KR101129416B1 - Bio Sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 검사 대상물이 투입되는 하나 이상의 반응부와 상기 반응부가 가열되도록 탄소나노튜브 박막 가열부를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.The present invention provides a biosensor comprising at least one reaction unit into which the test object is introduced and a carbon nanotube thin film heating unit to heat the reaction unit.
본 발명의 바이오 센서는 탄소나노튜브 박막 가열부를 열 방출 소재로 채택하여 반응부 내의 반응물의 온도를 빠른 속도로 조절할 수 있으므로, PCR 기기, 핵산 서열분석기, 유전자 칩, 단백질 칩, 효소작용연구(enzyme kinetic studies) 등에 유용하게 사용될 수 있다.The biosensor of the present invention adopts a carbon nanotube thin film heating unit as a heat releasing material, so that the temperature of the reactants in the reaction unit can be controlled at a high speed. It can be usefully used for kinetic studies.
반응부, 탄소나노튜브 박막 가열부, 온도감지센서, 제어수단 Reactor, carbon nanotube thin film heating unit, temperature sensor, control means
Description
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생화학적 반응에 사용되는 반응물의 온도를 제어하기 위한 바이오 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor, and more particularly to a biosensor for controlling the temperature of the reactants used in the biochemical reaction.
일반적으로, 생화학적 반응에 사용되는 반응물이 수용되는 반응용기의 온도제어는 다양한 방법으로 가열 및 냉각되는 가열기를 사용하여 수행된다.In general, temperature control of the reaction vessel in which the reactants used in the biochemical reaction are accommodated is performed by using a heater that is heated and cooled in various ways.
현재, 많은 바이오 센서들에서는 전기 소자나 열전 소자 등을 사용하여 반응물이 수용되는 반응용기를 가열하게 된다.At present, many biosensors use an electric element or a thermoelectric element to heat a reaction vessel in which a reactant is accommodated.
상기 바이오 센서들은 다양한 방식으로 반응용기를 가열기와 결합시키는데, 반응용기에서 생화학적 반응을 일으키는 반응물의 반응 결과를 정확하게 측정하기 위해서는 반응용기의 온도를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다.The biosensors combine the reaction vessel with the heater in various ways. It is important to precisely control the temperature of the reaction vessel in order to accurately measure the reaction result of the reaction product causing the biochemical reaction in the reaction vessel.
또한, 반응용기에서 일어나는 생화학적 반응은 광학적 방식으로 측정되는 것이 일반적이므로 상기 반응용기와 가열기를 투명한 소재로 채택하는 경우 생화학적 반응을 측정하는데 있어 장점을 갖는다. In addition, since the biochemical reaction occurring in the reaction vessel is generally measured in an optical manner, there is an advantage in measuring the biochemical reaction when the reaction vessel and the heater are adopted as transparent materials.
상기 투명 가열기로 채택될 수 있는 소재로는 도전성 투명박막이 있는데, 전통적으로 가장 많이 사용되는 것은 ITO(Indium Tin Oxide)이며, 도전성 폴리머나 탄소나노튜브를 포함하는 탄소기반 소재 등이 최근 들어 점차 많이 사용되고 있다. A material that can be adopted as the transparent heater is a conductive transparent thin film, traditionally the most commonly used is ITO (Indium Tin Oxide), carbon-based materials including conductive polymers or carbon nanotubes, etc. are gradually increasing in recent years It is used.
이 외에도 옥사이드(Oxide) 계열의 ZnO, SnO2, In2O3, CdSnO4와 같은 다양한 소재들이 활용되고 있으며, Au. Al, Ag 등과 같은 금속이나 주석(Tin) 등의 기능성 물질이 일부 포함되도록 하여 도전성이 개선된 박막 필름을 제조하는 경우가 있다. In addition, various materials such as oxide-based ZnO, SnO 2 , In 2 O 3 , and CdSnO 4 are being used. In some cases, a thin film film having improved conductivity may be manufactured by including a metal such as Al and Ag, or a functional material such as tin.
최근에는 탄소기반의 소재(탄소나노튜브, 카본블랙 등)를 투명기판의 내부 또는 표면에 증착한 도전성 필름을 구성하여 제조하는 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, research has been actively conducted to manufacture a conductive film in which carbon-based materials (carbon nanotubes, carbon black, etc.) are deposited on or inside a transparent substrate.
이러한 도전성 투명박막은 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display), 정전차폐, 터치스크린, LCD 디스플레이용 전극, 기능성 광학필름, 복합재료, 화학 센서, 태양 전지, 에너지 저장물질, 전자소자 등에 활용이 가능하다. Such conductive transparent thin films can be utilized in field emission displays, electrostatic shielding, touch screens, electrodes for LCD displays, functional optical films, composite materials, chemical sensors, solar cells, energy storage materials, and electronic devices.
특히, 탄소나노튜브는 유연성이 요구되는 플렉서블 디스플레이나 플렉서블 태양전지 등의 전극재료에 효과적으로 사용될 수 있다. In particular, carbon nanotubes can be effectively used in electrode materials such as flexible displays or flexible solar cells that require flexibility.
그런데, 투명 가열기로서 기존에 사용되는 상기 ITO 투명박막은 진공 상에서 기판 표면에 증착되는 것이 일반적이며, 많은 비용과 까다로운 공정을 요구한다. By the way, the ITO transparent thin film conventionally used as a transparent heater is generally deposited on the substrate surface in a vacuum, and requires a high cost and demanding process.
또한, ITO 투명박막은 증착될 수 있는 소재에 제한이 있기 때문에 광학적으로 생화학적 반응을 측정하기 위해 투명한 반응용기를 채택하여야 하는 바이오 센서에 곧바로 적용되기 어려운 단점이 있다. In addition, since the ITO transparent thin film is limited in the material that can be deposited, it is difficult to be applied directly to a biosensor that must employ a transparent reaction container in order to measure the biochemical reaction optically.
최근 바이오 칩의 개발이 활발히 이루어지면서 다양한 형태의 바이오 센서가 부착된 바이오 센서들이 제안되고 있다. 바이오 센서에서 주요 인자를 정확하게 측 정하기 위하여 전기적, 광학적, 화학적 방법 등이 다양하게 이용되고 있으며, 적은 양의 바이오 반응물을 이용하여 정확한 측정결과를 얻기 위해 주입되는 DNA, RNA, 프로틴, 세포, 혈액 등과 같은 반응물의 활성 온도를 제어하는 것이 매우 중요하다. Recently, with the development of biochips, biosensors with various types of biosensors have been proposed. In order to accurately measure major factors in biosensors, various electrical, optical, and chemical methods are used, and DNA, RNA, protein, cells, blood, etc., which are injected to obtain accurate measurement results using a small amount of bioreactant It is very important to control the active temperature of the same reactants.
따라서, 반응물의 활성 온도를 정밀하게 조절할 수 있으면서도 반응 용기의 투명성이 유지되는 바이오 센서를 개발할 필요가 있다.Therefore, there is a need to develop a biosensor that can precisely control the active temperature of the reactants while maintaining the transparency of the reaction vessel.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 DNA, RNA, 프로틴, 세포, 혈액 등과 같은 반응물질의 활성 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 바이오 센서를 제공하고자 한다. In order to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a biosensor capable of precisely controlling the active temperature of the reactants such as DNA, RNA, protein, cells, blood and the like.
또한, 본 발명의 다른 목적은 반응 용기의 투명성을 유지하여 광학적 방식으로 반응 결과를 측정할 수 있는 바이오 센서를 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a biosensor capable of measuring the reaction result in an optical manner by maintaining the transparency of the reaction vessel.
위와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 바이오 센서는 검사 대상물이 투입되는 하나 이상의 반응부; 상기 반응부 하부에 구비되는 탄소나노튜브 박막 가열부; 및 상기 반응부내 상기 검사 대상물의 반응 결과로부터 신호를 검출하는 신호 검출부;를 포함하여 이루어진다.Biosensor according to a feature of the present invention for achieving the above object is at least one reaction unit is injected test object; A carbon nanotube thin film heating unit provided below the reaction unit; And a signal detector for detecting a signal from a reaction result of the test object in the reaction unit.
바람직하게, 상기 바이오 센서는 상기 반응부의 온도를 감지하는 온도감지센서;를 더 포함하여, 상기 검사 대상물의 반응 온도를 조절할 수 있다.Preferably, the biosensor may further include a temperature sensor for sensing the temperature of the reaction unit, it is possible to adjust the reaction temperature of the test object.
바람직하게, 상기 바이오 센서는 상기 온도감지센서에서 감지된 상기 온도가 상기 검사 대상물에 대하여 기 설정된 반응 온도 범위 내에 있도록 제어하는 제어수단;을 더 포함하되, 상기 제어수단은 상기 온도가 상기 반응 온도 범위에 미달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 인가하고, 상기 온도가 상기 반응 온도 범위를 초과하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 차단하는 방식으로 구동될 수 있다.Preferably, the biosensor further includes control means for controlling the temperature detected by the temperature sensor to be within a preset reaction temperature range with respect to the test object, wherein the control means is the temperature range of the reaction temperature When it is less than the carbon nanotube thin film heating unit is applied to the power, if the temperature exceeds the reaction temperature range can be driven in such a way to cut off the power to the carbon nanotube thin film heating unit.
바람직하게, 상기 반응부는 유리, 폴리머, 및 플릿 글래스(flit glass)로 구성된 군에서 선택되는 투명재질일 수 있다.Preferably, the reaction unit may be a transparent material selected from the group consisting of glass, polymer, and flit glass.
바람직하게, 상기 반응부는 도전성 폴리머로 이루어진 부분을 포함할 수 있다. Preferably, the reaction unit may include a portion made of a conductive polymer.
바람직하게, 상기 탄소나노튜브 박막 가열부는 10㎚ 내지 1㎛의 두께일 수 있다.Preferably, the carbon nanotube thin film heating part may have a thickness of 10 nm to 1 μm.
바람직하게, 상기 탄소나노튜브 박막 가열부는 100Ω/sqr. 내지 106Ω/sqr.의 면저항을 가질 수 있다.Preferably, the carbon nanotube thin film heating unit 100Ω / sqr. To 10 6 Ω / sqr.
바람직하게, 상기 탄소나노튜브 박막 가열부는 50% 내지 95%의 투명도를 가질 수 있다.Preferably, the carbon nanotube thin film heating unit may have a transparency of 50% to 95%.
바람직하게, 상기 제어 수단은 상기 하나 이상의 반응부에 대하여 상이한 온도 또는 시간 프로파일에 대한 전류를 공급할 수 있도록 배열될 수 있다. Preferably, the control means can be arranged to supply current for different temperature or time profiles to the one or more reaction sections.
바람직하게, 상기 반응부 또는 각 반응부는 채널 형상, 베슬(vessel) 형상, 칩 형상, 기판 형상, 및 모세관 튜브 형상에서 선택될 수 있다. Preferably, the reaction part or each reaction part may be selected from a channel shape, a vessel shape, a chip shape, a substrate shape, and a capillary tube shape.
바람직하게, 상기 반응부의 검사 대상물에 포함된 타겟 바이오 분자를 검출하기 위한 앱타머가 구비되고, 상기 신호 검출부는 상기 타겟 바이오 분자와 상기 엡타머의 특이 결합으로부터 발생하는 상기 신호를 검출할 수 있다.Preferably, the aptamer for detecting a target biomolecule included in the test object of the reaction unit is provided, the signal detection unit may detect the signal generated from the specific binding of the target biomolecule and the aptamer.
바람직하게, 상기 바이오 센서는 DNA 칩, RNA 칩, 면역크로마토그래피 스트립 키트, 루미넥스 어세이 키트, 단백질 마이크로어레이 키트, 엘라이자 키트, 및 면역학적 도트 키트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 칩 또는 키트일 수 있다.Preferably, the biosensor is any one chip or kit selected from the group consisting of DNA chip, RNA chip, immunochromatography strip kit, luminex assay kit, protein microarray kit, ELISA kit, and immunological dot kit. Can be.
본 발명의 다른 특징에 따른 바이오 플랫폼은 반응물이 투입되는 반응부; 상기 반응부 하부에 구비되는 탄소나노튜브 박막 가열부; 및 상기 반응부의 온도를 감지하는 온도감지센서;를 포함하여 이루어지는데, 상기 반응물의 반응 온도가 상기 온도감지센서에 의해 조절될 수 있다.Bio platform according to another feature of the present invention is a reaction unit into which the reactants are injected; A carbon nanotube thin film heating unit provided below the reaction unit; And a temperature sensor for sensing the temperature of the reaction unit, wherein the reaction temperature of the reactant may be controlled by the temperature sensor.
바람직하게, 상기 온도감지센서에서 감지된 상기 온도가 상기 검사 대상물에 대하여 기 설정된 반응 온도 범위 내에 있도록 제어하는 제어수단;을 더 포함하되, 상기 제어 수단은 상기 온도가 상기 반응 온도 범위에 미달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 인가하고, 상기 온도가 상기 반응 온도 범위를 초과하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 차단하여, 상기 검사 대상물에 온도 범위를 조절할 수 있다.Preferably, the control means for controlling so that the temperature detected by the temperature sensor is within a predetermined reaction temperature range with respect to the inspection object, wherein the control means is the control temperature is less than the reaction temperature range When the power is applied to the carbon nanotube thin film heating unit, and the temperature exceeds the reaction temperature range, the carbon nanotube thin film heating unit may be cut off to control the temperature range of the test object.
본 발명의 바이오 센서는 탄소나노튜브가 밀집되어 망 형태로 연결된 도전성이 향상된 탄소나노튜브 박막 가열부를 사용하여 반응부 내의 온도를 정밀하게 조절할 수 있다. The biosensor of the present invention can precisely control the temperature in the reaction unit by using the carbon nanotube thin film heating unit having improved conductivity connected in a network form by dense carbon nanotubes.
또한, 본 발명의 바이오 센서는 온도 상승이 단시간에 이루어지며, 설정온도에 도달한 후에는 온도가 더 이상 상승하지 않고 유지되어 유전자의 발현 변화를 측정하기 위해 사용되는 DNA 칩, RNA 칩 등의 유전자 칩이나, 단백질의 발현 변화를 측정하기 위해 사용되는 면역크로마토그래피 스트립 키트, 루미넥스 어세이 키 트, 단백질 마이크로어레이 키트, 엘라이자 키트, 또는 면역학적 도트 키트에 유용하게 사용될 수 있다.In addition, the biosensor of the present invention has a temperature rise in a short time, and after reaching the set temperature, the temperature does not increase any more, so that the genes such as DNA chips, RNA chips, etc., which are used to measure changes in gene expression It can be usefully used in immunochromatography strip kits, luminex assay kits, protein microarray kits, ELISA kits, or immunological dot kits used to measure changes in chip or protein expression.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브 박막 가열부를 가열수단으로 갖는 바이오 센서는 일정한 시간 안에 정해진 온도를 올리기 위해 필요한 열량이 상대적으로 작아서 에너지 효율 면에서도 매우 유용하다고 할 수 있다. In addition, the biosensor having the carbon nanotube thin film heating unit of the present invention as a heating means can be said to be very useful in terms of energy efficiency since the amount of heat required to raise a predetermined temperature within a predetermined time is relatively small.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브 박막 가열부를 가열수단으로 갖는 바이오 센서는 전류의 흐름을 차단하였을 때, 탄소나노튜브 박막 가열부의 표면적이 넓어 냉각이 신속하게 이루어지므로, 별도의 냉각장치를 사용하지 않고도 구동이 가능하다.In addition, the biosensor having the carbon nanotube thin film heating unit of the present invention as the heating means has a large surface area of the carbon nanotube thin film heating unit when the current flow is blocked, so that the cooling is performed quickly, without using a separate cooling device. It is possible to drive.
이하, 도 1을 참고하여, 본 발명의 바이오 센서(100)에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 검사 대상물이 투입되는 하나 이상의 반응부(110); 상기 반응부(110)가 가열되도록 반응물과 접촉하는 상기 반응부(110)의 표면 아래에 형성되어 전류가 통과할 때 열을 방출하는 탄소나노튜브 박막 가열부(120); 및 상기 반응부내 상기 검사 대상물의 반응 결과로부터 신호를 검출하는 신호 검출부(미도시);를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 1, the
이 때, 상기 바이오 센서(100)는 상기 반응부의 온도를 감지하는 온도감지센서(130)를 더 포함하여, 상기 검사 대상물의 반응 온도를 조절할 수 있다. At this time, the
그리고, 상기 바이오 센서(100)는 상기 온도감지센서(130)에서 감지된 상기 온도가 상기 검사 대상물에 대하여 기 설정된 반응 온도 범위 내에 있도록 제어하는 제어수단(140);을 더 포함하여 구성될 수 있다. The
상기 제어수단(140)은 상기 반응부(110)의 온도가 기 설정된 반응 온도 범위에 미달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 전원을 인가하고, 상기 반응부(110)의 온도가 상기 반응 온도 범위를 초과하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 전원을 차단하는 방식으로 구동될 수 있다.The
그리고, 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)는 전기적으로 연결된 단자(150)를 통하여 상기 제어수단(140)을 경유하여 전원(160)에 연결된다.In addition, the carbon nanotube thin
먼저, 상기 반응부(110)에서 일어나는 검사 대상물의 반응 결과는 상기 검사 대상물로부터 신호를 검출하는 신호 검출부(미도시)를 통하여 전기적, 화학적, 또는 광학적 방법 등으로 검출할 수 있는데, 전기적 방식으로 측정하는 경우에는 검사 대상물이 상기 바이오 센서(100) 상에 부착되면서 변화하는 저항 값을 측정하는 방식으로 검출할 수 있고, 화학적 방식으로 측정하는 경우에는 반응 전후의 pH 변화나 기타 화학적 변화를 검출하는 방식으로 측정할 수 있다.First, the reaction result of the test object generated in the
또한, 광학적 방법으로 측정하는 경우에는 가시광, 또는 자외선 등을 조사하고, 반사 또는 투과광을 측정하는 방법으로 광학적 변화를 측정하여 검사 대상물의 반응 결과를 검출할 수 있고, 상기와 같은 검출 방법은 바이오 센서(100)가 속하는 기술 분야에서 널리 공지되어 있다.In addition, in the case of measuring by an optical method, the reaction result of the test object may be detected by measuring the optical change by irradiating visible or ultraviolet light and measuring the reflected or transmitted light. It is well known in the art to which 100 belongs.
본 발명의 바이오 센서(100)에서 측정하고자 하는 시료가 DNA, RNA, 프로틴, 세포, 혈액 등과 같은 생물학적인 시료인 점을 고려하면, 상기 반응부(110)는 투입된 반응물의 반응 결과를 광학적 방식으로 측정할 수 있도록 빛이 투과될 수 있는 재질인 유리, 폴리머, 플릿 글래스(flit glass), 또는 도전성 폴리머 등으로 이루어질 수 있다.Considering that the sample to be measured in the
상기 반응부(110)가 가열되도록 상기 반응부(110)의 하부에 탄소나노튜브 박막 가열부(120)가 결합하는데, 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)는 10㎚ 내지 1㎛의 두께를 갖고, 탄소나노튜브가 망(Network) 형태로 연결되어 있다. 그리고 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)를 기반으로 한다. The carbon nanotube thin
이 때, 상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽, 또는 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있고, 굵기가 100 nm이하인 탄소로 이루어진 튜브형 또는 속이 채워진 막대형을 포함하며, 탄소나노튜브에 다른 물질을 도핑하거나 탄소나노튜브 박막에 다른 금, 은, Si, SiO2와 금속, 반도체, 산화물 반도체 층을 입히는 것과 같이 탄소나노튜브 복합재를 사용하여 형성될 수도 있다. At this time, the carbon nanotubes may use single-walled, double-walled, or multi-walled carbon nanotubes, and include a tubular or filled rod-shaped carbon having a thickness of 100 nm or less, and doping other materials to the carbon nanotubes. Or a carbon nanotube composite such as coating another gold, silver, Si, SiO 2 and metal, semiconductor, or oxide semiconductor layer on the carbon nanotube thin film.
그리고, 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)는 50% 내지 95%의 투명도를 갖도록 형성되며, 100Ω/sqr. 내지 106Ω/sqr.의 면저항을 갖는다.In addition, the carbon nanotube thin
상기 폴리머나 유리 등으로 이루어진 반응부(110) 상에 탄소나노튜브 박막 가열부(120)를 형성시키기 위하여, 성장방법, 진공 여과법(vacuum filtration), 스프레이 코팅법(spray coating), 잉크젯 방법(inkjet) 등 다양한 방법을 사용할 수 있다. 다만, 이 때 탄소나노튜브들은 반응부(120)의 표면에 고르게 분포되어 서로 연결된 상태로 배치된다.In order to form the carbon nanotube thin
상기한 바에 따라 반응부(120)의 표면에 배치된 탄소나노튜브는 투명 접착제를 사용하여 상기 반응부(120)에 부착되거나, 반응부(120)의 융점 이상에서 용융 압착되어 반응부(120) 내부로 전이됨으로써 상기 반응부(120)의 하부에 탄소나노튜브 박막 가열부(110)가 형성될 수 있다. As described above, the carbon nanotubes disposed on the surface of the
이때 탄소나노튜브는 반응부(110)의 표면 근처에서 밀집되어 탄소나노튜브 박막 가열부(120)를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 탄소나노튜브 박막 가열부 상에 절연을 위해 투명 코팅층이 형성될 수 있다.At this time, the carbon nanotubes are concentrated near the surface of the
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 가열기 역할을 수행하는 탄소나노튜브 박막 가열부(120)가 반응부(110)의 반응물과 접촉하는 한쪽 표면에 밀집되어 분포하므로 작은 양의 탄소나노튜브를 사용하여 이들을 네트워크로 연결할 수 있으며, 이에 따라 반응부의 투명성이 향상된다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the carbon nanotube thin
또한, 탄소나노튜브가 반응부(110)의 한쪽 면에만 밀집되어 탄소나노튜브 박막 가열부(120)를 형성하므로 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 전류가 통과할 때 발생되는 열이 탄소나노튜브 박막 가열부(120)의 전반으로 분산되지 않아 원하는 면을 효율적으로 가열할 수 있다.In addition, since the carbon nanotubes are concentrated on only one surface of the
그리고, 상기한 반응부(110)는 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 전류를 인가하기 위하여 반응부(110)의 가장자리에 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)와 전기적으로 연결된 전극 단자(150)가 형성되어 있으며, 이 전극단 자(150)는 전원(160)과 전기적으로 연결된다. 상기한 전극 단자(150)는 백금, 구리, 은 등의 소재로 이루어질 수 있다.In addition, the
이때, 모든 반응부(110)가 하나의 전원(160) 또는 각각의 전원(160)에 연결될 수 있도록 배치될 수 있고, 상기 반응부(110)는 어레이(array) 형태로 배열될 수 있다.In this case, all the
이러한 배열에 있어서, 각 반응부(110) 또는 반응부 그룹이 저마다의 가열 소자로서 탄소나노튜브 박막 가열부(120)를 갖고 있기 때문에, 상이한 온도 단계를 필요로 하는 복수의 상이한 반응들이 동시에 수행할 수 있다. 이러한 배열은 사용자가 단일의 장치를 사용하여 다수의 반응부에서 소단위(small batch) 반응을 수행할 수 있게 해준다.In this arrangement, since each
또한, 각 반응부(110) 또는 각 반응부(110) 그룹은 상기 반응부 또는 반응부 그룹에 형성된 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 적용되는 전류를 조절함으로써 저마다의 가열 프로파일을 가질 수 있다. 각각의 반응부가 서로에 독립적인 열적 프로파일로 제어될 수 있다는 것은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막 가열부(120)를 구비한 바이오 센서(100)가 가지고 있는 특수한 장점이다. 이러한 장점은 예를 들면, 복수 개의 바이오 물질을 검출하기 위한 시험에 대하여 각각이 물질이 검출되는 시험이 서로 상이한 작동 온도를 갖더라도 동시에 비교적 소형의 장치로 복수 개의 바이오 물질 검출을 수행할 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 샘플 중 복수 개의 마커를 검출하기 위한 검출 시험이 각 마커 고유의 뉴클레오티드 서열 또는 아미노산 서열의 특징에서 기인하는 다른 작동 온도에서 분석됨에도 불구하고 동시에 수행될 수 있음을 의미한다.In addition, each
상기와 같이 본 발명의 반응부(110) 또는 반응부 그룹에 형성된 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 적용되는 전류를 조절하기 위하여, 본 발명의 바이오 센서(100)는 상기 반응부(110)의 온도를 감지하는 온도감지센서(130)와 상기 온도감지센서(130)에서 감지한 온도가 설정 온도에 도달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 전류 공급을 차단하는 제어수단(140)을 갖고, 상기 반응부(110) 또는 반응부 그룹은 상기 제어수단(140)을 경유하여 전원(160)에 연결되어 상이한 온도 단계를 필요로 하는 복수의 상이한 반응들이 각각의 반응부(110) 또는 반응부(110) 그룹들마다 조절될 수 있다.As described above, in order to control the current applied to the carbon nanotube thin
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 온도감지센서는 상기 반응부(110)에 접촉하지 않고 형성된 비접촉 형식의 온도감지 센서(130)일 수 있고, 상기 반응부(210)에 접촉하여 형성된 접촉 형식의 온도감지 센서(230)일 수도 있다. 본 발명의 바이오 센서(100)에 상기 비접촉 형식의 온도감지 센서(130)을 채택하는 경우, 반응부(210)에 별도의 온도 센서를 장착할 필요가 없으므로 통상 일회용 또는 소모성 부품 형태인 반응부(210)를 제작할 때 들어가는 비용을 줄일 수 있고, 상기 반응부(210)에서 일어나는 반응 결과를 열화상 카메라 등으로 관찰하여 유체의 면적에 대한 온도 분포 특성을 측정하고, 이를 통해 반응부에서 일어나는 가열 특성을 분석하기 용이하다. 1 and 2, the temperature sensor may be a non-contact
도 1을 참조하면, 각각의 반응부(110) 또는 반응부 그룹 내에서 일어나는 반응들의 온도를 조절하는 상기 제어수단(140)은 컴퓨터 제어식 인터페이스 장치처럼 자동 제어 수단인 것이 바람직하다. 상기 제어수단(140)은 탄소나노튜브 박막 가열부(120)와 접속하는 전기 회로를 제어하기 위한 프로그램형 제어기를 사용하여, 소정 시간 간격과 지속 시간에 걸쳐 성립되는 소정의 온도 단계가 규정된 온도 체계를 미리 프로그램 할 수 있고, 동일한 시간에 동일한 장치 내에서 상이한 반응부마다 다른 온도와 시간 프로파일을 사용하는 것도 가능하다.Referring to FIG. 1, the control means 140 for controlling the temperature of reactions occurring in each
이때, 상기 제어수단(140)은 상기 반응부(110)의 온도가 기 설정된 반응 온도 범위에 미달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 전원을 인가하고, 상기 반응부(110)의 온도가 상기 반응 온도 범위를 초과하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부(120)에 전원을 차단하는 방식으로 구동될 수 있다.At this time, the
상기 제어 수단(140)은 상기 온도감지 센서(130)에서 감지한 반응부(110)의 온도를 모니터링 하여, 바이오 센서(100)의 온도 체계가 유지되도록 한다.The control means 140 monitors the temperature of the
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 반응부(110)는 도 1및 도2의 채널(channel) 형상 또는 도 3 및 도4의 베슬(vessel) 형상으로 제조될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에 공지된 칩 형상, 기판 형상, 모세관 튜브 형상 등 반응물이 반응하도록, 반응 장소를 제공하는 어떠한 형상으로도 될 수 있다.1 to 4, the
본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 화학적 또는 생화학적 반응이 수행될 필요가 있는 다양한 상황에서 사용될 수 있고, 상기 반응은 상술한 바와 같이 반응부(110) 내에서 반응물을 가열하는 것을 포함한다.The
본 발명의 바이오 센서(100)는 생물학적 시료를 분석하기 위한 목적을 위해 바이오 분석 센서로 사용할 수 있는데, 이러한 형태의 예로서 상기 반응부(100)에 검사 대상물에 포함된 타겟 바이오 분자를 검출하기 위한 특정 앱타머를 부착시키고, 상기 신호 검출부는 상기 타겟 바이오 분자와 상기 엡타머의 특이 결합으로부터 발생하는 신호를 검출하는 바이오 분석 센서를 들 수 있다.The
또한, 생물학적 시료를 분석하기 위한 목적을 위한 바이오 분석 센서로서 사용될 수 있는 다른 예로서는 유전자의 발현 변화를 측정하기 위해 사용되는 DNA 칩, RNA 칩 등의 유전자 칩이나, 단백질의 발현 변화를 측정하기 위해 사용되는 면역크로마토그래피 스트립 키트, 루미넥스 어세이 키트, 단백질 마이크로어레이 키트, 엘라이자 키트, 또는 면역학적 도트 키트 등이 있다.In addition, another example that can be used as a bioanalytical sensor for the purpose of analyzing a biological sample is a gene chip such as a DNA chip, an RNA chip, etc., which is used to measure the expression change of a gene, or used to measure the expression change of a protein. Immunochromatography strip kits, Luminex assay kits, protein microarray kits, ELISA kits, or immunological dot kits.
본 발명의 바이오 센서(100)가 상기 유전자나 단백질의 발현 변화를 측정하기 위해 사용되는 경우, 이때 특정 유전자나 단백질이 비특이적인 결합을 배제하고, 각각의 기질에 특이적으로 결합하기 위해 필요한 온도 조건과 시간 조건도 다양한 요인에 따라 변화된다. 본 발명에 따른 바이오 센서(100)를 사용할 때, 이들 온도로 신속하게 도달할 수 있고, 이들 온도 사이의 변화 속도는 신속하게 제어될 수 있다.When the
본 발명의 바이오 센서는 생물학적 시료를 분석하기 위한 목적 이외에도 다양한 분야에서 응용될 수 있는 바이오 플랫폼의 역할을 수행할 수 있다. The biosensor of the present invention may serve as a bio platform that can be applied in various fields in addition to the purpose of analyzing biological samples.
이러한 바이오 플랫폼은 반응물이 투입되는 반응부(110); 상기 반응부(110) 하부에 구비되는 탄소나노튜브 박막 가열부(120); 및 상기 반응부의 온도를 감지하는 온도감지센서(130);를 포함하는 구조로 이루어지는데, 상기 반응물의 반응 온도 가 상기 온도감지센서에 의해 조절될 수 있다.The bio platform is a
또한, 상기 바이오 플랫폼은 상기 바이오 센서와 마찬가지로 상기 온도감지센서에서 감지된 상기 온도가 상기 검사 대상물에 대하여 기 설정된 반응 온도 범위 내에 있도록 제어하는 제어수단;을 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 제어 수단은 상기 온도가 상기 반응 온도 범위에 미달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 인가하고, 상기 온도가 상기 반응 온도 범위를 초과하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 차단하는 방식으로 구동될 수 있다.The bio platform may further include a control means for controlling the temperature detected by the temperature sensor to be within a preset reaction temperature range with respect to the test object, similarly to the bio sensor. When the temperature is less than the reaction temperature range is applied to the power supply to the carbon nanotube thin film heating unit, and if the temperature exceeds the reaction temperature range is driven in a manner to cut off the power to the carbon nanotube thin film heating unit. Can be.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 바이오 플랫폼은 핵산 염기서열결정(nucleic acid sequencing)의 목적을 위해 사용될 수 있으며, 정확한 온도로 유지해야 할 필요가 있는 효소의 활동을 포함하는 다른 반응들과 같이, 다양한 온도에서의 효소의 작용을 연구하는 효소 활동 연구(enzyme kinetic studies)에서도 사용될 수 있다.The bioplatform of the present invention having this configuration can be used for the purpose of nucleic acid sequencing and can be used at various temperatures, such as other reactions involving the activity of enzymes that need to be maintained at the correct temperature. It can also be used in enzyme kinetic studies to study the action of enzymes in.
또한 본 발명의 바이오 센서(100)가 상기 PCR 반응에 적용될 경우, 이때 PCR 반응의 변성(denaturation), 어닐링(annealing), 및 확장(amplification)의 삼 단계를 수행하기 위해 각각 필요한 온도 조건과 시간 조건은 다양한 요인에 따라 변화된다. 이러한 다양한 요인의 예로서 증폭될 뉴클레오티드의 길이, 또는 그 특성, 사용되는 프라이머의 특성, 사용되는 효소 등이 있다. 일반적인 변성 온도는 95℃이고, 일반적인 어닐링 온도는 55℃이며, 확장 온도는 72℃인 것이 일반적이다. 본 발명에 따른 바이오 센서(100)를 사용할 때, 이들 온도로 신속하게 도달할 수 있고, 이들 온도 사이의 변화 속도는 신속하게 제어될 수 있다.In addition, when the
또한, 본 발명의 바이오 센서(100)가 상기 유전자나 단백질의 발현 변화를 측정하기 위해 바이오 분석 센서로 사용되는 경우, 이때 특정 유전자나 단백질이 비 특이적인 결합을 배제하고, 각각의 기질에 특이적으로 결합하기 위해 필요한 온도 조건과 시간 조건도 다양한 요인에 따라 변화된다. 본 발명에 따른 바이오 센서(100)을 사용할 때, 이들 온도로 신속하게 도달할 수 있고, 이들 온도 사이의 변화 속도는 신속하게 제어될 수 있다.In addition, when the
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to a preferred embodiment so that those skilled in the art can easily practice the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
실시예Example
반응부로 유리(가로 5cm, 세로 5cm, 두께 0.5cm)와 수정(가로 5cm, 세로 5cm, 두께 0.5cm)을 선택하고 유리기판 및 수정기판의 표면에 각각 탄소나노튜브 솔루션(SWNTink, (주)탑나노시스)을 스프레이 방식으로 분사하여 탄소나노튜브 박막 가열부를 형성시켰다.Select glass (5cm wide, 5cm wide, 0.5cm thick) and crystal (5cm wide, 5cm wide, 0.5cm thick) as the reaction section, and apply carbon nanotube solution (SWNTink, Tower) Nano-cis) was sprayed in a spray method to form a carbon nanotube thin film heating part.
상기 탄소나노튜브 박막 가열부가 형성된 반응부의 양쪽 면에 실버 페이스트를 도포하여 전극단자를 형성시키고(도 5a 및 도 5b), 여기에 온도 센서와 제어수단 및 전원을 연결하여 바이오 센서를 제작하였다.Silver paste was applied to both sides of the reaction part in which the carbon nanotube thin film heating part was formed to form electrode terminals (FIGS. 5A and 5B), and a temperature sensor, a control means, and a power source were connected thereto to manufacture a biosensor.
비교예Comparative example
10nm 두께의 Fe 필름을 유리 기판(가로 5cm, 세로 5cm, 두께 0.5cm) 상에 형성하여 반응부를 제작하고, 여기에 온도 센서와 제어수단 및 전원을 연결하여 바이 오 센서를 제작하였다.A 10 nm-thick Fe film was formed on a glass substrate (
실험예Experimental Example 1 One
상기 실시예 1에서 제작된 반응부의 저항과 투명도의 상관관계를 조사하기 위하여 반응부 상에 분사되는 탄소나노튜브 박막 가열부의 양을 조절하면서 투명도와 저항 값을 측정하고, 이를 도 6에 나타내었다. In order to investigate the correlation between resistance and transparency of the reaction part manufactured in Example 1, transparency and resistance values were measured while controlling the amount of the carbon nanotube thin film heating part sprayed on the reaction part, and the results are shown in FIG. 6.
그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이 기판 상에 형성된 탄소나노튜브 박막 가열부가 두꺼워지면, 전체적으로 기판의 면 저항이 감소하지만 이와 비례하여 기판의 투명도가 감소함을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 6, when the carbon nanotube thin film heating part formed on the substrate becomes thick, the overall sheet resistance of the substrate decreases, but the transparency of the substrate decreases in proportion thereto.
실험예Experimental Example 2 2
상기 실시예 1의 유리 기판을 이용하여 제작된 바이오 센서의 가열 특성을 평가하였다. Heating characteristics of the biosensor manufactured using the glass substrate of Example 1 were evaluated.
바이오 센서의 가열 설정온도를 30℃로 맞춰 놓고, 반응부의 사이즈 별로 23℃에서 30℃까지 도달하는데 소요되는 전력량을 측정하였고, 30℃에서 반응부의 온도분포를 확인하기 위해 적외선 카메라를 사용하여 촬영하였다. The heating set temperature of the biosensor was adjusted to 30 ° C., and the amount of power required to reach 23 ° C. to 30 ° C. for each size of the reaction part was measured, and photographed using an infrared camera at 30 ° C. to confirm the temperature distribution of the reaction part. .
그 결과, 도 7a 내지 도 7c 에 도시된 바와 같이 본 발명의 바이오 센서에 사용되는 반응부는 용기 전체에 걸쳐 균일한 온도를 갖는 것이 확인되었다. 이러한 결과를 통해 본 발명의 바이오 센서가 작은 면적에 고른 가열이 필요한 DNA 칩, RNA 칩, 단백질 마이크로어레이 키트 등에 유용하게 사용할 수 있음을 알 수 있었다.As a result, as shown in Figs. 7A to 7C, it was confirmed that the reaction section used in the biosensor of the present invention had a uniform temperature throughout the container. These results indicate that the biosensor of the present invention can be usefully used for DNA chips, RNA chips, protein microarray kits, etc., which require even heating in a small area.
또한, 본 발명의 바이오 센서는 25 내지 400cm2의 면적을 가열하는데, 0.3 내지 5W의 저전력으로 구동될 수 있음을 알 수 있었다(도 8).In addition, it can be seen that the biosensor of the present invention can be driven at a low power of 0.3 to 5W while heating an area of 25 to 400 cm 2 (FIG. 8).
실험예Experimental Example 3 3
상기 실시예 1 및 비교예에서 제조된 바이오 센서의 가열 성능을 비교하였다. The heating performance of the biosensors prepared in Example 1 and Comparative Example was compared.
설정온도를 110℃로 설정하고, 설정온도에 도달하기까지 각각의 바이오 센서의 반응부 가열 상태를 도 9에 도시하였다. The set temperature is set at 110 ° C., and the heating state of the reaction section of each biosensor is shown in FIG. 9 until the set temperature is reached.
그 결과, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 1분 경과 시에 설정온도인 110℃에 도달하여 온도 상승이 단시간에 이루어지며, 설정온도에 도달한 후에는 온도가 더 이상 상승하지 않고 유지되는 것을 확인할 수 있다. As a result, the biosensor according to the embodiment of the present invention reaches a set temperature of 110 ° C in one minute and rises in a short time. After reaching the set temperature, the temperature is maintained without rising any more. You can see that.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 250초 경과 후 전류의 흐름을 차단하였을 때, 탄소나노튜브 박막 가열부의 표면적이 넓어 냉각이 신속하게 이루어짐을 알 수 있었다. In addition, when the biosensor according to the embodiment of the present invention blocks the flow of current after 250 seconds, the surface of the carbon nanotube thin-film heating part is wide, it can be seen that the cooling is performed quickly.
이를 통해 본 발명의 바이오 센서는 별도의 냉각장치를 사용하지 않고도 구동이 가능함을 알 수 있었다.Through this, it can be seen that the biosensor of the present invention can be driven without using a separate cooling device.
이에 반해, 비교예의 Fe 필름을 사용하여 제작한 바이오 센서의 경우, Fe 필름이 가열과정에서 열팽창에 의한 막의 파손이 발생하여 설정온도에 도달하지 못하고 단락되는 현상이 관찰되었다. On the other hand, in the case of the biosensor produced using the Fe film of the comparative example, the phenomenon that the Fe film was damaged due to thermal expansion during the heating process, and the phenomenon of short-circuiting was not achieved until the set temperature was reached.
이러한 결과는 빠른 시간 안에 목표로 하는 온도를 올리는 데 있어서 본 발 명의 탄소나노튜브 박막 가열부를 이용한 바이오 센서가 여타의 바이오 센서에 비해 우수한 열 효율을 가짐을 보여주는 것이다. These results show that the biosensor using the carbon nanotube thin film heater of the present invention has a superior thermal efficiency than other biosensors in increasing the target temperature in a short time.
따라서, 상기 결과를 바탕으로 본 발명의 탄소나노튜브 박막 가열부를 가열수단으로 갖는 바이오 센서는 일정한 시간 안에 정해진 온도를 올리기 위해 필요한 열량이 상대적으로 작아서 에너지 효율 면에서도 매우 유용하다고 할 수 있다. Therefore, the biosensor having the carbon nanotube thin film heating unit of the present invention as a heating means based on the above results can be said to be very useful in terms of energy efficiency since the amount of heat required to raise a predetermined temperature within a predetermined time is relatively small.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention, which also belong to the appended claims. It is natural.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a biosensor in accordance with an embodiment of the present invention.
도 5a는 반응부의 재질을 유리 기판으로 하고, 탄소나노튜브 박막 가열부를 기판상에 부착한 후, 은 전극을 유리 기판의 양 측면에 부착하여 제조된 기판형태의 바이오 센서를 부분 촬영한 사진이다.FIG. 5A is a photograph of a substrate-type biosensor manufactured by attaching a carbon nanotube thin film heating unit to a substrate, and attaching a silver electrode to both sides of the glass substrate.
도 5b는 반응부의 재질을 수정 기판으로 하고, 탄소나노튜브 필름을 기판 상에 부착한 후, 은 전극을 수정 기판의 양 측면에 부착하여 제조된 기판형태의 바이오 센서를 부분 촬영한 사진이다.5B is a photograph of a substrate-type biosensor manufactured by attaching a carbon nanotube film on a substrate using a material of a reaction part, attaching a carbon nanotube film on the substrate, and attaching silver electrodes to both sides of the quartz substrate.
도 6은 탄소나노튜브 박막 가열부의 저항과 투과도의 관계를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the relationship between the resistance and the transmittance of the carbon nanotube thin film heating unit.
도 7a내지 도 7c는 본 발명의 바이오 센서의 반응부를 23℃에서 30℃로 가열한 후 반응부가 균일하게 가열되는지를 촬영한 사진이다. 7A to 7C are photographs of whether the reaction unit is uniformly heated after heating the reaction unit of the biosensor of the present invention from 23 ° C. to 30 ° C.
도 8은 본 발명의 바이오 센서의 반응부의 크기에 따라 소모되는 전력량을 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the amount of power consumed according to the size of the reaction unit of the biosensor of the present invention.
도 9은 본 발명의 탄소나노튜브 박막 가열부를 사용한 바이오 센서와 Fe층을 사용한 바이오 센서의 가열성능을 비교한 그래프이다. 9 is a graph comparing the heating performance of the biosensor using the carbon nanotube thin film heating unit of the present invention and the biosensor using the Fe layer.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100, 200, 300, 400 : 바이오 센서100, 200, 300, 400: Biosensor
110, 210, 310, 410 : 반응부110, 210, 310, 410: reaction part
120, 220, 320, 420 : 탄소나노튜브 박막 가열부120, 220, 320, 420: carbon nanotube thin film heating part
130, 230, 330, 430 : 온도감지센서130, 230, 330, 430: temperature sensor
140, 240 : 제어수단140, 240: control means
150, 250, 350, 450 : 전극 단자150, 250, 350, 450: electrode terminals
160, 260 : 전원160, 260: power
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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