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KR101176547B1 - 잡음이 감소된 이온 물질 검출 장치 및 방법 - Google Patents

잡음이 감소된 이온 물질 검출 장치 및 방법 Download PDF

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KR101176547B1
KR101176547B1 KR1020060130841A KR20060130841A KR101176547B1 KR 101176547 B1 KR101176547 B1 KR 101176547B1 KR 1020060130841 A KR1020060130841 A KR 1020060130841A KR 20060130841 A KR20060130841 A KR 20060130841A KR 101176547 B1 KR101176547 B1 KR 101176547B1
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리전츠 오브 더 유니버스티 오브 미네소타
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Abstract

본 발명은 트랜지스터 소자간 전기적 특성 차이가 현저히 개선되고, 잡음을 현저히 감소시킬 수 있는 이온 물질 검출 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여, 본 발명은 액체 시료와 접촉하고, 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따라 변하는 표면 전압에 대응하는 센싱 전압을 감지하는 센싱 전극; 상기 센싱 전극에 제 1 단이 연결되고 제 1 노드에 제 2 단이 연결되는 제 1 스위칭 트랜지스터; 리셋 전압에 제 1 단이 연결되고 상기 제 1 노드에 제 2 단이 연결되는 제 2 스위칭 트랜지스터; 및 상기 제 1 노드에 게이트가 연결되는 센싱 트랜지스터를 포함하는 이온 물질 검출 장치를 제공한다.

Description

잡음이 감소된 이온 물질 검출 장치 및 방법{Apparatus and method of detecting ionic materials with reduced noise}
도 1은 종래 생분자 검출용 전계 효과 트랜지스터의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 트랜지스터들의 전기적 특성의 편차를 측정한 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치의 구조를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치의 구조를 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 이온 물질 검출 장치로부터 출력되리라 예상되는 센싱 전압 및 리셋 전압을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 채널 및 그를 한정하는 측벽의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 물질 검출 방법의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 도 4의 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치의 센싱 트랜지스터들의 전기적 특성의 편차를 측정한 실험의 결과를 도 2의 결과와 비교한 그래프이다.
도 9는 도 4의 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치가 각각 포함된 샘플 챔버 및 레퍼런스 챔버에 PCR 산물 및 세척용 버퍼를 교대로 주입하는 순서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 도 9와 같은 순서로 PCR 산물 및 세척용 버퍼를 주입한 경우 출력되는 전압 신호를 도시하는 그래프이다.
도 11은 도 10의 점선 사각형 부분(A)을 확대한 그래프이다.
도 12는 도 10의 샘플 신호에서 레퍼런스 신호를 감산한 차등 신호를 도시하는 그래프이다.
본 발명은 트랜지스터를 이용하는 이온 물질 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잡음이 감소된 이온 물질 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기적인 신호로 이온 물질, 특히 생분자(Biomolecule)를 검출하는 센서 중 트랜지스터를 포함하는 구조를 지닌 트랜지스터 기반 바이오 센서가 있다. 이는 반도체 공정을 이용하여 제작되는 것으로, 전기적인 신호의 전환이 빠른 장점이 있어, 그 동안 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.
전계 효과 트랜지스터(이하, 'FET라 함')를 사용하여, 생물학적 반응을 측 정하는 원천 특허로 미국 특허 제 4,238,757호가 있다. 이는 항원-항체 반응을 표면 전하 밀도(surface charge concentration) 변화로 인한 반도체 inversion 층의 변화를 전류로 측정하는 바이오 센서에 관한 것으로 생분자 중 단백질(protein)에 관한 것이다. 미국 특허 제 4,777,019호는 바이오 단량체(biological monomers)를 게이트 표면에 흡착시켜 상보적인(complementary) 단량체와의 혼성화(hybridization) 정도를 FET로 측정하는 것에 관한 것이다.
도 1은 종래 생분자 검출용 전계 효과 트랜지스터의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, n형 또는 p형으로 도핑된 기판(11) 내에 양측부에 기판(11)과 반대 극성으로 도핑된 소스(12) 및 드레인(13)이 형성되어 있고, 상기 소스(12) 및 드레인(13) 사이에는 채널(15)이 형성되어 있으며, 상기 기판(11) 상에 소스(12) 및 드레인(13)과 접촉하는 절연층(14)이 형성되어 있다. 상기 절연층(14)의 상부에는 기준 전극(16)이 형성되고, 상기 기준 전극(16)에는 일정한 전압이 인가된다.
생분자를 포함하는 액체 시료는 절연층(14) 및 기준 전극(16)과 접촉하고, 생분자의 농도에 따라 소스(12)와 드레인(13) 사이에 흐르는 전류의 크기가 변하며, 그에 따라 생분자의 농도를 측정할 수 있다.
일반적으로 생분자의 농도를 검출할 때 상기 트랜지스터들을 어레이 형태로 배열하여 사용하고, 나아가 복수의 챔버들 각각에 상기 트랜지스터 어레이를 배열하여 사용한다.
이 경우 복수의 트랜지스터들은 서로 전기적인 특성에 차이를 나타낸다. 상기 전기적 특성의 편차는 반도제 제조 공정 중에 소자 및 그의 부분의 물리적 크기의 차이에 의해 발생된다. 또한, 상기 편차는 제조 공중 중에 도핑 농도의 차이에 의해 발생할 수 있고, 게이트 옥사이드에 포획된 전하 또는 표면 상태와 같은 소자의 표면 효과에 기인한 문턱 전압(threshold voltage)의 차이에 의해 발생할 수도 있다.
상기 편차는 트랜지스터 소자의 크기가 작아질수록 소자간 거리가 멀어질수록 더욱 심해진다. 트랜지스터 소자간의 전기적 특성의 차이에 의해 생분자 검출의 정확도, 재현성 및 분해능과 같은 성능에 악영향을 미친다.
도 2는 도 1의 트랜지스터의 전기적 특성의 편차를 측정한 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 3개의 챔버들 각각에 15개의 트랜지스터로 어레이를 형성하고, 각 트랜지스터들에 1.695 V를 입력하여 1.695 V의 출력을 예상하였지만, 각 트랜지스터의 출력은 서로 상이하였다. 즉, 출력의 평균은 1.699 V, 표준 편차는 5 mV, 및 최대 및 최소 차이는 23.7 mV에 달했다. 생분자에 의한 출력 전압의 변화는 농도에 따라 10-70 mV 정도로 알려져 있으므로, 상기 전기적 특성의 차이에 의해 측정 결과에 오류가 존재할 가능성이 매우 높다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 트랜지스터 소자간 전기적 특성 차이가 현저히 개선되고, 잡음을 현저히 감소시킬 수 있는 이온 물질 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 트랜지스터 소자간 전기적 특성 차이가 현저히 개선되고, 잡음을 현저히 감소시킬 수 있는 이온 물질 검출용 미세유동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이온 물질의 존재 또는 농도를 용이하고 정확하게 검출할 수 있는 이온 물질 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 액체 시료와 접촉하고, 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따라 변하는 표면 전압에 대응하는 센싱 전압을 감지하는 센싱 전극; 상기 센싱 전극에 제 1 단이 연결되고 제 1 노드에 제 2 단이 연결되는 제 1 스위칭 트랜지스터; 리셋 전압에 제 1 단이 연결되고 상기 제 1 노드에 제 2 단이 연결되는 제 2 스위칭 트랜지스터; 및 상기 제 1 노드에 게이트가 연결되는 센싱 트랜지스터를 포함하는 이온 물질 검출 장치를 제공한다.
상기 이온 물질 검출 장치는 상기 센싱 트랜지스터의 제 1 단 및 제 2 단에 연결되고 상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압을 검출하는 전압 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 전압 검출부는 입력단의 전압을 출력단으로 출력하는 전압 팔로우어일 수 있다.
상기 이온 물질 검출 장치는 제 1 단이 상기 센싱 트랜지스터의 제 2 단에 연결되는 제 3 스위칭 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 이온 물질 검출 장치는 상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 순차적으로 인가되는 전압들의 차이를 계산하고 상기 계산된 전압을 출력하는 전압 감산부를 더 포함할 수 있다.
상기 센싱 전극은 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 형성될 수 있다.
본 발명은 액체 시료와 접촉하고, 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따라 변하는 표면 전압에 대응하는 센싱 전압을 감지하는 복수의 센싱 전극들; 상기 각 센싱 전극에 각 제 1 단이 연결되고 각 제 1 노드에 각 제 2 단이 연결되는 복수의 제 1 스위칭 트랜지스터들; 리셋 전압에 각 제 1 단이 연결되고 상기 각 제 1 노드에 각 제 2 단이 연결되는 복수의 제 2 스위칭 트랜지스터들; 상기 각 제 1 노드에 각 게이트가 연결되는 복수의 센싱 트랜지스터들; 각 제 1 단이 상기 각 센싱 트랜지스터의 각 제 2 단에 연결되는 복수의 제 3 스위칭 트랜지스터들; 및 상기 제 3 스위칭 트랜지스터들의 스위칭 동작에 의해 상기 센싱 트랜지스터들의 게이트들에 인가되는 전압들을 선택적으로 검출하는 전압 검출부를 포함하는 이온 물질 검출 장치를 제공한다.
상기 전압 검출부는 입력단의 전압을 출력단으로 출력하는 하나의 전압 팔로우어일 수 있다.
상기 센싱 트랜지스터들의 제 1 단들 및 상기 제 3 스위칭 트랜지스터들의 제 2 단들은 각각 서로 병렬로 연결되어 상기 전압 팔로우어의 플러스 입력단에 연결되거나 입력단을 구성할 수 있다.
상기 이온 물질 검출 장치는 상기 센싱 트랜지스터들의 게이트들에 순차적으로 인가되는 전압들의 차이를 계산하고 상기 계산된 전압을 출력하는 전압 감산 부를 더 포함할 수 있다.
상기 센싱 전극은 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 형성될 수 있다.
본 발명은 상기 이온 물질 검출 장치를 포함하는 이온 물질 검출용 미세유동장치를 제공한다.
상기 이온 물질 검출 장치의 센싱 전극은 마이크로채널 내에 형성되어 상기 마이크로채널 내에서 유동하는 액체 시료와 접촉할 수 있다.
상기 미세유동장치는 상기 마이크로채널 내에 형성되어 액체 시료와 접촉하고 일정한 전압이 인가되는 기준 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 액체 시료와 접촉하는 센싱 전극을 이용하여 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따른 센싱 전압을 감지하는 단계; 상기 센싱 전압을 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계; 상기 센싱 전압 인가시의 게이트 전압을 측정하는 단계; 리셋 전압을 상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계; 리셋 전압 인가시의 게이트 전압을 측정하는 단계; 및 상기 센싱 전압 인가시의 게이트 전압과 상기 리셋 전압 인가시의 게이트 전압의 차이를 계산하는 단계를 포함하는 이온 물질 검출 방법을 제공한다.
상기 각 단계는 어레이 형태의 복수의 센싱 트랜지스터들에 대해 개별적으로 수행될 수 있다.
상기 이온 물질은 생분자일 수 있고, 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.
상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 핵산은 PCR 산물 또는 그의 정제물일 수 있다.
상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치의 구조를 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치는 센싱 전극(31), 제 1 스위칭 트랜지스터(TR1), 제 2 스위칭 트랜지스터(TR2), 제 3 스위칭 트랜지스터(TR3), 센싱 트랜지스터(STR), 전압 검출부(33) 및 전압 감산부(35)를 포함한다.
센싱 전극(31)은 액체 시료와 접촉하고, 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따라 표면 전압이 변함으로써 센싱 전압(VBIO)을 감지한다. 센싱 전극(31)은 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 형성될 수 있다.
제 1 스위칭 트랜지스터(TR1)는 센싱 전극(31)에 제 1 단이 연결되고 제 1 노드(N1)에 제 2 단이 연결된다. 제 1 스위칭 트랜지스터(TR1)는 게이트에 인가되는 센싱 선택 신호(BIO)에 의해 센싱 전압(VBIO)을 제 1 노드(N1)에 전달하는 역할을 수행한다.
제 2 스위칭 트랜지스터(TR2)는 리셋 전압(VRST)에 제 1 단이 연결되고 제 1 노드(N1)에 제 2 단이 연결된다. 제 2 스위칭 트랜지스터(TR2)는 게이트에 인가되 는 리셋 선택 신호(RST)에 의해 리셋 전압(VRST)을 제 1 노드(N1)에 전달하는 역할을 수행한다.
센싱 트랜지스터(STR)는 제 1 노드(N1)에 게이트가 연결되고, 제 1 단이 전압 검출부(33)에 연결되고, 제 2 단은 제 3 트랜지스터(TR3)의 제 1 단에 연결된다.
센싱 트랜지스터(STR)의 게이트에는 센싱 전압(VBIO) 및 리셋 전압(VRST)이 선택적으로 인가된다. 상기 센싱 전압(VBIO) 및 리셋 전압(VRST)의 선택적 인가는 제 1 스위칭 트랜지스터(TR1) 및 제 2 스위칭 트랜지스터(TR2)에 의해 수행될 수 있다.
제 3 스위칭 트랜지스터(TR3)는 제 1 단이 센싱 트랜지스터(STR)의 제 2 단에 연결되고, 제 2 단이 전압 검출부(33)에 연결된다. 제 3 스위칭 트랜지스터(TR3)는 게이트에 인가되는 선택 신호(SEL)에 의해 센싱 트랜지스터(STR)을 전압 검출부(33)에 연결하는 역할을 수행한다.
전압 검출부(33)는 센싱 트랜지스터(STR)의 제 1 단 및 제 3 스위칭 트랜지스터(TR3)의 제 2 단에 연결된다. 전압 검출부(33)는 센싱 트랜지스터(STR)의 게이트에 인가되는 전압을 검출한다. 예컨대, 전압 검출부(33)는 센싱 트랜지스터(STR)의 제 1 단 및 제 2 단 사이에 흐르는 전류의 변화를 기초로 게이트에 인가되는 전압의 변화를 검출할 수 있다.
전압 검출부(33)는 입력단의 전압을 출력단으로 출력하는 전압 팔로우어(voltage follower)일 수 있다. 센싱 트랜지스터(STR) 및 제 3 스위칭 트랜지스 터(TR3)는 전압 팔로우어의 플러스 입력단에 연결되거나, 전압 팔로우어의 플러스 입력단을 구성할 수도 있다.
전압 감산부(35)는 센싱 트랜지스터(STR)의 게이트에 순차적으로 인가되는 전압들의 차이를 계산하고 상기 계산된 전압을 출력한다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치의 동작에 대해 설명한다.
상기에서 상술한 바와 같이, 트랜지스터들은 제조 공정 과정에서 발생하는 물리적 크기의 차이, 도핑 농도의 차이 및 문턱 전압의 차이 등에 의해 서로 전기적 특성이 미세하게 차이가 난다. 따라서, 동일한 신호를 입력하여도 약간 상이한 신호를 출력한다.
즉, 각 트랜지스터는 출력 신호와 입력 신호의 차이 만큼의 고유한 잡음 요소를 포함하고 있다. 도 3에 있어서, 센싱 트랜지스터(STR)의 잡음 요소를 VOFF로 모델링할 수 있다.
먼저, 이온 물질을 포함하는 액체 시료를 센싱 전극(31)에 접촉하고, 제 1 트랜지스터(TR1)를 턴온하고 제 2 스위칭 트랜지스터(TR2)를 턴오프하여, 센싱 전극(31)에서 감지되는 센싱 전압(VBIO)을 센싱 트랜지스터(STR)의 게이트에 인가한다.
이 때 전압 검출부(33)는 센싱 트랜지스터(STR)의 게이트에 인가되는 전압을 측정한다. 이 경우 센싱 전압(VBIO)만이 측정되는 것이 바람직하지만, 센싱 트랜지 스터(STR) 자체의 잡음(VOFF)이 더해져서 센싱 출력 전압(VBIO+VOFF)이 측정된다.
다음으로, 제 1 트랜지스터(TR1)를 턴오프하고 제 2 스위칭 트랜지스터(TR2)를 턴온하여, 알고 있는 리셋 전압(VRST)을 센싱 트랜지스터(STR)의 게이트에 인가한다.
이 때 전압 검출부(33)는 센싱 트랜지스터(STR)의 게이트에 인가되는 전압을 측정한다. 이 경우 리셋 전압(VRST)만이 측정되는 것이 바람직하지만, 센싱 트랜지스터(STR) 자체의 잡음(VOFF)이 더해져서 리셋 출력 전압(VRST+VOFF)이 측정된다.
전압 감산부(35)는 상기 센싱 출력 전압(VBIO+VOFF) 및 리셋 출력 전압(VRST+VOFF)의 차이 전압(VBIO-VRST)을 출력 전압(VOUT)으로 출력한다. 상기 출력 전압에는 센싱 트랜지스터(STR)의 잡음(VOFF)이 제거되어 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 센싱 트랜지스터의 잡음이 제거된 우수한 검출 능력을 갖는 이온 물질 검출 장치가 제공된다.
리셋 전압(VRST)은 이미 알고 있는 값이므로, 차이 전압(VBIO-VRST)에 리셋 전압(VRST)을 가산함으로써 센싱 전압(VBIO)을 검출할 수 있다. 상기 리셋 전압(VRST)의 가산은 전압 감산부(35)에서 수행될 수도 있고, 외부의 다른 요소에 의해 수행될 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치의 구조를 나타내 는 회로도이다.
이하 도 4를 참조하여 도 3의 실시예와 상이한 점을 중심으로 도 4의 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치를 설명한다.
도 4를 참조하면, n개의 센싱 전극들(311,..,31n), n개의 제 1 스위칭 트랜지스터들(TR11,..,TR1n), n개의 제 2 스위칭 트랜지스터들(TR21,..,TR2n), n개의 제 3 스위칭 트랜지스터들(TR31,..TR3n), n개의 센싱 트랜지스터들(STR1,..,STRn)은 각각 도 3의 실시예와 같은 형태를 갖고 있다. 한편, 센싱 트랜지스터들(STR1,..,STRn)의 제 1 단들은 서로 병렬로 연결되어 있고, 제 3 스위칭 트랜지스터들(TR31,..TR3n)의 제 2 단들은 서로 병렬로 연결되어 있다.
n개의 센싱 전극들(311,..,31n)은 어레이 형태로 미세유동장치의 하나의 챔버 또는 마이크로채널 내에 형성될 수 있고, 둘 이상의 챔버 또는 마이크로채널 내에 나뉘어서 형성될 수도 있다.
센싱 트랜지스터들(STR1,..,STRn) 및 제 3 스위칭 트랜지스터들(TR31,..TR3n)은 전압 검출부인 하나의 전압 팔로우어(43)의 플러스 입력단에 연결되거나, 전압 팔로우어의 플러스 입력단을 구성할 수 있다. 하나의 전압 팔로우어(43)를 복수의 센싱 트랜지스터들(STR1,..,STRn)이 공유하지 않고, 여러 개의 전압 팔로우어(43)들을 사용하는 경우 그 자체에 의한 잡음이 야기될 수 있어 바람직하지 않다.
전압 팔로우어(43)의 구체적인 구성은 당업자들에 의해 적절히 선택될 수 있을 것이다. 또한, 당업자들은 상기 센싱 트랜지스터들(STR1,..,STRn) 및 제 3 스 위칭 트랜지스터들(TR31,..TR3n)을 전압 팔로우어(43)의 플러스 입력단에 연결하거나, 전압 팔로우어의 플러스 입력단으로 구성할 수 있을 것이다.
특히, 제 3 스위칭 트랜지스터들(TR31,..TR3n)은 스위칭 동작에 의해 상기 센싱 트랜지스터들(STR1,..,STRn)을 선택적으로 전압 팔로우어(43)의 플러스 입력단에 연결하고, 그에 의해 전압 팔로우어(43)는 복수의 센싱 트랜지스터들(STR1,..,STRn)의 게이트에 인가되는 전압을 검출한다. 또한, 리셋 전압(VRST)은 복수의 제 2 스위칭 트랜지스터(TR21,..,TR2n)들의 제 1 단에 공통으로 인가된다.
전압 팔로우어(43)는 제 4 스위칭 트랜지스터(TR4)를 통해 가변 게인 증폭기(45)에 연결된다. 가변 게인 증폭기(45)는 센싱 출력 전압(VBIO+VOFF) 및 리셋 출력 전압(VRST+VOFF)의 차이를 감산할 뿐만 아니라, 감산된 전압을 증폭할 수도 있다.
제 4 스위칭 트랜지스터(TR4) 및 가변 게인 증폭기(45)의 마이너스 입력단 사이에 커패시터(C)가 연결되고, 가변 게인 증폭기(45)의 플러스 입력단에는 기준 전압(Vref)이 인가된다. 또한, 가변 게인 증폭기(45)의 마이너스 입력단 및 출력단 사이에는 가변 커패시터(CF) 및 제 5 스위칭 트랜지스터(TR5)가 병렬로 연결된다. 가변 게인 증폭기(45)의 구체적인 구성은 당업자에 의해 변형 가능할 것이다.
제 3 스위칭 트랜지스터들(TR31,..TR3n)의 동작에 의해 선택된 하나의 센싱 트랜지스터, 전압 팔로우어(43) 및 가변 게인 증폭기(45)를 통해 출력되는 전압(Vout)은 식 1과 같다.
<식 1>
Vout = Vref-C/CF×[(VBIO+VOFF)-(VRST+VOFF)] = Vref-C/CF×(VBIO-VRST)
C, CF, Vref 및 VRST의 값들은 이미 알고 있으므로, 식 1로부터 VBIO의 값을 구할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 센싱 트랜지스터의 잡음이 제거된 우수한 검출 능력을 갖는 이온 물질 검출 장치가 제공된다.
도 5는 본 발명의 이온 물질 검출 장치로부터 출력되리라 예상되는 센싱 전압 및 리셋 전압을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5의 세로축은 전압을 나타내고, 가로축은 본 발명에 따른 이온 물질 검출 장치들의 어레이를 나타낸다. 즉, 3개의 챔버들 각각에 복수의 이온 물질 검출 장치가 어레이로 형성되고, 각 챔버들에 상이한 농도를 갖는 액체 시료들을 각각 유입 및 유출시켜 전압 변화를 측정한다. 각 채널의 센싱 전압(Vch1, Vch2, Vch3)은 서로 상이하고, 각 채널에 대해 리셋 전압(VRST)은 동일하다.
채널의 센싱 전압(Vch1, Vch2, Vch3) 측정시 및 리셋 전압(VRST) 측정시 합산되어 출력되는 잡음 전압(VOFF)은 하나의 센싱 트랜지스터에 대해서는 동일할 것이고, 서로 다른 센싱 트랜지스터들에 대해서는 서로 상이할 것이다.
따라서, 상기 채널 센싱 전압(Vch1, Vch2, Vch3) 인가시의 출력 전압(Vch1+VOFF, Vch2+VOFF, Vch3+VOFF)에서 리셋 전압(VRST) 인가시의 출력 전압(VRST+VOFF)을 감산함으로써, 잡음 전압(VOFF)이 제거된 출력 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 복수의 센싱 트랜지스터들 간의 전기적 특성의 편차를 현저하게 낮출 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 채널 및 그를 한정하는 측벽의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치는 센싱 전극(31), 기준 전극(608a, 608b) 및 센싱 트랜지스터(STR)를 포함한다.
센싱 전극(31) 및 기준 전극(608a, 608b)은 액체 샘플이 유동하는 마이크로채널 또는 마이크로챔버(613) 내에 형성된다.
센싱 트랜지스터(STR)는 제 1 단(603), 제 2 단(602) 및 게이트(604)를 포함한다. 제 1 단(603)은 제 1 연결부(612)를 통해 검출 회로(611)에 연결되고, 제 2 단(602)은 제 2 연결부(610)를 통해 제 4 연결부(609)에 연결되며, 게이트(604)는 제 3 연결부(605)를 통해 센싱 전극(31)에 연결된다.
제 1 단(603), 제 2 단(602), 검출 회로(611) 및 제 4 연결부(609)는 기판(601) 내에 형성되어 있고, 게이트(604), 제 1 연결부(612), 제 2 연결부(610) 및 제 3 연결부(605)는 중간층(606) 내에 형성되어 있다. 패시베이션 층(607a, 607b)은 센싱 전극(31) 이외의 표면을 덮어 액체 샘플로부터 장치를 보호한다.
제 3 연결부(605)에 제 1 스위칭 트랜지스터(TR1) 및 제 2 스위칭 트랜지스터(TR2)가 연결될 수 있다. 제 4 연결부(609)는 제 3 스위칭 트랜지스터(TR4) 또는 검출 회로(611)가 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 이온 물질 검출용 미세유동장치는 입구, 출구 및 반응 챔버 등이 마이크로채널을 통하여 유체적으로 연결될 수 있다. 상기 미세유동장치는 상기 마이크로채널 외에 유체의 이송을 위한 마이크로펌프, 상기 유체 이송을 제어하기 위한 마이크로밸브, 유체의 혼합을 위한 마이크로믹서 및 이송되는 유체를 여과하기 위한 마이크로필터 등을 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동장치는 예컨대, 생물학적 분석 과정을 수행하기 위해 세포 계수(counting), 세포 선별(sorting), DNA 추출 및 PCR 증폭 및 검출 중 어느 하나 이상의 과정을 수행할 수 있는 복수의 챔버를 포함하고, 상기 챔버들은 차례로 채널에 의해 유체 연결되어 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 물질 검출 방법의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 액체 시료와 접촉하는 센싱 전극을 이용하여 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따른 센싱 전압을 감지한다(71).
다음으로, 상기 센싱 전압을 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가하고(72), 상기 센싱 전압 인가시의 게이트 전압을 측정한다(73).
다음으로, 리셋 전압을 상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가하고(74), 리셋 전압 인가시의 게이트 전압을 측정한다(75).
다음으로, 상기 센싱 전압 인가시의 게이트 전압과 상기 리셋 전압 인가시의 게이트 전압의 차이를 계산한다(76).
본 발명의 방법에 따르면, 센싱 트랜지스터의 고유의 잡음을 제거하여 이온 물질의 농도에 따른 신호를 효과적으로 검출할 수 있다.
상기 각 단계는 어레이 형태의 복수의 센싱 트랜지스터들에 대해 개별적으로 수행될 수 있다. 이 경우 센싱 트랜지스터들의 전기적 특성의 편차를 현저히 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명에 있어서, 이온 물질은 이온을 포함하는 어떠한 물질일 수 있다. 예컨대, 상기 이온 물질은 생분자일 수 있다. 상기 생분자는 핵산 또는 단백질일 수 있다.
상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 구성된 군에서 선택될 수 있고, PCR 산물 또는 그의 정제물일 수 있다. 상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 이온 물질 검출 장치의 제작
3개의 챔버를 포함하고, 상기 각 챔버는 15개의 센싱 전극을 포함하는 도 4의 이온 물질 검출 장치를 반도체 공정에 따라 제작하였다. 총 45개의 센싱 전극을 각각 제 1 내지 제 3 스위칭 트랜지스터들 및 센싱 트랜지스터에 연결하고, 45개의 센싱 트랜지스터는 하나의 전압 팔로우어 및 하나의 가변 이득 증폭기에 연결하였다.
<실험예 1>
본 발명에 따른 센싱 트랜지스터들의 전기적 특성 편차 측정
실시예 1에서 제작된 이온 물질 검출 장치의 각 센싱 트랜지스터의 편차를 측정하였다. 종래 기술로서 센싱 전압만을 인가하여 측정하였고, 본 발명으로서 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 동작에 의해 센싱 전압 및 리셋 전압을 인가하고, 상기 전압들의 인가에 따른 출력 전압들을 감산하고 그에 리셋 전압을 가산한 출력 전압을 측정하였다.
본 실시예에서는 센싱 전압으로서 센싱 전극으로부터 감지된 전압이 아닌 1.695 V를 동일하게 인가하였다.
도 8은 도 4의 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치의 센싱 트랜지스터들의 전기적 특성의 편차를 측정한 실험의 결과를 도 2의 결과와 비교한 그래프이다. 도 8의 가로축은 각 챔버에 포함된 센싱 트랜지스터의 번호를, 세로축은 전압을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 종래 기술의 경우 출력 전압의 평균은 1.699 V, 표준 편차는 5 mV, 및 최대 및 최소 차이는 23.7 mV에 달했다. 한편, 본 발명의 경우 출력 전압의 평균은 1.695 V, 표준 편차는 0.4 mV, 및 최대 및 최소 차이는 1.4 mV였다.
상기 결과로부터, 본 발명에 따르면 트랜지스터 소자간 전기적 특성 차이가 현저히 개선되고, 잡음을 현저히 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 2>
본 발명에 따른 이온 물질 검출 장치를 이용한 PCR 산물의 검출
실시예 1에서 제작한 이온 물질 검출 장치를 이용하여 센싱 전극 표면에 PCR 산물을 고정하지 않고도 그를 검출할 수 있는지 여부 및 상기 PCR 산물을 세척한 후에 상기 이온 물질 검출 장치를 이용하여 다시 다른 PCR 산물을 효과적으로 검출할 수 있는지 여부를 확인하였다.
이를 위해, 이온 물질 검출 장치의 제 1 챔버(샘플 챔버)에는 PCR 산물을 포함하는 용액 및 세척 용액을 번갈아 주입하고, 제 2 챔버(레퍼런스 챔버)에는 세척 용액을 연속적으로 주입하였다. 레퍼런스 챔버는 용액의 주입에 따른 압력 등에 기초한 전압 변화를 측정하기 위한 것이다.
도 9는 도 4의 실시예에 따른 이온 물질 검출 장치가 각각 포함된 샘플 챔버 및 레퍼런스 챔버에 PCR 산물 및 세척용 버퍼를 교대로 주입하는 순서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 샘플 챔버에는 차례로 세척 용액(PB), 1 uM의 PCR 산물 용액(1 uM), 세척 용액(PB), 2 uM의 PCR 산물 용액(2 uM), 세척 용액(PB), 5 uM의 PCR 산물 용액(5 uM), 세척 용액(PB), 10 uM의 PCR 산물 용액(10 uM) 및 세척 용액(PB)을 100초마다 주입하였다. 한편, 레퍼런스 챔버에는 세척 용액(PB)을 100초마다 주입하였다.
세척 용액으로서 0.01 mM 포스페이트 버퍼 (pH 6.04)를 이용하였다. PCR 산물은 19 bp의 크기를 가졌다.
도 10은 도 9와 같은 순서로 PCR 산물 및 세척용 버퍼를 주입한 경우 출력되는 전압 신호를 도시하는 그래프이고, 도 11은 도 10의 점선 사각형 부분(A)을 확 대한 그래프이며, 도 12는 도 10의 샘플 신호에서 레퍼런스 신호를 감산한 차등 신호를 도시하는 그래프이다. 도 10 내지 도 12의 전압은 각 챔버에 포함된 15개의 센싱 트랜지스터들의 평균값이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, PCR 산물을 주입하는 경우 전류가 급격히 감소함을 알 수 있다. 또한, 용액의 주입에 따른 압력 등에 기초한 전압 변화가 있음을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 샘플 챔버에서 측정된 신호로부터 레퍼런스 챔버에서 측정된 신호를 감산함으로써 보다 정확한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
상기 결과로부터, 본 발명에 따른 이온 물질 검출 장치를 이용하여 생분자의 고정 없이 복수의 생분자를 연속적으로 용이하고 정확하게 검출할 수 있음을 알 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 트랜지스터 소자간 전기적 특성 차이가 현저히 개선되고, 잡음을 현저히 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 이온 물질 검출 장치 또는 미세유동장치를 이용하면 이온 물질의 존재 또는 농도를 용이하고 정확하게 검출할 수 있다. 더욱이, 이온 물질 검출용 트랜지스터 소자의 크기가 줄어들고, 다중 챔버 구조에 의한 소자간 거리가 멀어지는 경우 본 발명은 보다 현저한 효과를 발휘할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본 질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 액체 시료와 접촉하고, 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따라 변하는 표면 전압에 대응하는 센싱 전압을 감지하는 센싱 전극;
    상기 센싱 전극에 제 1 단이 연결되고 제 1 노드에 제 2 단이 연결되는 제 1 스위칭 트랜지스터;
    리셋 전압에 제 1 단이 연결되고 상기 제 1 노드에 제 2 단이 연결되는 제 2 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 제 1 노드에 게이트가 연결되는 센싱 트랜지스터를 포함하는 이온 물질 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터의 제 1 단 및 제 2 단에 연결되고 상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압을 검출하는 전압 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전압 검출부는 입력단의 전압을 출력단으로 출력하는 전압 팔로우어인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    제 1 단이 상기 센싱 트랜지스터의 제 2 단에 연결되는 제 3 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 순차적으로 인가되는 전압들의 차이를 계산하고 상기 계산된 전압을 출력하는 전압 감산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 센싱 전극은 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  7. 액체 시료와 접촉하고, 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따라 변하는 표면 전압에 대응하는 센싱 전압을 감지하는 복수의 센싱 전극들;
    상기 각 센싱 전극에 각 제 1 단이 연결되고 각 제 1 노드에 각 제 2 단이 연결되는 복수의 제 1 스위칭 트랜지스터들;
    리셋 전압에 각 제 1 단이 연결되고 상기 각 제 1 노드에 각 제 2 단이 연결되는 복수의 제 2 스위칭 트랜지스터들;
    상기 각 제 1 노드에 각 게이트가 연결되는 복수의 센싱 트랜지스터들;
    각 제 1 단이 상기 각 센싱 트랜지스터의 각 제 2 단에 연결되는 복수의 제 3 스위칭 트랜지스터들; 및
    상기 제 3 스위칭 트랜지스터들의 스위칭 동작에 의해 상기 센싱 트랜지스터들의 게이트들에 인가되는 전압들을 선택적으로 검출하는 전압 검출부를 포함하는 이온 물질 검출 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전압 검출부는 입력단의 전압을 출력단으로 출력하는 하나의 전압 팔로우어인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터들의 제 1 단들 및 상기 제 3 스위칭 트랜지스터들의 제 2 단들은 각각 서로 병렬로 연결되어 상기 전압 팔로우어의 플러스 입력단을 구성하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터들의 게이트들에 순차적으로 인가되는 전압들의 차이를 계산하고 상기 계산된 전압을 출력하는 전압 감산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 센싱 전극은 폴리실리콘, Al, Pt, Au 또는 Cu로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 장치.
  12. 제 1항 또는 제 7항에 따른 이온 물질 검출 장치를 포함하는 이온 물질 검출용 미세유동장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 이온 물질 검출 장치의 센싱 전극은 마이크로채널 내에 형성되어 상기 마이크로채널 내에서 유동하는 액체 시료와 접촉하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 미세유동장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 마이크로채널 내에 형성되어 액체 시료와 접촉하고 일정한 전압이 인가되는 기준 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출용 미세유동장치.
  15. 액체 시료와 접촉하는 센싱 전극을 이용하여 상기 액체 시료에 포함된 이온 물질의 농도에 따른 센싱 전압을 감지하는 단계;
    상기 센싱 전압을 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계;
    상기 센싱 전압 인가시의 게이트 전압을 측정하는 단계;
    리셋 전압을 상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계;
    리셋 전압 인가시의 게이트 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 센싱 전압 인가시의 게이트 전압과 상기 리셋 전압 인가시의 게이트 전압의 차이를 계산하는 단계를 포함하는 이온 물질 검출 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 각 단계는 어레이 형태의 복수의 센싱 트랜지스터들에 대해 개별적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 이온 물질은 생분자인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 생분자는 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 방법.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 핵산은 PCR 산물 또는 그의 정제물인 것을 특징으로 하는 이온 물질 검출 방법.
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