KR100922367B1 - Optical waveguide-typed surface plasmon resonance sensor - Google Patents

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Abstract

표면 플라즈몬 공명 센서가 개시된다. 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서는 광이 투과되는 물질로 형성된 기판을 구비한다. 그리고 제1 클래딩(cladding)층, 외부로부터 입사된 검사광을 가이드하는 코어(core)층 및 제2 클래딩층이 기판 상의 일부분에 순차적으로 적층되어 형성되고, 코어층의 굴절률이 제1 클래딩층 및 제2 클래딩층의 굴절률보다 크게 설정된 광도파로부를 구비한다. 또한, 기판 상에 일측면은 광도파로부의 측면과 접촉되게 배치되고, 타측면은 광도파로부의 상면에 대해 경사지게 형성되어, 코어층으로부터 방출된 검사광을 가이드하는 광가이드부를 구비한다. 그리고 광가이드부의 타측면에 형성되어 광가이드부를 통해 입사되는 검사광 중 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 소정의 공명각으로 입사된 검사광에 의해 표면 플라즈마 파를 발생시키고, 공명각 이외의 각도로 입사된 검사광은 반사시키는 금속박막을 구비한다. 본 발명에 따르면, 표면 플라즈몬 공명 센서는 상대적으로 수명이 긴 광원, 검출기 등과 탈부착이 가능하게 되어 저가격화가 가능하게 된다. 그리고 표면 플라즈몬 공명 센서는 폴리머로 제작된 광도파로를 이용하므로 수백 μm 크기의 매우 작은 사이즈로 제작이 가능하게 되어, 극미량의 액체 또는 기체도 측정이 가능하게 된다.Surface plasmon resonance sensors are disclosed. The surface plasmon resonance sensor according to the present invention includes a substrate formed of a material through which light is transmitted. The first cladding layer, a core layer for guiding inspection light incident from the outside, and a second cladding layer are sequentially stacked on a portion of the substrate, and the refractive index of the core layer is formed by the first cladding layer and And an optical waveguide part set larger than the refractive index of the second cladding layer. In addition, one side surface is disposed on the substrate to be in contact with the side surface of the optical waveguide portion, the other side is formed to be inclined with respect to the upper surface of the optical waveguide portion, the optical guide portion for guiding the inspection light emitted from the core layer. In addition, the inspection light is formed on the other side of the light guide portion to generate a surface plasma wave by the inspection light incident at a predetermined resonance angle in which plasmon resonance occurs among the inspection light incident through the optical guide portion, and the inspection is incident at an angle other than the resonance angle. Light is provided with the metal thin film which reflects. According to the present invention, the surface plasmon resonance sensor can be attached to and detached from a light source, a detector, etc., which has a relatively long life, thereby enabling a low cost. In addition, the surface plasmon resonance sensor uses an optical waveguide made of a polymer, which enables fabrication of a very small size of several hundred μm, enabling measurement of extremely small amounts of liquid or gas.

Description

광도파로 형태의 표면 플라즈몬 공명 센서{Optical waveguide-typed surface plasmon resonance sensor}Optical waveguide-typed surface plasmon resonance sensor

본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 표면 플라즈몬 공명에 의한 공명 조건의 변화를 이용하여 물질의 특성을 검출하는 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor using surface plasmon resonance, and more particularly, to a sensor for detecting the properties of a substance using a change in resonance conditions caused by surface plasmon resonance.

게놈 프로젝트(genome project)로 인간 유전자의 구조가 대부분 밝혀지면서 인체를 구성하는 유전자의 기능연구에 대해 많은 관심이 집중되고 있다. 이에 따라 바이오 칩 연구도 DNA 칩 중심에서 단백질 칩, 탄수화물 칩 등 다변화되고 있는 추세이다. 바이오 칩 연구는 엘립소메트리(ellipsometry) 측정법, 형광 분석법 등이 이용되어 왔다. 그러나 엘립소메트리 측정법은 편광의 변화를 이용하는 방법으로서 장치가 크고 측정에 오랜 시간이 요구되는 문제점이 있고, 형광 분석법은 형광물질과 결합시켜야 하는 불편함으로 인한 시간과 경비를 요구하는 문제점이 있다.As the structure of human genes is revealed in the genome project, much attention has been focused on the functional studies of the genes constituting the human body. Accordingly, biochip research is also diversifying from DNA chips to protein chips and carbohydrate chips. Biochip research has been using ellipsometry, fluorescence analysis, and the like. However, the ellipsometry method is a method using a change in polarization, the device is large and requires a long time for measurement, the fluorescence analysis has a problem that requires time and expense due to the inconvenience of combining with the fluorescent material.

이에, 현재 굴절률의 변화를 측정하여 생체 물질의 상호작용을 인지할 수 있는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance : SPR) 센서에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. Accordingly, studies on surface plasmon resonance (SPR) sensors that can recognize the interaction of biological materials by measuring the change in refractive index have been actively conducted.

표면 플라즈몬 공명 센서는 빛이 금속박막의 표면에 흡수되었을 때 일어나는 표면 플라즈마 파(Surface Plasma Wave : SPW)의 공명 현상을 이용하는 센서이다. 그리고 표면 플라즈몬 공명 센서의 금속박막에 생물학적 요소가 도입되어 생물변환기(biotransducer)를 구성하게 되면, 표면 플라즈몬 공명 센서는 SPR 바이오 센서가 된다. 표면 플라즈몬 공명 현상은 빛이 금속 표면과의 상호작용에 의해 발생하는 양자역학적 광전 현상(quantum optical-electrical phenomenon)을 말한다. 광자(photon)에 의해 수송되는 에너지는 특정 조건하에서 금속 표면상의 전자(플라즈몬)로 전달되는데, 에너지의 전달은 빛의 특정한 공명 파장(resonance wavelength)에서만 이루어진다. 이때의 공명파장은 광자가 가진 양자 에너지와 플라즈몬의 양자 에너지 준위가 일치하게 되는 파장이다. 금속박막에서 자유전자가 특정한 속성을 가진 입사광에 의해 표면 플라즈마 파를 형성하며, 반사광은 플라즈마 파 공명조건하에서 급격히 감소한다. 이 경우 자유공간에서의 파동수와 표면 플라즈몬의 파동수는 일치한다. Surface plasmon resonance sensor is a sensor that uses the resonance phenomenon of the surface plasma wave (SPW) that occurs when light is absorbed on the surface of the metal thin film. When a biological element is introduced into the metal thin film of the surface plasmon resonance sensor to form a biotransducer, the surface plasmon resonance sensor becomes an SPR biosensor. Surface plasmon resonance is a quantum optical-electrical phenomenon that occurs when light interacts with a metal surface. The energy transported by the photon is transferred to electrons (plasmons) on the metal surface under certain conditions, and the transfer of energy occurs only at a certain resonance wavelength of light. The resonance wavelength at this time is the wavelength at which the quantum energy of the photons and the quantum energy level of plasmon coincide. In the metal thin film, free electrons form a surface plasma wave by incident light having specific properties, and the reflected light rapidly decreases under plasma wave resonance conditions. In this case, the wave numbers in free space coincide with those of surface plasmons.

도 1은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 종래의 센서 구조를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a conventional sensor structure using surface plasmon resonance.

도 1을 참조하면, 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서는 유전체 매질의 경계면에 금속박막(130)을 적층한 크레취만(Kretschmann) 구조를 갖는다. 광원(110)으로부터 방출된 레이저와 같은 단색광을 프리즘(120)과 같이 굴절률이 높은 매질 쪽으로 입사시키면, 프리즘(120)으로 입사된 광은 프리즘(120)의 바닥면에 위치하는 금속박막(130)에서 반사되어 광원(110)의 반대편에 위치한 광검출기(140)에 도달한다. 그러나 프리즘(120)의 바닥면의 법선을 기준으로 하는 입사광의 입사각이 특정 한 각이 되면, 광이 임계각 이상임에도 불구하고 반사되어 나오는 광이 급격히 줄어들게 된다. 이러한 현상은 광학적 조건이 다음의 수학식 1과 같이 정의되는 TM 모드 광파(Transverse Magnetic light wave)의 모멘트가 금속박막(130)과 유전체 표면사이에서 전파되는 표면 플라즈몬 파의 모멘트와 같을 때 일어난다. 수학식 1을 만족하는 조건에서 사실상 프리즘(120)으로 입사된 광자 에너지는 모두 표면 플라즈몬 파로 바뀐다. Referring to FIG. 1, a conventional surface plasmon resonance sensor has a Kretschmann structure in which a metal thin film 130 is stacked on an interface of a dielectric medium. When a monochromatic light such as a laser emitted from the light source 110 is incident toward a medium having a high refractive index, such as the prism 120, the light incident on the prism 120 is positioned on the bottom surface of the prism 120. Is reflected at and reaches the photodetector 140 opposite the light source 110. However, when the incident angle of the incident light based on the normal of the bottom surface of the prism 120 is a specific angle, the reflected light is rapidly reduced even though the light is more than the critical angle. This phenomenon occurs when the optical condition is equal to the moment of the surface plasmon wave propagated between the metal thin film 130 and the dielectric surface, the moment of the TM mode light wave (Transverse Magnetic light wave) is defined as follows. In fact, the photon energy incident on the prism 120 is changed to the surface plasmon wave under the condition that Equation 1 is satisfied.

Figure 112008004168865-pat00001
Figure 112008004168865-pat00001

여기서, np, nm 및 ns는 각각 프리즘, 금속박막 및 샘플의 굴절률이고, θ 및 λ는 각각 입사광의 입사각 및 파장을 의미한다. Here, n p , n m and n s are the refractive indices of the prism, the metal thin film and the sample, respectively, and θ and λ respectively mean the incident angle and the wavelength of the incident light.

한편, 금속박막(130)의 굴절률은 복소형태(nm = n0-ik)로 나타나며, 여기서 n0는 금속박막(130)의 굴절률의 실수 부분이고, k는 금속박막(130)의 굴절률의 허수 부분으로 감쇠계수(Extinction coefficient)이다. 이와 같이 금속박막(130)에 표면 플라즈몬이 여기되는 현상을 표면 플라즈몬 공명이라하고, 공명의 결과로 반사된 후의 광에너지는 특정한 각도에서 급격히 감소한다.On the other hand, the refractive index of the metal thin film 130 is represented by a complex form (n m = n 0 -ik), where n 0 is a real part of the refractive index of the metal thin film 130, k is the refractive index of the metal thin film 130 The imaginary part is the extinction coefficient. The phenomenon in which the surface plasmon is excited in the metal thin film 130 is called surface plasmon resonance, and the light energy after reflection as a result of the resonance decreases rapidly at a specific angle.

도 2는 표면 플라즈몬 공명에 의한 전반사 감쇠(Attenuation Total Reflection : ATR)시의 광의 입사각에 따른 반사광의 세기의 관계를 도시한 그래프이다. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the intensity of reflected light and the incident angle of light during Attenuation Total Reflection (ATR) due to surface plasmon resonance.

도 2를 참조하면, 표면 플라즈몬 공명 센서의 기본적인 측정값은 센서의 응답신호 능력 즉, 빛의 세기, 각 응답신호 및 파장 응답신호이다. 각 응답신호가 표면 플라즈몬 공명 센서의 측정값으로 사용될 때, 생체 분자들의 상호작용에 따른 성질은 반사된 빛의 세기가 최소가 되는 각(즉, 표면 플라즈몬 공명 각)의 이동량을 통하여 결정된다. 이때 표면 플라즈몬 공명 센서의 출력은 매질이 금속박막(130)과 접촉할 때 일어나는 매질의 유전상수변화에 매우 민감하다. 즉, 방해매질(Analyte)이 표면 플라즈몬 공명 센서의 플로우 셀(Flow cell)을 통해 흘러감으로서 금속박막(130)에 고정되어 있는 리셉터(Receptor)와의 상호작용에 의해 표면 플라즈몬 공명 각이 이동한다. 그리고 표면 플라즈몬 공명 센서는 측정 신호(즉, 표면 플라즈몬 공명 각의 이동량)를 굴절률(index of refractive)로 환산하여 방해매질인 생체 분자의 특성을 측정한다. Referring to FIG. 2, the basic measurement value of the surface plasmon resonance sensor is the response signal capability of the sensor, that is, the light intensity, each response signal, and the wavelength response signal. When each response signal is used as a measurement of the surface plasmon resonance sensor, the properties of the interaction of the biomolecules are determined by the amount of movement of the angle (ie, the surface plasmon resonance angle) at which the reflected light intensity is minimum. At this time, the output of the surface plasmon resonance sensor is very sensitive to the change in the dielectric constant of the medium occurs when the medium is in contact with the metal thin film (130). That is, the surface plasmon resonance angle is moved by an interaction with a receptor fixed to the metal thin film 130 as the analyte flows through the flow cell of the surface plasmon resonance sensor. In addition, the surface plasmon resonance sensor converts a measurement signal (that is, the amount of movement of the surface plasmon resonance angle) into an index of refractive to measure the characteristics of a biomolecule that is an interfering medium.

이와 같이 표면 플라즈몬 공명 센서는 금속박막의 표면에 리간드(ligand)를 고정시키고, 생체 분자의 결합작용을 실시간으로 모니터링하여 생체 분자의 특성을 검출하는 소자이다. 서로 결합되는 생체 분자들의 예로는 항체-항원, 호르몬-수용체, 단백질-단백질, DNA-DNA, DNA-단백질 등을 들 수 있다. 리간드의 고정화 방법의 일예로서 리간드에 티올기를 공유결합에 의해 붙여서 티올화된 리간드를 금속 표면에 화학적으로 흡착시키는 방법을 들 수 있다. 또한 카르복실 메틸레이티드 덱스트란(carboxyl-methylated dextran) 사슬로 구성된 히드로겔 매트릭스(hydrogel matrix)를 이용하여 리간드를 표면 플라즈몬 공명 센서의 금속박막 표면에 고정화하는 방법도 존재한다. 이러한 표면 플라즈몬 공명 센서의 가장 큰 장점은 방사성 물질이나 형광 물질과 같은 지표 물질을 사용하지 않고 직접 분자를 측정할 수 있는 점이다. 나아가 표면 플라즈몬 공명 센서를 이용하면 실시간으로 생체 분자의 결합과정을 모니터링할 수 있다. As described above, the surface plasmon resonance sensor is a device that fixes ligands on the surface of the metal thin film and monitors the binding activity of the biomolecules in real time to detect characteristics of the biomolecules. Examples of biological molecules bound to each other include antibody-antigens, hormone-receptors, protein-proteins, DNA-DNA, DNA-proteins, and the like. As an example of a method of immobilizing a ligand, a method of chemically adsorbing a thiolated ligand to a metal surface by attaching a thiol group to a ligand by covalent bonding. There is also a method of immobilizing a ligand on a metal thin film surface of a surface plasmon resonance sensor using a hydrogel matrix composed of carboxyl-methylated dextran chains. The biggest advantage of these surface plasmon resonance sensors is that they can directly measure molecules without the use of indicator materials such as radioactive or fluorescent materials. Furthermore, surface plasmon resonance sensors can be used to monitor the binding of biomolecules in real time.

상술한 바와 같은 종래의 프리즘에 금속박막을 증착하여 제조한 표면 플라즈몬 공명 센서는 측정 매질의 교환이 용이하고 측정 변수가 다양하다는 장점을 갖는다. 그러나 금속박막에 생체 분자 등이 결합되어 장기간 센서를 사용할 수 없는 문제점이 있다. 즉 광원이나 검출기 등은 수명이 다하지 않았음에도 불구하고 센서를 사용할 수 없게 되어 비용의 낭비가 발생하게 된다. 또한, 현재 예상되는 바이오/환경 센서 시스템에서는 언제 어디서든 센서를 이용할 수 있는 고감도, 초소형, 다중 센서가 요구된다. 하지만 프리즘이 커서 소형화, 집적화가 어려워 휴대폰과 같은 휴대용 단말기에 적용할 수 없는 문제점이 있다. The surface plasmon resonance sensor manufactured by depositing a metal thin film on a conventional prism as described above has the advantage that the measurement medium can be easily exchanged and the measurement parameters are varied. However, there is a problem in that the sensor cannot be used for a long time because biomolecules are combined with the metal thin film. That is, even though the light source or the detector has not reached the end of their life, the sensor cannot be used, resulting in waste of cost. In addition, currently expected bio / environmental sensor systems require high-sensitivity, ultra-compact, multi-sensors that can use the sensor anytime and anywhere. However, since the prism is large and difficult to miniaturize and integrate, there is a problem that cannot be applied to a portable terminal such as a mobile phone.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 탈부착이 가능하며 언제 어디서든 이용할 수 있도록 집적화된 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공하는 데 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a surface plasmon resonance sensor that is detachable and can be used anywhere anytime.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서는 광이 투과되는 물질로 형성된 기판; 제1 클래딩(cladding)층, 외부로부터 입사된 검사광을 가이드하는 코어(core)층 및 제2 클래딩층이 상기 기판 상의 일부분에 순차적으로 적층되어 형성되고, 상기 코어층의 굴절률이 상기 제1 클래딩층 및 상기 제2 클래딩층의 굴절률보다 크게 설정되는 광도파로부; 상기 기판 상에 일측면은 상기 광도파로부의 측면과 접촉되게 배치되고, 타측면은 상기 광도파로부의 상면에 대해 경사지게 형성되어, 상기 코어층으로부터 방출된 검사광을 가이드하는 광가이드부; 및 상기 광가이드부의 타측면에 형성되어 상기 광가이드부를 통해 입사되는 검사광 중 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 소정의 공명각으로 입사된 검사광에 의해 표면 플라즈마 파를 발생시키고, 상기 공명각 이외의 각도로 입사된 검사광은 반사시키는 금속박막;을 구비한다.In order to solve the above technical problem, the surface plasmon resonance sensor according to the present invention comprises a substrate formed of a light transmitting material; A first cladding layer, a core layer for guiding inspection light incident from the outside, and a second cladding layer are sequentially stacked on a portion of the substrate, and the refractive index of the core layer is the first cladding. An optical waveguide part set to be larger than a refractive index of the layer and the second cladding layer; An optical guide part on one side of the optical waveguide part disposed to be in contact with a side surface of the optical waveguide part, the other side of which is inclined with respect to an upper surface of the optical waveguide part to guide the inspection light emitted from the core layer; And a surface plasma wave generated by the inspection light incident at a predetermined resonance angle at which a plasmon resonance phenomenon occurs among the inspection light incident on the optical guide part and formed through the optical guide part, and at an angle other than the resonance angle. And a metal thin film for reflecting the incident inspection light.

본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서에 의하면, 상대적으로 수명이 긴 광원, 검출기 등과 탈부착이 가능하게 되어 저가격화가 가능하게 된다. 그리고 폴리머로 제작된 광도파로를 이용하므로 수백 μm 크기의 매우 작은 사이즈로 표면 플라즈몬 공명 센서의 제작이 가능하게 되어, 휴대용으로 이용될 수 있다. 또한 작은 사이즈로 인해 극미량의 액체 또는 기체도 측정이 가능하게 된다.According to the surface plasmon resonance sensor according to the present invention, it is possible to attach and detach a light source, a detector, etc., which have a relatively long life, and thus, it is possible to lower the price. The optical waveguide made of polymer enables the manufacture of surface plasmon resonance sensors at very small size of several hundred μm, which can be used as a portable device. The small size also enables the measurement of trace amounts of liquids or gases.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the surface plasmon resonance sensor according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing a schematic structure of a preferred embodiment of the surface plasmon resonance sensor according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서(300)는 기판(310), 광도파로부(350), 광가이드부(360) 및 금속박막(370)을 구비한다.Referring to FIG. 3, the surface plasmon resonance sensor 300 according to the present invention includes a substrate 310, an optical waveguide part 350, an optical guide part 360, and a metal thin film 370.

기판(310)은 금속박막(370)에서 반사되어 출사되는 검사광을 검출하기 위해 광이 투과되는 물질로 형성된다. 이를 위해 기판(310)은 유리(glass) 또는 석영(quartz)로 이루어진다.The substrate 310 is formed of a material through which light is transmitted to detect inspection light reflected from the metal thin film 370 and emitted. For this purpose, the substrate 310 is made of glass or quartz.

광도파로부(350)는 기판(310) 상의 일부분에 제1 클래딩(cladding)층(320), 코어(core)층(330) 및 제2 클래딩층(340)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 코어층(330)은 외부로부터 입사된 검사광을 가이드하여 광가이드부(360)으로 방출하기 위해 광도파로 형태로 형성할 수 있다. 코어층(330)은 폴리머로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 SU-8 또는 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진다. 본 실시예에서는 Microchem사에서 제조한 NANO SU-8이 이용되었다. NANO SU-8의 굴절률은 외부로부터 입사되는 검사광이 632.8nm인 경우에 1.596이었다. 그리고 코어층(330)의 두께는 4 내지 100μm의 범위에서 설정된다. 코어층(330)의 두께가 4μm보다 얇은 경우 에는, 외부로부터 입사된 검사광이 코어층(330)에서 광가이드부(370)로 방출될 때 너무 많은 회절이 발생하여 금속박막(370)에 도달하는 검사광의 세기가 너무 작아지는 문제점이 있다. 그리고 코어층(330)의 두께가 100μm보다 두꺼운 경우에는, 전체적인 표면 플라즈몬 공명 센서(300)의 크기가 커지게 되어 미량의 시료를 측정하기 힘든 문제점이 있다.The optical waveguide part 350 is formed by sequentially stacking a first cladding layer 320, a core layer 330, and a second cladding layer 340 on a portion of the substrate 310. The core layer 330 may be formed in the form of an optical waveguide to guide the inspection light incident from the outside to be emitted to the optical guide unit 360. The core layer 330 may be made of a polymer, preferably SU-8 or polymethyl methacrylate. In this example, NANO SU-8 manufactured by Microchem was used. The refractive index of NANO SU-8 was 1.596 when the inspection light incident from the outside was 632.8 nm. And the thickness of the core layer 330 is set in the range of 4-100 micrometers. When the thickness of the core layer 330 is thinner than 4 μm, too much diffraction occurs when the inspection light incident from the outside is emitted from the core layer 330 to the light guide part 370 to reach the metal thin film 370. There is a problem that the intensity of the inspection light is too small. In addition, when the thickness of the core layer 330 is thicker than 100 μm, the overall surface plasmon resonance sensor 300 becomes large in size, making it difficult to measure a small amount of sample.

제1 클래딩층(320)과 제2 클래딩층(340)은 코어층(330)에 입사된 검사광이 외부로 산란되는 것을 방지하기 위한 것으로, 제1 클래딩층(320)과 제2 클래딩층(340) 각각은 코어층(330)보다 굴절률이 작은 물질로 이루어진다. 그리고 제1 클래딩층(320)과 제2 클래딩층(340)은 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 제1 클래딩층(320)과 제2 클래딩층(340)은 코어층(340)과 마찬가지로 폴리머로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 광학 접착제(optical adhesive)로 이루어진다. 본 실시예에서 이용된 광학 접착제는 Norland사에서 제조한 Norland Optical Adhesive 88(NOA88)이 이용되었다. NOA88의 굴절률은 외부로부터 입사되는 검사광이 632.8nm인 경우에 1.555이었다.The first cladding layer 320 and the second cladding layer 340 are to prevent scattering of the inspection light incident on the core layer 330 to the outside, the first cladding layer 320 and the second cladding layer ( Each of the 340s is formed of a material having a refractive index smaller than that of the core layer 330. The first cladding layer 320 and the second cladding layer 340 may be made of the same material. The first cladding layer 320 and the second cladding layer 340 may be made of a polymer, like the core layer 340, and preferably made of an optical adhesive. Norland Optical Adhesive 88 (NOA88) manufactured by Norland Corporation was used as the optical adhesive used in this example. The refractive index of NOA88 was 1.555 when the inspection light incident from the outside was 632.8 nm.

광가이드부(360)는 일측면이 기판(310) 상에 광도파로부(350)의 측면과 접촉되게 배치되고, 타측면이 광도파로부(350)의 상면과 경사지게 형성된다. 이와 같이 형성된 광가이드부(360)는 광도파로부(350)에 구비된 코어층(330)으로부터 방출된 검사광을 가이드한다. 광가이드부(360)는 코어층(330)과 동일한 물질로 구성되어 광도파로 형태로 형성될 수 있다. 즉 상술한 바와 같이 광가이드부(360)는 폴리머로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 SU-8 또는 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 다. 본 실시예에서는 Microchem사에서 제조한 NANO SU-8이 이용되었다.The optical guide part 360 is disposed such that one side thereof is in contact with the side surface of the optical waveguide part 350 on the substrate 310, and the other side is formed to be inclined with the upper surface of the optical waveguide part 350. The optical guide part 360 formed as described above guides the inspection light emitted from the core layer 330 provided in the optical waveguide part 350. The optical guide part 360 may be formed of the same material as the core layer 330 and may have an optical waveguide shape. That is, as described above, the light guide part 360 may be made of a polymer, and is preferably made of SU-8 or polymethyl methacrylate. In this example, NANO SU-8 manufactured by Microchem was used.

금속박막(370)은 광가이드부(360)의 경사진 부분에 형성되어 광가이드부(360)를 통해 가이드된 검사광으로써 금속박막(370)에 위치되는 시료를 분석할 수 있도록 한다. 즉 금속박막(370)은 광가이드부(360)를 통해 입사된 검사광 중 소정의 공명각으로 입사된 검사광은 흡수되어 소산파(evanescent wave)를 금속박막(370)과 광가이드부(360)의 계면에 발생시킨다. 그리고 공명각 이외의 각도로 입사된 검사광은 금속박막(370)과 광가이드부(360) 사이의 굴절률 차이로 인해 계면을 통해 반사시킨다. 금속박막(370)은 안정성과 감도가 우수한 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다. 그리고 금속박막(370)에는 측정할 시료에 반응할 수 있는 반응성 물질이 도포되어 있다.The metal thin film 370 is formed on the inclined portion of the light guide part 360 to analyze a sample located in the metal thin film 370 as inspection light guided through the light guide part 360. That is, the metal thin film 370 absorbs the inspection light incident at a predetermined resonance angle among the inspection light incident through the light guide part 360, thereby absorbing the evanescent wave to the metal thin film 370 and the light guide part 360. Is generated at the interface. In addition, the inspection light incident at an angle other than the resonance angle is reflected through the interface due to a difference in refractive index between the metal thin film 370 and the light guide part 360. The metal thin film 370 may be formed of at least one selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and aluminum (Al) having excellent stability and sensitivity. The metal thin film 370 is coated with a reactive material capable of reacting with the sample to be measured.

상기 소정의 공명각은 수학식 1을 만족하는 특정 입사각을 의미하고, 이 공명각으로 입사된 검사광의 광자 에너지는 모두 표면 플라즈마 파로 변환되고 이러한 현상을 표면 플라즈몬 공명이라고 한다. 그리고 수학식 1을 만족하지 않는 입사각으로 입사된 검사광은 반사된다. 금속박막(370)에 반사되어 광가이드부(360)를 통해 출사되는 검사광의 에너지를 검출하면 상술한 도 2와 같은 형태의 그래프를 얻을 수 있다. 이를 분석하면 수학식 1을 만족하는 특정 입사각을 도출할 수 있게 되고, 이를 통해 시료의 굴절률을 알 수 있다. The predetermined resonance angle means a specific angle of incidence that satisfies Equation 1, and the photon energy of the inspection light incident at the resonance angle is converted into a surface plasma wave and this phenomenon is called surface plasmon resonance. And the inspection light incident at the incident angle that does not satisfy the equation (1) is reflected. When the energy of the inspection light reflected by the metal thin film 370 and emitted through the light guide part 360 is detected, a graph having the shape as shown in FIG. 2 may be obtained. By analyzing this, it is possible to derive a specific angle of incidence satisfying Equation 1, through which the refractive index of the sample can be known.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 표면 플라즈몬 공명 센서를 통해 시료를 검사하는 과정에 대하여 설명한다. 우선 검사하고자 하는 시료를 금속 박막(370) 상에 위치시킨다. 그리고 도 1의 참조번호 381로 표시된 화살표와 같이 외부로부터 검사광을 코어층(330)으로 조사한다. 코어층(330)에 조사된 검사광은 광도파로 형태로 형성된 코어층(330)을 따라 이동하다가 코어층(330)과 광가이드부(360)의 접촉부분에서 회절하여 도 1의 참조번호 382로 표시된 화살표와 같이 광도파로 형태로 형성된 광가이드부(360)을 따라 이동하여 금속박막(370)에 입사된다. Hereinafter, a process of inspecting a sample through the surface plasmon resonance sensor having the above-described configuration will be described. First, the sample to be inspected is placed on the metal thin film 370. Then, the inspection light is irradiated from the outside to the core layer 330 as indicated by the arrow 381 of FIG. 1. The inspection light irradiated on the core layer 330 moves along the core layer 330 formed in the optical waveguide shape, and is diffracted at the contact portion between the core layer 330 and the optical guide part 360 to reference numeral 382 of FIG. 1. As shown by the arrow shown, the light guide portion 360 moves along the optical guide portion 360 and is incident on the metal thin film 370.

다음으로, 금속박막(370)에 입사된 검사광은 시료의 특성에 따라 소정의 공명각으로 입사된 검사광은 표면 플라즈마 파를 발생시키고, 공명각 이외의 각도로 입사된 검사광은 반사되어 도 1의 참조번호 383으로 표시된 화살표와 같이 광가이드부(360)를 통해 출사된다. 그리고 광가이드부(360)를 통해 출사된 출사광은 도 1의 참조번호 384로 표시된 화살표와 같이 투명한 물질로 형성된 기판(310)을 통해 외부로 방출된다. 그리고 외부로 방출된 출사광은 외부에 별도로 구비된 검출기를 통해 검출한다.Next, the inspection light incident on the metal thin film 370 is incident to a predetermined resonance angle according to the characteristics of the sample generates a surface plasma wave, and the inspection light incident at an angle other than the resonance angle is reflected. The light is emitted through the light guide part 360 as indicated by the arrow 383. The light emitted through the light guide part 360 is emitted to the outside through the substrate 310 formed of a transparent material as indicated by the arrow 384 of FIG. 1. And the emitted light emitted to the outside is detected through a detector provided separately to the outside.

도 3에 도시되고 설명된 표면 플라즈몬 공명 센서(300)는 광원, 검출기 및 분석 시스템이 갖춰진 장치에 탈부착되어 시료를 검사할 수 있게 된다. 그리고 상기 광가이드부(360)의 타측면의 경사진 부분의 각도가 다양한 표면 플라즈몬 공명 센서(300)를 준비한 후 금속박막(370)에 위치되는 시료의 특성에 따라 최적의 표면 플라즈몬 공명 센서(300)를 선택하여 정확한 시료 검사가 이루어지게 할 수 있다.The surface plasmon resonance sensor 300 shown and described in FIG. 3 is attached to a device equipped with a light source, a detector, and an analysis system to inspect a sample. After preparing the surface plasmon resonance sensor 300 having various angles of the inclined portion of the other side of the light guide part 360, the optimum surface plasmon resonance sensor 300 according to the characteristics of the sample located in the metal thin film 370. Can be used to ensure accurate sample inspection.

그리고 광원 및 검출기가 더 구비된 표면 플라즈몬 공명 센서 형태로 구현하는 것도 가능하다. 이를 도 4에 나타내었다.And it is also possible to implement in the form of a surface plasmon resonance sensor further equipped with a light source and a detector. This is shown in FIG. 4.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서(400)는 기판(410), 광도파로부(450), 광가이드부(460), 금속박막(470), 광원부(480) 및 광검 출부(490)를 구비한다. 도 4에 도시된 기판(410), 광도파로부(450), 광가이드부(460) 및 금속박막(470)은 도 3에 도시된 기판(310), 광도파로부(350), 광가이드부(360) 및 금속박막(370)에 각각 대응된다. 그리고 도 4에 도시된 광도파로부(450)에 구비된 제1 클래딩층(420), 코어층(430) 및 제2 클래딩층(440)은 도 3에 도시된 제1 클래딩층(320), 코어층(330) 및 제2 클래딩층(340)에 각각 대응된다.Referring to FIG. 4, the surface plasmon resonance sensor 400 according to the present invention includes a substrate 410, an optical waveguide part 450, an optical guide part 460, a metal thin film 470, a light source part 480, and a light detector. 490 is provided. The substrate 410, the optical waveguide part 450, the optical guide part 460, and the metal thin film 470 illustrated in FIG. 4 may include the substrate 310, the optical waveguide part 350, and the optical guide part illustrated in FIG. 3. 360 and metal thin film 370, respectively. The first cladding layer 420, the core layer 430, and the second cladding layer 440 of the optical waveguide part 450 illustrated in FIG. 4 may include the first cladding layer 320 illustrated in FIG. 3, Corresponding to the core layer 330 and the second cladding layer 340, respectively.

광원부(480)는 검사광을 생성하고 방출하여 코어층(430)에 조사한다. 그리고 광원부(480)는 광도파로 형태의 TM(Transverse Magnetic) 모드로 편광된 레이저 다이오드(laser diode ; LD) 또는 발광다이오드(light emitting diode ; LED) 중 어느 하나를 구비한다.The light source unit 480 generates and emits inspection light and irradiates the core layer 430. The light source unit 480 may include any one of a laser diode (LD) or a light emitting diode (LED) polarized in a TM (transverse magnetic) mode in the form of an optical waveguide.

광검출부(490)는 기판(410)의 하부에 배치되어 금속박막(470)에 의해 반사되어 광가이드부(460)를 통해 출사된 검사광을 검출한다. 광검출부(350)는 복수의 광다이오드(photo diode: PD)로 이루어지며, 복수의 광다이오드는 일렬로 배열된다. The light detector 490 is disposed under the substrate 410 to detect the inspection light reflected by the metal thin film 470 and emitted through the light guide unit 460. The photo detector 350 includes a plurality of photo diodes (PDs), and the plurality of photo diodes are arranged in a line.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

도 1은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 종래의 센서 구조를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a conventional sensor structure using surface plasmon resonance.

도 2는 표면 플라즈몬 공명에 의한 전반사 감쇠(Attenuation Total Reflection : ATR)시의 광의 입사각에 따른 반사광의 세기의 관계를 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the relationship between the intensity of reflected light and the incident angle of light during Attenuation Total Reflection (ATR) due to surface plasmon resonance.

도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.3 is a view showing a schematic configuration of a preferred embodiment of the surface plasmon resonance sensor according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.4 is a view showing a schematic configuration of another preferred embodiment of the surface plasmon resonance sensor according to the present invention.

Claims (12)

광이 투과되는 물질로 형성된 기판;A substrate formed of a material through which light is transmitted; 제1 클래딩(cladding)층, 외부로부터 입사된 검사광을 가이드하는 코어(core)층 및 제2 클래딩층이 상기 기판 상의 일부분에 순차적으로 적층되어 형성되고, 상기 코어층의 굴절률이 상기 제1 클래딩층 및 상기 제2 클래딩층의 굴절률보다 크게 설정되는 광도파로부;A first cladding layer, a core layer for guiding inspection light incident from the outside, and a second cladding layer are sequentially stacked on a portion of the substrate, and the refractive index of the core layer is the first cladding. An optical waveguide part set to be larger than a refractive index of the layer and the second cladding layer; 상기 기판 상에 일측면은 상기 광도파로부의 측면과 접촉되게 배치되고, 타측면은 상기 광도파로부의 상면에 대해 경사지게 형성되어, 상기 코어층으로부터 방출된 검사광을 가이드하는 광가이드부; 및An optical guide part on one side of the optical waveguide part disposed to be in contact with a side surface of the optical waveguide part, the other side of which is inclined with respect to an upper surface of the optical waveguide part to guide the inspection light emitted from the core layer; And 상기 광가이드부의 타측면에 형성되어 상기 광가이드부를 통해 입사되는 검사광 중 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 소정의 공명각으로 입사된 검사광에 의해 표면 플라즈마 파를 발생시키고, 상기 공명각 이외의 각도로 입사된 검사광은 반사시키는 금속박막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.Surface plasma waves are generated by the inspection light incident on the other side of the optical guide part and incident at a predetermined resonance angle at which plasmon resonance occurs among the inspection light incident through the optical guide part, and incident at an angle other than the resonance angle. Surface plasmon resonance sensor comprising the; inspection light is a metal thin film reflecting. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광가이드부는 상기 코어층과 동일한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.And the optical guide part is made of the same material as the core layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판은 유리(glass) 또는 석영(quartz)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.The substrate is a surface plasmon resonance sensor, characterized in that made of glass (glass) or quartz (quartz). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 코어층은 폴리머(polymer)로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.The core layer is a surface plasmon resonance sensor, characterized in that made of a polymer. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 폴리머는 SU-8 또는 폴리메틸메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.The polymer is a surface plasmon resonance sensor, characterized in that the SU-8 or polymethyl methacrylate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 코어층의 두께는 4 내지 100μm의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.The thickness of the core layer is surface plasmon resonance sensor, characterized in that set in the range of 4 to 100μm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 클래딩층은 상기 제1 클래딩층과 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.The second cladding layer is a surface plasmon resonance sensor, characterized in that made of the same material as the first cladding layer. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제1 클래딩층 및 상기 제2 클래딩층은 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.The first cladding layer and the second cladding layer is a surface plasmon resonance sensor, characterized in that made of a polymer. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 폴리머는 광학 접착제(optical adhesive)인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.And said polymer is an optical adhesive. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속박막은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.The metal thin film is a surface plasmon resonance sensor characterized in that it comprises at least one selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) and aluminum (Al). 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 10, 상기 검사광을 생성하고 방출하여 상기 코어층에 조사하는 광원부; 및A light source unit generating and emitting the inspection light and irradiating the core layer; And 상기 기판의 하부에 배치되어, 금속박막에 의해 반사되어 상기 광가이드부를 통해 출사된 검사광을 검출하는 광검출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.And a light detector disposed under the substrate to detect the inspection light reflected by the metal thin film and emitted through the light guide unit. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 광원부는 광도파로 형태의 TM(Transverse Magnetic) 모드로 편광된 레이저 다이오드 또는 발광다이오드 중 어느 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 표 면 플라즈몬 공명 센서.The light source unit surface plasmon resonance sensor characterized in that it comprises any one of a laser diode or a light-emitting diode polarized in the TM (Transverse Magnetic) mode of the optical waveguide.
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