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KR100985475B1 - 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법 - Google Patents

유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법 Download PDF

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KR100985475B1
KR100985475B1 KR1020070129939A KR20070129939A KR100985475B1 KR 100985475 B1 KR100985475 B1 KR 100985475B1 KR 1020070129939 A KR1020070129939 A KR 1020070129939A KR 20070129939 A KR20070129939 A KR 20070129939A KR 100985475 B1 KR100985475 B1 KR 100985475B1
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impedance
insulator
beads
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이성혁
김종민
정정열
권혁록
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유인 물질이 코팅된 절연체 비드와 반응하는 특정물질의 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법에 관한 것이다.
본 발명의 기본목적은 서로 비슷한 유전성질을 갖고있는 물질을 분리,검출할 수 있는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 특정물질과 결합하는 유인물질이 코팅된 절연체 비드를 시료에 첨가하여 혼합시료를 생성하는 혼합단계; 혼합단계에서 생성된 혼합물을 전극 사이에서 유동시키는 유동단계; 전극에 특정 주파수의 교류전압을 인가하여 유전영동을 일으키는 유전영동단계; 유전영동단계에서 전극 사이에 연결된 절연체 비드의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계; 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스 값을 분석하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 검출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법과 관련 센싱장치를 제공한다.
본 발명을 통하여 휴대가 용이한 진정한 의미의 LOC(Lab On a Chip)를 구현할 수 있으며, 각종 특정물질을 저렴하면서 신속하게 검출할 수 있다.
유전영동, 임피던스, 바이오센서, 검출, 액적증발

Description

유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법 {SENSING APPARATUS AND SENSING METHOD USING DIELECTROPHORETIC IMPEDANCE}
본 발명은 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유인 물질이 코팅된 절연체 비드와 반응하는 특정물질의 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법에 관한 것이다.
최근 현장검진(point-of-care diagnostics), 병원균검출, 환경감시 및 신약개발 등의 생의학 연구를 위하여 집적화된 생물학적 분석시스템의 개발에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
그 중에서도 바이오 멤스(Bio MEMS) 또는 바이오나노정보기술(Bio Nano Information Technology, BINT) 등의 나노 바이오(Nano-Bio)기술이 주류를 이루고 있다.
이와 같이 마이크로 또는 나노 기술을 바이오분야에 응용한 분야로는 단일분자측정 및 조작(single molecule measurement and manipulation), 단일세포측정(single cell measurement), 디엔에이 분리(DNA separation) 등 많은 응용분야가 있다.
특히 생체분자 등의 검출에 대한 관심이 지극히 높은 상태인데, 생체분자는 아주 적은 양으로도 인체에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이를 검출할 수 있는 센싱 기술은 차세대 나노 바이오 기술의 핵심이라고 할 것이다.
이를 위하여 새로운 형태의 센서 및 엑츄에이터의 개발이 활발하며, 대표적인 예가 전기영동(electrophoresis), 유전영동(dielectrophoresis), 전기회전(electrorotation)등을 이용한 연구들이 활발하다.
그중에서도, 전기영동법과 유전영동법은 일반적으로 마이크로채널 내에 유동을 만들고 동시에 전자기장을 가하여 물질을 이동, 선별, 검출하는 방법으로 널리 연구되고 있다. 하지만, 이중 전기영동법은 검출하고자 하는 물질이 전기적 전하를 띄어야하는 제한이 있다.
일반적으로 바이오센서의 분석대상 물질은 전기적으로 중성인 유전체인 경우가 대부분이다. 따라서 유전체의 검출에 적합한 유전영동법을 이용한 개발이 활발하다.
유전영동은 불균일한 전기장에 세포 등의 입자들의 이동을 이용한다. 용액 속의 입자들이 균일한 전기장하에 있을 때, 입자들의 표면에서 전기장의 방향을 따라 전하가 유도되어 입자의 분극화가 일어난다. 입자의 분극성(polarizability)이 입자주위를 둘러싼 용액의 분극성보다 클 경우, 입자는 전기장이 강한 곳으로 이동하게된다. 이 경우 입자의 양의 유전영동 친화도(Positive DEP affinity) 특성을 갖는다고 한다.
이를 이용한 종래의 바이오 센서의 경우, 마이크로채널을 만들고 그 안에 전극을 설치하여 시스템을 구성한다. 그리고, 분리 또는 분석하고자 하는 물질이 함유된 시료를 실린지 펌프와 같은 구동장치를 이용하여 채널 내로 흘려보내며 전압을 인가하여 전기장을 형성하여 유전영동으로 원하는 물질을 포획한다.
이 경우, 전술한 바와 같이 측정하고자 하는 물질을 전극 근처까지 이송하기 위하여 마이크로채널 내에 유동을 만들어 주어야 한다.
따라서, 실제 특정물질을 검출하는 센서보다도 훨씬 커다란 실린지 펌프가 필요하며, 이러한 펌프 이외에도 유체가 저장되어있는 저장소와 저장소에서 마이크로 채널까지 연결시켜 주는 장치가 필요하다. 이와 같은 추가적인 장치로 인하여 전체적인 바이오센서 시스템은 그 규모가 커지게 된다. 이러한 부가장치들은 현재 바이오 센서 및 엑츄에이터 분야에서 각광받는 칩위의 실험실(Lab On a Chip, 이하 LOC)의 제작에 장애물이 되므로, 이에 대한 대안이 필요한 실정이다.
또한, 일반적인 유전영동은 시료의 특정물질의 유전성질 차이를 이용하여 분리하는 방법으로 시료 내의 유전성질이 비슷한 물질이 둘 이상 존재하는 경우에는 측정의 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
즉, 유전영동을 통하여 분리되거나 또는 전극에 집결된 물질들은 유전율과 같은 유전성질이 비슷한 물질이고, 만약에 유전성질이 비슷한 물질이 혼합된 경우에 그 물질의 정확한 종류를 구별하는 것이 곤란하여 이에 대한 대책이 필요한 실정이다.
뿐만 아니라, 분리,검출되는 물질의 유무뿐만 아니라 그 양에 대한 정확한 측정이 필요한 것도 현재의 실정이다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 서로 비슷한 유전성질을 갖고있는 물질을 분리,검출할 수 있는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 유동장치 없이도 유전영동이 가능한 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유전성질이 비슷한 물질중 특정물질을 검출하는 센싱방법에 있어서, 특정물질과 결합하는 유인물질이 코팅된 절연체 비드를 시료에 첨가하여 혼합시료를 생성하는 혼합단계; 혼합단계에서 생성된 혼합물을 전극 사이에서 유동시키는 유동단계; 전극에 특정 주파수의 교류전압을 인가하여 유전영동을 일으키는 유전영동단계; 유전영동단계에서 전극 사이에 연결된 절연체 비드의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계; 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스 값을 분석하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 검출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법을 제공한다.
이 경우, 별도의 실린지 펌프 등의 장치를 사용하지 않고도, 유동단계에서 혼합물의 액적이 증발되면서 발생하는 유동을 이용할 수 있으며, 특정물질과 유인물질은 항원-항체 사이의 반응, 효소-억제제 사이의 반응, 단백질-펩티드쇄 사이의 반응, 당쇄-렉틴 사이의 반응 중 어느 하나에 의하여 서로 결합하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 절연체 비드는 유인물질의 코팅이 용이하도록 하기위하여 표면에 기공이 형성된 다공성 절연체 비드인 것을 특징으로 한다.
검출의 정확성을 높이기 위하여, 유전영동단계에서 전극 사이에 연결된 절연체 비드의 이미지를 얻는 이미지 획득단계를 더 포함하고, 검출단계는 이미지 획득단계에서 얻어진 이미지와 임피던스 측정단계에서 얻어진 임피던스 값을 이용하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 것도 가능하다.
동시에 여러 종류의 물질을 검출하기 위하여, 혼합단계에서 사용되는 절연체 비드의 크기가 다양하고, 크기별로 다른 종류의 유인물질이 코팅되며, 유전영동단계에서 전극에 인가되는 주파수를 달리하여 전극별로 다른 크기의 절연체 비드가 유전영동 하고, 임피던스 측정단계에서는 전극별로 임피던스를 측정하여, 검출단계에서 여러 종류의 특정물질을 동시에 검출하는 것도 가능하다.
본 발명의 다른 유형인 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치는 유전성질이 비슷한 물질 중 특정물질을 검출하는 센싱장치에 있어서, 전극과 전극 사이에 특정물질과 결합하는 유인물질이 코팅된 절연체 비드와 시료가 혼합된 혼합시료가 위치하는 검사대; 전극에 특정 주파수의 교류전압을 인가하는 함수발생기; 함수발생기에 전압이 인가됨에 따라 유전영동 하는 절연체 비드에 따른 임피던스 값의 변화를 측정하는 임피던스 분석기; 임피던스 분석기에서 측정된 임피던스 값을 기준값과 비교하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 판단수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
별도의 실린지펌프 없이 증발현상을 이용하여 유동을 일으키기 위하여 검사대는 액적의 증발을 발생시키는 열원을 포함할 수 있다.
본 발명의 센싱장치에 사용된는 특정물질과 유인물질은 항원-항체 사이의 반응, 효소-억제제 사이의 반응, 단백질-펩티드쇄 사이의 반응, 당쇄-렉틴 사이의 반응 중 어느 하나에 의하여 서로 결합하는 것일 수 있으며, 절연체 비드는 표면에 기공이 형성된 다공성 절연체 비드를 이용하여 유전물질의 코팅을 용이하게 할 수 있다.
검사의 정확성을 위하여 검사대에서 유전영동을 통하여 전극사이에 정렬한 절연체 비드의 이미지를 얻는 이미지 획득수단을 더 포함하고, 판단수단은 이미지 획득수단에서 얻어진 이미지를 참조하여, 임피던스 분석기에서 측정된 임피던스 값을 기준값과 비교하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 것도 가능하다.
동시에 다양한 물질을 검출하기 위하여, 절연체 비드는 크기가 다양하고, 크기별로 다른 종류의 유인물질이 코팅된 비드를 사용하고, 검사대의 전극은 다수의 쌍을 이루며, 함수발생기는, 쌍을 이루는 전극별로 다른 크기의 절연체 비드가 유전영동 하도록, 쌍을 이루는 전극별로 주파수를 달리하여 교류전압을 인가한후에, 임피던스 분석기는 전극별로 임피던스를 측정하여, 판단수단이 여러 종류의 특정물질을 동시에 검출하는 것도 가능하다.
본 발명의 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법을 이용하여 특 정물질의 검출을 실시하면, 휴대가 용이한 진정한 의미의 LOC를 구현할 수 있으며,휴대가 용이한 간단한 장치만으로 각종 특정물질을 저렴하면서 신속하게 검출할 수 있다.
따라서, 살모넬라균과 같은 식중독 원인균의 검출에 적용하면, 학교급식 등의 대형급식에서 발생할 수 있는 위생문제를 손쉽게 해결할 수 있으며, 각종 병원균의 유무를 손쉽게 확인하여 국민건강에 이바지할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
유전영동에 의해 입자가 받는 정전기력, 즉 유전영동력 FDEP는 다음과 같다.
Figure 112010041912406-pat00001
위 식에서 r은 입자의 반지름, εm은 용액의 유전율, E는 인가된 전기장을 의미하고, fCM은 Clausius-Mossoti 인자로서 다음의 수학식 2 와 같으며, Re[fCM]는 fCM의 실수부 값을 의미한다.
Figure 112007089695491-pat00002
ε* 은 복소유전율이고, 아래 첨자 p,m은 각각 입자와 용액을 의미한다.
입자의 분극성이 입자주위를 둘러싼 용액의 분극성보다 클 경우, 즉 Re[fCM] 값이 양의 값이면, 입자를 전계가 강한 쪽으로 끌어당기는 힘(양의 유전영동력, positive DEP)이 작용하여 입자가 전기장이 강한 곳으로 이동하게 된다.
그 결과 입자는 전극방향으로 이동하여 전극에 달라붙게 된다. 이때, 전극사이의 간격이 좁을 경우에는 입자가 전극 사이에서 연결고리를 형성한다.
유전영동을 이용한 종래의 기술은 이와 같은 유전영동을 이용하여 유전성질이 다른 두 물질을 분리하는 것이 주류를 이루고 있었다. 그러나 본 발명은 단순한 물질의 분리가 아니라 전극 사이에서 연결고리를 형성한 물질의 임피던스를 측정하여 그 값을 이용하는 것을 기본원리로 한다.
도1은 본 발명의 기본원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도1을 참조하면, 검출하고자 하는 물질(30)이 섞인 시료에 함수발생기(20)를 통하여 교류전압을 인가하면, 검출하고자 하는 물질(30)은 전극(10) 사이에 연결고리를 형성하고, 이때 임피던스 분석기(40)를 이용하여 전극(10) 사이의 물질에 대한 임피던스 값을 측정하여 해당 물질(30)의 유무 및 양을 측정하는 것이다.
그런데, 단순히 유전성질에 의하여 물질을 분리하여 임피던스를 측정하는 경우, 유전성질이 다른 두가지 물질만 시료에 존재하는 경우에는 측정의 정확도가 높지만, 시료내에 유전성질이 비슷한 물질이 둘 이상 존재하는 경우에는 측정의 정확도가 떨어진다.
즉, A 라는 물질이 다량으로 전극 사이에서 연결고리를 형성한 경우와 B 라는 물질이 소량으로 전극 사이에서 연결고리를 형성한 경우의 임피던스 값이 유사할 수 있으며, 이 경우에는 과연 A 물질이 다량 존재하는 것인지 또는 B 물질이 소량 존재하는 것인지 구별이 용이하지 않게 된다.
이런 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기준이 되는 임피던스 값을 확보하여 정확한 임피던스 값의 변화를 검출하도록 하며, 동시에 특정물질에 대하여서만 임피던스 값의 변화가 발생하도록 하였다.
이를 위하여 우선 전극 사이에서 연결고리를 형성하는 절연체 비드를 사용하여 기준이 되는 임피던스 기준값을 얻는다. 또한, 기준이 되는 임피던스 기준값을 절연체 비드에 특정물질이 결합한 경우의 임피던스 값과 비교하여 특정물질의 유무를 판단하는 것이다.
도2는 전극 사이에 순수 절연체 비드가 연결된 경우를 도식화한 그림이고, 도3은 그 경우의 시간에 따른 임피던스 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도4는 전극사이에 특정물질이 결합된 절연체 비드가 연결된 경우를 도식화한 그림이고, 도5는 그 경우의 시간에 따른 임피던스 값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도2와 도3을 참조하면, 절연체 비드(50)만이 존재하는 시료에 전극(10)에 교류전압을 인가하면, 시간이 지남에 따라 전극(10) 사이에 절연체 비드(50)가 연결되면서 전극(10) 사이의 임피던스 값이 일정한 값에 도달한다.
도4에 도시된 바와 같이, 절연체 비드(50) 표면에 박테리아 등과 같은 특정물질(60)이 결합된 상태에서 전극(10)에 연결되는 경우에는, 도5에 도시된 바와 같이 전극 사이의 임피던스 값이 도3에 비하여 올라감을 알 수 있다.
이처럼 특정물질(60)이 부착된 절연체 비드(50)가 전극(10) 사이에 연결된 경우에 임피던스 값이 변화하는 것을 이용하여 특정물질(60)의 유무를 검출하고, 특히 변화 정도에 따라서 그 양을 검출하는 것이 본 발명의 특징이다.
구체적인 센싱방법은 다음과 같다.
도6은 센싱방법의 순서를 나타낸 순서도이다.
도6을 참조하면, 먼저, 유전성질이 비슷한 물질중 특정물질을 검출하는 센싱방법에 있어서, 특정물질과 결합하는 유인물질이 코팅된 절연체 비드를 시료에 첨가하여 혼합시료를 생성하는 혼합단계(S10)를 거친다.
다음에는 혼합단계(S10)에서 생성된 혼합시료를 전극 사이에서 유동시키는 유동단계(S20)와 전극에 특정 주파수의 교류전압을 인가하여 유전영동을 일으키는 유전영동단계(S30)를 거치게 된다.
전극에 인가되는 주파수는 절연체 비드의 크기 및 성질에 따라서 유전영동을 잘 일으키는 주파수가 적용된다.
유전영동단계(S30)에서 전극 사이에 절연체 비드가 연결되면, 전극 사이의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계(S40)를 실시하고, 측정된 임피던스 값을 분석하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 검출단계(S50)를 통하여 특정물질의 유무와 양을 확인하는 것이다.
유전영동을 일으키기 위하여 필요한 유동은 종래의 실린지 펌프를 사용하는 것도 가능하나, 전술한 것과 같은 문제점을 해결하기 위하여 혼합시료의 증발과정 에서 발생하는 유동을 적용하는 것이 가능하다.
도7은 액적의 증발에 의한 유동을 나타낸 개념도이다.
도7을 참조하면, 검사대(110) 위에 떨어진 혼합시료(70)는 증발과정을 통하여 자체적으로 유동(화살표로 표시됨)을 일으키며, 이 유동을 통하여 전극주위에 유전영동 현상이 발생한다.
혼합시료의 증발은 주위온도에 의한 자연증발도 가능하지만, 보다 효율적인 증발을 위하여 별도의 열원을 사용하는 것이 바람직하다.
절연체 비드에 특정물질 만을 결합시키기 위하여 별도의 유인물질을 절연체 비드에 코팅하는데, 특정물질과 유인물질은 항원-항체 사이의 반응, 효소-억제제 사이의 반응, 단백질-펩티드쇄 사이의 반응, 당쇄-렉틴 사이의 반응 중 어느 하나에 의하여 서로 결합하는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 절연체 비드에 살모넬라균의 항체를 코팅하여 살모넬라균이 포함된 시료와 혼합하면, 절연체 비드에는 살모넬라균이 항원-항체 반응에 의하여 절연체 비드에 달라붙게 된다. 이 경우, 특정물질은 살모넬라균이고 유인물질은 살모넬라균의 항체가 되는 것이다.
이와 같이 절연체 비드에 유인물질이 견고하게 코팅되도록 하기 위하여 절연체 비드는 표면에 기공이 형성된 다공성 절연체 비드를 이용하는 것이 바람직하다.
절연체 비드는 현재 다양한 종류가 사용 가능하며, 예를 들어 가공성 등을 고려할 때 플라스틱 비드가 손쉽게 사용 가능하며, 특히 표면에 기공이 형성되어 있는 절연제 비드가 표면이 매끄러운 비드에 비하여 코팅 결합력이 우수하여, 특정 물질의 검출에 있어서의 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 표면에 기공이 형성되어 유인물질이 견고하게 코팅되는 플라스틱 비드 중 폴리스틸렌 비드가 바람직하다.
유인물질을 통하여 특정물질이 결합된 절연체 비드가 전극사이에 연결고리를 형성하면, 단순히 절연체 비드만으로 연결고리가 형성된 경우에 비하여 전극사이의 임피던스 값이 상승함은 이미 설명하였다.
그런데, 시료 내에 특정물질의 수량이 적고 절연체 비드의 수량은 과도하여 전극 사이에 특정물질이 결합되지 않은 절연체 비드가 다량으로 연결고리를 형성한 경우와 시료 내에 특정물질이 풍부하여 특정물질이 결합된 절연체 비드가 소량 연결된 경우의 임피던스 값이 유사하게 측정될 가능성이 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 전극사이의 절연체 비드의 양을 알 수 있도록, CCD 카메라 등의 장치를 이용하여 유전영동단계에서 전극 사이에 연결된 절연체 비드의 이미지를 얻는 이미지 획득단계(S60)를 더 포함한다.
그리고, 검출단계(S50)에서는 이미지 획득단계(S60)에서 얻어진 이미지와 임피던스 측정단계(S40)에서 얻어진 임피던스 값을 동시에 이용하여 특정물질의 유무와 양을 판단할 수 있다.
예를 들어, 측정된 임피던스 값이 특정물질이 일정 수 존재하는 경우에 해당하는 정도의 높은값인 경우에도, 이미지 획득단계에서 얻어진 이미지에서 확인한 결과 전극 사이에 연결된 비드의 수량이 기준수량보다 훨씬 많다면, 임피던스 값의증가는 특정물질이 아닌 절연체 비드의 증가에 의한 것이다. 따라서, 임피던스 값 에도 불구하고 특정물질이 소정의 양 이하로 존재한다고 판단할 수 있다.
전극 사이에 정렬하는 절연체 비드는 그 크기에 따라서 전극으로 유전영동하는 주파수가 다르다. 그러므로, 다양한 크기의 비드가 섞인 시료에서 각각의 전극에 다른 주파수를 인가하면, 전극별로 다른 비드가 유전영동 하게 된다.
이러한 성질을 이용하여 시료 안에 있는 다수의 특정물질을 동시에 검출할 수 있다. 즉, 비드의 크기별로 다른 유인물질을 코팅하고, 전극에는 크기별로 비드가 유전영동하는 주파수의 교류전압을 각각 인가하여 전극별로 임피던스 값을 측정하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 다른 실시예인 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법은 혼합단계에서 사용되는 절연체 비드의 크기가 다양하고, 크기별로 다른 종류의 유인물질이 코팅되며, 유전영동단계에서 전극에 인가되는 주파수를 달리하여 전극별로 다른 크기의 절연체 비드가 유전영동 하고, 임피던스 측정단계에서는 전극별로 임피던스를 측정하여, 검출단계에서는 여러 종류의 특정물질을 동시에 검출하는 것을 특징으로 한다.
도8은 본 발명의 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치의 개념도이다.
도8을 참조하면, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 유형의 실시예인 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치(100)는 유전성질이 비슷한 물질 중 특정물질을 검출하는 센싱장치에 있어서, 전극(111)이 구비된 검사대(110), 전극에 교류전압을 인가하는 함수발생기(120), 전극(111) 사이의 임피던스 값을 측정하는 임피던스 분석기(130), 그리고, 측정된 임피던스 값으로 특정물질의 유무와 양을 판단하는 판 단수단(140)을 포함한다.
구체적으로 검사대(110)는 다수의 전극(111)이 구비되고, 그 전극(111)과 전극(111) 사이에 특정물질과 결합하는 유인물질이 코팅된 절연체 비드(50)와 시료가 혼합된 혼합시료(170)가 위치하도록 되어있다. 일반적으로 검사대(110)는 유리재질로 이루어지며, 전극(111)은 금으로 이루어지는데, 전극과 검사대의 결합을 위하여 중간에 텅스텐 재질(미도시)이 사용된다.
전극은 도1에 도시된 바와 같이 "ㄷ"자 형상이 일반적이다.
함수발생기(120,function generator)는 전극(111)에 교류전압을 인가하여주는 장치로서, 다양한 파형 그리고 다양한 주파수의 교류전압을 인가하여 줄 수 있다. 이때 인가되는 주파수 및 파형은 유인물질이 코팅된 절연체 비드(50)의 특성에 따라서 유전영동을 잘 일으킬 수 있도록 조정된다.
단지 임피던스 분석기(130)의 표시 눈금만을 이용하여, 임피던스 분석기(130)에서 측정된 값이 소정의 값 이상인지 여부에 따라 간편하게 특정물질 유무를 판단하는 것도 가능하지만, 더욱 정확한 판단을 위해 별도의 판단수단(140)을 적용할 수 있다.
판단수단(140)은 일종의 마이컴의 형태로 비교회로와 표시장치를 구비하여 전용장치로 제작하는 것도 가능하며, 범용장비로서 일종의 컴퓨터를 사용하는 것도 가능하다. 어느 경우에든지 사용자가 보다 편리하게 특정물질의 유무 및 양을 검출하도록 도와준다.
전술한 바와 같이, 혼합시료의 자연증발과정에서 발생하는 유동을 이용한 것 이외에도 별도로 증발을 일으키기 위하여 검사대(110)는 액적의 증발을 발생시키는 열원(150)을 포함할 수 있다.
이 경우, 열원(150)은 램프 등과 같이 복사열을 이용하는 것이 바람직하며, 전열장치의 경우에는 유전영동에 영향을 주므로 피하여야 한다.
절연체 비드는 전술한 것과 같은 각종 유인물질이 코팅된 비드인데, 정확한 센싱을 위하여 일정양의 용매에 일정양의 절연체 비드가 섞여진 상태에서 소정의 시료를 혼합하여 혼합시료를 만들게 되고, 별도의 유동을 일으킬 필요가 없으므로, 실린지 펌프와 같은 구동수단은 불필요하다.
단지, 마이크로피펫 등의 장비를 이용하여 혼합시료를 검사대 위에 한,두 방울 정해진 양을 떨어드려 줌으로써 센싱 준비는 완료된다.
본 발명의 다른 실시예에서 더욱 정확한 판단을 위하여 검사대에서 유전영동을 통하여 전극사이에 정렬한 절연체 비드의 이미지를 얻는 이미지 획득수단(160)을 더 포함할 수 있다.
이미지 획득수단(160)는 더욱 정확한 센싱결과가 필요한 경우 또는 기준값 설정을 위하여 정밀한 센싱이 요구되는 경우에 추가적으로 부착하여 사용할 수 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 일반적으로 씨씨디 카메라(160,CCD camera)등이 사용되며, 투명한 검사대(110) 상부에는 조명장치를 구비한 상태에서 검사대 아래쪽에 역광 현미경 방식의 현미경이 구비된 씨씨디 카메라(160)가 사용된다.
이미지 획득수단(160)에서 얻어진 이미지는, 판단수단(140)에서 임피던스 분 석기(130)에서 측정된 임피던스 값과 함께 특정물질의 유무와 양을 판단하는 데 사용된다.
임피던스 분석기(130) 및 이미지 획득수단(160)에서 얻어진 데이터들은 GPIB, RS-232C또는 USB 와 같은 인터페이스 수단을 분석장치로 사용되는 컴퓨터로 전송된다.
도9는 다양한 종류의 특정물질이 섞인 경우에, 시료에 섞인 다양한 종류의 특정물질 및 양을 검출하기 위한 센싱장치의 개념도이다.
도9를 참조하면, 검사대의 전극(111)은 다수의 쌍을 이루며, 함수발생기(120)는, 쌍을 이루는 전극(111)별로 다른 크기의 절연체 비드가 유전영동 하도록, 쌍을 이루는 전극(111)별로 주파수를 달리하여 교류전압을 인가한다.
또한 임피던스 분석기(130)는 전극별로 임피던스를 측정하고, 측정된 임피던스 값을 이용하여 판단수단은 여러 종류의 특정물질을 동시에 검출하게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치 및 센싱방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도1은 본 발명의 기본원리를 설명하기 위한 개념도,
도2는 전극 사이에 순수 절연체 비드가 연결된 경우를 도식화한 그림,
도3은 도2에 해당하는 경우의 시간에 따른 임피던스 값의 일 예를 나타낸 그래프,
도4는 전극 사이에 특정물질이 결합된 절연체 비드가 연결된 경우를 도식화한 그림,
도5는 도4에 해당하는 경우의 시간에 따른 임피던스 값의 일 예를 나타낸 그래프,
도6은 센싱방법의 순서를 나타낸 순서도,
도7은 액적의 증발에 의한 유동을 나타낸 개념도,
도8은 본 발명의 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치의 개념도,
도9는 다양한 종류의 특정물질이 포함된 경우의 센싱장치의 개념도이다.
<도면의 부호에 대한 간단한 설명>
10,111: 전극 20,120: 함수발생기
40,130: 임피던스 분석기 50: 절연체 비드
60: 특정물질 70: 혼합시료
110: 검사대 140: 판단수단
150: 열원 160: 이미지 획득수단

Claims (12)

  1. 유전성질이 비슷한 물질중 특정물질을 검출하는 센싱방법에 있어서,
    특정물질과 결합하는 유인물질이 코팅된 절연체 비드를 시료에 첨가하여 혼합시료를 생성하는 혼합단계;
    상기 혼합단계에서 생성된 혼합시료를 전극 사이에서 유동시키는 유동단계로서, 상기 혼합물의 액적이 증발되면서 발생하는 유동을 이용하는 상기 유동단계;
    상기 전극에 특정 주파수의 교류전압을 인가하여 유전영동을 일으키는 유전영동단계;
    상기 유전영동단계에서 상기 전극 사이에 연결된 절연체 비드의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계;
    상기 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스 값을, 기 저장된 상기 절연체 비드만을 사용한 임피던스 기준 값과 비교하여, 상기 특정물질의 유무와 양을 판단하는 검출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특정물질과 유인물질은 항원-항체 사이의 반응, 효소-억제제 사이의 반응, 단백질-펩티드쇄 사이의 반응, 당쇄-렉틴 사이의 반응 중 어느 하나에 의하여 서로 결합하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연체 비드는 표면에 기공이 형성된 다공성 절연체 비드인 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전영동단계에서 전극 사이에 연결된 절연체 비드의 이미지를 얻는 이미지 획득단계를 더 포함하고,
    상기 검출단계는 상기 이미지 획득단계에서 얻어진 이미지와 상기 임피던스 측정단계에서 얻어진 임피던스 값을 이용하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합단계에서 사용되는 절연체 비드의 크기가 다양하고, 크기별로 다른 종류의 유인물질이 코팅되며,
    상기 유전영동단계에서 전극에 인가되는 주파수를 달리하여 전극별로 다른 크기의 절연체 비드가 유전영동 하고,
    상기 임피던스 측정단계에서는 전극별로 임피던스를 측정하여,
    상기 검출단계에서는 여러 종류의 특정물질을 동시에 검출하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱방법.
  7. 유전성질이 비슷한 물질 중 특정물질을 검출하는 센싱장치에 있어서,
    전극과 전극 사이에 특정물질과 결합하는 유인물질이 코팅된 절연체 비드와 시료가 혼합된 혼합시료가 위치하며, 액적의 증발을 발생시켜 상기 혼합시료를 유동시키는 열원을 포함하는 검사대;
    상기 전극에 특정 주파수의 교류전압을 인가하는 함수발생기;
    상기 함수발생기에 전압이 인가됨에 따라 유전영동 하는 절연체 비드에 따른 임피던스 값의 변화를 측정하는 임피던스 분석기;
    상기 임피던스 분석기에서 측정된 임피던스 값을, 기 저장된 상기 절연체 비드만을 사용한 임피던스 기준값과 비교하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 판단수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 특정물질과 유인물질은 항원-항체 사이의 반응, 효소-억제제 사이의 반응, 단백질-펩티드쇄 사이의 반응, 당쇄-렉틴 사이의 반응 중 어느 하나에 의하여 서로 결합하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 절연체 비드는 표면에 기공이 형성된 다공성 절연체 비드인 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 검사대에서 유전영동을 통하여 전극사이에 정렬한 절연체 비드의 이미지를 얻는 이미지 획득수단을 더 포함하고,
    상기 판단수단은 상기 이미지 획득수단에서 얻어진 이미지를 참조하여, 상기 임피던스 분석기에서 측정된 임피던스 값을 기준값과 비교하여 특정물질의 유무와 양을 판단하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치.
  12. 제7항, 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체 비드는 크기가 다양하고, 크기별로 다른 종류의 유인물질이 코팅된 비드이며,
    상기 검사대의 전극은 다수의 쌍을 이루며,
    상기 함수발생기는, 상기 쌍을 이루는 전극별로 다른 크기의 절연체 비드가 유전영동 하도록, 상기 쌍을 이루는 전극별로 주파수를 달리하여 교류전압을 인가하고,
    상기 임피던스 분석기는 전극별로 임피던스를 측정하여,
    상기 판단수단은 여러 종류의 특정물질을 동시에 검출하는 것을 특징으로 하는 유전영동 임피던스를 이용한 센싱장치.
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