KR100899811B1 - Guided mode resonance filter including high refractive index organic material and optical biosensor having the same - Google Patents
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Abstract
유기물 고굴절 재료를 포함하는 공진 반사광 필터와 이를 구비한 광 바이오센서에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 공진 반사광 필터는 기판상에 형성되어 있는 회절 격자에서 상기 기판의 반대측 상면에 노출되어 있는 유기층을 포함한다. 유기층은 회절격자의 적어도 일부를 구성하거나 회절격자의 상면을 덮는 별도의 유기 고굴절 박막으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 광 바이오센서는 상면에 유기층이 노출되어 있는 공진 반사광 필터를 포함한다. 검사 대상의 샘플에 포함되어 있는 항원에 특이적으로 결합 가능한 항체가 공진 반사광 필터의 유기층에 높은 친화력으로 직접 흡착 또는 결합되어 있다. Disclosed are a resonance reflection light filter including an organic high refractive material and an optical biosensor having the same. The resonant reflected light filter according to the present invention includes an organic layer exposed on the upper surface opposite to the substrate in the diffraction grating formed on the substrate. The organic layer may be formed of a separate organic high refractive thin film that forms at least a portion of the diffraction grating or covers the top surface of the diffraction grating. The optical biosensor according to the present invention includes a resonance reflected light filter having an organic layer exposed on the top surface thereof. Antibodies that can specifically bind to the antigens contained in the sample to be tested are directly adsorbed or bound with high affinity to the organic layer of the resonance reflection filter.
고굴절, 유기층, 회절 격자, 나노점, 공진 반사광 필터, 광 바이오센서 High refractive index, organic layer, diffraction grating, nano dot, resonant reflected light filter, optical biosensor
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 반사광 필터의 요부 구성을 도시한 단면도이다. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the main components of a resonance reflected light filter according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진 반사광 필터의 요부 구성을 도시한 단면도이다. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main components of a resonance reflected light filter according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진 반사광 필터의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing the main components of the resonance reflection light filter according to the third embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 공진 반사광 필터의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view showing the main components of the resonant reflected light filter according to the fourth embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 바이오센서의 요부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. FIG. 5 is a view schematically illustrating a main configuration of an optical biosensor according to a preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100, 200, 300, 400: 공진 반사광 필터, 110, 210, 310, 410: 기판, 120: 고굴절 유기물 회절격자, 220: 유기물 회절격자, 222: 유기 회절 박막, 224: 무기물 나노점, 320: 회절격자, 330: 유기 고굴절 박막, 420: 회절격자, 430: 고굴절 박 막, 432: 유기 박막, 434: 무기물 나노점, 500: 광 바이오센서, 510: 공진 반사광 필터, 502: 항체, 512: 광원, 514: 반사광 검출기, 516: 투과광 검출기, 518: 마이크로렌즈, 600: 항체, 610: 블록, 700: 고정부. 100, 200, 300, 400: resonant reflected light filter, 110, 210, 310, 410: substrate, 120: high refractive organic diffraction grating, 220: organic diffraction grating, 222: organic diffraction thin film, 224: inorganic nano dots, 320: diffraction Lattice, 330: organic high refractive thin film, 420: diffraction grating, 430: high refractive thin film, 432: organic thin film, 434: inorganic nanodot, 500: optical biosensor, 510: resonant reflected light filter, 502: antibody, 512: light source, 514: reflected light detector, 516: transmitted light detector, 518: microlens, 600: antibody, 610: block, 700: fixed part.
본 발명은 공진 반사광 필터 및 이를 포함하는 광 바이오센서에 관한 것으로, 특히 바이오 물질의 반응 또는 변형 여부에 따른 광의 파장 변화를 측정하는 데 사용되는 공진 광 필터 및 이를 포함하는 광 바이오센서에 관한 것이다. The present invention relates to a resonant reflective light filter and an optical biosensor including the same, and more particularly, to a resonant optical filter and an optical biosensor including the same, which are used to measure a wavelength change of light depending on whether a biomaterial is reacted or modified.
단백질, DNA, 호르몬, 효소 등과 같은 바이오 물질을 검출하기 위하여 광 바이오센서가 널리 이용되고 있다. 광 바이오센서중 공진 반사광 필터(guided mode resonance filter)를 사용하는 광 바이오센서에서는 고굴절률의 도파로 역할을 할 수 있는 회절격자에 의해 생성되는 반사 스펙트럼의 피크를 이용한다. 회절격자에 의해 회절된 광이 고굴절률의 도파로를 통해 도파되는 모드와 커플링되면서 나타나는 반사 스펙트럼은 선폭이 좁아 고감도의 바이오센서를 구현할 수 있다. Optical biosensors are widely used to detect biomaterials such as proteins, DNA, hormones, enzymes, and the like. The optical biosensor using a guided mode resonance filter among the optical biosensors uses the peak of the reflection spectrum generated by the diffraction grating which can serve as a high refractive index waveguide. When the light diffracted by the diffraction grating is coupled with the mode in which the light is guided through the high-refractive waveguide, the reflection spectrum appears to have a narrow line width, thereby realizing a highly sensitive biosensor.
종래 기술에 따른 공진 반사형 필터는 전자빔 리소그래피 공정, 또는 스탬프를 이용하여 나노 패턴을 전사시키는 임프린트(imprint) 공정에 의해 형성된 나노미터급 회절 격자를 포함한다. 종래 기술의 일 예에 따른 공진 반사형 필터 제조 과정에서는, 회절 격자를 형성하기 위하여 먼저 투명 기판 위에 상기 기판보다 큰 굴절률을 가지는 무기물로 이루어지는 고굴절층을 형성하고 이를 건식 또는 습식 방법에 의해 패터닝하거나, 먼저 기판을 건식 또는 습식 식각하여 기판 표면에 나노미터급 패턴을 형성 한 후, 그 위에 상기 기판보다 큰 굴절률을 가지는 무기물로 이루어지는 고굴절층을 형성하는 방법을 이용하였다. 종래 기술의 다른 예에 따른 공진 반사형 필터에서는, 임프린트 공정에 의해 회절 격자를 형성하기 위하여 실리콘 또는 석영으로 제작된 스탬프(stamp)를 이용하여 기판상에 유기물 나노 패턴을 형성하였다. 그러나, 임프린트 공정을 이용하여 얻어지는 종래 기술에 따른 공진 반사광 필터에서 회절 격자를 형성하기 위하여 사용된 유기물들은 굴절률이 낮아 고감도의 바이오센서 구현을 위한 회절 조건을 만족하지 못하였다. 따라서, 임프린트 공정에 의해 형성된 회절 격자 위에 고굴절률의 무기물 박막을 형성하기 위한 별도의 증착 공정이 수반되었다. The resonant reflective filter according to the prior art includes a nanometer diffraction grating formed by an electron beam lithography process or an imprint process that transfers a nano pattern using a stamp. In the resonant reflective filter manufacturing process according to the prior art example, in order to form a diffraction grating, first to form a high refractive layer made of an inorganic material having a larger refractive index than the substrate on a transparent substrate, and patterned by a dry or wet method, First, a nanometer pattern was formed on the surface of the substrate by dry or wet etching the substrate, and then a high refractive index layer formed of an inorganic material having a larger refractive index than the substrate was used. In a resonant reflective filter according to another example of the prior art, an organic nanopattern was formed on a substrate by using a stamp made of silicon or quartz to form a diffraction grating by an imprint process. However, the organic materials used to form the diffraction grating in the resonant reflection light filter according to the related art obtained by using the imprint process have a low refractive index, which does not satisfy the diffraction conditions for realizing a high sensitivity biosensor. Thus, a separate deposition process was involved to form a high refractive index inorganic thin film on the diffraction grating formed by the imprint process.
상기와 같이, 종래 기술에 따른 공진 반사형 필터에서는 필요한 회절 조건을 만족시키기 위한 굴절률을 확보하기 위하여 별도의 무기물 박막 형성 공정을 반드시 거쳐야 한다. 또한, 회절격자 위의 표면에 노출되어 있는 무기물 박막은 바이오 물질과의 친화력 또는 결합력이 좋지 않다. 따라서, 상기 무기물 박막 위에 바이오 물질을 흡착 또는 결합시키기 위하여는 상기 무기물 박막의 표면에 특정한 반응기를 도입하기 위한 별도의 표면 개질(modification) 과정이 필수적으로 요구된다. 따라서, 종래 기술에 따른 공진 반사형 필터는 제조 공정이 복잡하며 공정 단가 및 시간이 많이 소요되며, 안정적인 바이오센서를 제작하는 데 한계가 있다. As described above, in the resonant reflection filter according to the prior art, a separate inorganic thin film formation process must be performed in order to secure a refractive index for satisfying a necessary diffraction condition. In addition, the inorganic thin film exposed on the surface of the diffraction grating has poor affinity or binding force with the biomaterial. Therefore, in order to adsorb or bind the biomaterial on the inorganic thin film, a separate surface modification process for introducing a specific reactor to the surface of the inorganic thin film is essential. Therefore, the resonant reflective filter according to the prior art has a complicated manufacturing process, takes a lot of process cost and time, and has a limitation in producing a stable biosensor.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으 로, 검사 대상 물질에 특이적으로 결합 가능한 바이오 물질이 우수한 친화력으로 흡착 또는 결합될 수 있고 원하는 회절 조건을 얻는 데 충분한 굴절률을 제공함으로써 광 바이오센서에 적용하였을 때 바이오 물질의 반응 또는 변형 여부에 따른 공진광 파장의 변화를 정확하게 전달할 수 있는 공진 반사광 필터를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art, and provides a refractive index sufficient to obtain a desired diffraction condition and that a biomaterial capable of specifically binding to a test target material can be adsorbed or combined with excellent affinity. Therefore, when applied to the optical biosensor to provide a resonant reflection light filter that can accurately transfer the change in the resonant light wavelength according to the reaction or deformation of the biomaterial.
본 발명의 다른 목적은 바이오 물질과의 친화력이 우수하면서 원하는 회절 조건을 얻는 데 충분한 굴절률을 제공할 수 있는 공진 반사광 필터를 채용함으로써 검출 대상 물질의 검출 감도를 향상시킬 수 있으며 간단한 공정에 의해 경제적으로 제조 가능한 광 바이오센서를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to improve the detection sensitivity of the detection target material by employing a resonant reflecting light filter which is excellent in affinity with the biomaterial and can provide a sufficient refractive index to achieve the desired diffraction conditions and economically by a simple process. It is to provide an optical biosensor that can be manufactured.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공진 반사광 필터는 기판과, In order to achieve the above object, the resonant reflection light filter according to the present invention is a substrate,
상기 기판상에 형성되어 있는 회절 격자와, 상기 회절 격자에서 상기 기판의 반대측 상면에 노출되어 있는 유기층을 포함한다. And a diffraction grating formed on the substrate, and an organic layer exposed on the upper surface of the opposite side of the substrate in the diffraction grating.
상기 유기층은 상기 회절격자의 적어도 일부를 구성하며 굴절률이 1.4 ∼ 2.5인 유기물로 이루어질 수 있다. 상기 기판은 반도체, 유리, 석영, 또는 고분자 필름으로 이루어질 수 있다. The organic layer may include at least a portion of the diffraction grating and may be formed of an organic material having a refractive index of 1.4 to 2.5. The substrate may be made of a semiconductor, glass, quartz, or a polymer film.
또는, 상기 유기층은 상기 회절격자의 상면을 덮는 별도의 유기 고굴절 박막으로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 회절격자는 유기물 또는 무기물로 이루어질 수 있다. 상기 유기 고굴절 박막은 굴절률이 1.4 ∼ 2.5인 유기물로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 유기 고굴절 박막은 유기물로 이루어지는 유기 박막과, 상기 유 기 박막 내에 분산되어 있는 복수의 무기물 나노점(nano-dot)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 무기물 나노점은 산화물, 질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. Alternatively, the organic layer may be formed of a separate organic high refractive thin film covering the top surface of the diffraction grating. In this case, the diffraction grating may be made of an organic material or an inorganic material. The organic high refractive thin film may be formed of an organic material having a refractive index of 1.4 to 2.5. Alternatively, the organic high refractive thin film may include an organic thin film made of an organic material and a plurality of inorganic nano dots dispersed in the organic thin film. The plurality of inorganic nanopoints may be formed of an oxide, a nitride, or a combination thereof.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광 바이오센서는 기판과, 상기 기판상에 형성되어 있는 회절 격자와, 상기 회절 격자에서 상기 기판의 반대측 상면에 노출되어 있는 유기층을 포함하는 공진 반사광 필터를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 광 바이오센서는 검사 대상의 샘플에 포함되어 있는 항원에 특이적으로 결합 가능하고, 상기 공진 반사광 필터의 유기층에 직접 흡착 또는 결합되어 있는 항체와, 상기 공진 반사광 필터에 빛을 조사하기 위한 광원과, 상기 공진 반사광 필터로부터의 반사광을 검출하는 반사광 검출기와, 상기 광원으로부터 상기 공진 반사광 필터를 투과한 빛을 검출하는 투과광 검출기와, 상기 광원으로부터의 빛을 상기 공진 반사광 필터에 입사시키고, 상기 공진 반사광 필터로부터의 반사광을 상기 반사광 검출기로 반사시키는 마이크로렌즈를 포함한다. In order to achieve the above another object, the optical biosensor according to the present invention is a resonant reflection light filter comprising a substrate, a diffraction grating formed on the substrate, and an organic layer exposed on the upper surface of the opposite side of the substrate in the diffraction grating It includes. In addition, the optical biosensor according to the present invention is specifically capable of binding to the antigen contained in the sample to be tested, the antibody directly adsorbed or coupled to the organic layer of the resonant reflecting light filter, and the resonant reflecting light filter A light source for irradiation, a reflected light detector for detecting the reflected light from the resonance reflection light filter, a transmitted light detector for detecting the light transmitted through the resonance reflection light filter from the light source, and light from the light source incident on the resonance reflected light filter And a microlens for reflecting the reflected light from the resonant reflected light filter to the reflected light detector.
본 발명에 따른 광 바이오센서는 상기 항체 또는 항원과 상기 유기층의 노출 표면과의 비특이적 반응 및 결합을 방지하기 위하여 상기 공진 반사광 필터의 유기층에 형성되어 있는 블록을 더 포함할 수 있다. The optical biosensor according to the present invention may further include a block formed in the organic layer of the resonant reflection light filter in order to prevent nonspecific reaction and binding of the antibody or antigen to the exposed surface of the organic layer.
본 발명에 따른 공진 반사광 필터는 유기층이 회절 격자의 상면에 노출되어 있다. 따라서, 광 바이오센서에서 필요로 하는 바이오 물질이 높은 친화력을 가지고 상기 유기층에 흡착 또는 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 광 바이오센서는 단순한 제조 공정 및 낮은 제조 단가에 의해 제조 가능하며, 공진 반사광 필터에 바 이오 물질이 높은 친화력으로 결합되어 있어 광 바이오센서의 공정 효율을 향상시킬 수 있다. In the resonant reflection light filter according to the present invention, the organic layer is exposed on the upper surface of the diffraction grating. Therefore, the biomaterial required by the optical biosensor can be adsorbed or combined with the organic layer with high affinity. The optical biosensor according to the present invention can be manufactured by a simple manufacturing process and a low manufacturing cost, and the biomaterial is coupled to the resonant reflection light filter with high affinity, thereby improving the process efficiency of the optical biosensor.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 반사광 필터(100)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the main components of the resonance reflected
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 반사광 필터(100)는 기판(110)과, 상기 기판(110)상에 형성되어 있는 고굴절 유기물 회절격자(120)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the resonant
상기 고굴절 유기물 회절격자(120)는 굴절률이 약 1.4 ∼ 2.5인 유기물로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 고굴절 유기물 회절격자(120)는 400 ∼ 900 nm 영역의 파장 대역에서 평균 투과도가 50 % 이상인 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 고굴절 유기물 회절격자(120)는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 계열의 폴리머 ((meth)acrylate based polymer), 또는 아세틸렌 계열의 폴리머 (acetylene based polymer)로 이루어질 수 있다. The high refractive organic material diffraction grating 120 may be formed of an organic material having a refractive index of about 1.4 to 2.5. In particular, the high refractive organic material diffraction grating 120 may be made of a material having an average transmittance of 50% or more in the wavelength band of 400 ~ 900 nm region. For example, the high refractive organic material diffraction grating 120 may be made of an acrylate or methacrylate-based polymer, or an acetylene-based polymer.
상기 기판(110)은 반도체, 유리, 석영, 또는 고분자 필름으로 이루어지는 투명 기판으로 이루어질 수 있다. The
상기 기판(110)상에 상기 고굴절 유기물 회절격자(120)를 형성하기 위하여, 예를 들면 스핀 코팅 (spin coating) 또는 딥핑 (dipping) 등과 같은 습식 공정을 이용하여 유기물을 상기 기판(110) 표면에 코팅하여 소정 두께를 가지는 유기 박막 을 형성한 후 광리소그래피 기술을 이용하여 이를 식각하거나 나노임프린트 공정을 이용하여 리세스를 형성할 수 있다. In order to form the high refractive organic material diffraction grating 120 on the
상기 공진 반사광 필터(100)에서, 상기 회절격자(120)에 의해 회절된 빛이 고굴절률의 광도파관을 도파하면서 공진 스펙트럼이 형성된다. 상기 회절격자의 회절 주기는 상기 공진 반사광 필터(100)에 조사되는 광원의 평균 파장보다 짧게 되도록 제조될 수 있다. In the resonant
상기 공진 반사광 필터(100)에서 상기 고굴절 유기물 회절격자(120)로 이루어지는 유기층이 상면에 노출됨으로써 그 상면 위에 바이오 물질이 결합될 때 복잡한 표면 처리 과정 또는 진공 증착과 같은 별도의 공정을 행하지 않고도 바이오 물질이 높은 친화력을 가지고 상기 고굴절 유기물 회절격자(120) 위에 흡착 또는 결합될 수 있다. 필요에 따라, 상기 바이오 물질의 흡착 또는 결합을 더욱 용이하게 하기 위하여 상기 고굴절 유기물 회절격자(120)의 노출 표면을 산소 플라즈마 처리, 또는 황산 등과 같은 산 용액을 이용한 표면처리를 할 수도 있다. When the organic material made of the high refractive organic material diffraction grating 120 is exposed on the upper surface of the resonance
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진 반사광 필터(200)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing the main components of the resonance reflected
도 2을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진 반사광 필터(200)는 기판(210)과, 상기 기판(210)상에 형성되어 있는 유기물 회절격자(220)를 포함한다. Referring to FIG. 2, the resonant
상기 유기물 회절격자(120)는 유기 회절 박막(222)과 상기 유기 회절 박막(222) 내에 분산되어 있는 복수의 무기물 나노점(nano-dot)(224)을 포함한다. The organic diffraction grating 120 includes an organic diffraction
상기 유기 회절 박막(222)은 예를 들면 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않 은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 계열의 폴리머, 또는 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않은 아세틸렌 계열의 폴리머로 이루어질 수 있다. The organic diffraction
상기 복수의 무기물 나노점(224)은 각각 1 ∼ 200 nm의 입자 크기를 가질 수 있다. 상기 복수의 무기물 나노점(224)은 각각 산화물, 질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 복수의 무기물 나노점(224)은 각각 SiO2, TiO2, InSnO, ZnO, SnO2, NiO, Cu2SrO2, Si3N4, GaN 및 In3N2로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. The plurality of
상기 기판(210)상에 유기물 회절격자(220)를 형성하기 위하여, 예를 들면 스핀 코팅 또는 딥핑 등과 같은 습식 공정을 이용하여 상기 무기물 나노점(224)이 분산되어 있는 유기 용액을 상기 기판(210) 표면에 코팅하여 소정 두께를 가지는 상기 무기물 나노점(224)이 분산되어 있는 유기 박막을 형성한 후 광리소그래피 기술을 이용하여 이를 식각하거나 나노임프린트 공정을 이용하여 리세스를 형성할 수 있다. In order to form the organic diffraction grating 220 on the
또는, 상기 복수의 무기물 나노점(224)은 상기 유기 회절 박막(222)을 구성하는 유기 화합물에 포함되어 있는 무기물 원소로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 유기물 회절 격자(220)를 형성하기 위하여, 예를 들면 무기물 원소를 포함하는 유기 화합물을 상기 기판(210)상에 코팅하여 무기물 원소가 분산되어 있는 유기 박막을 형성한 후, 광리소그래피 기술을 이용하여 이를 식각하거나 나노임프린트 공정을 이용하여 리세스를 형성할 수 있다. Alternatively, the plurality of
상기 공진 반사광 필터(200)에서 상기 유기 회절 박막(222)과 상기 유기 회절 박막(222) 내에 분산되어 있는 복수의 무기물 나노점(nano-dot)(224)을 포함하는 상기 유기물 회절격자(120)를 구비함으로써 상기 유기 회절 박막(222)으로 이루어지는 유기층이 상면에 노출된다. 따라서, 바이오 물질이 높은 친화력을 가지고 상기 유기 회절 박막(222) 위에 흡착 또는 결합될 수 있다. 필요에 따라, 상기 바이오 물질의 흡착 또는 결합을 더욱 용이하게 하기 위하여 상기 유기물 회절격자(120)의 노출 표면을 산소 플라즈마 처리, 또는 황산 등과 같은 산 용액을 이용한 표면처리를 할 수도 있다. The
상기 기판(210)은 도 1을 참조하여 상기 기판(110)에 대하여 설명한 바와 같다. The
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진 반사광 필터(300)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view illustrating a main part of the resonance reflection
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진 반사광 필터(300)는 기판(310)과, 상기 기판(310)상에 형성되어 있는 회절격자(320)와, 상기 회절격자(320) 위에 형성되어 있는 유기 고굴절 박막(330)을 포함한다. Referring to FIG. 3, the resonant reflection
상기 회절격자(320)는 유기물 또는 무기물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 회절격자(320)는 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 계열의 폴리머, 또는 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않은 아세틸렌 계열의 폴리머를 포함하는 유기물로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 회절격 자(320)는 SiO2, Si3N4, TiO2 등과 같은 무기물로 이루어질 수 있다. The
상기 회절격자(320)를 형성하기 위하여 도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 상기 고굴절 유기물 회절격자(120) 제조 공정과 같거나 유사한 공정을 이용할 수 있다. In order to form the
상기 유기 고굴절 박막(330)은 굴절률이 약 1.4 ∼ 2.5인 유기물로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 유기 고굴절 박막(330)은 400 ∼ 900 nm 영역의 파장 대역에서 평균 투과도가 50 % 이상인 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 고굴절 박막(330)은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 계열의 폴리머, 또는 아세틸렌 계열의 폴리머를 포함하는 유기물로 이루어질 수 있다. The organic high refractive
상기 회절격자(320) 위에 상기 유기 고굴절 박막(330)을 형성하기 위하여, 예를 들면 스핀 코팅 또는 딥핑 등과 같은 습식 공정을 이용할 수 있다. In order to form the organic high refractive
상기 공진 반사광 필터(300)에서 상기 회절격자(320) 위에 유기 고굴절 박막(330)이 형성됨으로써 상기 유기 고굴절 박막(330)으로 이루어지는 유기층이 상면에 노출된다. 따라서, 바이오 물질이 높은 친화력을 가지고 상기 유기 고굴절 박막(330) 위에 흡착 또는 결합될 수 있다. 필요에 따라, 상기 바이오 물질의 흡착 또는 결합을 더욱 용이하게 하기 위하여 상기 유기 고굴절 박막(330)의 노출 표면을 산소 플라즈마 처리, 또는 황산 등과 같은 산 용액을 이용한 표면처리를 할 수도 있다. The organic high refractive
상기 기판(310)은 도 1을 참조하여 상기 기판(110)에 대하여 설명한 바와 같 다. The
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 공진 반사광 필터(400)의 요부 구성을 도시한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view illustrating a main part of the resonance reflection
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 공진 반사광 필터(400)는 기판(410)과, 상기 기판(410)상에 형성되어 있는 회절격자(420)와, 상기 회절격자(420) 위에 형성되어 있는 고굴절 박막(430)을 포함한다. Referring to FIG. 4, the resonant reflection
상기 회절격자(420)는 유기물 또는 무기물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 회절격자(420)는 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 계열의 폴리머, 또는 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않은 아세틸렌 계열의 폴리머를 포함하는 유기물로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 회절격자(420)는 SiO2, Si3N4, TiO2 등과 같은 무기물로 이루어질 수 있다. The
상기 기판(410)상에 상기 회절격자(420)를 형성하기 위하여, 예를 들면 도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 상기 고굴절 유기물 회절격자(120) 제조 공정과 같거나 유사한 공정을 이용할 수 있다. In order to form the
상기 고굴절 박막(430)은 유기 박막(432)과 상기 유기 박막(432) 내에 분산되어 있는 복수의 무기물 나노점(nano-dot)(434)을 포함한다. The high refractive
상기 유기 박막(432)은 예를 들면 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 계열의 폴리머, 또는 불소 원자로 치환되거나 치환되지 않은 아세틸렌 계열의 폴리머를 포함하는 유기물로 이루어질 수 있다. The organic
상기 복수의 무기물 나노점(434)은 각각 1 ∼ 200 nm의 입자 크기를 가질 수 있다. 상기 복수의 무기물 나노점(434)은 각각 산화물, 질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 복수의 무기물 나노점(434)은 각각 SiO2, TiO2, InSnO, ZnO, SnO2, NiO, Cu2SrO2, Si3N4, GaN 및 In3N2로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. The plurality of
상기 회절격자(420) 위에 상기 고굴절 박막(430)을 형성하기 위하여, 예를 들면 스핀 코팅 또는 딥핑 등과 같은 습식 공정을 이용하여 상기 무기물 나노점(434)이 분산되어 있는 유기 용액을 상기 회절격자(420) 표면에 코팅하는 공정을 이용할 수 있다. In order to form the high refractive
또는, 상기 복수의 무기물 나노점(434)은 상기 유기 박막(432)을 구성하는 유기 화합물에 포함되어 있는 무기물 원소로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 고굴절 박막(430)을 형성하기 위하여, 예를 들면 무기물 원소를 포함하는 유기 화합물을 상기 회절격자(420) 위에 코팅하는 방법을 이용할 수 있다. Alternatively, the plurality of
또는, 상기 고굴절 박막(430)을 형성하기 위하여 무기물 원소를 포함하는 유기 화합물을 상기 회절격자(420) 표면에 자기조립 공정에 의해 고정화시킬 수도 있다. Alternatively, in order to form the high refractive
상기 공진 반사광 필터(400)에서 유기 박막(432)과 상기 유기 박막(432) 내에 분산되어 있는 복수의 무기물 나노점(434)을 포함하는 상기 고굴절 박막(430)을 구비함으로써 상기 유기 박막(432)으로 이루어지는 유기층이 상면에 노출된다. 따 라서, 바이오 물질이 높은 친화력을 가지고 상기 유기 박막(432) 위에 흡착 또는 결합될 수 있다. 필요에 따라, 상기 바이오 물질의 흡착 또는 결합을 더욱 용이하게 하기 위하여 상기 상기 고굴절 박막(430)의 노출 표면을 산소 플라즈마 처리, 또는 황산 등과 같은 산 용액을 이용한 표면처리를 할 수도 있다. The organic
상기 기판(410)은 도 1을 참조하여 상기 기판(110)에 대하여 설명한 바와 같다. The
상기 설명한 본 발명에 따른 공진 반사광 필터(100, 200, 300, 400)는 공진을 일으키는 회절격자(120, 220, 320, 420), 또는 상기 회절격자(320, 420) 위에 형성되는 고굴절 박막(330, 430)이 각각 유기물로 이루어지거나, 유기물을 기반으로 하고 무기물 나노점을 포함하는 혼합형 재료로 구성되어 있다. 따라서, 본 발명에 따른 공진 반사광 필터(100, 200, 300, 400)를 광 바이오센서에 적용할 때, 검출 대상 물질에 특이적으로 결합 가능한 바이오 물질과의 친화력이 향상되어 검출 공정의 효율을 향상시킬 수 있다. The resonant reflection
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 바이오센서(500)의 요부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a main configuration of an
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 바이오센서(500)는 공진 반사광 필터(510)를 포함한다. Referring to FIG. 5, an
상기 공진 반사광 필터(510)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 공진 반사광 필터(100, 200, 300, 400) 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 도 5에는 상기 공진 반사광 필터(510)가 도 4에 예시된 공진 반사광 필터(400)와 동일한 구조를 가지는 경우가 예시되어 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상의 범위 내에서 다양한 구조를 가지는 공진 반사광 필터(510)를 사용할 수 있다. 상기 공진 반사광 필터(510)에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 4를 참조하여 공진 반사광 필터(100, 200, 300, 400)에 대하여 설명한 바를 참조하며, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. The resonance reflected
상기 광 바이오센서(500)에서, 상기 공진 반사광 필터(510)의 유기층에는 검사 대상의 샘플(도시 생략)에 포함되어 있는 항원(600)에 특이적으로 결합 가능한 항체(502)가 직접 흡착 또는 결합되어 있다. 그리고, 상기 항체(502) 또는 항원(600)과 상기 유기층의 노출 표면과의 비특이적 반응 및 결합을 방지하기 위하여 상기 공진 반사광 필터(510)의 유기층에 형성되어 있는 블록(610)을 더 포함할 수 있다. In the
도 5에서, 상기 공진 반사광 필터(510)의 유기층이 상기 회절격자(420) 위에 형성되어 있는 고굴절 박막(430)으로 구성된 경우가 예시되어 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형 및 변경이 가능하다. 예를 들면, 상기 공진 반사광 필터(510)의 유기층은 도 1에 예시된 고굴절 유기물 회절격자(120)로 구성될 수 있다. 또는, 상기 공진 반사광 필터(510)의 유기층은 도 2에 예시된 유기물 회절격자(220)로 구성될 수 있다. 또는, 상기 공진 반사광 필터(510)의 유기층은 도 3에 예시된 유기 고굴절 박막(330)으로 구성될 수 있다. In FIG. 5, a case in which the organic layer of the resonance reflection
또한, 상기 광 바이오센서(500)는 상기 공진 반사광 필터(510)에 빛을 조사하기 위한 광원(512)과, 상기 공진 반사광 필터(510)로부터의 반사광을 검출하는 반사광 검출기(514)와, 상기 광원(512)으로부터 상기 공진 반사광 필터(510)를 투과한 빛을 검출하는 투과광 검출기(516)를 포함한다. 상기 광원(512)은 백색 광원 또는 특정 파장을 가지는 레이저 광원으로 이루어질 수 있다. 상기 광원(512)으로부터의 빛을 상기 공진 반사광 필터(510)에 입사시키고, 상기 공진 반사광 필터(510)로부터의 반사광을 상기 반사광 검출기(514)로 반사시키기 위하여, 상기 공진 반사광 필터(510)와 상기 반사광 검출기(514)와의 사이에는 마이크로렌즈(518)가 설치되어 있다. In addition, the
도 5에 예시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 바이오 센서(500)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다. Referring to the operating principle of the
먼저, 상기 공진 반사광 필터(510)의 회절격자(420) 위에 형성된 고굴절 박막(430) 위에 항체(502)와, 특정 바이오 물질간의 비특이적 반응 및 결합을 방지하기 위한 블록(610)이 흡착 또는 결합되어 있는 상태에서 검사용 시료를 상기 공진 반사광 필터(510)에 인가한다. 상기 항원(502)에 특이적으로 결합 가능한 항체(600)가 상기 검사용 시료 내에 존재하는 경우, 상기 항체(600)가 상기 항원(502)에 특이적으로 결합된다. 이와 같이 항원(502)과 항체(600)가 결합함으로써 상기 공진 반사광 필터(510)에서 광학적인 굴절률이 변화된다. 이와 같은 굴절률 변화에 따른 상기 공진 반사광 필터(510)에서의 공진 파장 변화를 검출하기 위하여, 빛이 상기 공진 반사광 필터(510)를 투과하는 방식, 또는 빛이 상기 공진 반사광 필터(510)로부터 반사되는 방식으로 상기 투과광 검출기(516) 또는 반사광 검출기(514)를 이용한다. 즉, 고정부(700) 위에 고정되어 있는 광원(512)에서 방출된 빛은 마이크로렌즈(518)를 통해 공진 반사광 필터(510)를 투과하거나 상기 공진 반사광 필터(510)에서 반사된다. 이와같이 투과 또는 반사되는 빛이 상기 투과광 검출기(516) 또는 반사광 검출기(514)에서 검출된다. 상기 투과광 검출기(516) 및 반사광 검출기(514)는 광검출기(photodetector), 또는 스펙트럼을 측정하는 스펙트로미터(spectrometer)로 구성될 수 있다. First, the
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 바이오센서(500)는 상기 공진 반사광 필터(510)의 유기층, 예를 들면 회절격자(420)상에 형성된 고굴절 박막(430) 위에 단백질, DNA, 호르몬, 효소 등과 같은 바이오 물질을 흡착 또는 결합시킴으로써 바이오센서로서의 기능을 가지게 된다.
필요에 따라, 바이오 물질이 흡착 또는 결합되는 유기층의 표면, 예를 들면 회절격자(420)상에 형성된 고굴절 박막(430) 표면에 바이오 물질의 흡착 또는 결합이 더욱 용이하게 이루어질 수 있도록 하기 위하여 상기 유기층의 표면을 산소 플라즈마 처리할 수 있다. 상기 유기층의 표면을 산소 플라즈마 처리하기 위하여, 예를 들면 O2, Ar 및 N2 가스를 사용하여 100 W 미만의 RF 파워를 인가하면서 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 또는, 산성 또는 알칼리성 용액을 이용하여 상기 유기층을 표면 처리함으로써 상기 유기층의 표면에 -OH기와 같은 반응기를 형성시킬 수도 있다. 상기 유기층의 표면에 반응기를 형성시키기 위한 처리액으로서 예를 들면, H2SO4, HF, HNO3, HCl, H3PO4 등의 산성 용액, 또는 NaOH, KOH, Ca(OH)2, NH4OH 등의 알칼리성 용액을 사용할 수 있다. If necessary, the organic layer may be more easily adsorbed or bonded to the surface of the organic layer to which the biomaterial is adsorbed or bonded, for example, to the surface of the high refractive
이상과 같이 본 발명에 따른 광 바이오센서(500)의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 내에서 다양한 변형 실시예가 가능하다. 예를 들면, 상기 실시예들에서 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 반사광 필터의 회절격자 또는 그 위에 형성되는 고굴절 박막이 유기층으로 형성되는 여러가지 경우들을 예시하였으나, 본 발명은 예시된 구성에만 한정되는 것은 아니며, 상기 회절 격자에서 상기 기판의 반대측 상면에 유기층이 노출되는 구성, 즉 검사 대상의 샘플에 포함되어 있는 항원에 특이적으로 결합 가능한 항체가 흡착 또는 결합되는 표면이 유기층으로 구성되는 구성을 제공하는 한, 본 발명의 범위 내에서 실시될 수 있는 다양한 구성을 조합함으로써 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. As described above, a preferred embodiment of the
본 발명에 따른 공진 반사광 필터는 고굴절률을 가지는 유기물로 구성되는 유기층, 또는 고굴절률을 가지는 복수의 무기물 나노점이 분산되어 있는 유기 박막으로 구성되는 유기층이 회절 격자의 상면에 노출되어 있다. 따라서, 광 바이오센서에서 필요로 하는 바이오 물질이 높은 친화력을 가지고 상기 유기층에 흡착 또는 결합될 수 있다. In the resonance reflection light filter according to the present invention, an organic layer composed of an organic material having a high refractive index, or an organic layer composed of an organic thin film in which a plurality of inorganic nanopoints having a high refractive index is dispersed is exposed on an upper surface of a diffraction grating. Therefore, the biomaterial required by the optical biosensor can be adsorbed or combined with the organic layer with high affinity.
본 발명에 따른 광 바이오센서는 그 제조 공정이 단순화될 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있으며, 공진 반사광 필터에 바이오 물질이 높은 친화력으로 결합되어 있어 광 바이오센서의 공정 효율을 향상시킬 수 있다. In the optical biosensor according to the present invention, the manufacturing process can be simplified, thereby lowering the manufacturing cost, and the biomaterial is coupled to the resonant reflection light filter with high affinity, thereby improving the process efficiency of the optical biosensor.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.
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