KR20200069409A - Pcb 기반 바이오칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PCB 기반 바이오칩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오센서와 전기회로를 포함하는 PCB 기판을 활용하여 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능한 PCB 기반 바이오칩에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 종래기술은 플라스틱 또는 유리 기판으로 바이오칩을 제작하기 때문에 히터, 마이크로 펌프, 밸브 등의 기능성을 부가하거나 바이오센서와 전기 신호처리 회로를 집적화하는데 어려움이 있으나, 본 발명은 바이오센서와 전기회로를 포함하는 PCB 기판을 활용하여 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능하고, 이로 인해 바이오칩의 성능이 향상될 수 있는 장점이 있다. 또한, 바이오센서를 바이오칩에 집적화하여 리더기 없이 신호를 직접 측정할 수 있는 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 종래기술은 플라스틱 또는 유리 기판으로 바이오칩을 제작하기 때문에 히터, 마이크로 펌프, 밸브 등의 기능성을 부가하거나 바이오센서와 전기 신호처리 회로를 집적화하는데 어려움이 있으나, 본 발명은 바이오센서와 전기회로를 포함하는 PCB 기판을 활용하여 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능하고, 이로 인해 바이오칩의 성능이 향상될 수 있는 장점이 있다. 또한, 바이오센서를 바이오칩에 집적화하여 리더기 없이 신호를 직접 측정할 수 있는 우수한 효과가 있다.
Description
본 발명은 PCB 기반 바이오칩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오센서와 전기회로를 포함하는 PCB 기판을 활용하여 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능한 PCB 기반 바이오칩에 관한 것이다.
현재 항원항체 면역반응과 유전자 검사 분자진단을 활용한 질병진단 기술이 병원내 체외진단기기에서 많이 사용되고 있다. 최근에는 이러한 질병 검사를 위한 진단기기가 환자가 있는 현장, 즉, 응급실, 입원실, 가정 등에서 검사가 가능한 현장진단기기(POCT, Point of Care and Testing)로 발전하고 있다. 더 나아가서는 이러한 현장진단기기를 하나의 일회용 칩으로 만들어서 사용자가 편리하게 검사할 수 있는 바이오칩을 연구개발하고 있다. 제어회로의 집적화는 다양한 기능을 바이오칩에 구현할 수 있고 신호처리회로의 집적화는 바이오센서의 신호를 더 정확하게 측정할 수 있다. 예컨대, 센서에서 나오는 신호를 인터컨넥션 등을 거치지 않고 가까운 곳에서 바로 증폭하면 노이즈를 최소화할 수 있고, 센서 신호의 초기화 및 캘리브레이션이 용이해 질 수 있다. 그러나 현재 연구되고 있는 대부분의 바이오칩은 바이오센서나 회로를 집적화하기가 어려워 일부 기능만 구현되고 있는 문제점을 갖고 있다.
즉, 종래의 바이오칩 또는 랩온어칩은 일반적으로 플라스틱 또는 유리 기판으로 바이오칩을 제작하기 때문에 마이크로 펌프, 밸브 등의 기능성을 부가하거나 바이오센서와 신호처리 회로를 집적화하는데 어려움이 있다. 현재 개발된 바이오칩은 주로 플라스틱으로 챔버(chamber), 채널(channel) 등의 유체소자(fluidics)를 제작하여 시약의 혼합, 분리, 반응 등을 구현하고 유리나 실리콘 기판을 활용하여 간단한 히터, 펌프 등의 일부 기능을 구현하고 있다. 그러나 더 좋은 성능과 여러 가지 기능성을 부가하기 위해서는 다양한 전자부품을 사용해야 하는데 유리 기판으로는 필요한 전자부품을 유체소자(fluidics)와 결합하여 장착하기 어려운 문제점이 있다.
또한 종래의 바이오칩은 주로 바이오센서가 집적화되어 있지 않아서 외부의 리더기에 바이오칩을 결합하여 측정 신호를 검출하게 된다. 현재 많이 사용되고 있는 바이오 센서는 광학식, 전기화학식 등이 있는데 이러한 바이오센서는 광학식의 경우 포토다이오드, 이미지센서, LED, LD 등의 광부품이 필요하고 전기화학식의 경우에도 작업전극, 상대전극, 기준전극 등의 전기화학 측정 부품들이 필요하다. 이러한 부품들은 기술의 발전으로 초소형화되고 있어서 바이오칩 유체소자(fluidics)에 적용 가능성이 높아졌지만 아직도 플라스틱 또는 유리 기판의 기존 바이오칩에서는 시도되지 않고 있다. 그리고 종래의 바이오칩에서는 히터, 펌프, 센서를 제어하기 위한 제어회로와 센서로부터 나오는 신호를 처리하기 위한 신호처리회로를 집적화하는 것이 불가능하다.
종래 선행기술로서, 대한민국 등록특허 제0598375호는 바이오 물질의 특성 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 유전자가 고정되어 있는 바이오칩이 담겨진 수용액에 전압을 인가하여 전기화학적인 작용으로 광을 방출시키는 바이오 소자와; 상기 바이오 소자에 전압을 공급하는 전원공급부와; 상기 바이오 소자에서 발생된 광을 검출하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 검출된 광을 전기적 인 신호로 변환하는 신호처리부와; 상기 신호처리부에서 변환된 전기적인 신호로 유전자의 특성을 분석하는 분석부를 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허와 같은 종래의 기술은 여전히 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능한 PCB 기반 바이오칩을 제조하거나 바이오센서를 바이오칩에 집적화하여 리더기 없이 신호를 직접 측정할 수 있는 PCB 기반 바이오칩을 제조할 수 없는 문제점을 가지고 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 바이오센서와 전기회로를 포함하는 PCB 기판을 활용하여 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능한 PCB 기반 바이오칩을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 바이오센서를 바이오칩에 집적화하여 리더기 없이 신호를 직접 측정할 수 있는 PCB 기반 바이오칩을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 PCB 기반 바이오칩은 다층 PCB의 내부에 형성된 바이오센서를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 다층 PCB의 최상층부 내부에 형성된 시약 또는 세척액을 보관하는 보관 챔버를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 다층 PCB의 최하층부에 표면 실장되어, 상기 보관 챔버 내부의 상기 시약 또는 세척액을 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 보관 챔버에 연결되게 형성되어, 상기 시약 또는 세척액이 이송되는 채널을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 히터는 상기 보관 챔버 내부에 설치되되, 상기 챔버 내부에서 가열된 상기 시약 또는 세척액을 채널을 통해 이송시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 이송된 상기 시약이 반응하는 반응챔버를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 다층 PCB의 중간층에 형성되고, 상기 반응챔버에서의 반응 신호를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 PCB 기반 바이오칩은 상기 보관 챔버가 복수 개이고, 상기 복수 개 보관 챔버는 채널로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 제1 보관 챔버는 효소를 포함하고, 제2 보관 챔버는 세척용 버퍼액을 포함하며, 상기 제1 보관 챔버의 채널은 상기 제2 보관 챔버의 채널와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 제3 보관 챔버는 기질용액을 포함하고, 제4 보관 챔버는 세척용 버퍼액을 포함하며, 상기 제3 보관 챔버의 채널은 상기 제4 보관 챔버의 채널와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 히터는 PTC인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩에 있어서, 상기 다층 PCB의 최하층부는 전압을 인가하여 상기 바이오센서의 신호를 측정하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래기술은 플라스틱 또는 유리 기판으로 바이오칩을 제작하기 때문에 히터, 마이크로 펌프, 밸브 등의 기능성을 부가하거나 바이오센서와 전기 신호처리 회로를 집적화하는데 어려움이 있으나, 본 발명은 바이오센서와 전기회로를 포함하는 PCB 기판을 활용하여 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능하고, 이로 인해 바이오칩의 성능이 향상될 수 있는 장점이 있다.
또한, 종래의 기술은 유체소자(fluidics)에 일반 전자부품을 직접 결합할 수 없었으나 본 발명은 유체소자(fluidics)와 다양한 전자부품을 결합하여 바이오칩에 집적화가 가능함에 따라 바이오칩 기능의 다양화가 가능하다. 즉, 병원 또는 실험실에서 이루어지는 바이오 분석 및 검사를 작은 칩에서 수작업을 최소화하여 수행할 수 있도록 개발되고 있는 바이오칩 또는 랩온어칩(LoC, Lab on a Chip)에서 다양한 기능성을 용이하게 구현 가능하다.
또한, 바이오센서를 바이오칩에 집적화하여 리더기 없이 신호를 직접 측정할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기화학식 바이오 센서의 검사 단계를 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래의 전기화학식 측정을 위한 현장진단기기를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩의 평면도를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩의 단면도를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 PCB 바이오칩의 사진이다.
도 2는 종래의 전기화학식 측정을 위한 현장진단기기를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩의 평면도를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 PCB 기반 바이오칩의 단면도를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 PCB 바이오칩의 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
실시예
본 발명의 실시예로 혈액 또는 소변의 환자 검체 중에 존재하는 질병 바이오 마커인 특정 항원을 검사하는 현장진단기기를 하나의 바이오칩으로 구현하였다.
종래의 전기화학식 바이오 센서를 이용하여 환자 검체 중에 존재하는 항원 농도를 검사하는 방법은 도 1에서와 같이 3단계로 구성되어 있다. 구체적으로는, 우선 혈액 또는 소변 시료의 항원과 센서와 반응하는 1단계(a), ALP(alkaline phosphatase)와 같은 효소 반응 촉매로 표지화된 항체와 반응하는 2단계(c), AAP(ascorbic acid 2-phosphate)와 같은 측정용액에서 전기화학 방법으로 신호를 측정하는 3단계(e)로 구성된다. 각 단계 사이에는 세척용액으로 항원과 항체가 반응한 전극을 세척해주어야 한다. 이러한 반응과 세척은 사용자가 직접 손으로 해야하는 번거로움이 있다. 3단계에서 전기화학적 방법으로 신호를 측정하기 위해서는 효소촉매 항체를 결합시킨 작업전극이 상대전극과 기준전극과 함께 산화환원방응을 일으키는 측정용액에 담기어야 한다. 이 상태에서 작업전극과 상대전극에 특정 전압을 인가한 후에 흐르는 전류값을 측정한다. 이러한 측정을 가능하게 하는 전기화학식 측정용 현장진단기기의 예를 도 2에 나타내었다. 이 현장진단기기는 바이오센서인 전극과, 전극에 전압을 걸어주고 전류를 측정하기 위한 회로, 시약, 세척액, 측정용액 등을 보관하는 카트리지 등으로 구성되어 있다.
본 발명은 이러한 현장진단기기의 손으로 직접 반응과 세척을 단계별로 해야 하는 번거로움을 없애고 하나의 칩에서 자동으로 측정되는 바이오칩을 구현하기 위해서는 구성요소인 바이오센서, 회로, 카트리지를 기존의 유체를 제어하는 칩에 집적화시켰다. 이 현장진단기기의 모든 구성요소를 하나의 칩에 집적화시키기 위해서 복잡한 회로를 용이하게 기판에 집적화시킨 PCB(printed circuit board)를 사용하였고 유체를 제어하기 위해서 PCB의 기판을 가공하여 사용하였다. 하나의 PCB 기반 바이오칩의 설계 예를 도 3(평면도) 및 도 4(단면도)에 나타내었다. 여기에는 시약과 세척액을 보관하는 카트리지 역할을 하는 챔버(chamber, 갈색)가 4개 있고, 이 챔버(chamber) 각각에는 히터로 작동하는 펌프가 있다. 펌프를 구성하는 챔버(chamber, 녹색)는 PCB로 만들어지며 그 챔버(chamber) 안에 히터로 PTC(positive temperature coefficient) 부품(적색)이 PCB에 표면 실장되어 있다. PCB에 집적화된 바이오 센서는 반응과 세척이 이루어지는 반응 챔버(chamber, 노란색)에 위치한다. 이 반응 챔버(chamber)로 펌프가 시약과 세척액을 채널(channel)을 통해 흐르게 하여 이송시켜 반응과 세척, 측정을 자동으로 하게 한다. PCB는 다층 PCB로 제작되어 하부 PCB에 전극에 전압을 걸어주고 측정하기 위한 회로를 집적화하였다.
PCB 제작된 PCB 기반 바이오칩의 예를 도 5에 나타내었다. 이 바이오칩에서는 펌프 챔버(chamber)는 PCB를 가공하여 제작하였고 시약과 세척액을 보관하는 챔버와 반응 챔버는 플라스틱으로 제작하였다. 도 5의 (a)는 히터인 PTC가 하층 PCB 기판에 표면 실장되어 있고 상층 PCB를 가공하여 챔버를 형성한 PCB 기판이다. 이 기판에 챔버와 채널이 형성된 플라스틱 기판을 접합하여 제작된 바이오칩이 도 5의 (b)의 사진이다. 이 사진에서 파랑색은 세척액이고 주황색은 시약과 측정액이며, 오른쪽 위 챔버의 히터의 스위치가 온(on) 되어 펌프가 작동하면서 세척액이 반응 챔버로 흐르는 상태를 보여주고 있다.
본 발명에 따르면, 종래기술은 플라스틱 또는 유리 기판으로 바이오칩을 제작하기 때문에 히터, 마이크로 펌프, 밸브 등의 기능성을 부가하거나 바이오센서와 전기 신호처리 회로를 집적화하는데 어려움이 있으나, 본 발명은 바이오센서와 전기회로를 포함하는 PCB 기판을 활용하여 바이오센서와 전기회로를 집적화하여 일체화가 가능하고, 이로 인해 바이오칩의 성능이 향상될 수 있는 장점이 있다. 또한, 바이오센서를 바이오칩에 집적화하여 리더기 없이 신호를 직접 측정할 수 있는 우수한 효과가 있다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
Claims (12)
- 다층 PCB의 내부에 형성된 바이오센서;
를 포함하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제1항에 있어서,
상기 다층 PCB의 최상층부 내부에 형성된 시약 또는 세척액을 보관하는 보관 챔버;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제1항에 있어서,
상기 다층 PCB의 최하층부에 표면 실장되어, 상기 보관 챔버 내부의 상기 시약 또는 세척액을 가열하는 히터;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제1항에 있어서,
상기 보관 챔버에 연결되게 형성되어, 상기 시약 또는 세척액이 이송되는 채널;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제4항에 있어서,
상기 히터는 상기 보관 챔버 내부에 설치되되, 상기 챔버 내부에서 가열된 상기 시약 또는 세척액을 채널을 통해 이송시키는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제5항에 있어서,
이송된 상기 시약이 반응하는 반응챔버;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제1항에 있어서,
상기 바이오센서는 상기 다층 PCB의 중간층에 형성되고, 상기 반응챔버에서의 반응 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제1항에 있어서,
상기 PCB 기반 바이오칩은 상기 보관 챔버가 복수 개이고, 상기 복수 개 보관 챔버는 채널로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제8항에 있어서,
제1 보관 챔버는 효소를 포함하고, 제2 보관 챔버는 세척용 버퍼액을 포함하며, 상기 제1 보관 챔버의 채널은 상기 제2 보관 챔버의 채널와 연결되는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제8항에 있어서,
제3 보관 챔버는 기질용액을 포함하고, 제4 보관 챔버는 세척용 버퍼액을 포함하며, 상기 제3 보관 챔버의 채널은 상기 제4 보관 챔버의 채널와 연결되는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제3항에 있어서,
상기 히터는 PTC인 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
- 제3항에 있어서,
상기 다층 PCB의 최하층부는 전압을 인가하여 상기 바이오센서의 신호를 측정하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 PCB 기반 바이오칩.
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| Title |
|---|
| Lab on a Chip, vol.17, pp.1388-1405 (2017) 1부.* * |
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