KR20190084420A - Bio molecular detector and method of using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 생분자 검출장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 미소 전류를 통해 생분자의 검출이 용이하고 휴대가 편리한 생분자 검출장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biomolecule detecting apparatus and a method thereof, and more particularly, to a biomolecule detecting apparatus and method which can easily detect biomolecules through a minute current and are convenient to carry.
전기적인 신호로 생분자(Biomolecule)를 검출하는 센서 중 트랜지스터를 포함하는 구조를 지닌 트랜지스터 기반 바이오 센서가 있다. 이는 반도체 공정을 이용하여 제작되는 것으로, 전기적인 신호의 전환이 빠른 장점이 있어, 그 동안 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.There is a transistor-based biosensor having a structure including a transistor among biosensors that detect biomolecules by an electrical signal. This is fabricated using a semiconductor process, and it is advantageous in that an electrical signal can be converted quickly, and a lot of research has been conducted in the meantime.
특히, 전계 효과 트랜지스터(FET)를 이용한 생분자의 검출 장치(또는 바이오 센서)는 비용 및 시간이 적게 들고, IC/MEMS 공정과의 접목이 용이하다.Particularly, a biomolecule detection device (or a biosensor) using a field effect transistor (FET) is low in cost and time, and is easy to be combined with an IC / MEMS process.
FET를 이용한 바이오 센서는, FET의 채널 영역 또는 게이트에서, 프로브 분자(또는 수용체 분자, 억셉터(acceptor))와 타겟 분자(분석체 분자, 애널라이트(analytes))가 결합함에 따라, FET의 채널 영역에 전달되는 표면 전하의 변화에 의해, 채널 영역에 흐르는 전류량이 달라지게 되며, 이를 이용하여 타겟 분자를 검출할 수 있다.A biosensor using an FET has a function of forming a channel of a FET by connecting a probe molecule (or a receptor molecule, an acceptor) and a target molecule (an analyte molecule, analytes) The amount of current flowing in the channel region is changed by the change of the surface charge transferred to the region, and the target molecule can be detected by using this.
이러한 FET는 용액의 이온 세기(ionic strength), 즉, 이온 농도에 따라 표면 전하의 드바이 길이(Debye length)가 변화하여 채널 영역에 흐르는 전류의 세기가 달라질 수 있다. 따라서, 타겟 분자를 포함하는 전해질 용액의 이온 세기가, 타겟 분자의 전하 세기보다 작은 조건에서, FET를 이용한 타겟 분자의 검출이 가능하다.In such an FET, the Debye length of the surface charge changes depending on the ionic strength of the solution, that is, the ion concentration, and the intensity of the current flowing in the channel region may be changed. Therefore, the target molecule can be detected using the FET under the condition that the ionic strength of the electrolyte solution containing the target molecule is smaller than the charge intensity of the target molecule.
그런데, 혈액, 소변 및 타액과 같이, 생분자를 포함하는 체액은 일반적으로 사람마다 이온 농도가 다르며, 비교적 높은 이온 세기를 갖는다. 따라서, 생분자를 직접 FET의 채널 영역에 제공하여 생분자를 검출하는데 어려움이 있으며, 채널 영역의 전류 세기를 측정하여 생분자를 검출하더라도 신뢰성 및 재현성이 떨어진다.However, body fluids containing biomolecules, such as blood, urine, and saliva, generally have different ion concentrations for different people and have relatively high ionic strength. Therefore, it is difficult to detect biomolecules directly by providing the biomolecules to the channel region of the FET, and reliability and reproducibility of biomolecules are deteriorated even when biomolecules are detected by measuring the current intensity of the channel region.
도 1은 종래 FET의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a conventional FET.
도 1에 도시된 바와 같이, n형 또는 p형으로 도핑된 기판(21)상에 양측부에 기판(21)과 반대 극성으로 도핑된 소오스(22a) 및 드레인(22b)이 형성되어 있으며, 상기 기판(21) 상에 소오스(22a) 및 드레인(22b)과 접촉하는 게이트(23)가 형성되어 있다.1, a
일반적으로 상기 게이트(23)는 산화층, 폴리 실리콘층 및 게이트 전극층으로 구성되며, 기준 전극(24)에 마주 대하는 게이트(23)에는 프로브 분자가 부착된다. 프로브 분자는 소정의 타겟 분자와 수소 결합 등에 의해 결합하며, 이를 전기적인 방법으로 측정하여 프로브 분자와 타겟 분자와의 결합 정도를 측정한다.Generally, the
따라서 상기 게이트(23)의 표면에 프로브 분자의 고정 여부, 및 상기 고정된 프로브 분자에 타겟 분자의 결합 여부에 따라 채널을 통해 흐르는 전류 세기가 각각 달라지게 되고, 따라서 그에 의해 타겟 분자를 검출할 수 있다.Therefore, the current intensity flowing through the channel is different depending on whether or not the probe molecules are fixed on the surface of the
그러나 이와 같이 타겟 분자를 검출하기 위해 현장에서 혈액이나 분비물을 채취하여 특정한 장소로 옮겨진 상태에서 생분자를 검출하고 있기 때문에 생분자의 검출에 따른 시간이 오래 걸려 그로 인한 2차 피해의 확산을 초래할 우려가 있고 생분자의 검출하기 위한 장비의 이동이 불편하다는 문제가 있었다.However, in order to detect target molecules, blood or secretions are collected in the field and the biomolecules are detected in a state where they are transferred to a specific place. Therefore, it takes a long time to detect biomolecules, And there is a problem that the movement of equipment for detecting biomolecules is inconvenient.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 미소전류를 이용하여 생분자의 검출 속도를 향상시킴과 더불어 휴대가 가능한 생분자 검출장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a biomolecule detection apparatus and method which can improve the detection speed of biomolecules using microcurrents.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 생분자 검출장치는 전압과 전류를 공급하는 전원 공급부와, 상기 전원 공급부로부터 공급되는 전압과 전류를 전달받아 미소전압을 생성하여 출력하는 미소전압 생성부와, 상기 미소전압 생성부에서 생성된 미소전압을 인가하여 프로브 분자상에 타켓 분자를 고정한 상태에서 변화하는 전류에 따라 생분자를 검출하는 생분자 검출부와, 상기 생분자 검출부에서 출력되는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류를 전달받아 증폭하여 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부에서 증폭된 전류를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환부와, 상기 A/D변환부를 통해 변환된 디지털 신호를 전달받아 상기 생분자의 반응 유무를 판단하는 MCU를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a biomolecule detection apparatus including a power supply unit for supplying a voltage and a current, a minute voltage generating unit for generating and outputting a minute voltage by receiving a voltage and a current supplied from the power supply unit, A biomolecule detecting unit for detecting a biomolecule according to a current that changes while the target molecule is fixed on the probe molecule by applying the microvoltage generated by the microvoltage generator; An A / D conversion unit for converting the current amplified by the amplifying unit into a digital signal and outputting the digital signal; and a control unit for controlling the A / D conversion unit And an MCU for receiving the digital signal converted through the unit and determining whether the biomolecule is reacted.
또한, 본 발명에 의한 생분자 검출방법은 생분자를 검출하기 위한 FET를 준비하고, FET의 채널 영역에 프로브 분자를 고정하는 단계; 상기 FET에 미소전압을 인가하는 단계; 상기 프로브 분자 위에 타겟 분자를 고정 설치하는 단계; 상기 프로브 단자가 고정된 채널 영역으로 흐르는 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전류를 원하는 크기로 증폭하여 출력하는 단계; 상기 증폭된 전류를 디지털 신호로 변환하는 단계; 상기 변환된 디지털 신호를 전달받아 셋팅된 프로그램을 통해 생분자를 검출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a biomolecule detection method comprising: preparing a FET for detecting biomolecules; fixing a probe molecule in a channel region of the FET; Applying a microvoltage to the FET; Fixing the target molecule on the probe molecule; Measuring a current flowing to a channel region where the probe terminal is fixed; Amplifying the measured current to a desired magnitude and outputting the magnitude; Converting the amplified current into a digital signal; And detecting biomolecules through the set program after receiving the converted digital signal.
본 발명의 실시예에 의한 생분자 검출장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The biomolecule detection apparatus and method according to the embodiments of the present invention have the following effects.
즉, 휴대가 가능하여 현장에서 바로 생분자를 검출할 수 있고 미소전류를 이용하여 생분자의 검출 속도를 향상시킬 수 있다.In other words, it is possible to detect the biomolecule directly on the site because it is portable, and the detection speed of the biomolecule can be improved by using the microcurrent.
도 1은 종래 FET의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도
도 2는 본 발명에 의한 생분자 검출장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 미소전압 생성부를 보다 구체적으로 나타낸 구성도
도 4는 도 2의 생분자 검출부를 보다 구체적으로 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 의한 생분자 검출방법을 나타낸 순서도1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a conventional FET
2 is a schematic view showing a biomolecule detection apparatus according to the present invention
3 is a block diagram showing the micro-voltage generator of FIG. 2 in more detail;
FIG. 4 is a view showing more specifically the biomolecule detecting unit of FIG. 2
5 is a flowchart showing a biomolecule detection method according to the present invention
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions. Also, in this specification, when it is mentioned that a film is on another film or substrate, it means that it may be formed directly on another film or substrate, or a third film may be interposed therebetween.
도 2는 본 발명에 의한 생분자 검출장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2의 미소전압 생성부를 보다 구체적으로 나타낸 구성도이다.FIG. 2 is a schematic view of a biomolecule detection apparatus according to the present invention, and FIG. 3 is a configuration diagram showing the microvoltage generator of FIG. 2 in more detail.
본 발명에 의한 생분자 검출장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 필요한 전압과 전류를 공급하는 전원 공급부(110)와, 상기 전원 공급부(110)로부터 공급되는 전압과 전류를 전달받아 미소전압을 생성하여 출력하는 미소전압 생성부(120)와, 상기 미소전압 생성부(120)에서 생성된 미소전압을 인가하여 프로브 분자상에 타켓 분자를 고정한 상태에서 변화하는 전류에 따라 생분자를 검출하는 생분자 검출부(130)와, 상기 생분자 검출부(130)에서 출력되는 전류를 검출하는 전류 검출부(140)와, 상기 전류 검출부(140)에서 검출된 전류를 전달받아 증폭하여 출력하는 증폭부(150)와, 상기 증폭부(150)에서 증폭된 전류를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환부(160)와, 상기 A/D변환부(160)를 통해 변환된 디지털 신호를 전달받아 상기 생분자의 반응 유무를 판단하는 MCU(170)와, 상기 MCU(170)에서 상기 생분자의 반응 유무에 대해서 반응 유무 또는 전류 값을 디스플레이하는 디스플레이부(180)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 2, the
여기서, 상기 전원 공급부(110)는 7.4V의 충전용 배터리를 사용할 수가 있는데, 충전용 배터리의 용량은 7.4V로 한정할 필요가 없고 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것이므로 다른 용량의 충전용 배터리를 사용할 수가 있다.Here, the
상기 미소전압 생성부(120)는 도 3에서와 같이, 상기 전원 공급부(110)로부터 공급되는 전원을 전달받아 노이즈를 억제하는 필터부(121)와, 상기 필터부(121)에서 노이즈가 억제된 전원을 전달받아 전압으로 강하하는 제 1 전압 강하부(122)와, 상기 제 1 전압 강하부(122)에서 강하된 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부(123)와, 상기 노이즈 제거부(123)에서 노이즈가 제거된 전압을 전달받아 전압을 제어하는 전압 제어부(125)와, 상기 제 1 전압 강하부(122)의 전압을 전달받아 다시 한번 전압을 강하하는 제 2 전압 강하부(124)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 3, the
예를 들면, 상기 전원 공급부(110)에서 7.4V의 전원이 공급되면 상기 제 1 전압 강하부(122)에서 5V로 낮추고, 상기 제 2 전압 강하부(124)에서 3.3V로 낮추며, 상기 전압 제어부(125)에서 0.5V로 낮춘 미소전압을 생성하게 된다. 이때 상기 제 1, 제 2 전압 강하부(122, 124)보다 많은 숫자의 전압 강하부를 설치하는 것도 가능하다. 즉 보다 낮은 미세 전압을 얻기 위해 다수의 전압 강하와 정류 동작의 반복을 통해 원하는 미소전압을 생성할 수가 있다.For example, when a power of 7.4V is supplied from the
여기서, 상기 제 2 전압 강하부(124)를 통해 낮추어진 3.3V의 전압은 상기 디스플레이부(180)를 구동하는 전원으로 사용한다.Here, a voltage of 3.3 V lowered through the second voltage
한편, 상기 전압 제어부(125)는 본 발명의 실시예에 의한 생분자 검출장치(100)를 전체적으로 ON/OFF하는 제어 스위치부(도시되지 않음)의 동작에 따라 미소전압을 상기 생분자 검출부(130)에 인가되도록 구성되어 있다.The
또한, 상기 노이즈 제거부(123)는 아날로그와 디지털 신호를 함께 다루는 회로에서 아날로그 회로에 보다 양질의 전원을 공급하기 위한 것으로, 특히 제 1 전압 강하부(122)의 출력전압을 로패스 필터를 통해 필터링하여 양질의 전원을 아날로그 회로에 공급할 수가 있다.The
여기서, 상기 생분자 검출부(130)는 소오스 및 드레인 전극과 그 사이의 채널영역 및 상기 채널영역에 고정된 프로브 분자를 포함하는 FET로 이루어진다.The
상기 미소전압 생성부(120)에서 생성된 미소전압은 버퍼로 이루어진 보호 회로부(도시되지 않음)를 통해 상기 생분자 검출부(130)로 공급된다. 또한, 상기 미소전압 생성부(120)와 상기 생분자 검출부(130) 사이에는 다이오드로 이루어진 보호 회로부(도시되지 않음)를 추가적으로 구성하여 정전기나 외부의 잡음으로부터 상기 전원 공급부(110)를 보호할 수가 있다.The microvoltage generated by the
상기 생분자 검출부(130)는 FET로 이루어지는데, 채널 영역에 흐르는 전류 변화에 따라 생분자를 검출할 수 있는 바이오 센서로서, 상기 FET의 채널 영역에는 프로브 분자가 고정되며, 프로브 분자에 타겟 분자(즉, 생분자 또는 애널라이트)가 결합함에 따라 채널영역에서 인가되는 미소전압에 의해 전류 값이 변화한다. 이때 상기 타겟 분자에 검출하고자 하는 생분자의 체액이나 분비물 등을 떨어드려 타겟 분자와의 반응에 따라 생분자의 존재 유무를 검출하게 된다.The
그리고, 상기 FET는 채널 영역에 제공된 용액의 이온 세기(ionic strength) 즉, 이온 농도에 따라 표면 전하의 드바이 길이(Debye length)가 변화하여 채널 영역에 흐르는 전류의 세기가 달라질 수 있다.In addition, the Debye length of the surface charge changes depending on the ionic strength of the solution provided in the channel region, that is, the concentration of the ions, so that the intensity of the current flowing in the channel region may vary.
상기 생분자 검출부(130)의 프로브 분자상에 검출하고자 하는 생분자와 동일한 DNA를 갖는 생분자 타겟 분자를 올려 놓은 상태에서 미소전압을 인가하고 반응 생분자를 떨어뜨리면 상기 생분자 검출부(130)에서 DNA와 반응할 경우에 미소전류가 FET를 통해 흐르게 된다.When a biomolecule target molecule having the same DNA as the biomolecule to be detected is placed on the probe molecule of the
한편, 상기 프로브 분자 주위의 전하들을 안정화시키기 위한 안정화 버퍼 용액을 공급할 수 있다. On the other hand, a stabilization buffer solution for stabilizing the charges around the probe molecules can be supplied.
상기 생분자 검출부(130)는 FET의 채널 영역으로 공급되는 생분자에 따라 변화하는 전류에 따라 전류를 측정할 수 있으며, 측정된 전류 값을 분석하여 생분자를 검출한다.The
상기 전류 검출부(140)는 상기 생분자 검출부(130)의 출력단에 구성되어 상기 미소전압 생성부(120)에서 생성된 미소전압을 상기 생분자 검출부(130)에 인가했을 때 생분자의 반응에 의해 전류가 흐르는데 이때의 전류를 검출한다. 한편, 본 발명의 실시예에서 전류를 검출하는 것을 설명하고 있지만, 전압을 검출하고 검출된 전압을 상기 MCU(170)에 프로그램된 연산으로 전류 값을 산출하여 상기 디스플레이부(180)를 통해 디스플레이할 수도 있다.The
상기 증폭부(150)는 OP 앰프로 구성되는데, 상기 전류 검출부(140)에서 검출된 전류는 작기 때문에 이를 증폭하기 위해 구성된다. 한편, 상기 증폭부(150)는 본 발명의 실시예에서는 하나의 구성으로 설명하고 있지만 이에 한정하지 않고 두 개의 OP 앰프를 직렬로 구성하거나 3개의 OP 앰프를 직렬로 구성하여 원하는 크기로 증폭하여 사용할 수도 있다.The
상기 MCU(170)는 상기 증폭부(150)를 통해 입력된 상기 전류 검출부(140)의 전류 값에 대한 디지털 신호를 분석하여 상기 생분자 검출부(130)에서 검출된 생분자의 반응 유무를 진단하여 상기 디스플레이부(180)에 전달하게 된다.The
한편, 상기 MCU(170)는 사전에 셋팅된 프로그램을 통해 디지털 신호로 입력된 상기 전류 검출부(140)의 전류 값을 자동으로 분석하게 된다.Meanwhile, the
상기 디스플레이부(180)는 상기 MCU(170)의 제어를 받아 숫자, 그래프, OX 중에서 어느 하나로 디스플레이하여 작업자가 보다 신속하게 생분자의 검출 유무를 육안으로 식별할 수 있도록 한다. 이때 상기 디스플레이부(180)는 하나의 LED를 통해 생분자의 검출 유무에 따라 적색 또는 청색으로 디스플레이하는 것도 가능하다.The
본 발명에 따른 생분자 검출장치(100)는 미소전압을 생분자 검출부(130)에 인가하여 사전에 프로브 단자위의 타켓 분자와 생분자가 반응하여 흐르는 전류를 측정하고 증폭하여 생분자를 보다 신속하게 검출할 수 있다.The
예를 들면, 조류인플루엔자(avian influenza)를 검출하기 위해 종래에는 현장에서 채취된 혈액이나 배설물을 운반하여 별도의 분석장치가 구비된 연구실내에서 실시하게됨으로써 신속한 검사가 불가능하여 그로 인한 피해가 증가하였지만, 본 발명은 현장에서 채취된 혈액 또는 배설물을 타겟 분자에 떨어뜨리고 상기 프로브 단자에 미소전압을 인가하여 전류를 검출함으로써 생분자의 반응 유무를 현장에서 직접 확인할 수가 있다.For example, in order to detect avian influenza, blood or feces collected in the field has conventionally been carried in a research room equipped with a separate analyzing device, which makes it impossible to perform a rapid inspection, thereby increasing the damage thereof , The present invention can directly detect the presence or absence of a biomolecule on the spot by dropping blood or excrement collected on the spot on a target molecule and detecting a current by applying microvoltage to the probe terminal.
즉, 본 발명은 현장에서 바로 조류인플루엔자를 검출하는 것이 가능하기 때문에 바로 조류 인플루엔자 바이러스의 감염에 오염된 닭, 오리, 야생조류에 대한 차단이나 방역 대처를 보다 신속하게 진행함으로써 2차로 피해를 미연에 방지할 수가 있다.In other words, since the present invention can detect avian influenza directly on the spot, it can prevent the second bird from being damaged by proceeding to block or prevent the attack of chicken, duck and wild bird contaminated with avian influenza virus infection more rapidly Can be prevented.
이를 위하여 본 발명은 상기 프로브 단자위에 설치되는 타켓 분자에 대해서 사전에 준비하여 필요에 따라 교체하여 적절하게 사용함으로써 보다 신속한 생분자의 검출이 가능할 뿐만 아니라 휴대를 보다 편리하게 할 수 있다.For this purpose, the present invention can prepare the target molecules provided on the probe terminals in advance and appropriately replace them if necessary, so that the biomolecules can be detected more quickly, and more convenient to carry.
도 4는 도 2의 생분자 검출부를 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a view showing the biomolecule detection unit of FIG. 2 in more detail.
도 4에 도시된 바와 같이, 생분자 검출부(130)는 FET, 프로브 분자(132)로 구성된다.As shown in FIG. 4, the
상기 FET는 n형 또는 p형 FET를 포함하며, 기판(133), 소오스 및 드레인 전극(135, 136) 및 채널 영역(137)을 포함한다.The FET includes an n-type or a p-type FET and includes a
상기 FET가 형성되는 기판(133)은 벌크(bulk) 반도체 기판이 이용될 수 있으며, FET의 누설 전류를 감소시키고, 구동 전류를 증가시키기 위하여 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판이 이용될 수도 있다. 또한, 상기 기판(133)으로서, 산화실리콘, 산화티탄, 아크릴수지, 에폭시수지, 폴리이미드 등의 절연물로 형성된 임의의 기판을 이용하는 것도 가능할 것이다.A bulk semiconductor substrate may be used as the
상기 소오스 및 드레인 전극(135, 136)은 기판(133) 상에 소정 간격을 두고 이격되어 배치되어 있으며, 상기 소오스 및 드레인 전극(135, 136)의 사이에 게이트(134)가 구성되고 상기 소오스 및 드레인 전극(136)에 전압이 인가될 수 있으며, 소오스 및 드레인 전극(135, 136) 사이에는 채널 영역(137)이 형성된다.The source and drain
상기 채널 영역(137)은 불순물이 도핑된 도핑층이거나, 반도체층을 포함할 수 있다.The
상기 도핑층은 반도체 기판에 불순물 확산(diffusion)을 통하여 형성된 확산층, 불순물 이온주입을 통하여 형성된 이온주입층 또는 에피택셜 성장을 통하여 형성된 에피택셜층일 수 있다. 그리고, 도핑층은 기판(133)과 서로 상보적인 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(133)의 도전형이 n형일 경우, 도전형은 p형이다.The doping layer may be a diffusion layer formed through impurity diffusion in a semiconductor substrate, an ion implantation layer formed through impurity ion implantation, or an epitaxial layer formed through epitaxial growth. The doping layer may have a conductive type complementary to the
한편, 상기 소오스 및 드레인 전극(135, 136) 사이에 도핑층을 포함하는 채널 영역(137)의 표면은 프로브 분자(132)가 고정될 수 있도록 표면 처리될 수 있다. 즉, 표면 처리된 도핑층의 표면에는, 예를 들어, 카르복실기(-COOH), 티올기(-SH), 수산기(-OH), 실란기, 아민기 또는 에폭시기가 유도될 수 있다.The surface of the
상기 소오스 및 드레인 전극(135, 136) 사이의 채널 영역(137)은 도핑층으로 형성되는 것으로 설명하였으나, 소오스 및 드레인 전극(135, 136) 사이의 반도체 기판(134) 상에 게이트 전극이 형성될 수도 있다. 또한, 상기 소오스 및 드레인 전극(135, 136)은 반도체 기판(134) 내에 불순물이 도핑된 도핑 영역일 수도 있다.The
상기 채널 영역(137) 상에는 생분자(즉, 타겟 분자)를 검출하기 위한 프로브 분자(132)가 고정되어 있다. 상기 프로브 분자(132)는 채널 영역(137)에 직접 혹은 중간매개체 분자로서 유기 분자를 사용하여 FET의 채널 영역(137) 표면에 고정될 수 있다. 상기 프로브 분자(132)는 검출하고자 하는 생분자에 따라 단백질, 세포, 바이러스, 또는 핵산일 수 있다.On the
또한, 상기 프로브 분자(132)가 고정된 FET의 채널 영역(137)은, 생분자의 검출을 위해 채취된 체액이나 분비물과 반응을 위한 타겟 분자가 고정 설치된다. 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.In the
상기 핵산은 다양한 핵산, 유사핵산, 또는 그 혼성체를 의미하고, 예컨대 DNA, RNA, PNA(Peptide Nucleic Acid), LNA(Locked Nucleic Acid) 및 그 혼성체로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 핵산은 올리고 뉴클레오티드 또는 PCR 산물일 수 있지만, PCR 산물 또는 그의 정제물인 것이 바람직하다.The nucleic acid refers to various nucleic acids, a pseudonucleic acid, or a hybrid thereof, and may be selected from the group consisting of DNA, RNA, PNA (peptide nucleic acid), LNA (Locked Nucleic Acid), and hybrids thereof. In addition, the nucleic acid may be an oligonucleotide or a PCR product, but is preferably a PCR product or a purified product thereof.
상기 단백질은 예컨대, 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The protein may be selected from the group consisting of, for example, an enzyme, a substrate, an antigen, an antibody, a ligand, an aptamer, and a receptor.
상기 프로브 분자(132)위에 탑재된 타겟 분자와 생분자의 반응에 따라 표면 전하의 드바이 길이(Debye length)가 변화하여 채널 영역에 흐르는 전류의 세기가 달라질 수 있다.The Debye length of the surface charge changes depending on the reaction between the target molecule and the biomolecules loaded on the
도 5는 본 발명에 의한 생분자 검출방법을 나타낸 순서도이다.5 is a flowchart showing a biomolecule detection method according to the present invention.
본 발명에 의한 생분자 검출방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 생분자를 검출하기 위한 FET를 준비하고, FET의 채널 영역에 프로브 분자를 고정한다(S110). 즉, FET의 도핑층 표면에 프로브 분자들이 고정될 수 있다.In the biomolecule detection method according to the present invention, as shown in FIG. 5, a FET for detecting biomolecules is prepared, and a probe molecule is fixed to a channel region of the FET (S110). That is, the probe molecules can be fixed on the surface of the doping layer of the FET.
여기서, FET의 채널 영역에 고정된 프로브 분자는, 예를 들어, 단백질, 핵산, 유기 분자 또는 무기분자일 수 있다. 단백질 분자의 경우, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소, 조효소 등일 수 있다. 그리고 핵산의 경우, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 그들의 혼성체일 수 있다.Here, the probe molecule immobilized in the channel region of the FET may be, for example, a protein, a nucleic acid, an organic molecule, or an inorganic molecule. In the case of a protein molecule, it may be an antigen, an antibody, a substrate protein, an enzyme, a coenzyme, or the like. And in the case of nucleic acids, DNA, RNA, PNA, LNA or their hybrid.
이어서, 상기 FET에 미소전압을 인가하고(S120), 상기 프로브 분자 위에 타겟 분자를 고정 설치한다(S130).Subsequently, a microvoltage is applied to the FET (S120), and target molecules are fixed on the probe molecules (S130).
여기서, 검출하고자 하는 생분자, 즉, 타겟 분자(또는 애널라이트(analytes))를 포함한다. 타겟 분자는 생체로부터 얻어진 혈액(혈청 또는 혈장), 소변 또는 타액과 같은 물질이다. Here, a biomolecule to be detected, that is, a target molecule (or analytes) is included. The target molecule is a substance such as blood (serum or plasma), urine or saliva obtained from a living body.
이어서, 상기 프로브 단자가 고정된 채널 영역으로 흐르는 전류를 측정하고(S140), 상기 측정된 전류를 원하는 크기로 증폭한다(S150).Next, a current flowing to the channel region where the probe terminal is fixed is measured (S140), and the measured current is amplified to a desired size (S150).
이어서, 상기 증폭된 전류를 디지털 신호로 변환하고(S160), 상기 변환된 디지털 신호를 전달받아 셋팅된 프로그램을 통해 생분자를 검출한다(S170).Subsequently, the amplified current is converted into a digital signal (S160), and the biomolecule is detected through the set program by receiving the converted digital signal (S170).
따라서 본 발명은 미소전압을 인가하여 FET의 채널 영역의 프로브 분자와 타겟 분자의 결합간에 흐르는 전류를 측정하고 증폭하여 생분자를 보다 신속하게 검출할 수 있다. Therefore, the present invention can detect the biomolecules more quickly by measuring and amplifying the current flowing between the probe molecules in the channel region of the FET and the target molecule by applying a minute voltage.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.
110 : 전원 공급부 120 : 미소전압 생성부
130 : 생분자 검출부 140 : 전류 검출부
150 : 증폭부 160 : A/D 변환부
170 : MCU 180 : 디스플레이부110: power supply unit 120:
130: biomolecule detector 140: current detector
150: amplification unit 160: A / D conversion unit
170: MCU 180:
Claims (10)
상기 전원 공급부로부터 공급되는 전압과 전류를 전달받아 미소전압을 생성하여 출력하는 미소전압 생성부와,
상기 미소전압 생성부에서 생성된 미소전압을 인가하여 프로브 분자상에 타켓 분자를 고정한 상태에서 변화하는 전류에 따라 생분자를 검출하는 생분자 검출부와,
상기 생분자 검출부에서 출력되는 전류를 검출하는 전류 검출부와,
상기 전류 검출부에서 검출된 전류를 전달받아 증폭하여 출력하는 증폭부와,
상기 증폭부에서 증폭된 전류를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환부와,
상기 A/D변환부를 통해 변환된 디지털 신호를 전달받아 상기 생분자의 반응 유무를 판단하는 MCU를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 생분자 검출장치.A power supply unit for supplying voltage and current,
A microvoltage generator for generating and outputting a microvoltage by receiving the voltage and current supplied from the power supply,
A biomolecule detecting unit for detecting a biomolecule according to an electric current that changes while the target molecule is fixed on the probe molecule by applying the microvoltage generated by the microvoltage generator,
A current detector for detecting a current output from the biomolecule detector,
An amplifier for receiving the current detected by the current detector, amplifying the current, and outputting the amplified current;
An A / D converter for converting the current amplified by the amplifier into a digital signal and outputting the digital signal;
And an MCU for receiving the digital signal converted by the A / D converter and determining whether the biomolecule is reacted.
상기 FET에 미소전압을 인가하는 단계;
상기 프로브 분자 위에 타겟 분자를 고정 설치하는 단계;
상기 프로브 단자가 고정된 채널 영역으로 흐르는 전류를 측정하는 단계;
상기 측정된 전류를 원하는 크기로 증폭하여 출력하는 단계;
상기 증폭된 전류를 디지털 신호로 변환하는 단계;
상기 변환된 디지털 신호를 전달받아 셋팅된 프로그램을 통해 생분자를 검출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 생분자 검출방법.Preparing a FET for detecting a biomolecule, and fixing the probe molecule in a channel region of the FET;
Applying a microvoltage to the FET;
Fixing the target molecule on the probe molecule;
Measuring a current flowing to a channel region where the probe terminal is fixed;
Amplifying the measured current to a desired magnitude and outputting the magnitude;
Converting the amplified current into a digital signal;
Detecting a biomolecule through a set program that receives the converted digital signal.
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