WO2018190458A1 - 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치 - Google Patents

임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치 Download PDF

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WO2018190458A1
WO2018190458A1 PCT/KR2017/005087 KR2017005087W WO2018190458A1 WO 2018190458 A1 WO2018190458 A1 WO 2018190458A1 KR 2017005087 W KR2017005087 W KR 2017005087W WO 2018190458 A1 WO2018190458 A1 WO 2018190458A1
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signal
biomaterial
electrode
analog
unit
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PCT/KR2017/005087
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김종원
이지형
김상윤
박아름
김인영
정두희
Original Assignee
주식회사 바이오메듀스
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for analyzing a biomaterial, and more particularly, to an apparatus for measuring the concentration, size, length, etc. of a biomaterial by inputting an impedance signal to the biomaterial.
  • biosensors that can detect biomaterials such as DNA, nucleic acids, proteins, cells, etc. are sensitive to biomaterials and use fluorescent labeling techniques for specific detection.
  • An example of the biosensor technology using the fluorescent labeling technology is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1436150.
  • a biosensor is a means of investigating the properties of a substance by using a function of a living organism.
  • Biosensors are used in a wide range of fields, such as clinical and chemical analysis in the medical and pharmaceutical fields, and safety evaluation of chemicals.
  • biosensors are widely used for various self tests such as blood sugar measurement, pregnancy diagnosis, urine test, and rapid disease diagnosis.
  • Biosensors are classified into enzyme analysis and immunoassay according to the analysis method.
  • Analytical substances in biological samples are classified into optical biosensors and electrochemical biosensors according to quantitative analysis methods.
  • Enzyme assay biosensors use specific reactions of enzymes and substrates, enzymes and enzyme inhibitors.
  • Immunoassay biosensors use specific reactions of antigens and antibodies.
  • the optical biosensor is a method of measuring the concentration of a target substance by measuring light transmittance, absorbance or wavelength change, and is the most commonly used method.
  • the reaction mechanism of the various materials to be analyzed is already known, and since the reaction is measured after sufficient reaction time, there is an advantage that the variation in measurement time is small. However, compared to electrochemical biosensors, the measurement time is long and a large amount of samples are required. In addition, the measurement results are affected by the turbidity of the sample, and it is difficult to miniaturize the optical unit.
  • Electrochemical biosensor is a method of measuring the concentration of the target material by measuring the electrical signal obtained from the reaction. Electrochemical biosensors have the advantages of being able to amplify signals with very small amounts of samples, miniaturization, stable acquisition of measurement signals, and easy integration with information and communication devices.
  • electrochemical biosensors they are typically used for blood glucose measurement.
  • An electrochemical reaction occurs when a sample such as blood is introduced into a biosensor, and an electrical signal is generated and transmitted to a measuring device connected to or connected to the biosensor. to be.
  • the conventional biosensor is formed by plating gold or copper on an electrode which is electrically connected to a biomaterial on a thin glass substrate and a connector part electrically connected to the electrode.
  • the connector and the electrode are formed directly on the glass substrate, there is a problem that biomaterials may contaminate the connector and cause malfunction of the analysis device.
  • the connector formed on the glass substrate is susceptible to damage due to repeated coupling and separation with the analysis device.
  • An object of the present invention is to solve the problems described above, to improve the structure of the biomaterial analysis device to prevent malfunction and to provide a biomaterial analysis device that improved the durability of the connector portion of the biosensor.
  • an apparatus for analyzing a biomaterial using an impedance signal includes: a signal input / output unit configured to receive analog or digital data from an external device and output a digital signal;
  • a direct digital signal synthesizer for processing an analog signal output from the signal input / output unit to generate an analog pulse signal
  • the analog signal output from the direct digital signal synthesizing unit is fed back to the signal input / output unit as a reference signal;
  • a socket unit to which a biosensor accommodating biomaterials is detachably coupled and to which an analog pulse signal output from the direct digital signal synthesizing unit is transferred;
  • transimpedance amplifier configured to react with the biomaterial of the biosensor coupled to the socket to generate an analog current pulse signal and convert the analog current pulse signal into an analog voltage pulse signal.
  • the analog voltage pulse output from the transimpedance amplifier is characterized in that it is configured to be transmitted to the signal input and output unit.
  • An apparatus for analyzing a biomaterial using an impedance signal according to the present invention is characterized by measuring the impedance pulse generated by the biomaterial without labeling the biomaterial to be analyzed with fluorescence, such as concentration, size, and length of the biomaterial.
  • fluorescence such as concentration, size, and length of the biomaterial.
  • the biosensor according to the present invention provides an effect of reinforcing and improving durability of the connector by separating the electrode unit into which the biomaterial is inserted and the connector unit repeatedly detachable from the analysis device, thereby enhancing the life of the biosensor.
  • the biosensor according to the present invention can be manufactured by replacing the electrode unit at an economical cost by replacing the electrode unit, thereby reducing the manufacturing cost of the analysis apparatus.
  • the biosensor according to the present invention has an advantage that it is possible to reuse the electrode unit by easily inserting and removing the biomaterial into the electrode unit by providing the insertion hole in the printed circuit board.
  • FIG. 1 is a block diagram of an analysis apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a state in which the socket portion and the biosensor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of the biosensor shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the biosensor shown in FIG. 3.
  • connection column 5 is a view showing in detail the arrangement of the connection column shown in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI shown in FIG. 3.
  • FIG. 7 is a view showing in detail the structure of the electrode shown in FIG.
  • FIG. 8 is a view showing in detail the structure of the housing shown in FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram of an analysis apparatus according to the present invention.
  • 2 is a view showing a state in which the socket portion and the biosensor shown in FIG. 3 is a perspective view of the biosensor shown in FIG. 2.
  • 4 is an exploded perspective view of the biosensor shown in FIG. 3.
  • 5 is a view showing in detail the arrangement of the connection column shown in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI shown in FIG. 3.
  • 7 is a view showing in detail the structure of the electrode shown in FIG. 8 is a view showing in detail the structure of the housing shown in FIG.
  • biomaterial analysis apparatus An apparatus for analyzing a biomaterial using an impedance signal according to an exemplary embodiment of the present invention with reference to FIGS. 1 to 8 (hereinafter, referred to as a "biomaterial analysis apparatus") is a biomaterial analysis apparatus according to an electrochemical method. to be.
  • Electrochemical methods of analyzing biomaterials are also called label-free techniques.
  • the technique of analyzing biomaterials by an electrochemical method uses a lock-in detection technique, which is an electronic signal processing technique.
  • Lock-in detection technology is widely used as a technology released in 1975.
  • Lock-in detection technology is a signal processing technology that separates a target signal embedded in a noise signal. Since the lock-in detection technique is a known technique, further description thereof will be omitted.
  • the biomaterial analyzing apparatus 10 includes a signal input / output unit 20, a direct digital signal synthesizing unit 30, a socket unit 40, a transimpedance amplifier 50, and a biosensor 70. .
  • the signal input / output unit 20 is a signal processing module that receives analog or digital data from the outside and outputs a digital signal.
  • the signal input / output unit 20 may input a digital signal such as numerical data or an analog pulse signal such as a voltage or a current.
  • the signal input / output unit 20 may be a data input device or a data output device from a user's point of view.
  • the signal input / output unit 20 may be configured by employing a known commercial signal processing module.
  • the signal input / output unit 20 may employ a device such as a commercially available NI-DAQ (Ni-USB 6212).
  • the direct digital signal synthesizing unit 30 is a signal processing device that processes the digital signal output from the signal input / output unit 20 to generate an analog pulse signal.
  • the direct digital signal synthesizing unit 30 receives the digital signal and generates an analog voltage signal.
  • the direct digital signal synthesizing unit 30 may be configured by employing a known commercial signal processing apparatus.
  • the direct digital signal synthesizing unit 30 may be configured by employing a known commercial signal processing device AD9837.
  • the analog signal output from the direct digital signal synthesizing unit 30 is fed back to the signal input / output unit 20 as a reference signal.
  • the reference signal fed back to the signal input / output unit 20 may derive the impedance value of the biomaterial by applying a lock-in detection technique to a relationship with an output signal generated through the biosensor 70 to be described later.
  • the analog pulse signal fed back or inputted to the signal input / output unit 20 may be converted into a digital signal and then converted into data in a form easily recognizable by a user using MATLAB, which is a commercial mathematical calculation program.
  • the socket part 40 is electrically connected to the direct digital signal synthesizing unit 30 so that an analog pulse signal generated by the direct digital signal synthesizing unit 30 can be applied.
  • the socket portion 40 is detachably coupled to the biosensor 70 that accommodates the biomaterial.
  • the analog pulse signal output from the direct digital signal synthesizing unit 30 is transmitted to the socket portion 40.
  • the socket 40 is preferably configured to be compatible with the SD card slot. When the socket 40 is configured to be compatible with the SD card slot, there is an advantage in that the purchase of parts is easy and the manufacturing cost is low.
  • the transimpedance amplifier 50 is an apparatus for converting an analog current pulse signal generated after reacting with a biomaterial of the biosensor 70 coupled to the socket part 40 to an analog voltage pulse signal.
  • the transimpedance amplifier 50 is a device that converts the current flowing from the biomaterial contained in the biosensor 70 into a voltage.
  • the transimpedance amplifier 50 may be configured by employing a known commercial signal processing device AD8616.
  • the analog voltage pulse output from the transimpedance amplifier 50 is configured to be transmitted to the signal input / output unit 20.
  • the voltage pulse signal transmitted from the trans impedance amplifier 50 to the signal input / output unit 20 is an analog signal.
  • the voltage pulse signal transmitted from the trans impedance amplifier 50 to the signal input / output unit 20 is converted into a digital signal.
  • the voltage signal converted into a digital signal by the signal input / output unit 20 is a biomaterial contained in the biosensor 70 using a lock-in detection technique from a relationship with the reference signal using a known mathematical calculation program MATLAB.
  • the net impedance value generated can be calculated.
  • the direct digital signal synthesizing unit 30 and the transimpedance amplifier 50 may be manufactured in a single module, and are referred to as an impedance spectroscopy analyzer in FIG. 1 for convenience.
  • the biosensor 70 includes an electrode portion 720, a housing 730, a printed circuit board 740, a connector portion 750, a connection column 760, and an injection hole 744. .
  • the electrode portion 720 is composed of a plate-like substrate.
  • the electrode unit 720 includes a plurality of electrodes 722.
  • the plurality of electrodes 722 are arranged to be spaced apart from each other. In the present embodiment, the plurality of electrodes 722 are disposed in an annular shape.
  • the electrode portion 720 is composed of a square substrate.
  • the electrode unit 720 is disposed two electrodes along each edge of the substrate. Therefore, eight electrodes 722 are provided in this embodiment.
  • the electrode unit 720 includes a bio material input unit 724.
  • the biomaterial inlet 724 is disposed to be electrically connected to at least one of the electrodes.
  • the biomaterial inlet 724 is disposed at the center of the substrate.
  • the biomaterial inlet 724 may be disposed at a position eccentrically to one side from the center of the substrate.
  • the biomaterial input unit 724 is a site into which a trace amount of a biomaterial such as DNA is input in microliters ( ⁇ l).
  • the biomaterial introduced into the biomaterial input unit 724 generates an output pulse in response to an electric pulse signal input through the connector unit 750 to be described later.
  • the electrical pulse signal input to the connector unit 750 is an analog voltage pulse signal generated through the direct digital signal synthesizing unit 30.
  • the pulse signal passing through the biomaterial injector 724 is generated as a current pulse signal, converted into a voltage signal by the transimpedance amplifier 50, and converted into a digital signal through the signal input / output unit 20.
  • the digital value converted into a digital signal by the signal input / output unit 20 may be processed into numerical data or image data that can be utilized by a user through MATLAB, a known mathematical calculation program.
  • the housing 730 is a member for receiving and fixing the electrode part 720.
  • the housing 730 has an electrode accommodating part 732 having one surface opened.
  • the electrode part 720 is fitted into the electrode accommodating part 732.
  • the housing 730 may be made of synthetic resin that is electrically insulator.
  • the housing 730 has an instrument insert 734.
  • the instrument insertion portion 734 is formed to be adjacent to the electrode receiving portion 732.
  • the instrument insertion portion 734 forms a space so that the instrument can be inserted when the electrode portion 720 accommodated in the electrode receiving portion 732 is separated.
  • the electrode accommodating part 732 is composed of a concave groove part having a square shape.
  • the instrument insertion portion 734 is formed at each vertex portion of the electrode receiving portion 732, respectively.
  • the housing 730 is provided with a plurality of coupling grooves 736 for coupling with the printed circuit board 740 which will be described later.
  • An internal thread portion is formed on an inner circumferential surface of the coupling groove 736.
  • the coupling groove 736 is provided with four places.
  • the printed circuit board 740 is fixed to the housing 730.
  • the printed circuit board 740 is a plate-shaped member elongated in one direction.
  • the printed circuit board 740 is a member in which a circuit lead portion 742 is formed on one surface of an electrically non-conductive body.
  • the circuit lead portion 742 may be formed by a combination of plating and etching processes.
  • the printed circuit board 740 is firmly fixed to the housing 730 by screwing the fastening bolt 738 through the printed circuit board 740 into the coupling groove 736 formed in the housing 730. do.
  • the connector part 750 is formed at one end of the printed circuit board 740.
  • the connector portion 750 is electrically connected to the circuit lead portion 742.
  • the connector part 750 is formed by plating a metal material having excellent electrical conductivity such as copper or gold on the body surface of the printed circuit board 740.
  • the connector unit 750 is electrically detachably coupled to a separate biomaterial analysis device.
  • the connector unit 750 is preferably configured to be compatible with the SD card slot.
  • the SD card slot is an interface structure that is widely used in electronic devices, so it is easy to supply parts and has a low cost.
  • connection pillar 760 is electrically connected to the connector portion 750.
  • One end of the connection pillar 760 is fixed to the printed circuit board 740.
  • the other end of the connection pillar 760 is formed to be in pressure contact with the electrode portion 720. More specifically, the connection pillar 760 is disposed to be pressed against the electrode 722 formed in the electrode portion 720.
  • the connecting pillar 760 is formed of an electrically conductive material.
  • the connection pillar 760 may be made of copper, aluminum, gold, silver, or the like.
  • the connection pillar 760 is disposed to correspond to the plurality of electrodes 722. In the present embodiment, the connection pillar 760 is disposed in an annular shape to correspond to the arrangement of the electrode 722.
  • the connection column 760 includes a fixed part 762 and a movable part 764.
  • the fixing part 762 is electrically connected to the circuit lead part 742. In addition, the fixing part 762 is mechanically fixed to the printed circuit board 740. The fixing part 762 protrudes from the printed circuit board 740 toward the electrode part 720 in the form of a cantilever.
  • the movable part 764 is slidably coupled to the fixed part 762.
  • the movable part 764 is coupled to elastically press toward the electrode 722 from the fixed part 762.
  • the fixing part 762 and the movable part 764 may be coupled through an elastic member such as a coil spring.
  • the movable part 764 serves to ensure that the electrical connection between the connector part 750 and the electrode part 720 is always maintained well.
  • the movable part 764 absorbs a tolerance generated in the process of manufacturing the connection column 760, and provides an effect of maintaining the assembly quality of the biosensor 70 excellently.
  • the injection hole 744 is formed to penetrate the upper and lower surfaces of the printed circuit board 740.
  • the injection hole 744 is in communication with the electrode portion 720. More specifically, the inlet 744 is in communication with the biomaterial inlet 724.
  • the user may inject a small amount of biomaterial into the electrode unit 720 through the input hole 744 or remove the biomaterial introduced into the electrode unit 720. Feeding of biomaterials may use a tool such as a pipette. Removal of biomaterials can be done with tools such as cotton swabs.
  • biomaterials are introduced into the biosensor 70.
  • the biosensor 70 may input biomaterial in a state in which the biosensor 70 is separated from the socket 40.
  • the biomaterial of a fine liquid such as a pipette is introduced into the biosensor.
  • a small amount of biomaterial is injected into the biomaterial input unit 724 through the input hole 744.
  • the connector 750 is coupled to the socket 40. Since the connector 750 is compatible with the SD card slot, the connector 750 may be easily coupled to the socket 40 having the SD card slot.
  • An analog voltage signal having a specific frequency value is applied to the connector 750 through the signal input / output unit 20 and the direct digital signal synthesizing unit 30 which are known electric signal processing apparatuses.
  • the analog pulse voltage signal applied to the connector portion 750 is transmitted to the electrode portion 720 through the circuit lead portion 742 and the connection pillar 760.
  • the analog pulse voltage signal transmitted to the electrode part 720 generates a pulse signal different from the input pulse by impedance (resistance) while passing through the bio material introduced into the bio material input part 724.
  • the output pulse generated by the biomaterial injector 724 is fed back to the connector 750 through the connection pillar 760 and the circuit lead 742.
  • the electric pulse signal output through the connector 750 passes through the trans impedance amplifier 50 and the current pulse signal is converted into a voltage pulse signal.
  • the voltage pulse signal output from the transimpedance amplifier 50 is input to the signal input / output unit 20 as an analog signal and then processed into numerical or image data that can be easily understood by a user using a mathematical calculation program such as MATLAB. .
  • the analog voltage pulse fed back from the direct digital signal synthesizing unit 30 to the signal input / output unit 20 is used as a reference signal.
  • an output signal output from the transimpedance amplifier 50 is input to the signal input / output unit 20 to be data for calculating impedance values of biomaterials.
  • the reference signal and the output signal may be calculated as the pure impedance value of the biomaterial by a lock-in detection technique. Since impedance calculation by such lock-in detection technique is a well-known method, a detailed description thereof will be omitted.
  • the concentration, size, length, etc. of the biomaterial may be measured.
  • the biomaterial analysis apparatus has an advantage of easily measuring the characteristics of the biomaterial by applying a voltage pulse of a specific frequency after inputting a trace amount of the biomaterial into the biosensor without the need to label it with fluorescence. .
  • the connector portion 750 in which the biosensor 70 is electrically connected to the socket portion 40 is physically separated from the electrode portion 720 into which the biomaterial is introduced. It is configured to be. Accordingly, as the biosensor 70 is repeatedly coupled to or separated from the socket 40, frictional force is repeatedly generated in the connector 750.
  • the connector part 750 is formed at one end of the printed circuit board 740 made of synthetic resin, durability of the connector part 750 may be significantly increased as compared with the conventional biosensor structure in which the connector part is formed on the surface of the glass substrate. That is, forming the connector portion on the synthetic resin surface has higher strength and adhesion than forming the connector portion on the glass substrate. As a result, durability of the biosensor 70 may be improved compared to conventional biosensors.
  • the biosensor 70 of the present invention is configured to replace only the electrode portion that is not repeatedly in contact with the socket portion 40, there is an advantage that the manufacturing cost of the electrode portion 720 is low. In addition, it is advantageous over the conventional structure in that the biosensor 70 can be used semi-permanently by replacing only the electrode unit 720.
  • the biomaterial analyzing apparatus enhances the durability of the connector part by separating the electrode part into which the biomaterial is inserted and the connector part repeatedly detachable from the socket part, thereby improving the life of the biosensor significantly. It provides an effect.
  • the biomaterial analysis apparatus according to the present invention is configured to replace the electrode unit constituting the biosensor to manufacture and replace only the electrode unit at an economic cost, thereby providing the effect of reducing the manufacturing cost of the biosensor.
  • the biomaterial analysis apparatus according to the present invention has an advantage in that the biomaterial can be easily added to and removed from the electrode part by providing an insertion hole in the printed circuit board constituting the Bao sensor.
  • an apparatus for analyzing a biomaterial using an impedance signal includes: a signal input / output unit configured to receive analog or digital data from an external device and output a digital signal;
  • a direct digital signal synthesizer for processing an analog signal output from the signal input / output unit to generate an analog pulse signal
  • the analog signal output from the direct digital signal synthesizing unit is fed back to the signal input / output unit as a reference signal;
  • a socket unit to which a biosensor accommodating biomaterials is detachably coupled and to which an analog pulse signal output from the direct digital signal synthesizing unit is transferred;
  • transimpedance amplifier configured to react with the biomaterial of the biosensor coupled to the socket to generate an analog current pulse signal and convert the analog current pulse signal into an analog voltage pulse signal.
  • the analog voltage pulse output from the transimpedance amplifier is characterized in that it is configured to be transmitted to the signal input and output unit.
  • the data input to the signal input and output unit is preferably configured to be processed by a MATLAB program.
  • the biosensor is the biosensor
  • An electrode unit having a plurality of electrodes spaced apart from each other on a plate-like substrate and having a biomaterial inlet formed in the substrate to be electrically connected to at least one of the electrodes;
  • a housing having an electrode receiving part open at one surface thereof to receive the electrode part
  • a printed circuit board fixed to the housing
  • a connector part formed at one end of the printed circuit board and electrically detachably coupled to the analysis device;
  • connection pillar electrically connected to the connector portion, one end of which is fixed to the printed circuit board, and the other end of which is formed of an electrically conductive material formed to be in pressure contact with the electrode portion and disposed to correspond to the plurality of electrodes;
  • the electrodes are arranged to be spaced apart in an annular shape, the biomaterial input portion is formed in the center of the substrate,
  • connection pillars are disposed in an annular shape so as to correspond to the plurality of electrodes.
  • the connecting column is fixed to the printed circuit board
  • an instrument insertion portion formed adjacent to the electrode accommodating portion and into which a mechanism can be inserted upon separation of the electrode portion accommodated in the electrode accommodating portion.
  • the connector unit is preferably configured to be compatible with the SD card slot.
  • the electrode unit is formed of a square substrate, and two electrodes are disposed along each edge of the substrate.

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Abstract

본 발명에 따른 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치는, 외부로부터 아날로그 또는 디지털 데이터를 입력받아 디지털 신호를 출력시키는 신호 입출력부; 상기 신호 입출력부에서 출력된 디지털 신호를 가공하여 아날로그 펄스 신호를 발생시키는 직접 디지털 신호 합성부; 상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 신호는 기준 신호로써 상기 신호 입출력부로 피드백 되며; 바이오 물질을 수용하는 바이오 센서가 착탈 가능하게 결합 되며, 상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 펄스 신호가 전달되는 소켓부; 및 상기 소켓부에 결합된 상기 바이오 센서의 바이오 물질과 반응한 후 생성된 아날로그 전류 펄스 신호가 입력되어 아날로그 전압 펄스 신호로 변환하는 트랜스 임피던스 증폭기;를 포함하며, 상기 트랜스 임피던스 증폭기에서 출력되는 아날로그 전압 펄스는 상기 신호 입출력부로 전송되도록 구성된 것을 특징으로 한다. (대표도 : 도 1)

Description

임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치
본 발명은 바이오 물질을 분석하는 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로 바이오 물질에 임피던스 신호를 입력하여 바이오 물질의 농도, 크기, 길이 등을 측정하는 장치에 관한 것이다.
통상적으로 DNA, 핵산, 단백질, 세포 등과 같은 바이오 물질을 탐지할 수 있는 바이오 센서는 바이오 물질에 민감하고 특정한 탐지를 위해 형광 표지 기술을 사용한다. 이와 같은 형광 표지 기술을 이용한 바이오 센서 기술의 일 예가 대한민국 등록특허 제10-1436150호에 개시되어 있다.
바이오 센서는 생물이 가지고 있는 기능을 이용하여 물질의 성질 등을 조사하는 수단을 말한다. 바이오 센서는 의료 분야나 의약 분야에서의 임상화학분석이나 화학물질의 안정성 평가 등 광범위한 분야에서 사용되고 있다. 특히 바이오센서는 혈당 측정, 임신 진단, 소변 검사 등 다양한 자가 테스트 및 빠른 질병 진단에 많이 사용되고 있다.
바이오센서는 분석 방식에 따라 효소 분석법과 면역 분석법으로 구분된다. 생체 시료 내 분석 대상 물질은 정량 분석하는 방법에 따라 광학적 바이오센서와 전기화학적 바이오센서로 구분된다.
효소분석법 바이오센서는 효소와 기질, 효소와 효소 저해제의 특이적인 반응을 이용하는 것이고, 면역분석법 바이오센서는 항원과 항체의 특이적인 반응을 이용하는 것이다. 광학적 바이오센서는 광투과도, 흡광도 또는 파장 변화를 측정하여 목적 물질의 농도를 측정하는 방법으로서, 가장 일반적으로 사용되어 온 방법이다. 분석하고자 하는 다양한 물질들의 반응 매커니즘이 이미 밝혀져 있고, 충분한 시간 동안 반응이 이루어진 후에 측정하므로 측정 시간에 대한 편차가 적다는 장점이 있다. 그러나 전기화학적 바이오센서에 비해 측정 시간이 길고 많은 양의 시료가 필요하다는 단점이 있다. 또한 시료의 혼탁도에 의해 측정 결과가 영향을 받고 광학부의 소형화가 어렵다는 단점이 있다.
전기화학적 바이오센서는 반응으로부터 얻어지는 전기 신호를 측정하여 목적 물질의 농도를 측정하는 방법이다. 전기화학적 바이오센서는 극소량의 시료로도 신호 증폭이 가능하고 소형화가 쉬우며 측정 신호를 안정적으로 획득할 수 있고 정보통신기기 등과 쉽게 융합될 수 있다는 장점이 있다.
전기화학적 바이오 센서의 경우 대표적으로 혈당 측정에 주로 사용되고 있는데, 바이오센서에 혈액과 같은 시료를 도입했을 때 일어나는 전기화학 반응에 의해, 전기신호가 생성되어 바이오센서와 연결 혹은 체결된 측정기에 전달되는 방식이다.
그런데 종래구조의 바이오센서는 대부분 얇은 유리 기판에 바이오 물질이 반응하는 전극과 그 전극에 전기적으로 연결되어 바이오 물질과 전기적으로 연결되는 커넥터부가 금이나 구리를 도금하여 형성된다.
그런데 유리 기판에 직접 커넥터와 전극이 형성되므로 바이오 물질이 커넥터를 오염시켜 분석 장치의 오작동이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 유리 기판에 형성된 커넥터가 분석 장치와 반복적인 결합과 분리에 따라 손상되기 쉬운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출 된 것으로서, 바이오 물질 분석 장치의 구조를 개선함으로써 오작동을 방지하고 바이오 센서의 커넥터부의 내구성을 향상시킨 바이오 물질 분석 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치는, 외부로부터 아날로그 또는 디지털 데이터를 입력받아 디지털 신호를 출력시키는 신호 입출력부;
상기 신호 입출력부에서 출력된 디지털 신호를 가공하여 아날로그 펄스 신호를 발생시키는 직접 디지털 신호 합성부;
상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 신호는 기준 신호로써 상기 신호 입출력부로 피드백 되며;
바이오 물질을 수용하는 바이오 센서가 착탈 가능하게 결합 되며, 상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 펄스 신호가 전달되는 소켓부; 및
상기 소켓부에 결합된 상기 바이오 센서의 바이오 물질과 반응한 후 생성된 아날로그 전류 펄스 신호가 입력되어 아날로그 전압 펄스 신호로 변환하는 트랜스 임피던스 증폭기;를 포함하며,
상기 트랜스 임피던스 증폭기에서 출력되는 아날로그 전압 펄스는 상기 신호 입출력부;로 전송되도록 구성된 점에 특징이 있다.
본 발명에 따른 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치는, 분석하고자 하는 바이오 물질을 형광으로 표지하지 않고 바이오 물질에 의해 발생되는 임피던스 펄스를 측정함으로써 바이오 물질의 농도, 크기, 길이 등의 특성을 분석할 수 있는 장점이 있다. 또는 본 발명의 바이오 센서는 바이오 물질이 투입되는 전극부와 분석 장치에 반복적으로 착탈 되는 커넥터부의 구성을 분리함으로써 상기 커넥터부의 내구성을 강화하여 향상시켜 바이오 센서의 수명을 현혀하게 향상시키는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 센서는 전극부의 교체가 가능하게 구성함으로써 전극부만을 경제적인 비용으로 제조하여 교체할 수 있으므로 분석 장치의 제조 비용이 절감되는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 센서는 인쇄회로기판에 투입공을 구비함으로써 전극부에 바이오 물질의 투입 및 제거가 용이하여 전극부의 재사용이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 분석 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 소켓부와 바이오 센서가 결합 된 상태를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 바이오 센서의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 바이오 센서의 분리 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 연결 기둥의 배치 구조를 상세하게 보여주는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 Ⅵ - Ⅵ 선 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 전극부의 구조를 상세하여 보여주는 도면이다.
도 8은 도 4에 도시된 하우징의 구조를 상세하여 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 분석 장치의 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 소켓부와 바이오 센서가 결합 된 상태를 보여주는 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 바이오 센서의 사시도이다. 도 4는 도 3에 도시된 바이오 센서의 분리 사시도이다. 도 5는 도 4에 도시된 연결 기둥의 배치 구조를 상세하게 보여주는 도면이다. 도 6은 도 3에 도시된 Ⅵ - Ⅵ 선 단면도이다. 도 7은 도 4에 도시된 전극부의 구조를 상세하여 보여주는 도면이다. 도 8은 도 4에 도시된 하우징의 구조를 상세하여 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치(10, 이하 "바이오 물질 분석 장치"라 함)는 전기 화학적 방식에 따른 바이오 물질 분석 장치이다.
전기 화학적 방식의 바이오 물질 분석 방법은 소위 무표지 기술(label-free technique)이라 불리기도 한다. 전기 화학 방식으로 바이오 물질을 분석하는 기술에는 전자공학의 신호처리 기술인 락인 탐지 기술(lock-in detection technique)이 사용된다. 락인 탐지 기술은 1975년에 발표된 기술로서 널리 사용되고 있다. 락인 탐지 기술은 잡음 신호(noise)에 묻힌 표적 신호(target signal)를 분리해 내는 신호처리 기술이다. 락인 탐지 기술은 공지된 기술이므로 더 이상의 상세한 서술은 생략하기로 한다.
상기 바이오 물질 분석 장치(10)는 신호 입출력부(20)와, 직접 디지털 신호 합성부(30)와, 소켓부(40)와, 트랜스 임피던스 증폭기(50)와, 바이오 센서(70)를 포함한다.
상기 신호 입출력부(20)는 외부로부터 아날로그 또는 디지털 데이터를 입력받아 디지털 신호를 출력시키는 신호처리 모듈이다. 상기 신호 입출력부(20)에는 수치 데이터와 같은 디지털 신호가 입력될 수 있으며, 전압이나 전류와 같은 아날로그 펄스 신호가 입력될 수도 있다. 상기 신호 입출력부(20)는 사용자의 입장에서 데이터 입력 장치가 될수도 있으며 데이터 출력 장치가 될수도 있다. 상기 신호 입출력부(20) 공지된 상용 신호처리 모듈을 채용하여 구성할 수 있다. 예컨대 상기 신호 입출력부(20)는 상용화된 NI-DAQ(Ni-USB 6212)와 같은 장치를 채용할 수 있다.
상기 직접 디지털 신호 합성부(30)는 상기 신호 입출력부(20)에서 출력된 디지털 신호를 가공하여 아날로그 펄스 신호를 발생시키는 신호처리 장치다. 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)에서는 디지털 신호를 입력받아 아날로그 전압 신호를 발생시킨다. 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)는 공지된 상용 신호처리 장치를 채용하여 구성할 수 있다. 예컨대 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)는 공지된 상용 신호처리 장치인 AD9837을 채용하여 구성할 수 있다.
상기 직접 디지털 신호 합성부(30)에서 출력된 아날로그 신호는 기준 신호(reference signal)로써 상기 신호 입출력부(20)로 피드백 된다. 상기 신호 입출력부(20)로 피드백된 기준 신호는 후술하는 바이오 센서(70)를 통해 발생된 출력 신호(output signal)과의 관계에 락인 탐지 기술을 적용하여 바이오 물질의 임피던스 값을 도출해 낼 수 있다. 상기 신호 입출력부(20)에 피드백 또는 입력되는 아날로그 펄스 신호는 디지털 신호로 변환된 후 상용 수학계산 프로그램인 MATLAB을 사용하여 사용자가 쉽게 인식할 수 있는 형태의 데이터로 변환될 수 있다.
상기 소켓부(40)는 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)에서 발생된 아날로그 펄스 신호가 인가될 수 있도록 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)와 전기적으로 연결되어 있다. 상기 소켓부(40)에는 바이오 물질을 수용하는 바이오 센서(70)가 착탈 가능하게 결합 된다. 상기 소켓부(40)에는 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)에서 출력된 아날로그 펄스 신호가 전달된다. 상기 소켓부(40)는 SD카드 슬롯과 호환되도록 구성하는 것이 바람직하다. 상기 소켓부(40)를 SD 카드 슬롯과 호환되도록 구성할 경우 부품의 구매가 용이하고 제조비용이 저렴한 장점이 있다.
상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)는 상기 소켓부(40)에 결합된 상기 바이오 센서(70)의 바이오 물질과 반응한 후 생성된 아날로그 전류 펄스 신호가 입력되어 아날로그 전압 펄스 신호로 변환하는 장치다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)는 상기 바이오 센서(70)에 수용된 바이오 물질에서 흘러나오는 전류를 전압으로 바꿔주는 장치다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)는 공지된 상용 신호처리 장치인 AD8616을 채용하여 구성할 수 있다.
상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)에서 출력되는 아날로그 전압 펄스는 상기 신호 입출력부(20)로 전송되도록 구성된다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)로부터 상기 신호 입출력부(20)로 전송되는 전압 펄스 신호는 아날로그 신호이다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)에서 상기 신호 입출력부(20)로 전송되는 전압 펄스 신호는 디지털 신호로 변환된다. 상기 신호 입출력부(20)에서 디지털 신호로 변환된 전압 신호는 공지된 수학계산 프로그램인 MATLAB을 사용하여 상기 기준 신호와의 관계로부터 락인 탐지 기술을 이용하여 상기 바이오 센서(70)에 수용된 바이오 물질에서 발생하는 순수 임피던스 값을 계산해 낼 수 있다.
상기 직접 디지털 신호 합성부(30)와 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)는 하나의 모듈로 제조할 수 있으며, 편의상 도 1에서 임피던스 분석기(Impedance Spectroscopy Analyzer)라 명명하였다.
상기 바이오 센서(70)는 전극부(720)와, 하우징(730)과, 인쇄회로기판(740)과, 커넥터부(750)와, 연결 기둥(760)과, 투입공(744)을 구비한다.
상기 전극부(720)는 판상의 기판으로 구성된다. 상기 전극부(720)는 복수의 전극(722)을 구비한다. 복수의 전극(722)은 서로 이격되게 배열된다. 본 실시 예에서 복수의 전극(722)은 환상으로 배치된다.
본 실시 예에서 상기 전극부(720)는 정사각형 기판으로 구성된다. 상기 전극부(720)는 상기 기판의 각 모서리를 따라 2개의 전극이 배치된다. 따라서 본 실시 예에서 상기 전극(722)은 8개가 구비된다.
상기 전극부(720)는 바이오 물질 투입부(724)를 구비한다. 상기 바이오 물질 투입부(724)는 상기 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 배치된다. 본 실시 예에서 상기 바이오 물질 투입부(724)는 상기 기판의 중심에 배치된다. 상기 바이오 물질 투입부(724)는 상기 기판의 중심에서 일측으로 편심된 위치에 배치될 수도 있다. 상기 바이오 물질 투입부(724)는 DNA와 같은 바이오 물질이 마이크로 리터(㎕) 단위의 미량이 투입되는 부위다. 상기 바이오 물질 투입부(724)에 투입되는 바이오 물질은 후술하는 커넥터부(750)를 통해 입력되는 전기 펄스 신호와 반응하여 출력 펄스를 생성한다. 상기 커넥터부(750)로 입력되는 전기 펄스 신호는 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)를 통해 생성된 아날로그 전압 펄스 신호이다.
상기 바이오 물질 투입부(724)를 통과한 펄스 신호는 전류 펄스 신호로 생성되어 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)에서 전압 신호로 변환되어 상기 신호 입출력부(20)를 통해 디지털 신호로 변환된다. 상기 신호 입출력부(20)에서 디지털 신호로 변환된 디지털 값은 공지의 수학 계산 프로그램인 MATLAB을 통해 사용자가 활용할 수 있는 수치 데이타나 영상 데이타로 가공될 수 있다.
상기 하우징(730)은 상기 전극부(720)를 수용하여 고정하는 부재이다.
상기 하우징(730)은 일면이 개방된 전극 수용부(732)를 구비한다. 상기 전극 수용부(732)에는 상기 전극부(720)가 끼워져 수용된다. 상기 하우징(730)은 전기적으로 부도체인 합성수지로 제조될 수 있다. 상기 하우징(730)은 기구 삽입부(734)를 구비한다. 상기 기구 삽입부(734)는 상기 전극 수용부(732)에 인접하도록 형성된다. 상기 기구 삽입부(734)는 상기 전극 수용부(732)에 수용된 전극부(720)의 분리시 기구가 삽입될 수 있도록 공간을 형성한 것이다. 본 실시 예에서 상기 전극 수용부(732)는 정사각형 형태의 오목한 홈부로 구성된다. 또한, 상기 기구 삽입부(734)는 상기 전극 수용부(732)의 각 꼭지점 부위에 각각 형성된다. 상기 하우징(730)은 후술하는 인쇄회로기판(740)과의 결합을 위해 복수의 결합홈(736)이 구비된다. 상기 결합홈(736)의 내주면에는 암나사부가 형성된다. 본 실시 예에서 상기 결합홈(736)은 4개소가 구비된다.
상기 인쇄회로기판(740)은 상기 하우징(730)에 고정된다. 상기 인쇄회로기판(740)은 일방향으로 길게 형성된 판상의 부재이다. 상기 인쇄회로기판(740)은 전기적으로 부도체인 몸체의 일면에 회로 도선부(742)가 형성된 부재이다. 상기 회로 도선부(742)는 도금 과 식각 공정의 조합에 의해 형성될 수 있다. 상기 인쇄회로기판(740)은 체결 볼트(738)가 상기 인쇄회로기판(740)을 관통하여 상기 하우징(730)에 형성된 상기 결합홈(736)에 나사 결합됨으로써 상기 하우징(730)과 견고하게 고정된다.
상기 커넥터부(750)는 상기 인쇄회로기판(740)의 일단부에 형성된다. 상기 커넥터부(750)는 상기 회로 도선부(742)와 전기적으로 연결된다. 상기 커넥터부(750)는 상기 인쇄회로기판(740)의 몸체 표면에 구리 또는 금과 같이 전기 전도성이 우수한 금속 물질을 도금하여 형성한다. 상기 커넥터부(750)가 인쇄회로기판(740)에 일체로 형성되는 경우 종래의 유리 기판에 커넥터부가 형성되는 구조에 비하여 내구성이 현저하게 향상된다. 상기 커넥터부(750)는 별도의 바이오 물질 분석 장치에 전기적으로 착탈 가능하게 결합 된다. 상기 커넥터부(750)는 SD카드 슬롯과 호환되도록 구성하는 것이 바람직하다. 일반적으로 SD카드 슬롯은 전자기기에 널리 사용되고 있는 인터페이스 구조이므로 부품의 공급이 용이하고 비용이 저렴한 장점이 있다.
상기 연결 기둥(760)은 상기 커넥터부(750)에 전기적으로 연결된다. 상기 연결 기둥(760)의 일단부는 상기 인쇄회로기판(740)에 고정된다. 상기 연결 기둥(760)의 타단부는 상기 전극부(720)에 가압 접촉되도록 형성된다. 더 구체적으로 상기 연결 기둥(760)은 상기 전극부(720)에 형성된 전극(722)에 가압 되도록 배치된다. 상기 연결 기둥(760)은 전기 전도성이 있는 물질로 형성된다. 예컨대 상기 연결 기둥(760)은 구리, 알루미늄, 금, 은 등으로 제조될 수 있다. 상기 연결 기둥(760)은 복수의 상기 전극(722)에 대응되도록 배치된다. 본 실시 예에서 상기 연결 기둥(760)은 상기 전극(722)의 배치에 대응하도록 환상으로 배치된다. 상기 연결 기둥(760)은 고정부(762)와 가동부(764)를 포함한다.
상기 고정부(762)는 상기 회로 도선부(742)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 고정부(762)는 상기 인쇄회로기판(740)에 기계적으로 고정된다. 상기 고정부(762)는 외팔보 형태로 상기 인쇄회로기판(740)으로부터 상기 전극부(720)를 향해 돌출된다.
상기 가동부(764)는 상기 고정부(762)에 슬라이딩 가능하게 결합 된다. 상기 가동부(764)는 상기 고정부(762)로부터 상기 전극(722)을 향해 탄성 가압 되도록 결합 된다. 상기 고정부(762)와 상기 가동부(764)는 예컨대 코일 스프링과 같은 탄성 부재를 매개로 결합될 수 있다. 상기 가동부(764)는 상기 커넥터부(750)와 상기 전극부(720)와 전기적인 연결이 항상 양호하게 유지될 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 가동부(764)는 상기 연결 기둥(760)을 제작하는 과정에서 발생하는 공차를 흡수함으로써 바이오 센서(70)의 조립 품질을 우수하게 유지할 수 있는 작용 효과를 제공한다.
상기 투입공(744)은 상기 인쇄회로기판(740)의 상면과 하면을 관통하도록 형성된다. 상기 투입공(744)은 상기 전극부(720)와 연통된다. 더 구체적으로 상기 투입공(744)은 상기 바이오 물질 투입부(724)와 연통된다. 사용자는 상기 투입공(744)를 통해 미량의 바이오 물질을 상기 전극부(720)에 투입하거나 그 전극부(720)에 투입된 바이오 물질을 제거할 수 있다. 바이오 물질의 투입은 피펫과 같은 도구를 사용할 수 있다. 바이오 물질의 제거는 면봉과 같은 도구를 사용할 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 바이오 물질 분석 장치(10)의 사용 방법을 예로 들어 설명하면서 본 발명의 작용 효과를 상세하게 설명하기로 한다.
DNA의 농도는 일정한 주파수 값을 가진 전기 펄스 신호로 인가로 인해 발생되는 임피던스와 밀접한 상관관계가 있다고 알려져 있다.
먼저, 상기 바이오 센서(70)에 바이오 물질을 투입한다. 상기 바이오 센서(70)는 상기 소켓부(40)에서 분리된 상태로 바이오 물질을 투입할 수 있다. 상기 바이오 센서(70)에 바이오 물질을 투입하는 방법은, 피펫과 같이 미세한 액상의 바이오 물질을 바이오 센서에 투입한다. 이 과정에서 상기 투입공(744)을 통해 상기 바이오 물질 투입부(724)에 미량의 바이오 물질을 투입한다. 그리고 상기 커넥터부(750)를 상기 소켓부(40)에 결합한다. 상기 커넥터부(750)는 SD카드 슬롯과 호환성을 가지므로 SD카드 슬롯을 구비한 상기 소켓부(40)에 용이하게 결합할 수 있다. 그리고 공지된 전기신호처리장치인 상기 신호 입출력부(20)와 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)를 통해 특정한 주파수 값을 가진 아날로그 전압 신호를 상기 커넥터부(750)에 인가한다. 상기 커넥터부(750)에 인가된 아날로그 펄스 전압 신호는 상기 회로 도선부(742)와 상기 연결 기둥(760)을 통해 상기 전극부(720)에 전달된다. 상기 전극부(720)에 전달된 아날로그 펄스 전압 신호는 상기 바이오 물질 투입부(724)에 투입된 바이오 물질을 통과하면서 임피던스(저항)에 의해 입력 펄스와 다른 펄스 신호를 발생한다. 상기 바이오 물질 투입부(724)에서 발생된 출력 펄스는 상기 연결 기둥(760)과 상기 회로 도선부(742)를 통하여 상기 커넥터부(750)로 피드백(feed back) 된다. 상기 커넥터부(750)를 통해 출력되는 전기 펄스 신호는 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)를 통과하면서 전류 펄스 신호가 전압 펄스 신호로 변환된다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)에서 출력된 전압 펄스 신호는 아날로그 신호로서 상기 신호 입출력부(20)에 입력된 후 MATLAB과 같은 수학계산 프로그램을 이용하여 사용자가 쉽게 이해할 수 있는 수치 또는 영상 데이타로 가공된다. 또한 이 과정에서 상기 직접 디지털 신호 합성부(30)에서 상기 신호 입출력부(20)로 피드백된 아날로그 전압 펄스는 기준 신호(reference signal)로서 사용된다. 그리고 상기 트랜스 임피던스 증폭기(50)로부터 출력된 출력 신호(output signal)는 상기 신호 입출력부(20)에 입력되어 바이오 물질의 임피던스 값을 계산하기 위한 자료가 된다. 상기 기준 신호와 상기 출력 신호는 락인 탐지 기술에 의해 상기 바이오 물질의 순수 임피던스 값으로 계산될 수 있다. 이와 같은 락인 탐지 기술에 의한 임피던스 계산은 공지된 방법이므로 상세한 서술은 생략하기로 한다.
이와 같이 바이오 물질의 특정 주파수에서 임피던스 값을 계산함으로써 그 바이오 물질의 농도, 크기, 길이 등을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 물질 분석 장치는, 형광으로 표지할 필요가 없이 미량의 바이오 물질을 바이오 센서에 투입한 후 특정 주파수의 전압 펄스를 인가함으로써 그 바이오 물질의 특성을 쉽게 측정할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 따른 바이오 물질 분석 장치는, 상기 바이오 센서(70)가 상기 소켓부(40)에 전기적으로 연결되는 커넥터부(750)가 바이오 물질이 투입되는 전극부(720)와 물리적으로 분리되도록 구성된다. 이에 따라 상기 바이오 센서(70)가 반복적으로 상기 소켓부(40)와 결합 또는 분리됨에 따라 상기 커넥터부(750)에는 마찰력이 반복적으로 발생한다. 그런데 상기 커넥터부(750)는 합성수지로 이루어진 인쇄회로기판(740)의 일단부에 형성되므로, 유리 기판의 표면에 커넥터부를 형성하는 종래의 바이오 센서 구조에 비하여 내구성을 현저하게 높일 수 있다. 즉, 합성수지 표면에 커넥터부를 형성하는 것은 유리 기판에 커넥터부를 형성하는 것 보다 더 높은 강도와 접착력을 가진다. 이에 따라 바이오 센서(70)의 반복적인 사용시에 내구성이 종래 바이오 센서에 비하여 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바이오 센서(70)는 소켓부(40)와 반복적으로 접촉하지 않은 전극부만을 교체 가능하도록 구성되므로, 전극부(720)의 제조 비용이 저렴한 장점이 있다. 또한, 전극부(720) 만을 교체하면 반 영구적으로 바이오 센서(70)를 사용할 수 있다는 점에서 종래의 구조에 비하여 유리하다.
이와 같이 본 발명에 따른 바이오 물질 분석 장치는, 바이오 물질이 투입되는 전극부와 소켓부에 반복적으로 착탈 되는 커넥터부의 구성을 분리함으로써 상기 커넥터부의 내구성을 강화하여 향상시켜 바이오 센서의 수명을 현저하게 향상시키는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 물질 분석 장치는 바이오 센서를 구성하는 전극부의 교체가 가능하게 구성함으로써 전극부만을 경제적인 비용으로 제조하여 교체할 수 있으므로 바이오 센서의 제조 비용이 절감되는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 물질 분석 장치는 바오오 센서를 구성하는 인쇄회로기판에 투입공을 구비함으로써 전극부에 바이오 물질의 투입 및 제거가 용이하여 전극부의 재사용이 가능한 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치는, 외부로부터 아날로그 또는 디지털 데이터를 입력받아 디지털 신호를 출력시키는 신호 입출력부;
상기 신호 입출력부에서 출력된 디지털 신호를 가공하여 아날로그 펄스 신호를 발생시키는 직접 디지털 신호 합성부;
상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 신호는 기준 신호로써 상기 신호 입출력부로 피드백 되며;
바이오 물질을 수용하는 바이오 센서가 착탈 가능하게 결합 되며, 상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 펄스 신호가 전달되는 소켓부; 및
상기 소켓부에 결합된 상기 바이오 센서의 바이오 물질과 반응한 후 생성된 아날로그 전류 펄스 신호가 입력되어 아날로그 전압 펄스 신호로 변환하는 트랜스 임피던스 증폭기;를 포함하며,
상기 트랜스 임피던스 증폭기에서 출력되는 아날로그 전압 펄스는 상기 신호 입출력부;로 전송되도록 구성된 점에 특징이 있다.
상기 신호 입출력부에 입력되는 데이터는 MATLAB 프로그램에 의해 가공되도록 구성된 것이 바람직하다.
상기 바이오 센서는,
판상의 기판에 이격 되게 배열된 복수의 전극이 구비되며 상기 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 상기 기판에 형성된 바이오 물질 투입부를 구비한 전극부;
일면이 개방되어 상기 전극부를 수용하는 전극 수용부를 구비한 하우징;
상기 하우징에 고정된 인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판의 일단부에 형성되며 분석 장치에 전기적으로 착탈 가능하게 결합 되는 커넥터부;
상기 커넥터부에 전기적으로 연결되며 일단부가 상기 인쇄회로기판에 고정되고 타단부가 상기 전극부에 가압 접촉되도록 형성된 전기 전도성이 있는 물질로 형성되고 상기 복수의 전극에 대응되도록 배치된 연결 기둥; 및
상기 인쇄회로기판의 상면과 하면을 관통하도록 형성되어 상기 전극부와 연통되는 투입공;을 포함한 것이 바람직하다.
상기 전극은 환상으로 이격 되게 배열되며, 상기 바이오 물질 투입부는 상기 기판의 중심에 형성되며,
상기 연결 기둥은 상기 복수의 전극에 대응되도록 환상으로 배치된 것이 바람직하다.
상기 연결 기둥은 상기 인쇄회로기판에 고정된 고정부; 및
상기 고정부에 슬라이딩 가능하게 결합 되며 상기 고정부로부터 상기 전극을 향해 탄성 가압 되는 가동부를 포함한 것이 바람직하다.
상기 전극 수용부에 인접하게 형성되며 상기 전극 수용부에 수용된 전극부의 분리시 기구가 삽입될 수 있는 기구 삽입부를 구비한 것이 바람직하다.
상기 커넥터부는 SD카드 슬롯과 호환되도록 구성된 것이 바람직하다.
상기 전극부는 정사각형 기판으로 구성되며 상기 기판의 각 모서리를 따라 2개의 전극이 배치된 것이 바람직하다.

Claims (8)

  1. 외부로부터 아날로그 또는 디지털 데이터를 입력받아 디지털 신호를 출력시키는 신호 입출력부;
    상기 신호 입출력부에서 출력된 디지털 신호를 가공하여 아날로그 펄스 신호를 발생시키는 직접 디지털 신호 합성부;
    상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 신호는 기준 신호로써 상기 신호 입출력부로 피드백 되며;
    바이오 물질을 수용하는 바이오 센서가 착탈 가능하게 결합 되며, 상기 직접 디지털 신호 합성부에서 출력된 아날로그 펄스 신호가 전달되는 소켓부; 및
    상기 소켓부에 결합된 상기 바이오 센서의 바이오 물질과 반응한 후 생성된 아날로그 전류 펄스 신호가 입력되어 아날로그 전압 펄스 신호로 변환하는 트랜스 임피던스 증폭기;를 포함하며,
    상기 트랜스 임피던스 증폭기에서 출력되는 아날로그 전압 펄스는 상기 신호 입출력부로 전송되도록 구성된 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 입출력부에 입력되는 데이터는 MATLAB 프로그램에 의해 가공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 센서는,
    판상의 기판에 이격 되게 배열된 복수의 전극이 구비되며 상기 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 상기 기판에 형성된 바이오 물질 투입부를 구비한 전극부;
    일면이 개방되어 상기 전극부를 수용하는 전극 수용부를 구비한 하우징;
    상기 하우징에 고정된 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판의 일단부에 형성되며 분석 장치에 전기적으로 착탈 가능하게 결합 되는 커넥터부;
    상기 커넥터부에 전기적으로 연결되며 일단부가 상기 인쇄회로기판에 고정되고 타단부가 상기 전극부에 가압 접촉되도록 형성된 전기 전도성이 있는 물질로 형성되고 상기 복수의 전극에 대응되도록 배치된 연결 기둥; 및
    상기 인쇄회로기판의 상면과 하면을 관통하도록 형성되어 상기 전극부와 연통되는 투입공;을 포함한 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극은 환상으로 이격 되게 배열되며, 상기 바이오 물질 투입부는 상기 기판의 중심에 형성되며,
    상기 연결 기둥은 상기 복수의 전극에 대응되도록 환상으로 배치된 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연결 기둥은 상기 인쇄회로기판에 고정된 고정부; 및
    상기 고정부에 슬라이딩 가능하게 결합 되며 상기 고정부로부터 상기 전극을 향해 탄성 가압 되는 가동부를 포함한 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전극 수용부에 인접하게 형성되며 상기 전극 수용부에 수용된 전극부의 분리시 기구가 삽입될 수 있는 기구 삽입부를 구비한 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 커넥터부는 SD카드 슬롯과 호환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 전극부는 정사각형 기판으로 구성되며 상기 기판의 각 모서리를 따라 2개의 전극이 배치된 것을 특징으로 하는 임피던스 신호를 이용하여 바이오 물질을 분석하는 장치.
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