본 발명은 검사 대상물이 투입되는 하나 이상의 반응부와 상기 반응부가 가열되도록 탄소나노튜브 박막 가열부를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 바이오 센서는 탄소나노튜브 박막 가열부를 열 방출 소재로 채택하여 반응부 내의 반응물의 온도를 빠른 속도로 조절할 수 있으므로, PCR 기기, 핵산 서열분석기, 유전자 칩, 단백질 칩, 효소작용연구(enzyme kinetic studies) 등에 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생화학적 반응에 사용되는 반응물의 온도를 제어하기 위한 바이오센서에 관한 것이다.

배경기술

일반적으로, 생화학적 반응에 사용되는 반응물이 수용되는 반응용기의 온도제어는 다양한 방법으로 가열 및 냉각되는 가열기를 사용하여 수행된다.
현재, 많은 바이오 센서들에서는 전기 소자나 열전 소자 등을 사용하여 반응물이 수용되는 반응용기를 가열하게 된다.
상기 바이오 센서들은 다양한 방식으로 반응용기를 가열기와 결합시키는데, 반응용기에서 생화학적 반응을 일으키는 반응물의 반응 결과를 정확하게 측정하기 위해서는 반응용기의 온도를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다.
또한, 반응용기에서 일어나는 생화학적 반응은 광학적 방식으로 측정되는 것이 일반적이므로 상기 반응용기와 가열기를 투명한 소재로 채택하는 경우 생화학적 반응을 측정하는데 있어 장점을 갖는다.

상기 투명 가열기로 채택될 수 있는 소재로는 도전성 투명박막이 있는데, 전통적으로 가장 많이 사용되는 것은 ITO(Indium Tin Oxide)이며, 도전성 폴리머나 탄소나노튜브를 포함하는 탄소기반 소재 등이 최근 들어 점차 많이 사용되고 있다.
이 외에도 옥사이드(Oxide) 계열의 ZnO, SnO2, In2O3, CdSnO4와 같은 다양한 소재들이 활용되고 있으며, Au. Al, Ag 등과 같은 금속이나 주석(Tin) 등의 기능성 물질이 일부 포함되도록 하여 도전성이 개선된 박막 필름을 제조하는 경우가 있다.

최근에는 탄소기반의 소재(탄소나노튜브, 카본블랙 등)를 투명기판의 내부 또는 표면에 증착한 도전성 필름을 구성하여 제조하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 도전성 투명박막은 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display), 정전차폐, 터치스크린, LCD 디스플레이용 전극, 기능성 광학필름, 복합재료, 화학 센서, 태양 전지, 에너지 저장물질, 전자소자 등에 활용이 가능하다.
특히, 탄소나노튜브는 유연성이 요구되는 플렉서블 디스플레이나 플렉서블 태양전지 등의 전극재료에 효과적으로 사용될 수 있다.
그런데, 투명 가열기로서 기존에 사용되는 상기 ITO 투명박막은 진공 상에서 기판 표면에 증착되는 것이 일반적이며, 많은 비용과 까다로운 공정을 요구한다. 또한, ITO 투명박막은 증착될 수 있는 소재에 제한이 있기 때문에 광학적으로 생화학적 반응을 측정하기 위해 투명한 반응용기를 채택하여야 하는 바이오 센서에 곧바로 적용되기 어려운 단점이 있다.
최근 바이오 칩의 개발이 활발히 이루어지면서 다양한 형태의 바이오 센서가 부착된 바이오 센서들이 제안되고 있다.

바이오센서에서 주요 인자를 정확하게 측정하기 위하여 전기적, 광학적, 화학적 방법 등이 다양하게 이용되고 있으며, 적은 양의 바이오 반응물을 이용하여 정확한 측정결과를 얻기 위해 주입되는 DNA, RNA, 프로틴, 세포, 혈액 등과 같은 반응물의 활성 온도를 제어하는 것이 매우 중요하다.
따라서, 반응물의 활성 온도를 정밀하게 조절할 수 있으면서도 반응 용기의 투명성이 유지되는 바이오 센서를 개발할 필요가 있다.

문제점

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 DNA, RNA, 프로틴, 세포, 혈액 등과 같은 반응물질의 활성 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 바이오 센서를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 반응 용기의 투명성을 유지하여 광학적 방식으로 반응 결과를 측정할 수 있는 바이오 센서를 제공하고자 한다.

해결과제

위와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 바이오 센서는 검사 대상물이 투입되는 하나 이상의 반응부 상기반응부 하부에 구비되는 탄소나노튜브 박막 가열부 및 상기 반응부내 상기 검사 대상물의 반응 결과로부터 신호를 검출하는 신호 검출부를 포함하여 이루어진다.
바람직하게, 상기 바이오 센서는 상기 반응부의 온도를 감지하는 온도감지센서를 더 포함하여, 상기 검사 대상물의 반응 온도를 조절할 수 있다.
바람직하게, 상기 바이오 센서는 상기 온도감지센서에서 감지된 상기 온도가 상기 검사 대상물에 대하여 기 설정된 반응 온도 범위 내에 있도록 제어하는 제어수단을 더 포함하되, 상기 제어수단은 상기 온도가 상기 반응 온도 범위에 미달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 인가하고, 상기 온도가 상기 반응 온도 범위를 초과하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 차단하는 방식으로 구동될 수 있다.
바람직하게, 상기 반응부는 유리, 폴리머, 및 플릿 글래스(flit glass)로 구성된 군에서 선택되는 투명재질일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 바이오 플랫폼은 반응물이 투입되는 반응부; 상기 반응부 하부에 구비되는 탄소나노튜브 박막가열부 및 상기 반응부의 온도를 감지하는 온도감지센서;를 포함하여 이루어지는데, 상기 반응물의 반응 온도가 상기 온도감지센서에 의해 조절될 수 있다.
바람직하게, 상기 온도감지센서에서 감지된 상기 온도가 상기 검사 대상물에 대하여 기 설정된 반응 온도 범위 내에 있도록 제어하는 제어수단;을 더 포함하되, 상기 제어 수단은 상기 온도가 상기 반응 온도 범위에 미달하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 인가하고, 상기 온도가 상기 반응 온도 범위를 초과하면 상기 탄소나노튜브 박막 가열부에 전원을 차단하여, 상기 검사 대상물에 온도 범위를 조절할 수 있다.

효과

본 발명의 바이오 센서는 탄소나노튜브가 밀집되어 망 형태로 연결된 도전성이 향상된 탄소나노튜브 박막 가열부를 사용하여 반응부 내의 온도를 정밀하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 바이오 센서는 온도 상승이 단시간에 이루어지며, 설정온도에 도달한 후에는 온도가 더 이상 상승하지 않고 유지되어 유전자의 발현 변화를 측정하기 위해 사용되는 DNA 칩, RNA 칩 등의 유전자 칩이나, 단백질의 발현 변화를 측정하기 위해 사용되는 면역크로마토그래피 스트립 키트, 루미넥스 어세이 키트, 단백질 마이크로어레이 키트, 엘라이자 키트, 또는 면역학적 도트 키트에 유용하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소나노튜브 박막 가열부를 가열수단으로 갖는 바이오 센서는 일정한 시간 안에 정해진 온도를 올리기 위해 필요한 열량이 상대적으로 작아서 에너지 효율 면에서도 매우 유용하다고 할 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브 박막 가열부를 가열수단으로 갖는 바이오 센서는 전류의 흐름을 차단하였을 때, 탄소나 노튜브 박막 가열부의 표면적이 넓어 냉각이 신속하게 이루어지므로, 별도의 냉각장치를 사용하지 않고도 구동이 가능하다.

본고는 한국기계연구원 장원석, 한창수, 최두선, 정소희, 김준동의 발표자료를 요약한 것이다.