KR100480340B1 - 정렬된 나노 크기의 금속 구조체들을 사용하는 국소 표면플라즈몬 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

정렬된 나노 크기의 금속 구조체들을 사용하는 국소 표면 플라즈몬 센서 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 관점에 따른 센서는 입사광을 제공하는 광원과, 측정하고자 하는 생체 분자인 수용체를 포함하는 시료와, 투명한 기판과, 기판 상에 시료에 맞닿게 고정되고 상호 간에 일정한 간격으로 정렬되고 상호 간에 동일한 형태를 가지고 입사광의 파장 보다 작은 나노미터(nanometer) 크기를 가지며 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬(localized surface plasmon) 공명 흡수 현상을 유도하는 다수의 금속 구조체들과, 금속 구조체들에 고정되고 수용체와 선택적으로 특이 결합하는 리간드(ligand)들, 리간드와 수용체와의 결합 정도에 따라 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬 공명 흡수 현상에 의해서 변화된 광을 검출하는 수광부를 포함하여 구성된다.

Description

정렬된 나노 크기의 금속 구조체들을 사용하는 국소 표면 플라즈몬 센서 및 그 제조 방법{Apparatus of localized surface plasmon sensor using ordered nano-sized metal structures and method manufacturing the same}
본 발명은 시료의 물리적 변화를 측정하는 센서(sensor)에 관한 것으로, 특히, 국소 표면 플라즈몬(localized surface plasmon)의 공명 흡수를 이용하는 센서(sensor) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
금속 표면에 존재하는 전자들은 그 표면에 대하여 종 방향으로(normal) 진동하여 집단적인 요동 (collective vibration) 운동을 하는데, 이를 표면 플라즈몬 파동(surface plasmon wave)라 한다. 양자화 된(quantized) 전자의 요동이 곧 표면 플라즈몬 혹은 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)이다. 표면 플라즈몬이 광파(light waves)에 의해서 여기되는 현상을 이용하여 물질을 정량적으로 분석하기 위해서 다양한 표면 플라즈몬 센서들이 제시되어 왔다.
예를 들어, 시료(analyte), 예컨대, 유전체(dielectric material)의 물리적 변화, 예컨대, 농도, 두께, 굴절률의 변화를 정밀하게 또는/및 정량적으로 측정하는 데 금속 표면에 존재하는 양자화된 전자의 요동, 즉 표면 플라즈몬의 공명 흡수 효과를 이용하는 연구가 많이 제시되어 왔다.
이러한 표면 플라즈몬의 공명 흡수 효과를 이용하는 센서, 즉, 표면 플라즈몬 센서는 금속 표면에 맞닿아 있는 유전체의 농도, 두께 또는 굴절률의 변화를 측정하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 측정하고자 하는 생체 물질과 같은 시료의 농도 변화를 실시간으로(real-time), 표식자 없이(non-labeling) 측정할 수 있는 생체 센서로도 활용될 것으로 알려지고 있다.
표면 플라즈몬의 공명 현상은 빛의 편광 특성에 민감한 점을 이용하여 편광기(polarizer)에 응용되거나 또는 미국 특허 제5,5570139호 및 미국 특허6,122,091호에서 제시된 바와 같이 광 밸브(light valve)에도 응용될 수 있다는 보고가 있으나, 바이오 센서(bio sensor), 즉, 광 화학 센서(opto-chemical sensor)에 주로 응용되고 있다.
광 밸브는 금속 박막에 맞닿아 있는 유전체의 굴절률 변화와 외부에서 인가되는 전압에 따른 액정의 굴절률 변화를 이용하여 플라즈몬 공명 흡수 파장 변화를 유도하고, 이를 이용하여 반사되는 빛의 색을 조절하도록 구성된다. 이에 반해서, 광 화학 센서는 금속 표면에 자기 결합된 단분자막(self-assembled monolayer)을 포함하는 단백질, 핵산, 효소 등의 생체 물질을 고정화 시켜 놓고, 그와 특이적 결합(specific binding)을 하는 목적 분자(target molecule), 수용체(receptor), 혹은 간단히 시료(analyte)라고 통칭되는 생체 물질의 농도 변화를 측정하도록 구성된다.
광 화학 센서는 스웨덴 회사인 바이아코어 에이비(Biacore AB)사에서 표면 플라즈몬 공명(SPR:Surface Plasmon Resonance) 센서의 상업화에 성공한 이후 현재 관련 분야에서 생체 분자의 반응과 그 상호 작용을 연구하는 기본적인 장치로 여겨지게 되었다. 이러한 광 화학 센서에 관련한 내용들은 유럽 특허 제442,921호, 유럽 특허 제648,328호, 미국 특허 제5,313,264호, 미국 특허 제5,436,161호 및 미국 특허 제5,641,640호 등에 제시되고 있다. 게다가 미국 특허 제6,111,652호에 제시된 바와 같이, 광원(light source)과 수광부(optical detector)를 플라스틱 프리즘(plastic prism)에 집적하여 더 작은 형태로 고안된 SPR 센서 또한 미국의 텍사스 인스트루먼트(TI:Texas Instruments)사에서 개발되었다.
이와 같은 센서들은 동시에 단 하나의 시료만을 측정하는 단일 채널(channel)의 센서 방식이다. 이를 극복하고 동시에 여러 시료의 농도 변화를 측정할 수 있기 위해서는 단일 센서 표면에 적어도 두 개 이상의 독립된 채널이 필요하다. 또한, 입사광으로서 확장된 광원(expanded light)과 이차원 평면을 형상화(imaging)할 수 있는 전하 결합 소자(CCD:Charge Coupled Device) 카메라, 비디오 카메라, 혹은 단순히 영사막(screen) 등의 수광부가 있으면 가능하다. 그리고, 각각의 채널에 리간드-수용체(ligand-receptor)의 특이 결합이 가능하도록 생화학적인 처리가 되어 있을 때, 각 채널의 플라즈몬 공명에 대한 반사광의 조건(반사광의 밝기, 파장 등)이 변화하므로, 이러한 변화는 반사되는 이차원 평면에 있어서 각 화소(pixel)의 명암의 차이로 나타나게 된다. 이러한 종류의 센서는 유럽 특허 제388,872호, 국제 특허 제163,256호, 국제 특허 제169,209호 등에서 제시되고 있다.
도 1은 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서(SPR sensor)의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 표면 플라즈몬 공명 센서의 원리를 이용한 면역 센서(immunosensor)의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 도 1은 유리와 같은 유전체 기판(10) 상에 나노미터(nano meters) 두께로 코팅(coating)된 금속 박막(20)을 이용한 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서(SPR sensor)의 구성을 보여주고 있다. 이러한 센서는 크렛츄만 형태(Kretschmann configuration)로 잘 알려져 있다.
이러한 크렛츄만 형태의 센서는 기본적으로 프리즘(30)과 프리즘(30)의 어느 한 면 상에 형성된 금속 박막(20), 광원(40), 수광부(45)를 포함하여 구성된다. 이러한 SPR 센서가 이차원 이미징(imaging) 센서 시스템을 구성할 경우, 광원(40)은 빔 확장기(beam expander)를 포함하여 구성되며, 광원(40)에서 제공되는 확장된 입사광은 편광기(41)를 지나면서 p-모드(TM-mode)로 편광 되어 일정한 각도(θ)로 프리즘(30)에 입사된다.
측정하고자 하는 시료(50), 예컨대, 생체 분자가 함유된 혈청(serum)과 같은 시료(50)는 금속 박막(20) 상에 접촉하게 도입된다. 금속 박막(20)과 시료(50) 사이에서, 시료(50)의 농도, 두께 혹은 일반적으로 굴절률이 변화하면, 이에 따라 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화하게된다. 이에 따라, 수광부(45)로 반사되는 반사광의 광량이 달라지게 된다. 이때, 이차원 평면에서의 플라즈몬 공명을 이용하고 확장된 형태의 입사광을 사용하였을 때, 금속 박막(20) 표면에 맞닿아 있는 시료(50)의 농도 변화를 각 화소 단위로 측정하도록 센서를 구성하면, 이차원 이미징 SPR 센서 시스템이 구성되게 된다.
이와 같은 SPR 센서는 도 2에 제시된 바와 같은 면역 센서(immunosensor)로 응용될 수 있다. 즉, 금속 박막(20) 표면에 항체(antibody)와 같은 생체 물질을 고정화하고, 이와 특이적으로 결합하는 항원(antigen)의 농도를 측정하는 면역 센서를 구성할 수 있다. 도 2를 참조하면, SPR 센서가 면역 센서와 같은 광 화학적 센서로 이용될 경우, 금속 박막(20)의 표면에 측정하고자하는 성분과 특이 결합(specific binding)을 이루는 리간드(ligand:51)가 고정된다. 고정화된 리간드(51), 예컨대, 항체는 시료(50)에 포함된 수용체(51')과 서로 특이적으로 결합하게 된다. 이러한 수용체(51')는 혈청(serum)과 같은 생체 시료 내에 포함되어 있고 측정하고자 하는 성분인 항원일 수 있다. 시료(50) 내에 포함되어 있는 또 다른 성분들(52', 53')은 리간드(51)와 결합되지 않고 시료(50) 속에 남아있게 된다.
수용체(51'), 즉, 항원과 리간드(51), 즉, 항체의 결합 정도에 따라 금속 박막(20)의 표면에 맞닿아 있는 리간드-수용체(51-51'), 즉, 항체-항원의 굴절률이 증가하게 되고, 이에 따라, 입사광이 백색광인 경우 공명 파장이 장파장 쪽으로 이동하거나, 입사광이 단색광인 경우 센서 표면으로부터 반사되어 나오는 반사광의 명암이 변화하게 된다. 이러한 면역 센서가 하나의 독립된 채널을 구성하고 다수의 독립된 채널들을 조합하면, SPR 이미징 센서 시스템을 구성할 수 있다.
이상에서 언급한 바와 같은 종류의 센서는 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하는 데, 이러한 표면 플라즈몬 효과는 금속 박막(20)이 유리와 같은 투명 유전체 기판(10) 상에 전체적으로 도포되어 있을 때에 발생하는 대역적인 표면 플라즈몬(GSP:Global Surface Plasmon) 효과이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 실시간으로(real-time) 표식자 없이(non-labelling) 측정할 수 있으며, 측정 감도를 더욱 높일 수 있고 표면 플라즈몬 공명 흡수 조건을 임의로 조절할 수 있으며, 투과 방식으로도 측정하는 것이 가능한 표면 플라즈몬 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 국소 표면 플라즈몬 센서를 제공한다.
상기 센서는 입사광을 제공하는 광원과, 측정하고자 하는 시료와, 투명한 기판과, 상기 기판 상에 상기 시료에 맞닿게 고정되고 상호 간에 일정한 간격으로 정렬되고 상호 간에 동일한 형태를 가지고 나노미터 크기를 가지며 상기 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬(localized surface plasmon) 공명 흡수 현상을 유도하는 다수의 금속 구조체들과, 상기 입사광에 대한 상기 국소화된 표면 플라즈몬 공명 흡수 현상에 의해서 변화된 광을 검출하는 수광부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 금속 구조체는 상기 입사광의 파장 보다 작은 크기를 가진다.상기 금속 구조체는 납작(oblate)하거나 길쭉(prolate)한 단면을 가지는 회전타원체(spheroid) 형태이거나, 원형(circular), 타원형(oval), 삼각형(triangular), 사각형(rectangular), 마름모형 단면을 가지고 수직한 방향에 대한 장축 및 단축의 변화가 없는 통형 형태일 수 있다. 이때, 상기 금속 구조체는 장축의 길이와 단축의 길이가 다를 수 있다.
상기 센서에서 상기 광원과 상기 수광부가 반사 방식(refraction mode)으로 작동되기 위해서 상기 입사광은 상기 금속 구조체가 고정된 방향으로 입사되고 상기 변화된 광은 존재 가능한 거울면(mirror face)으로부터 다시 입사된 방향으로 반사되는 반사광이거나, 상기 광원과 상기 수광부가 투과 방식(transmission mode)으로 작동되기 위해서 상기 입사광은 상기 금속 구조체가 고정된 방향의 반대 방향으로 입사되고 상기 변화된 광은 상기 기판 및 상기 금속 구조체를 투과하여 진행한 투과광이거나, 상기 광원과 상기 수광부가 내부 전반사 방식(Total internal reflection mode)으로 작동되기 위해서 상기 센서는 상기 기판에 광학적으로 결합된 프리즘(prism)을 더 포함하고 상기 입사광은 상기 프리즘을 통과하여 상기 금속 구조체로 입사하고 내부 전반사를 일으켜 다시 상기 프리즘을 통과하여 반사되는 광이 상기 변화된 광에 해당할 수 있다.
상기 센서에서 상기 시료는 검출하고자 하는 수용체(receptor)를 포함하고 있고, 상기 금속 구조체에 고정된 상기 수용체와 선택적으로 특이 결합하는 리간드(ligand)를 더 포함하여 상기 센서는 구성될 수 있다.
상기 수광부는 상기 국소화된 표면 플라즈몬의 공명 흡수로 인한 파장의 변화, 색의 변화 또는 세기의 변화를 측정하도록 광증배기(PMT:Photomultiplier) 또는 실리콘 포토다이오드((Si-PD:silicon PhotoDiode)를 포함하거나, 이차원 평면을 형상화(imaging)할 수 있는 전하 결합 소자(CCD) 카메라, 비디오 카메라 또는 영사막(screen)을 포함하거나, 근접장 현미경(near-field microscope)으로서의 광학적 현미경(optical microscope), 근접장 주사 현미경(near-field scanning optical microscope), 프리즘을 이용한 광자 주사 관통 현미경(photon scanning tunneling microscope)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 센서는 상기 광원과 상기 기판 사이 또는 상기 수광부와 상기 기판 사이에 도입되는 가변형 편광기를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 국소 표면 플라즈몬 센서를 제공하기 위한 제조 방법을 또한 제공한다. 상기 제조 방법은 투명한 기판을 도입하는 단계와, 상기 투명한 기판 상에 전자 빔 리토그래피(electron beam lithography), 이온 빔 리토그래피(ion beam lithography), 엑스선 리토그래피(x-ray lithography), 2블럭 공중합체(diblock copolymer)를 이용하는 방법 및 나노 임프린트 리토그래피(nano imprint lithography) 방법을 포함하는 일군의 패터닝 방법 중 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 상호 간에 일정한 간격으로 정렬되고 상호 간에 동일한 형태를 가지고 나노 미터 크기를 가지며 어떤 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬(localized surface plasmon) 공명 흡수 현상을 유도하는 다수의 금속 구조체들을 형성하는 단계와, 상기 금속 구조체들 상에 측정하고자하는 시료를 도입하는 단계, 및 상기 금속 구조체에 상기 입사광을 제공할 광원 및 상기 입사광에 대한 상기 국소화된 표면 플라즈몬 공명 흡수 현상에 의해서 변화된 광을 검출하는 수광부를 배치하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제조 방법은 투명한 기판을 도입하는 단계와, 상기 투명한 기판 상에 광경화성 수지를 코팅(coating)하는 단계와, 상기 광경화성 수지를 가열 경화 시킨 후 전자 빔으로 상기 광경화성 수지 상에 나노 구조를 전사하는 단계와, 현상액(developer)을 이용하여 상기 전자 빔이 조사된 부분을 세척하여 제거하는 단계와, 진공 증착기를 이용하여 만들고자 하는 구조체의 재료를 상기 기판 상에 증착하는 단계와, 리프트 오프(lift-off) 방식으로 잔류하여 있던 상기 광경화성 수지 부분을 세척 제거하여 상호 간에 일정한 간격으로 정렬되고 상호 간에 동일한 형태를 가지고 나노 미터 크기를 가지며 어떤 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬(localized surface plasmon) 공명 흡수 현상을 유도하는 다수의 금속 구조체들을 형성하는 단계와, 상기 금속 구조체들 상에 측정하고자하는 시료를 도입하는 단계, 및 상기 금속 구조체에 상기 입사광을 제공할 광원 및 상기 입사광에 대한 상기 국소화된 표면 플라즈몬 공명 흡수 현상에 의해서 변화된 광을 검출하는 수광부를 배치하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 실시간으로(real-time) 표식자 없이(non-labelling) 측정할 수 있으며, 측정 감도를 더욱 높일 수 있고 표면 플라즈몬 공명 흡수 조건을 보다 다양하게 임의로 조절할 수 있으며, 보다 다양한 측정 방식들을 채택할 수 있는 국소 표면 플라즈몬 센서를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예들의 기재를 통해서 상세히 설명한다. 그러나, 기술되는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 층이 개재되어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 국소화된 표면 플라즈몬(LSP:Localized Surface Plasmon)의 공명 흡수를 이용하여 시료의 광학적 성질의 미세한 변화를 측정하는 센서와 같은 수동 소자(passive device)를 제공한다. 국소화된 표면 플라즈몬 효과를 이용하기 위해서 입사광의 파장보다 작은 크기의 금속 구조체들이 유리와 같은 투명한 유전체 기판 상에 규칙적으로 배열된다. 개개의 금속 구조체들은 기판 상에 일정한 간격으로 배치 정렬되며 상호간에 일정한 동일한 형태를 가지게 구성된다.
이와 같이 도입된 규칙적으로 정렬된 개개의 금속 구조체들은 내부 혹은 그 표면에 국소화된 표면 플라즈몬이 존재하도록 유도하게 된다. 개개의 금속 구조체의 표면에 존재하는 국소화된 표면 플라즈몬의 공명 흡수를 이용하여, 금속 구조체와 맞닿아 있는 유전체(dielectric material), 즉, 시료의 광학적 성질의 미세한 변화를 측정하게 된다.
이러한 금속 구조체 개개는 대략 나노 미터(nano meter) 정도의 크기를 갖게 구성된다. 이에 따라, 어느 하나의 금속 구조체는 이웃하는 금속 구조체와 기판 상에 공간적으로 경계를 갖고 상호간에 격리된 상태로 도입된다. 이와 같이 능동적으로 만들어진(actively manipulated) 나노 미터 크기의 금속 구조체는 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 광학적인 조건을 금속 구조체의 구조를 이용하여 조절(tuning)할 수 있다는 장점을 구현할 수 있다. 또한, 각각의 나노 구조체로부터 발현되는 표면 플라즈마 공명 흡수 신호의 결맞음(coherence)을 증가시킬 수 있어, 전체적인 앙상블(ensemble)로서의 거시적 신호 대 잡음 비(S/N-ratio)를 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 이러한 정렬된 나노 크기의 금속 구조체를 이용하여 개개의 금속 나노체에서의 국소화된 표면 플라즈몬 효과를 이용하는 센서에 대해서 기술하고자 하므로, 이러한 본 발명의 실시예에서 기술되는 센서를 국소 표면 플라즈몬 센서로 지칭하기로 한다.
이하, 첨부하는 도면들을 참조하며 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
제1실시예
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 국소 표면 플라즈몬 센서를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 도 3의 금속 구조체들이 기판 상에 정렬 배열된 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5는 도 4의 금속 구조체를 형상을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6은 도 5의 금속 구조체의 크기에 따라 변화되는 전형적인 공명 흡수 스펙트럼(extinction spectrum)을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 그래프(graph)이다. 도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제1실시예에 의한 금속 구조체들이 기판 상에 정렬 배열된 상태의 다른 예들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
본 발명의 제1실시예는 이제까지 알려진 표면 플라즈몬 센서들 중에서 가장 잘 알려진 크렛츄만 형태(Kretschmann configuration)의 센서를 기본으로 센서를 구성한다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 의한 국소 표면 플라즈몬 센서는 유리와 같은 유전체 기판(100) 상에 나노 미터(nano meters) 크기의 금속 구조체(200)들이 정렬 도입된다. 이러한 본 발명의 제1실시예에 의한 국소 표면 플라즈몬 센서는 기본적으로 크렛츄만 형태(Kretschmann configuration)의 센서로 구성될 수 있으므로, 프리즘(300)과 프리즘(300)에 입사광을 제공하는 광원(400) 및 반사광을 검출하는 수광부(450)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 프리즘(300)과 광원(400) 사이에는 편광기(410)가 도입될 수 있고, 광원(400)은 이차원 이미징(imaging) 센서 시스템을 구성하기 위해서 빔 확장기(beam expander:도시되지 않음)를 포함하여 구성될 수 있다. 광원(400)에서 제공되는 확장된 입사광은 편광기(410)를 지나면서 p-모드(TM-mode)로 편광 되어 일정한 각도(θ)로 프리즘(300)에 입사된다.
기판(100)으로는 통상 투명한 유전체, 예컨대, 실리카(SiO2)와 같은 유리 기판이 많이 쓰이나, 센서의 기능과 특징에 따라 실리콘(Si) 기판이 쓰일 수도 있다. 또한, 기판(100)으로는 티타늄 산화물(TiO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 또는 알루미늄 산화물(Al2O5) 등과 같은 투명한 산화물의 기판이 사용될 수 있다. 이러한 기판(100)은 나노 미터 크기의 금속 구조체(200)를 고정하여 지지하는 역할을 한다. 또한, 입사광이 이러한 금속 구조체(200)에 도달하도록 투명한 특성을 우선적으로 가지는 것이 바람직하다.
나노 미터 크기의 금속 구조체(200)는 그의 광학적 특성, 특히, 표면 플라즈몬 공명과 관련하여서는 흡수율(k) 대 굴절률(n)의 비(k/n-ratio)가 큰 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등으로 형성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 산화(oxidation)나 생물 분자와의 친화성(bio-compatibility)을 고려할 때, 금(Au)으로 금속 구조체(200)가 형성되는 것이 보다 바람직하다.
도 4를 참조하면, 동일한 형상을 가지는 이러한 금속 구조체(200)들은 기판(100) 상에 일정한 간격으로 정렬된다. 예를 들어, 이러한 금속 구조체(200)는 기판(100) 상에 m×n 개가 정렬된다. n열의 금속 구조체(200n)와 m행의 금속 구조체(200m)는 모두 동일한 형상을 가지도록 구성된다. 또한, 이러한 금속 구조체(200)는 국소화된 표면 플라즈몬의 입사광에 대한 공명 흡수를 유도하기 위해서, 바람직하게 센서에 사용되는 입사광의 파장보다 작은 크기로 기판(100) 상에 고정된다.
이러한 금속 구조체(200)의 배열은 다수(plurality)의 나노 미터 정도의 크기를 갖는, 즉, 기판(100) 위에 공간적으로 경계를 갖는 금속 구조체(200)의 국소화된(localized) 표면 플라즈몬의 공명 흡수를 이용할 수 있도록 유도한다는 점에서, 도 1에서 제시된 바와 같이 이차원 기판(10) 위에 금속 박막(20)이 전체적으로 코팅된 종래의 SPR 센서 혹은 SPR 이미징 시스템과 구별된다.
또한, 이러한 금속 구조체(200)의 배열은 나노 미터 크기의 금속 구조체(200)가 정렬되어(ordered) 있다는 점에서, 금속 콜로이드(metal colloid)나 거시적 증착 조건의 변화(예를 들어, 증착 속도, 두께, 가열 조건 등)를 이용하여 기판 위에 만들어지는 나노 비드(nano bead) 또는 나노 클러스터(nano cluster)와는 구별된다. 즉, 평균적으로는 나노 미터의 크기를 가지나, 규정되지 않은 임의의 모양과 일정하지 않은 각 비드 또는 클러스터 사이의 거리(inter-particle distance)를 갖는 정렬되지 않은(randomly ordered) 금속 나노 비드 또는 클러스터를 이용한 센서와는 구별된다.
도 4에 제시된 바와 같은 나노 크기의 금속 구조체(200)의 정렬된 배열은 능동적으로 그 크기, 모양, 그리고, 각각의 금속 구조체(200) 사이의 거리(혹은 격자 상수(lattice parameter)가 조절되도록 구성된다. 이와 같이 능동적으로 정렬된 나노 크기의 금속 구조체(200)들의 배열을 기판(100) 상에 형성하는 기술은 나노 리토그래피(nano lithography)의 기술 분야에 속한다.
예를 들어, 나노 미터 크기의 정렬된 금속 구조체(200)들의 배열은 전자 빔 리토그래피(EBL:Electron Beam Lithography), 이온 빔 리토그래피(IBL:Ion Beam Lithography), 엑스선 리토그래피 (XRL:X-Ray Lithography) 등과 같은 물리적 방법으로 형성될 수 있다. 또는, 이러한 금속 구조체(200)들의 배열은 2블록 공중합체(diblock copolymer)를 이용하는 화학적인 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 미리 미세 구조의 금속 모형(master)을 만들고 이를 도장을 찍듯이 PMMA와 같은 중합체(polymer)에 압력을 가하여 나노 구조체를 만드는 NIL(Nano Imprint Lithography) 방법을 사용하여 이러한 금속 구조체(200)들의 정렬된 배열을 기판(100) 상에 형성할 수 있다.
이러한 금속 구조체(200)들의 정렬된 배열을 형성하기 위한 최적의 나노 리토그래피 기술은 금속 구조체(200)의 공간적인 크기와 종류에 따라 달라질 수 있으나, 본 발명의 제1실시예에서는 가장 전형적인 방법 중의 하나인 전자빔 리토그래피(EBL)를 예로 들어 다음과 같이 간략히 설명한다.
먼저, 투명한 유전체 기판(100) 상에 광경화성 수지, 예컨대, 포토레지스트(PR:PhotoResist)를 코팅한다. 이후에, 상기 포토레지스트를 가열 경화시킨 후, 전자 빔으로 포토레지스트 상에 나노 구조를 전사한다. 현상액(developer)을 이용하여 전자 빔이 조사된 부분을 세척하여 제거하여 나노 구조 형상이 전사된 포토레지스트 패턴을 형성한다. 다음에, 진공 증착기를 이용하여 만들고자 하는 구조체의 재료, 즉, 금속(금, 은 등)을 기판(100) 상에 원하는 두께로 증착한다. 다음에, 리프트 오프(lift-off) 방식으로 잔류하여 있던 포토레지스트 패턴을 세척 제거하여 나노 미터 크기의 금속 구조체들의 배열을 형성한다.
도 4를 다시 참조하면, 금속 구조체(200)의 크기(size)와 모양(shape), 그리고, 각 금속 구조체(200) 사이의 거리(inter-particle distance), 혹은, 같은 의미로 격자 상수(lattice constant)는 공명 조건의 변화에 큰 영향을 미치는 변수(parameter)들로 작용할 수 있다. 본 발명의 목적을 구현하기 위해서, 나노 크기의 금속 구조체(200)의 크기는 수 nm에서 수 백 nm 정도인 것이 바람직하다. 또한, 금속 구조체(200)의 높이 또한 수 십 nm 정도가 바람직하다. 각각의 금속 구조체(200) 사이의 거리는 일반적으로 금속 구조체(200) 자체의 크기 보다 큰 것이 바람직하며, 보통 금속 구조체(200) 자체의 크기 보다 수 배가 될 수 있다. 특히, 가시광선 영역에서의 공명 흡수를 고려할 때, 금속 구조체(200)의 크기는 대략 20 nm ~ 200 nm, 높이는 10 nm ~ 100 nm, 그리고, 격자 상수, 즉, 금속 구조체(200) 사이의 거리는 대략 50 nm ~ 500 nm 정도일 수 있다.
이렇게 많은 수의 금속 구조체(200)를 구비하는 기판(100)은 전체적으로 수 백 ㎛에서 1 cm 정도의 공간적인 크기를 갖는다. 따라서, 약 1 cm X 1cm 크기의 유리 기판(100)에 100 nm의 지름을 갖고 400 nm의 격자 상수를 갖는 금으로 이루어진 금속 구조체(200)들을 형성하면, 기판(100)에는 약 4 X 108 개의 나노 금속 구조체(200)들이 구비되게 된다. 이와 같은 기판(100) 및 그 상의 금속 구조체(200)들이 하나의 채널을 구성하게 된다. 따라서, 이차원 다채널 이미징을 위해서는 이러한 채널들이 다수 개 배열되어 센서 시스템을 구성하여야 한다.
한편, 개개의 금속 구조체(200)는 평면 상에서 볼 때 장축과 단축이 동일하지 않는 형상을 가지도록 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 평면 상에서 볼 때 디스크(disk) 형태로 개개의 금속 구조체(200)가 구성될 수 있다. 도 5에서 도시된 X-Y-Z 좌표 상에서 X-Y 평면은 기판(100) 표면으로 이루어지는 평면으로 이해될 수 있고, Z축 방향은 기판(100)의 표면에 수직한 방향으로 이해될 수 있다. 이와 같이 디스크와 같이 구조적으로 이방성을 가지는 형태로 금속 구조체(200)를 형성하는 것은 금속 구조체(200)가 구조적인 형태에 의한 쌍극자 성질(dipole property)을 구현하는 장점을 유도할 수 있기 때문이다.
금속 구조체(200)의 모양이 도 5에 제시된 바와 같이 디스크 형태를 갖는다고 가정할 때, 장축 길이 φx = 2a로 표시될 수 있고, 단축 길이 φy = 2b로 표시될 수 있다. 이때, a, b는 서로 다른 값을 가질 수 있다. 그리고, 높이는 h로 표시될 수 있다. 물론, 이러한 금속 구조체(200)는 원형, 즉, a = b 인 원형 구조로도 구현될 수 있다.
그럼에도 불구하고, a > b의 타원형의 디스크로 금속 구조체(200)가 구현되면, 금속 구조체(200)의 형태에 의한 쌍극자 성질(dipole property)에 따라 입사되는 광원의 편광(polarization) 조건에 따라 공명 흡수되는 파장이 달라질 수 있다. 즉, 전기장이 금속 구조체(200)의 장축(φx=2a)과 평행하게(parallel) 입사되면 흡수 파장이 장파장 쪽으로 이동(red-shift)하게 된다. 그리고, 장축과 수직으로(perpendicular)로 입사되면 공명 흡수 파장의 변화는 없고, 단지 흡수되는 빛의 세기만 변화하게 된다. 이러한 현상은 금속 구조체(200)의 가로 세로 비(aspect ratio;r=a/b)에 따라 흡수되는 파장을 조절할 수 있음을 의미한다. 그러나, 금속 구조체(200)의 부피 크기(volume)가 어느 이상 커지게 되면 쌍극자 성질 이외에 다극자 성질(multipole property)이 나타나게 되어, 그 부피 크기가 커짐에 따라 흡수 파장(wavelength)과 세기(intensity)가 모두 변하게 된다.
도 6은 금속 구조체의 크기가 점점 커질 때 공명 흡수 파장이 장파장 쪽으로 이동하는 것을 보여주고 있다. 이때, 도 6에서 실선 그래프는 대략 40㎚ 정도의 크기를 가지는 금속 구조체(200)들의 배열에 대해서 측정한 흡수 스펙트럼을 나타내고 있으며, 일점 쇄선 그래프는 이 보다 큰 크기에 대해서, 점선 그래프는 보다 더 큰 크기에 대해서 측정한 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다. 이러한 도 6에 제시된 바에 따르면, 흡수 파장이 금속 구조체(200)의 크기가 커짐에 따라 장파장 쪽으로 이동(shift)하게 됨을 알 수 있다.
이와 같이, 개개의 금속 구조체(200)들은 평면에서 볼 때 장축과 단축의 길이가 다른 타원형(oval) 디스크 형태로 도 5에 제시된 바와 같이 형성될 수 있으나, 그 외에도 그 단면(cross-section)이 납작(oblate)하거나 길쭉(prolate)한 회전타원체(spheroid) 형태로 구성될 수 있다. 또한, 금속 구조체(200)는 Z축에 대한 장, 단축의 길이 변화가 없는 경우 즉, a(z) 또는 b(z)가 상수인 경우, 예컨대, 디스크인 경우에는, 도 7a와 제시된 바와 같이 원형(circular:201), 도 7b에 제시된 바와 같이 마름모(202), 도 7c에 제시된 바와 같이 삼각형(triangular:203), 도 7d에 제시된 바와 같이 사각형(rectangular:204) 형태로 구성될 수 있다.
이제까지 상술한 바와 같은 동일한 형태의 금속 구조체(200)들이 능동적으로 그 크기, 모양, 그리고, 각각의 금속 구조체(200) 사이의 거리(혹은 격자 상수(lattice parameter)를 조절하여 기판(100) 상에 정렬된다. 이에 따라, 센서를 구성하기 위한 센서 칩(sensor chip)이 기판(100)과 정렬된 금속 구조체(200) 등을 포함하여 구성된다.
이러한 기판(100) 상에 정렬된 나노 미터 크기의 금속 구조체(200)들에 국소화된 표면 플라즈몬 현상을 유도하기 하기 위해서 입사되는 입사광은 도 3에 제시된 바와 같이 광원(400)에 의해서 제공된다. 광원(400)은 구성하고자하는 센서에 따라, 그리고, 측정하고자하는 시료에 따라 달라질 수 있으나, 텅스텐-할로겐 램프(QTH-lamp), 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 기체 및 고체 레이저(gas-/solid state laser)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 광원(400)은 이러한 금속 구조체(200)들을 구비한 기판(100)으로 확장된 입사광을 제공하기 위해서 확장된 광원으로 구성된다. 예를 들어, 상기한 바와 같은 광원(400)에는 빔 확장기(도시되지 않음)가 더 포함될 수 있다.
센서가 내부 전반사 방식(TIR mode:Total Internal Reflection mode)의 측정 방식을 채택할 경우 도 3에 제시된 바와 같이 입사광은 프리즘(300)을 통해서 센서 칩 내로, 특히, 기판(100)으로 입사하게 된다. 프리즘은 입사광의 내부 전반사(TIR)를 유도하여, 발생하는 소산파(evanescent wave)가 금속 구조체(200)에서의 표면 플라즈몬 공명을 일으키도록 유도한다. 프리즘(300)은 기판(100)을 구성하는 유전체와 같은 굴절률을 가지는 물질로 구성되는 것이 바람직하고, 필요에 따라 삼각 프리즘 또는 반 원통형(hemi-cylindrical) 프리즘일 수 있다. 이러한 프리즘(300)의 매질은 굴절률이 약 1.5에서 2.0 사이의 투명한 유전체(BK7, SF10, SF11, LaSF N9 등)일 수 있다.
내부 전반사 방식(TIR mode)를 측정 방식으로 채택할 경우 도 3에 제시된 바와 같이 프리즘(300)과 광원(400) 사이의 광 경로에는 편광기(410)가 도입되는 것이 센서의 감도를 증가시키는 데 바람직하다. 금속 구조체(200)에 여기되는 표면 플라즈몬은 앞서 설명한 바와 같이 금속 구조체(200)의 모양에 따른 쌍극자 성질을 가지게 된다. 따라서, s-혹은 p-편광된(TE- 혹은 TM-편광된) 입사광에 따라 공명 조건이 달라질 수 있다. 그러므로, 편광기(410)는 임의로 편광성 또는 편광 방향을 조절할 수 있는 가변형 편광기인 것이 유리하다.
도 3에서와 같이 내부 전반사 방식을 채용하도록 구성된 센서에서 광원(400)의 빔 확장기에 의해서 확장된 입사광은, 편광기(410)를 지나면서 예컨대 p-모드(TM-mode)로 편광되어 일정한 각도(θ)로 프리즘(300)에 입사된다. 이때, 기판(100)과 프리즘(300) 사이에는 인덱스 매칭 오일(index matching oil:도시되지 않음)이 도입되어 광학적인 커플링(coupling)을 유도하는 것이 바람직하다. 최대한의 효과를 보장하기 위해서는 기판(100)과 프리즘(300) 및 매칭 오일의 굴절률이 일치하는 것이 바람직하다. 프리즘(300)을 통해 입사된 입사광은 기판(100)을 지나 금속 구조체(200) 표면에 국소화된 표면 플라즈몬을 유도하게 된다.
표면 플라즈몬 공명을 유도하도록 기판(100) 상에 도입되는 금속 구조체(200)의 아래에는 금속 구조체(200)와 기판(100) 간의 접착력을 증가시키기 위한 접착층(도시되지 않음), 예컨대, 티타늄(Ti)층 또는 크롬(Cr)층이 대략 수 ㎚의 두께로 증착될 수도 있다.
또한, 도 3에 제시된 바와 같이, 측정하고자 하는 시료(500), 예컨대, 생체 분자가 함유된 혈청(serum)과 같은 시료(500)는 금속 구조체(200) 상에 접촉하게 도입된다. 이때, 측정하고자 하는 시료(500)의 상태는 주로 공기와 같은 가스 분위기나 생체 분자가 함유된 혈청과 같은 액체 상태일 수 있다. 시료(500)는 금속 구조체(200)의 표면에 맞닿아 있거나 또는 이미 고정화된 물질(예컨대, 특정 리간드)에 선택적으로 결합하는 측정 대상물로, 굴절률 변화를 측정하기 위한 산화물 박막, 엘비(LB:Langmuir-Boldgett) 필름, 단분자 막(SAM:Self Assembled Monolayer), 단백질, 효소 핵산 등 생체 분자가 될 수 있으며, 가스(gas) 혹은 액체 분위기(aqueous ambience)일 수 있다.
금속 구조체(200)와 시료(500) 사이에서 시료의 농도, 두께 혹은 일반적으로 굴절률이 변화하면, 이에 따라 국소화된 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화하므로 수광부(450)로 반사되는 반사광의 명암이 달라지게 된다.
반사광은 수광부(450)에 의해서 검출되는 데, 수광부(450)는 국소화된 표면 플라즈몬의 공명 흡수로 인한 파장의 변화, 예컨대, 색 변화(color change)나 세기의 변화(intensity change)들 정량적으로 측정할 수 있는 기능을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수광부(450)는 센서 칩의 기판(100)에 이루어진 채널(channel)의 크기와 측정 대상의 공간적인 크기(spatial dimension)에 따라 범용 전하 결합 소자(CCD) 카메라, 비디오 카메라, 영사막(screen) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이 구성되는 수광부(450)는 특히 센서가 다채널로 구성될 경우 이차원적인 이미징(imaging)을 검출할 수 있다. 즉, 이차원 평면에서의 플라즈몬 공명을 이용하고 확장된 형태의 입사광을 사용하였을 때, 금속 구조체(200) 표면에 맞닿아 있는 시료(500)의 농도 변화를 각 화소 단위로 측정하도록 센서를 구성하면, 이차원 이미징 센서 시스템이 구성되게 된다.
반사광을 측정하는 방법의 다른 예로, 센서 칩 위의 각 채널의 크기(spatial dimension), 흡착된 생체 분자와 수광부(450)의 거리(longitudinal dimension)에 따라 원격장(far-field) 혹은 근접장(near-field)의 광학계를 쓸 수 있다. 예를 들어, 광학 현미경, 근접장 주사 현미경(NSOM:Near-field Scanning Optical Microscope), 프리즘을 이용한 광자 주사 관통 현미경(PSTM:Photon Scanning Tunneling Microscope) 등과 같은 나노 미터 크기의 공간 해상도(spatial resolution)를 갖는 근접장 현미경(near-field microscope)을 이용할 수도 있다. 또는 간단하게 반사, 흡수, 투과하는 광의 광량을 측정하기 위해서 광증배기(PMT:Photomultiplier) 또는 실리콘 포토다이오드((Si-PD:silicon PhotoDiode) 등을 이용할 수 있다.
한편, 이러한 수광부(450)와 기판(100) 사이에는 별도의 편광기가 더 도입될 수 있다. 이러한 편광기는 반사광의 편광 방향을 임의로 조절할 수 있는 가변형 편광기인 것이 바람직하다.
이제까지 설명한 센서는 국소화된 표면 플라즈몬 효과를 유도하기 위해서 기판(100) 상에 정렬된 나노 크기의 금속 구조체(200)들의 배열을 도입하고 있다. 이에 따라, 이러한 센서는 종래의 대역적인 표면 플라즈몬 효과를 이용한 경우 보다 우수한 감도를 가질 수 있다. 이러한 센서에서 실질적으로 검출하는 전자기장의 세기(field intensity)는 금속-유전체의 경계면을 기준으로 이러한 경계면에서 멀어짐에 따라 지수적으로 감소하는 데, 본 발명의 제1실시예에서 제시한 금속 구조체(200)들을 도입한 경우에는 국소화된 표면 플라즈몬 효과를 이용하므로, 이러한 전자기장의 세기가 보다 극심하게 감소하게 된다. 이는 센서가 보다 큰 감도를 가질 수 있음을 의미한다.
또한, 이제까지 설명한 센서는 시료(500)의 측정 방식을 내부 전반사 방식(TIR mode)으로 채용하고 있다. 즉, 도 3에 제시된 바와 같이 프리즘(200)이 기판(100)에 대해서 금속 구조체(200)의 반대 방향에 인덱스 매칭 오일과 같은 매질로 기판(100)과 광학적으로 결합되어 있고, 입사광이 프리즘(300)을 통과하여 입사되고 내부에서 전반사를 일으켜 다시 프리즘(300)을 통과하여 반사되는 반사광을 방출하도록 센서가 구성되고 있다.
그럼에도 불구하고, 본 발명의 제1실시예에서와 같이 금속 구조체(200)의 배열을 기판(100) 상에 도입하는 경우에는 반사 방식(reflection mode) 또는 투과 방식(transmission mode)의 측정 방식들로도 센서를 구성할 수 있다.
투과 방식의 경우 도 3에 제시된 바와 같은 내부 전반사 방식의 센서 구성과는 달리, 광원이 센서 칩의 기판(100)과 수직으로 입사광을 제공하게 배치된다. 입사광은 금속 구조체(200)와 시료(500)의 경계면을 지나 시료를 투과하게 된다. 투과된 광은 기판에 대해서 광원의 맞은편에 배치되는 수광부에 검출되게 된다. 이러한 투과 방식에서 수광부는 색 변화나 세기 변화를 측정하게 된다. 그런데, 금속 박막(도 1의 20)을 도입하는 종래의 센서의 경우에는 이러한 투과 방식을 채용하기가 실질적으로 불가능하다.
반사 방식의 경우 기판(100)에 대하여 금속 구조체(200)들이 고정되어 있는 방향으로부터 입사광이 입사되도록 광원이 배치되고, 존재 가능한 거울면(mirror face)으로부터 다시 입사된 방향으로 반사되는 반사광을 검출하도록 수광부가 배치된다.
한편, 대역적인 표면 플라즈몬 효과를 이용하는 종래의 센서는 공명 조건을 변화시키기 위해 입사광의 입사각, 파장 등의 외적인 조건을 변화시켜야 하는 반면, 본 발명의 제1실시예에서와 같이 국소화된 표면 플라즈몬 효과를 이용하도록 금속 구조체(200)들의 배열을 도입한 경우에는 각 나노 크기의 금속 구조체(200)의 모양(shape)과 크기(volume)에 따라 공명 조건이 정해질 수 있다. 이는, 실제로 어떤 정량적인 측정(assay)에 있어서 별도의 기준 값(reference value)이 불필요하다는 의미이므로, 각 센서 사이의 상호 보정이 필요 없게 된다. 부가적으로, 국소화된 표면 플라즈몬 효과는 나노 크기의 금속 구조체(200)의 유한한 크기로 인하여 대역적인 표면 플라즈몬 효과와는 달리 입사광의 편광에 대해서도 다양한 공명 조건이 존재하게 된다.
이와 같이 정렬된 나노 미터 크기의 금속 구조체(200)의 배열을 도입하여 국소화된 표면 플라즈몬 효과를 이용하는 센서를 구성함으로써, 보다 다양한 공명 조건을 이용하는 것이 가능하고 보다 다양한 측정 방식을 채용하는 것이 가능하게 된다.
제2실시예
제2실시예에서는 제1실시예에서 설명한 본 발명에 따르는 센서가 응용되는 예로 면역 센서(immunosensor)에 응용되는 경우를 설명한다. 제2실시예에서 제1실시예에서와 동일한 참조 부호로 인용되는 부재는 동일한 부재로 이해될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 면역 센서로 응용된 국소 표면 플라즈몬 센서를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 제1실시예에서 설명한 바와 같은 센서는 도 8에 제시된 바와 같은 면역 센서(immunosensor)로 응용될 수 있다. 즉, 금속 구조체(200) 표면에 항체(antibody)와 같은 생체 물질을 고정화하고, 이와 특이적으로 결합하는 항원(antigen)의 농도를 측정하는 면역 센서를 구성할 수 있다.
제1실시예에서 설명한 바와 같은 센서가 면역 센서와 같은 광 화학적 센서로 이용될 경우, 금속 구조체(200)의 표면에 측정하고자하는 생체 분자 또는 시료의 성분과 특이 결합(specific binding)을 이루는 생체 분자 또는 리간드(ligand:510)가 고정된다. 이러한 리간드(510)는 금속 구조체(200)의 표면 또는 그 위에 이미 처리된 단분자막(SAM:Self Assembled Monolayer)에 고정화된 물질, 예컨대, 항원, 항체 또는 효소, 핵산 등의 단백질 또는 리간드(510)라 불리는 생체 물질일 수 있다. 이러한 단분자막은 하나 혹은 여러 개가 고정될 수 있다. 이와 같은 리간드(510)를 금속 구조체(200) 상에 고정시키는 것은 종래의 금속 박막(20) 상에 리간드(51)를 고정하는 알려진 방법을 이용할 수 있다.
고정화된 리간드(510), 예컨대, 항체는 시료(500)에 포함된 수용체(510')와 서로 특이적으로 결합하게 된다. 이러한 수용체(510')는 혈청(serum)과 같은 생체 시료 내에 포함되어 있고 측정하고자 하는 성분인 항원일 수 있다. 즉, 시료(500) 속에 포함되어 있는 항원 또는 단백질 등의 목적 분자(target molecule) 혹은 수용체(510')라 불리는 생체 분자가 이러한 리간드(510)와 특이 결합을 하게 된다. 시료(500) 내에 포함되어 있는 또 다른 성분들(520', 530')은 리간드(510)와 결합되지 않고 시료(500) 속에 남아있게 된다.
수용체(510'), 예컨대, 항원과 리간드(510), 예컨대, 항체의 결합 정도에 따라 금속 구조체(200)의 표면에 맞닿아 있는 리간드-수용체(510-510'), 즉, 항체-항원의 굴절률이 증가하게 되고, 이에 따라, 입사광이 백색광인 경우 공명 파장이 장파장 쪽으로 이동하거나, 입사광이 단색광인 경우 센서 칩 표면으로부터 반사되어 나오는 반사광의 명암이 변화하게 된다.
제3실시예
제3실시예에서는 제1실시예 또는 제2실시예에서 설명한 본 발명에 따르는 센서가 다수 채널(channel)을 가지는 센서로 응용되는 예를 설명한다. 제3실시예에서 제1실시예 또는 제2실시예에서와 동일한 참조 부호로 인용되는 부재는 동일한 부재로 이해될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 의한 다 채널 센서로 응용된 국소 표면 플라즈몬 센서를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1실시예 또는/ 및 제2실시예에서 설명한 바와 같은 센서가 하나의 독립된 채널(channel)을 구성하고 이러한 채널을 다수 개 조합하면, 다채널의 센서 시스템을 구성할 수 있다. 이러한 다 채널의 센서 시스템은 DNA칩 또는 단백질 칩 등과 같이 여러 시료를 동시에 측정하고자 할 때 사용될 수 있다.
도 4에 제시된 바와 같이 기판(100) 상에 금속 구조체(200)의 배열을 도입한 후, 도 9에 제시된 바와 같이 금속 구조체(200) 상에 시료 패턴들(600, 600m, 600n)을 도입한다. 시료 패턴들(600, 600m, 600n)은 생체 분자의 패턴으로, 상호 분리되어 하나 하나의 채널을 이루게 된다. 이러한 채널의 크기, 즉, 시료 패턴들(600, 6000m, 600n)의 크기는 표면 플라즈몬의 도달 거리(decay length) 보다 큰 수 ㎛에서 수백 ㎛의 크기를 가진다. 금속 구조체(200)의 개개의 크기는 대략 수십 ㎚에서 수백 ㎚ 정도로 도입되므로, 이러한 다채널 이미징 센서의 채널 크기, 즉, 시료 패턴들(600, 600m, 600n)의 크기와 금속 구조체(200)의 크기는 대략 1000:1 정도의 크기 비율을 갖게 된다.
한편, 금속 구조체(200) 상의 시료 패턴들(600, 600m, 600n)에는 각각의 채널 별로 다른 종류의 리간드(예를 들어, 도 8의 510)가 고정된다. 예를 들어, 제1시료 패턴(600)이 포함되는 제1채널 내의 금속 구조체(200)에는 510의 리간드가 고정되었다면, 제2시료 패턴(600m)이 포함되는 제2채널 내의 금속 구조체(200)에는 510 리간드와는 다른 520 리간드(도시되지 않음)가 고정되고, 제3시료 패턴(600n)이 포함되는 제3채널 내의 금속 구조체(200)에는 510 리간드와는 다른 530 리간드(도시되지 않음)가 고정된다. 이와 같이 하면, 각 채널별로 (510)-(510'), (520)-(520'), (530)-(530')의 특이적인 결합을 유도하여 각 채널마다 플라즈몬 공명 흡수의 정도를 정량화 하면, 동시에 m x n 종류의 항원-항체 결합에 따른 농도의 변화를 측정할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면 실시간으로(real-time), 표식자 없이(non-labeling) 시료의 특성을 측정할 수 있고, 금속-유전체(시료) 표면에서의 측정 감도를 더욱 높일 수 있다. 또한, 금속 구조체의 배열을 도입함으로써, 원하는 공명 흡수 파장에 따라 금속 구조체의 크기와 모양을 임의로 조절할 수 있다. 또한, 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서의 경우에는 실질적으로 불가능했던 투과 방식(transmission mode)의 측정 방법을 채용하는 것이 가능하고, 센서 표면에 이루어진 채널의 크기와 측정 대상의 공간적인 크기(spatial dimension)에 따라 범용 CCD 카메라, 비디오 카메라, 영사막(screen)부터 광학 현미경, 그리고 근접장 주사 현미경, 프리즘을 이용한 광자 주사 관통 현미경 등 나노 미터 크기의 공간 해상도를 갖는 근접장 현미경을 이용할 수도 있어 다양한 기능과 형태의 생화학 센서 및 이미징 센서 시스템의 제작이 가능하다.
도 1은 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서(SPR sensor)의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 표면 플라즈몬 공명 센서의 원리를 이용한 면역 센서(immunosensor)의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 국소 표면 플라즈몬 센서를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 금속 구조체들이 기판 상에 정렬 배열된 상태를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 금속 구조체를 형상을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 금속 구조체의 크기에 따라 변화되는 전형적인 공명 흡수 스펙트럼(extinction spectrum)을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 그래프(graph)들이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제1실시예에 의한 금속 구조체들이 기판 상에 정렬 배열된 상태의 다른 예들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 면역 센서로 응용된 국소 표면 플라즈몬 센서를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 의한 다 채널 센서로 응용된 국소 표면 플라즈몬 센서를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

Claims (12)

  1. 입사광을 제공하는 광원;
    측정하고자 하는 생체 분자인 수용체를 포함하는 시료;
    투명한 기판;
    상기 기판 상에 상기 시료에 맞닿게 고정되고 상호 간에 일정한 간격으로 정렬되고 상호 간에 동일한 형태를 가지고 상기 입사광의 파장 보다 작은 나노 미터 크기를 가지며 상기 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬(localized surface plasmon) 공명 흡수 현상을 유도하는 다수의 금속 구조체들;
    상기 금속 구조체들에 고정되고 상기 수용체와 선택적으로 특이 결합하는 리간드(ligand)들; 및
    상기 리간드와 상기 수용체와의 결합 정도에 따라 상기 입사광에 대한 상기 국소화된 표면 플라즈몬 공명 흡수 현상에 의해서 변화된 광을 검출하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 구조체는
    납작(oblate)하거나 길쭉(prolate)한 단면을 가지는 회전타원체(spheroid) 형태이거나,
    원형(circular), 타원형(oval), 삼각형(triangular), 사각형(rectangular), 마름모형 단면을 가지고 수직한 방향에 대한 장축 및 단축의 변화가 없는 통형 형태인 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 구조체는
    장축의 길이와 단축의 길이가 다른 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 수광부가 반사 방식(reflection mode)으로 작동되기 위해서 상기 입사광은 상기 금속 구조체가 고정된 방향으로부터 입사되고 상기 변화된 광은 존재 가능한 거울면(mirror face)으로부터 다시 입사된 방향으로 반사되는 반사광인 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 수광부는
    상기 국소화된 표면 플라즈몬의 공명 흡수로 인한 파장의 변화, 색의 변화 또는 세기의 변화를 측정하도록 광증배기(PMT:Photomultiplier) 또는 실리콘 포토다이오드((Si-PD:silicon PhotoDiode)를 포함하거나,
    이차원 평면을 형상화(imaging)할 수 있는 전하 결합 소자(CCD) 카메라, 비디오 카메라 또는 영사막(screen)을 포함하거나
    근접장 현미경(near-field microscope)으로서의 광학적 현미경(optical microscope), 근접장 주사 현미경(near-field scanning optical microscope), 프리즘을 이용한 광자 주사 관통 현미경(photon scanning tunneling microscope)을 포함하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 기판 사이 또는 상기 수광부와 상기 기판 사이에 도입되는 가변형 편광기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  9. 투명한 기판을 도입하는 단계;
    상기 투명한 기판 상에 상호 간에 일정한 간격으로 정렬되고 상호 간에 동일한 형태를 가지고 어떤 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬(localized surface plasmon) 공명 흡수 현상을 유도하기 위해 상기 입사광의 파장 보다 작은 나노 미터 크기를 가지는 다수의 금속 구조체들을 전자 빔 리토그래피(electron beam lithography), 이온 빔 리토그래피(ion beam lithography), 엑스선 리토그래피(x-ray lithography), 2블럭 공중합체(diblock copolymer)를 이용하는 방법 및 나노 임프린트 리토그래피(nano imprint lithography) 방법을 포함하는 일군의 패터닝 방법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 형성하는 단계;
    상기 금속 구조체들 상에 리간드(ligand)들을 고정시키는 단계;
    상기 금속 구조체들 상에 상기 리간드와 선택적으로 특이 결합할 측정하고자하는 생체 분자인 수용체를 포함하는 시료를 도입하는 단계; 및
    상기 금속 구조체에 상기 입사광을 제공할 광원 및 상기 입사광에 대한 상기 국소화된 표면 플라즈몬 공명 흡수 현상에 의해서 상기 리간드와 상기 수용체와의 결합 정도에 따라 변화된 광을 검출하는 수광부를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서 제조 방법.
  10. 투명한 기판을 도입하는 단계;
    상기 투명한 기판 상에 광경화성 수지를 코팅(coating)하는 단계;
    상기 광경화성 수지를 가열 경화시킨 후 전자 빔으로 상기 광경화성 수지 상에 나노 구조를 전사하는 단계;
    현상액(developer)을 이용하여 상기 전자 빔이 조사된 부분을 세척하여 제거하는 단계;
    진공 증착기를 이용하여 만들고자 하는 구조체의 재료를 상기 기판 상에 증착하는 단계;
    리프트 오프(lift-off) 방식으로 잔류하여 있던 상기 광경화성 수지 부분을 세척 제거하여 상호 간에 일정한 간격으로 정렬되고 상호 간에 동일한 형태를 가지고 나노 미터 크기를 가지며 어떤 입사광에 대한 국소화된 표면 플라즈몬(localized surface plasmon) 공명 흡수 현상을 유도하기 위해 상기 입사광의 파장 보다 작은 나노 미터 크기를 가지는 다수의 금속 구조체들을 형성하는 단계;
    상기 금속 구조체들 상에 리간드(ligand)들을 고정시키는 단계;
    상기 금속 구조체들 상에 측정하고자하는 상기 리간드와 선택적으로 특이 결합할 생체 분자인 수용체를 포함하는 시료를 도입하는 단계; 및
    상기 금속 구조체에 상기 입사광을 제공할 광원 및 상기 입사광에 대한 상기 국소화된 표면 플라즈몬 공명 흡수 현상에 의해서 상기 리간드와 상기 수용체와의 결합 정도에 따라 변화된 광을 검출하는 수광부를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 수광부가 반사 방식(refraction mode)으로 작동되기 위해서 상기 입사광은
    상기 광원과 상기 수광부가 투과 방식(transmission mode)으로 작동되기 위해서 상기 입사광은 상기 금속 구조체가 고정된 방향의 반대 방향으로 입사되고 상기 변화된 광은 상기 기판 및 상기 금속 구조체를 투과하여 진행한 투과광인 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 수광부가 반사 방식(refraction mode)으로 작동되기 위해서 상기 입사광은
    상기 광원과 상기 수광부가 내부 전반사 방식(Total internal reflection mode)으로 작동되기 위해서 상기 센서는 상기 기판에 광학적으로 결합된 프리즘(prism)을 더 포함하고 상기 입사광은 상기 프리즘을 통과하여 상기 금속 구조체로 입사하고 내부 전반사를 일으켜 다시 상기 프리즘을 통과하여 반사되는 광이 상기 변화된 광에 해당하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
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