KR20110034661A

KR20110034661A - 마이크로어레이를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스

Info

Publication number: KR20110034661A
Application number: KR1020117002956A
Authority: KR
Inventors: 안토니오 발디콜; 시저 페르난데스 산체스; 로베르토 데 라 리카 퀘사다; 디아나 리셋트 보닐라 아귈라
Original assignee: 콘세호 수페리오르 데 인베스티가시오네스 시엔티피카스
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-04-05
Also published as: EP2302370A1; JP2011527427A; ES2334745A1; CN102089648A; ES2334745B1; WO2010004075A1; US20110152124A1; CA2730644A1

Abstract

본 발명은 세척하여 1회 이상 사용할 수 있는 전기-판독형 마이크로어레이를 위한 디바이스에 관한 것이다. 마이크로어레이(6)를 판독할 수 있는 디바이스(1, 1', 1")가 이하의 요소들, 즉 지지 수단(3, 3', 3")을 포함하는 베이스(2, 2', 2")를 포함하고, 상기 지지 수단은 베이스(2, 2', 2")의 판독 표면(4)과 평행하게 마이크로어레이(6)의 테스트 표면(7)을 위치시키기 위한 것이며, 베이스(2, 2', 2")의 판독 표면(4)상에 배치되고 전기적 값 또는 화학적 값의 변화를 전기적 값의 변화로 변환시키는 변환기들(5, 5', 5")의 매트릭스를 포함하며, 상기 변환기들(5, 5', 5")에 연결되고 변환기들(5, 5', 5")로부터의 전기 신호를 해석하는 판독 수단(10)을 포함한다.

Description

마이크로어레이를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스{ELECTRICAL AND REUSABLE DEVICE FOR READING MICROARRAYS}

본 발명은 전기-판독형 마이크로어레이를 위한 디바이스에 관한 것으로, 상기 디바이스는 세척하여 1회 이상 재사용할 수 있다.

1980년대 말 바이오칩 또는 마이크로어레이의 등장으로 인해 많은 중요한 생물학적 현상의 정량적 해석이 가능하게 되었다. 마이크로어레이는 플랫(평평한) 평면상의 작은 크기(수 nm에서 수 mm)의 반점들 또는 테스트 포인트들의 세트로서, 동시에 여러 테스트가 수행될 수 있도록 함으로써 일련의 분석 시스템에 관한 분석 속도 및 용량을 크게 증가시킬 수 있다.

이러한 요소들은 복잡한 생물학적 표본들의 단백질 함량, 단백질-단백질 상호작용, 단백질-DNA 상호작용, 단백질-리간드 상호작용, DNA 돌연변이의 존재, 유전자 발현 형태 등을 분석하도록 설계된다. 인지 요소로서 항체를 이용하는 마이크로어레이가 서로 다른 유형의 테스트들의 기초가 된다. 서로 다른 유형에는,

- 샌드위치 타입이 있으며, 여기서 분석 대상 물질(analyte)이 지지부 상에 고정된 항체에 의해 포획되어, 마킹된 제 2 항체에 의해 정량화된다.

- 경쟁 타입이 있으며, 여기서 분석 대상 물질의 복사본이 지지부 표면 반점들 상에 고정되고, 상기 분석 대상 물질의 정량화가 마킹된 항체에 기초하여 간접적으로 수행되며, 마킹된 항체들은 분석 대상인 표본이 존재할 때 상기 반점들에 결합된다.

- 역상(reverse phase) 타입이 있으며, 여기서 표본이 지지부의 표면상에 직접 흡수되고, 분석 대상 물질이 마킹된 항체에 의해 인지된다.

전술된 것 모두에서, 항체에 결합된 마크의 검출을 통해 정량화가 수행된다. DNA 칩의 경우에서, 분석 대상인 DNA 또는 RNA 단편에 마크가 결합된다. 이러한 마크들은 광학적(형광 분자, 양자 점(quantum point), 효소(효소의 생성물이 침전됨))일 수 있고, 방사적(방사성 동위원소)일 수 있으며, 또는 전기화학적(효소(효소의 생성물이 전기적 활성이거나 전기적 활성인 나노입자임))일 수 있다. 마지막 유형의 마크는 좀 더 광범위하게 사용되는 형광 마크보다 좀 더 순수하게 전기적이고 그럼으로써 좀 더 소형이고 강건하며 더 저렴한 판독 장치를 이용할 수 있게 하는 이점을 가진다. 시장에서, 이러한 유형의 판독을 이용하는 제품들이 존재한다(예를 들어, COMBIMATRIX Electrasense 판독기(WO 2008051196)). Nanoident Technologies사 또한, 테스트가 수행되는 지지부와 동일한 지지부상에 인쇄된 유기 광다이오드의 매트릭스에 기초하여 마이크로어레이를 전기적으로 판독하기 위한 소형 시스템을 판매한다(WO 2006026796).

그러나, 마이크로어레이를 필요로 하는 분야에서(병원 또는 1차 의료 센터에서 환자의 침대 옆) 마이크로어레이를 광범위하게 이용하기 위하여, 비용, 강건성, 단순성, 및 크기에서 설비가 개선되어야 한다. 이러한 분석 설비는 기본적으로 구별되는 두 부분, 즉 마이크로어레이와 디바이스로 구성되는데, 상기 마이크로어레이 상에서 테스트가 수행되고, 상기 디바이스를 이용해 상기 테스트의 결과를 판독한다. 일부 경우에서, 반점들 상에 인지 성분 또는 표본들을 증착시키거나 마이크로어레이의 점들을 측정할 수 있는 로봇 암(스포터(spotter)), 또는 테스트를 자동으로 수행할 수 있도록 반응성 유체 성분을 갖는 요소들과 같은 그 밖의 다른 보완물들도 시스템에서 사용된다.

전기-판독형 디바이스는 좀 더 강건하고, 간단하며, 크기가 작다. 그러나, 전기-판독형 디바이스는 자신의 지지부상에 형성된 디바이스 매트릭스(전극 또는 광다이오드)를 요구한다는 결점이 있으며, 테스트가 수행될 때마다 새로운 지지부를 요구하고 사용된 지지부는 버리게 된다. 또한, 지지부는 전기적 변환기 등을 포함해야 하기 때문에, 기능화된 유리 또는 플라스틱의 조각으로 간단하게 구성된 광학 시스템에서 일반적으로 사용되는 지지부보다 복잡하고 값이 비싼 요소이다.

본 발명은 효소 마크에 의해 마킹된 표면과 화학 기질이 접촉할 때 효소 반응 생성물의 축적에 대한 전기화학적 측정(전류측정식, 전위차식, 또는 임피던스식)에 기반을 둔 재사용 가능한 전기적 마이크로어레이 판독 디바이스를 기술한다. 이러한 디바이스의 신규함은, 판독 디바이스가 원하는대로 많은 분석을 수행하는데 재사용될 수 있도록 하는 방식으로, 측정 수행을 담당하는 변환기가 마이크로어레이 지지부와 다른 베이스에 존재하고 있다는 사실에 있다. 또한, 이러한 판독 디바이스는 공지된 광학 시스템에 의해 사용되는 저비용 지지부를 이용해 동작할 수 있다. 이러한 판독 디바이스 이용에 있어서 유일한 요건은, 사용된 효소 마크가, 이에 대응하는 화학 기질과의 반응에서, 변환기에 의해 검출될 수 있는 생성물(즉, 반응이 일어날 때 배지(medium)의 전기적 속성 또는 화학적 속성을 변화시키는 생성물)을 발생시키는 것이다. 따라서, 본 발명의 변환기는 배지의 전기적 매그니튜드(magnitude) 또는 화학적 매그니튜드를 전기적 매그니튜드로 변환시킨다.

임피던스(impedimetric) 변환기의 경우에서, 효소 반응이 전기적 활성 종을 생성해야 한다. 이러한 것의 예시로는, p-아미노페닐 인산염(p-aminophenyl phosphate)의 존재 하에서 p-아미노페놀을 생성하는 알칼리성 포스파타아제(phosphatase) 효소가 있다. p-아미노페놀은 200 mV 이하의 전위에서 산화되어 p-퀴논이민(p-quinoneimine)을 생성할 수 있다. 이번에는 p-퀴논이민이 -200 mV 이하의 전위에서 환원되어 다시 p-아미노페놀을 생성할 수 있기 때문에, 이러한 효소/기질 시스템은 산화 환원 순환(redox cycling)의 이용을 가능하게 한다.

전위차 변환기의 경우에서, 효소 반응이, 변환기에 의해 검출될 수 있는 이온들을 생성해야 한다. 가장 간단한 케이스는 pH의 변화를 야기하는 효소가 될 것이다.

본원에서, 마이크로 어레이가 플랫(평평한) 지지부에 의해 형성되고, 여기서 표면들 중 하나("테스트 표면"이라 부를 것임)가 효소 마크를 갖는 반점들의 매트릭스를 가진다는 사실을 언급할 것이다. 플랫 지지부는 그 밖의 다른 유형의 판독 설비(예를 들어, 광학 설비)와 함께 일반적으로 이용되는 지지부들 중 임의의 것을 수 있고, 그 밖의 다른 것들 중에서도 유리 또는 플라스틱과 같은 물질로 제작될 것이다.

따라서, 본 발명의 제1의 형태에 따라, 재사용 가능한 전기적 마이크로어레이 판독 디바이스가 이하의 요소들을 포함하며, 상기 이하의 요소들이 다음과 같이 기술된다.

1) 지지 수단을 포함하는 베이스를 포함하며, 상기 지지 수단은 베이스의 판독 표면과 평행하게 마이크로어레이의 테스트 표면을 배치시킨다.

베이스의 지지 수단은 마이크로어레이 시험 표면이 베이스의 판독 표면과 평행하게 배치되도록 해야 한다. 추가적으로, 이러한 두 표면들 사이의 거리는 수성 배지(aqueous medium)의 방울(drop)이 두 표면 모두를 동시에 터치하도록 하여, 수성 배지에 존재하는 화학 기질(chemical substrate)과 마이크로어레이 반점들의 효소 마크가 접촉하도록 함으로써, 생성물을 만드는 화학 반응을 산출하도록 해야 하며, 이러한 화학 반응은 수성 배지의 전기적 속성 또는 화학적 속성에 영향을 미친다.

2) 베이스의 판독 표면상에 배치된 변환기들의 매트릭스를 포함하며, 상기 변환기들은 전기적 매그니튜드 또는 화학적 매그니튜드의 변화를 전기적 매그니튜드의 변화로 변환한다.

이러한 변환기들은 베이스의 판독 표면에 고정되어, 마이크로어레이가 지지 수단 위에 배치될 때 변환기 각각이 반점들과 마주하게 배치되도록 하는 방식으로 매트릭스를 형성한다.

판독을 수행하기 위하여, 대응하는 화학 기질을 함유한 수성 배지의 방울이 변환기 각각과, 변환기와 마주하여 배치되는 각자의 반점 사이에 도포되어야 한다. 수성 배지의 방울들은 임의의 방식으로 형성될 수 있는데, 방울들이 동일한 크기를 갖고 서로 접촉하고 있지 않다고 가정한다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 실시예에서 본 발명의 마이크로어레이 판독 디바이스가 수성 배지의 방울을 도포하는 수단을 포함하지만, 마이크로피펫 또는 스포터(spotter)-타입 설비가 사용될 수도 있다.

바람직하게, 수성 배지의 방울을 도포하는 수단이 마이크로어레이 판독 디바이스 자체에 통합되어 있고, 판독 표면과 반대되는 베이스의 표면에 결합되는 수성 배지 탱크와, 판독 디바이스의 베이스에 만들어진 마이크로-채널들의 매트릭스를 포함한다. 마이크로-채널 각각은 변환기 각각이 위치하는 지점에 수성 배지 탱크를 연결하며, 이러한 방식을 통해, 탱크에 대한 압력을 수정함으로써, 수성 배지 주입의 조절이 가능하고, 이로써 변환기 각각의 위에 균일한 부피의 방울들을 형성할 수 있다. 추가적으로, 수성 배지 탱크는 서로 다른 액체들이 주입될 수 있도록 하는 방식으로 수성 배지의 입력부와 출력부를 가진다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 수성 배지의 방울을 도포하는 수단은, 수성 배지의 탱크와 상기 탱크의 벽들 중 하나의 벽에 만들어진 마이크로-채널들의 매트릭스를 포함하는 도포 기구이다. 이전 단락에 기술된 수성 배지의 방울을 도포하는 수단의 경우에서와 같이, 베이스의 판독 표면상에 도포 기구를 정확하게 배치하고 탱크에 대한 압력을 수정함으로써, 소정의 부피의 방울이 형성될 때까지 변환기 각각의 위로 유체가 주입된다. 이는, 변환기 위에서 결합시, 방울을 형성하는 잉크 주입 프린터에 의해 사용되는 것과 유사한 수단을 이용하여, 마이크로-채널 노즐로부터 방출된 단일 방울을 직접 형성하거나 또는 다수의 작은 방울들(droplet)을 증착함으로써 이루어질 수 있다. 이를 위해, 마이크로어레이 배치에 사용된 것과 동일한 지지 수단이 사용될 수 있다.

3) 변환기들에 연결된 판독 수단을 포함하며, 상기 판독 수단이 변환기들의 전기 신호를 해석한다.

방울들이 효소를 이용해 마킹된 마이크로어레이 반점들과 일단 접촉하면, 효소 반응이 일어난다. 더 큰 효소 마크의 농도를 갖는 반점에서, 변환기는 더 큰 생성물 농도의 변화를 측정할 것이다. 이러한 반점들은 서로 이격되어 있고, 따라서 생성물은 매트릭스의 서로 다른 지점들 간에 간섭 없이 반점들의 부피를 축적한다. 따라서, 변환기들의 매트릭스가, 상기 변환기들 각각에 의해 생성된 신호를 획득 및 처리할 수 있는 전자 측정 회로에 연결된다. 이러한 측정은 일정 시간 이후에, 또는 방울들이 반점들과 접촉하고 있는 동안 수행될 수 있다. 두 번째 케이스는 효소 반응 동력(dynamics)을 측정할 수 있도록 함으로써 더 좋은 분석 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 두 번째 케이스에서, 포화 값에 도달하기 전에 생성물 농도의 전개가 검출될 수 있기 때문에, 더 넓은 동적 범위가 가능할 수 있다.

본 발명의 제2의 형태에 따라, 이전에 기술된 판독 디바이스를 이용하여 마이크로어레이를 판독하기 위한 전기적 프로세스가 기술되며, 상기 프로세스는 다음의 동작들을 포함한다.

a) 마이크로어레이 반점들을 수성 배지의 방울들과 접촉시켜, 방울 각각에서, 방울을 형성하는 수정 배지의 전기적 속성 또는 화학적 속성을 산출하는 동작을 포함한다.

상기 동작은 각기 다른 두 방식으로 수행될 수 있다. 특정 실시예를 따라, 먼저 변환기들 위에 수성 배지의 방울들이 형성될 수 있고, 뒤이어, 지지 수단의 도움을 받아서 베이스의 판독 표면과 평행하게, 그리고 반점 각각이 변환기와 마주하도록 배치되고 수성 배지의 방울이 반점과 변환기 둘 모두와 접촉할 수 있도록 하는 거리로 마이크로어레이가 배치된다.

또 다른 특정 실시예에서, 지지부 수단상에 마이크로어레이를 먼저 배치하고, 그 후, 변환기들 위에서 수성 배지를 주입하여 수성 배지 방울들 각각이 변환기 및 변환기와 마주하도록 배치된 반점과 동시에 접촉하기에 충분한 크기의 방울들을 형성할 때까지 수성 배지를 주입한다.

b) 판독 수단을 이용하여, 방울을 형성하는 수성 배지의 전기적 속성 또는 화학적 속성의 변화에 대한 응답으로 변환기들 각각에 의해 생성된 전기 신호를 판독하는 동작을 포함한다.

수성 배지의 방울이 효소를 이용해 마킹된 반점과 일단 접촉하면, 수성 배지에 포함된 화학 기질과 반점의 효소 마크 사이에 화학 반응이 시작되고, 반응의 결과로서, 방울을 형성하는 수성 배지의 전기적 속성 또는 화학적 속성을 변화시키는 생성물을 형성한다. 그 다음 판독 동작이 매트릭스의 변환기들 모두의 위에서 동시에 수행될 수 있고, 또는 행(row) 별로, 열(column) 별로, 또는 개별적으로 순차적으로 수행될 수 있다.

c) 판독 디바이스의 판독 표면을 세척하여 새로운 테스트를 수행하기 위해 상기 판독 디바이스를 재사용하는 동작을 포함한다.

일단 판독이 수행되었으면 새로운 판독을 수행하기 전에, 베이스의 판독 표면과 변환기를 세척하여, 마이크로어레이로부터 분리될 수 있는 효소 반응의 생성물 또는 효소의 모든 트레이스를 제거할 수 있다. 이와 관련해, 세척 용액은 효소 반응의 생성물을 용해시키고 효소를 변성시켜서, 이들이 활성을 완전히 잃을 수 있도록 해야 한다. 세척은 탈이온수에서 헹굼으로써 완료될 수 있다.

세척은 전통적인 방법으로 또는 본 발명의 특정 실시예에 따라 수행될 수 있는데, 발생된 수성 배지의 방울들을 흡입하고, 뒤이어 수성 배지의 방울 도포 수단을 이용하여 세척 용액을 주입함으로써 세척이 수행될 수 있다. 이러한 프로세스 동작을 수행하기 위하여, 수성 배지의 방울을 도포하는 수단은, 마이크로-채널이 연결된 탱크에 대한 음의 압력을 형성할 수 있어야 하고, 탱크의 수성 배지를 적당한 세척 용액으로 대체할 수 있어야 한다.

본 발명의 설명을 보충하고 본 발명의 특성을 잘 이해할 수 있도록 돕기 위하여, 본 발명의 실질적 실시예의 바람직한 예시에 따라 일련의 도면들이 첨부되며, 이러한 도면들은 예시적이고 비제한적으로 제시된 것이다.
도 1은 플랫 지지부를 가진 마이크로어레이의 도식적 그림이며, 서로 다른 구성 부분들을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따라 마이크로어레이를 판독할 수 있는 전기 디바이스의 도식적 그림이다.
도 3 및 4는 수성 배지의 방울들을 도포할 수 있는 수단들에 대한 두 개의 특정 실시예를 도시한다.
도 5 및 6은 본 발명의 특정 실시예에 따라, 전기-판독형 마이크로어레이에 대한 프로세스의 제 1 동작을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 판독 수단의 특정 실시예를 도시한다.

도 1은 플랫 지지부(9)로 형성된 마이크로어레이(6)을 도시하며, 상기 플랫 지지부의 테스트 표면(7)상에, 측정 포인트 또는 반점들(8)의 매트릭스가 배치되고 상기 반점들이 효소 마크에 의해 마킹된다.

도 2는 본 발명에 따라 마이크로어레이를 판독할 수 있는 디바이스(1)의 도식적 그림이다. 디바이스(1)가 베이스(2)로 형성되어 있음을 볼 수 있고, 상기 베이스의 판독 표면(4)상에, 수성 배지(aqueous medium)의 전기적 속성 또는 화학적 속성의 변화에 반응하는 변환기들(5)의 매트릭스가 존재한다.

이러한 예시의 마이크로어레이를 판독할 수 있는 재사용 가능한 전기 디바이스(1)는 베이스(2)의 측부에 지지 수단(3)을 또한 포함하며, 상기 지지 수단은, 매트릭스의 반점들(8) 각각이 변환기(5)와 마주하여 배치되도록 하는 방식으로 마이크로어레이(6)를 지지하는 역할을 한다. 이러한 예시에서, 지지 수단(3)은 판독 프로세스 동안 마이크로어레이(6)에 대한 지지부의 역할을 하는 테두리를 기본적으로 가진다. 도면에서는 관찰되지 않지만, 도 7에 제시된 판독 수단(10)이 판독 표면(4)과 반대되는 표면상에 배치된다.

베이스(2)와, 변환기들(5)의 매트릭스가 직경이 100 mm인 파이렉스(pyrex)-타입 유리 웨이퍼로 제작된다. 이러한 제작 공정은 티타늄, 니켈, 및 금의 금속성 삼층 구조(tri-layer)의 증착으로 시작된다(티타늄이 20 nm 두께의 층으로 파이렉스 상에 증착되고, 티타늄 위에 50 nm 두께의 층으로 니켈이 증착되며, 니켈 위에 50 nm 두께의 층으로 금이 증착된다). 이러한 세 금속은 캐소드 스프레잉(cathode spraying)에 의해 증착된다. 그 다음, 서로 맞물린(interdigitated) 전극 쌍들의 매트릭스를 형성할 수 있는 패턴을 함유한 템플릿(template)을 이용해 표준 포토리소그래픽 공정이 수행된다. 서로 맞물린 전극들의 쌍 각각은 20 μm 폭의 열네개의 핑거(각각의 전극에서 일곱 개)를 갖고, 이들 핑거들 사이가 20 μm의 거리만큼 떨어져 있으며, 서로 맞물려 있는 영역이 500 μm 길이이다. 동일한 템플릿을 이용하여 전극 각각에서부터 칩의 에지까지 뻗는 연결 트랙을 형성할 수 있고, 이러한 연결 트랙에서, 와이어 용접에 의해 인쇄 회로에의 연결을 위한 영역이 정의된다. 변환기들은 자신들 사이가 6 mm의 거리만큼 떨어져 있는 4×9 요소들의 직사각형 매트릭스를 형성한다. 설명한 것과 같은 변환기들(5)의 두 매트릭스가 100 mm 웨이퍼에 들어맞는다. 포토리소그래피에 뒤이어, 금속 어택(metal attack)이 서로 다른 어택 용액(attack solution)을 이용하여 수행된다. 금의 경우에서, H₂O 5,700 ml, KI 435 g, 그리고 I₂ 250 g의 혼합물이 이용된다. 니켈의 경우에서, 70% HNO₃:H₂O의 1:4 혼합물이 이용된다. 티타늄의 경우에서, 49% HF:H₂O:1.2-프로판디올의 1:10:33 혼합물이 이용된다.

웨이퍼상에 전극이 형성되면, 상기 웨이퍼를 동력톱(power saw)이 통과하여 변환기들(5)의 두 매트릭스를 분리할 수 있다. 이러한 매트릭스들은, 와이어 용접에 의한 연결에 필요한 영역들이 형성되어 있고 전극을 기구에 전기적으로 연결하기 위한 커넥터가 존재하는 인쇄 회로에 결합된다. 전극들을 와이어 용접한 후에, 열경화성(thermocurable) 폴리머(Epotek H77)에 의해 와이어가 보호된다. 지지 수단(3)은 몰딩된 폴리디메틸실록산(polydimethylsyloxane)으로부터 만들어되고, 산소 플라스마 활성화에 의해 변환기들의 매트릭스에 용접된다.

도 3 및 4는 수성 배지 도포 수단들에 대한 두 개의 바람직한 실시예를 각각 도시한다. 도 3에서, 판독 표면(4)과 반대되는 표면상에 형성된 수성 배지 탱크(11')가, 베이스(2')를 가로질러 변환기(5') 각각이 위치된 곳까지 뻗어 있는 마이크로-채널들(12')의 매트릭스를 통과해 수성 배지를 주입하는 방식으로 수성 배지 도포 수단이 베이스(2')에 통합되어 있다. 이러한 예시에서, 변환기들(5')은 마이크로-채널 각각의 노즐이 배치되는 중앙 오리피스를 가진다.

도 4에서, 수성 배지 도포 수단이 수성 배지 탱크(11')에 의해 형성된 도포 기구로 구성되며, 상기 수성 배지 탱크의 벽들 중 하나의 벽상에 마이크로-채널들(12')이 존재하여 이러한 마이크로-채널을 통과해 수성 배지가 변환기들(5') 위로 주입된다. 변환기(5')와 마주하도록 각각의 마이크로-채널을 배치하기 위하여, 지지 수단(3")은 또한, 위에 수성 배지 도포 기구가 배치되는 제 2 테두리를 포함한다.

도 5 및 6은 본 발명의 프로세스의 바람직한 실시예에 대한 몇몇 동작들을 보여준다. 특히, 도 5는 변환기(5) 각각을 덮도록 수성 배지의 방울을 주입하는 동작이 이미 수행된 판독 디바이스(1)와 마이크로어레이(6)를 도시한다. 마이크로어레이(6)는 이미 지지 수단(3)상에 배치될 준비가 되었고, 배치된 순간이 도 6에 도시되며, 여기서 수성 배지의 방울 각각이 반점(8)과 접촉함으로써, 효소 마크와 기질 사이의 화학 반응이 시작되었다.

마지막으로, 도 7은 효소 마크와 화학 기질 간 화학 반응의 생성물이 수성 배지 방울의 임피던스의 변화를 야기하는 경우에서의 측정 기구를 도시한다. 상기 측정 기구는 교류 전압의 여기원(15)과 교류 전류 측정 회로(16)를 포함하며, 이들은 협동하여 서로 맞물린(interdigitated) 전극들의 말단에서 관측되는 임피던스를 측정할 수 있다. 상기 도면에서, 상기 여기원(15)과 측정 회로(16)가 전극(17)에 연결되는 것을 관측할 수 있다. 관측할 수 있는 바와 같이, 임피던스(impedimetric) 변환기는 행-대-열 타입 연결을 가능하게 한다. 이로 인해, 많은 개수의 요소들을 갖는 매트릭스의 제작이 실용적으로 된다. 예를 들어, 1,024 요소들로 이루어진 매트릭스는 오직 32 개의 교류 여기원(15)과 32 개의 전류 측정 회로(16)만을 필요로 할 것이다. 실제로, 적당한 증배(multiplexation)를 이용하면, 단일 여기원(15)과 단일 전류 측정 회로(16)로 충분하다. 매우 많은 수의 매트릭스 요소들이 있는 경우에서는, 다수의 와이어 용접 또한 요구될 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 금속 이층 구조(bi-layer)에 기반을 둔 제작 기술을 이용할 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 행과 열에 의해 웨이퍼 레벨에서 전극(17)을 연결할 수 있다. 이러한 방식으로, (n×m)의 변환기들의 매트릭스를 캡슐화하는데 요구되는 와이어 용접의 개수는 오직 (n+m) 개이다. 본원에 기술된 예시에서, 여기원은 내셔널 인스트루먼트사에 의해 제작된 NI UWB-6259 카드의 아날로그 출력이다. 전류 측정 회로(16)는 100 kΩ의 정밀한 피드백 저항을 갖는 AD8674 연산 증폭기를 이용한 예시에서 구현되었다. 연산 증폭기 출력 전압 값들은 전술된 카드의 아날로그 입력에 의해 기록되었다. LabView 프로그램이 획득 프로세스를 제어하고, 획득된 신호를 처리하며, 판독 시간 동안 변환기들(5)의 임피던스 값들을 획득한다. 상기 획득 프로세스는 이하의 순서를 따라 구현되는데, 첫째, 50 mV의 진폭과 2 kHz의 주파수를 갖는 교류 전압을 25 ms 동안 인가함으로써 변환기들의 행이 여자된다. 나머지 여기원들(15)은 0 V로 유지된다. 이러한 시간 동안, 변환기(5) 열들 각각에 연결된 아날로그 입력에서 신호가 획득된다. 그 다음, 모든 변환기 행들이 판독될 때까지 다음의 행에 대하여 동일한 방식으로 계속 진행한다.

아래에는, 임피던스 변환기(5)에 기반을 둔 마이크로 어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1)의 이용예를 설명하며, 상기 임피던스 변환기는 효소 마크로서 우레아제(urease)를 사용하는 마이크로어레이(6)의 결과를 측정하기 위한 것이다.

요소(urea)(중성)의 존재 하에서, 우레아제가 암모니아와 이산화탄소를 생성한다. 암모니아가 신속히 양성자화(protonised)되어, (양으로 하전된) 암모니아 이온을 발생시키며, 이산화탄소는 (음으로 하전된) 중탄산염으로 실질적으로 전환된다. 따라서, 효소 반응은 오리지널 버퍼의 전도성을 증가시킨다. 오리지널 버퍼는 0.1 M 요소(urea)와 0.25 M 글리신의 수용성 용액으로 형성되고, 대략 16 μS/cm의 전도성을 가진다. 이러한 예시에서, 1 μl 부피의 버퍼 방울이 마이크로피펫을 이용하여 변환기들(5) 위에 수동으로 증착되었다. 마이크로어레이 제작에서, 토끼 면역글로불린 G가, 검출될 표준 분석 대상 물질로서 사용되었고, 역상(reverse phase)-타입 테스트가 적용되었다. 이러한 테스트는 상기 표준 분석 대상 물질의 저장 용액(stock solution)의 연속적인 희석액(dilution)을 제조하는 것으로 구성된다. 준비된 희석액 각각의 1 μl 부피의 마이크로-방울(drop)이 마이크로어레이(6)(이전에 실란처리된(silanized) 유리 슬라이드)의 지지부(9)상에 증착되었다. 분석 대상 물질을 고정시킬 때, 마이크로어레이(6)가 우레아제-마킹된 토끼 항-면역글로불린 G와 염소 항체의 용액을 이용해 한 시간 동안 배양되었으며, 이 시간 동안 분석 대상 물질과 마킹된 항체 사이에 특정한 상호작용이 일어났다. 탈이온수로 마이크로어레이(6)를 세척하고 질소 흐름(nitrogen current)에서 건조시킨 후에, 임피던스 변환기(5)의 매트릭스를 이용하여 마이크로어레이(6)를 세척하였다.

Claims

마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1")에 있어서, 상기 마이크로어레이(6)는 플랫 지지부(9)를 포함하고, 상기 플랫 지지부의 테스트 표면(7)상에, 효소 마크를 갖는 반점들(8)의 매트릭스가 존재하며, 상기 디바이스는,
지지 수단(3, 3', 3")을 포함하고 있는 베이스(2, 2', 2")로서, 상기 지지 수단은 상기 베이스(2, 2', 2")의 판독 표면(4)과 평행하게 마이크로 어레이(6) 테스트 표면(7)을 위치시키기 위한 특징의, 베이스(2, 2', 2");
베이스(2, 2', 2")의 판독 표면상에 배치되고, 전기적 매그니튜드(magnitude) 또는 화학적 매그니튜드의 변화를 전기적 매그니튜드의 변화로 변환시키는 변환기들(5, 5', 5")의 매트릭스; 그리고
변환기들(5, 5', 5")에 연결되어, 변환기들(5, 5', 5")의 전기 신호를 해석하는 판독 수단(10)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
제 1 항에 있어서,
베이스(2, 2', 2")와, 변환기들(5, 5', 5")의 매트릭스가 파이랙스(pyrex)-타입 유리 웨이퍼로부터 제작되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 변환기들(5, 5', 5")이 임피던스(impedimetric) 변환기, 전류측정(amperometric) 변환기, 및 전위차(potentiometric) 변환기로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 판독 수단(10)은 변환기들(5, 5', 5")에 의해 생성된 전기 신호를 획득 및 처리하도록 구성된 전자 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
변환기들(5, 5', 5") 각각의 위에 수성 배지(aqueous medium)의 방울(drop)을 형성하도록 수성 배지의 방울들을 도포하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
제 5 항에 있어서,
수성 배지의 방울들을 도포하는 수단은 수성 배지 탱크(11')와, 상기 수성 배지 탱크의 벽들 중 하나의 벽에 만들어진 마이크로-채널들(12")의 어레이를 포함하는 도포 기구인 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
제 5 항에 있어서,
수성 배지의 방울들을 도포하는 수단은, 판독 표면(4)과 반대되는 베이스(2')의 표면과 나란히 배치되는 수성 배지 탱크(11')와, 상기 베이스(2')에 만들어진 마이크로-채널들(12')의 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
제 7 항에 있어서,
상기 마이크로-채널들(12')은 변환기들(5')의 중앙 오리피스에 배열된 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6)를 판독하기 위한 재사용 가능한 전기 디바이스(1, 1', 1").
마이크로어레이(6) 판독 프로세스에 있어서, 상기 마이크로어레이(6)는 플랫 지지부(9)를 포함하고, 상기 플랫 지지부의 테스트 표면(7)상에, 효소 마크를 갖는 반점들(8)의 매트릭스가 존재하며, 판독 디바이스(1, 1', 1")가 베이스(2, 2', 2")를 포함하고, 상기 베이스의 판독 표면(4)상에 변환기들(5, 5', 5")의 매트릭스가 배치되며, 상기 변환기들은 전기적 속성 또는 화학적 속성의 변화를 전기적 속성의 변화로 변환하고, 상기 프로세스는,
반점들(8) 각각이 변환기(5, 5', 5")와 마주하도록 배치되고 수성 배지(aqueous medium)의 방울이 반점과 변환기 둘 모두와 접촉하게 하는 방식으로, 마이크로어레이(6)의 테스트 표면(7)에 평행하게 베이스(2, 2', 2")의 판독 표면(4)을 위치시키는 동작;
판독 수단(10)을 이용하여, 방울을 형성하는 수성 배지의 전기적 속성 또는 화학적 속성의 변화에 대한 응답으로 변환기들(5, 5', 5") 각각에 의해 생성된 전기 신호를 판독하는 동작; 그리고
새로운 판독을 위해 판독 디바이스(1)를 재사용할 수 있도록 판독 디바이스(1)의 판독 표면(4)을 세척하는 동작
을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6) 판독 프로세스.
제 9 항에 있어서,
마이크로어레이(6)의 반점들(8)을 변환기들(5, 5', 5")과 접촉시키기 전에 수성 배지의 방울이 부가되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6) 판독 프로세스.
제 9 항에 있어서,
마이크로어레이(6)의 반점들(8)을 변환기들(5, 5', 5")과 접촉시킨 후에 수성 배지의 방울이 부가되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6) 판독 프로세스.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
수성 배지의 방울 각각이 반점들(8) 및 변환기들(5, 5', 5")과 접촉 상태가 유지되는 시간 동안 판독 동작이 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6) 판독 프로세스.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
수성 배지의 방울들이 반점들과 접촉한 이후 소정의 시간 기간 동안 판독 동작이 오직 한번 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6) 판독 프로세스.
제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
판독 디바이스(1, 1', 1")의 세척 동작은, 수성 배지의 방울들을 도포하는 대신 세척 용액을 주입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이(6) 판독 프로세스.