KR101231455B1 - Apparatus for bio material detecting - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 표면 증강 라만 산란 효과를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 장치에 있어서, 광을 발광하는 발광부; 내주면에 라만산란광 증폭구조가 형성되고 상기 바이오 물질이 포함된 시료가 연속적으로 통과되도록 하여 상기 발광부에서 발광된 상기 광을 조사받을 수 있도록 하는 시료 측정부; 상기 시료에서 산란되는 라만 산란광을 검출하는 라만 산란광 디텍터; 상기 라만 산란광 디텍터에서 검출된 결과를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 검출부; 를 포함하는 바이오 물질 검출장치를 제공한다.
본 발명의 라만산란광 증폭구조는 경사 증착법으로 제작되는 금속 나노 로드 또는 포토닉 크리스탈, 포토닉 크리스탈 상에 형성된 금속 나노 로드 구조를 가질 수 있다.
본 발명은, 측정에 사용된 시료에 어떠한 변형도 가하지 않으므로 혈액 투석시 환자의 혈액내 크레아틴과 우레아 등의 바이오 물질을 실시간으로 측정하고 혈액 투석후 환자의 체내로 재주입 할 수 있어 최적 혈액 투석 시간의 선정에 도움을 줄 수 있는 효과가 있다. The present invention provides a device for detecting a biomaterial using a surface enhanced Raman scattering effect, comprising: a light emitting unit for emitting light; A sample measuring unit configured to form a Raman scattering light amplifying structure on an inner circumferential surface thereof and to continuously pass the sample including the biomaterial to receive the light emitted from the light emitting unit; Raman scattered light detector for detecting the Raman scattered light scattered from the sample; A detector for detecting a biomaterial using the result detected by the Raman scattered light detector; It provides a bio-material detection apparatus comprising a.
The Raman scattered light amplifying structure of the present invention may have a metal nanorod structure formed on a photonic crystal or a metal nanorod manufactured by a gradient deposition method.
In the present invention, since no modification is made to the sample used for the measurement, biomaterials such as creatine and urea in the blood of the patient can be measured in real time during hemodialysis, and can be re-injected into the patient's body after hemodialysis. There is an effect that can help you choose.
Description
본 발명은 바이오 물질 검출장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속적으로 공급되는 시료에서 산란되는 라만 산란광을 검출하여 바이오 물질을 실시간으로 검출할 수 있는 바이오 물질 검출장치에 관한 것이다.The present invention relates to a biomaterial detection apparatus, and more particularly, to a biomaterial detection apparatus capable of detecting a biomaterial in real time by detecting Raman scattered light scattered from a continuously supplied sample.
인체의 신진대사 정보를 획득하여 질병의 진단을 수행하기 위해, 혈액과 소변과 같은 인체의 체액에 포함되어 있는 다양한 바이오 물질에 대한 분석이 수행될 필요가 있다. 특히, 혈액과 소변에 포함되어 있는 크레아틴(creatine)과 우레아(urea)와 같은 물질의 농도 분석은 신장의 기능과 기타 질병의 분석의 위해 광범위하게 이용되고 있다.In order to obtain the metabolic information of the human body and to diagnose the disease, analysis of various biomaterials contained in the human body fluids such as blood and urine needs to be performed. In particular, the analysis of concentrations of substances such as creatine and urea in blood and urine are widely used for analysis of kidney function and other diseases.
크레아틴(creatine)은 근육의 신진 대사에 의해 생성되는 단배질로서, 체액내의 농도를 측정하여 영양실조, 갑상선 기능 항진증, 척수성 소아마비 등의 검진에 적용될 수 있다. Creatine is a protein produced by muscle metabolism and can be applied to checks for malnutrition, hyperthyroidism, and spinal polio by measuring concentrations in body fluids.
우레아(urea)는 단백질 대사 작용의 최종 산출물로, 혈액 내의 농도 측정에 의해 신장 기능 장애에 대한 정보를 알 수 있다. Urea is the final product of protein metabolism, and information about renal dysfunction can be determined by measuring concentrations in the blood.
신부전 환자의 혈액 투석 과정에서, 크레아틴 및 우레아의 실시간 측정을 필요로 한다. 이는, 혈액 투석의 목적인 혈액 내 독성무질의 제거와 수분과 전행질의 균형 조절을 원활한 진행을 위해서이다. 혈액 투석 과정의 진행시간 및 투석양은 신부전 환자의 남아있는 신장 기능을 저하시키거나 사망에 이르는 심각한 상황을 발생시킬 수 있으므로 크레아틴(creatine)과 우레아(urea)의 농도를 실시간으로 측정하는 장치의 개발을 필요로 하였다.In the hemodialysis process of patients with renal failure, real-time measurement of creatine and urea is required. This is for the smooth progression of the removal of toxic minerals in the blood, the purpose of hemodialysis, and the balance of moisture and prostate. The duration of the hemodialysis process and the amount of dialysis may reduce the renal function of the renal failure patients and cause serious conditions leading to death, which may lead to the development of a device to measure the concentration of creatine and urea in real time. Needed.
기존의 크레아틴(creatine)과 우레아(urea)의 검출장비는 효소를 이용한 화학적 분석 혹은 전기화학적 방법으로 수행되었으며 혈액투석과정에서 일부 혈액을 추출하여 전처리를 수행한 후 분석을 진행하고 폐기하는 형태로 진행되므로 혈액 투석과정에서 실시간으로 크레아틴(creatine)과 우레아(urea)의 농노 측정이 불가능하다.Conventional creatine and urea detection equipment has been carried out by chemical analysis or electrochemical method using enzyme, and some blood is extracted during the hemodialysis process before pretreatment, and then analyzed and discarded. As a result, it is impossible to measure serpentine (creatine) and urea (urea) in real time during hemodialysis.
시료의 전처리가 요구되지 않는 바이오 물질 측정 방법으로서 라만 산란 효과를 이용한 측정방법이 개시되었다.As a method for measuring biomaterials that does not require pretreatment of a sample, a measurement method using a Raman scattering effect has been disclosed.
라만 산란의 기본 개념은 입사된 포톤(photon)이 분자와 충돌할 때, 분자내의 전자(electron)는 포톤으로부터 일정 에너지를 흡수하거나 빼앗기게 되고, 이때 에너지 수준이 변화된 포톤은 입사된 포톤과 다른 파장에서 측정된다. 여기서, 포톤이 측정되는 파장의 정보를 이용하여 이에 대한 상세한 정보를 파악하게 된다.The basic concept of Raman scattering is that when an incident photon collides with a molecule, electrons in the molecule absorb or desorb certain energy from the photon, where the photons whose energy levels have changed are different from the incident photon. Is measured in Here, the detailed information about the wavelength is determined by using the information of the wavelength at which the photons are measured.
라만 산란은 좁은 피크폭과 수분에 대한 간섭으로 인한 단백질, 바이러스, 신진대사물, 효소, 면역 항체, 핵산, 핵단백질과 같은 바이오 물질의 검출에 유용하다. 또한, 라만 산란의 검출을 위해서는 시료에 대한 사전처리 또는 반응체 처리를 요구하지 않으며 동시에 다수의 바이오 물질을 검출할 수 있는 장점을 갖는다.Raman scattering is useful for the detection of biomaterials such as proteins, viruses, metabolites, enzymes, immune antibodies, nucleic acids, and nuclear proteins due to narrow peak widths and interference with moisture. In addition, the detection of Raman scattering does not require pretreatment or reactant treatment for the sample, and has the advantage of detecting a plurality of biomaterials at the same time.
다만, 라만 산란은 라만 산란에 관여하는 분자의 반응 면적이 작아, 체액 내에서 낮은 농도로 존재하는 물질에 대한 측정이 곤란한 문제점이 있다. 일반적으로 우레아(urea)의 경우 체액내 존재하는 농도가 상대적으로 높아 일반적인 라만 산란 기법을 이용하여 농도 분석이 가능하나 크레아틴(creatine)의 경우 상대적으로 낮은 농도로 체액 내에 존재하여 일반적인 라만 산란 기법으로 농도 분석이 불가능한 문제점이 있다. However, Raman scattering has a problem that it is difficult to measure a substance present at a low concentration in the body fluid because the reaction area of molecules involved in Raman scattering is small. In general, the concentration of urea in the body fluid is relatively high, so the concentration can be analyzed using a general Raman scattering technique, but in the case of creatine, it is present in the body fluid at a relatively low concentration. There is a problem that cannot be analyzed.
이러한 문제점을 극복하기 위해 표면증강라만산란(Surface-Enhanced Raman Scattering; SERS)이 사용된다. 표면증강라만산란(Surface-Enhanced Raman Scattering; SERS) 기법은 금속 나노입자에 부착된 화학물질의 라만 산란광이 급격하게 증가하는 효과를 이용하는 것으로, 시료와 금속 나노입자를 혼합한뒤 라만 산란광을 측정하는 형태로 진행된다. Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) is used to overcome this problem. The Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) technique takes advantage of the rapid increase in Raman scattered light of chemicals attached to metal nanoparticles, which measure Raman scattered light after mixing a sample with metal nanoparticles. Proceeds in form.
표면증강라만산란의 원리는 아직 명확하게 밝혀지지 않았으나 금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 (Surface plasmon) 효과에 의한 표면 전자기장 증폭 효과와 금속 입자에 부착된 물질간의 전자 공유에 의한 화학적 효과가 표면증강라만산란의 라만 산란광 증폭의 원인으로 알려져 있다. Although the principle of surface enhanced Raman scattering is not clear yet, the surface electromagnetic field amplification effect by the surface plasmon effect of metal nanoparticles and the chemical effect by electron sharing between materials attached to the metal particles Raman scattered light is known to cause amplification.
그러나 금속나노입자를 시료와 혼합한 뒤 라만 산란광을 측정하는 표면증강라만산란(Surface-Enhanced Raman Scattering; SERS) 기법은 금속입자 혼합으로 인한 시료의 오염으로 인해 측정에 사용된 시료의 체내 재주입이 불가능하다. However, the Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) technique, which mixes metal nanoparticles with a sample and then measures Raman scattering light, prevents re-injection of the sample used for measurement due to contamination of the sample due to metal particle mixing. impossible.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 표면증강라만산란을 발생시키는 라만산란광 증폭 구조를 시료 측정부 내부에 형성하고, 시료측정부에 측정하고자 하는 시료를 통과시키면서, 라만산란광 증폭 구조상에 레이저를 조사하여, 라만산란광 증폭 구조에 부착된 시료에서 산란되는 증폭된 라만 산란광을 검출하는 실시간 바이오 물질 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the above problems, a Raman scattering light amplifying structure for generating surface enhanced Raman scattering is formed inside the sample measuring unit, while passing the sample to be measured in the sample measuring unit, the Raman scattering light amplifying structure An object of the present invention is to provide a real-time biomaterial detection apparatus that detects amplified Raman scattered light that is scattered from a sample attached to a Raman scattered light amplifying structure by irradiating a laser.
또한 상기 라만산란광 증폭 구조는 제작비용이 저렴한 경사 증착법 (glancing angle deposition) 을 통한 나노 로드 구조, 나노 복제기술을 기반으로한 포토닉 크리스탈 (Photonic crystal), 나노로드와 포토닉 크리스탈의 복합 구조로 형성될 수 있어 실시간 바이오 물질 검출 시스템을 저가에 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, the Raman scattered light amplifying structure is formed of a nano rod structure through a low-cost glancing angle deposition, a photonic crystal based on nano replication technology, a composite structure of nano rod and photonic crystal It is aimed at providing a real-time biomaterial detection system at low cost.
또한, 측정에 사용되는 시료에 대하여 전처리 과정을 수행하지 않고 낮은 농도의 바이오 물질의 농도를 측정할 수 있는 바이오 물질 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a biomaterial detection apparatus capable of measuring the concentration of a low concentration of a biomaterial without performing a pretreatment process on a sample used for the measurement.
또한, 바이오 물질의 검출에 사용된 시료를 체내에 재 주입 할 수 있는 바이오 물질 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a biomaterial detection apparatus capable of reinjecting a sample used for detection of a biomaterial into a body.
또한, 혈액 투석시 크레아틴과 우레아와 같은 바이오 물질의 농도를 실시간으로 측정하여 최적의 혈액 투석 시간을 선정할 수 있는 바이오 물질 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a biomaterial detection apparatus capable of selecting an optimal hemodialysis time by measuring the concentration of biomaterials such as creatine and urea in real time during hemodialysis.
본 발명은, 라만 산란 효과를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 장치에 있어서, 광을 발광하는 발광부; 내주면에 라만산란광 증폭구조가 형성되고 상기 바이오 물질이 포함된 시료가 연속적으로 통과되도록 하여 상기 발광부에서 발광된 상기 광을 조사받을 수 있도록 하는 시료 측정부; 상기 시료에서 산란되는 라만 산란광을 검출하는 라만 산란광 디텍터; 상기 라만 산란광 디텍터에서 검출된 결과를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 검출부; 를 포함하는 바이오 물질 검출장치를 제공한다.The present invention provides a device for detecting a biomaterial using a Raman scattering effect, comprising: a light emitting unit for emitting light; A sample measuring unit configured to form a Raman scattering light amplifying structure on an inner circumferential surface thereof and to continuously pass the sample including the biomaterial to receive the light emitted from the light emitting unit; Raman scattered light detector for detecting the Raman scattered light scattered from the sample; A detector for detecting a biomaterial using the result detected by the Raman scattered light detector; It provides a bio-material detection apparatus comprising a.
상기 라만산란광 증폭구조는 경사 증착법을 이용하여 제작되는 금속 나노입자 구조로 구성될 수 있다.The Raman scattered light amplifying structure may be composed of a metal nanoparticle structure produced using a gradient deposition method.
상기 라만산란광 증폭구조는 포토닉 크리스탈 구조로 구성될 수 있다.The Raman scattered light amplifying structure may be composed of a photonic crystal structure.
상기 라만산란광 증폭구조는 포토닉 크리스탈 구조 상부에 금속 나노 로드 가 형성되는 형태로 구성될 수 있다.The Raman scattered light amplifying structure may be formed in a form in which a metal nanorod is formed on the photonic crystal structure.
상기 시료는 혈액 투석 장치에 공급되는 혈액일 수 있다.The sample may be blood supplied to the hemodialysis device.
상기와 같은 본 발명은, 시료에 대하여 레이저를 조사한 후 시료에서 산란되는 증폭 라만 산란광을 검출하여 미소 농도의 바이오 물질 함유량을 실시간으로 측정할 수 있는 효과가 있다. The present invention as described above has the effect of measuring the biomaterial content of the micro concentration in real time by detecting the amplified Raman scattered light scattered from the sample after irradiating the laser to the sample.
또한, 측정에 사용되는 시료에 대하여 전처리 과정을 수행하지 않고 저농도인 바이오 물질을 검출할 수 있는 효과가 있다.In addition, there is an effect that can detect a low concentration of the bio-material without performing a pretreatment process for the sample used for the measurement.
또한, 바이오 물질의 검출에 사용된 시료를 체내에 재 주입할 수 있는 효과가 있다. In addition, there is an effect that can re-inject the sample used for the detection of the bio-material into the body.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오물질 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 포토닉 크리스탈 구조를 라만산란광 증폭구조에 적용하여 시료 측정부의 내벽에 형성하는 경우 사용하는 발광부와 검출부의 배치 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에서 라만산란광 증폭구조에 사용 될 수 있는 포토닉 크리스탈을 형성하기 위한 나노 복제 공정의 과정의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에서 라만산란광 증폭구조에 사용 될 수 있는 금속 나노 로드를 형성하는 경사 증착 공정이 수행되는 경사 증착 장치의 일 예의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 경사 증착 공정에 의한 나노 로드의 성장 과정을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에서 사용하는 시료 측정부의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에서 금속 나노로드와 포토닉 크리스탈 복합체 구조를 라만산란광 증폭구조로 사용하는 시료 측정부를 이용한 바이오 물질 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view schematically showing the configuration of a biomaterial detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an example of the arrangement state of the light emitting part and the detecting part used when the photonic crystal structure is applied to the Raman scattered light amplifying structure and formed on the inner wall of the sample measuring part.
3A to 3D are diagrams showing an example of a process of a nano replication process for forming a photonic crystal that can be used in a Raman scattered light amplifying structure in the present invention.
4 is a view schematically showing the configuration of an example of a gradient deposition apparatus in which a gradient deposition process for forming a metal nanorod that may be used in a Raman scattered light amplifying structure is performed in the present invention.
5A to 5C are diagrams illustrating a growth process of nanorods by a gradient deposition process.
6A to 6D are views for explaining the fabrication process of the sample measuring unit used in the present invention.
FIG. 7 illustrates a biomaterial detection process using a sample measuring unit using a metal nanorod and a photonic crystal complex structure as a Raman scattered light amplifying structure in the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오물질 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 1 is a view schematically showing the configuration of a biomaterial detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에서 포토닉 크리스탈을 포함하는 라만산란광 증폭구조를 시료 측정부의 내벽에 사용하는 경우 발광부와 검출부의 배치 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.2 is a view showing an example of the arrangement of the light emitting unit and the detection unit when the Raman scattered light amplifying structure including the photonic crystal is used for the inner wall of the sample measuring unit in the present invention.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오물질 검출 장치(100)는 발광부(110), 시료 측정부(130), 라만 산란광 디텍터(150) 및 분석부(160)를 포함한다. 1 and 2, the
여기서, 바이오물질 검출 장치(100)의 구성 요소들은 소정의 크기를 갖는 케이스(102) 내측에 설치될 수 있다.Here, the components of the
발광부(110)는 바이오 물질 검출을 위한 광을 발광하여 시료 측정부에 대해서 조사한다. The
발광부(110)는 레이저 발광기(112), 집속 렌즈(114), 집광 렌즈(118), 제1 및 제2 광 파이버(116a, 116b)를 포함할 수 있다.The
레이저 발광기(112)는 바람직하게는 파장 785nm의 레이저(laser)를 발광한다. The
레이저 발광기(112)에서 발광된 레이저는 시료에 대하여 직접 조사될 수 있지만, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 광 파이버(116a)와 집속 렌즈(114)를 통해 시료에 대해서 조사될 수 있다.The laser emitted from the
여기서, 시료는 혈액 투석 장치에 공급되는 환자의 혈액으로서, 혈액 투석 과정에서 실시간으로 혈액내 물질을 검출하여 최적 혈액 투석 시간 결정에 적용될 수 있다. Here, the sample is blood of a patient supplied to the hemodialysis apparatus, and may be applied to determine an optimal hemodialysis time by detecting a substance in the blood in real time during the hemodialysis process.
도 2에 도시된 바와 같이, 레이저는 집속 렌즈의 사용 없이 시료에 대해서 조사될 수도 있다.As shown in FIG. 2, the laser may be irradiated onto the sample without the use of a focusing lens.
시료에 대해 조사된 레이저는 시료에서 산란된다. 여기서, 산란된 광은 집광 렌즈(118)를 통해 집광된 후, 후술하는 라만 산란광 디텍터(150)로 전달된다. The laser irradiated to the sample is scattered in the sample. Here, the scattered light is collected through the
도 2를 참조하면, 포토닉 크리스탈을 포함하는 라만산란광 증폭구조를 시료 측정부(130) 의 내벽에 적용하는 경우 레이저 투과광이 최소화 되는 시점이 포토닉 크리스탈의 공진 입사각이며 이때 포토닉 크리스탈의 표면 전자기장 증폭 효과에 의해 라만 산란광의 신호가 증폭되므로, 공진 입사각의 평가를 위한 투과도 측정을 수행하기 위한 광량계(119)를 사용할 수 있다.Referring to FIG. 2, when the Raman scattered light amplifying structure including the photonic crystal is applied to the inner wall of the
도 1을 참조하면, 집광 렌즈에 의해 집광된 광은 제2 광 파이버(116b)를 통해 라만 산란광 디텍터(150)로 전달될 수 있도록 구성된다. 또한, 도 2를 참조하면, 집광 렌즈(118)에 의해 집광된 광이 라만 산란광 디텍터(150)로 직접 전달될 수 있도록 구성될 수도 있다. Referring to FIG. 1, the light collected by the condenser lens may be transmitted to the Raman scattered
한편, 다시, 도 1을 참조하면, 집속 렌즈(114)의 광축 상에 제1 광 파이버(116a)와 제2 광 파이버(116b)의 측면을 서로 밀착시켜 배치하는 경우에는 집속 렌즈(114)가 집광 렌즈의 역할도 동시에 수행함을 알 수 있다.Meanwhile, referring back to FIG. 1, when the side surfaces of the first
또한, 제1 및 제2 광 파이버(116a, 116b)는 레이저 발광기(112)와 집속 렌즈(114) 또는 집광 렌즈(118)와 라만 산란광 디텍터(150)가 이격되어 배치되어 있는 경우에 레이저 또는 산란광의 전달을 용이하게 할 수도 있다.In addition, the first and second
또한, 도 1과 도 2를 참조하면, 집속 렌즈와 집광 렌즈는 단일개의 렌즈로 구성될 수 있지만, 레이저 광을 필요로 하는 위치로의 집속 또는 집광을 용이하게 하기 위해, 복수개의 렌즈로 구성될 수도 있다. 1 and 2, the focusing lens and the condenser lens may be composed of a single lens, but may be composed of a plurality of lenses to facilitate condensing or condensing to a position requiring laser light. It may be.
시료 측정부(130)는 사용자가 측정을 원하는 시료가 내부를 통과하도록 하여 레이저의 조사를 받도록 한다. 시료 측정부(130)의 직경과 길이는 사용자의 필요에 의해 다양하게 변경될 수 있다.The
시료가 통과하는 시료 측정부(130)의 내벽 형상은 라만산란광 증폭구조가 형성되는 형태로 구성될 수 있다. 이때 라만산란광 증폭구조는 금속 나노 로드, 또는 포토닉 크리스탈, 금속 나노 로드와 포토닉 크리스탈이 동시에 형성되는 형태로 구성 될 수 있다. The inner wall shape of the
금속 나노 로드는 레이저 광이 입사할 때 금속 나노 로드 주변의 표면 플라즈몬 효과 (Surface plasmon effects) 에 의해 금속 나노 로드 주변의 표면 전자기장 (Near-field electromagnetic field) 가 증폭되는 효과를 이용하여 라만 산란광의 세기를 증폭할 수 있으며 이를 통해 저 농도의 시료를 검출할 수 있게 된다. The metal nanorods use the effect of surface amplification of the near-field electromagnetic field around the metal nanorods by the surface plasmon effects around the metal nanorods when the laser light is incident. It can be amplified to detect a low concentration of the sample through this.
포토닉 크리스탈은 빛의 파장 이하의 주기로 반복되는 유전체 (dielectric) 물질로써 도파 모드 공진(guided mode resonance) 상태에서 특정 파장의 광을 100% 반사하며, 표면에서 강한 전자기장을 형성한다. 이러한 특성은 시료에서 산란되는 라만 산란광의 증폭에 적용될 수 있다. 라만 산란광의 증폭에 의해 바이오 물질의 검출 효율이 상승될 수 있다. Photonic crystals are dielectric materials that repeat at a sub-wavelength period and reflect 100% of light at a specific wavelength in a guided mode resonance and form a strong electromagnetic field on the surface. This property can be applied to the amplification of the Raman scattered light scattered in the sample. The amplification of the Raman scattered light may increase the detection efficiency of the biomaterial.
금속 나노 로드와 포토닉 크리스탈 복합구조가 라만산란광 증폭구조로서 시료측정부(130)의 내벽에 형성되는 경우 금속 나노 로드에 의한 라만 산란광 증폭과 포토닉 크리스탈에 의한 라만 산란광 증폭 효과를 동시에 획득 할 수 있다. When the metal nanorod and the photonic crystal complex structure are formed on the inner wall of the
시료 측정부(130)는 시료의 실시간 측정을 가능하게 하기위해 시료 유입관(131)을 통해 유입된 시료를 내측 공간을 통해 일단에서 일단으로 통과시킨다. 이를 용이하게 하기 위해, 시료 측정부(130)의 양단에는 소정의 직경과 길이로 형성되어 시험 대상인 시료가 유입되는 시료 유입관(131), 바이오 물질이 검출된 시료가 배출되는 시료 배출관(132), 시료의 공급과 배출을 단속하는 제1 및 제2 밸브(133a, 133b)가 연결된다.The
시료 유입관(131)과 시료 배출관(132)은 서로 동일한 직경과 길이로 형성될 수 있고, 이때 직경과 길이는 사용자의 필요에 의해 결정될 수 있다.The
본 실시예에서, 시료 측정부(130)의 내벽에 형성되는 라만산란광 증폭구조의 구성에 적용될 수 있는 포토닉 크리스탈 형상은 나노 복제(nano-replication) 공정을 기반으로 제작될 수 있다. In this embodiment, the photonic crystal shape that can be applied to the configuration of the Raman scattering light amplifying structure formed on the inner wall of the
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에서 사용하는 시료 측정부의 내벽에 형성될 수 있는 포토닉 크리스탈의 형태를 구성하기 위한 나노 격자(Nano grating) 형태를 제작하는 나노 복제 공정의 과정의 일 예를 나타내는 도면이다. 3A to 3D are views showing an example of a process of a nano replication process for manufacturing a nano grating form for forming a photonic crystal form that may be formed on an inner wall of a sample measuring unit used in the present invention. to be.
도 3a를 참조하면, 실리콘 재질의 마스터 웨이퍼(master wafer)(120)를 준비한다. 마스터 웨이퍼(120)의 표면에는 일정한 간격으로 평행하게 홈(121)이 형성되어 있다. 여기서, 홈(121)은 E-beam 리소그라피 또는 스테퍼를 이용한 포토 리소그라피 공정과 이온 에칭 공정으로 제작된다. Referring to FIG. 3A, a
도 3b를 참조하면, 홈(121)이 형성된 마스터 웨이퍼(120)의 상부에는 UV 경화 폴리머(122)를 도포하고, UV 경화 폴리머(122) 상부는 플라스틱 기판(123)으로 커버한다. Referring to FIG. 3B, the UV cured
도 3c를 참조하면, 마스터 웨이퍼(120)에 자외선을 조사하여 UV 경화 폴리머(122)를 경화시킨다. 이후, 기판(123)을 마스터 웨이퍼(120)에서 이형시키면, 기판(123)의 상면에는 경화된 폴리머에 의해 마스터 웨이퍼와 동일한 형태로 복제되어(도 3d 참조), 나노 격자 구조가 완성됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 3C, ultraviolet rays are irradiated onto the
최종적으로 포토닉 크리스탈 구조는 나노 격자 구조에 고굴절 물질을 코팅하여 형성된다.Finally, the photonic crystal structure is formed by coating a high refractive material on the nano lattice structure.
본 발명에서는 상기와 같은 나노 복제 공정을 기반으로 포토닉 크리스탈 형태를 형성하지만, 사용자의 필요에 따라서는 나노 복제 공정 이외의 공정을 사용할 수 있다. In the present invention, a photonic crystal form is formed based on the nano-replication process as described above, but a process other than the nano-replication process may be used according to the needs of the user.
금속 나노 로드 구조를 포함하는 라만산란광 증폭구조의 제작을 위해 평판 혹은 포토닉 크리스탈 기판(123) 상에 나노 로드(128)가 형성 될 수 있다. 제작된 라만산란광 증폭구조는 시료 측정부(130)의 내면에 위치하여 시료에서의 라만 산란광이 증폭될 수 있도록 한다. 즉, 시료 측정부(130)를 통과하는 시료는 시료 측정부(130)를 통과하는 도중, 포함되어 있던 바이오 물질이 라만산란광 증폭구조상에 확산 효과에 의해 부착되면서 표면 증강 라만 산란 신호를 발생시킨다.
나노 로드를 포함하는 라만산란광 증폭구조의 제작을 위해 나노 로드(128)는 평판 혹은 포토닉 크리스탈 기판(123) 상에 소정의 높이로 형성된다.In order to fabricate the Raman scattered light amplifying structure including the nanorods, the
나노로드(128)는 경사 증착 공정(GLAD: Glancing Angle Deposition)의 수행에 의해 형성될 수 있다.The
도 4는 경사 증착 공정이 수행되는 경사 증착 장치의 일 예의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4을 참조하면, 경사 증착 장치는 진공 챔버(125), 보트(126), 샘플 홀더(127)를 포함한다.4 is a diagram schematically illustrating a configuration of an example of a gradient deposition apparatus in which a gradient deposition process is performed. Referring to FIG. 4, the gradient deposition apparatus includes a
진공 챔버(125)는 내부에 경사 증착이 이루어지는 공간을 제공한다.The
보트(126)는 내측에 진공 증착 물질인 은(Ag)이 배치되어 있어, 외부에서 전원이 인가되어 내측에 배치되어 있는 은이 증발될 수 있도록 한다. The
샘플 홀더(127)는 보트(126)에서 증발된 은이 기판(123) 즉, 나노 복제 공정에 의해 제작된 기판(123) 상에 증착될 수 있도록 기판(123)을 지지한다. 이때, 샘플 홀더(127)에 의해 지지되는 기판(123)은 보트(126)에 대하여 소정의 각도를 유지하고 있어, 보트(126)에서 증발된 은은 기판(123) 상에 소정의 각도로 증착된다. 여기서, 기판(123) 상의 은의 증착 각도는 사용자의 필요에 의해 15도 이내로 설정된다.The
나노 로드의 형성에 사용되는 재질은 은 이외에 금 등 기타 금속 재료가 사용될 수 있다. The material used to form the nanorods may be other metals such as gold in addition to silver.
도 5a 내지 도 5c는 경사 증착 공정에 의한 나노 로드의 성장 과정을 나타내는 도면으로서, 보트(126)에서 증발되는 은의 플럭스(flux) 방향을 향하여 소정의 각도로서 나노 로드가 성장하고 있음을 나타낸다. 도면에서 은의 플럭스 방향은 화살표로 나타내었다.5A to 5C are diagrams illustrating the growth process of the nanorods by the gradient deposition process, and show that the nanorods are grown at a predetermined angle toward the flux direction of silver evaporated from the
도 5d는 경사 증착이 완료된 후의 나노 로드를 나타내는 도면이다. 5D shows the nanorods after the gradient deposition is completed.
도면에서는 증착이 이루어지는 기판(123)이 평판 형태로 형성되어 있으나, 이는 경사 증착을 설명하기 위한 것으로서, 소정의 곡률을 갖고 있는 기판 혹은 포토닉 크리스탈 구조를 포함하고 있는 기판상에 경사 증착 공정이 수행될 수 있다. In the drawing, the
본 발명의 시료 측정부는 원통형 혹은 육면체 등의 형태로 구성될 수 있으며 도 6a 내지 도 6d는 라만산란광 증폭구조(123a)가 형성된 유연한 기판을 이용하여 원통형 튜브 형태의 시료 측정부(130)를 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. Sample measuring unit of the present invention may be configured in the form of a cylindrical or hexahedral, etc. Figure 6a to 6d is to produce a
도 6a는 절곡이 가능한 필름형태의 유연한 기판상에 라만산란광 증폭구조(123a)가 형성된 기판을 보여준다. 여기서, 기판(123)에는 라만산란광 증폭구조(123a)가 전면에 걸쳐 균일하게 형성될 수 있지만, 특정 위치에만 라만산란광 증폭구조(123a)가 형성되도록 하여 복수개의 라만산란광 증폭구조(123a)가 배치되는 어레이 형태로 형성될 수도 있다. FIG. 6A shows a substrate in which a Raman scattered
라만산란광 증폭구조(123a) 가 형성된 유연 기판(123)은 도 6b에 도시된 바와 같이 소정의 형태로 재단된다. 여기서, 기판(123)의 재단 길이는 시료 측정부(130)의 내주면의 원주 길이에 해당하는 정도인 것이 바람직하다. 그리고, 기판(123)의 재단폭은 시료 유입관(131)의 길이보다 작은 정도라면 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다. The
도 6c를 참조하면, 시료 측정부(130)에 기판(123)을 배치하기 위한 지그(141)를 준비한다. 지그(141)는 소정의 직경과 길이를 갖는 원통 형상인 것이 바람직하다. 다만, 지그(141)의 직경과 길이는 기판(123)이 외주면에 부착된 상태에서 끝단이 접착될 수 있는 정도가 바람직하다.Referring to FIG. 6C, a
또한, 지그(141)의 일단으로는 에어관(142)이 연결되고, 타단은 개방 형성되어 있다. 그리고, 지그(141)의 표면에는 복수의 진공홀(143)이 일정한 간격으로 형성된다. In addition, one end of the
도 6d를 참조하면, 재단된 기판(123b)은 지그(141)의 외주면에 밀착시키도록 한다. 기판(123b)의 밀착을 용이하게 하기 위해, 에어관(142)을 통해 공기를 배기시키도록 한다. 에어관(142)을 통해 공기가 배기되면, 지그(141) 내부의 압력이 낮아지고, 진공홀(143)을 통해 외기가 흡입되므로, 기판(123b)은 지그(141)의 외주면에 밀착될 수 있다. 이후 접착공정을 통해 내주에 라만산란광 증폭구조(123a)가 형성된 원통형 시료 측정부(130)를 제작한다. Referring to FIG. 6D, the
도 6e는 원통형 시료 측정부 내벽에 라만산란광 증폭구조(123a)가 형성된 원통형 시료 측정부가 외부 커넥터와 연결된 형상을 보여준다. FIG. 6E illustrates a cylindrical sample measuring unit having a Raman scattered
이외에도 시료 측정부(130)는 라만산란광 증폭구조(123a)가 형성된 평판 기판상에 캡 구조의 구조물을 부착하여 제작될 수 있으며 또한 원통형 튜브 내에 라만 산란광 증폭구조(123a) 가 형성된 유연기판을 삽입하여 제작될 수 있다. In addition, the
상기와 같이 구성된 바이오 물질 검출 장치를 이용한 바이오 물질 검출 과정을 설명하기로 한다.The biomaterial detection process using the biomaterial detection apparatus configured as described above will be described.
사용자는 시료 유입관(131)을 통해 시료를 시료 측정부(130)로 공급한다. 이때, 사용자는 시료 측정부의 교체 등을 위해 시료 유입관(131)을 통한 시료의 공급을 단속하기 위해 제1 밸브(133A)를 제어한다.The user supplies the sample to the
시료 유입관(131)을 통해 시료가 공급됨과 동시에 발광부(110)에서는 레이저 광이 발광된다. 발광된 광은 집속 렌즈(114)를 통해 시료 측정부(130)를 통과하는 시료에 대해 조사된다.As the sample is supplied through the
도 7은 본 발명에서 제안하는 라만산란광 증폭구조의 구성 중 나노 로드(128)와 포토닉 크리스탈(123b) 구조가 복합된 형상에 대해 본 발명을 사용한 바이오 물질 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 7 is a view for explaining a biomaterial detection process using the present invention with respect to the shape of the
시료 측정부(130)를 통과하는 시료는 도 7에 도시된 바와 같이, 라만산란광 나노로드(128)의 상단부에 부착될 수 있다. 이때, 발광부(110)에서 발광되는 레이저를 조사받은 시료(1)는 레이저를 산란시킨다. 여기서, 나노로드(128)의 상단부에 부착되는 시료는 포토닉 크리스탈 표면과의 이격 거리에 따라 도파 모드 공진 상태가 변화되므로, 사용자는 나노로드의 길이와 경사각을 조정하여 최적의 도파 모드 공진 상태를 얻을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.The sample passing through the
이때, 시료(1)는 조사된 레이저를 전방향으로 산란시킨다. 이중, 산란된 광의 일부는 집광 렌즈(118)에 의해 집광된 후, 디텍터(detector)(150)로 전달된다. 여기서, 집광 렌즈(118)와 디텍터(150)가 원거리에 설치되어 있는 경우에는 제2 광 파이버(116b)를 통해 집광 렌즈(118)의 집광된 광을 디텍터(150)로 전달할 수 있다. At this time, the sample 1 scatters the irradiated laser in all directions. Of these, some of the scattered light is collected by the
여기서, 시료 공급 시간, 레이저의 출력 시간, 레이저 조사 기간 등은 사용자의 필요에 의해 다양하게 변경되며 적용될 수 있다. Here, the sample supply time, the output time of the laser, the laser irradiation period and the like can be variously changed and applied according to the needs of the user.
디텍터(150)는 집광된 광에 대한 정보를 출력하여 분석부(160)로 입력되도록 하고, 분석부(160)는 전달받은 정보에 의해 크레아틴과 우레아와 같은 바이오 물질에 의해 산되는 광의 라만 스펙트럼(spectrum)을 측정하여, 각각의 라만 피크(peak)에 대한 분석을 수행한다. 분석부(160)는 시료에 포함되어 있는 크레아틴과 우레아와 같은 바이오 물질을 검출할 수 있다.The
상기와 같이 구성된 본 발명은, 액상의 시료가 시료 측정부를 흘러가는 동안, 시료 측정부(130) 내벽에 형성되는 라만산란광 증폭구조에 확산에 의해 부착되고 탈착되는 바이오 물질에 대하여 레이저를 조사한 후 시료에서 산란되는 라만 산란광을 검출하여 크레아틴과 우레아와 같은 바이오 물질에 대하여 전처리 과정을 수행하지 않고 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 효과가 있고, 또한, 바이오 물질의 검출에 사용된 액상의 시료를 재사용할 수 있는 효과가 있다. 이는 특히 혈액 투석관에 연결하여 실시간으로 혈액 투석 효율을 분석하는데 매우 유용하다.According to the present invention configured as described above, while the liquid sample flows through the sample measuring unit, the sample is irradiated with a laser to the Raman scattered light amplifying structure formed on the inner wall of the
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100: 바이오물질 검출 장치
110: 발광부
130: 시료 측정부
150: 라만 산란광 디텍터
160: 분석부100: biomaterial detection device
110:
130: sample measuring unit
150: Raman scattered light detector
160: Analysis section
Claims (5)
광을 발광하는 발광부;
내주면에 라만산란광 증폭구조가 형성되고 상기 바이오 물질이 포함된 시료가 연속적으로 통과되도록 하여 상기 발광부에서 발광된 상기 광을 조사받을 수 있도록 하는 시료 측정부;
상기 시료에서 산란되는 라만 산란광을 검출하는 라만 산란광 디텍터;
상기 라만 산란광 디텍터에서 검출된 결과를 이용하여 바이오 물질을 검출하는 검출부; 를 포함하는 바이오 물질 검출장치.In the device for detecting a bio-material using the Raman scattering effect,
Light emitting unit for emitting light;
A sample measuring unit configured to form a Raman scattering light amplifying structure on an inner circumferential surface thereof and to continuously pass the sample including the biomaterial to receive the light emitted from the light emitting unit;
Raman scattered light detector for detecting the Raman scattered light scattered from the sample;
A detector for detecting a biomaterial using the result detected by the Raman scattered light detector; Bio-material detection device comprising a.
상기 라만산란광 증폭구조는 경사 증착법을 이용하여 제작되는 금속 나노입자 구조로 구성되는 바이오 물질 검출장치.The method of claim 1,
The Raman scattered light amplifying structure is a biomaterial detection device consisting of a metal nanoparticle structure produced using a gradient deposition method.
상기 라만산란광 증폭구조는 포토닉 크리스탈 구조로 구성되는 바이오 물질 검출장치.The method of claim 1,
The Raman scattered light amplifying structure is a biomaterial detection device consisting of a photonic crystal structure.
상기 라만산란광 증폭구조는 포토닉 크리스탈 구조 상부에 금속 나노 로드 가 형성되는 형태로 구성되는 바이오 물질 검출장치.The method according to claim 1 or 3,
The Raman scattering light amplifying structure is a biomaterial detection device consisting of a metal nano-rod formed on the photonic crystal structure.
상기 시료는 혈액 투석 장치에 공급되는 환자의 혈액인 바이오 물질 검출 장치.
The method of claim 1,
And the sample is blood of a patient supplied to the hemodialysis apparatus.
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