KR100972391B1 - Apparatus for implementing nano sensors for diagnostic applications - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노센서를 이용한 질병검사장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 검출 대상물에 특이적으로 반응하는 센서와 레퍼런스 센서를 이용해서 환경적 요인에 따른 노이즈 없이 검출 대상물 내의 상대적 변화를 이용하여 질병인자의 존재유무 또는 농도를 감지하여 검출 대상물에 의한 신호만 얻을 수 있는 고감도의 나노센서를 이용한 질병검사장치에 관한 것이다. The present invention relates to a disease inspection apparatus using a nano-sensor, and more specifically, by using a sensor and a reference sensor that specifically reacts to a detection target, using a relative change in the detection target without noise due to environmental factors. The present invention relates to a disease inspection apparatus using a high sensitivity nanosensor capable of detecting a presence or concentration and obtaining only a signal by a detection target.
본 발명의 나노센서를 이용한 질병검사장치는 검출 대상물에 특이적으로 반응하는 제1센서; 상기 제1센서에 대해 레퍼런스 센서로 동작하는 제2센서; 상기 제1센서와 제2센서에 유체 흐름을 만들어 검사샘플을 흐르게 하기 위한 유체채널; 및 상기 제1센서와 제2센서의 상대적 저항특성 변화를 감지하는 휘트스톤 브릿지회로를 포함하는 것에 그 기술적 특징이 있다.Disease testing apparatus using the nano-sensor of the present invention comprises a first sensor that specifically reacts to the detection object; A second sensor operating as a reference sensor with respect to the first sensor; A fluid channel for flowing a test sample by making a fluid flow in the first sensor and the second sensor; And a Wheatstone bridge circuit for detecting a change in relative resistance characteristics of the first sensor and the second sensor.
나노와이어, 나노센서, 바이오센서, 휘트스톤 브릿지, 질병검사 Nanowire, Nanosensor, Biosensor, Wheatstone Bridge, Disease Inspection
Description
본 발명은 나노센서를 이용한 질병검사장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 검출 대상물에 특이적으로 반응하는 센서와 레퍼런스 센서를 이용해서 환경적 요인에 따른 노이즈 없이 검출 대상물 내의 상대적 변화를 이용하여 질병인자의 존재유무 또는 농도를 감지하여 검출 대상물에 의한 신호만 얻을 수 있는 고감도의 나노센서를 이용한 질병검사장치에 관한 것이다. The present invention relates to a disease inspection apparatus using a nano-sensor, and more specifically, by using a sensor and a reference sensor that specifically reacts to a detection target, using a relative change in the detection target without noise due to environmental factors. The present invention relates to a disease inspection apparatus using a high sensitivity nanosensor capable of detecting a presence or concentration and obtaining only a signal by a detection target.
나노 크기의 작은 직경을 갖는 물질들은 독특한 전기적, 광학적, 기계적 특성 때문에 최근 들어 매우 중요한 물질로 대두되고 있다. 지금까지 진행되어 온 나노구조에 관한 연구는 양자크기 효과와 같은 새로운 현상으로 미래의 새로운 광소자 물질로서의 가능성을 보여주고 있다. Nano-sized, small diameter materials have emerged as very important materials in recent years because of their unique electrical, optical, and mechanical properties. The research on nanostructures that have been conducted so far shows new possibilities such as quantum size effects and the future of new optical device materials.
특히, 나노구조물의 경우, 단일 전자 트랜지스터 소자 뿐만 아니라 각종 화학센서 및 바이오센서 등으로 이용될 수 있어 새로운 광소자 재료로 각광받고 있 다. 여기서 나노구조물은 탄소나노튜브, 나노로드 및 나노와이어 등을 포함한다.In particular, in the case of nanostructures, not only a single electronic transistor device but also a variety of chemical sensors and biosensors, etc. are being spotlighted as a new optical device material. Here, the nanostructures include carbon nanotubes, nanorods and nanowires.
나노구조물의 대표적인 물질인 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 그 형태에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 띠며, 물리 화학적으로 매우 강하고 안정한 특성을 가지고 있다. Carbon nanotubes, which are representative materials of nanostructures, have the properties of conductors or semiconductors, depending on their shape, and have very strong and stable physicochemical properties.
특히, 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장 매체 특성 등을 지니며 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다. 따라서, 현재 탄소나노튜브는 다양한 분야에 적용가능성이 타진되고 있으며, 최근 들어서 탄소나노튜브와 같은 나노구조물을 이용한 고용량의 바이오분자 검출센서가 개발되고 있다. In particular, it is known as a perfect new material having excellent mechanical properties, electrical selectivity, excellent field emission characteristics, high efficiency hydrogen storage medium properties, and few defects among existing materials. Therefore, carbon nanotubes are currently being applied to various fields, and recently, high-capacity biomolecular detection sensors using nanostructures such as carbon nanotubes have been developed.
나노와이어 또는 탄소나노튜브를 이용한 나노센서를 기반으로 하는 바이오센서는 나노구조물 표면에 고정화되어 있는 리셉터에 검출하고자 하는 화학인자나 바이오분자, 질병표지인자(효소, 단백질, DNA, 탄수화물, 핵산, 항원, 항체 등)가 특이적으로 반응하여 나노구조물 표면에 흡착되어 특정 분자만을 검출할 수 있다. 이때, 흡착된 분자의 전하로 인해 나노구조물에 전계가 발생되어 게이팅효과가 나타난다. 이로 인해 나노구조물의 전도성 변화를 유도하고 이를 감지함으로써 센서로 동작하게 된다. 나노구조물의 전도성 변화를 유도하는 방법으로는 전기화학, 형광, 발색, 광학 등의 다양한 물리 화학적 방법이 사용된다. 나노구조물 표면에 고정된 리셉터는 검출대상물에 특이적으로 반응하도록 제작되기 때문에 의도한 분자만을 검출하는 센서로 작동한다.Biosensors based on nanosensors using nanowires or carbon nanotubes are chemical factors, biomolecules, and disease markers (enzymes, proteins, DNA, carbohydrates, nucleic acids, antigens) to be detected on receptors immobilized on the surface of nanostructures. , Antibodies, etc.) can be specifically reacted and adsorbed on the surface of the nanostructures to detect only certain molecules. At this time, an electric field is generated in the nanostructures due to the charge of the adsorbed molecules, thereby causing a gating effect. This induces a change in conductivity of the nanostructure and detects it to act as a sensor. As a method of inducing a change in conductivity of the nanostructures, various physicochemical methods such as electrochemistry, fluorescence, color development, and optics are used. Receptors fixed on the surface of nanostructures are designed to react specifically to the object of detection, acting as a sensor to detect only the intended molecules.
나노구조물을 이용한 센서는 작은 분자의 전하량의 변화에도 반도체 나노구 조물 내부에서 큰 전자전송 캐리어(전자 또는 홀)의 변화가 유도되기 때문에 고감도의 센싱을 할 수 있다. 나노구조물의 감도를 증가시킬수록 환경적인 요인에 의한 노이즈 영향이 커져 원하는 반응에 의해 유도되는 신호를 측정하기가 어렵다.Sensors using nanostructures can sense sensitively because changes in the charge amount of small molecules induce large electron transfer carriers (electrons or holes) inside semiconductor nanostructures. As the sensitivity of the nanostructure increases, the influence of noise due to environmental factors increases, making it difficult to measure a signal induced by a desired response.
바이오센서에 탄소나노튜브와 같은 나노구조물이 센서의 감지부로 이용되는 이유는 레이블링이 필요없고, 단백질의 변형없이 수용액 상에서 반응을 진행시킬 수 있기 때문이다. 그리고 나노구조물의 전기적 특성을 이용하게 되면 인체에 대한 유해성없이 보다 간편하고 정확하게 반응결과를 검출할 수 있다는 이점이 있다. Nanostructures such as carbon nanotubes are used in the biosensor as a sensing part of the sensor because labeling is not necessary and the reaction can be performed in an aqueous solution without modification of protein. In addition, using the electrical properties of the nanostructure has the advantage that it is possible to detect the reaction results more easily and accurately without harm to the human body.
또한, 매우 큰 표면대 부피비 및 나노크기의 감지부로 인하여 정밀도가 뛰어나고 빠른 응답속도를 보이며 상온에서 작동할 뿐 아니라 소비전력이 적다는 장점이 있다.In addition, due to the very large surface-to-volume ratio and the nano-sized sensing unit, it has the advantage of excellent precision, fast response speed, operation at room temperature, and low power consumption.
도 1은 종래의 기술로 상대적 변화를 감지하는 센서의 구성도이다. 안정된 신호를 얻기 위해 제1센서(101), 제2센서(102) 및 제3센서(103)는 검출 대상물에 대해 차폐되어 있고, 제4센서(104)는 검출 대상물에 대해 노출되어 있는 나노센서를 사용한다. 비검출 대상물에는 상기 제1센서(101), 제2센서(102), 제3센서(103) 및 제4센서(104)가 모두 노출되어 있다. 이는 차폐된 나노센서와 노출된 나노센서의 전기 저항과 같은 특성의 상대적 변화를 이용해 환경적 요인을 검출하는 시스템이다.1 is a block diagram of a sensor for detecting a relative change in the prior art. In order to obtain a stable signal, the
이와 같은 기존의 나노와이어나 탄소나노튜브를 이용한 바이오센서는 환경적 요인을 검출하는 것은 가능하지만 구체적인 센서 구성방법이 제안되어 있지 않고, 특이흡착만을 선별하여 신호로 얻기에는 부족하다는 문제점이 있다.Such conventional biowires using nanowires or carbon nanotubes are capable of detecting environmental factors, but a specific sensor construction method is not proposed, and there is a problem in that only specific adsorption can be selected and obtained as a signal.
또한, 나노와이어 또는 탄소나노튜브 표면에 폴리머 막을 입힌다거나 링커분자를 통해 직접 리셉터를 고정화시킴으로 인해 전기적 특성이 저하되며 결과적으로 검출시의 민감도가 저하되는 문제점이 있다.In addition, coating the polymer film on the surface of the nanowires or carbon nanotubes or directly fixing the receptor through the linker molecule results in deterioration of the electrical properties and consequently the detection sensitivity.
따라서, 나노와이어의 우수하고 편리한 전기적 특성을 이용하면서도 전기적 특성이 저하되지 않으면서 민감도가 높은 바이오센서에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.Therefore, there is an increasing demand for high-sensitivity biosensors without deteriorating electrical properties while using excellent and convenient electrical properties of nanowires.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 안정된 고감도의 나노센서를 이용한 질병검사장치를 제공하기 위한 것으로, 검출 대상물에 특이적으로 반응하는 센서와 레퍼런스 센서를 이용함으로써, 환경적 요인에 의한 노이즈를 배제하고 질병을 진단하는 바이오센서를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.The present invention devised to solve the problems of the prior art as described above is to provide a stable disease detection apparatus using a high sensitivity nanosensor, by using a sensor and a reference sensor that specifically reacts to the detection target, It is an object of the present invention to provide a biosensor for diagnosing a disease by excluding noise caused by a factor.
또한, 본 발명은 레퍼런스 준위를 벗어난 질병인자의 존재 유무 또는 농도 등의 상대적 변화를 감지함으로써 검출 대상물에 의한 신호만 감지하는 것에 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to detect only a signal by a detection object by detecting a relative change in the presence or absence of a disease factor or a concentration outside the reference level.
또한, 본 발명은 복수 개의 쌍으로 어레이된 센서쌍을 동일 채널 내에 구성함으로써 검출 대상물의 다양한 환경적 요인을 개별적 또는 복합적으로 검출해 여러 정보를 복합적으로 얻는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to obtain a plurality of pieces of information by detecting various environmental factors individually or in combination by configuring a plurality of pairs of sensor pairs arranged in the same channel.
본 발명의 상기 목적은 검출 대상물에 특이적으로 반응하는 제1센서; 상기 제1센서에 대해 레퍼런스 센서로 동작하는 제2센서; 상기 제1센서와 제2센서에 유체 흐름을 만들어 검사샘플을 흐르게 하기 위한 유체채널; 및 상기 제1센서와 제2센서의 상대적 저항특성 변화를 감지하는 휘트스톤 브릿지회로를 포함하는 나노센서를 이용한 질병검사장치에 의해 달성된다.The object of the present invention is a first sensor to specifically react to the detection object; A second sensor operating as a reference sensor with respect to the first sensor; A fluid channel for flowing a test sample by making a fluid flow in the first sensor and the second sensor; And a wheatstone bridge circuit for detecting changes in relative resistance characteristics of the first and second sensors.
또한, 본 발명의 상기 제1센서 및 제2센서는 나노와이어, 나노튜브, 나노로드 및 나노갭 중 어느 하나의 나노구조물로 구성되고 동일한 전기적 저항 특성을 나타내는 나노센서로 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor and the second sensor of the present invention is preferably composed of nanowires composed of any one of the nanostructures of nanowires, nanotubes, nanorods and nanogap and exhibit the same electrical resistance characteristics.
또한, 본 발명의 상기 제1센서 및 제2센서는 하나의 유체채널 내에 놓여 동일한 검사샘플에 노출되도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor and the second sensor of the present invention is preferably configured to be placed in one fluid channel and exposed to the same test sample.
또한, 본 발명의 상기 제1센서는 화학기능기가 처리되어 있고 검출 대상물과 특이적으로 결합하는 리셉터가 고정되어 있도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor of the present invention is preferably configured such that a receptor that is specifically bound to the object to be treated with a chemical functional group is fixed.
또한, 본 발명의 상기 제1센서 및 제2센서는 서로 다른 유체채널 내에 놓여 각각의 검사샘플에 노출되도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor and the second sensor of the present invention is preferably configured to be exposed to each test sample placed in different fluid channels.
또한, 본 발명의 상기 제1센서 및 제2센서는 하나의 유체채널 내에 놓여 각각의 검사샘플에 노출되도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor and the second sensor of the present invention is preferably arranged in one fluid channel to be exposed to each test sample.
또한, 본 발명의 상기 유체채널은 버퍼용액으로 채워져 있고, 라미나 플로우 특성을 보여 동일채널에서 검사샘플과 레퍼런스 샘플이 서로 섞이지 않고 흐르게 하도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the fluid channel of the present invention is preferably filled with a buffer solution, it is preferable to be configured to flow the test sample and the reference sample without mixing with each other by showing the lamina flow characteristics.
또한, 본 발명의 상기 유체채널은 마이크로 유체채널인 나노센서를 이용하여 구성됨이 바람직하다.In addition, the fluid channel of the present invention is preferably configured using a nanosensor which is a microfluidic channel.
또한, 본 발명의 상기 제1센서 및 제2센서는 동일한 화학기능기가 처리되고, 검출 대상물과 특이적으로 결합하는 리셉터가 동일하게 고정되어 있는 나노센서를 이용하여 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor and the second sensor of the present invention is preferably configured using a nano-sensor that is treated with the same chemical functional group, the receptor that specifically binds to the detection object is fixed the same.
또한, 본 발명의 상기 리셉터는 효소기질, 리간드, 항체, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어짐이 바람직하다.In addition, the receptor of the present invention is preferably made of any one or more selected from the group consisting of enzyme substrates, ligands, antibodies, amino acids, peptides, proteins, nucleic acids, lipids and carbohydrates.
또한, 본 발명의 상기 제1센서는 검사샘플에 노출되고, 상기 제2센서는 레퍼런스 샘플에 노출되도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor of the present invention is exposed to the test sample, the second sensor is preferably configured to be exposed to the reference sample.
또한, 본 발명의 상기 레퍼런스 샘플은 질병과 관련된 질병인자의 농도를 표준 농도로 구성해 정상상태의 농도를 유지하며 이를 벗어난 검출 대상물의 존재 유무를 감지할 수 있도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the reference sample of the present invention is preferably configured to detect the presence or absence of the detection target to maintain the steady-state concentration by configuring the concentration of disease factors associated with the disease to a standard concentration.
또한, 본 발명의 상기 휘트스톤 브릿지 회로는 제1센서, 제2센서, 제3센서 및 제4센서를 포함하고, 상기 4개의 센서는 동일한 공정으로 제조된 나노센서로 구성됨이 바람직하다.In addition, the Wheatstone bridge circuit of the present invention includes a first sensor, a second sensor, a third sensor and a fourth sensor, the four sensors are preferably composed of nano-sensors manufactured in the same process.
또한, 본 발명의 상기 제1센서는 제2센서와 동일한 기판에서 형성되고, 제3센서와 제4센서는 외부회로에서 형성되도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor of the present invention is preferably formed on the same substrate as the second sensor, the third sensor and the fourth sensor is preferably configured to be formed in an external circuit.
또한, 본 발명의 상기 제3센서와 제4센서 사이에는 직렬로 연결되고 외부회로에 설치된 가변저항인 제5센서를 더 포함하여 초기 저항차이를 보정할 수 있도록 구성됨이 바람직하다.In addition, the third sensor and the fourth sensor of the present invention is preferably configured to further correct the initial resistance difference further comprises a fifth sensor which is connected in series and a variable resistor installed in an external circuit.
또한, 본 발명의 상기 제1센서 및 제2센서는 복수 개의 검출 대상물을 검출하도록 동일한 유체와 동일한 실험에 노출되는 복수 개의 센서 어레이쌍으로 구성됨이 바람직하다.In addition, the first sensor and the second sensor of the present invention is preferably composed of a plurality of sensor array pairs exposed to the same experiment with the same fluid to detect a plurality of detection objects.
또한, 본 발명의 상기 복수 개의 센서 어레이쌍은 출력하는 검출 신호를 바코드처럼 패턴화하여 특정 질병과의 상관관계를 정보화하도록 구성됨이 바람직하 다.In addition, it is preferable that the plurality of sensor array pairs of the present invention are configured to pattern a detection signal to be output like a barcode to inform correlation with a specific disease.
따라서, 본 발명의 나노센서를 이용한 질병검사장치는 나노센서 기반의 바이오센서 시스템을 구성함에 있어서 환경적 변화에 의한 노이즈의 영향은 배제하면서 질병인자의 존재 유무 또는 농도를 민감하게 감지할 수 있는 현저하고도 유리한 효과가 있다.Therefore, the disease inspection apparatus using the nanosensor of the present invention is a remarkable that can sensitively detect the presence or concentration of disease factors while excluding the effect of noise due to environmental changes in the configuration of the nanosensor-based biosensor system And has an advantageous effect.
또한, 본 발명은 나노센서의 전기적 특성을 이용하여 레퍼런스 준위를 벗어난 질병인자의 존재나 농도 등의 상대적 변화를 감지함으로써 검출 대상물에 의한 신호만을 감지하기가 용이하다는 현저하고도 유리한 효과가 있다.In addition, the present invention has a remarkable and advantageous effect that it is easy to detect only a signal by a detection object by detecting a relative change in the presence or concentration of a disease factor outside the reference level by using the electrical characteristics of the nanosensor.
또한, 본 발명은 복수 개의 쌍으로 어레이된 센서쌍을 동일 채널 내에 구성함으로써 검출 대상물의 다양한 환경적 요인을 개별적 또는 복합적으로 검출해 여러 정보를 동시에 복합적으로 얻을 수 있는 현저하고도 유리한 효과가 있다. In addition, the present invention has a remarkable and advantageous effect of constituting a plurality of pairs of sensor pairs arranged in the same channel to detect various environmental factors individually or in combination to obtain various information simultaneously.
또한, 본 발명의 나노센서는 암진단, 혈당측정, 유해 바이러스 검지, 환경 유해물질 검지 등에 유용하게 사용할 수 있는 현저하고도 유리한 효과가 있다. In addition, the nanosensor of the present invention has a remarkable and advantageous effect that can be usefully used for cancer diagnosis, blood glucose measurement, harmful virus detection, environmental harmful substance detection, and the like.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 기본 구성이 되는 휘트스톤 브릿지회로(260)와 차동증폭기(270)로 이루어진 질병검사장치(200)의 개략도를 나타낸 도면이다. 2 is a schematic diagram of a
본 발명의 나노센서를 이용한 질병검사장치는 휘트스톤 브릿지회로(260)와 차동증폭기(270)로 이루어지고, 저항의 상대적인 변화를 제1센서(210)에서 감지한다.The disease inspection apparatus using the nanosensor according to the present invention includes a Wheatstone
상기 휘트스톤 브릿지회로(260)는 제1센서(210), 제2센서(220), 제3센서(230) 및 제4센서(240)를 포함한다. 상기 4개의 센서(210, 220, 230, 240)는 나노와이어, 탄소나노튜브, 나노로드 중 어느 하나의 나노구조물로 이루어진 나노센서로 구성됨이 바람직하다. 그리고 상기 제3센서(230)와 제4센서(240) 사이에는 직렬로 연결되고 외부회로에 설치되는 제5센서(250)를 더 포함하여 구성될 수도 있다.The
상기 제1센서(210)와 상기 제2센서(220)는 동일한 실리콘 기판에서 제조되고 동일한 표면처리를 거쳐 동일한 저항특성을 나타낼 수 있도록 구성되어 있는 나노 센서이다. 상기 제3센서(230)와 상기 제4센서(240)는 상기 제1센서(210)와 동일한 기판에 형성할 수도 있고, 외부회로에서 이에 상응하는 저항으로 형성할 수도 있다. 그리고 상기 제5센서는 외부회로에 설치되는 가변저항으로 나노센서 제조시 저항차이를 보정하는 역할을 한다.The
상기 제1센서(210)는 검출하고자 하는 검출 대상물이 포함된 검사샘플에 노출되고, 상기 제2센서(220), 제3센서(230) 및 제4센서(240)는 레퍼런스 샘플에 노출된다.The
상기 제1센서(210)와 상기 제1센서(210)의 레퍼런스 센서로 동작하는 상기 제2센서(220)는 하나의 유체채널 내에 놓여 동일한 검사샘플에 노출되도록 한다.The
그리고, 상기 제1센서(210)와 제2센서(220)는 서로 다른 유체채널 내에 놓여 각각 다른 샘플에 노출되도록 할 수 있다. 또한, 상기 제1센서(210)와 제2센서(220)는 하나의 유체채널 내에 놓여 라미나 플로우 특성을 이용해 각각 다른 샘플에 노출되도록 할 수도 있다. The
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 환경적 요인에 의한 노이즈를 제거하기 위한 나노센서를 이용한 질병검사장치의 구성도이다.3 is a block diagram of a disease inspection apparatus using a nano-sensor for removing noise due to environmental factors according to the first embodiment of the present invention.
본 발명의 제1실시예에 따른 나노센서를 이용한 질병검사장치는 제1센서(310), 제2센서(320), 유체채널(330), 리셉터(340), 검사샘플(350) 및 검출 대상물(360)을 포함한다.Disease testing apparatus using a nano sensor according to the first embodiment of the present invention is the
상기 제1센서(310)와 제2센서(320)는 실리콘 기판에서 동일하게 제조되고, 도 2에 나타난 제3센서(230), 제4센서(240) 및 제5센서(250)는 외부회로기판에 위 치해 저항으로 휘트스톤 브릿지 회로를 형성한다. 도 3에서는 제3센서, 제4센서 및 제5센서를 표시하지 않았다.The
여기서 상기 제1센서(310) 및 제2센서(320)는 노구조물로 이루어지고 동일한 전기적 저항 특성을 나타내는 나노센서로 구성되는 것이 바람직하다. 여기서 나노구조물은 나노와이어, 탄소나노튜브, 나노로드 및 나노갭 중 어느 하나로 이루진 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. Here, the
상기 제1센서(310) 및 제2센서(320)는 하나의 유체채널(330) 내에 놓여 동일한 검사샘플(350)에 노출되도록 한다. 상기 제1센서(310)는 검출 대상물(360)에 특이적으로 반응하는 센서로 동작하고, 상기 제2센서(320)는 상기 제1센서(310)에 대한 레퍼런스 센서로 동작한다. The
상기 제1센서(310)는 나노구조물에 표면처리를 하여 특정한 상기 검출 대상물(360) 분자에만 특이적으로 반응하는 화학작용기가 처리되어 있고, 상기 화학작용기에는 상기 검출 대상물(360)과 결합할 수 있는 리셉터(340)가 고정되어 있다.The
즉, 상기 제1센서(310)와 상기 제2센서(320)는 동일한 저항특성을 나타내도록 동일한 기판에서 제작되는 것이 바람직하며, 상기 리셉터(340)의 고정화 유무만 차이가 있는 것이다.That is, the
상기 화학작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어짐이 바람직하다. 또한, 상기 리셉터(340)는 효소기질, 리간드, 항체, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어짐이 바람직하나, 이에 제 한되는 것은 아니다.The chemical functional group is preferably made of any one or more selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group and a thiol group. In addition, the
상기 제1센서(310) 및 제2센서(320)에 검출 대상물(360)이 포함된 검사샘플을 동시에 주입한다. 여기서 상기 검출 대상물(360)은 화학인자, 바이오분자, 질병표지인자(효소, 단백질, DNA, 탄수화물, 핵산, 항원, 유전자 등) 등의 다양한 생체물질을 다 포함한다. 상기 검출 대상물(360)은 상기 제1센서(310)에만 고정되어 있는 리셉터(340)와 특이적으로 반응해 특이흡착을 하게 된다. 이때, 흡착된 분자의 전하로 인해 나노구조물에 전계가 발생되어 게이팅효과가 나타난다. 이를 통해서 나노구조물의 전도성변화가 감지되고 센서로써 동작하게 되는 것이다. The test sample including the
상기 제2센서(320)에는 리셉터(340)가 존재하지 않기 때문에 상기 검출 대상물(360) 분자가 흡착되지 않고, 저항변화가 없게 된다. 그리고 비특이 흡착 단백질 또는 노이즈 신호로 분류되는 환경요인에 대한 반응은 상기 제1센서(310)와 제2센서(320)에서 동일하게 일어나게 된다. 이와 같은 반응에 의해 휘트스톤 브릿지 회로에서는 상기 검출 대상물(360)의 흡착에 의한 저항의 차이만 감지되어 그 신호를 측정할 수 있다.Since there is no
따라서, 본 발명의 나노센서를 이용한 질병검사장치를 이용하면 비특이흡착 단백질, 염이온, 온도, pH 등의 환경요인에 의한 영향은 배제하면서 상기 검출 대상물(360)의 유무 혹은 농도만을 감지할 수 있는 고감도의 센싱 시스템을 제공할 수 있게 되는 것이다.Therefore, using the disease inspection apparatus using the nano-sensor of the present invention can detect only the presence or concentration of the
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 유체채널의 라미나 플로우를 이용해 환경적 요인에 의한 노이즈를 제거하기 위한 나노센서를 이용한 질병검사장치를 나타 낸 도면이다.4 is a diagram illustrating a disease inspection apparatus using a nanosensor for removing noise caused by environmental factors using a lamina flow of a fluid channel according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제2실시예에 따른 나노센서를 이용한 질병검사장치는 제1센서(410), 제2센서(420), 유체채널(430), 리셉터(440), 검사샘플(450), 레퍼런스 샘플(460) 및 검출 대상물(470)을 포함한다. Disease testing apparatus using a nano-sensor according to a second embodiment of the present invention is the
상기 제1센서(410) 및 레퍼런스 센서인 상기 제2센서(420)는 하나의 유체채널 내에 동시에 존재하도록 하고, 동일한 표면처리를 해서 상기 제1센서(410)와 제2센서(420) 모두에 상기 리셉터(440)가 고정되도록 한다. 그 다음에 상기 제1센서(410)에는 상기 검출 대상물(470)이 포함된 상기 검사샘플(450)을, 레퍼런스 센서로 동작하는 상기 제2센서(420)에는 상기 레퍼런스 샘플(460)을 상기 유체채널(430) 내에서 각각 독립적으로 노출되도록 한다.The
상기 유체채널(430)에서는 유체의 흐름이 라미나 플로우 특성을 보이기 때문에 도 4에서 보이는 것과 같이 상기 검사샘플(450)과 상기 레퍼런스 샘플(460)을 동시에 주입하게 되면 동일채널 내에서 두 샘플이 서로 섞이지 않고 흐르게 할 수 있다. In the
여기서 상기 레퍼런스 샘플(460)은 버퍼 용액 또는 상기 검출 대상물(470)의 농도를 표준농도로 구성한 다음 정상상태의 농도로 설정해 인위적으로 만든 정상인 샘플 등이 이용될 수 있다. Here, the
상기 제1센서(410)와 제2센서(420)는 완전히 동일하게 처리되어 있다. 따라서 상기 검사샘플(450)에만 존재하는 질병표지인자를 포함하는 상기 검출 대상물(470)은 상기 제1센서(410)에만 흡착된다. 따라서 이에 의한 저항의 차이만 회로 에서 감지하게 되어 센서로 동작한다. 또한, 상기 검출 대상물(470) 이외의 노이즈 신호로 분류되는 환경요인 즉, 비특이흡착 단백질, 염이온, 온도, pH 등에 대한 반응은 상기 제1센서(410)와 제2센서(420)에서 동일하게 일어나게 된다. The
이와 같은 반응에 의해 휘트스톤 브릿지 회로에서는 상기 검출 대상물(470)의 특이적인 반응에 의한 흡착을 함으로써 생기는 상대적인 저항의 차이만 감지된다. By the reaction, the Wheatstone bridge circuit detects only the difference in relative resistance caused by adsorption by the specific reaction of the
본 발명은 상기 레퍼런스 샘플(460)의 농도를 벗어난 상기 검출 대상물(470)의 존재 유무나 농도 등을 레퍼런스 센서의 레벨과 비교해 상대적으로 감지하는 방법을 사용하기 때문에 상기 검출 대상물(470)에 의한 값만을 감지하기가 용이하다.Since the present invention uses a method of relatively detecting the presence or absence of the concentration of the
또한, 상기 제1센서(410)와 상기 제2센서(420)를 동일하게 처리할 수 있기 때문에 나노센서를 제조하는 과정에 있어서 처리가 용이하고, 환경요인에 따른 노이즈를 제거할 수 있는 가능성이 더 많아져 고감도의 질병진단 나노센서를 제공할 수 있게 된다.In addition, since the
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 환경적 요인에 의한 노이즈를 제거하기 위한 나노센서를 이용한 질병검사장치를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a disease inspection apparatus using a nanosensor for removing noise caused by environmental factors according to a third embodiment of the present invention.
본 발명의 제3실시예에 따른 나노센서를 이용한 질병검사장치는 제1센서(510), 제2센서(520), 유체채널(530), 리셉터(540), 검사샘플(550), 레퍼런스 샘플(560) 및 검출 대상물(570)을 포함한다. Disease testing apparatus using a nano-sensor according to a third embodiment of the present invention, the
상기 제1센서(510) 및 레퍼런스 센서인 상기 제2센서(520)는 서로 다른 유체채널(530) 내에 동시에 존재하도록 하고, 동일한 표면처리를 해서 상기 제1센 서(510)와 제2센서(520) 모두에 상기 리셉터(540)가 고정되도록 한다. 그 다음에 상기 제1센서(510)에는 상기 검출 대상물(570)이 포함된 상기 검사샘플(550)을, 레퍼런스 센서로 동작하는 상기 제2센서(520)에는 상기 레퍼런스 샘플(560)을 상기 유체채널(530) 내에서 각각 독립적으로 노출되도록 한다.The
도 6은 복수 개의 센서를 이용해 동시에 여러 질병을 검사하는 장치를 나타낸 도면이다.6 is a view showing an apparatus for testing several diseases at the same time using a plurality of sensors.
검출 대상물의 다양한 환경적 요인 즉, 온도, pH, 염이온, 유속 및 유량, 불순물 단백질 영향 등에 대한 요인을 개별적 혹은 복합적으로 검출하기 위해 검출 대상물에 특이적으로 반응하는 센서(610, 620, 630, 640)와 이에 대응하는 레퍼렌스 센서(611, 612, 613, 614)가 복수 개의 쌍으로 어레이되어 구현되는 것이 바람직하다. 복수 개의 센서 어레이쌍은 출력하는 검출 신호를 바코드처럼 패턴화하여 특정 질병과의 상관관계를 정보화하도록 구성된다.
도 6과 같이 이러한 센서 구성을 동일 채널 내에 동시에 구성하게 되면 다양한 검사를 동시에 할 수 있다. 상대적 변화만을 검출하는 센서와 동일 기판에 구성되면서 절대적 변화를 감지하는 센서회로와 교차적으로 구성시켜 여러 정보를 복합적으로 얻는 것도 가능하다.As shown in FIG. 6, when the sensor configuration is simultaneously configured in the same channel, various inspections may be performed at the same time. It is also possible to obtain a combination of information by constructing the sensor circuit that detects the absolute change while being configured on the same substrate as the sensor that detects only the relative change.
각 리셉터가 인지하는 검출대상물은 1개의 질병에만 대응되는 것이 아니라 몸의 이상 시 여러 개의 질병표지 바이오물질들이 농도변화를 겪을 수 있다. 이 때문에 하나의 검출대상물 검출로 특정 질병이 유발되었다고 판단하기는 어렵다. 따라서 이미 알려진 질병표지인자의 존재 유무를 미리 파악하여 임상실험을 통해 질 병표지자 검출 양상을 패턴화하여 정보화하면 질병과의 상관관계를 높일 수 있으므로 질병검사가 용이해진다.The detection object recognized by each receptor does not correspond to only one disease, but several disease-labeled biomaterials may undergo concentration changes in case of abnormality of the body. For this reason, it is difficult to judge that a specific disease is caused by detecting one detection object. Therefore, it is easy to examine the disease because it is possible to increase the correlation with the disease by identifying the presence of known disease markers in advance and patterning the information of disease markers through clinical trials.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
도 1은 종래의 기술로 상대적 변화를 감지하는 센서의 구성도1 is a block diagram of a sensor for detecting a relative change in the prior art
도 2는 본 발명의 기본 구성이 되는 휘트스톤 브릿지회로와 차동증폭기로 이루어진 질병검사장치를 나타낸 도면Figure 2 is a view showing a disease testing device consisting of a Wheatstone bridge circuit and a differential amplifier as a basic configuration of the present invention
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 환경적 요인에 의한 노이즈를 제거하기 위한 나노센서를 이용한 질병검사장치의 구성도3 is a block diagram of a disease inspection apparatus using a nano-sensor for removing noise due to environmental factors according to a first embodiment of the present invention
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로 유체채널의 라미나 플로우를 이용해 환경적 요인을 제거하는 질병검사장치의 구성도Figure 4 is a block diagram of a disease inspection apparatus for removing environmental factors using the lamina flow of the microfluidic channel according to the second embodiment of the present invention
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 환경적 요인에 의한 노이즈를 제거하기 위한 나노센서를 이용한 질병검사장치를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a disease inspection apparatus using a nanosensor for removing noise caused by environmental factors according to a third embodiment of the present invention.
도 6은 복수 개의 센서를 이용해 동시에 여러 질병을 검사하는 장치를 나타낸 구성도Figure 6 is a block diagram showing an apparatus for testing several diseases at the same time using a plurality of sensors
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
310 : 제1센서310: first sensor
320 : 제2센서320: second sensor
330 : 유체채널330 fluid channel
340 : 리셉터340: Receptor
350 : 검출 대상물350: detection object
360 : 비특이 흡착된 분자 또는 환경요인360: Nonspecific Adsorbed Molecules or Environmental Factors
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