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KR101929901B1 - 센싱 원점 회복이 가능한 생분자 감지 장치 및 방법 - Google Patents

센싱 원점 회복이 가능한 생분자 감지 장치 및 방법 Download PDF

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KR101929901B1
KR101929901B1 KR1020160116165A KR20160116165A KR101929901B1 KR 101929901 B1 KR101929901 B1 KR 101929901B1 KR 1020160116165 A KR1020160116165 A KR 1020160116165A KR 20160116165 A KR20160116165 A KR 20160116165A KR 101929901 B1 KR101929901 B1 KR 101929901B1
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Abstract

생분자 감지 장치는, 타겟 물질이 포함된 용액이 수용된 저장부; 상기 타겟 물질을 감지하도록 구성된 감지부; 및 상기 저장부 및 상기 감지부 사이에 연결되어 상기 감지부에 용액을 공급하되, 상기 타겟 물질이 포함된 용액 및 상기 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 교대로 공급하도록 용액 흐름을 제어하는 흐름 제어부를 포함한다. 상기 생분자 감지 장치에 의하면, 타겟 물질이 포함된 용액과, 여과 또는 흡착 등에 의하여 타겟 물질이 제거된 용액을 교대로 감지 소자에 주입함으로써 감지 소자의 센싱 원점을 상시 확보할 수 있으며, 그 결과 장시간 연속적인 측정이 가능하므로 센서의 사용 효율을 극대화할 수 있고, 높은 정밀도로 정량 측정값을 얻을 수 있다.

Description

센싱 원점 회복이 가능한 생분자 감지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SENSING BIOMOLECULES WHICH ALLOWS RESTORATION OF SENSING OFFSET}
실시예들은 생분자 감지 장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 감지 소자에 공급되는 타겟 물질의 흐름 제어를 통하여 감지 소자의 센싱 원점을 상시 확보할 수 있도록 한 생분자 감지 장치 및 방법에 대한 것이다.
최근 환경에 대한 관심 및 기술 수요가 증가함에 따라, 유체 내에 존재하는 생분자 물질들을 정량 및 정성 분석할 수 있는 장치 및 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 예컨대, 생분자 타겟 물질과 결합하는 그래핀(graphene) 전극을 이용하여 전기화학 방식으로 생분자를 센싱하는 센서 소자가 주목을 받고 있다. 그 외에도, 금(Au) 재질의 전극을 이용한 전기화학 방식의 센서, 형광 흡수 및 발광을 이용한 광학 방식의 센서, 또는 항원-항체 반응이나 압타머(aptamer)를 이용한 센서 등 다양한 전기적 또는 광학적 센서가 존재한다.
그러나, 종래의 생분자 센서는 타겟 물질에 센서가 노출되는 시간이 길어질수록 센서의 반응 원점 자체가 높아지는 시간 영역 드리프트(time-domain drift) 현상이 나타내는 문제점이 있다. 도 1은 시간 영역 드리프트 현상을 그래프로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 이론적으로 센서 신호는 타겟 물질의 존재 여부에 따라 증감하는 그래프(100)과 같은 형태를 보여야 할 것이나, 실제 구현에 있어서는 시간에 따라 반응 원점 자체가 증가하므로 타겟 물질의 존재 여부와 무관하게 신호의 크기가 전반적으로 증가하여 그래프(101 또는 102)와 같은 형태를 보인다. 이로 인하여, 종래의 센서를 이용할 경우 연속적인 측정이 불가능하고, 정량 측정값의 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있었다.
미국 공개특허공보 제2013/0248380호
본 발명의 일 측면에 따르면, 생분자 타겟 물질을 감지하기 위한 감지 소자의 원점을 상시 확보함으로써, 장시간 측정을 가능하게 하고, 소자의 사용 효율을 극대화한 생분자 검출 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 생분자 감지 장치는, 타겟 물질이 포함된 용액이 수용된 저장부; 상기 타겟 물질을 감지하도록 구성된 감지부; 및 상기 저장부 및 상기 감지부 사이에 연결되어 상기 감지부에 용액을 공급하되, 상기 타겟 물질이 포함된 용액 및 상기 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 교대로 공급하도록 용액 흐름을 제어하는 흐름 제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 흐름 제어부는, 상기 저장부와 상기 감지부를 연결하는 제1 유로에 설치되어 상기 타겟 물질을 포함한 용액의 흐름을 제어하도록 개폐되는 제1 밸브; 상기 저장부와 상기 감지부를 연결하는 제2 유로에 설치되는 필터; 및 상기 제2 유로의 상기 필터와 상기 감지부 사이에 설치되어, 상기 필터에 의하여 상기 타겟 물질이 제거된 용액의 흐름을 제어하도록 개폐되는 제2 밸브를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 흐름 제어부는, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 미리 설정된 시간 간격마다 교대로 개방하도록 구성된 생분자 감지 장치. 예컨대, 상기 미리 설정된 시간 간격은 5 내지 20분일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 필터는 입자 크기에 기초하여 상기 타겟 물질을 여과하는 여과기 및/또는 상기 타겟 물질과 특이적으로 결합되는 흡착기를 포함한다.
일 실시예에 따른 생분자 감지 방법은, 타겟 물질이 포함된 용액을 저장부에 주입하는 단계; 및 상기 저장부로부터 감지부로의 유체 흐름을 제어함으로써, 상기 감지부에 상기 타겟 물질이 포함된 용액 및 상기 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 교대로 공급하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 타겟 물질이 포함된 용액 및 상기 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 교대로 공급하는 단계는, 상기 저장부와 상기 감지부 사이의 제1 유로에 설치된 제1 밸브를 개방하는 단계; 및 상기 제1 밸브가 폐쇄된 상태에서, 상기 제1 유로와 상이하며 상기 타겟 물질을 필터링하는 필터가 설치된 상기 저장부와 상기 감지부 사이의 제2 유로에 설치된 제2 밸브를 개방하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 밸브를 개방하는 단계 및 상기 제2 밸브를 개방하는 단계는 미리 설정된 시간 간격마다 교대로 반복 수행된다. 예컨대, 상기 미리 설정된 시간 간격은 5 내지 20분일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 생분자 검출 장치 및 방법에 의하면, 타겟 물질이 포함된 용액과, 여과 또는 흡착 등에 의하여 타겟 물질이 제거된 용액을 교대로 감지 소자에 주입함으로써 감지 소자의 센싱 원점을 상시 확보할 수 있다. 그 결과, 장시간 연속적인 측정이 가능하므로 센서의 사용 효율을 극대화할 수 있으며, 높은 정밀도로 정량 측정값을 얻을 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 측면에 생분자 검출 장치 및 방법은, 시료를 안정적이고 주기적으로 공급하는 시스템에 활용될 수 있으므로 전기화학적 센서, 광학적 센서 등 감지 원리를 불문하고 폭넓은 분야에 적용될 수 있으며, 특히 기존의 중합효소연쇄반응 절대정량(qPCR) 기술 또는 실시간 생체 신호 모니터링 등의 분야에 즉시 적용 가능한 이점이 있다.
도 1은 종래의 생분자 감지 센서에 있어서 시간 영역 드리프트(time-domain drift) 현상을 나타내는 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 생분자 감지 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 생분자 감지 장치에 의해 측정된 채널 저항을 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 생분자 감지 장치에 의해 측정된 채널 저항을 나타내는 또 다른 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 생분자 감지 방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 대해 상세히 설명한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 몇몇 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 생분자 감지 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 생분자 감지 장치는 타겟 물질을 포함한 용액이 저장되는 저장부(10)와, 타겟 물질을 감지하기 위한 감지부(30)와, 저장부(10)와 감지부(30) 사이의 용액 흐름을 제어함으로써 센싱 원점 회복을 구현하기 위한 흐름 제어부(10)를 포함한다. 일 실시예에서, 생분자 감지 장치는 용액의 흐름을 유발함으로써 저장부(10)의 용액이 감지부(30)에 공급되도록 하는 펌프(40)를 더 포함한다.
저장부(10)는 타겟 물질을 포함하는 용액이 수용되는 부분으로서, 미세 구조를 가진 수조(reservoir) 등일 수 있다. 저장부(10)에 수용된 용액 내의 타겟 물질은 나노 또는 마이크로미터 수준의 크기를 가지는 임의의 생분자일 수 있으며, 특정 물질에 한정되지 않는다.
흐름 제어부(20)는 저장부(10)와 감지부(30) 사이에 연결된다. 일 실시예에서, 흐름 제어부(20)는 서로 상이한 제1 유로(201) 및 제2 유로(202)를 포함하며, 각각의 유로(201, 202)에는 제1 및 제2 밸브(203, 204)가 각각 설치된다. 또한, 제2 유로(202)에는 필터(205)가 설치된다. 필터(205)는 용액 내의 타겟 물질을 제거하기 위한 장치로서, 예컨대, 입자 크기에 기초하여 특정 크기 이상의 입자를 걸러냄으로써 타겟 물질을 여과하는 여과기, 또는 타겟 물질과 특이적으로 결합됨으로써 용액으로부터 타겟 물질을 제거하는 흡착기 등을 포함할 수 있다.
흐름 제어부(20)는, 제1 및 제2 밸브(203, 204)를 교대로 개폐하는 것에 의하여 저장부(10)로부터 감지부(30)로 공급되는 용액이 제1 유로(201) 또는 제2 유로(202) 중 어느 하나를 통하여 공급되도록 한다. 제1 밸브(203)가 개방되고 제2 밸브(204)가 폐쇄된 상태에서, 용액은 제1 유로(201)를 통하여 공급되며 따라서 용액 내의 타겟 물질도 별다른 저항 없이 감지부(30)에 전달된다. 한편, 제2 밸브(204)가 개방되고 제1 밸브(203)가 폐쇄된 상태에서는, 용액은 제2 유로(202)를 통하여 공급되며 제2 유로(202)에 설치된 필터(205)로 인하여 타겟 물질이 제거된 용액이 감지부(30)에 공급된다.
타겟 물질이 포함된 용액 및 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 교대로 감지부(30)에 공급할 경우, 타겟 물질이 포함되지 않은 용액이 감지부(30)에 공급되는 시간 구간에서 세정 등의 작용에 의하여 감지부(30)의 센싱 원점이 회복될 수 있다. 이를 위하여, 흐름 제어부(20)는 분자 간 결합에 최적화된 시간 간격은 약 5 내지 20분의 시간 간격마다 제1 밸브(203) 및 제2 밸브(204)를 교대로 개폐할 수도 있다.
일 실시예에서, 흐름 제어부(20)는 제1 및 제2 밸브(203, 204)의 개폐를 조절하기 위한 제어기(206)를 포함한다. 제어기(206)는 타이밍 컨트롤러(timing controller)를 포함하며, 타이밍 컨트롤러의 주기에 따라 소정의 기계적 및/또는 전기적 신호를 각 밸브(203, 204)에 입력함으로써 개방된 밸브(203, 204)를 폐쇄하거나 또는 폐쇄된 밸브(203, 204)를 개방할 수 있다.
감지부(30)는 용액이 흐르는 동안 내 용액 내의 타겟 물질을 검출할 수 있는 센서이다. 예를 들어, 감지부(30)는 그래핀(grapheme) 소재로 이루어진 전극(301)과, 전극(301)에 전압을 인가하기 위한 전원(302), 및 타겟 물질을 전극(301)에 노출시킴으로써 타겟 물질이 가열된 그래핀 전극(301) 표면에 흡착되도록 하기 위한 반응 챔버(303)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 감지부(30)는 금(Au) 재질의 전극을 이용한 센서나, 형광 흡수 및 발광을 이용한 광학적 센서 등 생분자를 검출할 수 있는 임의의 전기적 및/또는 광학적 소자일 수 있으며, 특정 방식에 한정되지 않는다.
도 3은 일 실시예에 따른 생분자 감지 장치에 의해 측정된 채널 저항을 나타내는 그래프이다.
도 3은 타겟 물질을 감지부의 채널에 공급하면서 감지부에 의해 측정된 채널 저항을 나타내는 것으로서, 제1 시간 구간(T1)은 타겟 물질을 포함한 용액이 감지부에 공급되는 시간 구간을 나타내며, 제2 시간 구간(T2)은 타겟 물질을 포함하지 않는 용액이 감지부에 공급되는 시간 구간을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 시간 구간(T1, T2)이 교대로 복수 회 반복되는 동안에도 센싱 원점은 변화가 없으며, 단지 타겟 물질의 존재 여부에 따라 채널 저항이 증감하는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 생분자 감지 장치에 의해 측정된 채널 저항을 나타내는 또 다른 그래프로서, 감지부의 채널에 공급되는 혈중단백질(Thrombin) 농도를 0 pM로부터 100 nM까지 증가시키면서 측정된 채널 저항을 나타낸다.
종래의 생분자 감지용 센서는, 센싱 원점이 회복되지 아니하고 센서 측정값이 시간에 따라 증가하였기 때문에, 이전의 측정 사이클에 비하여 다음 사이클에서 측정하고자 하는 생분자의 농도가 더 큰 경우, 즉, 상승하는 농도에서만 연속적인 측정이 가능하였다. 또한, 이로 인하여 수 회의 측정 뒤에는 센서 측정값의 원점 자체가 지나치게 증가하여 센싱 기준점이 소실되므로 정량화가 불가능한 문제점이 있었다.
반면, 본 실시예에 따른 생분자 감지 장치의 경우, 도 4에 도시되는 것과 같이, 생분자 농도가 변화하더라도 생분자가 검출되지 않는 구간에서의 채널 저항 값에는 큰 변동이 없이 원점 회복이 가능하다. 따라서, 본 실시예에 따른 생분자 감지 장치를 이용하면 이전의 측정 사이클에 비하여 다음 사이클에서 측정하고자 하는 생분자의 농도가 더 작은 경우, 즉, 하강하는 농도에서도 연속적인 측정이 가능할 뿐만 아니라, 두 종류 이상의 서로 상이한 타겟 물질을 포함하는 용액의 경우에도 센싱 기준점이 소실되지 않고 안정적인 측정이 가능하다.
따라서, 본 실시예에 따른 생분자 감지 장치를 이용하면, 매 측정 사이클 뒤에 실시된 원점 회복을 기반으로 하여, 측정값의 변화에 따른 타겟 물질의 정량화를 종래의 센서에 비해 높은 정밀도로 실행 가능한 이점이 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 생분자 감지 방법의 순서도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 및 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 생분자 감지 방법의 각 단계에 대하여 설명한다.
먼저 저장부(10)에 타겟 물질이 포함된 용액을 주입할 수 있다(S1). 타겟 물질은 유체 내에 혼합되어 운반될 수 있으며 감지부(30)의 센서를 이용하여 검출 가능한 임의의 생분자일 수 있으며, 특정 물질에 한정되지 않는다.
다음으로, 흐름 제어부(20)는 저장부(10)와 감지부(30) 사이의 제1 유로(201)에 설치된 제1 밸브(203)를 개방할 수 있다(S2). 이때, 저장부(10)와 감지부(30) 사이의 제2 유로(202)에 설치된 제2 밸브(204)는 폐쇄된다. 그 결과, 제1 유로(201)를 통하여 타겟 물질이 포함된 용액이 감지부(30)로 공급되어, 측정 사이클이 이루어진다. 측정 사이클은 약 5 내지 20분의 간격을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한 차례의 측정 사이클이 완료되면, 흐름 제어부(20)는 제1 밸브(203)를 폐쇄하고(S3), 저장부(10)와 감지부(30) 사이의 제2 유로(202)에 설치된 제2 밸브(204)를 개방한다(S4). 제2 유로(202)에는 필터(205)가 설치되어 있으므로, 용액 내의 타겟 물질은 필터(205)에 의해 걸러지고 타겟 물질이 포함되지 않은 용액만이 감지부(30)에 공급된다. 이를 통하여, 감지부(30)의 센싱 원점 회복이 이루어진다. 측정 사이클과 마찬가지로, 센싱 원점 회복을 위한 시간 간격은 약 5 내지 20분일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 흐름 제어부(20)는 제2 밸브(204)를 폐쇄하며(S5), 다시 제1 밸브(203)를 개방함으로써 다음 차례의 측정 사이클이 수행되도록 한다(S2). 이상과 같은 유체 흐름 제어 단계(S2 내지 S5)는 타겟 물질의 감지에 필요한 회수 만큼 복수 회 반복 수행될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 센싱(sensing) 원점 회복이 가능한 생분자 감지 장치로서,
    타겟 물질이 포함된 용액이 수용된 저장부;
    상기 타겟 물질을 감지하도록 구성된 감지부; 및
    상기 저장부 및 상기 감지부 사이에 연결되어 상기 감지부에 용액을 공급하는 흐름 제어부를 포함하고,
    상기 흐름 제어부는, 상기 저장부와 상기 감지부를 연결하는 제1 유로에 설치되어 상기 타겟 물질을 포함한 용액의 흐름을 제어하도록 개폐되는 제1 밸브, 상기 저장부와 상기 감지부를 연결하는 제2 유로에 설치되어 상기 타겟 물질을 걸러 내는 필터, 및 상기 제2 유로의 상기 필터와 상기 감지부 사이에 설치되어 상기 필터에 의하여 상기 타겟 물질이 제거된 용액의 흐름을 제어하도록 개폐되는 제2 밸브를 포함하고,
    상기 흐름 제어부는, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 교대로 개폐하여, 상기 타겟 물질이 포함된 용액 및 상기 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 상기 감지부에 교대로 공급하도록 용액 흐름을 제어하는 생분자 감지 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 흐름 제어부는, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 미리 설정된 시간 간격마다 교대로 개폐하도록 구성된 생분자 감지 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 미리 설정된 시간 간격은 5 내지 20분인 생분자 감지 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 필터는 입자 크기에 기초하여 상기 타겟 물질을 여과하는 여과기를 포함하는 생분자 감지 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 필터는 상기 타겟 물질과 특이적으로 결합되는 흡착기를 포함하는 생분자 감지 장치.
  7. 센싱 원점 회복이 가능한 생분자 감지 방법으로서,
    타겟 물질이 포함된 용액을 저장부에 주입하는 단계;
    상기 저장부와 상기 타겟 물질을 감지하는 감지부 사이의 제1 유로에 설치된 제1 밸브를 개방하고, 상기 제1 유로와 상이하며 상기 타겟 물질을 걸러 내는 필터가 설치된 상기 저장부와 상기 감지부 사이의 제2 유로에 설치된 제2 밸브를 폐쇄하여 상기 타겟 물질이 포함된 용액을 공급하는 단계; 및
    상기 제1 밸브를 폐쇄하고, 상기 제2 밸브를 개방하여 상기 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 공급하는 단계를 포함하는 생분자 감지 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 밸브를 개방하여 상기 타겟 물질이 포함된 용액을 공급하는 단계 및 상기 제2 밸브를 개방하여 상기 타겟 물질이 포함되지 않은 용액을 공급하는 단계는 미리 설정된 시간 간격마다 교대로 반복 수행되는 생분자 감지 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 미리 설정된 시간 간격은 5 내지 20분인 생분자 감지 방법.
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