KR20130114435A - 다수의 전극을 갖는 생분자 검출 장치 - Google Patents

다수의 전극을 갖는 생분자 검출 장치 Download PDF

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KR20130114435A
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    • G01N33/48721—Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores

Abstract

표적 생분자가 나노포어를 향해 쉽게 유도되도록 하기 위하여 나노포어 근처에 추가적인 전극을 갖는 생분자 검출 장치를 개시한다. 개시된 생분자 검출 장치는, 박막을 관통하여 형성된 나노포어를 갖는 나노포어 소자, 상기 나노포어를 통과한 샘플을 담기 위하여 상기 나노포어 소자의 배면에 배치되는 수조, 및 샘플 수용액 내의 표적 생분자를 이동시키기 위하여 상기 나노포어 주변에 전기장을 형성하는 전원부를 포함하며, 전원부는 나노포어 소자의 전면에 배치된 샘플 수용액에 배치되는 제 1 전극, 상기 수조 내에 배치되는 제 2 전극, 및 상기 나노포어의 입구 부근에 배치되는 제 3 전극을 포함할 수 있다.

Description

다수의 전극을 갖는 생분자 검출 장치 {Biomolecule detection apparatus including a plurality of electrode}
개시된 실시예들은 다수의 전극을 갖는 나노포어 방식의 생분자 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표적 생분자가 나노포어를 향해 쉽게 유도되도록 하기 위하여 나노포어 근처에 추가적인 전극을 갖는 생분자 검출 장치에 관한 것이다.
시료 내에서 핵산(DNA)과 같은 표적 생분자를 검출하기 위해 다양한 방법이 개발되고 있는데, 그 중에서 나노포어(nanopore)를 이용한 방법은 고감도 DNA 검출 시스템으로 각광을 받고 있다. 현재, 나노포어를 이용한 다양한 DNA 검출 시스템이 공지되어 있다. 예를 들어, DNA가 나노포어를 통과할 때 발생하는 전류의 미세 변동을 감지하여 DNA의 염기 서열을 결정하거나(DNA sequencing), DNA가 이중가닥인지 또는 단일가닥인지를 구별할 수 있다.
이러한 나노포어를 이용한 DNA 검출 시스템은, 박막을 관통하여 형성된 미세한 나노포어를 향해 전기영동 방식으로 DNA를 이동시켜 DNA가 나노포어를 통과하도록 한다. 예를 들어, DNA가 들어있는 샘플 수용액을 나노포어 앞단에 채우고 나노포어 앞뒤에 전압을 인가하면, 음전하(negative charge)를 띠는 DNA가 양극을 향해서 움직이게 된다. 따라서, 나노포어 앞의 샘플 수용액에 음극을 배치하고 나노포어 뒤의 수조(reservoir)에 양극을 배치함으로서, DNA가 나노포어를 통과하게 할 수 있다.
그런데, 수용액으로서 이온전도도가 좋은 강전해질을 사용하더라도, 나노포어 내에서 이온의 통과면적이 급격하게 줄어들기 때문에 저항이 매우 커지므로, 나노포어 근처에서 거의 대부분의 전압강하가 일어나게 된다. 그 결과, 양극과 음극 사이에 형성되는 전기장은 주로 나노포어 주변에만 집중적으로 분포하게 된다. 따라서 DNA는 전기장이 약한 나노포어 앞단의 샘플 수용액 안에서 단순히 열운동에 의해 확산되다가, 일정한 세기 이상의 전기장이 분포하는 나노포어 주변의 국한된 영역에 닿게 되면 비로소 힘을 받아 나노포어로 유도된다.
표적 생분자가 나노포어를 향해 쉽게 유도되도록 하기 위하여 나노포어 근처에 추가적인 전극을 갖는 생분자 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 생분자 검출 장치는, 나노 규모의 직경을 갖는 나노포어를 포함하는 나노포어 소자; 상기 나노포어 소자의 배면에 배치되는 수조; 및 상기 나노포어 주변에 전기장을 형성하는 전원부;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 전원부는 상기 나노포어 소자의 전면측에 배치된 제 1 전극, 상기 나노포어 소자의 배면측의 상기 수조 내에 배치된 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 나노포어의 입구 부근에 배치되는 제 3 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노포어 소자의 전면에는 표적 생분자가 포함된 샘플 수용액이 배치될 수 있으며, 상기 나노포어는 표적 생분자가 통과하도록 상기 나노포어 소자의 전면과 배면 사이를 수직으로 관통하여 형성될 수 있고, 상기 수조는 상기 나노포어를 통과한 표적 생분자 및 전해액을 담도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 전극은 상기 나노포어 소자의 전면에 배치된 샘플 수용액과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있으며, 상기 제 2 전극은 상기 수조 내의 전해액과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전극은 음의 전위를 갖거나 접지될 수 있으며, 상기 제 2 전극과 제 3 전극은 양의 전위를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전위차가 더 클 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 입구 부근에서 상기 나노포어 소자의 전면에 부착될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 주위를 둘러싸는 링의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 입구 부근에서 상기 나노포어 소자의 전면과 대향하여 간격을 두고 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 제 3 전극과 상기 나노포어 소자의 전면 사이의 간격은 10um 이내일 수 있다.
또한, 상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 내부에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노포어 소자는 배면을 형성하는 하부 기판과 전면을 형성하는 상부 기판을 포함할 수 있으며, 상기 제 3 전극은 상기 하부 기판과 상부 기판 사이에 개재되어 상기 나노포어의 내벽을 통해 외부로 노출될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전극부는 상기 제 1 전극과 제 3 전극 사이에 배치되는 제 4 전극을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 예를 들어, 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차가 더 크고, 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전위차가 더 클 수 있다.
또한, 상기 제 3 전극 또는 제 4 전극은 동일한 또는 서로 다른 전위를 갖는 다수의 전극층들을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 전극부는 상기 나노포어를 사이에 두고 상기 제 3 전극과 마주하여 배치되는 제 4 전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노포어 소자는 상기 나노포어보다 큰 직경을 갖는 나노채널을 더 포함할 수 있다.
상기 나노채널은 상기 나노포어와 동축 상에 배치될 수 있으며, 상기 나노포어로부터 축 방향으로 연장되어 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 나노채널은 상기 나노포어로부터 수직하게 연장되어 배치될 수 있다.
상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 입구 부근에서 상기 나노포어 소자의 전면에 부착되거나 상기 나노포어 소자의 전면과 대향하여 간격을 두고 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 나노포어 소자는 상기 나노포어를 포함하는 하부 기판과 상기 나노채널을 포함하는 상부 기판을 포함하며, 상기 제 3 전극은 상기 하부 기판과 상부 기판 사이에 개재될 수 있다.
또한, 상기 제 3 전극은 상기 나노채널의 내부에 배치될 수 있으며 상기 나노채널의 내벽을 통해 외부로 노출될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 3 전극은 상기 나노채널의 상부 표면 상에 부착되거나, 또는 상기 나노채널의 상부 표면에 대향하여 간격을 두고 배치될 수 있다.
한편, 상기 전원부는 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이에서 상기 나노채널의 입구 부근에 배치되는 제 4 전극을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 4 전극은 상기 나노채널의 상부 표면 상에 부착되거나, 또는 상기 나노채널의 상부 표면에 대향하여 간격을 두고 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차가 더 크고, 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전위차가 더 클 수 있다.
또한, 상기 전극부는 상기 나노포어를 사이에 두고 상기 제 3 전극과 마주하여 배치되는 제 4 전극을 더 포함할 수 있으며, 상기 제 3 전극과 제 4 전극은 상기 나노포어 소자의 전면 또는 상기 나노포어의 내부에 배치될 수 있다.
개시된 생분자 검출 장치는 나노포어 근처에 추가적인 전극을 도입함으로써 전하를 띠는 입자를 나노포어로 쉽게 유도할 수 있다. 즉, 추가적인 전극에 의해 샘플 수용액에 전기장이 넓게 분포하게 되므로, DNA가 열운동에 의한 확산을 통해 나노포어로 유도되는 것이 아니라 전기장에 의해 나노포어에 유도될 수 있다. 또한 나노포어 앞단의 샘플 수용액에 배치되는 전극과 나노포어 근처에 배치되는 전극에 인가되는 두 전압을 적절히 분배함으로써, 지나치게 큰 전압의 사용함으로써 발생할 수 있는 문제점들을 회피할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 나노포어 근처에 추가적인 전극을 배치할 경우의 전기장 분포를 예시적으로 보인다.
도 3은 나노포어 근처에 추가적인 전극이 없을 경우의 전기장 분포를 예시적으로 보인다.
도 4a 및 도 4b는 각각 나노포어 소자의 전면에 부착되는 추가 전극의 예시적인 형태를 보이는 개략적인 단면도 및 평면도이다.
도 5는 나노포어 소자의 전면에 대향하여 간격을 두고 배치되는 추가 전극의 다른 실시예에 따른 배치예를 보이는 개략적인 단면도이다.
도 6은 나노포어 내부에 배치되는 추가 전극의 또 다른 실시예에 따른 배치예를 보이는 개략적인 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 9는 도 8에 도시된 추가적인 전극들의 배치를 예시적으로 보이는 개략적인 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 11은 추가 전극의 일 실시에에 따른 배치예를 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 다수의 전극을 갖는 생분자 검출 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 생분자 검출 장치(100)는 나노 규모의 미세한 직경을 갖는 나노포어(nanopre)(111)를 포함하는 나노포어 소자(110), 상기 나노포어(111)를 통과한 샘플 및 전해액(105)을 담기 위한 수조(reservoir)(101), 및 표적 생분자(11)를 이동시키기 위하여 나노포어(111)의 주변에 전기장을 형성하는 전원부(120)를 포함할 수 있다.
나노포어(111)는 나노포어 소자(110)의 전면과 배면 사이를 수직으로 관통하여 형성될 수 있으며, 나노포어(111)의 직경은 예를 들어 대략 5nm 정도일 수 있다. 나노포어 소자(110)의 전면에는, 예를 들어 DNA와 같은 표적 생분자(11)가 포함된 샘플 수용액(10)이 나노포어(111)를 덮도록 배치될 수 있다. 도면에는 편의상 샘플 수용액(10)이 크게 도시되어 있지만, 샘플 수용액(10)은 작은 액적(droplet)의 형태로 나노포어 소자(110) 위에 배치될 수 있다.
수조(101)는 나노포어 소자(110)의 배면에 배치될 수 있으며, 전류가 흐를 수 있는 전해액(105)을 담고 있다. 전해액(105)은 샘플 수용액(10)과 동일한 종류의 수용액일 수 있다. 예컨대, 전해액(105)은 KCl 용액과 같은 전도성 용액일 수 있다. 나노포어 소자(110)의 전면에 배치된 샘플 수용액(10) 내의 표적 생분자(11)는 나노포어(111)를 통과한 후에 수조(101) 내에 담길 수 있다.
전원부(120)는 나노포어 소자(110)의 전면에 배치된 샘플 수용액(10)과 전기적으로 연결되도록 나노포어 소자(110)의 전면측에 배치되는 제 1 전극(121), 전해액(105)과 전기적으로 연결되도록 나노포어 소자(110)의 배면측의 수조(101) 내에 배치되는 제 2 전극(122), 및 상기 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이에서 나노포어(111)의 입구 부근에 배치되는 추가적인 제 3 전극(123)을 포함할 수 있다. 예를 들어, DNA와 같이 표적 생분자(11)가 음의 전하를 띠는 경우, 제 1 전극(121)은 음의 전위를 갖거나 접지될 수 있으며, 제 2 전극(122)과 제 3 전극(123)은 양의 전위를 가질 수 있다. 표적 생분자(11)가 양의 전하를 띠는 경우에는, 극성이 위와 반대일 수 있다. 예컨대, 제 2 전극(122)이 음의 전위를 갖거나 접지될 수 있으며, 제 3 전극(123)은 음의 전위를 갖고 제 1 전극(121)은 양의 전위를 가질 수 있다. 도 1에서는 제 1 전극(121)에 음의 전압이 인가되고 제 2 전극(122)과 제 3 전극(123)에 양의 전압이 인가되는 것으로 도시되어 있다. 여기서, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전위차(V1)보다 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이의 전위차(V1+V2)가 더 클 수 있다.
위와 같은 구성에서, 각각의 전극(121, 122, 123)에 전압이 인가되면, 나노포어 소자(110)의 전면에 배치된 샘플 수용액(10) 내의 표적 생분자(11)들은 전기적 힘에 의해 제 2 전극(122)을 향해 이동하게 된다. 이 과정에서 표적 생분자(11)들은 나노포어(111)를 통과한 후, 수조(101) 내에 담기게 된다. 예를 들어, 표적 생분자(11)들은 좁은 나노포어(111)를 하나씩 통과할 수 있다. 표적 생분자(11)가 나노포어(111)를 통과하는 동안, 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이에는 미세한 전류의 변화가 발생하는데, 이러한 전류 변화를 감지하여 표적 생분자(11)를 검출하고 분석하는 것이 가능하다. 또는, 도시되지는 않았지만, 나노포어(111)를 중심으로 별도의 두 전극을 서로 대향하여 배치시켜서, 나노포어(111)를 지나는 표적 생분자(11)를 검출할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 나노포어(111)의 입구 부근에 배치되는 추가적인 제 3 전극(123)에 의해 표적 생분자(11)들의 이동이 더욱 원활하게 될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 나노포어(111) 근처에 제 3 전극(123)을 추가적으로 배치할 경우의 전기장 분포를 예시적으로 보이며, 도 3은 나노포어(111) 근처에 제 3 전극(123)이 없을 경우의 전기장 분포를 예시적으로 보이고 있다. 편의상, 도 2 및 도 3에 도시된 전기장 분포는 샘플 수용액(10)과 전해액(105)이 나노포어 소자(110)의 전면과 배면에 각각 원통형으로 배치되어 있는 경우를 가정하고 계산된 것이다.
먼저 도 3을 참조하면, 나노포어(111) 근처에 제 3 전극(123)이 없는 경우, 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122)에 전압을 인가하면, 나노포어(111)에서 거의 대부분의 전압강하가 일어나며 전압강하의 거리미분인 전기장 분포도 나노포어(111) 근처에 집중된다는 것을 알 수 있다. 반면, 도 2를 참조하면, 나노포어(111) 근처에 제 3 전극(123)이 배치된 경우, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이에서 V1만큼의 전압강하가 일어나므로 샘플 수용액(10) 내의 넓은 범위에 걸쳐 일정한 세기 이상의 전기장이 분포하게 된다. 한편, 제 3 전극(123)과 제 2 전극(122) 사이의 전해액(105) 내에서는 나노포어(111)에서 거의 대부분의 전압강하가 일어나므로 나노포어(111) 근처에서 전기장이 집중된다.
예컨대, 도 3의 경우에 나노포어(111)의 전면에서 약 1000V/m 이상의 전기장 세기를 가지는 범위는 약 100nm의 직경을 갖는 구의 부피 정도이다. 반면, 도 2의 경우에는 샘플 수용액(10)의 전체 범위에 걸쳐 약 5000V/m 이상의 전기장이 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 3의 경우, 나노포어(111) 근처의 약 100nm 직경의 작은 구 영역에 도달하기 전까지 표적 생분자(11)는 샘플 수용액(10) 내에서 단순히 열운동에 의해 확산된다. 그러나 도 2의 경우에는, 일정한 세기 이상의 전기장이 샘플 수용액(10) 내의 넓은 범위에 걸쳐 분포하고 있기 때문에 표적 생분자(11)가 나노포어(111)로 유도되기 쉽다.
위와 같이 샘플 수용액(10) 내의 넓은 범위에 걸쳐 전기장을 분포시키기 위해, 제 3 전극(123)은 나노포어 소자(110)를 기준으로 전해액(105)보다 샘플 수용액(10)에 더 가깝도록 나노포어 소자(110)의 전면쪽에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(123)은 나노포어 소자(110)의 전면에 부착되거나 나노포어 소자(110)의 전면과 대향하여 소정의 간격을 두고 배치될 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 나노포어 소자(110)의 전면에 부착되는 추가적인 제 3 전극(123)의 예시적인 형태를 보이는 개략적인 단면도 및 평면도이다. 도 4a의 단면도를 참조하면, 제 3 전극(123)은 나노포어(111) 주위에서 나노포어 소자(110)의 전면 상에 부착될 수 있다. 제 3 전극(123)은 나노포어(111)의 어느 한 측면에 가깝게 배치될 수도 있지만, 도 4a에 도시된 바와 같이, 나노포어(111)의 양측에 모두 배치되거나 또는 나노포어(111)의 주위를 전체적으로 둘러싸도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 도 4b의 평면도에 도시된 바와 같이, 제 3 전극(123)은 링형으로 형성되어 나노포어(111)의 주위를 둘러쌀 수 있다.
도 5는 나노포어 소자(110)의 전면에 대향하여 간격을 두고 배치되는 제 3 전극(123)의 예를 보이는 개략적인 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제 3 전극(123)은 나노포어(111) 주위에서 나노포어 소자(110)의 전면과 간격 d를 두고 나노포어 소자(110)와 대향하여 배치될 수도 있다. 제 3 전극(123)과 나노포어 소자(110) 사이의 간격이 지나치게 멀어지면 제 3 전극(123)과 나노포어(111) 사이의 공간에서 전기장이 나노포어(111)에만 집중될 수도 있으므로, 제 3 전극(123)과 나노포어 소자(110)의 전면 사이의 간격은 10um 이내일 수 있다.
또한, 제 3 전극(123)이 나노포어(111)의 내부에 배치되는 것도 가능하다. 도 6은 나노포어(111) 내부에 배치되는 제 3 전극(123)의 예를 보이는 개략적인 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제 3 전극(123)은 나노포어(111)의 내부에 배치되어 있으며 나노포어(111)의 내벽을 통해 외부로 노출되어 있다. 이 경우, 나노포어 소자(110)는 배면을 형성하는 하부 기판(110a)과 전면을 형성하는 상부 기판(110b)을 포함할 수 있다. 제 3 전극(123)은 하부 기판(110a)과 상부 기판(110b) 사이에 금속층을 개재시켜 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 기판(110a) 위에 금속층을 증착한 후 금속층 위에 상부 기판(110b)을 형성함으로써, 제 3 전극(123)이 내부에 형성된 나노포어 소자(110)를 제작할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 생분자 검출 장치(100)의 경우, 나노포어(111) 근처에 추가적인 제 3 전극(123)이 배치되어 있기 때문에, 전하를 띠는 입자나 생분자를 나노포어(111)로 쉽게 유도할 수 있다. 즉, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전압강하로 인해 샘플 수용액(10) 내의 넓은 범위에 걸쳐 전기장이 분포하게 되므로, 샘플 수용액(10) 내의 전하를 띠는 표적 생분자(11)가 열운동에 의한 확산을 통해 나노포어(111)로 유도되는 것이 아니라 전기장에 의해 나노포어(111)에 유도될 수 있다. 이렇게 표적 생분자(11)가 쉽게 유도될 수 있기 때문에 샘플 수용액(10)으로서 농도(예컨대, 표적 생분자(11)의 농도)가 비교적 낮은 전해질을 사용할 수 있어서, 높은 농도에 의해 발생하는 잡음을 감소시켜 더욱 정확한 검출이 가능하게 된다. 또한, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전압(V1) 및 제 3 전극(123)과 제 2 전극(122) 사이의 전압(V2)을 적절히 분배함으로써 지나치게 큰 전압의 사용함으로써 발생할 수 있는 여러 가지 문제점들을 방지할 수도 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도를 도시하고 있다.
도 7에 도시된 생분자 검출 장치(100')에서, 제 3 전극(123)은 동일한 전위를 갖는 다수의 전극층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(123)은 샘플 수용액(10) 내에서 수직축을 따라 배열된 2개 이상의 전극층들을 포함할 수 있다. 샘플 수용액(10) 내에 다수의 전극층들이 배열되어 있기 때문에, 샘플 수용액(10)에서의 전기장 분포를 더욱 넓게 할 수 있다. 도 7에는 제 3 전극(123)의 각 전극층들이 모두 동일한 전위를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 각각의 전극층들 사이에 작은 전위차가 존재하도록 전원부(120)를 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제 3 전극(123)의 각 전극층들 사이의 전위차는 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전위차보다 작을 수 있다. 이러한 제 3 전극(123)의 구성을 제외한 생분자 검출 장치(100')의 나머지 구성은 도 1에 도시된 생분자 검출 장치(100)의 구성과 동일하다.
또한, 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이에는 2개 이상의 추가적인 전극이 배치될 수도 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 생분자 검출 장치(100")는 도 1에 도시된 생분자 검출 장치(100)와 비교할 때 추가적인 제 4 전극(124)을 더 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다. 제 4 전극(124)은 샘플 수용액(10) 내에서 수직축 방향으로 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 제 1 전극(121)의 전위를 0이라고 할 때, 제 4 전극(124)의 전위는 V1, 제 3 전극(123)의 전위는 V1+V2, 제 2 전극(122)의 전위는 V1+V2+V3로 점차 증가할 수 있다. 즉, 제 1 전극(121)과 제 4 전극(124) 사이의 전위차보다 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전위차가 더 크고, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전위차보다 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이의 전위차가 더 클 수 있다. 이에 따라 제 1 전극(121)과 제 4 전극(124) 사이에서 그리고 제 4 전극(124)과 제 3 전극(123) 사이에서 비교적 균등하게 전압강하가 일어나므로, 샘플 수용액(10) 내의 넓은 범위에 걸쳐 전기장이 전체적으로 고르게 분포할 수 있다. 따라서, 샘플 수용액(10) 내의 표적 생분자(11)는 나노포어(111)에 더욱 쉽게 유도될 수 있다. 한편, 도 7에 도시된 다수의 전극층들을 갖는 제 3 전극(123)의 구조는 도 8에 도시된 제 4 전극(124)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 8의 실시예에서는, 제 4 전극(124)이 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 제 4 전극(124)은 나노포어(111)를 사이에 두고 제 3 전극(123)과 서로 마주하도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제 4 전극(124)은 나노포어(111)를 사이에 두고 제 3 전극(123)과 함께 나노포어 소자(110)의 전면에 배치될 수도 있다. 또는, 도 6에 도시된 예에서와 마찬가지로, 제 3 전극(123)과 제 4 전극(124)이 나노포어(111)의 내부에서 서로 마주하도록 배치되는 것도 가능하다.
도 8 및 도 9에서는 예시적으로 제 3 전극(123)과 제 4 전극(124)만이 도시되어 있으나, 실시예에 따라서는 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이에 3개 이상의 추가적인 전극을 배치할 수도 있다. 이렇게 다수의 추가적인 전극을 사용하는 경우, 이들 추가적인 전극을 이용하여 표적 생분자(11)를 검출하는 것도 가능하다. 예를 들어, 샘플 수용액(10) 내의 표적 생분자(11)가 나노포어(111)를 통과하는 동안, 제 3 전극(123)과 제 4 전극(124) 사이에 미세한 전류의 변화 또는 전압의 변화가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 제 3 전극(123)과 제 4 전극(124) 사이의 전류 또는 전압의 변화를 감지함으로써, 표적 생분자(11)를 검출할 수도 있다. 제 3 전극(123)과 제 4 전극(124) 사이의 거리는 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이의 거리보다 가깝기 때문에, 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이의 전류 또는 전압의 변화를 감지하는 것보다 제 3 전극(123)과 제 4 전극(124) 사이의 전류 또는 전압의 변화를 감지하는 것이 더욱 정확할 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도를 도시하고 있다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 생분자 검출 장치(200)는 나노 규모의 미세한 직경을 갖는 나노포어(211)와 상기 나노포어(211)보다 큰 직경을 갖는 나노채널(212)을 포함하는 나노포어 소자(210), 상기 나노포어(211)를 통과한 샘플 및 전해액(105)을 담기 위한 수조(101), 및 표적 생분자(11)를 이동시키기 위하여 나노포어(111)의 주변에 전기장을 형성하는 전원부(120)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 생분자 검출 장치(100)와 비교할 때, 도 10에 도시된 생분자 검출 장치(200)는 나노포어 소자(210)가 나노채널(212)을 더 포함하고 있다는 점에서만 차이가 있다. 생분자 검출 장치(200)의 나머지 구성과 동작은 도 1에 도시된 생분자 검출 장치(100)에서 설명한 것과 동일하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 나노채널(212)은 나노포어(211)와 동축 상에 배치되어 있으며, 나노포어(211)로부터 축 방향으로 연장되어 배치될 수 있다. 이러한 구조에서, DNA와 같은 표적 생분자(11)가 나노채널(212) 내에서 이동하는 방향은 표적 생분자(11)가 나노포어(211)를 통과하는 방향과 같게 된다. 샘플 수용액(10) 내의 표적 생분자(11)는 전기장에 의해 이동하면서 나노포어(211)보다 직경이 큰 나노채널(212)을 먼저 통과한 후에 나노포어(211)를 통과하게 된다. 예를 들어, 나노채널(212)의 직경은 약 5nm 내지 500nm일 수 있다. 비록 도시되지는 않았지만, 나노채널(212) 내에는 표적 생분자(11)의 이동 속도가 지나치게 빨라지는 것을 방지하고 DNA와 같이 랜덤하게 다양한 형태로 꼬여 있는 다수의 표적 생분자(11)들이 이동하는 동안 곧은 형태로 일정하게 펼쳐지도록 하기 위하여 충전재를 배치할 수도 있다.
도 10에 도시된 실시예에서, 전압강하는 나노포어(211)에서만 집중적으로 일어나지 않고 나노채널(212)에서도 전압강하가 일어나므로, 전기장은 나노채널(212)에 의해 더욱 분산될 수 있다. 즉, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123)에 의한 강제적인 전압강하 이외에, 나노채널(212)에 의한 추가적인 전압강하로 인하여 나노포어(211)에 집중되는 전기장을 샘플 수용액(10)의 전체 영역에 더욱 효과적으로 분산시킬 수 있다.
도 1의 실시예에서와 마찬가지로, 제 3 전극(123)은 나노포어(211)의 주변에서 나노포어 소자(210)의 전면에 부착되거나, 나노포어 소자(210)의 전면과 대향하여 소정의 간격을 두고 배치되거나, 또는 나노포어(211)의 내부에 배치될 수 있다. 또한 본 실시예에서, 제 3 전극(123)은 나노채널(212)의 상부 표면(213) 주위에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제 3 전극(123)은 나노채널(212)의 상부 표면(213) 상에 부착되거나, 또는 나노채널(212)의 상부 표면(213)에 대향하여 소정의 간격을 두고 배치될 수도 있다.
제 3 전극(123)이 나노포어(211)의 주변에서 나노포어 소자(210)의 전면에 부착되는 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 나노포어 소자(210)는 나노포어(211)를 포함하는 하부 기판(210a)과 나노채널(212)을 포함하는 상부 기판(210b)을 포함할 수 있다. 그리고 제 3 전극(123)은 하부 기판(210a)과 상부 기판(210b) 사이에 개재될 수 있다. 예컨대, 나노포어(211)를 포함하는 하부 기판(210a)을 먼저 형성한 후 하부 기판(210a)의 표면 위에 금속층을 증착하여 제 3 전극(123)을 형성할 수 있다. 그런 다음, 제 3 전극(123) 위에 나노채널(212)을 포함하는 상부 기판(210b)을 형성할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 제 3 전극(123)이 나노포어(211)의 주변에서 나노포어 소자(210)의 전면과 대향하여 소정의 간격을 두고 배치되는 경우, 하부 기판(210a)은 나노채널(212)의 아래쪽 일부분을 더 포함하도록 형성될 수 있다. 반면에 상부 기판(210b)은 나노채널(212)의 위쪽 일부분만을 포함하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 하부 기판(210a)과 상부 기판(210b) 사이의 제 3 전극(123)은 나노채널(212)의 내부에 배치되어 있으며 나노채널(212)의 내벽을 통해 외부로 노출된다.
도 10에 도시된 생분자 검출 장치(200)에서, 나노채널(212)은 나노포어(211)와 동축을 따라 나노포어(211)로부터 축 방향으로 연장된 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 12를 참조하면, 다른 실시예에 따른 생분자 검출 장치(200')는 나노포어(211)와 수직하게 연결되어 있는 나노채널(212')을 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 실시예에서, 나노채널(212')은 나노포어(211)의 축 방향과 수직한 가로축 방향으로 배열되어 있다. 따라서, DNA와 같은 표적 생분자(11)가 나노채널(212') 내에서 이동하는 방향(즉, 가로축 방향)은 표적 생분자(11)가 나노포어(211)를 통과하는 방향(즉, 수직축 방향)과 수직하게 된다. 도 12에 도시된 생분자 검출 장치(200')의 나머지 구성은 도 10에 도시된 생분자 검출 장치(200)의 구성과 동일할 수 있다.
한편, 나노채널(212)을 더 포함하는 도 10의 실시예에서, 나노포어(211)의 주변에 배치되는 제 3 전극(123) 이외에, 나노채널(212)의 주변에 배치되는 전극이 더 추가될 수도 있다. 도 13은 나노채널(212)의 주변에 전극이 더 추가된 실시예에 따른 생분자 검출 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 13을 참조하면, 생분자 검출 장치(200")는 도 10에 도시된 생분자 검출 장치(200)와 비교할 때 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이에서 나노채널(212)의 입구 부근에 배치되는 제 4 전극(124)을 더 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 생분자 검출 장치(200")의 전원부(120)는 나노포어 소자(210)의 전면에 배치된 샘플 수용액(10)과 전기적으로 연결되도록 배치되는 제 1 전극(121), 전해액(105)과 전기적으로 연결되도록 수조(101) 내에 배치되는 제 2 전극(122), 및 나노포어(211)의 입구 부근에 배치되는 제 3 전극(123), 및 나노채널(212)의 입구 부근에 배치되는 제 4 전극(124)을 포함할 수 있다. 이러한 추가적인 제 4 전극(124)은 나노채널(212)의 상부 표면(213) 주위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 4 전극(124)은 나노채널(212)의 상부 표면(213) 상에 부착되거나, 나노채널(212)의 상부 표면(213)에 대향하여 소정의 간격을 두고 배치될 수도 있으며, 또는 나노채널(212)의 내부에 배치될 수도 있다. 또한, 도 9를 통해 설명한 바와 같이, 제 4 전극(124)은 나노포어(211)를 사이에 두고 제 3 전극(123)과 마주하여 배치될 수도 있다. 도 13에 도시된 생분자 검출 장치(200")의 나머지 구성과 동작은 도 10에 도시된 생분자 검출 장치(200)에서 설명한 것과 동일하다.
도 13에 도시된 실시예에서, 제 1 전극(121)의 전위를 0이라고 할 때, 나노채널(212)의 입구 부근에 배치된 제 4 전극(124)의 전위는 V1, 나노포어(211)의 입구 부근에 배치된 제 3 전극(123)의 전위는 V1+V2, 제 2 전극(122)의 전위는 V1+V2+V3로 점차 증가한다. 즉, 제 1 전극(121)과 제 4 전극(124) 사이의 전위차보다 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전위차가 더 크고, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123) 사이의 전위차보다 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 사이의 전위차가 더 클 수 있다. 따라서 제 1 전극(121)과 제 4 전극(124) 사이에서 그리고 제 4 전극(124)과 제 3 전극(123) 사이에서 비교적 균등하게 전압강하가 일어나기 때문에, 제 1 전극(121)으로부터 나노채널(212)을 거쳐 나노포어(211)에 이르는 넓은 범위에 걸쳐 전기장이 전체적으로 고르게 분포할 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 따르면 나노포어 소자(210) 위에 배치된 샘플 수용액(10) 내의 표적 생분자(11)는 나노포어(211)에 더욱 쉽게 유도될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 다수의 전극을 갖는 생분자 검출 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....샘플 수용액 11.....표적 생분자
100, 200.....생분자 검출 장치 101.....수조
105.....전해액 110, 210.....나노포어 소자
111, 211.....나노포어 120.....전원부
121, 122, 123, 124.....전극 212.....나노채널

Claims (27)

  1. 나노 규모의 직경을 갖는 나노포어를 포함하는 나노포어 소자;
    상기 나노포어 소자의 배면에 배치되는 수조; 및
    상기 나노포어 주변에 전기장을 형성하는 전원부;를 포함하며,
    상기 전원부는 상기 나노포어 소자의 전면측에 배치된 제 1 전극, 상기 나노포어 소자의 배면측의 상기 수조 내에 배치된 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 나노포어의 입구 부근에 배치되는 제 3 전극을 포함하는 생분자 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노포어 소자의 전면에는 표적 생분자가 포함된 샘플 수용액이 배치되며, 상기 나노포어는 표적 생분자가 통과하도록 상기 나노포어 소자의 전면과 배면 사이를 수직으로 관통하여 형성되고, 상기 수조는 상기 나노포어를 통과한 표적 생분자 및 전해액을 담도록 구성되는 생분자 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 나노포어 소자의 전면에 배치된 샘플 수용액과 전기적으로 연결되도록 배치되며, 상기 제 2 전극은 상기 수조 내의 전해액과 전기적으로 연결되도록 배치되는 생분자 검출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 음의 전위를 갖거나 접지되어 있으며, 상기 제 2 전극과 제 3 전극은 양의 전위를 갖는 생분자 검출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전위차가 더 큰 생분자 검출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 입구 부근에서 상기 나노포어 소자의 전면에 부착되어 있는 생분자 검출 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 주위를 둘러싸는 링의 형태를 갖는 생분자 검출 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 입구 부근에서 상기 나노포어 소자의 전면과 대향하여 간격을 두고 배치되어 있는 생분자 검출 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 전극과 상기 나노포어 소자의 전면 사이의 간격은 10um 이내인 생분자 검출 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 내부에 배치되어 있는 생분자 검출 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 나노포어 소자는 배면을 형성하는 하부 기판과 전면을 형성하는 상부 기판을 포함하며, 상기 제 3 전극은 상기 하부 기판과 상부 기판 사이에 개재되어 있으며 상기 나노포어의 내벽을 통해 외부로 노출되는 생분자 검출 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 제 1 전극과 제 3 전극 사이에 배치되는 제 4 전극을 더 포함하는 생분자 검출 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전극 또는 제 4 전극은 동일한 또는 서로 다른 전위를 갖는 다수의 전극층들을 포함하는 생분자 검출 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차가 더 크고, 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전위차가 더 큰 생분자 검출 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 나노포어를 사이에 두고 상기 제 3 전극과 마주하여 배치되는 제 4 전극을 더 포함하는 생분자 검출 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노포어 소자는 상기 나노포어보다 큰 직경을 갖는 나노채널을 더 포함하는 생분자 검출 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 나노채널은 상기 나노포어와 동축 상에 배치되어 있으며, 상기 나노포어로부터 축 방향으로 연장되어 배치되는 생분자 검출 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 나노채널은 상기 나노포어로부터 수직하게 연장되어 배치되는 생분자 검출 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 상기 나노포어의 입구 부근에서 상기 나노포어 소자의 전면에 부착되거나 상기 나노포어 소자의 전면과 대향하여 간격을 두고 배치되어 있는 생분자 검출 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 나노포어 소자는 상기 나노포어를 포함하는 하부 기판과 상기 나노채널을 포함하는 상부 기판을 포함하며, 상기 제 3 전극은 상기 하부 기판과 상부 기판 사이에 개재되어 있는 생분자 검출 장치.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 상기 나노채널의 내부에 배치되어 있으며 상기 나노채널의 내벽을 통해 외부로 노출되어 있는 생분자 검출 장치.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 상기 나노채널의 상부 표면 상에 부착되어 있거나, 또는 상기 나노채널의 상부 표면에 대향하여 간격을 두고 배치되어 있는 생분자 검출 장치.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 전원부는 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이에서 상기 나노채널의 입구 부근에 배치되는 제 4 전극을 더 포함하는 생분자 검출 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 4 전극은 상기 나노채널의 상부 표면 상에 부착되어 있거나, 상기 나노채널의 상부 표면에 대향하여 간격을 두고 배치되어 있거나, 또는 상기 나노채널의 내부에 배치되어 있는 생분자 검출 장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차가 더 크고, 상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극 사이의 전위차보다 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 전위차가 더 큰 생분자 검출 장치.
  26. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 나노포어를 사이에 두고 상기 제 3 전극과 마주하여 배치되는 제 4 전극을 더 포함하는 생분자 검출 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제 3 전극과 제 4 전극은 상기 나노포어 소자의 전면 또는 상기 나노포어의 내부에 배치되어 있는 생분자 검출 장치.
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