KR102571967B1 - Alp 측정용 바이오 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ALP 측정용 바이오 센서에 관한 것으로, 전기 화학적 분석을 통해 생물학적 시료 중 ALP를 정량할 수 있어, 간단하고 신속하게 간기능검사를 수행할 수 있는 효과가 있다. USB 또는 핀 형태로 마련된 접속단자를 통해 바이오 센서와 외부장치를 전기적으로 연결되도록 구성되므로, 다양한 장치에 적용 가능하여 비용을 절감할 수 있음은 물론, 실생활에서도 쉽게 사용 가능하여 편의성 및 제품의 활용성이 증대될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 바이오 센서는 외부장치와 전기적으로 연결되는 접속모듈과, 접속모듈에 탈착 가능한 센싱모듈로 구성되므로, 센싱모듈의 교체를 통해 다양한 종류의 검사를 수행 가능하고, 접속모듈이 외부장치에 결합된 상태에서 센싱모듈만 교체 가능하여 연속적으로 신속한 검사를 수행할 수 있는 장점이 있다.

Description

ALP 측정용 바이오 센서 {Biosensor for Alkaline phosphatase measurement}
본 발명은 ALP 측정용 바이오 센서에 관한 것이다.
알칼리 인산분해효소(Alkaline phosphatase: ALP)는 간, 뼈, 신장, 장, 임신한 여성의 태반 등 전신의 조직에서 관찰되는 효소이다. 하지만 뼈와 간을 구성하는 세포에서 알칼리 인산분해효소 농도가 가장 높다. 간에서는 간에서 장으로 담즙을 배출시켜 식이의 지방 소화를 돕도록 하는 작은 관인 담관을 형성하는 세포의 가장자리에서 관찰된다. 뼈의 알칼리 인산분해효소는 뼈 형성에 관여하는 '조골세포'라는 특정 세포에 의해 생산된다. 각각의 다른 조직은 동종효소라고 불리는 특징적인 형태의 알칼리 인산분해효소를 생산한다.
혈중 알칼리 인산분해효소 농도의 증가는 간질환 또는 골 병변에 의해 가장 흔하게 관찰된다. 효소 농도의 증가는 담관이 막혔을 때 가장 많이 증가할 수 있다. 간암, 간경화, 간독성이 있는 약물 복용, 그리고 간염이 걸렸을 때도 심하지는 않지만 혈중 효소 농도가 증가할 수 있다. 파제트병이나 류마티스 관절염, 골절의 치유 시기 등 과도한 골형성을 촉진하는 어떤 경우에도 알칼리 인산분해효소 수치가 증가할 수 있다. 이에 따라, 알칼리 인산분해효소의 수치를 측정함으로써 간기능 등을 진단할 수 있다.
한편, 인간의 질병 증세 및 진행, 나아가 식품의 컨디션에 대한 예측을 가능하게 하는, 호르몬, 단백질, 그리고 병원균과 같은 표적 물질들은 항원-항체 반응을 이용한 면역 분석법에 의해 분석될 수 있다. 한편, 면역 분석법에 기초한 표적 물질의 분석은 대게 특별한 기기가 갖추어진 임상 실험실에서 수행되어 왔다. 그러나, 최근 병원이나 응급실의 의료 현장에서의 검사, 그리고 가정에서 자가 진단의 필요성이 증가함에 따라, 전문지식이나 복잡한 과정이 요구되지 않고 분석 시간이 짧은 면역 분석 플랫폼에 대한 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.
따라서 이를 위한 방안으로 전기 화학적 분석에 의해 알칼리 인산분해효소에 대한 빠르고 정확한 분석이 가능한 바이오 센서의 개발이 필요한 실정이다.
일 양상은 외부장치와 전기적으로 연결 가능한 접속모듈; 내부로 유입된 분석 시료로부터 ALP(Alkaline phosphatase) 물질을 감지하고, 상기 감지된 ALP 물질과 반응하여 발생된 전기적인 신호를 상기 접속모듈에 전송하도록 구성되는 센싱모듈;을 포함하고, 상기 센싱모듈에는, 상기 분석 시료로부터 상기 ALP 물질을 감지하고, 상기 ALP 물질과 반응하여 상기 전기적인 신호를 발생시키는 센서가 구비되며, 상기 발생된 전기적인 신호에 의해 ALP 물질이 정량적으로 측정되고, 상기 센서는, 기판;과 상기 기판의 일면에 마련되며, 상기 ALP 물질과 반응하여 전기 화학적 신호를 발생시키는 복수개의 전극을 포함하고, 상기 센싱모듈은 상기 접속모듈에 탈부착 가능한 것인, 바이오 센서를 제공하는 것이다.
일 양상은 외부장치와 전기적으로 연결 가능한 접속모듈; 내부로 유입된 분석 시료로부터 ALP(Alkaline phosphatase) 물질을 감지하고, 상기 감지된 ALP 물질과 반응하여 발생된 전기적인 신호를 상기 접속모듈에 전송하도록 구성되는 센싱모듈;을 포함하고, 상기 센싱모듈에는, 상기 분석 시료로부터 상기 ALP 물질을 감지하고, 상기 ALP 물질과 반응하여 상기 전기적인 신호를 발생시키는 센서가 구비되며, 상기 발생된 전기적인 신호에 의해 ALP 물질이 정량적으로 측정되고, 상기 센서는, 기판;과 상기 기판의 일면에 마련되며, 상기 ALP 물질과 반응하여 전기 화학적 신호를 발생시키는 복수개의 전극을 포함하고, 상기 센싱모듈은 상기 접속모듈에 탈부착 가능한 것인, 바이오 센서를 제공한다.
일 구체예에 있어서, 상기 센서는 상기 전극 상부에 복수 개의 홈으로 이루어진 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 포함하는 것일 수 있다.
일 구체예에 있어서, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰은 직경이 50 nm 내지 50 mm인 것일 수 있다.
일 구체예에 있어서, 상기 분석 시료는 개체로부터 분리된 생물학적 시료인 것일 수 있다.
일 구체예에 있어서, 상기 전극은 작업 전극(working electrode), 대 전극(counter electrode) 또는 기준 전극(reference electrode)인 것일 수 있다.
일 구체예에 있어서, 상기 접속모듈과 상기 센싱모듈은 자성을 통해 서로 탈부착 가능하게 결합되며, 면접촉을 통해 서로 전기적으로 연결되는 것일 수 있다.
일 구체예에 있어서, 상기 센싱모듈은 한 개 이상이며, 한 개 이상의 상기 센싱모듈은 하나의 상기 접속모듈에 탈부착 가능한 것일 수 있다.
일 구체예에 있어서, 상기 ALP 물질의 정량적 측정은 하기 수학식 1 내지 3 중 어느 하나로 측정되는 것일 수 있다:
[수학식 1]
y(uA) = -257.00 + 256.96*exp(-6304.58x(g/mL))
[수학식 2]
y(uA) = -1.35 + 1.15*exp(-1.74*107x(g/mL))
[수학식 3]
y(uA) = -2.76 + 1.63*exp(-3.53*107x(g/mL))
본 발명은 ALP 측정용 바이오 센서에 관한 것으로, 전기 화학적 분석을 통해 생물학적 시료 중 ALP를 정량할 수 있어, 간단하고 신속하게 간기능검사를 수행할 수 있는 효과가 있다. USB 또는 핀 형태로 마련된 접속단자를 통해 바이오 센서와 외부장치를 전기적으로 연결되도록 구성되므로, 다양한 장치에 적용 가능하여 비용을 절감할 수 있음은 물론, 실생활에서도 쉽게 사용 가능하여 편의성 및 제품의 활용성이 증대될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 바이오 센서는 외부장치와 전기적으로 연결되는 접속모듈과, 접속모듈에 탈착 가능한 센싱모듈로 구성되므로, 센싱모듈의 교체를 통해 다양한 종류의 검사를 수행 가능하고, 접속모듈이 외부장치에 결합된 상태에서 센싱모듈만 교체 가능하여 연속적으로 신속한 검사를 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서가 외부장치에 연결된 상태를 나타내는 사용상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 밀리웰 또는 마이크로웰 구조가 형성된 바이오 센서를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 분해된 상태를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 4의 VI-VI 선 단면도이다.
도 5는 도 4의 “A”부분을 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서가 분해된 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 6의 “B”부분을 확대한 확대도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오 센서가 분해된 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 9는 도 8의 “C”부분이 결합되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오 센서가 분해된 상태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 11은 나노웰 전극을 이용하여 ALP를 농도별로 측정한 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 12는 마이크로웰 전극을 이용하여 ALP를 농도별로 측정한 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 13은 밀리웰 전극을 이용하여 ALP를 농도별로 측정한 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 14는 각 전극의 민감도를 비교하기 위해, ALP 농도별로 측정된 전류값을 각 전극의 음성 대조군으로 나눈 비로 환산하여 나타낸 그래프이다.
도 15는 나노웰 전극에서의 전류값과 ALP 농도별 관계를 나타낸 그래프이다.
도 16은 마이크로웰 전극에서의 전류값과 ALP 농도별 관계를 도출한 그래프이다.
도 17은 밀리웰 전극에서의 전류값과 ALP 농도별 관계를 도출한 그래프이다.
본 명세서는 본 발명의 권리범위를 명확히 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록, 본 발명의 원리를 설명하고, 실시예들을 개시한다. 개시된 실시예들은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어, 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
본 발명은 ALP 측정용 바이오 센서에 관한 것으로, 외부장치와 전기적으로 연결 가능한 접속모듈과 접속모듈에 탈부착 가능한 센싱모듈을 사용함에 따라 센싱 부분의 교체가 가능한 바이오 센서에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직할 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서(10)는 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조 (220)를 사용하여 분해능을 향상시키며, 바이오 센서(10)에서 발생된 전기적 신호를 측정 및 분석 가능한 소프트웨어가 설치된 외부장치(20)와 전기적으로 연결되도록 구성된다.
구체적으로, 상기 바이오 센서(10)는 도 1(a)와 같이 스마트폰 혹은 태블릿 형태의 외부장치(20)와 전기적으로 연결되거나, 도 1(b)와 같이 PC 형태의 외부장치(20)와 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 외부장치(20)는 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 바이오 센서(10)와 전기적으로 연결 가능한 다양한 형태로 변경되어 사용될 수 있다.
상기 외부장치(20)에는 후술할 상기 바이오 센서(10)의 접속모듈(100)과 전기적으로 연결 가능하도록 상기 접속모듈(100)에 마련된 제1접속단자(110)와 결합 가능한 단자부(미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 외부장치(20)에는 상기 바이오 센서(10)와 연결시 상기 바이오 센서(10)의 산화 환원 반응에 따른 전위를 측정 및 분석하여 ALP 물질에 대한 정성 및 정량 분석이 가능할 수 있는 프로그램 혹은 어플리케이션 등이 설치될 수 있다. 이를 통해, 상기 외부장치(20)는 상기 바이오 센서(10)에서 발생되는 신호를 수집 및 분석하고, 이를 통해 각종 질병 또는 질환 등을 검출하거나, 이들의 변화를 측정하여 디스플레이 할 수 있다.
또한, 상기 외부장치(20)는 유선 또는 무선통신을 통해 인터넷에 연결되어 상기 바이오 센서(10)를 통해 측정된 데이터를 사용자 단말 혹은 의료기관의 서버에 전송할 수 있다. 전송된 데이터를 통해, 검사대상자 또는 의료기관에서는 실시간으로 건강 상태를 모니터링 할 수 있다.
가령, 예시적으로, 상기 외부장치(20)는 바이오 센서(10)가 결합되어 상기 바이오 센서(10)와 전기적으로 연결되는 입력부(미도시), 입력부를 통하여 전송된 신호(데이터)를 저장, 분석 및 진단하는 제어부(미도시), 제어부로부터 전송받은 데이터를 외부에서 식별 가능한 형태로 출력하는 디스플레이부(미도시), 제어부로부터 전송받은 데이터를 선택된 사용자 단말 및 의료기관 서버로 전송하는 통신부(미도시) 및 입력부, 제어부, 디스플레이부 및 통신부에 전원을 공급하는 전원공급부(미도시) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는, 접속모듈(100), 센싱모듈(200), 센서(210)를 포함한다. 이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 접속모듈(100)은 상기 외부장치(20)와 전기적으로 연결 가능한 것이다. 이를 위해, 상기 접속모듈(100)은 제1접속단자(110), 제2접속단자(120), 컨트롤러(130), 본체(140)를 포함한다.
상기 제1접속단자(110)는 상기 외부장치(20)에 결합되어 상기 외부장치(20)와 전기적으로 연결 가능한 것이다. 상기 제1접속단자(110)는 상기 외부장치(20)와 전기적으로 연결될 수 있다면 다양한 구성이 사용될 수 있다.
상기 제1접속단자(110)는 상기 외부장치(20)에 마련된 상기 단자부에 결합되어 상기 외부장치(20)와 전기적인 접속을 수행할 수 있도록 상기 외부장치(20)의 단자부에 대응되는 형태로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1접속단자(110)는 USB, 마이크로 USB 혹은 핀(PIN)의 형태로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 외부장치(20)에 전기적으로 연결될 수 있다면 다양한 구성이 사용될 수 있다.
상기 제2접속단자(120)는 후술할 상기 센싱모듈(200)에 결합되어 상기 센싱모듈(200)과 전기적으로 연결 가능한 것이다. 상기 제2접속단자(120)는 마이크로 USB 혹은 핀(PIN)의 형태로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 센싱모듈(200)과 전기적으로 연결될 수 있다면 다양한 구성이 사용될 수 있다.
상기 컨트롤러(130)는 상기 제1접속단자(110) 및 상기 제2접속단자(120)와 전기적으로 연결되고, 상기 제1접속단자(110)와 상기 제2접속단자(120) 사이에서 신호(데이터)의 전송을 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 컨트롤러(130)는 전선을 통하여 상기 제1접속단자(110) 및 상기 제2접속단자(120)와 전기적으로 연결할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1접속단자(110)와 상기 제2접속단자(120)를 전기적으로 연결할 수 있다면 다양한 구성이 사용될 수 있다.
상기 본체(140)는 상기 제1접속단자(110), 상기 제2접속단자(120), 상기 컨트롤러(130)가 설치되는 하부체와, 상기 하부체에 결합되어 상기 제1접속단자(110), 상기 제2접속단자(120), 상기 컨트롤러(130)의 상부를 보호하는 상부체를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 센싱모듈(200)은 내부로 유입된 분석 시료로부터 ALP 물질을 감지하고, 상기 감지된 ALP 물질과 반응하여 발생된 전기적인 신호를 상기 접속모듈(100)에 전송하도록 구성되면서, 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)가 구비된 것이다.
상기 분석 시료는 개체로부터 분리된 생물학적 시료를 의미할 수 있으며, 혈액, 혈장, 혈청, 소변, 점액, 타액, 눈물, 객담, 척수액, 흉수, 유두 흡인물, 림프액, 기도액, 장액, 비뇨생식관액, 모유, 림프계 체액, 정액, 뇌척수액, 기관계내 체액, 복수, 낭성 종양 체액, 양수액 또는 이들의 조합을 의미할 수 있다. 다만, 상기 분석 시료는 이에 한정되는 것은 아니며, 생물학적 시료라면 다양한 물질이 될 수 있다. 또한 상기 생물학적 시료는 온전한(intact) 단백질을 포함할 수 있다. 온전한 단백질은 별도의 단백질의 변형 없이 생물학적 시료로부터 분리된 단백질일 수 있다. 온전한 단백질은, 예를 들어 단백질 분해 효소에 의한 단백질 분해 없이, 생물학적 시료로부터 분리된 단백질일 수 있다.
상기 센싱모듈(200)에는, 상기 분석 시료로부터 상기 ALP 물질을 감지하고, 상기 ALP 물질과 반응하여 상기 전기적인 신호를 발생시키는 센서(210)가 구비될 수 있으며, 상기 센서(210)는, 기판(211)과 복수 개의 전극(212)과 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조 (220)를 포함한다.
구체적으로, 상기 센서(210)에는 분석 시료에 포함된 ALP 물질과 반응하여 ALP 물질을 감지하는 감지 물질이 마련될 수 있다. 센서(210)는, 분석 시료와 접촉하게 될 경우, 분석 시료에 포함된 ALP 물질과 상호 반응하여 전기적인 신호를 발생시킨다. 이와 같이 발생된 전기적인 신호에 의해 ALP 물질이 정량적으로 측정되는 것일 수 있다. 상기 ALP 물질의 정량적 측정은 하기 수학식 1 내지 3 중 어느 하나로 측정되어 나타날 수 있다.
[수학식 1]
y(uA) = -257.00 + 256.96*exp(-6304.58x(g/mL))
[수학식 2]
y(uA) = -1.35 + 1.15*exp(-1.74*107x(g/mL))
[수학식 3]
y(uA) = -2.76 + 1.63*exp(-3.53*107x(g/mL))
이에 따라 상기 바이오 센서(10)와 연결된 외부장치(20)는 상기 바이오 센서(10)에서 발생되는 전기적인 신호를 분석하여 ALP 물질의 존재 또는 농도 등을 검출할 수 있으며, 전기적인 신호만을 분석하여 ALP의 존재 또는 농도를 빠르게 알 수 있어 간기능 등의 질환을 빠르고 간편하게 진단할 수 있다. 다만, 상기 센서(210)는 이에 한정되는 것은 아니며, 분석 시료의 이동, 정지, 여과, 정화, 반응 및 혼합이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 센서(210)에 구비된 상기 기판(211)은 미리 지정된 크기를 가질 수 있는 것으로, 상기 기판(211)은 2 x 2 mm의 크기를 가질 수 있다. 그러나 상기 기판(211)의 크기는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 크기로 변경될 수 있다.
또한, 상기 기판(211)은 신축성을 가지며, 절곡 가능한 재질로 마련될 수 있다. 가령, 상기 기판(211)은 폴리우레탄(Poly urethane, PU) 계, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 계, NOA(Noland Optical Adhesive) 계, 에폭시(Epoxy) 계, 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리메칠메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에틸렌 나프타레이트(Polyethylene naphthalate, PEN) 및 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 중 적어도 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
다만, 상기 기판(211)의 재질은 반드시 이에 제한되는 것이 아니며, 표적 물질과의 반응에 따른 전위차가 발생하는 전극들이 배치될 수 있고, 유연성을 가지는 다양한 소재로 변경되어 적용될 수 있다.
상기 전극(212)은 복수 개가 구비될 수 있는 것으로, 상기 전극(212)은 상기 기판(211)의 일면에 구비되고, 분석 시료에 포함된 표적 물질과 반응하여 전기 화학적 신호를 발생시킬 수 있는 것이다.
상기 전극은 작업 전극(working electrode), 대 전극(counter electrode) 또는 기준 전극(reference electrode)인 것일 수 있다.
복수 개의 상기 전극(212)은 ALP 물질과 산화 또는 환원 반응하는 제1전극(212a), 상기 제1전극(212a)의 반응에 대향하여 ALP 물질과 산화 또는 환원 반응하는 제2전극(212b), 및 상기 제1전극(212a)과 제2전극(212b) 사이에 일정한 작동전압이 유지되도록 구성되는 제3전극(212c)을 포함할 수 있다.
복수 개의 상기 전극(212)은 절연성 상기 기판(211) 위에 스크린 프린팅 방식을 통해 형성될 수 있다. 상기 제2전극(212b) 및 상기 제3전극(212c)은 상기 제1전극(212a)의 주위를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 제1전극(212a)과 상기 제2전극(212b)은 상기 기판(211) 상에서 서로 일정한 거리로 이격된 상태로 배치될 수 있다. 상기 제1전극(212a)은 원형의 형태를 갖고, 상기 제2전극(212b)은 상기 제1전극(212a)의 일부분을 감싸도록 반원의 형태를 가질 수 있다. 다만, 상기 제1 전극(212a) 및 상기 제2전극(212b)의 배치 형태, 및 이들 전극 각각의 모양은 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 변경될 수 있다.
상기 제1전극(212a)은 상기 기판(211) 상에서 ALP 물질 또는 ALP 물질을 포함하는 분석 시료와의 반응에 의해 산화 또는 환원 반응을 수행하는 작업 전극(working electrode)을 의미할 수 있다.
상기 제1전극(212a) 상에는 ALP 물질에 특이적으로 결합하는 바이오 리셉터(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 제1전극(212a) 상에는 도전층이 증착된 필라(pillar)가 배치되고, 필라에는 항체, 항원, 앱타머 등의 바이오 리셉터가 배치될 수 있다. 상기 제1전극(212a) 상에는 ALP 물질과 반응하여 전기 화학적 신호를 유도하는 물질이 더 배치될 수도 있다.
상기 제1전극(212a)과 상기 제2전극(212b)에 배치된 필라 및 바이오 리셉터를 통하여, ALP 물질과의 반응 면적이 넓어지게 되고, 이를 통해 상기 바이오 센서(10)는 소량의 ALP 물질에 대해서도 민감도 높은 정성 및 정량 분석 결과를 제공할 수 있다. 여기서, 필라는 나노 크기를 가지는 폴리머 구조물일 수 있다.
필라는, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, NOA(Norland Optical Adhesives), 에폭시, 폴리에틸렌 테레프타레이트, 폴리메칠메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 나프타레이트, 폴리카보네이트 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 필라는 폴리우레탄과 NOA(예컨대, NOA 68)의 조합으로 이루어질 수도 있다. 그러나, 필라는 이에 제한되는 것은 아니며, 유연성을 갖는 한 보다 다양한 고분자로 이루어질 수 있다.
그리고, 필라에 증착된 도전층은 도전성 물질로 구성된 레이어를 의미할 수 있다. 도전층은 Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In 및 Au 중 적어도 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제2전극(212b)은 기판(211) 상에서 상기 제1전극(212a)에 대향하는 대 전극(counter electrode)을 의미할 수 있다. 따라서, ALP 물질과의 반응에 의해 상기 제1전극(212a)에서 산화 반응이 일어난다면, 상기 제2전극(212b)에서는 환원 반응이 일어날 수 있다. 상기 제2전극(212b) 상에는 도전층이 증착된 상술한 필라가 배치될 수 있다.
상기 제3전극(212c)은 ALP 물질과의 접촉 시에도 전위가 안정적으로 유지되는 기준 전극(reference electrode)을 의미할 수 있다. 상기 제3전극(212c) 상에는 ALP 물질과의 접촉시에도 일정한 전위를 유지할 수 있는 반응층이 마련될 수 있다.
반응층은 Ag/AgCl, Ag, Hg2SO4, Ag/Ag+, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2, Ag/Ag2SO4, Cu/CuSO4, KCl 포화된 칼로멜 반전지(SCE) 및 염다리 백금의 전위차가 미리 알려진 물질로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)는 상기 전극(212) 상부에 구비되는 것으로, 복수 개의 홈으로 이루어진 것이다. 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)는 상기 센싱모듈(200)에 상기 분석 시료가 삽입되는 입구부에 구비될 수 있는 것으로, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)를 사용함에 따라 분해능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)는 작업 전극(working electrode) 상부에 구비될 수 있는 것으로, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)는 작업 전극으로 이루어진 상기 제1전극(212a) 상부에 구비될 수 있다.
또한, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰은 직경이 50 nm 내지 50 mm인 것일 수 있다. 구체적으로, 50 nm 내지 30 mm , 50 nm 내지 10 mm, 50 nm 내지 900 ㎛, 50 nm 내지 600 ㎛, 50 nm 내지 300 ㎛, 50 nm 내지 100 ㎛, 100 nm 내지 50 mm, 100 nm 내지 30 mm, 100 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 900 ㎛, 100 nm 내지 600 ㎛, 100 nm 내지 300 ㎛, 300 nm 내지 50 mm, 300 nm 내지 30 mm, 300 nm 내지 10 mm, 300 nm 내지 900 ㎛, 300 nm 내지 600 ㎛, 500 nm 내지 50 mm, 500 nm 내지 30 mm, 500 nm 내지 10 mm, 500 nm 내지 900 ㎛, 700 nm 내지 50 mm, 700 nm 내지 30 mm 700 nm 내지 10 mm 700 nm 내지 900 ㎛일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 센싱모듈(200)은, 접속패드(230), 접속포트(240), 하우징(250), 본딩 와이어(260)를 더 포함할 수 있다.
상기 접속패드(230)는 단수 또는 복수 개가 구비될 수 있는 것으로, 상기 본딩 와이어(260)를 통해 상기 센서(210)와 전기적으로 연결될 수 있는 것이다. 도 3 및 도 5을 참조하면, 상기 센서(210)의 저면에는 복수 개의 상기 접속패드(230)와 상기 센서(210)에 구비된 복수 개의 전극(212)을 서로 전기적으로 연결하는 연결패드(213)가 더 마련될 수도 있다.
상기 센서(210)의 저면에 부착된 상기 연결패드(213)의 일면은 상기 센서(210)에 구비된 복수 개의 전극(212)과 전기적으로 연결되는 것으로, 상기 연결패드(213)의 타면은 상기 본딩 와이어(260)를 통하여 복수의 상기 접속패드(230)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 복수 개의 상기 접속패드(230) 및 상기 연결패드(213)는 동박형태로 구비되고, 복수 개의 상기 접속패드(230)의 표면에는 금박이 더 코팅될 수 있다.
또한, 상기 연결패드(213)와 상기 센서(210)는 전도성 물질(미도시)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 전도성 물질은 양면 접착 카본 테이프 등이 사용될 수 있다. 다만, 전도성 물질은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 연결패드(213)와 상기 센서(210)를 전기적으로 연결할 수 있다면 다양한 물질이 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 본딩 와이어(260)는 금(Au)으로 구성되며, 상기 본딩 와이어(260)의 일단은 상기 센서(210)에 부착된 상기 연결패드(213)에 본딩되어 상기 센서(210)에 구비된 복수 개의 상기 전극(212)과 전기적으로 연결되고, 상기 본딩 와이어(260)의 타단은 복수 개의 상기 접속패드(230)에 본딩되어 복수 개의 상기 접속패드(230)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 접속포트(240)는 복수 개의 상기 접속패드(230)와 전기적으로 연결되고, 상기 접속모듈(100)에 결합되어 상기 접속모듈(100)과 전기적으로 연결될 수 있는 것이다.
상기 접속포트(240)는 전선(261)을 통하여 복수 개의 상기 접속패드(230)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 접속모듈(100)에 결합 시 복수 개의 상기 접속패드(230)를 통해 상기 센서(210)에 전원을 공급하고, 상기 센서(210)에서 발생된 전기신호를 상기 접속모듈(100)로 전송할 수 있다. 상기 접속포트(240)는 상기 접속모듈(100)에 구비된 상기 제2접속단자(120)에 대응되는 형태로 구비될 수 있다.
상기 하우징(250)은 상기 센서(210), 복수 개의 상기 접속패드(230), 상기 접속포트(240)가 설치되는 것으로, 상기 하우징(250)은 상기 센서(210), 복수 개의 상기 접속패드(230), 상기 접속포트(240)의 둘레를 감싸 상기 센서(210), 복수 개의 상기 접속패드(230), 상기 접속포트(240)를 외부로부터 보호하도록 구성될 수 있다.
상기 하우징(250)은 외부에서 제공된 분석 시료를 상기 센서(210)의 상기 전극(212)으로 안내하는 채널(253)이 구비된 제1부재(251)와 상기 제1부재(251)에 대향 배치되어 상기 제1부재(251)에 결합되고, 상기 센서(210), 복수 개의 상기 접속패드(230), 상기 접속포트(240)가 안착되는 제2부재(252)를 포함한다.
상기 채널(253)은 상기 제1부재(251)를 관통하여 형성된 구멍으로, 상기 채널(253)은 외부에서 제공된 분석 시료를 상기 센서(210)의 상기 전극(212)으로 안내하기 위한 경사면(254)을 포함한다. 상기 경사면(254)은 상기 채널(253)의 둘레를 따라 구비될 수 있는 것으로, 외부에서 제공된 분석 시료는 상기 경사면(254)을 따라 이동하여 안정적으로 상기 센서(210)의 상기 전극(212)로 도달할 수 있게 된다.
여기서, 도 4를 참조하면, 상기 채널(253)에는 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)가 구비될 수 있다. 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)는 상기 제1전극(212a)-작업 전극(working electrode)의 상부에 구비될 수 있는 것으로, 상기 채널(253)은 상기 제1전극(212a)-작업 전극(working electrode)의 상부에 구비될 수 있다.
따라서, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)는 상기 채널(253)에 구비되는 것이 바람직하며, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)는 상기 채널(253)에 결합되면서 지지될 수 있게 된다. 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)를 상기 채널(253)에 구비함에 따라, 분석된 시료를 상기 채널(253)을 통해 상기 전극(212)으로 이동시킬 때 분해능을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 제1부재(251)는 상기 제2부재(252)에 결합되어, 상기 제2부재(252)에 배치된 상기 센서(210) 및 상기 접속포트(240)를 덮어 이들을 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 상기 제1부재(251)는 상기 센서(210) 및 상기 접속포트(240)를 소정의 힘으로 가압하여 이들을 견고하게 지지할 수도 있다. 또한, 상기 제1부재(251)는 상기 제2부재(252)와의 결합을 통하여 상기 채널(253)을 통해 상기 센서(210)로 제공된 분석 시료가 상기 하우징(250)의 외부로 누수되는 것을 방지할 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 제1부재(251)와 상기 제2부재(252) 사이에는, 상기 센서(210), 복수 개의 상기 접속패드(230), 상기 접속포트(240)를 수용하고, 본딩 와이어(260)를 보호하는 수용공간(250a)이 구비될 수 있다. 상기 수용공간(250a)은 상기 제1부재(251)와 상기 제2부재(252)의 내측에 각각 음각 패턴의 형태로 구비될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제2부재(252)에는, 상기 제1부재(251)와 결합되고, 상기 제1부재(251)를 지지하는 적어도 하나의 결합돌기(252a)가 마련되고, 상기 제1부재(251)에는 상기 결합돌기(252a)에 대응되는 적어도 하나의 결합홈(251a)이 구비될 수 있다.
상기 결합돌기(252a)와 상기 결합홈(251a)을 결합하면, 상기 채널(253)의 중심과 상기 센서(210)의 중심이 자연스럽게 정해진 위치에 정렬될 수 있다. 상기 결합홈(251a)의 내측에는, 상기 결합돌기(252a)가 상기 결합홈(251a)에 삽입될 경우 상기 결합돌기(252a)와 상기 결합홈(251a) 사이를 기밀하는 고무 또는 실리콘 재질의 실러가 더 구비될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제2부재(252)에는 상기 센서(210)가 안착되어 지지되는 안착홈(252b)과 상기 센서(210)의 외측으로 흘러내린 분석 시료가 저장되는 수거홈(252c)이 더 구비될 수 있다. 상기 센서(210)와 상기 수거홈(252c) 사이에는 상기 센서(210)의 외측으로 흐르는 분석 시료를 상기 수거홈(252c) 측으로 안내하는 시료 안내면(252d)이 더 마련될 수 있으며, 상기 시료 안내면(252d)은 경사진 형태로 이루어질 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 하우징(250)은 분석 시료의 흐름 상태, 분석 시료의 누수 여부, 상기 채널(253)과 상기 센서(210)의 정렬상태, 상기 본딩 와이어(260)를 통한 상기 센서(210)와 복수 개의 상기 접속패드(230)의 연결상태 및 복수 개의 상기 접속패드(230)와 상기 접속포트(240)의 전기적 연결상태 등을 외부에서 관찰하기 용이하도록, 투명한 재질로 마련될 수 있다.
가령, 상기 하우징(250)은 폴리메칠메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 시클릭올레핀코폴리머(Cyclic olefine copolymer), 폴리에틸렌술폰(Polyethylene sulfone) 및 폴리스티렌 중 적어도 하나의 재질로 마련되거나, 이들 중 적어도 둘 이상이 조합된 재질로 마련될 수 있다. 그러나 상기 하우징(250)의 재질은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 실리콘 기반의 유기폴리머인 폴리디메틸실록산 재질로 구성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 사용하는 바이오 센서는 다음과 같이 변형되어 사용될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서의 상기 센싱모듈(200)은 복수 개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 상기 센싱모듈(200)은 상기 접속모듈(100)에 탈부착 가능하게 결합될 수 있다. 즉, 상기 접속모듈(100)은 복수 개의 상기 센싱모듈(200)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 위해, 상기 접속모듈(100)은 상기 외부장치(20)와 결합 가능한 상기 제1접속단자(110)와 상기 센싱모듈(200)에 결합 가능한 제2접속단자(120)를 포함하면서, 상기 제2접속단자(120)는 복수 개가 구비될 수 있다. 복수 개의 상기 센싱모듈(200)은 복수 개의 상기 제2접속단자(120)에 선택적으로 결합될 수 있다.
이와 같이 상기 센싱모듈(200)을 복수 개 구비하면서 상기 제2접속단자(120)를 복수 개 구비하면, 서로 다른 개체의 ALP 물질을 감지하여 다수의 검사를 한 번에 수행할 수 있는 장점이 있다.
여기서, 복수 개의 상기 센싱모듈(200)이 복수 개의 상기 제2접속단자(120)에 모두 연결되어 전기적 신호를 발생하는 경우, 상기 컨트롤러(130)는 복수 개의 상기 제2접속단자(120)를 통해 전기적 신호가 전달된 순서를 기억한 뒤, 순차적으로 해당 제2접속단자(120)에 연결된 상기 센싱모듈(200)의 전기적 신호를 수신하여 상기 제1접속단자(110)로 전송할 수 있다.
상기 접속모듈(100)은 복수 개의 상기 제2접속단자(120)와 상기 컨트롤러(130) 사이에서 복수 개의 상기 제2접속단자(120)와 상기 컨트롤러(130)의 접속을 제어하는 전원부(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 전원부(150)는 복수 개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 상기 제2접속단자(120)와 개별적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 전원부(150)는 각각의 상기 컨트롤러(130)와 연결될 수 있다.
상기 전원부(150)는 사용자의 조작을 통해 ON/OFF 제어되도록 구성될 수 있는 것으로, 사용자의 조작을 통하여 상기 전원부(150)가 ON 상태로 제어된 경우에만, 상기 제2접속단자(120)에 연결된 상기 센싱모듈(200)의 전기적 신호가 상기 컨트롤러(130)로 전송될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 접속모듈(100)은 상기 제1접속단자(110)의 둘레에 설치되면서 상기 제1접속단자(110)가 미리 설정된 각도만큼 회전 가능하게 하는 각도 조절부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 각도 조절부(160)는 상기 제1접속단자(110)에 결합되어 상기 제1접속단자(110)와 함께 회전하도록 구성되는 회전부재(161)와 상기 본체(140)에 설치되고 내측에 상기 회전부재(161)가 수용되어 상기 회전부재(161)의 회전을 가이드하는 안내부재(162)를 포함할 수 있다.
상기 회전부재(161)의 외주면에는 서로 이격 배치된 복수 개의 돌기(161a)가 마련되고, 안내부재(162)의 내주면에는 복수 개의 상기 돌기(161a)에 대응되는 복수 개의 홈(162a)이 마련될 수 있다. 따라서, 사용자는 상기 제1접속단자(110)가 상기 외부장치(20)에 결합된 상태에서 상기 본체(140)를 회전시켜 복수 개의 상기 제2접속단자(120)를 소정의 위치로 배치시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 접속모듈(100)과 상기 센싱모듈(200)은 자성을 통해 서로 탈부착 가능하게 결합될 수 있으며, 면접촉을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 위해, 상기 접속모듈(100)에는 제1결합부재(170)가 구비되며, 상기 센싱모듈(200)에는 제1결합부재(170)와 결합 가능한 제2결합부재(270)가 구비될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 제1결합부재(170)는 상기 접속모듈(100)의 일 단부로부터 돌출되는 결합돌기(171)와 상기 결합돌기(171)의 단부에 수용된 제1자성체(172)를 포함할 수 있다.
상기 결합돌기(171)는 돌출방향을 따라 외경의 크기가 점차 감소하는 웨지(wedge) 구조로 형성될 수 있다. 이를 통해 상기 접속모듈(100)과 상기 센싱모듈(200)의 결합 시, 상기 결합돌기(171)의 경사진 외주면이 상기 센싱모듈(200)에 구비된 상기 제2결합부재(270)의 결합홈(271)의 내주면에 안내되어 용이하게 결합될 수 있다.
상기 제2결합부재(270)는 상기 접속모듈(100)의 일 단부와 마주하는 상기 센싱모듈(200)의 타 단부에 오목하게 형성되는 상기 결합홈(271)과 상기 결합홈(271)의 내측에 수용되어 상기 제1자성체(172)와 자력을 통해 결합 가능한 제2자성체(272)를 포함할 수 있다.
상기 접속모듈(100)과 상기 센싱모듈(200)은 상기 결합돌기(171)와 상기 결합홈(271)의 구조적인 결합을 통하여 1차적으로 결합되고, 상기 제1자성체(172)와 상기 제2자성체(272)의 자성을 이용한 결합을 통해 2차적으로 결합됨에 따라 서로 안정적으로 고정될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 센싱모듈(200)에는 상기 제2자성체(272)의 자기력이 상기 센싱모듈(200)의 다른 부분에 영향을 미치지 않도록, 상기 제2자성체(272)의 자기력을 차폐시키도록 구성되는 차폐 구조물(280)이 구비될 수 있다.
상기 차폐 구조물(280)은 상기 하우징(250)의 내측에 마련되고, 상기 제2결합부재(270)의 상기 결합홈(271)과 상기 제2자성체(272)의 둘레를 감싸는 형태로 구비될 수 있다. 상기 차폐 구조물(280)은 상기 하우징(250)과 동일한 재질로 형성되되, 자기력을 차폐시킬 수 있는 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 접속모듈(100)과 상기 센싱모듈(200)은 면접촉 결합을 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 도 8을 참조하면, 상기 센싱모듈(200)의 상기 접속포트(240)와 연결되는 상기 접속모듈(100)의 상기 제2접속단자(120)는 면접촉을 통해 서로 전기적으로 연결 가능한 평판형의 단자 형태로 구비될 수 있다.
상기 접속모듈(100)의 상기 제1결합부재(170)와 상기 센싱모듈(200)의 상기 제2결합부재(270)가 서로 결합되면, 상기 접속포트(240)와 상기 제2접속단자(120)는 면접촉되는 것만으로 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 통해 상기 접속모듈(100)과 상기 센싱모듈(200)의 결합 및 분리가 더욱 용이해지며, 탈부착 식에도 상기 접속포트(240)와 상기 제2접속단자(120)가 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 센싱모듈(200)의 단부에는, 훼손 유무를 통해 상기 센싱모듈(200)의 사용여부를 확인 가능한 식별필름이 부착될 수 있다. 상기 센싱모듈(200)의 단부에는 상기 접속모듈(100)의 단부에 마련된 웨지형상의 가압돌기(미도시)와 결합 가능한 수용홈(미도시)이 마련되고, 수용홈의 입구에는 상기 센싱모듈(200)의 단부에 부착되어 수용홈의 입구를 차단하도록 구성되는 박막형태의 상기 식별필름이 부착될 수 있다.
상기 식별필름은 상기 센싱모듈(200)과 상기 접속모듈(100)의 결합 시 수용홈으로 삽입되는 상기 접속모듈(100)의 가압돌기에 의해 소정의 힘으로 가압되어 파손되도록 구성될 수 있다. 따라서, 사용자는 상기 센싱모듈(200)의 단부에 마련된 식별필름의 훼손유무를 확인하여 상기 센싱모듈(200)의 사용여부를 파악할 수 있다. 다만, 센싱모듈(200)의 사용여부를 확인 가능한 구성은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 변경되어 적용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 센싱모듈(200)은 분석 시료로부터 표적물질을 감지하도록 구성되는 복수 개의 센싱부를 포함할 수 있다. 복수 개의 상기 센싱부는 상기 접속포트(240)와 전기적으로 연결되는 것으로, 상기 하우징(250) 내부에 설치될 수 있다.
복수 개의 상기 센싱부 각각에는 상기 센서(210)를 포함하며, 복수 개의 상기 센싱부는 격벽(214)을 통해 서로 분리되되, 상기 접속모듈(100)과 전기적으로 결합 가능한 상기 접속포트(240)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있는 것이다.
복수 개의 상기 센싱부는 제1센싱부(210a)와 제2센싱부(210b)를 포함할 수 있다. 상기 제1센싱부(210a)와 상기 제2센싱부(210b)는 상기 하우징(250) 내에 구비된 상기 격벽(214)을 통하여 서로 독립된 공간에 배치될 수 있다.
상기 제1센싱부(210a)와 상기 제2센싱부(210b)는 각각 접촉된 분석 시료로부터 표적 물질을 감지하고, 표적 물질과 반응하여 전기적인 신호를 발생시키는 상기 센서(210) 및 상기 본딩 와이어(260)를 통하여 상기 센서(210)와 전기적으로 연결되고, 상기 전선(261)을 통하여 상기 접속포트(240)와 전기적으로 연결되는 상기 접속패드(230)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1센싱부(210a)와 상기 제2센싱부(210b)는 상기 채널(253)이 각각 구비될 수 있으며, 각각의 상기 채널(253)에는 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1센싱부(210a)와 상기 제2센싱부(210b) 각각에는 상기 접속패드(230)와 상기 접속포트(240) 사이에서 상기 접속패드(230)와 상기 접속포트(240)의 접속을 제어하는 전원부(290)가 더 구비될 수 있다.
상기 전원부(290)는 상기 접속패드(230)와 상기 접속포트(240)에 전기적으로 연결되고, 사용자의 조작을 통해 ON/OFF 제어되도록 구성될 수 있다. 따라서, 사용자의 조작을 통하여 상기 전원부(290)가 ON 상태로 제어된 경우에만, 상기 접속패드(230)와 연결된 상기 센서(210)의 전기적 신호가 상기 접속포트(240)로 전송될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 사용하는 바이오 센서는 상기 제1센싱부(210a)와 상기 제2센싱부(210b)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 2개 이상의 센싱부가 구비될 수도 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 사용하는 바이오 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 사용하는 바이오 센서(10)는 USB 또는 핀 형태로 마련된 접속단자를 통해 외부장치(20)와 전기적으로 연결되도록 구성되므로, 다양한 장치에 적용 가능하여, 비용을 절감할 수 있음은 물론, 실생활에서도 쉽게 사용 가능하여 편의성 및 제품의 활용성이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 사용하는 바이오 센서(10)는 외부장치(20)와 전기적으로 연결되는 접속모듈(100)과, 접속모듈(100)에 탈착 가능한 센싱모듈(200)로 구성되므로, 센싱모듈(200)의 교체를 통해 다양한 종류의 검사를 수행 가능하고, 접속모듈(100)이 외부장치(20)에 결합된 상태에서 센싱모듈(200)만 교체 가능하여 연속적으로 신속한 검사를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 사용하는 바이오 센서(10)는 접속모듈(100)을 매개로 센싱모듈(200)과 외부장치(20)가 서로 전기적으로 연결되도록 구성되므로, 바이오 센서(10)를 외부장치(20)에 결합하거나 분리할 경우에도 센싱부위가 외부장치(20)에 의해 손상되는 것이 방지된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 사용하는 바이오 센서(10)에 적용되는 기판(211)에 마련되는 전극의 형상이 개선됨으로써, 종래 대비 더 많은 수량의 센서(210)의 제작이 가능하게 되어, 제조비용이 절감될 수 있다.
구체적으로, 기판(211)에 마련되는 전극의 형상이 개선됨으로써, 센서(210)를 2 x 2 mm 크기로 제작 가능하게 되고. 따라서 기존에 8인치 웨이퍼를 이용하여 제작 가능한 센서(210)의 수량이 적게는 1000개에서 많게는 2만개까지 크게 증가하였다. 센서(210)를 제외한 타 부분은 제조 단가가 저렴한 PCB 공정을 이용하여 제조비용을 더욱 절감할 수 있다.
이와 함께, 본 발명의 실시예에 따른 밀리웰 또는 마이크로웰 구조를 사용하는 바이오 센서(10)는 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조(220)를 통해 분석 시료를 삽입함에 따라 분해능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
실시예 1. 나노웰, 마이크로웰, 밀리웰 전극을 이용한 ALP(alkaline phosphatase) 정량 분석
나노웰, 마이크로웰, 밀리웰 전극을 이용한 ALP 정량 분석의 유효성을 확인하였다.
구체적으로, 먼저 전극은 나노웰 NWA_U101 전극 (㈜마라나노텍 제조), 마이크로웰 MWA_U201 (㈜마라나노텍 제조), 밀리웰 Milli_U301 (㈜마라나노텍 제조)을 사용하였다. 표 1과 같이 ALP 표준용액을 제조하였고, ALP의 CUT-OFF 값은 1~3 ng/ml 에 형성되어 있으며 본 실험에서 양성 대조군과 음성 대조군의 농도를 표 2와 같이 준비하였다. 음성 대조군은 ALP를 넣지 않았다. ALP는 randd system에서 구입하였으며 기질반응용액인 sigmafast p-nitrophenyl phosphate는 sigma에서 구입하였다. ALP는 1030C Multi-potentiostat (CH instrument에서 구입) 장비를 사용하여 측정하였으며 구체적인 조건은 표 3과 같다.
표준시료 30 ul per test
SIGMAFAST 90 ul
ALP 10 ul
Total 100 ul
구분 농도 볼륨 첨가 기질용액
양성 대조군 3 ng/ml 10 ul sigmafast tablet phosphate (90 ul)
10 ng/ml
30 ng/ml
100 ng/ml
200 ng/ml
음성 대조군 0
장비 패러미터 상세내용
CH 1030C 측정방법 SWV (SQUARE WAVE VOLTAMMETRY)
시작 전압 -0.3 V
최종 전압 0.7 V
계단 전압 0.005 V
크기 0.025 V
주파수 10 Hz
설정 민감도 1 uA
준비된 전극 위에 상기와 같이 농도별로 처리한 샘플을 떨어뜨리고, 10분 후 표 3과 같은 조건으로 전기신호를 측정하였다. 모든 측정은 3회씩 반복하였다. 측정된 전류의 값을 토대로 전기화학 측정 곡선 그래프로 나타내었다. 그 결과, 나노웰 또는 마이크로웰 전극을 이용하여 ALP의 농도별로 측정된 전류값이 도 11 및 도 12와 같이 나타났다. ALP 농도가 증가할수록 0.1 내지 0.5 V 사이의 전류치가 증가하였으며, 그 중 0.4 V에서 전류치가 최대로 증가하여 ALP 농도를 감지하기 용이하여 0.4 V에서 농도별 측정값을 기록하였다. 밀리웰 전극을 이용하여 ALP의 농도별로 측정된 전류값은 도 13과 같이 나타났다. ALP 농도가 증가할수록 0.1 내지 0.7 V 사이의 전류치가 증가하였으며, 그 중 0.5 내지 0.6 V에서 전류치가 최대로 증가하여 ALP 농도를 감지하기 용이하여 0.5 V에서 농도별 측정값을 기록하였다.
도 11은 나노웰 전극을 이용하여 ALP를 농도별로 측정한 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 12는 마이크로웰 전극을 이용하여 ALP를 농도별로 측정한 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 13은 밀리웰 전극을 이용하여 ALP를 농도별로 측정한 전류값을 나타낸 그래프이다.
각 전극의 민감도를 확인하기 위해 상기 ALP 농도별로 측정된 전류값을 각각의 전극의 음성 대조군으로 나눈 비로 환산하여 도 14와 같이 그래프로 나타내었다. 그 결과, 마이크로웰 전극 및 나노웰 전극이 밀리웰 전극보다 높은 전류값/음성 대조군 값을 나타냈고, 나노웰 전극의 경우 ALP 고농도에서 마이크로웰 전극보다 높은 값을 나타냈다. 이러한 결과는, 마이크로웰 전극 또는 나노웰 전극을 이용하는 경우 밀리웰 전극보다 민감성이 더 높은 ALP 분석이 가능함을 의미한다.
도 14는 각 전극의 민감도를 비교하기 위해, ALP 농도별로 측정된 전류값을 각 전극의 음성 대조군으로 나눈 비로 환산하여 나타낸 그래프이다.
상기 결과를 이용해서 전류와 ALP 농도별 관계를 도 15 내지 도 17과 같이 각 전극별로 함수로 도출하였다. 나노웰 전극에서의 전류값 및 ALP 농도에 대한 함수는 y(uA) = -257.00 + 256.96*exp(-6304.58x(g/mL))로 나타낼 수 있고, 마이크로웰 전극에서의 전류값 및 ALP 농도에 대한 함수는 y(uA) = -1.35 + 1.15*exp(-1.74*107x(g/mL))로 나타낼 수 있으며, 밀리웰 전극에서의 전류값 및 ALP 농도에 대한 함수는 y(uA) = -2.76 + 1.63*exp(-3.53*107x(g/mL))로 나타낼 수 있었다. 이러한 전극별 함수를 이용해 전류값에 따라 ALP 농도를 정량할 수 있다.
도 15는 나노웰 전극에서의 전류값과 ALP 농도별 관계를 나타낸 그래프이다.
도 16은 마이크로웰 전극에서의 전류값과 ALP 농도별 관계를 도출한 그래프이다.
도 17은 밀리웰 전극에서의 전류값과 ALP 농도별 관계를 도출한 그래프이다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10...바이오 센서 20...외부장치
100...접속모듈 110...제1접속단자
120...제2접속단자 130...컨트롤러
140...본체 150...전원부
160...각도 조절부 161...회전부대
162...안내부재 170...제1결합부재
171...결합돌기 172...제1자성체
200...센싱모듈 210...센서
211...기판 212...전극
212a...제1전극 212b...제2전극
212c...제3전극 213...연결패드
214...격벽 220...밀리웰 또는 마이크로웰 구조
230...접속패드 240...접속포트
250...하우징 250a...수용공간
251...제1부재 251a...결합홈
252...제2부재 252a...결합돌기
252b...안착홈 252c...수거홈
252d...시료 안내면 253...채널
254...경사면 260...본딩 와이어
261...전선 270...제2결합부재
271...결합홈 272...제2자성체
280...차폐 구조물 290...전원부

Claims (9)

  1. 외부장치와 전기적으로 연결 가능한 접속모듈;
    내부로 유입된 분석 시료로부터 ALP(Alkaline phosphatase) 물질을 감지하고, 상기 감지된 ALP 물질과 반응하여 발생된 전기적인 신호를 상기 접속모듈에 전송하도록 구성되는 센싱모듈;을 포함하고,
    상기 센싱모듈에는, 상기 분석 시료로부터 상기 ALP 물질을 감지하고, 상기 ALP 물질과 반응하여 상기 전기적인 신호를 발생시키는 센서가 구비되며, 상기 발생된 전기적인 신호에 의해 ALP 물질이 정량적으로 측정되고,
    상기 센서는,
    기판;과 상기 기판의 일면에 마련되며, 상기 ALP 물질과 반응하여 전기 화학적 신호를 발생시키는 복수개의 전극을 포함하고,
    상기 전극은 작업 전극(working electrode), 대 전극(counter electrode) 또는 기준 전극(reference electrode)인 것이며,
    상기 작업 전극 상에는 도전층이 증착된 필라(pillar)가 배치되어 있고,
    상기 센싱모듈은 상기 접속모듈에 탈부착 가능하고, 본딩 와이어를 통하여 상기 센서와 전기적으로 연결되는 접속패드와 상기 접속패드와 전기적으로 연결되고, 상기 접속모듈에 결합 가능한 접속포트와 상기 센서, 상기 접속패드 및 상기 접속포트가 설치되는 하우징을 더 포함하는 것인, ALP 측정용 바이오 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 센서는 상기 전극 상부에 복수 개의 홈으로 이루어진 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰 구조를 포함하는 것인, ALP 측정용 바이오 센서.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 나노웰, 마이크로웰 또는 밀리웰은 직경이 50 nm 내지 50 mm인 것인, ALP 측정용 바이오 센서.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 분석 시료는 개체로부터 분리된 생물학적 시료인 것인, ALP 측정용 바이오 센서.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 접속모듈과 상기 센싱모듈은 자성을 통해 서로 탈부착 가능하게 결합되며, 면접촉을 통해 서로 전기적으로 연결되는 것인, ALP 측정용 바이오 센서.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 센싱모듈은 한 개 이상이며, 한 개 이상의 상기 센싱모듈은 하나의 상기 접속모듈에 탈부착 가능한 것인, ALP 측정용 바이오 센서.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 센싱모듈에는 상기 센서를 포함하는 센싱부가 복수 개 구비되며, 복수 개의 상기 센싱부는 격벽을 통해 서로 분리되되, 상기 접속모듈과 전기적으로 결합 가능한 접속포트를 통해 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, ALP 측정용 바이오 센서.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 ALP 물질의 정량적 측정은 하기 수학식 1 내지 3 중 어느 하나로 측정되는 것인, ALP 측정용 바이오 센서.
    [수학식 1]
    y(uA) = -257.00 + 256.96*exp(-6304.58x(g/mL))
    [수학식 2]
    y(uA) = -1.35 + 1.15*exp(-1.74*107x(g/mL))
    [수학식 3]
    y(uA) = -2.76 + 1.63*exp(-3.53*107x(g/mL))
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