WO2019022288A1 - 바이오 감지 장치 - Google Patents

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WO2019022288A1
WO2019022288A1 PCT/KR2017/010139 KR2017010139W WO2019022288A1 WO 2019022288 A1 WO2019022288 A1 WO 2019022288A1 KR 2017010139 W KR2017010139 W KR 2017010139W WO 2019022288 A1 WO2019022288 A1 WO 2019022288A1
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target analyte
unit cell
display unit
sensing
receptor
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PCT/KR2017/010139
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Inventor
안세영
Original Assignee
안세영
후즈비엔 테크놀로지 인스티튜트 인크
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    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
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    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals

Definitions

  • the present invention relates to a bio-sensing device, and more particularly, to a bio-sensing device having an electrode structure.
  • Test methods used for disease diagnosis are mainly based on coloration and fluorescence by enzyme reaction, but recent methods using immunoassay using an immune response between an antigen and an antibody have also been used.
  • the optical measurement method combining the optical labeling with the catalytic reaction of the enzyme was used the most.
  • the present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to provide a bio-sensing device which can shorten analysis time and is relatively inexpensive.
  • these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
  • the bio-sensing device includes a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other; A channel between the source electrode and the drain electrode, wherein the electrical resistance value can be changed by a target analyte; At least one unit cell having a sensing electrode and a gate electrode spaced apart from the sensing electrode; And a display unit that is electrically connected to the unit cell and displays time information that varies according to an electrical resistance value of the sensing film.
  • the bio-sensing device may further include: a receiving portion capable of receiving a liquid biological sample containing the target analyte; A passage part through which a liquid biological sample can be transferred onto the sensing membrane in the receiving part; And a case for housing at least a part of the unit cell, the display unit, the accommodation unit, and the passage unit.
  • the passage portion may include a nylon strip through which a liquid biological sample can be transferred by a capillary phenomenon.
  • the liquid biological sample may include blood, saliva, or urine
  • the target analyte may be a protein, a peptide, an abstamer, a nucleic acid, an oligosaccharide, an amino acid or a carbohydrate .
  • the material of the sensing layer may include carbon nanotubes, graphene, silicon nanorods, molybdenum disulfide, or phosphorous. At least a portion of a region of the source electrode and the drain electrode, comb shape.
  • the display unit may include a quantum dot display bar or an LED display bar whose color changes according to an electrical resistance value of a sensing film, one end of which is connected to a source electrode And the other end may be connected to the drain electrode.
  • the at least one unit cell includes a first unit cell and a second unit cell spaced from each other, wherein the first unit cell senses a first receptor capable of binding with a first target analyte
  • the second unit cell further comprises a second receptor on the sensing membrane capable of binding with a second target analyte different from the first target analyte,
  • a first display unit electrically connected to the cell, and a second display unit electrically connected to the second unit cell.
  • the unit cell and the display unit are configured to be connected in parallel to a power unit, and the sensing film and the receptor are combined with each other so that the electrical resistance value of the sensing film constituting the unit cell is increased by the combination of the target analyte and the receptor
  • the magnitude of the current flowing through the display unit when the target analyte and the receptor are coupled may be greater than the magnitude of the current flowing through the display unit when the target analyte and the receptor are not coupled.
  • the first target analyte is a target analyte containing a disease agent
  • the second target analyte is a target analyte that does not contain a disease agent
  • the first display unit may be configured to display time information for confirming the presence or absence of a disease factor based on the second display unit.
  • the disease agent may include a cancer, AIDS, heart disease, mars, SARS, hormone, narcotic, nicotine, AI, anthrax or an inherited factor.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a bio-sensing device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a unit cell, a display unit, and a power source unit in a bio-sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a unit cell in the bio-sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view illustrating a shape of a source electrode in a unit cell constituting the bio-sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a bio-sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a bio-sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a unit cell 100 in a bio-sensing device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
  • a bio-sensing device 1 includes a source electrode 140 and a drain electrode 150 spaced apart from each other; A channel between the source electrode 140 and the drain electrode 150, the sensing film 190 being capable of changing the electrical resistance value by the target analyte 300; At least one unit cell comprising a sensing electrode (190) and a gate electrode (110) spaced apart from the sensing electrode (190); And a display unit (30) electrically connected to the unit cell and displaying time information which varies according to an electrical resistance value of the sensing film (190).
  • a power supply unit 40 such as a battery cell is connected to one end of a gate electrode 110 to apply a gate voltage.
  • the power source of the battery cell may be, for example, 1.5 volts.
  • One end of the power supply unit 40 is electrically connected to the source electrode 140 and the other end of the power supply unit 40 is electrically connected to the drain electrode 150.
  • a passive element 200 such as a resistive element may be interposed between the electrodes 140 and 150 and the power supply 40.
  • the source electrode 140, the sensing layer 190, the drain electrode 150, the passive element 200, and the display portion 30 may form a closed circuit.
  • a shown in FIG. 1 may include region A shown in FIG.
  • the circuit components shown in FIG. 2 may all be passivated except for the sensing film 190.
  • the display unit 30 includes a light emitting diode display bar or a quantum dot display bar whose color changes according to an electrical resistance value of the sensing film 190.
  • One end of the light emitting diode display bar is connected to the source electrode 140 And the other end may be connected to the drain electrode 150.
  • the bio-sensing device 1 includes a receiving portion 20 capable of receiving a liquid biological sample containing the target analyte; A passage part (not shown) through which the liquid biological sample can be transferred onto the sensing membrane 190 in the accommodating part 20; And a case 10 housing the unit cell, the display unit 30, the accommodating unit 20, and at least a part of the passage unit.
  • the unit cell may optionally further include a receptor 195 attached on the sensing membrane 190 and capable of binding with the target analyte 300.
  • the receptor 195 may be attached on the sensing membrane 190 by a functional group.
  • the receptor 195 may be any one or more selected from the group consisting of, for example, an enzyme substrate, a ligand, an amino acid, a peptide, an extramammer, a guanine, a protein, a nucleic acid, a lipid and a carbohydrate.
  • the functional group may be at least one selected from the group consisting of, for example, an amine group, a carboxyl group, a thiol group and a lipid.
  • the target analyte 300 can be, for example, a protein, an aptamer, a peptide, a nucleic acid, an oligosaccharide, an amino acid, a carbohydrate, a dissolved gas, a sulfur oxide gas, a nitric oxide gas, Na, K or its ion, Heavy metals, and environmentally harmful substances.
  • the target analyte 300 can be contained in a liquid biological sample such as, for example, blood, saliva, or urine.
  • the receiving part 20 for receiving the liquid biological sample may be fixedly arranged to be exposed on the upper surface of the case 10, or may be arranged to slide and move in a drawer form on the side of the case 10.
  • the passage portion may include a passage portion through which a liquid biological sample can be transferred by, for example, a capillary phenomenon.
  • the passage portion may include a nylon strip through which a liquid biological sample can be transferred by capillary phenomenon .
  • the passage portion may be omitted.
  • the sensing membrane 190 may be made of a material whose resistance may vary according to the receptor 195 and the target analyte 300 associated therewith.
  • the material of the sensing layer 190 may include, for example, carbon nanotubes (CNT), silicon nanorods, graphene, molybdenum disulfide (MoS 2 ), or phosphorane.
  • the sensing membrane 190 may be a material that can react with the target analyte 300 directly without interposing the receptor 195, .
  • the sensing film 190 is a carbon nanotube (CNT)
  • the device 100 shown in FIG. 3 can be understood as a CNT field effect transistor (CNT-FET).
  • the gate electrode 110 is disposed below the source electrode 140, the drain electrode 150 and the sensing film 190 at a lower level. That is, the level at which the gate electrode 110 is located is lower than the level at which the source electrode 140, the drain electrode 150, and the sensing film 190 are located.
  • a level is a term for distinguishing a vertical positional relationship in the cross section shown in FIG.
  • the unit cell constituting the bio-sensing device 1 may further include an insulating member 130 interposed between the sensing film 190 and the gate electrode 110.
  • the insulating member 130 may have the form of, for example, an insulating film or an insulating substrate.
  • the surface of the insulating member 130 may be subjected to plasma treatment in order to improve adhesion between the insulating member 130 and the sensing film 190.
  • a buffer layer (not shown) may be interposed between the insulating member 130 and the sensing layer 190 to improve adhesion.
  • the unit cells disclosed in FIG. 3 may be disposed on a separate substrate and housed in the case 10. Alternatively, the unit cell disclosed in FIG. 3 may be mounted directly on the inner side of the case 10 without a separate substrate.
  • FIG. 4 is a view illustrating a shape of a source electrode in a unit cell constituting the bio-sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • a region 140b of the source electrode 140 in contact with the sensing film 190 such as carbon nanotube, graphene, molybdenum disulfide, or phosphorous may have a comb-like shape .
  • the bonding force or interconnection between the sensing film 190 and the source electrode 140 can be improved.
  • the region of the drain electrode in contact with the sensing film, such as carbon nanotube or graphene has a comb-like shape to improve the bonding strength or interconnection between the drain electrode and the sensing film.
  • the bio-sensing device 1 according to an embodiment of the present invention can be used as an inspection device used for disease diagnosis and can be used as a sensing device using an immune reaction between an antigen and an antibody depending on the type of a sensing membrane and a receptor .
  • the bio-sensing device 1 according to an embodiment of the present invention can diagnose various cancers such as pancreatic cancer and breast cancer, AIDS diagnosis, heart disease diagnosis, mars, SARS, hormone, drug, nicotine, , And various genetic disease diagnostic devices.
  • various cancers such as pancreatic cancer and breast cancer, AIDS diagnosis, heart disease diagnosis, mars, SARS, hormone, drug, nicotine, , And various genetic disease diagnostic devices.
  • an exemplary explanation will be given.
  • the bio-sensing device 1 may include at least one unit cell, for example, a first unit cell and a second unit cell spaced apart from each other. 3, the first unit cell further includes a first receptor 195 on the sensing layer 190 that can be coupled to a first target analyte, And a second receptor 195 capable of binding a second target analyte different from the first target analyte.
  • the display unit 30 may include a first display unit 32 electrically connected to the first unit cell and a second display unit 34 electrically connected to the second unit cell.
  • the unit cell and the display unit are connected in parallel to a power source unit.
  • the electrical connection between the first unit cell and the first display unit 32 and the electrical connection between the second unit cell and the second display unit 34 can be understood as shown in FIG. 2 .
  • the sensing film 190 and the receptor 195 may be configured such that the electrical resistance of the sensing film 190 constituting the unit cell is increased by the combination of the target analyte 300 and the receptor 195.
  • the magnitude of the current flowing through the display unit 30 when the target analyte 300 and the receptor 195 are combined is determined based on the amount of current flowing through the display unit 30 when the target analyte 300 and the receptor 195 are not coupled, Which is larger than the magnitude of the current flowing in the transistor.
  • a liquid sample of a healthy person does not contain a first target analyte but contains a second target analyte
  • a liquid sample of a human having a disease agent contains both the first target analyte as well as the second target analyte.
  • the first target analyte capable of selectively binding to the first receptor is selected from a target assay comprising a factor of cancer, AIDS, heart disease, mars, SARS, hormone, narcotic, nicotine, AI, Water and the second target analyte capable of selectively binding with the second receptor is a target analyte that does not contain the disease agent
  • the second display portion 34 displays visual information in a standard state
  • 1 display unit 32 may be configured to display time information for confirming the presence or absence of a disease factor on the basis of the second display unit 34.
  • the first sensing film constituting the first unit cell described above does not have a coupling between the receptor and the target analyte
  • the electric resistance value is relatively low and the current flowing to the first sensing film is relatively large while the magnitude of the current flowing to the first display unit connected in parallel with the first unit cell is relatively low.
  • the second sensing film constituting the second unit cell has a relatively low electric resistance value and a relatively large current flowing to the second sensing film due to the absence of coupling between the receptor and the target analyte, And the amount of current flowing to the second display unit connected in parallel is relatively low. Therefore, both the first display unit and the second display unit may be turned off, or a display color corresponding to a low current may be expressed.
  • a liquid sample of a healthy human who does not have a disease agent is provided to the receptacle 20 and power is supplied to the receptacle 20 of the bio-sensing device 1 described above,
  • the resistance of the first sensing film constituting the first unit cell is relatively low and the current flowing to the first sensing film is relatively large while the electrical resistance of the first sensing cell constituting the first unit cell is relatively large,
  • the magnitude of the current flowing to the first display portion is relatively low.
  • the electric resistance value of the second sensing film constituting the second unit cell is relatively large and the current flowing to the second sensing film is relatively small,
  • the magnitude of the current flowing to the second display unit connected in parallel with the unit cell is relatively large. Accordingly, the first display unit may be turned off, or a display color corresponding to a low current may be displayed, while a second display unit may be turned on or a display color corresponding to a high current may be displayed.
  • the second receptor may be a second target analyte
  • the electric resistance value of the second sensing film constituting the second unit cell is relatively large and the current flowing to the second sensing film is relatively low.
  • the electric current passing through the second display cell, which is connected in parallel with the second unit cell The magnitude of the current flowing to the part is relatively large.
  • the electric resistance value of the first sensing film constituting the first unit cell is relatively large, so that the magnitude of the current flowing to the first sensing film is relatively small, The magnitude of the current flowing to the first display unit connected in parallel with the first unit cell is relatively large. Therefore, both the first display unit and the second display unit are turned on or a display color corresponding to a high current is expressed.
  • This bio-sensing device 1 can be understood as a self-check sensor cassette which does not require a separate reader. According to this, since the bio-sensing device 1 utilizes the electrical characteristics, There is no need for complicated procedures, the apparatus for analysis is relatively inexpensive, and analysis time is not long.

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Abstract

본 발명은 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극, 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널로서 표적 분석물(target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있는 감지막, 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극을 구비하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 및 상기 단위셀에 전기적으로 연결되되, 감지막의 전기저항값에 따라 변동되는 시각정보를 표시하는, 디스플레이부;를 포함하는 바이오 감지 장치를 제공한다.

Description

바이오 감지 장치
본 발명은 바이오 감지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 구조를 가지는 바이오 감지 장치에 관한 것이다.
질병 진단에 사용되는 검사 방법은 주로 효소 반응에 의한 발색, 형광 등에 기반을 두고 있으나, 최근 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 면역검사를 이용하는 방법도 사용되고 있다. 기존의 면역분석법은 효소의 촉매 반응에 광 표지를 결합한 광학적 측정 방법이 가장 많이 이용되었다. 이러한 방법들은 주로 실험실 위주의 숙련된 연구원에 의해 수행될 수 있는 복잡한 절차가 필요하고, 분석을 위한 장치가 고가의 대형 장치이며, 분석 시간이 오래 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 분석 시간을 단축시킬 수 있으며 비용이 상대적으로 낮은 바이오 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 바이오 감지 장치가 제공된다. 상기 바이오 감지 장치는 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널로서, 표적 분석물(target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있는, 감지막; 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극;을 구비하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 및 상기 단위셀에 전기적으로 연결되되, 감지막의 전기저항값에 따라 변동되는 시각정보를 표시하는, 디스플레이부;를 포함한다.
상기 바이오 감지 장치는, 상기 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료를 수용할 수 있는 수용부; 상기 수용부에서 감지막 상으로 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 통로부; 상기 단위셀, 디스플레이부, 수용부 및 통로부의 적어도 일부를 하우징하는 케이스;를 더 포함할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 통로부는 모세관 현상으로 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 나일론 스트립(nylon strip)을 구비할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 액상의 생체시료는 혈액(blood), 침(saliva) 또는 소변(urine)을 포함하고, 상기 표적 분석물은 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산 또는 탄수화물을 포함할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 감지막의 재질은 탄소나노튜브, 그래핀, 실리콘나노막대, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 중에서 감지막과 접촉하는 영역의 적어도 일부는 콤(comb) 형상을 가질 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 디스플레이부는, 감지막의 전기저항값에 따라 색상이 변동되는 양자점 디스플레이 바(quantum dot display bar) 혹은 LED 디스플레이 바(LED display bar)를 포함하되, 일단이 소스 전극에 연결되고 타단이 드레인 전극에 연결될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 적어도 하나 이상의 단위셀은 서로 이격된 제 1 단위셀 및 제 2 단위셀을 포함하되, 상기 제 1 단위셀은 제 1 표적 분석물과 결합할 수 있는 제 1 리셉터를 감지막 상에 더 구비하며, 상기 제 2 단위셀은 상기 제 1 표적 분석물과 상이한 제 2 표적 분석물과 결합할 수 있는 제 2 리셉터를 감지막 상에 더 구비하며, 상기 디스플레이부는 상기 제 1 단위셀과 전기적으로 연결되는 제 1 디스플레이부 및 상기 제 2 단위셀과 전기적으로 연결되는 제 2 디스플레이부를 구비할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 단위셀과 상기 디스플레이부는 전원부에 병렬로 연결되도록 구성되며, 상기 감지막과 리셉터는 표적 분석물과 리셉터의 결합으로 상기 단위셀을 구성하는 감지막의 전기저항값이 높아지도록 구성됨으로써, 상기 표적 분석물과 리셉터가 결합되는 경우 디스플레이부에 흐르는 전류의 크기는 상기 표적 분석물과 리셉터가 결합되지 않는 경우 디스플레이부에 흐르는 전류의 크기 보다 더 클 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 제 1 표적 분석물은 질병인자를 포함하는 표적 분석물이고, 상기 제 2 표적 분석물은 질병인자를 포함하지 않는 표적 분석물이며, 상기 제 2 디스플레이부는 표준 상태의 시각정보를 표시하고, 상기 제 1 디스플레이부는 제 2 디스플레이부를 기준으로 질병인자 유무 상태를 확인할 수 있는 시각정보를 표시하도록 구성될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 질병인자는 암, AIDS, 심장병, 메르스, SARS, 호르몬, 마약, 니코틴, AI, 탄저병 또는 유전병의 인자를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 분석 시간을 단축시킬 수 있으며 비용이 상대적으로 낮은 바이오 감지 장치를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 구성을 개요적으로 도해하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 단위셀, 디스플레이부, 전원부의 구성을 개요적으로 도해하는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 단위셀을 도해하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀에서 소스 전극의 형상을 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 예시적으로 설명하기로 한다. 명세서 전체에 걸쳐서, 막, 패턴, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 구성을 개요적으로 도해하는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 단위셀, 디스플레이부, 전원부의 구성을 개요적으로 도해하는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 단위셀(100)을 도해하는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치(1)는 서로 이격되어 배치된 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150); 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150) 사이의 채널로서, 표적 분석물(300, target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있는, 감지막(190); 감지막(190)과 이격되어 배치된 게이트 전극(110);을 구비하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 및 상기 단위셀에 전기적으로 연결되되, 감지막(190)의 전기저항값에 따라 변동되는 시각정보를 표시하는, 디스플레이부(30);를 포함한다.
도 2를 참조하면, 배터리 셀과 같은 전원부(40)는 게이트 전극(110)의 일단에 연결되어 게이트 전압을 인가한다. 배터리 셀의 전원은 예를 들어, 1.5 볼트일 수 있다. 또한, 전원부(40)의 일단은 소스 전극(140)에 전기적으로 연결되며, 전원부(40)의 타단은 드레인 전극(150)에 전기적으로 연결된다. 물론, 저항소자와 같은 수동소자(200)가 전극(140, 150)과 전원부(40) 사이에 개재될 수 있다. 상기 소스 전극(140), 감지막(190), 드레인 전극(150), 수동소자(200) 및 디스플레이부(30)는 폐회로를 형성할 수 있다. 도 1에 도시된 A는 도 2에 도시된 A 영역을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 회로 구성 요소들은 감지막(190)을 제외하고 모두 패시베이션(passivation) 처리될 수 있다.
디스플레이부(30)는, 감지막(190)의 전기저항값에 따라 색상이 변동되는 발광 다이오드 디스플레이 바 또는 양자점 디스플레이 바(quantum dot display bar)를 포함하되, 일단이 소스 전극(140)에 연결되고 타단이 드레인 전극(150)에 연결될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치(1)는 상기 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료를 수용할 수 있는 수용부(20); 수용부(20)에서 감지막(190) 상으로 상기 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 통로부(미도시); 상기 단위셀, 상기 디스플레이부(30), 상기 수용부(20) 및 상기 통로부의 적어도 일부를 하우징하는 케이스(10);를 더 포함할 수 있다.
단위셀은 감지막(190) 상에 부착되되 표적 분석물(300)과 결합할 수 있는 리셉터(195);를 선택적으로 더 구비할 수 있다. 리셉터(195)는 작용기에 의해 감지막(190) 상에 부착될 수 있다. 리셉터(195)는, 예를 들어, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 구아닌(guanine), 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 한편, 상기 작용기는, 예를 들어, 아민기, 카르복실기, 티올기 및 지질(lipid)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 표적 분석물(300)은, 예를 들어, 단백질, 압타머, 펩티드, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, Na, K 또는 그 이온, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
표적 분석물(300)은, 예를 들어, 혈액(blood), 침(saliva) 또는 소변(urine)과 같은 액상의 생체시료 내에 함유될 수 있다. 상기 액상의 생체시료를 수용하는 수용부(20)는 케이스(10)의 상부면에 노출되도록 고정배치되거나 케이스(10)의 측면에서 서랍 형식으로 슬라이딩 이동하여 입출되도록 배치될 수 있다.
상기 액상의 생체시료를 수용하는 수용부(20)가 감지막(190)과 이격되어 배치되는 경우, 수용부(20)에서 감지막(190) 상으로 상기 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 통로부(미도시)가 구성될 수 있다. 상기 통로부는, 예를 들어, 모세관 현상으로 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 통로부를 구비할 수 있는 바, 구체적으로, 모세관 현상으로 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 나일론 스트립(nylon strip)을 구비할 수 있다. 한편, 상기 액상의 생체시료를 수용하는 수용부(20)가 감지막(190)과 이격되지 않고 감지막(190) 상에 직접 배치되는 경우, 상기 통로부는 생략될 수 있다.
감지막(190)은 리셉터(195) 및 이와 결합되는 표적 분석물(300)에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 감지막(190)의 재질은, 예를 들어, 탄소나노튜브(CNT), 실리콘나노막대, 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2) 또는 포스포린(phosphorene)을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에 의한 바이오 감지 장치에서, 감지막(190)은 리셉터(195)를 개재하지 않고 상술한 표적 분석물(300)과 직접 반응하여 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수도 있다. 감지막(190)이 탄소나노튜브(CNT)인 경우, 도 3에 도시된 소자(100)는 CNT 전계효과 트랜지스터(CNT-FET)로 이해될 수 있다.
게이트 전극(110)은 소스 전극(140), 드레인 전극(150) 및 감지막(190) 보다 더 낮은 레벨(level)에 위치하는 하부에 배치된다. 즉, 게이트 전극(110)이 위치하는 레벨은 소스 전극(140), 드레인 전극(150) 및 감지막(190)이 위치하는 레벨 보다 낮다. 본 명세서에서 레벨이라 함은 도 3의 도시된 단면에서 상하 위치관계를 구분하기 위한 용어이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치(1)를 구성하는 단위셀은 감지막(190)과 게이트 전극(110) 사이에 개재된 절연부재(130)를 더 구비할 수 있다. 절연부재(130)는, 예를 들어, 절연막 또는 절연 기판의 형태를 가질 수 있다.
절연부재(130)와 감지막(190) 간의 접착력을 개선하기 위하여, 절연부재(130)의 표면을 플라즈마 처리할 수도 있다. 또는, 절연부재(130)와 감지막(190) 사이에 접착력 향상을 위한 버퍼층(미도시)가 개재될 수도 있다.
도 3에 개시된 상기 단위셀은 별도의 기판에 배치되어 케이스(10) 내에 내장될 수 있다. 또는, 도 3에 개시된 상기 단위셀은 별도의 기판 없이 케이스(10) 내측면 상에 바로 실장될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀에서 소스 전극의 형상을 도해하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 소스 전극(140)에서 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린과 같은 감지막(190)과 접하는 영역(140b)은 빗살 모양의 콤(comb) 형상을 가질 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 감지막(190)과 소스 전극(140)의 접합력 또는 상호연결성을 개선할 수 있다. 마찬가지로, 드레인 전극에서 탄소나노튜브 또는 그래핀과 같은 감지막과 접하는 영역은 빗살 모양의 콤(comb) 형상을 가짐으로써 드레인 전극과 감지막의 접합력 또는 상호연결성을 개선할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치(1)는 질병 진단에 사용되는 검사 장치로 사용될 수 있으며, 감지막과 리셉터의 종류에 따라 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 감지 장치로 활용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치(1)는 췌장암, 유방암 등의 각종 암 진단, AIDS 진단, 심장병 진단, 메르스, SARS, 호르몬, 마약, 니코틴, AI, 탄저균 감염 진단, 각종 유전병 진단 장치로 적용될 수 있다. 이하에서 이에 대한 예시적인 설명을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치(1)는 적어도 하나 이상의 단위셀을 포함하는 바, 예를 들어, 서로 이격된 제 1 단위셀 및 제 2 단위셀을 포함할 수 있다. 상기 제 1 단위셀은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 표적 분석물과 결합할 수 있는 제 1 리셉터(195)를 감지막(190) 상에 더 구비하며, 상기 제 2 단위셀은 상기 제 1 표적 분석물과 상이한 제 2 표적 분석물과 결합할 수 있는 제 2 리셉터(195)를 더 구비한다. 이 경우, 디스플레이부(30)는 상기 제 1 단위셀과 전기적으로 연결되는 제 1 디스플레이부(32) 및 상기 제 2 단위셀과 전기적으로 연결되는 제 2 디스플레이부(34)를 포함할 수 있다.
상기 단위셀과 상기 디스플레이부는 전원부에 병렬로 연결되도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 단위셀과 제 1 디스플레이부(32) 간의 전기적 연결 구성과 상기 제 2 단위셀과 제 2 디스플레이부(34) 간의 전기적 연결 구성은 각각 도 2에 도시된 구성으로 이해할 수 있다. 나아가, 감지막(190)과 리셉터(195)는 표적 분석물(300)과 리셉터(195)의 결합으로 상기 단위셀을 구성하는 감지막(190)의 전기저항값이 높아지도록 구성될 수 있다. 이에 따르면, 표적 분석물(300)과 리셉터(195)가 결합되는 경우 디스플레이부(30)에 흐르는 전류의 크기는 표적 분석물(300)과 리셉터(195)가 결합되지 않는 경우 디스플레이부(30)에 흐르는 전류의 크기 보다 더 크게 된다.
건강한 사람의 액상의 생체시료(혈액, 침, 소변)는 제 1 표적 분석물을 함유하지 않고 제 2 표적 분석물을 함유하는 반면에, 질병인자를 가지는 사람의 액상의 생체시료(혈액, 침, 소변)는 제 2 표적 분석물 뿐만 아니라 제 1 표적 분석물을 모두 함유한다.
예를 들어, 제 1 리셉터와 선택적으로 결합할 수 있는 상기 제 1 표적 분석물은 암, AIDS, 심장병, 메르스, SARS, 호르몬, 마약, 니코틴, AI, 탄저병 또는 유전병의 인자를 포함하는 표적 분석물이고, 제 2 리셉터와 선택적으로 결합할 수 있는 상기 제 2 표적 분석물이 상기 질병인자를 포함하지 않는 표적 분석물인 경우, 제 2 디스플레이부(34)는 표준 상태의 시각정보를 표시하고, 제 1 디스플레이부(32)는 제 2 디스플레이부(34)를 기준으로 질병인자 유무 상태를 확인할 수 있는 시각정보를 표시하도록 구성될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 바이오 감지 장치(1)의 예시적인 동작 구성을 설명한다.
예컨대, 수용부(20)에 액상의 생체시료를 제공하지 않은 상태에서 전원부(40)로부터 전원을 공급하면, 상술한 제 1 단위셀을 구성하는 제 1 감지막은 리셉터와 표적 분석물의 결합이 존재하지 않아 전기저항값이 상대적으로 낮고 제 1 감지막으로 흐르는 전류는 상대적으로 큰 반면에 상기 제 1 단위셀과 병렬로 연결된 제 1 디스플레이부로 흐르는 전류의 크기는 상대적으로 낮다. 마찬가지로, 상술한 제 2 단위셀을 구성하는 제 2 감지막은 리셉터와 표적 분석물의 결합이 존재하지 않아 전기저항값이 상대적으로 낮고 제 2 감지막으로 흐르는 전류는 상대적으로 큰 반면에 상기 제 2 단위셀과 병렬로 연결된 제 2 디스플레이부로 흐르는 전류의 크기는 상대적으로 낮다. 따라서, 상기 제 1 디스플레이부와 제 2 디스플레이부는 모두 오프(OFF)되거나, 낮은 전류에 대응하는 디스플레이 색상이 표현될 수 있다.
만약, 상술한 바이오 감지 장치(1)의 수용부(20)에 질병인자를 가지지 않는 건강한 사람의 액상의 생체시료를 수용부(20)에 제공하고 전원을 제공하면, 제 1 리셉터는 제 2 표적 분석물과 결합하지 않으므로 상술한 제 1 단위셀을 구성하는 제 1 감지막의 전기저항값은 상대적으로 낮고 제 1 감지막으로 흐르는 전류는 상대적으로 크고, 이와 반면에 상기 제 1 단위셀과 병렬로 연결된 제 1 디스플레이부로 흐르는 전류의 크기는 상대적으로 낮다. 한편, 제 2 리셉터는 제 2 표적 분석물과 결합하므로 상술한 제 2 단위셀을 구성하는 제 2 감지막의 전기저항값은 상대적으로 크고 제 2 감지막으로 흐르는 전류는 상대적으로 작은 반면에 상기 제 2 단위셀과 병렬로 연결된 제 2 디스플레이부로 흐르는 전류의 크기는 상대적으로 크다. 따라서, 상기 제 1 디스플레이부는 오프(OFF)되거나, 낮은 전류에 대응하는 디스플레이 색상이 표현되는 반면에, 제 2 디스플레이부는 온(ON)되거나, 높은 전류에 대응하는 디스플레이 색상이 표현된다.
만약, 상술한 바이오 감지 장치(1)의 수용부(20)에 질병인자를 가지는 사람의 액상의 생체시료를 수용부(20)에 제공하고 전원을 제공하면, 제 2 리셉터는 제 2 표적 분석물과 결합하므로 상술한 제 2 단위셀을 구성하는 제 2 감지막의 전기저항값은 상대적으로 크고 제 2 감지막으로 흐르는 전류는 상대적으로 낮고, 이와 반면에 상기 제 2 단위셀과 병렬로 연결된 제 2 디스플레이부로 흐르는 전류의 크기는 상대적으로 크다. 한편, 제 1 리셉터는 제 1 표적 분석물과 결합하므로 상술한 제 1 단위셀을 구성하는 제 1 감지막의 전기저항값이 상대적으로 커서 제 1 감지막으로 흐르는 전류의 크기는 상대적으로 작은 반면에 상기 제 1 단위셀과 병렬로 연결된 제 1 디스플레이부로 흐르는 전류의 크기는 상대적으로 크다. 따라서, 상기 제 1 디스플레이부 및 제 2 디스플레이부는 모두 온(ON)되거나, 높은 전류에 대응하는 디스플레이 색상이 표현된다.
이러한 바이오 감지 장치(1)는 별도의 리더(reader)를 필요로 하지 않는 자가-진단 센서 카세트(self-check sensor cassette)로 이해될 수 있는 바, 이에 따르면, 전기적 특성을 활용하기 때문에 분석 과정에서 복잡한 절차가 필요하지 않고, 분석을 위한 장치가 상대적으로 저가이며, 분석 시간이 오래 소요되지 않는다는 장점을 가진다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널로서, 표적 분석물(target analyte)에 의하여 전기저항값이 변할 수 있는, 감지막; 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극;을 구비하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 및
    상기 단위셀에 전기적으로 연결되되, 감지막의 전기저항값에 따라 변동되는 시각정보를 표시하는, 디스플레이부;
    를 포함하는, 바이오 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표적 분석물을 함유하는 액상의 생체시료를 수용할 수 있는 수용부; 상기 수용부에서 감지막 상으로 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 통로부; 상기 단위셀, 디스플레이부, 수용부 및 통로부의 적어도 일부를 하우징하는 케이스;를 더 포함하는, 바이오 감지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 통로부는 모세관 현상으로 액상의 생체시료가 전달될 수 있는 나일론 스트립(nylon strip)을 구비하는, 바이오 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액상의 생체시료는 혈액(blood), 침(saliva) 또는 소변(urine)을 포함하고, 상기 표적 분석물은 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산 또는 탄수화물을 포함하는, 바이오 감지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지막의 재질은 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 중에서 감지막과 접촉하는 영역의 적어도 일부는 콤(comb) 형상을 가지는, 바이오 감지 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는, 감지막의 전기저항값에 따라 색상이 변동되는 양자점 디스플레이 바(quantum dot display bar) 혹은 LED 디스플레이 바(LED display bar)를 포함하되, 일단이 소스 전극에 연결되고 타단이 드레인 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는, 바이오 감지 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 단위셀은 서로 이격된 제 1 단위셀 및 제 2 단위셀을 포함하되, 상기 제 1 단위셀은 제 1 표적 분석물과 결합할 수 있는 제 1 리셉터를 감지막 상에 더 구비하며, 상기 제 2 단위셀은 상기 제 1 표적 분석물과 상이한 제 2 표적 분석물과 결합할 수 있는 제 2 리셉터를 감지막 상에 더 구비하며,
    상기 디스플레이부는 상기 제 1 단위셀과 전기적으로 연결되는 제 1 디스플레이부 및 상기 제 2 단위셀과 전기적으로 연결되는 제 2 디스플레이부를 구비하는,
    바이오 감지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단위셀과 상기 디스플레이부는 전원부에 병렬로 연결되도록 구성되며, 상기 감지막과 리셉터는 표적 분석물과 리셉터의 결합으로 상기 단위셀을 구성하는 감지막의 전기저항값이 높아지도록 구성됨으로써,
    상기 표적 분석물과 리셉터가 결합되는 경우 디스플레이부에 흐르는 전류의 크기는 상기 표적 분석물과 리셉터가 결합되지 않는 경우 디스플레이부에 흐르는 전류의 크기 보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 바이오 감지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 표적 분석물은 질병인자를 포함하는 표적 분석물이고, 상기 제 2 표적 분석물은 질병인자를 포함하지 않는 표적 분석물이며, 상기 제 2 디스플레이부는 표준 상태의 시각정보를 표시하고, 상기 제 1 디스플레이부는 제 2 디스플레이부를 기준으로 질병인자 유무 상태를 확인할 수 있는 시각정보를 표시하도록 구성된, 바이오 감지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 질병인자는 암, AIDS, 심장병, 메르스, SARS, 호르몬, 마약, 니코틴, AI, 탄저병 또는 유전병의 인자를 포함하는, 바이오 감지 장치.
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