MEMS(micro electro mechanical systems) is a technology for the manufacture hyperfine structure, as a micro-sensor and a driving device, by a variety of materials such as silicon and polymer. Many study for utilizing the MEMS applications have been performed in variety of fields, such as light device...
MEMS(micro electro mechanical systems) is a technology for the manufacture hyperfine structure, as a micro-sensor and a driving device, by a variety of materials such as silicon and polymer. Many study for utilizing the MEMS applications have been performed in variety of fields, such as light devices, high frequency equipments, bio-technology, energy applications and other applications. Especially, the field of Bio-MEMS related with bio-technology is very attractive, because it have the potential technology for the miniaturization of the medical diagnosis system. Bio-MEMS, the compound word formed from the words 'Bio-technology' and 'MEMS', is hyperfine devices to analyze biological signals in vitro or in vivo. It is extending the range of its application area, by combination with nano-technology(NT), Information Technology(IT). The LOC(lab-on-a-chip) in Bio-MEMS, the comprehensive measurement system combined with Micro fluidic systems, bio-sensors and bio-materials, is the representative technology for the miniaturization of the medical diagnosis system. Therefore, many researchers around the world are performing research on this area. In this paper, the application, development and market trends of Bio-MEMS are investigated.
MEMS(micro electro mechanical systems) is a technology for the manufacture hyperfine structure, as a micro-sensor and a driving device, by a variety of materials such as silicon and polymer. Many study for utilizing the MEMS applications have been performed in variety of fields, such as light devices, high frequency equipments, bio-technology, energy applications and other applications. Especially, the field of Bio-MEMS related with bio-technology is very attractive, because it have the potential technology for the miniaturization of the medical diagnosis system. Bio-MEMS, the compound word formed from the words 'Bio-technology' and 'MEMS', is hyperfine devices to analyze biological signals in vitro or in vivo. It is extending the range of its application area, by combination with nano-technology(NT), Information Technology(IT). The LOC(lab-on-a-chip) in Bio-MEMS, the comprehensive measurement system combined with Micro fluidic systems, bio-sensors and bio-materials, is the representative technology for the miniaturization of the medical diagnosis system. Therefore, many researchers around the world are performing research on this area. In this paper, the application, development and market trends of Bio-MEMS are investigated.
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문제 정의
본 논문에서는 Bio-MEMS 분야의 기술 동향과 세계 시장을 분석하였다.
본 논문에서는 바이오멤스 기술의 최근 동향과 세부기술에 대해 소개 하였다. 바이오멤스 기술은 생체 물질을 소형전기기계시스템에서 다루는 융합기술 분야로서 생체물질과 용도, 시스템화 정도 등에 따라 생체물질과 기존의 물리, 화학, 광학적 신호변환기를 조합한 바이오센서, DNA 프로브가 내장된 DNA 칩, 효소나 항체/항원 등과 같은 단백질 칩, 동물/식물 세포를 이용한 세포 칩, 신경세포를 직접 사용한 뉴런 칩과 생체삽 입용 칩, 그리고 시료의 전처리, 생화학반응, 검출, 자료해석 기능까지 소형 집적화 되어 자동 분석기능을 갖는 랩온어칩 등으로 광범위하게 정의 될 수 있다.
제안 방법
8의 왼쪽 이미지는 고정화된 PSA 항체에 항원을 결합시킨 후 AFM으로 관찰한 필터 표면(항원-항체 반응 지점이 밝게 보임)이고, 오른쪽 이미지는 항원-항체 반응을 SEM으로 확인하기 위하여 항체에 결합된 항원에 다시 30 nm Au 나노입자를 붙인 2차 항체를 결합시킨 후 관찰한 표면 사진이다. 기준 파장을 선정하기 위하여 PBS 용액을 투여한 후 측정한 공진반사광의 투과 스펙트럼을 먼저 측정하고, PSA를 농도별로 투여하여 공진반사 파장을 측정한다. 반응 속도 차이에 의해서 시간에 따라 특정 파장의 위치가 지속적으로 변화하며, 고정화된 항체와 주입된 항원이 모두 반응하게 되면 더 이상 시간이 경과해도 peak의 위치가 변화되지 않는 saturation 영역에 도달하게 된다.
전기적 감지 방식에 의한 바이오센서는 검출하고자 하는 타깃 바이오 물질(DNA, 단백질 등)이 센서 감지부의 프로브(probe) 물질과 특이적으로 결합할때 유도되는 센서의 전기적 특성 변화를 검출한다.
이를 타개할 수 있는 방법은 리소그래피와 식각 기술을 이용한 톱다운(top-down) 방식의 실리콘 반도체 제작 공정을 사용하는 것이며 이는 기존의 CMOS 공정을 그대로 활용할 수 있어 대량 생산을 통한 실용화에 매우 유리하다. 톱다운 방식을 이용한 나노선 FET 바이오센서는 Hewlett-Packard의 Williams 연구팀에서 초기 연 구가 이루어졌는데[13], 전자빔 리소그래피를 이용 하여 나노미터 스케일의 선폭을 가지는 채널을 구성하여 pM 수준의 DNA, 단백질 등의 검출을 수행하였다. 한편, Caltech에서는 나노선 패턴전이 방법을 이용하여 수많은 가닥으로 이루어진 실리콘 나노선을 플라스틱 기판 위에 형성하여 바이오센서를 제작 하였으며, 수 ppb 감도의 유독 화학물 검출과 수 pg의 DNA 분석이 가능함을 보였다[14].
성능/효과
그리고 저가의 일회용 진단칩에 사용하기 위해서 금속 금형을 제작하여 사출 방법을 이용하여 나노패턴을 플라스틱 사출칩에 전사하는 방법에 대한 연구도 진행 되고 있고, 예비 시험 결과 충분히 가능성이 있는 것으로 확인되었다. 따라서 저가이면서 일회용이고 환경 친화적인 바이오센서의 구현이 가능하다.
Table 4에 대표적인 국내 기업의 바이오멤스 개발 내용을 정리 했다. 삼성종기원의 질병 진단용 DNA 칩, 바이오 중소기업인 마크로젠, 디지털바이오테크놀로지, 제노프라 등에서 유전자 분석용 DNA 칩, LOC 디바이스, 진단용 칩을 개발하고 있음을 보여주고 있다. 바이오멤스 제품 분야가 전세계적으로 산업화 초기 단계에 있기 때문에 아이디어 및 콘텐츠의 융합기술을 이용하여 집중적인 연구 개발로서 원천기술을 확보할 수 있다면 이 분야의 신규 시장을 선점할 수 있을 것으로 여겨진다.
이러한 원리를 이용하여 세포를 하나의 칩 상에서 배양하고 소프트 리소그래피 기술을 이용하여 원하는 형상으로 패터닝 할 뿐만 아니라, MEMS 기술을 이용하여 제작된 다양한 미세 구조물상에서 세포의 행태를 관측함으로써 보다 정확하고 빠르게 생체 정보를 얻을 수 있다는 가능성을 확인하게 되었다. Bio-MEMS 기술의 한 분야인 Cell chip을 이용하여 원하는 세포로부터 생체 신호를 얻어 내고 분석 하는 것 은 많은 연구자들로부터 관심을 얻고 있으나, 아직 까지는 기초 연구 단계로 보다 많은 투자와 연구 개발이 필요한 실정이다.
후속연구
또한 DNA chip 상에 spot 하는 유전자의 선택 기술도 발전하고 있어 DNA chip 기술을 이용하여 특정 질병의 발현 유전자 profile 등을 작성하여 진단에 응용하고 있으므로 향후 DNA chip의 응용이 기대된다.
삼성종기원의 질병 진단용 DNA 칩, 바이오 중소기업인 마크로젠, 디지털바이오테크놀로지, 제노프라 등에서 유전자 분석용 DNA 칩, LOC 디바이스, 진단용 칩을 개발하고 있음을 보여주고 있다. 바이오멤스 제품 분야가 전세계적으로 산업화 초기 단계에 있기 때문에 아이디어 및 콘텐츠의 융합기술을 이용하여 집중적인 연구 개발로서 원천기술을 확보할 수 있다면 이 분야의 신규 시장을 선점할 수 있을 것으로 여겨진다.
DNA chip은 대 량 screening tool의 하나로 그 감도를 향상시키면 이용 범위는 지금보다 훨씬 넓어질 것이다. 이를 위해서는 S/N비를 높이는 scanning 장치 DNA chip 기판 발광 효율이 좋은 polymerase와 조합하여 차이가 없는 형광 물질의 개발 및 조합 방법의 개발, 나아가 각 유전자의 정량성을 가질 수 있는 DNA chip의 자체 개발이 필요하다.
휴대 가능하고 저가의 공진 반사광 바이오센서를 구현하기 위해서는 분광기를 대체할 수 있는 파장 가변 광원 소자와 고감도 수광 소자 그리고 다중화 센싱을 위한 신호처리 기술과 집적 시스템 기술도 함께 개발 되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나노선 채널을 이용한 FET 방식의 바이오 센서란 무엇인가?
반면 나노선 채널을 이용한 FET 방식의 바이오 센서는 나노선 표면에 결합하는 바이오 물질의 자체 전하에 의해 유발되는 나노선 내부의 전기 전도도 변화를 검출하는 원리를 이용한 비표지 방식이다(Fig. 11).
바이오 멤스 기술은 무엇의 개발을 위한 핵심도구인가?
바이오멤스 기술은 초소형 전기기계시스템 기술이 생물 분야에 응용되는 것으로, 넓은 범위의 개념으로서는 바이오센서, 바이오칩을 총칭한다고 할 수 있다. 바이오 멤스 기술은 DNA 칩, Protein 칩, Cell 칩과 랩온어칩의 바이오칩, 바이오센서 개발 등을 위한 핵심 도구로 인식되고 있다.
전기적 감지 기술 중 하나인 전기 화학적 방식의 장단점은 무엇인가?
9)[11]와 미국의 Osmetech(clinical microsensors)사(Fig. 10)[12]에서 개발한 DNA 센서 등에 채택되고 있는데, 전기적 제어회로를 이용하여 전기화학적 신호를 감지, 처리하기 때문에 다수의 센서에 서 동시에 고속의 데이터 샘플링 및 처리가 가능하며 저가 휴대형 측정 장치의 상용화가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 전기화학적 반응을 유도하기 위해서는 타깃 분자와 프로브 분자 이외에 제 3의 표지물질이 필요하므로 시료의 처리 과정이 복잡하고, 특히 단백질의 경우, 표지물질로 인해 활성이 저해를 받을 수 있을 뿐 아니라 균일한 표지가 이루어지지 않을 수 있기 때문에 측정의 정확도가 떨어질 수 있다는 단점을 가진다. 또한 전기화학적 신호가 발생할 수 있는 특정한 반응환경을 요구하므로 DNA, 단백질 등 다양한 형태의 생체물질을 동시에 검출하기 어렵다.
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