KR20120009691A - 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템 및 이를 이용한 검출방법 - Google Patents

자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템 및 이를 이용한 검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자성입자가 결합된 검체의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서와 상기 자기저항센서의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하며 내부에 검체고정유닛의 입출공간이 형성되는 외부자기장인가장치를 포함하여 구성되되, 상기 제2방향 외부자기장 인가장치는 인가되는 자기장의 방향을 가변할 수 있는 장치를 구비한 자기저항 센서를 이용한 검출시스템과 이를 이용한 검출방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 자기저항센서에 인가되는 자기장의 방향을 자기저항센서의 Y축 방향과 Z축 방향에서 인가하여 센서의 감도 성능이 최대화할 수 있으며, 특히 시료(검체)를 정지해 둔 상태에서 Z축(수직 자기장)을 스캔함으로써, 시료의 정보를 읽어낼 수 있도록 하여, 자기장 스캔(Scan)이 기존 모터를 이용한 시료 스캔을 대신함으로써, 종래 모터를 이용하여 시료 스캔하는 경우 발생하는 노이즈와 진동으로 인한 신호의 잡음을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템 및 이를 이용한 검출방법{System for signal detection of specimen using magnetic resistance sensor and Detecting Method of the same}
본 발명은 자기저항센서를 이용하여 자성입자를 정량적으로 측정하는 고감도 검사시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자기센서 카트리지(magnetic sensor)는 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서 카트리지로서, 자기장의 영향으로 여러 가지 물질의 성질 등이 변하는 것을 이용하여 자기장을 측정한다. 홀 효과나 자기저항효과 등을 이용하여 홀소자나 MR(Magnetic Resistance) 소자 등을 만들기도 하고, VTR(Video Tape Recorder), 테이프 리코더 등의 제조에도 이용한다. 이러한 자기장의 영향을 받은 물질은 기본적으로 자성입자와 결합된 검출대상체에 자기장을 인가하여 자성의 변화를 검출하는 것을 요지로 한다.
상술한 자성입자는 자철광으로부터 제조되는 것으로, 입자의 표면을 관심의 대상이 되는 생체물질로 코팅하여 결합된 대상물의 존재를 검출하기 위한 태그로서 매우 유망하기 때문에 특히, 생화학 분야에서 오랫동안 연구되고 사용되어 왔다. 그러나 매우 작은 부피의 자성입자로부터 나오는 자기 신호는 극히 작기 때문에 자기 검출기 제조는 어려운 도전과제로 남겨져 있고 다양한 방식으로 연구되고 있는 실정이다.
이와 관련한 장치 및 방법으로는, 초전도 콴텀 인터피어런스 디바이스(Superconducting Quantum Interference Devices: 이하, “SQUID”라고 칭함)에 기초한 방법이 있으나, SQUID의 일반적인 복잡성 및 극저온의 요소들로 인해 현장검사 기기로는 적합하지 않은 방법이다. 더 전통적인 방법으로 힘 자력 계의 몇몇 형태를 포함하는데, 정량적 측정이나 고감도 측정에는 한계가 있다. 이후, 자성 입자의 국지축적을 정량적으로 측정하기 위한 방법으로서, 홀 센서(hall sensor)을 이용하거나 거대 자기저항(Giant Magneto-Resistance: 이하, “GMR”라고 칭함) 센서를 이용하는 방법이 제안되기는 하였으나, 감도의 부정확성이나 측정장비의 구성면에서 이를 실용화하는 데에는 많은 한계가 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 자기저항센서에 인가되는 자기장의 방향을 자기저항센서의 Y축 방향과 Z축 방향에서 인가하여 센서의 감도 성능이 최대화할 수 있으며, 특히 시료(검체)를 정지해 둔 상태에서 Z축(수직 자기장)을 스캔함으로써, 시료의 정보를 읽어 낼 수 있도록 하여, 자기장 스캔(Scan)이 기존 모터를 이용한 시료 스캔을 대신 함으로서, 종래 모터를 이용하여 시료 스캔하는 경우 발생하는 노이즈와 진동으로 인한 신호의 잡음을 최소화시킬 수 있는 검출시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 자성입자가 결합된 검체의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서; 상기 자기저항센서의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하며 내부에 검체고정유닛의 입출공간이 형성되는 외부자기장인가장치;를 포함하여 구성되되, 상기 제2방향 외부자기장 인가장치는 인가되는 자기장의 방향을 가변할 수 있는 장치인 자기저항 센서를 이용한 검출시스템을 제공할 수 있도록 한다.
또한, 상기 외부자기장인가장치는, 상기 자기저항센서에 제1방향인 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛; 상기 자기저항센서에 제2방향인 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛;을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 검체를 고정하는 검체고정유닛은 측정 카트리지 또는 멤브레인이며, 측정시 상기 측정 카트리지 또는 멤브레인이 상기 입출공간의 내부에 고정된 상태에서 상기 제2인가유닛의 자기장을 연속적으로 가변하여 스캔을 구현하는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템으로 형성함이 바람직하다.
아울러, 상기 제1인가유닛 및 제2인가유닛은 일체형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1인가유닛은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크, 영구자석 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어져 고정적인 자기장을 인가할 수 있도록 하며, 상기 제2인가유닛은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어져 가변적인 자기장을 인가하도록 구현할 수 있다.
특히, 상기 자기저항센서는 거대자기저항센서(GMR)인 자기저항센서를 이용할 수 있다.
아울러, 상기 제2인가 유닛에 발생되는 자기장은 직류(DC)전류에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기 검체는 항원을 포함한 바이오물질일 수 있다.
또한, 상기 제1인가유닛에 인가되는 자기장의 범위 또는 자기저항센서(MR)가 반응가능한 범위는 2~40가우스(Gauss)이며, 상기 제2인가유닛에 인가되는 자기장은 1000 ~ 2000 가우스(Gauss)의 범위에서 인가될 수 있다.
아울러, 상기 검체에 포함되는 상기 자성입자는 10~100emu/g의 자화값을 갖을 수 있으며, 상기 자성입자는 초상자성(superparamagnetism) 또는 상자성(paramagnetism)을 갖도록 구현될 수 있다.
상술한 검출 시스템을 이용하여 다음과 같은 단계로 검출을 수행할 수 있다.
구체적으로는, 자성입자에 외부자기장을 가하여 자기저항센서로 검체의 정량적 측정을 수행하는 검출방법에 있어서, 상기 검체에 유도자기장을 상기 자기저항 센서의 수평방향(Y축)으로 인가하고, 검체의 이동을 측정위치에 고정시킨 상태에서 상기 자성입자를 자화시키는 직류자기장(DC magmetic field)을 상기 자기저항 센서의 수직방향(Z축)으로 인가하되, 상기 수직방향의 자기장을 형성하는 전류를 가변하여 검체에 가해지는 자기장의 세기와 주파수를 가변시켜 검체를 스캔하여 측정을 수행할 수 있다.
특히, 상기 자기저항센서의 특성커브에서의 히스테리시스 구간이 최소화되는 지점의 값을 수평방향의 값으로 선정하며, 수직방향의 자기장값은 자기저항센서의 특성이 변화하지 않는 구간에서의 최대값을 선정하여 상기 수직 및 수평방향 성분의 자기장의 최적점을 측정점으로 확정할 수 있도록 한다.
아울러, 상기 수평방향(Y축) 자기장의 범위 또는 자기저항센서(MR)가 반응가능한 범위는 2~40가우스(Gauss)로 형성하고, 상기 수직방향(Z축)에 인가되는 자기장은 1000 ~ 2000 가우스(Gauss)의 범위에서 연속적으로 가변하여 검체를 스캔하는 방식으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 자기저항센서에 인가되는 자기장의 방향을 자기저항센서의 Y축 방향과 Z축 방향에서 인가하여 센서의 감도 성능이 최대화할 수 있으며, 특히 시료(검체)를 정지해 둔 상태에서 Z축(수직 자기장)을 스캔함으로써, 시료의 정보를 읽어낼 수 있도록 하여, 자기장 스캔(Scan)이 기존 모터를 이용한 시료 스캔을 대신함으로써, 종래 모터를 이용하여 시료 스캔하는 경우 발생하는 노이즈와 진동으로 인한 신호의 잡음을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존 모터방식의 시료 스캔으로 인해 구현하기 위한 장비의 공간적인 부피가 컸으나, 본 발명의 수직자기장 가변방식을 이용한 스캔을 통해 기기 자체를 최소화 시킬 수 있으며, 자석을 통해 일정한 자기장을 인가 시 그 세기가 정해져 있어 각각의 시료에 따라 자기장의 세기를 조절하기 힘들었으나, 본 발명에서는 시료의 특성에 따라 자기장의 세기를 조절할수 있는 장점을 가져 다양한 적용이 가능한 장점이 구현된다.
구체적으로는 자기저항 센서에 Z축 방향에서 직류자기장을 인가하여 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 자기저항 센서의 감도 성능이 최대화될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 검출시스템은 검체고정유닛에 검체를 마운팅하고 외부자기장인가장치를 통해 외부자기장을 자기저항 센서의 두 방향에서 인가한 후, 자기센서에서 자기적성분과 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다.
특히, 솔레노이드, 헬름홀츠, 전자석, 자석 요크, 영구자석 중 어느 하나를 이용한 2개소의 자기장 인가유닛에서 외부자기장 값을 인가하되, 자성입자의 자화 값을 최대로 하며, 자기센서에는 영향을 최소화시킬 수 있도록 하여 감지의 효율을 극대화시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 바이오 센서 카트리지용으로 카트리지 형태의 거대 자기저항 센서 카트리지(Giant Magneto Resistance Cartridge)를 측정값 처리부와 결합하여 자기적 성분과 결합된 검체를 검출 및 센싱하여 전기적 성분으로 분리 및 분석할 수 있도록 할 수 있으며, 기존 반도체 단위공정으로 제작된 거대 자기저항 디바이스를 바이오 센서로 적용하고자 할 때, 센싱 엘리먼트(Sensing element)와 검체를 비 접촉시킴으로써 미소량의 검지체의 감도를 향상시킴으로써 정량적 분석을 원활하게 수행할 수 있다.
더불어 본 발명은 비접촉식의 거대 자기저항 센서(Giant Magneto Resistance)로 활용하여 검체에 대한 센싱을 통해 생체진단을 수행할 수 있다. 이에 POCT(Point of Care Testing)에 사용되는 멤브레인을 검체 진단 키트에 설치하여 효과적인 멤브레인 측정을 위한 측정기구를 개발할 수 있다.
나아가 본 발명은 센싱 엘리먼트(element)의 크기에만 제한되었던 감지범위를 극복할 수 있고, 동적인 스캐닝 방식에 의해 주파수 간 노이즈(Noise)를 구분할 수 있어 정량적 측정해석을 할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱원리를 설명한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성도이다.
도 3a는 종래의 홀센서의 자기장 인장방식을 나타낸 개념도이다.
도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따른 자기저항 센서의 자기장 인가 방식을 설명하는 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 외부자기장인가장치를 포함하는 검출시스템의 요부개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수평 및 수직성분의 자기장의 최적점을 찾는 방법에 대한 특성커브이다
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 측정하고자 하는 검체(시료)의 정보를 읽어내기 위해 모터를 이용하여 검체 또는 스캐너를 이동하면서 스캔을 수행하던 기존 기술과는 달리, 시료를 정지해 둔 상태에서 수직자기장을 스캔함으로써 시료의 정보를 읽어낼 수 있도록 하여, 기존의 스캔시 모터의 진동, 노이즈로 인한 신호의 잡음을 최소화하며, 시료의 특성에 따라 자기장의 세기를 조절할 수 있도록 하여 측정의 효율성 및 범용성의 확보된 측정시스템을 제공하는 것을 그 요지로 한다.
도 1은, 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱 원리를 설명한 개념도이다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 자기저항 센서 중 거대자기저항(GMR; Giant Magneto Resistance)를 이용한 센싱 원리를 일례로 설명하기로 한다.
이는 스핀 밸브 타입(Spin-valve type) GMR(Giant Magneto Resistance) 디바이스를 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 자기저항센서는 두 개의 강자성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 끼어 있는 형태로 첫 번째 층의 강자성층 금속층의 자력은 고정되어 있고, 두 번째 층의 강자성체의 자력을 가변적으로 조정하여 첫 번째 층과 자력이 평행할 경우 오직 특정방향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통과하는 원리를 이용한다. 즉, 두 강자성층의 자화방향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저항의 차이, 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하게 된다. 층간 물질이 도체인 경우가 바로 GMR 디바이스에 해당된다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 검출 시스템은 자성입자가 결합된 검체(121)의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서(130)과 상기 자기저항센서(130)의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하며 내부에 검체고정유닛(120)의 입출공간이 형성되는 외부자기장인가장치(110)를 포함하여 구성된다. 특히, 상기 제2방향 외부자기장 인가장치(112)는 인가되는 자기장의 방향을 가변할 수 있는 장치로 구성됨이 바람직하다.
즉, 이 기본 구조를 통해 검체를 검체고정유닛(120)에 마운팅(mounting)하고, 외부자기장인가장치(110)에서 외부자기장을 인가하며, 자기저항센서(130)에서 자기적 성분(자성입자)와 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다. 자성입자는 10~100emu/g의 자화 값을 구비할 수 있다. 이 경우 상기 자성입자는 그 특성이 초상자성(superparamagnetism) 또는 상자성(paramagnetism)을 갖을 수 있다.
아울러, 상기 검체(121)를 고정하는 검체고정유닛(120)은 측정 카트리지 또는 멤브레인일 수 있으며, 본 발명에 따른 측정 시스템을 이용하여 시료인 검체(121)를 측정시 상기 측정 카트리지 또는 멤브레인이 상기 외부자기장인가장치의 입출공간의 내부에 고정된 상태에서 측정이 이루어지게 된다. 즉 검체고정유닛(120)을 고정시키고 상기 제2인가유닛의 자기장을 연속적으로 가변하여 스캔을 수행할 수 있게 된다. 이는 별도의 모터구종의 스캐너장비를 이용하여 스캔하는 방식과는 달리 시료의 특성에 따라 전류를 가변시켜 시료에 가해지는 자기장의 세기와 주파수를 가변시킴으로써, 기존의 시료를 앞뒤로 이동시켜 스캔하던 방식이 아닌, 정지 후 시료를 측정하게 됨으로써, 시료의 입자(Particle) 정보를 읽어들이는 부분에서 생길 수 있는 노이즈나 소음, 진동을 제거할 수 있게 된다.
따라서, 이러한 측정 시스템을 구성하는 상기 외부자기장 인가장치는, 상기 자기저항센서(130)의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하는 구성으로 구현하되, 제1방향은 수평자기장을 만들어주는 역할을 담당하여 자기자항 센서의 초기위치를 잡아주는 역할과 주변의 노이즈를 차단시켜 센서의 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 구체적으로는 제1방향 및 제2방향은 특히 바람직하게는 상기 자기저항센서에 제1방향인 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛(111), 그리고 상기 자기저항센서에 제2방향인 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛(112)를 포함함이 바람직하다. 물론 상술한 수평 방향 수직 방향은 상기 자기저항 센서의 입면에 반드시 수직만을 의미하는 것이 아니라, 일정 정도의 입사방향의 유동성을 구비하는 것을 포함하는 개념이다. 또한, 상기 제2인가유닛(112)는 전류를 통해 자기장의 변화를 줄 수 있도록 구현할 수 있도록 함이 바람직하다.
따라서, 상기 제1인가유닛(111)은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크, 영구자석 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어져 고정적인 자기장을 인가하는 구성으로 구현할 수 있으며, 상기 제2인가유닛(112)은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어져 가변적인 자기장을 인가하는 구성으로 구현함이 바람직하다.
아울러, 본 발명의 자기저항센서(130)는 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서, 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서, MJT (Magnetic Tunneling Junction)센서, 평면홀저항(Planar Hall Resistance)센서 중 선택되는 어느 하나를 이용함이 바람직하다. 특히 바람직하게는 거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 본 발명에서의 바람직한 일실시예로서 GMR 센서를 가지고 본 발명에 따른 요지를 구체적으로 설명한다.
도 3a는 종래의 홀센서를 이용한 방식을 나타낸 것으로, 종래 기술에서는 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키기 위해 센서의 수직 방향(Bext)으로 영구자석을 이용하여 직류자기장(DC magnetic field)를 인가하고, 자기장에 수직인 방향(Ic)으로 인가되는 교류편향전류(AC bias current)를 이용하여 홀 센서를 여기 및 편향 시켜 동작하였다. VH는 자기장에 대해 수직의 전류를 인가할 때 발생하는 기전력이다. 이와 같은 종래의 기술에서는 센서의 수직방향으로만 자기장이 인가되기 때문에, 그 검출 성능이 떨어지는 문제가 있었다.
도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따른 자기저항 센서 중 일 실시예로서 GMR 센서의 개념도를 도시한 것으로, 이는 자기저항 센서가 적용되는 검출디바이스에서 자기저항센서의 개념도이다. 도시된 개념도에서 화살표는 박막형 물질의 적층으로 구성되는 센서를 중심으로, 박막형 물질의 수평방향(X축 방향), 박막형물질의 수평방향(Y축 방향), 박막형 물질의 수직방향(Z축 방향)을 나타낸다. 이러한 GMR 센서는 센서와 직각 방향(Y축)의 자기장에 대해서만 매우 강한 영향을 받고, 센서와 평행한 방향(X축)에 대해서는 약간의 영향을 받는 반면에 센서와 수직인 방향(Z축)에 대해서는 전혀 영향을 받지 않는 특성을 지닌다. 또한, Y축 방향의 자기장에 대해서는 고유의 선형 구간(linear range) 안에서 편향(biasing) 조절이 가능하다.
따라서, GMR 센서의 최대 성능 구현을 위한 시스템 디자인은 Z축 방향으로 직류 자기장(DC magnetic field)을 인가하여 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 센서의 감도 성능이 최대가 되는 편향 조절을 하는 것이 필수적이다. 이때, Y축 방향의 자기장 인가는 직류전류(DC current)를 통해 발생되는 유도 자기장(induced magnetic field)을 사용하는 것이 신호 대 잡음 비 향상에 매우 효과적이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 측정 시스템의 일요부를 도시한 요부 개념도이다.
도 4a의 (a)는 본 발명에 따른 외부자기장 인가장치의 일 실시예를 도시한 것이며, (b)는 검체고정유닛을 고정하여 측정하는 작용상태를 도시한 개념도이다.
즉, 도시된 외부자기장인가장치(110)은 수평방향 자기장을 발생하고 발생한 자기 에너지를 전달하는 제1인가유닛(111)는 자기장을 발생시키는 발생부(111a)와 전달부(111b)로 구현할 수 있다. 이 제1인가유닛(112)는 자기저항센서의 수평방향(Y)의 자기력을 형성한다. 본 구성의 일 실시예로서는 상기 발생부(111a)는 헬름홀츠 코일로 구성할 수 있으며, 고정적인 자기장을 형성하게 된다. 상기 발생부(111a)에서는 수평자기장을 만들어 주는 역할을 수행하며, GMR센서의 초기위치를 잡아주는 역할과 주변의 노이즈를 차단하여 센서의 성능을 향상시키는 역할을 수행한다.
또한, 제2인가유닛(112)는 자기저항센서에 수직방향(Z)의 자기장을 형성할 수 있도록 하는 것으로, 본 구현례에서는 코일을 감아 전자석을 구현하여 자기장을 발생하는 발생부(112a)와 발생한 자기에너지를 전달하는 전달부(112b)를 포함하여 구성될 수 있다. 즉 이 발생부를 통해 전류를 가변시켜 시료에 가해지는 자기장의 세기와 주파수를 가변시킬 수 있게 된다. 따라서 본 제2인가유닛(112)은 기존의 시료를 앞뒤로 이동시키거나 스캐너를 앞뒤로 이동시키는 구성과는 달리, (b)에 도시된 것처럼, 검체고정유닛(120)을 측정공간 내에 정지시키고, 상기 제2인가유닛(112)에 가해지는 전류를 가변시켜 자기저항센서(130)을 통해 스캔을 구현할 수 있게 된다. 이로써, 시료의 정보를 읽어들이는 부분에서 종래의 모터구동 스캐너를 이용하는 경우 발생하는 노이즈, 소음, 진동을 제거할 수 있어 검출의 효과를 극대화할 수 있게 된다.
도 4b는 도 4a에서 도시된 제2인가유닛(112)에 가해지는 전류에 가변을 주어 자기장의 방향을 변형시킨 개념도를 도시한 것이다. 즉, 전자석 요크로 구성되는 제2인가유닛(112)를 이용하여 폴(pole)에 형성되는 자기장의 방향을 N-->S, S-->N으로 변경해주어 검체고정유닛의 검체의 스캔효과를 낼 수 있게 된다. 이러한 스캔의 효과는 검체고정유닛을 고정시키고, 폴(pole)에 형성되는 자기장의 방향을 조절하면, 도 4c에 도시된 것과 같은 피크(peak)가 형성되게 된다. 도시된 도면 상의 피크가 형성되는 파형의 크기는 자기장의 방향을 N->S로 인가 시 Positive 형태의 피크(peak)를 나타내고, 자기장의 방향이 S->N으로 바뀌면 파형 또한 Negative 형태의 피크(peak)를 나타낸다. 또한, 자기장의 방향이 바뀌는 주기, 즉 주파수에 따라 검출되는 파형의 크기(Peak의 높이)와 주파수가 커지게 된다. 자기장의 방향을 방향을 바뀌어 주는 주기를 늘리면 늘릴수록 노이즈(Noise)의 영향을 덜 받게 되고 검출되어 나온 신호를 처리하는 처리 기법 또한 단순화 시킬 수 있는 장점을 지니게 된다. 자기장의 방향을 변환하여 주는 주파수는 20Hz ~ 1MHz 사이값을 가지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 위 시스템에서는 Z축 방향으로 직류자기장(DC magnetic field)을 인가하여 측면 유동 멤브레인에 국지 축적된 초상자성의 자성입자를 포화 자화 시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 센서의 감도 성능이 최대가 되는 편향 조절을 하게 된다. 이때, Y축 방향의 자기장 인가는 직류전류(DC current)를 통해 발생되는 유도 자기장(induced magnetic field)을 인가할 수 있다. 즉, 검출하고자 하는 대상물질이 결합된 검체(112)를 고정한 상태에서, 전류를 가변시켜 자기장을 연속적으로 변화하게 되면, 별도의 스캐너 기구 없이도 노이즈가 없는 스캔을 확보할 수 있게 된다.
본 발명에서는 상기 제1인가유닛에 인가되는 자기장의 범위는 2~40가우스(Gauss), 거대자기저항센서(GMR)가 반응 가능한 범위는 2~300가우스(Gauss)인 것이 바람직하다. 아울러 상기 제2인가유닛에 인가되는 자기장은 1000 ~ 2000 가우스(Gauss)의 범위에서 인가됨이 바람직하다.
도 5를 참조하여 상술한 수평방향의 자기장의 성분과 수직방향의 자기장의 성분이 부합하여 자기장의 강도를 최대화하는 지점을 확정하고 이를 이용하여 검체를 검출하는 방법을 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명에 따른 외부자기장인가장치에서의 자기장의 변화를 오실로스코프를 이용하여 실측한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 자기저항센서의 특성커브를 이용하여 수평, 수직성분의 자기장의 최적점을 찾기 위해 고려해야할 점은, 수평 수직성분의 자기장이 전체 자기장의 강도를 최대화하는 지점을 확정하는 것이다. 즉 수평성분의 자기장이 너무 강하면 수직방향에 대한 영향을 받기 힘들고, 수직 방향의 자기장이 너무 강하면 수평 방향의 자기장성분이 없어지게 된다. 때문에 수평성분을 조절하여 히스테리시스(hysterisis) 영향이 최소화되는 지점을 찾고, 수직 방향 성분은 센서에 영향을 미치지 않는 범위에서의 최대값을 선정해야 한다. 물론, 수평 방향의 자기장은 30가우스로 국한되는 것이 아닌, 센서의 특성 커브에서 히스테리스 구간이 최소화되는 지점의 값으로 선정하며, 수직방향의 자기장의 경우에는 사용되는 센서의 특성이 변화하지 않는 구간에서의 최대값을 선정하게 된다.
여기에서 히스테리시스(hysterisis)란 철심을 자화하는 경우에 자계의 세기를 증가해 갈대의 자속밀도의 변화를 나타내는 곡선과 자계의 세기를 감소해갈 때의 자속밀도의 변화를 나타내는 곡선과는 서로 일치하지 않고, 서로 다른 경로를 통하여 고리모양의 곡선이 되는데, 이러한 현상을 말한다. 즉 본 발명에서의 히스테리시스의 영향이 최소화한다는 것은 철심을 사용한 코일에 교류전류를 흘리면 철심의 히스테리시스 루프 면적에 비례하는 양의 에너지를 손실하게 되는데, 이러한 히스테리시스 손실을 최소화하는 지점을 선정한다는 의미이다. 도면에서 P지점은 수평/수직 성분 자기장의 최적점을 나타내며, 수평자기장은 2~40가우스, 수직자기장은 1000~2000가우스이다.
본 발명에 따른 측정 시스템에서의 일정한 수평자기장과 연속적으로 변화하는 수직자기장을 사용함으로써, 시료의 정보를 정지상태에서 읽어들이는 안정적인 검출시스템에 적용될 수 있다. 즉, 즉, 기존 시료(Kit)의 정보를 읽기 위해 Motor를 사용하여 시료를 Scan 하였으나, 시료를 정지해 둔 상태에서 수직 자기장을 Scan 함으로서, 시료의 정보를 읽어내는 구조이다. 자기장 스캔이 시료 스캔(모터를 사용)을 대신함으로써, 시료 스캔 시 발생하는 노이즈와 진동으로 인한 신호의 잡음을 최소화시킬 수 있는 장점을 가진다. 또한, 기존 시료 스캔으로 인해 필요한 장비의 공간적인 부피가 컸으나, 본 발명에 따른 검출시스템은 자기장 스캔을 통해 기기 자체를 최소화시킬 수 있는 장점을 가진다. 아울러, 자석을 통해 일정한 자기장을 인가 시 그 세기가 정해져 있어 각각의 시료에 따라 자기장의 세기를 조절하기 힘들었으나, 본 발명의 방식은 시료의 특성에 따라 자기장의 세기를 조절할 수 있는 장점을 가져 다양한 적용이 가능하게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 외부자기장인가장치
111: 제1인가유닛
111a: 자기장 발생부
111b: 자기에너지 전달부
112: 제2인가유닛
112a: 자기장 발생부
112b: 자기에너지 전달부
120: 검체고정유닛
121: 검체(시료)
130: 자기저항센서

Claims (15)

  1. 자성입자가 결합된 검체의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서;
    상기 자기저항센서의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하며 내부에 검체고정유닛의 입출공간이 형성되는 외부자기장인가장치;를 포함하여 구성되되,
    상기 제2방향 외부자기장 인가장치는 인가되는 자기장의 방향을 가변할 수 있는 장치인 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부자기장인가장치는,
    상기 자기저항센서에 제1방향인 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛;
    상기 자기저항센서에 제2방향인 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛;
    을 포함하는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 검체를 고정하는 검체고정유닛은 측정 카트리지 또는 멤브레인이며,
    측정시 상기 측정 카트리지 또는 멤브레인이 상기 입출공간의 내부에 고정된 상태에서 상기 제2인가유닛의 자기장을 연속적으로 가변하여 스캔을 구현하는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1인가유닛 및 제2인가유닛은 일체형으로 형성되는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1인가유닛은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크, 영구자석 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어져 고정적인 자기장을 인가하는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2인가유닛은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어져 가변적인 자기장을 인가하는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 자기저항센서는 거대자기저항센서(GMR)인 자기저항센서를 이용한 검출시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2인가 유닛에 발생되는 자기장은 직류(DC)전류에 의해 형성되는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 검체는 항원을 포함한 바이오물질인 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  10. 청구항 3에 있어서,
    제1인가유닛에 인가되는 자기장의 범위 또는 자기저항센서(MR)가 반응가능한 범위는 2~40가우스(Gauss)이며, 상기 제2인가유닛에 인가되는 자기장은 1000 ~ 2000 가우스(Gauss)인 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 검체에 포함되는 상기 자성입자는 10~100emu/g의 자화값을 갖는 자기저항센서를 이용한 검출시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 자성입자는 초상자성(superparamagnetism) 또는 상자성(paramagnetism)을 갖는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템.
  13. 자성입자에 외부자기장을 가하여 자기저항센서로 검체의 정량적 측정을 수행하는 검출방법에 있어서,
    상기 검체에 유도자기장을 상기 자기저항 센서의 수평방향(Y축)으로 인가하고,
    검체의 이동을 측정위치에 고정시킨 상태에서 상기 자성입자를 자화시키는 직류자기장(DC magmetic field)을 상기 자기저항 센서의 수직방향(Z축)으로 인가하되,
    상기 수직방향의 자기장을 형성하는 전류를 가변하여 검체에 가해지는 자기장의 세기와 주파수를 가변시켜 검체를 스캔하여 측정을 수행하는 자기저항센서를 이용한 검출 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 자기저항센서의 특성커브에서의 히스테리시스 구간이 최소화되는 지점의 값을 수평방향의 값으로 선정하며,
    수직방향의 자기장값은 자기저항센서의 특성이 변화하지 않는 구간에서의 최대값을 선정하여 상기 수직 및 수평방향 성분의 자기장의 최적점을 측정점으로 확정하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검출방법.
  15. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    상기 수평방향(Y축) 자기장의 범위 또는 자기저항센서(MR)가 반응가능한 범위는 2~40가우스(Gauss)로 형성하고,
    상기 수직방향(Z축)에 인가되는 자기장은 1000 ~ 2000가우스(Gauss)의 범위에서 연속적으로 가변하여 검체를 스캔하는 자기저항 센서를 이용한 검출방법.

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