KR930002824B1 - 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로 - Google Patents

감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로
제 1 도는 감이온 전계효과 트래지스터를 이용한 바이오 센서의 단면도이고,
제 2 도는 본 발명에 의한 바이오 센서용 측정 시스템을 나타낸 블럭도이며,
제 3 도는 본 발명에 의한 바이오 선세용 측정회로의 상세도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : ENFET 20 : REFET
30 : 의사기준전극 40 : 피측정 물질
50 : 차동증폭단 60 : DSC
M1-M6 : MOSFET
본 발명은 감이온 전계효과 트랜지스터(Ion Sensitive Field Effect Transistor : 이하 ISFET라 함)를 이용한 바이오 센서(Bio-Sensor)용 측정회로에 관한 것이다.
일반적으로 바이오 센서는 생체관련 물질을 인지하는 일종의 화학량 센서로서 의료, 기초과학 및 식품공학등의 분야에서 광범위하게 사용되고 있으며, 건강에 대한 관심이 고조되면서 그 중요성을 점차 더해가고있다.
그리고 상기 바이오 센서는 요소(urea), 포도당(glucose) 및 페니실린(Penicillin)등의 생체관련 물질의 측정에 이온감지성 전극(Ion Selective Electrode)이나 가스감지 전극을 이용한 바이오 센서가 주로 사용되었다.
즉, 생체관련물질은 살아 있는 동물체내의 모든 물질을 의미하며, 좁은 의미로 의료진단 혹은 생의학등의 분야에서 그 존재의 유무, 존재하는 양을 검출할 필요가 있는 대상으로 정의된다. 예컨데 신장병등의 진단에는 체내(특히 피)의 요소(urea)양의 검출이 필요하고, 당뇨병의 진단에는 체내의 포도당(glucose)양의 검출이 필소적이다.
그러므로 상기의 바이오 센서는 상기 요소(urea),포도당(glucose)등의 생체관련물질이 체내에 얼마나 들어 있는 지를 측정하는 것이다.
그러나, 상기와 같은 종래 바이오 센서는 고가이며. 크기가 클 뿐아니라 응답속도가 느리고 사용하기 까다로운 것 등의 여러가지 문제점이 있었고, 최근 의료진단 등의 분야에서는 상기의 문제점들을 극복할 수 있는 새로운 바이오 센서의 개발이 진행되고 있다.
그리고 ISFET는 반도체 이온센서로서 집적회로 공정으로 제조되므로 소형화, 규격화 및 양산화가 가능하고, 특히 신호처리회로의 집적화에 유리하다.
따라서, ISFET를 바탕소자로 하는 ISFET바이오 센서는 위에서 언급한 장점을 그대로 가지면서, 소형화 및 저각격화에 결정적인 문제점이었던 상용기준 전극을 감지막이 형성되지 않은 ISFET인 기준 FET(Reference FET ; 이하 REFET라 함) 및 차동증폭법을 이용함으로서 단일 금속으로 대체가능하다.
본 발명의 목적은 구성이 간략하고 집적화에 유리한 ISFET바이오센서용 측정회로를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 센서와 측정회로의 집적화에 따라 전센서시스템의 소형화, 잡음면역 특성개선 및 고장방지 등에 의한 신뢰성을 개선시킨 ISFET 바이오 센서용 측정회로를 제공하기 위한 것이다.
이하, 본 발명의 구성, 작용 및 효과를 첨부도면에 의해 상세히 설명한다.
제 1 도는 ISFET바이오 센서의 구조를 나타낸 것으로서, ISFET의 드레인과 소오스가 되는 금속접점(3)의 주변 및 게이트 부분에 이온감지막(4)이 형성되고, 이 게이트 부분의 이온감지막 상에 효소감지막(1)이 형성된 구조를 갖게 됨으로서 효소감지막(1)을 제외한 부분이 ISFET가 된다. 즉, ISFET의 이온감지막(4) 위에 효소가 포함되어 있는 효소고정화 막이 형성되게 되는데, 예를들어 요소검출용 바이오 센서일 경우는 상기 ISFET위에 urease(요소와 특이한 반응을 나타내는 효소)라는 효소의 효소감지막(1)이 형성되게 된다. 즉 상기 요소감지센서가 요소가 포함된 용액에 들어가면 요소와 ISFET위에 형성된 urease효소가 반응하여 수소 이온량을 변화시키게 되는데, 이때 ISFET가 이 수소이온변화량을 감지함으로 결국 요소의 양을 감지하도록 된다.
미설명 부호중 2는 측정용액과 금속접점(3)과의 전기적 절연을 위한 절연물이다.
이와 같은 ISFET 바이오 센서를 측정용액에 담그면 용액내의 측정하고자 하는 특정 생체관련 물질과 효소감지막(1)이 작용하여 이 특정 생체관련 물질의 농도변화를 효소감지막(1) 내에서의 이온 농도 변화로 바꾸게 되며, 이 이온농도 변화를 ISFET가 감지하게 된다. 이온농도의 변화율은 촉매반응 속도와 같으며 특정 생체관련 물질의 농도에 의존하므로 효소감지막(1)내의 이온농도 변화에 의한 이온감지막(4)전위의 시간적 변화율을 측정함으로서 특정 생체관련물질의 농도를 알 수 있게 된다.
한편, 바이오 센서를 이용하여 용액속의 특정 생체관련 물질을 정량적으로 분석하기 위해서는 검출신호의 상대적 기준이 되는 기준전극이 요구되는데, 이 기준전극은 측정 용액내에서 항상 일정한 전극 전위를 유지해야 한다.
지금까지 사용되어온 기준 전극으로는 상용 Ag/AgCl 전극이나 칼로멜(Calomel) 전극 등이 있으나, 이러한 사용 기준 전극들은 소형화가 어렵고 고가일 뿐만 아니라 유지하는데에도 많은 어려움이 있다.
ISFET바이오 센서의 경우 차동증폭법을 이용하여 상용기준 전극을 REFET와 백금(Pt)등의 단일 금속으로 대체할 수 있으며, 결국 센서는 효소 감지막이 형성되어 특정기질에 응답하는 ISFET(Enzyme FET : 이하 ENFET라 함), 효소감지막이 형성되어 있지 않아서 특정기질에 의한 응답이 없는 ISFET인 REFET. 그리고 단일 금속으로 구성된다.
제 2 도는 본 발명에 의한 바이오 센서용 측정 시스템을 나타낸 것으로서, 의사기준전극(Quasi-Reference Electrode . 이하 QRE라함)은 백금, 금(Au)등의 단일 금속으로된 기준전극으로서 용액내에서 상당히 불안정한 특성을 가지며, 피 측정 물질(Substrate)은 측정하고자 하는 특정 생체관련 물질을 가르킨다. 용액내의 상기 피 측정 물질의 농도를 pS, 의사기준전극에 의한 용액의 불안정한 전위를 Vq라 하면, 기질에 반응하는 감지막을 갖는 ISFET인 ENFET에 의한 출력 전압은 pS,Vq의 함수가 되며, REFET는 pS에 반응하지 않으므로 그 출력전압은 Vq만의 함수가 된다.
이와 같은 ENFET와 REFET의 출력전압이 차등증폭장치를 거치게 되면 pS만의 함수인 최종적인 전압을 얻을 수 있으므로 용액내의 상기 피 측정 물질의 농도를 측정할 수 있다. 한편, 이와 같은 차동증폭법을 이용할 경우, 용액내에서 불안정한 특성을 지닌 의사기준전극인 단일 금속의 전위와 온도에 의한 드리프트 현상이 ENFET와 REFET에 공통되기 때문에 차동증폭기 자동적으로 제거시키게 됨은 물론 ENFET와 REFET의 온도 의존성까지 함께 제거시킬 수 있게 된다.
제 3 도는 본 발명에 의한 바이오 센서용 측정회로를 도시한 것으로서, 크게 차동증폭단(50)과 차동 단일 출력 변환용 컨버어터(Differential to Single Ended Converter : 이하 DSC라함)(60)로 구성된다.
차동중폭단(50)의 두 입력소자를 ISFET로 구성된 ENFET(10)와 REFET(20)로 구성하여 센서가 측정 회로의 한 소자로서 동작하게 되며, 이 차동증폭단(50)의 부하 트랜지스터를 ISFET와 같은 타입의 n-채널 MOSFET(M1)(M2)로 구성하여 적당한 증폭도를 가지게 된다.
또한, DSC(60)는 차동증폭단(50)의 두 출력(Vo1)(Vo2)을 단일 출력으로 바꾸어 주기 위한 컨버어터로서, MOSFET(M3-M6)로 구성된다.
미설명 부호중 VD1 ·VD2 ·VS1 · VS2는 정전압원, IS1은 정전류원, 30은 의사기준전극, 40은 피측정 생체관련 물질, Vo3는 DSC의 출력이다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 있어서, 차동증폭단(50)의 출력 (Vo2-VO1)은 ENFET(10) 및 REFET(20)의 응답차로서, 단일 금속으로된 의사기준전극(30)의 불안전성이 제거된 피측정 생체관련 물질(40)의 농도만의 함수로 되는데, 이때 차동증폭단(50)의 증폭도는 MOSFET(M1)(M2), ENFET(10) 및 REFET(20)의 에스펙트비(Aspect Ratio)(즉, 게이트에서 폭에 대한 길이의 비율임)에 의해 결정된다.
이와 같은 차동증폭단(50)의 두출력(Vo1)(Vo2)은 DSC(60)로 입력되어 단일 출력으로 변환되는데, 이두 출력중 출력(Vo2)은 MOSFET(M4)의 게이트로 입력되어 소오스 폴로워(source follower)로서 DSC(60)의 출력(Vo3)으로 나타나게 되며, 출력(Vo1)은 MOSFET(M3)의 게이트로 입력되어 MOSFET(M6)의 게이트 전압을 변화시킴으로서 출력(Vo3)에 기여하게 된다.
결국, DSC(60)의 출력(Vo3)은 차동증폭단(50)내의 ENFET(10) 및 REFET(20)의 응답차(Vo2-Vo1)가 되는데, 이 DSC(60)의 입력 (Vo2-Vo1)대 출력(Vo3)의 관계에 있어서 MOSFET(M3)(M4)에 대한 MOSFET(M5)(M6)의 애스펙트 비가 클수록 직선성이 우수해지며, 증폭도는 1에 가깝게 된다.
이상과 같이 본 발명의 ISFET바이오 센서 측정회로는 차동증폭단의 두 입력소자로 ENFET 및 REFET를 사용함으로서 구성이 매우 간략하면서도 신호검출회로 및 차등증폭장치등 모든 아날로그 회로를 포함하고 있는데, 특히 ISFET와 구조가 거의 같은 MOSFET로만 회로를 구성함으로서 ISFET 바이오 센서와 측정회로를 하나의 칩에 집적시킬수 있는 효과가 있다. 또한, 차동증폭법에 의해 센서자체의 온도 의존성을 제거시킬 수 있고, ISFET의 애스펙트 비를 변화시킴으로서 간편하게 증폭도를 변화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. ENFET(10)와 REFET(20)를 두 입력소자로 하고 상기 ENFET(10) 및 REFET(20)와 동일한 채널의 MOSFET(M1)(M2)를 부하트랜지스터로 하는 차동증폭단(50)으로 구성된 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 차동증폭단(50)의 출력단에 상기 ENFET(10) 및 REFET(20)와 동일한 채널의 MOSFET(M3-M6)로 구성된 차동 단일출력 변환용 컨버어터(60)를 연결한 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 ENFET(10)와 REFET(20) 및 MOSFET(M1)(M2)의 에스펙트 비를 변화시켜 상기 차동증폭단(50)의 중폭도를 조정하는 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로.
  4. 제 2 항에 았어서, 상기 MOSFET(M3)(M4)에 대한 상기 MOSFET(M5)(M6)의 애스펙트 비를 크게하여 상기 컨버어터(60)의 입출력간의 직선성을 높이도록 된 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로.
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