KR20210126982A - Fet 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서 및 그 동작방법 - Google Patents

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Abstract

FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서 및 그 동작방법이 개시된다. 본 발명에 따른 FET(Field Effect Transistor) 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는, FET 소자에 연결되는 확장 게이트 전극; 상기 확장 게이트 전극과 동일한 소재로 이루어지며, 타겟(target) 분자를 선택적으로 인식하는 리셉터 항체가 고정되는 센싱전극; 및 전위가 일정하게 유지되며, 상기 센싱전극에 선택적으로 연결되는 기준전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서 및 그 동작방법{BIO SENSOR USING FET ELEMENT AND EXTEND GATE, AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서 및 그 동작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시료 용액의 pH(수소이온지수)와 이온 농도에 의한 영향을 받지 않고 타겟 바이오분자의 전하에 의한 신호변화만을 측정할 수 있으며 특히, pH의 변화에 민감하게 반응하는 현상을 제거할 수 있는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서 및 그 동작방법에 관한 것이다.
일반적으로 바이오센서(bio sensor)란 생물체의 특정한 기능을 가지는 표적물질(예를 들어, 효소, 항체, DNA(deoxyribonucleic acid) 등)에 대한 인식기능을 갖는 생물/화학적 수용물질(리셉터)이 신호 변환장치와 결합되어 생물학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 전기 화학적 센서를 의미하며, 이를 통해 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화 할 수 있어 대상물질의 종류에 따라 바이오, 화학, 환경 등의 용도로 널리 활용될 것으로 기대되는 소자이다.
전기 화학적 센서를 이용한 대상물질의 검출 및 분석을 위해서는 대상물질이 가지는 미세한 특성에도 신호의 변화가 크게 나타날 수 있도록 높은 감도를 가지고 있어야 하며, 체액의 화학성분에 견딜 수 있는 화학적 안정성과 유체의 흐름에도 영향을 받지 않는 물리적 안정성을 지니고 있어야 한다. 또한, 경제성과 실용성을 위하여 기존의 측정 플랫폼을 이용할 수 있어야 하며, 대량 생산이 가능하도록 제작이 용이하여야 한다.
최근에 이와 같은 전기 화학적 센서의 요건에 가장 적합한 소자로서, 집적 회로 공정과 같은 미세가공 기술로 제조되는 FET(Field Effect Transistor) 기반 바이오센서가 관심의 대상이 되고 있다.
FET 기반 바이오센서는 대상물질이 수용물질(리셉터)에 물리/화학적으로 결합함에 다라 채널의 표면 전하 밀도가 변화되는데, 이로 인해 발생되는 반도체 반전층 또는 쇼트키 장벽의 변화에 의한 채널 전류의 변화량을 측정한다.
그런데, 일반적인 FET 기반 바이오센서는 전하량 측정방식의 검출 원리에 의해 비표지/초고감도 측정이 가능한 반면, 생체 시료가 포함된 표준 시약(background solution)의 pH(수소이온지수) 혹은 염(salt) 및 대상물질의 물질들의 표면 전하에 의해서도 신호가 발생되는 태생적 한계를 지니고 있기 때문에 이러한 요소들에 의한 노이즈 제거에 많은 어려움이 있다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2008-0027041호 (공개일자: 2008.03.26.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 시료 용액의 pH(수소이온지수)와 이온 농도에 의한 영향을 받지 않고 타겟 바이오분자의 전하에 의한 신호변화만을 측정할 수 있으며 특히, pH의 변화에 민감하게 반응하는 현상을 제거할 수 있는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서 및 그 동작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 FET(Field Effect Transistor) 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는, FET 소자에 연결되는 확장 게이트 전극; 및 상기 확장 게이트 전극과 동일한 소재로 이루어지며, 타겟(target) 분자를 선택적으로 인식하는 리셉터 항체가 고정되는 적어도 하나의 센싱전극;을 포함하며, 상기 확장 게이트 전극과 상기 센싱전극이 용액에 접촉되고, 상기 센싱전극에 구동전위가 인가되어 상기 용액과 상기 확장 게이트 전극을 통해 상기 FET 소자의 게이트 전극으로 전달되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 센싱전극과 상기 용액의 계면에 형성되는 제1전위, 및 상기 용액과 상기 확장 게이트 전극의 계면에 형성되는 제2전위의 직렬 연결에 의해 상기 센싱전극에 인가되는 구동전위가 상기 FET 소자의 게이트 전극으로 전달된다.
전술한 바이오센서는, 상기 확장 게이트 전극을 선택적으로 접지시키는 리셋 스위치;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 센싱전극 및 상기 기준전극은 상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 센싱전극은 상기 기준전극 및 상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 센싱전극은 복수로 마련되며, 복수의 상기 센싱전극 중의 적어도 하나는 상기 용액과 전극 계면의 전위가 일정하게 유지되는 기준전극으로 이용된다.
또한, 복수의 상기 센싱전극이 어레이(array)화 되어 형성되며, 각각의 상기 센싱전극에 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터 항체가 고정될 수 있다.
전술한 바이오센서는, 복수의 상기 센싱전극 중 어느 하나에 선택적으로 구동전압을 인가하는 연결 스위치;를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 각각의 상기 센싱전극 및 상기 기준전극은 각각이 상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 이루어질 수도 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는, FET 소자에 연결되는 확장 게이트 전극; 상기 확장 게이트 전극과 동일한 소재로 이루어지며, 타겟 분자를 선택적으로 인식하는 리셉터 항체가 고정되는 센싱전극; 및 상기 센싱전극에 선택적으로 기준전압을 인가하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는, FET 소자에 연결되는 확장 게이트 전극; 각각이 상기 확장 게이트 전극과 동일한 소재로 이루어지며, 각각에 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터 항체가 고정되는 복수의 센싱전극; 및 각각의 상기 센싱전극에 순차적으로 기준전압을 인가하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 바이오센서의 동작방법은, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서의 동작방법에 있어서, 상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체에, 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터가 고정된 적어도 하나의 센싱전극을 연결하는 단계; 상기 센싱전극에 기준전압을 인가하여 상기 FET 소자의 IV를 측정하는 단계; 및 상기 대사 산물의 흡착에 의한 포텐셜 변화를 분석하는 단계;를 포함하되, 복수의 상기 센싱전극이 연결된 경우, 상기 FET 소자의 IV를 측정하는 단계는 각각의 상기 센싱전극에 순차적으로 상기 기준전압을 인가하며, 상기 대사 산물의 흡착에 의한 포텐셜 변화를 분석하는 단계는 기준전극을 포함한 각각의 상기 센싱전극 별로 IV 의 측정결과의 쉬프트(shift) 정도를 비교 분석하여 pH, 이온농도 또는 타겟분자의 흡착농도를 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 타겟분자 이외의 pH(수소이온지수) 변화나 이온 농도의 변화는 모두 상쇄시킴으로써, 시료 용액의 pH와 이온 농도에 의한 영향을 받지 않고 타겟 바이오분자의 전하에 의한 신호변화만을 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 기준전극을 통해 시료의 pH에 노이즈에 의한 영향을 측정하여 센싱 결과를 보정하거나 해석할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 착탈식 센싱 모듈을 통해 센싱 모듈은 일회용으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 몸체의 확장게이트 전극만 노출되고 소자는 외부 환경에 노출되지 않으므로, 소자의 재사용시 세척이 용이하고 유지관리가 쉽다.
또한, 본 발명에 따르면, 확장게이트 전극에 연결된 스위치는 전기적으로 플로팅 되어 있는 확장게이트 전극을 세척이나 유지 관리할 때 접지시켜서 FET 소자를 보호하는 장점이 있다.
도 1은 FET 바이오센서의 FET 소자, 확장 게이트 전극 및 기준전극의 연결을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 FET 바이오센서의 검출원리를 나타내는 등가회로 모델을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 바이오센서에 의해 세포막의 이온채널에서 나오는 이온을 검출하는 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서로서, 센싱전극의 표면에 누적되는 효소반응 생성물 센서를 적용한 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 효소반응 생성물의 증가에 따른 IV shift 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서의 동작방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 FET 바이오센서(100)의 FET 소자(10), 확장 게이트 전극(24) 및 기준전극(22)의 연결을 나타낸 도면이다. 여기서, FET 소자(10)는 SOI(Silicon On Insulator) 기판에 제작한 나노 FET 소자가 이용될 수 있다. 이때, 나노 FET 소자의 드레인에 일정한 전압 Vds를 걸고, 드레인-소스 전류 Ids의 크기 변화를 검출함으로써 게이트 전극에 축적되는 전하량과 전하의 극성을 측정할 수 있다. 또한, 게이트 전압 Vg는 나노 FET 소자의 임계전압 Vth를 결정할 수 있다.
FET 바이오센서(100)는 나노 FET 소자(10)의 상부 게이트(Top gate)에 확장전극 몸체(20)의 확장 게이트 전극(24)을 연결하여 구성된다. 이때, 확장 게이트 전극(24)에는 타겟분자와 특이적 반응을 유도하는 리셉터 또는 항체가 고정되어 있어서 타겟분자가 전극표면에 흡착된다. 이와 같이, 전극표면에 흡착되는 타겟 분자를 관찰하기 위하여, FET 바이오센서(100)는 기준전극(22)이 확장 게이트 전극(24) 위에 놓여진 용액에 닿도록 설치된다. 이 경우, FET 바이오센서(100)는 타겟분자 흡착에 의한 포텐셜 변화를 측정하기 위하여 나노 FET 소자(10)의 바닥 게이트 전극(Vbg)을 이용하여 나노 FET 소자(10)의 임계전압 천이(shift)를 측정하고, 이를 타겟분자 농도와의 상관관계 분석을 통해 정량 검출하는 원리를 갖는다. 즉, FET 바이오센서(100)는 확장 게이트 전극(24)에 흡착되는 타겟 바이오분자의 흡착에 의해 유발되는 나노 FET 소자의 임계전압 변화를 나노 FET 소자(10)의 바닥 게이트 전극의 전압을 스윕(sweep)함으로써 측정하는 방식이다.
도 2는 도 1에 나타낸 FET 바이오센서의 검출원리를 나타내는 등가회로 모델을 도시한 도면이다.
도 1에서, 기준전극(22)과 용액 사이, 용액과 확장 게이트 전극(24) 사이의 계면은 극성 커패시터로 표현할 수 있으며, 용액의 pH 변화나 이온농도변화 및 타겟 생체분자의 농도변화를 검출하는 원리는 등가회로를 통해 설명될 수 있다.
즉, 검사 시료의 pH가 변할 경우에 기준전극(22)으로 Ag/AgCl을 사용하고, 확장 게이트 전극(24)으로 금속산화물 소재의 한 종류인 ITO(Indium Tin Oxide) 전극을 사용하면 용액과 접하고 있는 두 전극의 표면은 극성 커패시터로 나타낼 수 있다. 이때, 기준전압(Vref)은 두 극성 커패시터를 직렬 연결하여 나노 FET 소자의 게이트와 연결하는 구조로 표현할 수 있다. 이 경우, 기준전압(Vref)은 두 극성 커패시터와 나노 FET 소자의 커패시터에 의해 분배되므로, 게이트 전극의 전압 Vg는 극성 커패시터의 크기 변화에 의해 바뀌게 되고, 극성 커패시터의 크기 변화는 Ids의 변화로 나타나므로 이를 모니터링 할 수 있다.
또한, 기준전극(22)이 Ag/AgCl이면 pH 변화에 의해 극성 커패시터의 변화는 없고 용액과 확장 게이트 전극(24) 계면의 극성 커패시터 변화만 나타나므로 게이트 전압 Vg에 의한 Ids 변화를 통해 pH 값의 변화를 모니터링 할 수 있다.
또한, 두 전극을 동일한 소재로 사용할 경우, 극성 커패시터의 변화는 서로 상쇄되므로 게이트 전극의 전압 Vg는 항상 일정한 값을 유지하게 되어 pH에 의한 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 기준전극(22)과 확장 게이트 전극(24)의 소재의 활용에 따라 pH 변화를 효과적으로 측정하거나 pH에 의해 유발되는 신호를 상쇄시켜 제거할 수 있다.
한편, FET 바이오센서(100)는 바이오 마커(bio-marker) 인 타겟 분자를 선택적으로 검출하는 것이 필요하다. 일반적인 FET 바이오센서는 게이트 전극 표면을 개질하여 리셉터에 해당하는 항체나 DNA 가닥을 고정하고, 여기에 타겟 분자가 선택적으로 흡착하면 이에 의한 나노 채널의 전도성 변화인 Ids를 이용하여 검출하는 형태이다. 이러한 방법은 타겟 분자의 흡착뿐만 아니라 pH 변화나 이온농도 변화에 의해서도 Ids가 변하기 때문에 시료의 구성성분에 의한 노이즈 영향을 피하기 어렵다는 문제점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 pH나 전해질 용액의 이온농도에 의한 환경 노이즈 신호를 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 제공한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 전위가 일정하게 유지되며 Ag/AgCl로 이루어지는 기준전극(22), 나노 FET 소자(10)의 게이트에 연결된 확장 게이트 전극(24), 및 확장 게이트 전극(22)과 동일한 소재로 이루어지는 센싱전극(26)을 포함한다. 또한, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 확장 게이트 전극(24)을 선택적으로 접지시켜 리셋(reset) 기능을 수행하는 리셋 스위치(27), 센싱전극(26)에 선택적으로 기준전압(구동전압) Vref을 인가하는 연결 스위치(28)를 포함할 수도 있다. 여기서, 기준전극(22), 확장 게이트 전극(24) 및 센싱전극(26)은 나노 FET 소자(10)와 일체로 형성된 것으로 도시하였지만, 기준전극(22), 확장 게이트 전극(24) 및 센싱전극(26)은 나노 FET 소자(10)와 독립된 몸체에 포함될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 기준전극(22), 확장 게이트 전극(24) 및 센싱전극(26)의 각각의 표면이 용액(12)에 접촉할 수 있도록 노출된다. 이때, 기준전극(22)은 센싱전극(26)이 둘 이상의 복수로 마련되며, 그 중의 적어도 하나를 용액과 해당 전극 계면의 전위가 일정하게 유지되는 기준전극(22)으로 이용될 수 있다. 또한, 센싱전극(26)은 타겟 분자를 선택적으로 인식하는 리셉터 항체가 고정되며, 용액 시료 내의 타겟 분자만 특이적으로 흡착되도록 한다. 또한, 센싱전극(26)과 용액의 계면에 형성되는 제1전위, 및 용액과 확장 게이트 전극(24)의 계면에 형성되는 제2전위는 직렬로 연결되며, 제1전위 및 제2전위의 직렬 연결에 의해 센싱전극(26)에 인가되는 구동전위가 FET 소자(10)의 게이트 전극으로 전달된다. 또한, 연결 스위치(28)는 복수의 센싱전극(26) 중 어느 하나에 선택적으로 구동전압을 인가할 수 있다.
도 2의 등가회로에서 설명한 바와 같이, 용액(12)과 닿는 전극 표면은 용액-전극 계면에 극성 커패시터를 만들게 되며, 그 크기는 센싱전극(26)의 소재와 용액(12)과의 계면 특성 변화에 따라 달라지게 된다. 이때, 기준전극(22)은 전위가 일정하게 유지되기 때문에, pH 변화를 측정하려면 기준전압 Vref는 기준전극(22)-용액(12)-확장 게이트 전극(24)으로 이루어지는 폴라 커패시터(polar capacitor)의 직렬 연결구조로 pH 변화를 검출할 수 있다.
용액 시료(12) 내 타겟 단백질 분자를 검출하기 위하여 확장 게이트 전극(24)과 센싱전극(26)은 동일한 소재를 사용하며, 동일한 블로킹(blocking) 처리를 하고, 센싱전극(26)에만 리셉터 항체를 고정시키는 것이 바람직하다. 이때, 센싱전극(26)에 기준전압 Vref이 인가되면, 기준전압 Vref는 항체가 고정된 센싱전극(26)-용액(12)-확장 게이트 전극(24)으로 이루어지는 폴라 커패시터의 직렬 연결구조에 의해 타겟 분자의 흡착 양에 따라 센싱전극(26)-용액(12) 사이의 폴라 커패시터 값이 달라지게 되며, Ids의 변화로 타겟 분자를 검출할 수 있다. 이 경우, 타겟분자 이외에 pH 변화나 이온농도의 변화는 확장 게이트 전극(24)과 센싱전극(26)의 소재가 동일하므로 폴라 커패시터의 직렬 연결구조에서 모두 상쇄되어 제거되며, 따라서 노이즈 신호를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 일회적으로 사용하는 바이오센서의 특성을 고려하여 구성된다.
도 4를 참조하면, 기준전극(22) 및 센싱전극(26)은 확장 게이트 전극(24)이 포함된 몸체(200)와 착탈이 가능한 모듈로 이루어질 수 있다. 즉, FET 바이오센서의 센싱 전극(26)은 일회용으로 사용하는 것이 바람직하므로, 본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 센싱전극(26)을 영구적으로 사용하는 몸체로부터 착탈이 가능한 모듈로 형성함으로써, 센싱전극(26)을 교체하여 사용할 수 있도록 한다. 여기서, 도 4에는 기준전극(22) 및 센싱전극(26)이 확장 게이트 전극(24)과 분리가 가능한 모듈로 구성되는 것으로 도시하고 설명하였지만, 기준전극(22)은 확장 게이트 전극(24)과 함께 몸체(200)에 형성되거나 별도의 착탈이 가능한 모듈로 구성될 수도 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 칫솔 형태로 개개인마다 침, 타액 내의 성코티졸과 같은 호르몬을 검출하거나 pH 변화를 측정하는 바이오센서로 활용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 기준전극(22), 확장 게이트 전극(24), 복수의 센싱전극(26), 및 연결 스위치(28)를 포함한다. 이때, 각각의 센싱전극(26)은 기준전극(22) 및 확장 게이트 전극(24)이 설치된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 구성될 수 있다. 또한, 각각의 센싱전극(26)은 기준전극(22)과 함께 확장 게이트 전극(24)이 설치된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 구성되거나, 각각의 센싱전극(26) 및 기준전극(22)이 서로 독립된 모듈로 형성되어 몸체와 착탈이 가능하게 결합될 수도 있다.
복수의 센싱전극(26)은 어레이(array)화 되어 형성되며, 각각의 센싱전극(26)에 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터 항체가 고정된다. 여기서, 리셉터 항체는 타겟 항원만을 특이적으로 인지하기 위한 의미로 사용되는 용어로서, 각각의 센싱전극(26)의 리셉터로는 항체 이외에 바이오분자 또는 생화학분자만을 선택적으로 인지하기 위한 기능을 하는 것이면 항체뿐만 아니라 앱타머, 핵산 등 다양한 생화확적 소재를 이용할 수 있다. 또한, 검출 대상의 용액이 포함된 용액 체임버(14)는 기준전극(22), 확장 게이트 전극(24), 및 각각의 센싱전극(26)에 닿도록 설치된다. 이 경우, 연결 스위치(28)는 기준전압 Vref을 각각의 센싱전극(26)에 순차적으로 인가하며, 각각의 센싱전극(26)은 기준전압 Vref의 인가에 따라 센싱전극(26)-용액(14)-확장 게이트 전극(24)으로 이루어지는 폴라 커패시터의 직렬 연결구조의 구성으로 나노 FET 소자(10)의 Vg 변화 및 Ids 변화로 타겟을 감지하는 것이 가능하게 된다.
도 6은 도 5에 나타낸 바이오센서에 의해 세포막의 이온채널에서 나오는 이온을 검출하는 예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서는 세포에서 분비(secretion)되는 단백질을 특이적으로 흡착하는 항체를 각각의 센싱전극(26)에 고정화함으로써, 세포막에서 이온을 세포 밖으로 들여보내거나 내보내는 상황을 나노 FET 소자와 센싱전극 어레이로 모니터링 할 수 있게 된다. 즉, 각각의 센싱 전극(26)은 기준전압 Vref에 의해서 순차적으로 확장 게이트 전극(24)과 연결되어 센싱전극(26) 표면의 폴라 커패시턴스 변화를 측정할 수 있으며, 이 변화량은 각각의 센싱전극(26)에서 측정한 변화를 동시에 해석함으로써 pH의 변화, 이온농도의 변화, 타겟 분자의 농도 변화를 종합적으로 해석하는 것이 가능하게 된다. 또한, 각 측정에서의 변화는 도 2에 나타낸 바와 같은 등가회로 모델의 원리로 측정이 가능하며, 센싱전극(26) 계면에서의 이벤트(event)를 IV 측정 혹은 실시간 Ids 변화 측정 방법으로 모니터링 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서로서, 센싱전극의 표면에 누적되는 효소반응 생성물 센서를 적용한 예를 나타낸 도면이며, 도 8은 도 7의 효소반응 생성물의 증가에 따른 IV shift 측정결과를 나타낸 도면이다.
센싱 전극(26)의 표면은 타겟 분자의 농도에 따라 효소의 양이 다르며, 이로 인해 효소반응의 생성물에 차이가 발생할 수 있다. 효소반응 생성물은 반응시간에 따라 전극표면에서 농도가 높아지다가 포화되므로, 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서를 이용하여 효소반응 생성물의 증가에 따른 IV shift를 측정할 수 있다. 이와 같은 효소반응 이외에도 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서를 이용하여 센싱전극 표면에서 국부적으로 변화할 수 있는 이온 농도의 변화, pH의 변화, 표면 전위의 변화 등도 측정할 수 있음은 물론이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서의 동작방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오센서의 동작방법은 도 3 내지 도 8에 나타낸 FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서에 의해 수행될 수 있다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 적어도 하나의 센싱전극(26)을 확장 게이트 전극(24)을 통해 FET 소자(10)에 연결한다(S110). 이때, 센싱전극(26)은 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터가 고정되며, 복수로 어레이화 되어 형성될 수도 있다. 또한, 센싱전극(26)은 기준전극(22)과 함께 모듈로 형성되거나, 기준전극(22)과 독립된 모듈로 형성되어 몸체(200)에 착탈이 가능하게 결합될 수 있다. 또한, 센싱전극(26)은 기준전극(22) 및 확장 게이트 전극(24)과 함께 FET 소자(10)와 일체로 형성될 수도 있으며, 이 경우 S110 과정은 생략될 수 있다.
다음에, 센싱전극(26)에 기준전압 Vref을 인가하여 FET 소자(10)의 IV를 측정한다(S120). 이때, 센싱전극(26)이 복수의 어레이로 이루어진 경우, 각각의 센싱전극(26) 별로 기준전압 Vref을 인가한다. 이 경우, 기준전압 Vref는 Vg로부터 +Vg 영역을 스윕(sweep) 하여 FET 소자(10)의 Ids를 측정하거나 고정전압으로 인가하여 유지하는 상태에서 스위칭을 통해 각각의 센싱전극들이 연결되었을 때의 FET 소자(10)의 Ids를 측정할 수 있다.
즉, 센싱전극(26)에 기준전압 Vref이 인가되면, 센싱전극(26)-용액-확장 게이트 전극(24)으로 이루어지는 폴라 커패시터의 직렬 연결구조에 의해, 타겟 분자의 흡착 양에 따라 센싱전극(26)-용액 사이의 폴라 커패시터 값이 달라지게 된다. 이때, 나노 FET 소자(10)는 Ids 변화로 대사 산물의 흡착에 의한 포텐셜 변화를 분석하여 타겟 분자를 검출할 수 있다(S130). 이 경우, 타겟 분자 이외에 pH 변화나 이온농도의 변화는 센싱전극(24)과 확장 게이트 전극(24)의 소재가 동일하므로 폴라 커패시터의 직렬 연결구조에서 모두 상쇄되어 제거되며, 노이즈 신호를 효과적으로 제거할 수 있게 된다. 여기서, 센싱전극(26)이 복수의 어레이로 형성된 경우, 기준전압 Vref을 스위칭하여 각각의 센싱전극(26)에 순차적으로 기준전압 Vref을 인가함으로써, 각각의 센싱전극(26)과 기준전극(22)의 IV를 스윕 측정한 후 서로 비교 분석하여 타겟농도에 의한 pH의 센싱 결과를 확인할 수 있다. 또한, 센싱 전극(26)의 표면은 타겟 분자의 농도에 따라 효소의 양이 다르며, 이로 인해 효소반응의 생성물에 차이가 발생할 수 있다. 효소반응 생성물은 반응시간에 따라 전극표면에서 농도가 높아지다가 포화되므로, 본 발명의 실시예에 따른 바이오센서를 이용하여 효소반응 생성물의 증가에 따른 IV shift를 측정하고 타겟 분자를 검출할 수도 있다. 검출된 결과는 타겟 시료의 정량 수치로 변환될 수 있다(S140). 이와 같은 바이오센서는 세포를 성장시키면서 세포의 반응 산물을 측정하는 모니터링 센서 플랫폼으로 활용될 수도 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (12)

  1. FET(Field Effect Transistor) 소자에 연결되는 확장 게이트 전극; 및
    상기 확장 게이트 전극과 동일한 소재로 이루어지며, 타겟(target) 분자를 선택적으로 인식하는 리셉터 항체가 고정되는 적어도 하나의 센싱전극;
    을 포함하며,
    상기 확장 게이트 전극과 상기 센싱전극이 용액에 접촉되고, 상기 센싱전극에 구동전위가 인가되어 상기 용액과 상기 확장 게이트 전극을 통해 상기 FET 소자의 게이트 전극으로 전달되는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱전극과 상기 용액의 계면에 형성되는 제1전위, 및 상기 용액과 상기 확장 게이트 전극의 계면에 형성되는 제2전위의 직렬 연결에 의해 상기 센싱전극에 인가되는 구동전위가 상기 FET 소자의 게이트 전극으로 전달되는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 확장 게이트 전극을 선택적으로 접지시키는 리셋 스위치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센싱전극 및 상기 기준전극은 상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 이루어지는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱전극은 상기 기준전극 및 상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 이루어지는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센싱전극은 복수로 마련되며, 복수의 상기 센싱전극 중의 적어도 하나는 상기 용액과 전극 계면의 전위가 일정하게 유지되는 기준전극으로 이용되는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 상기 센싱전극이 어레이(array)화 되어 형성되며, 각각의 상기 센싱전극에 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터 항체가 고정되는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  8. 제6항에 있어서,
    복수의 상기 센싱전극 중 어느 하나에 선택적으로 구동전압을 인가하는 연결 스위치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  9. 제6항에 있어서,
    각각의 상기 센싱전극 및 상기 기준전극은 각각이 상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체와 착탈이 가능한 모듈로 이루어지는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  10. FET 소자에 연결되는 확장 게이트 전극;
    상기 확장 게이트 전극과 동일한 소재로 이루어지며, 타겟 분자를 선택적으로 인식하는 리셉터 항체가 고정되는 센싱전극; 및
    상기 센싱전극에 선택적으로 기준전압을 인가하는 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  11. FET 소자에 연결되는 확장 게이트 전극;
    각각이 상기 확장 게이트 전극과 동일한 소재로 이루어지며, 각각에 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터 항체가 고정되는 복수의 센싱전극; 및
    각각의 상기 센싱전극에 순차적으로 기준전압을 인가하는 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서.
  12. FET 소자와 확장 게이트 전극을 이용한 바이오센서의 동작방법에 있어서,
    상기 확장 게이트 전극이 포함된 몸체에, 세포의 대사 산물을 특이적으로 포획하는 리셉터가 고정된 적어도 하나의 센싱전극을 연결하는 단계;
    상기 센싱전극에 기준전압을 인가하여 상기 FET 소자의 IV를 측정하는 단계; 및
    상기 대사 산물의 흡착에 의한 포텐셜 변화를 분석하는 단계;
    를 포함하되,
    복수의 상기 센싱전극이 연결된 경우, 상기 FET 소자의 IV를 측정하는 단계는 각각의 상기 센싱전극에 순차적으로 상기 기준전압을 인가하며, 상기 대사 산물의 흡착에 의한 포텐셜 변화를 분석하는 단계는 기준전극을 포함한 각각의 상기 센싱전극 별로 IV의 측정결과의 쉬프트(shift) 정도를 비교 분석하여 pH, 이온농도 또는 타겟분자의 흡착농도를 분석하는 것을 특징으로 하는 바이오센서의 동작방법.
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