KR101899733B1 - 혈액 내의 타겟 물질 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

혈액 내의 타겟 물질을 검출하기 위한 진단 카트리지가 제공된다. 진단 카트리지는 혈액의 주입구 및 배출구를 연결하는 채널이 형성된 칩, 채널에 인접하는 바이오 센서, 및 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로를 포함하고, 타겟 물질이 바이오 센서와 결합하는 경우, 바이오 센서의 저항이 변화될 수 있다.

Description

혈액 내의 타겟 물질 검출 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING TARGET SUBSTANCE IN BLOOD}
기술 분야는 혈액 내의 타겟 물질을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 바이오 센서를 포함한 진단 카트리지를 이용하여 혈액 내의 타겟 물질을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
간암(liver cancer)은 매년 전 세계적으로 약 100만명의 환자가 발생하고 있으며, 환자들 중 대다수를 사망에 이르게 하는 질병이다. 한국, 일본 및 중국을 비롯한 동남아시아 지역의 간암 환자의 발생률은 다른 국가들에 비해 높다. 간암은 조기에 발견하는 경우에도 생존율이 40%에 불과하고, 환자 1명당 부담하는 비용이 다른 질병에 비해 높다. 이에 따라, 간암을 보다 쉽게 진단하고 의료비용 부담을 낮출 수 있는 진단 방법 및 장치의 개발이 필요하다.
한국공개특허 제10-2009-0078690호(공개일 2009년 07월 20일)에는 비교유전자보합법을 이용한 간암 예후 진단방법 및 진단키트가 공개되어 있다. 공개발명은 (1) 염색체 상의 재현되는 게놈 변화 영역(recurrently altered genomic region; RAR)을 관찰하고 (2) 정의된 RAR-G1 내지 RAR-G14의 획득 및 RAR-L1 내지 RAR-L18로 이루어진 간암 관련 RAR 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 RAR의 발현 변화를 측정함으로써 간암(HCC)의 진단 또는 예후를 판정한다. 공개발명은 RAR 영역 상에서 통계적으로 유의한 암 관련 유전자를 선택하고 그의 발현 변화를 정확히 관찰 및 측정하므로, 간암의 예후 판단 뿐만 아니라 조기 진단 등을 가능하게 한다.
일 실시예는 혈액 내의 타겟 물질을 검출하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예는 바이오 센서를 포함하는 타겟 물질 검출용 진단 카트리지가 제공될 수 있다.
일 측면에 따른, 혈액에 포함된 타겟 물질을 검출하기 위한 진단 카트리지는, 혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 칩(chip), 상기 채널에 인접하는 바이오 센서, 및 상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로를 포함하고, 상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화된다.
상기 바이오 센서는, 미세 채널(fine channel), 상기 미세 채널의 양 단에 위치하고, 상기 회로와 각각 연결된 소스(source) 및 드레인(drain), 및 상기 미세 채널 상에 위치하고, 상기 소스 및 상기 드레인을 연결하는 나노선(nano wire)를 포함할 수 있다.
상기 나노선은, 상기 미세 채널 상에 정렬된 DNA(deoxyribonucleic acid)와 결합된 양전하로 대전된 전도성 나노 입자에 의해 형성될 수 있다.
상기 나노선은, 상기 타겟 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 확인 물질을 포함하고, 상기 확인 물질은 상기 나노 입자의 표면에 고정될 수 있다.
상기 타겟 물질은 항원이고, 상기 확인 물질은 항체이며, 상기 특이적 결합은 항원-항체 반응일 수 있다.
상기 항원은 간암을 진단하기 위해 미리 설정된 항원일 수 있다.
상기 타겟 물질 및 상기 확인 물질이 결합된 경우, 상기의 결합에 의해 상기 나노선의 저항이 변화될 수 있다.
상기의 미세 채널은 복수 개일 수 있다.
상기 진단 카트리지는 상기 혈액을 복수의 채널들로 분리하는 혈액 분리 장치를 더 포함하고, 상기 상판의 채널은 복수 개이고, 상기 혈액 분리 장치와 각각 연결될 수 있다.
상기 미세 채널의 폭(width)은 1 나노미터(nano meter) 내지 10 nm 이하일 수 있다.
상기 배출구는 상기 혈액을 흡수할 수 있는 패드를 포함할 수 있다.
상기 바이오 센서는 상기 칩과 분리 가능할 수 있다.
다른 일 측면에 따른, 혈액에 포함된 타겟 물질을 검출하기 위한 방법은, 상기 혈액이 투입된 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계, 상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계, 및 상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계를 포함한다.
상기 진단 카트리지는, 혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 상판; 상기 상판과 결합하여 상기 채널을 형성하는 칩(chip), 상기 채널에 인접하는 바이오 센서, 및 상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로를 포함하고, 상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화될 수 있다.
상기 진단 카트리지는, 혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 칩(chip), 상기 채널에 인접하는 바이오 센서, 및 상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로를 포함하고, 상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화된다.
상기 나노선은, 상기 미세 채널 상에 정렬된 DNA(deoxyribonucleic acid)와 결합된 양전하로 대전된 전도성 나노 입자에 의해 형성될 수 있다.
상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계는, 상기 바이오 센서의 복수의 나노선들에 의해 발생하는 복수의 전류들을 측정하는 단계, 및 상기 복수의 전류들에 기초하여 상기 전류를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따른, 타겟 물질 검출 어플리케이션은, 데이터 처리 장치에 저장되고, 상기 데이터 처리 장치가, 혈액이 투입된 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계, 상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계, 및 상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계를 실행하도록 상기 데이터 처리 장치를 제어할 수 있다.
또 다른 일 측면에 따른, 혈액에 포함된 타겟 물질을 검출하는 장치는, 혈액에 포함된 타겟 물질을 검출하는 프로그램이 기록된 메모리, 및 상기 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로그램은, 상기 혈액이 투입된 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계, 상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계, 및 상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계를 포함한다.
또 다른 일 측면에 따른, 혈액에 포함된 타겟 물질에 기초하여 질병에 대한 위험도를 계산하는 방법은, 혈액이 투입된 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계, 상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계, 상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계, 및 상기 타겟 물질 및 알고리즘을을 이용하여 상기 질병에 대한 위험도를 계산하는 단계를 포함한다.
또 다른 일 측면에 따른, 혈액에 포함된 타겟 물질에 기초하여 질병에 대한 위험도를 계산하는 장치는, 질병에 대한 위험도를 계산하는 프로그램이 기록된 메모리, 및 상기 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로그램은, 혈액이 투입된 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계, 상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계, 상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계, 및 상기 타겟 물질 및 알고리즘을 이용하여 상기 질병에 대한 위험도를 계산하는 단계를 수행한다.
혈액 내의 타겟 물질을 검출하는 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
바이오 센서를 포함하는 타겟 물질 검출용 진단 카트리지가 제공될 수 있다.
도 1은 및 2는 일 실시예에 따른 진단 카트리지의 구성도이다.
도 3은 일 예에 따른 바이오 센서이다.
도 4는 일 예에 따른 바이오 센서를 생성하는 과정을 도시한다.
도 5는 일 예에 따른 포토레지스트 패턴의 선폭에 따른 타겟 물질의 결합 정확도를 도시한다.
도 6은 일 예에 따른 바이오 센서의 나노선을 구조를 도시한다.
도 7은 일 예에 따른 혈액 분리 장치를 도시한다.
도 8은 일 예에 따른 혈액 분리 장치를 포함하는 진단 카트리지의 구성도이다.
도 9는 다른 일 예에 따른 혈액 분리 장치를 포함하는 진단 카트리지의 구성도이다.
도 10은 일 예에 따른 진단 시스템의 구성도이다.
도 11은 다른 일 예에 따른 진단 시스템의 구성도이다.
도 12는 일 예에 따른 혈액 내의 타겟 물질을 검출하는 방법의 흐름도이다.
도 13은 일 예에 따른 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 14는 일 예에 따른 타겟 물질의 농도에 따른 전류를 도시한다.
도 15는 일 예에 따른 위험도를 출력하는 방법의 흐름도이다.
도 16은 일 예에 따른 위험도를 계산하는 알고리즘을 조정하는 방법의 흐름도이다.
도 17은 일 예에 따른 위험도에 기초하여 의료기기를 제어하는 방법을 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
바이오 센서(bio sensor)란 단백질, 유전자, 호르몬, 바이러스 등 특정한 생체 물질의 존재 여부를 확인하기 위하여, 특정한 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 생체감지 물질을 이용하여 특정한 물질을 검출할 수 있는 센서이다. 바이오 센서는 의료용 진단 분야의 뿐만 아니라 식품의 안정성 조사 및 환경 감시분야 등 다양한 분야에서 유용하게 이용될 수 있다.
나노 크기의 물질들은 독특한 전기적, 광학적 및 기계적 특성과 같은 새로운 물리 화학적 성질을 가지므로 최근 매우 중요한 연구분야로 대두되고 있다. 특히, 나노 크기의 소자는 그 크기가 작아서 표면적/부피 비율이 높기 때문에 소자의 표면에서 발생하는 전기 화학적 반응이 활발해지므로, 다양한 종류의 센서에 이용 가능하다.
일 측면에 따르면, 바이오 센서를 포함하는 진단 카트리지(diagnosis cartridge)가 혈액 내에 포함된 특정한 물질을 검출하기 위해 이용될 수 있다. 검출하고자 하는 특정한 물질은 타겟(target) 물질로 명명된다. 사용자가 혈액을 채취하여 진단 카트리지에 삽입하는 경우, 타겟 물질은 진단 카트리지 내의 바이오 센서와 서로 특이적으로 결합한다. 상기의 결합에 의하여 바이오 센서의 전기적 성질이 변화할 수 있다. 사용자는 변화된 전기적 성질을 계측함으로써 혈액 내의 타겟 물질을 검출할 수 있다. 나아가, 사용자는 전기적 성질의 변화량에 기초하여 타겟 물질의 농도도 계산할 수 있다.
예를 들어, 타겟 물질은 간암을 진단하기 위해 미리 설정된 물질일 수 있다. 타겟 물질은 간암을 유발하는 원인 물질 또는 간암에 의해 발생하는 물질일 수 있으며, 항원일 수 있다. 타겟 물질은 혈장 내 간암 표지인자 또는 간암 유래 혈류암 세포일 수 있다.
상기의 타겟 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 물질이 바이오 센서에 포함될 수 있다. 바이오 센서에 포함되는 물질은 확인 물질로 정의되며, 항체일 수 있다.
아래에서 도 1 내지 도 17을 참조하여 타겟 물질을 검출하기 위한 방법 및 진단 카트리지가 상세하게 설명된다.
도 1은 및 2는 일 실시예에 따른 진단 카트리지의 구성도이다.
일 측면에 따른, 진단 카트리지(100)는 칩(110), 바이오 센서(120) 및 상판(130)을 포함한다.
칩(110)은 바이오 센서(120)에 전원을 공급하는 회로(111 및 112)를 포함한다. 회로(111)가 칩(110)의 외부로 나타나는 것으로 도시되었으나, 회로(111)는 칩(110)의 내부에 형성될 수 있다. 회로(111) 및 회로(112)는 서로 연결되어 있고, 회로(112)는 외부의 장치로부터 전원을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 회로(112)는 USB (Universal Serial Bus) 또는 스마트폰의 커넥터 등과 같은 형태로 구현될 수 있다. 칩(110)은 유리 또는 플라스틱과 같은 소재를 이용하여 제작될 수 있다.
상판(130)은 혈액의 주입구(inlet)(131) 및 배출구(outlet)(132)를 연결하는 채널(channel)(133)을 포함할 수 있다. 채널(133)은 상판(130)의 하부에 형성될 수 있다. 상판(130) 및 칩(110)이 결합하는 경우, 채널(133)은 상판(130) 및 칩(110) 사이에 형성될 수 있다. 주입구(131)를 통해 주입된 혈액은 채널(133)을 통해 바이오 센서(120)를 통과하고, 바이오 센서(120)를 통과한 혈액은 배출구(132)로 배출될 수 있다. 상판(130)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloane: PDMS) 또는 플라스틱으로 생성될 수 있다. 상판(130)은 사출형으로 제작될 수 있다.
바이오 센서(120)는 채널(133)에 인접한다. 채널(133)에 흐르는 혈액이 바이오 센서(120)와 직접적으로 접촉할 수 있도록 채널(133) 및 바이오 센서(120)의 구조가 설계될 수 있다. 바이오 센서(120)는 칩(110)과 물리적으로 분리될 수 있다. 칩(110) 및 상판(130)이 결합하는 경우, 혈액은 채널(133)을 통해서만 흐르고, 칩(110) 및 상판(130) 사이로 누수되지 않는다. 또한, 혈액은 바이오 센서(120) 및 칩(110) 사이로 누수되지 않는다.
채널(133)의 표면은 혈액이 잘 흐를 수 있도록 친수성 물질로 코팅되어 있을 수 있다. 채널(133)의 폭은 500μm(micro meter) 이상일 수 있다.
배출구(132)는 혈액을 흡수할 수 있는 흡습성 패드를 포함할 수 있다. 혈액이 흡습성 패드를 통해 흡수되는 경우, 채널(133) 내에 혈액이 머물지 않고, 채널(133)을 통해 이동한다.
도 2는 진단 진단 카트리지(100)의 단면을 도시한다. 채널(133)은 칩(110) 및 바이오 센서(120) 상에 형성되고, 혈액은 채널(133)을 통해 주입구(131)로부터 배출구(132)로 흐른다.
아래에서 도 3 내지 6을 참조하여 바이오 센서(120)의 구조 및 생성 과정에 대해 상세히 설명된다.
도 3은 일 예에 따른 바이오 센서이다.
일 측면에 따르면, 바이오 센서(300)는 트랜지스터일 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서(300)는 도 1 및 2를 참조하여 전술된 바이오 센서(120)일 수 있다. 바이오 센서(300)는 게이트(gate), 소스(source) 및 드레인(drain)을 포함하는 회로를 포함한다. 바이오 센서(300)는 복수의 소스들 및 복수의 드레인들을 포함한다. 복수의 소스들 및 복수의 드레인들 각각은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 예를 들어, 소스 및 드레인은 나노선(nano wire)을 통해 연결되어 있다. 나노선은 나노 스케일(nano scale)의 연결선이다.
바이오 센서(300)가 칩(110)과 결합하는 경우, 바이오 센서(300)의 소스 및 드레인은 칩(110)의 회로(111)와 각각 연결될 수 있다.
확대도(310)는 소스(311), 나노선(313) 및 드레인(312)의 연결관계를 상세히 나타낸다. 나노선(313)에 타겟 물질이 결합하는 경우, 타겟 물질에 의해 나노선(313)의 저항(resistance) 값이 변화한다. 저항 값이 변화함으로써 소스(311) 및 드레인(312) 간에 흐르는 전류의 크기가 변화한다. 변화하는 전류의 크기에 기초하여 타겟 물질을 검출할 수 있다.
아래에서 도 4를 참조하여 바이오 센서(300)에 나노선(313)을 생성하는 과정을 도시한다.
도 4는 일 예에 따른 바이오 센서를 생성하는 과정을 도시한다.
단계(410)는 포토레지스트 층 형성 단계이다. 기판 상에 포토레지스트 패턴이 형성된다. 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법은 UV 리소그래피, X선 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 이온빔 리소그래피 등이 이용될 수 있다.
기판은 실리콘(Si) 웨이퍼 및 산화실리콘(SiO2)가 증착된 웨이퍼, 유리 기판 및 투명 전도성 산화막이 코팅된 유리 기판, 폴리머 등 유연한(flexible) 유기기판, 및 금속일 수 있다.
단계(420)는 포토레지스트 패턴의 폭이 나노 단위로 제어된다. 예를 들어, 플라즈마 다운 스트림 방식의 애싱 공정을 이용하여 포토레지스트 패턴의 폭이 나노 단위로 제어된다. 포토레지스트 패턴의 선폭은 1nm 내지 10nm(nano meter)의 나노 단위로 조절된다. 포토레지스트 패턴의 선폭에 따른 타겟 물질의 검출 효과가 도 5를 참조하여 상세히 설명된다.
포토레지스트 패턴의 선폭 조절은 플라즈마 다운 스트림 방식의 애싱 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 플라즈마를 이용한 애싱은 플라즈마 발생 장치를 이용하여 포토레지스트 패턴이 식각되는 방식이고, 플라즈마 장치에 오랜 시간 노출될수록 포토레지스트 패턴의 선폭이 좁아진다. 포토레지스트 패턴의 선폭이 좁아지다가 끊어지지 않도록 플라즈마를 이용한 애싱 공정은 초기 18 ~ 25nm의 선 폭을 기준으로 3 ~ 6분간 진행될 수 있다. 초기 선 폭에 따라 노출 시간이 변경될 수 있다.
단계(430)는 나노 물질 흡착 방지제를 코팅하는 단계이다. 포토레지스트 층이 형성된 기판 중 포토레지스트 패턴이 형성되지 않은 영역에 나노 물질 흡착 방지제가 코팅된다. 여기서, 나노 물질이란 DNA(deoxyribonucleic acid) 및 DNA를 포함하는 물질을 의미한다. DNA를 포함하는 물질은 DNA를 포함하는 용액 및 분산액일 수 있다.
나노 물질 흡착 방지제는 포토레지스트 패턴이 형성되지 않은 기판 상의 영역에 DNA 및 DNA를 포함하는 물질이 흡착되지 않도록 도포 및 코팅되는 조성물이고, 구체적인 예로는 OTS(octadecyltrichlorosilane) 또는 DLC(diamond like carbon)가 이용될 수 있고, 기재된 실시예에 한정되지 않는다. OTS는 액상코팅 방법으로 도포될 수 있고, DLC는 메탄과 수소 가스를 이용한 RF(radio frequency) 플라즈마 강화 화학 기상법(PECVD)을 이용하여 도포될 수 있다.
단계(440)는 나노 물질 흡착제를 코팅하는 단계이다. 기판 상의 포토레지스트 패턴이 제거되고, 포토레지스트 패턴이 제거된 영역에 양전하로 대전된 나노 물질 흡착제가 코팅된다. 포토레지스트 패턴이 제거된 영역은 미세 채널(fine channel)로 명명될 수 있다. 나노 물질 흡착제로는 양전하로 대전된 APS (amino propyltriethoxy silane)가 이용될 수 있다. 양전하(positive electric charge)로 대전된 APS는 후술될 단계(450)에서 음전하를 갖는 DNA를 포함하는 나노 물질과 정전기적 인력에 의한 결합을 이룬다.
단계(450)는 나노선을 생성하는 단계이다. 나노선을 생성하기 위해, 나노 물질 흡착제가 코팅된 기판 상에 음전하(negative electric charge)를 갖는 DNA를 포함하는 나노 물질이 고정된다. 음전하를 갖는 나노 물질은 단계(440)에서 코팅된 양전하로 대전된 APS와 정전기적 인력에 의해 결합할 수 있다.
나노 물질을 기판 상의 나노 물질 흡착제가 코팅된 위치에 선택적으로 위치시키거나, 특정한 방향으로 정렬시키기 위하여, 나노 물질 흡착제가 코팅된 기판을 비스듬하게 하여 나노 물질을 포함하는 용액을 흘려 나노 물질을 고정하거나, 나노 물질 흡착제가 코팅된 기판을 나노 물질을 포함하는 용액에 담갔다가 특정 방향으로 당겨 나노 물질을 포함하는 용액이 일정한 흐름을 갖도록 함으로써 나노 물질이 고정될 수 있다. 나노 물질 흡착제가 도포된 영역 이외에 흡착된 나노 물질을 기판 상에서 제거하기 위해 기판이 세척될 수 있다.
나노 물질에 양전하로 대전된 전도성 나노 입자를 결합시킴으로써 자발적으로 양전하를 갖는 전도성 나노선이 형성될 수 있다. 즉, 나노선은 미세 채널 상에 정렬된 DNA와 결합된 양전하로 대전된 전도성 나노 입자에 의해 형성될 수 있다. 전도성 나노 입자는 금속, 반도체, 자성, 폴리머 입자 및 이들의 조합으로 이루어지는 입자 이다. 예를 들어, 전도성 나도 입자는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 및 티타늄(Ti)을 포함할 수 있고, 기재된 실시에로 한정하지 않는다. 나노선이 전도성 나노 입자들로 구성되므로, 나노선을 통해 전류가 흐를 수 있다.
일 측면에 따르면, 전도성 나노 입자로 금 나노 입자(AuNP)가 사용될 수 있다. 금 나노 입자는 표면에 다양한 유기 분자들과 강한 결합을 형성할 수 있으며, 생체 물질(올리고 뉴클레오티드 및 단백질 등)이 원래의 구조를 유지할 수 있는 높은 생리적인 염 농도에서도 안정한 결합 상태를 유지할 수 있다.
전도성 나노 입자의 크기는 1nm 내지 50nm일 수 있고, 상기의 크기 범위에서 전도성 나노 입자는 단백질 검출 수용체와의 결합성이 우수하고, 고감도의 센싱이 가능하다. 전도성 나노 입자는 양전하로 대전된 것을 이용하므로, 음전하를 갖는 나노 물질과 정전기적 인력에 의한 결합이 가능하다.
양전하로 대전된 전도성 나노 입자는 아민기에 의해서 자발적으로 기능화될 수 있다. 양전하로 대전된 전도성 나노 입자는 아민기를 통해 확인 물질과의 친화도 및 정전기적 인력을 향상시킬 수 있다. 아민기의 표면 도입을 위해 아민기를 포함하는 용액에 기판을 침지하거나, 용액을 코팅하는 액상 코팅법을 이용하거나, 질소(N2) 플라즈마 처리를 통해 수행될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
아민기를 포함하는 화합물이 한정되지는 않지만, 보다 바람직하게는, 아민기를 함유하는 실란 커플링제, 티올기와 아민기를 갖는 화합물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 아민기를 함유하는 실란 커플링제는, 3-아미노프로필메틸디에톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-(2-아미노에틸)아미노프로필트리메톡시실란, 3-아닐리노프로필트리메톡시실란, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란 및 이들의 조합으로 이루어지는 어느 하나 이상을 포함하는 화합물일 수 있고, 기재된 실시예로 한정되지 않는다.
예를 들어, 티올기와 아민기를 갖는 화합물은, 2-아미노에탄티올하이드로클로라이드, 4-아미노티올페놀, 6-아미노-1-헥산티올하이드로클로라이드 및 이들의 조합으로 이루어지는 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는 화합물일 수 있고, 기재된 실시예로 한정되지 않는다.
아민기를 포함하는 화합물은 용매에 혼합되어 용액의 형태로 전도성 나노 입자와 반응할 수 있으며, 전도성 나노 입자를 아민기를 포함하는 용액에서 소정 온도(20 내지 150 ℃), 소정 시간(2시간 내지 48시간) 동안 침지 및 반응시킬 수 있다.
상기의 방법을 통해 전도성 나노 입자의 표면에 자발적으로 자기 조립 단분자막(Self Assembled Monolayer: SAM)이 형성되어 확인 물질과의 친화도 및 정전기적 인력을 향상시킬 수 있게 된다.
확인 물질을 포함하는 용액을 미리 정해신 시간 동안 전도성 나노선에 가함으로써 확인 물질을 나노선에 고정할 수 있다. 예를 들어, 확인 물질은 단백질 검출 수용체일 수 있다. 확인 물질로서 비오틴(biotin-N-hydroxysuccinimide ester)을 전도성 나노선의 표면에 고정시키기 위해, 전도성 나노선 표면을 10 ~ 20mM 비오틴 용액에 10 ~ 30분 동안 반응시키고, DMF(N, N-Dimethylformamide) 완충 용액과 증류수(D.I. Water)에 각각 2분 이내로 적용하는 경우 비오틴이 나노선의 표면에 고정될 수 있다. 즉, 나노선은 타겟 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 확인 물질을 포함한다. 확인 물질은 나노 입자의 표면에 고정된다.
확인 물질은 타겟 물질(표적 물질)과 특이적으로 결합할 수 있는 물질로서, 상기의 결합에 의해 발생하는 효과를 통해 타겟 표적 물질을 검출할 수 있다. 특이적 결합은 항원-항체 반응일 수 있다.
확인 물질은 질병의 진단 및 예방을 위해 항원, 항체, 효소, 펩타이드, 및 폴리펩타이드 등의 단백질일 수 있다. 예를 들어, 보다 상세하게는, 비오틴, ANTI-AFP(α-fetoprotein), ANTI-PIVKA(Protein Induced by Vitamin K absense)-Ⅱ 중 어느 하나 이상일 수 있다. 확인 물질은 단백질뿐만 아니라, PNA(peptide nucleic acid), LNA (locked nucleic acid) 및 RNA 등이 검출 수용체로 이용될 수 있다.
타겟 물질은 상기의 확인 물질과 특이적인 결합 및 반응을 하는 것이라면 한정하지 않으며, 타겟 물질은 항원, 항체, 효소, 펩타이드, 및 폴리펩타이드 등의 단백질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비오틴, ANTI-AFP(α-fetoprotein), ANTI-PIVKA(Protein Induced by Vitamin K absense)-Ⅱ이 확인 물질로 이용되는 경우, 확인 물질과 특이적인 결합을 하는 스트렙타이비딘, AFP, PIVKA-Ⅱ이 타겟 물질이 될 수 있다. 타겟 물질 단백질 이외에 확인 물질과 특이적 결합을 하는 것이라면 기재된 실시예로 한정하지 않으며, PNA, LNA, RNA, DNA, 박테리아 및 바이러스 등을 포함할 수 있다.
타겟 물질은 상술된 것 이외에, 아비딘(avidin), 뉴트라비딘(neutravidin), 렉틴(lectin), 셀렉틴(selectin), 프로테인 A, 프로테인 G, 압타머(aptamer), 종양마커(tumor marker), 형광분자(Cy5, Cy3, FAM, 또는 FITC) 및 이들의 조합으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
단계(460)는 생성된 전도성 나노선과 전기적으로 접촉하는 소스 전극과 소스 전극과 이격되어 배치되는 드레인 전극을 생성하는 단계이다. 소스 전극 및 드레인 전극은 나노선을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 소스 및 드레인은 미세 채널의 양 단에 위치한다.
기판과 전극 사이에 전기적인 격리를 위한 절연층이 추가로 포함될 수 있는데, 절연층은 기판 위에 배치되고, 절연층은 소스 전극, 드레인 전극, 및 전도성 나노선의 아래에 위치한다. 기판으로서 비전도성 기판이 사용되는 경우에는 절연층이 생략될 수 있다.
절연층은 SiO2, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, HfO2, TiO2 등을 포함하는 다양한 종류의 산화막과, SiON, Si3N4등을 포함하는 다양한 종류의 질화막 또는 HfSiON, HfSiOx 등을 포함하는 다양한 종류의 Hf 계열의 절연막 등이 사용될 수 있고, 개시된 실시예로 한정되지 않는다.
단계(460)는 전술된 단계(450)가 수행된 후에, 수행되는 것으로 도시되었으나, 실시예에 따라, 단계(460)가 단계(450)보다 먼저 수행될 수 있다.
도 5는 일 예에 따른 포토레지스트 패턴의 선폭에 따른 타겟 물질의 결합 정확도를 도시한다.
포토레지스트 패턴의 선폭이 1nm 미만인 경우, DNA가 흡착되기 위한 공간이 확보되지 않을 수 있다. 상기의 공간이 확보되지 못하는 경우, 나노선을 생성할 수 없으므로 바이오 센서를 제작할 수 없다.
포토레지스트 패턴의 선폭이 10nm를 초과하는 경우, 나노선 제조 과정에서 확인 물질(예를 들어, 비오틴)이 나노선의 표면에 결합되어야 하는데, 나노 물질 흡착제의 폭이 확인 물질의 크기보다 상대적으로 넓으므로 확인 물질이 나노선의 표면에 결합되지 않고, 나노선이 형성되지 않은 나노 물질 흡착제의 도포 부위에 결합될 수 있다. 나노 물질 흡착제의 도포 부위에 결합된 확인 물질과 타겟 물질(예를 들어, 스트렙타아비딘)이 결합할 수 있으므로, 타겟 물질의 검출 정확도가 낮아질 수 있다.
포토레지스트 패턴의 선폭이 1nm 내지 10nm 이하인 경우에는, 나노선이 형성된 부분에만 확인 물질이 결합하게 되고, 상기의 확인 물질에만 타겟 물질이 결합할 수 있으므로, 타겟 물질이 정확하게 검출될 수 있다.
도 6은 일 예에 따른 바이오 센서의 나노선을 구조를 도시한다.
나노선(650)는 전술된 단계들(410 내지 460)을 통해 생성된다. 기판(610) 상에 양전하로 대전된 나노 물질 흡착제(620)가 도포된다. 예를 들어, 나노 물질 흡착제(620)는 APS (amino propyltriethoxy silane)일 수 있다.
나노 물질 흡착제(620)와 음전하를 갖는 DNA를 포함하는 나노 물질(630)이 정전기적 인력을 통해 결합할 수 있다.
나노 물질(630)과 양전하로 대전된 전도성 나노 입자(640)는 정전기적 인력을 통해 결합할 수 있다. 나노선(650)은 양전하로 대전된 전도성 나노 입자(640)들로 구성될 수 있다. 확인 물질(예를 들어, 비오틴)을 결합시키기 위해, 전도성 나노 입자(640)들의 표면이 아민기를 통해 기능화될 수 있다. 아민기를 통해 나노선(650)에 결합된 확인 물질이 타겟 물질을 검출하기 위해 이용될 수 있다.
나노선(650)의 양 단에 소스(660) 및 드레인(670)이 각각 생성될 수 있다.
도 7은 일 예에 따른 혈액 분리 장치를 도시한다.
일 측면에 따르면, 혈액 분리 장치(700)는 입구(710), 분리부(720), 필터부(730), 제1 출구(740) 및 제2 출구(750)를 포함한다. 예를 들어, 혈액 분리 장치(700)는 독립적인 장치의 형태로 제작될 수 있다. 다른 예로, 혈액 분리 장치(700)는 도 1 내지 2를 참조하여 전술된 상판(130)에 포함되도록 제작될 수 있다. 즉, 혈액 분리 장치(700)가 상판(130) 내에 형성될 수 있다.
도 1 및 2를 참조하여 전술된 바이오 센서(120)로 혈액이 공급되기 전에, 혈액 분리 장치(700)는 혈액을 전-처리(pre-processing)할 수 있다.
입구(710)는 상판(130)의 주입구(131)와 연결된다. 혈액에는 다양한 크기의 물질들이 포함되어 있고, 물질들은 서로 엉겨있을 수 있다. 혈액이 분리부(720)를 통과하는 경우, 엉겨있던 물질들이 서로 분리될 수 있다. 예를 들어, 원심력, 구심력, 무게 차이 및 크기 차이에 의해 엉겨있던 물질들이 서로 분리될 수 있다.
분리부(720)의 통로는 선으로 도시되었으나, 통로의 단면은 사다리꼴의 형태일 수 있다. 예를 들어, 분리부(720)는 통로의 안쪽의 높이보다 바깥쪽의 높이가 더 높을 수 있다. 유체동역학에 따르면, 혈액이 분리부(720)를 통과한 후 필터부(730)의 부근에서는 크기가 큰 물질이 통로의 안쪽으로 모이고, 크기가 작은 물질이 통로의 바깥쪽으로 모일 수 있다.
필터부(730)는 분리된 물질들을 크기에 따라 복수의 경로들로 나눌 수 있다. 예를 들어, 필터부(730)는 각각의 크기를 갖는 복수의 필터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터부(730)는 혈액을 혈장 및 혈구로 분리할 수 있다.
분리된 혈장은 제1 출구(740)로 진행할 수 있다. 제1 출구(740)는 채널(133)과 연결되고, 혈장은 바이오 센서(120)를 통과할 수 있다. 바이오 센서(120)는 혈장에 포함된 물질들 중 타겟 물질과 결합할 수 있다.
분리된 혈구는 제2 출구(750)로 진행할 수 있다. 예를 들어, 제2 출구(750)는 배출구(132)와 연결될 수 있다. 즉, 분리된 혈구는 처리되지 않고, 배툴될 수 있다. 다른 예로, 제2 출구(750)는 채널(133)과 다른, 제2 채널과 연결될 수 있다. 제2 채널에는 제2 바이오 센서가 연결되어 있을 수 있다. 제2 바이오 센서는 혈구 내의 제2 타겟 물질을 검출하기 위한 센서일 수 있다.
혈액 분리 장치(700)는 제1 출구(740) 및 제2 출구(750)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 목적에 따라 복수의 경로들로 혈액을 필터링할 수 있고, 분리된 혈액을 복수의 출구들로 배출할 수 있다.
도 8은 일 예에 따른 혈액 분리 장치를 포함하는 진단 카트리지의 구성도이다.
사용자는 진단 카트리지(800)의 주입구(815)에 혈액을 투입한다. 혈액은 주입구(815)와 연결된 혈액 분리 장치(820)로 진행한다. 엉겨있던 혈액이 분리부(820)를 통해 서로 분리되고, 분리된 혈액은 필터부(812)를 통해 복수의 채널들(830, 840, 850)로 나뉠 수 있다.
제1 채널(830)을 통해 진행하는 제1 혈액은 제1 바이오 센서(860)를 통과하고, 제1 바이오 센서(860)는 제1 혈액 내에 포함된 제1 타겟 물질과 결합한다.
제2 채널(840)을 통해 진행하는 제2 혈액은 제2 바이오 센서(870)를 통과하고, 제2 바이오 센서(870)는 제2 혈액 내에 포함된 제2 타겟 물질과 결합한다.
제3 채널(850)을 통해 진행하는 제3 혈액은 배출구(855)로 진행한다.
도 9는 다른 일 예에 따른 혈액 분리 장치를 포함하는 진단 카트리지의 구성도이다.
사용자는 진단 카트리지(900)의 주입구에 혈액을 투입한다. 혈액은 주입구와 연결된 혈액 분리 장치(920)로 진행한다. 엉겨있던 혈액이 분리부(920)를 통해 서로 분리되고, 분리된 혈액은 필터부를 통해 복수의 채널들(930, 940)로 나뉠 수 있다.
제1 채널(930)을 통해 진행하는 제1 혈액은 제1 바이오 센서(950) 및 제2 바이오 센서(960)를 차례로 통과하고, 제1 바이오 센서(950)는 제1 혈액 내에 포함된 제1 타겟 물질과 결합하고, 제2 바이오 센서(960)는 제1 혈액 내에 포함된 제2 타겟 물질과 결합한다. 예를 들어, 제1 타겟 물질은 AFP이고, 제2 타겟 물징은 PIVKA-Ⅱ일 수 있다.
제2 채널(840)을 통해 진행하는 제2 혈액은 배출구로 진행한다.
도 10은 일 예에 따른 진단 시스템의 구성도이다.
진단 시스템(1000)은 진단 장치(1020) 및 진단 카트리지(1010)를 포함한다. 예를 들어, 진단 카트리지(1010)는 도 1, 2, 8 및 9를 참조하여 전술된 진단 카트리지(100, 800, 900)일 수 있다.
사용자는 혈액이 포함된 진단 카트리지(1010)를 진단 장치(1020)에 연결할 수 있다. 사용자는 진단 카트리지(1010)의 커넥터를 이용하여 진단 카트리지(1010) 및 진단 장치(1020)에 연결할 수 있다. 진단 장치(1020)는 커넥터를 통해 전압을 진단 카트리지(1010)로 공급할 수 있다.
일 측면에 따르면, 진단 장치(1020)는 진단 카트리지(1020)를 이용하여 혈액 내의 타겟 물질을 검출하기 위한 전용 장치일 수 있다. 진단 장치(1020)는 타겟 물질 검출 장치일 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 진단 장치(1020)는 범용적으로 이용되는 데이터 처리 장치일 수 있고, 데이터 처리 장치는 장치에 저장된 어플리케이션을 이용하여 혈액 내의 타겟 물질을 검출할 수 있다. 데이터 처리 장치는 모바일 장치일 수 있다. 예를 들어, 모바일 처리 장치에 저장된 어플리케이션은 타겟 물질 검출 어플리케이션일 수 있다.
진단 장치(1020)는 통신부, 프로세서 및 메모리를 포함한다.
통신부는 프로세서 및 메모리와 연결되어 데이터를 송수신한다. 통신부는 외부의 다른 장치와 연결되어 데이터를 송수신할 수 있다. 이하에서 "A"를 송수신한다라는 표현은 "A를 나타내는 정보(information) 또는 데이터"를 송수신하는 것을 나타낼 수 있다.
통신부는 진단 장치(1020) 내의 회로망(circuitry)으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 통신부는 내부 버스(internal bus) 및 외부 버스(external bus)를 포함할 수 있다. 다른 예로, 통신부는 진단 장치(1020)와 외부의 장치를 연결하는 요소일 수 있다. 통신부는 인터페이스(interface)일 수 있다. 통신부는 외부의 장치로부터 데이터를 수신하여, 프로세서 및 메모리에 데이터를 전송할 수 있다.
프로세서는 통신부가 수신한 데이터 및 메모리에 저장된 데이터를 처리한다. "프로세서"는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.
프로세서는 메모리에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서에 의해 유발된 인스트럭션들을 실행한다.
메모리는 통신부가 수신한 데이터 및 프로세서가 처리한 데이터를 저장한다. 예를 들어, 메모리는 프로그램을 저장할 수 있다. 저장되는 프로그램은 혈액 내의 타겟 물질을 검출할 수 있도록 코딩되어 프로세서에 의해 실행 가능한 신텍스(syntax)들의 집합일 수 있다.
일 측면에 따르면, 메모리는 하나 이상의 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 및 RAM(Random Access Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 드라이브 및 광학 디스크 드라이브를 포함할 수 있다.
메모리는 진단 장치(1020)를 동작 시키는 명령어 세트(예를 들어, 소프트웨어)를 저장한다. 진단 장치(1020)를 동작 시키는 명령어 세트는 프로세서)에 의해 실행된다.
통신부, 프로세서 및 메모리에 대해, 아래에서 도 12 내지 도 16을 참조하여 상세히 설명된다.
도 11은 다른 일 예에 따른 진단 시스템의 구성도이다.
진단 시스템은 진단 장치(1110) 및 진단 카트리지(1120)를 포함한다. 예를 들어, 진단 카트리지(1110)는 도 1, 2, 8 및 9를 참조하여 전술된 진단 카트리지(100, 800, 900)일 수 있다. 사용자는 혈액이 포함된 진단 카트리지(1120)를 진단 장치(1110)에 연결할 수 있다. 사용자는 진단 카트리지(1120)의 커넥터를 이용하여 진단 카트리지(1120) 및 진단 장치(1110)에 연결할 수 있다. 진단 장치(1110)는 커넥터를 통해 전압을 진단 카트리지(1120)로 공급할 수 있다.
일 측면에 따르면, 진단 장치(1110)는 진단 카트리지(1120)를 이용하여 혈액 내의 타겟 물질을 검출하기 위한 전용 장치일 수 있다. 진단 장치(1110)는 검출된 결과를 사용자가 알 수 있게 디스플레이(1112)를 통해 출력할 수 있다. 진단 장치(1110)는 검출된 결과를 사용자 단말(1130)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 진단 장치(1110) 및 사용자 단말(1130)은 근거리 무선 통신을 이용하여 데이터를 교환할 수 있다.
사용자 단말(1130)은 셀룰러 통신을 이용하여 외부의 서버와 접속할 수 있다. 예를 들어, 외부의 서버는 데이터 서버 또는 병원의 서버일 수 있다. 서버는 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 서버는 사용자 별로 복수의 데이터를 저장할 수 있다.
도 12는 일 예에 따른 혈액 내의 타겟 물질을 검출하는 방법의 흐름도이다.
아래의 단계들(1210 내지 1230)은 도 10 및 11을 참조하여 전술된 진단 장치(1020, 1110)에 의해 수행될 수 있다.
단계(1210)에서, 프로세서는 혈액이 투입된 진단 카트리지(1010, 1120)에 전원을 공급한다. 예를 들어, 프로세서는 커넥터를 통해 진단 카트리지(1010, 1120)에 전원을 공급할 수 있다. 상기의 전원을 통해 진단 카트리지(1010, 1120)의 소스 전극에 전원이 공급될 수 있다.
단계(1220)에서, 프로세서는 전원에 의해 발생하는 전류를 측정한다. 소스 전극에 전원이 공급된 경우, 나노선을 통해 소스 전극 및 드레인 전극 간에 전류가 흐를 수 있다. 전류를 측정하는 방법에 대해, 아래에서 도 13을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(1230)에서, 프로세서는 측정된 전류에 기초하여 혈액에 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 타겟 물질을 검출한다. 예를 들어, 측정된 전류 값이 미리 설정된 전류 값에 대응하는 경우, 타겟 물질을 검출한다.
도 13은 일 예에 따른 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 12를 참조하여 전술된 단계(1220)는 아래의 단계들(1310 및 1320)을 포함한다.
단계(1310)에서, 프로세서는 바이오 센서의 복수의 나노선들에 의해 발생하는 복수의 전류들을 측정한다. 바이오 센서는 복수의 소스들 및 복수의 드레인들을 포함하고, 소스 및 드레인을 각각 연결하는 나노선을 포함할 수 있다. 프로세서는 각각의 나노선에 흐르는 전류 값을 측정할 수 있다.
단계(1320)에서, 프로세서는 복수의 전류 값들에 기초하여 최종적인 전류 값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 복수의 전류 값들의 평균이 최종적인 전류 값으로 계산될 수 있다. 다른 예로, 복수의 전류 값들 중 적어도 하나의 값을 제외하고, 나머지 전류 값들을 이용하여 최종적인 전류 값으로 계산할 수 있다.
도 14는 일 예에 따른 타겟 물질의 농도에 따른 전류를 도시한다.
바이오 센서에 확인 물질로 비오틴을 결합시키고, 타겟 물질로서 농도가 서로 다른 0pM(pico mole), 1fM(femto mole), 0.1fM, 10pM 스트렙타아비딘 시료를 바이오 센서에 가하였다.
그 결과, 비오틴과 스트렙타아비딘의 결합에 의해서 나노선의 저항 값이 변화하였고, 그로 인하여 나노선에 흐르는 전류 값이 변화함으로 확인할 수 있었다.
도 15는 일 예에 따른 위험도를 출력하는 방법의 흐름도이다.
아래의 단계들(1510 및 1520)은 도 10 및 11을 참조하여 전술된 진단 장치(1020, 1110)에 의해 수행될 수 있다. 단계들(1510 및 1520)은 도 12를 참조하여 전술된 단계(1230)가 수행된 후, 수행될 수 있다.
단계(1510)에서, 진단 장치의 프로세서는 검출된 타겟 물질에 기초하여 위험도를 계산한다. 예를 들어, 진단 장치는 타겟 물질의 농도에 기초하여 위험도를 계산할 수 있다. 진단 장치는 알고리즘을 이용하여 타겟 물질에 대한 위험도를 계산할 수 있다. 알고리즘은 진단 장치에 미리 저장될 수 있고, 사용자에 대해 조정 또는 훈련될 수 있다. 알고리즘이 조정되는 방법에 대해, 아래에서 도 16을 참조하여 상세히 설명된다.
진단 장치가 알고리즘을 이용하여 질병의 위험도를 계산하는 경우, 진단 장치는 빌병 위험도 계산 장치로 명명될 수 있다.
단계(1520)에서, 프로세서는 위험도를 출력한다. 예를 들어, 프로세서는 사용자에 대한 위험도 히스토리를 생성하고, 히스토리를 진단 장치의 디스플레이를 이용하여 출력할 수 있다. 또 다른 예로, 프로세서는 계산한 위험도를 외부의 서버로 전송함으로써 출력할 수 있다.
도 16은 일 예에 따른 위험도를 계산하는 알고리즘을 조정하는 방법의 흐름도이다.
아래의 단계들(1610 및 1620)은 도 10 및 11을 참조하여 전술된 진단 장치(1020, 1110)에 의해 수행될 수 있다. 단계들(1610 및 1620)은 도 12를 참조하여 전술된 단계(1230)가 수행된 후, 수행될 수 있다.
단계(1610)에서, 진단 장치의 통신부는 외부 피드백을 수신한다. 예를 들어, 통신부는 진단 장치의 사용자 인터페이스를 이용하여 외부 피드백을 수신한다. 외부 피드백은 사용자의 유전 특징, 사용자의 식생활 및 사용자의 개인 유전자 특징 등을 포함할 수 있다.
단계(1620)에서, 진단 장치의 프로세서는 외부 피드백에 기초하여 위험도를 계산하는 알고리즘을 조정 또는 갱신한다. 예를 들어, 특정 질병에 대해 사용자 가족력이 있는 경우 위험도가 상대적으로 높게 계산되도록 알고리즘을 조정할 수 있다.
도 17은 일 예에 따른 위험도에 기초하여 의료기기를 제어하는 방법을 도시한다.
사용자(1710)는 특정 질병을 치료하기 위해 의료기기(1740)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 의료기기(1740)는 사용자에게 약물을 투여하는 장치일 수 있다. 다른 예로, 의료기기(1740)는 사용자(1710)에게 전기적 신호를 제공하는 장치일 수 있다.
사용자(1710)는 진단 카트리지(1720)에 혈액을 투입한다. 진단 장치(1730)는 진단 카트리지(1720)를 사용하여 특정 질병에 대한 위험도를 계산한다. 진단 장치(1730)는 계산된 위험도에 기초하여 의료기기(1740)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 위험도가 감소한 경우 의료기기(1740)가 투여하는 약물 또는 전기적 신호가 감소하도록 의료기기(1740)가 제어될 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
　이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
100: 진단 카트리지
110: 칩
120: 바이오 센서
130: 혈액 수용부

Claims (22)

  1. 혈액에 포함된 간암 진단용 타겟 물질을 검출하기 위한 간암 진단 카트리지(diagnosis cartridge)는,
    혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 상판;
    상기 상판과 결합하여 상기 채널을 형성하는 칩(chip);
    상기 혈액을 복수의 채널들로 분리하는 혈액 분리 장치;
    상기 복수의 채널들 중 어느 하나의 채널 내에 위치하고, 상기 채널을 통과하는 혈액 내의 상기 타겟 물질과 결합하는 바이오 센서; 및
    상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로
    를 포함하고,
    상기 상판의 채널은 복수 개이고, 상기 혈액 분리 장치와 각각 연결되고,
    상기 혈액 분리 장치는 유체동역학에 따라 크기가 큰 물질이 통로의 안쪽으로 모이고, 크기가 작은 물질이 통로의 바깥쪽으로 모이도록 혈액을 분리하고,
    상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화되고,
    상기 회로를 통해 공급된 전원 및 상기 저항에 의해 발생하는 전류가 측정됨으로써 상기 타겟 물질의 농도가 계산되는,
    간암 진단 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 센서는,
    미세 채널(fine channel);
    상기 미세 채널의 양 단에 위치하고, 상기 회로와 각각 연결된 소스(source) 및 드레인(drain); 및
    상기 미세 채널 상에 위치하고, 상기 소스 및 상기 드레인을 연결하는 나노선(nano wire)
    를 포함하는,
    간암 진단 카트리지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 나노선은,
    상기 미세 채널 상에 정렬된 DNA(deoxyribonucleic acid)와 결합된 양전하로 대전된 전도성 나노 입자에 의해 형성되는,
    간암 진단 카트리지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 나노선은,
    상기 타겟 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 확인 물질
    을 포함하고,
    상기 확인 물질은 상기 나노 입자의 표면에 고정되는,
    간암 진단 카트리지.
  5. 제4에 있어서,
    상기 타겟 물질은 간암에 대해 미리 설정된 항원이고, 상기 확인 물질은 항체이며, 상기 특이적 결합은 항원-항체 반응인,
    간암 진단 카트리지.
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 타겟 물질 및 상기 확인 물질이 결합된 경우, 상기의 결합에 의해 상기 나노선의 저항이 변화되는,
    간암 진단 카트리지.
  8. 제2항에 있어서,
    상기의 미세 채널은 복수 개인,
    간암 진단 카트리지.
  9. 삭제
  10. 제2항에 있어서,
    상기 미세 채널의 폭(width)은 1 나노미터(nano meter) 내지 10 nm 이하인,
    간암 진단 카트리지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 혈액을 흡수할 수 있는 패드를 포함하는,
    간암 진단 카트리지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 센서는 상기 칩과 분리 가능한,
    간암 진단 카트리지.
  13. 간암을 진단하기 위해 혈액에 포함된 타겟 물질을 검출하기 위한 방법에 있어서,
    상기 혈액이 투입된 간암 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계;
    상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 간암 진단 카트리지는,
    혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 상판;
    상기 상판과 결합하여 상기 채널을 형성하는 칩(chip);
    상기 혈액을 복수의 채널들로 분리하는 혈액 분리 장치;
    상기 복수의 채널들 중 어느 하나의 채널 내에 위치하고, 상기 채널을 통과하는 혈액 내의 상기 타겟 물질과 결합하는 바이오 센서; 및
    상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로
    를 포함하고,
    상기 상판의 채널은 복수 개이고, 상기 혈액 분리 장치와 각각 연결되고,
    상기 혈액 분리 장치는 유체동역학에 따라 크기가 큰 물질이 통로의 안쪽으로 모이고, 크기가 작은 물질이 통로의 바깥쪽으로 모이도록 혈액을 분리하고,
    상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화되는,
    타겟 물질 검출 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 바이오 센서는,
    미세 채널(fine channel);
    상기 미세 채널의 양 단에 위치하고, 상기 회로와 각각 연결된 소스(source) 및 드레인(drain); 및
    상기 미세 채널 상에 위치하고, 상기 소스 및 상기 드레인을 연결하는 나노선(nano wire)
    을 포함하는,
    타겟 물질 검출 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 나노선은,
    상기 미세 채널 상에 정렬된 DNA(deoxyribonucleic acid)와 결합된 양전하로 대전된 전도성 나노 입자에 의해 형성되는,
    타겟 물질 검출 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계는,
    상기 바이오 센서의 복수의 나노선들에 의해 발생하는 복수의 전류들을 측정하는 단계; 및
    상기 복수의 전류들에 기초하여 상기 전류를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    타겟 물질 검출 방법.
  18. 제13항, 및 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
  19. 간암을 진단하기 위해 데이터 처리 장치에 저장되는 타겟 물질 검출 어플리케이션에 있어서, 상기 타겟 물질 검출 어플리케이션은 상기 데이터 처리 장치가,
    혈액이 투입된 간암 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계;
    상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계
    를 실행하도록 상기 데이터 처리 장치를 제어하고,
    상기 간암 진단 카트리지는,
    혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 상판;
    상기 상판과 결합하여 상기 채널을 형성하는 칩(chip);
    상기 혈액을 복수의 채널들로 분리하는 혈액 분리 장치;
    상기 복수의 채널들 중 어느 하나의 채널 내에 위치하고, 상기 채널을 통과하는 혈액 내의 상기 타겟 물질과 결합하는 바이오 센서; 및
    상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로
    를 포함하고,
    상기 상판의 채널은 복수 개이고, 상기 혈액 분리 장치와 각각 연결되고,
    상기 혈액 분리 장치는 유체동역학에 따라 크기가 큰 물질이 통로의 안쪽으로 모이고, 크기가 작은 물질이 통로의 바깥쪽으로 모이도록 혈액을 분리하고,
    상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화되는,
    타겟 물질 검출 어플리케이션.
  20. 간암을 진단하기 위해 혈액에 포함된 타겟 물질을 검출하는 장치는,
    혈액에 포함된 간암 진단용 타겟 물질을 검출하는 프로그램이 기록된 메모리; 및
    상기 프로그램을 수행하는 프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로그램은,
    상기 혈액이 투입된 간암 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계;
    상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 간암 진단 카트리지는,
    혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 상판;
    상기 상판과 결합하여 상기 채널을 형성하는 칩(chip);
    상기 혈액을 복수의 채널들로 분리하는 혈액 분리 장치;
    상기 복수의 채널들 중 어느 하나의 채널 내에 위치하고, 상기 채널을 통과하는 혈액 내의 상기 타겟 물질과 결합하는 바이오 센서; 및
    상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로
    를 포함하고,
    상기 상판의 채널은 복수 개이고, 상기 혈액 분리 장치와 각각 연결되고,
    상기 혈액 분리 장치는 유체동역학에 따라 크기가 큰 물질이 통로의 안쪽으로 모이고, 크기가 작은 물질이 통로의 바깥쪽으로 모이도록 혈액을 분리하고,
    상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화되는,
    타겟 물질 검출 장치.
  21. 혈액에 포함된 간암 진단용 타겟 물질에 기초하여 간암에 대한 위험도 계산 방법에 있어서,
    혈액이 투입된 간암 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계;
    상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계; 및
    상기 타겟 물질 및 알고리즘을 이용하여 상기 간암에 대한 위험도를 계산하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 간암 진단 카트리지는,
    혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 상판;
    상기 상판과 결합하여 상기 채널을 형성하는 칩(chip);
    상기 혈액을 복수의 채널들로 분리하는 혈액 분리 장치;
    상기 복수의 채널들 중 어느 하나의 채널 내에 위치하고, 상기 채널을 통과하는 혈액 내의 상기 타겟 물질과 결합하는 바이오 센서; 및
    상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로
    를 포함하고,
    상기 상판의 채널은 복수 개이고, 상기 혈액 분리 장치와 각각 연결되고,
    상기 혈액 분리 장치는 유체동역학에 따라 크기가 큰 물질이 통로의 안쪽으로 모이고, 크기가 작은 물질이 통로의 바깥쪽으로 모이도록 혈액을 분리하고,
    상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화되는,
    간암 위험도 계산 방법.
  22. 혈액에 포함된 간암 진단용 타겟 물질에 기초하여 간암에 대한 위험도를 계산하는 장치는,
    간암에 대한 위험도를 계산하는 프로그램이 기록된 메모리; 및
    상기 프로그램을 수행하는 프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로그램은,
    혈액이 투입된 간암 진단 카트리지(diagnosis cartridge)에 전원을 공급하는 단계;
    상기 전원에 의해 발생하는 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전류에 기초하여 상기 혈액에 상기 타겟 물질이 포함되었는지 여부를 결정함으로써 상기 타겟 물질을 검출하는 단계; 및
    상기 타겟 물질 및 알고리즘을 이용하여 상기 간암에 대한 위험도를 계산하는 단계;
    를 수행하고,
    상기 간암 진단 카트리지는,
    혈액의 주입구(inlet) 및 배출구(outlet)를 연결하는 채널(channel)이 형성된 상판;
    상기 상판과 결합하여 상기 채널을 형성하는 칩(chip);
    상기 혈액을 복수의 채널들로 분리하는 혈액 분리 장치;
    상기 복수의 채널들 중 어느 하나의 채널 내에 위치하고, 상기 채널을 통과하는 혈액 내의 상기 타겟 물질과 결합하는 바이오 센서; 및
    상기 바이오 센서에 전원을 공급하는 회로
    를 포함하고,
    상기 상판의 채널은 복수 개이고, 상기 혈액 분리 장치와 각각 연결되고,
    상기 혈액 분리 장치는 유체동역학에 따라 크기가 큰 물질이 통로의 안쪽으로 모이고, 크기가 작은 물질이 통로의 바깥쪽으로 모이도록 혈액을 분리하고,
    상기 타겟 물질이 상기 바이오 센서와 결합하는 경우, 상기 바이오 센서의 저항(resistance)이 변화되는,
    질병 위험도 계산 장치.
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