KR20200039942A - 바이오 감지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널로서, 표적 분석물(target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있는, 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 포함하되, 감지막은 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는, 바이오 감지 장치 를 제공한다.

Description

바이오 감지 장치{Bio-sensing device}
본 발명은 바이오 감지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 구조를 가지는 바이오 감지 장치에 관한 것이다.
질병 진단에 사용되는 검사 방법은 주로 효소 반응에 의한 발색, 형광 등에 기반을 두고 있으나, 최근 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 면역검사를 이용하는 방법도 사용되고 있다. 기존의 면역분석법은 효소의 촉매 반응에 광 표지를 결합한 광학적 측정 방법이 가장 많이 이용되었다. 이러한 방법들은 주로 실험실 위주의 숙련된 연구원에 의해 수행될 수 있는 복잡한 절차가 필요하고, 분석을 위한 장치가 고가의 대형 장치이며, 분석 시간이 오래 소요되는 단점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 특허공개번호 KR20110116461A호(2011.10.26. 공개, 발명의 명칭: 면역분석 진단 장치 및 이를 이용한 면역분석 방법)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 감지막의 성능을 최대화할 수 있으며, 분석 시간을 단축시킬 수 있는 바이오 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 바이오 감지 장치가 제공된다. 상기 바이오 감지 장치는 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널로서, 표적 분석물(target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있는, 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 포함하되, 감지막은 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체로 이루어진다.
상기 바이오 감지 장치에서, 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체는 ITO(Indium tin oxide), IGZO(Indium gallium zinc oxide), ZITO(Zinc indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide)를 포함할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체는 N형 도핑된 반도체 또는 P형 도핑된 반도체일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치는, 감지막 상에 배치되되 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료를 수용할 수 있는 표면 필터막; 을 더 구비하며, 표면 필터막은 표적 분석물만 하부로 통과할 수 있는 물질로 구성될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 표면 필터막은 나일론, 섬유질 또는 셀룰로오스 물질을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치는, 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료를 수용할 수 있는 제 1 공간을 확보하도록 표면 필터막의 테두리를 지지하는 월 구조체;를 더 구비할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 표면 필터막과 감지막 사이에 표적 분석물을 수용할 수 있는 제 2 공간을 확보하도록, 표면 필터막이 감지막 상에 배치될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 표적 물질은 혈액 중에 포함된 크기가 1마이크로미터 이하인 혈청(serum)일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 표적 물질은 체액, 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치는, 감지막 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터;를 더 구비할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 리셉터는 작용기에 의해 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 감지막의 성능을 최대화할 수 있으며, 분석 시간을 단축시킬 수 있는 바이오 감지 장치를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 액상의 생체시료가 수용된 상태를 개략적으로 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 예시적으로 설명하기로 한다. 명세서 전체에 걸쳐서, 막, 패턴, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 개략적으로 도해하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 액상의 생체시료가 수용된 상태를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 기판(100) 상에 서로 이격되어 배치된 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150); 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널을 형성하는 감지막(190); 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극(160)을 포함한다.
기판(100)은, 예를 들어, 글래스 기판 또는 실리콘 기판 등을 포함할 수 있다. 실리콘 기판인 경우, 게이트 전극(160)과 기판(100) 사이에 절연막(미도시)가 더 개재될 수 있다.
게이트 전극(160)은 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150)과 이격되어 배치된다. 또한, 감지막(190)과 게이트 전극(160) 사이에 개재되며, 소스 전극(140)과 게이트 전극(160) 사이 및 드레인 전극(150)과 게이트 전극(160) 사이에 절연부재(170)가 개재될 수 있다. 도면에 도시된 게이트 전극(160)과 절연부재(170)의 두께, 형상 및 위치 구조는 개요적으로 도해된 것이로서, 다양한 실시예로 구체화될 수 있는 바, 본 발명의 기술적 사상은 게이트 전극(160)의 상세한 위치 구조와 형상 등에 의해서 한정되지 않는다.
감지막(190)의 일단은 소스 전극(140)에 연결되며 감지막(190)의 타단은 드레인 전극(150)에 연결되어 배치된다. 감지막(190)은 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체로 이루어진다. 감지막(190)을 구성하는 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체는, 예를 들어, ITO(Indium tin oxide), IGZO(Indium gallium zinc oxide), ZITO(Zinc indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서 개시된 '인듐(In) 원소를 포함하는 반도체'는 상기 예시적인 물질에 한정되지 않으며, 그 외에도 인듐 원소를 포함하면서 반도체 특성을 가지는 임의의 물질을 포함할 수 있다.
한편, 상기 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체는 N형 도핑된 반도체 또는 P형 도핑된 반도체일 수 있다.
감지막(190)은 표적 분석물(target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있다.
인듐(In) 원소를 포함하는 반도체의 일 예로서, ITO막은 인듐산화물(In2O3)에 주석을 산화물(SnO2) 형태로 첨가한 물질막으로서, 주석(Sn)은 치환형 고용체로 작용하여 인듐(In) 자리에 대신 들어가게 되어 자유전자가 생성된다. ITO는 3.75 ~ 4.55eV의 큰 에너지 띠 간격을 가진 반도체로 가시광선 영역에서 높은 광투과도를 가지며, 1020 ~ 1021cm-3 정도의 높은 운반자 농도와 10-4Ω·cm 정도의 비교적 낮은 비저항을 갖는다. 전자띠 구조 계산에 의하면 도핑이 되지 않은 인듐산화물(In2O3)의 구조는 In의 5s 궤도와 O의 2s 궤도 상태가 섞여있기 때문에 s궤도 전자 특성을 갖는 단일 자유전자 전도띠의 바닥 상태를 가지며 반도체 특성을 나타낸다.
상기 바이오 감지 장치는 감지막(190) 상에 배치되되 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료(300)를 수용할 수 있는 표면 필터막(200)을 더 포함할 수 있다. 표면 필터막(200)은 표적 분석물만 하부로 통과할 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 표면 필터막(200)은 나일론, 섬유질 또는 셀룰로오스 물질을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치는, 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료(300)를 수용할 수 있는 제 1 공간(209)을 확보하도록 표면 필터막(200)의 테두리를 지지하는 월 구조체(250)를 더 포함할 수 있다. 한편, 표면 필터막(200)과 감지막(190) 사이에 표면 필터막(200)을 통과한 표적 분석물을 수용할 수 있는 제 2 공간(199)을 확보하도록, 표면 필터막(200)이 감지막(190) 상에 배치될 수 있다.
상술한 구조를 구현하기 위하여, 월 구조체(250)는 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150)에서 상방으로 돌출되는 형상을 가지며, 감지막(190)의 일단은 소스 전극(140)에서 돌출되는 월 구조체(250)와 접하며 감지막(190)의 타단은 드레인 전극(150)에서 돌출되는 월 구조체(250)와 접하며, 표면 필터막(200)의 일단과 타단은 각각 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150)에서 돌출된 월 구조체(250)에 걸치는 형태를 가질 수 있다.
리셉터(195)는 작용기에 의해 감지막(190) 상에 부착될 수 있다. 리셉터(195)는, 예를 들어, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 한편, 상기 작용기는, 예를 들어, 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 표적 물질은, 예를 들어, 체액, 단백질, 압타머, 펩티드, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
구체적인 예를 들어, 액상의 생체시료(300)는 인체의 혈액(blood)이며 상기 표적 물질은 혈액 내에 포함된 혈청(serum)일 수 있다. 통상적으로 혈액은 백혈구, 적혈구, 혈장 및 혈청 등으로 이루어진다. 이 중에서 백혈구는 입자크기가 10마이크로미터 내외이며, 적혈구는 입자크기가 7마이크로미터 내외이며, 혈장은 입자크기가 8마이크로미터 내외임에 반하여, 혈청은 입자크기가 1마이크로미터 이하일 수 있다. 표면 필터막(200)은 1마이크로미터 이하의 혈청이 제 1 공간(209)에 수용된 혈액에서 제 2 공간(199)으로 통과될 수 있는 물질로 구성된다. 예를 들어, 표면 필터막(200)은 나일론, 섬유질 또는 셀룰로오스 물질을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예에 의한 바이오 감지 장치에서, 감지막(190)은 리셉터(195)를 개재하지 않고 상술한 표적 물질과 직접 반응하여 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수도 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 질병 진단에 사용되는 검사 장치로 사용될 수 있으며, 감지막과 리셉터의 종류에 따라 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 감지 장치로 활용될 수 있다. 이 경우, 전기적 측정 결과를 활용하기 때문에 분석 과정에서 복잡한 절차가 필요하지 않고, 분석을 위한 장치가 상대적으로 저가이며, 분석 시간이 오래 소요되지 않는다는 장점을 가진다.
한편, 도 1에 도시된 구조체는 바이오 감지 장치의 단위셀로 이해될 수 있는 바, 기판(100) 당 단위셀의 사이즈를 나노 사이즈로 더 축소하면 단위셀의 개수를 수십 내지 수백만 개로 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 하나의 기판 당 단위셀의 개수를 증가시킴으로써 본 발명의 바이오 감지 장치에 의하면 다양한 질병 진단이 가능하고, 검사 시간의 단축에 따른 검사 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 하부 기판
140 : 소스 전극
150 : 드레인 전극
160 : 게이트 전극
170 : 절연부재
190 : 감지막
195 : 리셉터
200 : 표면 필터막
250 : 월 구조체

Claims (10)

  1. 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극;
    소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널로서, 표적 분석물(target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있는, 감지막; 및
    감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 포함하되,
    감지막은 인듐(In) 원소를 포함하는 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    바이오 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    인듐(In) 원소를 포함하는 반도체는 ITO(Indium tin oxide), IGZO(Indium gallium zinc oxide), ZITO(Zinc indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide)를 포함하는,
    바이오 감지 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    감지막 상에 배치되되 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료를 수용할 수 있는 표면 필터막; 을 더 구비하며,
    표면 필터막은 표적 분석물만 하부로 통과할 수 있는 물질로 구성된 것을 특징으로 하는,
    바이오 감지 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 표면 필터막은 나일론, 섬유질 또는 셀룰로오스 물질을 포함하여 구성된,
    바이오 감지 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료를 수용할 수 있는 제 1 공간을 확보하도록 표면 필터막의 테두리를 지지하는 월 구조체;를 더 구비하고,
    표면 필터막과 감지막 사이에 표적 분석물을 수용할 수 있는 제 2 공간을 확보하도록, 표면 필터막이 감지막 상에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    바이오 감지 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 표적 물질은 혈액 중에 포함된 크기가 1마이크로미터 이하인 혈청(serum)인 것을 특징으로 하는,
    바이오 감지 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 표적 물질은 체액, 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인,
    바이오 감지 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    감지막 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터;를 더 구비하는,
    바이오 감지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 리셉터는 작용기에 의해 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인,
    바이오 감지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인, 바이오 감지 장치.

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