KR20180018287A - Cartridge and analyzer for fluid analysis - Google Patents

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KR20180018287A
KR20180018287A KR1020170057575A KR20170057575A KR20180018287A KR 20180018287 A KR20180018287 A KR 20180018287A KR 1020170057575 A KR1020170057575 A KR 1020170057575A KR 20170057575 A KR20170057575 A KR 20170057575A KR 20180018287 A KR20180018287 A KR 20180018287A
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청-시앙 셰이
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친-화 웬
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타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
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Abstract

Disclosed are a fluidic cartridge and an operation method thereof. The fluidic cartridge comprises a substrate having a plurality of contact pads designed to be electrically connected to an analyzer, a semiconductor chip with a sensor array and a reference electrode. The fluidic cartridge comprises a first fluidic channel having a first inlet and coupled to a second fluidic channel. The second fluidic channel is lined up to arrange the sensor array and the reference electrode in the second fluidic channel. A first plug is arranged in the first inlet. The first plug comprises a compliant material to be perforated by a capillary tube while a fluid is not spilled through the first plug.

Description

유체 분석을 위한 카트리지 및 분석기{CARTRIDGE AND ANALYZER FOR FLUID ANALYSIS}[0001] CARTRIDGE AND ANALYZER FOR FLUID ANALYSIS [0002]

[우선권 주장][Priority claim]

본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 인용되고 2016년 8월 9일 출원되고 발명의 명칭이 "CARTRIDGE AND ANALYZER FOR FLUID ANALYSIS"인 미국 가출원 제62/372,596호의 이익을 주장한다.This application claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 62 / 372,596, filed August 9, 2016, entitled " CARTRIDGE AND ANALYZER FOR FLUID ANALYSIS ", which is incorporated herein by reference in its entirety.

바이오센서(biosensor)는 생체 분자(biomolecule)를 감지하고 검출하기 위한 소자이며, 전자적, 전기 화학적, 광학적 및 기계적 검출 원리에 기초하여 동작한다. 트랜지스터를 포함하는 바이오센서는 전하, 양성자 및 바이오 엔티티(bio-entity) 또는 생체 분자의 기계적 특성을 전기적으로 감지하는 센서이다. 검출은 바이오 엔티티 또는 생체 분자 자체를 검출함으로써 수행되거나, 또는 특정 반응물과 바이오 엔티티/생체 분자 사이의 상호 작용 또는 반응을 통해 수행될 수 있다. 이러한 바이오센서는 반도체 공정을 이용하여 제조될 수 있고, 전기 신호를 신속하게 변환할 수 있으며, 집적 회로(IC; integrated circuit) 및 MEMS에 쉽게 적용될 수 있다.Biosensors are devices for sensing and detecting biomolecules and operate on the basis of electronic, electrochemical, optical and mechanical detection principles. A biosensor including a transistor is a sensor that electrically senses charge, protons, and bio-entities or mechanical characteristics of biomolecules. Detection may be performed by detecting the bio-entity or the biomolecule itself, or may be performed through interaction or reaction between the specific reactant and the bio-entity / biomolecule. Such biosensors can be fabricated using semiconductor processes, can quickly convert electrical signals, and can be easily applied to integrated circuits (ICs) and MEMS.

생물학적 샘플 자체와 바이오센서의 상호 작용은 도전일 수 있다. 통상적으로, 생물학적 샘플을 포함하는 유체(fluid)는 바이오센서의 감지부 바로 위에서 피펫으로 계량된다. 이 방법은 유체 샘플의 대부분이 사용되지 않는 것을 초래하며, 각각의 감지 영역을 수동으로 로딩하는데 시간이 걸린다.The interaction of the biological sample itself with the biosensor may be a challenge. Typically, a fluid containing a biological sample is metered with a pipette just above the sensing portion of the biosensor. This method results in most of the fluid sample not being used, and it takes time to manually load each sensing area.

본 개시 내용의 양태는 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 첨부된 도면과 함께 숙독될 때 가장 잘 이해된다. 업계에서의 표준 관행에 따라, 다양한 특징은 배율에 맞추어 작도되지 않은 것이 주목된다. 사실, 다양한 특징의 치수는 논의의 명료성을 위하여 임의로 증가되거나 또는 감소될 수 있다.
도 1은 예시적인 바이오센싱 카트리지(bio-sensing cartridge)의 컴포넌트를 예시하는 도면이다.
도 2는 예시적인 듀얼 게이트 후면 감지(dual-gate back-side sensing) FET 센서의 단면도이다.
도 3은 예시적인 어드레싱 가능한 어레이 내에 구성되는 복수의 FET 센서의 회로도이다.
도 4는 어드레싱 가능한 듀얼 게이트 FET 센서 어레이 및 히터의 회로도이다.
도 5는 pH 센서로서 구성된 예시적인 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서의 단면도이다.
도 6a은 리셉터층(receptor layer)으로의 이온의 바인딩의 일례를 도시한다.
도 6b는 pH에 기초하는 예시적인 FET 센서 내의 임계 전압에서의 변화를 도시한다.
도 7은 예시적인 바이오센서 칩의 평면도이다.
도 8은 예시적인 바이오센서 칩을 핸들층에 장착하기 위한 제조 공정을 예시하는 일련의 단면도를 도시한다.
도 9는 기판에 장착된 예시적인 바이오센서 칩을 갖는 핸들층의 상면도이다.
도 10은 집적된 바이오센서 칩을 갖는 예시적인 유체 카트리지의 개략도이다.
도 11은 예시적인 유체 카트리지 내의 유체 채널의 일부의 개략도이다.
도 12는 분석기에 결합된 예시적인 유체 카트리지의 개략도이다.
도 13은 유체 카트리지를 이용하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 14는 DNA를 검출하는 예시적인 듀얼 게이트 후면 감지 바이오 FET(bioFET)의 단면도이다.
도 15a는 리셉터 표면 상의 DNA의 바인딩 메커니즘을 예시한다.
도 15b는 매칭된 피분석물(analyte) 바인딩에 기초하는 예시적인 듀얼 게이트 후면 감지 바이오 FET에 대한 임계 전압에서의 변화를 도시한다.
도 16은 자신의 감지층 상에서 고정화된 항체를 갖는 예시적인 듀얼 게이트 후면 감지 바이오 FET의 단면도이다.
도 17은 리셉터 표면 상의 항원 및 항체의 바인딩 메커니즘을 예시한다. The aspects of the disclosure are best understood when read in conjunction with the accompanying drawings from the detailed description that follows in order to practice the invention. It is noted that according to standard practice in the industry, various features are not constructed to scale. In fact, the dimensions of the various features may optionally be increased or decreased for clarity of discussion.
1 is a diagram illustrating components of an exemplary bio-sensing cartridge.
Figure 2 is a cross-sectional view of an exemplary dual-gate back-side sensing FET sensor.
3 is a circuit diagram of a plurality of FET sensors configured in an exemplary addressable array.
4 is a circuit diagram of an addressable dual-gate FET sensor array and heater.
5 is a cross-sectional view of an exemplary dual-gate backside-sensing FET sensor configured as a pH sensor.
Figure 6a shows an example of binding of ions to a receptor layer.
Figure 6B shows the change in threshold voltage in an exemplary FET sensor based on pH.
7 is a plan view of an exemplary biosensor chip.
8 shows a series of cross-sectional views illustrating a manufacturing process for mounting an exemplary biosensor chip to a handle layer.
9 is a top view of a handle layer having an exemplary biosensor chip mounted on a substrate.
10 is a schematic view of an exemplary fluid cartridge having an integrated biosensor chip.
11 is a schematic view of a portion of a fluid channel in an exemplary fluid cartridge.
Figure 12 is a schematic view of an exemplary fluid cartridge coupled to the analyzer.
13 is a flow diagram of an exemplary method of using a fluid cartridge.
14 is a cross-sectional view of an exemplary dual-gate backside sensing bioFET (bioFET) for detecting DNA.
Figure 15A illustrates the binding mechanism of DNA on the receptor surface.
Figure 15B shows the change in threshold voltage for an exemplary dual-gate backside sensing bio-FET based on a matched analyte binding.
16 is a cross-sectional view of an exemplary dual-gate backside sensing bio-FET having an immobilized antibody on its sensing layer.
Figure 17 illustrates the binding mechanism of the antigen and antibody on the receptor surface.

다음의 개시 내용은 제공된 내용의 상이한 특징을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예 또는 예를 제공한다. 컴포넌트 및 장치의 특정 예가 본 개시 내용을 간략화하기 위하여 아래에서 설명된다. 물론, 이들은 단순히 예이며, 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 이어지는 설명에서 제2 특징 위 또는 그 상의 제1 특징의 형성은 제1 및 제2 특징이 직접 접촉하여 존재하는 실시예를 포함할 수 있으며, 또한, 추가 특징들이 제1 및 제2 특징 사이에 존재하여, 제1 및 제2 특징이 직접 접촉하지 않을 수 있는 실시예를 포함할 수 있다. 또한, 본 개시 내용은 다양한 예에서 도면 부호 및/또는 기호를 반복할 수 있다. 이것은 자체로 논의된 다양한 실시예 및/또는 구성 사이의 관계를 말하는 것은 아니다.The following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing different features of the provided subject matter. Specific examples of components and devices are described below to simplify the present disclosure. Of course, these are merely examples, and are not intended to be limiting. For example, in the ensuing description, formation of the first feature over or above the second feature may include embodiments wherein the first and second features are in direct contact, and further features may include first and second And may include embodiments where the first and second features may not be in direct contact. In addition, the present disclosure may repeat the reference numerals and / or symbols in various examples. This does not refer to the relationship between the various embodiments and / or configurations discussed in themselves.

또한, "밑에", "아래에", "하부", "위에", "상부" 등과 같은 공간과 관련된 용어는 도면에서 도시된 바와 같이 한 요소 또는 특징의 다른 요소(들) 또는 특징(들)에 대한 관계를 설명하기 위해, 설명의 용이성을 위해 여기에서 사용될 수 있다. 공간과 관련된 용어는 도면에 도시된 방위에 더하여 사용 또는 동작 중인 장치의 상이한 방위를 포괄하도록 의도된다. 장치는 달리(90도 또는 그 외의 방위로 회전) 배향될 수 있으며, 여기에서 사용된 공간적으로 상대적인 기술어(descriptor)가 이에 따라 유사하게 해석될 수 있다.Also, terms related to space, such as "under", "under", "under", "above", "above", etc., Can be used here for ease of explanation, to illustrate the relationship to the < RTI ID = 0.0 > The terms associated with space are intended to encompass different orientations of the device in use or in addition to the orientation shown in the figures. The device may be oriented otherwise (rotated by 90 degrees or other orientation), and the spatially relative descriptor used herein may be similarly interpreted accordingly.

용어Terms

달리 정의되지 않는다면, 여기에서 사용된 모든 기술 용어 및 과학 용어는 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 여기에서 설명되는 것과 유사하거나 동일한 임의의 방법 및 재료가 실제로 또는 본 개시 내용에 따른 실시예의 시험에 사용될 수 있지만, 방법 및 장치 및 재료가 이제 설명된다. 여기에서 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 간행물에서 보고된 재료 및 방법을 설명하고 개시하는 목적으로 참조로서 본 명세서에 편입된다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. Although any methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in practice or in testing of embodiments in accordance with the present disclosure, methods and apparatus and materials are now described. All patents and publications mentioned herein are hereby incorporated by reference for the purpose of describing and disclosing the materials and methods reported in publications that may be used in connection with the present invention.

여기에서 사용되는 바와 같이, "FET"라는 두 문자어는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)를 말한다. 매우 일반적인 종류의 FET는 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)라 한다. 역사적으로, MOSFET은 반도체 웨이퍼와 같은 기판의 평탄한 표면에서 그 상에 구성된 평탄한 구조체이었다. 그러나, 반도체 제조에서의 최근의 진보는 3차의 핀 기반(fin-based) MOSFET 구조체를 제공하여 왔다. As used herein, the two-letter word "FET " refers to a field effect transistor. A very common type of FET is called a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). Historically, a MOSFET was a flat structure constructed on a flat surface of a substrate, such as a semiconductor wafer. However, recent advances in semiconductor manufacturing have provided a tertiary fin-based MOSFET structure.

"바이오 FET(bioFET)"라는 용어는 생물학적 원본(biological origin)의 목표 피분석물의 존재를 검출하기 위하여 표면 리셉터(receptor)로서 작용하는 고정화된 포획제(capture reagent) 층을 포함하는 FET를 말한다. 바이오 FET는, 일 실시예에 따라, 반도체 트랜스듀스를 갖는 전계 효과 센서이다. 바이오센서의 하나의 이점은 라벨이 없는(label-free) 동작의 가능성이다. 구체적으로는, 바이오 FET는, 예를 들어, 형광성(fluorescent) 또는 방사성(radioactive) 프로브를 이용하는 피분석물의 라벨링과 같은 비용이 많이 들고 시간 소모적인 라벨링 동작의 회피를 가능하게 한다. 여기에서 설명되는 바이오 FET의 하나의 특정 종류는 듀얼 게이트 후면 감지 바이오 FET(dual-gate back-side sensing bioFET)이다. 바이오 FET에 의한 검출을 위한 피분석물은 보통 (한정의 의도는 없는) 단백질, 탄수화물, 지방질, 조직 조각 또는 이들의 일부와 같은 생물학적 원본일 수 있다. 그러나, 더욱 일반적인 의미에서, 바이오 FET는 임의의 화합물을 검출하거나(당해 기술 분야에서 ChemFET로 알려짐) 양성자 또는 금속 이온과 같은 이온을 포함하는 임의의 다른 요소를 검출할 수 있는(당해 기술 분야에서 ISFET로 알려짐) 더 넓은 부류의 FET 센서의 일부이다. 본 발명은 모든 종류의 FET 기반 센서("FET 센서")에 적용되도록 의도된다. 여기에서의 FET 센서의 한가지 특정 종류는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(Dual-Gate Back Side Sensing FET Sensor("DG BSS FET 센서"))이다.The term " bioFET "refers to an FET comprising an immobilized capture reagent layer that acts as a surface receptor to detect the presence of a target analyte of a biological origin. The bio-FET is, according to one embodiment, a field effect sensor having a semiconductor transducer. One advantage of biosensors is the possibility of label-free operation. Specifically, bio-FETs allow for avoiding costly and time consuming labeling operations, such as labeling of analytes using fluorescent or radioactive probes, for example. One particular type of bio-FET described herein is a dual-gate back-side sensing bioFET. The analyte for detection by the biofactor may be a biological source such as a normal (but not limited to) protein, carbohydrate, lipid, tissue fragment or a portion thereof. However, in a more general sense, a biofetch is capable of detecting any compound (known in the art as ChemFET) or any other element containing an ion such as a proton or a metal ion (known in the art as ISFET ) Is a part of a wider class of FET sensors. The present invention is intended to apply to all kinds of FET-based sensors ("FET sensors"). One particular type of FET sensor herein is a dual-gate backside sensing FET sensor ("DG BSS FET sensor").

"S/D"는 FET의 4개의 단말 중 2개를 형성하는 소스/드레인 접합부를 말한다."S / D" refers to the source / drain junctions that form two of the four terminals of the FET.

"하이-k(high-k)"라는 표현은 높은 유전 상수를 말한다. 반도체 소자 구조 및 제조 공정 분야에서, 하이-k는 SiO2의 유전 상수보다 더 큰(즉, 3.9보다 더 큰) 유전 상수를 말한다.The expression "high-k" refers to a high dielectric constant. In the field of semiconductor device fabrication and fabrication processes, high-k refers to a dielectric constant that is greater than the dielectric constant of SiO 2 (i.e., greater than 3.9).

"분석(analysis)"이라는 용어는 일반적으로, 특징화, 시험, 측정, 최적화, 분리, 합성, 추가, 여과, 용해 또는 혼합을 포함하지만 한정의 의도는 없는 물리적, 화학적, 생화학적 또는 생물적 분석을 포함하는 과정 또는 단계를 말한다.The term "analysis" generally refers to physical, chemical, biochemical or biological analysis, including but not limited to, characterization, testing, measurement, optimization, separation, synthesis, addition, filtration, And the like.

"분석 평가(assay)"라는 용어는 일반적으로 화학물 또는 목표 피분석물의 분석을 포함하는 과정 또는 단계를 말하며, 세포 기반 분석 평가, 생화학적 분석 평가, 하이-스루풋 분석 평가 및 스크리닝, 진단 분석 평가, pH 판단, 핵산 혼성화(nucleic acid hybridization) 분석 평가, 폴리메라아제 활성 분석 평가, 핵산 및 단백질 시퀀싱, 면역 측정(immunoassay)(예를 들어, 항체-항원 바인딩 분석 평가, ELISA 및 iqPCR), 유전자의 메틸화 패턴을 검출하기 위한 중아산황염 메틸화 반응 분석 평가, 단백질 분석 평가, 단백질 바인딩 분석 평가(예를 들어, 단백질-단백질, 단백질-핵산 및 단백질-리간드(ligand) 바인딩 분석 평가), 효소 분석 평가, 결합 효소 분석 평가, 운동(kinetic) 측정(예를 들어, 단백질 폴딩(folding)의 동역학 및 효소 반응 동역학), 효소 억제제 및 활성제 스크리닝, 화학 발광(chemiluminescence) 및 전기 화학 발광(electrochemiluminescence) 분석 평가, 형광(fluorescent) 분석 평가, 형광 편광(fluorescence polarization) 및 이방성 분석 평가, 흡광도(absorbance) 및 비색(colorimetric) 분석 평가[예를 들어, 브래드포드(Bradford) 분석 평가, 로우리(Lowry) 분석 평가, 하트리-로우리(Hartree-Lowry) 분석 평가, 뷰렛(Biuret) 분석 평가 및 BCA 분석 평가], 화학적 분석 평가(예를 들어, 환경 오염 물질 및 오염물, 나노 입자 또는 폴리머의 검출을 위하여) 및 약물 발견 분석 평가를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 여기에서 설명된 장치, 시스템 및 방법은 설명된 설계를 갖는 임의의 FET 센서와 함께 사용될 하나 이상의 이러한 분석 평가를 사용하거나 채용할 수 있다.The term " assay "refers generally to a process or step involving the analysis of a chemical or target analyte, including cell-based assay, biochemical assay, high-throughput assay and screening, , nucleic acid and protein sequencing, immunoassay (e.g., antibody-antigen binding assay assay, ELISA and iqPCR), determination of nucleic acid and protein sequencing, immunoassay Evaluation of protein analysis, evaluation of protein binding analysis (e.g., protein-protein, protein-nucleic acid and protein-ligand binding assay evaluation), enzyme assay evaluation, Binding enzyme assay assays, kinetic measurements (e.g., kinetics of protein folding and enzyme kinetic kinetics), enzyme inhibitors and activator screening, Chemiluminescence and electrochemiluminescence assay evaluation, fluorescent assay evaluation, fluorescence polarization and anisotropic assay evaluation, absorbance and colorimetric assay evaluation (see, for example, Brad et al. Bradley analysis evaluation, Lowry analysis evaluation, Hartree-Lowry analysis evaluation, Biuret analysis evaluation and BCA analysis evaluation], chemical analysis evaluation (for example, environmental pollutants and For the detection of contaminants, nanoparticles, or polymers) and drug discovery assay assays. The apparatus, systems and methods described herein may employ or employ one or more of these analytical evaluations to be used with any FET sensor having the described design.

"액체 생검(liquid biopsy)"이라는 용어는 일반적으로 대상의 조직 샘플에 비교되는 대상의 체액(bodily fluid)으로부터 획득된 생검 샘플을 말한다. 체액 샘플을 이용하여 분석 평가를 수행하는 능력은 종종 조직 샘플을 이용하는 것보다 더 바람직하다. 체액 샘플을 이용하는 덜 침습적인 접근 방식은 환자의 후생, 종적 질병 모니터링을 수행하는 능력 및 조직 세포가 쉽게 액세스 가능하지 않을 때, 예를 들어 전립선에서, 표현 프로파일을 획득하는 능력의 측면에서 넓은 범위의 영향을 가진다. 액체 생검 샘플에서 목표 피분석물을 검출하는데 사용되는 분석 평가는 전술한 것을 포함하지만 그에 한정되지 않는다. 비한정적인 예로서, CTC(circulating tumor cell) 분석 평가가 액체 생검 샘플 상에 수행될 수 있다.The term " liquid biopsy " refers generally to a biopsy sample obtained from a bodily fluid of a subject compared to a tissue sample of the subject. The ability to perform an assay evaluation using a body fluid sample is often preferable to using a tissue sample. A less invasive approach to using body fluid samples is to use a wider range of warts in terms of welfare of the patient, the ability to perform longitudinal disease monitoring, and the ability to acquire expression profiles, for example, in the prostate gland when tissue cells are not readily accessible It has an impact. Analytical assays used to detect a target analyte in a liquid biopsy sample include, but are not limited to, those described above. As a non-limiting example, a CTC (circulating tumor cell) assay assay can be performed on a liquid biopsy sample.

예를 들어, FET 센서 상에서 고정화된 포획제(예를 들어, 항체)는 CTC 분석 평가를 이용하여 액체 생검 샘플에서 목표 피분석물(예를 들어, 종양 세포 마커)의 검출을 위하여 사용될 수 있다. CTC는 종양으로부터 맥관 구조(vasculature) 내로 흘러가고 예를 들어 혈류 내에서 순환하는 세포이다. 일반적으로, CTC는 극도로 낮은 농도로 순환 내에 존재한다. CTC를 분석 평가하기 위하여, CTC는 당해 기술 분야에서 알려진 다양한 기술에 의해 환자 혈액 또는 혈장으로부터 농축된다. CTC는, 혈구 계산(cytometry)(예를 들어, 유동 세포 분석(flow cytometry)) 기반의 방법 및 IHC 기반의 방법을 포함하지만 이에 한정되지 않는 당해 기술 분야에서 알려진 방법을 이용하여 특정 마커에 대하여 염색될 수 있다. 여기에서 설명된 장치, 시스템 및 방법에 대하여, CTC는 포획제를 이용하여 포획되거나 검출될 수 있거나, 또는 CTC로부터의 핵산, 단백질 또는 다른 세포 환경이 포획제에 대한 바인딩 또는 그에 의한 검출을 위한 목표 피분석물로서 표적으로 될 수 있다.For example, capture agents (e. G., Antibodies) immobilized on FET sensors can be used for the detection of a target analyte (e. G., A tumor cell marker) in a liquid biopsy sample using CTC assay assays. CTC is a cell that flows from the tumor into the vasculature, for example circulating in the bloodstream. Generally, CTCs are present in circulation at extremely low concentrations. To analyze and evaluate CTC, the CTC is enriched from patient blood or plasma by a variety of techniques known in the art. CTC can be stained for specific markers using methods known in the art including but not limited to methods based on cytometry (e.g., flow cytometry) and IHC-based methods . For the devices, systems and methods described herein, CTCs can be captured or detected using a capture agent, or nucleic acid, protein or other cellular environment from CTC can be bound to a capture agent or a target And can be targeted as the analyte.

목표 피분석물이 CTC 상에서 또는 그로부터 검출될 때, 예를 들어 CTC를 표현하거나 포함하는 목표 피분석물에서의 증가는 특정 치료(예를 들어, 목표 피분석물과 연관된 것)에 반응할 가능성이 있는 암을 갖는 것으로 대상을 식별하는 것에 도움을 줄 수 있거나, 또는 예를 들어 목표 피분석물에 대한 항체를 이용한 최적 치료 계획의 최적화를 가능하게 한다. CTC 측정 및 정량화는, 예를 들어 종양의 단계, 치료에 대한 반응, 질병 진행 또는 이들의 조합에 대한 정보를 제공할 수 있다. CTC 상에서 목표 피분석물을 검출하는 것으로부터 획득된 정보는, 예를 들어, 예후적(prognostic), 예견적(predictive) 또는 약역학적(pharmacodynamic) 바이오 마커(biomarker)로서 사용될 수 있다. 또한, 액체 생검 샘플을 위한 CTC 분석 평가들이 단독으로 또는 고체 생검 샘플의 추가적인 종양 마커 분석과 조합하여 사용될 수 있다.When a target analyte is detected on or from the CTC, an increase in the target analyte, e.g. representing or including CTC, is likely to be responsive to a particular treatment (e.g., associated with the target analyte) May aid in identifying the subject as having a cancer, or may enable optimization of the optimal treatment regimen, e.g., using an antibody to the target analyte. CTC measurements and quantification can provide information, for example, on the stage of a tumor, response to treatment, disease progression, or a combination thereof. The information obtained from detecting the target analyte on the CTC can be used, for example, as a prognostic, predictive or pharmacodynamic biomarker. CTC assay assays for liquid biopsy samples can also be used alone or in combination with additional tumor marker assays of solid biopsy samples.

"식별(identification)"이라는 용어는, 일반적으로, 목표 피분석물의 신원을 신원이 알려진 포획제에 대한 바인딩에 기초하여 결정하는 과정을 말한다.The term " identification " generally refers to the process of determining the identity of a target analyte based on a binding to a capture agent whose identity is known.

"측정(measurement)"이라는 용어는, 일반적으로, 목표 피분석물의 총액, 양, 품질 또는 특성을 포획제에 대한 바인딩에 기초하여 결정하는 과정을 말한다.The term " measurement "generally refers to the process of determining the total amount, quantity, quality or characteristics of a target analyte based on binding to a capture agent.

"정량(quantitation)"이라는 용어는, 일반적으로, 목표 피분석물의 양 또는 농도를 포획제에 대한 바인딩에 기초하여 결정하는 과정을 말한다.The term " quantitation " generally refers to the process of determining the amount or concentration of a target analyte based on a binding to a capture agent.

"검출(detection)"이라는 용어는, 일반적으로, 목표 피분석물의 존재 또는 부재를 포획제에 대한 바인딩에 기초하여 결정하는 과정을 말한다. 검출은 식별, 측정 및 정량을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.The term " detection "generally refers to the process of determining the presence or absence of a target analyte based on binding to a capture agent. Detection includes, but is not limited to, identification, measurement, and quantification.

"화학물(chemical)"이라는 용어는 물질, 화합물, 혼합물, 용액, 유화액(emulsion), 분산액(dispersion), 분자(molecule), 이온, 이합체(dimer), 폴리머 또는 단백질과 같은 고분자, 생체 분자, 석출물(precipitate), 결정체(crystal), 화학물 일부(chemical moiety) 또는 그룹, 입자, 나노 입자, 시약(reagent), 반응 생성물, 솔벤트 또는 고체, 액체 또는 기체 상태로 존재할 수 있고 통상적으로 분석 대상인 임의의 유체를 말한다.The term "chemical" refers to a polymer, such as a substance, compound, mixture, solution, emulsion, dispersion, molecule, ion, dimer, polymer or protein, (S) may be present in the form of precipitates, crystals, chemical moieties or groups, particles, nanoparticles, reagents, reaction products, solvents or solids, liquids or gases, Of the fluid.

"반응(reaction)"이라는 용어는 적어도 하나의 화학물과 관련되고 일반적으로 공유 결합, 비공유 결합, 반 데르 발스 결합, 수소 결합 또는 이온 결합과 같은 하나 이상의 결합의 절단 또는 형성과 관련되는(화학적, 생화학적 및 생물학적 변환의 경우에) 물리적, 화학적, 생화학적 또는 생물학적 변환을 말한다. 이 용어는 합성 반응, 중성화 반응, 분해 반응, 치환 반응, 환원-산화 반응, 석출(precipitation), 결정화(crystallization), 연소 반응 및 중합 반응(polymerization reaction)과 같은 통상적인 화학 반응과, 공유 및 비공유 결합, 상 변화, 색상 변화, 상 형성, 결정화, 용해, 발광, 광 흡수 또는 발광 특성에서의 변화, 온도 변화 또는 열 흡수 또는 발열, 컨포멀 변화(conformational change) 및 단백질과 같은 고분자의 폴딩 또는 언폴딩을 포함한다.The term "reaction" relates to at least one chemical and is generally related to the cleavage or formation of one or more bonds such as covalent bonds, noncovalent bonds, van der Waals bonds, hydrogen bonds or ionic bonds (chemical, In the case of biochemical and biological transformations) refers to physical, chemical, biochemical or biological transformations. This term is intended to include conventional chemical reactions such as synthesis, neutralization, degradation, substitution, reduction-oxidation, precipitation, crystallization, combustion and polymerization reactions, (Such as binding, phase change, color change, image formation, crystallization, dissolution, luminescence, change in light absorption or luminescence properties, temperature change or heat absorption or exotherm, conformational change, Folding.

여기에서 사용되는 바와 같은 "포획제(capture reagent)"는, 실질적으로 고체 재료에 직접적으로 또는 간접적으로 부착될 수 있는, 목표 피분석물 또는 목표 시약을 바인딩할 수 있는 분자 또는 화합물이다. 포획제는 화학물일 수 있으며, 구체적으로는 자연적으로 발생하는 목표 피분석물(예를 들어, 항체, 폴리펩티드, DNA, RNA, 세포, 바이러스 등)이 존재하거나 목표 피분석물이 마련될 수 있는 임의의 물질이고, 포획제가 분석 평가에서 하나 이상의 목표 피분석물에 바인딩할 수 있다.As used herein, a "capture reagent " is a molecule or compound capable of binding a target analyte or target reagent, which can be attached directly or indirectly to a substantially solid material. The capturing agent can be a chemical substance, and specifically, a naturally occurring target analyte (for example, antibody, polypeptide, DNA, RNA, cell, virus, etc.) And the capture agent can be bound to one or more target analytes in the assay evaluation.

여기에서 사용되는 바와 같은 "목표 피분석물(target analyte)"은 본 발명을 이용하여 시험 샘플에서 검출될 물질이다. 목표 피분석물은 화학물일 수 있으며, 구체적으로는, 자연적으로 발생하는 목표 피분석물(예를 들어, 항체, 폴리펩티드, DNA, RNA, 세포, 바이러스 등)이 존재하거나 포획제가 마련될 수 있는 임의의 물질이고, 목표 피분석물이 분석 평가에서 하나 이상의 포획제에 바인딩할 수 있다. 또한, "목표 피분석물"은 임의의 항원 물질, 항체 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 목표 피분석물은 단백질, 펩티드, 아미노산, 탄수화물, 호르몬, 스테로이드, 비타민, 불법적인 목적으로 등록된 것뿐만 아니라 치료 목적으로 등록된 것을 포함하는 약품, 박테리아, 바이러스 및 임의의 전술한 물질에 대한 항체의 대사 산물(metabolite)을 포함할 수 있다.A "target analyte" as used herein is a substance to be detected in a test sample using the present invention. The target analyte can be a chemical and specifically includes any naturally occurring target analyte (e.g., antibody, polypeptide, DNA, RNA, cell, virus, etc.) And the target analyte can bind to one or more capture agents in the assay evaluation. In addition, "target analyte" may include any antigenic material, antibody, and combinations thereof. Target analytes are proteins, peptides, amino acids, carbohydrates, hormones, steroids, vitamins, antibodies to drugs, bacteria, viruses and any of the foregoing substances, including those registered for illegal purposes as well as those registered for therapeutic purposes Of the < RTI ID = 0.0 > metabolite. ≪ / RTI >

여기에서 사용되는 "시험 샘플(test sample)"은 본 발명을 이용하여 검출되고 분석 평가될 목표 피분석물을 포함하는 조성물, 용액, 물질, 가스 또는 액체를 의미한다. 시험 샘플은 목표 피분석물 외에 다른 성분을 포함할 수 있고, 액체 또는 기체의 물리적 속성을 가질 수 있고, 예를 들어 액체 또는 기체의 이동하는 스트림을 포함하는 임의의 크기 또는 부피를 가질 수 있다. 시험 샘플은 다른 물질이 목표 피분석물의 포획제와의 바인딩 또는 제1 바인딩 부재의 제2 바인딩 부재와의 바인딩과 간섭하지 않는 한 목표 피분석물이 아닌 임의의 물질을 포함할 수 있다. 시험 샘플의 예는, 자연적으로 발생하는 샘플과 비자연적으로 발생하는 샘플 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 자연적으로 발생하는 시험 샘플은 합성일 수 있거나 합성될 수 있다. 자연적으로 발생하는 시험 샘플은 혈액, 혈장, 혈청, 소변, 타액 또는 거담, 척수액, 뇌척수액, 흉수(pleural fluid), 유두 흡인물(nipple aspirates), 림프액, 호흡 기관(respiratory), 장(intestinal) 및 비뇨 생식관의 유체, 눈물, 침, 모유, 림프계로부터의 유체, 정액, 뇌척수액(cerebrospinal fluid), 내부 기관계 유체(intra-organ system fluid), 복수(ascitic fluid), 종양 낭액(tumor cyst fluid), 양수(amniotic fluid) 및 이들의 조합을 포함하는 대상의 몸 내 또는 그 상의 임의의 위치로부터 분리된 체액과, 지하수 또는 폐수, 토양 추출물, 공기 및 살충제 잔류물 또는 음식 관련 샘플과 같은 환경 샘플을 포함한다.As used herein, "test sample" means a composition, solution, material, gas or liquid comprising a target analyte to be detected and assayed and evaluated using the present invention. The test sample may include other components besides the target analyte, may have the physical properties of a liquid or gas, and may have any size or volume, including, for example, a moving stream of liquid or gas. The test sample may include any material other than the target analyte, so long as the other material does not interfere with the binding with the capture agent of the target analyte or the binding with the second binding member of the first binding member. Examples of test samples include, but are not limited to, naturally occurring samples and non-naturally occurring samples or combinations thereof. Naturally occurring test samples can be synthetic or can be synthesized. Naturally occurring test samples may include blood, plasma, serum, urine, saliva or germane, spinal fluid, cerebrospinal fluid, pleural fluid, nipple aspirates, lymphatic fluid, respiratory, intestinal, Fluid from the genitourinary tract, tears, saliva, breast milk, fluid from the lymphatic system, seminal fluid, cerebrospinal fluid, intra-organ system fluid, ascitic fluid, tumor cyst fluid, Environmental samples such as body fluids separated from any location in or on the body of an object including amniotic fluid and combinations thereof and groundwater or wastewater, soil extracts, air and pesticide residues or food-related samples do.

검출된 물질은, 예를 들어, 핵산(DNA 및 RNA를 포함), 호르몬, 다른 병원균[바이러스(예를 들어, H7N9 또는 HIV), 원생 동물(열원충(Plasmodium)이 야기하는 말라리아), 또는 박테리아(예를 들어, 대장균 또는 결핵균)와 같은 숙주에 대하여 질병 또는 질환을 야기하는 생물학적 작용제를 포함], 단백질, 항체, 수소 또는 다른 이온, 비이온 분자 또는 화합물, 다당류, 화학 결합 라이브러리 요소와 같은 소형 화합물을 포함하는 다양한 약품 또는 치료제 또는 다른 화학적이나 생물학적 물질 및 이와 유사한 것을 포함한다. 검출되거나 판단된 파라미터는, 예를 들어, pH 변화, 락토스 변화, 변화하는 농도, 입자, 예를 들어 드문 입자를 검출하기 위하여 일정 기간 동안 장치에 대하여 유체가 흐르는 단위 시간당 입자 및 다른 파라미터를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.The detected substance may be, for example, a nucleic acid (including DNA and RNA), a hormone, another pathogen (such as a virus (e.g., H7N9 or HIV), a protozoan (malaria caused by Plasmodium) Small molecules such as proteins, antibodies, hydrogen or other ions, non-ionic molecules or compounds, polysaccharides, chemically coupled library elements, or the like, including biological agents that cause disease or disease for a host such as a host (e. G., E. coli or Mycobacterium tuberculosis) Various chemical or therapeutic agents including compounds, or other chemical or biological materials and the like. The detected or determined parameters may include, for example, particle changes per unit time and fluid flow to the device over a period of time to detect pH changes, lactose changes, varying concentrations, particles, e.g., But is not limited thereto.

여기에서 사용되는 바와 같이, "고정화된(immobilized)"이라는 용어는, 예를 들어 포획제에 관하여 사용될 때, 분자 레벨에서의 포획제를 표면에 실질적으로 부착하는 것을 포함한다. 예를 들어, 포획제는 비공유 상호 작용(예를 들어, 정전기력, 반 데르 발스 및 소수성 계면의 탈수)을 포함하는 흡수 기술 및 작용기 또는 링커(linker)가 포획제를 표면에 부착하는 것을 용이하게 하는 공유 바인딩 기술을 이용하여 기판 재료의 표면에 고정화될 수 있다. 포획제를 기판 재료의 표면에 고정화하는 것은 기판 표면의 특성, 포획제를 운반하는 매체 및 포획제의 특성에 기초할 수 있다. 일부 경우에, 기판 표면은 먼저 기판에 바인딩된 작용기를 갖도록 개질될 수 있다. 그 다음, 작용기는 생체 분자나 생물학적 또는 화학적 물질에 바인딩하여 그 상에 이들을 고정화할 수 있다.As used herein, the term "immobilized " includes, when used in connection with a capture agent, substantially binding the capture agent at the molecular level to the surface. For example, the capture agent may be an absorbing technique involving non-covalent interactions (e. G., Electrostatic force, van der Waals and hydrophobic interface dehydration), and the use of a functional group or linker to facilitate attachment of the capture agent to the surface Can be immobilized on the surface of the substrate material using a shared binding technique. Immobilization of the capturing agent on the surface of the substrate material may be based on the characteristics of the substrate surface, the medium carrying the capturing agent, and the characteristics of the capturing agent. In some cases, the substrate surface may first be modified to have a functional group bound to the substrate. The functional groups can then be bound to biomolecules, biological or chemical materials and immobilized thereon.

"핵산(nucleic acid)"이라는 용어는, 일반적으로, 인산디에스테르(phosphodiester) 결합을 통해 서로 연결된 핵산 집합을 말하며, 서로 연결된 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 시토신(cytosine) 및 티민(thymine) 중 임의의 것을 갖는 디옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide)를 포함하는 DNA 및/또는 서로 연결된 아데닌, 구아닌, 시토신 및 우라실(uracil) 중 임의의 것을 갖는 리보뉴클레오티드(ribonucleotide)를 포함하는 RNA와 같이, 자연적으로 존재하고 자연적으로 발생하는 뉴클레오티드가 연결되는 자연적으로 발생하는 핵산을 말한다. 또한, 비자연적으로 발생하는 뉴클레오티드와 비자연적으로 발생하는 핵산은 본 발명의 핵산의 범위 내에 있다. 예로서는, 펩티드 핵산(peptide nucleic acid(PNA)), 인산기를 갖는 펩티드 핵산(peptide nucleic acids with phosphate group(PHONA)), 교상 결합된 핵산/잠금 핵산(bridged nucleic acid/locked nucleic acid(BNA/LNA)) 및 모르폴리노 핵산(morpholino nucleic acid)을 포함한다. 추가적인 예로서, 메틸포스포네이트(methylphosphonate) DNA/RNA, 포스포로티오에이트(phosphorothioate) DNA/RNA, 포스포로아미데이트(phosphoramidate) DNA/RNA 및 2'-O-메틸 DNA/RNA와 같은 화학적으로 개질된 핵산과 핵산 유사체(analogue)를 포함한다. 핵산은 개질될 수 있는 것을 포함한다. 예를 들어, 핵산 내의 인산기, 당류 및/또는 염기가 필요에 따라 라벨링될 수 있다. 당해 기술 분야에서 알려진 핵산 라벨링을 위한 임의의 물질이 라벨링을 위해 사용될 수 있다. 그 예로는, 방사선 동위 원소(예를 들어, 32P, 3H 및 14C), DIG, 비오틴(biotin), 형광 염료(예를 들어, FITC, Texas, cy3, cy5, cy7, FAM, HEX, VIC, JOE, Rox, TET, Bodipy493, NBD 및 TAMRA) 및 발광성 물질(예를 들어, 아크리디늄 에스테르(acridinium ester))을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.The term "nucleic acid" generally refers to a set of nucleic acids linked to each other via phosphodiester linkages, and includes adenine, guanine, cytosine and thymine linked to each other. ), Such as DNA comprising a deoxyribonucleotide having any of the nucleotide sequences of SEQ ID NOs: 1, 2, 3, and / or RNA comprising ribonucleotides having any of adenine, guanine, cytosine and uracil linked to each other and / And naturally-occurring nucleic acids to which naturally-occurring nucleotides are linked. In addition, non-naturally occurring nucleotides and non-naturally occurring nucleic acids are within the scope of the nucleic acids of the present invention. Examples include peptide nucleic acid (PNA), peptide nucleic acids with phosphate group (PHONA), bridged nucleic acid / locked nucleic acid (BNA / LNA) ) And morpholino nucleic acid. As a further example, it may be advantageous to chemically combine two or more of the following: methylphosphonate DNA / RNA, phosphorothioate DNA / RNA, phosphoramidate DNA / RNA and 2'-O-methyl DNA / Modified nucleic acid and a nucleic acid analogue. Nucleic acids include those that can be modified. For example, phosphoric acid groups, saccharides and / or bases in the nucleic acid can be labeled as needed. Any material for nucleic acid labeling known in the art can be used for labeling. Examples include radioactive isotopes (e.g., 32P, 3H and 14C), DIG, biotin, fluorescent dyes (e.g. FITC, Texas, cy3, cy5, cy7, FAM, HEX, VIC, JOE , Rox, TET, Bodipy 493, NBD and TAMRA) and luminescent materials (e.g., acridinium ester).

여기에서 사용된 바와 같은 앱타머(aptamer)는 특정 목표 분자에 바인딩하는 올리고 핵산 또는 펩티드 분자를 말한다. 외가닥(single-stranded) 핵산(앱타머)을 반도체 바인딩을 위한 친화(affinity) 분자로서 사용하는 개념은 1990년에 처음으로 개시되었고(Ellington 및 Szostak 1990, 1992; Tuerk and Gold 1990), 타겟이 존재할 때 높은 친화력 및 특이성을 갖는 타겟을 바인딩하는 고유의 3차원 구조로 폴딩하기 위한 짧은 시퀀스의 능력에 기초한다. 2006년 Eugene W. M Ng 등은 앱타머가 분자 타겟에 대한 높은 친화력 바인딩을 위해 선택된 올리고 핵산 리간드라고 개시한다.An aptamer as used herein refers to an oligonucleotide or peptide molecule that binds to a particular target molecule. The concept of using a single-stranded nucleic acid (aptamer) as an affinity molecule for semiconductor binding was first disclosed in 1990 (Ellington and Szostak 1990, 1992; Tuerk and Gold 1990) Is based on the ability of a short sequence to fold into a unique three-dimensional structure that binds a target with high affinity and specificity. In 2006, Eugene W. M Ng et al. Disclose that the aptamer is an oligonucleotide ligand selected for high affinity binding to a molecular target.

여기에서 사용되는 바와 같은 "항체(antibody)"라는 용어는 대응하는 항원을 비공유적으로, 가역적으로, 그리고 특수한 방법으로 바인딩할 수 있는 면역 글로불린 항체 패밀리의 폴리펩티드를 말한다. 예를 들어, 자연적으로 발생하는 IgG 항체는 이황화 결합(disulfide bond)에 의해 상호 연결된 적어도 2개의 중쇄(heavy chain)(H)와 2개의 경쇄(light chain)(L)를 포함하는 4양체(tetramer)이다. 각각의 중쇄는 중쇄 가변 영역(variable region)(여기에서 약어로 VH라 함)과 중쇄 불변 영역(constant region)으로 이루어진다. 중쇄 불변 영역은 3개의 도메인(CH1, CH2, CH3)으로 이루어진다. 각각의 경쇄는 경쇄 가변 영역(여기에서 약어로 VL라 함)과 경쇄 불변 영역으로 이루어진다. 경쇄 불변 영역은 하나의 도메인(CL)으로 이루어진다. VH 및 VL 영역은 CDR(complementarity determining region)이라 하는 고변위(hypervariability) 영역으로 더 세분화되고, FR(framework region)이라 하는 더욱 보존되는 영역으로 산재된다. 각각의 VH 및 VL은 아미노 말단(amino-terminus)으로부터 카복시 말단(carboxy-terminus)으로 다음과 같은 순서로 배열된 3개의 CDR과 4개의 FR로 이루어진다: FR1, CDR1, FR2, CDR2, FR3, CDR3 및 FR4. 3개의 CDR은 가변 도메인의 대략 15 내지 20%를 구성한다. 중쇄 및 경쇄의 가변 영역들은 항원과 상호 작용하는 바인딩 도메인을 포함한다. 항체의 불변 영역들은 면역계의 다양한 세포(예를 들어, 주효 세포(effector cell))와 전통적인 보체계(complement system)의 제1 성분(Clq)을 포함하는 숙주 조직 또는 인자로의 면역 글로불린 항체의 바인딩을 중재할 수 있다. (Kuby, Immunology, 4th ed., Chapter 4. W.H. Freeman & Co., New York, 2000)The term "antibody ", as used herein, refers to a polypeptide of the immunoglobulin antibody family capable of binding the corresponding antigen non-covalently, reversibly, and in a particular manner. For example, a naturally occurring IgG antibody is a tetramer comprising at least two heavy chains (H) and two light chains (L) interconnected by a disulfide bond )to be. Each heavy chain consists of a heavy chain variable region (abbreviated herein as VH) and a heavy chain constant region. The heavy chain constant region consists of three domains (CH1, CH2, CH3). Each light chain consists of a light chain variable region (abbreviated herein as VL) and a light chain constant region. The light chain constant region consists of one domain (CL). The VH and VL regions are further subdivided into hypervariability regions called CDRs (complementarity determining regions) and are interspersed with more conserved regions called FRs (framework regions). Each VH and VL consists of three CDRs and four FRs arranged in the following order from the amino-terminus to the carboxy-terminus: FR1, CDR1, FR2, CDR2, FR3, CDR3 And FR4. The three CDRs constitute approximately 15 to 20% of the variable domains. The variable regions of the heavy and light chains include binding domains that interact with the antigen. The constant regions of the antibody can bind the immunoglobulin antibody to a host tissue or factor comprising a variety of cells (e. G., Effector cells) of the immune system and a first component of the traditional complement system (Clq) You can arbitrate. (Kuby, Immunology, 4th ed., Chapter 4. W. H. Freeman & Co., New York, 2000)

"항체"라는 용어는, 단클론성 항체(monoclonal antibody), 인간 항체(human antibody), 인화 항체(humanized antibody), 키메라 항체(chimeric antibody) 및 항유전자형 항체(anti-idiotypic(anti-Id) antibody)(예를 들어, 본 발명의 항체에 대한 anti-Id 항체를 포함)를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 항체는 임의의 동종/클라스(isotype/class)(예를 들어, IgG, IgE, IgM, IgD, IgA 및 IgY) 또는 하부 클라스(예를 들어, IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1 및 IgA2)의 것일 수 있다.The term "antibody" refers to a monoclonal antibody, a human antibody, a humanized antibody, a chimeric antibody and an anti-idiotypic (anti-Id) (Including, for example, anti-Id antibodies to the antibodies of the invention). The antibody can be any of the isotypes of a class (e. G., IgG, IgE, IgM, IgD, IgA and IgY) or of a subclass (e. G., IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1 and IgA2) Lt; / RTI >

"폴리머(polymer)"라는 용어는 서로 반복적으로 링크된 하나 이상의 구성물(building blocks)('mers')으로 이루어진 임의의 물질 또는 화합물을 의미한다. 예를 들어, "이합체(dimer)"는 2개의 구성물이 서로 결합된 화합물이다. 폴리머는 축합 중합체(condensation polymer)와 첨가 중합체(addition polymer)를 모두 포함한다. 축합 중합체의 전형적인 예는 폴리아미드, 폴리에스테르, 단백질, 울(wool), 실크, 폴리우레탄, 셀루로오즈 및 폴리실록산(polysiloxane)을 포함한다. 첨가 중합체의 예는 폴리에틸렌, 폴리이소부틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(비닐 클로라이드) 및 폴리스틸렌을 포함한다. 다른 예들은 전기 전도성 또는 광 굴절 폴리머와 같은 강화된 전기적 또는 광학적 특성(예를 들어, 비선형 광학적 특성)을 갖는 폴리머를 포함한다. 폴리머는 선형 폴리머 및 가지형 폴리머(branched polymer)를 모두 포함한다.The term "polymer" means any material or compound consisting of one or more building blocks ('mers') linked to each other repeatedly. For example, "dimer" is a compound in which two constituents are bonded together. The polymer includes both a condensation polymer and an addition polymer. Typical examples of condensation polymers include polyamides, polyesters, proteins, wool, silk, polyurethanes, celluloses and polysiloxanes. Examples of addition polymers include polyethylene, polyisobutylene, polyacrylonitrile, poly (vinyl chloride) and polystyrene. Other examples include polymers having enhanced electrical or optical properties (e. G., Non-linear optical properties) such as electrically conductive or photorefractive polymers. Polymers include both linear polymers and branched polymers.

바이오센싱(Biosensing ( biosensingbiosensing ) 카트리지의 개요) Cartridge Overview

도 1은 예시적인 바이오센싱 카트리지(102)를 형성하기 위하여 함께 통합된 다양한 컴포넌트의 개요를 예시한다. 바이오센싱 카트리지(102)는 목표 피분석물의 존재가 검출될 수 있는 감지 위치를 향하여 또는 그로부터 멀리 유체 흐름을 제어하도록 구성된 복수의 유체 채널을 포함할 수 있다.Figure 1 illustrates an overview of various components that are integrated together to form an exemplary biosensing cartridge 102. The biosensing cartridge 102 may include a plurality of fluid channels configured to control fluid flow toward or away from a sensing location where the presence of a target analyte can be detected.

예시적인 본 실시예에서, 바이오센싱 카트리지(102)는 FET 센서(104) 어레이를 포함한다. FET 센서(104)는 바이오센싱 카트리지(102)의 트랜스듀서 컴포넌트를 구성한다. FET 센서(104)는 어레이로 배열되고 FET 센서 감지층의 표면에서 바인딩 이벤트를 검출하도록 개별적으로 어드레싱될 수 있다. 일 실시예에서, FET 센서(104)는 듀얼 후면 FET 센서를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 다른 종류의 FET 센서 기반 센서가 사용될 수 있다.In the present exemplary embodiment, the biosensing cartridge 102 includes an array of FET sensors 104. The FET sensor 104 constitutes a transducer component of the biosensing cartridge 102. The FET sensors 104 are arranged in an array and can be individually addressed to detect binding events at the surface of the FET sensor sensing layer. In one embodiment, the FET sensor 104 includes a dual backside FET sensor. In alternative embodiments, other types of FET sensor based sensors may be used.

바이오센싱 카트리지(102)는 생물학적 인터페이스(biological interface)(106)를 포함한다. 생물학적 인터페이스(106)는, 그 다음 검출될 수 있는, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(104)의 표면에서의 바인딩 반응을 용이하게 하기 위하여 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(104)에 결합될 수 있다. 다양한 종류의 생체 분자가, 몇 가지 예를 들자면, DNA 또는 RNA 앱타머 및 항체와 같은 생물학적 인터페이스(106)의 일부를 형성할 수 있다. 생물학적 인터페이스와 이에 연관된 화학 및 생물 메커니즘에 관한 추가 상세가 여기에서 상세히 논의될 것이다.The biosensing cartridge 102 includes a biological interface 106. The biological interface 106 may be coupled to the dual gate backside sensing FET sensor 104 to facilitate binding reactions at the surface of the dual gate backside sensing FET sensor 104, which may then be detected. Various types of biomolecules can form part of the biological interface 106, such as DNA or RNA aptamers and antibodies, to name a few examples. Additional details regarding biological interfaces and their associated chemical and biological mechanisms will be discussed in detail herein.

바이오센싱 카트리지(102)는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서 칩을 유체 환경으로 통합하기 위하여 다양한 레벨의 칩 패키징(108)을 포함한다. 또한, 바이오센싱 카트리지(102)는 FET 센서(104)로의 액체의 전달을 관리하기 위하여 미소 유체(microfluidic) 채널을 갖는 유체 컴포넌트(110)를 포함한다. 또한, 유체 컴포넌트(110)는 바이오센싱 카트리지(102)의 외부로부터 전달되는 유체와 인터페이싱하기 위한 유체 입구를 포함한다.The biosensing cartridge 102 includes various levels of chip packaging 108 to integrate the dual gate backside sensing FET sensor chip into the fluid environment. The biosensing cartridge 102 also includes a fluid component 110 having a microfluidic channel to manage the transfer of liquid to the FET sensor 104. In addition, the fluid component 110 includes a fluid inlet for interfacing with a fluid delivered from outside the biosensing cartridge 102.

바이오센싱 카트리지(102) 내의 다양한 컴포넌트의 통합은 아주 많은 수의 다양한 바이오센싱 애플리케이션을 위하여 사용될 수 있는 컴팩트한 휴대용 플랫폼을 산출한다. 통합된 유체 컴포넌트와의 FET 센서의 사용은 낮은 샘플 부피를 사용하면서도 정확한 결과를 생성한다. 또한, 바이오센싱 카트리지(102)는 분석기에 의해 완전히 자율적인 방식으로 동작되도록 구성될 수 있고, 그 다음 사용 후 폐기될 수 있다.The integration of various components within the biosensing cartridge 102 yields a compact portable platform that can be used for a very large variety of biosensing applications. The use of FET sensors with integrated fluid components produces accurate results while using low sample volumes. Also, the biosensing cartridge 102 can be configured to operate in a fully autonomous manner by the analyzer, and then discarded after use.

여기에서의 설명은 바이오센싱 카트리지(102)의 컴포넌트를 더욱 상세히 설명하기 위하여 4개의 주요 부분으로 분할된다. 첫 번째 부분은 듀얼 게이트 후면 바이오 FET 센서(104)의 배열과 제조를 설명할 것이다. 두 번째 부분은 패키징 공정을 설명할 것이다. 세 번째 부분은 유체 컴포넌트(110)를 설명할 것이고, 바이오센싱 카트리지(102)와 분석기 사이의 상호 작용을 더 설명할 것이다. 마지막 부분은 듀얼 게이트 후면 FET 센서(104)를 이용하는 생물학 및 다양한 바이오센싱 애플리케이션에 관한 상세를 제공할 것이다.The description herein is divided into four major parts to describe the components of the biosensing cartridge 102 in greater detail. The first part will describe the arrangement and fabrication of the dual-gate backside bio-FET sensors 104. The second part will describe the packaging process. The third part will describe the fluid component 110 and will further explain the interaction between the biosensing cartridge 102 and the analyzer. The final section will provide details regarding the biology and various biosensing applications using the dual gate backside FET sensor 104.

듀얼Dual 게이트 후면 FET 센서 Gate rear FET sensor

듀얼 게이트 후면 FET 센서는 민감하고 쉽게 배열되는 센서를 형성하기 위하여 반도체 제조 기술과 생물학적 포획제를 활용한다. 종래의 MOSFET가 단일 전기 노드에 연결되는 단일 게이트 전극을 가지는 반면, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서는 각각이 상이한 전기 노드에 연결되는 2개의 게이트 전극을 가진다. 2개의 게이트 전극 중 첫 번째 게이트 전극은 여기에서 전면(front-side) 게이트이라고 하고, 2개의 게이트 전극 중 두 번째 게이트 전극은 여기에서 후면(back-side) 게이트라 한다. 전면 게이트 전극과 후면 게이트 전극은 모두, 동작시 각각이 전기적으로 충전 및/또는 방전될 수 있고 이에 의해 각각이 듀얼 게이트 감지 FET 센서의 소스/드레인 단자 사이의 전기장에 영향을 미치도록 구성된다. 전면 게이트는 전기적으로 전도성이고, 전면 게이트 유전체에 의해 채널 영역으로부터 분리되고, 이것이 결합되는 전기 회로에 의해 충전 및 방전되도록 구성된다. 후면 게이트는 통상적으로 후면 게이트 유전체에 의해 채널 영역으로부터 분리되고, 후면 게이트 유전체 상에 배치된 생체 기능화된(biofunctionalized) 감지층을 포함한다. 후면 게이트 상의 전하량은 생체 인식(biorecognition) 반응이 발생하였는지 여부의 함수이다. 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서의 전형적인 동작에서, 전면 게이트는 미리 정해진 전압 범위 내의 전압으로 충전된다. 전면 게이트 상의 전압은 FET 센서의 채널 영역의 대응하는 도전율(conductivity)을 결정한다. 후면 게이트에서의 전하에 대한 상대적으로 작은 양의 변화는 채널 영역의 도전율을 변화시킨다. 이것은 생체 인식 반응을 나타내는 도전율에 있어서의 이러한 변화이다.Dual gate backside FET sensors utilize semiconductor fabrication techniques and biological capture agents to form sensitive and easily arrayed sensors. While the conventional MOSFET has a single gate electrode connected to a single electrical node, the dual gate backside sensing FET sensor has two gate electrodes each connected to a different electrical node. The first gate electrode of the two gate electrodes is herein referred to as a front-side gate, and the second gate electrode of the two gate electrodes is herein referred to as a back-side gate. Both the front gate electrode and the back gate electrode may be electrically charged and / or discharged, respectively, in operation, such that they are each configured to affect the electric field between the source / drain terminals of the dual gate sense FET sensor. The front gate is electrically conductive, separated from the channel region by the front gate dielectric, and configured to be charged and discharged by the electrical circuit to which it is coupled. The backside gate typically includes a biofunctionalized sensing layer that is separated from the channel region by a backside gate dielectric and disposed on the backside gate dielectric. The amount of charge on the back gate is a function of whether a biorecognition reaction has occurred. In a typical operation of a dual gate backside sensing FET sensor, the front gate is charged to a voltage within a predetermined voltage range. The voltage on the front gate determines the corresponding conductivity of the channel region of the FET sensor. A relatively small amount of change in charge at the back gate changes the conductivity of the channel region. This is a change in the conductivity indicating a biometric response.

FET 센서의 하나의 이점은 라벨이 없는(label-free) 동작의 가능성이다. 구체적으로는, FET 센서는, 예를 들어, 형광성(fluorescent) 또는 방사성(radioactive) 프로브를 이용하는 피분석물의 라벨링과 같은 비용이 많이 들고 시간 소모적인 라벨링 동작의 회피를 가능하게 한다.One advantage of FET sensors is the possibility of label-free operation. In particular, FET sensors enable the avoidance of costly and time consuming labeling operations, such as labeling of analytes using fluorescent or radioactive probes, for example.

도 2를 참조하면, 예시적인 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)가 도시된다. 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)는 기판(214) 위에 형성되고 기판(214) 상에 배치된 개재 유전체(215)에 의해 그로부터 분리된 제어 게이트(202)를 포함한다. 기판(214)은 소스 영역(204), 드레인 영역(206) 및 소스 영역(204)과 드레인 영역(206) 사이의 채널 영역(208)을 더 포함한다. 일 실시예에서, 기판(214)은 대략 100 nm 및 대략 130 nm 사이의 두께를 가진다. 게이트(202), 소스 영역(204), 드레인 영역(206) 및 채널 영역(208)은 적합한 CMOS 공정 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 게이트(202), 소스 영역(204), 드레인 영역(206) 및 채널 영역(208)은 FET를 형성한다. 절연층(210)이 게이트(202)로부터 기판(214)의 반대측 상에 배치된다. 일 실시예에서, 절연층(210)은 대략 1 ㎛의 두께를 가진다. 본 개시 내용에서, 게이트(202)가 위에 배치되는 기판(214) 측은 기판(214)의 "전면(front-side)"라 한다. 유사하게, 절연층(210)이 상부에 배치되는 기판(214) 측은 기판(214)의 "후면(back-side)"라 한다.Referring to FIG. 2, an exemplary dual gate backside sensing FET sensor 200 is shown. The dual gate backside sensing FET sensor 200 includes a control gate 202 formed on a substrate 214 and separated therefrom by an intervening dielectric 215 disposed on a substrate 214. The substrate 214 further includes a source region 204, a drain region 206 and a channel region 208 between the source region 204 and the drain region 206. In one embodiment, the substrate 214 has a thickness between approximately 100 nm and approximately 130 nm. The gate 202, the source region 204, the drain region 206, and the channel region 208 may be formed using suitable CMOS processing techniques. Gate 202, source region 204, drain region 206, and channel region 208 form FETs. An insulating layer 210 is disposed on the opposite side of the substrate 214 from the gate 202. In one embodiment, the insulating layer 210 has a thickness of approximately 1 占 퐉. In this disclosure, the side of the substrate 214 on which the gate 202 is disposed is referred to as the "front-side" Similarly, the side of the substrate 214 over which the insulating layer 210 is disposed is referred to as the "back-side"

개구(212)가 절연층(210) 내에 제공된다. 개구(212)는 게이트(202)와 실질적으로 정렬될 수 있다. 다른 실시예에서, 개구(212)는 게이트(202)보다 더 크고, 다수의 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서 위에서 연장할 수 있다. 인터페이스층(미도시)이 채널 영역(208)의 표면 상에서 개구(212) 내에 배치될 수 있다. 인터페이스층은 생체 분자 또는 바이오 엔티티의 검출을 위하여 하나 이상의 리셉터(receptor)를 위치 설정하고 고정화하기 위한 인터페이스를 제공하도록 동작 가능할 수 있다. 인터페이스층에 관한 추가 상세가 여기에서 제공된다.An opening (212) is provided in the insulating layer (210). The opening 212 may be substantially aligned with the gate 202. In another embodiment, the opening 212 is larger than the gate 202 and may extend over a plurality of dual gate backside sensing FET sensors. An interface layer (not shown) may be disposed within the opening 212 on the surface of the channel region 208. The interface layer may be operable to provide an interface for locating and immobilizing one or more receptors for detection of biomolecules or bio-entities. Additional details regarding the interface layer are provided herein.

듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)는 드레인 영역(206)(Vd 206), 소스 영역(204)(Vs 218), 게이트 구조(202)(전면 게이트(220)) 및/또는 능동 영역(207)(예를 들어, 후면 게이트(222))를 포함한다. 후면 게이트(222)는 기판(214) 또는 기판(214) 위의 임의의 인터페이스층을 물리적으로 접촉할 필요가 없다는 것이 주목되어야 한다. 따라서, 종래의 FET가 소스와 드레인 사이의 반도체(예를 들어, 채널)의 컨덕턴스를 제어하기 위하여 게이트 컨택트를 사용하는 반면, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)는 FET 소자의 반대측 상에 형성된 리셉터가 컨덕턴스를 제어하게 하고, 게이트 구조(202)는 컨덕턴스를 제어하기 위하여 다른 게이트를 제공한다. 따라서, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)는, 여기에서 다양한 예를 이용하여 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 개구(212) 주위의 그리고/또는 그 내의 환경에서 하나 이상의 특수 생체 분자 또는 바이오 엔티티를 검출하는데 사용될 수 있다.The dual gate backside sensing FET sensor 200 includes a drain region 206 (Vd 206), a source region 204 (Vs 218), a gate structure 202 (front gate 220) and / or an active region 207 (E.g., back gate 222). It should be noted that the back gate 222 need not physically contact the substrate 214 or any interface layer on the substrate 214. Thus, while a conventional FET uses a gate contact to control the conductance of a semiconductor (e.g., a channel) between the source and the drain, the dual gate backside sensing FET sensor 200 uses a gate formed on the opposite side of the FET device, And the gate structure 202 provides another gate to control the conductance. Accordingly, the dual gate backside sensing FET sensor 200 can be configured to detect one or more specific biomolecules or bio-entities in and / or around the opening 212, as discussed in more detail herein using various examples. .

듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)는 저항기, 커패시터 및/또는 퓨즈와 같은 추가의 수동 컴포넌트; PFET(P-channel field effect transistor), NFET(N-channel field effect transistor), MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor), 고압 트랜지스터 및/또는 고주파수 트랜지스터와 같은 다른 능동 컴포넌트; 다른 적합한 컴포넌트; 및/또는 이들의 조합에 연결될 수 있다. 추가 특징부(feature)가 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200) 내에 추가될 수 있고 설명되는 특징부의 일부가 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)의 추가적인 실시예에 대하여 교체되거나 제거될 수 있다. 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)의 예시적인 제조 절차에 관한 추가 상세는 공유된 미국 특허 출원 공보 No. 2013/0200438 및 미국 특허 출원 공보 No. 2014/0252421에서 찾아볼 수 있다.The dual gate backside sense FET sensor 200 may include additional passive components such as resistors, capacitors and / or fuses; Other active components such as P-channel field effect transistors (PFETs), N-channel field effect transistors (NFETs), metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs), high voltage transistors and / or high frequency transistors; Other suitable components; And / or combinations thereof. Additional features may be added within the dual gate backside sense FET sensor 200 and some of the described features may be replaced or removed for additional embodiments of the dual gate backside sense FET sensor 200. [ Further details regarding exemplary fabrication procedures of the dual gate backside sensing FET sensor 200 are disclosed in commonly owned U.S. patent application publication no. 2013/0200438; 2014/0252421.

도 3을 참조하면, 비트 라인(306)과 워드 라인(308)에 연결된 FET 센서(304)의 어드레싱 가능한 예시적인 어레이(300)의 개략도가 도시된다. 비트 라인(bit line)과 워드 라인(word line)이라는 용어는 메모리 소자에서의 어레이 구성에 대한 유사성을 나타내기 위하여 여기에 사용되지만, 메모리 소자 또는 스토리지 어레이가 어레이 내에 반드시 포함된다는 암시는 없다는 것이 주목된다. 어드레싱 가능한 어레이(300)는 DRAM(dynamic random access memory) 어레이와 같은 다른 반도체 소자에서 채용된 것에 대한 유사성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하여 위에서 설명된 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)는 커패시터 DRAM 어레이에서 발견될 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 개략도(300)는 단지 예시적이며, 다른 구성이 가능하다는 것이 인식될 것이다,Referring to FIG. 3, a schematic diagram of an addressable exemplary array 300 of FET sensors 304 coupled to bit line 306 and word line 308 is shown. It is noted that the terms bit line and word line are used herein to denote similarities to array configurations in memory devices, but it is not implied that memory devices or storage arrays are necessarily included in the array do. The addressable array 300 may have similarities to those employed in other semiconductor devices, such as dynamic random access memory (DRAM) arrays. For example, the dual gate backside sensing FET sensor 200 described above with reference to FIG. 2 may be formed at a location that can be found in a capacitor DRAM array. It will be appreciated that the schematic 300 is merely exemplary and other configurations are possible,

FET 센서(304)는 각각 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)와 실질적으로 유사할 수 있다. FET(302)는 FET 센서(304)의 드레인 단자와 비트 라인(306) 사이에 연결을 제공한다. 이러한 방식으로, FET(302)는 DRAM 어레이에서의 액세스 트랜지스터와 유사하다. 예시적인 본 실시예에서, FET 센서(304)는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서이고, 반응 사이트에 배치된 FET 능동 영역 위에 놓이는 유전층 상에 배치된 리셉터 재료에 의해 제공된 감지 게이트와, FET 능동 영역 위에 놓이는 유전층 상에 배치된 게이트 전극(예를 들어, 폴리실리콘)에 의해 제공되는 제어 게이트를 포함한다.The FET sensors 304 may each be substantially similar to the dual gate backside sense FET sensor 200. The FET 302 provides a connection between the drain terminal of the FET sensor 304 and the bit line 306. In this manner, the FET 302 is similar to an access transistor in a DRAM array. In an exemplary embodiment, the FET sensor 304 is a dual gate backside sensing FET sensor, and includes a sensing gate provided by a receptor material disposed on a dielectric layer overlying a FET active region disposed at the reaction site, And a control gate provided by a gate electrode (e.g., polysilicon) disposed on the dielectric layer.

개략도(300)는 FET 센서(304)에 유입된 최소 생체 분자 또는 바이오 엔티티에 의해 제공되는 작은 신호 변화를 검출하는데 있어서 유익할 수 있는 어레이 형태를 도시한다. 비트 라인(306)과 워드 라인(308)을 이용하여 배열된 포맷은 감소된 개수의 입력/출력 패드를 가능하게 한다. 증폭기가 개략도(300)의 회로 배열을 갖는 소자의 검출 능력을 개선하기 위하여 신호 강도를 향상시키는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 특정 워드 라인(308)과 비트 라인(306)이 어서트되면(asserted), 대응하는 액세스 트랜지스터(302)가 턴온될 것이다(예를 들어, 스위치와 유사하게). 연관된 FET 센서(304)의 게이트(예를 들어, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)의 후면 게이트(222)와 같은)가 생체 분자 존재에 의해 영향을 받는 전하를 가지면, FET 센서(304)는 전자를 전달하고 소자의 전계 효과 충전을 유도할 것이며, 이에 의해 전류(예를 들어, Ids)를 변조한다. 전류(예를 들어, Ids) 또는 임계 전압(Vt)에서의 변화는 관련된 생체 분자 또는 바이오 엔티티의 검출을 나타내는 역할을 할 수 있다. 따라서, 개략도(300)를 갖는 소자는 향상된 민감도를 위하여 차동 감지를 이용하는 애플리케이션을 포함하는 바이오센서 애플리케이션을 성취할 수 있다.Schematic 300 illustrates an array form that may be beneficial in detecting small signal changes provided by minimal biomolecules or bio-entities introduced into FET sensor 304. The format arranged using bit line 306 and word line 308 enables a reduced number of input / output pads. An amplifier can be used to improve the signal strength to improve the detection capability of the device with the circuit arrangement of schematic 300. In one embodiment, when a particular word line 308 and bit line 306 are asserted, the corresponding access transistor 302 will be turned on (similar to a switch, for example). If the gate of the associated FET sensor 304 (such as the back gate 222 of the dual gate backside sensing FET sensor 200) has an electrical charge that is affected by the presence of a biomolecule, then the FET sensor 304 Will transfer the electrons and induce the field effect charge of the device, thereby modulating the current (e.g., I ds ). A change in current (e.g., I ds ) or a change in threshold voltage (V t ) can serve to indicate the detection of the associated biomolecule or bio-entity. Thus, an element with schematic 300 can achieve a biosensor application that includes an application that uses differential sensing for improved sensitivity.

도 4를 참조하면, 예시적인 레이아웃(400)이 제공된다. 예시적인 레이아웃(400)은 개별적으로 어드레싱 가능한 픽셀(402)의 어레이(401)로서 배열된 액세스 트랜지스터(302)와 FET 센서(304)를 포함한다. 어레이(401)는 임의의 개수의 픽셀(402)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 어레이(401)는 128 x 128 픽셀을 포함할 수 있다. 다른 배열은 256 x 256 픽셀 또는 128 x 256 픽셀과 같은 정사각형이 아닌 어레이를 포함할 수 있다.4, an exemplary layout 400 is provided. The exemplary layout 400 includes an access transistor 302 and an FET sensor 304 arranged as an array 401 of individually addressable pixels 402. The array 401 may include any number of pixels 402. For example, the array 401 may include 128 x 128 pixels. Other arrangements may include non-square arrays such as 256 x 256 pixels or 128 x 256 pixels.

각각의 픽셀(402)은 액세스 트랜지스터(302)와 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(304)를 하나 이상의 히터(408) 및 온도 센서(410)를 포함할 수 있는 다른 컴포넌트와 함께 포함한다. 본 예에서, 액세스 트랜지스터(302)는 n 채널 FET이다. n 채널 FET(412)는 또한 온도 센서(410)를 위한 액세스 트랜지스터로서 작용할 수 있다. 예시적인 본 예에서, FET(302, 412)의 게이트는, 필수적인 것은 아니지만, 공통으로 결합된다. 각각의 픽셀(402)(및 이에 연관된 컴포넌트)는 칼럼(column) 디코더(406)와 로우(row) 디코더(404)를 이용하여 개별적으로 어드레싱될 수 있다. 일례에서, 각각의 픽셀(402)은 대략 10 마이크로미터 x 대략 10 마이크로미터의 크기를 가진다. 다른 예에서, 각각의 픽셀(402)은 대략 5 마이크로미터 x 대략 5 마이크로미터의 크기를 가지거나, 대략 2 마이크로미터 x 대략 2 마이크로미터의 크기를 가진다.Each pixel 402 includes an access transistor 302 and a dual gate backside sensing FET sensor 304 together with one or more other components that may include a heater 408 and a temperature sensor 410. In this example, the access transistor 302 is an n-channel FET. The n-channel FET 412 may also serve as an access transistor for the temperature sensor 410. In the exemplary embodiment, the gates of FETs 302 and 412 are coupled in common, though not necessarily. Each pixel 402 (and the components associated therewith) may be individually addressed using a column decoder 406 and a row decoder 404. In one example, each pixel 402 has a size of approximately 10 micrometers x approximately 10 micrometers. In another example, each pixel 402 has a size of about 5 micrometers by about 5 micrometers, or about 2 micrometers by about 2 micrometers.

칼럼 디코더(406)와 로우 디코더(404)가 n 채널 FET(302, 412)의 ON/OFF 상태를 결정하는데 사용될 수 있다. n 채널 FET(302)을 턴온하는 것은 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(2304)의 S/D 영역에 전류를 제공한다. 이 소자들이 ON일 때, 전류 Ids가 FET 센서(304)를 통해 흐르고, 측정될 수 있다.The column decoder 406 and the row decoder 404 may be used to determine the ON / OFF state of the n-channel FETs 302 and 412. Turning on the n-channel FET 302 provides current to the S / D region of the dual gate backside sense FET sensor 2304. When these elements are ON, the current I ds flows through the FET sensor 304 and can be measured.

히터(408)는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(304) 주위의 온도를 국지적으로 증가시키는데 사용될 수 있다. 히터(408)는 고전류가 통과하여 흐르는 금속 패턴을 형성하는 것과 같은 임의의 알려진 기술을 이용하여 구성될 수 있다. 또한, 히터(408)는 펠티에 소자와 같은 열전 히터/쿨러일 수 있다. 히터(408)는, 예를 들어, DNA 또는 RNA를 변성시키거나 소정의 생체 분자를 위한 더욱 이상적인 바인딩 환경을 제공하기 위하여, 소정의 생물학적 시험 동안 사용될 수 있다. 온도 센서(410)는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(304) 주위의 로컬 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 루프가 히터(408) 및 온도 센서(410)로부터 수신된 피드백을 이용하여 온도를 제어하기 위해 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 히터(408)는 픽셀(402) 내의 컴포넌트의 로컬 능동 냉각을 가능하게 하는 열전 히터/쿨러일 수 있다.Heater 408 may be used to locally increase the temperature around the dual gate backside sensing FET sensor 304. [ The heater 408 may be constructed using any known technique, such as forming a metal pattern through which a high current flows. The heater 408 may also be a thermoelectric heater / cooler such as a Peltier element. The heater 408 may be used during certain biological tests, for example, to denature DNA or RNA or to provide a more ideal binding environment for a given biomolecule. The temperature sensor 410 may be used to measure the local temperature around the dual gate backside sensing FET sensor 304. In one embodiment, a control loop may be formed to control the temperature using feedback received from the heater 408 and the temperature sensor 410. In another embodiment, the heater 408 may be a thermoelectric heater / cooler that enables local active cooling of the components within the pixel 402.

도 5를 참조하면, 예시적인 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(500)의 단면도가 제공된다. 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(500)는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(200)의 하나의 구현예이며, 따라서 도 2에서 이전에 설명된 요소는 도 2에서의 요소 도면 부호로 라벨링되며, 이에 대한 설명은 여기에서 반복되지 않는다. 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(500)는 게이트(202), 소스 영역(204), 드레인 영역(206) 및 채널 영역(208)을 포함하며, 소스 영역(204)과 드레인 영역(206)은 기판(214) 내에 형성된다. 게이트(202), 소스 영역(204), 드레인 영역(206) 및 채널 영역(208)은 FET를 형성한다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 도 5의 다양한 컴포넌트는 척도에 맞게 작도되도록 의도되지 않으며, 시각적인 편의를 위하여 과장된다는 것이 주목되어야 한다.5, a cross-sectional view of an exemplary dual gate backside sensing FET sensor 500 is provided. The dual gate backside sensing FET sensor 500 is one implementation of the dual gate backside sensing FET sensor 200 and therefore the elements previously described in Figure 2 are labeled with the component designator in Figure 2, Is not repeated here. The dual gate backside sensing FET sensor 500 includes a gate 202, a source region 204, a drain region 206 and a channel region 208, wherein the source region 204 and the drain region 206 comprise a substrate 214. Gate 202, source region 204, drain region 206, and channel region 208 form FETs. It should be noted that the various components of Fig. 5 are not intended to be drawn to scale and are exaggerated for visual convenience, as will be appreciated by one of ordinary skill in the relevant arts.

예시적인 실시예에서, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(500)는 다양한 도핑된 영역 및 기판(214) 내에 형성된 다른 소자와 전기적 연결을 형성하는 금속 상호 연결부(502)의 다양한 측에 결합된다. 금속 상호 연결부(502)는 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있다.In the exemplary embodiment, the dual gate backside sensing FET sensor 500 is coupled to various sides of the metal interconnect 502 forming an electrical connection with the various doped regions and other elements formed in the substrate 214. Metal interconnects 502 may be fabricated using fabrication processes well known to those of ordinary skill in the relevant art.

듀얼 게이트 후면 FET 센서(500)는 소스 영역(204)과 드레인 영역(206)으로부터 분리된 바디 영역(504)을 포함할 수 있다. 바디 영역(504)은 소스 영역(204)과 드레인 영역(206) 사이의 능동 영역(208)에서 캐리어 농도를 바이어스하는데 사용될 수 있다. 이와 같이, 듀얼 게이트 후면 FET 센서(500)의 민감도를 개선하기 위하여 음의 전압 바이어스가 바디 영역(504)에 인가될 수 있다. 일 실시예에서, 바디 영역(504)은 소스 영역(205)과 전기적으로 연결된다. 다른 실시예에서, 바디 영역(504)은 전기적으로 접지된다.The dual gate backside FET sensor 500 may include a body region 504 separated from the source region 204 and the drain region 206. The body region 504 may be used to bias the carrier concentration in the active region 208 between the source region 204 and the drain region 206. As such, a negative voltage bias may be applied to the body region 504 to improve the sensitivity of the dual gate backside FET sensor 500. In one embodiment, the body region 504 is electrically connected to the source region 205. In another embodiment, the body region 504 is electrically grounded.

듀얼 게이트 후면 FET 센서(500)는 기판(214) 내에 제조되는 추가 회로(506)에 결합될 수 있다. 회로(506)는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(500)의 동작을 돕기 위한 회로를 형성하기 위하여 임의의 개수의 MOSFET 소자, 저항기, 커패시터 또는 인덕터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 칼럼 디코더(406)와 로우 디코더(404)가 회로(506) 내에 형성될 수 있다. 회로(506)는, 몇 가지 예를 들자면, 임의의 증폭기, 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 디지털 아날로그 컨버터(DAC), 전압 생성기, 논리 회로 및 메모리 소자를 포함할 수 있다. 추가 회로(506)의 컴포넌트의 전부 또는 일부는 듀얼 게이트 후면 FET 센서(500)와 동일한 기판(214) 내에 집적될 수 있다. 각각이 듀얼 게이트 후면 FET 센서(500)와 실질적으로 유사한 많은 FET 센서가 기판(214) 상에 집적되어 추가 회로(506)에 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다른 예에서, 추가 회로(506)의 컴포넌트의 전부 또는 일부는 기판(214)으로부터 분리된 다른 반도체 기판 상에 제공된다. 또 다른 예에서, 추가 회로(506)의 컴포넌트의 일부는 듀얼 게이트 후면 FET 센서(500)와 동일한 기판(214)에 집적되고, 추가 회로(506)의 컴포넌트의 일부는 기판(214)으로부터 분리된 다른 반도체 기판 상에 제공된다.The dual gate backside FET sensor 500 may be coupled to an additional circuit 506 that is fabricated within the substrate 214. The circuit 506 may include any number of MOSFET devices, resistors, capacitors, or inductors to form a circuit to assist in the operation of the dual gate backside sensing FET sensor 500. For example, a column decoder 406 and a row decoder 404 may be formed in circuit 506. The circuit 506 may include any amplifier, an analog-to-digital converter (ADC), a digital-to-analog converter (DAC), a voltage generator, a logic circuit, and a memory device, for example. All or a portion of the components of the adder circuit 506 may be integrated in the same substrate 214 as the dual gate backside FET sensor 500. It should be understood that many FET sensors, each substantially similar to this dual gate backside FET sensor 500, may be integrated on substrate 214 and coupled to additional circuitry 506. In another example, all or a portion of the components of the additional circuit 506 are provided on another semiconductor substrate separated from the substrate 214. In another example, a portion of the components of the additional circuit 506 are integrated into the same substrate 214 as the dual-gate backside FET sensor 500, and a portion of the components of the additional circuit 506 are separated from the substrate 214 And is provided on another semiconductor substrate.

도 5의 예시적인 예를 계속 참조하면, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(500)는 절연층(210) 위에 형성되고 채널 영역(208) 위에 개구 내에 있는 인터페이스층(508)을 포함한다. 일 실시예에서, 인터페이스층(508)은 대략 20 Å 및 대략 40 Å 사이의 두께를 가진다. 인터페이스층(508)은 하프늄 규산염(hafnium silicate), 하프늄 산화물(hafnium oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 알루미늄 산화물(Aluminum oxide), 탄탈룸 오산화물(tantalum pentoxide), 하프늄 이산화 알루미나(hafnium dioxide-alumina)(HfO2-Al2O3) 합금 또는 이들의 조합과 같은 하이-k 유전 재료일 수 있다. 인터페이스층(508)은 생물학적 감지에 관한 부분에서 이후에 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 포획제의 부착을 위한 지지체(support)로서의 역할을 할 수 있다.Still referring to the exemplary embodiment of FIG. 5, dual gate backside sensing FET sensor 500 includes an interface layer 508 formed over insulating layer 210 and within openings over channel region 208. In one embodiment, the interface layer 508 has a thickness of between about 20 A and about 40 A. [ The interface layer 508 may be formed of hafnium silicate, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, tantalum pentoxide, hafnium dioxide-alumina ) (HfO 2 -Al 2 O 3 ) may be a high -k dielectric material such as an alloy, or a combination thereof. The interface layer 508 may serve as a support for attachment of the capture agent, as discussed in greater detail below in the section on biological sensing.

pH 센서로서 역할을 하는 듀얼 게이트 후면 FET 센서(500)의 예시적인 동작이 이제 설명될 것이다. 간단히 말해서, 유체 게이트(510)가 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서의 "제2 게이트"에 대한 전기적 컨택트를 제공하는데 사용된다. 주어진 pH를 갖는 용액(512)이 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서(500)의 반응 사이트 위에 제공되고, 유체 게이트(510)가 용액(512) 내에 배치된다. 용액의 pH는 일반적으로 용액 내의 수소 이온의 농도 [H+]에 관련된다. 채널 영역(208) 위의 인터페이스층(508)의 표면 근처의 이온의 축적은 소스 영역(204)과 드레인 영역(206) 사이의 도전 경로를 형성하는 채널 영역(208) 내의 역전층(inversion layer)의 형성에 영향을 미칠 것이다. 이것은 FET 센서의 도전율의 변화에 의해 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 게이트(202)가 부유 상태(floating)를 유지하는 동안, 유체 게이트(510)가 감지 중의 트랜지스터의 게이트로서 사용된다. 다른 실시예에서, 게이트(202)가 주어진 전위로 바이어스되는 동안, 유체 게이트(510)가 감지 중의 트랜지스터의 게이트로서 사용된다. 예를 들어, 게이트(202)는 애플리케이션에 따라 -2V와 2V 사이의 전위로 바이어스될 수 있고, 유체 게이트(510)는 다양한 범위의 전압 사이에 스윕된다. 다른 실시예에서, 유체 게이트(510)는 주어진 전위로 바이어스되고(또는 접지되고), 게이트(202)는 감지 중의 트랜지스터의 게이트로서 사용된다(예를 들어, 그 전압은 다양한 전위에 걸쳐 스윕된다). 유체 게이트(510)는 백금으로 형성될 수 있거나, 전기 화학 분석에서 기준 전극에 대하여 공통으로 사용된 임의의 다른 재료(들)로 형성될 수 있다. 가장 일반적인 기준 전극은 대략 0.230V의 안정된 전위값을 갖는 Ag/AgCl 전극이다.The exemplary operation of dual gate backside FET sensor 500 serving as a pH sensor will now be described. Briefly, fluid gate 510 is used to provide an electrical contact to the "second gate" of the dual gate backside sensing FET sensor. A solution 512 with a given pH is provided on the reaction site of the dual gate backside sensing FET sensor 500 and a fluid gate 510 is disposed in the solution 512. The pH of the solution is generally related to the concentration of hydrogen ions in the solution [H + ]. The accumulation of ions near the surface of the interface layer 508 over the channel region 208 causes an inversion layer in the channel region 208 that forms a conductive path between the source region 204 and the drain region 206 It will affect the formation. This can be measured by varying the conductivity of the FET sensor. In one embodiment, while the gate 202 remains floating, the fluid gate 510 is used as the gate of the transistor during sensing. In another embodiment, the fluid gate 510 is used as the gate of the transistor during sensing while the gate 202 is biased to a given potential. For example, the gate 202 may be biased at -2 V and 2 V depending on the application, and the fluid gate 510 is swept between a range of voltages. In another embodiment, the fluid gate 510 is biased (or grounded) to a given potential and the gate 202 is used as the gate of the transistor during sensing (e.g., the voltage is swept across various potentials) . The fluid gate 510 may be formed of platinum or may be formed of any other material (s) commonly used for reference electrodes in electrochemical analysis. The most common reference electrode is an Ag / AgCl electrode with a stable potential value of approximately 0.230V.

도 6a는 인터페이스층(508)의 표면에 바인딩된 용액 내의 이온을 도시한다. 인터페이스층(508)의 최상위 원자층은 다양한 현수(dangling) [O-], [OH] 및 [OH2 +] 결합으로서 도시된다. 이온이 표면에 축적됨에 따라, 전체 표면 전하는 트랜지스터의 임계 전압에 영향을 미친다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 임계 전압은 FET 센서의 소스와 드레인 사이의 소수 캐리어(minority carrier)의 도전 경로를 형성하는데 필요한 FET 센서의 게이트와 소스 사이의 최소 전위이다. 또한, 양전하의 더 높은 축적이 낮은 pH를 나타내고 음전하의 더 높은 축적이 높은 pH를 나타내기 때문에, 전체 전하는 용액의 pH와 직접 관련된다. 도 6b는 n 채널 FET 센서에서의 상이한 pH 값 때문에 발생하는 임계 전압에서의 변화를 도시한다. 도면에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 임계 전압에서의 59mV 증가는 용액의 pH에서 대략 1의 증가를 나타낸다. 다른 말로 하면, 트랜지스터를 턴온하는데 요구되는 전압으로서 측정될 때 1의 pH 변화는 59mV와 균등한 전체 표면 전하를 제공한다.6A shows ions in a solution bound to the surface of interface layer 508. FIG. The top atomic layer of the interface layer 508 is different suspension (dangling) [O -] is shown as a combination, [OH] and [OH 2 +]. As ions accumulate on the surface, the total surface charge affects the threshold voltage of the transistor. As used herein, the threshold voltage is the minimum potential between the gate and source of the FET sensor necessary to form the conduction path of the minority carrier between the source and drain of the FET sensor. In addition, the total charge is directly related to the pH of the solution, since higher accumulation of positive charge exhibits lower pH and higher accumulation of negative charge shows higher pH. 6B shows the change in threshold voltage that occurs due to the different pH values in the n-channel FET sensor. As can be observed in the figure, a 59mV increase in threshold voltage represents an increase of about 1 in the pH of the solution. In other words, a pH change of 1 as measured as the voltage required to turn on the transistor provides an overall surface charge equal to 59 mV.

칩 패키징Chip packaging

도 7을 참조하면, 반도체 칩(702)에 대한 예시적인 평면도가 도시된다. 칩(702)은 센서 어레이(704), 선택적인 기준 전극(706), 아날로그 회로(708) 및 I/O 패드(716)를 포함한다. 칩(702)은, 몇 가지 예를 들자면, 실리콘, 갈륨 비화물 또는 인듐 인화물일 수 있다. 칩(702)은 대략 3 mm x 대략 2.5 mm의 치수를 가질 수 있다.Referring to FIG. 7, an exemplary top view of semiconductor chip 702 is shown. The chip 702 includes a sensor array 704, an optional reference electrode 706, an analog circuit 708, and an I / O pad 716. Chip 702 may be silicon, gallium arsenide, or indium phosphide, to name a few examples. The chip 702 may have dimensions of approximately 3 mm x approximately 2.5 mm.

센서 어레이(704)는 도 2 및 5에서 위에 예시된 것과 같은 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서의 어레이를 나타낸다. 어레이는, 예를 들어, 도 4에 예시된 바와 같이 픽셀들의 로우-칼럼 매트릭스로서 배열될 수 있다. 센서 어레이(704) 내의 다양한 FET 센서는 다양한 피분석물을 위한 바이오센싱을 수행하기 위하여 동일하거나 상이한 포획제로 기능화될 수 있다.The sensor array 704 represents an array of dual gate backside sensing FET sensors as illustrated above in Figures 2 and 5. The array may be arranged, for example, as a row-column matrix of pixels as illustrated in FIG. The various FET sensors in sensor array 704 can be functionalized with the same or different capture agents to perform biosensing for a variety of analytes.

기준 전극(706)은 센서 어레이(704)를 포함하는 동일한 칩(702) 상에 패터닝될 수 있다. 기준 전극(706)은, 유체 채널이 센서 어레이(704) 및 기준 전극(706) 모두의 위로 배치될 수 있도록, X 또는 Y 방향을 따라 센서 어레이(704)와 대략 정렬될 수 있다.The reference electrode 706 may be patterned on the same chip 702, including the sensor array 704. The reference electrode 706 may be substantially aligned with the sensor array 704 along the X or Y direction so that the fluid channel can be placed above both the sensor array 704 and the reference electrode 706. [

기준 전극(706)은 상대적으로 안정된 전위를 갖는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 기준 전극 재료는 백금 또는 Ag/AgCl를 포함한다. 기판 표면 상에 Ag/AgCl 전극을 제조하는 것은, 예를 들어, Moschou 등에 의하여 "Surface and Electrical Characterization of Ag/AgCl Pseudo-Reference Electrodes Manufactured with Commercially Available PCB Technologies," Sensors, vol. 15(8), 2015, pp. 18102-18113에 설명된 바와 같이 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있다.The reference electrode 706 may comprise any material having a relatively stable potential. Exemplary reference electrode materials include platinum or Ag / AgCl. The preparation of Ag / AgCl electrodes on the substrate surface is described, for example, in Moschou et al., "Surface and Electrical Characterization of Ag / AgCl Pseudo-Reference Electrodes Manufactured with Commercially Available PCB Technologies, 15 (8), 2015, pp. ≪ RTI ID = 0.0 > 18102-18113. ≪ / RTI >

아날로그 회로(708)는 센서 어레이(704)의 동작에 관련된 회로를 포함할 수 있다. 이와 같이, 아날로그 회로(708)는, 다양한 I/O 패드(716)와 인터페이싱하는 동안, 어레이(704)로 신호를 제공하거나 그로부터의 신호를 측정하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 아날로그 회로(708)는 SPI(serial peripheral interface)(712)와 센서 어레이 회로(714)를 포함한다. 본 실시예에서, 센서 어레이(704)와 센서 어레이 회로(714) 사이의 간격은 대략 135 마이크로미터보다 짧지 않다.The analog circuitry 708 may include circuitry related to the operation of the sensor array 704. As such, analog circuitry 708 may be configured to provide signals to and measure signals from array 704 while interfacing with various I / O pads 716. In one embodiment, the analog circuit 708 includes a serial peripheral interface (SPI) 712 and a sensor array circuit 714. In this embodiment, the spacing between sensor array 704 and sensor array circuit 714 is not less than about 135 micrometers.

SPI(712)는 센서 어레이 회로(714)와 아래에서 더욱 상세히 설명되는 분석기 유닛 사이의 데이터 통신을 용이하게 하기 위한 직렬 인터페이스 회로일 수 있다. SPI의 일반적인 동작은 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 잘 이해될 것이다. 센서 어레이 회로(714)는 센서 어레이(704)로 신호를 제공하고 그로부터 신호를 수신하기 위하여 임의의 개수의 참조 전압 생성기, 연산 증폭기, 로우 패스 필터, ADC 및 DAC를 포함할 수 있다.The SPI 712 may be a serial interface circuit to facilitate data communication between the sensor array circuit 714 and the analyzer unit described in more detail below. The general operation of the SPI will be well understood by those skilled in the art. The sensor array circuit 714 may include any number of reference voltage generators, operational amplifiers, low-pass filters, ADCs and DACs to provide signals to and receive signals from the sensor array 704.

일례에서, 바이어싱 참조 전압은 센서 어레이(704)의 주어진 FET 센서 또는 FET 센서 세트의 바디 영역에 대략 -0.24V의 음전압 바이어스를 제공하도록 센서 어레이 회로(714)를 이용하여 생성될 수 있다. 또한, 감지를 수행할 때, 튜닝 가능한 전압이 센서 어레이(704)의 주어진 FET 센서 또는 FET 센서 세트의 유체 게이트에 제공될 수 있다.In one example, the biasing reference voltage may be generated using sensor array circuitry 714 to provide a negative voltage bias of approximately -0.24V to the body region of a given FET sensor or FET sensor set of sensor array 704. Also, when performing sensing, a tunable voltage can be provided to the given FET sensor of the sensor array 704 or the fluid gate of the FET sensor set.

센서 어레이(704)의 주어진 FET 센서 또는 FET 센서 세트로부터 수신된 신호(Ids와 같은)를 측정할 때, 센서 어레이 회로(714)는 측정된 신호를 수신하여, 결과에 따른 신호가 I/O 패드(716)로 출력되기 전에, 하나 이상의 추가 증폭 스테이지, 로우 패스 필터 및 궁극적으로는 ADC가 이어지는 트랜스-임피던스 증폭기, 즉 전류-전압 변환기를 통해 이를 전달할 수 있다. 또한, 측정된 신호가 증폭되기 전에, 측정된 신호로부터 백그라운드 AC 신호를 빼는 것으로 노이즈가 측정된 신호로부터 감소될 수 있다. 또한, 온도 신호(센서 어레이(704) 내의 하나 이상의 온도 센서로부터 수신됨)가, I/O 패드(716)로 출력되기 전에, 증폭되고, 필터링되고 ADC를 통해 전달될 수 있다.When measuring a received signal (such as Ids) from a given FET sensor or FET sensor set of the sensor array 704, the sensor array circuit 714 receives the measured signal and sends the resulting signal to the I / Pass through a trans-impedance amplifier, i.e., a current-to-voltage converter, followed by one or more additional amplification stages, a low-pass filter, and ultimately an ADC, before being output to the amplifier 716. Also, by subtracting the background AC signal from the measured signal before the measured signal is amplified, the noise can be reduced from the measured signal. Also, a temperature signal (received from one or more temperature sensors in the sensor array 704) may be amplified, filtered, and delivered through the ADC before being output to the I / O pad 716.

다양한 실시예에서, 복수의 I/O 패드(716)가 칩(702)의 주변부를 따라 패터닝될 수 있다. 칩(702)의 다양한 컴포넌트에 의해 사용된 실제 입력 및 출력보다 더 많은 I/O 패드가 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 와이어 본딩 기술이 다양한 I/O 패드(716)를 칩(702)에 본딩된 다른 기판 또는 패키지로 결합하는데 사용될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 32개의 I/O 패드가 칩(702)의 주변부 주위로 패터닝될 수 있다. 주어진 I/O 패드(716)의 크기는 대략 80 마이크로미터 x 대략 70 마이크로미터일 수 있고, I/O 패드(716) 사이의 피치는 대략 150 마이크로미터일 수 있다. 센서 어레이(704)와 가장 가까운 I/O 패드(716) 사이의 간격은 대략 400 마이크로미터보다 더 짧지 않을 수 있으며, I/O 패드(716)와 칩(702)의 최외각 엣지 사이의 간격은 대략 177.5 마이크로미터보다 더 짧지 않을 수 있다.In various embodiments, a plurality of I / O pads 716 may be patterned along the periphery of the chip 702. More I / O pads may be provided than the actual inputs and outputs used by the various components of the chip 702. In one embodiment, wire bonding techniques may be used to bond the various I / O pads 716 to another substrate or package bonded to the chip 702. In one particular embodiment, 32 I / O pads may be patterned around the periphery of the chip 702. The size of a given I / O pad 716 may be approximately 80 micrometers by approximately 70 micrometers, and the pitch between I / O pads 716 may be approximately 150 micrometers. The spacing between the sensor array 704 and the nearest I / O pads 716 may not be less than about 400 micrometers and the spacing between the I / O pads 716 and the outermost edges of the chip 702 is And may not be shorter than approximately 177.5 micrometers.

도 8을 참조하면, 예시적인 패키징 스킴(packaging scheme)이 칩(702)에 대하여 예시된다. I/O 패드(716)를 갖는 칩(702)은 캐리어층(802)에 본딩된디. 캐리어층(802)은 실리콘 기판과 같은 다른 반도체 기판일 수 있다. 다른 예에서, 캐리어층(802)은 경질 플라스틱 재료와 같은 인슐레이터이다. 칩(702)은 솔더 또는 접착제를 이용하는 것과 같은 임의의 알려진 본딩 기술을 이용하여 캐리어층(802)에 본딩될 수 있다.Referring to FIG. 8, an exemplary packaging scheme is illustrated for chip 702. The chip 702 with the I / O pads 716 is bonded to the carrier layer 802, The carrier layer 802 may be another semiconductor substrate such as a silicon substrate. In another example, the carrier layer 802 is an insulator such as a hard plastic material. The chip 702 may be bonded to the carrier layer 802 using any known bonding technique, such as using solder or an adhesive.

일 실시예에서, 캐리어층(802)은 도전성 재료(804)로 채워진 복수의 관통 홀을 포함한다. 도전성 재료(804)는 주석, 구리, 알루미늄, 금 또는 이들의 임의의 합금과 같지만 이에 한정되지 않는 임의의 금속일 수 있다. 도전성 재료(804)는 캐리어층(802)의 하부 표면(805)에 솔더 범프 또는 솔더 볼을 포함할 수 있다. 솔더는 표면(805)을 넘어 연장할 수 있다.In one embodiment, the carrier layer 802 includes a plurality of through holes filled with a conductive material 804. The conductive material 804 can be any metal such as, but not limited to, tin, copper, aluminum, gold, or any alloy thereof. The conductive material 804 may include solder bumps or solder balls on the bottom surface 805 of the carrier layer 802. The solder may extend beyond surface 805.

또한, 칩 패키지는, 일 실시예에 따라, 칩(702)의 측부에 접하는 제1 절연층(806)을 포함한다. 또한, 제1 절연층(806)은 칩(702) 주위의 영역을 채우고 칩(702)을 제자리에 고정하는데 도움을 주는 플라스틱 재료 또는 수지일 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 제1 절연층(806)은 도전성 플러그(808)로 역시 채워지는 관통 홀을 포함한다. 도전성 플러그(808)는 도전성 재료(804)와 동일한 재료일 수 있다. 도전성 플러그(808)는 오믹 컨택트가 도전성 플러그(808)와 도전성 재료(804) 사이에 형성되도록 도전성 재료의 대응하는 영역 위에서 실질적으로 정렬된다.The chip package also includes a first insulating layer 806 in contact with the sides of the chip 702, according to one embodiment. In addition, the first insulating layer 806 may be a plastic material or resin that fills the area around the chip 702 and helps secure the chip 702 in place. In one exemplary embodiment, the first insulating layer 806 includes through-holes that are also filled with conductive plugs 808. The conductive plug 808 may be made of the same material as the conductive material 804. The conductive plug 808 is substantially aligned over a corresponding region of the conductive material so that ohmic contacts are formed between the conductive plug 808 and the conductive material 804. [

칩(702)이 캐리어층(802)에 고정되고 그 주위로 제1 절연층(806)을 가지면, 전기적 연결부(812)가 I/O 패드(716)와 도전성 플러그(808) 사이에 마련될 수 있다. 전기적 연결부(812)는 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 와이어 본딩 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 다른 예에서, 전기적 연결부(812)는 I/O 패드(716)를 대응하는 도전성 플러그(808)와 전기적으로 연결하기 위한 도전성 트레이스를 패터닝하기 위해 리소그라피 패터닝 기술을 이용하여 형성된다. 전기적 연결부(812)가 형성되면, 제2 절연층(810)이 전기적 연결부(812)를 주변으로부터 보호하기 위하여 부착될 수 있다. 제2 절연층(810)은 제1 절연층(806)과 동일한 재료일 수 있다. 제2 절연층(810)은 전기적 연결부(812) 주위로 흐르고 그 다음 보호 쉘을 형성하도록 경화되는 수지 재료일 수 있다. 칩(702) 상에 존재하는 센서 어레이를 향한 경로를 형성하도록 개구(814)가 제2 절연층(810) 내에 형성된다. 기준 전극이 또한 칩(702) 상에 패터닝되는 일 실시예에서, 개구(814)는 센서 어레이와 기준 전극을 향하는 경로를 형성할 것이다.An electrical connection 812 may be provided between the I / O pad 716 and the conductive plug 808 when the chip 702 is secured to the carrier layer 802 and has a first insulating layer 806 therearound have. The electrical connections 812 may be formed using wire bonding techniques as will be appreciated by those skilled in the art. In another example, an electrical connection 812 is formed using a lithographic patterning technique to pattern a conductive trace to electrically connect the I / O pad 716 to the corresponding conductive plug 808. When the electrical connection portion 812 is formed, the second insulation layer 810 may be attached to protect the electrical connection portion 812 from the surroundings. The second insulating layer 810 may be made of the same material as the first insulating layer 806. The second insulating layer 810 may be a resin material that flows around the electrical connection 812 and then cures to form a protective shell. An opening 814 is formed in the second insulating layer 810 to form a path toward the sensor array present on the chip 702. [ In one embodiment in which the reference electrode is also patterned on the chip 702, the opening 814 will form a path towards the sensor array and the reference electrode.

최종 칩 패키지(816)는 캐리어층(802)에 바인딩되고 캐리어층(802)의 하부 표면(805) 상의 다양한 도전성 솔더 포인트 또는 금속 패드에 전기적으로 연결된 칩(702)을 포함한다. 또한, 칩(702)은 제1 절연층(806) 및 제2 절연층(810)을 통해 주변으로부터 보호된다. 칩 패키지(816)는 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은 더 큰 기판에 쉽게 핸들링되어 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 칩 패키지(816)는 칩(702)으로부터 주변 공기로 또는 칩 패키지(816)가 부착되는 기판이라면 무엇이든지 그 내로 더욱 효율적인 열 소산 경로를 제공하기 위하여 하나 이상의 히트 싱크에 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 칩 패키지(816)는 열전 가열 및/또는 냉각을 제공하기 위하여 펠티에 소자에 결합될 수 있다.The final chip package 816 includes a chip 702 that is bonded to the carrier layer 802 and electrically connected to various conductive solder points or metal pads on the lower surface 805 of the carrier layer 802. In addition, the chip 702 is protected from the surroundings via the first insulating layer 806 and the second insulating layer 810. [ The chip package 816 can be easily handled and coupled to a larger substrate such as a printed circuit board (PCB). In some embodiments, the chip package 816 may be coupled to one or more heat sinks to provide a more efficient heat dissipation path into the ambient air from the chip 702, or any substrate to which the chip package 816 is attached . In another embodiment, the chip package 816 may be coupled to a Peltier element to provide thermoelectric heating and / or cooling.

도 9의 예시적인 실시예를 참조하면, 칩 패키지(816)는 기판(902)과 본딩된다. 기판(902)은 캐리어층(802)의 하부 표면 상의 솔더 또는 도전성 패드와의 전기적 접촉을 형성하기 위한 도전성 컨택트 패드를 포함하는 PCB일 수 있다. 플립칩 본딩 기술이 칩 패키지(816)를 기판(902)의 표면 상으로 본딩하기 위하여 수행될 수 있다. 간단히 말해서, 캐리어층(802)의 하부 표면을 따른 솔더 또는 도전성 패드는 기판(902) 상에 패터닝된 대응하는 도전성 패드에 정렬되고, 칩 패키지(816)를 기판(902)에 물리적으로 부착하기 위하여 그리고 I/O 패드를 칩(702)으로부터 기판(902) 상에 존재하는 도전성 트레이스에 전기적으로 결합하기 위하여 함께 본딩된다. 기판(902) 상의 도전성 트레이스는 엣지 커넥터(908)에서 종결될 수 있다.With reference to the exemplary embodiment of FIG. 9, a chip package 816 is bonded to a substrate 902. The substrate 902 can be a PCB that includes a solder on the lower surface of the carrier layer 802 or a conductive contact pad for making electrical contact with the conductive pad. Flip chip bonding techniques may be performed to bond the chip package 816 onto the surface of the substrate 902. [ The solder or conductive pad along the bottom surface of the carrier layer 802 is aligned with a corresponding conductive pad patterned on the substrate 902 and is used to physically attach the chip package 816 to the substrate 902 And to electrically couple the I / O pads from the chip 702 to the conductive traces present on the substrate 902. The conductive trace on the substrate 902 may terminate at the edge connector 908.

하나 이상의 엣지 커넥터(908)가 칩(702)에 전기적 연결을 제공할 수 있다. 하나 이상의 다른 엣지 커넥터(908)가 기판(902)의 표면 상에 패터닝된 기준 전극(906)에 전기적 연결을 제공할 수 있다. 기준 전극(906)을 이용하는 것은 칩(702) 상에 기준 전극을 제공할 필요성을 제거할 수 있다. 하나 이상의 엣지 커넥터(908)의 각각은, 구리, 금 또는 알루미늄과 같지만 이에 한정되지 않는 금속을 이용하여 패터닝될 수 있다. 기준 전극(906)은 칩(702) 상의 기준 전극(706)에 대하여 위에서 논의된 것과 유사한 기술을 이용하여 제조될 수 있다.One or more edge connectors 908 may provide an electrical connection to the chip 702. One or more other edge connectors 908 may provide an electrical connection to the patterned reference electrode 906 on the surface of the substrate 902. Using the reference electrode 906 may eliminate the need to provide a reference electrode on the chip 702. Each of the one or more edge connectors 908 may be patterned using a metal such as, but not limited to, copper, gold, or aluminum. The reference electrode 906 may be fabricated using a technique similar to that discussed above for the reference electrode 706 on the chip 702.

예시적인 칩 패키지(816)의 치수는 대략 1 내지 2 센티미터 x 1 내지 2 센티미터 사이이거나 더 작을 수 있고, 기판(902)의 치수는 대략 3 내지 4 센티미터 x 3 내지 4 센티미터 사이이거나 더 작을 수 있다.The dimensions of the exemplary chip package 816 can be between about 1 and 2 centimeters x 1 to 2 centimeters or less and the dimensions of the substrate 902 can be between about 3 and 4 centimeters x 3 to 4 centimeters .

개구(814)가 칩(702) 위에 도시되어, 적어도 칩(702)의 센서 어레이를 노출시킨다. 예시적인 일 실시예에서, 개구(814)는, 유체 채널이 개구(814)와 기준 전극(906) 모두의 위에 배치될 수 있도록, X 또는 Y 방향을 따라 기준 전극(906)과 대략 정렬된다.An opening 814 is shown above the chip 702 to expose at least the sensor array of the chip 702. The opening 814 is generally aligned with the reference electrode 906 along the X or Y direction so that a fluid channel can be placed over both the opening 814 and the reference electrode 906. In an exemplary embodiment,

유체 설계Fluid design

도 10을 참조하면, 예시적인 유체 카트리지(1000)의 개략도가 제공된다. 개략도는 유체 카트리지(1000)의 상면도를 도시하고, 도시된 모든 요소가 동일한 수평 평면 상에 있는 것은 아니라는 것이 주목되어야 한다. 또한, 다양한 유체 채널의 특정 치수와 스케일은 개선된 시각화를 위하여 일부러 척도에 맞지 않게 작도된다. 카트리지(1000)는 하우징(1002)을 포함한다. 하우징(1002)은, 몇 가지 예를 들자면, 주입 몰딩, 주조 또는 3D 인쇄 기술을 이용하여 폴리메타크릴산 메틸(polymethyl methacrylate(PMMA))과 같은 임의의 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 하우징(1002)은 기계적으로 또는 접착제의 사용을 통해 함께 연결되는 2 이상의 세그먼트로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 다양한 유체 채널 및 챔버가 하우징(1002)의 하나 이상의 챔버 내에 몰딩될 수 있다. 다른 실시예에서, 다양한 유체 채널 및 챔버는 폴리디메치실록산(polydimethylsiloxane(PDSM))과 같은 다른 몰딩된 폴리머 재료로부터 형성된다. 하우징(1002)의 전반적인 치수는 대략 4 내지 대략 7 센티미터 x 대략 4 내지 대략 7 센티미터 사이일 수 있다. 기술이 진보함에 따라, 하우징(1002)은 훨씬 더 작아질 수 있다. 일 실시예에서, 패키징된 칩(802)을 갖는 기판(902)이 하우징(1002) 내에 배치된다. 일례에서, 기판(902)의 일부만이 하우징(1002) 내에 둘러싸이고, 엣지 연결부(908)가 하우징(1002)의 외부에서 노출된다.Referring to FIG. 10, a schematic view of an exemplary fluid cartridge 1000 is provided. It should be noted that the schematic diagram shows a top view of the fluid cartridge 1000, and not all elements shown are on the same horizontal plane. In addition, certain dimensions and scales of various fluidic channels are deliberately constructed to scale for improved visualization. Cartridge 1000 includes a housing 1002. The housing 1002 may be formed of any plastic material, such as polymethyl methacrylate (PMMA), using injection molding, casting or 3D printing techniques, to name a few examples. The housing 1002 may be formed of two or more segments that are connected together mechanically or through the use of an adhesive. In one embodiment, various fluid channels and chambers may be molded into one or more chambers of the housing 1002. In another embodiment, the various fluid channels and chambers are formed from other molded polymeric materials such as polydimethylsiloxane (PDSM). The overall dimensions of the housing 1002 can be between about 4 and about 7 centimeters x about 4 to about 7 centimeters. As the technology advances, the housing 1002 can be much smaller. In one embodiment, a substrate 902 having a packaged chip 802 is disposed in the housing 1002. [ In one example, only a portion of the substrate 902 is enclosed within the housing 1002, and the edge connections 908 are exposed outside the housing 1002.

예시적인 하우징(1002)의 유체 설계는 적어도 제1 채널(1004), 제2 채널(1006) 및 제3 채널(1008)을 포함한다. 제1 채널(1004) 및 제2 채널(1006)의 각각은 대응하는 유체 입구(1010a, 1010b)를 각각 포함한다. 유체 입구는 카트리지(1000)의 외부로부터 카트리지(1000)로 유체를 주입하기 위한 영역을 제공한다. 또한, 유체 입구는 카트리지(1000)로부터 카트리지(1000)의 외부로 유체를 배출하기 위한 영역을 제공한다. 제3 채널(1008)은 기판(902)에 본딩된 패키징된 칩(802) 위로 정렬될 수 있다. 일 실시예에서, 센서 어레이 위의 개구(814)는 실질적으로 제3 채널(1008) 내에 있다. 또한, 기판(902) 상에 패터닝된 기준 전극(906)은, 일 실시예에 따라, 제3 채널(1008) 내에 있도록 정렬된다.The fluid design of the exemplary housing 1002 includes at least a first channel 1004, a second channel 1006, and a third channel 1008. Each of the first channel 1004 and the second channel 1006 includes corresponding fluid inlets 1010a and 1010b, respectively. The fluid inlet provides an area for injecting fluid from the outside of the cartridge 1000 into the cartridge 1000. In addition, the fluid inlet provides a region for discharging fluid from the cartridge 1000 to the outside of the cartridge 1000. The third channel 1008 may be aligned over the packaged chip 802 bonded to the substrate 902. In one embodiment, the aperture 814 over the sensor array is substantially within the third channel 1008. In addition, the patterned reference electrode 906 on the substrate 902 is aligned in the third channel 1008, according to one embodiment.

제1 채널(1004), 제2 채널(1006) 및 제3 채널(1008)의 각각은 대략 2 mm와 3 mm 사이의 채널 폭을 가질 수 있다. 채널 높이는 대략 1 mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 채널(1004), 제2 채널(1006) 및 제3 채널(1008) 중 하나 이상은 1 mm 미만의 폭과 높이 치수를 갖는 미소 유체 채널이다. 제1 채널(1004), 제2 채널(1006) 및 제3 채널(1008)의 각각은 직사각형, 정사각형 또는 반원형 단면을 가질 수 있다.Each of the first channel 1004, the second channel 1006 and the third channel 1008 may have a channel width between approximately 2 mm and 3 mm. The channel height may be approximately 1 mm. In another embodiment, at least one of the first channel 1004, the second channel 1006, and the third channel 1008 is a microfluidic channel having a width and height dimension of less than 1 mm. Each of the first channel 1004, the second channel 1006, and the third channel 1008 may have a rectangular, square, or semi-circular cross-section.

일부 실시예에서, 제1 채널(1004)과 제2 채널(1006) 중 하나 이상이 제3 채널(1008)과 연결된다. 이러한 방식으로, 제1 채널(1004)을 통해 흐르는 유체는 결국 제3 채널(1008)을 통해 흐를 것이고, 유사하게 제2 채널(1006)을 통해 흐르는 유체는 결국 제3 채널(1008)을 통해 흐를 것이다. 일부 실시예에서, 제3 채널(1009)은 카트리지(1000)를 통해 흐르는 모든 유체를 수집하는 폐기(waste) 챔버(1016) 내로 결국 흐른다. 폐기 챔버(1016)는 유체 시스템 내에서 형성되는 배압(back pressure)을 방지하기 위한 대기로의 통기구(미도시)를 포함할 수 있다.In some embodiments, at least one of the first channel 1004 and the second channel 1006 is coupled to the third channel 1008. In this manner, the fluid flowing through the first channel 1004 will eventually flow through the third channel 1008, and similarly, the fluid flowing through the second channel 1006 will eventually flow through the third channel 1008 will be. In some embodiments, the third channel 1009 eventually flows into a waste chamber 1016 that collects all the fluid flowing through the cartridge 1000. The waste chamber 1016 may include an air vent (not shown) to prevent back pressure formed in the fluid system.

일부 실시예에서, 각각의 입구(1010a, 1010b)는 플러그(1012a, 1012b)를 각각 포함한다. 플러그(1012a/1012b)는 임의의 유체 누설로부터 입구를 밀봉하기 위하여 입구(1010a/1010b) 내에서 편안하게 피팅되는 연질의 유연(compliant) 재료일 수 있다. 플러그(1012a/1012b)는 폴리테트라플루오로에틸(polytetrafluoroethylene(PTFE)) 또는 코르크와 같은 폴리머 재료일 수 있다. 플러그(1012a/1012b)가 입구(1010a/1010b)를 밀봉할 수 있고, 유체 밀봉을 손상시키지 않으면서 모세관이 플러그(1012a/1012b)를 천공할 수 있게 한다. 모세관은 주사 바늘과 같은 바늘형 튜브일 수 있다. 모세관은 금속 또는 경질 플라스틱과 같은 경질의 단단한 재료를 포함할 수 있다. 카트리지(1000)로의 모세관의 결합은 카트리지(1000)의 분석기와의 결합을 논의할 때 이후에 더욱 상세히 설명될 것이다.In some embodiments, each inlet 1010a, 1010b includes a plug 1012a, 1012b, respectively. The plugs 1012a / 1012b may be a compliant material that is comfortably fitted within the openings 1010a / 1010b to seal the openings from any fluid leakage. The plugs 1012a / 1012b may be a polymeric material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or cork. The plugs 1012a / 1012b can seal the inlets 1010a / 1010b and allow the capillary to puncture the plugs 1012a / 1012b without compromising the fluid seal. The capillary can be a needle-like tube such as an injection needle. The capillary may comprise a hard, rigid material such as a metal or hard plastic. The coupling of the capillary to the cartridge 1000 will be described in more detail later when discussing coupling with the analyzer of the cartridge 1000.

카트리지(100)는 제1 채널(1004)(도 10에 도시된 바와 같이) 또는 제2 채널(1006)로 샘플을 도입시키도록 배열된 샘플 입구(1014)를 포함한다. 일례에서, 혈액 샘플이 샘플 입구(1014)를 통해 유체 시스템 내로 배치된다. 샘플이 도입되면, 샘플 입구(1014)는 샘플 입구(1014) 주위의 누설 방지 밀봉을 제공하기 위하여 캡 또는 다른 유사한 구조를 이용하여 밀봉될 수 있다. 도 10의 예시된 채널 배열에서, 입구(1010a)로부터 제1 채널(1004)을 통해 흐르는 유체는 샘플 입구(1014)를 통해 유입된 샘플과 혼합될 것이고, 혼합물은 제3 채널(1008) 내에서 개구(814)와 기준 전극(906) 위로 흐를 것이다. 샘플이 개구(814)를 통해 노출된 센서 어레이로 전달되면, 생체 분자들 사이의 상호 작용이 발생하고, FET 센서가 샘플 내의 특정 피분석물의 존재를 검출하거나 그 농도를 측정하는데 사용될 수 있다. 유체는 압력 구동식 유동을 이용하여 다양한 채널을 따라 그리고 그 사이에서 이동될 수 있다. 압력은, 몇 가지 예를 들자면, 주사기가 카트리지(1000)를 통해 액체 또는 공기를 밀어 넣거나, 또는 가압된 공기가 액체를 미는 것으로 발생될 수 있다. 카트리지(1000)를 통해 액체를 수송하기 위한 기술의 다른 예는 전기 습윤하는 것(electro-wetting) 또는 온-칩 연동 펌프(on-chip peristaltic pump)를 이용하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 유체 혼합은 당해 기술 분야에서 알려진 다양한 온-칩 혼합 방법 중 임의의 하나를 이용하여 카트리지(1000) 내에서 발생할 수 있다. 카트리지(1000)의 유체 채널의 치수는 일부 유체 혼합이 채널을 통해 이동함에 따른 액체의 난류에 기인하여 발생하기에 충분하게 클 수 있다. 샘플 입구(1014)의 위치는 변동될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 샘플 입구(1014)는 샘플 입구(1014) 내로 도입되는 샘플이 또한 개구(814)를 통해 노출된 센서 어레이 위로 도입되도록 개구(814) 바로 위에 위치될 수 있다.Cartridge 100 includes a sample inlet 1014 arranged to introduce a sample into a first channel 1004 (as shown in FIG. 10) or a second channel 1006. In one example, a blood sample is placed into the fluid system through the sample inlet 1014. Once the sample is introduced, the sample inlet 1014 may be sealed using a cap or other similar structure to provide a leak-tight seal around the sample inlet 1014. In the illustrated channel arrangement of FIG. 10, fluid flowing from the inlet 1010a through the first channel 1004 will be mixed with the sample introduced through the sample inlet 1014, Will flow over opening 814 and reference electrode 906. When a sample is delivered to the exposed sensor array through opening 814, interaction between biomolecules occurs and the FET sensor can be used to detect the presence or to measure the concentration of a particular analyte in the sample. The fluid can be moved along and between the various channels using pressure driven flow. The pressure can be generated, for example, by the syringe pushing liquid or air through the cartridge 1000, or the pressurized air pushing the liquid. Other examples of techniques for transporting liquid through cartridge 1000 include using electro-wetting or on-chip peristaltic pumps. In some embodiments, fluid mixing may occur in the cartridge 1000 using any one of a variety of on-chip mixing methods known in the art. The dimensions of the fluid channels of the cartridge 1000 may be large enough to occur due to turbulence of the liquid as some fluid mixture moves through the channels. It should be appreciated that the position of the sample inlet 1014 may vary. For example, the sample inlet 1014 may be located just above the opening 814 so that the sample introduced into the sample inlet 1014 is also introduced over the exposed sensor array through the opening 814. [

기판(902)이 하우징(1002) 내로 통합되면, 개구(814)를 통해 액세스된 센서 어레이는, 일 실시예에 따라, 다양한 포획제로 기능화될 수 있다. 이 과정은, 포획제가 센서 어레이 내의 다양한 FET 센서에 바인딩될 기회를 가지도록 제3 채널(1008)을 통해 포획제를 포함하는 액체 버퍼를 흘리는 것을 포함한다. 다른 예에서, 샘플 입구(1014)가 개구(814) 위에 위치 설정될 때, 포획제는 개구(814) 바로 위에 배치된다. 포획제가 고정화된 후에, 생물학적 감지 테스트를 수행할 준비가 될 때까지 카트리지(1000)가 저장될 수 있도록 샘플 입구(1014)는 밀봉될 수 있다. 포획제는 초기 버퍼 용액 내에 남아 있을 수 있거나, 카트리지(100)가 시험을 기다리는 동안 포획제를 보존하기 위하여 새로운 버퍼 용액이 도입될 수 있다. 상이한 포획제 및 포획제로 수행되는 시험의 예들이 여기에서 제공된다.Once the substrate 902 is integrated into the housing 1002, the sensor array accessed through the opening 814 can, according to one embodiment, be functionalized with various trapping agents. This process includes flowing a liquid buffer containing entrapment through the third channel 1008 so that the entrapment has the opportunity to bind to various FET sensors in the sensor array. In another example, when the sample inlet 1014 is positioned over the opening 814, the catch agent is disposed directly above the opening 814. [ After the capture agent is immobilized, the sample inlet 1014 can be sealed so that the cartridge 1000 can be stored until ready to perform the biological detection test. The capturing agent may remain in the initial buffer solution, or a new buffer solution may be introduced to preserve the capturing agent while the cartridge 100 is waiting for the test. Examples of tests performed with different capture agents and capture agents are provided herein.

도 11을 참조하면, 카트리지(1000)의 다양한 유체 채널을 위한 다른 설계가 예시된다. 이 설계에서, 제1 입구(1102a)를 갖는 제1 채널(1104)과 입구(1102b)를 갖는 제2 채널(1106)이 샘플 입구(1110)를 갖는 영역에서 수렴한다. 내부에 정렬된 개구(814)를 갖는 제3 채널(1108)이 샘플 입구(1110)에서 제1 채널(1104) 및 제2 채널(1106)과 연결된다. 개구(814)는 적어도 칩 상의 센서 어레이를 제3 채널(1108) 내의 유체에 노출시키기 위하여 아래로 칩으로의 경로를 제공한다. 제1 채널(1104) 또는 제2 채널(1106)로부터 제3 채널(1108)을 통해 흐르는 유체는 궁극적으로 폐기 챔버(1112) 내에 수집된다. 유체는 다양한 채널의 기하학적 구조에 기초하여 또는 소정의 채널을 폐쇄하기 위하여 밸브를 이용함으로써 폐기 챔버(1112)를 향하게 될 수 있다. 또한, 샘플 입구(1110)는 개구(814) 위에 위치될 수 있다.Referring to FIG. 11, another design for the various fluid channels of the cartridge 1000 is illustrated. In this design, a first channel 1104 with a first inlet 1102a and a second channel 1106 with an inlet 1102b converge in a region having a sample inlet 1110. A third channel 1108 having an opening 814 aligned therein is connected to the first channel 1104 and the second channel 1106 at the sample inlet 1110. The opening 814 provides a path down to the chip to expose at least the sensor array on the chip to the fluid in the third channel 1108. Fluid flowing from the first channel 1104 or the second channel 1106 through the third channel 1108 is ultimately collected in the waste chamber 1112. The fluid may be directed to the waste chamber 1112 based on the geometry of the various channels or by using a valve to close the desired channel. In addition, the sample inlet 1110 may be located above the opening 814.

제1 채널(1104), 제2 채널(1106) 및 제3 채널(1108) 중 하나 이상은 버블 트랩(bubble trap)(1114)을 포함할 수 있다. 버블 트랩(1114)은 용액 내에 존재하는 임의의 공기가 버블 트랩(1114)에서 형성되는 추가 공간 내로 상승할 수 있도록 갑자기 더 큰 단면[또는 더 높은 "천장(ceiling)"]을 갖는 유체 채널의 영역을 나타낼 수 있다. 관련 기술 분야에서의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 다른 버블 트랩 설계가 역시 사용될 수 있다. 공기 버블을 개구(814) 아래에 있는 센서 어레이에 도달하기 전에 용액으로부터 제거하는 것은 정확한 감지 결과를 보장하는데 중요할 수 있다.At least one of the first channel 1104, the second channel 1106, and the third channel 1108 may include a bubble trap 1114. The bubble trap 1114 is a region of the fluid channel having a suddenly larger cross section (or higher "ceiling") so that any air present in the solution can rise into the additional space formed in the bubble trap 1114 Lt; / RTI > Other bubble trap designs may also be used, as will be appreciated by those skilled in the relevant arts. Removing air bubbles from solution prior to reaching the sensor array below opening 814 may be important to ensure accurate detection results.

도 12를 참조하면, 생물학적 감지를 수행하기 위하여 분석기(1200)에 결합된 카트리지(1000)가 예시된다. 카트리지(1000)는, 예를 들어, 분석기(1200)의 수용부에 대하여 카트리지(1000)를 가압함으로써, 분석기(1200)와 물리적으로 접촉하게 될 수 있다. 분석기(1200)의 수용부는 엣지 커넥터(908)의 일부 또는 전부에 대한 오믹 컨택트를 형성하기 위한 전기 패드를 포함할 수 있다. 기판(902)의 엣지는 엣지 커넥터(908)가 분석기(1200)의 대응하는 도전성 패드에 대하여 가압하도록 분석기(1200)의 수용부 내로 편안하게 피팅될 수 있다. 카트리지(1000)와 분석기(1200)를 조립하는 다른 방법은, 특히, 이들을 함께 스냅 결합하는 것 및 하나를 다른 하나에 플러그 결합하는 것을 포함한다. 분석기(1200)는 쉽게 휴대 가능하기에 충분히 작을 수 있고, 성인의 손의 손바닥 내로 피팅될 수 있다.Referring to FIG. 12, a cartridge 1000 coupled to the analyzer 1200 for performing biological sensing is illustrated. Cartridge 1000 may be in physical contact with analyzer 1200 by, for example, pressing cartridge 1000 against the receiving portion of analyzer 1200. [ The receptacle of the analyzer 1200 may include an electrical pad for forming an ohmic contact to some or all of the edge connector 908. [ The edge of the substrate 902 can be comfortably fitted into the receptacle of the analyzer 1200 such that the edge connector 908 presses against the corresponding conductive pad of the analyzer 1200. [ Other methods of assembling the cartridge 1000 and the analyzer 1200 include, among other things, snapping them together and plugging one into the other. The analyzer 1200 can be small enough to be easily portable and can be fitted into the palm of an adult's hand.

일부 실시예에서, 분석기(1200)는 적어도 제1 주사기(1202a)와 제2 주사기(1202b)를 포함한다. 제1 주사기(1202a)와 제2 주사기(1202b)의 각각은 카트리지(1000)의 동작 동안 사용되는 버퍼 또는 다른 용액을 포함할 수 있다. 주사기(1202a/1202b)는 각각 분석기(1200)의 나머지 부분으로부터 멀리 있는 공간 내로 연장하도록 정렬될 수 있는 바늘(1204a/1204b)을 포함한다. 일부 실시예에서, 바늘(1204a/1204b)은, 분석기(1200)의 수용부에 대하여 카트리지(1000)를 가압하는 것에 의해 바늘(1204a/1204b)이 대응하는 플러그(1012a/1012b)를 통해 그리고 입구(1010a/1010b) 내로 천공하게 한다. 본 실시예에서, 바늘(1204a/1204b)은 대응하는 플러그(1012a/1012b)를 천공하는 모세관의 일례이다. 따라서, 누설 방지 밀봉이 각각의 주사기(1202a/1202b)로부터 카트리지(1000)의 대응하는 입구(1010a/1010b) 내로 용액을 전달하기 위하여 형성된다. 이러한 설명이 단지 2개의 입력 포트와 정렬된 2개의 주사기를 설명하지만, 단지 하나의 주사기가 단일 입구와 결합하는데 사용되는 예를 포함하여, 임의의 개수의 주사기 및 유체 입력 포트가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 각각의 주사기(1202a/1202b)에는 다양한 시험에서의 사용을 위하여 용액이 미리 로딩될 수 있다. 다른 예에서, 각각의 주사기(1202a/1202b)는 쉽게 제거되어 사용자에 의해 다른 주사기로 교체될 수 있다.In some embodiments, analyzer 1200 includes at least a first syringe 1202a and a second syringe 1202b. Each of the first syringe 1202a and the second syringe 1202b may include a buffer or other solution used during operation of the cartridge 1000. [ Syringes 1202a / 1202b each include a needle 1204a / 1204b that can be aligned to extend into a space that is remote from the remainder of the analyzer 1200. In some embodiments, the needles 1204a / 1204b may be configured to cause the needles 1204a / 1204b to move through the corresponding plugs 1012a / 1012b and / (1010a / 1010b). In this embodiment, needles 1204a / 1204b are an example of capillaries that perforate corresponding plugs 1012a / 1012b. Thus, a leak-barrier seal is formed to transfer the solution from each syringe 1202a / 1202b into the corresponding inlet 1010a / 1010b of the cartridge 1000. Although this description describes two syringes aligned with only two input ports, it is understood that any number of syringes and fluid input ports may be used, including examples where only one syringe is used to couple with a single inlet . Each syringe 1202a / 1202b may be preloaded with solution for use in various tests. In another example, each syringe 1202a / 1202b can be easily removed and replaced by another syringe by the user.

각각의 주사기(1202a/1202b)는 대응하는 액추에이터(1206a/1206b)를 통해 제어되는 연관된 플런저(plunger)를 가질 수 있다. 액추에이터(1206a/1206b)의 예는 스테퍼(stepper) 모터와 인덕션 모터를 포함한다. 액추에이터(1206a/1206b)가 주사기(1202a/1202b)의 플런저를 미는 속도는 카트리지(1000)의 유체 채널 내의 용액의 유량(flow rate)에 직접적으로 영향을 미칠 것이다. 액추에이터(1206a/1206b)는 모터 제어 모듈(1208a/1208b)을 통해 제어될 수 있다. 모터 제어 모듈(1208a/1208b)은, 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 액추에이터(1206a/1206b)의 속도 및 동작을 제어하기 위한 전압을 생성하는데 필요한 회로를 포함한다.Each syringe 1202a / 1202b may have an associated plunger that is controlled through a corresponding actuator 1206a / 1206b. Examples of the actuators 1206a / 1206b include a stepper motor and an induction motor. The rate at which the actuator 1206a / 1206b pushes the plunger of the syringe 1202a / 1202b will directly affect the flow rate of the solution in the fluid channel of the cartridge 1000. [ Actuators 1206a / 1206b may be controlled via motor control modules 1208a / 1208b. Motor control modules 1208a / 1208b include circuitry required to generate voltages to control the speed and operation of actuators 1206a / 1206b, as will be appreciated by those of ordinary skill in the relevant art.

카트리지(1000)의 엣지 커넥터(908)에 대하여 형성된 모든 전기 연결부는 감지 전자 장치(1210)로 라우팅될 수 있다. 감지 전자 장치(1210)는 감지 전자 장치(1210)와 엣지 커넥터(908) 사이에서 많은 상이한 전기 신호를 제공하고 수신하도록 설계된 임의의 개수의 개별 회로, 집적 회로 및 개별 아날로그 회로 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 감지 전자 장치(1210)는 엣지 커넥터(908)에 이후에 칩(702) 상의 센서 어레이 및 다른 전자 장치에 전력을 공급하고 이들을 작동시키는데 사용될 수 있는 전력, 접지 및 클록 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 감지 전자 장치(1210)는 또한 센서 어레이 내의 특정 FET 센서의 게이트를 활성화하기 위한 다양한 전압 바이어스 레벨을 제공할 수 있다. 감지 전자 장치(1210)는 특정 FET 센서로부터 측정된 드레인 전류를 나타내는 신호와, 칩(702) 상의 온도 센서로부터의 출력을 나타내는 신호를 수신할 수 있다. 감지 전자 장치(1210)는 이러한 수신된 데이터를 메모리에 저장할 수 있거나, 전압 바이어스 레벨을 변동시키도록 수신된 데이터를 이용할 수 있거나, 또는 칩(702) 상의 히터에 의해 생성된 열의 양을 변화시킬 수 있다. 일반적으로, 감지 전자 장치(1210)는 카트리지(1000)의 센서 어레이에 의해 수행된 바이오센싱에 관련된 모든 신호 처리를 제어한다.All electrical connections formed to the edge connector 908 of the cartridge 1000 may be routed to the sensing electronics 1210. [ The sensing electronics 1210 may include any number of discrete circuits, integrated circuits, and discrete analog circuit components designed to provide and receive a number of different electrical signals between the sensing electronics 1210 and the edge connector 908 . For example, sensing electronics 1210 can be coupled to edge connector 908 to provide power, ground, and clock signals that can then be used to power and operate the sensor array and other electronic devices on chip 702 Lt; / RTI > The sensing electronics 1210 may also provide various voltage bias levels for activating the gates of specific FET sensors in the sensor array. The sensing electronics 1210 may receive a signal representative of the measured drain current from a particular FET sensor and a signal indicative of an output from a temperature sensor on chip 702. [ Sensing electronics 1210 may store this received data in memory or may use received data to vary the voltage bias level or may change the amount of heat generated by the heater on chip 702 have. Generally, the sensing electronics 1210 controls all signal processing associated with biosensing performed by the sensor array of the cartridge < RTI ID = 0.0 > 1000. < / RTI &

일부 실시예에서, 분석기(1200)는 또한 모터 제어 모듈(1208a/1208b) 및 감지 전자 장치(1210)와 같은 분석기(1200)의 다른 모듈의 각각의 기능과 타이밍을 제어하는 프로세서(1212)를 포함한다. 프로세서(1212)는 임의의 종류의 중앙 처리 유닛(central processing unit(CPU)) 또는 마이크로컨트롤러일 수 있고, 분석기(1200)의 동작에 관련된 소정의 기능을 수행하기 위하여 사용자에 의해 프로그래밍 가능할 수 있다. 프로세서(1212)는 카트리지(1000) 내의 샘플로부터 주어진 피분석물의 농도 레벨을 판단하기 위하여 감지 전자 장치(1210)로부터 수신된 신호를 분석하도록 구성될 수 있다. 판단된 농도 레벨에 관련된 데이터는 분석기(1200)의 메모리에 저장될 수 있다. 다른 예에서, 감지 전자 장치(1210)가 카트리지(1000) 내의 샘플로부터 주어진 피분석물의 농도 레벨을 판단하고, 분석기(1200)의 메모리에 판단된 농도 레벨에 관련된 데이터를 저장하도록 더 구성될 수 있다.In some embodiments, the analyzer 1200 also includes a processor 1212 that controls the functionality and timing of each of the other modules of the analyzer 1200, such as the motor control module 1208a / 1208b and the sensing electronics 1210 do. The processor 1212 may be any type of central processing unit (CPU) or microcontroller and may be programmable by the user to perform certain functions related to the operation of the analyzer 1200. Processor 1212 may be configured to analyze a signal received from sensing electronics 1210 to determine a concentration level of a given analyte from a sample in cartridge 1000. [ Data related to the determined concentration level may be stored in the memory of the analyzer 1200. [ In another example, the sensing electronics 1210 may be further configured to determine a concentration level of a given analyte from a sample in the cartridge 1000 and to store data related to the determined concentration level in the memory of the analyzer 1200 .

일부 실시예에서, 분석기(1200)는 외부 처리 장치에 데이터를 통신하도록 설계된 통신 모듈(1214)을 포함한다. 프로세서(1212)는 데이터 전송을 제어하기 위하여 통신 모듈(1214)과 전기적으로 결합될 수 있다. 통신은 유선 또는 무선 방식일 수 있다. 유선 통신의 예는 네트워크 케이블 또는 USB(universal serial bus) 케이블을 통한 데이터 전송을 포함한다. 무선 통신은 무선 RF 전송, 블루투스, WiFi, 3G 또는 4G를 포함할 수 있다. 통신 모듈(1214)은 또한 외부 처리 장치로부터 데이터를 수신하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 분석기(1200)의 다양한 컴포넌트를 작동시키는 방법에 대한 프로그램이 통신 모듈(1214)로 전송되어 프로세서(1212)에 의해 실행될 수 있다. 통신 모듈(1214)은 아날로그 및/또는 디지털 데이터 송신 및 수신을 용이하게 하기 위하여 임의의 개수의 잘 알려진 하드웨어 요소를 포함할 수 있다.In some embodiments, analyzer 1200 includes a communication module 1214 that is designed to communicate data to an external processing device. Processor 1212 may be electrically coupled to communication module 1214 to control data transmission. The communication may be wired or wireless. Examples of wired communications include data transmission over a network cable or a universal serial bus (USB) cable. Wireless communication can include wireless RF transmission, Bluetooth, WiFi, 3G or 4G. Communication module 1214 may also be designed to receive data from an external processing unit. For example, a program for a method of operating the various components of the analyzer 1200 may be transmitted to the communication module 1214 and executed by the processor 1212. [ Communication module 1214 may include any number of well known hardware components to facilitate analog and / or digital data transmission and reception.

바이오센싱 시험이 수행된 후에, 카트리지(1000)는 분석기(1200)로부터 제거되고 폐기될 수 있다. 또한, 주사기(1202a/1202b)가 분석기(1200)로부터 제거되고 폐기될 수 있다. 따라서, 모든 시약은 카트리지(1000) 또는 주사기(1202a/1202b) 내에 포함된 상태를 유지하며, 분석기(1200)의 어떠한 다른 부분의 오염이 발생하지 않는다. 이러한 방식으로, 단일 분석기(1200)가 임의의 개수의 추가 카트리지를 시험하기 위하여 재사용될 수 있으며, 각각의 카트리지는 다른 바이오센싱 시험을 수행하기 위하여 다른 포획제를 이용하여 개별적으로 기능화될 수 있다.After the biosensing test is performed, the cartridge 1000 may be removed from the analyzer 1200 and discarded. Also, syringe 1202a / 1202b may be removed from analyzer 1200 and discarded. Thus, all of the reagents remain contained within the cartridge 1000 or syringes 1202a / 1202b, and no contamination of any other part of the analyzer 1200 occurs. In this manner, a single analyzer 1200 can be reused to test any number of additional cartridges, and each cartridge can be individually functionalized using a different capture agent to perform different biosensing tests.

다른 실시예에서, 주사기(1202a/1202b)는 카트리지(1000) 상에 통합되고, 카트리지(1000)와 분석기(1200) 사이의 결합은 주사기(1202a/1202b)의 연관된 플런저를 분석기(1200) 상의 액추에이터(1206a/1206b)와 정렬한다. 본 실시예에서, 분석기(1200)는 어떠한 시약 운반 컨테이너도 전혀 없다.In another embodiment, the syringe 1202a / 1202b is integrated on the cartridge 1000 and the coupling between the cartridge 1000 and the analyzer 1200 causes the associated plunger of the syringes 1202a / (1206a / 1206b). In this embodiment, the analyzer 1200 has no reagent transport container at all.

다른 실시예에서, 카트리지(1000)는 대응하는 플러그(1012a/1012b)를 통해 천공되는 하나 이상의 모세관을 포함한다. 본 실시예에서, 카트리지(1000)와 분석기(1200) 사이에 결합이 발생할 때, 모세관은 분석기(1200) 내의 주사기(1202a/1202b)의 나머지와 유동적으로(fluidically) 결합한다. 바이오센싱 시험이 수행된 후에, 카트리지(1000)는 그 모세관과 함께 분석기(1200)로부터 제거되고 폐기될 수 있다.In another embodiment, the cartridge 1000 includes one or more capillaries drilled through corresponding plugs 1012a / 1012b. In this embodiment, when a coupling between the cartridge 1000 and the analyzer 1200 occurs, the capillary fluidly couples with the remainder of the syringes 1202a / 1202b in the analyzer 1200. After the biosensing test is performed, the cartridge 1000 may be removed from the analyzer 1200 along with its capillaries and discarded.

도 13을 참조하면, 예시적인 방법(1300)이 제공된다. 방법(1300)은 카트리지(1000)가 분석기(1200)에 결합된 후에 분석기(1200)에 의해 수행될 수 있다. 방법(1300)에서 예시되지 않은 유체 핸들링 및 전기 측정에 관련된 다른 동작들은 방법(1300)의 예시된 동작들 전에, 그 사이에, 또는 그 후에 수행될 수 있다. 방법(1300)의 다양한 동작들은 예시된 것과는 다른 순서로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 방법(1300)은 포획제가 카트리지(1000) 내에 이미 고정화된 후에 수행된다.Referring to FIG. 13, an exemplary method 1300 is provided. The method 1300 may be performed by the analyzer 1200 after the cartridge 1000 is coupled to the analyzer 1200. Other operations related to fluid handling and electrical measurements not illustrated in method 1300 may be performed before, during, or after the illustrated operations of method 1300. [ The various operations of method 1300 may be performed in a different order than illustrated. In one embodiment, the method 1300 is performed after the capture agent is already immobilized in the cartridge 1000.

블록 1302에서, 제1 용액이 카트리지의 제1 채널을 통해 흐른다. 제1 용액은 제1 채널에 결합된 입구를 통해 카트리지에 들어갈 수 있다. 제1 채널은 제1 채널의 입구에 배치된 플러그를 천공하는 바늘을 갖는 주사기에 의해 제공될 수 있다. 제1 용액은 안정적인 pH 환경을 제공하기 위하여 버퍼 용액을 포함할 수 있다.At block 1302, the first solution flows through the first channel of the cartridge. The first solution may enter the cartridge through an inlet coupled to the first channel. The first channel may be provided by a syringe having a needle that punctures a plug disposed at an inlet of the first channel. The first solution may comprise a buffer solution to provide a stable pH environment.

블록 1304에서, 센서 어레이의 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서가 제1 용액에서 캘리브레이션된다. 캘리브레이션은 다양한 FET 센서의 노이즈 또는 백그라운드 신호를 측정하기 위하여 수행될 수 있다. 이러한 측정은 저장되어 이후에 생체 분자를 검출할 때 측정된 신호로부터 감산되어 노이즈를 시험하여 감소시키고 더 깨끗한 검출 신호를 성취할 수 있다. 캘리브레이션을 수행하기 위하여 제1 용액은 주요 검출 채널 내에서 패터닝된 기준 전극 및 센서 어레이 위에 존재하여야 한다. 일부 실시예에서, 제1 용액은 캘리브레이션 측정 동안 흐르지 않는다. 일부 실시예에서, 캘리브레이션 측정은 FET 센서에 대한 베이스라인 임계 전압을 나타낸다.At block 1304, the dual gate backside sensing FET sensor of the sensor array is calibrated in the first solution. Calibration can be performed to measure the noise or background signal of various FET sensors. These measurements can be stored and subtracted from the measured signal when biomolecules are subsequently detected to test and reduce the noise and achieve a cleaner detection signal. To perform the calibration, the first solution should be present on the reference electrode and sensor array patterned in the main sensing channel. In some embodiments, the first solution does not flow during the calibration measurement. In some embodiments, the calibration measurement represents a baseline threshold voltage for the FET sensor.

블록 1306에서, 샘플이 샘플 입구를 통해 카트리지의 유체 네트워크 내로 입력된다. 샘플은 혈액 샘플을 포함하는 임의의 액체 샘플일 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플은 용액 내에서 해리되는 반고체 샘플이다. 샘플이 샘플 입구를 통해 입력된 후에, 샘플 입구는 캡 또는 다른 유사한 구조에 의해 밀봉될 수 있다.At block 1306, a sample is input into the fluidic network of the cartridge through the sample inlet. The sample may be any liquid sample comprising a blood sample. In some embodiments, the sample is a semisolid sample dissociated in solution. After the sample is input through the sample inlet, the sample inlet may be sealed by a cap or other similar structure.

블록 1308에서, 제2 용액이 카트리지의 제2 채널을 통해 흐른다. 제2 용액은 제1 용액과 동일한 용액일 수 있다. 제2 용액은 블록 1306에서 유체 시스템 내로 입력된 샘플을 횡단하여 샘플과 혼합될 수 있다. 그 다음, 샘플과 제2 용액의 혼합물은 제2 채널을 통해 그리고 센서 어레이가 위치된 주요 검출 채널 내로 흐를 수 있다. 제2 용액은 버퍼 용액일 수 있다. 일례에서, 제2 용액은 용해(lysing) 버퍼 용액이다. 제2 용액은 압력 구동식 유동을 이용하여 다양한 채널을 따라 또는 그 사이에서 이동될 수 있다. 압력은, 몇 가지 예를 들자면, 주사기가 카트리지를 통해 액체 또는 공기를 밀어 넣거나, 또는 가압된 공기가 액체를 미는 것으로 발생될 수 있다. 카트리지를 통해 제2 용액을 수송하기 위한 기술의 다른 예는 전기 습윤하는 것 또는 온-칩 연동 펌프를 이용하는 것을 포함한다.At block 1308, the second solution flows through the second channel of the cartridge. The second solution may be the same solution as the first solution. The second solution can be mixed with the sample across the sample input into the fluid system at block 1306. [ A mixture of sample and second solution can then flow through the second channel and into the main detection channel where the sensor array is located. The second solution may be a buffer solution. In one example, the second solution is a lysing buffer solution. The second solution can be moved along or between the various channels using pressure driven flow. Pressure can be generated, for example, by a syringe pushing liquid or air through the cartridge, or by pressurized air pushing the liquid. Other examples of techniques for transporting a second solution through a cartridge include electro-wetting or using an on-chip peristaltic pump.

블록 1310에서, 샘플 내에 존재하는 생체 분자는 센서 어레이 위에 배양된다(incubated). 배양(incubation)은, 예를 들어, 30초 내지 10분 사이의 임의의 주어진 양의 시간 동안 지속될 수 있다. 배양 동안, 제2 용액과 혼합된 샘플은 흐르지 않을 수 있거나, 매우 낮은 유량으로 흐르고 있을 수 있다. 유량은 시간이 지속됨에 따라 새로운 용액이 센서 어레이 위에 존재하도록 설계될 수 있지만, 흐름은 포획제에 손상을 발생시키거나 바인딩 반응이 발생하지 않게 할 정도로 너무 강하지는 않다.At block 1310, the biomolecules present in the sample are incubated on the sensor array. Incubation can be continued for any given amount of time, for example, between 30 seconds and 10 minutes. During the incubation, the sample mixed with the second solution may not flow or may be flowing at a very low flow rate. The flow rate can be designed so that a new solution is present on the sensor array as time continues, but the flow is not too strong to cause damage to the capture agent or to prevent the binding reaction from occurring.

블록 1312에서, 배양 시간이 만료된 후에, 제3 용액이 카트리지의 제1 채널을 통해 그리고 주요 검출 채널을 통해 흘러 제2 용액과 혼합된 실질적으로 모든 샘플을 폐기 챔버로 민다. 제3 용액은 샘플이 주요 검출 채널로부터 치워진 것을 보장하도록 주어진 기간 동안 주요 검출 채널을 통해 주입될 수 있다. 블록 1312에서 사용된 제3 용액은 이상적으로는 제1 용액과 동일한 용액이어야 한다. 다른 실시예에서, 제3 용액은 제1 용액과 상이하다. 제3 용액은 버퍼 용액일 수 있다.At block 1312, after the incubation time has expired, the third solution flows through the first channel of the cartridge and through the main sensing channel to push substantially all of the sample mixed with the second solution into the waste chamber. The third solution can be injected through the main detection channel for a given period to ensure that the sample is removed from the main detection channel. The third solution used in block 1312 should ideally be the same solution as the first solution. In another embodiment, the third solution is different from the first solution. The third solution may be a buffer solution.

블록 1314에서, 임의의 바인딩 반응이 발생하였는지 판단하기 위하여 센서 어레이로부터의 출력이 측정된다. 센서 출력은 센서 어레이 내의 하나 이상의 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서로부터 측정된 드레인 전류일 수 있다. 측정된 드레인 전류는 블록 1304에서 동일한 센서의 캘리브레이션 동안 측정된 드레인 전류에 비교될 수 있다. 임계 전압(예를 들어, FET를 턴온하여 드레인 전류가 흐르게 하는데 필요한 전압에 대략 대응함)이 센서가 캘리브레이션되었을 때로부터 변화하면, 바인딩 반응이 발생하였고 목표 피분석물이 샘플 내에 존재한다는 것이 결정될 수 있다. 임계 전압에서의 변화의 양과 부호는, 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서가 n 채널 소자인지 p 채널 소자인지의 여부, 검출되는 피분석물의 종류 및 피분석물과 연관된 양전하 또는 음전하의 양과 같은 많은 인자에 의존할 수 있다. 다른 예에서, 센서 어레이로부터의 측정된 출력은 그 자체의 임계 전압이며, 이는 블록 1304에서 동일한 센서의 캘리브레이션 동안 측정된 임계 전압에 비교될 수 있다.At block 1314, the output from the sensor array is measured to determine if any binding reaction has occurred. The sensor output may be a measured drain current from one or more dual-gate backside-sensing FET sensors in the sensor array. The measured drain current may be compared to the drain current measured during calibration of the same sensor at block 1304. If the threshold voltage (e.g., approximately corresponding to the voltage required to turn on the FET and drain current to flow) changes from when the sensor was calibrated, it can be determined that the binding reaction has occurred and the target analyte is present in the sample . The amount and sign of the change in threshold voltage depends on many factors such as whether the dual gate backside sensing FET sensor is an n-channel device or a p-channel device, the type of analyte being detected and the amount of positive or negative charge associated with the analyte can do. In another example, the measured output from the sensor array is its own threshold voltage, which may be compared to the threshold voltage measured during calibration of the same sensor at block 1304.

화학, 생물 및 인터페이스Chemistry, Biology and Interfaces

본 출원서에서 설명된 바와 같은 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 다양한 엔티티 사이의 상호 작용을 검출 및/또는 모니터하는데 사용될 수 있다. 상호 작용은 시험 샘플에서 목표 피분석물을 검출하기 위한 생물학적 반응 및 화학적 반응을 포함한다. 일례로서, 물리적 변환, 화학적 변환, 생화학적 변환 또는 생물학적 변환을 포함하는 반응이 중간 생성물, 부산물, 생산물, 오염물 또는 이들의 조합의 생성을 검출하기 위하여 모니터링될 수 있다. 또한, 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은, 액체 생검에서 사용된 혈액 순환 종양 세포(circulating tumor cell) 분석 평가와 중금속 및 다른 주변 오염물의 존재를 검출하기 위한 킬레이트화(chelation) 분석 평가를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 여기에서 설명된 바와 같은 다양한 분석 평가에서 이러한 반응들을 검출하는데 사용될 수 있다. 이러한 분석 평가 및 반응은 단일 포맷으로, 또는 예를 들어 여러 목표 피분석물을 검출하기 위한 어레이 포맷으로 모니터링될 수 있다.The apparatus, systems and methods of the present invention as described in this application can be used to detect and / or monitor interactions between various entities. The interaction includes biological and chemical reactions to detect the target analyte in the test sample. As an example, a reaction involving physical, chemical, biochemical, or biological conversion may be monitored to detect the production of an intermediate, by-product, product, contaminant, or combination thereof. The apparatus, systems and methods of the present invention also include evaluation of blood circulating tumor cell assays used in liquid biopsies and evaluation of chelation assays to detect the presence of heavy metals and other contaminants May be used to detect such reactions in a variety of analytical evaluations, such as, but not limited to, those described herein. These assay evaluations and reactions can be monitored in a single format, or in an array format, for example, to detect multiple target analytes.

DGBSSDGBSS FET 센서를 이용한 생물학적 감지 예 Biological detection example using FET sensor

도 14를 참조하면, 예시적인 바이오센싱 시험이 전술한 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서를 이용하여 수행된다. 프로브 DNA(1404)(포획제의 일례)가 링크 분자(linking molecule)(1402)를 통해 인터페이스층(508)에 바인딩된다. 링크 분자(1402)는 인터페이스층(508)의 일부에 바인딩하는 반응성 화학기(reactive chemical group)를 가질 수 있다. 링크 분자의 일례는 티올(thiol)을 포함한다. 또한, 링크 분자는, 인터페이스층(508)의 표면의 실란화(silanization)를 통해, 또는 표면 상의 반응성 NH2 기를 형성하기 위하여 인터페이스층(508)의 표면을 암모니아(NH3)에 노출시켜 형성될 수 있다. 실란화 과정은, 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 인터페이스층(508)의 표면 상에 공유 결합된 분자를 형성하도록 인터페이스층(508)의 표면을 상이한 화학물에 순차적으로 노출시키는 것을 포함한다. 프로브 DNA(1404)는 외가닥(single stranded) DNA를 나타낸다. 일 실시예에 따라, 링크 분자(1402)는 방법(1300)의 임의의 단계가 수행되기 전에 인터페이스층(508)에 바인딩된다. 또한, 프로브 DNA(1404)는 방법(1300)의 임의의 단계가 수행되기 전에 링크 분자(1402)에 바인딩된다. 다른 예에서, 프로브 DNA(1404)는 방법(1300)의 블록 1302에서 링크 분자(1402)에 바인딩된다.Referring to FIG. 14, an exemplary biosensing test is performed using the dual gate backside sensing FET sensor described above. The probe DNA 1404 (an example of a capturing agent) is bound to the interface layer 508 via a linking molecule 1402. The link molecules 1402 may have a reactive chemical group that binds to a portion of the interface layer 508. An example of link molecules includes thiol. The linking molecules may also be formed by silanization of the surface of the interface layer 508 or by exposing the surface of the interface layer 508 to ammonia (NH 3 ) to form a reactive NH 2 group on the surface . The silanization process may include sequentially exposing the surface of the interface layer 508 to different chemicals to form covalently bound molecules on the surface of the interface layer 508, as will be understood by those of ordinary skill in the relevant art . The probe DNA 1404 represents single stranded DNA. According to one embodiment, the linking molecule 1402 is bound to the interface layer 508 before any step of the method 1300 is performed. In addition, the probe DNA 1404 is bound to the linking molecule 1402 before any step of the method 1300 is performed. In another example, probe DNA 1404 is bound to link molecule 1402 at block 1302 of method 1300.

도 14에 도시된 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서는, 일 실시예에 따라, 전술한 칩(702)과 같은 칩 상에 존재할 수 있는 센서 어레이 내의 하나의 FET이다. 링크 분자(1402)는 칩(702)을 포함하는 웨이퍼가 다이싱되어 웨이퍼로부터 칩(702)을 분리하기 전에 인터페이스층(508)에 바인딩될 수 있다.The dual gate backside sensing FET sensor shown in FIG. 14 is, according to one embodiment, a single FET in a sensor array that may be on the same chip as chip 702 described above. The link molecules 1402 can be bound to the interface layer 508 before the wafer comprising the chip 702 is diced to separate the chip 702 from the wafer.

프로브 DNA(1404)는 FET 센서를 샘플(1401)에 적용하기 전에 인터페이스층(508) 상에 고정화될 수 있다. 샘플(1401)은 매칭하는 프로브 DNA(1404)에 강하게 바인딩하는 매칭하는 외가닥 DNA 시퀀스(1406)를 포함할 수 있다. 추가 DNA의 바인딩은 인터페이스층(508) 상에 그리고 FET 센서의 채널 영역(208) 바로 위에 존재하는 음전하를 증가시킨다.The probe DNA 1404 may be immobilized on the interface layer 508 before applying the FET sensor to the sample 1401. [ The sample 1401 may include a matching outer-strand DNA sequence 1406 that binds strongly to the matching probe DNA 1404. The binding of additional DNA increases the negative charge present on the interface layer 508 and directly over the channel region 208 of the FET sensor.

DNA 바인딩이 도 15a에 개념적으로 예시된다. 여기에서, 핵산 시퀀스 TCGA를 갖는 프로브 DNA는 핵산 시퀀스 AGCT를 갖는 상보적인 매칭되는 가닥에 바인딩된다. 임의의 매칭되지 않은 시퀀스는 프로브 DNA 시퀀스와 혼성되지 않을 것이다. 매칭하는 DNA의 바인딩은 인터페이스층(508)의 인터페이스에서 형성되는 음전하를 증가시킨다. 도 15a에 예시된 예에서, 인터페이스층(508)은 하프늄 산화물이다.DNA binding is conceptually illustrated in Figure 15A. Here, the probe DNA having the nucleic acid sequence TCGA is bound to a complementary matched strand having the nucleic acid sequence AGCT. Any unmatched sequence will not hybridize with the probe DNA sequence. The binding of the matching DNA increases the negative charge formed at the interface of the interface layer 508. In the example illustrated in FIG. 15A, the interface layer 508 is hafnium oxide.

도 15b는 매칭하는 DNA가 인터페이스층(508)의 표면에 바인딩될 때 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서의 임계 전압에서의 시프트를 예시한다. 간단히 말해서, 전압은 FET 센서가 "턴온"하고 전류가 드레인 영역(206)과 소스 영역(204) 사이에 흐를 때까지 유체 게이트(510)에 인가된다. 상보적인 DNA 바인딩 때문에 더 많은 음전하가 인터페이스층(508)에 존재할 때, 채널 영역(208) 내에서 도전성 역전층을 형성하기 위하여 더 높은 전압이 필요하다. 따라서, 일 실시예에 따라, FET 센서가 전도하여 Ids 전류가 흐르기 전에, 더 높은 전압이 유체 게이트(510)에 인가될 수 있다. 임계 전압에서의 이러한 차이는 DNA 시퀀스와 매칭하는 목표의 존재뿐만 아니라 그 농도를 판단하기 위하여 측정 및 사용될 수 있다. 인터페이스층(508)에서 축적된 순 양전하(net positive accumulated charge)가 임계 전압을 증가시키는 것이 아니라 감소시킬 것이라는 것이 이해되어야 한다. 또한, 임계 전압에서의 변화는 p 채널 FET와 비교하여 n 채널 FET에 대하여 반대 부호를 가질 것이다.15B illustrates a shift in the threshold voltage of the dual gate backside sensing FET sensor when the matching DNA is bound to the surface of the interface layer 508. FIG. In short, the voltage is applied to the fluid gate 510 until the FET sensor "turns on" and a current flows between the drain region 206 and the source region 204. When more negative charge is present in the interface layer 508 due to complementary DNA binding, a higher voltage is needed to form a conductive inversion layer in the channel region 208. [ Thus, according to one embodiment, a higher voltage may be applied to the fluid gate 510 before the FET sensor conducts and the I ds current flows. This difference in threshold voltage can be measured and used to determine the concentration as well as the presence of a target that matches the DNA sequence. It should be understood that the accumulated net positive accumulated charge at the interface layer 508 will decrease, not increase, the threshold voltage. Also, the change in the threshold voltage will have the opposite sign for the n-channel FET compared to the p-channel FET.

도 16을 참조하면, 다른 예시적인 바이오센싱 시험이 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서를 이용하여 수행된다. 프로브 항체(1604)(포획제의 다른 예)가 링크 분자(1602)를 통해 인터페이스층(508)에 바인딩된다. 링크 분자(1602)는 인터페이스층(508)의 일부에 바인딩하는 반응성 화학기를 가질 수 있다. 매칭하는 항원이 샘플 용액(1601) 내에 존재하는지 판단하기 위하여 샘플 용액(1601)이 프로브 항체(1604) 위로 제공될 수 있다. 일 실시예에 따라, 링크 분자(1602)는 방법(1300)의 임의의 단계가 수행되기 전에 인터페이스층(508)에 바인딩된다. 또한, 프로브 항체(1604)는 방법(1300)의 임의의 단계가 수행되기 전에 링크 분자(1402)에 바인딩될 수 있다. 다른 예에서, 프로브 항체(1604)는 방법(1300)의 블록 1302에서 링크 분자(1402)에 바인딩된다.Referring to Figure 16, another exemplary biosensing test is performed using a dual gate backside sense FET sensor. A probe antibody 1604 (another example of a capture agent) is bound to the interface layer 508 via link molecules 1602. Link molecule 1602 may have a reactive chemical group that binds to a portion of interface layer 508. A sample solution 1601 may be provided on the probe antibody 1604 to determine whether a matching antigen exists in the sample solution 1601. [ In accordance with one embodiment, the linking molecule 1602 is bound to the interface layer 508 before any step of the method 1300 is performed. In addition, the probe antibody 1604 can be bound to the linking molecule 1402 before any step of the method 1300 is performed. In another example, probe antibody 1604 is bound to link molecule 1402 at block 1302 of method 1300.

도 17을 참조하면, 매칭하는 항원의 프로브 항체(1604)로의 바인딩 과정이 도시된다. 여기에서, 매칭하는 항원은 고정화된 프로브 항체에 바인딩할 것이고, 매칭되지 않은 항원은 바인딩하지 않을 것이다. 위에서 설명된 DNA 혼성화(hybridization) 과정에 유사하게, 매칭하는 항원은 인터페이스층(508)에 존재하는 축적된 전하를 변화시킬 것이다. 프로브 항체에 바인딩하는 매칭하는 항체로부터의 축적된 전하에 기인하는 임계 전압에서의 시프트가 도 15b를 참조하여 위에서 이미 설명된 것과 실질적으로 동일한 방식으로 측정된다.Referring to FIG. 17, the binding process of the matching antigen to the probe antibody 1604 is shown. Here, the matching antigen will bind to the immobilized probe antibody and the unmatched antigen will not bind. Analogously to the DNA hybridization process described above, the matching antigen will change the accumulated charge present in the interface layer 508. The shift in the threshold voltage due to the accumulated charge from the matching antibody binding to the probe antibody is measured in substantially the same manner as already described above with reference to Figure 15B.

본 발명의 일 양태에 따르면, 유체 카트리지(fluidic cartridge)가 제공되며, 이 유체 카트리지는 분석기와 전기적으로 결합하도록 구성된 복수의 컨택트 패드와, 센서 어레이를 갖는 반도체 칩, 그리고 기준 전극(reference electrode)을 포함하는 기판; 제1 입구를 갖고 제2 유체 채널에 결합된 제1 유체 채널 - 제2 유체 채널은 센서 어레이와 기준 전극이 제2 유체 채널 내에 배치되도록 정렬됨 -; 제1 유체 채널 또는 제2 유체 채널의 경로 내에 샘플을 배치하기 위한 샘플 입구; 및 제1 입구에 배치된 제1 플러그 - 제1 플러그는 제1 플러그를 통해 유체가 누출되지 않으면서 모세관에 의해 천공되도록 구성되는 유연(compliant) 재료를 포함함 - 를 포함한다. 다른 양태에 따르면, 상기 유체 카트리지는 제2 입구를 갖는 제3 유체 채널을 더 포함한다. 다른 양태에 따르면, 제3 유체 채널은 제2 유체 채널에 결합된다. 다른 양태에 따르면, 유체 카트리지는 제2 입구에 배치되는 제2 플러그를 더 포함하고, 제2 플러그는 제2 플러그를 통해 유체가 누출되지 않으면서 모세관에 의해 천공되도록 구성되는 유연 재료를 포함한다. 다른 양태에 따르면, 제1 플러그 및 제2 플러그는 분석기에 결합된 제1 모세관 및 제2 모세관과 정렬하도록 구성되고, 복수의 컨택트 패드는 유체 카트리지와 분석기가 물리적으로 접촉하게 될 때 분석기와 결합한다. 다른 양태에 따르면, 제1 모세관 및 제2 모세관은, 유체 카트리지와 분석기가 물리적으로 접촉하게 될 때, 제1 플러그 및 제2 플러그를 각각 천공한다. 다른 양태에 따르면, 기판은 인쇄 회로 기판이다. 다른 양태에 따르면, 유체 카트리지는 제2 유체 채널에 결합된 폐기(waste) 챔버를 더 포함한다. 다른 양태에 따르면, 센서 어레이의 하나 이상의 센서는 샘플 내에 존재하는 목표 분자에 바인딩하도록 구성된 복수의 프로브 분자를 포함한다. 다른 양태에 따르면, 센서 어레이는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서 어레이를 포함한다.According to one aspect of the present invention there is provided a fluidic cartridge comprising a plurality of contact pads configured to electrically couple with the analyzer, a semiconductor chip having a sensor array, and a reference electrode A substrate; A first fluid channel having a first inlet and a second fluid channel coupled to the second fluid channel, the second fluid channel aligned such that the sensor array and the reference electrode are disposed within the second fluid channel; A sample inlet for placing a sample in a path of the first fluid channel or the second fluid channel; And the first plug-first plug disposed at the first inlet includes a compliant material configured to be punctured by the capillary without leakage of fluid through the first plug. According to another aspect, the fluid cartridge further comprises a third fluid channel having a second inlet. According to another aspect, the third fluid channel is coupled to the second fluid channel. According to another aspect, the fluid cartridge further comprises a second plug disposed at a second inlet, and the second plug includes a flexible material configured to be punctured by the capillary without leakage of fluid through the second plug. According to another aspect, the first plug and the second plug are configured to align with a first capillary and a second capillary coupled to the analyzer, and the plurality of contact pads engage the analyzer when the fluid cartridge and analyzer are in physical contact . According to another aspect, the first capillary and the second capillary respectively puncture the first plug and the second plug when the fluid cartridge and the analyzer come into physical contact. According to another aspect, the substrate is a printed circuit board. According to another aspect, the fluid cartridge further comprises a waste chamber coupled to the second fluid channel. According to another aspect, the at least one sensor of the sensor array comprises a plurality of probe molecules configured to bind to a target molecule present in the sample. According to another aspect, the sensor array includes a dual gate backside sensing FET sensor array.

본 발명의 일 양태에 따르면, 유체 카트리지가 제공되며, 이 유체 카트리지는 제1 입구를 갖고 제2 유체 채널에 결합된 제1 유체 채널 - 제2 유체 채널은 센서 어레이와 기준 전극이 제2 유체 채널 내에 배치되도록 정렬됨 -; 제1 유체 채널 또는 제2 유체 채널의 경로 내에 샘플을 배치하기 위한 샘플 입구; 및 제1 입구에 배치된 제1 플러그 - 제1 플러그는 제1 플러그를 통해 유체가 누출되지 않으면서 모세관에 의해 천공되도록 구성되는 유연(compliant) 재료를 포함함 -를 포함하고, 모세관은 분석기와 결합되고, 모세관은 유체 카트리지와 분석기가 물리적으로 접촉할 때 제1 플러그를 천공한다. 다른 양태에 따르면, 센서 어레이는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서의 어레이를 포함한다. 다른 양태에 따르면, 센서 어레이의 하나 이상의 센서는 샘플 내에 존재하는 목표 분자에 바인딩하도록 구성된 복수의 프로브 분자를 포함한다. 다른 양태에 따르면, 복수의 프로브 분자는 DNA, RNA 및 항체 중 하나 이상을 포함한다. 다른 양태에 따르면, 유체 카트리지는 분석기와 전기적으로 결합하도록 구성된 복수의 컨택트 패드와, 센서 어레이를 갖는 반도체 칩, 그리고 기준 전극을 포함하는 기판을 더 포함한다.According to one aspect of the present invention there is provided a fluid cartridge comprising a first fluid channel having a first inlet and a second fluid channel coupled to a second fluid channel, - arranged to be disposed within the housing; A sample inlet for placing a sample in a path of the first fluid channel or the second fluid channel; And a first plug-first plug disposed at a first inlet, the capillary comprising a compliant material configured to be punctured by a capillary without leakage of fluid through the first plug, And the capillary punctures the first plug when the fluid cartridge and the analyzer are in physical contact. According to another aspect, the sensor array includes an array of dual gate backside sensing FET sensors. According to another aspect, the at least one sensor of the sensor array comprises a plurality of probe molecules configured to bind to a target molecule present in the sample. According to another embodiment, the plurality of probe molecules comprise at least one of DNA, RNA, and an antibody. According to another aspect, the fluid cartridge further comprises a plurality of contact pads configured to electrically couple with the analyzer, a semiconductor chip having a sensor array, and a substrate including a reference electrode.

본 발명의 일 양태에 따르면, 유체 카트리지와 결합하도록 구성된 분석기가 제공되며, 이 분석기는 주사기 - 주사기는, 유체 카트리지가 분석기에 물리적으로 결합될 때, 주사기의 바늘이 유체 카트리지의 대응하는 입력 포트와 정렬하도록 배열됨 -; 주사기의 동작을 제어하도록 구성된 액추에이터; 유체 카트리지가 분석기에 물리적으로 결합될 때, 유체 카트리지 상의 대응하는 복수의 도전성 패드와 접촉하는 복수의 도전성 패드를 통해 유체 카트리지에 대하여 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 감지 모듈; 및 감지 모듈에 전기적으로 결합되고, 유체 카트리지로부터 수신된 신호에 기초하여 유체 카트리지 내의 샘플로부터 주어진 피분석물의 농도 레벨을 판단하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 다른 양태에 따르면, 분석기는 액추에이터의 동작을 제어하도록 구성된 액추에이터 컨트롤러를 더 포함한다. 다른 양태에 따르면, 프로세서는 또한 액추에이터 컨트롤러에 전기적으로 결합된다. 다른 양태에 따르면, 분석기는 적어도 하나의 다른 주사기를 더 포함하고, 적어도 하나의 다른 주사기는, 유체 카트리지가 분석기에 물리적으로 결합될 때, 적어도 하나의 다른 주사기의 바늘이 유체 카트리지의 대응하는 입력 포트와 정렬하도록 배열된다. 다른 양태에 따르면, 분석기는 프로세서에 의해 판단된 주어진 피분석물의 농도 레벨에 관련된 데이터를 저장하도록 구성된 메모리를 더 포함한다.According to one aspect of the present invention there is provided an analyzer configured to be coupled to a fluid cartridge, the analyzer having a syringe-syringe, wherein when the fluid cartridge is physically coupled to the analyzer, Arranged to align; An actuator configured to control operation of the syringe; A sensing module configured to transmit and receive signals to and from a fluid cartridge through a plurality of conductive pads in contact with a corresponding plurality of conductive pads on the fluid cartridge when the fluid cartridge is physically coupled to the analyzer; And a processor electrically coupled to the sensing module and configured to determine a concentration level of the given analyte from the sample in the fluid cartridge based on the signal received from the fluid cartridge. According to another aspect, the analyzer further comprises an actuator controller configured to control the operation of the actuator. According to another aspect, the processor is also electrically coupled to the actuator controller. According to another aspect, the analyzer further comprises at least one other syringe, wherein at least one other syringe is operatively associated with the at least one other syringe when the fluid cartridge is physically coupled to the analyzer, Respectively. According to another aspect, the analyzer further comprises a memory configured to store data related to the concentration level of a given analyte as determined by the processor.

마지막 논평Last comment

[요약서] 부분이 아닌 [발명을 실시하기 위한 구체적인 내용] 부분이 청구범위를 해석하는데 사용되도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다. [요약서] 부분은 본 발명(들)에 의해 고려되는 바와 같은 본 발명의 하나 이상이지만 그 모두는 아닌 예시적인 실시예를 설명할 수 있고, 따라서 어떠한 방식으로도 본 발명 및 첨부된 청구범위를 제한하도록 의도되지 않는다.It is to be understood that the [specific contents for carrying out the invention] part is not intended to be used in the context of the [abstract] section, but is intended to be used in interpreting the claims. The [Abstract] section can describe one or more but not all exemplary embodiments of the invention as contemplated by the present invention (s), thus limiting the invention and the appended claims in any way. .

본 명세서의 용어 또는 어법이 교시 및 안내에 비추어 통상의 기술자에 의해 이해되도록, 여기에서의 어법 또는 용어는 설명을 위한 것이며 한정을 위한 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다.It is to be understood that the phraseology or terminology herein is for the purpose of description and not of limitation, so that the terminology or the phraseology of the present specification is understood by the ordinary skilled artisan in light of the teachings and guidance.

본 발명의 폭과 범위는 어떠한 전술한 예시적인 실시예에 의해서도 제한되어서는 안되며, 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 정의되어야 한다.The breadth and scope of the present invention should not be limited by any of the above-described exemplary embodiments, but should be defined only by the appended claims and their equivalents.

Claims (10)

유체 카트리지(fluidic cartridge)로서,
분석기와 전기적으로 결합하도록 구성된 복수의 컨택트 패드와, 센서 어레이를 갖는 반도체 칩, 그리고 기준 전극(reference electrode)을 포함하는 기판;
제1 입구를 갖고 제2 유체 채널에 결합된 제1 유체 채널 - 상기 제2 유체 채널은 상기 센서 어레이와 상기 기준 전극이 상기 제2 유체 채널 내에 배치되도록 정렬됨 -;
상기 제1 유체 채널 또는 상기 제2 유체 채널의 경로 내에 샘플을 배치하기 위한 샘플 입구; 및
상기 제1 입구에 배치된 제1 플러그 - 상기 제1 플러그는 상기 제1 플러그를 통해 유체가 누출되지 않으면서 모세관에 의해 천공되도록 구성되는 유연(compliant) 재료를 포함함 -
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 카트리지.As a fluidic cartridge,
A plurality of contact pads configured to electrically couple with the analyzer, a semiconductor chip having a sensor array, and a substrate including a reference electrode;
A first fluid channel having a first inlet and coupled to a second fluid channel, the second fluid channel aligned such that the sensor array and the reference electrode are disposed within the second fluid channel;
A sample inlet for placing a sample in a path of the first fluid channel or the second fluid channel; And
A first plug disposed at the first inlet, the first plug comprising a compliant material configured to be punctured by a capillary without leakage of fluid through the first plug,
The fluid cartridge comprising: 제1항에 있어서, 제2 입구를 갖는 제3 유체 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 카트리지.The fluid cartridge of claim 1, further comprising a third fluid channel having a second inlet. 제1항에 있어서,
상기 기판은 인쇄 회로 기판인 것을 특징으로 하는 유체 카트리지.The method according to claim 1,
Wherein said substrate is a printed circuit board. 제1항에 있어서,
상기 제2 유체 채널에 결합된 폐기(waste) 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 카트리지.The method according to claim 1,
And a waste chamber coupled to the second fluid channel. 제1항에 있어서,
상기 센서 어레이의 하나 이상의 센서는 상기 샘플 내에 존재하는 목표 분자에 바인딩하도록 구성된 복수의 프로브 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 카트리지.The method according to claim 1,
Wherein at least one sensor of the sensor array comprises a plurality of probe molecules configured to bind to a target molecule present in the sample. 제1항에 있어서,
상기 센서 어레이는 듀얼 게이트 후면 감지 FET 센서 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 카트리지.The method according to claim 1,
≪ / RTI > wherein said sensor array comprises a dual gate backside sensing FET sensor array. 유체 카트리지로서,
제1 입구를 갖고 제2 유체 채널에 결합된 제1 유체 채널 - 상기 제2 유체 채널은 센서 어레이와 기준 전극이 상기 제2 유체 채널 내에 배치되도록 정렬됨 -;
상기 제1 유체 채널 또는 상기 제2 유체 채널의 경로 내에 샘플을 배치하기 위한 샘플 입구; 및
상기 제1 입구에 배치된 제1 플러그 - 상기 제1 플러그는 상기 제1 플러그를 통해 유체가 누출되지 않으면서 모세관에 의해 천공되도록 구성되는 유연(compliant) 재료를 포함함 -
를 포함하고,
상기 모세관은 분석기와 결합되고, 상기 모세관은 상기 유체 카트리지와 상기 분석기가 물리적으로 접촉할 때 상기 제1 플러그를 천공하는 것을 특징으로 하는 유체 카트리지.As a fluid cartridge,
A first fluid channel having a first inlet and coupled to a second fluid channel, the second fluid channel being arranged so that the sensor array and the reference electrode are disposed within the second fluid channel;
A sample inlet for placing a sample in a path of the first fluid channel or the second fluid channel; And
A first plug disposed at the first inlet, the first plug comprising a compliant material configured to be punctured by a capillary without leakage of fluid through the first plug,
Lt; / RTI >
Wherein the capillary is coupled to the analyzer and wherein the capillary punctures the first plug when the fluid cartridge and the analyzer are in physical contact. 유체 카트리지와 결합하도록 구성된 분석기로서,
주사기 - 상기 주사기는, 상기 유체 카트리지가 상기 분석기에 물리적으로 결합될 때, 상기 주사기의 바늘이 상기 유체 카트리지의 대응하는 입력 포트와 정렬하도록 배열됨 -;
상기 주사기의 동작을 제어하도록 구성된 액추에이터;
상기 유체 카트리지가 상기 분석기에 물리적으로 결합될 때, 상기 유체 카트리지 상의 대응하는 복수의 도전성 패드와 접촉하는 복수의 도전성 패드를 통해 상기 유체 카트리지에 대하여 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 감지 모듈; 및
상기 감지 모듈에 전기적으로 결합되고, 상기 유체 카트리지로부터 수신된 신호에 기초하여 상기 유체 카트리지 내의 샘플로부터 주어진 피분석물의 농도 레벨을 판단하도록 구성된 프로세서
를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석기.An analyzer configured to interface with a fluid cartridge,
A syringe, wherein the syringe is arranged to align a needle of the syringe with a corresponding input port of the fluid cartridge when the fluid cartridge is physically coupled to the analyzer;
An actuator configured to control operation of the syringe;
A sensing module configured to transmit and receive signals to and from the fluid cartridge through a plurality of conductive pads in contact with a corresponding plurality of conductive pads on the fluid cartridge when the fluid cartridge is physically coupled to the analyzer; And
A processor configured to be electrically coupled to the sensing module and to determine a concentration level of a given analyte from a sample in the fluid cartridge based on a signal received from the fluid cartridge,
Lt; RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI > 제8항에 있어서,
상기 액추에이터의 동작을 제어하도록 구성된 액추에이터 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석기.9. The method of claim 8,
Further comprising an actuator controller configured to control operation of the actuator. 제8항에 있어서,
적어도 하나의 다른 주사기를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 다른 주사기는, 상기 유체 카트리지가 상기 분석기에 물리적으로 결합될 때, 상기 적어도 하나의 다른 주사기의 바늘이 상기 유체 카트리지의 대응하는 입력 포트와 정렬하도록 배열된 것을 특징으로 하는 분석기.
9. The method of claim 8,
Further comprising at least one other syringe, wherein the at least one other syringe is configured to cause a needle of the at least one other syringe to be aligned with a corresponding input port of the fluid cartridge when the fluid cartridge is physically coupled to the analyzer Wherein the analyzer is arranged such
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