KR101013177B1 - 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 미세 물질의 밀도를 조절함으로써 광전기유체소자로부터 발생하는 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호들을 증폭시키거나 감소시킬 수 있는 장치 및 방법을제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치는 샘플이 위치하는 광전기유체소자와, 상기 샘플에 빛을 조사하기 위한 광원과, 상기 광원으로부터 출력되는 빛을 상기 샘플에 집광하는 하나 이상의 렌즈와, 상기 샘플로부터 출력된 신호를 측정하기 위한 검출기와, 상기 광전기유체소자에 전압을 인가하는 전원장치를 포함하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치를 개시한다.
광-물질 상호작용, 형광, 라만, 광전기유체역학, 광전도성층
Description
본 발명은 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법에 관한 것으로서, 광전기유체소자에 광원을 조사함으로서 발생하는 광전기유체역학적 효과에 의한 물질의 이동 및 밀도 변화를 통해 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호를 조절하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
빛은 진동하는 전기장과 자기장으로 이루어진 전자기파(electromagnetic radiation)로서 어떤 물질이 전기장에 노출되었을 때 일어나는 전기적 분극현상(electronic polarization)에 의거하여 광-물질 상호작용(light-matter interaction)을 설명할 수 있는데 이를 전기 쌍극자 근사법(electric dipole approximation)이라고 한다.
벌크 레벨에서 일어날 수 있는 광-물질 상호작용에는 반사(reflection) 및 굴절(refraction) 등이 있고, 분자 레벨(molecular level)에서 일어날 수 있는 광-물질 상호작용에는 흡수(absorption), 자연 발광(spontaneous emission), 자극 발 광(stimulated emission), 라만 산란(Raman scattering) 등이 있다.
상기 흡수(absorption)는 낮은 에너지 레벨에서 높은 에너지 레벨로 광양자 에너지(photon energy) 만큼의 에너지 전이가 발생하는 현상이다.
상기 자연 발광(spontaneous emission)은 상대적으로 높은 에너지 레벨인 들뜬 상태(excited state)에서 더 낮은 에너지 레벨로 전이되면서, 그 차이만큼의 광양자 에너지가 방출되는 현상이다.
상기 자극 발광(stimulated emission)은 낮은 에너지 레벨과 높은 에너지 레벨 간의 차이에 해당하는 광양자 에너지가 입사된 광양자 에너지에 의해 자극을 받아 방출되는 현상이다. 이 때 똑같은 양의 광양자 에너지가 입사되지 않는다면, 자극발광은 일어날 수 없으며, 자연발광만이 발생하게 된다.
상기 라만 산란(Raman scattering)이란 특정 진동수를 지닌 광양자 에너지(hv)에 의해 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 광양자 에너지(hv')로 산란되는 현상이다. 이 때 라만 산란은 탄성 레일리 산란, 스토크스 라만 산란, 안티-스토크스 라만 산란을 포함한다.
상기 광-물질 상호작용들에 의한 전기 및 진동 상태의 변화를 측정하기 위해서 분광법(spectroscopy)을 사용하는데, 이러한 분광법에는 전기적 상태의 전이를 측정하기 위한 방법과 진동 상태의 변화를 측정하기 위한 방법이 있다.
전기 전이에 따른 에너지 레벨의 변화를 이용한 방법에는 전기 흡수 분광법 (electronic absorption spectroscopy)과 전기 방광 분광법 (electronic luminescence spectroscopy)이 있다.
상기 전기 흡수 분광법은 자외선(UV,ultraviolet)부터 적외선(IR,infrared) 영역에 이르는 연속적인 전자기파 분포를 지닌 일반적인 램프 빛의 흡수량을 이용한 방법이다. 어떤 물질에 빛을 쏘아주면 빛이 흡수되는 양으로부터 그 물질의 양을 구할 수 있는데 그 원리는 비어-램버트 법칙 (Beer-Lambert's law)에 의해 설명된다.
상기 전기 발광 분광법은 들뜬상태(excited state)에서 바닥상태(ground state)로의 전이에 의한 광양자 에너지의 방출을 측정하는 방법이다. 일반적으로 생체분자(biomolecule)들은 형광(fluorescence)을 발현하며, 이러한 형광의 방출량을 활용한 형광 분광법(fluorescence spectroscopy)은 형광 스펙트럼 (fluorescence spectrum), 형광 여기 스펙트럼 (fluorescence excitation spectrum), 형광 수명 (fluorescence lifetime), 형광 양자 효율 (fluorescence quantum efficiency), 형광 편광 소멸 (fluorescence depolarization) 등과 같이 여러 가지 상호작용 및 동역학적 요소들의 특징을 알아내기 위한 측정방법들을 모두 포함한다. 일반적으로 물질의 전기적 상태 변이에 의한 형광 방출을 유도하기 위해서는 일반적인 램프보다는 레이저(laser)를 이용한다.
물질의 진동 상태 변화를 측정하기 위한 분광법에는 적외선 분광법(IR spectroscopy), 라만 분광법(Raman spectroscopy) 등이 있다.
상기 적외선 분광법(IR spectroscopy)은 적외선 혹은 원적외선 광양자의 흡수에 의한 진동레벨 변화를 측정하는 방법이고, 상기 라만 분광법(Raman spectroscopy)은 특정 진동수를 지닌 광양자가 물질과 상호작용을 일으키면서 진동 수가 변한 빛으로 산란되고, 그에 따른 에너지 차이를 물질의 진동 에너지로 간주하고 물질의 진동상태 변화를 측정하는 기술이다. 상기와 같이 진동 상태 변화를 측정하기 위한 분광법을 이용하면 분자의 결합구조와 관계있는 진동 주파수에 관한 정보를 알 수 있는데, 이러한 진동 주파수는 결국 물질의 화학적 구성 및 구조에 따른 물질의 특이성을 대변하게 된다.
최근에, 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호를 증폭하기 위해 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 그 예로서 금속 표면에서의 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 이용한 방법들이 있다.
표면 플라즈몬은 유전체와 경계면을 형성하고 있는 금속 표면에 전기장을 인가하였을 때, 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 생성된 표면전하들의 집단적 진동이 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행되는 표면 전자기파를 의미한다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 금, 은, 구리, 알루미늄 등과 같이 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 지니는 물질들이 주로 사용되고, 전기장을 인가하기 위한 전자기파로는 p-편광(p-polarization)을 지닌 표면 플라즈몬의 특성상 TM 편광된 전자기파가 이용된다. 일반적으로 금속물질에 전자기파가 입사되면 금속 표면에서 전반사되고, 소산파(evanescent field)는 경계면에서 금속 막 속으로 기하급수적으로 감소되지만, 특정한 입사각과 금속 막의 두께에서는 경계면에 평행한 방향의 입사파와 표면 플라즈몬 파의 위상이 일치할 경우 공명이 일어나 입사파의 에너지는 모두 금속 막에 흡수되어 반사파는 없어지고, 경계면에 수직한 방향의 전기장 분포는 기하급수적으로 경계면으로부터 멀어질수록 급격히 감소하게 되는데, 이를 표면 플라즈 몬 공명이라고 한다.
상기 표면 플라즈몬 공명 현상(surface plasmon resonance)에 의해 형광 및 라만 산란 신호가 증가하게 되는데, 이러한 방법을 이용한 분광법을 표면 플라즈몬 증강 분광법(surface plasmon-enhanced spectroscopy)이라고 한다. 이러한 표면 플라즈몬 증강 분광법에는 표면 플라즈몬 증강 형광 분광법(SPFS, surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy) [F. Yu, D. Yao, W. Knoll, Anal. Chem. 2003, 75, 2610-2617], 표면 증강 라만 분광법(SERS, surface-enhanced Raman spectroscopy) [S. Nie, S. R. Emory, Science 1997, 275, pp.1102-1106] 등이 있다.
그러나, 종래의 광-물질 상호작용을 활용한 측정 기술들은 신호의 세기가 약하고, 낮은 농도로 존재하는 분자의 양을 측정하고자 할 때, 광-물질 상호작용을 증가시키도록 하기 위해 높은 세기의 광원이나 과도한 광 노출 시간을 이용하거나, 상기 금속 표면에서의 표면 플라즈몬 공명을 이용한 기술 등의 증폭 기술이 동반되어야 한다는 문제점이 있었다.
또한 지나치게 강한 광원이나 과도한 광 노출 시간을 이용할 경우에는 신호를 측정하고자 하는 물질이 손상되거나, 블리칭 효과(bleaching effect)에 의해 신호가 감소하는 문제가 있으며, 상기 표면 플라즈몬을 이용한 증폭 기술을 사용할 경우에는 특별한 금속 나노입자, 표면 구조를 제작해야 하는 문제점이 있었다.
또한 상기 측정 기술들은 여러 가지 물질이 섞여 있을 때 그것들을 구동하여 분리(separation) 및 농축(concentration)하기에는 무리가 있었으며, 때문에 원하 지 않는 노이즈(noise) 신호가 많이 포함되어 원하는 신호를 얻어내기 위해서는 많은 전처리 과정이나 필터링 과정이 필요한 문제점이 있었다.
뿐만 아니라 상기 기술들을 이용할 때에 대상 물질의 동적 구동 (dynamic manipulation)이나 밀도 조절 (density control)은 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 광전도성 물질 및 전극을 포함한 광전기유체소자에 광-물질 상호작용을 유도하기 위한 광원을 조사함으로서 광전기유체효과에 의한 물질의 이동 및 밀도 변화를 통해 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호를 쉽고 간편하게 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치는 샘플이 위치되는 광전기유체소자와, 상기 샘플에 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 출력되는 빛을 상기 샘플에 집광하는 하나 이상의 렌즈와, 상기 샘플로부터 출력된 신호를 측정하기 위한 검출기와, 상기 광전기유체소자에 전압을 인가하는 전원장치를 포함할 수 있다.
상기 광전기유체소자는 상기 광원에 의해 빛이 조사되는 영역에만 부분적으 로 전압이 도통되는 광전도층과, 상기 샘플이 위치하는 미세유체유로와, 상기 광전도층에 인가되는 전압으로부터 상기 샘플 내 전기장을 형성하는 접지층을 포함할 수 있다.
상기 광전도층은 상기 전원장치를 통하여 전압이 인가되는 평판 전극과, 상기 광원에 의해 빛이 조사되는 영역에만 부분적으로 전압이 도통되는 광전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 평판 전극은 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판 및 ITO 중 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 광전도성 물질은 수소화된 진성의 비정질 실리콘, 황화 카드늄 및 npn 포토트랜지스터 중 선택되는 어느하나로 이루어질 수 있다.
상기 광전도층은 상기 광전도성 물질과 상기 평판 전극 사이에 도핑된 중간층을 더 포함하고, 상기 중간층은 상기 광전도성 물질과 상기 평판 전극 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있다.
상기 중간층은 비정실 실리콘 또는 몰리브덴으로 이루어질 수 있다.
상기 광전도성 물질의 상면에는 과전류로 인한 샘플의 전기분해를 방지하는 보호층을 구비하며, 상기 보호층은 질소화 실리콘 또는 산화 실리콘으로 이루어질 수 있다.
상기 접지층은 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판 및 ITO 중 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 광전기유체소자는 스페이서 및 미세 채널 구조를 더 포함하며, 상기 스 페이서는 상기 광전도층과 상기 접지층을 이격시키고, 상기 미세 채널 구조는 상기 광전도층과 접지층 사이에 상기 미세유체유로를 형성할 수 있다.
상기 광원은 레이저, 광 초퍼 및 펄스 레이저 중 선택되는 어느하나일 수 있다.
상기 샘플은 상기 광원으로부터 빛이 조사되면 물질 전자 상태 또는 물질 진동 상태에 의한 신호를 출력할 수 있다.
상기 물질 전자 상태는 형광 발광 또는 파장별 빛 흡수이고, 상기 물질 진동 상태는 라만 산란 또는 IR 흡수일 수 있다.
상기 검출기는 CCD, 포토다이오드, 광전자 증배관 및 스펙트로미터 중 선택되는 어느하나 일 수 있다.
상기 검출기는 물질 전자 상태 또는 물질 진동 상태에 의한 신호를 검출할 수 있다.
상기 물질 전자 상태는 형광 발광 또는 파장별 빛 흡수이고, 상기 물질 진동 상태는 라만 산란 또는 IR 흡수일 수 있다.
상기 검출기는 신호 프로세서를 포함하고, 상기 신호 프로세서는 수신된 신호를 처리하고 저장하여 데이터를 생성할 수 있다.
상기 광원으로부터 출력된 빛이 상기 광전기유체소자에 조사되도록 하는 제 1미러를 더 포함할 수 있다.
상기 샘플로부터 출력된 신호가 상기 검출기로 반사되도록 하는 제 2미러를 더 포함할 수 있다.
상기 광전기유체소자의 위치를 조절하기 위한 스테이지를 더 포함할 수 있다.
상기 광원으로부터 출력된 빛을 상기 광전기유체소자 및 상기 샘플에 정확히 집광시키는 보조 광원을 더 포함할 수 있다.
상기 샘플로부터 출력된 신호를 필터링하는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 필터는 노치 필터 또는 에지 필터일 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법은 광원으로부터 광전기유체소자에 빛을 조사하는 빛 조사 단계와, 광전도층을 통해 전압을 인가하는 전압 인가 단계와, 상기 전압 인가 단계를 통해 인가되는 전압에 의해 광전기유체소자 내에 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의해 광전기유체소자 내의 샘플들이 이동하는 샘플 이동 단계와, 상기 샘플들로부터 광-물질 상호작용에 의한 신호가 출력되고, 상기 신호가 검출기에 의해 검출되는 신호 검출 단계를 포함할 수 있다.
상기 샘플 이동 단계는 전하를 띄지 않는 샘플이 유동에 의해 빛이 조사된 방향 또는 그 반대 방향으로 이동할 수 있다.
상기 샘플의 유동은 유전영동, 전기삼투 및 전열현상 중 선택되는 어느 하나 이상에 의한 것일 수 있다.
상기 샘플 이동 단계는 전하를 띄고 있는 샘플이 유동에 의해 빛이 조사된 방향 또는 그 반대 방향으로 이동하는 것일 수 있다.
상기 샘플의 유동은 전기영동에 의한 것일 수 있다.
상기 신호 검출 단계는 발광 신호를 측정하고자 하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하는 것일 수 있다.
상기 신호 검출 단계는 흡수 신호를 측정하고자 하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하는 것일 수 있다.
상기 신호 검출 단계는 소멸 효과 또는 자가 소멸 효과를 나타내는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하는 것일 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법에 의하면, 광전도성 물질 및 전극을 포함한 광전기유체소자에 광-물질 상호작용을 유도하기 위한 광원을 조사함으로서 광전기유체효과에 의한 대상 물질들의 빠른 이동과 국소적인 밀도 변화를 통해 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호를 간편하게 조절 및 증폭시킬 수 있다. 따라서 극히 적은 양으로 존재하는 물질도 표면 플라즈몬과 같은 증폭소자 기술이나 샘플 전처리 과정 없이 간단하고 빠르게 분리 및 농축할 수 있다.
또한, 증폭 기술을 동시에 적용할 수 있으므로 기술의 유연한 활용 및 변형 이 가능하며, 기존의 증폭 기술을 접목시킬 경우 매우 미약한 출력 신호도 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 기존에는 불가능하였던 미세 농도의 물질들도 쉽게 측정이 가능하다.
또한, 인가된 전압의 주파수나 크기등을 조절함으로서 물질의 광전기유체역학적 구동 특성을 조절할 수 있어, 물질의 동적 구동과 분리에 용이하고, 물질의 밀도 조절 및 초미세 영역에서의 분자간 거리도 사용자가 원하는 대로 조절할 수 있다.
또한, 측정 기술들을 단순히 광-물질 상호작용을 측정하기 위해 사용할 뿐만 아니라, 물질자체를 구동하기 위해서도 사용할 수 있도록 하여, 물질의 구동 및 측정이 용이해지며, 물질 구동을 위한 특별한 구동기(actuator)를 제작할 필요가 없다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 광전기유체소자의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치(1)는 광전기유체소자(100), 광원(200), 렌즈(300), 검출기(400), 전원장치(500)로 구성되며, 필요에 따라서 제 1미러(600), 제 2미러(700), 필터(800)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광전기유체소자(100)는 광원(200)에 의해 빛(A)이 조사되는 영역에만 부분적으로 전압이 도통되는 광전도층(110), 샘플이 위치하는 미세유체유로(120) 및 상기 광전도층(110)에 인가되는 전압으로부터 상기 샘플 내 전기장(B)을 형성하는 접지층(130)으로 구성된다.
상기 광전도층(110)은 상기 전원장치(500)를 통하여 전압이 인가되는 평판 전극(111), 상기 광원(200)에 의해 빛이 조사되는 영역에만 부분적으로 전압이 도통되는 광전도성 물질(112), 상기 광전도성 물질(112)과 상기 평판 전극(111) 사이에 도핑된 중간층(113), 상기 광전도성 물질(112)의 상면에 배치되어 과전류로 인한 샘플의 전기분해를 방지하는 보호층(114)으로 구성된다.
상기 평판 전극(111)은 상기 전원장치(500)를 통하여 전압을 인가 받는다. 한편, 상기 빛(A)이 상기 평판 전극(111)을 통해 상기 광전도성 물질(112)로 입사될 경우, 금 박막(gold thin film), ITO(indium tin oxide) 등의 투명한 전도성 물질로 이루어지고, 상기 빛(A)이 상기 접지층(130)을 통해 상기 광전도성 물질(112)로 입사될 경우, 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판, ITO 등의 전도성 물질로 이루어진다.
상기 광전도성 물질(112)은 빛(A)이 조사된 특정 영역에만 전압을 도통시킴으로서 샘플 내에 전기장(B)을 형성시키는 포토트랜지스터(phototransistor)의 특성을 지닌다. 이러한 광전도성 물질(112)은 수소화된 진성의 비정질 실리콘(hydrogenated intrinsic amorphous silicon), 황화 카드늄(cdS) 또는 npn 포토트랜지스터 등과 같은 광전도성 물질들로 이루어질 수 있다.
상기 중간층(113)은 상기 광전도성 물질(112)과 상기 평판 전극(111) 간의 접촉 저항을 줄이기 위해, 상기 광전도성 물질(112)과 상기 평판 전극(111) 사이에 위치할 수 있다. 이러한 중간층(113)은 도핑된 비정질 실리콘(doped amorphous silicon), 알루미늄(aluminum) 또는 몰리브덴(molybden)으로 증착될 수 있다.
상기 보호층(114)은 상기 광전도성 물질(112)의 상면에 구비되며, 과전류로 인한 샘플의 전기분해를 방지한다. 이러한 보호층(114)은 질소화 실리콘(silicon nitride) 또는 산화 실리콘(silicon oxide)으로 증착될 수 있다.
또한, 광전기유체소자(100)에는 상기 광전도층(110)과 상기 접지층(130) 사이를 이격시켜 상기 미세유체유로(120)를 형성하기 위하여 스페이서(spacer) 및 미세 채널 구조가 추가로 구비될 수 있다.
상기 미세유체유로(120)는 샘플이 이동하는 공간으로써, 광-물질 상호작용이 일어나는 공간이다. 여기서 미세유체유로의 높이는 광전도성층과 접지전극 사이에 인가된 전압에 의한 전기장의 세기를 결정하며, 높이가 낮을수록 전기장의 세기는 세어지고, 광전기유체효과에 의한 물질의 밀도 변화 및 광-물질 상호작용에 의한 출력신호 변화는 극대화되는 특징이 있다.
여기서 샘플이란, 고분자성 미세입자, 금속 나노 입자, 반도체 나노 입자, 단백질, DNA 등의 생체분자, 분자가 결합된 미세입자 등 다양한 물질을 포함하는 말로써, 광-물질 상호작용에 의한 출력신호를 통해 검출 및 감지가 가능한 모든 물질을 뜻한다.
특히, 샘플은 이러한 물질들이 증류수, 세포 배양용 배지, PBS 버퍼 등 다양한 액체 방울 속에 존재하도록 제조된 것으로, 상기 미세유체유로 내에 존재하는 액체 방울 내부에서 다양한 광전기유체역학적 효과에 의한 상기 물질들의 이동이 일어나, 광-물질 상호작용에 의한 출력신호가 달라지게 되는 것이다.
상기 광전기유체역학적 효과란 광전도성 층에 빛을 조사함으로써 빛을 받은 특정 부분한 전압이 도통되어, 미세유체유로 내 샘플에 불균일한 전기장이 인가되게 되고, 이로 인해 발생하는 다양한 전기역학적 현상을 뜻한다.
상기 광전기유체역학적 효과에는 유전영동(DEP; dielectrophoresis), 교류 전기삼투(ACEO; AC electroosmosis), 전기영동 (electrophoresis), 정전기적 상호작용 (electrostatic interactions), 유도 전하 전기삼투 (ICEO; induced-charge electroosmosis), 패러데이 짝진 전기삼투 (FCEO; faradaically-coupled electroosmosis) 등이 있다.
상기 유전영동이란, 불균일한 전기장 내에서, 유전체가 전자기 유도현상에 의해 전기 쌍극자(electric dipole)를 띄고, 이것에 의해 힘을 받아 움직이는 현상 이다. 이러한 입자의 이동은 입자와 입자 주변의 액체 간의 유전율(permittivity) 차이에 의해 그 방향이 결정되고, 입자의 크기(반지름의 세제곱에 비례) 및 전기장 구배(전기장 제곱의 구배에 비례)의 크기가 그 이동 속도에 영향을 미치게 된다.
상기 유전영동에는 전기장이 약한 방향(빛이 조사된 방향의 반대방향)으로 미세 입자들이 움직이는 음(negative)의 유전영동과 전기장이 강한 방향(빛이 조사된 방향)으로 미세 입자들이 움직이는 양(positive)의 유전영동이 있다. 이러한 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류전압 신호의 주파수 등에 의해 달라질 수 있다.
상기 교류 전기삼투란 불균일한 전기장 내에서, 유체 내부의 이온들이 전극 표면과 액체 계면에 얇은 전기 이중층(electric double layer)을 형성하게 되고, 전압에 의해 형성된 정접 전기장(tangential electric field)의 영향으로 전극 표면을 따라 유체가 이동하는 현상이다.
이러한 전기삼투 현상은 전기장이 센 방향으로 유동을 일으켜 물질들의 빠른 농축을 유도한다. 상기 전기삼투에 의한 농축 특성은 교류전압 신호의 주파수 및 물질 또는 매질의 종류, 크기, 전하량 등 다양한 물리적, 화학적 특성에 의존한다.
상기 정전기적 상호작용이란, 전기장 하에서 유전체에 유도된 전하에 의해 두 개 이상의 개체 사이에 작용하는 힘으로써, 서로 밀어내거나 당기는 특성이 있다. 두 유전물질의 위치가 전기장 방향에 수직한 평면에 평행하게 위치할 때를 제외하고는 서로 당기는 인력이 발생하며, 본 발명에서는 대부분 서로 밀어내는 척력이 광전기유체소자의 출력 신호에 영향을 미친다. 정전기적 상호작용도 유전영동과 마찬가지로, 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류전압 신호의 주파수 등에 의해 달라질 수 있다.
유도전하 전기삼투란, 전기장 내 미세입자에 유도된 전하에 의해 미세입자 표면에서 발생하는 전기삼투 유동으로써, 전극표면에 가까이 위치한 미세입자들을 벽면으로 밀어 조립시키는 특성이 있다. 이러한 현상으로 인해 미세입자들이 자가조립(self-assembly)하여 결정구조(crystal structure)를 지닌 응집체(aggregate)를 이루게 되게 되며, 이로 인해 광전기유체소자의 출력신호가 증가하게 된다.
패러데이 짝진 전기삼투란, 낮은 주파수 영역에서 전극에서의 패러데이 반응을 무시할 수 없게 되어, 전극 표면에 발생하는 수평성분의 전기장에 의해 발생하는 전기삼투 유동으로써, 전극에 가까이 위치한 미세입자 아래쪽에서 입자들을 위로 떠올리게 되는 상승유동을 발생하는 특성이 있다. 이로 인해, 광전기유체소자의 출력신호가 감소하게 된다.
상기 접지층(130)은 상기 광전도층(110)에 인가되는 전압으로부터 상기 샘플 내 전기장(B)을 형성한다. 이러한 접지층(130)은 빛(A)이 상기 접지층(130)을 통해 상기 광도성 물질(112)로 입사될 경우, 금 박막(gold thin film), ITO(indium tin oxide) 등의 투명한 전도성 물질로 이루어지고, 상기 빛(A)이 상기 광전도층(110)의 평판 전극(111)을 통해 상기 광전도성 물질(112)로 입사될 경우 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판, ITO(indium tin oxide) 등의 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 광전도층(110) 및 접지층(130)의 투명도는 빛(A)의 조사방향 및 샘플 신호의 출력 방향에 의존하는데, 상기 빛(A)의 조사방향이나 광-물질 상호작용에 의한 신호의 출력방향 또는 검출기(400)가 배치된 방향에 존재하는 층의 전극은 투명한 전도성 물질로 이루어진다.
상기 광원(200)은 상기 샘플에 빛(A)을 조사한다. 상기 광원(200)은 특정 파장 분포를 지니는 하나 이상의 레이저(laser) 광을 출력하거나, 상기 샘플에 빛을 간헐적 또는 지속적으로 조사할 수 있는 하나 이상의 광 초퍼(chopper) 또는 펄스 레이저(pulse laser)를 출력할 수 있다. 이러한 광원(200)은 상기 샘플에 빛(A)을 조사하여 형광(fluorescence) 발광, 파장별 빛 흡수 등의 물질 전자 상태에 의한 신호를 출력시키거나, 라만 산란(raman scattering), IR 흡수(infrared absorption) 등의 물질 진동 상태에 의한 신호를 출력시킬 수 있다.
상기 광원(200)은 상기 광원(200)으로부터 출력되는 빛(A)을 상기 광전기유체소자(100) 및 상기 샘플에 정확히 집광시키기 위한 보조 광원(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 보조 광원은 렌즈(300)를 통해 상기 광전기유체소자(100)를 관찰하면서 초점을 맞추고자 할 때 사용되며, 조절 가능한 미러 및 차단막을 동반할 수 있다. 또한 상기 보조 광원은 일반적으로 널리 사용되는 할로겐 램프 등을 사용할 수 있다.
이러한 빛(A)은 임의의 패턴형성장치(미도시)에 의해 패턴이 변화할 수도 있는 특징을 지니고 있는데, 상기 패턴형성장치로는 LCD(liquid crystal display), DMD(digital micromirror device) 또는 조리개 등을 이용할 수 있다.
상기 렌즈(300)는 상기 광원(200)으로부터 출력되는 빛(A)을 상기 샘플에 집광한다. 본 발명에서 사용되는 렌즈(300)는 10배, 20배, 40배, 50배 대물렌즈를 사용할 수 있다. 이러한 렌즈(300)는 다수개 일 수 있으며, 상기 광원(200)으로부터 출력된 빛(A)을 집광시키는 렌즈와 상기 샘플을 관찰하기 위한 렌즈는 서로 다른 것일 수 있다.
상기 검출기(400)는 상기 샘플로부터 출력된 신호를 측정한다. 상기 검출기(400)는 상기 샘플의 형광(fluorescence) 발광, 파장별 빛 흡수 등의 물질 전자 상태에 의한 신호를 검출하거나, 라만 산란(raman scattering), IR 흡수(infrared acsorption) 등의 물질 진동 상태에 의한 신호를 검출한다.
이러한 검출기(400)는 CCD(charge coupled device), 포토다이오드, 광전자 증백관(photomultiplier tube) 등이 사용되어질 수 있으며, 빛의 파장 분석이 가능한 스펙트로미터(spectrometer)의 특징을 포함할 수 있다.
또한, 상기 검출기(400)는 수신된 신호를 처리하고 저장하여 데이터를 생성하는 신호프로세서(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 전원장치(500)는 상기 광전기유체소자(100)에 전압을 인가한다. 상기 전원장치(500)는 교류 전원장치 또는 직류 전원장치일 수 있으며, 교류 전원장치를 사용할 경우 주파수의 전압크기 뿐만 아니라 신호의 모양 및 오프셋(offset) 전압도 조절할 수 있다.
상기 제 1미러(600)는 상기 광원(200)으로부터 출력된 빛(A)이 상기 광전기유체소자(100)에 조사되도록 한다.
상기 제 2미러(700)는 상기 샘플로부터 출력된 신호가 상기 검출기(400)로 반사되도록 한다.
상기 제 1미러(600) 및 제 2미러(700)는 빔 스플리터(beam splitter)로 대체될 수 있으며, 이색거울(dichromatic mirror)을 사용할 수도 있다.
상기 필터(800)는 상기 샘플로부터 출력된 신호를 필터링한다. 이러한 필터(800)는 노치 필터(notch filter) 또는 에지 필터(edge filter) 등을 사용할 수 있으나, 본 발명에서 상기 필터(800)의 종류를 한정하는 것은 아니며, 샘플의 특정이나 출력 신호의 특성상 다양한 종류의 필터를 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치(1)에는 상기 광전기유체소자(100)의 XYZ축 상의 위치를 편리하게 조절하기 위한 스테이지(stage) 및 자동화를 위한 모터(motor)을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 광전기유체소자에 교류전압을 인가하였을 때 미세유 체유로 내에 존재하는 물질들의 이동을 도시한 개념도이다.
먼저, 광전기유체소자(100)에 빛(A)을 조사하고 전압을 인가한다. 이때, 신호를 측정하고자 하는 샘플이 전하를 띄지 않거나 매우 약한 전하를 띄는 경우, 미세유체유로 내에 존재하는 물질들은 유전영동, 전기삼투 또는 전열현상 등에 기인한 유동에 의해 빛이 조사된 방향으로 움직이거나 또는 그 반대 방향으로 움직이게 된다.
상기 유전영동(dielectrophoresis)이란, 불균일한 전기장 내에서, 유전체가 전자기 유도현상에 의해 전기 쌍극자(electric dipole)를 띄고, 이것에 의해 힘을 받아 움직이는 현상이다. 도 3을 참조하면, 전기장이 약한 방향(빛이 조사된 방향의 반대방향)으로 미세 입자들이 움직이는 음(negative)의 유전영동과 전기장이 강한 방향(빛이 조사된 방향)으로 미세 입자들이 움직이는 양(positive)의 유전영동이 도시되어 있다. 이러한 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류전압 신호의 주파수 등에 의해 달라질 수 있다.
상기 전기삼투, 특히 교류 전기삼투(AC electro-osmosis)란 불균일한 전기장 내에서, 유체 내부의 이온들이 전극 표면과 액체 계면에 얇은 전기 이중층(electric double layer)을 형성하게 되고, 전압에 의해 형성된 정접 전기장(tangential electric field)의 영향으로 전극 표면을 따라 전기장이 센 방향으로 유체가 이동하는 현상이다. 이러한 전기삼투 현상은 전기장이 센 방향으로 유동을 일으켜 물질들의 빠른 농축을 유도하고, 물질들 간의 정전기적 상호작용에 의한 결합을 유도한다. 상기 전기삼투에 의한 농축 특성은 교류전압 신호의 주파수 및 물질 또는 매질의 종류, 크기, 전하량 등 다양한 물리적, 화학적 특성에 의존한다.
도 4는 본 발명에 따른 광전기유체소자에 직류전압을 인가하였을 때 미세유체유로 내에 존재하는 물질들의 이동을 도시한 개념도이다.
먼저, 광전기유체소자(100)에 빛(A)을 조사하고 전압을 인가한다. 이때, 신호를 측정하고자 하는 샘플이 강한 전하를 띄고 있는 경우, 미세유체유로 내에 존재하는 물질들은 전기영동 등에 의해 빛이 조사된 방향으로 움직이거나 또는 그 반대 방향으로 움직이게 된다. 예를 들어, 음(-)의 전하를 갖는 물질은 (-)전압이 인가된 부분으로부터 먼 방향으로 힘을 받게 되고, 양(+)의 전하를 갖는 물질은 (-)전압이 인가된 부분 방향으로 힘을 받게 된다.
상기 광전기유체소자(100)에 전압을 인가하고 빛을 조사하였을 때 발생할 수 있는 다양한 광전기유체역학적(optoelectrofluidic) 원리들을 복합적으로 이용하여 자발적인 물질의 분리를 유도할 수 있으며, 물질들을 빠른 시간 안에 농축하여 광-물질 상호작용에 의한 출력신호를 증폭 또는 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 물질의 운동에 작용하는 상기 여러가지 힘들은 전압 조건을 바꾸어가며 조절이 가능한데, 이를 이용하면 특정 물질의 밀도 및 물질간 거리를 조절할 수도 있다.
예를 들어, 상기 유도전하 전기삼투는 주로 높은 주파수에서 발생하며, 상기 패러데이 짝진 전기삼투는 주로 낮은 주파수 영역에서 발생한다. 이 경계 주파수는 분자 레벨(molecular level)에서는 크기가 작을수록 높아지는 특성이 있다.
예를 들어, 1 nm 이하의 분자의 경우 10 kHz 이하에서 패러데이 짝진 전기삼 투가 주로 영향을 끼치기 시작하며, 수십 nm 정도의 분자의 경우 수백 Hz 이하에서 주로 영향을 끼치기 시작함으로써, 광전기유체소자의 출력신호가 감소하게 된다. 반면, 그 이상의 주파수에서는 유도전하 전기삼투에 의해 분자들이 응집되면서, 광-물질 상호작용에 의한 광전기유체소자의 출력신호가 급격히 증폭되게 되며, 이러한 특성은 물질의 화학적, 물리적 특성에 따라 달라지게 되기 때문에, 물질 분석을 위한 도구로서 활용될 수도 있다.
한편, 마이크로미터 스케일(micrometer scale)에서는 유도전하 전기삼투에 의한 자가조립과 유전영동, 교류 전기삼투, 정전기적 상호작용력 등이 미세입자의 운동에 조화롭게 작용하여 광전기유체소자의 출력신호에 영향을 미치게 된다.
폴리스틸렌(polystylene) 입자의 경우 그 크기가 작아질수록 상기 유전영동이나 정전기적 상호작용에 의한 운동이 약해지고, 상기 교류 전기삼투 및 유도전하 전기삼투에 의한 운동이 주로 발생하게 된다. 이 때 상기 유도전하 전기삼투에 의해 입자들이 응집되어 광전기유체소자의 출력신호가 증폭되는 주파수는 미세입자의 크기에 반비례하는 특성이 있다.
도 5는 1 um와 5 um 지름 폴리스틸렌 입자들이 섞인 3차 증류수에서 교류 전압 신호의 주파수에 따른 각 입자들의 구동 특성을 나타내는 이미지이다.
3차 증류슈 내의 5 um 지름 폴리스틸렌 입자의 경우 100 Hz에서 상기 교류전기삼투 및 상기 유도전하 전기삼투에 의해 완전히 농축되어 결합되었고, 1 kHz에서는 농축은 되었으나 서로간의 정전기적 척력이 더욱 강하여 일정 간격을 두고 떨어 져 있었으며, 10 kHz에서는 전기삼투에 의한 농축보다는 음의 유전 영동력이 더욱 강하게 작용하여 빛으로부터 멀어지는 경향성을 보였다. 다만, 1 um 지름 폴리스틸렌 입자의 경우에는 10 kHz 이하의 주파수에서 완전히 농축되어 정전기적으로 뭉쳐졌다. 100 Hz 에서는 5 um 지름 폴리스틸렌 입자 간의 정전기적 인력이 패러데이 짝진 전기삼투가 강하게 작용하는 1 um 지름 폴리스틸렌 입자의 응집력보다 더욱 강하여 5 um 지름 폴리스틸렌 입자만 분리해 낼 수 있었으며, 10 kHz 에서는 1 um 지름 폴리스틸렌 입자는 빛이 조사된 영역으로 농축되는 반면 5 um 지름 폴리스틸렌 입자는 음의 유전 영동력에 의해 빛으로부터 멀어져 1 um 지름 폴리스틸렌 입자만 분리되는 것을 관찰할 수 있었다.
광원으로는 할로겐 램프를 사용하였고, 패턴 형성장치는 LCD를 사용하였다. 또한, 집광을 위한 렌즈로서 집광 렌즈(condenser lens)를 사용하였고, 관찰을 위한 렌즈로서는 대물렌즈, 검출기로서는 CCD를 사용하였다.
이 경우, 분자 레벨에서의 광-물질 상호작용은 관찰할 수 없고, 벌크 레벨(bulk level)에서의 광-물질 상호작용이라고 할 수 있는 빛의 반사 및 굴절 등에 의해 빛의 검출이 조절되는 현상을 관찰할 수 있다.
광전기유체소자에 빛을 조사하고 전압을 인가하였을 때, 발광 신호를 측정하고자하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소한다. 또한, 상기 광전기유체소자에 상기 빛을 조사하고 전압을 인가하였을 때, 흡수 신호를 측정하고자 하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가된다. 이는 샘플이 광전기유체역학적 원리에 의해 농축되면서 밀도가 증가하고 광-물질 상호작용도 증가하기 때문이다.
도 6은 형광 측정 시스템에서 3차 증류수 내의 100 nm 지름 폴리스티렌 형광 입자의 농축을 시간순으로 나타낸 이미지이다.
광원은 100 mW 수은(Hg) 레이저, 필터는 480 - 535 nm 파장대의 형광 필터, 패턴 형성장치로는 조리개, 집광 및 검출용 렌즈로는 40배 대물렌즈, 검출기로는 CCD를 사용하였다. 교류전압의 주파수를 10 kHz로 하여 인가하였을 때 시간에 따라 변하는 빛 패턴에 의해 많은 수의 형광 입자들이 농축되는 것을 확인할 수 있고, 이에 따라 검출되는 형광의 밝기는 기하급수적으로 증가함을 알 수 있었다.
도 7은 형광 측정 시스템에서 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 농축을 시간 순으로 나타낸 그래프이다.
광원은 100 mW 수은(Hg) 레이저, 필터는 480 - 535 nm 파장대의 형광 필터, 패턴 형성장치로는 조리개, 집광 및 검출용 렌즈로는 40배 대물렌즈, 검출기로는 CCD를 사용하였다. 교류전압의 주파수를 1kHz로 하여 전압을 인가하면, 형광분자들이 농축되면서 형광 강도가 급속도로 강해지고, 전압이 꺼지면 형광분자들이 농도차에 의해 확산되면서 그 밀도가 감소하여 형광 강도가 감소하는 것을 알 수 있었다.
또한, 전압을 갑자기 인가할 때 또는 극심한 주파수 변화를 가하였을 때에는 전기유체역학적 유동의 발생에 의해 동요(fluctuation)가 발생하여 광-물질 상호작용에 의한 신호가 일시적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 동요에 의한 신호 감소가 다시 복구되는 시간 또한 주파수나 물질의 종류, 농도에 따라 다르게 나타나게 된다.
도 8은 형광 측정 시스템에서 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 주파수별 거동 특성에 따른 광전기유체소자의 출력 신호의 변화를 시간 순서으로 나타낸 그래프이다. 1 kHz 신호에서는 전체적으로 오래동안 강한 형광신호를 발광하였는데, 이는 유도전하 전기삼투에 의해 광전기유체역학적 농축이 일어나 분자의 밀도가 국소적으로 높아졌기 때문이다. 10 kHz에서 100 kHz 까지 주파수가 증가할수록 형광신호가 감소하는 경향을 보였는데, 이것은 주파수가 높아질수록 분자간 척력 또는 페러데이 짝진 전기삼투에 의해 분자간 거리가 길어지고 형광분자 밀도가 감소하기 때문이다. 100 Hz에서는 형광신호가 갑자기 감소했다가, 전압을 끄면 다시 증가하는 특성을 나타냈다. 이것은 주파수가 낮아질수록 패러데이 짝진 전기삼투에 의해 더욱 강한 유동이 발생하여 농축현상보다는 물질의 확산(diffusion)과 분자간의 척력, 퍼짐 현상이 더욱 크게 작용하기 때문이다.
전압을 인가하거나 차단할 때 전압신호의 피크(peak)로 인해 전기유체역학적 동요(fluctuation)가 관찰되기도 하지만, 시간이 지날수록 출력 신호는 특정 수준으로 일정해지는 것을 알 수 있다. 이는 광전기유체역학적 현상에 의해 광전기유체소자의 출력 신호, 즉 분자들의 밀도가 일정하게 조절되고 있음을 설명해 준다.
도 9는 형광 측정 시스템에서 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 광전기유체 역학적 거동 분석 결과를 주파수별로 나타낸 그래프이다.
형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 경우 약 20 kHz에서 500 Hz까지 주파수 범위에서 농축되면서 출력 신호가 증가하며, 500 Hz 이하에서는 오히려 신호가 감소하는 특성을 지니고 있다. 이러한 물질의 고유한 광전기유체역학적 특성을 통해 물질 분석에 활용할 수 있으며, 뿐만 아니라 자유자재로 물질의 밀도 및 출력신호를 조절할 수 있게 된다.
도 10은 주파수에 따라 조절되는 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 광전기유체 소자 내 출력 신호를 시간 순으로 나타낸 그래프이다.
광전기유체소자에 광-물질 상호작용에 의한 형광신호를 발생시키기 위한 레이저를 조사하고, 전압을 인가한 채로, 교류 신호의 주파수를 100 kHz, 10 kHz, 1 kHz로 번갈아 바꾸자, 광전기유체소자의 형광 출력 신호가 연속적으로 조절되는 것을 확인할 수 있었다. 이 출력 신호는 앞서 조사한 각 주파수에 따른 출력 신호와 동일하다. 이를 통해 전압, 빛, 물질의 조건에 따하 변하는 광전기유체소자 내 광전기유체역학적 원리를 이용하여 소자의 출력 신호를 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 11은 형광 측정 시스템에서 광전기유체소자에 인가한 교류 전압 신호 주 파수에 따른 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa) 신호의 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 11을 참조하면, 광전기유체소자에 인가한 교류전압 신호 주파수에 따라 샘플 형광신호의 프로파일(profile)도 달라지는 것을 확인할 수 있다. 1 kHz에서는 분자들이 높은 밀도로 농축되어 가운데가 뾰족한 형태의 신호를 출력하였고, 10 kHz에서는 전체적으로 낮은 밀도로 농축되어 비교적 평평한 형태의 신호를 출력하였다. 100 kHz 에서는 확산이 더 강하게 작용하여 농축이 되지 않는 조건으로 일반적인 10 uM 농도의 형광 덱스트란의 출력신호를 나타낸다. 100 Hz에서는 전기삼투 유동에 의해 오히려 형광 덱스트란 분자들이 급격히 퍼지게 되면서 신호가 감소하는 것을 알 수 있다.
이 때 물질에 작용하는 힘은 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호를 유도하기 위해 사용되는 상기 광원에 의하여 광전기유체소자 내에서 유도된 전기영동, 유전영동, 전기삼투, 정전기적 상호작용 등 다양한 광전기유체역학적 원리들이다. 이러한 원리들은 전압 신호 주파수에 따라 그 영향을 미치는 정도가 각각 달라지므로 물질들의 밀도, 분자간 거리 및 구동 특성이 달라져 광-신호 상호작용에 의한 출력이 달라지는 것이다. 본 발명은 이러한 특성을 이용하여 새로운 물질의 특성 분석법으로 활용될 수 있다.
본 발명을 실시함에 있어서, 형광물질의 종류에 따라 자가 소멸 효과(self-quenching effect)가 일어나 형광신호가 감소되는 경우도 발생한다. 이 때 자가 소멸 효과 및 소멸 효과란, 광-물질 상호작용을 일으키는 물질들이 농축되어 수 Å 정도로 가까워질 때 서로 간의 에너지 전달로 인해 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호가 소멸되는 현상을 말한다. 결국 소멸 효과(quenching effect) 및 자가 소멸 효과(self-quenching effect)를 나타내는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직일 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직여 밀도가 감소할 경우 신호가 증가하게 된다.
본 발명에서 관찰할 수 있는 인위적인 자가 소멸 효과에 의한 신호 감소는 샘플의 종류, 농도 및 전압 조건에 따라 그 경향성이 다르게 나타나는데, 이러한 신호 감소 속도 및 AC 신호 주파수에 따른 출력 신호 변화를 측정함으로서 물질의 농도 및 종류를 측정할 수 있는 방법으로 이용할 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명한 형광 신호 뿐만 아니라, 라만 산란 등의 다른 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호를 검출할 때에서도 유효하며, 다양한 방법으로 본 발명을 적용시켜 물질 구동 및 분석에 응용할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법의 순서도이다. 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법은 빛 조사 단계(S10), 전압 인가 단계(S20), 샘플 이동 단계(S30) 및 신호 검출 단계(S40)를 포함한다.
본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법에 관련하여서는 장치에 대한 설명에서 상술한 바 있으므로, 여기서는 간략하게 설명하기로 한다.
상기 빛 조사 단계(S10)는 광원으로부터 광전기유체소자에 빛(A)을 조사한 다.
상기 광원은 특정 파장 분포를 지니는 하나 이상의 레이저(laser) 광을 출력하거나, 상기 샘플에 빛을 간헐적 또는 지속적으로 조사할 수 있는 하나 이상의 광 초퍼(chopper) 또는 펄스 레이저(pulse laser)를 출력할 수 있다. 이러한 광원은 상기 샘플에 빛(A)을 조사하여 형광(fluorescence) 발광, 파장별 빛 흡수 등의 물질 전자 상태에 의한 신호를 출력시키거나, 라만 산란(raman scattering), IR 흡수(infrared absorption) 등의 물질 진동 상태에 의한 신호를 출력시킬 수 있다.
상기 광원은 상기 광원으로부터 출력되는 빛(A)을 상기 광전기유체소자 및 상기 샘플에 정확히 집광시키기 위한 보조 광원(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 보조 광원은 렌즈를 통해 상기 광전기유체소자를 관찰하면서 초점을 맞추고자 할 때 사용되며, 조절 가능한 미러 및 차단막을 동반할 수 있다. 또한 상기 보조 광원은 일반적으로 널리 사용되는 할로겐 램프 등을 사용할 수 있다.
이러한 빛(A)은 임의의 패턴형성장치(미도시)에 의해 패턴이 변화할 수도 있는 특징을 지니고 있는데, 상기 패턴형성장치로는 LCD(liquid crystal display), DMD(digital micromirror device) 또는 조리개 등을 이용할 수 있다.
상기 렌즈는 상기 광원으로부터 출력되는 빛(A)을 상기 샘플에 집광한다. 본 발명에서 사용되는 렌즈는 10배, 20배, 40배, 50배 대물렌즈를 사용할 수 있다. 이러한 렌즈는 다수개 일 수 있으며, 상기 광원으로부터 출력된 빛(A)을 집광시키는 렌즈와 상기 샘플을 관찰하기 위한 렌즈는 서로 다른 것일 수 있다.
상기 전압 인가 단계(S20)는 전원장치에 의해서 상기 광전기유체소자(100)에 전압을 인가한다. 상기 전원장치는 교류 전원장치 또는 직류 전원장치일 수 있으며, 교류 전원장치를 사용할 경우 주파수의 전압크기 뿐만 아니라 신호의 모양 및 오프셋(offset) 전압도 조절할 수 있다.
상기 샘플 이동 단계(S30)에서는 상기 전압 인가 단계(S20)를 통해 인가되는 전압에 의해 광전기유체소자 내에 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의해 광전기유체소자 내의 샘플들이 이동한다.
상기 샘플은 미세유체유로로 불리는 공간을 통해 이동하며, 상기 미세유체유로는 샘플이 이동하는 공간으로써, 광-물질 상호작용이 일어나는 공간이다. 여기서 미세유체유로의 높이는 광전도성층과 접지전극 사이에 인가된 전압에 의한 전기장의 세기를 결정하며, 높이가 낮을수록 전기장의 세기는 세어지고, 광전기유체효과에 의한 물질의 밀도 변화 및 광-물질 상호작용에 의한 출력신호 변화는 극대화되는 특징이 있다.
여기서 샘플이란, 고분자성 미세입자, 금속 나노 입자, 반도체 나노 입자, 단백질, DNA 등의 생체분자, 분자가 결합된 미세입자 등 다양한 물질을 포함하는 말로써, 광-물질 상호작용에 의한 출력신호를 통해 검출 및 감지가 가능한 모든 물질을 뜻한다.
특히, 샘플은 이러한 물질들이 증류수, 세포 배양용 배지, PBS 버퍼 등 다양한 액체 방울 속에 존재하도록 제조된 것으로, 상기 미세유체유로 내에 존재하는 액체 방울 내부에서 다양한 광전기유체역학적 효과에 의한 상기 물질들의 이동이 일어나, 광-물질 상호작용에 의한 출력신호가 달라지게 되는 것이다.
상기 광전기유체역학적 효과란 광전도성 층에 빛을 조사함으로써 빛을 받은 특정 부분한 전압이 도통되어, 미세유체유로 내 샘플에 불균일한 전기장이 인가되게 되고, 이로 인해 발생하는 다양한 전기역학적 현상을 뜻한다.
상기 광전기유체역학적 효과에는 유전영동(DEP; dielectrophoresis), 교류 전기삼투(ACEO; AC electroosmosis), 전기영동 (electrophoresis), 정전기적 상호작용 (electrostatic interactions), 유도 전하 전기삼투 (ICEO; induced-charge electroosmosis), 패러데이 짝진 전기삼투 (FCEO; faradaically-coupled electroosmosis) 등이 있다.
상기 유전영동이란, 불균일한 전기장 내에서, 유전체가 전자기 유도현상에 의해 전기 쌍극자(electric dipole)를 띄고, 이것에 의해 힘을 받아 움직이는 현상이다. 이러한 입자의 이동은 입자와 입자 주변의 액체 간의 유전율(permittivity) 차이에 의해 그 방향이 결정되고, 입자의 크기(반지름의 세제곱에 비례) 및 전기장 구배(전기장 제곱의 구배에 비례)의 크기가 그 이동 속도에 영향을 미치게 된다.
상기 유전영동에는 전기장이 약한 방향(빛이 조사된 방향의 반대방향)으로 미세 입자들이 움직이는 음(negative)의 유전영동과 전기장이 강한 방향(빛이 조사된 방향)으로 미세 입자들이 움직이는 양(positive)의 유전영동이 있다. 이러한 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류전압 신호의 주파수 등에 의해 달라질 수 있다.
상기 교류 전기삼투란 불균일한 전기장 내에서, 유체 내부의 이온들이 전극 표면과 액체 계면에 얇은 전기 이중층(electric double layer)을 형성하게 되고, 전압에 의해 형성된 정접 전기장(tangential electric field)의 영향으로 전극 표면을 따라 유체가 이동하는 현상이다.
이러한 전기삼투 현상은 전기장이 센 방향으로 유동을 일으켜 물질들의 빠른 농축을 유도한다. 상기 전기삼투에 의한 농축 특성은 교류전압 신호의 주파수 및 물질 또는 매질의 종류, 크기, 전하량 등 다양한 물리적, 화학적 특성에 의존한다.
상기 정전기적 상호작용이란, 전기장 하에서 유전체에 유도된 전하에 의해 두 개 이상의 개체 사이에 작용하는 힘으로써, 서로 밀어내거나 당기는 특성이 있다. 두 유전물질의 위치가 전기장 방향에 수직한 평면에 평행하게 위치할 때를 제외하고는 서로 당기는 인력이 발생하며, 본 발명에서는 대부분 서로 밀어내는 척력이 광전기유체소자의 출력 신호에 영향을 미친다. 정전기적 상호작용도 유전영동과 마찬가지로, 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류전압 신호의 주파수 등에 의해 달라질 수 있다.
유도전하 전기삼투란, 전기장 내 미세입자에 유도된 전하에 의해 미세입자 표면에서 발생하는 전기삼투 유동으로써, 전극표면에 가까이 위치한 미세입자들을 벽면으로 밀어 조립시키는 특성이 있다. 이러한 현상으로 인해 미세입자들이 자가조립(self-assembly)하여 결정구조(crystal structure)를 지닌 응집체(aggregate)를 이루게 되게 되며, 이로 인해 광전기유체소자의 출력신호가 증가하게 된다.
패러데이 짝진 전기삼투란, 낮은 주파수 영역에서 전극에서의 패러데이 반응 을 무시할 수 없게 되어, 전극 표면에 발생하는 수평성분의 전기장에 의해 발생하는 전기삼투 유동으로써, 전극에 가까이 위치한 미세입자 아래쪽에서 입자들을 위로 떠올리게 되는 상승유동을 발생하는 특성이 있다. 이로 인해, 광전기유체소자의 출력신호가 감소하게 된다.
상기 신호 검출 단계(S40)는 상기 샘플로부터 광-물질 상호작용에 의한 신호가 출력되고, 상기 신호가 검출기에 의해 검출되는 단계이다.
상기 신호 검출 단계(S40)에서는 발광 신호를 측정하고자 하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소한다.
또한, 상기 신호 검출 단계(S40)에서는 흡수 신호를 측정하고자 하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가한다.
또한, 상기 신호 검출 단계(S40)에서는 소멸 효과 또는 자가 소멸 효과를 나타내는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가한다.
상기와 같은 신호 검출 단계(S40)에서의 신호의 검출은 검출기에 의해 이루어진다.
상기 검출기는 상기 샘플로부터 출력된 신호를 측정한다. 상기 검출기는 상기 샘플의 형광(fluorescence) 발광, 파장별 빛 흡수 등의 물질 전자 상태에 의한 신호를 검출하거나, 라만 산란(raman scattering), IR 흡수(infrared acsorption) 등의 물질 진동 상태에 의한 신호를 검출한다.
이러한 검출기는 CCD(charge coupled device), 포토다이오드, 광전자 증백관(photomultiplier tube) 등이 사용되어질 수 있으며, 빛의 파장 분석이 가능한 스펙트로미터(spectrometer)의 특징을 포함할 수 있다.
또한, 상기 검출기는 수신된 신호를 처리하고 저장하여 데이터를 생성하는 신호프로세서(미도시)를 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광전기유체소자의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광전기유체소자에 교류전압을 인가하였을 때 미세유체유로 내에 존재하는 물질들의 이동을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광전기유체소자에 직류전압을 인가하였을 때 미세유체유로 내에 존재하는 물질들의 이동을 도시한 개념도이다.
도 5는 1 um와 5 um 지름 폴리스틸렌 입자들이 섞인 3차 증류수에서 교류 전압 신호의 주파수에 따른 각 입자들의 구동 특성을 나타내는 이미지이다.
도 6은 형광 측정 시스템에서 3차 증류수 내의 100 nm 지름 폴리스티렌 형광 입자의 농축을 시간순으로 나타낸 이미지이다.
도 7은 형광 측정 시스템에서 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 농축을 시간 순으로 나타낸 그래프이다.
도 8은 형광 측정 시스템에서 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 주파수별 거동 특성에 따른 광전기유체소자의 출력 신호의 변화를 시간 순서에 따라 주파수별로 나타낸 그래프이다.
도 9는 형광 측정 시스템에서 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 광전기유체 역학적 거동 분석 결과를 주파수별로 나타낸 그래프이다.
도 10은 주파수에 따라 조절되는 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)의 광 전기유체 소자 내 출력 신호를 시간 순으로 나타낸 그래프이다.
도 11은 형광 측정 시스템에서 광전기유체소자에 인가한 교류 전압 신호 주파수에 따른 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa) 신호의 단면 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법의 순서도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치
100: 광전기유체소자 110: 광전도층
111: 평판 전극 112: 광전도성 물질
113: 중간층 114: 보호층
120: 미세유체유로 130: 접지층
200: 광원 300: 렌즈
400: 검출기 500: 전원장치
600: 제 1미러 700: 제 2미러
800: 필터
A: 빛 B: 전기장
Claims (31)
- 샘플이 위치되는 광전기유체소자와,상기 샘플에 빛을 조사하는 광원과,상기 광원으로부터 출력되는 빛을 상기 샘플에 집광하는 하나 이상의 렌즈와,상기 샘플로부터 출력된 신호를 측정하기 위한 검출기와,상기 광전기유체소자에 전압을 인가하는 전원장치 및상기 광원으로부터 출력된 빛이 상기 광전기유체소자에 조사되도록 하는 제 1 미러와,상기 샘플로부터 출력된 신호가 상기 검출기로 반사되도록 하는 제 2 미러를 를 포함하여 구성되고,상기 검출기는, CCD, 포토다이오드, 광전자 증배관 및 스펙트로미터 중에서 선택되는 어느 하나로 구성되고, 물질 전자 상태 또는 물질 진동 상태에 의한 신호를 검출하며, 상기 물질 전자 상태는 형광 발광 또는 파장별 빛 흡수이고, 상기 물질 진동 상태는 라만 산란 또는 IR 흡수이며,또한, 상기 검출기는, 수신된 신호를 처리하고 저장하여 데이터를 생성하는신호 프로세서를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력신호 조절장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 광전기유체소자는 상기 광원에 의해 빛이 조사되는 영역에만 부분적으로 전압이 도통되는 광전도층;상기 샘플이 위치하는 미세유체유로; 및상기 광전도층에 인가되는 전압으로부터 상기 샘플 내 전기장을 형성하는 접지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 2에 있어서,상기 광전도층은 상기 전원장치를 통하여 전압이 인가되는 평판 전극; 및상기 광원에 의해 빛이 조사되는 영역에만 부분적으로 전압이 도통되는 광전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 3에 있어서,상기 평판 전극은 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판 및 ITO 중 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 3에 있어서,상기 광전도성 물질은 수소화된 진성의 비정질 실리콘, 황화 카드늄 및 npn 포토트랜지스터 중 선택되는 어느하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 3에 있어서,상기 광전도층은 상기 광전도성 물질과 상기 평판 전극 사이에 도핑된 중간층을 더 포함하고, 상기 중간층은 상기 광전도성 물질과 상기 평판 전극 사이의 접촉 저항을 줄이는 것을 특징으로 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 6에 있어서,상기 중간층은 비정실 실리콘 또는 몰리브덴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 3에 있어서,상기 광전도성 물질의 상면에는 과전류로 인한 샘플의 전기분해를 방지하는 보호층을 구비하며, 상기 보호층은 질소화 실리콘 또는 산화 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 2에 있어서,상기 접지층은 금, 알루미늄, 구리, N형 실리콘 기판 및 ITO 중 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 2에 있어서,상기 광전기유체소자는 스페이서 및 미세 채널 구조를 더 포함하며, 상기 스페이서는 상기 광전도층과 상기 접지층을 이격시키고, 상기 미세 채널 구조는 상기 광전도층과 접지층 사이에 상기 미세유체유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 광원은 레이저, 광 초퍼 및 펄스 레이저 중 선택되는 어느하나인 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 샘플은 상기 광원으로부터 빛이 조사되면 물질 전자 상태 또는 물질 진 동 상태에 의한 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 12에 있어서,상기 물질 전자 상태는 형광 발광 또는 파장별 빛 흡수이고, 상기 물질 진동 상태는 라만 산란 또는 IR 흡수인 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
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- 청구항 1에 있어서,상기 광전기유체소자의 위치를 조절하기 위한 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 광원으로부터 출력된 빛을 상기 광전기유체소자 및 상기 샘플에 정확히 집광시키는 보조 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 샘플로부터 출력된 신호를 필터링하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 청구항 22에 있어서,상기 필터는 노치 필터 또는 에지 필터인 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치.
- 광원으로부터 광전기유체소자에 빛을 조사하는 빛 조사단계와,광전도층을 통해 전압을 인가하는 전압 인가단계와,상기 전압인가단계를 통해 인가되는 전압에 의해 광전기유체소자 내에 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의해 광전기유체소자 내의 샘플들이 이동하는 샘플 이동단계와,상기 샘플들로부터 광-물질 상호작용에 의한 신호가 출력되고 상기 신호가 검출기에 의해 검출되는 신호 검출단계를 포함하여 구성되고,상기 신호 검출단계는, 발광 신호를 측정하고자 하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하도록 구성되며,또는, 상기 신호 검출단계는, 흡수 신호를 측정하고자 하는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하도록 구성되며,또는, 상기 신호 검출단계는, 소멸효과 또는 자가 소멸효과를 나타내는 샘플이 빛이 조사된 방향으로 움직이는 경우 신호가 감소하고, 그 반대 방향으로 움직이는 경우 신호가 증가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력신호 조절방법.
- 청구항 24에 있어서,상기 샘플 이동 단계는 전하를 띄지 않는 샘플이 유동에 의해 빛이 조사된 방향 또는 그 반대 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법.
- 청구항 25에 있어서,상기 샘플의 유동은 유전영동, 전기삼투 및 전열현상 중 선택되는 어느 하나 이상에 의한 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법.
- 청구항 24에 있어서,상기 샘플 이동 단계는 전하를 띄고 있는 샘플이 유동에 의해 빛이 조사된 방향 또는 그 반대 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법.
- 청구항 27에 있어서,상기 샘플의 유동은 전기영동에 의한 것을 특징으로 하는 광전기유체소자의 출력 신호 조절 방법.
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Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020080098057A KR101013177B1 (ko) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080098057A KR101013177B1 (ko) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법 |
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| KR1020080098057A KR101013177B1 (ko) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | 광전기유체역학적 효과를 이용한 광전기유체소자의 출력 신호 조절 장치 및 방법 |
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