KR20130055308A - 바이오 센서 - Google Patents

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KR20130055308A
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양정승
이승용
안유민
이강호
정제식
황승용
김희봉
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

본 발명의 바이오 센서는 제1방향으로 길게 연장된 유로가 형성된 기판; 상기 기판에 형성되고 상기 제1방향에 대해 수직 방향으로 연장되는 제1전극; 상기 기판에 형성되고 상기 제1전극과 평행하게 배치되는 제2전극; 및 상기 기판에 형성되고 상기 제1전극과 평행하게 배치되는 제3전극;을 포함할 수 있다.

Description

바이오 센서{Bio-sensor}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체물질의 측정 감도를 향상시킬 수 있는 바이오 센서에 관한 것이다.
바이오 센서는 생체물질을 대상으로 생체물질 내에 특정물질이 포함되어 있는지 여부를 측정하는 장치를 총칭한다. 예를 들어, 바이오 센서는 환자 또는 검사 대상자로부터 채취된 생체조직 내부에 암세포, 유행성 바이러스, 환경호르몬 등의 특정 물질이 포함되어 있는지를 측정할 수 있다.
이러한 바이오 센서는 특정물질과 반응할 수 있는 항체를 구비할 수 있으며, 항체와 특정물질 간의 반응특성을 통해 생체물질이 해당 특정물질을 포함하고 있는지 여부를 측정할 수 있다.
부연 설명하면, 특정물질을 포함한 생체물질은 항체와 반응하게 되므로, 생체물질의 전기적 특성(예를 들어, 저항)이 해당 특정물질을 포함하지 않은 생체물질과 다르다.
바이오 센서는 이와 같은 원리를 이용하여 생체물질에 대한 측정을 수행할 수 있다.
그런데 종래의 바이오 센서는 2개의 전극을 이용하여 생체물질의 전기적 특성을 측정하므로, 바이오 센서에 주입되는 생체물질의 주입량 및 주입속도에 따라 측정값의 편차가 발생하는 문제점이 있다.
아울러, 종래 바이오 센서에서 사용되는 항체는 반응대상물질의 제약이 크므로, 점차 다양해지는 표적물질(예를 들어, 바이러스 또는 환경호르몬)의 측정에 한계가 있다. 따라서, 다양한 표적물질을 측정할 수 있는 바이오 센서의 개발도 함께 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 생체물질의 측정 정밀도를 향상시킴과 동시에 다양한 표적물질을 측정할 수 있는 바이오 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서는 제1방향으로 길게 연장된 유로가 형성된 기판; 상기 기판에 형성되고 상기 제1방향에 대해 수직 방향으로 연장되는 제1전극; 상기 기판에 형성되고 상기 제1전극과 평행하게 배치되는 제2전극; 및 상기 기판에 형성되고 상기 제1전극과 평행하게 배치되는 제3전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서는 상기 유로에 형성되는 바이오 마커를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 바이오 마커는 압타머(aptamer)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 바이오 마커는 상기 전극의 표면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 제1전극은 금(Au)을 포함하는 혼합 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 제2전극과 상기 제3전극은 백금(Pt)을 포함하는 혼합 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 유로의 일단에는 측정 대상물이 주입되는 하나 이상의 주입구가 형성되고, 상기 유로의 타단에는 측정 대상물이 배출되는 배출구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 기판은, 상기 유로가 형성되는 제1부재; 및 상기 제1부재와 결합하고, 상기 전극들이 형성되는 제2부재;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 제1부재는 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함하는 혼합 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 센서에서 상기 제2부재는 유리 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명은 3개 이상의 전극을 통해 생체물질의 전기적 특성을 측정하므로, 생체물질이 표적물질을 포함하고 있는지 여부를 더욱 정확하게 측정할 수 있다.
아울러, 본 발명은 표적물질의 반응물질로 압타머(aptamer)를 사용하므로, 바이오 센서를 통해 측정할 수 있는 범위를 더욱 확장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 바이오 칩의 분리 사시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 바이오 칩의 결합 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 바이오 칩의 A-A 단면도이고,
도 4는 제1실시 예에 따른 바이오 칩의 사용 상태를 설명하기 위한 A-A 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 바이오 칩의 평면도이고,
도 6은 도 5에 도시된 바이오 칩의 B-B 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 바이오 칩의 분리 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 바이오 칩의 결합 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 바이오 칩의 A-A 단면도이고, 도 4는 제1실시 예에 따른 바이오 칩의 사용 상태를 설명하기 위한 A-A 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 바이오 칩의 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 바이오 칩의 B-B 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1실시 예에 따른 바이오 칩을 설명한다.
제1실시 예에 따른 바이오 칩(100)은 기판(10), 유로(20), 전극(30, 40, 50), 바이오 마커(60)를 포함할 수 있으며, 부가적으로 전극(30, 40, 50)과 연결되는 제어 장치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 제어 장치는 전극(30, 40, 50)을 통해 측정된 전기적 특성을 판독할 수 있는 회로를 포함할 수 있으며, 판독한 전기적 특성을 통해 측정 대상물(즉, 생체 물질)의 검사결과를 계산할 수 있는 논리 회로를 더 포함할 수 있다. 부가적으로 제어 장치는 계산된 검사결과를 사용자가 육안으로 확인할 수 있도록 출력해 줄 수 있는 표시부를 더 포함할 수 있다.
기판(10)은 바이오 칩(100)의 몸체를 형성할 수 있으며, 소정의 강도를 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 수지 재질 또는 유리 재질 또는 세라믹 재질로 제작될 수 있다.
기판(10)은 제1부재(12)와 제2부재(14)로 이루어질 수 있다. 그러나 기판(10)은 필요에 따라 3개 이상의 부재로 이루어지거나 또는 하나의 부재로 이루어질 수 있다.
제1부재(12)는 기판(10)의 상부에 배치될 수 있으며, 유로(20)를 구비할 수 있다. 제1부재(12)는 유로(20)의 형성이 용이하도록 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 소수성 물질로 코팅될 수 있다.
제1부재(12)는 제2부재(14)에 비해 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 이는 상대적으로 깊은 유로(20)의 형성을 용이하게 할 수 있다.
제1부재(12)는 사출 성형 등에 의해 형성될 수 있다. 이는 제1부재(12)의 제작을 용이하게 할 수 있다. 그러나 제1부재(12)는 필요에 따라 압출 성형을 포함한 다른 방법에 의해 형성될 수 있다.
제2부재(14)는 기판(10)의 하부에 배치될 수 있으며, 다수의 전극(30, 40, 50)을 구비할 수 있다. 제2부재(14)는 전극(30, 40, 50)이 박막 증착 또는 포토레지스트에 의해 용이하게 형성될 수 있도록, 화학적 내성이 우수한 유리 재질 또는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
제2부재(14)는 친수성 물질로 코팅될 수 있다. 이 경우 생체물질이 제2부재(14)의 표면에 넓게 퍼질 수 있으므로, 생체물질과 전극들(30, 40, 50) 간의 접촉을 용이하게 할 수 있다.
위와 같이 형성된 제1부재(12)와 제2부재(14)는 도 2에 도시된 바와 같이 접착될 수 있다. 제1부재(12)와 제2부재(14)의 접합은 통상적인 접착제에 의해 이루어질 수 있다. 또는, 제1부재(12)와 제2부재(14)는 산소 플라즈마를 이용한 접착법에 의해 상호 결합할 수 있다.
그러나 전술된 제1부재(12)와 제2부재(14)의 접합법은 단지 예시적인 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자가 인지하고 있어나 인식할 수 있는 다른 접합법에 의해 제1부재(12)와 제2부재(14)를 접합할 수 있다.
유로(20)는 기판(10)에 형성될 수 있다. 부연 설명하면, 유로(20)는 기판(10)의 제1방향(도 1 기준으로 X축 방향)을 따라 길게 형성될 수 있다.
여기서, 유로(20)는 기판(10)의 길이(L)와 동일한 길이로 형성되거나 또는 이보다 작은 길이로 형성될 수 있다. 아울러, 유로(20)의 폭(w)과 높이(h)는 측정하고자 하는 생체물질의 종류에 따라 임의로 설정될 수 있다.
유로(20)는 소수성 물질로 코팅될 수 있다. 일반적으로 생체물질은 물에 비해 점성이 크므로, 유로(20)를 통해 용이하게 흐르지 않을 수 있다. 이 경우, 생체물질이 모든 전극(30, 40, 50)과 접촉되지 않을 수 있으며, 그 결과 생체물질의 측정결과에 대한 신뢰성이 떨어질 수 있다.
따라서, 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 유로(20)의 표면을 소수성 물질로 코팅할 수 있다. 또는 유로(20)가 형성되는 제1부재(12)를 소수성 물질이 함유된 재질로 제작할 수 있다.
전극(30, 40, 50)은 제2부재(14)에 형성될 수 있다. 전극(30, 40, 50)은 금(Au) 또는 백금(Pt)의 단일 성분으로 이루어지거나 또는 금(Au) 또는 백금(Pt)을 포함하는 혼합 성분으로 이루어질 수 있다. 또는 전극(30, 40, 50)은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 혼합 성분으로 이루어질 수 있다.
전극(30, 40, 50)은 제1전극(30), 제2전극(40), 제3전극(50)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1전극(30)은 생체물질의 전기적 특성을 측정하기 위한 기준 전극일 수 있고, 제2전극(40)은 생체물질의 전기적 특성을 측정하기 위한 작업 전극일 수 있으며, 제3전극(50)은 생체물질의 전기적 특성을 정밀하게 측정하는데 비교대상이 되는 상대 전극일 수 있다.
즉, 제1전극(30)과 제3전극(50)은 전기적으로 연결되어 표적물질을 포함하지 않은 생체물질의 제1전기적 특성을 측정할 수 있고, 제1전극(30)과 제2전극(40)은 전기적으로 연결되어 표적물질을 포함한 생체물질의 제1전기적 특성을 측정할 수 있다.
전극(30, 40, 50)은 유로(20)의 폭 방향(도 1 기준으로 Y축 방향)을 따라 길게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1전극(30), 제2전극(40) 및 제3전극(50)은 제2부재(14)에서 Y축 방향과 평행하게 형성될 수 있다. 여기서, 제1전극(30)은 도 1에 도시된 바와 같이 제2전극(40)과 제3전극(50) 사이에 배치될 수 있다. 그러나 제1전극(30), 제2전극(40) 및 제3전극(50)의 배치위치는 필요에 따라 바뀔 수 있다.
제1전극(30), 제2전극(40) 및 제3전극(50)은 X축 방향을 따라 소정의 간격(d1, d2)을 두고 형성될 수 있다. 여기서, 간격 d1과 d2는 동일한 간격이거나 또는 다른 크기의 간격일 수 있다.
제1전극(30), 제2전극(40) 및 제3전극(50)은 각각 소정의 너비(w1, w2, w3)를 가질 수 있다. 여기서, 제1전극(30), 제2전극(40) 및 제3전극(50)의 너비(w1, w2, w3)는 동일하거나 또는 다른 크기일 수 있다. 일 예로, 제1전극(30)의 너비(w1)가 제2전극(40) 및 제3전극(50)의 너비(w2, w3)보다 더 클 수 있으며, 제2전극(40)의 너비(w2)가 제3전극(40)의 너비(w3)보다 더 클 수 있다.
한편, 도 1에서 제2전극(40)으로부터 제3전극(50)까지의 거리(d)는 바이오 센서(100)에 주입되는 생체물질의 양에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서(100)에 주입되는 생체물질의 양이 적은 경우에는 제2전극(40)으로부터 제3전극(50)까지의 거리(d)를 상대적으로 짧게 하고, 이와 달리 바이오 센서(100)에 주입되는 생체물질의 양이 많은 경우에는 제2전극(40)으로부터 제3전극(50)까지의 거리(d)를 상대적으로 길게 할 수 있다.
다만, 어느 경우이든, 제2전극(40)으로부터 제3전극(50)까지의 거리(d)는 바이오 센서(100)에 주입된 생체물질이 전극(30, 40, 50) 모두를 덮을 수 있을 범위에서 결정될 수 있다.
바이오 마커(60)는 다수의 전극들(30, 40, 50) 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 예를 들어, 바이오 마커(60)는 제1전극(30) 또는 제2전극(40) 또는 제3전극(50)에 형성될 수 있다. 다만, 본 명세서에는 제2전극(40)이 표적물질을 측정하기 위한 전극이므로, 제2전극(40)에 바이오 마커(60)가 형성될 수 있다.
바이오 마커(60)는 항체, 압타머(aptamer), 수용체, 올리고뉴클레오타이드 등이 사용될 수 있다. 여기서, 압타머는 넓은 범위의 표적물질을 검사하는데 유용할 수 있다. 따라서, 본 발명도 이러한 목적을 위해 바이오 마커(60)로서 압타머를 사용할 수 있다.
바이오 마커(60)는 제2전극(40)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 바이오 마커(60)는 접착제에 의해 제2전극(40)에 고정되거나 또는 별도의 전처리 과정을 통해 제2전극(40)에 배양될 수 있다.
이와 같이 구성된 바이오 센서(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 박형화된 형상을 가질 수 있으며, 도 3에 도시된 단면구조를 가질 수 있다.
다음에서는 도 4를 참조하여 본 실시 예에 따른 바이오 센서(100)의 측정방법을 설명한다.
바이오 센서(100)에 표적물질을 포함한 생체물질(200)이 유로(20)에 주입되면, 도 4에 도시된 바와 같이 전극들(30, 40, 50)과 접촉할 수 있다.
일반적으로 생체물질(200)은 소정의 저항값을 가질 수 있다. 따라서, 전극들(30, 40, 50) 상에 생체물질(200)이 덮여지면, 전극들(30, 40, 50)을 통해 생체물질(200)의 저항값이 측정될 수 있다.
여기서, 제1전극(30)과 제3전극(50)은 전극 표면에 바이오 마커(60)가 형성되어 있지 않으므로, 생체물질(200)의 고유 저항값을 측정할 수 있다.
이와 달리, 제2전극(40)은 표적물질과 반응하는 바이오 마커(60)가 형성되어 있으므로, 제1전극(30)과 제2전극(40)을 통해서는 생체물질(200)의 고유 저항값과 다른 저항값이 측정될 수 있다.
따라사, 본 실시 예에 따르면 전극들(30, 40, 50)을 통해 측정되는 저항값의 차이를 통해 생체물질(200)이 표적물질을 포함하고 있는지 여부와 생체물질(200)에 포함된 표적물질의 농도를 측정할 수 있다.
한편, 본 실시 예는 전술한 바와 같이 3개의 전극을 통해 측정되는 저항값의 차이를 통해 생체물질(200)을 검사하므로, 2개의 전극을 사용하는 종래의 바이오 센서보다 정확하고 정밀한 검사결과를 얻을 수 있다.
다음에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 제2실시 예에 따른 바이오 센서(100)를 설명한다.
제2실시 예에 따른 바이오 센서(100)는 유로(20)의 형상에 있어서 제1실시 예와 구별될 수 있다. 부연 설명하면, 본 실시 예의 바이오 센서(100)는 다수의 주입구(22)와 하나의 배출구(24)를 구비할 수 있다.
다수의 주입구(22)는 유로(20)의 일단에 형성될 수 있고, 하나의 배출구(24)는 유로(20)의 타단에 형성될 수 있다.
유로(20)는 도 6에 도시된 바와 같이 상방으로 개방된 형태일 수 있으며, 다수의 주입구(22)를 통해 유입된 생체물질이 이동되는 통로로 이용될 수 있다. 여기서, 주입구(22)에는 별도의 펌프(예를 들어, 시린지 펌프)가 연결되어 일정량의 생체물질이 유로(20)를 통해 공급되도록 할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시 예는 2개 이상의 생체물질이 혼합되는 복합물질의 측정에 용이할 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
100 바이오 센서
10 기판
12 제1부재
14 제2부재
20 유로
22 주입구
24 배출구
30 제1전극(또는 기준 전극)
40 제2전극(또는 작업 전극)
50 제3전극(또는 상대 전극)
60 바이오 마커

Claims (10)

  1. 제1방향으로 길게 연장된 유로가 형성된 기판;
    상기 기판에 형성되고 상기 제1방향에 대해 수직 방향으로 연장되는 제1전극;
    상기 기판에 형성되고 상기 제1전극과 평행하게 배치되는 제2전극; 및
    상기 기판에 형성되고 상기 제1전극과 평행하게 배치되는 제3전극;
    을 포함하는 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로에 형성되는 바이오 마커를 더 포함하는 바이오 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이오 마커는 압타머(aptamer)인 바이오 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 바이오 마커는 상기 전극의 표면에 형성되는 바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 금(Au)을 포함하는 혼합 물질로 형성되는 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극과 상기 제3전극은 백금(Pt)을 포함하는 혼합 물질로 형성되는 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유로의 일단에는 측정 대상물이 주입되는 하나 이상의 주입구가 형성되고,
    상기 유로의 타단에는 측정 대상물이 배출되는 배출구가 형성되는 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 유로가 형성되는 제1부재; 및
    상기 제1부재와 결합하고, 상기 전극들이 형성되는 제2부재;
    를 포함하는 바이오 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1부재는 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함하는 혼합 물질로 이루어지는 바이오 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2부재는 유리 재질로 이루어지는 바이오 센서.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150136659A (ko) * 2014-05-27 2015-12-08 한양대학교 산학협력단 생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법
KR102306735B1 (ko) * 2021-01-15 2021-09-28 광운대학교 산학협력단 이중 맞물린 형태의 이중 인터디지털 커패시터 센서 칩을 이용한 초고감도의 코로나바이러스 검출 방법
KR20210149468A (ko) * 2020-06-02 2021-12-09 주식회사 셀앤바이오 재사용 가능한 바이러스 신속 검출용 dna 바이오 센서

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