KR20100054357A - 자기 센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 자성입자가 결합한 검체가 고정되는 검체고정유닛과 상기 검체에 외부자기장을 인가하는 외부자기장 인가장치, 그리고 상기 외부자기장에 따른 검체의 자기적 성분을 검출하는 자기저항(MR)센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 자기센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 검체고정유닛에 검체를 마운팅하고 외부자기장인가장치를 통해 외부자기장을 인가한 후, 자기센서에서 자기적성분과 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적성분으로 분리하고 분석하여, 효율적인 검출시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.

자기 센서, GMR, 검체, 바이오 물질, 외부자기장인가장치, 솔레노이드

Description

자기 센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템{System for signal detection of specimen using magnetic resistance sensor}

본 발명은 자기저항 센서를 이용한 진단기기에 관한 것으로, 구체적으로는 자기저항센서와 외부 자기장인가장치를 이용하여 자성입자와 결합한 검체(검사대상물)에 자기적 성분의 변화를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있는 검출시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자기센서 카트리지(magnetic sensor)는 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서 카트리지로서, 자기장의 영향으로 여러 가지 물질의 성질 등이 변하는 것을 이용하여 자기장을 측정한다. 홀효과나 자기저항효과 등을 이용하여 홀소자나 MR(Magnetic Resistance) 소자 등을 만들기도 하고, VTR(Video Tape Recorder), 테이프 리코더 등의 제조에도 이용한다.

한편 혈액 성분 분석 수단으로 거대 자기저항 센서 카트리지 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이(대한민국 특허공개번호 : 2004-55387)가 공개된 바 있다.

도 1은 종래 거대 자기저항 센서 카트리지 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이의 개념도이다.

그래서 복수개의 거대 자기저항 센서 카트리지를 N개의 컬럼과 M개의 로오로 이루어진 센싱 셀 어레이에 배치하고, 센싱 셀 어레이로 이루어진 바이오 센서 카트리지 칩을 패키지 혹은 웨이퍼 레벨에서 준비한다.

그리고 주변 물질로 이루어진 성분 측정 데이터들을 각각의 거대 자기저항 센서 카트리지에 노출시킨다. 이후 거대 자기저항 센서 카트리지의 센싱 셀 어레이에서 각각의 성분 측정 데이터들을 측정하고, 혈액 성분 분석 수단을 이용하여 측정된 성분 데이터들을 전기적으로 분석하게 된다.

이러한 기존 발명은 거대 자기저항 센서 카트리지 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이에 관한 것으로, 각각 다른 복수개의 성분으로 구성된 주변 물질들의 성분을 서로 다른 자기장의 검출에 따라 센싱하여 전기적 성분으로 분리 및 분석하도록 하는 기술을 개시하였다.

기존 발명은 센싱 셀 어레이 GMR(Giant Magneto Resistance, 거대 자기 저항) 소자, 스위칭 소자 및 자성물질(또는 포싱 워드라인)로 구성되는 거대 자기저항 센서를 바이오 센서 카트리지 칩에 복수개의 로오 및 컬럼 형태를 갖는 센싱 셀 어레이로 배치하여, 각각 다른 특성을 띠는 주변물질의 성분에 따라 각각 상이한 자화율을 센싱하여, 주변물질의 전기적 성분을 분석한다.

혹은 각각 다른 복수의 성분으로 구성된 주변 물질 등을 자화율 또는 유전율에 따르는 전기적 성분으로 분리하고 분석하게 하는 것이다.

MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 또는 GMR 소자를 가지는 자화 페어 감지 센서, MTJ 소자 및 자성 물질을 가지는 자기저항 센서, 센싱 커패시터 스위칭 소자를 가지는 유전율 감지 센서, MTJ 소자 또는 GMR 소자, 전류 라인, 가변 강자성층 및 스위칭 소자를 가지는 자화 홀 감지 센서, 또는 GMR 소자, 스위칭 소자 및 자성 물질 으로 구성되어 지는 거대 자기저항 센서를 바이오 센서 팁에 복수의 로오 및 컬럼 형태를 가지는 센싱 셀 어레이로 배치하고, 각각 다른 특성을 나타내는 주변 물질의 성분 및 성분의 크기에 따르고 각각 서로 다른 자화율 또는 유전율을 센싱 하고, 분석을 원하는 주변 물질의 성분을 전기적 성분으로 분리하게 한다.

기존 기술의 경우, 센서를 어레이로 사용한다는 점과 센서와 바이오 물질(bio-contents) 간의 센싱되는 매커니즘을 기술하였고, 어레이 타입(type)과 관련한 회로구성에 역점을 두었다. 그러나 기존 기술의 이러한 센서구성은 복잡한 메모리 구조를 기본으로 하였으며 간단한 센싱 키트(Kit)를 제작하는 데는 큰 문제점을 가지고 있다. 또한 비용 면에서도 MRAM(Magnetic Random Access Memory) 구조와 같은 반도체 공정을 이용한 센서 및 회로 단을 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 스위칭 회로로 구성해야 하는 어려움을 가지고 있어 비용 면에서 큰 약점을 가지고 있다. 또한 기존 기술의 경우, 감도 자체는 1:1 접촉으로 향상 시킬 수 있으나, 디바이스의 제한된 체적에 의한 검지체 양의 조절이 제한적이며, 디바이스 각각에 개별적인 CMOS 회로가 필요하여, 고비용은 물론 디바이스의 재사용이 어려운 문제점이 있다.

아울러 자기저항센서에 있어서, 외부자기장을 인가함에 있어서, 측정시 외부조건이 변동되어 센서가 불안정한 기술적인 문제가 있으며, 자성입자의 자화값의 강화에 따라 자기저항센서의 감지불량이 발생하는 문제도 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 항원과 같은 바이오물질을 포함하는 검체를 마운팅하고, 외부자기장인가장치에서 안정적인 자기장의 인가를 수행함과 동시에 자기센서에서 자기적 성분이 결합된 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석하여 고효율의 진단시스템으로 활용할 수 있는 검출시스템을 제공하는데 있다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 구성으로, 자성입자가 결합한 검체가 고정되는 검체고정유닛;상기 검체에 외부자기장을 인가하는 외부자기장 인가장치;상기 외부자기장에 따른 검체의 자기적 성분을 검출하는 자기저항(MR)센서;를 포함하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템을 제공한다.

특히, 상술한 외부자기장 인가장치는 솔레노이드, 전자석, 자석요크 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기의 자기저항센서는 적어도 1 이상의 거대자기저항(GMR) 디바이스로 구성될 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 상기 자기저항센서는 바 칩형태 또는 패키지 형태로 이루어질 수 있다.

특히, 상기 검체가 고정되는 검체고정유닛은 측정 카트리지 또는 멤브레인으로 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서를 이용한 신호검출시스템은, 상기 자기적 성분의 검출은 측정카트리지 또는 멤브레인을 사용하여 비접촉방식으로 상기 검체의 자기신호를 검출하거나, 상기 자기저항센서 위에 검체를 탑제하여 센서와 검체가 직접접촉하는 방식으로 자기신호를 검출할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 상술한 신호검출시스템은 자기센서에서 감지한 자기신호를 스케닝하는 스켄부를 더 포함하여 구성될 수도 있다.

이 경우, 상기 스켄부는, 상기 검체를 지지하는 검체지지부와 상기 검체고정유닛을 고정하는 측정로더(loader) 더 마련하는 구조로 형성될 수 있다.

또한, 상술한 측정로더에 검체고정유닛을 고정하고, 일정한 주파수 인가를 통한 신호검출을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상술한 시스템에서 감지한 자기신호를 전기적 성분으로 분리하고 분석하여 결과를 출력하는 측정값 처리부를 더 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은 전체 시스템을 구성함에 있어서, 일정 주파수에 의해 상기 검체지지부 또는 상기 자기센서를 왕복시키도록 구동되는 구동부를 더 포함하도록 형성할 수도 있다.

본 발명에서의 검체는 항원을 포함한 바이오 물질일 수 있다.

또한, 본 발명에서 검체에 결합하는 상기 자성입자는 10~100emu/g의 자화값을 갖도록 형성할 수 있으며, 상기 자기저항센서는 0~150Gauss에서 최대의 민감도를 가지도록 함이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 검체고정유닛에 검체를 마운팅하고 외부자기장인가장치를 통해 외부자기장을 인가한 후, 자기센서에서 자기적성분과 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다.

특히, 솔레노이드, 전자석, 자석요크 중 어느 하나를 이용한 외부자기장 값을 인가하되, 자성입자의 자화값을 최대로 하며, 자기센서에는 영향을 최소화시킬 수 있도록 하여 감지의 효율을 극대화시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 바이오 센서 카트리지용으로 카트리지 형태의 거대 자기저항 센서 카트리지(Giant Magneto Resistance Cartridge)를 측정값 처리부와 결합하여 자기적 성분과 결합된 검체를 검출 및 센싱하여 전기적 성분으로 분리 및 분석할 수 있도록 할 수 있으며, 기존 반도체 단위공정으로 제작된 거대 자기저항 디바이스를 바이오 센서로 적용하고자 할 때, 센싱 엘리먼트(Sensing element)와 검체를 비 접촉시킴으로써 미소량의 검지체의 감도를 향상시킴으로써 정량적 분석을 원활하게 수행할 수 있다.

더불어 본 발명은 비접촉식의 거대 자기저항 센서(Giant Magneto Resistance)로 활용하여 검지체에 대한 센싱을 통해 생체진단을 수행할 수 있다. 이에 POCT(Point of Care Testing)에 사용되는 멤브레인을 검체 진단 키트에 설치하여 효과적인 멤브레인 측정을 위한 측정기구를 개발할 수 있다.

나아가 본 발명은 센싱 엘리먼트(element)의 크기에만 제한되었던 감지범위를 극복할 수 있고, 동적인 스캐닝 방식에 의해 주파수 간 노이즈(Noise)를 구분할 수 있어 정량적 측정해석을 할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 구체적인 구성과 작용을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱원리를 설명한 개념도이다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 자기저항 센서중 거대자기저항(GMR; Giant Magneto Resistance)를 이용한 센싱원리를 일례로 설명하기로 한다.

이는 스핀 밸브 타입(Spin-valve type) GMR(Giant Magneto Resistance) 디바이스를 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 자기저항센서는 두 개의 강자성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 끼어 있는 형태로 첫 번째 층의 강자성층 금속층의 자력은 고정되어 있고, 두 번째 층의 강자성체의 자력을 가변적으로 조정하여 첫 번째 층과 자력이 평행할 경우 오직 특정방향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통과하는 원리를 이용한다. 즉, 두 강자성층의 자화방향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저항의 차이, 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하게 된다. 층간 물질이 도체인 경우가 바로 GMR 디바이스에 해당된다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성을 설명하기로 한다.

본 발명의 기본구성은 검출하고자 하는 검체와 상기 검체를 고정하는 검체고정유닛(120), 상기 검체에 외부에서 자기장을 인가하는 외부자기장인가장치(110), 그리고 자가저항 센서(130)를 포함하여 이루어진다.

이 기본구조를 이용해 검체를 검체고정유닛(120)에 마운팅(mounting)하고, 외부자기장인가장치(110)에서 외부자기장을 인가하며, 자기저항센서(130)에서 자기적성분(자성입자)와 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록한다. 특히 여기에서 검체는 항원과 같은 바이오물질을 포함하며, 비바이오물질을 포함할 수도 이다. 마운팅(mounting)은 검체가 고정된 검체고정유닛에 항원등을 인가하여 결합하여 감지하는 것을 의미한다.

본 발명에서 사용할 수 있는 자기저항 센서는 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서, 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서, MJT (Magnetic Tunneling Junction)센서 중 선택되는 어느 하나를 이용함이 바람직하다. 특히 바람직하게는 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있다.

상술한 각 센서에 대해 간략히 설명하자면, 상기 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서는 비자성도체 및 반도체재료의 경우 외부에서 자기장이 가해지면 전도전자가 Lorentz 힘을 받아 궤적이 변하므로 저항이 변화하게 되는 것을 이용한 것으로, 일반적으로 상당히 작은 저항의 변화를 나타내는 특징이 있다.

또한, 상기 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서는, 이방성 자기저항을 이용한 것이다. 즉 강자성 도체 재료에서는 일반 자기 저항 이 외에도, 스핀-궤도 결합에 의해 (Spin-Orbit coupling에 의한 d-band splitting) 자화가 잘 되는 방향(easy axes)과 그렇지 않은 방향(hard axes)이 존재하게 되는데, 이는 외부 자기장 방향과 전류 방향간의 각도에 의해 결정되고, 방향에 의해 결정되므로 AMR(Anisotropic MR, 이방성 자기저항)이라하는데, 이러한 성질을 이용한 센서이다. 이 센서는 이러한 각각의 방향에 따라 2.5% 정도의 저항 차이를 보이는 특징이 있다.

또한, 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있으며, 상기 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서는 이방성자기저항 재료보다 수배에서 수 십배 더 큰 자기저항을 갖는 특징이 있다. 특히 인접한 자성층의 상대적인 스핀 방향 차이에 따라 전도 전자의 부가적인 산란에 의해 저항 의 변화가 생기며 OMR이나 AMR과는 근본적으로 그 기구가 다른 특성이 있게 된다.

아울러 상술한 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서는 1993 년 von Helmolt에 의해 처음 발견된 것으로, 주요한 특징으로는 자기장을 걸어주면 저항이 10배씩 바뀌는 특징을 가지는 센서를 말한다.

또한, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서를 본 발명의 자기저항 센서로 활용이 가능하다. 터널링 자기저항이란, 상술한 GMR 이론을 이용하면 가운데 층을 비-자성물질이 아닌 전기가 통하지 않는 절연체(insulating material)로 대체할 수 게되는데, 이론적으로는 따라서 전류가 이 절연체룰 통과할 수 없지만, 만약 나노 단위 두께로 작아지면, 양자역학 효과(quantum mechanical effect) 중의 하나인 터널링(tunnelling) 효과에 의해 전자들이 점핑되어 통과할 수 있게 되는 기술과 시스템을 말하며, 이를 이용한 센서를 일컫는다.

MJT (Magnetic Tunneling Junction)센서는 TMR과 같은 개념의 현상을 이용한 것이고, 여기에 더 나아가 적용이 가능한 것으로 SDT(Spin Dependent Tunneling)도 GMR, TMR 과 같이 spin up/ down 현상을 이용하여 외부의 작은 자기저항 변화값을 측정 하는 방식을 활용한 것을 말하며, 모두 본 발명의 자기저항 센서로 적용이 가능함은 물론이다. 아울러 상기 자기저항센서는 바 칩(bare chip)형태 또는 패키지(package) 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 검체고정유닛(120)은 측정 카트리지 또는 멤브레인으로 형성될 수 있으며, 측정카트리지 또는 멤브레인을 사용하여 비접촉방식으로 상기 검체의 자기신호를 검출하거나, 상기 자기저항센서 위에 검체를 탑제하여 센서와 검체가 직접접촉하는 방식으로 자기신호를 검출할 수 도 있다.

도 4를 참조하여 본 발명에 따른 검체고정유닛(120)의 일실시예를 설명하기로 한다. 도 4에 도시된 것은 자기저항센서 중 거대자기저항(GMR) GMR 측정키트 및 증폭회로를 도식화 한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예로서의 검체고정유닛으로서의 측정키트는 그 내부에 바이오센서용 GMR을 한 개 혹은 복수 개를 설치하여 전극 패턴을 형성하였다. 이 때 사용된 GMR소자는 0.3mm, 0.5mm,1.0mm 또는0.25mm, 1.0mm, 1.5mm의 체적을 갖는 규격으로 포화영역(Saturation field)은 3~150Gauss이고 감도(Sensitivity)는 최소 0.9~최대18(mV/V-Oe)되는 소자를 사용하였다.

GMR소자 자체 인터페이스(interface)는 휘스톤브릿지(Wheatstone bridge)를 사용하여 전원 공급은 5V를 인가하였고, 이 때 센싱 엘리먼트(sensing element)는 약 5KΩ정도로 측정되는 것을 사용하였다.

바이오센서용 GMR을 이용한 측정키트의 규격은 최소와 최대 규격을 한정하지는 않았으며, 설치하고자 하는 GMR소자수와 전극 패턴과 관련하여 측정키트의 규격은 달라질 수 있도록 하였다.

GMR 센서가 임베디드 되어있는 측정키트는 감지된 신호를 증폭시키는 증폭회로와 연결하였고, 전원 단에서의 노이즈와 출력 단에서의 노이즈를 제거하고자 주파수 필터링(filtering)단을 추가하였으며 브리지앰프(bridge-amp)에 적합한 LMC7101 증폭기를 사용하였다. 특히, 차동 증폭기 3개 이상을 설치하여 신호의 감도 폭을 높였으며, 출력 단에서 가변저항을 설치하여 출력 단에서 센서 자체가 가지는 감도 이상을 증폭하고자 하였다. 증폭회로에 사용된 증폭기는 LMC7101에 한정되는 것은 아니며 다양한 증폭기를 사용 할 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 외부자기장 인가장치의 구성을 설명하기로 한다. 외부자기장을 인가해 주는 장치로 전자석 또는 자석요크, 솔레노이드 코일을 이용할 수 있다.

도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 외부자기장 인가장치를 솔레노이드 코일을 사용하여 형성한 것으로, 구체적으로는 솔레노이드 코일을 이용하여 0 ~ 100Gauss까지 조절이 가능하게 설계할 수 있으며, 인가되는 자기장의 균일도는 1% 내의 오차범위를 갖도록 제작할 수 있도록 한다. 또한, 이러한 솔레노이드 코일의 사이즈, 원통의 지름, 코일 굵기, 코일을 감은 턴 수는 상기 조건에 맞도록 설계되 어진 것이고, 변경도 가능함은 물론이다.

또한, 도 6은 외부에서 자기장을 인가해 주는 장치의 다른 일례로 전자석 혹은 영구자석을 사용하여 제작한 장치이다. 전자석요크의 경우 외부에서 인가되는 자기장은 0 ~ 200Gauss까지 조절이 가능하고, 요크내에서의 자기장 변화율은 큰 범위에서 1% 내외이고, 정중앙에서는 10^-5 의 변화율을 같도록 설계, 제작됨이 바람직하다. 상기 전자석요크의 사이즈는 시뮬레이션을 통해 제작되었으며, 사이즈 및 형태는 변경이 가능하다. 또한, 전자석 외에 영구자석을 이용해서도 외부자기장 인가장치를 제작 할 수 있으며 이때는 0 ~ 200Gauss 중 필요로 하는 자기장 영역대를 선택하여 제작함이 바람직하다.

본 실험에서는 100Gauss 를 인가해 주는 영구자석 형태의 요크를 제작하였고, 자기장의 변화율은 1% 내외의 오차 범위를 갖도록 설계 하였다.

자기저항 센서중 본 발명에서 일 실시예로서의 GMR 센서를 적용하는 경우에는, 상술한 도 5 혹은 도 6의 외부자기장 인가장치 내에 위치 시켜 측정시 항상 일정한 조건의 자기장 값을 인가받도록 함이 바람직하다.

이는 본 발명에서 적용하는 외부자기장 인가장치는 측정시 외부 조건을 항상 일정하게 유지시켜 센서를 안정화 시키는 동시에, 측정에 사용되어지는 카트리지, 혹은 멤브레인 속에 포함되어 있는 자성입자를 자화시켜 GMR 센서가 자성입자를 감지시켜 줄 수 있도록 하는 특유의 장점이 구현된다.

본 발명에서 적용한 외부 자기장 인가 값은 0~150Gauss 이다. 일반적으로 외 부자기장값의 세가가 세면 자성입자의 자화값도 커지고, 그 자화값을 감지하는 GMR센서의 시그날 값도 세게 나타나게 된다. 하지만 자성입자의 자화값을 세게 하기 위해 외부자기장 값을 세게 하면 측정에 사용되는 GMR 센서에 영향을 미치게 된다. 때문에 측정에 사용되어지는 자성입자는 최대로 자화값을 내도록하고, GMR 센서에는 영향을 최소화 시키는 외부자기장 인가값이 필요하다. 따라서 본 발명에서의 바람직한 일 실시예로서는 10~100emu/g의 자화값을 가지는 자성입자를 사용할 수 있다. 아울러 GMR센서는 0~150 Gauss에서 최대의 민감도를 가지도록 형성함이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 따른 측정 시스템으로 실제 측정한 데이터를 나타낸 그래프이다. 특히, 여기에서는 검체고정유닛(측정키트 또는 멤브레인)에 10~100emu/g의 자화값의 범주에서의 일실시예로서 60emu/g의 자성물질을 로딩시키고, 측정한 실제 data이다. 위 실험시는 외부자기장은 40Gauss를 인가시켰으며, 센서와 측정물질간의 거리는 약 250㎛ 를 유지 시켰고, 스캔 속도는 2.4mm/sec로 측정을 하였다. 이 조건은 고정적인 것이 아니며 변경이 가능하다.

도 7의 위쪽 그림은 측정을 하기 전 초기상태의 신호를 나타내고 있다. 그리고 아래 그림은 스캐너의 측정로더에 자성입자가 로딩된 카트리지 또는 멤브레인을 스캔한 결과로 ①~⑤번에서와 같이 신호가 검출 되는 것을 확인할 수 있다. 측정 시 신호세기를 판단하는 기준은 측정전의 기준 값 또는 기준 측정 물질을 스캔 했을 때의 값을 noise로 하고, 도 7 아래 그림과 같이 감지되는 신호를 signal로 정하여 S/N ratio의 크기로 세기를 판단한다.

도 8은 자성입자와 컨쥬게이트 되어있는 항체의 농도를 변화시켜 신호의 세기변화를 측정한 결과이다. 그림에서는 1ng/ml ~ 12ng/ml까지 측정한 결과를 표시 하였으며, 실제 측정 기기에서는 1ng/ml 이하, 12ng/ml 이상의 값도 측정이 가능하다. 도7 및 도 8의 결과와 같이 본 발명에서 명시한 GMR센서를 이용한 측정시스템은 자성입자를 감지할 수 있고, 자성입자와 컨쥬게이트 되어있는 항체도 감지가 가능하다. 또한, 항체의 농도변화에 대하여도 정량적으로 분석이 가능하며, 항체 이외에 자성입자와 연결시킬 수 있는 모든 물질을 감지 할 수 있다는 것을 확인 할 수 있다.

도 9는 도8에서 측정한 항체에 대하여 농도별 변동 값을 측정한 것으로 일반적인 바이오 지단기기의 CV(변위계수)값은 10% 내외이다. 본 측정기기는 도 9와 같이 항체 측정시 CV 값을 측정한 결과인 {표 1}을 참조하면, 3.34%로 분석된다.

{표 1}

도 7 내지 도 9까지의 실험 결과는 GMR을 이용한 자기신호 검출기기의 사용 가능성을 확인시켰고, 특히 바이오 진단기기로서의 가능성을 확인시켜주는 결과이다. 이는 특히 GMR을 이용하여 정량분석기기로 사용을 할 수 있다는 것을 확인시켜주는 결과라고 할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템을 포함시킨 하나의 실시예로서의 일적용례를 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명하기로 한다.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 검출시스템을 구성함에 있어, 자기저항센서와 검체고정유닛, 외부자기장인가장치로 구성되는 기본구성에 효율성을 증진시키기 위한 구성요소를 추가하여 형성시킨 것이다. 즉, 본 실시예에서는 상기 신호검출시스템은 자기센서에서 감지한 자기신호를 스케닝하는 스켄부를 더 포함하되, 위 스켄부를 상기 검체를 지지하는 검체지지부와 상기 검체고정유닛을 고정하는 측정로더(loader)를 더 포함하여 이루어지도록 형성할 수 있다.

또한, 이러한 시스템에는 상기 신호검출시스템은 일정 주파수에 의해 상기 검체지지부 또는 상기 자기센서를 왕복시키도록 구동되는 구동부와 상기 자기 센서에서 감지한 자기신호를 전기적 성분으로 분리하고 분석하여 결과를 출력하는 측정값 처리부를 더 형성시킬 수도 있다.

도시된 도면을 참조하여 구동예를 설명하면, 상기 스캐너의 측정로더에 검체고정유닛(카트리지 또는 멤브레인)을 부착시키고, 자기저항센서의 위 또는 아래에서 좌, 우로 스캔하여 측정을 한다.

이 경우 측정로더는 상하로 높이 조절이 가능하도록 형성함이 바람직하며, 좌.우로 스캔을 하기 전에 자기저항센서와 측정물질(카트리지 혹은 멤브레인)간의 거리를 최소화 시켜 감도를 최대한으로 높일 수 있도록 함이 바람직하다.(실제 측정 시 설정한 높이는 센서의 윗 면으로 부터 50~300㎛ 떨어진 곳에 측정물질 (카트 리지 혹은 멤브레인)을 위치시켜 측정 하였다.)

GMR 센서의 특성상 측정 물질과 센서의 거리에 따라 감도가 변화하고, 그 변화는 거리의 3제곱에 반비례한다. 때문에 측정시는 거리를 최소화 시키는 것이 가장 중요한 부분이다. 본 발명에 따른 상술한 측정은 모두 비접촉 방법으로 측정을 한 것이고, 거리를 최소한으로 줄이기 위해서는 접촉 방식의 측정을 할 수도 있음은 물론이다. 접촉방식 측정을 하기 위해서는 스캔 방식보다는 In-situ 로 신호를 감지하는 시스템을 구축해서 측정을 해야 한다.

본 발명에 따른 상술한 시스템에서 위와 같이 자기저항센서와 측정물질(카트리지 혹은 멤브레인)의 거리를 최소화 시키면 좌.우로 스캔을 실행할 때는 스캔 속도가 중요한 요인이 되며, 스캔 속도에 따라 GMR센서의 신호세기가 변화한다. 따라서 측정하는 물질의 농도, 갯 수에 따라 스캔 속도를 변화 시켜 줘야한다. 한 번의 스캔으로 한 개 또는 다수 (2개 이상)의 물질을 감지하는 경우와, 측정 물질의 정확한 신호 형태를 보는 경우에 따라 속도는 변화된다.

도 11을 참조하여 도 10의 측정시스템의 적용 일실시예의 구체적인 실험례를 설명하기로 한다. 도 11은 실제 제조하는 스케닝 지그 시스템을 도시한 것이다.

즉, 도 11은 바이오 물질(항체 혹은 검체)이 고정된 검체고정유닛(측정 카트리지 혹은 멤브레인)을 측정 loader에 설치하고, 일정 주파수에 의해 왕복하는 방식으로 전기신호를 출력하도록 하는 스캐너 장비의 설계도면 및 실제 제품의 이미지이다.

도 11의 설계도면에서와 같이 여러 종류의 스캐너를 제작 할 수 있고, 스캐 너에 장착되는 외부자기장인가장치의 사이즈에 따라 스캐너의 사이즈도 변경이 가능함은 물론이다. 스캐너의 작동범위(Operating range)는 센터(Center)를 기준으로 ±100mm로 구동하였으며, 카트리지 전 범위의 검출(Detection) 물질을 감지하고자, Scan시간은 초당 0.0005~5.0mm/sec로 스캔이 가능하며, real-time으로 출력하였다.

바이오센서용 GMR (Giant Magneto Resistance)의 감도는 거리 세제곱에 반비례 하므로, 측정 loader가 설치된 후 최소 간격 확보를 위해 마이크로미터(μ-meter)를 상하 및 앞뒤로 설치하여 거리 간격 혹은 측정 물질의 위치변화에 따른 감도 변화를 최대화 하도록 하였다.

또한, 검출을 위한 바이오 물질(항체 혹은 검체)이 고정된 측정 카트리지 혹은 멤브레인은 왕복 스캔에 의해 출력 신호를 일정하게 출력 하였으며, 왕복 간 포스트 타임(Post time)은 0~10Sec로 설정하여, 센싱 응답 완화(Sensing response relaxation)에 따른 신호상쇄를 최대한으로 줄이도록 하였다.

이러한 측정 방식은 정적(Static) 조건 보다 동적 모멘트(Dynamic moment)에 높은 출력을 발생하는 바이오센서용 GMR Device에 유리하고 주파수 간 신호 Noise를 구별할 수 있는 카트리지 혹은 멤브레인에 분포된 바이오 물질(항체 혹은 검체) 분포 프로파일(profile)을 파악하는 데 유리하다.

스캐너의 측정로더에 장착되는 카트리지 혹은 멤브레인은 현재 시장에서 사용되고 있는POCT 제품을 바로 적용 할 수 있도록 설계되었으며, 향 후 사이즈 및 모양은 변경이 가능함은 물론이다.

도 12는 본 발명에 따른 자기저항센서와 측정값처리부의 결합례를 도시한 것 으로, 자기저항 센서는 GMR을 적용한 것을 보인것이다. 구성부분은 자기저항센서(20)과 측정값처리부(30)의 구성이며, 측정값처리부는 브리지 엠프와 가변저항에 의해 자기저항 센서에서 출력되는 신호를 증폭시키고, 필터에 의해 자기저항 센서에서 추력되는 신호에서 노이즈를 제거하게 됨, 측정값처리부는 입자없음 상태, 입자비율증가상태, 입자검출상태확인 등으로 구별하여 측정값을 정량적으로 출력할 수 있도록 한다.

이처럼 본 발명에서는 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 검체고정유닛에 검체를 마운팅하고 외부자기장인가장치를 통해 외부자기장을 인가한 후, 자기센서에서 자기적성분과 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다.

특히, 솔레노이드를 이용한 외부자기장 값을 인가하되, 자성입자의 자화값을 최대로 하며, 자기센서에는 영향을 최소화시킬 수 있도록 하여 감지의 효율을 극대화할 수 있도록한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래 거대 자기저항 센서 카트리지 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이의 개념도이다.

도 2는 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱원리를 설명한 개념도이다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성도이다.

도 4에 도시된 것은 자기저항센서 중 거대자기저항(GMR) GMR 측정키트 및 증폭회로를 도식화 한 것이다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 외부자기장 인가장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 측정 시스템으로 실제 측정한 데이터를 나타낸 그래프이다.

도 8은 자성입자와 컨쥬게이트 되어있는 항체의 농도를 변화시켜 신호의 세기변화를 측정한 결과이다.

도 9는 도8에서 측정한 항체에 대하여 농도별 변동 값을 측정한 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 검출시스템의 일시예이다.

도 11은 도 10의 측정시스템의 적용 일실시예의 구체적인 실험례를 도시한 것이다.

도 12는 본 발명에 따른 자기저항센서와 측정값처리부의 결합례를 도시한 것이다.

Claims (15)

1. 자성입자가 결합한 검체가 고정되는 검체고정유닛;

   상기 검체에 외부자기장을 인가하는 외부자기장 인가장치;

   상기 외부자기장에 따른 검체의 자기적 성분을 검출하는 자기저항(MR)센서;

   를 포함하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 외부자기장 인가장치는 솔레노이드, 전자석, 요크 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 자기저항센서는 적어도 1 이상의 거대자기저항(GMR) 디바이스로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 자기저항센서는 바 칩형태 또는 패키지 형태인 것을 특징으로 하는 자 기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 검체고정유닛은 측정 카트리지 또는 멤브레인인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 자기적 성분의 검출은 측정카트리지 또는 멤브레인을 사용하여 비접촉방식으로 상기 검체의 자기신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 자기센서를 이용한 신호검출시스템.
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 자기적 성분의 검출은 상기 자기저항센서 위에 검체를 탑제하여 센서와 검체가 직접접촉하는 방식으로 자기신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 자기센서를 이용한 신호검출시스템.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 신호검출시스템은 자기센서에서 감지한 자기신호를 스케닝하는 스켄부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 스켄부는,

   상기 검체를 지지하는 검체지지부와 상기 검체고정유닛을 고정하는 측정로더(loader)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 측정로더에 검체고정유닛을 고정하고, 일정한 주파수 인가를 통한 신호검출을 하는 것을 특징으로 하는 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출시스템.
11. 청구항 9에 있어서,

    상기 자기 센서에서 감지한 자기신호를 전기적 성분으로 분리하고 분석하여 결과를 출력하는 측정값 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서 를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 신호검출시스템은 일정 주파수에 의해 상기 검체지지부 또는 상기 자기센서를 왕복시키도록 구동되는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기센서를 이용한 검체의 신호검출시스템.
13. 청구항 1에 있어서,

    상기 검체는 항원을 포함한 바이오 물질인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 자성입자는 10~100emu/g의 자화값을 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
15. 청구항 14에 있어서,

    상기 자기저항센서는 0~150Gauss에서 최대의 민감도를 가지는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.

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