측을 가로질러 연장되고,
    상기 버퍼 입구는 상기 버퍼 트로프에 버퍼를 도입하도록 구성되고, 상기 버퍼 트로프는 상기 버퍼가 상기 여과면에 가득차도록 구성되는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 버퍼 트로프는 실질적으로 상기 여과면과 동일한 층에 배치되는 상부를 갖는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼 입구는 버퍼 확산기를 포함하고, 상기 버퍼 확산기는 버퍼를 실질적으로 상기 여과면의 전체 측을 가로질러 분배하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  21. 샘플 내의 성분을 분리하는 방법에 있어서,
    복수의 구멍을 정의하는 여과면을 갖는 1차 분리 챔버를 제공하는 단계;
    상기 1차 분리 챔버 내의 상기 구멍보다 작은 성분은 통과시키고 큰 성분은 유지시키는 상기 여과면에 실질적으로 수직한 방향으로, 상기 1차 분리 챔버에 상기 샘플을 도입하는 단계;
    상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 큰 성분 중 적어도 하나를 선택적으로 결합시키기 위한 포획제로 처리된 벽을 갖는 포획 채널을 제공하는 단계; 및
    상기 큰 성분을 상기 포획 채널로 쓸어가도록 상기 여과면에 실질적으로 평행한 방향으로 버퍼를 도입하는 단계를 포함하고,
    상기 포획 채널의 벽은 상기 큰 성분이 상기 포획 채널을 통과함에 따라 상기 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 성분 분리 방법.
  22. 샘플 내의 성분을 분리하는 장치에 있어서,
    복수의 구멍을 정의하는 여과면을 갖는 1차 분리 챔버;
    상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 1차 분리 챔버의 구멍보다 작은 성분은 통과시키고 큰 성분은 유지시키는 상기 여과면에 실질적으로 수직한 방향으로, 상기 1차 분리 챔버에 상기 샘플을 도입하도록 구성되는 샘플 입구; 및
    상기 1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 여과면의 큰 성분을 쓸어가도록, 상기 여과면에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 1차 분리 챔버에 버퍼를 도입하도록 구성되는 버퍼 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    1차 분리 챔버와 유체를 교환하고, 상기 여과면으로부터 상기 큰 성분을 받도록 구성되고, 상기 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합되기 위해 포획제로 처리된 벽을 갖는 포획 채널을 더 포함하고,
    상기 포획 채널의 벽은 상기 큰 성분이 상기 포획 채널을 통과함에 따라 상기 큰 성분 중 적어도 하나와 선택적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 성분 분리 장치.
  24. 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치에 있어서,
    베이스;
    상기 베이스에 결합되는 소스 전극;
    상기 베이스에 결합되고, 상기 소스 전극보다 낮은 포텐셜을 갖는 드레인 전극;
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극에 결합되는 반도체 나노와이어; 및
    상기 베이스에 결합되고, 표면의 적어도 일부가 상기 물질과 선택적으로 결합되는 포획제로 처리되는 제어 전극을 포함하고,
    상기 나노와이어를 통해 흐르는 전류의 양은 상기 제어 전극에 인가된 전압에 대응하고, 상기 제어 전극에 결합된 물질의 양에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 나노와이어는 약 1 nm 내지 0.99 ㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치.
  26. 제 24항에 있어서,
    상기 나노와이어는 약 1016 내지 1020의 홀 또는 도너(donor) 원자/cm3의 레벨로 도핑되는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치.
  27. 제 24항에 있어서,
    상기 제어 전극은 약 5 ㎛ × 5 ㎛ 내지 500 ㎛ × 500 ㎛의 길이 및 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치.
  28. 제 24항에 있어서,
    상기 제어 전극은 약 10 내지 200 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치.
  29. 제 24항에 있어서,
    상기 포획제는 PNA(peptide nucleic acid), 항체, 압타머 또는 생체분자와 결합할 작은 펩티드인 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치.
  30. 제 24항에 있어서,
    상기 제어 전극 상의 포획제는 약 0.1 내지 100 nm의 두께를 갖는 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질의 양을 측정하는 장치.
  31. 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 샘플을 포함하도록 구성되는 테스트 챔버;
    소스 전극;
    상기 소스 전극보다 낮은 포텐셜을 갖는 드레인 전극;
    상기 테스트 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극과 결합되는 반도체 나노와이어;
    상기 나노와이어를 통해 흐르는 전류의 양을 측정하는 검출기; 및
    상기 테스트 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 표면의 적어도 일부가 상기 물질과 선택적으로 결합하는 포획제로 처리된 제어 전극을 포함하고,
    상기 나노와이어를 통해 흐르는 전류의 양은 상기 제어 전극에 인가된 전압에 대응하고, 상기 제어 전극에 결합된 물질의 양에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 나노와이어는 약 1 nm 내지 0.99㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치.
  33. 제 31항에 있어서,
    상기 나노와이어는 약 1016 내지 1020의 홀 또는 도너 원자/cm3의 레벨로 도핑되는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치.
  34. 제 31항에 있어서,
    상기 제어 전극은 약 5 ㎛ × 5 ㎛ 내지 500 ㎛ × 500 ㎛의 길이 및 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치.
  35. 제 31항에 있어서,
    상기 제어 전극은 약 10 내지 200 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치.
  36. 제 31항에 있어서,
    상기 포획제는 PNA, 항체, 압타머 또는 생체분자와 결합할 작은 펩티드인 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치.
  37. 제 31항에 있어서,
    상기 제어 전극 상의 포획제는 약 0.1 내지 100 nm의 두께를 갖는 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 샘플 내의 특정 물질을 양을 측정하는 장치.
  38. 샘플 내의 입자를 검출하는 장치에 있어서,
    주 흐름 채널;
    상기 주 흐름 채널과 유체를 교환하고, 상기 주 흐름 채널 내에서 샘플 내의 입자를 유체역학적으로 집중시키기 위해 상기 주 흐름 채널에 버퍼를 도입하는 것을 가능하게 하는 버퍼 도입 채널;
    상기 주 흐름 채널의 제 1 대향 측 및 제 2 대향 측과 각각 유체를 교환하고, 적어도 부분적으로 한천(agar)으로 채워진 제 1 염다리 챔버 및 제 2 염다리 챔버;
    상기 제 1 염다리 챔버 및 상기 제 2 염다리 챔버와 각각 유체를 교환하고, 적어도 부분적으로 전해질로 채워진 제 1 전해질 챔버 및 제 2 전해질 챔버;
    상기 제 1 전해질 챔버 및 상기 제 2 전해질 챔버 내에 각각 배치되고, 상기 제 1 전해질 챔버 및 상기 제 2 전해질 챔버와 상기 제 1 염다리 챔버 및 상기 제 2 염다리 챔버에 각각 여기 신호를 인가할 수 있는 제 1 전극 및 제 2 전극; 및
    상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 1 염다리 챔버 사이의 임피던스를 측정하기 위해, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 결합되는 임피던스 분석기를 포함하고,
    상기 주 흐름 채널을 통해 상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 2 염다리 챔버 사이를 통과하는 입자는, 상기 여기 신호가 인가되는 동안, 상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 2 염다리 챔버 사이의 임피던스에 검출 가능한 변화를 유발하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  39. 제 38항에 있어서,
    상기 제 1 염다리 챔버 및 상기 제 2 염다리 챔버는 제 1 연결 채널 및 제 2 연결 채널을 통해 각각 상기 주 흐름 채널의 상기 제 1 대향 측 및 상기 제 2 대향 측과 유체를 교환하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  40. 제 38항에 있어서,
    상기 제 1 연결 채널 및 상기 제 2 연결 채널은 약 0.001 내지 0.05 mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  41. 제 38항에 있어서,
    상기 제 1 연결 채널 및 상기 제 2 연결 채널은 약 0.01 내지 0.2 mm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  42. 제 38항에 있어서,
    상기 제 1 염다리 챔버 및 상기 제 2 염다리 챔버에 각각 결합되고, 한천으로 상기 제 1 염다리 챔버 및 제 2 염다리 챔버를 채우는 것을 용이하게 하도록 구성되는 제 1 한천 입구 및 제 2 한천 입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  43. 제 38항에 있어서,
    상기 주 흐름 채널은 약 0.05 내지 0.5 mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  44. 제 38항에 있어서,
    상기 한천은 약 2 % 내지 10 %의 한천 및 1 M KCl 중량/부피의 혼합물인 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  45. 제 38항에 있어서,
    상기 여기 신호는 약 0.01 내지 10 V의 전압 및 약 50 Hz 내지 10 kHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 입자 검출 장치.
  46. 샘플 내의 입자의 수를 카운팅하는 방법에 있어서,
    주 흐름 채널 내의 입자를 유체역학적으로 집중시키는 단계;
    상기 주 흐름 채널의 제 1 대향 측 및 제 2 대향 측과 각각 유체를 교환하고, 한천으로 채워진 제 1 염다리 챔버 및 제 2 염다리 챔버에 여기 신호를 인가하는 단계;
    상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 2 염다리 챔버 사이에 입자를 통과시키는 단계; 및
    상기 입자가 상기 제 1 염다리 챔버 및 상기 제 2 염다리 챔버 사이를 통과하는 경우, 상기 제 1 염다리 챔버와 상기 제 2 염다리 챔버 사이의 임피던스 변화를 검출함으로써 상기 입자의 수를 카운팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 수 카운팅 방법.
  47. 제 46항에 있어서,
    상기 입자는 상기 주 흐름 채널의 중심에 집중되는 것을 특징으로 하는 입자 수 카운팅 방법.
  48. 제 46항에 있어서,
    상기 입자는 상기 주 흐름 채널의 측면에 집중되는 것을 특징으로 하는 입자 수 카운팅 방법.
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