KR20220041914A - 분석물의 수송 및 검출 - Google Patents
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Abstract
분석물의 수송 및 검출을 위한 기구, 시스템 및 방법을 개시한다. 비드(624)를 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티(626)로 기능화시킬 수 있다. 샘플 용액(110) 중에서 배양되지 않은 비드(624)는 유체(414) 중에 바이오센서(104)에 대한 감지 표면(420) 부근에 위치할 수 있다. 바이오센서(104)를 사용하여 보정 측정을 수행할 수 있으며, 그 후에 비드(624)를 제거할 수 있다. 샘플 용액(110) 중에서 배양된 비드(624)는 감지 표면(420) 부근에 위치할 수 있으며, 바이오센서(104)를 사용하여 검출 측정을 수행할 수 있다. 샘플 용액(110) 중 표적 모이어티의 존재, 부재 또는 농도와 같은 매개변수를 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 측정할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 "분석물의 비-표지 검출을 위한 장치 및 방법"이라는 표제하에 2019년 8월 7일자로 레지스 페이타비(Regis Peytavi) 등을 대표하여 출원된 미국 가 특허출원 제 62/883,887 호를 우선권 주장하고; "생화학적 상호작용의 동적 여기 및 측정"이란 표제하에 2020년 6월 9일자로 키아나 아란(Kiana Aran) 등을 대표하여 출원된 미국 가 특허출원 제 63/036,772 호를 우선권 주장하며; 이들은 각각 법적으로 허용되는 범위내에서 내용 전체가 본원에 참고로 인용된다.
발명의 분야
본원에 개시된 발명의 요지는 생물공학에 관한 것이며, 보다 특히 분석물의 수송 및 검출에 관한 것이다.
특정 분자 또는 모이어티와 같은 분석물을 검출하기 위한 다양한 생화학적 분석들이 존재한다. 특정 분석들은 분석물을 액체 용액 중에서 분석물이 감지 표면 가까이에 존재할 때 검출할 수 있다. 그러나, 액체 용액 중에서 많은 분석물은 검출될 감지 표면에 충분히 근접하지 못할 수 있다.
분석물의 수송 및 검출을 위한 시스템을 개시한다. 일부 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서는 감지 표면을 포함한다. 일부 실시태양에서, 감지 표면은, 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서에 대한 하나 이상의 출력 신호가, 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서에 하나 이상의 여기 조건의 적용 및 상기 감지 표면과 접촉하는 유체의 적용에 반응하여 감지 표면의 측정 거리 이내의 전하에 의해 영향을 받도록 구성된다. 일부 실시태양에서, 비드 제어 장치는 다수의 비드를 유체내에 전자기적으로 위치시키기 위한 하나 이상의 비드 제어 구성요소를 포함한다. 일부 실시태양에서, 비드는 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티로 기능화될 수 있다. 일부 실시태양에서, 측정 제어기는, 상기 칩-기반 전계효과 바이오 센서 및 비드 제어 장치를 작동시켜 감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제1 세트를 사용하여 적어도 하나의 출력 신호의 보정 측정을 수행하도록 구성되며, 이때 상기 비드의 제1 세트는 샘플 용액 중에서 배양하지 않았다. 일부 실시태양에서, 상기 측정 제어기는 비드 제어 장치를 작동시켜 감지 표면으로부터 비드의 제1 세트를 제거하도록 구성된다. 일부 실시태양에서, 측정 제어기는 칩-기반 전계효과 바이오센서 및 비드 제어 장치를 작동시켜 감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제2 세트를 사용하여 적어도 하나의 출력 신호의 검출 측정을 수행하도록 구성되며, 이때 상기 비드의 제2 세트는 샘플 용액 중에서 배양하였다. 일부 실시태양에서, 분석 모듈은 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 샘플 용액 중 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하도록 구성된다.
분석물의 수송 및 검출을 위한 방법을 개시한다. 일부 실시태양에서, 방법은 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티로 기능화된 다수의 비드를 제공하는 것을 포함한다. 일부 실시태양에서, 방법은 비드의 제1 세트를 칩-기반 전계효과 바이오센서의 감지 표면의 측정 거리내에 존재하도록 유체내에 위치시키는 것을 포함하며, 이때 상기 비드의 제1 세트는 샘플 용액 중에서 배양하지 않았다. 일부 실시태양에서, 방법은 칩-기반 전계효과 바이오센서로부터 적어도 하나의 출력 신호의 보정 측정을 수행하는 것을 포함한다. 일부 실시태양에서, 방법은 감지 표면으로부터 비드의 제1 세트를 제거하는 것을 포함한다. 일부 실시태양에서, 방법은 샘플 용액 중에서 비드의 제2 세트를 배양하는 것을 포함한다. 일부 실시태양에서, 방법은 감지 표면의 측정 거리내에 존재하도록 유체내에 비드의 제2 세트를 위치시키는 것을 포함한다. 일부 실시태양에서, 방법은 적어도 하나의 출력 신호의 검출 측정을 수행하는 것을 포함한다. 일부 실시태양에서, 방법은 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 샘플 용액 중의 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하는 것을 포함한다.
분석물의 수송 및 검출을 위한 기구를 개시한다. 일부 실시태양에서, 기구는 칩-기반 전계효과 바이오센서의 감지 표면의 측정 거리 이내의 유체내에 다수의 비드를 위치시키기 위한 수단을 포함하며, 이때 상기 비드는 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티로 기능화된다. 일부 실시태양에서, 기구는 감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제1 세트를 사용하여, 칩-기반 전계효과 바이오센서를 사용하여 보정 측정을 수행하기 위한 수단을 포함하며, 이때 상기 비드의 제1 세트는 샘플 용액 중에서 배양하지 않았다. 일부 실시태양에서, 기구는 감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제2 세트를 사용하여, 칩-기반 전계효과 바이오센서를 사용하여 검출 측정을 수행하기 위한 수단을 포함하며, 이때 상기 비드의 제2 세트는 샘플 용액 중에서 배양하였다.
본 발명의 장점이 용이하게 이해되도록, 첨부된 도면에 예시된 특정한 실시태양들에 관하여 상기에서 간략하게 설명된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 이루어질 것이다. 이들 도면이 본 발명의 전형적인 실시태양만을 묘사하며 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해하면서, 본 발명을 첨부 도면의 사용을 통해 추가적인 특이성 및 세부사항과 함께 기재하고 설명할 것이며, 도면에서:
도 1은 분석물의 수송 및 검출을 위한 시스템의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 2는 생물학적 게이트 트랜지스터의 하나의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 3은 생물학적 게이트 트랜지스터의 또 다른 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 4는 비드 및 비드 제어 구성요소의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 추가의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 5는 비드 및 비드 제어 구성요소의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 6은 비드의 하나의 실시태양을 예시하는 측면도이고;
도 7은 하나의 실시태양에서, 보정 측정시의 비드 및 감지 표면을 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 8은 하나의 실시태양에서, 감지 표면으로부터 비드의 제거를 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 9는 하나의 실시태양에서, 배양시의 비드 및 감지 표면을 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 10은 하나의 실시태양에서, 검출 측정시의 비드 및 감지 표면을 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 11은 비드 제어 장치 및 측정 제어기를 포함하는 기구의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 12는 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이고;
도 13은 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이고;
도 14는 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이다.
도 1은 분석물의 수송 및 검출을 위한 시스템의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 2는 생물학적 게이트 트랜지스터의 하나의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 3은 생물학적 게이트 트랜지스터의 또 다른 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 4는 비드 및 비드 제어 구성요소의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 추가의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 5는 비드 및 비드 제어 구성요소의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 6은 비드의 하나의 실시태양을 예시하는 측면도이고;
도 7은 하나의 실시태양에서, 보정 측정시의 비드 및 감지 표면을 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 8은 하나의 실시태양에서, 감지 표면으로부터 비드의 제거를 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 9는 하나의 실시태양에서, 배양시의 비드 및 감지 표면을 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 10은 하나의 실시태양에서, 검출 측정시의 비드 및 감지 표면을 예시하는, 도 4에 나타낸 영역의 상세도이고;
도 11은 비드 제어 장치 및 측정 제어기를 포함하는 기구의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이고;
도 12는 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이고;
도 13은 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이고;
도 14는 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이다.
당해 분야의 숙련가가 인지하는 바와 같이, 본 개시내용의 태양들은 시스템, 방법 또는 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 상응하게, 실시태양들은 전적으로 하드웨어 실시태양, 전적으로 소프트웨어 실시태양(펌웨어, 내장 소프트웨어, 마이크로-코드 등 포함) 또는 본원에서 모두 일반적으로 "회로", "모듈" 또는 "시스템"으로서 지칭될 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 태양을 겸비하는 실시태양의 형태를 취할 수 있다. 더욱 또한, 실시태양들은 기계 판독가능 코드, 컴퓨터 판독가능 코드, 및/또는 프로그램 코드(이하에서 코드로 지칭됨)를 저장하는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 저장 장치에서 구현되는 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 상기 저장 장치는 유형의, 비-일시적 및/또는 비-전송 장치일 수 있다. 상기 저장 장치는 신호를 구현하지 않을 수도 있다. 몇몇 실시태양에서, 상기 저장 장치는 오직 코드에 액세스하기 위한 신호를 사용할 뿐이다.
본 명세서에 기재된 기능성 유닛들 중 몇몇은 그의 실행 독립성을 보다 특별히 강조하기 위해서 모듈로서 표지되었다. 예를 들어, 모듈은 맞춤형 VLSI 회로 또는 게이트 배열, 논리 칩, 트랜지스터 또는 다른 개별 구성요소와 같은 기성품 반도체를 포함하는 하드웨어 회로로서 실행될 수 있다. 모듈은 또한 필드 프로그래밍 가능 게이트 배열, 프로그래밍 가능 배열 논리, 프로그래밍 가능 논리 장치 등과 같은 프로그래밍 가능 하드웨어 장치에서 실행될 수 있다.
모듈은 또한 다양한 유형의 프로세서에 의한 실행을 위해 코드 및/또는 소프트웨어로 실행될 수 있다. 식별된 코드 모듈은, 예를 들어, 객체, 절차 또는 기능으로 구성될 수 있는 실행가능 코드의 하나 이상의 물리적 또는 논리적 블록을 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 식별된 모듈의 실행가능 파일은 물리적으로 함께 위치할 필요는 없지만, 논리적으로 함께 결합될 때 모듈을 구성하고 상기 모듈에 대해 명시된 목적을 달성하는 상이한 위치들에 저장된 이종 명령을 포함할 수 있다.
실제로, 코드 모듈은 단일 명령 또는 다수의 명령일 수 있으며, 심지어 여러 다른 코드 세그먼트에 걸쳐, 여러 프로그램 간에, 여러 메모리 장치에 걸쳐 분배될 수도 있다. 유사하게, 작동 데이터는 본원에서 모듈내에서 식별 및 예시될 수 있으며, 임의의 적합한 형태로 구현되고 임의의 적합한 유형의 데이터 구조내에서 구성될 수 있다. 상기 작동 데이터는 단일 데이터 세트로 수집되거나 다른 컴퓨터 판독가능 저장 장치를 비롯한 여러 위치에 분배될 수 있다. 모듈 또는 모듈의 부분이 소프트웨어로 실행되는 경우, 상기 소프트웨어 부분은 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 저장 장치에 저장된다.
하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체의 임의의 조합을 사용할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 코드를 저장하는 저장장치일 수 있다. 저장 장치는 예를 들어 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 홀로그래픽, 미세기계, 또는 반도체 시스템, 기구 또는 장치, 또는 이들의 임의의 적합한 조합일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
저장 장치의 보다 구체적인 예(총 망라되지는 않은 목록)는 하기를 포함한다: 하나 이상의 전선이 있는 전기 연결, 휴대용 컴퓨터 디스켓, 하드 디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 지울 수 있는 프로그래밍 가능 읽기 전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 휴대용 컴팩트 디스크 읽기 전용 메모리(CD-ROM), 광학 저장 장치, 자기 저장 장치, 또는 이들의 임의의 적합한 조합. 본 문서의 맥락에서, 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 명령 실행 시스템, 기구 또는 장치에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 포함하거나 저장할 수 있는 임의의 유형의 매체일 수 있다.
실시태양을 위한 작동을 수행하기 위한 코드는 Python, Ruby, Java, Smalltalk, C++ 등과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어를 포함하는 하나 이상의 프로그래밍 언어, 및 "C" 프로그래밍 언어 등과 같은 통상적인 절차 프로그래밍 언어, 및/또는 어셈블리 언어와 같은 기계어의 임의의 조합으로 작성될 수 있다. 코드는 전적으로 사용자의 컴퓨터에서, 부분적으로 사용자의 컴퓨터에서, 독립 실행형 소프트웨어 패키지로서, 부분적으로 사용자의 컴퓨터에서 및 부분적으로 원격 컴퓨터에서, 또는 전적으로 원격 컴퓨터나 서버에서 실행될 수 있다. 후자의 시나리오에서, 원격 컴퓨터는 근거리 네트워크(LAN) 또는 원거리 네트워크(WAN)을 포함한 임의 유형의 네트워크를 통해 사용자의 컴퓨터에 연결되거나, 또는 외부 컴퓨터(예를 들어, 인터넷 서비스 공급자를 사용하여 인터넷을 통해)에 연결될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같은 구성요소는 유형의 물리적인 비일시적 장치를 포함한다. 예를 들어, 구성요소는 맞춤형 VLSI 회로, 게이트 배열, 또는 다른 집적 회로; 논리 칩, 트랜지스터 또는 기타 개별 장치와 같은 기성품 반도체; 및/또는 기타 기계 또는 전기 장치를 포함하는 하드웨어 논리 회로로서 실행될 수 있다. 구성요소는 또한 필드 프로그래밍 가능 게이트 배열, 프로그래밍 가능 배열 논리, 프로그래밍 가능 논리 장치 등과 같은 프로그래밍 가능 하드웨어 장치로 실행될 수 있다. 구성요소는 인쇄 회로 기판(PCB) 등의 전기 라인을 통해 하나 이상의 다른 구성요소와 전기 통신하는 하나 이상의 실리콘 집적 회로 장치(예를 들어, 칩, 다이, 다이 평면, 패키지) 또는 기타 개별 전기 장치를 포함할 수 있다. 몇몇 실시태양에서, 본원에 기재된 각각의 모듈은 대안적으로 구성요소에 의해 구현되거나 구성요소로서 실행될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같은 회로 또는 회로망은 전류에 대한 하나 이상의 경로를 제공하는 하나 이상의 전기 및/또는 전자 구성요소들의 세트를 포함한다. 몇몇 실시태양에서, 회로망은 전류에 대한 복귀 경로를 포함할 수 있으며, 따라서 회로는 폐쇄 루프이다. 그러나, 또 다른 실시태양에서, 전류에 대한 복귀 경로를 포함하지 않는 구성요소 세트가 회로 또는 회로망(예를 들어, 개방 루프)으로서 지칭될 수 있다. 예를 들어, 집적 회로는, 집적 회로가 (전류에 대한 복귀 경로로서) 접지에 연결되는지의 여부에 관계없이 회로 또는 회로망으로서 지칭될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 회로망은 집적 회로, 집적 회로의 일부, 집적 회로 세트, 집적 회로 장치가 있거나 없는 비-집적 전기 및/또는 전기 구성요소들의 세트 등을 포함할 수 있다. 하나의 실시태양에서, 회로는 맞춤형 VLSI 회로, 게이트 배열, 논리 회로, 또는 다른 집적 회로; 논리 칩, 트랜지스터 또는 기타 개별 장치와 같은 기성품 반도체; 및/또는 기타 기계 또는 전기 장치를 포함할 수 있다. 회로는 또한 필드 프로그래밍 가능 게이트 배열, 프로그래밍 가능 배열 논리, 프로그래밍 가능 논리 장치 등과 같은 프로그래밍 가능 하드웨어 장치에서 합성 회로로서 실행될 수 있다(예를 들어, 펌웨어, 넷리스트 등으로서). 회로는 인쇄 회로 기판(PCB) 등의 전기 라인을 통해 하나 이상의 다른 구성요소와 전기 통신하는 하나 이상의 실리콘 집적 회로 장치(예를 들어, 칩, 다이, 다이 평면, 패키지) 또는 기타 개별 전기 장치를 포함할 수 있다. 몇몇 실시태양에서, 본원에 기재된 각각의 모듈은 회로에 의해 구현되거나 또는 회로로서 실행될 수 있다.
본 명세서 전체를 통해서 "하나의 실시태양", "실시태양" 또는 유사한 언어에 대한 언급은 상기 실시태양에 관하여 기재된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시태양에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체를 통해 "하나의 실시태양에서", "실시태양에서"란 어구 및 유사한 언어의 출현은, 반드시는 아니지만, 모두 동일한 실시태양을 지칭할 수 있으며, 달리 명백히 명시되지 않는 한 "하나 이상이지만 전부는 아닌 실시태양"을 의미한다. "포함하는", "함유하는", "갖는"이란 용어 및 그의 변형은 달리 명백히 명시되지 않는 한 "비제한적으로 포함하는"을 의미한다. 항목들의 나열된 목록은 달리 명백히 명시되지 않는 한 상기 항목 일부 또는 전부가 상호 배타적임을 의미하는 것은 아니다. "하나" 및 "그"란 용어는 또한 달리 명백히 명시되지 않는 한 "하나 이상"을 지칭한다.
더욱 또한, 실시태양의 기재된 특징, 구조 또는 특성을 임의의 적합한 방식으로 조합할 수 있다. 하기의 설명에서, 실시태양의 철저한 이해를 제공하기 위해 프로그래밍, 소프트웨어 모듈, 사용자 선택, 네트워크 트랜잭션, 데이터베이스 쿼리, 데이터베이스 구조, 하드웨어 모듈, 하드웨어 회로, 하드웨어 칩 등의 예와 같은 다수의 특정한 세부 사항을 제공한다. 그러나, 관련 분야의 숙련가는 실시태양이 하나 이상의 특정 세부 사항 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 물질 등에 의해, 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 예에서, 주지된 구조, 물질, 또는 작업은 실시태양의 태양을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 도시되거나 설명되지 않는다.
실시태양의 태양들을 실시태양에 따른 방법, 기구, 시스템 및 프로그램 제품의 도식적인 흐름도 및/또는 도식적인 블록 다이어그램과 관련하여 하기에 기재한다. 상기 도식적인 흐름도 및/또는 도식적인 블록 다이어그램의 각 블록, 및 상기 도식적인 흐름도 및/또는 도식적인 블록 다이어그램 중의 블록들의 조합은 코드에 의해 실행될 수 있음을 알 것이다. 상기 코드는 기계를 생산하기 위해 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 또는 기타 프로그래밍 가능 데이터 처리 기구의 프로세서에 제공될 수 있으며, 따라서 상기 컴퓨터 또는 기타 프로그래밍 가능 데이터 처리 기구의 프로세서를 통해 실행되는 명령은 상기 도식적 흐름도 및/또는 도식적 블록 다이어그램 블록 또는 블록들에 명시된 기능/동작을 실행하기 위한 수단을 생성시킨다.
코드는 또한, 컴퓨터, 다른 프로그래밍 가능 데이터 처리 기구, 또는 특정한 방식으로 기능하는 다른 장치를 지시할 수 있는 저장 장치에 저장될 수 있으며, 따라서 상기 저장 장치에 저장된 명령이 도식적 흐름도 및/또는 도식적 블록 다이어그램 블록 또는 블록들에 명시된 기능/동작을 실행하는 명령을 포함하는 제품을 생산한다.
코드를 또한, 컴퓨터, 다른 프로그래밍 가능 데이터 처리 기구, 또는 컴퓨터상에서 수행되는 일련의 작업 단계를 일으키는 다른 장치, 다른 프로그래밍 가능 기구, 또는 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능 기구상에서 실행되는 코드가 흐름도 및/또는 블록 다이어그램 블록 또는 블록들에 명시된 기능/동작을 실행하기 위한 프로세스를 제공하도록 컴퓨터 실행된 프로세스를 생성시키는 다른 장치상에 로딩할 수 있다.
도면에서 도식적 흐름도 및/또는 도식적 블록 다이어그램은 다양한 실시태양들에 따른 기구, 시스템, 방법 및 프로그램 제품의 가능한 실행의 구성, 기능 및 작업을 예시한다. 이와 관련하여, 상기 도식적 흐름도 및/또는 도식적 블록 다이어그램 중의 각 블록은 명시된 논리적 기능(들)의 실행을 위한 코드의 하나 이상의 실행가능한 명령을 포함하는 모듈, 세그먼트, 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다.
일부 대안의 실행에서, 블록에 나타낸 기능이 도면에 나타낸 순서 밖에서 발생할 수 있음을 또한 유의해야 한다. 예를 들어, 연속적으로 표시된 두 개의 블록은 실제로 실질적으로 동시에 실행되거나, 또는 상기 블록들은 관련된 기능에 따라 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 예시된 도면의 하나 이상의 블록 또는 그 일부와 기능, 논리 또는 효과가 동등한 다른 단계 및 방법이 고려될 수 있다.
다양한 화살표 유형 및 선 유형이 흐름도 및/또는 블록 다이어그램에서 채용될 수 있지만, 상응하는 실시태양의 범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 실제로, 일부 화살표 또는 다른 연결기는 도시된 실시태양의 논리적 흐름만을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 화살표는 도시된 실시태양의 열거된 단계들 사이의 명시되지 않은 지속기간의 대기 또는 모니터링 기간을 나타낼 수 있다. 또한, 블록 다이어그램 및/또는 흐름도의 각 블록, 및 블록 다이어그램 및/또는 흐름도 중의 블록들의 조합은 명시된 기능 또는 동작을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템 또는 특수 목적 하드웨어와 코드의 조합에 의해 실행될 수 있다.
각 도면의 요소들에 대한 설명은 진행되는 도면의 요소들을 참조할 수 있다. 같은 번호는 같은 요소들의 대안적인 실시태양을 포함하여 모든 도면에서 같은 요소를 지칭한다.
본원에 사용되는 바와 같이, "및/또는"의 접속사를 갖는 목록은 상기 목록 중의 임의의 단일 항목 또는 상기 목록 중의 항목들의 조합을 포함한다. 예를 들어, A, B 및/또는 C의 목록은 오직 A, 오직 B, 오직 C, A 및 B의 조합, B 및 C의 조합, A 및 C의 조합 또는 A, B 및 C의 조합을 포함한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "중 하나 이상"이란 용어를 사용하는 목록은 상기 목록 중의 임의의 단일 항목 또는 상기 목록 중의 항목들의 조합을 포함한다. 예를 들어, A, B 및 C 중 하나 이상은 오직 A, 오직 B, 오직 C, A 및 B의 조합, B 및 C의 조합, A 및 C의 조합 또는 A, B 및 C의 조합을 포함한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "중 하나"란 용어를 사용하는 목록은 상기 목록 중 임의의 단일 항목의 오직 하나를 포함한다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 하나"는 오직 A, 오직 B 또는 오직 C 만을 포함하며, A, B 및 C의 조합은 제외한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "A, B 및 C로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 구성원"은 A, B 또는 C 중 오직 하나를 포함하며, A, B 및 C의 조합은 제외한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "A, B 및 C로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 구성원 및 그의 조합"은 오직 A, 오직 B, 오직 C, A 및 B의 조합, B 및 C의 조합, A 및 C의 조합 또는 A, B 및 C의 조합을 포함한다.
정의:
본원에 사용되는 바와 같은 "칩-기반 전계효과 바이오센서"란 용어는 기판 위에 감지 표면을 포함하며, 따라서 유체가 감지 표면과 접촉하여 적용될 때 바이오센서의 출력 신호가 감지 표면에 가장 가까운 유체 중의 전기장 및/또는 자기장에 의해 조정되거나 영향받을 수 있는 센서를 지칭한다. 예를 들어, 유체내의 이온 또는 극성 분자는 감지 표면 부근의 전기장에 영향을 미칠 수 있으므로, 전압, 전류, 임피던스, 정전용량 등과 같은 출력 신호에 영향을 미칠 수 있다. 용어 "바이오센서"는 감지 표면에 유체가 적용된, 사용중인 상기와 같은 장치, 또는 상기 유체가 적용되기 전의 동일한 장치를 지칭할 수 있다. 용어 "바이오센서"는 유체내의 분자 또는 모이어티가 생물학적으로 생성되는지 여부에 무관하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 바이오센서는 유체 중의 생물학적으로 생성되거나 합성적으로 생성된 분자 또는 모이어티를 감지하기 위해 사용할 수 있으나, 어느 경우에나 "바이오센서"로서 지칭될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같은 "생물학적 게이트 트랜지스터"란 용어는 소스와 드레인 단자 사이의 전류가 적어도 하나의 채널을 통해, 채널의 표면과 접촉하고 있는 유체내에서의 사건, 발생 또는 상호작용에 의해 게이팅되거나, 조정되거나 또는 영향을 받을 수 있는 트랜지스터로서 구성된, 일종의 칩-기반 전계효과 바이오센서를 지칭한다. 따라서, 채널 표면은 바이오센서의 감지 표면이다. 예를 들어, 유체내의 이온, 분자 또는 모이어티의 상호 작용, 또는 채널 표면과 유체내의 이온, 분자 또는 모이어티 간의 상호작용은 채널 전류를 게이팅하거나, 조정하거나 또는 상기 전류에 영향을 미칠 수 있다. "생물학적 게이트 트랜지스터"라는 용어는 유체가 채널 표면에 적용된, 사용중인 상기와 같은 장치, 또는 상기 유체가 적용되기 전의 동일한 장치를 지칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 생물학적 게이트 트랜지스터는 유체 중의 생물학적으로 생성된 효소와 효소의 기질 간의 상호작용에 의해 게이팅될 수 있거나, 또는 유체내에서의 비-생물학적 상호작용에 의해 게이팅될 수 있지만, 이는 여전히 "생물학적 게이트"로 지칭될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같은 "출력 신호"란 용어는 칩-기반 전계효과 바이오센서로부터의 측정가능하거나 검출가능한 전기 신호, 또는 상기 측정가능하거나 검출가능한 신호에 기반하여 계산될 수 있는 결과를 지칭한다. 예를 들어, 출력 신호는 칩-기반 전계효과 바이오센서의 하나 이상의 단자에서의 전압, 하나 이상의 칩-기반 전계효과 바이오센서의 전류, 정전용량, 인덕턴스 또는 저항(인가되고 측정된 전압 및 전류에 기반하여 계산됨), 복소값 임피던스, 복소 임피던스 스펙트럼, 전기화학적 임피던스 스펙트럼, 임계값 전압, Dirac 전압, 전력 스펙트럼 밀도, 하나 이상의 네트워크 매개변수(예를 들어, S-매개변수 또는 h-매개변수) 등일 수 있다.
칩-기반 전계효과 바이오센서의 감지 표면 또는 생물학적 게이트 트랜지스터내의 채널의 표면과 같은 표면으로부터의 거리와 관련하여 본원에 사용되는 바와 같은 용어 "거리"는 한 지점(예를 들어, 바이오센서에 적용된 유체 중에서)과 상기 지점에 가장 근접한 표면의 지점 사이의 거리를 지칭한다. 예를 들어, 감지 표면에서부터 적용된 유체중 감지 표면 바로 위의 한 지점까지의 거리는 감지 표면위의 한 지점과 감지 표면에 수직(직각)인 선을 따라 유체중의 상기 지점 사이의 거리이다.
본원에 사용되는 바와 같은 "측정 거리"란 용어는 칩-기반 전계효과 바이오센서의 감지 표면으로부터의 거리를 지칭하며, 따라서 상기 측정 거리에서 또는 측정 거리내에 존재하는 적어도 일부의 상호작용, 분자 또는 모이어티는 측정 제어기에 의해 검출가능한 방식으로 출력 신호에 영향을 미친다. 즉, 칩-기반 전계효과 바이오센서로부터의 출력 신호는 상기 측정 거리내에서의 전하(예를 들어, 이온의, 또는 모이어티, 분자 또는 분자들의 복합체내에서의)에 민감하다. 출력 신호에 대한 영향이 측정 제어기에 의해 검출가능한지 여부는 측정 제어기의 실제 감도, 출력 신호내 노이즈에 대한 노이즈 수준, 출력 신호가 감지 표면에 더 근접한 사건 또는 발생에 의해 영향을 받는 정도 등에 따라 달라질 수 있다. 출력 신호에 대한 영향이 측정 제어기에 의해 검출가능한지 여부는 검출 또는 감도에 대한 미리결정된 임계값에 기반할 수 있으며, 상기 임계값은 신호 대 노이즈 비, 표면으로부터 일정 거리에서의 사건에 의해 야기된 출력 신호에 대한 영향 대 감지 표면에서의 사건에 의해 야기된 출력 신호에 대한 영향 사이의 비 등일 수 있다. 일부 예에서, 측정 거리는 여기 조건에 따라 달라질 수 있거나, 또는 주파수 의존성일 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같은 "측정 거리내에서"란 용어는 칩-기반 전계효과 바이오센서에 적용된 유체내의 객체를 지칭하며, 따라서 감지 표면으로부터 상기 객체의 적어도 일부까지의 거리는 측정 거리 미만이다. 예를 들어, 유체내의 비드는, 상기 비드의 적어도 일부가 표면까지의 측정 거리보다 더 근접한 경우, 측정 거리 이내에 존재하는 것으로 지칭될 수 있다. 상기와 같은 비드는 전적으로 측정 거리 이내에 존재할 수 있거나, 또는 측정 거리보다 감지 표면으로부터 더 멀리 퍼지는 부분을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "여기 조건"이란 용어는 칩-기반 전계효과 바이오센서에 적용되거나 또는 칩-기반 전계효과 바이오센서에 의한 측정을 위한 샘플에 적용되는 물리적, 전기적 또는 화학적 조건을 지칭한다. 여기 조건은 상기 바이오센서에 적용되는 유체 중의 분자 또는 모이어티의 상태에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 차례로 바이오센서로부터의 하나 이상의 출력 신호에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 여기 조건은 전압, 전류, 주파수, 진폭, 위상 또는 생물학적 게이트 트랜지스터에 인가된 전기 신호의 파형, 하나 이상의 온도, 하나 이상의 유체 유량, 하나 이상의 전자기 복사 파장 등을 포함한다.
본원에 사용되는 바와 같은 용어 "비드"는 용액 중의 분자 또는 모이어티의 상응하는 구성요소와 결합하도록 구성된 기능화 표면을 갖는, 직경이 약 1 nm 내지 약 10 μm의 범위인 입자를 지칭한다. 일부 비드는 자성이고, 다른 비드들은 비-자성이다. 비드의 비-제한 예는 용액 중의 비오틴화 분자와 결합하도록 구성된 스트렙타비딘 코팅으로 기능화된 입자를 포함한다. 비드 표면을 기능화하기 위한 물질들의 다른 비-제한 예는 항체, 비오틴, 비오틴에 결합하는 단백질, 아연 집게 단백질, CRISPR Cas 계열 효소, 핵산, 및 펩티드 핵산, 제노 핵산 등과 같은 합성 핵산 유사체들을 포함한다.
본원에 사용되는 바와 같은 용어 "모이어티"는 분자의 일부를 지칭한다. 예를 들어, 모이어티는 비오틴화 분자의 비오틴 부분, 비드의 표면에 결합된 스트렙타비딘 모이어티 등일 수 있다. 복수형으로, "모이어티들"이란 용어는 다수 유형의 모이어티(예를 들어, 포획 모이어티 및 표적 모이어티), 또는 다수 분자에 대한 동일한 유형의 모이어티의 다수의 예(예를 들어, 표적 모이어티의 다수의 예들)를 지칭하는데 사용될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같은 "표적 모이어티"란 용어는 분석물의 모이어티를 지칭하며, 상기 분석물은 존재, 부재, 농도, 활성, 또는 분석물과 관련된 다른 매개변수를 분석 또는 검사에서 측정할 수 있는 분자 또는 분자 복합체일 수 있다. 예를 들어, 칩-기반 전계효과 바이오센서를 사용하는 분석을 이용하여 표적 모이어티를 포함하는 분석물의 존재, 부재 또는 농도를 측정할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같은 "포획 모이어티"란 용어는 표적 모이어티에 결합하기 위한 친화성을 갖는 모이어티를 지칭한다. 예를 들어, 포획 모이어티는, 표적 모이어티가 비오틴인 경우 비오틴-결합 단백질일 수 있거나, 또는 표적 모이어티가 핵산 서열인 경우 RNA-유도 Cas 효소일 수 있다. 역으로, 포획 모이어티는, 표적 모이어티가 비오틴-결합 단백질인 경우 비오틴일 수 있거나, 또는 표적 모이어티가 RNA-유도 Cas 효소인 경우 핵산 서열일 수 있다.
특정 분자 또는 모이어티와 같은 분석물을 검출하기 위한 다양한 생화학적 분석들이 존재한다. 특정 분석들은 분석물을 액체 용액 중에서 분석물이 감지 표면 가까이에 존재할 때 검출할 수 있다. 그러나, 분석물이 거대 분자인 경우, 액체 용액 중에서 분석물의 확산은 분석물의 충분량을 검출될 감지 표면에 충분히 근접하게 가져올 수 없다.
추가로, 일부 분석은 분석물을 포획하거나 결합하기 위한 감지 표면의 기능화를 수반할 수 있다. 그러나, 감지 표면은, 일단 특정 분석물에 결합하도록 기능화되면, 제조자가 다수의 분석에 사용될 수 있는 저비용 센서보다는 고가의 단일 목적의 센서를 만들 수 있는 결과가 되어, 다른 분석물의 측정에 부적합할 수 있다. 또한, 기능화된 감지 표면 또는 분석물을 감지 표면에 분석물의 결합을 광학적으로 검출하기 위해 형광 또는 비색 표지로 표지화하는 경우, 표지화를 위한 시약, 표지화 반응을 위한 시간 및 검출을 위한 광학 구성요소들이 분석의 시간, 복잡성 및 비용에 상당히 가중될 수 있다.
대조적으로, 본원에 개시된 바와 같은 칩-기반 전계효과 바이오센서를 사용하는 분석은, 표적 모이어티를 포획하기 위한 비드 및 상기 비드를 감지 표면 부근에 위치시키기 위한 비드 제어 구성요소를 사용하여 효과적이고 저렴하게 분석물을 수송하고 검출할 수 있다. 칩-기반 전계효과 바이오센서는 전형적인 전자제품 제조 기법을 사용하여 형성될 수 있어서, 보다 저렴한 비용으로 이어질 수 있다. 칩-기반 전계효과 바이오센서를 사용하는 시스템은 매우 다양한 표적에 대한 전자 표적 검출을 수행할 수 있어서, 개별적인 분석에 대해 보다 낮은 전체 비용으로 이어질 수 있다.
도 1은 분석물의 수송 및 검출을 위한 시스템(100)의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이다. 묘사된 실시태양에서, 시스템(100)은 하나 이상의 칩-기반 전계효과 바이오센서(104), 칩 리더 장치(102), 샘플 준비 기구(112), 컴퓨터 장치(114), 원격 데이터 저장소(118), 및 데이터 네트워크(120)를 포함한다.
묘사된 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 하나 이상의 생물학적 게이트 트랜지스터(106)(하기에 더욱 상세히 기재된다)를 포함한다. 다양한 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 고체 지지체상에 배열된 하나 이상의 감지 표면을 포함할 수 있다. 생물학적 게이트 트랜지스터(106)에서, 감지 표면은 드레인 단자를 소스 단자에 연결하는 채널의 표면일 수 있다. 정전식 또는 전기화학 센서에서, 감지 표면은 작업 전극의 표면일 수 있으며, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 전기화학적 전위를 측정하는 기준 전극 및 전기화학적 전위를 조정하기 위한 상대 전극을 갖는 전기화학적 시스템을 포함할 수 있다.
하나 이상의 이온 층이, 유체가 감지 표면과 접촉하여 적용될 때 감지 표면 부근에 형성될 수 있다. 예를 들어, 이중의 이온 층은 감지 표면에 유인되거나 흡착된 이온의 제1 층, 및 상기 제1 층의 이온에 유인된 이온의 제2 층을 포함할 수 있다. 또는, 상기 표면이 특정 분자 또는 모이어티(예를 들어, 단백질, 펩티드, 계면활성제, 폴리에틸렌 글리콜과 같은 중합체 등)를 감지 표면에 고정화시켜 순전하를 갖는 이온-투과 층을 형성함으로써 기능화되었다면, 유체로부터의 이온은 깁스-도난(Gibbs-Donnan) 효과로 인해, 고정화된 분자 또는 모이어티의 이온-투과 층내에 확산되어 도난 평형 영역을 형성할 수 있다. 어느 경우에나, 감지 표면 부근의 전하는 생물학적 게이트 트랜지스터(106)의 채널 또는 정전식 센서의 작업 전극과 적용된 유체의 벌크 사이에서 유전체로 작용할 수 있다.
여기 조건이 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 적용될 때, 채널 전류 또는 정전용량과 같은 출력 신호는 상기 (효과적) 유전체 층내, 또는 보다 일반적으로는 감지 표면의 측정 거리내의 전하에 따라 달라질 수 있다. 상기 바이오센서(104)의 출력 신호에 영향을 미치는, 감지 표면의 측정 거리내의 전하는 양으로 또는 음으로 하전된 이온 또는 모이어티일 수 있거나, 또는 다른 전하들을 대체하는 중성으로 하전된 분자 또는 모이어티(예를 들어, 동일한 수의 양전하 및 음전하를 포함)일 수 있다. 예를 들어, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 적용된 유체가 음으로 하전된 포스페이트기를 갖는 DNA 분자를 포함한다면, 상기 DNA 분자를 감지 표면 부근으로 또는 감지 표면과 접촉하게 수송하는 것은 음전하를 측정 거리내에 들어오게 하므로, 바이오센서(104)의 출력 신호(들)에 영향을 미친다.
일부 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 다수의 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 이때 상기 트랜지스터들 중 적어도 하나는 생물학적 게이트 트랜지스터(106)이다. 일부 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 전계-효과 감지를 위한 감지 표면을 갖는 센서와 함께, 전계-효과 감지를 이용하지 않는 하나 이상의 추가적인 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 테라헤르츠 분광법, 표면-강화 분광법, 수정 진동자 미량저울, 격자-결합 간섭법 등을 사용하는 다양한 유형의 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 추가의 구성요소, 예를 들어, 유동 셀 또는 유체 추진 기구를 포함할 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 칩 리더 장치(102)는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 구성요소와 통신하는(예를 들어, 상기 구성요소로 전기 신호를 송신하거나 상기 구성요소로부터의 전기 신호를 수신하는) 회로망을 포함한다. 예를 들어, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 한쪽 모서리에서 전기 접촉하는 인쇄 회로 기판에 탑재된, 하나 이상의 생물학적 게이트 트랜지스터(106)를 갖는 칩 또는 집적 회로를 포함할 수 있다. 상기 칩 리더 장치(102) 중의 소켓은 정합 접촉부를 포함할 수 있으며, 따라서 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)가 상기 칩 리더 장치(102)에 연결되거나 또는 상기 장치로부터 제거될 수 있다. 다양한 다른 또는 추가 유형의 연결기를 사용하여 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)와 칩 리더 장치(102) 사이에 분리가능한 연결을 제공할 수 있다.
추가의 실시태양에서, 칩 리더 장치(102)는 데이터 네트워크(120)를 통해 통신하기 위한 회로망을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 칩 리더 장치(102)는 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)를 사용하여 수행된 측정에 관한 정보를 상기 데이터 네트워크를 통하여 컴퓨터 장치(114) 및/또는 원격 데이터 저장소(118)로 통신할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 상기 데이터 네트워크(120)는 인터넷일 수 있거나, 또는 원거리 네트워크, 수도권 네트워크, 근거리 네트워크, 가상 개인 네트워크 등과 같은 또 다른 네트워크일 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 상기 칩 리더 장치(102)는 데이터 네트워크(120)를 통한 통신에 더하여 또는 이를 대신하여 또 다른 방식으로 정보를 통신할 수 있다. 예를 들어, 상기 칩 리더 장치(102)는 정보를 표시 또는 인쇄하거나, 제거 가능한 데이터 저장 장치 등에 정보를 저장할 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 비드 제어 장치(122) 및 측정 제어기(124)는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104) 및/또는 칩 리더 장치(102)에 의해 실행된다.
다양한 실시태양에서, 비드 제어 장치(122)는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 적용된 유체내에 다수의 비드를 전자기적으로 위치시키기 위한 하나 이상의 비드 제어 구성요소를 포함할 수 있다. 비드는, 후속 도면들과 관련하여 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티로 기능화될 수 있으며, 비드를 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 감지 표면의 측정 거리내에 들어오게 하도록 제어될 수 잇다. 따라서, 다양한 실시태양에서, 비드는 분석물에 결합할 수 있고, 분석물을 검출될 감지 표면에 근접하게 가져오도록 전자기적으로 위치할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 비드를 전자기적으로 위치시키는 것은 비드를 이동시키기 위해, 또는 비드의 이동을 제한하거나 억제하기 위해 전기장 및/또는 자기장을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비드를 전자기적으로 위치시키는 비드 제어 구성요소는 자성 비드를 표면 쪽으로 또는 표면에서 떨어져 이동시키거나 또는 자성 비드를 표면 위에 유지시키도록(예를 들어, 비드를 세척하기 위한 유체 흐름동안) 제어될 수 있는 전자석일 수 있다. 또 다른 예로, 비드를 전자기적으로 위치시키는 비드 제어 구성요소는, 각각의 전도체에 상이한 전압을 인가하는 것이 전도체들 사이에 전기장을 형성시켜 전기적으로 하전된 비드를 이동시키거나 또는 비드들을 유인 또는 반발시킴으로 비드의 이동을 제한하도록 구성된 한 쌍의 평행 전도판(또는 다른 전도체)일 수 있다. 전기장 및/또는 자기장을 형성하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 구성요소들을 비드 제어 구성요소로 사용할 수 있다.
추가로, 다양한 실시태양에서, 비드 제어 장치(122)는 비드 제어 구성요소를 제어하기 위한 회로망을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비드 제어 장치(122)는 전력 공급 구성요소, 전류원 또는 전자석을 제어하기 위한 조절기, 전압원 또는 전계판에 전위를 인가하기 위한 조절기, 비드 제어 구성요소에 전력을 인가, 제거 또는 조정하기 위한 제어 회로망 등을 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 여기 조건을, 생물학적 게이트 트랜지스터(106) 또는 정전식 센서를 포함하는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 적용하는 여기 회로망을 포함할 수 있다. 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)로부터의 출력 신호(예를 들어 전류, 전압, 정전용량, 임피던스 등)는 여기 조건 및 감지 표면과 접촉하는 유체의 적용에 반응하여 감지 표면의 측정 거리내의 전하에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 상기 적용된 유체가 비오틴화 DNA를 함유하는 경우, 및 표적 비오틴 모이어티에 결합하는 포획 모이어티를 갖는 비드를 상기 유체 중에서 배양하고 측정 거리내에 들어오게 하는 경우, 비드에 결합된 DNA의 음전하는 상기 출력 신호 중 하나 이상에 영향을 미칠 수 있다. 상기 측정 제어기(124)는 측정 거리내의 전하에 의해 영향을 받는 적어도 하나의 출력 신호의 하나 이상의 측정을 수행하는 측정 회로망을 포함할 수 있다. 측정 제어기(124)의 다양한 실시태양을 하기에 더욱 상세히 기재한다.
일부 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 비드 제어 장치(122) 및/또는 측정 제어기(124)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비드 제어 구성요소, 여기 회로망 및/또는 측정 회로망이, 생물학적 게이트 트랜지스터(106) 또는 정전식 센서와 동일한 칩상에, 또는 동일한 패키지상에, 동일한 인쇄 회로 기판상 등에 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 일부로서 제공될 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 칩 리더 장치(102)는 비드 제어 장치(122) 및/또는 측정 제어기(124)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)와 함께 재사용할 수 있도록 비드 제어 구성요소, 여기 회로망 및/또는 측정 회로망이 칩 리더 장치(102)에 제공될 수 있다.
또 다른 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104) 및 칩 리더 장치(102)는 둘 다 비드 제어 장치(122) 및/또는 측정 제어기(124)의 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 비드를 감지 표면의 측정 거리내에 위치시키기 위해 감지 표면과 가장 근접한 전자석과 같은 비드 제어 장치(122)의 부분을 포함할 수 있고, 상기 칩 리더 장치(102)는 감지 표면에서 비드를 제거하기 위한 전자석과 같은 비드 제어 장치(102)의 다른 부분을 포함할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 비드 제어 장치(122) 및/또는 측정 제어기(124)의 부분을 다앙한 다른 또는 추가의 방식으로 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)와 칩 리더 장치(102) 사이에 배치할 수 있다.
추가로, 시스템(100)은 묘사된 실시태양에서 칩 리더 장치(102)에 연결되거나 상기 장치로부터 제거될 수 있는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)를 포함하지만, 또 다른 실시태양에서 칩-기반 전계효과 바이오센서(104) 및 칩 리더 장치(102)의 기능 및/또는 구성요소는 단일 장치로 통합될 수 있다. 역으로, 일부 실시태양에서, 시스템은 단일 칩 리더 장치(102)보다는 다수의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정 제어기(124)의 여기 회로망 및/또는 측정 회로망은 소스 측정 유닛, 함수 발생기, 바이어스 티, 화학 임피던스 분석기, 잠금 증폭기, 데이터 수집 장치 등과 같은 실험실 벤치 하드웨어를 포함할 수 있으며, 이들은 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 연결될 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 샘플 준비 기구(112)는 샘플 용액(110)을 자동으로 또는 반자동으로 제조하도록 구성된다. 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)를 사용하는 분석을 이용하여 분석물의 존재, 부재 또는 농도와 같은, 샘플 용액 중 분석물의 존재와 관련된 매개변수를 측정할 수 있다. 따라서, 샘플 용액(110)의 제조는 분석물이 존재하거나 존재하지 않을 수 있는 용액을 제조하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 샘플 제조 기구(112)는 분배 로봇 및/또는 유동 시스템과 같은 자동 분배 장비를 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 샘플 제조 기구(112)는 그 자체의 제어기, 및 샘플 제조 매개변수, 예를 들어, 샘플 용액(110)에 대한 배양 시간 및 온도를 설정하기 위한 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 샘플 제조 기구(112)는 데이터 네트워크(120)를 통해 제어될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 장치(114) 또는 측정 제어기(124)는 샘플 제조 기구(112)를 제어할 수 있다.
또 다른 실시태양에서, 시스템(100)은 샘플 제조 기구(112)가 생략될 수 있으며, 샘플 용액(110)을 수동으로 제조할 수 있다. 일부 실시태양에서, 샘플 용액(110)의 제조는 분석물이 관찰될 수 있는(또는 분석물의 부재가 검출될 수 있는) 유체의 샘플을 수득하거나 제조하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 샘플 용액(110)의 제조는 샘플 용액 중에서 비드의 배양을 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 샘플 용액(110)은 추가의 샘플 제조 단계없이 바로 수득된 혈액, 소변, 타액 등과 같은 생물 샘플일 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 샘플 용액(110)을 제조하기 위한 추가의 샘플 제조 단계는 시약의 첨가, 농축 또는 희석, 가열 또는 냉각, 원심분리 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 제조 기법을 사용하여 측정 제어기(124)와 함께 사용하기 위한 샘플 용액(110)을 제조할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 샘플 용액(110)은 하나 이상 유형의 생물분자(108)를 포함할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 생물분자(108)는 거대 중합체성 분자, 예를 들어, 단백질, 폴리사카라이드, 지질, 및 핵산(DNA 및 RNA)뿐만 아니라 소분자, 예를 들어, 1차 대사산물, 2차 대사산물 및 다른 천연 생성물을 포함하여, 생물학적 유기체에 의해 생성되는 임의의 분자일 수 있다. 생물분자(108) 및 다른 분석물은 비드의 포획 모이어티에 결합될 수 있는 표적 모이어티를 포함할 수 있다. 예를 들어, 표적 모이어티는 비오틴 또는 DNA 서열을 포함할 수 있으며, 비오틴-결합 단백질(예를 들어, 스트렙타비딘, 아비딘, 뉴트라비딘 등)에 의해 또는 RNA 유도 Cas 효소에 의해 각각 결합될 수 있다. 비드에 결합된 분석물의 존재 또는 부재, 또는 관련 매개변수는, 비드가 감지 표면의 측정 거리내에 위치할 때 검출될 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 컴퓨터 장치(114)는 분석 모듈(116)을 실행한다. 다양한 실시태양에서, 컴퓨터 장치(114)는 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 스마트폰, 초소형 컴퓨터 장치, 태블릿 컴퓨터 장치, 가상 컴퓨터, 장비에 통합된 내장형 컴퓨터 장치 등일 수 있다. 추가의 실시태양에서, 컴퓨터 장치(114)는 데이터 네트워크(120)를 통해 측정 제어기(124)와 통신할 수 있다. 몇몇 실시태양에서, 분석 모듈(116)은, 하기에 기재되는 바와 같은 측정 제어기(124)에 의해 수행된 보정 및 검출 측정에 기반하여, 샘플 용액(110) 중 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하도록 구성된다. 다양한 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 표적 모이어티의 존재와 관련된 다양한 매개변수, 예를 들어, 표적 모이어티(또는 표적 모이어티를 포함하는 분석물)가 샘플 용액 중에 존재하는지 여부의 표시, 표적 모이어티의 농도, 또는 농도에 상응하거나 농도와 관련된 또 다른 매개변수 등을 측정할 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 측정 제어기(124)로부터 분리되며, 상기 측정 제어기(124)로부터 분리된 컴퓨터 장치(114)에 의해 실행된다. 또 다른 실시태양에서, 상기 분석 모듈(116)은 측정 제어기(124)와 부분적으로 또는 완전히 통합시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 측정 제어기(124)는 특수-목적 논리 하드웨어 및/또는 상기 분석 모듈(116)의 전부 또는 일부를 실행하도록 메모리에 저장된 프로세서 실행 코드를 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 상기 분석 모듈(116)을 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 부분 및/또는 칩 리더 장치(102)의 부분을 형성하는 내장된 프로세서 시스템 또는 다른 집적 회로로서 실행시킬 수 있다. 일부 실시태양에서, 분석 모듈(116)이 측정 제어기(124)와 통합되는 경우, 시스템(100)은 별도의 컴퓨터 장치(114)를 생략할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 원격 데이터 저장소(118)는 측정 제어기(124)로부터 떨어져 있고 데이터를 저장할 수 있는 장치 또는 장치들의 세트일 수 있다. 예를 들어, 상기 원격 데이터 저장소(118)는 하드 디스크 드라이브, 고체-상태 드라이브, 드라이브 배열 등이거나 이를 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 원격 데이터 저장소(118)는 컴퓨터 장치(114)내의 데이터 저장 장치일 수도 있다. 일부 실시태양에서, 원격 데이터 저장소(118)는 네트워크 부착된 스토리지, 스토리지 영역 네트워크 등일 수 있다.
일부 실시태양에서, 측정 제어기(124)(예를 들어, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104) 및/또는 칩 리더 장치(102))는 측정 정보를 원격 데이터 저장소(118)로 전송하는 통신 회로망을 포함할 수 있다. 측정 정보는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)로부터의 측정, 또는 상기 측정에 관한 정보, 예를 들어, 원 측정에 기반하여 계산된 양일 수 있다. 분석 모듈(116)은 원격 데이터 저장소(118)와 통신하여 상기 원격 데이터 저장소(118)에 의해 저장된 정보에 기반한 표적 모이어티의 존재와 관련된 하나 이상의 매개변수를 측정할 수 있다. 추가의 실시태양에서, 상기 분석 모듈(116)은 분석 결과를 상기 원격 데이터 저장소(118)에 저장할 수 있다. 그러나, 또 다른 실시태양에서, 상기 분석 모듈(116)은 상기 측정 제어기(124)로부터 측정 정보를 직접 또는 데이터 네트워크(120)를 통해 수신할 수 있으며, 원격 데이터 저장소(118)를 생략할 수도 있다(예를 들어, 로컬 데이터 저장을 위해).
도 2는 비드 제어 장치(122) 및 측정 제어기(124)에 연결된, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)의 하나의 실시태양을 포함하여, 효소에 의한 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구(200)의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이다. 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)가 상면도로 도시되어 있다. 상기 묘사된 실시태양에서 생물학적 게이트 트랜지스터(106a), 비드 제어 장치(122) 및 측정 제어기(124)는 실질적으로 도 1과 관련하여 전술한 바와 같을 수 있으며, 하기에 추가로 기재한다.
묘사된 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)는 소스(212), 드레인(202), 채널(210), 기준 전극(208), 상대 전극(204), 및 액체 웰(206)을 포함하며, 이들은 하기에 기재된다. 일반적으로, 다양한 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)는 소스(212)와 드레인(202) 사이에서 전류를 전도할 수 있는 적어도 하나의 채널(210)을 포함할 수 있다. 절연-게이트 전계 효과 트랜지스터에서와 같이, 상기 소스(212)와 드레인(202) 사이의 전류는 상기 소스(212)와 드레인(202) 간의 전압차뿐만 아니라 상기 채널(210)의 전도도에 영향을 미치는 몇몇 조건에 따라 변한다. 그러나, 절연-게이트 전계효과 트랜지스터는 게이트 전극이 얇은 유전체층에 의해 상기 채널과 분리되는 고체-상태 장치이며, 따라서 상기 채널 전도도는 게이트-본체(또는 게이트-소스) 전압에 의해 조절된다. 역으로, 다양한 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)에 대한 채널 전도도(및 생성되는 드레인-소스 전류)는 액체-상태 사건에 의해 조절되거나, 게이팅되거나 또는 영향받을 수 있다. 특히, 유체를 상기 채널(210)과 접촉하는 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)에 적용할 수 있으며, 따라서 상기 채널 전도도는 상기 유체내 모이어티의 상태에 의존한다(또는 게이팅되거나 조정된다).
다양한 실시태양에서, 소스(212), 드레인(202), 채널(210), 기준 전극(208), 및 상대 전극(204)을 기판(도시 안 됨), 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 또는 칩의 산화물 또는 다른 유전체층상에 형성시킬 수 있다. 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)의 몇몇 구성요소를 유체와 접촉하도록 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 채널(210), 기준 전극(208) 및 상대 전극(204)의 상부 표면을 유체와의 직접적인 상호작용을 위해 노출시키거나 또는 드러낼 수 있다. 다른 구성요소를 덮거나 또는 상기 유체로부터 전기적으로 절연시킬 수 있다. 예를 들어, 소스(212) 및 드레인(202)을 절연층, 예를 들어, 이산화 규소, 질화 규소, 또는 또 다른 유전체로 덮을 수 있으며, 따라서 상기 유체가 상기 소스(212)와 드레인(202) 사이에 단락 또는 대안적이거나 의도하지 않은 전류 경로를 생성시키지 않으면서, 전류가 채널(210)을 통해 소스(212)와 드레인(202) 사이를 흐른다.
액체 웰(206)은 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)의 다른 구성요소 위의 영역에 적용된 유체를 함유하는 구조물일 수 있다. 예를 들어, 상기 액체 웰(206)은 에폭시, 열경화성 수지, 열가소성 수지 등의 리지일 수 있다. 상기 액체 웰(206)을 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106a) 등을 위한 칩 패키징 중의 개구로서 형성된 기판상에 침착시킬 수 있다.
일부 실시태양에서, 채널(210)은 그래핀과 같은 고도로 민감한 전도성 물질로 제조된다. 추가의 실시태양에서, 그래핀 채널(210)을 화학적 증착(CVD)에 의해 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)상에 침착시킬 수 있다. 일부 실시태양에서, 상기 채널(210)은 강한 평면-내 공유 결합 및 약한 층간 상호작용을 갖는 또 다른 2차원 물질로부터 제조될 수도 있다. 상기와 같은 물질을 반데르 발스 물질이라 칭할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시태양에서, 상기 채널(210)은 그래핀 나노리본(GNR), 2층 그래핀, 포스포렌, 스타닌, 산화 그래핀, 환원된 그래핀, 플루오로그래핀, 몰리브데늄 다이설파이드, 금, 규소, 게르마닌, 위상 절연체 등으로부터 제조될 수 있다. 전도하고 전계 효과 성질을 나타내며, 다양한 용액에 직접 노출될 때 실온에서 안정한 다양한 물질을 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)에 사용할 수 있다. 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)의 채널(210) 형성에 적합할 수 있는 물질은 규소 표면, 탄소 전극, 그래핀, 또는 그래핀 외의 2차원 물질을 포함할 수 있다. 유사한 물질이 또한 전기화학적 또는 정전식 센서에 사용될 수 있다. 다양한 실행에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)를 평면 2차원 반데르 발스 물질로부터 형성된 하나 이상의 채널(210)과 사용하면 탄소 나노튜브와 같은 1차원의 대안물에 비해 제조성이 개선되며 비용이 낮아진다.
소스(212) 및 드레인(202)을, 채널(210)을 통해 전도되는 전류가 상기 드레인(202)에서 상기 소스(212)로, 또는 상기 소스(212)에서 상기 드레인(202)으로 전도되도록 채널(210)의 대향 단부에 배치한다. 다양한 실시태양에서, 상기 소스(212) 및 드레인(202)은 전도성 물질, 예를 들어 금, 백금, 폴리실리콘 등으로 제조될 수 있다. 일부 실시태양에서, 상기 소스(212)를, 상기 소스(212)에 인가된 바이어스 전압(또는 또 다른 바이어스 신호)이 또한 상기 채널(210) 아래의 기판을 바이어스하도록 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)의 기판(예를 들어, 산화물 또는 다른 유전체층 아래의 규소)에 연결시킬 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)는 기판을 바이어스하기 위해 별도의 본체 단자(도시 안 됨)를 포함할 수 있다.
"소스" 및 "드레인"이란 용어는 본원에서 채널(210)과 직접 접촉하는 전도성 영역 또는 전극, 또는 이러한 영역 또는 전극에 연결된 리드, 와이어 또는 기타 전도체를 지칭하는데 사용될 수 있다. 또한 "소스" 및 "드레인"이란 용어는 트랜지스터의 단자에 대한 일반적인 이름으로 사용되지만 반드시 전하 운반체 유형을 의미하지는 않는다. 예를 들어, 그래핀 채널(210)은 다양한 외부 조건(예를 들어, 측정 제어기(124)에 의해 적용되는 여기 조건 및 측정 거리내의 전하)에 따라 전하 운반체로서 전자 또는 정공을 사용하여 전기를 전도할 수 있으며, 상기 전하 운반체는 소스(212)에서 드레인(202)으로, 또는 드레인(202)에서 소스(212)로 흐를 수 있다.
다양한 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)로부터의 하나 이상의 출력 신호는 여기 조건 및 채널 표면의 측정 거리내의 전하에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기에 정의된 바와 같이, 여기 조건은 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)에 적용되는 물리적, 전기적 또는 화학적 조건일 수 있다. 일정한 바이어스 전압(또는 신호), 시변 여기 전압(또는 신호), 온도 조건 등과 같은 여기 조건은 측정 제어기(124)에 의해 생물학적 게이트 트랜지스터(106a) 또는 적용된 유체에 적용될 수 있다. 샘플 용액(110) 중에서 배양된 비드가 감지 표면(예를 들어, 채널 표면)의 측정 거리내에 존재하도록 적용된 유체내에 위치할 때, 측정 거리내의 전하는 표적 모이어티가 비드로 기능화된 포획 모이어티에 의해 포획되었는지 여부(또는 그 정도)에 따라 달라질 수 있으며, 따라서 표적 모이어티의 존재, 부재 또는 농도에 따라 달라질 수 있다. 상기와 같은 전하와 채널(210)의 상호작용은 채널 전도도를 게이팅 또는 조절할 수 있으며, 이는 하나 이상의 출력 신호에 영향을 미친다. 출력 신호는 채널 전류, 전압, 정전용량, 인덕턴스 또는 저항(인가 및 측정된 전압 및 전류에 기반하여 계산), 복소값 임피던스, 복소 임피던스 스펙트럼, 전기화학적 임피던스 스펙트럼, Dirac 전압, 전력 스펙트럼 밀도, 하나 이상의 네트워크 매개변수(예를 들어, S-매개변수 또는 h-매개변수) 등일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다.
일부 실시태양에서, 몇몇 생물분자 또는 모이어티를 채널(210)의 표면에 고정화 또는 기능화시켜 적용된 유체 중에 존재할 수 있는 다른 생물분자 또는 모이어티와 반응시킬 수 있다. 그러나, 측정 거리내에 존재하는 분석물을 포획하고 수송하기 위한 비드의 사용은, 노출되거나 기능화되지 않은 채널(210)에 의해 또는 분석물 또는 표적 모이어티 외의 다른 생물분자 또는 모이어티와 반응하도록 기능화된 채널(210)에 의해 분석물이 검출되게 할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 채널(210)에 적용된 유체는, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)에 대한 하나 이상의 출력 신호가 액체 게이트내의 전하(예를 들어, 측정 거리내의 전하)에 의해 영향받을 수 있기 때문에, 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)에 대한 액체 게이트로서 지칭될 수 있다. 또한, 다양한 실시태양에서, 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)는 액체 게이트의 전압 또는 전위를 검출 및/또는 조정하기 위한 하나 이상의 게이트 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 묘사된 실시태양에서, 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)는 적용된 유체의 전기화학적 전위를 측정하기 위한 기준 전극(208), 및 적용된 유체의 전기화학적 전위를 조정하기 위한 상대 전극(204)을 포함한다.
일부 실시태양에서, 전위는 적용된 유체와 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204) 사이의 계면에서 발생할 수 있다. 따라서, 일부 실시태양에서, 상기 기준 전극(208)은 공지된 또는 안정한 전극 전위를 갖는 물질로 제조될 수 있다. 그러나, 또 다른 실시태양에서, 기준 전극(208)은 일정한 전극 전위를 유지하지 않는 유사-기준 전극일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 유사-기준 전극을 통한 유체의 전기화학적 전위의 측정은 출력 신호로서 또는 상대 전극(204)을 통한 유체의 전기화학적 전위를 조정하기 위한 피드백으로서 여전히 유용할 수 있다. 일부 실시태양에서, 상기 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)은 금 또는 백금과 같은 비-반응성 물질로 제조될 수 있다.
일부 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)는 포토리소그래피 또는 다른 상업적으로 이용가능한 칩 제조 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 열 산화물 층을 규소 기판상에서 성장시킬 수 있고, 소스(212), 드레인(202), 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)과 같은 금속 구성요소들을 상기 열 산화물 층 상에 침착시키거나 또는 패턴화시킬 수 있다. 그래핀 채널(210)을 화학적 증착을 사용하여 형성시킬 수 있다. 통상적인 제조 기법의 사용은, 특히 탄소 나노튜브와 같은 고비용 물질 또는 특수 제조 기법을 사용하는 센서와 비교하여, 저비용의 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)를 제공할 수 있다. 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)의 다양한 다른 또는 추가의 구성 및 생물학적 게이트 트랜지스터(106a)의 제작 방법은 "하드 마스크 코팅을 갖는 그래핀 패턴화"란 표제하의 미국특허 출원 제 15/623,279 호; "그래핀 시트상에 일시적인 보호층 제공"이란 표제하의 미국특허 출원 제 15/623,295 호; "그래핀 전달 시스템"이란 표제하의 미국특허 출원 제 16/522,566 호; 및 "그래핀 시트상에 패시베이션층의 침착"이란 표제하의 미국특허 제 10,395,928 호에 논의되어 있으며; 이들은 각각 본원에 법적으로 허용되는 정도로 내용 전체가 참고로 인용된다.
도 3은 비드 제어 장치(122) 및 측정 제어기(124)에 연결된, 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)의 또 다른 실시태양을 포함한, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구(300)의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이다. 도 2에서와 같이, 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)가 상면도로 도시되어 있다. 묘사된 실시태양에서 생물학적 게이트 트랜지스터(106b), 비드 제어 장치(122) 및 측정 제어기(124)는 실질적으로 도 1 및 2와 관련하여 전술한 바와 같을 수 있으며, 하기에 추가로 기재된다.
묘사된 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)는 소스(312), 다수의 드레인(302), 다수의 채널(210), 기준 전극(308) 및 상대 전극(304)을 포함하며, 이들은 도 2와 관련하여 전술한 소스(212), 드레인(202), 채널(210), 기준 전극(208) 및 상대 전극(204)과 실질적으로 유사할 수 있다(도 2의 액체 웰(206)과 유사한 액체 웰은 도 3에 도시되지 않지만, 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)의 부분으로서 유사하게 제공될 수 있다).
그러나, 묘사된 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)는 다수의 채널(310) 및 다수의 드레인(302)을 포함한다. 다양한 실시태양에서, 다수의 채널(310)은 동종이거나 이종일 수 있다. 예를 들어, 동종 채널(310)은 노출되거나 또는 기능화되지 않은 그래핀이거나, 또는 같은 방식으로 채널에 고정화된 모이어티를 가질 수 있다. 역으로, 이종 채널(310)은 노출된 그래핀과 기능화된 그래핀 채널(310)의 혼합물, 하나보다 많은 방식으로 기능화된 채널(310)의 혼합물(임의로 하나 이상의 기능화되지 않은 채널(310)을 포함한다) 등일 수 있다. 예를 들어, 이종 채널(310)은 비드를 사용한 분석물 검출을 위한 기능화되지 않은 채널들의 부분집합, 및 다양한 다른 또는 추가의 시험을 수행하도록 다양한 모이어티로 기능화된 채널들의 또 다른 부분집합을 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 다수의 이종 채널(310)을 제공하는 것은 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)를 상기 채널(310)의 표면 부근의 사건에 의존하는 다양한 상이한 시험에 유용하게 할 수 있다. 추가로, 다중 채널(310)의 사용은 임의의 개별적인 채널(310)에 대한 손상(예를 들어, 유체를 적용하는데 사용되는 피펫 팁으로부터의 기계적 손상)을 감소시키기 위해 여분을 제공할 수 있으며, 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)를 단일 채널 장치에서보다 더 큰 표면적에 걸친 적용된 유체 중의 전하에 민감하게 할 수 있다.
일부 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)는 채널(310)에 연결된 다수의 드레인(302)을 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 각각의 채널(310)이 독립적으로 바이어스될 수 있도록 채널(310)당 하나의 드레인(302)이 제공될 수 있다. 그러나, 일부 실시태양에서, 채널(310)은 그룹으로 드레인(302)에 연결될 수 있으며, 따라서 한 그룹의 채널(310)은 나란히 함께 바이어스될 수 있지만, 상이한 그룹은 상이하게 바이어스될 수 있다. 예를 들어, 묘사된 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)는 3개의 드레인(302a-c)에 연결된 15개의 채널(310)을 포함하며, 따라서 상기 드레인(302) 중 하나가 5개 채널(310)의 그룹을 바이어스하는데 사용될 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 다수의 채널(310)을 단일 드레인(302)에 나란히 연결시킬 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 채널(310)을 하나의 소스(312)에 나란히 연결시킨다. 일부 측정을 위해서, 상기 소스(312)를 접지(예를 들어, 0볼트, 또는 또 다른 기준 전압)에 연결시킬 수 있다. 그러나, 또 다른 실시태양에서, 채널(310)을 다수의 소스(312)에 연결시킬 수 있으며, 이는 상이한 소스 바이어스로 상이한 측정을 수행하게 한다. 예를 들어, 채널(310)을 다수의 드레인(302)에 대해 전술한 바와 같이 개별적으로 또는 그룹으로 다중 소스(312)에 연결시킬 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 기준 전극(308) 및 상대 전극(304)을 채널(310)이 상기 기준 전극(308)과 상대 전극(304) 사이에 있도록 배치시킨다. 이 배열에서, 액체 게이트의 전기화학적 전위는 상대 전극(304)을 통해 조정되고 기준 전극(308)을 통해 모니터링될 수 있으며, 따라서 채널(310) 부근의 전기화학적 전위가 상기 조정 및/또는 모니터링된 전위에 가깝다. 추가로, 묘사된 실시태양에서, 상대 전극(304)은 채널(310) 또는 기준 전극(308)보다 훨씬 더 커서, 상대 전극(304)을 통해 이루어진 액체 게이트의 전기화학적 전위에 대한 조정이 넓은 표면적에 걸쳐, 다량의 적용된 유체에서 빠르게 발생한다.
도 2 및 3은 개별적인 생물학적 게이트 트랜지스터(106a), (106b)를 도시하지만, 다양한 실시태양에서 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 동종으로 또는 이종으로 구성될 수 있는 다수의 생물학적 게이트 트랜지스터(106) 및/또는 정전식 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 생물학적 게이트 트랜지스터(106b)의 다중 채널(310)에 대해 전술한 동종 또는 이종 구성은, 각각 고유한 독립 소스, 드레인, 기준 및 상대 단자를 갖는 다중의 생물학적 게이트 트랜지스터(106)에 유사하게 적용될 수 있다.
도 4 및 5는 비드(424), (524) 및 비드 제어 구성요소(422), (522)의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구(400), (500)의 추가의 실시태양을 예시하는 도식적 블록 다이어그램이다. 묘사된 실시태양에서, 상기 기구(400), (500)는 비드 제어 장치(122) 및 측정 제어기(124)에 연결된, 생물학적 게이트 트랜지스터(106c)의 추가의 실시태양을 포함한다. 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106c)는 측면에서의 단면도로 도시되어 있다. 묘사된 실시태양에서 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106c), 측정 제어기(124), 비드 제어 장치(122), 비드 제어 구성요소(422) 및 비드(424)는 실질적으로 도 1 내지 3과 관련하여 전술한 바와 같을 수 있으며, 하기에 추가로 기재된다.
묘사된 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106c)는 소스(412), 드레인(402), 채널(410), 기준 전극(408), 상대 전극(404), 및 액체 웰(406)을 포함하며, 이들은 실질적으로 전술한 바와 같을 수 있다. 묘사된 실시태양에서, 상기 채널(410)은 기판(418) 위에 배치된 2차원 그래핀 영역이다. 상기 소스(412) 및 드레인(402)은 상기 채널(410)과 접촉하여 형성되고 유전체(416)(예를 들어, 질화 규소)로 덮인다. 유체(414)는 상기 채널(410)의 표면(420)과 접촉하여 적용되며, 상기 표면은 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 감지 표면(420)이다. 예를 들어, 상기 유체(414)는 액체 웰(406)에 피펫팅(또는 삽입)되어, 상기 감지 표면(420), 기준 전극(408), 및 상대 전극(404)을 접촉할 수 있다. 상기 유전체(416)는 상기 소스(412)와 드레인(402)을 유체(414)로부터 전기적으로 절연시키며, 따라서 상기 소스(412)와 드레인(402) 사이의 전류는 상기 적용된 유체(414)를 직접 통과하기 보다는 채널(410)을 통과한다.
묘사된 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 소스(412), 드레인(402), 기준 전극(408) 및 상대 전극(404)에 연결된다. 다양한 실시태양에서, 상기 측정 제어기(124)는 여기 조건을 상기 소스(412), 드레인(402), 및/또는 상대 전극(404)을 통해 생물학적 게이트 트랜지스터(106c)에 적용할 수 있다. 추가의 실시태양에서, 상기 측정 제어기(124)는 상기 소스(412), 드레인(402), 및/또는 기준 전극(408)을 통해 상기 생물학적 게이트 트랜지스터(106c)로부터의 하나 이상의 출력 신호의 측정을 수행할 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 유체(414)는 비드 제어 구성요소(422), (522)에 의해 상기 유체(414)내에 전자기적으로 위치할 수 있는 다수의 비드(424), (524)를 포함한다. 포획 모이어티 및 표적 모이어티는, 비드(424), (524) 및 비드 제어 구성요소(422), (522)의 다른 태양들을 보다 명확하게 묘사하기 위해 도 4 및 5에는 도시되어 있지 않지만, 도 6과 관련하여 하기에 더 상세히 기재된다.
하나의 실시태양에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 비드(424)는 자성이다. 도 4에서 비드(424) 위의 화살표는 비드(424)에 대한 자기 쌍극자의 방향을 가리킨다. 추가로, 묘사된 실시태양에서, 비드 제어 장치(122)는 비드 제어 구성요소(422)를 포함하거나 이에 연결되며, 상기 구성요소는 묘사된 실시태양에서 전자석(422a), (422b)이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비드 제어 장치(122)는 상기 전자석(422) 중 어느 것에도 전력을 공급하지 않고 있으며, 비드(424)는 반드시 어느 한 특정 자기장으로 배향되지는 않는다. 예를 들어, 비드(424)의 지구자기장과의 자성 상호작용은 유체(414)내의 다른 힘들보다 더 약할 수 있다. 그러나, 비드 제어 장치(122)가 전자석(422)을 작동시키면, 비드(424)는 인가된 자기장으로 배향되어 작동시작된 전자석(422)으로 유인될 것이다.
자성 비드(424)와 함께, 비드 제어 구성요소(422)는 감지 표면(420) 쪽으로의 제1 방향으로 비드를 이동시키도록 위치한 제1 전자석(422b), 및 감지 표면(420)으로부터 멀어지는 제2 방향으로 비드를 이동시키도록 위치한 제2 전자식(422a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 묘사된 실시태양에서, 전자석(422b)은 감지 표면(420) 아래에 위치하며, 비드를 감지 표면(420) 쪽으로 이동시키거나 비드를 제자리에 유지시킴으로써 감지 표면(420)의 측정 거리내에 비드(424)를 위치시키도록 제어될 수 있다. 역으로, 전자석(422a)은 유체(414) 위에 위치하며, 감지 표면(420)의 측정 거리보다 더 멀리에 비드(424)를 위치시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 유체(414)의 표면 장력에 대한 전자석(422a)과 비드(424)간의 자성 상호작용의 강도에 따라서, 전자석(422)은 비드(424)를 감지 표면(420)으로부터 멀리, 유체(414)의 상부 표면쪽으로 유인할 수 있거나, 또는 비드(424)를 유체(414)로부터 완전히 제거할 수 있다(예를 들어, 샘플 용액 중에서 배양하지 않은 비드를 배양된 비드로 대체할 수 있도록).
또 다른 실시태양에서, 도 5에 묘사된 바와 같이, 비드(524)는 전기적으로 하전된다. 도 5에서 비드(524) 위의 플러스 부호는 상기 비드가 양전하를 가짐을 나타낸다. 그러나, 또 다른 실시태양에서 비드는 음전하를 가질 수도 있다. 추가로, 묘사된 실시태양에서, 비드 제어 장치(122)는 하나 이상의 비드 제어 구성요소(522)를 포함하거나 상기 구성요소에 연결된다. 하전된 비드(524)를 사용하여, 비드 제어 장치(122)는 전기장이 비드(524)를 이동시키도록 제어한다. 예를 들어, 묘사된 실시태양에서, 비드 제어 장치(122)는 전계판(522a), (522b)을 사용하여 전기장을 인가시킨다. 비드 제어 장치(122)는, 생성된 전기장이 비드(524)를 이동시키거나 위치시키도록 전계판(522a), (522b)을 가로질러 전압차를 적용할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 전계판(522)은 전위 구배가 전기장을 야기하도록 전위가 인가될 수 있는 임의의 전도체일 수 있다. 예를 들어, 묘사된 실시태양에서, 전계판(522)은 생물학적 게이트 트랜지스터(106c) 위 아래의 전도체이다. 그러나, 또 다른 실시태양에서, 생물학적 게이트 트랜지스터(106c)내의 전도체를 사용하여 전기적으로 하전된 비드(524)를 이동시키거나 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 채널(410) 또는 채널 아래 기판(418)에 인가된 전위를 사용하여 비드(524)를 표면(420) 쪽으로 유인하거나 또는 표면(420)으로부터 멀리 반발시킬 수 있다. 따라서, 상기 채널(410) 또는 기판(418)은 비드(524)를 이동시키는 전기장을 생성하는 비드 제어 구성요소(522)로 사용될 수 있다.
도 6은 하나의 실시태양에서의 비드(624)를 예시하는 다이어그램이다. 묘사된 실시태양에서, 비드(624)는 도 4와 관련하여 전술한 자성 비드(424)와 실질적으로 유사한 자성 비드일 수 있거나, 또는 도 5와 관련하여 전술한 하전된 비드(524)와 실질적으로 유사한 전기적으로 하전된 비드일 수 있다. 다양한 실시태양에서, 비드(624)는 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티(626)로 기능화될 수 있다. 다양한 포획 모이어티가 본원에 기재되어 있으며, 도 6에 비드(624)의 표면으로부터 뻗어 있는 선으로 표시되어 있다. 도 6은 포획 포이어티(626)로 기능화된 2개의 비드(624)를 도시하고 있으며, 여기에서 제1 비드(624a)는 분석물과 함께 배양되지 않았고 제2 비드(624b)는 분석물(628)을 함유하는 용액중에서 배양되어, 비드(624b)의 포획 모이어티(626) 중 하나 이상이 분석물(628)의 표적 모이어티에 결합하였다. 일부 실시태양에서, 표적 모이어티는, 상기 표적 모이어티가 본래 분석물(628)의 구성요소로서 존재하거나 또는 샘플 용액(110)이 표적 모이어티를 분석물(628)에 결합시키도록 예비-처리되었기 때문에, 분석물(628)의 이미 알고 있는 모이어티일 수 있다. 묘사된 실시태양에서, 분석물(628)은 DNA이고, 표적 모이어티는 뉴클레오티드의 특정 서열, DNA 분자에 결합된 비오틴 분자 등일 수 있다. 다양한 다른 유형들의 분석물(628) 및 상응하는 표적 모이어티가 다양한 포획 모이어티(626)에 결합될 수 있다.
다양한 실시태양에서, 포획 모이어티(626)는 표적 모이어티에 결합하는 친화성을 갖는 임의의 모이어티일 수 있다. 특정 포획 모이어티(626)를 갖는 비드(624)를, 분석물(628)의 이미 알고 있는 표적 모이어티에 기반하여 기구 또는 시스템에서 분석물(628)의 수송을 위해 선택할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 포획 모이어티(626)는 항체, 비오틴-결합 단백질(예를 들어, 스트렙타비딘, 뉴트라비딘, 아비딘, 캡타비딘 등), 비오틴, 아연 집게 단백질 또는 CRISPR Cas 계열 효소, 핵산 등을 포함할 수 있다. 특정한 포획 모이어티(626)는 특정한 상응하는 표적 모이어티에 결합할 수 있다. 예를 들어, 항체는 항원에 결합할 수 있고, 비오틴-결합 단백질은 비오틴에 결합할 수 잇고, 아연 집게 단백질 또는 CRISPR Cas 계열 효소는 핵산에 결합할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 포획 모이어티(626)를 사용하여 다른 또는 추가의 표적 모이어티와 결합할 수 있다. 포획 모이어티(626)는 포획 모이어티를 비드(624)의 표면에 결합 또는 연결시킴으로써 비드(624)로 기능화될 수 있다. 상이한 포획 모이어티들(626)로 기능화된 다양한 비드(624)는 상업적으로 이용할 수 있다.
도 7 내지 10은 도 4에서 점선으로 윤곽이 그려진 영역의 상세도이다. 도시된 영역은 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 감지 표면(420)(예를 들어, 생물학적 게이트 트랜지스터(106)의 채널(410)의 표면, 또는 정전식 전기화학 센서의 작업 전극 표면) 위에 있다. 도 4 내지 6과 관련하여 전술한 바와 같은 비드(624)(예를 들어, 자성 비드 또는 전기적으로 하전된 비드)와 함께, 감지 표면 위에 적용된 유체(414)가 도시되어 있다. 동일한 영역이 연속 도면 7 내지 10에 측정 또는 분석 과정에서 연달아 도시되어 있다. 도 6에 선으로 도시된 포획 모이어티(626)는 측정 또는 분석 과정의 다른 태양들을 묘사하는데 있어 편의상 도 7 내지 10에서는 도시되어 있지 않다. 그럼에도 불구하고, 도 7 내지 10에 도시된 바와 같은 비드(624)는 전술한 바와 같은 포획 모이어티(626)으로 기능화된다. 점선은 측정 거리(730)를 나타내며, 따라서 적어도 부분적으로 점선 아래에 있는 비드(624)는 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하고, 완전히 점선 위에 있는 비드(624)는 측정 거리(730)내에 존재하지 않는다. 도 7 내지 10에서, 도 6에서와 같이, 참조 번호 (624a)는 포획 모이어티가 표적 모이어티에 결합하지 않은 비드(624)를 나타내는데 사용되고, 참조 번호 (624b)는 포획 모이어티가 표적 모이어티에 결합한 비드(624)를 나타내는데 사용되므로, 비드(624b)는 분석물(628)에 결합된다.
도 7은 보정 측정시의 비드(624)의 제1 세트를 도시하고 있다. 측정 제어기(124)는 비드 제어 장치(122)를 작동시켜 비드(624)를 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 위치시킨다. 비드(624)의 제1 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양하지 않았으므로, 비드(624)는 분석물(628)에 노출되거나 결합되지 않았다.
묘사된 실시태양에서, 비드의 제1 세트 중 비드(624)의 양은 보정 측정시 측정 거리(730)내에 비드의 단일 층을 형성하기에 충분하다. 또 다른 실시태양에서, 비드(624)의 양은 측정 거리(730)내에 비드(624)의 부분 층을 형성할 수 있으며, 이는 감지 표면(420)의 일부가 비드(624)로 덮이지 않게 한다. 또 다른 실시태양에서, 비드의 제1 세트 중 비드(624)의 양은 감지 표면(420) 위에 비드의 다중 층을 형성하기에 충분하다. 하나 이상의 층이 측정 거리(730)내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 비드(624)의 직경이 측정 거리(730)의 대략 절반이면, 비드(624)의 2개 층이 측정 거리내에 적층될 수 있다.
보정 측정을 수행하기 위해, 측정 제어기(124)는 바이오센서(104)에 여기 조건을 적용하기 위한 여기 회로망을 사용하고, 측정 거리(730)내의 전하에 의해 영향을 받는 바이오센서(104)로부터 하나 이상의 출력 신호를 측정하기 위한 측정 회로망을 사용한다. 비드(524)의 제1 세트는 샘플 용액 중에서 배양하지 않았기 때문에, 보정 측정은 측정 제어기(124)가, 분석물에 의해 영향받을 수 있는 출력 신호와의 추후 비교를 위해, 분석물에 영향을 받지 않는 출력 신호를 측정하고 기록하게 한다.
도 8은 감지 표면(420)으로부터 제거된 비드(624)의 제1 세트를 도시하고 있다. 측정 제어기(124)는 비드 제어 장치(122)를 작동시켜 비드(624)를 감지 표면(420)으로부터 멀리 이동시킨다. 예를 들어, 비드 제어 장치(122)는 전자석(422a)을 작동시켜 전자석 비드를 감지 표면(420)으로부터 멀리 유인할 수 있거나, 또는 전기장을 제어하여 하전된 비드를 감지 표면(420)으로부터 멀리 이동시킬 수 있다. 도 8은 감지 표면(420)으로부터 제거된 것을 나타내기 위해 도시된 영역의 상단에 비드(624)를 도시하고 있지만, 감지 표면(420)으로부터 제거된 실제 비드(624)는 도시된 영역으로부터 이동하고, 유체(414)의 벌크를 통해 분산되고, 감지 표면(420)으로부터 떨어져 유체(414)내의 특정 위치에 위치되고, 유체(414)로부터 제거되거나 할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 보정 측정 후에 감지 표면(420)으로부터 비드(624)의 제1 세트의 제거는 비드(624)의 제2 세트를 사용한 후속 측정을 위해 감지 표면(420)을 깨끗하게 한다.
도 9는 샘플 용액(110) 중 비드(624)의 제2 세트의 배양을 도시하고 있다. 샘플 용액(110)은 검출될 분석물(628)을 함유할 수 있거나, 또는 분석물은 샘플 용액(110) 중에 존재하지 않을 수도 있다(이 경우, 분석은 분석물(628)이 부재하는 지를 측정할 수 있다). 샘플 용액 중에서의 비드(624)의 배양은, 분석물이 실제 샘플 용액(110)에 존재하는 경우, 비드의 포획 모이어티(626)가 분석물의 표적 모이어티에 결합하게 한다.
다양한 실시태양에서, 샘플 용액(110) 중에서 배양된 비드(624)의 제2 세트는 보정 측정에 사용된 비드(624)의 제1 세트와 동일한 비드 세트일 수 있거나, 또는 상이한 비드 세트일 수 있다. 묘사된 실시태양에서, 비드의 제2 세트는 비드의 제1 세트와 동일하다. 상기 실시태양에서 제2 세트는 비드의 제1 세트를 샘플 용액(110) 중에서 배양함으로써 생성된다. 예를 들어, 비드의 제1 세트는 감지 표면(420)에 적용된 유체(414)로부터 제거되고 샘플 용액 중에서 별도로 배양될 수 있다. 대안적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 비드(624)는 샘플 용액(110)을 적용된 유체(414)에 첨가함으로써 또는 샘플 용액(110)을 적용된 유체(414)와 교환함으로써 원위치 배양될 수 있다. 비드(624)가 바이오센서(104)로부터 제거되지 않도록 유체 교환시 비드 제어 구성요소(422), (522)를 사용하여 비드를 제 자리에 유지시킬 수 있다.
또 다른 실시태양에서, 비드(624)의 제2 세트는 제1 세트의 비드와 상이한 세트일 수 있으며, 샘플 용액(110) 중에서 비드의 제1 세트와 별개로 비드를 배양함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 비드(624)의 제1 세트 및 제2 세트는 각각 비-배양 및 배양된 비드(624)의 상이한 세트일 수 있다. 샘플 용액(110) 중 비드의 별개 세트의 배양은 유체(414)와 별개의 샘플 용액(110)을 사용하여 실시될 수 있다(예를 들어, 별개의 용기에서). 비드(624)의 제2 세트는 이어서 샘플 용액(110)에서 제거된 후 이들을 감지 표면(420)에 적용된 유체(414)에 첨가할 수 있다. 그러한 경우에, 비드(624)의 제1 세트는 비드(624)의 제2 세트를 수반하는 측정을 방해하지 않도록 유체(414)로부터 완전히 제거되었을 수 있다. 제2 세트가 제1 세트와 별개인 샘플 용액(110) 중 비드의 제2 세트의 배양은, 배양이 보정 측정(제1 세트 사용) 전에 또는 상기 보정 측정 동안 일어나게 한다.
배양 단계에서, 분석물(628)이 샘플 용액(628) 중에 존재하는 경우, 비드(624)의 표면은 분석물에 노출될 수 있으며, 따라서 비드(624)의 포획 모이어티는 분석물(628)의 표적 모이어티에 결합한다. 따라서, 도 9는 분석물(628)에 아직 결합되지 않은 일부 비드(624a) 및 분석물(628)에 결합된 다른 비드(624b)를 도시하고 있다. 몇몇 실시태양에서, 비드(624)의 제2 세트 중의 비드는 집합적으로 감지 표면(420)보다 큰 표면적을 가질 수 있다. 추가로, 비드가 샘플 용액(110)내에서 이동할 때, 분석물(628)(존재하는 경우)은 감지 표면(420)에 접촉하는 것보다 더 자주 비드(624)의 표면에 접촉할 수 있다. 따라서, 감지 표면(420)을 포획 모이어티(626)로 기능화시키는 대신 비드(624)를 포획 모이어티(626)로 기능화시키면 최종 검출을 위해 분석물을 표면에 결합시킬 더 많은 기회를 제공할 수 있다. 추가로, 포획 모이어티(426)로 기능화된 비드(624)는 노출되거나 기능화되지 않은 감지 표면(420)에 사용될 수 있으며, 이는 상이한 포획 모이어티를 수반하는 다중 분석이 다중 유형의 바이오센서(104)가 필요없이 수행될 수 있게 한다.
몇몇 실시태양에서, 비드(624)는 배양 후에, 및 도 10과 관련하여 하기에 기재되는 검출 측정을 수행하기 전에 세척될 수 있다. 비드(624)의 세척은 포획 모이어티(626)에 의해 비드에 결합되지 않은 이온, 분자 또는 모이어티를 제거하여, 후속 검출을 위해 비드(624)에 결합된 임의의 분석물(628)을 효과적으로 정제할 수 있다. 비드는 보정 측정을 위해 바이오센서에 초기에 적용된 유체(414)와 유사하거나 동일한 유체 중에서 세척될 수 있다. 예를 들어, 유체(414)는 완충 용액, 정제수 등일 수 있다. 샘플 용액(110)을 유체에 첨가함으로써 비드를 원위치 배양한 경우, 세척은 비드 제어 구성요소(422), (522)를 사용하는 것을 포함할 수 있고, 이를 사용하여 새 유체(414)와의 유체 교환시 비드를 제자리에 유지시킬 수 있다. 비드를 별도의 용기에서 배양한 경우, 세척은 유사하게, 샘플 용액(110)을 비드(624)로부터 떨어져 세정하면서, 비드가 유실되지 않도록 비드(624)를 자기적 또는 전기적으로 고정하는 것을 수반할 수 있다.
도 10은 검출 측정시의 비드(624)의 제2 세트를 도시하고 있다. 묘사된 실시태양에서, 분석물(628)은 샘플 용액 중에 존재하였고, 비드(624b)의 적어도 일부에 결합된다. 측정 제어기(124)는 비드 제어 장치(122)를 작동시켜 비드(624)를 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 위치시킨다. 비드(624)의 제2 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양되었기 때문에, 분석물(628)은 비드(624b)의 적어도 일부에 결합된다. 따라서, 비드의 제2 세트를 측정 거리(730) 내로 가져오면 또한 분석물(628)의 적어도 일부를 감지 표면(420)의 측정 거리 내로 가져온다. (역으로, 분석물이 샘플 용액(110) 중에 존재하지 않는 경우, 비드는 분석물(628)에 결합되지 않을 것이며, 검출 측정은 보정 측정과 유사할 것이다).
제2 세트 중 비드(624)의 양은 제1 세트 중의 양과 유사하여, 보정 측정과 관련하여 전술한 바와 같이, 측정 거리내에 비드의 단일 층, 비드의 부분 층, 또는 비드의 다중 층을 형성할 수 있다.
검출 측정을 수행하기 위해, 측정 제어기(124)는 바이오센서(104)에 여기 조건을 적용하기 위한 여기 회로망을 사용하고, 측정 거리(730)내의 전하에 의해 영향을 받는 바이오센서(104)로부터 하나 이상의 출력 신호를 측정하기 위한 측정 회로망을 사용한다. 따라서, 제1 세트 및 제2 세트에 유사하거나 동등한 양의 비드(624)를 사용하고, 유사하거나 동등한 유체(414)를 사용하여, 보정 측정과 검출 측정 사이의 하나 이상의 출력 신호의 차이가, 존재하는 경우, 분석물(628)에 의해 야기될 수 있다. 보정 측정과 검출 측정 사이의 더 큰 차이는 분석물(628)의 더 큰 양에 상응할 수 있다.
따라서, 몇몇 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 샘플 용액(110) 중 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정할 수 있다. 예를 들어, 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수는 표적 모이어티 또는 표적 모이어티를 함유하는 분석물의 존재, 부재, 양 또는 농도의 지표일 수 있다.
도 11은, 실질적으로 전술한 바와 같을 수 있는, 비드 제어 장치(122) 및 측정 제어기(124)의 실시태양을 포함하는, 분석물의 수송 및 검출을 위한 기구(1100)의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 블록 다이어그램이다. 묘사된 실시태양에서 비드 제어 장치(122)는 전자석(422) 또는 전계판(522)과 같은 하나 이상의 비드 제어 구성요소를 포함하거나 이들과 연통되어 있다. 묘사된 실시태양에서, 비드 제어는 유인 회로망(1102) 및 제거 회로망(1104)을 포함한다.
다양한 실시태양에서, 유인 회로망(1102)은 비드 제어 구성요소에 전력을 공급하고 작동시켜 비드(624)를 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 위치시키기 위한 전력 회로망 및/또는 제어 회로망(예를 들어, 컴퓨터 제어를 위한 프로세서를 포함)을 포함한다. 유인 회로망(1102)은 보정 측정 및 검출 측정을 위해 작동되어 비-배양 및 배양 비드를 각각 측정 거리내에 위치시킬 수 있다.
다양한 실시태양에서, 제거 회로망(1104)은 비드 제어 구성요소에 전력을 공급하고 작동시켜 비드를 감지 표면(420)으로부터 제거하기 위한 전력 회로망 및/또는 제어 회로망(예를 들어, 컴퓨터 제어를 위한 프로세서를 포함)을 포함한다. 제거 회로망(1104)은 보정 측정과 검출 측정 사이에 작동될 수 있으며, 이는 배양된 비드의 감지에 앞서 비-배양 비드가 감지 표면(420)으로부터 제거되게 한다. 측정 제어기(124)는 보정 측정 및 검출 측정시에 및 보정 측정과 검출 측정 사이에 비드를 위치시키도록, 유인 회로망(1102) 및/또는 제거 회로망(1104)을 포함하는 비드 제어 장치(122)와 연통될 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 여기 회로망(1106) 및 측정 회로망(1108)을 포함한다. 도 11에 점선으로 나타낸 특정한 구성요소는 묘사된 실시태양에는 포함되지만 또 다른 실시태양에서는 생략될 수 있다. 묘사된 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 분석 모듈(116), 통신 회로망(1110), 온도 조절 회로망(1112) 및 유동 장치(1114)를 포함한다. 묘사된 실시태양에서 측정 제어기(124) 및 분석 모듈(116)은 실질적으로 선행 도면들과 관련하여 전술한 바와 같을 수 있다.
다양한 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 감지 표면을 포함하는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 여기 조건을 적용하기 위해 여기 회로망(1106)을 사용할 수 있고, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)로부터의 하나 이상의 출력 신호들 중 적어도 하나의 하나 이상의 측정을 수행하기 위해 측정 회로망(1108)을 사용할 수 있다. 출력 신호(들)은 여기 조건, 및 감지 표면의 측정 거리내의 전하에 의해 영향을 받을 수 있다.
일부 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 측정 회로망(1108)으로부터의 하나 이상의 측정에 기반하여 샘플 용액(110) 중 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하기 위한 분석 모듈(116)을 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 분석 모듈(116)을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시태양에서 분석 모듈(116)은 측정 제어기(124)와 분리된 컴퓨터 장치(114)에 의해 실행될 수 있다. 일부 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 측정 회로망(1108)으로부터의 측정 또는 상기 측정에 기반한 정보를 원격 데이터 저장소(118)로 전송하는 통신 회로망(1110)을 포함할 수 있다.
묘사된 실시태양에서, 여기 회로망(1106)은 칩-기반 전계효과 바이오센서(104) 또는 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 세트에 하나 이상의 여기 조건을 적용하도록 구성된다. 다양한 실시태양에서, 상기 여기 조건은 생물학적 게이트 트랜지스터(106)에 적용되는 물리적, 화학적, 또는 전기적 조건, 예를 들어, 전압, 진폭, 주파수, 진폭, 위상, 또는 전기 또는 전기화학적 여기를 위한 파형, 온도, 유체 유량 등일 수 있다. 여기 회로망(1106)은 하나 이상의 여기 조건을 적용, 조정, 제거 또는 달리 조절하는 임의의 회로망일 수 있다.
일부 실시태양에서, 여기 조건은 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 인가된 하나 이상의 전기 신호(또는 상기 바이오센서와 접촉하는 유체에 인가된 전기화학적 전위), 예를 들어, 정전압 바이어스 또는 시변 여기 신호를 포함할 수 있다. 여기 회로망(1106)은 (예를 들어, 소스(212), 드레인(202), 또는 상대 전극(204)을 통해) 바이어스 또는 다른 여기 신호를 생성하거나 또는 이들을 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 연결시킬 수 있다. 따라서, 다양한 실시태양에서, 여기 회로망(1106)은 전원, 전압 소스, 전류 소스, 발진기, 증폭기, 함수 발생기, 바이어스 티(예를 들어, 진동 파형에 DC 오프셋 부가를 위한), 입력/출력 핀을 조절하기 위한 코드를 실행하는 프로세서, 소스 측정 유닛의 신호 생성 부분, 잠금 증폭기, 네트워크 분석기, 화학적 임피던스 분석기 등과 같은 바이어스 또는 여기 신호를 생성시키거나 조절할 수 있는 임의의 회로망을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 실시태양에서 여기 회로망(1106)은 프로그래밍 가능 바이어스를 생성하고 적용하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 회로망을 포함할 수 있다.
일부 실시태양에서, 여기 조건은 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 적용된 유체에 대한 온도를 포함할 수 있으며, 여기 회로망(1106)은 온도 조절 회로망(1112)을 사용하여 온도를 조절할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 온도를 조절하는 것은 온도를 증가 또는 감소시키는 것(예를 들어, 생화학적 상호작용의 온도에 민감한 태양을 검출하거나 분석하기 위해), 표적 온도의 범위 또는 부근에서 온도를 유지하는 것, 피드백 기반 조절을 위해 온도를 모니터링하는 것 등을 포함할 수 있다. 따라서, 온도 조절 회로망(1112)은 유체 및/또는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 온도를 변화시킬 수 있는 임의의 회로망을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시태양에서, 온도 조절 회로망(1112)은 저항 가열기, 저항 가열기 중의(또는 채널(210) 자체 중의) 전류를 조절하기 위한 주울 가열 조절기, 고체 상태 열 펌프, 서미스터 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 실시태양에서 온도 조절 회로망(1112)은 온도의 조절 또는 측정을 위해 다양한 다른 또는 추가의 회로망을 포함할 수 있다.
추가로, 일부 실시태양에서, 여기 회로망(1106)은 전기 신호 및/또는 온도 이외의 또는 상기에 더하여 여기 조건을 적용시키기 위해 하나 또는 추가의 회로망을 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기 회로망(1106)은 자기 여기를 위한 전자석, 임의의 목적하는 파장의 광 방사체, 방사성 소스, 자외선광, x-선, 감마선, 전자광선 등의 방사체, 초음파 변환기, 기계적 교반기 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 유형의 여기 회로망(1106)을 사용하여 다양한 다른 또는 추가의 여기 조건을 적용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 대한 하나 이상의 출력 신호는, 감지 표면의 측정 거리내의 전하에 의해 영향을 받거나 이에 민감할 수 있다. 간단한 예로서, 일정한 드레인-소스 바이어스 전압을 포함하는 여기 조건에서, 측정 거리내의 전하는 출력 신호, 예를 들어, 드레인-소스 전류, 감지 표면(420)에 형성된 이온 이중층의 정전용량(예를 들어, 드레인(202)과 기준 전극(208) 사이에서 측정된 바와 같음) 등에 영향을 미칠 수 있다. 측정 거리내의 전하에 의해 영향을 받고 측정될 수 있는 다양한 출력 신호는, 생물학적 게이트 트랜지스터(106)에 대한 채널(210)의 복소 저항(예를 들어, 임피던스), 채널(210)을 통한 전류, 채널(210)에 걸친 전압 강하, 채널(210)과 액체 게이트 간의 연결(예를 들어, 상대 전극(204) 및/또는 기준 전극(208)을 통해 바이어스되고/되거나 측정됨), 전기(채널) 및/또는 전기화학적(액체 게이트) 전압, 전류, 저항, 정전용량, 인덕턴스, 복소 임피던스, 네트워크 매개변수(예를 들어, 네트워크 분석기를 사용하여 측정된 S-매개변수 또는 h-매개변수), Dirac 전압(예를 들어, 그래핀 채널(210)에서 채널 전류를 최소화하는 액체 게이트 전압), 전하 운반체 이동성, 접촉 저항, 동적 인덕턴스, 전력 스펙트럼 밀도, 전기 임피던스 스펙트럼, 전기화학적 임피던스 스펙트럼과 같은 다중 측정에 기반한 스펙트럼 등을 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 측정 회로망(1108)은 하나 이상의 출력 신호의 측정을 수행할 수 있는 임의의 회로망을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시태양에서, 측정 회로망(1108)은 전치 증폭기, 증폭기, 필터, 전압 추적기, 데이터 수집(DAQ) 장치 또는 보드, 센서 또는 변환기 회로망, 신호 조정 회로망, 아날로그-디지털 전환기, 입력/출력 핀을 통해 신호를 수신 및 처리하기 위해 코드를 실행하는 프로세서, 소스 측정 유닛의 측정 부분, 잠금 증폭기, 네트워크 분석기, 화학적 임피던스 분석기 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 실시태양에서 측정 회로망(1108)은 출력 신호의 측정을 수행하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 회로망을 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 여기 회로망(1106) 및/또는 측정 회로망(1108)의 부분 또는 구성요소는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104), 칩 리더 장치(102), 또는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 연결된 별도의 장치(예를 들어, 실험실 벤치 시험 및 측정 장비)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 여기 회로망(1106)용 저항 가열기 구성요소와 같은 일회용 구성요소는 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)에 배치될 수 있는 반면, 복잡한 파형을 생성시키거나 분석하기 위한 디지털 신호 처리 회로망과 같은 다회용 구성요소는 칩 리더 장치(102)에 배치될 수 있다. 여기 회로망(1106) 및/또는 측정 회로망(1108)의 부분 또는 구성요소를 배치하거나 배열하는 다양한 다른 방식이 다양한 다른 실시태양에 사용될 수 있다.
일부 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 측정 회로망(1108)에 의해 수행된 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하도록 구성된다. 이러한 매개변수는 표적 모이어티가 샘플 용액(110)에 존재하는지 여부의 표시, 표적 모이어티의 농도 또는 상기 농도에 상응하거나 이와 관련된 다른 매개변수 등을 포함할 수 있다. 다양한 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 보정 및 검출 측정에 기반하여 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하기 위해 공지된 정량분석 방법을 포함한 다양한 방법을 사용할 수 있다. 분석 모듈(116)에 의해 특성화된 매개변수와 같은 분석 모듈(116)의 결과는 디스플레이 또는 인쇄물을 통해 사용자에게 직접 통신될 수 있고(예를 들어, 칩 리더 장치(102)로부터), 데이터 네트워크(120)를 통해 사용자에게 전송되고, 한 명 이상의 사용자에 의한 추후의 액세스를 위해 저장 매체에(예를 들어, 원격 데이터 저장소(118)에) 저장될 수 있다.
일부 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 측정 제어기(124)로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 분석 모듈(116)은 측정 제어기(124)와 분리된 컴퓨터 장치(114)에 의해 실행될 수 있다. 따라서, 일부 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 분석 모듈(116) 대신에 또는 상기 모듈에 더하여 통신 회로망(1110)을 포함할 수 있다. 묘사된 실시태양에서, 통신 회로망(1110)은 원격 데이터 저장소(118)로 정보를 전송하도록 구성된다. 통신 회로망(1110)은 데이터 네트워크(120)를 통해 정보를 전송할 수 있고, 이더넷 또는 Wi-Fi 네트워크를 통해 통신하기 위한 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC), 모바일 데이터 네트워크를 통해 통신하기 위한 트랜시버 등과 같은 데이터 전송(및 가능하면 수신)을 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 데이터를 전송하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 구성요소가 다양한 다른 또는 추가의 실시태양에서 통신 회로망(1110)에 포함될 수 있다.
일부 실시태양에서, 통신 회로망(1110)에 의해 원격 데이터 저장소(118)로 전송된 정보는 측정 회로망(1108)에 의해 수행된 측정에 기반한 정보일 수 있다. 측정에 기반한 정보는 측정치 자체(예를 들어, 원 샘플), 측정치에 기반하여 계산된 정보(예를 들어, 원 데이터로부터 계산된 스펙트럼), 및/또는 분석 모듈(116)로부터의 분석 결과(예를 들어, 측정된 매개변수)일 수 있다. 추가의 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 원격 데이터 저장소(118)와 통신할 수 있다(예를 들어, 데이터 네트워크(120)를 통해). 분석 모듈(116)은 원격 데이터 저장소(118)로 전송된 정보에 기반하여 하나 이상의 매개변수를 특성화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 분석 모듈(116)이 측정 회로망(1108)으로부터 직접 측정을 수신하는 대신, 통신 회로망(1110)이 측정(또는 상기 측정에 관한 정보)을 원격 데이터 저장소(118)로 전송할 수 있으며, 분석 모듈(116)은 원격 데이터 저장소(118)로부터 측정(또는 상기 측정에 관한 정보)을 검색할 수 있다.
일부 실시태양에서, 원격 데이터 저장소(118)에 데이터를 저장하는 것은 단일 측정 제어기(124)에서 명백하지 않을 수 있는 현상의 원격 분석을 위해 정보가 다수의 측정 제어기(124)로부터 수집되는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 역학 목적을 위해, 상기 측정 제어기(124)는 혈액, 타액, 점액, 뇌척수액, 대변 등의 샘플을 포함할 수 있는, 사람으로부터 수득한 샘플에서 바이러스, 항체, 병원체로부터의 DNA 또는 RNA 등과 같은 하나 이상의 분석물에 기반하여 상기 사람이 질병에 감염되었는지의 여부를 결정할 수 있다. 다중 측정 제어기(124)로부터 원격 데이터 저장소(118)로 업로드된 정보는 상이한 지리적 영역들에서 감염률이 얼마나 다른지와 같은 집합적 특성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 다양한 실시태양에서, 분석 모듈(116)은 다수의 측정 제어기(124)로부터의 집계 정보를 사용하는 다양한 다른 또는 추가의 방식을 실행할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 측정 제어기(124)는 여기 회로망(1106), 측정 회로망(1108), 및 분석 모듈(116)을 하나 이상의 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)와 다양한 방식으로 함께 사용하여 표적의 존재와 관련된 매개변수를 측정하거나 특성화할 수 있다. 일부 실시태양에서, 다수의 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)는 동종으로 구성되거나(예를 들어, 여분을 위해) 또는 이종으로 구성될 수 있다(예를 들어, 생화학적 상호작용의 상이한 측면을 특성화하기 위해 상이한 방식으로 기능화된 감지 표면(420)에 의해).
다양한 실시태양에서, 유동 장치(1114)는 유동 셀 또는 다른 유동 또는 미세유동 채널을 통해 유체의 흐름을 유도하기 위해 측정 제어기(124)에 의해 사용되는 장치일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시태양에서, 측정 제어기(124)는, 보정 측정을 위해 유체(414)를 감지 표면에 적용하고, 보정 측정과 검출 측정 사이에 비드(624)의 배양을 위한 샘플 용액으로 상기 유체를 교환하고/하거나, 배양 후에 추가의 유체(414)의 흐름을 유도하여 샘플 용액을 제거하고 비드(624)를 세척하기 위해 유동 장치(1114)를 사용할 수 있다.
도 12는 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법(1200)의 하나의 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이다. 상기 방법(1200)은 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티(626)로 기능화된 다수의 비드(624)를 제공하는(1202) 것으로 시작된다. 비드(624)의 제1 세트를 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 유체(414)내에 위치시킨다(1204). 묘사된 실시태양에서, 비드의 제1 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양하지 않았다. 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)로부터의 적어도 하나의 출력 신호를 측정하기 위해 보정 측정을 수행한다(1206). 비드(624)의 제1 세트를 감지 표면(420)으로부터 제거한다(1208).
일부 실시태양에서, 비드(624)는 자성일 수 있으며, 비드(624)의 제1 세트를 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 위치시키는(1204) 것은 제1 전자석(422b)을 활성화시키는 것을 포함한다. 유사하게, 감지 표면(420)으로부터 비드(624)의 제1 세트의 제거(1208)는 제2 전자석(422a)을 활성화시키는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시태양에서, 비드(624)는 전기적으로 하전될 수 있으며, 비드(624)의 제1 세트를 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 위치시키는(1204) 것은 제1 전기장을 인가(예를 들어, 전계판(522)과 같은 2개의 전도체를 가로질러 전압차를 인가함으로써)하는 것을 포함한다. 유사하게, 감지 표면(420)으로부터 비드(624)의 제1 세트를 제거하는(1208) 것은 제2 전기장을 인가(예를 들어, 하나 이상의 전도체의 전압을 변화시킴으로써)하는 것을 포함할 수 있다.
비드(624)의 제2 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양된다(1210). 비드(624)의 제2 세트는 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 유체(414)내에 위치시킨다(1212). 검출 측정을 수행하여(1214) 적어도 하나의 출력 신호를 측정한다. 샘플 용액(110) 중 표적 모이어티의 존재와 관련한 매개변수를, 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 측정하고(1216), 방법(1200)이 종료된다.
도 13은 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법(1300)의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이다. 방법(1300)의 몇몇 단계는 실질적으로 도12와 관련하여 전술한 방법(1200)의 단계와 유사할 수 있지만, 다른 단계는 상이할 수 있다.
상기 방법(1300)은 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티(626)로 기능화된 다수의 비드(624)를 제공하는(1302) 것으로 시작된다. 비드(624)의 제1 세트를 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 유체(414)내에 위치시킨다(1304). 묘사된 실시태양에서, 비드의 제1 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양하지 않았다. 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)로부터의 적어도 하나의 출력 신호를 측정하기 위해 보정 측정을 수행한다(1306). 비드(624)의 제1 세트를 감지 표면(420)으로부터 및 유체(414)로부터 제거한다(1308).
비드(624)의 제2 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양한다(1310). 비드(624)의 제2 세트는 샘플 용액으로부터 제거되고(1312), 세척되어 유체(414)에 첨가된다. 비드(624)의 제2 세트를 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 유체(414)내에 위치시킨다(1312). 검출 측정을 수행하여(1316) 적어도 하나의 출력 신호를 측정한다. 샘플 용액(110) 중 표적 모이어티의 존재와 관련한 매개변수를, 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 측정하고(1318), 방법(1300)이 종료된다.
도 14는 분석물의 수송 및 검출을 위한 방법(1400)의 또 다른 실시태양을 예시하는 도식적인 흐름도이다. 방법(1400)의 몇몇 단계는 실질적으로 도12와 관련하여 전술한 방법(1200)의 단계와 유사할 수 있지만, 다른 단계는 상이할 수 있다.
상기 방법(1400)은 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티(626)로 기능화된 다수의 비드(624)를 제공하는 것으로 시작된다(1402). 비드(624)의 제1 세트를 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 유체(414)내에 위치시킨다(1404). 묘사된 실시태양에서, 비드의 제1 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양하지 않았다. 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)로부터의 적어도 하나의 출력 신호를 측정하기 위해 보정 측정을 수행한다(1406). 비드(624)의 제1 세트를 감지 표면(420)으로부터 및 유체(414)로부터 제거한다(1408).
비드(624)의 제2 세트는 샘플 용액(110) 중에서 배양한다(1410). 샘플 용액(110)과 혼합된 유체를 샘플 용액(110)과 혼합되지 않은 새 유체(414)로 교환하는 동안 비드를 고정(예를 들여, 비드 제어 구성요소를 사용하여)함으로써 비드(624)의 제2 세트를 세척한다(1412). 비드(624)의 제2 세트를 감지 표면(420)의 측정 거리(730)내에 존재하도록 유체(414)내에 위치시킨다(1414). 검출 측정을 수행하여(1416) 적어도 하나의 출력 신호를 측정한다. 샘플 용액(110) 중 표적 모이어티의 존재와 관련한 매개변수를, 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 측정하고(1418), 방법(1400)이 종료된다.
다양한 실시태양에서, 칩-기반 전계효과 바이오센서(104)의 감지 표면(430)의 측정 거리(730)내의 유체(414)내에 다수의 비드(624)를 위치시키기 위한 수단은 비드 제어 장치(122), 하나 이상의 비드 제어 구성요소, 하나 이상의 전자석(422), 하나 이상의 전계판 또는 다른 전도체, 또는 본원에 개시된 다른 수단을 포함할 수 있다. 다른 실시태양은 비드(624)를 위치시키기 위한 유사하거나 동등한 수단을 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 보정 측정을 수행하기 위한 수단은 측정 제어기(124), 여기 회로망(1106), 측정 회로망(1108) 또는 본원에 개시된 다른 수단을 포함할 수 있다. 다른 실시태양은 보정 측정을 수행하기 위한 유사하거나 동등한 수단을 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 검출 측정을 수행하기 위한 수단은 측정 제어기(124), 여기 회로망(1106), 측정 회로망(1108) 또는 본원에 개시된 다른 수단을 포함할 수 있다. 다른 실시태양은 검출 측정을 수행하기 위한 유사하거나 동등한 수단을 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 보정 측정과 검출 측정 사이에 감지 표면(420)으로부터 비드(624)를 제거하기 위한 수단은 비드 제어 장치(122), 하나 이상의 비드 제어 구성요소, 하나 이상의 전자석(422), 하나 이상의 전계판 또는 다른 전도체, 또는 본원에 개시된 다른 수단을 포함할 수 있다. 다른 실시태양은 비드(624)를 제거하기 위한 유사하거나 동등한 수단을 포함할 수 있다.
다양한 실시태양에서, 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여 샘플 용액(100) 중 표적 모이어티의 존재와 관련한 매개변수를 측정하기 위한 수단은 분석 모듈(116), 매개변수를 측정하기 위한 명령하에 기계-판독가능 코드를 실행하는 프로세서, 다른 논리 하드웨어 또는 실행가능 코드, 또는 본원에 개시된 다른 수단을 포함할 수 있다. 다른 실시태양은 매개변수를 측정하기 위한 유사하거나 동등한 수단을 포함할 수 있다.
실시태양은 다른 특정 형태로 실시될 수 있다. 기재된 실시태양은 모든 면에서 단지 예시적이며 제한적이 아닌 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 지시된다. 청구 범위의 균등성의 의미 및 범위내에서 발생하는 모든 변화는 해당 범위내에 포함되어야 한다.
Claims (20)
- 감지 표면을 포함하는 칩-기반 전계효과 바이오센서(chip-based field effect biosensor)로서, 상기 감지 표면이, 칩-기반 전계효과 바이오센서에 하나 이상의 여기 조건의 적용 및 감지 표면과 접촉하는 유체의 적용에 반응하여 칩-기반 전계효과 바이오센서에 대한 하나 이상의 출력 신호가 감지 표면의 측정 거리내의 전하에 의해 영향을 받도록 구성된, 칩-기반 전계효과 바이오센서;
유체내에 다수의 비드(bead)를 전자기적으로 위치시키기 위한 하나 이상의 비드 제어 구성요소를 포함하는 비드 제어 장치로서, 상기 비드가 표적 모이어티(moiety)에 결합하도록 포획 모이어티로 기능화되는, 비드 제어 장치;
상기 칩-기반 전계효과 바이오센서 및 상기 비드 제어 장치를 작동시켜 감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제1 세트(상기 비드의 제1 세트는 샘플 용액 중에서 배양하지 않았다)를 사용하여 적어도 하나의 출력 신호의 보정 측정을 수행하고; 감지 표면으로부터 상기 비드의 제1 세트를 제거하고; 감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제2 세트(상기 비드의 제2 세트는 샘플 용액 중에서 배양하였다)를 사용하여 적어도 하나의 출력 신호의 검출 측정을 수행하도록 구성된 측정 제어기; 및
보정 측정 및 검출 측정에 기반하여, 샘플 용액 중 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하도록 구성된 분석 모듈(analysis module)
을 포함하는 시스템(system). - 제1항에 있어서,
비드가 자성이고, 비드 제어 구성요소가, 감지 표면 쪽으로의 제1 방향으로 비드를 이동시키도록 위치된 제1 전자석 및 감지 표면에서 멀어지는 제2 방향으로 비드를 이동시키도록 위치된 제2 전자석을 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
비드가 전기적으로 하전되고, 비드 제어 장치가 비드를 이동시키도록 전기장을 제어하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
비드의 제2 세트가 샘플 용액 중에서 비드의 제1 세트를 배양함으로써 생성되는, 다수의 비드를 추가로 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
비드의 제2 세트가 샘플 용액 중에서 비드의 제1 세트와 별도로 비드를 배양함으로써 생성되는, 다수의 비드를 추가로 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
칩-기반 전계효과 바이오센서가 생물학적 게이트 트랜지스터(biologically gated transistor)를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
감지 표면이 그래핀을 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서,
포획 모이어티가 항체, 비오틴-결합 단백질, 비오틴, 아연 집게 단백질, CRISPR Cas 계열 효소 및 핵산 중 하나 이상을 포함하는, 다수의 비드를 추가로 포함하는, 시스템. - 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어티로 기능화된 다수의 비드를 제공하고;
비드의 제1 세트를 칩-기반 전계효과 바이오센서의 감지 표면의 측정 거리내에 존재하도록 유체내에 위치시키고(여기서, 상기 비드의 제1 세트는 샘플 용액 중에서 배양하지 않았다);
상기 칩-기반 전계효과 바이오센서로부터의 적어도 하나의 출력 신호의 보정 측정을 수행하고;
상기 비드의 제1 세트를 감지 표면으로부터 제거하고;
비드의 제2 세트를 샘플 용액 중에서 배양하고;
상기 비드의 제2 세트를 감지 표면의 측정 거리내에 존재하도록 유체내에 위치시키고;
적어도 하나의 출력 신호의 검출 측정을 수행하고;
상기 보정 측정 및 검출 측정에 기반하여, 샘플 용액 중 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정함
을 포함하는 방법. - 제9항에 있어서,
비드가 자성이고, 비드의 제1 세트를 감지 표면의 측정 거리내에 존재하도록 위치시키는 것이 제1 전자석을 활성화시키는 것을 포함하고, 비드의 제1 세트를 감지 표면으로부터 제거하는 것이 제2 전자석을 활성화시키는 것을 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
비드가 전기적으로 하전되고, 비드의 제1 세트를 감지 표면의 측정 거리내에 존재하도록 위치시키는 것이 제1 전기장을 인가하는 것을 포함하고, 비드의 제1 세트를 감지 표면으로부터 제거하는 것이 제2 전기장을 인가하는 것을 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
샘플 용액 중에서 비드의 제2 세트를 배양한 후 및 검출 측정을 수행하기 전에 비드의 제2 세트를 세척하는 것을 추가로 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
비드의 제2 세트가 비드의 제1 세트이고, 샘플 용액 중에서 비드의 제2 세트를 배양하는 것이 샘플 용액을 유체에 첨가하는 것을 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
비드의 제2 세트가 비드의 제1 세트와 별개이고, 샘플 용액이 유체와 별개이며, 샘플 용액에서 비드의 제2 세트를 제거하고 비드의 제2 세트를 유체에 첨가하는 것을 추가로 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
칩-기반 전계효과 바이오센서가 생물학적 게이트 트랜지스터를 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
감지 표면이 그래핀을 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
포획 모이어티가 항체, 비오틴-결합 단백질, 비오틴, 아연 집게 단백질, CRISPR Cas 계열 효소 및 핵산 중 하나 이상을 포함하는, 방법. - 칩-기반 전계효과 바이오센서의 감지 표면의 측정 거리내의 유체내에 다수의 비드를 위치시키기 위한 수단(여기서, 상기 비드는 표적 모이어티에 결합하도록 포획 모이어터로 기능화된다);
감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제1 세트를 사용하여 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서를 이용하여 보정 측정을 수행하기 위한 수단(여기서, 상기 비드의 제1 세트는 샘플 용액 중에서 배양하지 않았다); 및
감지 표면의 측정 거리내에 위치한 비드의 제2 세트를 사용하여 상기 칩-기반 전계효과 바이오센서를 이용하여 검출 측정을 수행하기 위한 수단(여기서, 상기 비드의 제2 세트는 샘플 용액 중에서 배양하였다)
을 포함하는 기구. - 제18항에 있어서,
보정 측정과 검출 측정 사이에 감지 표면으로부터 비드의 제1 세트를 제거하기 위한 수단을 추가로 포함하는, 기구. - 제18항에 있어서,
보정 측정과 검출 측정에 기반하여, 샘플 용액 중 표적 모이어티의 존재와 관련된 매개변수를 측정하기 위한 수단을 추가로 포함하는, 기구.
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