KR102602821B1 - 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 유체 샘플 (111) 에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기 (110) 가 제안된다. 분석물 검출기 (110) 는 유체 샘플 (111) 에 노출 가능한 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 을 포함한다. 분석물 검출기 (110) 는 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 더 포함한다. 분석물 검출기 (110) 는 다목적 전극 (112) 을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하기 위해 구성된 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치 (116) 를 더 포함한다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 유체에서의 그 적어도 하나의 분석물의 정성적 및/또는 정량적 결정을 위한 분석물 검출기의 사용에 관한 것이다. 예로서, 본 발명의 장치 및 방법은 예를 들어 임상 또는 실험실 분석에서의 진단 목적 또는 가정 모니터링 목적으로 사용될 수도 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 구체적으로 체액 또는 다른 액체에서 하나 이상의 분석물을 검출하는데 사용될 수도 있다. 예로서, DNA 검출이 거론될 수도 있다. 그러나 다른 응용들 및 사용들이 실현가능하다.
적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 다양한 분석물 검출기들이 기술되었다. 정성적 및/또는 정량적 방식으로 화학적 및/또는 생물학적 종을 신뢰성있게 검출하도록 구성된 분석물 검출기는 진단 목적, 환경 오염 모니터링, 식품 안전성 평가, 품질 관리 또는 제조 공정과 같은, 그러나 이들에 제한되지 않는 여러 목적들을 위해 사용될 수 있다. 이러한 분석물 검출기는 예를 들어 적어도 하나의 분석물의 식별을 위한 트랜지스터 기반 측정에 의존할 수도 있다. 트랜지스터 기반 분석물 검출기는 단백질, 항체, 항원, DNA 와 같은 생체 분자 및 이온 종 및 전해질과 같은 화학 종을 포함한 광범위한 분석물의 검출을 허용하도록 구성되었다.
다수의 연구는 항원, 항체 또는 다른 단백질의 식별에 트랜지스터 기반 분석물 검출기의 사용을 기술한다: Elnathanet al. (Elnathan et al., Nano Lett. 2012, 12, 5245-5254) 는 크기 감소된 항체 단편과 결합된 나노와이어 기반 전계 효과 트랜지스터 (FET) 장치를 사용하여 서브-pM 농도 범위에서 처리되지 않은 혈청 및 혈액 샘플 내의 단백질의 검출을 기술한다. 크기 감소된 항체 단편의 사용은 생체 인식 이벤트가 나노와이어 표면에 매우 근접하여 발생하여 전하-감응성 Debye 스크리닝 길이 내에 있는 것을 허용한다. Gao et al. 에 의한 연구 (Gao et al., Nano Lett. 2015, 15, 2143-2148) 에 FET 기반 나노전기 센서 상의 다공성 및 생체분자 투과성 층의 병합이 기술되어 있다. 중합체 층은 FET 기반 센서 표면에 바로 인접한 영역에서 유효 스크리닝 길이를 증가시켜서 실시간으로 높은 이온 강도 용액에서의 생체 분자의 검출을 가능하게 한다. 동일한 연구는 또한 추가적인 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 변형을 갖는 실리콘 나노와이어 전계 효과 트랜지스터가 150 mM 만큼 높은 인산 완충액 농도를 갖는 용액에서 전립선 특이 항원 (PSA) 을 쉽게 검출할 수 있다고 보고한다. Kim et al. (Kim et al., Biosens Bioelectron. 2009 Jul15; 24 (11) : 3372-8) 은 탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터 (CNT-FET) 를 기반으로 하는 무라벨 (label-free) 단백질 바이오센서를 통한 전립선 암 마커 (PSA-ACT 복합체) 의 실시간 검출을 위한 간단하고 민감한 방법을 제시한다. Tarasov et al. (Tarasov et al., 2D Mater. 2 (2015) 044008) 은 금-코팅 그래핀 FET 를 사용하여 특정 단백질-항체 상호 작용의 결합 친화도를 측정한다. 다른 연구에서, Tarasov et al. (Tarasov et al., Biosens Bioelectron. 2016 May 15; 79 : 669-78) 은 모델 병원체 보바인 헤르페스 바이러스-1 (BHV-1) 을 사용하여 직접 전위차 혈청학적 진단을 위해 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터를 사용한다. 진단 도구로서 센서 능력을 입증하기 위해, BHV-1 바이러스 단백질 gE 가 BHV-1-특이 항체 (ant-gE) 에 대한 포획 항원으로서 작용하도록 센서 표면 상에 발현되고 고정화된다. gE-코팅 면역센서는 항-gE 에 대해 매우 민감하고 선택적이고 중앙 집중식 실험실에 의해 전형적으로 수행되는 ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) 보다 상당히 빠른 것으로 나타났다.
다른 연구는 DNA 또는 RNA 와 같은 핵산 또는 아데노신모노포스페이트 (AMP) 와 같은, 그것의 가능한 성분을 식별하기 위한 트랜지스터 기반 분석물 검출기의 잠재력을 탐구한다. US20100053624 에는 생물학적 상호 작용을 전기 및 광학 신호로 변환하여 분석될 물질을 감지할 수 있는 바이오센서가 개시되어 있다. 바이오 센서는 기판, 기판의 일면에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극, 소스 및 드레인 전극을 연결하는 카본 나노튜브, 카본 나노튜브를 덮는 금속 게이트, 금속 게이트에 고정된 인식 컴포넌트, 및 소스 및 드레인 전극을 덮는 패시베이션 층을 포함한다. 일 실시형태에서, 인식 컴포넌트는 DNA 또는 RNA 와 같은 단일 가닥 올리고뉴클레오티드일 수도 있다. DNA 의 경우에, 바이오 센서는 금속 게이트의 표면에 고정된 인식 DNA 를 갖는다. 전기 및/또는 광학 신호는 인식 DNA 와 표적 DNA 사이의 혼성화의 결과로 생성된다. Zayats et al. (Zayats et al., J Am Chem Soc. 2006 Oct 25; 128 (42) : 13666-7) 은 소분자의 무라벨 무시약 (reagent-less) 분석을 위해 압타머를 적용하는 연구를 제시한다. 이들은 이온-감응성 전계 효과 트랜지스터 (ISFET) 상의 또는 전극 상의, 압타머 가닥을 포함하는 이중체 핵산의 작은 기질-유도 분리가 전기적으로 특성화 될 수 있는 기질-압타머 복합체를 형성함을 입증한다. 특히, 압타머로서 작용하는 아민-관능화 핵산은 게이트 표면에 고정되고 추가로 짧은 핵산과 혼성화되었다. 아데노신의 첨가는 짧은 핵산을 치환시키고, 아데노신 모노-포스페이트 (AMP) 에 결합하는 헤어핀 구성 내로 압타머를 조립한다.
분석물 검출기의 거동을 이해하고 제어하는 것은 그의 목표된 용도에 매우 중요하다. 트랜지스터 기반 분석물 검출기는 또한 이온 종 및 전해질과 같은 화학물질 종에 응답할 수 있다. Tarasov et al. (Tarasov et al. ACS Nano. 2012 Oct 23;6(10):9291-8) 은 실리콘 나노와이어 전계 효과 트랜지스터에서 고도로 pH-민감성 하프늄 산화물 (HfO2) 및 산화 알루미늄 (Al2O3) 으로 코팅된 실리콘 나노와이어를 사용하여 지지 전해질 농도의 변화에 대한 그들의 응답을 결정한다. Wipf et al. (Wipf et al., ACS Nano 2013 Jul 23;7(7):5978-83) 은 차등 설정에서 이온-감응성 전계 효과 트랜지스터에 의한 전해질 이온의 특정의 검출을 위한 표면 기능화에 대한 새로운 접근법으로서 얇은 금 필름으로 개개의 나노와이어를 수정한다. 그들은 기능성 자가 조립 단층이 pH 및 백그라운드 이온 종에 대한 금의 비특이적 반응에 영향을 미치지 않음을 발견했으며, 이는 산화물 표면에 비해 금의 분명한 이점을 나타낸다.
따라서, 트랜지스터 기반 분석물 검출기는 다수의 분석 물을 검출하기 위해 수많은 방식으로 구성되어 왔다. 트랜지스터 기반 분석물 검출기의 분야에서 확립된 진보는 부분적으로 표면 기능화 기술, 특히 나노-장치에 적용 가능한 표면 기능화 기술에서의 진보에 기인한다. Shim et al. (Shim et al., Nano Letters 2002 Vol.2, No.4, 285-8) 은 단일벽 탄소 나노튜브 측면에서 단백질의 흡착 거동을 연구한다. 그들은 계면 활성제와 폴리에틸렌 글리콜의 공흡착 (co-adsorption) 에 의한 단일벽 탄소 나노튜브의 기능화가 스트렙타비딘의 비특이적 흡착에 저항하는 데 효과적인 것으로 밝혀졌다고 보고한다. US7491496B2 에는 핵산을 고정화하는 방법 및 그 방법을 사용하여 바이오 센서를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 제공된 방법은 핵산들 간에 정전기 반발을 억제함으로써 핵산 프로브를 고체 지지체 상에 고정시킬 때 고밀도 흡수를 가능하게 한다. 핵산을 고체 지지체 상에 고정화시키기 위한 핵산 고정화 방법은: 핵산, 스페이서 분자 및 적어도 1 종의 2가 양이온을 포함하는 프로브 분자를 함유하는 용액을 준비하는 단계; 및 배양을 위해 용액을 고체 지지체와 접촉시키는 단계를 포함한다. Yoshimoto et al. (Yoshimoto et al., J Am Chem Soc. 2010 Jun 16; 132(23):7982-9) 는 S-Au 연결을 통해 금 표면에 직접 고정화된 항체 단편의 흡착 거동을 조사한다. 그들은 공동 고정화된 혼합 폴리에틸렌 글리콜 층에 의해 항체 단편의 형태 및/또는 배향 변화가 억제되었다고 보고한다. Yoshimoto et al. 은 이들의 발견이 항체 단편 방법의 개선 및 따라서 고성능 면역센서 표면의 구축에 유용할 것으로 기대한다.
그러나, 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출할 수 있는 분석물 검출기는 또한 전기 화학적 측정에 기초할 수도 있다. 본 발명에서 또한 사용될 수도 있는 전기화학 테스트 요소 및 이러한 테스트 요소에 유용한 잠재적 테스트 화학물질에 대한 상세한 내용에 대해서는, J. Hoenes et al. 을 참조할 수도 있다. 혈당 측정기 배후의 기술: Test Strips, Diabetes Technology & Therapeutics, Vol. 10, 부록 1, 2008, S-10 에서 S-26. 또한, 임피던스 바이오 센서는 표적 분자가 고정화된 프로브에 결합할 때 표면 임피던스의 변화를 모니터링함으로써 표지되지 않은 DNA 및 단백질 표적을 검출할 수 있는 일종의 전기 바이오 센서이다. 친화도 포획 단계에 의해 유발된 문제와 임피던스 판독에 고유한 다른 문제는 Daniels and Pourmand, Electroanalysis, 2007 May 16, 19(12): 1239-1257 에서 논의된다. 또한 1958 년부터의 그들의 기본적인 연구에서, Severinghaus 와 Bradley (Severinghaus 와 Bradley, J Appl Physiol. 1958 Nov:13(3):515-20) 은 산소 전극 및 이산화탄소 전극을 사용하여 가스, 혈액 또는 임의의 액체 혼합물에서 산소 및 이산화탄소 장력의 신속하고 정확하게 분석을 허용하는 장치를 설명한다. Wu et al. (Wu et al., Sensors and Actuators B 110 (2005) 342-9) 는 새로운 제조 기술을 사용하여 미세 구조와 통합된 소형 클라크 형 산소 센서에 대해 보고한다. 게다가, 분석물 검출기는 또한 그래핀 가능, 통합 광전자 기계 장치를 제시하고 생체 분자 감지를 위한 그의 유용성을 입증하는 Zhu et al. (Zhu et al., Nano Lett. 2014 Oct 8; 14 (10):5641-9) 에 의해 보고된 바와 같은 기능성 엘리먼트를 결합할 수도 있다. 이들은 동일한 칩에 광학적, 전자적 및 기계적 기능성 엘리먼트가 통합 된 새로운 나노 스케일 감지 장치를 보여준다. 각 요소가 서로 다른 농도 영역을 대상으로 하게 함으로써, 기존 단일 모드 센서의 감도-동적 범위 트레이드-오프가 크게 완화될 수 있다.
WO 2016/173542 A1 은 표적 검출 시스템 및 표적 검출 방법을 개시한다. 시스템은 게이트, 소스 및 드레인을 갖는 전계 효과 트랜지스터; 작동 전극, 카운터 전극 및 기준 전극을 갖는 포텐시오스타트를 포함하고; 작동 전극은 검출 영역과 연결되고, 카운터 전극은 게이트와 연결되고; 검출 영역, 게이트 및 기준 전극은 이온 유체 내에 배열되고; 포텐시오스타트는 전기 화학 방법에 의해 이온 유체에서 산화 환원을 생성하여 표적을 검출하도록 구성된다.
Formisano et al.: "전계 효과 트랜지스터를 사용한 저렴하고 빠른 병원성 박테리아 스크리닝". BIOSENSORS AND BIOELECTRONICS, ELSEVIER BV, NL, vol. 85, 21 April 2016 (2016-04-21), 페이지 103-109, XP029680551, ISSN: 0956-5663, DOI: 10.1016/J.BIOS.2016.04.063 은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET) 에 기초한 빠른 박테리아 검출을 위한 무라벨 센서를 기술하고 있다. MOSFET 의 글리코실화된 게이트에 결합하는 박테리아의 전하는 동일한 수정된 표면상에서 전기 화학적 임피던스 분광법 (EIS) 및 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 비행 시간 질량 분광법 (MALDI-ToF) 에 의해 달성되는 것보다 더 간단한 방식으로 및 더 높은 감도로 정량화할 수 있다.
Vieira et al.: “SEGFET 단순화된 측정 시스템을 사용하여 뎅기 바이러스 단백질의 무라벨 전기적 인식”. 분석 방법, 6 권, 22 호, 2014 년 9 월 8 일 (2014-09-08), 페이지 8882-8885, XP055360591, GBR ISSN: 1759-9660, DOI: 10:1039/C4AY01803F 는 뎅기 바이러스 비구조 단백질 1 (NS1) 의 무라벨 인식을 위한 면역 센서로서 분리형 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (SEGFET) 의 사용을 기술하고 있다. NS1 은 0.25 내지 5.0 μg mL-1 의 농도 범위에서 검출되며, 이는 시스템이 뎅기의 조기의 및 간단한 진단에 유망함을 나타낸다.
US 2016/131613 A1 은 플로팅 게이트 기반 센서 장치 내의 플로팅 게이트 기반 센서 표면에 대해 적어도 2 개의 개별 전기 바이어스 컴포넌트를 포함하는 플로팅 게이트 기반 센서 장치를 개시한다. 적어도 2 개의 전기 바이어스 컴포넌트를 포함함으로써, 플로팅 게이트 기반 센서 장치는 플로팅 게이트 기반 센서 장치를 사용하는 동안 생체 재료 및 비 생체 재료 검출 및 조작을 위한 향상된 능력을 제공한다.
Lin et al.: “실리콘 나노와이어 트랜지스터에 대한 뉴런 세포 성장 및 분화의 계면 효과에 대한 비-패러다임 전기 임피던스 측정 조사”. ACS APPLIED MATERIALS AND INTERFACES, vol. 7, no.18, 13 May 2015 (2015-05-13), 페이지 9866-9878, XP055360704, US ISSN : 1944-8244, DOI: 10.1021/Acsami.5b01878 는 배양된 쥐 부신 갈색 세포종 (PC12) 세포를 사용하여 세포 성장 및 분화 동안 계면 효과의 비침습적 실시간 모니터링을 위한 실리콘 나노와이어 전계 효과 트랜지스터 (SiNWFET) 장치의 응용을 기술하고 있다. 성장 동안의 세포 부착 및 뉴런 분화 동안의 형태학적 변화의 모니터링은 정밀 LCR 미터를 사용하여 세포-SiNW FET 시스템의 비-패러다임 전기 임피던스를 측정함으로써 수행되었다.
Zhan et al.: "그래핀 전계 효과 트랜지스터 및 그것의 전기 감지에의 응용". SMALL, 7 July 2014 (2014-07-07), XP055200050, ISSN: 1613-6810, DOI: 10.1002/Smll.201400463 은 그래핀 기반 전계 효과 트랜지스터 (GFET) 의 제조 및 특성화를 설명하고 GFET 를 사용한 물리, 화학 및 생물학적 전자 검출에서의 새로운 개발을 소개한다. 또한, GFET 개발에 대한 몇 가지 관점과 현재의 과제가 제시되고, 추가의 개발 및 탐색을 위한 몇 가지 제안이 제안된다.
US2012/019315 A1 은 드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터 (TFT) 및 생체 재료를 수용하는 나노 웰을 포함하는 생체 재료 수용 장치를 개시한다. 드레인 전극은 나노 웰을 포함한다. TFT 는 하부 게이트 TFT 또는 상부 게이트 TFT 일 수도 있다. 나노 웰 어레이는 복수의 생체 재료 수용 장치를 포함할 수도 있다. 생체 재료 수용 장치를 작동시키는 방법에서, 각각의 생체 재료 수용 장치는 나노 웰 어레이에서 개별적으로 선택될 수도 있다. 생체 재료가 선택된 생체 재료 수용 장치에 수용될 때, 다른 생체 재료가 수용되지 않도록 전압이 인가된다.
Arquint et al.: “pO2, pCO2 및 pH 용 통합 혈액 가스 센서” SENSORS AND ACTUATORS B: CHEMICAL: INTERNATIONAL JOURNAL DEVOTED TO RESEARCH AND DEVELOPMENT OF PHYSICAL AND CHEMICAL TRANSDUCERS, ELSEVIER BV, NL, vol. 13, no. 1-3, 1 May 1993 (1993-05-01), pages 340-344, XP026588341, ISSN: 0925-4005, DOI: 10.1016/0925-4005 (93) 85396-R [retrieved on 1993-05-01] 은 혈액 가스 모니터링 용으로 설계된 결합된 pO2, pCO2 및 pH 화학적 센서의 제조 및 특성화를 기술한다. 고전적인 전기 화학적 원리는 소형화된 평면형 구조에 사용된다. 전류 측정 (pO2) 및 전위 측정 장치 (pCO2, pH) 양자 모두는 10 mm x 10 mm 칩에 통합된다. 칩의 트랜스듀서 부분은 표준 실리콘 기술을 사용하여 실현된다. 하이드로겔 및 기체 투과성 막으로 각각 사용되는 폴리아크릴아미드 및 폴리실록산 층은 광중합에 의해 증착되고 패턴화된다. 따라서 전체 센서는 IC 호환 프로세스를 사용하여 웨이퍼 레벨에서 제조된다. 특성화는 수용액에서 및 수혈에 사용되는 혈액에서 수행되었다. 이를 위해, 칩은 플로우 스루 셀 (flow-through cell) 에 장착된다.
Guti
rrez-Sanz et al .: “Direct, label-free, and rapid transistor-based immunodetection in whole serum” ACS SENSORS 2017 Sep 22;2(9), pages 1278-1286, DOI: 10.1021/acssensors.7b00187, Epub 2017 Aug 30 은 짧은 특정 생물학적 수용체와 고분자 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 로 트랜지스터 기반 바이오 센서의 감지 표면을 테일러링 (tailoring) 하는 것이 어떻게 센서 응답을 크게 향상시킬 수 있는지를 설명한다. 또한 측정이 상승된 온도 (21 °C 대신 37 °C) 에서 수행되면 센서 성능이 크게 향상될 수 있다. 이러한 신규한 접근법으로, 대표적인 면역감지 파라미터 (인간 갑상선 자극 호르몬) 의 고도로 민감하고 선택적인 검출이 전체 혈청에서 서브 피코 몰 (subpicomolar) 검출 한계를 갖는 넓은 측정 범위에 걸쳐 보여진다. 이것은 샘플 전처리, 라벨링 또는 세척 단계 없이 트랜지스터 기반 바이오 센서를 사용하여 전체 혈청에서 직접적인 면역 검출을 허용한다. 제시된 센서는 저렴하고 휴대용 진단 장치에 쉽게 통합 될 수 있으며 종래 기술의 중앙 실험실 분석기와 비교하여 경쟁력있는 성능을 제공한다.
Filipiak et al.: “Highly sensitive, selective and label-free protein detection in physiological solutions using carbon nanotube transistors with nanobody receptors” Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 255, Part 2, February 2018, pages 1507-1516, DOI: 10.1016/J.snb.2017.08.164 는 다음을 포함하는 신규한 표면 기능화를 갖는 단일벽 반도전 탄소 나노튜브 (SWCNT) 네트워크에 기초한 매우 안정한 FET 를 결합하는 것을 기술한다: 1) 짧은 나노 바디 (VHH) 수용체, 및 2) 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 층. 이러한 조치는 생리 학적 샘플에서 나노물질 기반 전계 효과 트랜지스터 (FET) 의 사용을 제한한 다음의 두 가지 주요 과제를 극복한다: 전해질 이온에 의한 분석물 전하의 스크리닝 (디바이 스크리닝) 및 비특이적 흡착. 나노 바디는 매우 작은 (∼ 2-4 nm) 안정하고 생산하기 쉬운 생물학적 수용체이며, 따라서 센서 표면에 더 가깝게 결합하는 분석물을 가능하게 한다. 그들의 독특한 특성에도 불구하고, 나노 바디는 FET 기반 바이오 센서에서 수용체로서 아직 사용되지 않았다. PEG 의 첨가는 높은 이온 강도 환경에서 신호를 강하게 향상시킨다. 녹색 형광 단백질 (GFP) 을 모델 항원으로 사용하면, 생리학적 용액에서 5 오더의 크기 (5 orders of magnitude) 를 초과하는 동적 범위를 갖는 높은 선택성 및 서브 피코 몰 검출 한계가 입증된다. 또한, 장기 안정성 측정들은 0.05 mV/h 의 SWCNT 의 낮은 드리프트를 드러낸다. 제시된 면역 분석은 빠르고, 무라벨이며, 임의의 샘플 전처리 또는 세척 단계가 필요하지 않다.
분석 분야에서, 일반적으로, 하나의 주요 기술적 과제는 통상적으로 검출될 특정의 분석물을 위한 적절한 방법과 장치의 선택에 있다. 더욱이, 어떤 경우에는 하나의 동일한 샘플에서 여러 유형의 분석물이 검출되어야 할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 상이한 감도 및 측정 원리를 갖는 다양한 검출기가 이용 가능하다. 예를 들어, 트랜지스터 기반 검출기는 분석물 전하에 매우 민감하다. 전기 화학적 측정에 기반한 분석물 검출기는 일반적으로 분석물을 수반하는 전기 화학적 반응으로 인한 전류, 임피던스 또는 전위 변화에 민감하다. 따라서, 전형적으로, 검출될 각각의 분석물에 대해, 분석 물에 적합한 특성을 갖는 특정의 검출기가 선택되어야 한다. 결과적으로 측정 설정은 일반적으로 테스트될 분석물에 대해 고도로 특정적이고, 설정은 전체적으로 융통성이 부족하다. 또한, 각각의 측정 원리는 일반적으로 그 자신의 단점, 기술적 한계 및 부정확성을 갖는다. 결과적으로, 측정 원리의 선택은 또한 이러한 측정 원리와 관련된 기술적 단점의 선택을 암시한다. 그러나 측정 원리의 조합은 일반적으로 복잡한 설정 및 평가를 야기한다. 결과적으로, 일반적으로 높은 융통성 및 선택성을 제공하고 당업계에 공지된 방법, 측정 원리 및 장치와 비교하여 보다 보편적인 센서 레이아웃을 제공하는 생리학적 액체에서의 전자 센서에 대한 일반적인 필요가 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 기지의 측정 원리의 결점 및 단점을 적어도 부분적으로 회피하는 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기 및 방법을 제공하는 것이다. 특히, 높은 융통성, 선택성 및 감도를 허용하면서도 기지의 수단 및 방법에 비해 보다 보편적인 센서 레이아웃을 제공하는 분석물 검출기 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
이러한 문제는 독립항의 특징을 갖는 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기 및 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 방법에 의해 해결된다. 격리된 방식으로 또는 어떠한 임의의 조합으로 실현될 수도 있는 선호된 실시형태들은 종속 청구항들에 나열된다.
이하에서 사용되는 바와 같이, 용어 "가지고 있다", "포함하다" 또는 "포함되다" 또는 그의 임의의 문법적 변형은 비-배타적 방식으로 사용된다. 따라서, 이들 용어는 이들 용어에 의해 도입된 특징 외에, 이 맥락에서 설명된 존재물에 추가 특징이 존재하지 않는 상황 및 하나 이상의 추가 특징이 존재하는 상황을 모두 지칭할 수 있다. 예를 들어, 표현 "A 는 B 를 가지고 있다", "A 는 B 를 포함한다" 및 "A 에는 B 가 포함된다" 는 모두 B 외에 다른 요소가 A 에 존재하지 않는 상황 (즉, A 가 단독으로 그리고 배타적으로 B 로 이루어지는 상황) 및 B 이외에, 하나 이상의 추가 요소, 예를 들어 요소 C, 요소 C 및 D 또는 심지어 추가 요소가 존재물 A 에 존재하는 상황을 말할 수 있다.
추가로, 특징 또는 엘리먼트가 1회 또는 1회 초과로 존재할 수도 있음을 표시하는 용어들 "적어도 하나", "하나 이상" 또는 유사한 표현들은 개별 특징 또는 엘리먼트를 도입할 때 통상적으로 오직 1회만 사용될 것임이 주목될 것이다. 이하에서, 대부분의 경우, 각각의 특징 또는 요소를 언급할 때, 각각의 특징 또는 요소가 1 회 또는 1 회 초과로 존재할 수 있다는 사실에도 불구하고, "적어도 하나" 또는 "하나 이상" 이라는 표현은 반복되지 않을 것이다.
추가로, 다음에서 사용되는 바와 같이, 용어들 "바람직하게", "더 바람직하게", "특히", "더 특히", "구체적으로", "더 구체적으로" 또는 유사한 용어들은 대안적인 가능성들을 제한하지 않고도 옵션적인 특징들과 함께 사용된다. 따라서, 이들 용어들에 의해 도입된 특징들은 옵션적인 특징들이고, 어떠한 방식으로든 청구항들의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 발명은, 당업자가 인식할 바와 같이, 대안적인 특징들을 사용함으로써 수행될 수도 있다. 유사하게, "본 발명의 구현예에서" 에 의해 도입된 특징들 또는 유사한 표현들은 본 발명의 대안적인 구현예에 관한 임의의 제한 없이, 본 발명의 범주에 관한 임의의 제한 없이, 및 이러한 방식으로 도입된 특징을 본 발명의 다른 선택적 또는 비-선택적 특징과 조합하는 가능성에 관한 임의의 제한 없이 선택적 특징인 것으로 의도된다.
본 발명의 제 1 양태에서, 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기가 개시된다. 분석물 검출기는 유체 샘플에 노출 가능한 적어도 하나의 다목적 전극, 적어도 하나의 다목적 전극과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터, 및 다목적 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성된 적어도 하나의 전기 화학 측정 디바이스를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "분석물 검출기" 는 일반적으로 샘플의 분석적 검사를 위해 구성된 임의의 디바이스를 지칭할 수도 있다. 분석물 검출기는 샘플의, 의료 분석과 같은 적어도 하나의 분석을 수행하도록 구성될 수도 있다. 본 발명에서 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어 "분석", "분석적 검사” 및 "하나 이상의 분석물의 결정” 은 동의어로 사용되며 적어도 하나의 분석물의 정성적 및/또는 정량적 검출을 기술하는 것으로 이해된다. 특히, 상기 용어들은 각각의 분석물의 농도 또는 양의 결정으로서 이해될 수도 있으며, 여기서 분석물의 부재 또는 존재에 대한 유일한 결정도 또한 분석적 검사로서 간주될 수도 있다. 따라서, 구체적으로, 분석물 검출기는 구체적으로 하나 이상의 샘플에서 하나 이상의 분석물을 정성적 및/또는 정량적으로 검출하도록 구성될 수도 있다. 적어도 하나의 분석물의 검출은 높은 정도의 감도에서 일어날 수 있다.
본원에서 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "분석물” 은 일반적으로 임의의 화학적 또는 생물학적 물질 또는 종, 예컨대 이온, 원자, 분자 또는 화학적 화합물을 지칭할 수도 있다. 분석물은 구체적으로 체액 또는 신체 조직에 존재할 수도 있는 분석물일 수도 있다. 용어 분석물은 구체적으로 원자들, 이온들, 분자들, 및 매크로 분자들, 특히, 생물학적 매크로 분자들, 예컨대, 핵산, 펩티드 및 단백질, 포도당과 같은 당류 및 대사물질을 포괄할 수도 있다. 검출될 잠재적인 분석물의 추가 예는 하기에 더 상세히 제공될 것이다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "유체 샘플"은 일반적으로 액체 또는 가스를 지칭할 수도 있다. 유체 샘플은 정의되거나 정의 가능한 부피를 가질 수도 있다. 또한, 유체 샘플은 정의되거나 정의 가능한 공간에 포함될 수도 있거나 또한 개방된 주변과 같은 열린 공간에 존재할 수도 있다. 유체 샘플은 정적 상태로 존재할 수도 있거나 연속적으로 또는 불연속적으로 흐를 수도 있다. 유체 샘플은 예로서, 순수 액체 또는 균질 또는 이종 혼합물, 예컨대 분산액, 에멀젼 또는 현탁액일 수도 있다. 유사하게, 가스의 경우, 가스의 혼합물 또는 심지어 액체 또는 고체와의 가스의 혼합물이 사용될 수도 있다.
특히, 유체 샘플들은 원자들, 이온들, 분자들, 및 매크로 분자들, 특히, 생물학적 매크로 분자들, 예컨대, 핵산, 펩티드 및 단백질, 지질 및 대사물질, 및 또한 생물학적 세포 및 세포 절편을 포함할 수 있다. 검사될 통상적인 유체 샘플들은 혈액, 혈장, 혈청, 소변, 뇌척수액, 눈물, 세포 현탁물들, 세포 탈리액, 세포 추출물, 조직 용해물 등과 같은 체액들이다. 하지만, 유체 샘플들은 또한, 캘리브레이션 용액들, 참조 용액들, 시약 용액들, 또는 표준화된 분석물 농도들, 소위 표준들을 함유한 용액들일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "전극" 은 일반적으로 전류 측정 및/또는 전압 측정을 수행하도록 구성되고/되거나 전류 및/또는 전위 및/또는 전압을 전극과 전기적으로 접촉하는 엘리먼트에 인가하도록 구성된 기능성 엘리먼트를 지칭할 수도 있다. 특히, 전극은 전도성 및/또는 반전도성 물질을 포함할 수 있다. 예로서, 전극은 적어도 하나의 전도성 또는 반전도성 표면을 갖는, 적어도 하나의 금속 재료 및/또는 적어도 하나의 유기 또는 무기 반전도성 재료를 포함할 수 있다. 표면 그 자체는 전극 또는 전극의 일부를 형성할 수 있다. 예로서, 전극은 적어도 하나의 방향으로 등방성 또는 이방성으로 적어도 1000 S/m, 예를 들어 적어도 1000000 S/m 의 전기 전도성을 갖는 적어도 하나의 재료, 특히 적어도 하나의 표면 재료를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "전기 접촉" 은 일반적으로 적어도 2 개의 컴포넌트들의 배열 또는 구성을 지칭할 수 있으며, 여기서 그 컴포넌트들의 적어도 하나는 적어도 하나의 다른 컴포넌트에 전기적으로 영향을 줄 수 있고/있거나 예를 들어 전계 효과를 통한 그의 전도성 및 전류 흐름과 같은, 그러나 이들에 제한되지 않는 다른 컴포넌트의 전기적 품질을 적어도 부분적으로 제어할 수 있다. 특히, 전극은 상기 엘리먼트와 직접적인 물리적 접촉 없이 엘리먼트와 전기적으로 접촉될 수 있다. 따라서, 전극은 상기 엘리먼트로부터 절연되어 있음에도 불구하고 전압을 인가함으로써 엘리먼트 내의 전류 흐름을 제어할 수 있다. 절연은 예를 들어, 전형적으로 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터 (IGFET) 의 서브그룹인 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET) 의 게이트 전극의 경우와 같이 산화물 층으로 구성될 수 있으며, 이것은 하기에 더 자세히 설명되어 있다. 따라서, 일반적으로, 서로 전기적으로 접촉하기 위해, 적어도 2 개의 컴포넌트들은 서로 직접적으로 물리적으로 접촉하지 않고 근접하여 위치될 수 있지만, 그 컴포너트들은 서로 전기적으로 영향을 줄 수도 있다. 그러나, 부가적으로 또는 대안적으로, 적어도 2 개의 컴포넌트들은 또한 예를 들어 적어도 하나의 전기 전도체에 의해, 적어도 반전도성 특성 또는 전기 전도성 특성을 갖는 적어도 하나의 연결 엘리먼트를 통해 물리적으로 연결될 수도 있다. 다시, 부가적으로 또는 대안적으로, 적어도 2 개의 컴포넌트들은 별도의 컴포넌트일 수 있거나 서로 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 예로서, 적어도 하나의 다목적 전극은 적어도 하나의 연결 엘리먼트를 통해, 예컨대 적어도 하나의 전기 전도성 리드를 통해 전계 효과 트랜지스터에 연결되거나, 전계 효과 트랜지스터에 심지어 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 다양한 가능성이 주어진다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "다목적 전극"은 일반적으로 적어도 2 개의 상이한 측정 장치의 일부를 형성 할 수 있도록 구성된 임의의 전극을 지칭 할 수도 있다. 따라서, 다목적 전극은 적어도 2 개의 상이한 방법에 기초한 분석적 검사에 참여할 수도 있으며, 각각의 방법은 적어도 하나의 측정 장치의 사용을 필요로한다. 다목적 전극은, 예를 들어, 적어도 전계 효과 트랜지스터 및 전기 화학 측정 장치 양자 모두의 일부를 형성하도록 구성 될 수도 있다. 따라서, 다목적 전극은 전계 효과 트랜지스터의 사용을 포함하는 방법들 중 적어도 하나 및 전기 화학 측정 장치의 사용을 포함하는 적어도 하나의 다른 방법에 기초하여 분석적 검사에 참여할 수도 있다.
본원에서 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "노출 가능한” 은 일반적으로 엘리먼트가 노출될 적어도 하나의 물질과 접촉할 수도 있는 적어도 하나의 표면을 제공하는 엘리먼트의 특성을 지칭한다. 따라서, 예로서, 적어도 하나의 다목적 전극은 유체 샘플에 접근 가능한 적어도 하나의 전극 표면을 제공할 수도 있다. 구체적으로, 아래의 예시적인 실시형태들에 의해 설명될 바와 같이, 분석물 검출기는 유체 샘플이 흐를 수 있는 입구 포트 및 출구 포트를 갖는 유체 채널과 같은 적어도 하나의 유체 채널을 포함할 수도 있으며, 여기서 적어도 하나의 다목적 전극은 유체 채널로부터 접근 가능한 적어도 하나의 전극 표면을 포함하여, 유체 채널을 통과하거나 유체 채널 내에 존재하는 액체가 적어도 하나의 전극 표면과 접촉하도록 한다. 그러나 다른 옵션도 실현 가능하다.
본원에서 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "전계 효과 트랜지스터"는 일반적으로 적어도 하나의 소스 전극, 적어도 하나의 드레인 전극 및 적어도 하나의 게이트 전극을 포함하는 기능성 엘리먼트를 지칭할 수도 있다. 전계 효과 트랜지스터는 적어도 하나의 채널을 더 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전계 효과 트랜지스터의 "채널” 이라는 용어는 일반적으로 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류를 전도할 수 있는 컴포넌트를 지칭할 수도 있다. 채널은 적어도 하나의 반도전성 재료 및/또는 적어도 하나의 도핑된 반도전성 재료를 가질 수도 있다. 반도전성 재료는 무기 반도전성 재료 및 유기 반도전성 재료 중 적어도 하나이거나 이를 포함할 수도 있다. 전형적으로, 반도전성 재료는 10-8 S/cm < σ < 104 S/cm 의 전기 전도도 (σ) 를 나타낸다. 그러나, 유기 반도체 분야에서, 낮은 전하 캐리어 이동도의 영향에 기인하여, 분자 궤도에 기인하여 및/또는 낮은 전하 캐리어 밀도에 기인하여, 이러한 설명은 종종 완전히 적용되지는 않는다. 따라서, 유기 전도성 재료들은 종종 그들의 전도성이 그래핀과 같은 104 S/cm 보다 높더라도 유기 반도체로 표시된다.
특히, 반도전성 재료는 하나, 둘 이상의 영역, 바람직하게는 2 내지 10 개의 영역, 보다 바람직하게는 3 개의 영역을 포함할 수도 있으며, 각 영역은 n 형 도핑 또는 p 형 도핑될 수도 있다. 구체적으로, 반도전성 재료는 무기 및/또는 유기 반도전성 재료를 포함할 수도 있다. 채널은 특정 외부 조건 하에서만 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류를 전도할 수 있을 수도 있다. 조건은 채널의 온도 및/또는 직접 또는 게이트 전극을 통해 또는 외부 전극을 통해 채널에 인가되는 전압 또는 전위를 포함할 수도 있다. 특히, 채널은 적어도 하나의 반도전성 재료에 의해, 예를 들어 적어도 하나의 반도전성 층에 의해 구성될 수도 있다. 예로서, 무기 및/또는 유기 반도전성 재료가 사용될 수도 있다. 이하에서, 특정 예로서, 그래핀은 예를 들어 하나 이상의 그래핀 층을 사용함으로써 반도전성 재료로서 사용된다. 게이트 전극은 채널과 직접 물리적으로 접촉할 수도 있다. 이 구성에서, 전계 효과 트랜지스터는 일반적으로 "비절연 게이트 전계 효과 트랜지스터” (NIGFET) 로 지칭될 수도 있다. 특히, 게이트 전극은 채널과 적어도 부분적으로 동일할 수도 있다. 대안적으로, 게이트 전극은 예를 들어 게이트 전극과 채널 사이에 개재된 하나 이상의 전기 절연 재료를 사용함으로써 채널과 간접적으로 물리적 접촉할 수도 있다. 이러한 구성에서, 트랜지스터는 일반적으로 "절연 게이트 전계 효과 트랜지스터” (IGFET) 로 지칭될 수도 있다.
절연 게이트 전계 효과 트랜지스터는 "금속 절연체 반도체 전계 효과 트랜지스터” (MISFET) 로서 구현될 수도 있다. 이 경우, 적어도 하나의 금속을 포함할 수도 있는 게이트 전극은 적어도 하나의 반도전성 재료를 포함할 수도 있는 채널로부터 절연될 수도 있다. 구체적으로, 채널로부터의 게이트 전극의 절연은 산화물로 구성될 수도 있다. 이 구성에서, 전계 효과 트랜지스터는 일반적으로 "금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터” (MOSFET) 로 지칭될 수도 있다. 그러나, 게이트 전극의 절연을 위한 다른 재료가 실현가능하다. 게이트 전극의 일부를 구성하거나 형성할 수도 있는, 전계 효과 트랜지스터의 채널은 전해질 용액과 물리적으로 접촉할 수도 있다. 이러한 구성에서, 채널로부터의 게이트 전극의 절연체로서 작용할 수도 있는 이온 이중 층이 형성될 수도 있다. 이 구성에서, 전계 효과 트랜지스터는 "용액 게이트 또는 액체 게이트 FET” 로 지칭될 수도 있다. 전해질 용액은 채널에 대한 근접 또는 채널에 대한 흡착 시에 채널에 인가되는 전위 및/또는 채널의 절연에 영향을 줄 수 있는 물질을 포함할 수도 있으며, 따라서 화학 종의 검출을 허용한다. 이러한 구성에서, 전계 효과 트랜지스터는 "케미컬 전계 효과 트랜지스터” 또는 ChemFET 로 지칭될 수도 있다. 특히, ChemFET 은 H+ 및/또는 다른 이온 종에 민감할 수도 있는 "이온-감응성 전계 효과 트랜지스터” (ISFET) 를 형성하는 이온 종의 검출을 위해 구성될 수도 있다. Al2O3, Si3N4 또는 Ta2O5 과 같은 이온 종에 민감한 층은 채널과 접촉할 수도 있거나 ISFET 의 게이트 전극의 일부를 형성할 수도 있고 및/또는 채널 및 게이트 전극의 일부를 형성할 수도 있다. 다른 구성에서, ChemFET 는 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전극 및/또는 채널의 일부로서 고정화된 효소의 층을 포함할 수도 있다. 이러한 구성에서, 전계 효과 트랜지스터는 "효소 전계 효과 트랜지스터” (ENFET) 로 지칭될 수도 있다. 분석물에 대한 효소의 결합은 채널에 인가되는 전위에 영향을 미치고 분석물의 검출을 허용할 수도 있다. 따라서, ENFET 은 전계 효과 트랜지스터 기반 바이오 센서 (BioFET) 의 일 예이다. BioFET 로서, 전계 효과 트랜지스터는 하나 이상의 종의 분자, 특히 생체 분자를 결합할 수 있는 생체 인식 엘리먼트로서 고정화된 생체 분자의 층을 포함할 수도 있으며, 여기서 결합 반응은 채널에 인가되는 전위에 직접 또는 간접적으로 영향을 미칠 수도 있다.
전계 효과 트랜지스터는 또한 "확장 게이트 전계 효과 트랜지스터"로서 구현될 수도 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "확장 게이트 전계 효과 트랜지스터"는 일반적으로 게이트 전극의 전위를 설정하거나 그것에 영향을 주는 공정 또는 반응으로부터 전계 효과 트랜지스터의 채널의 공간적 분리를 허용하도록 구성된 게이트 전극을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 지칭할 수도 있다. 이러한 전극은 일반적으로 "확장 게이트 전극"으로 지칭될 수도 있다. 따라서, 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터의 확장 게이트 전극은 채널에 전위를 인가하는 공정과 게이트 전극에 전위를 인가하는 공정을 물리적으로 분리하도록 허용할 수도 있다.
적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터는 적어도 하나의 기판을 포함할 수도 있다. 기판은 전술한 전계 효과 트랜지스터의 컴포넌트들을 운반하기 위한 것과 같은 순수한 기계적 특성 및 기능을 가질 수도 있다. 그러나, 대안적으로, 기판은 또한 하나 이상의 상기 언급된 컴포넌트와 완전히 또는 부분적으로 동일할 수도 있다. 따라서, 예로서, 적어도 하나의 채널은 기판 내에 완전히 또는 부분적으로 구현될 수도 있다.
적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터는 적어도 하나의 감지 표면을 추가로 가질 수도 있다. 적어도 하나의 감지 표면은, 일 예로서, 유체 샘플에 노출 될 수도 있는 전계 효과 트랜지스터의 표면일 수도 있다. 감지 표면은, 일 예로서, 다목적 전극의 표면, 예를 들어 상기 언급된 전극 표면일 수도 있다. 그러나, 감지 표면은 또한 전계 효과 트랜지스터의 채널의 표면과 같은 다른 표면이거나 이를 포함할 수도 있다. 다양한 실시형태들이 실현가능하고 아래에서 더 상세히 예시적인 방식으로 설명될 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "전기화학적 측정" 은 일반적으로 산화 환원 반응의 적어도 하나의 측정가능한 특징의 측정을 지칭할 수 있다. 산화 환원 반응의 전기화학적 측정 및/또는 측정가능한 특징은 예로서 전류, 전압, 전위, 질량, 예를 들어 전극 상에 증착된 질량, 임피던스, 특히 임피던스의 실수 부분 및/또는 허수 부분, 커패시턴스, 저항, 또는 위상 시프트를 암시할 수 있다. 구체적으로, 전기화학적 측정은 전기활성 종의 존재 하에 수행될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "전기활성 종" 은 일반적으로, 예를 들어 전자 이동을 용이하게 함으로써 산화 환원 반응을 촉진시키거나 향상시키거나 촉매화시키는 화합물을 지칭할 수 있다. 전기활성 종은 유체 샘플에 용해될 수 있고/있거나 분석물 검출기의 표면에 고정될 수 있으며, 표면은 유체 샘플에 노출될 수 있다. 특히, 표면은 상기 언급된 감지 표면 및/또는 다목적 전극의 상기 언급된 표면일 수 있다. 전기활성 종의 바람직한 예는 산화 환원 매개체, 구체적으로 산화 환원 커플, 예컨대 제한 없이 칼륨 페리시아나이드/칼륨 페로시아나이드; 헥사아민루테늄 (II) 클로라이드/헥사아민루테늄 (III) 클로라이드; 페로센 메탄올이다. 전기활성 종의 추가의 바람직한 예는 아스코르브산, 글루타티온, 리포산, 요산, 옥살산, 탄닌 및 피트산과 같은 환원제이지만 이에 제한되지는 않는다. 전기활성 종은 산화 환원 반응의 적어도 하나의 측정가능한 특징의 측정을 촉진하거나 향상킬 수 있다. "전기 화학 측정 장치" 라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 전기화학적 측정을 수행하도록 구성된 임의의 장치를 지칭할 수 있다.
"전기 화학 측정 장치" 라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 전기화학적 측정을 수행하기 위해 구성된 임의의 장치를 지칭할 수 있다. 이를 위해, 이하에 더욱 상세히 그리고 예시적인 방식으로 약술되는 바와 같이, 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치는 하나 이상의 전기화학적 측정을 수행하도록 구성된 하나 이상의 전기 장치를 포함할 수 있다. 예로서, 전기 화학 측정 장치는 적어도 하나의 전원, 예컨대 일정한 전압원, 가변 전압원, 일정한 전류원, 가변 전류원, 주기적 전류 신호를 생성하기 위한 주파수 발생기로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 전원을 포함할 수 있다. 또한, 전기 화학 측정 장치는 전압 측정 장치, 전류 측정 장치, 포텐시오스타트로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 전기 측정 장치와 같은 적어도 하나의 전기 신호 또는 전기 측정 변수를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 전기 측정 장치를 포함할 수 있다. 다른 측정 장치가 실현가능하다. 전계 효과 트랜지스터는 구체적으로 전기 화학 측정 장치의 일부가 아닐 수도 있다. 즉, 분석물 검출기는 전계 효과 트랜지스터 및 전기 화학 측정 장치를 전계 효과 트랜지스터 및 전기 화학 측정 장치 양자 모두의 일부일 수도 있는 다목적 전극을 제외하고 별도의 컴포넌트로 이루어지는 개별 장치로서 포함할 수도 있다. 따라서, 일반적으로, 전계 효과 트랜지스터 및 전기 화학 측정 장치는 전계 효과 트랜지스터 및 전기 화학 측정 장치 양자 모두의 일부를 형성할 수도 있는 다목적 전극을 제외하고 분석물 검출기의 별도의 컴포넌트들을 형성할 수도 있다. 구체적으로, 전계 효과 트랜지스터를 사용한 트랜지스터 측정과 전기 화학 측정 장치를 사용한 전기 화학적 측정은 구별된 별개의 측정일 수도 있다. 전계 효과 트랜지스터를 사용하지 않고 전기 화학 측정이 수행될 수도 있다.
전기 화학 측정 및/또는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정은 적어도 2 개의 상이한 종의 생체 인식 분자, 예를 들어 적어도 2 개의 상이한 종의 수용체 분자, 즉 적어도 하나의 제 1 수용체 분자 및 적어도 하나의 제 2 수용체 분자의 존재하에서 발생할 수도 있다. 제 1 수용체 분자 및 제 2 수용체 분자는 분석물과 직접 또는 간접적으로 결합할 수 있을 수도 있다. 제 1 수용체 분자 및 제 2 수용체 분자는 분석물과 동시에 결합할 수도 있다. 제 2 수용체 분자는 예를 들어 전기 화학 측정 및/또는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정의 신호 및/또는 선택성을 향상시킴으로써 전기 화학 측정 및/또는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정을 향상시킬 수도 있다. 제 2 수용체는 그 자체로 신호 및/또는 선택성을 향상시킬 수도 있다. 추가로 또는 대안적으로 제 2 수용체는 효소와 같은 그러나 그것에 제한되지 않는 적어도 하나의 추가의 분자로 표지 될 수도 있다. 제 2 수용체는 분석물과의 상호 작용을 통해, 예를 들어 분석물과 결합하는 것을 통해 분석물 검출기에 의한 분석물의 검출에 영향을 미치거나 그 검출을 향상시킬 수도 있다. 분석물과의 제 2 수용체의 직접 또는 간접 상호 작용은 예를 들어 양성자 및/또는 전자와 같은 그러나 이들에 제한되지 않는 화학 종의 농도에서의 변화에 영향을 미치거나 그 변화를 향상시키거나 생성시킴으로써 전기 화학 측정 및/또는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정에 영향을 미치거나 그것을 향상시킬 수도 있다. 화학 종의 농도 변화는 유체 샘플에서의 분석물의 농도에 대응할 수도 있다. 따라서, 제 2 수용체는 분석물 검출기의 신호 향상에 기여할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 전기 화학 측정 장치는 적어도 하나의 다목적 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하기 위해 구성된다. 따라서, 다목적 전극은 전기 화학 측정에 참여한다. 예로서, 적어도 하나의 다목적 전극은 전기 화학 측정 장치, 예컨대 상기 논의된 적어도 하나의 전원 및/또는 적어도 하나의 전기 측정 장치와 전기적으로 접촉할 수도 있다. 적어도 하나의 다목적 전극은 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치의 일부일 수도 있고 및/또는 예를 들어 적어도 하나의 전기 연결 엘리먼트를 통해, 예를 들어 적어도 하나의 리드를 통해 전기 화학 측정 장치에 연결될 수도 있다.
다목적 전극은 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접촉할 수도 있다. 특히, 게이트 전극은 전계 효과 트랜지스터의 적어도 하나의 채널과, 특히 적어도 하나의 반도전성 층과 직접 또는 간접적으로 물리적 접촉할 수도 있다. 예를 들어, 누설 전류를 피하기 위해 게이트 전극과 채널 사이에 유전체 층이 존재할 수도 있다. 액체-게이트 전계 효과 트랜지스터의 경우, 이온 이중 층이 유전체 층을 구성할 수도 있다. 방금 설명된 실시형태들에서, 게이트 전극은 전형적으로 전계 효과 트랜지스터의 채널과, 특히 적어도 하나의 반도전성 층과 간접적으로 물리적으로 접촉한다.
다목적 전극은 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전극 및 전계 효과 트랜지스터의 채널의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트와 적어도 부분적으로 동일할 수도 있다. 전계 효과 트랜지스터는 적어도 하나의 채널을 포함할 수도 있다. 구체적으로, 적어도 하나의 채널은 적어도 하나의 반도전성 재료로 완전히 또는 부분적으로 만들어 질 수도 있다. 완전한 전계 효과 트랜지스터는 일반적으로 반도전성 채널, 금속 소스, 드레인 및 게이트 전극을 포함한다. 구체적으로, 게이트 전극은 용액 중의 기준 전극에 의해 또는 용액 중의 금속 전극과 같은 의사 기준 전극에 의해 대체될 수도 있다. 반도전성 층은 무기 원소 반도체, 무기 화합물 반도체 및 유기 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수도 있다. 구체적으로, 반도전성 층은 그래핀, 층 반도체, 탄소 나노튜브, 및 반도전성 나노와이어로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수도 있다. 또한, 반도전성 층은 분석물에 접근 가능한 적어도 하나의 표면을 포함할 수도 있다. 특히, 분석물에 접근 가능한 적어도 하나의 표면은 금속 입자, 특히 금 및 백금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 입자에 의해 기능화될 수도 있다. 그러나, 다른 금속 또는 합금의 사용도 실현 가능하다.
분석물 검출기는 적어도 2 개의 전기 전도성 전극을 상호 연결하는 적어도 하나의 그래핀 층을 포함할 수도 있고, 그래핀 층은 분석물에 접근가능할 수도 있으며, 다목적 전극은 다음으로 이루어진 그룹의 적어도 하나의 엘리먼트를 포함할 수도 있다: 적어도 2 개의 전기 전도성 전극들 중 적어도 하나, 그래핀 층. 예로서, 예를 들어, 그래핀을 포함하는 반도전성 층은 다목적 전극일 수도 있거나 다목적 전극의 일부일 수도 있다. 특히, 그래핀 층은 다목적 전극일 수도 있거나 다목적 전극의 일부일 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 적어도 하나의 다른 전극, 구체적으로 소스 및/또는 드레인 전극은 예를 들어 그래핀 층을 포함하는 반도전성 층과 접촉하는 역할을 할 수도 있다. 그래핀 층은 금속 입자에 의해, 특히 금 입자에 의해 적어도 부분적으로 커버될 수도 있다.
적어도 하나의 다목적 전극은 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극 중 하나 또는 양자 모두와 전기적으로 접촉할 수도 있다. 다목적 전극은 예를 들어 전계 효과 트랜지스터의 채널을 포함할 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 소스 전극 및 드레인 전극은 다목적 전극에 접촉하는 역할을 할 수도 있다. 대안적으로, 다목적 전극은 소스 전극; 드레인 전극; 게이트 전극 중 하나 이상과 완전히 또는 부분적으로 동일할 수도 있다.
분석물 검출기는 유체 샘플에 노출 가능한 적어도 하나의 추가 전극을 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 추가 전극은 카운터 전극 및 기준 전극으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 전극을 포함 할 수 있으며, 전기 화학 측정 장치는 다목적 전극 및 추가 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성된다. 분석물 검출기는 유체 샘플에 노출 가능한 적어도 3 개의 전극을 포함할 수도 있으며, 적어도 3 개의 전극 중 적어도 하나는 다목적 전극일 수도 있다. 다목적 전극은 금을 포함할 수도 있다. 특히, 분석물 검출기는 적어도 3 개의 전극을 포함할 수도 있으며, 여기서 모든 3 개의 전극이 금 전극일 수도 있다. 다목적 전극은 그것의 표면에 노출된 적어도 하나의 기능성 컴포넌트를 포함할 수도 있으며, 적어도 하나의 기능성 컴포넌트는 분석물과 직접 또는 간접적으로 상호 작용하도록 구성될 수도 있다. 또한, 기능성 컴포넌트는 적어도 하나의 수용체 화합물을 포함할 수도 있으며, 수용체 화합물은 적어도 하나의 분석물과 결합할 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나의 분석물과 결합할 수 있는 수용체 화합물은 항체 및 이의 단편, 앱타머, 펩티드, 효소, 핵산, 수용체 단백질 또는 이의 결합 도메인 및 염석 효과를 매개할 수 있는 친수성 중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수도 있다.
특히, 적어도 하나의 전기 화학적 측정은 순환 전압 전류법 측정; 임피던스 측정; 전위차 측정; 전류 측정법; 전기 화학 임피던스 분광법; 전압 전류법; 전류법; 전위차법; 전기량법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 측정을 포함할 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전기 화학 임피던스 분광법"은 일반적으로 전압 및/또는 전류와 같은 인가된 전기 신호의 주파수의 함수로서 작동 전극과 카운터 전극 사이의 임피던스의 측정을 지칭할 수도 있다. 본원에서 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "전압 전류법"은 일반적으로 인가된 전압의 함수로서 작동 전극과 카운터 전극 사이의 전류의 측정을 지칭할 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전류법"은 일반적으로 예를 들어 전압의 함수로서 작동 전극과 기준 전극 사이의 전류의 측정을 지칭할 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전위차법"은 일반적으로 작동 전극과 기준 전극 사이의 전위차의 측정을 지칭할 수도 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "전기량법"은 일반적으로 전기 분해 동안 생성되거나 소비되는 전하의 양의 결정을 지칭할 수도 있다. 이것은 예를 들어, 시간의 함수로서, 2 개의 전극 사이의 전류의 측정에 의해 수행될 수도 있다.
또한, 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치는 전압원, 전류원, 전압계, 전류계, 임피던스계, 임피던스 분광계, 주파수 분석기, 포텐시오스타트, 주파수 발생기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 장치를 포함할 수도 있다.
또한, 전기 화학 측정 장치는 다음 중 하나 이상을 측정하도록 구성될 수도 있다: 주파수 및 인가 전압의 함수로서 분석물 검출기의 적어도 2 개의 전극 사이의 임피던스의 절대 값, 전극들 중 적어도 하나는 다목적 전극임; 주파수 및 인가 전압의 함수로서 분석물 검출기의 적어도 2 개의 전극 사이의 임피던스의 실수부, 전극들 중 적어도 하나는 다목적 전극임; 주파수 및 인가 전압의 함수로서 분석물 검출기의 적어도 2 개의 전극 사이의 임피던스의 허수부, 전극들 중 적어도 하나는 다목적 전극임; 분석물 검출기의 적어도 하나의 제 1 전극에 인가된 신호와 분석물 검출기의 적어도 하나의 제 2 전극의 신호 응답 사이의 위상 시프트, 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나는 다목적 전극임; 다목적 전극에 인가되는 주기 전압의 함수로서 다목적 전극을 통한 전류; 다목적 전극의 정전 전위; 다목적 전극을 통한 전류; 및 다목적 전극과 적어도 하나의 추가 전극, 특히 적어도 하나의 카운터 전극 및/또는 적어도 하나의 기준 전극 사이의 전압.
분석물 검출기는 적어도 하나의 제어기를 추가로 포함할 수도 있고, 여기서 제어기는 전계 효과 트랜지스터 및 전기 화학 측정 장치에 연결될 수도 있고, 제어기는 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 제어하도록 및 전기 화학 측정 장치를 사용하여 적어도 하나의 전기 화학적 측정을 제어하도록 구성될 수도 있다. 특히, 제어기는 트랜지스터의 드레인 전류를 측정함으로써 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 제어하도록 구성될 수도 있다. 또한 제어기는 전계 효과 트랜지스터를 사용하는적어도 하나의 측정 및 적어도 하나의 전기 화학적 측정을 순차적으로 트리거링하도록 구성될 수도 있다. 또한 제어기는 전계 효과 트랜지스터를 사용하는적어도 하나의 측정 및 적어도 하나의 전기 화학적 측정의 시퀀스를 반복적으로 수행하도록 구성될 수도 있다.
분석물 검출기는 적어도 하나의 유체 채널을 추가로 포함 할 수 있으며, 적어도 하나의 다목적 전극은 유체 채널 내의 유체 샘플과 접촉하도록 배치 될 수도 있다. 유체 채널은 적어도 하나의 유체 샘플을 유체 채널에 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 입구 및 유체 채널로부터 유체 샘플을 처리하기 위한 적어도 하나의 유체 출구를 포함할 수도 있다. 특히, 분석물 검출기는 유체 채널과 유체 접촉하는 적어도 하나의 외부 기준 전극, 특히 적어도 하나의 Ag/AgCl 기준 전극을 추가로 포함할 수도 있다.
적어도 하나의 다목적 전극은 분석물에 의해 투과가능할 수도 있는 막에 의해 적어도 부분적으로 커버될 수도 있다. 특히 막은 중합체 막일 수도 있다. 더욱이, 막과 적어도 하나의 다목적 전극 사이의 공간은 전해질, 예를 들어 하이드로겔 전해질에 의해 적어도 부분적으로 채워질 수도 있다.
적어도 하나의 트랜지스터는 이온-감응성 전계 효과 트랜지스터 (ISFET); 화학적으로 민감한 전계 효과 트랜지스터 (ChemFET); 생물학적 전계 효과 트랜지스터 (BioFET); 효소 전계 효과 트랜지스터 (ENFET); 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (EGFET); 용액-, 전해질-, 물-, 또는 액체-게이트 FET 로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수도 있다.
제 2 양태에서, 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하는 방법이 개시된다. 그 방법의 정의들 및 실시형태들에 관하여, 상기 기술된 분석물 검출기의 정의들 및 실시형태들에 대한 참조가 행해질 수 있다. 방법은 다음 단계들을 포함한다:
a) 적어도 하나의 다목적 전극을 제공하는 단계;
b) 다목적 전극과 접촉하는 적어도 하나의 유체 샘플을 제공하는 단계;
c) 다목적 전극과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 수행하는 단계; 및
d) 다목적 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하는 단계.
특히, 방법은 상술된 바와 같은 또는 아래에 더 설명되는 바와 같은 분석물 검출기를 사용하는 단계를 포함할 수도 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 구체적으로, 트랜지스터 측정 및 전기 화학 측정은 구별된 별개의 측정들일 수도 있다. 구체적으로, 전계 효과 트랜지스터를 사용하지 않고 전기 화학 측정이 수행될 수도 있다. 구체적으로, 전계 효과 트랜지스터를 사용한 트랜지스터 측정과 예를 들어 전기 화학 측정 장치를 사용한 전기 화학적 측정은 예를 들어 제어기를 사용하여 순차적으로 트리거링될 수도 있다. 전계 효과 트랜지스터를 사용하는 적어도 하나의 트랜지스터 측정 및 적어도 하나의 전기 화학적 측정의 시퀀스는 예를 들어 제어기에 의해 반복적으로 수행될 수도 있다.
방법 단계 c) 에서, 적어도 하나의 트랜지스터 측정 값이 생성될 수도 있다. 방법 단계 d) 에서, 적어도 하나의 전기 화학 측정 값이 생성될 수도 있다. 구체적으로, 트랜지스터 측정값 및 전기 화학 측정 값은 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 정량적으로 또는 정성적으로 검출하는 것 중 하나 또는 둘 모두를 위해 조합 될 수도 있다. 또한, 방법 단계 d) 는 전압 전류법 측정; 임피던스 측정; 전위차 측정; 전류 측정법; 전기량 측정으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 측정을 포함할 수도 있다.
제 3 양태에서, 유체에서 적어도 하나의 분석물의 정성적 및/또는 정량적 결정을 위한 상술된 바와 같은 또는 아래에 추가로 설명될 분석물 검출기의 사용이 개시된다. 특히, 상기 유체는 체액, 액체 또는 용해된 환경 샘플 및 화합물의 혼합물의 용액으로 이루어진 유체들의 그룹에서 선택될 수도 있다. 구체적으로, 유체 중 적어도 하나의 분석물의 상기 정성적 및/또는 정량적 결정은 진단 목적, 환경 관리, 식품 안전, 품질 관리 또는 제조 공정에 관여될 수도 있다.
본 발명은 프로그램이 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크 상에서 실행될 때 본 명세서에 포함된 하나 이상의 구현예에서 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 추가로 개시하고 제안한다. 구체적으로, 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터-판독가능 데이터 캐리어 상에 저장될 수 있다. 따라서, 구체적으로, 전술한 바와 같은 방법 단계 c) 및 d) 중 하나, 하나 이상, 또는 심지어 모든 단계는 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크를 사용하여, 바람직하게는 컴퓨터 프로그램을 사용하여 수행 및/또는 제어 및/또는 평가될 수 있다.
본 발명은 프로그램이 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크 상에서 실행될 때 본 명세서에 포함된 하나 이상의 구현예에서 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 갖는 컴퓨터 프로그램 제품을 추가로 개시하고 제안한다. 구체적으로, 프로그램 코드는 컴퓨터-판독가능 데이터 캐리어 상에 저장될 수 있다.
추가로, 본 발명은 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크의 작업 메모리 또는 메인 메모리와 같은 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크로의 로딩 후 본원에서 개시된 실시형태들 중 하나 이상에 따른 방법을 수행할 수도 있는 데이터 구조가 저장된 데이터 캐리어를 개시 및 제안한다.
본 발명은 프로그램이 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크 상에서 실행될 때 본원에서 개시된 실시형태들 중 하나 이상에 따른 방법을 수행하도록 머신-판독가능한 캐리어 상에 저장된 프로그램 코드 수단을 갖는 컴퓨터 프로그램 제품을 추가로 제안 및 개시한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 컴퓨터 프로그램 제품은 거래가능한 제품으로서의 프로그램을 지칭한다. 제품은 일반적으로 임의의 형식으로, 예컨대 종이 형식으로 또는 컴퓨터-판독가능한 데이터 캐리어 상에 존재할 수도 있다. 구체적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 데이터 네트워크를 통해 배포될 수도 있다.
마지막으로, 본 발명은 본원에서 개시된 실시형태들 중 하나 이상에 따른 방법을 수행하기 위해 컴퓨터 시스템 또는 컴퓨터 네트워크에 의해 판독가능한 명령들을 포함하는 변조된 데이터 시그널을 제안 및 개시한다.
바람직하게는, 본 발명의 컴퓨터-구현되는 양태들을 참조하여, 본원에 개시된 하나 이상의 실시형태에 따른 방법의 하나 이상의 방법 단계 또는 모든 방법 단계는 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크를 사용하여 수행될 수도 있다. 따라서, 일반적으로, 데이터의 제공 및/또는 조작을 포함하는 방법 단계들 중 임의의 것은 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크를 이용함으로써 수행될 수도 있다. 일반적으로, 이들 방법 단계들은 전형적으로 샘플 및/또는 실제 측정을 수행하는 특정 양태를 제공하는 것과 같이 수작업을 요구하는 방법 단계는 제외한, 임의의 방법 단계를 포함할 수도 있다.
구체적으로, 본 발명은 다음을 추가로 개시한다:
- 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크로서, 상기 프로세서는 본 명세서에서 기재된 실시형태들 중 하나에 따른 방법을 수행하도록 적응된, 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크,
- 데이터 구조가 컴퓨터 상에서 실행되는 동안, 본 명세서에서 기재된 실시형태들 중 하나에 따른 방법을 수행하도록 적응된 컴퓨터 로딩가능한 데이터 구조,
- 컴퓨터 프로그램으로서, 프로그램이 컴퓨터 상에서 실행되는 동안, 본 명세서에서 기재된 실시형태들 중 하나에 따른 방법을 수행하도록 컴퓨터 프로그램이 적응된, 컴퓨터 프로그램,
- 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크 상에서 실행되는 동안 본 명세서에서 기재된 실시형태들 중 하나에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램,
- 상기 실시형태에 따른 프로그램 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램으로서, 프로그램 수단은 컴퓨터로 판독가능할 수 있는 저장 매체 상에 저장되는, 컴퓨터 프로그램,
- 저장 매체로서, 데이터 구조가 저장 매체에 저장되고, 데이터 구조는 컴퓨터의 또는 컴퓨터 네트워크의 메인 및/또는 작업 저장 공간에 로딩된 후 본 명세서에 기재된 실시형태들 중 하나에 따른 방법을 수행하도록 적응된, 저장 매체, 및
- 프로그램 코드 수단을 갖는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 프로그램 코드 수단이 컴퓨터에서 또는 컴퓨터 네트워크에서 실행되는 경우에, 이 명세서에 기재된 실시형태 중 하나에 따른 방법을 수행하기 위해, 저장 매체에 프로그램 코드 수단이 저장될 수 있거나 또는 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램 제품.
본 발명에 따른 분석물 검출기, 분석물 검출기의 사용 및 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하는 방법은 종래 기술의 분석물 검출기, 그것의 사용 및 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하는 방법에 비해 다양한 장점을 제시한다. 따라서, 분석물 검출기는 FET 를 이용한 트랜지스터 기반 측정 및 전기 화학 측정 장치를 사용한 전기 화학 측정 둘 다를 통해 하나의 동일한 분석물을 검출하기 위해 다목적 전극을 사용할 수도 있다. 여기서, 측정 범위 및/또는 검출 범위는 트랜지스터 기반 측정과 전기 화학 측정 사이에서 변할 수도 있다. 따라서, 하나의 트랜지스터 기반 및 하나의 전기 화학적 방법으로 다목적 전극을 통해 분석물을 검출하는 능력은 분석물 검출기의 측정 범위를 향상시킬 수도 있다. 구체적으로, 분석물 검출기의 측정 범위는 따라서 1 또는 심지어 수 오더의 크기 만큼 향상될 수도 있다. 일반적으로, 본 발명은 하나의 동일한 장치에서 적어도 2 개의 측정 원리를 결합하고 이들 측정 원리 중 하나만을 제공하는 종래의 장치에 비해 확장된 측정 범위를 가질 수도 있는 단일 장치 또는 분석물 검출기를 제공하는 것을 허용할 수도 있다.
또한, 하나의 트랜지스터 기반 및 하나의 전기 화학적 방법으로 다목적 전극을 통해 분석물을 검출하는 능력은 분석물 검출기의 측정 정확성을 증가시킬 수도 있다. 구체적으로, 트랜지스터 기반 및 전기 화학적 방법의 측정 범위 및/또는 검출 범위는 적어도 부분적으로 중첩할 수도 있다. 따라서, 중첩하는 검출 범위의 적어도 일부에서 분석물 검출기에 의한 분석물의 검출 결과의 평균화는 분석물 검출기의 측정 정확성을 증가시킬 수도 있다. 또한, 하나의 동일한 장치, 즉 분석물 검출기에서 적어도 부분적으로 중첩하는 측정 범위를 갖는 적어도 2 개의 상이한 측정 방법의 제공은 페일-세이프 (fail-safe) 및/또는 백업 메커니즘으로서 작용할 수도 있고 따라서 분석물 검출기의 신뢰성을 증가시킬 수도 있다.
본 발명의 발견들을 요약하면, 다음의 실시형태들이 바람직하다:
실시형태 1: 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기, 분석물 검출기는 유체 샘플에 노출 가능한 적어도 하나의 다목적 전극을 포함하고, 분석물 검출기는 적어도 하나의 다목적 전극과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하며, 및 분석물 검출기는 다목적 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성된 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치를 더 포함한다.
실시형태 2: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 상기 다목적 전극은 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접촉하는, 분석물 검출기.
실시형태 3: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 게이트 전극은 전계 효과 트랜지스터의 적어도 하나의 채널과, 특히 적어도 하나의 반도전성 층과 직접 또는 간접적으로 물리적 접촉하는, 분석물 검출기.
실시형태 4: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 다목적 전극은 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전극 및 전계 효과 트랜지스터의 채널의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트와 적어도 부분적으로 동일한, 분석물 검출기.
실시형태 5: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 전계 효과 트랜지스터는 적어도 하나의 채널, 구체적으로 적어도 하나의 반도전성 재료로 완전히 또는 부분적으로 만들어진 적어도 하나의 채널을 포함하는, 분석물 검출기.
실시형태 6: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 반도전성 재료는 무기 원소 반도체, 무기 화합물 반도체 및 유기 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료, 구체적으로 그래핀, 층 반도체; 탄소 나노튜브 및 반도전성 나노와이어으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 분석물 검출기.
실시형태 7: 두개의 선행하는 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 반도전성 재료는 분석물에 접근 가능한 적어도 하나의 표면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 표면은 금속 입자, 특히 금과 백금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 입자에 의해 기능화되는, 분석물 검출기.
실시형태 8: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 분석물 검출기는 적어도 2 개의 전기 전도성 전극을 상호 연결하는 적어도 하나의 그래핀 층을 포함하고, 그래핀 층은 분석물에 접근 가능하며, 다목적 전극은 다음으로 이루어진 그룹의 적어도 하나의 엘리먼트를 포함한다: 적어도 2 개의 전기 전도성 전극들 중 적어도 하나, 그래핀 층.
실시형태 9: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 그래핀 층은 금속 입자, 구체적으로 금속 나노 입자, 보다 구체적으로 금 나노 입자에 의해 부분적으로 커버되는, 분석물 검출기.
실시형태 10: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 상기 적어도 하나의 다목적 전극은 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극 중 하나 또는 양자 모두와 전기적으로 접촉하는, 분석물 검출기.
실시형태 11: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 분석물 검출기는 유체 샘플에 노출 가능한 적어도 하나의 추가 전극을 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가 전극은 카운터 전극 및 기준 전극으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 전극을 포함하며, 전기 화학 측정 장치는 다목적 전극 및 추가 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성되는, 분석물 검출기.
실시형태 12: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 분석물 검출기는 유체 샘플에 노출 가능한 적어도 3 개의 전극을 포함하며, 적어도 3 개의 전극 중 적어도 하나는 다목적 전극인, 분석물 검출기.
실시형태 13: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 상기 다목적 전극은 금을 포함하는, 분석물 검출기.
실시형태 14: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 3 개의 전극 모두가 금 전극인, 분석물 검출기.
실시형태 15: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 상기 다목적 전극은 그 표면에 노출 된 적어도 하나의 기능성 컴포넌트를 포함하고, 상기 적어도 하나의 기능성 컴포넌트는 상기 분석물과 상호 작용하도록 구성되는, 분석물 검출기.
실시형태 16: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 기능성 컴포넌트는 적어도 하나의 수용체 화합물을 포함하며, 수용체 화합물은 적어도 하나의 분석물과 결합할 수 있는, 분석물 검출기.
실시형태 17: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 적어도 하나의 분석물과 결합할 수 있는 수용체 화합물은 항체 및 이의 단편, 앱타머, 펩티드, 효소, 핵산, 수용체 단백질 또는 이의 결합 도메인 및 염석 효과를 매개할 수 있는 친수성 중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 분석물 검출기.
실시형태 18: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 적어도 하나의 전기 화학적 측정은 순환 전압 전류법 측정; 임피던스 측정; 전위차 측정; 전류 측정법; 전기 화학 임피던스 분광법; 전압 전류법; 전류법; 전위차법; 전기량법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 측정을 포함하는, 분석물 검출기.
실시형태 19: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치는 전압원, 전류원, 전압계, 전류계, 임피던스계, 임피던스 분광계, 주파수 분석기, 포텐시오스타트, 주파수 발생기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 장치를 포함하는, 분석물 검출기.
실시형태 20: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 전기 화학 측정 장치는 다음 중 하나 이상을 측정하도록 구성되는, 분석물 검출기:
- 주파수 및 인가 전압의 함수로서 분석물 검출기의 적어도 2 개의 전극들 사이의 임피던스의 절대 값, 그 전극들 중 적어도 하나는 다목적 전극임;
- 주파수 및 인가 전압의 함수로서 분석물 검출기의 적어도 2 개의 전극들 사이의 임피던스의 실수부, 그 전극들 중 적어도 하나는 다목적 전극임;
- 주파수 및 인가 전압의 함수로서 분석물 검출기의 적어도 2 개의 전극들 사이의 임피던스의 허수부, 그 전극들 중 적어도 하나는 다목적 전극임;
- 분석물 검출기의 적어도 하나의 제 1 전극에 인가된 신호와 분석물 검출기의 적어도 하나의 제 2 전극의 신호 응답 사이의 위상 시프트, 상기 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나는 다목적 전극임;
- 다목적 전극에 인가되는 주기성 전압의 함수로서 다목적 전극을 통한 전류;
- 다목적 전극의 정전 전위;
- 다목적 전극을 통한 전류;
- 다목적 전극과 적어도 하나의 추가 전극, 특히 적어도 하나의 카운터 전극 및/또는 적어도 하나의 기준 전극 사이의 전압.
실시형태 21: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 분석물 검출기는 적어도 하나의 제어기를 추가로 포함하고, 제어기는 전계 효과 트랜지스터 및 전기 화학 측정 장치에 연결되며, 제어기는 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 제어하도록 및 전기 화학 측정 장치를 사용하여 적어도 하나의 전기 화학적 측정을 제어하도록 구성되는, 분석물 검출기.
실시형태 22: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 제어기는 트랜지스터의 드레인 전류를 측정함으로써 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 제어하도록 구성되는, 분석물 검출기.
실시형태 23: 두 개의 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 제어기는 전계 효과 트랜지스터를 사용하는 적어도 하나의 측정 및 적어도 하나의 전기 화학 측정을 순차적으로 트리거링하도록 구성되는, 분석물 검출기.
실시형태 24: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 제어기는 전계 효과 트랜지스터를 사용하는적어도 하나의 측정 및 적어도 하나의 전기 화학적 측정의 시퀀스를 반복적으로 수행하도록 구성되는, 분석물 검출기.
실시형태 25: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 분석물 검출기는 적어도 하나의 유체 채널을 추가로 포함하며, 적어도 하나의 다목적 전극은 유체 채널 내의 유체 샘플과 접촉하도록 배치되는, 분석물 검출기.
실시형태 26: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 유체 채널은 적어도 하나의 유체 샘플을 유체 채널에 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 입구 및 유체 채널로부터 유체 샘플을 처리하기 위한 적어도 하나의 유체 출구를 포함하는, 분석물 검출기.
실시형태 27: 두 개의 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 분석물 검출기는 유체 채널과 유체 접촉하는 적어도 하나의 외부 기준 전극, 특히 적어도 하나의 Ag/AgCl 기준 전극을 추가로 포함하는, 분석물 검출기.
실시형태 28: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 상기 적어도 하나의 다목적 전극은 상기 분석 물에 의해 투과 가능한 막에 의해 적어도 부분적으로 커버되는, 분석물 검출기.
실시형태 29: 선행의 실시형태에 따른 분석물 검출기로서, 상기 막은 중합체 막인, 분석물 검출기.
실시형태 30: 두 개의 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 상기 막과 적어도 하나의 다목적 전극 사이의 공간은 전해질, 예를 들어 하이드로겔 전해질에 의해 적어도 부분적으로 채워지는, 분석물 검출기.
실시형태 31: 선행의 실시형태들 중 어느 하나에 따른 분석물 검출기로서, 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터는 이온-감응성 전계 효과 트랜지스터 (ISFET); 화학적으로 민감한 전계 효과 트랜지스터 (ChemFET); 생물학적 전계 효과 트랜지스터 (BioFET); 효소 전계 효과 트랜지스터 (ENFET); 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (EGFET); 용액-, 전해질-, 물-, 또는 액체-게이트 FET 로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 분석물 검출기.
실시형태 32: 적어도 하나의 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 검출하는 방법으로서, 다음 단계를 포함하는 방법:
a) 적어도 하나의 다목적 전극을 제공하는 단계;
b) 다목적 전극과 접촉하는 적어도 하나의 유체 샘플을 제공하는 단계;
c) 다목적 전극과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 수행하는 단계; 및
d) 다목적 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하는 단계.
실시형태 33: 선행하는 실시형태에 따른 방법으로서, 상기 방법은 분석물 검출기를 지칭하는 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 분석물 검출기를 사용하는 단계를 포함한다.
실시형태 34: 선행하는 방법 실시형태들 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 방법 단계 c) 에서 적어도 하나의 트랜지스터 측정 값이 생성되고, 방법 단계 d) 에서 적어도 하나의 전기 화학 측정 값이 생성되고, 여기서 트랜지스터 측정 값 및 전기 화학 측정 값은 유체 샘플에서 적어도 하나의 분석물을 정량적으로 또는 정성적으로 검출하는 것 중 하나 또는 둘 모두를 위해 조합된다.
실시형태 35: 선행하는 방법 실시형태들 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 단계 d) 는 전압 전류법 측정; 임피던스 측정; 전위차 측정; 전류 측정법; 전기량 측정으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 측정을 포함한다.
실시형태 36: 유체에서의 적어도 하나의 분석물의 정성적 및/또는 정량적 결정을 위해 선행하는 실시형태들 중 어느 하나에서 정의된 바와 같은 분석물 검출기의 사용.
실시형태 37: 선행하는 실시형태의 사용으로서, 상기 유체는 체액, 액체 또는 용해된 환경 샘플 및 화합물의 혼합물의 용액으로 이루어진 유체들의 그룹에서 선택된다.
실시형태 38: 선행하는 사용 실시형태들 중 어느 하나의 사용으로서, 유체 중의 적어도 하나의 분석물의 정성적 및/또는 정량적 결정은 진단 목적, 환경 관리, 식품 안전, 품질 관리 또는 제조 공정에 수반된다.
추가적인 옵션적인 특징들 및 본 발명의 실시형태들이 바람직한 실시형태들의 후속 설명에서, 바람직하게는 종속항들과 함께, 좀더 자세히 개시될 것이다. 여기서, 각각의 옵션적인 특징들은, 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 어떤 임의의 실현가능한 조합으로 뿐만 아니라 분리된 방식으로 실현될 수도 있다. 본 발명의 범위는 바람직한 실시형태들에 의해 한정되지 않는다. 실시형태들이 도면들에 개략적으로 도시된다. 여기서, 이들 도면들에서 동일한 참조 번호들은 동일한 또는 기능적으로 비견할만한 엘리먼트들을 지칭한다.
도면들에서:
도 1, 도 2, 도 3a 및 도 12a 는 각각 분석물 검출기의 예시적인 개략적 레이아웃을 도시한다.
도 3b 및 도 3c 는 전압 Vref 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 도 3a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기로 기록된 측정 다이어그램 (도 3b) 및 도 3a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기의 부분도 (도 3c) 를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c 는 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램들 (도 4a 및 도 4b) 및 교류 전압의 주파수의 함수로서 로그 스케일상의 임피던스 Z 의 크기 및 위상 시프트 각도 θ 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 4c) 을 도시한다.
도 5 는 세 가지 상이한 측정 상황들에 대한 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램을 보여준다.
도 6 은 두 가지 상이한 측정 상황들에 대한 임피던스의 음의 허수 부분 Z'' 과 임피던스의 실수 부분 Z' 을 플로팅하는 측정 다이어그램을 도시한다.
도 7a 및 도 7b 는 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 7a) 및 두 개의 서로 다른 측정 상황들 각각에 대한 교류 전류의 주파수의 함수로서 임피던스 Z 의 크기 및 위상 시프트 각도를 플로팅하는 측정 다이어그램을 도시한다.
도 8a 및 도 8b 는 표적 DNA 의 부재 및 존재하에 전압 Vref 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 8a) 및 2 개의 상이한 완충액 농도 (10 mM 및 100 mM) 에서 표적 DNA 농도의 함수로서 전위 시프트를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 8b) 을 도시한다.
도 9a 내지 도 9c 는 전위의 함수로서 전류를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 9a) 및 TSH-특이적 항체의 존재를 포함하는 4 가지 상이한 측정 상황에 대한 리액턴스 대 저항의 측정 다이어그램 (도 9b) 및 TSH 와 결합하는 TSH-특이적 항체로 변형된 표면의 개략도 (도 9c) 를 도시한다.
도 10a 및 도 10b 는 상이한 측정 상황에 대한 저항 R 의 함수로서 리액턴스 X 를 플로팅하는 측정 다이어그램을 도시한다.
도 11은 로그 스케일에서의 TSH 및 BSA 의 농도의 함수로서 전압 시프트 ΔV 를 플로팅하는 FET 측정의 측정 다이어그램을 도시한다.
도 12a 내지 도 12c 는 분석물 검출기의 예시적인 개략적 레이아웃 (도 12a), 도 12a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기의 부분도 (도 12b), 및 상이한 pH 값에 대한 전압 Vref 의 함수로서 드레인 전류 Id 를 플로팅하는 도 12a 에 개략적으로 묘사된 유형의 분석물 검출기로 기록된 측정의 다이어그램 (도 12c) 를 도시한다.
도 13a 내지 도 13d 는 인가된 전위 V 의 함수로서 전류 ICV 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 13a), 임피던스의 음의 허수 부분 Z'' 대 임피던스의 실수 부분 Z' 을 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 13b), 드레인 전류 Id 대 전위 Vg 를 플로팅하는 측정 다이어그램들 (도 13c 및 도 13d) 을 도시한다.
도 14a 내지 도 14d 는 인가된 전위 V 의 함수로서 전류 ICV 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 14a), 임피던스의 음의 허수 부분 Z'' 대 임피던스의 실수 부분 Z' 을 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 14b), 전류 Id 대 전위 Vg 를 플로팅하는 측정 다이어그램들 (도 14c 및 도 14d) 을 도시한다.
도 15a 내지 도 15c 는 금속 입자로 기능화된 그래핀 표면 (도 15a), 하룻밤 동안 물리적 흡착에 의해 금속 입자로 기능화된 (도 15b) 및 5 분 동안 전착에 의해 금속 입자로 기능화된 그래핀 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지의 개략도를 도시한다.
도 16a 내지 도 16c 는 서로 다른 그래핀 표면들에 대한 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 다이어그램 (도 16a), 각각 리액턴스 X 대 저항 R 을 플로팅하는 다이어그램들 (도 16b 및 도 16c) 을 도시한다.
도 17 은 3 개의 상이한 그래핀 표면에 대한 시간의 함수로서 전류를 플로팅하는 전류 측정법의 다이어그램을 도시한다.
도 18a 및 도 18b 는 3 개의 서로 다른 그래핀 표면들 각각에 대한 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 다이어그램 (도 18a) 및 리액턴스 대 저항을 플로팅하는 다이어그램 (도 18b) 을 도시한다.
도 19a 내지 도 19c 는 도 19b 및 도 19c 에 도시된 전계 효과 트랜지스터 기반 측정에 사용될 수도 있는 다목적 전극 (112) 의 실시형태를 도시한다.
도 20 은 도 19a 에 도시된 유형의 다목적 전극 (112) 을 사용한 임피던스 측정의 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다.
도 21a 내지 도 21c 는 분석물 검출기 (110) 의 부분도 (도 21a) 및 도 21a 에 도시된 유형의 분석물 검출기 (110) 로 기록된 측정 다이어그램들 (152) (도 21b 및 도 21c) 을 도시한다.
도 22a 내지 도 22d 는 동일한 다목적 전극 (112) 을 사용하는 커패시턴스 측정 (도 22a 및 도 22b) 및 TSH 의 트랜지스터 기반 측정 (도 22c 및 도 22d) 의 측정 다이어그램들 (152) 을 도시한다.
도 23a 및 도 23b 는 TSH 의 트랜지스터 기반 측정의 추가 측정 다이어그램들 (152) 을 도시한다.
도 24a 내지 도 24d 는 동일한 다목적 전극 (112) 을 사용하는 전류측정법 (도 24a 및 도 24b) 및 포도당의 트랜지스터 기반 측정 (도 24c 및 도 24d) 의 측정 다이어그램들 (152) 을 도시한다.
도면들에서:
도 1, 도 2, 도 3a 및 도 12a 는 각각 분석물 검출기의 예시적인 개략적 레이아웃을 도시한다.
도 3b 및 도 3c 는 전압 Vref 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 도 3a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기로 기록된 측정 다이어그램 (도 3b) 및 도 3a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기의 부분도 (도 3c) 를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c 는 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램들 (도 4a 및 도 4b) 및 교류 전압의 주파수의 함수로서 로그 스케일상의 임피던스 Z 의 크기 및 위상 시프트 각도 θ 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 4c) 을 도시한다.
도 5 는 세 가지 상이한 측정 상황들에 대한 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램을 보여준다.
도 6 은 두 가지 상이한 측정 상황들에 대한 임피던스의 음의 허수 부분 Z'' 과 임피던스의 실수 부분 Z' 을 플로팅하는 측정 다이어그램을 도시한다.
도 7a 및 도 7b 는 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 7a) 및 두 개의 서로 다른 측정 상황들 각각에 대한 교류 전류의 주파수의 함수로서 임피던스 Z 의 크기 및 위상 시프트 각도를 플로팅하는 측정 다이어그램을 도시한다.
도 8a 및 도 8b 는 표적 DNA 의 부재 및 존재하에 전압 Vref 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 8a) 및 2 개의 상이한 완충액 농도 (10 mM 및 100 mM) 에서 표적 DNA 농도의 함수로서 전위 시프트를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 8b) 을 도시한다.
도 9a 내지 도 9c 는 전위의 함수로서 전류를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 9a) 및 TSH-특이적 항체의 존재를 포함하는 4 가지 상이한 측정 상황에 대한 리액턴스 대 저항의 측정 다이어그램 (도 9b) 및 TSH 와 결합하는 TSH-특이적 항체로 변형된 표면의 개략도 (도 9c) 를 도시한다.
도 10a 및 도 10b 는 상이한 측정 상황에 대한 저항 R 의 함수로서 리액턴스 X 를 플로팅하는 측정 다이어그램을 도시한다.
도 11은 로그 스케일에서의 TSH 및 BSA 의 농도의 함수로서 전압 시프트 ΔV 를 플로팅하는 FET 측정의 측정 다이어그램을 도시한다.
도 12a 내지 도 12c 는 분석물 검출기의 예시적인 개략적 레이아웃 (도 12a), 도 12a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기의 부분도 (도 12b), 및 상이한 pH 값에 대한 전압 Vref 의 함수로서 드레인 전류 Id 를 플로팅하는 도 12a 에 개략적으로 묘사된 유형의 분석물 검출기로 기록된 측정의 다이어그램 (도 12c) 를 도시한다.
도 13a 내지 도 13d 는 인가된 전위 V 의 함수로서 전류 ICV 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 13a), 임피던스의 음의 허수 부분 Z'' 대 임피던스의 실수 부분 Z' 을 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 13b), 드레인 전류 Id 대 전위 Vg 를 플로팅하는 측정 다이어그램들 (도 13c 및 도 13d) 을 도시한다.
도 14a 내지 도 14d 는 인가된 전위 V 의 함수로서 전류 ICV 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 14a), 임피던스의 음의 허수 부분 Z'' 대 임피던스의 실수 부분 Z' 을 플로팅하는 측정 다이어그램 (도 14b), 전류 Id 대 전위 Vg 를 플로팅하는 측정 다이어그램들 (도 14c 및 도 14d) 을 도시한다.
도 15a 내지 도 15c 는 금속 입자로 기능화된 그래핀 표면 (도 15a), 하룻밤 동안 물리적 흡착에 의해 금속 입자로 기능화된 (도 15b) 및 5 분 동안 전착에 의해 금속 입자로 기능화된 그래핀 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지의 개략도를 도시한다.
도 16a 내지 도 16c 는 서로 다른 그래핀 표면들에 대한 전압 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 다이어그램 (도 16a), 각각 리액턴스 X 대 저항 R 을 플로팅하는 다이어그램들 (도 16b 및 도 16c) 을 도시한다.
도 17 은 3 개의 상이한 그래핀 표면에 대한 시간의 함수로서 전류를 플로팅하는 전류 측정법의 다이어그램을 도시한다.
도 18a 및 도 18b 는 3 개의 서로 다른 그래핀 표면들 각각에 대한 Vg 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 다이어그램 (도 18a) 및 리액턴스 대 저항을 플로팅하는 다이어그램 (도 18b) 을 도시한다.
도 19a 내지 도 19c 는 도 19b 및 도 19c 에 도시된 전계 효과 트랜지스터 기반 측정에 사용될 수도 있는 다목적 전극 (112) 의 실시형태를 도시한다.
도 20 은 도 19a 에 도시된 유형의 다목적 전극 (112) 을 사용한 임피던스 측정의 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다.
도 21a 내지 도 21c 는 분석물 검출기 (110) 의 부분도 (도 21a) 및 도 21a 에 도시된 유형의 분석물 검출기 (110) 로 기록된 측정 다이어그램들 (152) (도 21b 및 도 21c) 을 도시한다.
도 22a 내지 도 22d 는 동일한 다목적 전극 (112) 을 사용하는 커패시턴스 측정 (도 22a 및 도 22b) 및 TSH 의 트랜지스터 기반 측정 (도 22c 및 도 22d) 의 측정 다이어그램들 (152) 을 도시한다.
도 23a 및 도 23b 는 TSH 의 트랜지스터 기반 측정의 추가 측정 다이어그램들 (152) 을 도시한다.
도 24a 내지 도 24d 는 동일한 다목적 전극 (112) 을 사용하는 전류측정법 (도 24a 및 도 24b) 및 포도당의 트랜지스터 기반 측정 (도 24c 및 도 24d) 의 측정 다이어그램들 (152) 을 도시한다.
도 1, 도 2, 도 3a 및 도 12a 는 각각 적어도 하나의 유체 샘플 (111) 에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기 (110) 의 예시적인 개략적 레이아웃을 도시한다. 분석물 검출기 (110) 는 유체 샘플 (111) 에 노출 가능한 적어도 하나의 다목적 전극 (112), 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 (114), 및 다목적 전극 (112) 을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성된 적어도 하나의 전기 화학 측정 디바이스 (116) 를 포함한다.
분석물 검출기 (110) 는 적어도 하나의 제어기 (117) 를 더 포함할 수도 있다. 제어기 (117) 는 전계 효과 트랜지스터 (114) 및 전기 화학 측정 장치 (116) 에 연결될 수도 있고, 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하여 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 제어하도록 및 전기 화학 측정 장치 (116) 를 사용하여 적어도 하나의 전기 화학적 측정을 제어하도록 구성될 수도 있다. 일 예로서, 제어기 (117) 는 예를 들어 측정을 타이밍 및/또는 트리거링하고 및/또는 측정 결과를 판독 및/또는 평가하기 위한 적어도 하나의 컴퓨터 또는 프로세서이거나 이를 포함할 수도 있다. 제어기는 전기 화학적 측정 또는 트랜지스터 측정을 설계할 때 당업자가 알고 있는 바와 같이 전압원, 전류원, 전압 측정 장치, 전류 측정 장치, 주파수 발생기 등 중 하나 이상과 같은 추가의 엘리먼트들을 더 포함할 수도 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 분석물 검출기 (110) 는 적어도 하나의 전기 화학 측정 및/또는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 기반 측정을 수행하도록 구성될 수도 있다. 다목적 전극 (112) 은 도 3a 에 도시된 바와 같은 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 게이트 전극 (120) 과 전기적으로 접촉할 수도 있다. 도 2, 도 3a 및 도 12a 에 도시된 바와 같이, 전계 효과 트랜지스터 (114) 는 적어도 하나의 소스 전극 (122), 적어도 하나의 드레인 전극 (124) 및 적어도 하나의 채널 (126) 을 더 포함할 수도 있다.
전계 효과 트랜지스터 (114) 는 도 3a 에 도시된 바와 같은 이온-감응성 전계 효과 트랜지스터 (ISFET); 화학적으로 민감한 전계 효과 트랜지스터 (ChemFET); 생물학적 전계 효과 트랜지스터 (BioFET); 효소 전계 효과 트랜지스터 (EN-FET); 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (EGFET) (144); 및 도 2 및 도 12a 에 도시된 바와 같은 용액-, 전해질-, 물-, 또는 액체-게이트 FET 로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 게이트 전극 (120) 및 드레인 전극 (124) 은 금을 포함할 수도 있다. 분석물 검출기 (110) 는 도 1, 도 2, 도 3a, 도 3c, 도 12a 및 도 12b 에 도시된 바와 같이 기판 (128) 을 더 포함할 수도 있다. 기판 (128) 은 유리, 플라스틱, 종이 및 실리콘으로 이루어진 그룹의 적어도 하나의 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 기판 (128) 은 도 3a 에 도시된 바와 같이 적어도 2 개의 층을 포함할 수도 있다.
채널 (126) 은 적어도 하나의 반도전성 재료로 완전히 또는 부분적으로 만들어 질 수도 있다. 구체적으로, 채널 (126)은 도 12a 에 도시된 액체-게이트 FET 에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 반도전성 층 (148) 을 포함할 수도 있다. 반도전성 재료, 구체적으로 반도전성 층 (148) 은 무기 원소 반도체, 무기 화합물 반도체 및 유기 반도체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료, 구체적으로 그래핀, 층 반도체; 탄소 나노튜브 및 반도전성 나노와이어으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수도 있다. 반도전성 층 (148) 은 분석물에 접근 가능한 적어도 하나의 표면 (130) 을 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 표면 (130) 은 도 15a, 도 15b 및 도 15c 에 도시된 바와 같이, 금속 입자, 특히 금 및 백금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 입자에 의해 기능화될 수도 있다. 다른 금속 또는 합금이 가능하다.
게이트 전극 (120) 은 도 3a 에 도시된 바와 같은 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 적어도 하나의 채널 (126) 과 직접 또는 간접적 물리적 접촉할 수도 있다. 다목적 전극 (112) 은 도 3a 에 도시된 바와 같은 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 확장 게이트 전극 (146) 과 적어도 부분적으로 동일할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다목적 전극 (112) 은 예를 들어 도 2 및 도 12a 에 도시된 바와 같은 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 채널 (126) 및/또는 게이트 전극 (120) 과 적어도 부분적으로 동일할 수도 있다.
도 2 에서, 분석물 장치 (110) 의 예시적인 실시형태가 부분도로 도시된다. 전기 화학 측정 장치 (116) 및 선택적인 제어기 (117) 는 이 도면에 도시되지 않았다. 도 2 에 도시 된 바와 같이, 분석물 검출기 (110) 는 챔버 (134) 를 더 포함할 수도 있다. 챔버 (134) 는 폴리디메틸실록산 (PDMS) 을 포함하거나 그것으로 이루어질 수도 있다. 다른 재료, 특히 다른 플라스틱 재료가 가능하다. 도 2 에 도시 된 바와 같이, 분석물 검출기 (110) 는 페시베이션 층 (136) 을 더 포함할 수도 있다. 패시베이션 층 (136) 은 SU-8 을 포함할 수도 있다. SU-8 은 IBM 이 처음 개발하여, 특허를 획득한 (미국 특허 번호 4882245) EPON SU-8 에폭시 수지 (쉘 화학제) 를 기반으로 하는 네거티브, 에폭시형, 근자외선 포토레지스트이다. 다른 재료, 특히 다른 포토레지스트가 가능하다. 도 1, 도 2, 도 3a 및 도 12a 에 도시된 바와 같이, 분석물 검출기 (110) 는 적어도 하나의 유체 채널 (138) 을 포함할 수도 있다. 다목적 전극 (112) 은 유체 채널 (138) 내에서 유체 샘플 (111) 과 접촉하도록 배치될 수도 있다. 유체 채널 (138) 은 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 유체 샘플 (111) 을 유체 채널 (138) 에 제공하기 위한 적어도 하나의 유체 입구 (140) 및 유체 샘플 (111) 의 처리를 위한 적어도 하나의 유체 출구 (142) 를 더 포함할 수도 있다. 분석물 검출기 (110) 는 도 2 및 도 12a 에 도시된 바와 같이 유체 채널 (138) 과 유체 접촉 할 수도 있는 적어도 하나의 외부 기준 전극 (132), 구체적으로 적어도 하나의 Ag/AgCl 기준 전극을 더 포함할 수도 있다. 유체 채널 (138) 및/또는 유체 입구 (140) 및/또는 유체 출구 (142) 는 플라스틱 재료, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 에 의해 적어도 부분적으로 제한될 수도 있다. 다른 재료, 특히 다른 플라스틱 재료가 가능하다.
도 3a 는 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (144) 로서 구현된 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 갖는 분석물 검출기 (110) 를 도시한다. 다시, 전기 화학 측정 장치 (116) 및 선택적인 제어기 (117) 는 이 도면에 도시되지 않았다. 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (144) 는 확장 게이트 전극 (146) 을 포함할 수도 있다. 확장 게이트 전극 (146) 은 기판 (128) 을 포함할 수도 있다. 기판 (128) 은 유리, 플라스틱, 종이 및 실리콘으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수도 있다. 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (144) 는 동일한 기판 (128) 상에 확장 게이트 전극 (146) 과 함께 집적될 수도 있다. 도 3a 에 도시된 바와 같이, 확장 게이트 전극 (146) 은 금, 특히 금 층 (150) 을 포함할 수도 있다. 금 층 (150) 은 유체 샘플 (111) 에 노출 가능할 수도 있다. 추가로 또는 대안적으로, 확장 게이트 전극은 또한 유체 샘플 (111) 에 노출 가능한 표면 (130) 을 가질 수도 있는 그래핀을 포함하는 다른 금속 및/또는 반도전성 재료를 포함할 수도 있다.
다목적 전극 (112) 은 도 3a 에 도시된 바와 같이 금을 포함할 수도 있다. 분석물 검출기 (110) 는 카운터 전극 (168) 및 기준 전극 (132) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 전극을 포함하는 적어도 하나의 추가 전극을 포함할 수도 있으며, 전기 화학 측정 장치 (116) 는 다목적 전극 (112) 및 추가 전극을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성될 수도 있다. 분석물 검출기 (110) 는 유체 샘플 (111) 에 노출 가능한 적어도 3 개의 전극을 포함할 수도 있으며, 그 적어도 3 개의 전극 중 적어도 하나는 다목적 전극 (112) 이다. 3 개의 전극은 모두 금 전극일 수도 있다.
분석물 검출기 (110) 는 기준 전극 (132), 특히 Ag/AgCl 전극을 더 포함할 수도 있다. 다른 조합들이 가능하다.
도 3b 는 전압 Vref 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 도 3a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기 (110) 로 기록된 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 전압 Vref 은 Vg 로도 표시될 수도 있다. 따라서, Vref 및 Vg 는 실시형태들의 설명 및 도면 전체에 걸쳐서 동의어적으로 사용된다. 전류 Id 는 선형 스케일을 갖는 y 축 (도 3b 의 다이어그램 (152) 의 왼쪽에 있는 y 축) 을 사용하여 한 번, 그리고 로그 스케일을 갖는 y 축 (오른쪽에 있는 y 축) 을 사용하여 한 번 플로팅된다. 왼쪽의 y 축과 관련된 그래프는 186 으로 표시된다. 오른의 y 축과 관련된 그래프는 184 로 표시된다. 도 3b 에서 알 수 있듯이, 드레인 전류 Id 는 기준 전극 (132) 의 전위 Vref 의 함수로서 비선형적인 방식으로 변한다. 도 3c 는 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (144) 의 일부로서 확장 게이트 전극 (146) 을 포함하는 도 3a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기 (110) 의 부분도를 도시한다. 도 3c 에 도시된 확장 게이트 전극 (146) 은 금, 특히 금 층 (150) 을 포함한다. 금 층 (150) 은 유체 샘플 (111) 에 노출 가능하다. 도 3c 에 도시된 확장 게이트 전극 (146) 은 금 층 (150) 을 지닌 기판 (128) 을 더 포함한다. 기판 (128) 은 추가 전극으로서 작용할 수도 있는 3 개의 추가 금 층 (150) 을 갖는다. 추가 전극은 제어 전극으로서 작용할 수도 있다. 추가 전극은 추가적인 다목적 전극 (112) 으로서 사용될 수도 있다. 다목적 전극 (112) 및 적어도 하나의 추가의 다목적 전극 (112) 은 모두 동일한 방식으로 기능화 될 수도 있다. 동일한 방식으로 기능화 된 적어도 2 개의 다목적 전극 (112) 은 전계 효과 트랜지스터 기반 측정의 정밀도를 향상시키기 위해 사용될 수도 있다. 대안적으로, 적어도 2 개의 다목적 전극 (112) 은 예를 들어 기준 측정을 허용하기 위해 상이한 방식으로 기능화 될 수도 있다. 도 3c 에 도시된 확장 게이트 전극 (146) 은 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 채널 (126) 과 전기적으로 접촉한다. 도 3c 에 부분적으로 도시된 확장 게이트 전극 FET (144) 는 소스 전극 (122) (도시되지 않음) 및 드레인 전극 (124) (도시되지 않음) 을 더 포함한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c 는 도 3a 및 도 3c 에 도시된 유형의 분석물 검출기 (110) 로 기록된 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 4a 및 도 4b 는 MES (2-(N-모르폴리 )에탄설폰산) 완충액에서 0 분 (232), 5 분 (234) 및 10 분 (236) 의 배양에 상응하는 3 가지 상이한 측정에 대해 게이트 전압 Vg 의 함수로서 드레인 전류 Id 를 플로팅하는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정으로 기록된 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 4a 및 도 4b 에서, 대부분의 부분에서, 3 개의 상이한 측정의 3 개의 그래프가 중첩하여, 서로 구별할 수 없거나 거의 구별가능하지 않다. 도 4a 와 도 4b 는 각각 전계 효과 트랜지스터 기반 측정을 위한 완충액의 안정적이고 재현가능한 기준선을 보여준다. 도 4c 는 완충액에서의 0 분 (232), 5 분 (234) 및 10 분 (236) 의 배양에 대응하는 3 개의 상이한 측정에 대해 교류 전압의 주파수 f 의 함수로서 임피던스 Z 의 크기 (좌측의 y 축) (186) 및 위상 시프트 각도 (θ) (우측의 y 축) (184) 를 플로팅하는 전기 화학적 측정의 측정 다이어그램 (152) 이다. 측정 다이어그램 (152) 은 3 개의 임피던스 측정 및 3 개의 위상 시프트 각도 (θ) 측정을 도시한다. 다시, 임피던스에 대해 그리고 위상 시프트 측정에 대해서 모두, 대부분의 부분에서, 3 개의 상이한 측정의 3 개의 그래프가 중첩하여, 서로 구별할 수 없거나 거의 구별가능하지 않다.
다목적 전극 (112) 은 도 7b 및 도 9c 에 도시된 바와 같이 그것의 표면 (155) 에 노출된 적어도 하나의 기능성 컴포넌트 (153) 를 포함할 수도 있으며, 적어도 하나의 기능성 컴포넌트 (153) 는 분석물과 상호 작용하도록 구성될 수도 있다. 기능성 컴포넌트 (153) 는 적어도 하나의 분석물과 결합할 수 있는 적어도 하나의 수용체 화합물을 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 분석물을 검출할 수 있는 수용체 화합물은 항체 및 이의 단편, 앱타머, 펩티드, 효소, 핵산, 수용체 단백질 또는 이의 결합 도메인 및 염석 효과를 매개할 수 있는 친수성 중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 도 5 는 유체 샘플 (111) 에 노출 가능한 금 층 (150) 을 갖는 확장 게이트 전극 (146) 을 포함하는 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (144) 를 포함하는 분석물 검출기 (110) 로 기록된 데이터를 표시하는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 이 경우, 다목적 전극 (112) 은 금 층 (150) 을 포함하는 확장 게이트 전극 (146) 을 포함할 수도 있다. 도 5 는 3 개의 상이한 측정 상황들에 대한, 즉 베어 (bare) 골드 (154) 의 금 층 (150) 을 갖는 확장 게이트 전극 (146) 을 사용하는, 금 층 (150) 상의 이중 가닥 DNA (156) 의 고정화 후 금 층 (150) 을 갖는 확장 게이트 전극 (146) 을 사용하는 및 금 층 (150) 상의 이중 가닥 DNA (158) 의 탈혼성화 후 금 층 (150) 을 갖는 확장 게이트 전극 (146) 을 사용하는 드레인 전류 Id 대 게이트 전압 Vg 를 플로팅하는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정을 보여준다. 도 5 에서 알 수 있는 바와 같이, 전계 효과 트랜지스터 기반 측정은 확장 게이트 전극 (146) 상의 이중 가닥 DNA 분자의 존재 (그래프 156) 와 탈혼성화 후의 확장 게이트 전극 (146) 상의 단일 가닥 DNA 분자의 존재 (그래프 158) 사이를 명확하게 구분할 수 있다.
분석물 검출기 (110) 는 또한 전기 화학 측정을 위해, 예를 들어 도 6 의 측정 다이어그램 (152) 에서 볼 수 있는 바와 같이 다목적 전극 (112) 의 금 층 (150) 상의 단일 가닥 DNA 의 존재 (그래프 160) 와 단일 가닥 DNA 의 부재 (그래프 154) 사이를 구별할 수 있을 수도 있는 임피던스 측정을 위해 사용될 수도 있다. 도 6 의 측정 다이어그램 (152) 은 방금 설명된 두 가지 상이한 측정 상황들에 대한 임피던스의 음의 허수 부분 Z'' 대 임피던스의 실수 부분 Z' 을 플로팅한다.
도 7a 및 도 7b 는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정 (도 7a) 및 전기 화학 측정 (도 7b) 양자 모두에서 단일 가닥 DNA 의 존재 (160) 와 이중 가닥 DNA 의 존재 (161) 사이를 구별하는 분석물 검출기 (110) 의 능력을 다시 도시한다. 도 7a 는 2 개의 상이한 측정 상황, 즉 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (144) 의 확장 게이트 전극 (146) 의 금 층 (150) 상의 프로브 DNA 로서의 단일 가닥 DNA 의 존재 (160) 및 1 μM 의 단일 가닥 표적 DNA 의 첨가 후의 단일 가닥 표적 DNA 와의 단일 가닥 프로브 DNA 의 혼성화의 결과로서의 이중 가닥 DNA 의 존재 (161) 에 대한 드레인 전류 Id 대 게이트 전압 Vg 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 따라서, 이러한 예에서, 단일 가닥 프로브 DNA 는 기능성 컴포넌트 (153) 로서 작용한다. 도 7b 는 방금 설명한 것과 동일한 두 가지 측정 상황에 대한 교류 전압의 주파수 f 의 함수로서 임피던스 Z 의 크기와 위상 시프트 각도 θ 를 플로팅한다. 단일 가닥 DNA 의 존재 (160) 및 이중 가닥 DNA 의 존재 (161) 에서의 위상 시프트 각도 (θ) 에 대응하는 2 개의 그래프는 서로 명확하게 구별 가능하다.
도 8a 및 도 8b 는 금 층 (150) 상에 고정화된 단일 가닥 프로브 DNA 를 갖는 금 층 (150) 을 포함하는 확장 게이트 전극 (146) 을 갖는 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (144) 를 사용하는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정에 기초한 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 8a 는 1 nM 표적 DNA 의 존재 (163) 및 표적 DNA 의 부재 (162) 하에서 기준 전극 (132) 의 전위 Vref 의 함수로서 드레인 전류 Id 를 플로팅한다. 전계 효과 트랜지스터 기반 측정은 화살표로 표시된 바와 같이 표적 DNA 의 존재 (160) 하에서 전위 시프트 (ΔV) 를 명확하게 검출할 수 있다. 도 8b 는 완충 용액 (10 mM 및 100 mM) 의 2 가지 상이한 이온 강도에 대한 표적 DNA 농도의 함수로서 전위 시프트 ΔV 를 플로팅한다. 전위 시프트 ΔV 의 크기는 더 낮은 이온 강도 완충액에서 표적 DNA 농도가 증가하고 Debye 길이가 증가함에 따라 증가한다.
도 9a 및 도 9b 는 항-TSH 항체를 지니는 아미노티오페놀 단일층 (164) 으로 변형된 금 층 (150) 을 갖는 다목적 전극 (112) 을 포함하는 분석물 검출기 (110) 의 전기 화학 측정 장치 (116) 를 사용하여 수행된 전기 화학 측정에 기초한 측정 다이어그램 (152) 을 도시하며, TSH 는 갑상선 자극 호르몬의 약자이다. 도 9a 는 4 가지 상이한 측정 상황에 대해, 즉 다목적 전극 (112) 의 금 층 (150) 이 베어 골드 (154) 또는 아미노티오페놀 단일층 (164) 으로 커버된 금이거나, 또는 아미노티오페놀 단일층 (164) 으로 커버된 금이 항 TSH 항체 (166) 로 추가로 변형된 채로 또는 50 mM MES 완충액 (pH = 7) 에서 1 pM 의 TSH 167 의 추가적인 존재하에서, 인가된 전압 V 의 함수로서 다목적 전극 (112) 과 카운터 전극 (168) 사이의 전류 ICV 를 플로팅하는 순환 전압 전류 측정을 보여준다. 도 9b 는 도 9a 에 대해 방금 설명한 것과 동일한 4 가지 측정 상황에 대해 리액턴스 X, 즉 임피던스 Z 의 허수부 대 저항 R, 즉 임피던스 Z 의 실수부를 플로팅한다. 도 9a 에 도시된 순환 전압 전류 측정 및 도 9b 에 도시된 임피던스 측정 양자 모두는 분석물 검출기 (110) 가 1 pM 의 TSH 만큼 작게 검출할 수 있음을 보여주어, 분석물 검출기 (110) 의 잠재적인 높은 감도 및 의료 응용 분야에서의 그 잠재적 용도를 나타낸다. 도 9c 는 기능성 컴포넌트 (153) 로서 항-TSH 항체 (166) 를 포함하는, 도 9a 및 도 9b 의 전기 화학적 측정에 사용되는 다목적 전극 (112) 의 층화된 변형의 개략도를 도시한다. 구체적으로, 본 실험 또는 다른 실험에서 또는 본 실시형태에서 또는 다른 실시형태에서, 구체적으로 도 11, 도 19 및 도 20 에서 사용 및/또는 기술되는 항-TSH 항체는 항-TSH F(ab')2 단편으로도 표시될 수 있는 항-TSH 항체의 항-TSH F(ab')2-단편일 수도 있다.
도 10a 및 도 10b 는 리액턴스 X, 즉 임피던스 Z 의 허수 부분 대 저항 R, 즉 임피던스 Z 의 실수 부분을 플로팅하는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 10a 의 경우에, 다목적 전극 (112) 은 도 9c 에 도시된 바와 같이 단일층 (164) 및 항-TSH 항체 (166) 로 변형된 금 층 (150) 을 갖는다. 다목적 전극 (112) 과 카운터 전극 (168) 사이에서 수행되는 임피던스 측정은 5 개의 상이한 농도의 TSH 사이를 명확하게 구별할 수 있다. 도 10b 의 경우에, 임피던스 측정은 다목적 전극 (112) 의 금 층 (150) 의 추가적인 변형의 부재하에서, 따라서 항-TSH 항체의 부재하에서, 및 TSH 의 부재 하에서 아미노티오페놀 단일층 (164) (자체 조립 SAM) 을 보유하는 금 층 (150) 을 갖는 다목적 전극 (112) 과 카운터 전극 (168) 사이에서 수행된다. 아미노티오페놀 단일층 (164) 은 자체 조립 단일층 (SAM) 일 수도 있다. 6 개의 임피던스 측정의 드리프트는 측정 프로세스 동안 경과된 시간으로 인한 것일 수도 있다.
도 11 은 기능성 컴포넌트 (153) 로서 항-TSH F(ab')2 항체 단편 (170) 으로 변형된 금 층 (150) 을 갖는 확장 게이트 전극 (146) 을 갖는 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용한 전계 효과 트랜지스터 기반 측정에 기초한 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 단편 (170) 은 짧은 (0.5 kDa) 이기능 PEG 링커 분자 (각각 금 층 (150) 및 항-TSH F(ab') 항체 단편 (170) 에 PEG 를 부착시키는 티올 및 카르복실기) 를 통해 확장 게이트 전극 (146) 상에 고정화된다. 또한, 긴 (10kDa) 단기능 (티올화된) PEG 가 탈염제로서 금 층 (150) 에 첨가된다. 세로축에는, 전압 시프트 ΔV 가 mol/l 로 표시되는 화합물 (분석물 TSH 또는 대조 샘플 BSA) 의 농도 c 의 함수로서, 밀리볼트 (mV) 로 묘사되어 있으며, BSA 는 소 혈청 알부민을 나타낸다. 도 11 에 도시된 결과는 확장 게이트 전극 (146) 이 항-TSH F(ab')2 항체 단편 (170) 으로 변형될 때 분석물 검출기 (110) 가 TSH 와 BSA 의 존재 사이와 상이한 농도의 TSH 사이를 구별할 수 있음을 명확히 보여준다.
분석물 검출기 (110) 는 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 포함한다. 다목적 전극 (112) 은 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 게이트 전극 (120) 및 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 채널 (126) 로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트와 적어도 부분적으로 동일할 수도 있다. 도 12a 는 소스 전극 (122) 및 드레인 전극 (124), 채널 (126) 및 게이트 전극 (120) 을 포함하는 액체-게이트 FET 로서 구현된 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 도시한다. 이 경우, 도 12a 의 게이트 전극 (120) 은 기준 전극 (132) 및 전도성 전해질 용액 (238) 을 포함한다. 도 12a 의 다목적 전극 (112) 은 채널 (126) 과 적어도 부분적으로 동일하다. 도 12a 의 채널 (126) 은 그래핀 층 (172) 을 포함한다. 따라서, 이 경우에, 반도전성 층 (148) 은 그래핀 층 (172) 과 동일하다. 그래핀 층 (172) 은 분석물에 접근 가능한 표면 (130) 을 포함한다. 도 12a 에 도시된 전계 효과 트랜지스터 (114) 는 기준 전극 (132) 을 더 포함한다. 도 12b 는 도 12a 에 개략적으로 도시된 유형의 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 부분도를 도시한다. 도 12c 는 상이한 pH 값에 대한 전압 Vref 의 함수로서 전류 Id 를 플로팅하는 도 12a 에 개략적으로 도시된 유형의 분석물 검출기 (114) 로 기록된 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다.
분석물 검출기 (110) 는 다목적 전극 (112) 을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하기 위해 구성된 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치 (116) 를 포함한다. 전기 화학 측정 장치 (116) 는 이 도면에 도시되지 않았으며 다목적 전극 (112) 에 전기적으로 연결되어 추가될 수도 있다. 전기 화학 측정은 순환 전압 전류법 측정; 임피던스 측정; 전위차 측정; 전류 측정법; 전기 화학 임피던스 분광법; 전압 전류법; 전류법; 전위차법; 전기량법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 측정을 포함할 수도 있다. 도 13a 및 도 13b 는 전기 화학 측정, 즉 순환 전압 전류 측정 (도 13a) 및 임피던스 측정 (도 13b) 에 기초한 측정 다이어그램 (152) 을 도시하며, 여기서 도 12a 및 도 12b 에 기술된 그래핀 층 (172) 은 전기 화학 측정에서 다목적 전극 (112) 으로서 작용했다. 도 13a 에 도시된 측정 다이어그램 (152) 은 인가된 전압 V 의 함수로서 다목적 전극 (112) 과 카운터 전극 (168) 사이에서 측정된 전류 ICV 를 플로팅한다. 도 13b 에 도시된 측정 다이어그램 (152) 은 임피던스 Z'' 의 음의 허수 부분 (종종 "리액턴스” X 로도 지칭되는 허수 부분) 대 임피던스 Z '의 실수 부분 (또한 종종 "저항” R 으로도 지칭됨) 을 플로팅한다. 도 13c 및 도 13d 는 도 13a 및 도 13b 의 측정 다이어그램 (152) 에 도시된 전기 화학 측정에서 다목적 전극 (112) 으로 작용한 그래핀 층 (172) 을 포함하는 동일한 다목적 전극 (112) 을 사용하여 수행된, 전계 효과 트랜지스터 기반 측정에 기초한 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 13c 의 측정 다이어그램 (152) 에 도시된 데이터는 이온 감응성 전계 효과 트랜지스터 (114) 로서 구현된 전계 효과 트랜지스터 (114) 로 기록되었다. 도 13d 의 측정 다이어그램 (152) 에 도시된 데이터는 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (114) 로서 구현된 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하여 기록되었다. 도 13c 와 도 13d 양자 모두는 게이트 전압 Vg 의 함수로서 플로팅된 드레인 전류 Id 를 보여준다.
그래핀 층 (172) 은 도 15a 에서 알 수 있듯이 금속 입자 (174) 에 의해, 특히 금 입자 (176) 에 의해 적어도 부분적으로 커버될 수도 있다. 도 14a 내지 도 14d 는 금 입자 (174) 로 부분적으로 커버되어 있는 다목적 전극 (112) 의 그래핀 층 (172) 을 갖는 도 13a 내지 도 13d 에 도시된 측정 다이어그램에 대응하는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 15b 및 도 15c 는 하룻밤 동안의 물리적 흡착 (도 15b) 및 5 분의 전착 (도 15c) 에 의해 증착된 금 입자 (176) 를 갖는 그래핀 층 (172) 을 도시한다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c 는 금 입자 (176) 로 부분적으로 덮인 그래핀 층 (172) 을 포함하는 다목적 전극 (112) 을 사용하여 분석물 검출기 (110) 로 기록된 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 15c 에 도시된 바와 같이, 금 입자 (176) 는 전착에 의해 그래핀 층 (172) 상에 증착될 수도 있다. 전착 지속 시간은 변할 수있다. 도 16a 는 금 입자 (176) 에 의해 부분적으로 덮인 그래핀 층 (172) 을 포함하는 게이트 전극 (120) 을 사용하여 수행된 여러 전계 효과 트랜지스터 기반 측정을 도시하며, 여기서 그래핀 층 (172) 상의 금 입자 (176) 의 증착의 지속 시간은 0 내지 80 분 사이에서 변화하였다. 유사하게, 도 16b 는 금 입자 (176) 에 의해 부분적으로 덮인 그래핀 층 (172) 을 포함하는 다목적 전극 (112) 을 사용하여 수행된 여러 임피던스 측정을 도시하며, 여기서 그래핀 층 (172) 상의 금 입자 (176) 의 증착의 지속 시간은 0 내지 30 분 사이에서 변화하였다. 도 16c 는 80 분의 증착 지속 시간 후에 수행 된 상응하는 측정을 도시한다.
도 17 은 전류 측정을 나타내는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 다목적 전극 (112) 과 카운터 전극 (168) 사이의 전류 I 는 3 개의 상이한 측정에 대한 시간 t 의 함수로서 플로팅되며, 여기서 각각의 측정은 그래핀 층 (172) 을 포함하는 다목적 전극 (112) 을 사용하며, 여기서 그래핀 층 (172) 은 그 위에 증착된 금속 입자 (174) 를 갖지 않거나 그래핀 층 (172) 은 40 분 (40') 또는 60 분 (60') 동안 전착에 의해 그 위에 증착된 금 입자 (176) 를 갖는다. 도 17 에 도시된 3 가지 전류 측정은 3 가지 상이한 농도의 전기 활성 종 [Fe(CN)6]4- : 2.5, 12.5 및 25 mM 의 존재하에 수행되었다. [Fe(CN)6]4- 농도가 증가함에 따라 전류가 증가한다. 관찰된 전류 변화는 그 위에 증착된 금 입자 (176) 를 갖는 그래핀 층 (172) 에 대해 더욱 확연하며, 60 분의 증착 시간은 40 분의 증착 시간은 보다 더 높은 감도를 야기한다.
전계 효과 트랜지스터-기반 측정 및 전기 화학 측정 둘 다는 도 18a 및 도 18b 의 측정 다이어그램 (152) 에서 도시된 바와 같이 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 의 존재하에서, 특히 피렌 PEG (P-PEG) 및/또는 티올화된 PEG (S-PEG) 의 존재하에 수행 될 수도 있다. 도 18a 는 게이트 전압 Vg 의 함수로서 드레인 전류 Id 를 플로팅하는 전계 효과 트랜지스터 기반 측정의 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 측정은 40 분 동안의 전착에 의해 그래핀 층 (172) 상에 증착된 금 입자 (176) 에 의해 부분적으로 덮인 그래핀 층 (172) 을 포함하는 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하여 수행되었다. 전계 효과 트랜지스터 기반 측정은 PEG 178 의 부재하에서 또는 피렌 PEG 180 의 존재하에서 또는 티올화된 PEG 182 의 존재하에서 수행되었다. 유사하게, 도 18b 는 PEG 178 의 부재하에서 또는 피렌 PEG 180 의 존재하에서 또는 티올화된 PEG 182 의 존재하에서 수행된 임피던스 측정의 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다.
분석물 검출기 (110)는 도 10a, 도 19b 및 도 19c 에 도시된 바와 같이 전계 효과 트랜지스터 기반 측정을 통해 및/또는 전기 화학 측정을 통해, 특히 도 20 에 도시된 바와 같은 임피던스 측정을 통해 TSH 를 검출하고 및/또는 TSH 의 상이한 농도들 사이를 구별할 수 있을 수도 있다. 다목적 전극 (112) 은 도 19a 에 도시된 바와 같이 그래핀 층 (172) 을 포함할 수도 있다. 그래핀 층 (172) 은 다목적 전극 (112) 상으로 그래핀 전사에 의해 제조될 수도 있다. 그래핀 층 (172) 은 도 19a 에 도시된 바와 같이 항-TSH 항체 (170), 특히 F(ab)'2 TSH-항체 단편을 포함할 수도 있는 기능성 컴포넌트 (153) 에 대한 결합 부위로서 적어도 부분적으로 작용할 수도 있는 PEG 의 첨가에 의해, 특히 티올화된 PEG (S-PEG) 의 첨가에 의해, 구체적으로 짧은 (0.5 kDa) 이기능 카르복실화된 티올 PEG (SH-PEG-COOH) 240 의 첨가에 의해 변형될 수도 있다. 그래핀 층 (172) 은 또한 유효한 Debye 길이를 증가시킬 수도 있는 긴 (10 kDa) 단기능 메톡시-말단 티올 PEG (SH-PEG-OCH3) (242) 의 공-고정화 (co-immobilization) 에 의해 변형될 수도 있다. PEG 의 티올기는 말레이미드 케미스트리를 통해 그래핀 층 (172) 상의 피렌 링커에 부착될 수도 있다. 도 19b 및 도 19c 는 도 19a 에 도시된 유형의 다목적 전극 (112) 을 사용하여 기록되는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 19b 에서 전류 Id 는 기준 전극 (132) 의 전압 Vref 의 함수로서 플로팅된다. 도 19c 는 본 실험에서 분석물로서 작용하는 TSH 의 농도 c 또는 본 실험에서 대조 샘플로 작용하는 BSA 의 농도의 함수로서 전압 시프트 ΔVCNP 를 플로팅한다. 여기서 CNP 는 전하 중성점을 의미한다. 도 19c 에 도시된 시프트 ΔVCNP 는 TSA (190, 192, 200, 202, 204, 206, 208) 를 포함하는 샘플에 대응하는 그래프의 최소값의 x 좌표와 TSH 가 없는 샘플에 대응하는 그래프 (188) 의 x 좌표 사이의 차이로서 도 19b 의 측정 다이어그램 (152) 으로부터 계산될 수도 있다. 도 19c 의 x 축은 농도 c 를 로그 스케일로 표시한다. 도 19b 및 도 19c 는 분석물 검출기 (110) 가 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하여 적어도 6 개의 상이한 농도의 TSH 사이를 명확하게 구별할 수 있음을 도시한다. 도 19a 에 도시된 유형의 다목적 전극 (112) 은 또한 도 20 에 도시된 임피던스 측정을 위해 사용될 수도 있다. 도 20 은 리액턴스 X 대 임피던스 R 을 플로팅하는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 20 은 분석물 검출기 (110) 가 전기 화학 측정 장치 (116), 특히 임피던스 측정을 사용하여 1 nM 의 TSH (194) 를 재현가능하게 검출 할 수 있음을 도시한다.
분석물 검출기 (110) 는 또한 기체 분석물의 분석을 위해 구성 될 수 있다. 특히, 분석물 검출기 (110) 는 적어도 하나의 혈액 가스, 특히 CO2 의 분석을 위해 구성될 수도 있다. 도 21a 는 다목적 전극 (112) 이 막 (214) 에 의해 적어도 부분적으로 덮여있는 분석물 검출기 (110) 의 부분도를 도시한다. 막 (214) 는 PDMS 을 포함하거나 그것으로 이루어질 수도 있다. 막 (214) 은 분석물에 의해 적어도 부분적으로 투과 가능할 수도 있다. 도 21a 의 단면도에 도시된 바와 같은 분석물 검출기 (110) 는 막 (216) 과 다목적 전극 (112) 사이의 공간 (216) 을 추가로 포함할 수도 있다. 공간 (216) 은 도 21a 에 도시 된 바와 같이 전해질 (218) 로, 구체적으로는 하이드로겔 전해질로, 보다 구체적으로는 아가로스 하이드로겔에 용해된 중탄산염 완충액으로 부분적으로 채워질 수도 있다. 도 21a 에 도시된 다목적 전극 (112) 은 pH 에 민감할 수도 있는 표면 (130) 을 가질 수도 있다. 도 21b 는 mm Hg 의 단위로 제공되는 5 개의 상이한 CO2 부분 압력에 대한 전압 Vref 의 함수로서 전류 Id 를 로그 스케일로 플로팅하는 측정 다이어그램 (152) 을 도시한다. 도 21b 에 도시된 측정은 도 21a 에 도시된 유형의 분석물 검출기 (110) 에 의한 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 기반 측정으로 기록된다. 도 21c 는 CO2 부분 압력의 함수로 전압 시프트 ΔV 를 플로팅하는 측정 다이어그램 (152) 를 도시하며, CO2 부분 압력은 x 축에서 로그 스케일로 주어진다. 측정 다이어그램 (152) 에 디스플레이된 데이터 포인트는 도 21b 에 디스플레이된 데이터로부터 도출된다. 도 21b 및 도 21c 는 분석물 검출기 (110) 가 탈이온수 (220) 와 적어도 5 개의 상이한 CO2 부분 압력 (222, 224, 226 및 228) 사이를 구별할 수 있음을 보여준다.
도 22a 내지 도 22d 는 TSH 분자 (199) 의 커패시턴스 측정 (도 22a 및 도 22b) 및 트랜지스터 기반 측정 (도 22c 및 도 22d) 의 형태의 전기 화학 측정의 측정 다이어그램들 (152) 을 도시하며, 양 측정들은 동일한 다목적 전극 (112) 을 사용한다. 따라서, 이러한 특정의 예에서, 다목적 전극 (112) 은 하나의 동일한 다목적 전극 (112) 을 이용하는 하나의 트랜지스터 기반 방법 및 하나의 전기 화학적 방법의 두 가지 상이한 측정 기술을 사용하여 분석물 TSH (199) 를 검출하는데 사용된다. 사용된 다목적 전극 (112) 은 도 19a 에 도시되고 대응하는 텍스트 문단에 기술된 유형이다. 특히, 도 22a 내지 도 22d 의 측정 다이어그램 (152) 에 도시된 바와 같은 TSH 분자 (199) 검출에 사용되는 다목적 전극 (112) 은 이 경우에 항-TSH 항체 (170), 특히 F(ab')2 TSH-항체 단편을 포함하는, 기능성 컴포넌트 (153) 에 대한 결합 부위로서 적어도 부분적으로 작용할 수도 있는 짧은 (약 0.5 kDa) 이기능 카르복실화된 PEG 240 에 의해 변형된 그래핀 층 (172) 을 포함한다. 그래핀 층 (172) 은 또한 유효한 Debye 길이를 증가시킬 수도 있는 긴 (10 kDa) 단기능 메톡시-말단 티올 PEG (SH-PEG-OCH3) (242) 의 공-고정화 (co-immobilization) 에 의해 변형될 수도 있다. 도 22a 는 유체 샘플이 TSH 분자 (199) 가 없는 완충액이거나 유체 샘플이 다음의 TSH 농도들 중 하나를 포함하는 완충액인 5 개의 상이한 상황에 적용되는 교류 전압의 Hz 단위의 주파수 f 의 함수로서 μF 단위의 커패시턴스 C 를 보여준다: 0.1 nM TSH, 1 nM TSH, 10 nM TSH 또는 100 nM TSH. 상이한 TSH 농도는 각각 참조 번호 244, 246, 248, 250 및 252 로 표시된다. 도 22b 는 10-1 Hz에서 교번하는 전압에 대한 nm 단위의 TSH 분자 (199) 의 농도의 함수로서 μF 단위의 커패시턴스 C 를 보여주며, 여기서 TSH 분자 (199) 의 농도는 로그 스케일로 플로팅된다. TSH 분자 (199) 가 없는 완충액의 커패시턴스 C 는 대응하는 참조 번호 (244) 로 표시된 직선에 의해 도 22b 에 표시된다. 도 22c 에서 전류 Id 는 유체 샘플이 TSH 분자 (199) 가 없고 BSA 가 없는 완충액이거나 유체 샘플이 100 nM BSA 를 포함하고 TSH 분자 (199) 가 없는 완충액이거나 유체 샘플이 다음의 TSH 농도 중 하나를 포함하고 BSA 가 없는 완충액인, 7 개의 상이한 상황에 대한 FET (114) 의 게이트 전극 (120) 의 게이트 전압 Vg 의 함수로서 플로팅된다: 100 fM TSH, 1 pM TSH, 50 pM TSH, 100 pM TSH 또는 1 nM TSH. 상이한 농도의 TSH (199) 및 BSA 는 각각 참조 번호 254, 256, 258, 260, 262, 264 및 266 으로 표시된다. 도 2 에 도시된 바와 같은 측정 설정이 사용되었다.
도 22d 는 TSH (199) 의 농도의 함수로서 전압 시프트 ΔVCNP 를 플로팅한다. 여기서 CNP 는 전하 중성점을 의미한다. 시프트 ΔVCNP 는 TSH (258, 260, 262, 264 및 266) 또는 BSA (256) 를 포함하는 샘플에 대응하는 그래프의 최소값의 x 좌표와 TSH 및 BSA 가 없는 샘플 (254) 에 대응하는 그래프의 x 좌표 사이의 차이로서 도 22c 의 측정 다이어그램 (152) 으로부터 계산될 수도 있다. 도 22d 의 x 축은 TSH 의 농도를 로그 스케일로 표시한다. 100 nM BSA 를 포함하고 TSH 분자 (199) 를 포함하지 않는 완충액을 함유하는 샘플 (256) 의 시프트 ΔVCNP 는 상응하는 참조 번호 256 으로 표시된 직선 점선으로 도 22d 에 표시되어 있다.
도 22b 및 도 22d 는 전기 화학 측정 및 트랜지스터 기반 측정 양자 모두를 이용함으로써 분석물 검출기 (110) 의 측정 범위가 단지 하나의 측정 방법을 이용하는 분석물 검출기와 비교하여 상당히 향상될 수 있음을 보여준다. 이러한 특정 예에서, 커패시턴스 측정으로서 수행된 전기 화학 측정의 측정 범위는 주로 나노 몰 (nM) 범위를 커버하는 반면, 트랜지스터-기반 측정의 측정 범위는 주로 피코 몰 (pM) 범위를 커버한다. 따라서, 전기 화학 측정에 더하여 트랜지스터 기반 측정의 사용은 분석물 검출기 (110) 의 측정 범위를 실질적으로, 예를 들어 1 또는 심지어 수 오더의 크기 만큼 확대할 수도 있다.
도 23a 는 도 22c 및 도 22d 에 표시된 데이터를 획득하기 위해 사용된 것과 동일한 유형의 전계 효과 트랜지스터 (114) 로 수행된 TSH (199) 의 트랜지스터 기반 측정의 추가의 예를 도시한다. 도 23a 에서 전류 Id 는 유체 샘플이 TSH 분자 (199) 가 없는 완충액이거나 유체 샘플이 다음의 TSH 농도들 중 하나를 포함하는 완충액인 8 가지 상이한 상황들에 대한 FET (114) 의 게이트 전극 (120) 의 게이트 전압 Vg 함수로서 플로팅된다: 10 fM TSH, 1 pM TSH, 10 pM TSH, 50 pM TSH, 100 pM TSH, 1 nM TSH 또는 10 nM TSH. 상이한 TSH 농도는 각각 참조 번호 268, 270, 272, 274, 276, 278, 280 및 281 로 표시된다. 도 23b 는 제 1 세트의 측정을 구성하는, 도 23a 에 표시된 데이터에 대한 TSH (199) 의 농도의 함수로서 전압 시프트 ΔVCNP 를 플로팅한다. 도 23a 의 데이터로부터 계산된 ΔVCNP 값들은 참조 부호 282 로 표시된다. 시프트 ΔVCNP 는 도 22c 및 도 22d 에 대해 위에서 기술된 바와 같이 도 23a 의 측정 다이어그램 (152) 으로부터 계산될 수도 있다. 도 23b 는 또한 제 2 세트의 측정을 구성하는, 별개의 FET 측정으로부터 기원하는 ΔVCNP 값들을 플로팅한다. 제 1 세트 및 제 2 세트의 측정들은 별개의 FET (114) 로 수행되었다. 제 2 세트의 측정의 경우, 계산된 ΔVCNP 값들이 플로팅된다. 이들 ΔVCNP 값들은 참조 부호 284 로 표시된다. 참조 번호 270 으로 표시되는 10 fM 의 TSH 농도의 경우, 제 1 세트의 측정 (282) 및 제 2 세트의 측정 (284) 의 측정들이 중첩한다. ΔVCNP 의 형성을 위한 기준점은 이 경우에 실시간 측정을 사용하여 결정되었고 여기에 도시되지 않는다.
도 23a 및 도 23b 는 다시 분석물 검출기 (110) 의 FET 기반 측정이 피코 몰 범위를 포함하는 측정 범위를 커버한다는 것을 예시한다.
도 24a 내지 도 24d 는 포도당의 순환 전압전류 측정 (도 24a 및 도 24b) 및 트랜지스터 기반 측정 (도 24c 및 도 24d) 의 형태의 전기 화학 측정의 측정 다이어그램들 (152) 을 보여준다. 다시, 양 측정들은 동일한 다목적 전극 (112) 을 채용한다. 따라서, 이러한 특정의 예에서, 다목적 전극 (112) 은 하나의 동일한 다목적 전극 (112) 을 이용하는 2 개의 상이한 측정 기법들, 즉 하나의 트랜지스트 기반 방법 및 하나의 전기 화학 방법을 사용하여 분석물 포도당을 검출하기 위해 사용된다. 포도당 검출의 경우, 그래핀 층 (172) 을 포함하는 다목적 전극 (112) 이 사용되며, 여기서 그래핀 층 (172) 은 바람직하게는 링커로서 1-피레네부티르산 N-하이드록시숙신이미드 에스테르 (PBA-NHS) 를 통해 포도당 탈수소효소 (GDH) 가 그래핀 층 (172) 상에 고정화되도록 변형된다. PBA-NHS 의 고정화는 바람직하게는 그래핀 층 (172) 에 용매, 바람직하게는 에탄올 중에 예를 들어 1 mM 의 농도로 PBA-NHS 를 적용함으로써 발생한다. 추가의 단계에서, GDH 는 바람직하게는 1 mg/mL 의 농도로 첨가될 수도 있다. 더욱이, 페로센메탄올 (FcMeOH) 과 같은 산화환원 매개체가 첨가될 수도 있다. 그래핀 층 (172) 상에 고정화된 PBA-NHS 분자는 GDH 분자들과 결합하여 그들을 그래핀 층 (172) 상에 고정화할 수도 있다. GDH 의 존재 하에서, 포도당은 글루코락톤으로 산화될 수도 있는 반면, 플라빈 아데닌 디뉴클레오디드 (FAD) 는 FADH2 로 환원될 수도 있다. FcMeOH 과 같은 산화환원 매개체의 존재 하에서, FADH2 는 FcMeOH 과 같은 산화환원 매개체를 환원시키면서 FAD 로 산화될 수도 있으며, 이것은 다목적 전극 (112) 으로 전자를 전달할 수도 있다. 포도당 검출을 위해, 다목적 전극 (112) 이 FET (114) 의 게이트 전극 (120) 으로서 사용되고 도 24c 및 도 24d 에 도시된 바와 같이 분석물 검출기 (110) 의 FET 기반 측정을 통해 포도당 검출을 허용할 수도 있다. 전기 화학 측정을 사용하는 포도당의 검출의 경우, 다목적 전극 (112) 은 또한 예를 들어 도 24a 및 도 24b 에 도시된 바와 같은 순환 전압전류 측정을 위한 작동 전극으로서 사용될 수도 있다. 상술된 산화환원 연쇄 반응은 예를 들어 포도당 농도 및 인가 전위의 함수로서 전류 및/또는 전류 밀도를 검출하는 것을 허용할 수도 있다. 도 24a 는 유체 샘플이 포도당을 갖지 않는 완충액이거나 유체 샘플이 다음의 포도당 농도들 중 하나를 포함하는 완충액인 6 개의 상이한 상황들에 대한 인가 전위 E 대 기준 전극 (Ag/AgCl) 에 대한 ㎂/㎠ 단위의 전류 밀도 j 를 플로팅한다: 1 mM, 2 mM, 5 mM, 10 mM 또는 20 mM. 상이한 포도당 농도들은 각각 참조 번호 286, 288, 290, 292, 294 및 296 에 의해 표시된다. 도 24a 에 표시된 데이터는 전기 화학적 포도당 검출의 제 1 세트의 측정들 (298) 을 구성한다. 도 24b 는 전기 화학적 포도당 검출의 제 1 세트의 측정들 (298) 을 구성하는 도 24a 에 표시된 데이터에 대한 포도당의 농도의 함수로서 ΔI/Iblank 를 플로팅한다. 분자의 농도는 본 문서 전체에 걸쳐 꺾쇠 괄호 내의 분자에 의해 표시될 수도 있다. 도 24b 는 또한 제 2 세트의 측정들 (300) 을 구성하는 별개의 순환 전압전류 측정으로부터 기원하는 ΔI/Iblank 값들을 플로팅한다. 제 1 세트의 측정들 (298) 및 제 2 세트의 측정들 (300) 은 별개의 전기 화학 측정 장치들 (116) 로 수행되었다. 제 2 세트의 측정들 (300) 만의 경우, 계산된 ΔI/Iblank 값들이 플로팅된다. 여기서 I 는 전류 밀도 j 에 대응하는 전류 값이고, Iblank 는 포도당이 없는 완충액을 포함하는 샘플 (286) 에 의해 생성된 전류 값을 표시하며, ΔI 는 양 전류 값들이 피크 값 (~0.3 V) 에서 취해질 때 포도당을 포함하는 샘플의 전류 값과 포도당을 갖지 않는 완충액을 포함하는 샘플 (286) 의 전류 값 사이의 차이이다.
포도당 농도는 또한 상술된 바와 같이 다목적 전극 (112) 을 사용하여 트랜지스터 기반 측정으로 결정될 수도 있으며, 여기서 다목적 전극 (112) 은 게이트 전극 (120) 으로서 작용할 수도 있다. 도 24c 에서, 전류 Id 는 도 2 에 도시된 바와 같은 설정을 사용함으로써 도 24a 및 도 24b 에 도시된 순환 전압전류 측정에 대해 이미 기술된 6 가지 상이한 상황들에 대한 게이트 전압 Vg 의 함수로서 플로팅된다. 도 24d 는 포도당 농도의 함수로서 전압 시프트 ΔVCNP 를 플로팅한다. 시프트 ΔVCNP 는 포도당을 포함하는 샘플에 대응하는 그래프 (288, 290, 292, 294 및 296) 의 최소값의 x-좌표와 포도당을 갖지 않는 샘플에 대응하는 그래프 (286) 의 x-좌표 사이의 차이로서 도 24c 의 측정 다이어그램 (152) 로부터 계산될 수도 있다. 도 24d 의 x-좌표는 로그 스케일로 포도당의 농도를 표시한다. 도 24d 는 참조 번호 302 에 의해 표시되는 제 1 세트의 트랜지스터 기반 포도당 측정들을 구성하는, 도 24c 에 표시된 데이터에 대한 포도당 농도의 함수로서 전압 시프트 ΔVCNP 를 플로팅한다. 도 24c 의 데이터로부터 계산되는 도 24d 의 ΔVCNP 값들은 또한 참조 부호 302 로 표시된다. 도 24d 는 또한 제 2 세트의 측정들 (304) 을 구성하는 별개의 트랜지스터 기반 측정으로부터 기원하는 ΔVCNP 값들을 플로팅한다. 제 1 세트의 측정들 (302) 및 제 2 세트의 측정들 (304) 은 별개의 FET (114) 으로 수행되었다. 제 2 세트의 측정들 (304) 들의 경우, 계산된 ΔVCNP 값들이 플로팅된다.
110 분석물 검출기
111 유체 샘플
112 다목적 전극
114 전계효과 트랜지스터
116 전기 화학 측정 장치
117 제어기
120 게이트 전극
122 소스 전극
124 드레인 전극
126 채널
128 기판
130 표면
132 기준 전극
134 챔버
136 패시베이션 층
138 유체 채널
140 유체 입구
142 유체 출구
144 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터
146 확장 게이트 전극
148 반도전성 층
150 금 층
152 측정 다이어그램
153 기능성 컴포넌트
154 베어 골드
155 다목적 전극 표면
156 이중 가닥 DNA 의 고정화
158 이중 가닥 DNA 의 탈혼성화
160 단일 가닥 DNA 의 존재
161 이중 가닥 DNA 의 존재
162 표적 DNA 의 부재
163 표적 DNA 의 존재
164 아미노티오페놀 단일층
166 항-TSH 항체
167 갑상선 자극 호르몬 (TSH)
168 카운터 전극
170 항-TSH 항체 단편
172 그래핀 층
174 금속 입자
176 금 입자
178 PEG 의 부재
180 피렌 PEG 의 존재
182 티올화된 PEG 의 존재
184 오른쪽의 y 축과 관련된 그래프
186 왼쪽의 y 축과 관련된 그래프
188 TSH 없음
190 10 pM TSH
192 100 pM TSH
194 1 nM TSH
196 10 nM TSH
198 100 nM TSH
199 TSH 분자
200 100 nM BSA
202 100 fM TSH
204 1 pM TSH
206 50 pM TSH
208 1000 pM TSH
210 TSH
212 BSA
214 막
216 공간
218 전해질
220 탈이온수
222 8.36 mm Hg
224 20.9 mm Hg
226 41.8 mm Hg
228 83.6 mm Hg
230 209 mm Hg
232 완충액에서 0 분 배양
234 완충액에서 5 분 배양
236 완충액에서 10 분 배양
238 전도성 전해질 용액
240 짧은 이기능 카르복실화 PEG
242 긴 단기능 메톡시-말단 PEG
244 TSH 없는 완충액
246 0.1 nM 을 갖는 완충액
248 1 nM TSH 를 갖는 완충액
250 10 nM TSH 를 갖는 완충액
252 100 nM TSH 를 갖는 완충액
254 BSH 및 TSH 없는 완충액
256 100 nM BSA 를 갖고 TSH 가 없는 완충액
258 100 fM TSH 를 갖는 완충액
260 1 pM TSH 를 갖는 완충액
262 50 pM TSH 를 갖는 완충액
264 100 pM TSH 를 갖는 완충액
266 1 nM TSH 를 갖는 완충액
268 100 nM BSA 를 갖고 TSH 가 없는 완충액
270 10 fM TSH 를 갖는 완충액
272 1 pM TSH 를 갖는 완충액
274 10 pM TSH 를 갖는 완충액
276 50 pM TSH 를 갖는 완충액
278 100 pM TSH 를 갖는 완충액
280 1 nM TSH 를 갖는 완충액
281 10 nM TSH 를 갖는 완충액
282 제 1 세트의 트랜지스터 기반 TSH 측정
284 제 2 세트의 트랜지스터 기반 TSH 측정
286 포도당없는 버퍼
288 1 mM 포도당을 갖는 완충액
290 2 mM 포도당을 갖는 완충액
292 5 mM 포도당을 갖는 완충액
294 10 mM 포도당을 갖는 완충액
296 20 mM 포도당을 갖는 완충액
298 제 1 세트의 전기 화학 포도당 측정
300 제 2 세트의 전기 화학 포도당 측정
302 제 1 세트의 트랜지스터 기반 포도당 측정
304 제 2 세트의 트랜지스터 기반 포도당 측정
111 유체 샘플
112 다목적 전극
114 전계효과 트랜지스터
116 전기 화학 측정 장치
117 제어기
120 게이트 전극
122 소스 전극
124 드레인 전극
126 채널
128 기판
130 표면
132 기준 전극
134 챔버
136 패시베이션 층
138 유체 채널
140 유체 입구
142 유체 출구
144 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터
146 확장 게이트 전극
148 반도전성 층
150 금 층
152 측정 다이어그램
153 기능성 컴포넌트
154 베어 골드
155 다목적 전극 표면
156 이중 가닥 DNA 의 고정화
158 이중 가닥 DNA 의 탈혼성화
160 단일 가닥 DNA 의 존재
161 이중 가닥 DNA 의 존재
162 표적 DNA 의 부재
163 표적 DNA 의 존재
164 아미노티오페놀 단일층
166 항-TSH 항체
167 갑상선 자극 호르몬 (TSH)
168 카운터 전극
170 항-TSH 항체 단편
172 그래핀 층
174 금속 입자
176 금 입자
178 PEG 의 부재
180 피렌 PEG 의 존재
182 티올화된 PEG 의 존재
184 오른쪽의 y 축과 관련된 그래프
186 왼쪽의 y 축과 관련된 그래프
188 TSH 없음
190 10 pM TSH
192 100 pM TSH
194 1 nM TSH
196 10 nM TSH
198 100 nM TSH
199 TSH 분자
200 100 nM BSA
202 100 fM TSH
204 1 pM TSH
206 50 pM TSH
208 1000 pM TSH
210 TSH
212 BSA
214 막
216 공간
218 전해질
220 탈이온수
222 8.36 mm Hg
224 20.9 mm Hg
226 41.8 mm Hg
228 83.6 mm Hg
230 209 mm Hg
232 완충액에서 0 분 배양
234 완충액에서 5 분 배양
236 완충액에서 10 분 배양
238 전도성 전해질 용액
240 짧은 이기능 카르복실화 PEG
242 긴 단기능 메톡시-말단 PEG
244 TSH 없는 완충액
246 0.1 nM 을 갖는 완충액
248 1 nM TSH 를 갖는 완충액
250 10 nM TSH 를 갖는 완충액
252 100 nM TSH 를 갖는 완충액
254 BSH 및 TSH 없는 완충액
256 100 nM BSA 를 갖고 TSH 가 없는 완충액
258 100 fM TSH 를 갖는 완충액
260 1 pM TSH 를 갖는 완충액
262 50 pM TSH 를 갖는 완충액
264 100 pM TSH 를 갖는 완충액
266 1 nM TSH 를 갖는 완충액
268 100 nM BSA 를 갖고 TSH 가 없는 완충액
270 10 fM TSH 를 갖는 완충액
272 1 pM TSH 를 갖는 완충액
274 10 pM TSH 를 갖는 완충액
276 50 pM TSH 를 갖는 완충액
278 100 pM TSH 를 갖는 완충액
280 1 nM TSH 를 갖는 완충액
281 10 nM TSH 를 갖는 완충액
282 제 1 세트의 트랜지스터 기반 TSH 측정
284 제 2 세트의 트랜지스터 기반 TSH 측정
286 포도당없는 버퍼
288 1 mM 포도당을 갖는 완충액
290 2 mM 포도당을 갖는 완충액
292 5 mM 포도당을 갖는 완충액
294 10 mM 포도당을 갖는 완충액
296 20 mM 포도당을 갖는 완충액
298 제 1 세트의 전기 화학 포도당 측정
300 제 2 세트의 전기 화학 포도당 측정
302 제 1 세트의 트랜지스터 기반 포도당 측정
304 제 2 세트의 트랜지스터 기반 포도당 측정
Claims (19)
- 적어도 하나의 유체 샘플 (111) 에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 분석물 검출기 (110) 로서, 상기 분석물 검출기 (110) 는:
상기 유체 샘플 (111) 에 노출 가능한 적어도 하나의 다목적 전극 (112),
상기 다목적 전극 (112) 과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 (114), 및
상기 다목적 전극 (112) 과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전기 화학 측정 장치 (116) 를 포함하고,
상기 전기 화학 측정 장치 (116) 는 상기 다목적 전극 (112) 을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성되며, 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 는 상기 다목적 전극 (112) 을 사용하여 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 수행하도록 구성되고,
상기 분석물 검출기는 적어도 하나의 제어기 (117) 를 더 포함하고, 상기 제어기 (117) 는 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 및 상기 전기 화학 측정 장치 (116) 에 연결되며,
상기 제어기 (117) 는 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하여 상기 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 제어하도록 구성되고,
상기 제어기 (117) 는 추가적으로 상기 전기 화학 측정 장치 (116) 를 사용하여 상기 적어도 하나의 전기 화학 측정을 제어하도록 구성되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항에 있어서,
상기 제어기 (117) 는 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 드레인 전류를 측정함으로써 상기 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 제어하도록 구성되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제어기 (117) 는 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하는 적어도 하나의 측정 및 상기 적어도 하나의 전기 화학 측정을 순차적으로 트리거링하도록 구성되는, 분석물 검출기 (110). - 제 3 항에 있어서,
상기 제어기 (117) 는 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하는 상기 적어도 하나의 측정 및 상기 적어도 하나의 전기 화학 측정의 시퀀스를 반복적으로 수행하도록 구성되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다목적 전극 (112) 은 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 게이트 전극 (120) 과 전기적으로 접촉하는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다목적 전극 (112) 은 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 게이트 전극 (120) 및 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 채널 (126) 로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트와 적어도 부분적으로 동일한, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 분석물 검출기 (110) 는 적어도 2 개의 전기 전도성 전극들을 상호 연결하는 적어도 하나의 그래핀 층을 포함하고,
상기 그래핀 층은 상기 분석물에 접근 가능하며,
상기 다목적 전극 (112) 은 상기 적어도 2 개의 전기 전도성 전극들 중 적어도 하나, 상기 그래핀 층으로 이루어진 그룹의 적어도 하나의 엘리먼트를 포함하는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 은 상기 전계 효과 트랜지스터 (114) 의 소스 전극 (122) 또는 드레인 전극 (124) 중 하나 또는 양자 모두와 전기적으로 접촉하는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 분석물 검출기 (110) 는 상기 유체 샘플 (111) 에 노출 가능한 적어도 하나의 추가 전극을 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가 전극은 카운터 전극 (168) 및 기준 전극 (132) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 전극을 포함하며, 상기 전기 화학 측정 장치 (116) 는 상기 다목적 전극 (112) 및 상기 추가 전극을 사용하여 상기 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다목적 전극 (112) 은 그 표면에 노출된 적어도 하나의 기능성 컴포넌트 (153) 를 포함하고, 상기 적어도 하나의 기능성 컴포넌트 (153) 는 상기 분석물과 상호 작용하도록 구성되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전기 화학 측정 장치 (116) 는 순환 전압 전류법 측정; 임피던스 측정; 전위차 측정; 전류 측정법; 전기 화학 임피던스 분광법; 전압 전류법; 전류법; 전위차법; 전기량법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하도록 구성되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 분석물 검출기 (110) 는 적어도 하나의 유체 채널 (138) 을 추가로 포함하며, 상기 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 은 상기 유체 채널 (138) 내의 상기 유체 샘플 (111) 과 접촉하도록 배치되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 은 상기 분석물에 의해 투과 가능한 막에 의해 적어도 부분적으로 커버되는, 분석물 검출기 (110). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 (114) 는 이온-감응성 전계 효과 트랜지스터 (ISFET); 화학적으로 민감한 전계 효과 트랜지스터 (ChemFET); 생물학적 전계 효과 트랜지스터 (BioFET); 효소 전계 효과 트랜지스터 (ENFET); 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터 (EGFET); 용액-, 또는 액체-게이트 FET 로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 분석물 검출기 (110). - 적어도 하나의 유체 샘플 (111) 에서 적어도 하나의 분석물을 검출하기 위한 방법으로서,
상기 방법은 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 분석물 검출기 (110) 를 사용하며,
상기 방법은,
a) 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 을 제공하는 단계;
b) 상기 다목적 전극 (112) 과 접촉하는 상기 적어도 하나의 유체 샘플 (111) 을 제공하는 단계;
c) 상기 적어도 하나의 다목적 전극 (112) 과 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 (114) 를 사용하여 적어도 하나의 트랜지스터 측정을 수행하는 단계; 및
d) 상기 다목적 전극 (112) 을 사용하여 적어도 하나의 전기 화학 측정을 수행하는 단계를 포함하는, 분석물을 검출하기 위한 방법. - 제 15 항에 있어서,
방법 단계 c) 에서 적어도 하나의 트랜지스터 측정 값이 생성되고, 방법 단계 d) 에서 적어도 하나의 전기 화학 측정 값이 생성되며, 상기 트랜지스터 측정 값 및 전기 화학 측정 값은 상기 유체 샘플 (111) 에서 상기 적어도 하나의 분석물을 정량적으로 또는 정성적으로 검출하는 것 중 하나 또는 양자 모두를 위해 조합되는, 분석물을 검출하기 위한 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 분석물 검출기 (110) 는 유체에서 적어도 하나의 분석물의 정성적 및/또는 정량적 결정을 위해 사용되는, 분석물 검출기 (110). - 제 10 항에 있어서,
상기 기능성 컴포넌트 (153) 는 적어도 하나의 수용체 화합물을 포함하고, 상기 수용체 화합물은 상기 적어도 하나의 분석물과 결합할 수 있는, 분석물 검출기 (110). - 제 18 항에 있어서,
상기 수용체 화합물은 항체 및 이의 단편, 앱타머, 펩티드, 효소, 핵산, 수용체 단백질 또는 이의 결합 도메인, 및 염석 효과를 매개할 수 있는 친수성 중합체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 상기 적어도 하나의 분석물과 결합할 수 있는, 분석물 검출기 (110).
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