KR100508666B1 - 개량된 형광 감지 장치 - Google Patents

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Abstract

액상 또는 기상의 매체내의 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 측정하기 위한 본 발명의 형광 감지 장치는 빛이 접합으로부터 홀(29)내로 방출되도록 P-N 접합과 일반적으로 수직인 홀(29)를 가진 발광 다이오드로 구성되어 있다. 홀은 피분석물의 통과가 가능하고, 형광이 피분석물의 존재에 의해 약화되거나 강화되는 형광 지시 분자를 포함하는 형광 매트릭스(32)로 채워진다. 광검출기(23)은 형광 지시 분자로부터 받은 형광이 형광 매트릭스과 접촉되어 있는 기상 또는 액상 매체내의 피분석물의 존재 여부 또는 농도와 연관되어 있는 전기적 신호로 전환될 수 있도록 홀의 한쪽 끝에 위치한다.

Description

개량된 형광 감지 장치{Improved fluorescence sensing device}
본 발명은 액상 또는 기상 매체내 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 측정하기 위한 전기-광학 감지 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 초소형, 빠른 응답 시간 및 신호 대 잡음비가 높은 것이 특징인 형광 감지 장치에 관한 것이다.
인용에 의해 본 명세서에 통합되는 미국 특허 제 5,517,313호는 층상으로 배열된 형광 지시 분자(fluorescent indicator molecular)-함유 매트릭스, 고역 필터 및 광검출기를 포함하는 형광 감지 장치를 개시하고 있다. 이 장치에 있어서, 광원, 바람직하게는 발광 다이오드("LED")는 적어도 일부분이 형광 매트리스 내에 위치하는데, 이렇게 함으로써 광원으로부터 발생하는 빛에 의해 지시 분자가 형광을 내게 된다. 고역 필터는, 광원으로부터 발생하는 산란 입사광이 여과되어 광검출기에 도달되도록 한다.
미국 특허 제 5,517,313호에 개시되어 있는 장치에서 사용된 지시 분자의 형광은 예를 들어 국소 존재하는 피분석물에 의해 약화되거나 강화되어 변조된다. 예를 들어, 착물, 트리스(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린)루테늄(II) 퍼클로레이트의 오렌지-레드 형광은 국소 존재하는 산소에 의해 약화된다. 그러므로, 이 착물은 산소 감지기의 지시 분자로서 편리하게 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 특정 피분석물에 의해 형광이 영향을 받는 기타 지시 분자들이 알려져 있다.
미국 특허 제 5,517,313호에 개시된 감지기에 있어서, 형광 매트릭스는 피분석물 투과성이다. 그러므로, 피분석물은 주변의 시험 매체로부터 형광 매트릭스 내로 확산이 가능하고, 이것에 의해 지시 분자에 의해 방출된 형광이 영향을 받는다. 형광 매트릭스, 고역 필터 및 광검출기는 지시 분자에 의해 방출된 형광의 적어도 일부가 광검출기에 충돌하여 주변 매체내 피분석물의 농도를 나타내는 전기적 신호를 발생할 수 있도록 구성되어 있다.
미국 특허 제 5,517,313호에서 개시된 감지 장치가 종래의 감지 장치들보다 현저하게 개량되어 있으나, 상기 특허에서 개시하고 있는 감지기보다 더 소형이고 뛰어난 감지 특성을 가진 감지기에 대한 필요성 여전히 남아있다. 그러므로, 본 발명의 목적은 상기 특허에서 개시된 감지 장치보다 더 개선된 감지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명되어 질 것이다.
도 1은 통상적인 발광 다이오드의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 감지 장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 감지 장치를 도 2의 3-3 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감지 장치의 단면도이다.
도 4a는 도 4의 감지 장치의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지 장치의 단면도이다.
도 7은 도 6의 감지 장치의 평면도이다.
도 8 및 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감지 장치의 광검출기를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지 장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지 장치의 단면도이다.
도 12는 주변의 기상 또는 액상 매체내 다양한 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 동시에 측정하기 위한 다중 감지기를 도시한 것이다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 액상 또는 기상 매체내 피분석물의 존재여부 또는 농도를 측정하기 위한 형광 감지 장치는,
(a) 일반적으로 P-N 접합면과 수직방향으로 형성된 홀을 구비하며, 상기 홀이 상기 접합을 가로질러 전압이 인가되는 경우에 상기 접합으로부터 홀내로 빛이 방출되는 구조로 되어 있는 구비한 발광 P-N 접합(이후로는 발광 다이오드("LED")로 언급하기로 함);
(b) 상기 홀의 적어도 일부에 함유되며, 형광 매트릭스 내에 존재하는 피분석물에 의해 형광이 약화되거나 강화되는 형광 지시 분자를 포함하며, LED와 형광 지시 분자는 LED에 의해 방출된 파장이 상기 지시 분자에서 형광을 여기시킬 수 있도록 선택되는 피분석물-투과성 형광 매트릭스; 및
(c) 상기 홀의 한쪽 단부에 위치하며, 상기 형광 지시 분자에 의해 방출된 형광에 응답하여 전기적 신호를 발생하는 광검출기를 포함한다.
발명의 상세한 설명
통상적인 LED는 도 1에 도시되어 있다. LED(10)은 N-형 반도체층과 P-형 반도체층으로 이루어지며, P-N 계면(12)에서 발광 접합을 형성한다. 예를 들어, 전기적 리드(14)와 (16)을 P-N 접합(12)을 가로질러 전압이 인가되는 경우에 광선(11)은 접합으로부터 계면과 거의 동일한 평면으로 방출된다. 미국 특허 제 5,517,313호에 도시되어 있는 바와 같이 이러한 엣지-발광 특성을 가진 LED는 전기-광학 감지기내 형광 매트릭스층을 가로질러서 빛이 통과되도록 하기 위해 사용되어 왔다.
일반적으로, LED는 본 발명이 속하는 기술분야에 알려진 주입 도핑 방법을 사용하여 2층의 반도체 웨이퍼를 제조한 다음 생성된 웨이퍼를 적절한 크기의 칩내로 커팅 또는 다이싱하여 제조된다. 일반적으로 LED는 매우 작으며, 엣지에서 측정한 길이가 200-300미크론이다.
본 발명에 있어서, 발광 P-N 접합의 기능을 파괴하거나 또는 실질적인 손상을 주지 않으면서 LED 칩 내부에 홀 또는 공동(cavity)을 형성할 수 있음을 본 발명자들은 발견하였다. 이에 의해, 접합을 가로질러 전압이 인가되는 경우에 빛은 접합으로부터 홀 또는 공동내로 방출된다. 도 2는 본 발명의 장치의 사시도, 특히 부분 절개 사시도이다. 감지기(20)는 P-N 접합(28)을 가로질러 전압이 걸리도록 유입 리드(24)와 (26)을 가진 LED(22)를 포함한다. LED는 P-N 접합(28)에 대하여 일반적으로 수직 배항된 형성된 홀(29)을 구비한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 피분석물의 존재에 의해 형광이 약화되거나 강화되는 형광 지시 분자를 포함하는 폴리머 매트릭스(32)는 홀(29)내에 위치한다. 홀(29)의 개구 단부에 노출된 기상 또는 액상 매체에 존재하는 피분석물이 형광 매트릭스(32)의 안으로 및 밖으로 확산할 수 있도록 형광 매트릭스는 피분석물에 대해 투과성이다. 홀(29)은 광선이 형광 매트릭스(32)내로 방출될 수 있도록 채워질 수 있다. 예를 들어, 홀(29)은 완전히(즉, LED의 상부 표면과 평행하도록) 채워질 수 있다. 또한, 홀(29)은 P-N 접합(28)을 덮기에 충분한 정도로 채워질 수 있다.
본 발명의 일시예에 있어서, 광검출기(23)는 홀(29)에 인접한 광감성 영역(25)을 구비하며, LED(22)의 한쪽 단부에 위치할 수 있다. 광검출기는 2개의 반도체의 계면으로 제조된 일반적인 고상 광전 장치이다. 바람직한 실시예에 있어서, 광감성 영역(25)는 홀(29)에 인접한 영역과 일치한다. 이 광감성 영역은 본 발명이 속하는 기술분야에 잘 알려진 일반적인 포토마스킹 방법에 의해 제조될 수 있다. 광검출기(23)에 의해 발생되는 전기적 신호는 전기적 리드(33)와 (31)를 통해 적절한 증폭기와 측정 회로(미도시)에 전달된다.
감지기(20)의 작동에 대해서는 도 3의 단면도에 도시되어 있다. 리드(24)와 (26)를 통해 P-N 접합(28)을 가로질러 전압이 인가되는 경우에 광선(34)은 홀(29)내에 포함되어 있는 형광 매트릭스(32)내로 방출된다. 광선이 형광 지시 분자(36)에 충돌하면 형광 매트릭스(32)에 존재하는 피분석물의 농도에 비례하는 강도로 분자는 형광을 발한다. 형광의 일부는 광검출기(23)의 아래쪽으로 향하여 광감성 영역(25)과 총돌한다. 광검출기(23)와 광감성 영역(25)은 리드(33)와 (31)에 의해 전달되는 전기적 신호를 발생한다.
도 3에 도시된 바와 같이, P-N 접합(28)로부터 형광 매트릭스(32)내로 방출된 빛은 내부 반사를 통해 감지기내에서 효과적으로 모이고, 그로 인해 감지기의 전체적인 효능이 개선된다. 예를 들어, 형광 매트릭스(32)를 통과하는 흡수되지 않은 광선(37)은 홀(29)의 벽으로부터 형광 매트릭스내로 다시 반사되어, 이 빛은 형광 지시 분자에 충돌할 수 있는 다른 기회를 가지게 된다.
LED(22)의 벽을 반사성의 비전도성 물질(39)로 코팅하여 감지기의 효능을 더 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 라텍스 물질을 사용하여 LED(22)의 벽을 코팅할 수 있다. 이러한 코팅으로 인하여, 감지기의 밖으로 전달되지 않은 빛은 LED(22)의 벽을 통해 형광 매트릭스(32)내로 다시 반사된다.
홀(29)은 간단한 방법으로 LED(22)내에 형성할 수 있다. 홀은 엑시머 레이저(excimer laser), 바람직하게는 약 248nm의 파장에서 빛을 방출하는 엑시머 레이저에 의해 LED(22)내에 형성할 수 있다. 또한, 엑시머 레이저는 저효율에서 약 193nm의 파장을 사용할 수 있다. 레이저 빔의 X, Y 좌표는 구경에 의해 조절되며, 홀(29)의 깊이는 펄스의 수에 의해 조절된다. 홀(29)의 면적은 감지기(20)의 용도에 따라 다양할 수 있다. 홀(29)는 LED(22)을 완전히 관통할 수 있다. 다른 방법으로는, 형광 지시 분자(36)에 의해 방출된 빛이 충분히 투명하다면, 반도체 물질의 벽 또는 층이 광검출기에 인접한 홀의 끝에 남아 있을 수 있다. 홀은 P-N 접합을 통과할 정도만큼 얕은 것이 적절하다. 홀(29)의 모양은 원하는 대로 할 수 있으며, 원기둥 모양이 바람직하다. 홀(29)의 직경은 약 10 내지 300미크론, 바람직하게는 약 20 내지 약 200미크론, 가장 바람직하게는 100 내지 150미크론이다.
피분석물-투과성 형광 매트릭스(32)는 형광 지시 분자가 분산된 폴리머 매트릭스가 바람직하다. 폴리머는 제 위치에서 쉬트 또는 필름으로 캐스트되거나, 증발을 통해 필름 형태로 퇴적되거나, 모노머 또는 올리고머로부터 중합될 수 있는 것이 바람직하다. 매트릭스에 사용되는 폴리머는 지시 분자가 여기 및 방출하는 파장에서 광학적으로 투과성이어야 한다.
형광 매트릭스(32)를 제조하기 위해 다양한 폴리머가 사용될 수 있다. 산소 감지기를 제조하는데 유용한 폴리머는 미국, 메사추세츠주, 피츠필드에 소재하는 제네랄 일렉트릭사로부터 구입가능한 실리콘 폴리머 RTV118이다. 이 폴리머는 1:1 내지 1:6의 석유 에테르/클로로포름 혼합물에 용해되고, 앞서 언급한 형광 지시약 루테늄 착물을 약 0.1 내지 1mM 농도로 상기 폴리머 용액내로 혼합한 다음, 결과 혼합물을 홀(29)내에 도포한다. 용매를 증발시켜 홀(29)내에 형광 매트릭스(32)를 퇴적시킨다.
본 발명의 일시예에 있어서, 도 2-4에 도시된 바와 같이 전기적 리드는 LED(22)를 형성하는 반도체 물질의 상부와 접속할 수 있고, 전기적 리드(24)는 LED(22)의 하부와 접속될 수 있다. 도 4a에 명백하게 도시되어 있는 바와 같이 전기적 리드(31)과 (32)는 각각 광검출기(23)의 상부와 하부에 접속되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 전기적 리드(24)와 (31)은 광검출기(23)에 LED(22)를 연결하는 에폭시 물질로 싸여있을 수 있다.
다른 실시예에 있어서, LED(22)의 하부 표면은, 통상적인 전기적 접속이 가능하도록 광검출기(23)의 상부 표면에 전기적으로 접속되어 있다(미도시). 이러한 전기적 접속을 용이하게 하기 위해 전기전도성 접착제를 광검출기(23)과 LED(22)를 연결하는데 사용할 수 있다.
감지기(20)의 물리적 구조 때문에, 접합(29)로부터 방출된 빛의 거의 대부분이 광검출기(23)에 도달하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 아주 적은 양의 빛이 내부 반사를 통해 광검출기에 도달한다. 또한, 홀(29)을 통과한 주변의 빛도 광검출기에 도달할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광학적 컷-오프 필터(41)는 형광 매트릭스(32)와 광검출기(23) 사이에 위치할 수 있다. 필터(41)는 광검출기(23)에 도달하는 주변 빛의 상당부분 뿐만 아니라 LED(22)에 의해 방출된 빛은 걸러내는 반면에 형광 지시 분자(36)에 의해 방출된 빛은 전달하도록 고안되어 있다. 광검출기(23), 필터(41) 및 LED(22)는 접착제에 의해 물리적으로 연결되어 있다. 도 4a는 도 4의 감지기의 분해도이다.
바람직한 실시예에 있어서, 광학 필터(41)은 광검출기(23)내에 코팅된다. 적절한 광학 필터 코팅 기재는 미국, 캘리포니아주, 산타 로사에 소재하는 옵티컬 코팅 러보러터리로부터 구입할 수 있으며, 통상적 방법으로 도포할 수 있다. 미국 특허 제 5,200,855호를 참조할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 광학 필터는 LED(22)에 연결되는 전기적 리드(24)을 둘러싸기 위해 사용할 수 있는 착색 에폭시를 사용할 수 있다. 예를 들어, 적절한 착색 에폭시는 뉴 멕시코, 알부퀘르퀴에 소재하는 CVI 레이저사로부터 구입할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 광학 필터(42)는 도 5에 도시된 바와 같이 광검출기 (23)와 형광 매트릭스(32) 사이의 홀(29) 내에 위치할 수 있다. 적절한 광학 필터는 뉴 멕시코, 알부퀘르퀴에 소재하는 CVI 레이저사로부터 구입가능한 것과 같은 에폭시-형 필터일 수 있다.
도 6과 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기-광학 감지 장치(60)을 도시하고 있다. 감지기(60)는 기재(64)에 의해 지지되는 LED(62)를 포함한다. 바람직하게는 LED(62)는 기재(64)의 상부에 제1 반도체층(66)(GaN n-형 물질과 같은)을 위치시키고 다음으로 제1 반도체층 상부에 제2 반도체층(65)(GaN p-형 물질과 같은)을 위치시켜 형성된다. 반도체층(66)과 (65)의 P-N 계면은 발광 접합(68)을 형성한다. LED(62)의 반도체층의 두께는 약 2 내지 30미크론, 바람직하게는 약 5 내지 20미크론, 더욱 바람직하게는 약 8 내지 12미크론이다.
LED(62)는 P-N 접합(68)을 가로질러 전압이 걸리도록 유입 리드(24)와 (26)을 구비한다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 유입 리드(26)은 애노드 표면(65)에 접속되어 있고, 유입 리드(24)는 캐소드 표면(66)에 접속되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서는, 도 6에 도시된 바와 같이 유입 리드(24)는 캐소드 표면(66)의 하부에서 LED(62)의 캐소드 표면(66)에 접속되어 있다. 또한, 유입 리드(24)는 도 2와 관련하여 상술한 바와 같이 캐소드 표면(66)과 접속될 수 있다. 또한, 바람직한 실시예에 따라서, 유입 리드(26)은 고전도성 물질로 만들어진 접속 패드(63)에 의해 LED(62)의 애노드 표면(65)에 접속될 수 있다. 접속 패드(63)는 금으로 만들어지는 것이 바람직하나 본 발명이 속하는 기술분야에 알려진 다른 전기전도성 물질을 배제하는 것은 아니다. 유입 리드(26)는 예를 들어 볼 결합 또는 웨지(wedge) 결합을 포함하는 적절한 방법에 의해 접속 패드(63)에 결합될 수 있다.
홀(69)는 일반적으로 P-N 접합(68)을 포함하는 평면과 수직방향으로 LED(62)에 형성된다. 도 2-4와 관련하여 상술한 바와 같이 폴리머 매트릭스(32)는 피분석물의 존재에 의해 형광이 약화되거나 강화되는 형광 지시 분자를 포함하는 홀(69)에 위치될 수 있다. 상술한 바와 같이 LED(62)의 두께가 매우 얇기 때문에 홀(69)은 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 방법을 사용하여 LED(62) 부분을 마스킹하고 홀(69)을 에칭하여 만들어지는 것이 바람직하다. 이 실시예에 따라서 홀(69)을 만드는데 사용되는 바람직한 마스킹 및 에칭 방법은 상술한 바와 같은 레이서 절삭방법보다 실질적으로 장점을 나타낸다.
기재(64)는 지시 분자의 방출 파장에서 실질적으로 광 투과성인 임의의 적절한 물질로 만들어 질 수 있다. 기재(64)는 기재의 표면에 LED 물질의 퇴적(deposition) 및 형성(fabrication)이 가능한 물질인 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 기재(64)는 비전도성인 SiC 물질로 만들어진다. LED(62)와 기재(64)는 예를 들어 형성 및 퇴적과 같은 임의의 편리한 방법에 의해 서로 물리적으로 연결되어 있다.
또한, 이 실시예에 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 광검출기(72)는 홀(69) 아래 광감성 영역을 가진 기재(64)의 하부에 위치한다. 광검출기(72)는 2개의 반도체의 계면으로 제조되는 고상 광전 장치일 수 있다. 일실시예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이 N-형 반도체 영역(73)과 P-형 반도체 영역(74)은 기재(64)내에 형성된다. 반도체 영역(73)과 (74)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이 반도체 영역(73)은 기재(64) 일부를 마스킹하고 기재(64)의 마스킹되지 않은 영역에 주입 도핑하여 제조될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이 반도체 영역(74)은 기재(64)와 반도체 영역(73)의 일부를 마스킹하고, 마스킹되지 않은 반도체 물질(73)을 주입 도핑하여 제조될 수 있다. 광검출기(72)에 의해 발생되는 전기적 신호는 전기적 리드(70)와 (71)를 통해 적절한 증폭기와 측정 회로(미도시)에 전달된다.
광학적 컷-오프 필터는 형광 매트릭스(32)와 광검출기(72)의 사이에 삽입될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이 필터(75)는 형광 매트릭스(32)와 기재(64)의 사이의 홀(69)내에 위치할 수 있다. 필터(75)는, 필터(41)와 유사하게, 광검출기(23)에 도달하는 주변 빛의 상당 부분 뿐만 아니라 LED(62)에 의해 방출되는 빛은 걸러내는 반면 형광 지시 분자(36)으로부터 방출된 형광을 전달할 수 있도록 고안되어 있다. 바람직한 필터는 미국, 캘리포니아주, 산타 로사에 소재하는 옵티컬 코팅 러보러토리스사로부터 입수가능한 것과 같은 얇은 필름의 2색성 SiO2/TiO2 전자-빔 증착 필터이며, 예를 들어 인용에 의해 본 명세서에 통합되는 미국 특허 제 5,200,855호에 개시되어 있다. 물론, 일반적인 것으로서 다른 구조를 가진 적절한 필터 역시 시용될 수 있다.
도 6 및 10과 관련하여 상술한 바와 같이, 감지기(60)는 LED 영역과 검출 영역을 가진 단일의 단층 구조가 바람직하다. 또한 바람직한 실시예에 있어서, 감지기(60)는 필터 영역을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이 (전술한 광검출기(23)과 같은) 통상적인 광검출기는 홀(69) 아래 광감성 영역(25)를 가진 기재(64)의 한쪽 끝에 위치할 수 있다. 광검출기(23)는 광 투과성의 적절한 접착제에 의해 기재(64)에 연결될 수 있다. 광검출기(23)에 의해 발생되는 전기적 신호는 상술한 바와 같이 전기적 리드(31)와 (33)을 통해 적절한 증폭기와 측정 회로(미도시)에 전달된다. 또한, 이 실시예에 따라서, 감지기(60)는 상술한 바와 같은 광학적 컷-오프 필터를 구비할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 광학적 컷-오프 필터(75)는 형광 매트릭스(32)와 기재(64) 사이의 홀(69)내에 삽입될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 도 2-4와 관련하여 전술한 바와 같이 광학적 컷-오프 필터는 기재(64)와 광검출기(23) 사이에 삽입될 수 있다.
광검출기(23)의 상부 및 하부 영역으로부터 뻗어나온 것으로 도시된 도 11에도 불구하고, 전기적 리드(31)와 (33) 모두는 광검출기(23)의 하부으로부터 뻗어나올 수도 있다. 전술한 바와 같은 적절한 하부 접속 광검출기 또는 '플립 칩(flip chip)"은 예를 들어, 캘리포니아주 카마릴리오에 소재하는 어드밴스드 포토닉스사로부터 구입할 수 있다. 또한 하부 접속 광검출기는 도 2-5와 관련하여 전술한 감지기와 함께 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 감지기는 초소형이라는 것이 특징이다. 예를 들어, 감지기의 전체 길이가 엣지에서 200-300미크론 정도이다. 또한, 이러한 감지기는 엣지에서 최대 전체 길이가 약 500미크론 정도이고 최소 50미크론 정도이다. 그러므로, 감지기는 미크로 단위의 미세한 영역에서도 유용하게 사용할 수 있다. 예를들어, 감지기는 매우 작아서 피부 아래 또는 혈관 속에 이식될 수 있다. 감지기는 산소 농도의 측정과 관련하여 설명하였지만, 글루코오스, 특정 호로몬, 효소 등과 같은 피분석물에 민감성이 있는 지시 분자를 선택할 수 있다.
형광 매트릭스 물질의 작은 부피와 광검줄기(72)와 (23)의 작은 광감성 영역에 의해 매우 낮은 암류(dark current) 가진 장치로 제조될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 장치는 신호 대 잡음비가 매우 우수하다.
본 발명에 따른 감지기가 초소형이라는 점에서, 주변의 기상 또는 액상 매체내 다양한 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 동시에 검출하기 위한 다중 감지기로도 사용할 수 있다. 일실시예에 있어서, 도 12에 도시된 바와 같이 감지기(80)은 다수의 LED(62)을 포함할 수 있는 LED 영역과 다수의 광검출기(53)을 포함할 수 있는 검출기 영역을 포함한다. LED(62)는 예를 들어, 형성 또는 퇴적과 같은 통상적인 적절한 방법으로 기재(50) 상에 형성될 수 있다. 기재(50)는 비전도성인 SiC 물질로 만들어지는 것이 바람직하나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있는 다른 적절한 기재 물질을 배제하는 것은 아니다. 도 12에 도시되어 있는 각각의 LED(62)는 도 6, 7 또는 10과 관련하여 상술한 것과 동일한 구조를 가질 수 있다. 각각의 LED는 다양한 피분석물에 의해 형광이 약화되거나 강화되는 형광 지시 분자(36)를 함유하는 형광 매트릭스(32)를 포함하는 것이 바람직하다.
이 실시예에 따라서, 도 12에 도시된 바와 같이 광검출기(53)는 기재(50)의 한쪽 면에 형성된다. 광검출기(53)는 기재(50)에 위치한 각각의 LED에 대한 분리된 광감성 영역을 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 광감성 영역는 홀(69)에서 형광 지시 분자(36)으로부터 방출된 형광을 받도록 위치된다. 일실시예에 있어서, 광검출기는, 도 8 및 9와 관련하여 상술한 바와 같이 별도의 P-형 및 N-형 반도체 영역을 제조하는 방법인 기재(50)의 마스킹과 주입 도핑에 의해 형성될 수 있다. 광검출기(53)에 의해 발생되는 전기적 신호는 전기적 리드(70)와 (71)을 통해 적절한 증폭기와 측정 회로(미도시)로 전달된다.
도 12와 관련하여 상술한 바와 같이, 감지기(80)는 LED 영역과 검출기 영역을 구비한 단일의 단층 구조인 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 감지기(80)는 필터 영역을 구비할 수 있다.
본 발명의 형광 감지기는 특정의 바람직한 실시예와 관련지어 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부한 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위내에서 변형 및 개량이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. (a) 일반적으로 P-N 접합면과 수직방향으로 형성된 홀을 구비하며, 상기 홀이 상기 접합을 가로질러 전압이 인가되는 경우에 상기 접합으로부터 홀내로 빛이 방출되는 구조로 되어 있는 구비한 발광 P-N 접합;
    (b) 상기 홀의 적어도 일부에 함유되며, 형광 매트릭스 내에 존재하는 피분석물에 의해 형광이 약화되거나 강화되는 형광 지시 분자를 포함하며, LED와 형광 지시 분자는 LED에 의해 방출된 파장이 상기 지시 분자에서 형광을 여기시킬 수 있도록 선택되는 피분석물-투과성 형광 매트릭스; 및
    (c) 상기 홀의 한쪽 단부에 위치하며, 상기 형광 지시 분자에 의해 방출된 형광에 응답하여 전기적 신호를 발생하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액상 또는 기상 매체내 피분석물의 존재여부 또는 농도를 측정하기 위한 형광 감지 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 형광 매트릭스가 형광 지시 분자 여기 및 방출 파장의 빛을 전달하는 폴리머 내에 분산된 형광 지시 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  3. 제 1항에 있어서, LED의 가장 긴 엣지가 약 500미크론 이하인 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  4. 제 3항에 있어서, LED내 홀의 직경이 약 10 내지 약 500미크론인 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  5. 제 1항에 있어서, LED의 외벽상에 반사성 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  6. 제 1항 또는 5항에 있어서, 형광 지시 분자에 의해 방출된 파장의 빛은 전달할 수 있고, LED에 의해 방출된 파장의 빛은 흡수하거나 차단할 수 있으며, 형광 매트릭스와 광검출기 사이에 위치한 광학적 컷-오프 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 광학적 컷-오프 필터가 상기 광검출기 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 광학적 컷-오프 필터가 상기 형광 매트릭스와 상기 광검출기 사이의 상기 홀내에 위치되는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  9. 제 1항 또는 5항에 있어서, 지시 분자가 트리스(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린)루테늄(II)퍼클로레이트 착물이며, 형광 감지 장치가 산소 감지 장치인 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 LED의 두께가 약 10 내지 20미크론인 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 감지기가 상기 피분석물-투과성 형광 매트릭스를 함유하는 홀을 각각 구비하는 다수의 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 각각의 LED내에 함유된 상기 피분석물-투과성 형광 매트릭스가 다양한 피분석물의 존재에 의해 형광이 약화되거나 강화되는 형광 지시 분자를 함유하는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 단일의 단층 구조인 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 단일의 단층 구조가 LED 영역과 검출기 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 단일의 단층 구조가 필터 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 LED 영역의 두께가 약 10 내지 20미크론인 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  17. 제 1항에 있어서, LED의 가장 긴 엣지가 약 300미크론 이하인 것을 특징으로 하는 형광 감지 장치.
  18. (a) 기재 상에 반도체 접합을 가진 발광 다이오드("LED")를 형성하는 단계;
    (b) 접합을 가로질러 전압이 인가되는 경우에 빛이 상기 접합으로부터 홀내로 방출되도록 상기 반도체 접합에 일반적으로 수직방향으로 상기 LED내에 홀을 형성하는 단계;
    (c) 형광 매트릭스에 존재하는 피분석물에 의해 형광이 약해지거나 강해지는 형광 지시 분자를 함유하며, LED에 의해 방출된 파장이 지시 분자의 형광을 여기하도록 상기 LED와 형광 지시 분자를 선택하여 피분석물-투과성 형광 매트리스를 상기 홀내에 위치시키는 단계; 및
    (d) 상기 형광 지시 분자에 의해 방출된 형광에 응답하는 전기적 신호를 발생하는 광검출기를 상기 기재의 한쪽 단부에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액상 또는 기상 매체내 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 측정하는 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 형광 감지 장치를 단일의 단층 구조로서 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 또는 기상 매체내 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 측정하는 방법.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 LED내에 홀을 형성하는 단계가 상기 LED내에 홀을 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 또는 기상 매체내 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 측정하는 방법.
  21. 제 18항에 있어서, 기재상에 LED를 형성하는 단계가 SiC로 이루어진 기재상에 LED를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 또는 기상 매체내 피분석물의 존재 여부 또는 농도를 측정하는 방법.
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