KR100865755B1 - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서에 관한 것이다.

본 발명의 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서는, 다수의 채널이 상면에 나란하게 배열된 센서칩; 상기 센서칩의 상부에서 그 직하부로 빔이 수직 조사되는 광원; 상기 광원에서 조사된 빔을 센서칩의 상부에서 디포커스되도록 하는 제1 렌즈; 상기 제1 렌즈를 통해 디포커스된 빔이 상기 센서칩의 각 채널에 반사되고, 반사된 빔을 분광시키는 빔스플리터; 및 상기 빔스플리터에서 분광된 광이 수평의 성분으로 입사되는 감지부;를 포함하며, 온도나 외부 환경의 변화에 따른 입사각에 대한 별도의 스캔 없이 변화된 공명각의 실시간 측정이 가능하도록 한 장점이 있다.

광원, 센서칩, 금속 박막, 유전체층, 기준채널, 측정채널, 감지부, 제1 렌즈, 빔스플리터, 제2 렌즈

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서{Multi-channel biosensor using surface plasmon resonance}

도 1은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바이오 센서에 채용되는 센서칩의 사시도

도 3은 본 발명의 바이오 센서에 채용되는 기준채널과 측정채널의 실시예

도 4는 본 발명의 바이오 센서에서 기준채널과 측정채널이 동일한 굴절률을 가질 때의 광량을 측정한 그래프

도 5는 본 발명의 바이오 센서에서 기준채널과 측정채널이 서로 다른 굴절률을 가질 때의 광량을 측정한 그래프

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110. 광원 120. 센서칩

122. 금속 박막 123. 유전체층

124a. 기준채널 124b. 측정채널

130. 감지부 140. 제1 렌즈

150. 빔스플리터 160. 제2 렌즈

본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 금속 박막 상에 기준 채널과 측정 채널로 구성된 다수의 유체 채널이 구비되고, 상기 기준 채널과 측정 채널을 통해 디포커스된 빔에 대한 반사 광량이 감지부에 동시에 감지되도록 함으로써, 두 개 이상의 채널에 반사되는 빔에 대한 공명각의 비교 측정이 가능함에 따라 입사각의 스캔 없이도 측정 물질의 반응 변화에 대한 측정 편차를 상쇄시킬 수 있으며, 실시간 측정이 가능한 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서 시스템은 금속 박막의 표면에 존재하는 표면 플라즈몬(금속 박막과 유전체 사이의 경계면에서 발생되는 전하 밀도 진동)의 입사광에 대한 공명을 흡수하여 매질의 굴절률, 두께 또는 농도 변화를 측정하는 데 사용된다.

이때, 상기 표면 플라즈몬의 진동을 발생시키기 위해서는 상기 금속 박막과 유전체 사이의 경계면에 수직하는 성분인 TM 편광된 파가 입사되어야 한다.

표면 플라즈몬 공명(SPR : Surface Plasmon Resonance)법은 바이오 센서에 적용될 수 있는 광학적 센싱 방법으로 금속 박막의 표면에서 발생되는 표면 플라즈 몬(surface plasmon) 현상을 이용한다. 즉, 소정 두께의 금속 박막에 빛을 입사시키면 특정 입사각에서는 경계면과 평행 방향의 입사파와, 금속 박막과 공기의 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 파의 위상이 일치하게 되어 상기 입사파의 에너지가 모두 금속 박막에 흡수되면서 반사파가 없어지는 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생된다.

상기와 같이 금속 박막에 흡수되는 광의 반사도가 급격하게 감소하는 각도를 표면 플라즈몬 공명각(θ_SP, SPR angle)이라 하며, 상기 표면 플라즈몬 공명각에 의해서 금속 박막 표면에 접촉되는 생체 물질의 반응 정도를 굴절률 변화에 의해 감지할 수 있다.

이와 같은 표면 플라즈몬 공명각을 이용한 측정 방법은 주로 프리즘 또는 회절격자에 입사되는 광의 입사각을 조절하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하게 되며, 다음과 같은 선행기술들이 제안되고 있다.

먼저, 광의 입사각을 기계적인 움직임에 의해서 변화시키기 위하여 주로 광원 자체를 유동시키거나 기판을 회전시켜 입사각의 실질적인 변화를 가하는 방법으로써, 광원 또는 기판의 회전을 제어하기 위하여 정교한 기계적, 전자적 시스템이 필요하게 됨에 따라 장치 구성에 많은 비용이 소요된다. 또한, 이와 같은 방법은 입사각을 제어하기 위한 광원 및 기판의 동적인 움직임을 이용하게 됨에 따라 시스템의 안정성과 신뢰성이 떨어지고, 복잡한 구조로 이루어질 수 밖에 없는 단점이 있다.

또한, 이와 같은 공명각 측정 방법은 상기 금속박막 상에서 반사되는 반사광에 의해 측정되는 표면 플라즈몬 공명각은 시료인 생체 물질의 자체적인 상태 변화 뿐만 아니라 상기 시료가 포함된 버퍼(buffer) 용액의 변화된 굴절률에 의해서도 가변될 수 있는 바, 측정된 공명각만으로는 시료 자체의 변화인지 그 외부 환경에 의한, 즉 외부의 온도 변화 또는 버퍼 용액의 농도 변화에 따른 굴절률 변화에 의한 것인지를 판단하기가 어려운 문제점이 지적되고 있다.

따라서, 종래의 공명각 측정 장치는 외부 환경 변화에 의해 시료의 변화를 최대한 억제하기 위하여 공명각 측정 장치 자체의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 온도 제어 장치를 사용하게 됨에 따라 측정 장치의 제작 비용이 상승되는 문제점이 있다.

그리고, 종래의 공명각 측정 장치는 광원을 통한 빔의 입사각이 조절되면서 변화된 입사각마다 공명각의 측정이 이루어질 수 있기는 하나, 상기에서 언급된 온도 환경 변화 및 광원을 통한 빔의 파장 변화 등에 의한 공명각의 측정 편차를 알 수 없기 때문에 해당 입사각에 대한 정확한 공명각의 실시간 측정이 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 요철면을 포함하는 금속 박막 상에 설치된 기준 채널과 측정 채널로 이루어진 복수의 유체 채널을 통해 광원으로부터 수직 조사되는 빔에 대한 공명각이 각각 측정됨으로써, 측정 대상인 시료의 반응 변화에 대한 측정 편차를 알 수 있으며, 입사각에 대한 별도의 스캔 없이 변화된 공명각의 실시간 측정이 가능하도록 한 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서가 제공됨에 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 다수의 채널이 상면에 나란하게 배열된 센서칩과, 상기 센서칩의 상부에서 그 직하부로 빔이 수직 조사되는 광원과, 상기 광원에서 조사된 빔을 센서칩의 상부에서 디포커스되도록 하는 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈를 통해 디포커스된 빔이 상기 센서칩의 각 채널에 반사되고, 반사된 빔을 분광시키는 빔스플리터와, 상기 빔스플리터에서 분광된 광이 수평의 성분으로 입사되는 감지부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서가 제공됨에 의해서 달성된다.

상기 감지부의 전방에는 빔스플리터에서 분광되어 감지부를 향해 조사되는 각 채널의 반사광을 평행광으로 변환시키는 제2 렌즈를 더 포함한다.

상기 제2 렌즈는 상기 빔스플리터를 통해 분광되어 경유하는 빔을 평행광으로 변환시키는 콜리메이터 렌즈로 구성됨이 바람직하다.

상기 센서칩의 채널은 기준채널(reference channel)과 측정채널(measurement channel)의 한 쌍으로 구성되며, 경우에 따라 다수의 기준채널과 측정채널을 포함하는 멀티채널로 구성될 수 있다.

한편, 상기 센서칩은 기판과, 그 상부에 유전체층이 결합된 구조로 이루어지며, 상기 기판과 유전체층 사이에 개재되어 빔이 입사되는 지점(beam spot)에 기준채널과 측정채널이 나란하게 그 상면에 배치된 금속 박막으로 구성된다.

이때, 상기 금속 박막은 상면이 요철면으로 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 기준채널과 측정채널은 상호 대칭 구조로 이루어지며, 빔이 입사되는 지점인 중앙부가 삼각형, 반원형, 사각형 및 사다리꼴 형태로 상호 대향되게 형성된다.

상기 감지부는 다수의 채널로 구성된 센서칩의 각 채널에서 반사된 빔이 각 채널별로 수광될 수 있도록 어레이 형태로 구성된다.

본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바이오 센서에 채용되는 센서칩의 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오 센서(100)는 광원(110)과, 상기 광원(110)에서 조사되는 빔이 반사되는 센서칩(120)과, 상기 센서칩(120)에 반사된 빔에 대한 광량이 측정되는 감지부(130)로 구성된다.

상기 광원(110)에서 조사된 빔은 그 직하부로 조사되어 상기 광원(110)과 소정 간격을 두고 하부에 설치된 센서칩(120)을 통해 전반사되어 상기 감지부(130)를 통해 수광된다.

이때, 상기 광원(110)에서 조사되는 빔은 상기 센서칩(120)을 향해 평행광으로 수직 조사되며, 상기 빔은 센서칩(120)의 전방에서 디포커스되어 센서칩(120)에 수광될 때, 디포커스된 후 그 직하부의 센서칩(120)으로 동일한 입사각을 가지고 조사되도록 하기 위함이다.

상기 광원(110)과 센서칩(120) 사이에는 제1 렌즈(130)가 더 포함되며, 상기 광원(110)에서 조사된 빔은 제1 렌즈(140)를 경유하면서 상기 센서칩(120)의 상면과 인접한 그 상부에 포커싱이 이루어지도록 하고, 상기 센서칩(120)에 유입될 때 디포커스된다.

상기 센서칩(120) 상부에서 포커싱된 빔은 포커싱 지점에서 분광되어 센서칩(120)을 향해 조사될 때, 상기 센서칩(120)의 중앙부를 중심으로 양측이 상호 대칭을 이루어 동일한 입사각을 갖도록 조사된다.

여기서, 상기 센서칩(120)을 향해 조사되는 광이 분광된다는 의미는 상기 센서칩(120)을 향하는 광이 가지는 고유의 파장에 따라 나눠진다는 의미이다.

한편, 상기 센서칩(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 기판(121)과, 상기 기판(121)의 상면에 형성된 금속 박막(122)과, 상기 금속 박막(122)의 상부에 복개되는 투명 매질의 유전체층(123)으로 구성되며, 상기 금속 박막(122)의 상면과 유전체층(123)의 사이에는 기준채널(124a)과 측정채널(124b)로 이루어진 복수의 유체채널(124)이 개재된다.

상기 기판(121) 상에 밀착 결합된 금속 박막(122)은 요철면으로 형성됨이 바 람직하며, 상기 요철면 상면의 임의 지점에 디포커스된 빔이 반사되는 지점인 빔스팟부(beam spot,125)가 그 중심에 형성된 기준채널(124a)과 측정채널(124b)이 상호 대칭 구조로 배열된다.

상기 기준채널(124a)과 측정채널(124b)의 굴절률은 동일하거나 또는 서로 다른 굴절률을 가지도록 하며, 바람직하게는 기준채널(124a)과 측정채널(124b)을 통한 시료의 반응 정도를 용이하게 구분되게 서로 다른 굴절률을 가진 물질로 구성되도록 한다.

여기서, 상기 도 2의 센서칩(120)은 요철면을 가진 금속 박막(122)의 중앙부에 각각 한 개씩의 기준채널(124a)과 측정채널(124b)만을 도시하였으나, 상기 측정채널(124b)을 다수개로 구성하여 측정 대상의 물질을 다양화 할 수 있는 멀티채널로도 구성할 수 있다.

또한, 상기 기준채널(124a)과 측정채널(124b)은 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙부의 빔스팟부(125)가 사다리꼴, 직사각형, 삼각형 및 반원형 등으로 구성될 수 있다.

상기 기준채널(124a)의 굴절률은 그 외측이 액체로 채워지거나 에어(air)로 채워지도록 하는 조건 변화에 따라 다양하게 변화 가능하며, 상기 기준채널(124a)을 통해 측정될 수 있는 공명각에 대비될 수 있는 측정채널(124b)은 해당 시료에 대하여 고정된 물질, 즉 리셉터(recepter)의 성분에 따라 다양한 반응이 일어날 수 있으며, 이 때에 그 측정 결과가 달라지게 된다.

따라서, 시료가 채워진 측정채널(124b) 상에서 반응이 일어나는 경우 상기 측정채널(124b) 표면의 굴절률이 변화하게 되고, 이와 같은 굴절률의 변화에 의해 공명각이 반응전과 반응후로 달라지게 된다.

이와 같은 구성을 갖는 센서칩(120)에 광원(110)을 통해 조사된 빔은 제1 렌즈(140)를 거쳐 디포커스되어 조사될 때, 상기 센서칩(120) 내의 기준채널(124a)과 측정채널(124b)의 상부로 동일한 입사각을 가지고 분광된 빔이 동시에 조사되고, 조사된 빔은 각 채널(124a)(124b)의 빔스팟부(125) 상에서 반사된다.

상기 센서칩(120)의 각 채널(124a)(124b)에 반사된 빔은 그 직상부에 설치된 빔스플리터(150)에 의해 직각으로 경로가 변경되어 수평 조사된다.

상기 빔스플리터(150)에 의해 경로가 변경된 빔은 감지부(130)에 수광되는 데, 상기 감지부(130) 전방에 배치된 제2 렌즈(160)를 경유하면서 평행광으로 변환된다. 이때, 상기 제2 렌즈(160)는 경유하는 광을 평행광으로 변환시킬 수 있는 콜리메이터 렌즈로 구성됨이 바람직하다.

한편, 상기 감지부(130)는 다수의 셀이 구비된 어레이 형태로 구성되며, 상기 센서칩(120)의 기준채널(124a)과 측정채널(124b)에 반사되어 빔스플리터(150)를 통해 경로가 변경된 빔이 수광되어 그 광량이 측정됨으로써, 각 채널(124a)(124b)별로 반응 후의 공명각 변화를 알 수 있다.

이때, 상기 감지부(130)는 상기 기준채널(124a)과 측정채널(124b)에서 반사된 빔을 각 셀별로 구분하여 수광하게 된다.

이와 같은 기술적 구성을 갖는 본 발명의 바이오 센서(100)를 통해 측정되는 광량(Intensity)을 통해 측정 대상 시료의 공명각 변화를 알 수 있으며, 이에 따라 측정 대상 시료의 반응에 대한 분석이 가능하다.

이를 아래 도시된 도 4와 도 5의 광량 측정 그래프를 통해 좀 더 자세하게 살펴보면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 바이오 센서에서 기준채널과 측정채널이 동일한 굴절률을 가질 때의 광량을 측정한 그래프로서, 본 발명의 바이오 센서(100)에서 굴절률이 동일하거나 유사한 한 쌍의 기준채널(124a)과 측정채널(124b)을 통해 광원(110)을 통한 빔의 조사 후 시료의 반응에 따른 광량을 측정하여 보면, 측정채널(124b)의 시료 반응 전에는 도 4의 (a)와 같이 기준채널(124a)과 측정채널(124b)의 동일한 굴절률에 의해서 감지부(130)를 통해 감지되는 광량이 유사하게 분석된다.

이 후, 상기 측정채널(124b)에서의 반응 후에는 도 4의 (b)의 점선과 같이 그 광량의 변화가 감지되어 공명각이 변화됨을 알 수 있다.

즉, 도 4에서 보듯이, 감지부(130)를 통한 광량 측정에 의해 공명각이 변화되고, 이에 따라 측정채널(124b)에서의 시료 반응 여부를 알 수 있다.

만약, 상기 측정채널(124b)의 시료 반응에 따른 도 4의 (b) 그래프에서 시료 반응 외의 외부적인 요소, 즉 기준채널(124a)과 측정채널(124b)에 동시에 영향을 줄 수 있는 외부 온도 또는 환경 변화 등이 발생될 경우에는 기준채널(124a)과 측정채널(124b)의 개별적인 광량 변화에 따라 공명각이 동시에 변화될 수 있다.

따라서, 상기 기준채널(124a)과 측정채널(124b)을 통한 광량 측정치의 차를 비교하여 그 측정편차를 상쇄시키고 측정채널(124b)에서의 시료 반응에 의한 굴절 률의 변화만으로 측정되는 정확한 공명각 측정이 가능하다.

또한, 도 5는 본 발명의 바이오 센서에서 기준채널과 측정채널이 서로 다른 굴절률을 가질 때의 광량을 측정한 그래프로서, 도 4와 마찬가지로 기준채널(124a)과 측정채널(124b)에서 각기 다른 광량과 공명각의 측정치가 도 5의 (a)의 그래프를 통해 측정되고, 외부 온도 또는 환경 변화 등이 없는 조건 하에서 상기 측정채널(124b)에서의 시료 반응시 도 5의 (b)와 같이 측정채널(124b)에서의 광량과 공명각의 변화만이 측정된다.

도 5도 도 4에서와 마찬가지로 상기 기준채널(124a)과 측정채널(124b)에 동시에 영향을 줄 수 있는 외부 온도와 환경 변화가 있다면, 기준채널(124a)의 광량과 공명각도 동시에 변화하게 되고, 상기 기준채널(124a)과 측정채널(124b)에서의 공통된 광량 변화량에 대한 측정 편차를 고려하여 상기 측정채널(124b)에서의 시료 반응에 의한 광량과 공명각 변화량을 정확하게 측정할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서는 측정 대상으로 측정채널에 접촉된 시료의 반응 변화에 대한 측정 편차를 기준채널을 통해 측정되는 광량과 공명각을 통해 알 수 있음에 따라 온도나 외부 환경의 변화에 따른 입사각에 대한 별도의 스캔 없이 변화된 공명각의 실시간 측정이 가능하도록 한 장점이 있다.

또한, 상기 센서칩에 구비된 기준채널과 측정채널을 통해 외부 환경 요인에 의한 공명각 변화 정도를 알 수 있기 때문에 입사각을 변화시키기 위한 별도의 프리즘이나 다수의 감지부가 필요없어 간단한 구조로 센서를 구성할 수 있으며, 이에 따른 제작 단가의 절감을 도모할 수 있다.

Claims (10)

1. 기준채널과 측정채널로 구성된 다수의 채널이 상면에 나란하게 배열된 센서칩;

   상기 센서칩의 상부에서 그 직하부로 빔이 수직 조사되는 광원;

   상기 광원에서 조사된 빔을 센서칩의 상부에서 디포커스되도록 하여 상기 다수의 채널에 동시에 조사되도록 하는 제1 렌즈;

   상기 제1 렌즈를 통해 디포커스된 빔이 상기 센서칩의 각 채널에 반사되고, 반사된 빔을 분광시키는 빔스플리터; 및

   상기 빔스플리터에서 분광된 광이 수평의 성분으로 입사되는 감지부;

   를 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 바이오 센서는, 상기 감지부의 전방에 상기 빔스플리터에서 분광되어 상기 감지부를 향해 조사되는 각 채널의 반사광을 평행광으로 변환시키는 제2 렌즈를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2 렌즈는, 콜리메이터 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라 즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 센서칩은, 기판과, 그 상부에 유전체층이 결합된 구조로 이루어지며, 상기 기판과 유전체층 사이의 빔이 입사되는 지점에 기준채널과 측정채널이 나란하게 배치된 금속 박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
5. 제4항에 있어서,

   상기 기준채널과 측정채널은 한 쌍으로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
6. 제4항에 있어서,

   상기 기준채널과 측정채널은 하나의 기준채널과 다수의 측정채널로 이루어진 멀티채널로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
7. 제4항에 있어서,

   상기 금속 박막은, 상면이 요철면으로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
8. 제4항에 있어서,

   상기 기준채널과 측정채널은 상호 대칭 구조로 이루어지며, 빔이 입사되는 지점인 빔스팟부가 삼각형, 반원형, 사각형 및 사다리꼴 형태를 이루어 상호 대향되게 형성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
9. 제4항에 있어서,

   상기 기준채널과 측정채널은 동일한 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.
10. 제4항에 있어서,

    상기 기준채널과 측정채널은 서로 다른 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서.

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