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KR20100024876A - 타겟 분자 검출 장치 및 방법 - Google Patents

타겟 분자 검출 장치 및 방법 Download PDF

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KR20100024876A
KR20100024876A KR1020080115238A KR20080115238A KR20100024876A KR 20100024876 A KR20100024876 A KR 20100024876A KR 1020080115238 A KR1020080115238 A KR 1020080115238A KR 20080115238 A KR20080115238 A KR 20080115238A KR 20100024876 A KR20100024876 A KR 20100024876A
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KR
South Korea
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target molecules
membrane
target molecule
target
detection unit
Prior art date
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Application number
KR1020080115238A
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English (en)
Inventor
권성훈
김준회
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
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    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

본 기술은 하나 이상의 타겟 분자의 검출을 위한 장치들을 제공한다. 이 장치들은 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널(nanochannel)을 포함하는 멤브레인, 전기적 검출 유닛, 및 광학 검출 유닛을 포함한다. 이 장치들은 하나 이상의 타겟 분자의 위치, 그 위치에 분자들이 도착하는 시간, 그 분자들의 종류(identity)를 검출할 수 있다. 이 장치들을 제조하는 방법들 및 이 장치들을 이용하여 단일 분자 또는 바이오분자들을 포함하는 타겟 분자를 검출하는 방법들이 또한 개시된다.

Description

타겟 분자 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING TARGET MOLECULES}
본 개시는 타겟 분자 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
분자의 광학 검출에 대한 기술은 분자 센서의 개발에 이용될 수 있다. 단일 분자 기반 센서들은 예컨대 DNA 서열분석에서 현존하는 분자 센서의 성능 한계를 초과해야 할 필요가 있다. 다양한 광학 단일 분자 검출 기술들 중에서, 표면-증강 라만 산란 분광 기술(SERS, Surface-enhanced Raman scattering spectroscopy)은 라벨없는 검출 성능의 고유한 이점을 제공한다.
일 실시예에서, 하나 이상의 타겟 분자를 검출하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 제1 및 제2 챔버를 분리시키기고, 하나 이상의 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널(nanochannel)을 포함하는 멤브레인, 하나 이상의 타겟 분자가 나노채널을 통과하는 것을 검출하도록 구성된 전기적 검출 유닛, 및 나노채널을 통과하는 하나 이상의 타겟 분자를 식별하도록 구성된 광학 검출 유닛을 포함한다. 제1 및 제2 챔버는 각각 전해질(electrolyte)을 포함할 수 있다. 멤브레인은 유전 물질을 포함할 수 있다. 유전 물질은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 유리(glass), 타이타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 알루미늄 산화물 또는 쿼츠(quartz)를 포함할 수 있다. 멤브레인은 멤브레인의 표면 상에 배치된 라만 산란 증강 물질(Raman scattering enhancing matarial)을 포함할 수 있다. 라만 산란 증강 물질은 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 금속은 금, 은, 백금, 구리, 또는 알루미늄으로부터 선택될 수 있다. 나노채널은 약 20nm 이하의 지름을 가질 수 있다. 전기적 검출 유닛은 멤브레인에 걸쳐 전압 또는 전류를 인가하고, 하나 이상의 타겟 분자가 나노채널을 통과할 때 전류 신호 변화를 검출하도록 구성될 수 있다. 광학 검출 유닛은 하나 이상의 타겟 분자에 전자기 에너지 소스(electromagnetic energy source)를 인가하고, 전자기 에너지 소스에 의해 생성되는 하나 이상의 타겟 분자들로부터의 광학 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 광학 신호는 라만 산란 또는 형광(fluorescence)일 수 있다. 전자기 에너지는 가시광선, 적외선, X-선, 또는 자외선을 포함할 수 있다. 하나 이상의 타겟 분자는 하나 이상의 바이오분 자(biomolecule)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 바이오분자는 폴리펩타이드, DNA, RNA 또는 단백질 분자를 포함할 수 있다. 하나 이상의 타겟 분자는 하나 이상의 형광성 태그를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 타겟 분자를 검출하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 하나 이상의 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널을 포함하는 멤브레인에 걸쳐 전기적 소스를 인가하고, 하나 이상의 타겟 분자가 나노채널을 통과할 때 전기적 신호 변화를 검출하고, 하나 이상의 타겟 분자에 전자기 에너지 소스를 인가하고, 전자기 에너지 소스에 의해 생성된 하나 이상의 타겟 분자로부터의 광학 신호를 검출하는 것을 포함한다. 전기적 소스는 전압 소스 또는 전류 소스를 포함하고, 전기적 신호 변화는 전류 신호 변화를 포함할 수 있다. 광학 신호는 라만 산란 또는 형광일 수 있다. 멤브레인은 멤브레인의 표면 상에 배치된 라만 산란 증강 물질을 포함할 수 있다. 라만 산란 증강 물질은 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 금속은 금, 은, 백금, 구리, 또는 알루미늄으로부터 선택될 수 있다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 타겟 분자를 검출하기 위한 장치를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 제1 챔버와 제2 챔버를 분리하고, 하나 이상의 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널을 포함하는 멤브레인을 포함하는 시스템을 제공하고, 하나 이상의 타겟 분자가 나노채널을 통과하는 것을 검출하도록 구성된 전기적 검출 유닛을 제공하고, 나노채널을 통과하는 하나 이상의 타겟 분자를 식별하도록 구성된 광학 검출 유닛을 제공하는 것을 포함한다. 이 방법은 멤브레인 표면 상에 라만 산란 증강 물질층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 라만 산란 증강 물질층은 금, 은, 백금, 구리, 또는 알루미늄으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 광학 검출 유닛은 하나 이상의 타겟 분자에 전자기 에너지 소스를 인가하고, 전자기 에너지 소스에 의해 생성된 하나 이상의 타겟 분자로부터의 광학 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 광학 신호는 라만 산란 또는 형광일 수 있다. 전기적 검출 유닛은 멤브레인에 걸쳐 전압 또는 전류를 인가하고, 하나 이상의 타겟 분자가 나노채널을 통과할 때 전류 신호 변화를 검출하도록 구성될 수 있다.
전술한 내용은 이하 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용에서 더 상세하게 기술된 사항을 단순화한 형태로서 기술적 개념의 선택된 일 예를 소개하기 위해 제공된 것이다. 이러한 내용은 특허청구범위의 청구 대상의 중요 특징 또는 필수적인 특징들을 지시하는 것으로 의도된 것이 아닐 뿐만 아니라, 특허청구범위의 청구 대상의 범위를 제한하는 데 사용하도록 의도된 것이 아니다.
다음의 상세한 설명에서, 이 문서의 일부를 형성하는 수반된 도면들이 참조된다. 문맥에서 달리 지시되지 않는 한, 이 도면들에서 유사한 기호는 전형적으로 유사한 요소를 식별한다. 상세한 설명, 도면, 및 청구항에서 설명되는 예시적인 실시예들은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 여기에 나타난 대상의 사상이나 범위로부터 벗어남 없이, 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 기타 변경이 행해질 수 있다. 여기에서 개괄적으로 설명되고 본 개시의 도면들에 도시된 본 개시의 요소들이, 모두가 명시적으로 고려되고 본 개시사항의 일부를 구성하는, 넓은 범위의 상 이한 구성들로 배열되고, 대체되고, 결합되며, 설계될 수 있음은 바로 이해될 것이다.
하나 이상의 타겟 분자의 위치, 그 위치에 타겟 분자가 도착하는 시간, 및 그 타겟 분자의 종류(identity)를 검출할 수 있는 장치들이 여기에 개시된다. 따라서, 이 장치들은 단일 분자를 포함하는 타겟 분자의 다중모드 검출이 가능하도록 한다. 또한 이 장치들을 사용하는 방법 및 이 장치들을 제조하는 방법들이 개시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 따른 타겟 분자 검출 장치 및 타겟 분자 검출 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 하나 이상의 타겟 분자를 검출하는 장치(1)를 도시한다. 일 실시예에서, 타겟 분자 검출 장치(1)는 멤브레인(24)에 의해 서로 분리된 제1 및 제2 챔버(10, 15)를 포함한다. 제1 및 제2 챔버(10, 15)는 전해질로 채워질 수 있다. 예시적으로, 전해질은 수성 완충액(aqueous buffer solution)일 수 있다. 예시적으로, 수성 완충액은 1M KCl, pH 8.0의 10mM 트리-HCl, 및 1mM EDTA를 혼합하여 제조될 수 있다. 제1 챔버(10)에는 하나 이상의 타겟 분자들이 도입된다. 타겟 분자들은 동일하거나 또는 서로 다른 분자들일 수 있다. 타겟 분자들은 바이오분자(biomolecule)들을 포함할 수 있다. 예시적인 바이오분자로서 폴리펩타이드, DNA, RNA 또는 단백질 분자들을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적으로, 바이오분자들은 ssDNA(single-stranded DNA), dsDNA(double-stranded DNA), cDNA, mRNA, rRNA, 올리고뉴클레오타이드, 펩타이드, 항원, 항체 (예컨대, 모노클론 항체 또는 폴리클론 항체), 압타머, 및/또는 이들의 천연 및/또는 천연이 아닌 변형체들 또는 유도체들을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 및 제2 챔버(10, 15) 사이에 배치된 멤브레인(20)은 멤브레인(20)을 관통하는 나노채널(30)(또는 나노홀)을 포함한다. 이 나노채널(30)의 크기는 검출하려는 타겟 분자의 크기(예컨대, 평균 직경)에 따라 조절될 수 있다. 나노채널(30)은 작은 형상 크기를 갖도록 형성될 수 있다. 나노채널(30)의 크기는 평균 직경을 지칭할 수 있다. 나노채널(30)의 크기는 약 100nm 이하, 약 50nm 이하, 또는 약 20nm 이하 일 수 있다.
멤브레인(20)은 제1 및 제2 챔버(10, 15)를 분리시키도록 제공된다. 몇몇 실시예에서, 멤브레인(20)은 유전 물질 또는 절연 물질로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 멤브레인(20)의 물질은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 유리(glass), 타이타늄 산화물(TiO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 또는 알루미늄 산화물(Al2O5), 쿼츠(quartz)와 같은 물질을 포함할 수 있으나, 전술한 예로서 한정되는 것은 아니다.
멤브레인(20)은 제2 챔버(15)를 바라보는 멤브레인(20)의 표면 상에 배치된 라만 산란 증강 물질(Raman scattering enhancing material, 22)을 더 포함할 수 있다. 라만 산란 증강 물질(22)은 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 라만 산란 증강 물질(22)은 금, 은, 백금, 구리, 및 알루미늄과 같이 표면 플라즈몬 공명의 광학적 특성을 갖는 금속들을 포함할 수 있으나, 이들의 예로서 한정되는 것은 아니다.
타겟 분자에 조사가 되면 라만 산란 증강 물질(22)은 그 타겟 분자의 라만 산란을 증강시키어 타겟 분자로부터의 광학 신호의 검출이 용이해지도록 할 수 있다. 이하, 몇몇 실시예에서 라만 산란 증강 물질(22)로 코팅된 멤브레인(20)은 금속 코팅된 멤브레인(24)으로 지칭할 수 있다.
금속 코팅된 멤브레인(24)은 약 500nm 이하의 두께, 약 100nm 이하의 두께 또는 약 10nm 내지 약 50nm의 두께를 가질 수 있다.
금속 코팅된 멤브레인(24)은 유전막을 형성하고, 그 유전막 상에 알려진 금속 형성 방법(예컨대, 증착법)을 이용하여 금속막을 형성하고, 알려진 리소그래피(예컨대, 집중 이온빔 리소그래피, 전자빔 리소그래피 또는 극-UV 리소그래피) 및 에칭 방법를 사용하여 유전막 및 금속막을 관통하는 나노채널을 형성함으로써 제조될 수 있다. 금속 코팅된 멤브레인(24)을 제조하는 방법으로서 다른 방법이 사용될 수도 있으며, 전술한 제조 방법은 일 예로서 기술한 것일 뿐이다.
전기적 검출 유닛(50)은 전기적 소스와, 발생된 전기적 신호 변화를 검출하는 전기적 검출기를 포함할 수 있다. 전기적 소스는 제1 및 제2 챔버(10, 15) 사이에 제공된다. 전기적 소스는 제1 및 제2 챔버(10, 15) 사이에 전압을 가하여 충전된(charged) 타겟 분자가 멤브레인(24)의 나노채널(30) 쪽으로 끌려가도록 할 수 있다. 전기적 소스는 예컨대 전류 소스 또는 전압 소스일 수 있다. 전기적 검출기는 전류의 신호 변화를 검출하도록 구성될 수 있다. 전기적 검출기는 타겟 분자가 나노채널(30)을 막아 나노채널(30)을 흐르던 전기적 흐름을 방해한 때, 전류 신호 의 변화를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 전기적 검출 유닛(50)은 전기적 검출기에 의해 검출된 전기적 신호들을 처리, 분석, 저장 또는 전송하는 전기적 프로세서를 포함할 수 있다.
광학 검출 유닛은 하나 이상의 타겟 분자에 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 인가하고, 하나 이상의 타겟 분자로부터의 광학 신호를 검출하도록 구성된다. 광학 검출 유닛은 전자기 에너지 소스(40)와 타겟 분자로부터의 광학 신호를 검출하는 광학 검출기(45)를 포함할 수 있다. 제1 챔버(10)에는 금속 코팅된 멤브레인(24) 근방의 타겟 분자에 전자기 에너지를 인가하기 위한 전자기 에너지 소스(40)가 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전자기 에너지는 가시 광선, 적외선, X-선, 또는 자외선을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 도시된 바와 같이, 전자기 에너지 소스(40)는 제1 챔버(10) 내에 제공될 수 있다. 다른 실시예에서는, 전자기 에너지 소스(40)는 제1 챔버(10)의 외부에 제공되어 제1 챔버(10) 내부로 전자기 에너지를 인가시킬 수 있도록 제공될 수도 있다. 예시적으로, 광원과 같은 전자기 에너지 소스(40)는 타겟 분자의 광학적 특성을 얻기 위해 나노채널(30) 근방의 타겟 분자에 빛을 조사(illuminate)한다. 전자기 에너지 소스(40)는 적어도 전기적 검출 유닛이 타겟 분자의 이동에 따른 전기적 신호 변화를 검출한 때에 타겟 분자에 전자기 에너지를 인가하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 전자기 에너지 소스(40)는 전기적 검출 유닛에 의해 검출된 전기적 신호 변화에 반응하여 타겟 분자에 전자기 에너지를 인가하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 전자기 에너지 소스(40)는 타겟 분자의 광학 특성이 얻어질때까지 소정의 시간동안 타겟 분자에 전자기 에너지를 제공할 수 있다.
제2 챔버(15)에는 광학 검출기(45)가 제공된다. 광학 검출기(45)는 도시된 바와 같이 제2 챔버(15) 외부에 제공되어 제2 챔버(15) 내부의 광학적 현상을 관찰할 수 있도록 구성될 수 있으나, 이러한 구성에 한정되는 것은 아니다. 광학 검출기(45)는 타겟 분자의 형광 또는 라만 산란 신호를 검출할 수 있다. 광학 검출기(45)는 광학 현미경 또는 공초점 현미경(confocal microscope)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광학 검출기(45)는 샘플 내 타겟 분자에 관한 광학적 정보를 처리, 분석, 저장 또는 전송할 수 있는 프로세서(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 프로세서는 광학 검출기(45)와 독립적으로 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 프로세서는 광학 검출기(45)에 연결되어 광학 검출기(45)가 검출한 광학 정보를 처리, 분석, 저장 또는 전송하도록 구성될 수도 있다. 상기 프로세서는 컴퓨터를 포함할 수 있다.
이제, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 전술한 타겟 분자 검출 장치(1)를 이용하여 타겟 분자, 예를 들어, 단일 분자를 검출하는 방법을 설명한다. 도 2는 도 1의 타겟 분자 검출 장치(1)를 이용하여 타겟 분자를 검출하는 방법을 도시하며, 도 3a 및 3b는 도 2에서 A로 표시한 부분을 확대한 도면들이다.
도 2를 참조하면, 타겟 분자 검출 장치(1)는, 전술한 바와 같이, 멤브레인(24)으로 서로 분리된 제1 및 제2 챔버(10, 15), 제1 챔버(10) 한 쪽에 제공된 전자기 에너지 소스(40), 제2 챔버(15) 한 쪽에 제공된 광학 검출기(45), 제1 및 제2 챔버(10, 15) 사이에 전기적 소스를 인가하고 전기적 신호를 검출하는 전기적 검출 유닛(50)을 포함한다.
전기적 검출 유닛(50)은 타겟 분자(60)가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널(30)을 포함하는 멤브레인(24)에 전기적 소스를 인가한다. 전기적 검출 유닛(50)은 제1 및 제2 챔버(10, 15) 사이에 전압을 인가하기 위한 전기적 소스(예컨대, 전압 소스(50b))와 전류 신호의 변화를 검출하는 전류 검출기(50a)를 포함할 수 있다.
전해질이 제1 및 제2 챔버(10, 15) 내에 채워지고, 타겟 분자(예를 들어, 단일 분자)(60)가 제1 챔버(10) 내에 제공된다. 제1 및 제2 챔버(10, 15) 간에 가해진 전압에 반응하여, 전해질 속의 음이온들은 양극(+)을 띄는 제2 챔버(15)쪽으로 이동하고, 양이온들은 음극(-)을 띄는 제1 챔버(10)로 이동한다. 그러면, 음극성(-)의 타겟 분자(60)는 멤브레인(24)의 나노채널(30)쪽으로 끌려가게 된다. 타겟 분자(60)가 양극(+)을 띈다면, 전기적 소스는 제2 챔버(15)가 음극(-)을 나타내고 제1 챔버(10)가 양극(+)을 나타내도록 반대의 전압을 인가한다.
일 실시예에서, 나노채널(30)을 갖는 멤브레인(24)에 걸쳐 전압이 인가되면, 제1 챔버(10)에 제공된 타겟 분자(60)는 멤브레인(24)의 나노채널(30) 쪽으로 끌려가 나노채널(30)을 막는다(도 3b 참조). 타겟 분자(60)가 나노채널(30)을 막을때, 나노채널(30)을 통해 흐르는 전류는 변화하게 된다. 그러므로, 타겟 분자(60)가 나노채널(30)을 통과할 때 전기적 신호(예컨대, 전류 신호)의 변화가 전기적 검출기에 의해 검출된다.
도 4는 일 실시예에 따른 타겟 분자 검출 방법에서의 전기적 신호 변화를 보 여주는 그래프의 예시적 실시예를 도시한다. 그래프의 시간축(t)에서 T 구간은 타겟 분자(60)가 나노채널(30) 내에 존재하여 나노채널(30)을 통해 흐르는 전류의 흐름을 방해했을 때를 나타낸다. 도시된 바와 같이 T 구간에서 전류 신호 크기(I)가 감소되었음을 관찰할 수 있다. 이와 같이, 전류 신호의 변화를 검출함으로써 타겟 분자(60)가 언제 나노채널(30) 내부 또는 주변에 가까이 위치하였는지를 검출할 수 있다.
다시 도 2를 참조하여, 타겟 분자에 대한 광학적 검출에 대해 설명한다. 전자기 에너지 소스(electromagnetic energy source, 40)는 타겟 분자의 라만 산란을 활성화시킬 수 있는 전자기 에너지를 생성하여 이 에너지를 타겟 분자에 인가한다. 전자기 에너지는 가시 광선, 적외선, X-선 또는 자외선을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대 광원(40)로부터의 빛(42)이 나노채널(30)을 포함하는 멤브레인(24)을 조사(illuminate)한다. 빛(42)은 제2 챔버(15)를 마주보고 있는 멤브레인(24)의 표면, 예컨대 라만 산란 증강 물질 코팅(22)쪽으로 전달된다. 멤브레인(20)과 라만 산란 증강 물질 코팅(22)의 경계면에서 빛의 광자(photon)들은 표면 플라즈몬(surface plasmons)으로 변환된다. 그 다음, 라만 산란 증강 물질 코팅(22)의 표면에서 표면 플라즈몬은 다시 광자들로 변환된다. 표면 플라즈몬은 광학 검출기(45)에 의해 검출될 수 있다. 나노채널(30) 주변에서 빛 전달(transmission)이 증대될 수 있다. 또한, 라만 산란 증강 물질 코팅(22)은 표면 플라즈몬 여기(excitement)를 증대시킬 수 있다.
타겟 분자(60)가 나노채널(30) 내에 위치하거나 그 주변에 위치하거나 나노 채널(30)을 통과할 때, 그 타겟 분자(60)의 광학적 특성에 해당하는 라만 산란 신호가 광학 검출기(45)에 의해 검출된다. 라만 산란 신호는 스펙트럼으로 검출될 수 있다. 타겟 분자의 종류는 검출된 라만 산란 신호의 스펙트럼과 미리 결정된 분자의 스펙트럼을 비교함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 상이한 타겟 분자들의 혼합물 내의 각 타겟 분자는 그 라만 신호 특성에 의해 식별될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 타겟 분자 검출 방법에서의 라만 신호를 보여주는 그래프의 예시적 실시예를 도시한다. 도 5에서, 옥사진 720(oxa)으로부터의 라만 산란의 스펙트럼이 일 예로서 도시되어 있다. 흡수 대역이 ca. 620nm인 통상의 레이저 염료가 사용되었다. 이와 같이, 각각의 타겟 분자는 상이한 타겟 분자들의 혼합물 속에 있더라도 그 라만 산란 스펙트럼의 고유한 특성에 의해 식별될 수 있다.
다른 실시예에서, 광학 검출기(45)는 타겟 분자(60)의 라만 산란 신호를 검출하는 대신, 그 타겟 분자(60)에 부착된 형광 태그를 갖는 타겟 분자(60)을 검출할 수 있다. 형광 태그는 플루오레세인(fluorescein) 및 청색 형광 단백질을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 태그들은 알려진 합성 기술에 의해 타겟 분자에 결합될 수 있다.
본 기술에 따르면, 타겟 분자 검출에 대하여 다중모드의 검출이 가능하다. 즉, 제1 모드 검출은 타겟 분자(60)가 언제 나노채널(30)을 통과하는 지를 검출하는 전기적 검출 유닛에 의하여 수행될 수 있다. 제2 모드 검출은 전자기 에너지 소스(40)와 광학 검출기(45)를 포함하는 광학 검출 유닛에 의해 타겟의 종류를 검출하도록 수행될 수 있다. 제2 모드 검출은 예컨대 타겟 분자의 형광 또는 라만 산란 신호와 같은 타겟 분자의 광학적 특성을 검출한다.
따라서 본 실시예들에 따른 타겟 분자 검출에 따르면, 언제 단일 분자 또는 바이오분자와 같은 타겟 분자가 나노채널(30)을 지나가는 지를 정확하게 검출할 수 있을 뿐 아니라, 동시에 그 타겟 분자의 종류까지도 결정할 수 있다.
도 6은 타겟 분자 검출 장치를 이용하여 타겟을 검출하는 방법의 예시적인 실시예를 나타내는 플로우 챠트이다.
도 6을 참조하면, 제1 챔버(10) 내로 하나 이상의 타겟 분자를 포함하는 샘플을 제공한다(100s). 그 다음, 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널(30)을 갖는 멤브레인(24)에 걸쳐 전기적 소스가 인가되고(110s), 타겟 분자(60)가 나노채널(30)을 통과할 때 전기적 신호 변화가 검출된다(120s). 전기적 소스는 예컨대 전압 소스 일 수 있다. 일 실시예에서, 타겟 분자(60)가 멤브레인(24)의 나노채널(30)을 막거나 나노채널(30) 내에 존재하면 나노채널(30)을 흐르는 전류가 타겟 분자(60)에 의해 방해를 받는다. 따라서, 감소된 전류 신호가 검출될 수 있다. 그 다음, 가시 광선, 적외선, X-선 또는 자외선과 같은, 그러나 이들에 제한되지는 않는, 전자기 에너지가 멤브레인(24) 상으로 조사되고(130s), 나노채널(30) 주변에 위치하거나 나노채널(30)을 통과하는 타겟 분자의 광학 신호가 얻어진다(140s). 몇몇 실시예에서, 광학 신호는 예컨대 라만 산란 특성 또는 형광 특성을 포함할 수 있으며, 이러한 광학 정보에 기초하여 타겟 분자를 식별할 수 있다. 일 실시예에서, 전기적 신호 변화에 반응하여 전자기 에너지 소스가 타겟 분자 상으로 조사될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전자기 에너지 소스는 타겟 분자의 광학 신호가 얻어질때까지 특정 기간동안 제공될 수 있다. 또는, 전자기 에너지 소스가 타겟 분자에 일정하게 조사될 수 있도록 제공될 수도 있다.
다른 실시예에서, 도 1을 참조하여 설명한 타겟 분자 검출 장치(1)를 제조하는 방법이 제공된다.
먼저, 제1 챔버(10)와 제2 챔버(15)를 분리시키는 멤브레인(24)을 포함하는 시스템이 제공된다. 멤브레인(24)은 하나 이상의 타겟 분자가 통과하도록 구성된 나노채널(30)을 포함한다. 하나 이상의 타겟 분자가 나노채널(30)을 통과하는 것을 검출하도록 구성된 전기적 검출 유닛(50)이 제공된다. 전기적 검출 유닛(50)은 제1 및 제2 챔버(10, 15) 사이에 전기적 소스(예컨대 전압 소스)를 인가하는 전기적 소스와, 제1 챔버(10) 내에 제공될 타겟 분자가 나노채널(30)을 막아 나노채널(30)를 흐르는 전류를 방해한 때 발생하는 전류 신호 변화를 검출하는 전기적 검출기를 포함할 수 있다. 나노채널을 통과하는 하나 이상의 타겟 분자를 식별하도록 구성된 광학 검출 유닛이 제공된다. 광학 검출 유닛은 제1 챔버(10)에 제공되어 전자기 에너지의 조사를 제공하는 전자기 에너지 소스(40)와, 제2 챔버(15)에 제공되어 전자기 에너지 소스에 의해 생성되는 하나 이상의 타겟 분자의 광학 신호를 검출하는 광학 검출기(45)를 포함한다.
본 개시에서 참조된 모든 공개문헌, 특허출원, 특허, 및 다른 문서들은, 그 개개의 공개문헌, 특허출원, 특허, 또는 다른 문서들이 그 전체로서 참조로 포함되는 것으로 구체적이고 개개적으로 지시되어 있다면, 여기에서 참조로서 포함된 것이다. 참조로 기재된 문헌에 포함된 정의는 그들이 본 개시에서 사용된 정의와 모 순되는 범위에서 배제된다.
본 개시는 본 출원에 서술된 특정 실시예로 제한되는 것이 아니며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 명백히 이해할 수 있는 바와 같이, 그 취지와 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형예나 수정예가 이루어질 수 있다. 　여기에서 열거된 예들에 부가하여, 본 개시의 범위 내에서 기능적으로 등가의 방법들이나 장치들이, 이상의 개시로부터 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 그러한 변형예나 수정예는 이하의 특허청구범위의 범위 내에 속한다. 본 개시는 이하의 특허청구범위의 용어만으로 제한되지 않으며, 특허청구범위의 등가물의 범위에 따른다. 본 개시는 특정 방법, 시약, 화합물 조성 또는 생물학적인 시스템으로 제한되지 않으며, 다양하게 변화할 수 있다. 또한, 본 개시에서 사용된 용어는 특정 실시예를 서술하기 위한 목적일 뿐이며, 제한하기 위한 것은 아니다.
부가적으로, 본 개시의 특징 또는 관점은 마쿠쉬 그룹으로 서술된 경우에, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시가 마쿠쉬 그룹의 각각의 요소 또는 요소들의 하위그룹으로 서술될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 이해하는 바와 같이, 기재된 설명을 제공함으로써, 임의의 그리고 모든 목적들에 대해 여기서 개시된 모든 범위들은 가능한 하위범위의 일부, 전부 및 하위범위의 결합을 포함하고 있다. 임의의 열거된 범위는 충분히 실시가능하게 서술되었고 그 동일한 범위가 적어도 동등한 이분할, 삼분할, 사분할, 오분할, 십분할 등으로 나뉘어 질 수 있다는 것으로 쉽게 이해될 수 있다. 비제한적인 예로서, 여기에서 논의된 각 범위는 삼분할의 낮은 부분, 삼 분할의 중간부분, 삼분할의 높은 부분, 등으로 쉽게 나뉘어 질 수 있다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 이해하는 바와 같이, “~에 이르는”, “적어도”, “~보다 큰”, “~ 보다 작은” 등과 같은 모든 언어는 그 이후에 이상에서 논의된 하위범위로 나뉘어질 수 있는 범위를 말한다. 마지막으로, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 이해하는 바와 같이, 범위는 각각의 개개 요소를 포함한다. 따라서, 예로서, 1 - 3개 셀을 가진 그룹은 1, 2, 또는 3개의 셀을 가지는 그룹을 말한다. 유사하게, 1 - 5 개 셀을 가진 그룹은 1, 2, 3, 4, 또는 5개 셀을 가진 그룹을 말한다.
다양한 관점 및 실시예들이 여기에서 개시되는 동안, 다른 관점 및 실시예들은 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 여기에서 개시된 다양한 관점 및 실시예들은 예시를 목적으로 한 것이며, 제한하기 위한 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 나타난 범위 및 취지를 가진다.　 　
도 1 및 2는 타겟 분자 검출 장치의 예시적 실시예를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 멤브레인을 포함하는 타겟 분자 검출 장치의 일부분의 예시적 실시예를 도시한다.
도 4는 타겟 분자 검출 장치에 의하여 검출되는 전기적 신호 변화를 나타내는 그래프의 예시적 실시예를 도시한다.
도 5는 타겟 분자 검출 장치에 의하여 검출되는 광학 신호를 나타내는 그래프의 예시적 실시예를 도시한다.
도 6은 하나 이상의 타겟 분자를 검출하는 방법의 예시적 실시예를 나타내는 플로우 챠트를 도시한다.

Claims (27)

  1. 하나 이상의 타겟 분자를 검출하기 위한 장치에 있어서,
    제1 및 제2 챔버를 분리시키고, 상기 하나 이상의 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널(nanochannel)을 포함하는 멤브레인;
    상기 하나 이상의 타겟 분자가 상기 나노채널을 통과하는 것을 검출하도록 구성된 전기적 검출 유닛; 및
    상기 나노채널을 통과하는 상기 하나 이상의 타겟 분자를 식별하도록 구성된 광학 검출 유닛
    을 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 챔버는 각각 전해질(electrolyte)을 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 유전 물질을 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유전 물질은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 유리(glass), 타이타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 알루미늄 산화물 또는 쿼츠를 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 멤브레인의 표면 상에 배치된 라만 산란 증강 물질(Raman scattering enhancing matarial)을 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 라만 산란 증강 물질은 하나 이상의 금속을 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 금속은 금, 은, 백금, 구리, 또는 알루미늄으로부터 선택되는 타겟 분자 검출 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노채널은 약 20nm 이하의 지름을 갖는 타겟 분자 검출 장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 검출 유닛은 상기 멤브레인에 걸쳐 전압 또는 전류를 인가하고, 상기 하나 이상의 타겟 분자가 상기 나노채널을 통과할 때 전류 신호 변화를 검출하도록 구성된 타겟 분자 검출 장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 검출 유닛은 상기 하나 이상의 타겟 분자에 전자기 에너지 소스(electromagnetic energy source)를 인 가하고, 상기 전자기 에너지 소스에 의해 생성되는 상기 하나 이상의 타겟 분자들로부터의 광학 신호를 검출하도록 구성된 타겟 분자 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광학 신호는 라만 산란 또는 형광인 타겟 분자 검출 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 가시광선, 적외선, X-선, 또는 자외선을 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 타겟 분자는 하나 이상의 바이오분자(biomolecule)를 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 하나 이상의 바이오분자는 폴리펩타이드, DNA, RNA 또는 단백질 분자를 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 타겟 분자는 하나 이상의 형광성 태그를 포함하는 타겟 분자 검출 장치.
  16. 하나 이상의 타겟 분자를 검출하기 위한 방법에 있어서,
    상기 하나 이상의 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널을 포함하 는 멤브레인에 걸쳐 전기적 소스를 인가하는 단계;
    상기 하나 이상의 타겟 분자가 상기 나노채널을 통과할 때 전기적 신호 변화를 검출하는 단계;
    상기 하나 이상의 타겟 분자에 전자기 에너지 소스를 인가하는 단계; 및
    상기 전자기 에너지 소스에 의해 생성된, 상기 하나 이상의 타겟 분자로부터의 광학 신호를 검출하는 단계
    를 포함하는 타겟 분자 검출 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전기적 소스는 전압 소스 또는 전류 소스를 포함하고, 상기 전기적 신호 변화는 전류 신호 변화를 포함하는 타겟 분자 검출 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 광학 신호는 라만 산란 또는 형광인 타겟 분자 검출 방법.
  19. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 멤브레인의 표면 상에 배치된 라만 산란 증강 물질을 포함하는 타겟 분자 검출 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 라만 산란 증강 물질은 하나 이상의 금속을 포함하는 타겟 분자 검출 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 금속은 금, 은, 백금, 구리, 또는 알루미늄으로부터 선택되는 타겟 분자 검출 방법.
  22. 하나 이상의 타겟 분자를 검출하기 위한 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    제1 챔버와 제2 챔버를 분리하는, 상기 하나 이상의 타겟 분자가 통과할 수 있도록 구성된 나노채널을 포함하는 멤브레인을 포함하는 시스템을 제공하는 단계;
    상기 하나 이상의 타겟 분자가 상기 나노채널을 통과하는 것을 검출하도록 구성된 전기적 검출 유닛을 제공하는 단계; 및
    상기 나노채널을 통과하는 상기 하나 이상의 타겟 분자를 식별하도록 구성된 광학 검출 유닛을 제공하는 단계
    를 포함하는 타겟 분자 검출 장치 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 멤브레인 표면 상에 라만 산란 증강 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 타겟 분자 검출 장치 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 라만 산란 증강 물질층은 금, 은, 백금, 구리, 또는 알루미늄으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 타겟 분자 검출 장치 제조 방법.
  25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 검출 유닛은 상기 하나 이상의 타겟 분자에 전자기 에너지 소스를 인가하고, 상기 전자기 에너지 소스에 의해 생성된 상기 하나 이상의 타겟 분자로부터의 광학 신호를 검출하도록 구성된 타겟 분자 검출 장치 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 광학 신호는 라만 산란 또는 형광인 타겟 분자 검출 장치 제조 방법.
  27. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 검출 유닛은 상기 멤브레인에 걸쳐 전압 또는 전류를 인가하고, 상기 하나 이상의 타겟 분자가 상기 나노채널을 통과할 때 전류 신호 변화를 검출하도록 구성된 타겟 분자 검출 장치 제조 방법.
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