JP2010511891A - 共振反射光フィルタ及びそれを含むバイオセンサー - Google Patents
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Abstract
基板と、グレーティング層を含む共振反射光フィルタであって、基板は、グレーティング層を形成する物質の屈折率より低い屈折率を有する素材で形成される共振反射光を提供する。よって、共振反射光フィルタは、良好な対称性とシャープな形態をした共振スペクトルを形成することができる。したがって、共振反射光フィルタは、改善された感度を有することができ、小さな線幅を必要とする光学系に応用することができる。
Description
本出願は、大韓民国特許庁において2006年12月5日に出願された韓国特許出願第2006-00122570号、及び2007年5月4日に出願された韓国特許出願第2007-0043802号の利益を特許請求の範囲化し、本開示は全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
本発明は、共振反射光フィルタ及びそれを利用したバイオセンサーに係り、より詳細には、狭い線幅が必要な光学系に応用できるだけでなく、従来のセンサーより感度がはるかに優秀なバイオセンサーを製作可能にする共振反射光フィルタ及びそれを利用したバイオセンサーに関する。この研究は、IT R＆D program of MIC/IITA［2006-S-007-01, Ubiquitous Health Monitoring Module and System Development］によって支援された。
バイオセンサーは、ＤＮＡ、細胞、蛋白質（例えば抗原及び抗体）などの生命現象と関連した物質を検出し、その量を測定するために製作された機器又はデバイスであり、疾病の診断、新薬開発、環境監視、食品安全など色々な分野で応用される。最近では、放射性同位元素又は蛍光物質などの標識を付けてバイオマテリアルを検出する従来のバイオセンサーに比べて、サンプルの準備が簡単な非標識式バイオセンサーの開発が活発である。
特に、表面プラズモン共振バイオセンサー、光導波路バイオセンサー又は干渉計バイオセンサーのようなセンサーの表面で起こる抗原抗体反応などの生化学的反応により変化する光学的特性を検出する光バイオセンサーが注目されている。
これらの光バイオセンサーのうち、共振反射光フィルタを使用するバイオセンサーは、共振反射光フィルタにより生成されたシャープな反射光及び／又は透過光ピークを利用して高感度のセンサーを製作できると予想される。
共振反射光フィルタは、高屈折率の回折格子を利用して回折された光が高屈折率領域で導波されるモードとカップリングされつつ、強くて鋭い共振反射スペクトルを表す原理を利用する。
しかし、共振反射光フィルタを利用する従来のバイオセンサーは、図１に示すように過度に広く、非対称型の反射スペクトルを有する。図１は、従来の共振反射フィルタを使用して形成される反射スペクトルを例示する。かかるスペクトル非対称性は、信号の背景ノイズが増加する効果により、センサーの信号対ノイズ比を減少させる。かかる非対称性は、共振反射光フィルタをなす回折格子の両面に接した物質の屈折率の差に大きく起因する。すなわち、回折格子の一面をなす基板物質と他面に接する溶液との屈折率が顕著に異なる。さらに、光導波路を形成して共振条件を設けるためには、コアの役割を行う回折格子の屈折率を高めなければならないので、シリコン窒化物又はチタニアのような高屈折率の物質をコーティングしなければならない。
したがって、シャープであり、かつ左右対称な反射スペクトルを有する共振反射光フィルタが、敏感なバイオセンサーを製作可能にするために強く要求されている。
本発明が解決しようとする課題は、狭い線幅が必要な光学系に応用できるだけでなく、従来のセンサーより感度がはるかに優秀なバイオセンサーを製作可能にする共振反射光フィルタを提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、前記共振反射光フィルタを利用して感度が改善されたバイオセンサーを提供するところにある。
前記課題を解決するために、本発明は、第１の屈折率を有する基板と、前記基板上に形成され、第２の屈折率を有するグレーティング層とを備え、前記第２の屈折率が前記第１の屈折率より大きいことを特徴とする共振反射光フィルタを提供する。
前記第１の屈折率は、１．２４ないし１．３８とすることができる。また、前記第２の屈折率は、１．４ないし２．５とすることができる。
前記基板は、ＭｇＦ2、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、下記化学式１ないし化学式６のような構造を有する単量体をそれぞれ重合して得た高分子樹脂、下記化学式７ないし１０の反復構造をそれぞれ有する高分子物質、下記化学式９の反復構造と下記化学式１０の反復構造とがブロック共重合されている高分子物質、及び下記化学式１０の反復構造として相異なるＲ値を有する反復構造がブロック共重合されている高分子物質からなる群の少なくとも１つとすることができる。
ここで、ｎは、１００ないし５００の整数である。
ここで、ｘ及びｙは、それぞれ５０ないし３００の整数である。
ここで、ｐは、５０ないし５００の整数である。
ここで、Ｒは、下記化学式１１ないし１８のうちいずれか一つであり、ｍは、５０ないし５００の整数である。
また、前記グレーティング層は、第２の屈折率を有する物質からなる薄膜層と、前記薄膜層と同じ物質からなる回折格子層とを備えることができる。特に、前記薄膜層の厚さは、０ｎｍないし３００ｎｍとすることができる。また、前記回折格子層のリセスの深さは、１００ｎｍないし５００ｎｍとすることができる。
選択的に、標的バイオマテリアルの捕獲物質は、前記グレーティング層の表面に固定化されている。
また、共振反射光フィルタにより反射された反射光のスペクトルは対称形とすることができる。
また、前記グレーティング層のグレーティングの間隔は、前記バイオセンサー用の共振反射光フィルタに照射される光源の平均波長より短くすることができる。
前記他の課題を解決するために、本発明は、前記共振反射光フィルタを備えるバイオセンサーを提供する。
本発明の上記並びに他の特徴及び利点は添付の図面を参照してそれらの例示的な実施形態をより詳細に説明することによってより明らかになるであろう。
従来技術による共振反射光フィルタを利用して形成された反射スペクトルを示す図である。
本発明の一実施形態による共振反射光フィルタの断面図である。
本発明の一実施形態による共振反射光フィルタの斜視図である。
本発明の他の実施形態による共振反射光フィルタの斜視図である。
本発明の他の実施形態による共振反射光フィルタの斜視図である。
本発明のさらに他の実施形態による共振反射光フィルタの側断面図である。
本発明の一実施形態による共振反射光フィルタの各部分のサイズを示す部分断面図である。
本発明の一実施形態による共振反射光フィルタを利用して形成された反射スペクトルを示す図面である。
本発明の一実施形態による共振反射光フィルタを利用して形成された反射スペクトルを示す図面である。
本発明の一実施形態による共振反射光フィルタを利用して形成された反射スペクトルを示す図面である。
以下、添付図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は、色々な他の形態に変形され、本発明の範囲が後述する実施形態により限定されるものと解釈されてはならない。本発明の実施形態は、当業者に本発明をより完全に説明するために提供されるものと解釈されることが望ましい。同じ符号は、同じ要素を意味する。さらに、図面での多様な要素と領域は概略的に表れたものである。したがって、本発明は、添付した図面に示した相対的なサイズや間隔により制限されない。
本発明は、第１の屈折率を有する基板と、基板上に形成され、第２の屈折率を有するグレーティング層とを備え、第２の屈折率が第１の屈折率より大きいことを特徴とする共振反射光フィルタを提供する。
図２Ａは、共振反射光フィルタ１００の構造を示す側断面図である。図２Ｂは、共振反射光フィルタの斜視図である。図２Ａに示すように、本発明の現在の実施形態にかかる共振反射光フィルタ１００は、第１の屈折率を有する基板１１０上に形成されたグレーティング層１２０を含む。グレーティング層１２０は、第２の屈折率を有し、第２の屈折率は、第１の屈折率より大きい。グレーティング層１２０は、薄膜層１２２及び回折格子層１２４を含む。
第１の屈折率は、例えば、１．２４ないし１．３８とすることができる。好ましくは、第１の屈折率は、共振反射光フィルタを備えるセンサーの表面に接する物質の屈折率に近い。もし、センサーの表面に蛋白質、ＤＮＡ、細胞などのバイオマテリアルを含有する血漿又はＰＢＳ（ｐｈｏｓｐｈａｔｅ−ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｓａｌｉｎｅ）のような溶液であれば、かかる液体の屈折率を考慮して同一であるか、又は最も近い屈折率を有する物質で基板１１０を形成することができる。
したがって、かかる点を考慮して、基板１１０は、１．３５の屈折率を有するＭｇＦ2とすることができるが、ここに限定されるものではない。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）とすることができる。あるいは、基板１１０は、下記化学式１ないし化学式６のような構造を有する単量体をそれぞれ重合して得た高分子樹脂とすることができる。
ここで、ｎは、１００ないし５００の整数である。
ここで、ｘ及びｙは、それぞれ５０ないし３００の整数である。
ここで、ｐは、５０ないし５００の整数である。
ここで、Ｒは、下記化学式１１ないし１８のうちいずれか一つであり、ｍは、５０ないし５００の整数である。
特に、基板１１０は、化学式９の反復構造の少なくとも１つと化学式１０の反復構造とがブロック共重合されている。又は、基板の物質は、化学式１０の反復構造として相異なるＲ値を有する反復構造がブロック共重合されている。例えば、化学式１１のＲ値を有する反復構造と化学式１２のＲ値を有する反復構造とがブロック共重合されている。しかし、これらに限定されるものではない。
上述の基板１１０を形成するために使用することができる物質は例示的なものに過ぎず、これらに限定されるものではない。本発明の現在の実施形態のための基板１１０は、１．２４ないし１．３８の屈折率を有し、他の条件を満たす任意の物質で形成することができる。しかし、好ましくは、本発明の共振反射光フィルタ１００に備えられるグレーティング層１２０の表面に接する試料の屈折率及び基板１１０の屈折率は、互いに同じにすることができ、表面は基板１１０と反対側の表面である。
グレーティング層１２０は、図２Ｂに示したように、扁平な面上に回折格子層１２４が線形に形成されている薄膜層１２２を含むが、本発明はそれに限定されない。共振反射光フィルタ１００ａ及び１００ｂの基板１１０ａ及び１１０ｂに形成されたグレーティング層１２０ａ、１２０ｂは、例えば、図３Ａのような正方形グリッド構造、又は図３Ｂのような六角配列された穴の構造を有することができる。
グレーティング層１２０は、第２の屈折率を有する物質で形成された薄膜層１２２及び薄膜層１２２と同じ物質で形成された回折格子層１２４を備える。
図４は、本発明の実施形態にかかる共振反射光フィルタ２００の側断面図である。図４を参照すると、本発明の実施形態にかかる共振反射光フィルタ２００は、基板２１０及びグレーティング層２２０を含む。グレーティング層２２０は、基板２１０の一部が表れるように完全に開放されたリセス２２４を有することができる。すなわち、薄膜層は、グレーティング層２２０において選択的に省略することができる。
前述したように、グレーティング層１２０、２２０を形成する物質の第２の屈折率は、第１の屈折率より大きい。第２の屈折率は、１．４ないし２．５とすることができる。グレーティング層は、例えば、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネートのような高分子樹脂又はＳｉＯ2、ＳｉＮx、ＴｉＯ2などで形成することができるが、これらに限定されない。
共振反射光フィルタ１００及び２００は、回折格子により回折された光が高屈折率の光導波管を導波しつつ共振スペクトルを形成する。
図５は、図２Ａ及び２Ｂの共振反射光フィルタ１００の各部分のサイズを示す部分断面図である。共振反射光フィルタ１００でグレーティング層１２０を形成するグレーティングの間隔Ｗは、共振反射光フィルタ１００に照射される光源の平均波長より短い。もし、間隔Ｗが光源の平均波長より長ければ、共振反射がよく起こらないため、間隔Ｗは、前記共振反射光フィルタに照射される光源の平均波長より短いことが望ましい。
また、回折格子層１２４のリセスの深さＨ１は、１００ｎｍないし５００ｎｍとすることができ、薄膜層１２２の厚さＨ２は、０ｎｍないし３００ｎｍとすることができる。図４は、グレーティング層２２０が薄膜層１２２を含まない場合を例示する。換言すると、グレーティング層２２０の存在しない薄膜層の厚さは０ｎｍである。
回折格子層１２４のリセスの深さＨ１が１００ｎｍに達しないか、又は薄膜層１２２の厚さＨ２が３００ｎｍを超えるとき、グレーティング層１２０の総厚さが増加し、従って、グレーティング層１２０における回折格子層１２４の比率が減少して、予想しない特性を発現する場合があるので望ましくない。
また、回折格子層１２４のリセスの深さＨ１が５００ｎｍを超えるとき、共振反射ピークが表れがたく、共振反射光フィルタ１００のパフォーマンスが回折格子層１２４自体を形成する物質の光吸収によって低下する場合がある。
グレーティング層１２０、２２０は、多様な製造方法で製造できる。例えば、グレーティング層１２０、２２０の厚さＨ１＋Ｈ２を有する層を基板上に形成し、光リソグラフィ技術によってそれをエッチングするか、又はナノリンプリンティングしてリセスを形成することができる。かかる技術は、従来技術において周知なので詳細な説明は省略する。
共振反射光フィルタ１００をバイオセンサー用に使用するとき、捕獲バイオマテリアルが共振反射光フィルタ１００の表面に固定化される。捕獲バイオマテリアルは、抗原−抗体反応を応用して試料中に存在する検出しようとする物質を捕獲できる物質であって、使用目的によって適切に選択される。例えば、捕獲バイオマテリアルは、アミン系物質、アルデヒド系物質又はニッケルとすることができるが、これらに限定されない。
捕獲バイオマテリアルは、既知の方法によりグレーティング層１２０上に固定化することができる。
本発明の実施形態にかかる共振反射光フィルタ１００及び２００を含むバイオセンサーは、次のように動作する。
試料溶液内に存在する標的バイオマテリアルは、グレーティング層１２０上に固定化された捕獲バイオマテリアルによって捕獲され、センサー表面層の厚さと屈折率とが変化する。かかる変化が共振反射光フィルタの反射スペクトル上のピークの位置を変化し、かかるピーク位置の変化から標的バイオマテリアルの有無を感知する。
図６は、基板の屈折率と試料溶液の屈折率とがほぼ類似した場合の共振反射光フィルタの反射スペクトルを例示する。基板の屈折率は１．３５であり、共振反射光フィルタのグレーティング層の屈折率は１．５であり、試料溶液の屈折率は１．３４であり、グレーティング層の薄膜層の厚さは２０ｎｍであり、グレーティング層の回折格子層の高さは２００ｎｍであり、グレーティングの間隔は５５０ｎｍであり、照射された光の波長７４４．９ｎｍでる場合に、図６の結果が得られる。
図６を参照すると、スペクトルのピークが非常にシャープであるだけでなく、ほぼ完全な水平に左右対称である。したがって、バックグラウンドのノイズを構成するスペクトルの部分が減ってバイオセンサーの信号対ノイズ比が増加し、その感度を改善する。本発明の共振反射光フィルタは、バイオセンサーだけでなく、強くて狭い帯域幅を有するフィルタが必要な分野であれば、どこにも使われる。例えば、狭い線幅偏光レーザー、波長可変偏光レーザー、波長可変フィルタ、電光スイッチなど狭い線幅が必要な光学系に応用することができる。
一方、図１に示したスペクトルは、基板の屈折率と試料溶液の屈折率との間で互いに顕著な差がある場合である。ここで、２．０１の屈折率を有するＳｉＮxグレーティングは、１．５の屈折率を有するガラス基板上に形成され、共振反射光フィルタのグレーティング層の回折格子層の高さは１８０ｎｍであり、グレーティングの間隔は５１０ｎｍであった。図１に示すように、スペクトルは激しい非対称型であり、そのような非対称型のスペクトルは、ノイズレベルを約０．１５まで引き上げて、信号対ノイズ比を低くする。したがって、センサーの感度は低下した。
図７は、共振反射光フィルタの基板の屈折率と試料溶液の屈折率とが多少異なる場合の共振反射光フィルタの反射スペクトルを示す。図７の結果を得るために用いられるパラメータは、基板の屈折率を１．２５とした点を除いては図６の場合と同一である。
図７に示すように、対称性が若干減少したが、図１のスペクトルに比較すれば、より対称に近く、依然としてシャープな形態を有するということが分かる。したがって、共振反射光フィルタの感度は顕著に改善されるということが分かる。
図８は、共振反射光フィルタのグレーティング層の薄膜層の厚さを変化することによって得られる反射スペクトルの変化を例示する。図８の結果を得るために用いられるパラメータは、薄膜層の厚さをそれぞれ０ｎｍ及び５０ｎｍにした点を除いては図６の場合と同一である。図８に示すように、スペクトルのピークの位置は、照射される光のスペクトルを参考にして薄膜層の厚さなどの共振反射光フィルタのパラメータ値を調節することによって調整することができるが、これを通じてより効率的な共振反射光フィルタを製作することができる。
本発明にかかる共振反射光フィルタは、狭い線幅が必要な光学系に応用することができるだけでなく、されに、従来のセンサーより感度がはるかに優秀なバイオセンサーを製作することができる。
前述したように、本発明の望ましい実施形態について詳細に記述されたが、当業者ならば、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲内で本発明を多様に変形して実施できるであろう。したがって、本発明の今後の実施形態の変更は、本発明の技術を逸脱できないであろう。
Claims (11)
- 第１の屈折率を有する基板と、
前記基板上に形成され、第２の屈折率を有するグレーティング層とを備え、
前記第２の屈折率が前記第１の屈折率より大きいことを特徴とする共振反射光フィルタ。 - 前記第１の屈折率は、１．２４ないし１．３８であることを特徴とする請求項１に記載の共振反射光フィルタ。
- 前記基板は、ＭｇＦ2、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、下記化学式１ないし化学式６のような構造を有する単量体をそれぞれ重合して得た高分子樹脂、下記化学式７ないし１０の反復構造をそれぞれ有する高分子物質、下記化学式９の反復構造と下記化学式１０の反復構造とがブロック共重合されている高分子物質、及び下記化学式１０の反復構造として相異なるＲ値を有する反復構造がブロック共重合されている高分子物質からなる群の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の共振反射光フィルタ：
- 前記第２の屈折率は、１．４ないし２．５であることを特徴とする請求項１に記載の共振反射光フィルタ。
- 前記グレーティング層は、第２の屈折率を有する物質で形成される薄膜層と、前記薄膜層と同じ物質で形成される回折格子層とを備えることを特徴とする請求項１に記載の共振反射光フィルタ。
- 前記薄膜層の厚さは、０ｎｍないし３００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の共振反射光フィルタ。
- 標的バイオマテリアルの捕獲物質は、前記グレーティング層の表面に固定化されていることを特徴とする請求項１に記載の共振反射光フィルタ。
- 前記回折格子層のリセスの深さは、１００ｎｍないし５００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の共振反射光フィルタ。
- 共振反射光フィルタにより反射された反射光のスペクトルが対称形であることを特徴とする請求項１に記載の共振反射光フィルタ。
- 前記グレーティング層のグレーティングの間隔は、共振反射光フィルタに照射される光源の平均波長より短いことを特徴とする請求項１に記載の共振反射光フィルタ。
- 請求項１に記載の共振反射光フィルタを備えるバイオセンサー。
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