KR101192420B1 - 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광도파로 브래그 격자 센서의 브래그 격자 상에 나노구조를 제작하여 초소수성을 유도하여 센서의 민감도를 더욱 향상 시킬 수 있도록 한 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 그 구조는 기판상에 평면채널 광도파로를 갖고 형성되는 클래딩층;상기 평면채널 광도파로상에 서로 다른 생체 물질들을 동시에 검출하기 위하여 서로 다른 주기를 갖고 형성되는 브래그 격자층들을 갖는 코어층;상기 코어층의 브래그 격자상에 형성되는 나노 돌기 구조체;를 포함한다.

Description

집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법{Nanostructured biopolymeric planar waveguide Bragg grating biosensor and Method for fabricating the same}
본 발명은 광도파로 브래그 격자 센서에 관한 것으로, 구체적으로 브래그 격자 상에 나노구조를 제작하여 초소수성을 유도하여 센서의 민감도를 더욱 향상 시킬 수 있도록 한 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
바이오칩 센서는 대개 광센서(optical), 기계적 센서(mechanical), 전기화학적 센서(electrochemical), 그리고 전기적 센서 (electrical)등으로 대별되며, 민감도(sensitivity), 선택성(selectivity), 재현성(repeatability), 소자들의 집적성(integration), 다중 분석(multiplexing/multianalyte), 정량적 측정(quantitative measurement)등의 기능이 요구된다.
현재까지 국내외에서 개발되고 있는 바이오칩 센서의 검출방법에는 주로 형광표지식(fluorophore)과 비형광표지식(label free)등이 있다.
현재까지 많은 DNA 어레이, 단백질 어레이 칩을 위하여 많은 형광검출방법이 개발되고 있지만 이러한 제한과 불편을 해소하지 못하고 있기 때문에, 센서의 편의성, 저렴성, 선택성, 신속성 등의 측면에서 형광물질의 표식이 필요 없이 화학물질을 검출하는 비표지식 바이오검출법(label-free biodetection)이 많이 보고 되어왔다.
그 방법들 중에는 기계적인 방법과 광에 의한 검출방법 등이 있다.
기계적 방법 중에 칸티레버(외팔보)에 고정한 항체와 항원의 결합에 의하여 생긴 표면응력 때문에 발생하는 외팔보의 처짐의 량을 측정하거나 또는 외팔보나 QCM(quartz crystal microbalance)에서 항체와 항원의 결합 시 일어나는 질량의 변화에 따른 공진주파수의 변화를 측정하는 방법 등이 있으나 다중 검출에 한계가 있다.
광에 의한 검출방법에는 광도파로의 소실장(evanescent field)을 사용하여 항체와 항원의 결합 시 일어나는 굴절율의 변화에 의하여 일어나는 물리적 변화를 감지하여 생화학 물질을 검출하는 방법이 있는데, 형광표지식 검출에 의한 바이오칩 센서는 형광(fluorescence)을 검출하기 위해 형광체(fluorophore)를 태그해야 하는 번거러움이 있고 화학발광(chemoluminescence) 검출 방법은 화학반응 시 발광이 있어야 하는 제한이 있다.
따라서 이러한 많은 불편함을 해소하고 금나노입자등을 이용하여 센서의 민감도를 향상하고 있으나 다중분석이 어려운 한계가 있기 때문에 다음과 같은 비표지식 검출 방법이 주목받고 있다.
즉, 광도파로의 코어상에 브래그 격자(Bragg grating)를 임프린팅하여 광을 광도파로 속으로 안내할 때 코어 바깥으로 나오는 소실장(evanescent field)에 의하여, 브래그 격자위에 고정한 프로브(probe)나 항체에 항원이나 타겟 물질이 결합하면 일어나는 광도파로의 유효광굴절율(effective refractive index)의 변화로 인한 브래그 공진 파장의 변화를 검출함으로써 화학반응을 검출하는 방법이 각광 받는 고감도 센서 개념이 되고 있다.
그리고 브래그 격자의 파장을 세분하여 무수히 많은 격자를 새길 수 있기 때문에 다중 분석이 용이하다는 장점이 있으며, 또한 센서의 민감도는 더욱 향상될 수 있는 여지를 가지고 있다.
여기서, 광도파로로 사용되는 유리재료는 광굴절율이 대체로 1.45 근처이며, DNA나 단백질 등의 굴절율이 유리광도파로의 굴절율에 가까운 값을 가진다하더라도 이러한 생화학적 물질을 함유한 용액의 광굴절율은 물의 광굴절율 1.33 에 가깝기 때문에 유리재료 광도파로 바이오센서의 민감도는 대단히 낮아지게 된다.
폴리머 광도파로의 경우도 굴절율이 1.5 정도이기 때문에 마찬가지 결과일 것이다. 이러한 단점을 보완하는 방법으로 화학용액의 광굴절율을 실리카 광도파로의 굴절율 근처로 올려주는 방법이 가능하다.
그러나 만약에 광도파로의 굴절율이 물에 가깝다면 (가령, 1.345) 용액의 굴절율을 올려주지 않더라도 용액속에서의 아주 미소한 광굴절율의 변화에도 센서의 민감도는 아주 크게 된다.
즉, 광도파로 주변 물질의 굴절율의 아주 작은 변화에도 브래그 파장의 변화는 크게 일어난다.
도 1은 실리카 광도파로센서의 주변의 굴절율에 변화에 대한 센서의 민감도를 예시하였는데 광도파로의 주변물질 굴절율이 광도파로의 굴절율 보다 적으면 민감도가 떨어짐을 보여주고 있다.
이상에서와 같이 종래 기술에서는 센서의 민감도 향상을 위하여 여러 가지 방안을 제시하고 있으나, 제조 비용,센서 민감도,정확성,안정성,동시 분석,재현성 등의 여러 가지 요인을 만족시킬 수 있는 기술 개발이 이루어지지 않고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 바이오 칩 센서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 브래그 격자 상에 나노구조를 제작하여 초소수성을 유도하여 센서의 민감도를 더욱 향상 시킬 수 있도록 한 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 바이오 센서부의 바이오 물질과 접촉하는 표면에 나노돌기 구조체를 제작하여 바이오 물질속에 있는 타켓 물질에 접촉되는 표면적을 높여서 미량의 화학물질에 반응하는 고효율, 고감도 센서기능을 향상시킬 수 있도록 한 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 바이오 센서부의 바이오 물질과 접촉하는 표면에 나노돌기 구조체를 제작하여 나노돌기 구조체가 광학적인 반사율을 미세하게 조절하는 역할을 하도록 하여 광학적인 바이오 시그널의 고감도, 고효율을 실현할 수 있도록 한 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 혈액 및 타액(Saliva) 등에서 비표지식 방법으로 바이오마커를 검출하는 방법 및 이를 위한 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 비형광표지식 방법으로 이미징(Planar waveguide grating imaging;PWGI)과 스펙트럼 분석(Planar waveguide grating resonance;PWGR)의 방법을 동시에 사용할 수 있도록 한 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 혈액 및 타액속의 바이오마커를 측정하기 위하여 새로운 초고감도 광도파로 브래그격자 캐비티 센서의 개발과 300um 크기의 닷 어레이가 가능한 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광도파로 브래그 격자 센서의 다중 진단 가능 파장분할식 코우딩 방법 및 이를 적용하기 위한 바이오폴리머 광도파로 및 브래그 격자를 갖는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서는 기판상에 평면채널 광도파로를 갖고 형성되는 클래딩층;상기 평면채널 광도파로상에 서로 다른 생체 물질들을 동시에 검출하기 위하여 서로 다른 주기를 갖고 형성되는 브래그 격자층들을 갖는 코어층;상기 코어층의 브래그 격자상에 형성되는 나노 돌기 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 브래그 격자의 파장은,
Figure 112012048713505-pat00001
이고, 여기서,
Figure 112012048713505-pat00002
는 평면채널 광도파로의 유효굴절율이며, Λ는 브래그 격자의 주기인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 클래딩층은 젤라틴, 코어층은 키토산을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 클래딩층과 코어층의 블랜딩 비율에 따라 평면채널 광도파로의 유효굴절율이 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 나노 돌기 구조체는,생체 물질들과의 센싱시에 초소수성을 유도하고, 생체 물질속에 있는 타켓 물질에 접촉되는 표면적을 높이고, 광학적인 반사율을 조절하는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 생체 물질들의 센싱시에 상기 나노 돌기 구조체를 갖는 브래그 격자상에 생체 질병 표지자의 항체가 SAM(Self Assembled Monolayer) 방법으로 고정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 생체 물질의 반응 신호를 이미징(Planar waveguide grating imaging;PWGI)과 스펙트럼 분석(Planar waveguide grating resonance;PWGR)의 비형광표지식 방법으로 동시에 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서의 제조 방법은 바이오나노 광도파로를 갖는 바이오 센서의 제조를 위하여,기판상에 클래딩층을 형성하고 상기 클래딩층을 선택적으로 식각하여 평면채널 광도파로를 형성하는 단계;상기 평면채널 광도파로를 갖는 클래딩층상에 코어층을 형성하는 단계;상기 평면채널 광도파로상의 코어층을 선택적으로 식각하여 서로 다른 생체 물질들을 동시에 검출하기 위하여 서로 다른 주기를 갖는 브래그 격자층들을 형성하는 단계;상기 브래그 격자상에 나노 돌기 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 평면채널 광도파로를 형성하는 단계는,기판의 표면상에 스핀 코팅 공정으로 젤라틴으로 이루어진 클래딩층을 형성하는 공정과,상기 클래딩층 표면에 포토레지스트를 도포하고 리소그래피 공정으로 패터닝하여 평면채널광도파로 형성 영역을 정의하는 공정과,상기 패터닝된 포토레지스트 패턴을 이용하여 O2플라즈마 식각 공정을 진행하여 노출된 클래딩층을 일정 깊이 식각하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 코어층의 형성 두께는,상기 클래딩층과 코어층의 블랜딩 비율에 따라 달라지는 평면채널 광도파로의 유효굴절율을 기준으로 형성 두께가 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 브래그 격자층들을 형성하는 단계는,레이저 홀로그래피 방법에 의하여 포토레지스트위에 만든 간섭무늬를 만들어 현상(develop)하여 격자 패턴을 식각한 후 O2 플라스마 에칭에 의하여 코어층을 식각하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 나노 돌기 구조체를 형성하는 단계는,상온,상압에서 레이저 조사(ablation)법을 이용하여 원하는 영역만을 선택적으로 개질하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 브래그 격자 상에 나노구조를 제작하여 초소수성을 유도하여 센서의 민감도를 더욱 향상 시킬 수 있다.
둘째, 바이오 물질과 접촉하는 표면에 나노돌기 구조체를 제작하여 바이오 물질속에 있는 타켓 물질에 접촉되는 표면적을 높여서 미량의 화학물질에 반응하는 고효율, 고감도 센싱이 가능하다.
셋째, 바이오 물질과 접촉하는 표면에 나노돌기 구조체를 제작하여 광학적인 반사율을 미세하게 조절할 수 있다.
넷째, 혈액 및 타액(Saliva) 등에서 비표지식 방법으로 바이오마커를 검출하는 방법을 제공한다.
다섯째, 비형광표지식 방법으로 이미징(Planar waveguide grating imaging;PWGI)과 스펙트럼 분석(Planar waveguide grating resonance;PWGR)의 방법을 동시에 사용할 수 있다.
여섯째, 초고속 분석, 초민감성, 정확성, 안정성 확보, 시료 및 시약의 소모량 최소화(~nL), 다종 시료의 동시 분석, 자동화로 인한 높은 재현성을 갖도록 한다.
일곱째, 휴대 가능, 저가, 대량생산 가능이 가능한 DNA 칩, 단백질 칩 등에 의한 진단을 통하여 현장검사를 위한 시스템과 U-헬스 용 센서를 개발하는데 유리하다.
여덟째, 생체물질 분석을 통한 신약개발, 임상병리적인 목적의 분석시스템 분야, 유전자(Gene)의 기능을 밝히기 위한 연구용 칩, 나노입자를 이용한 목표지향형 약물전달 및 치료기술 등의 발달을 촉진할 수 있다.
아홉째, 바이오분야 외에도 광센서 개발을 통하여 광통신 및 광센서 등에 활용되는 나노광소자 기술의 발전에 적용될 수 있다.
도 1은 실리카 광도파로센서의 주변의 굴절율에 변화에 대한 센서의 민감도 그래프
도 2는 본 발명에 따른 광도파로 제조 과정을 나타낸 공정 단면도
도 3은 바이오폴리머 광도파로 브래그 격자상의 항체 고정화 공정을 나타낸 단면도
도 4는 본 발명에 따른 평면광도파로 브래그 격자 캐비티 면역 센서의 구성도
도 5는 본 발명에 따른 생체 물질 반응신호의 PWGI와 PWGR에 의한 동시 검출 과정을 나타낸 구성도
이하, 본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 광도파로 제조 과정을 나타낸 공정 단면도이고, 도 3은 바이오폴리머 광도파로 브래그 격자상의 항체 고정화 공정을 나타낸 단면도이다.
본 발명은 바이오 센서부의 바이오 물질과 접촉하는 표면에 나노돌기 구조체를 제작하여 바이오 물질속에 있는 타켓 물질에 접촉되는 표면적을 높여서 미량의 화학물질에 반응하는 고효율, 고감도 센서기능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서의 제조를 위한 바이오폴리머의 합성 및 특성에 관하여 설명하면 다음과 같다.
젤라틴(gelatin) 및 키토산(chitosan)의 합성 및 블렌드(blend) 과정은 다음과 같다.
키틴(Chitin)으로부터 키토산(chitosan)을 합성하고, 젤라틴, 아세트산 나트륨(sodium acetate)/빙초산 버퍼(glacial acetic acid buffer), NaOH를 사용하여 키토 산과 젤라틴을 10/90, 20/80, 30/70, 40/60, 50/50, 60/40, 70/30, 80/20, 90/10의 배율로 각각 블렌드 하여 30-50oC 온도 범위에서 1.345 정도의 굴절율을 얻을 수 있도록 한다.
그리고 광도파로의 코어층과 클래딩층에 적합한 굴절율을 구하여 제조되는 광도파로의 조건은 다음과 같다.
광도파로의 사양은 코어층의 굴절율 1.345, 클래딩층의 굴절율 1.3414(코어와 클래딩의 굴절율 차이 0.0036)로 광도파로의 유효굴절율은 코어와 클래딩층의 사이에 있다.
그리고 브래그 격자의 사양은 브래그 파장 1550nm, 격자주기 576nm, 격자 깊이 200nm, 격자 길이 1000nm로 하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 공유 결합을 이용한 프로브 고정화는 면역센서를 포함한 바이오센서의 감도 및 장기적 안정성을 위한 것으로, 감지물질인 프로브(probe)와 센서표면의 결합력, 센서표면에서의 프로브의 농도 및 프로브의 배향(orientation)을 고려하여 결정한다.
그리고 바이오폴리머 평면광도파로 및 브래그 광격자의 설계는 다음과 같은 기준으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 개발하고자 하는 광소실장(optical evanescent field)에 기초한 생체신호 검출 칩은 통신분야에서 개발되는 광소자와 호환성을 가지도록 브래그 광격자의 파장이 1550nm이 되도록 설계하는 것이 바람직하다.
그리고 싱글 모드(single mode) 평면채널광도파로를 설계하고, 여러 가지의 다른 생체물질들을 동시에 검출할 수 있도록 브래그주기가 다른(브래그파장이 다른) 여러 개의 브래그 격자를 평면채널광도파로위에 새긴다.
본 발명은 저렴하고 가공이 간편한 폴리머 광도파로를 개발하기 위한 것으로 수학식 1은 브래그격자의 파장과 도파로의 유효굴절율과 격자주기의 관계를 나타낸 것이다.
Figure 112010079908097-pat00003
여기서,
Figure 112012048713505-pat00004
는 광도파로의 유효굴절율이며, Λ는 브래그격자의 주기이다. 주기를 달리하면 여러개의 브래그파장을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는 1550nm 주변의 브래그파장을 쓰기 때문에 바이오폴리머의 굴절율이 1.345 정도의 유효굴절율에 576nm 정도의 격자 주기를 사용한다.
그리고 센서의 민감도를 최대화하기 위하여 oversized 싱글 모드 폴리머 광도파로를 설계하고, 코어와 클래딩의 광굴절율 차이를 크게 하며 광도파로(waveguide)의 크기는 가능한 작게 한다.
그리고 광도파로상에 여러개의 브래그 격자를 새겨 여러개의 센서 멀티플렉싱(Sensor Multiplexing)이 가능하도록 하여 여러개의 물질을 동시에 검출하는 다중 검출이 가능하도록 한다.
이하에서 평면채널광도파로 제조 및 브래그 광격자 임프린팅에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 2에서와 같이, 평면채널광도파로(Planar Chanel Waveguide)의 재료는 폴리머를 사용한다.
먼저, 실리콘(Si) 기판(20)의 표면상에 스핀 코팅 공정으로 젤라틴으로 이루어진 클래딩층(21)을 형성한다.
여기서 클래딩층(21)은 8㎛의 두께를 갖도록 형성한다.
그리고 클래딩층(21) 표면에 포토레지스트를 도포하고 리소그래피 공정으로 패터닝하여 평면채널광도파로 형성 영역(23)을 정의한다.
이어, 상기 패터닝된 포토레지스트 패턴(22)을 이용하여 O2플라즈마 식각 공정을 진행하여 노출된 클래딩층(21)을 일정 깊이 식각하여 평면채널광도파로를 형성한다.
그리고 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 키토산/젤라틴 블랜딩이 이루어지도록 코어 형성용 물질을 도포하여 코어층(24)을 형성한다.
여기서, 클래딩층(21)의 식각된 영역(평면채널광도파로)의 바닥면에서 코어층(24)의 상면 까지의 두께는 2.5㎛의 두께를 갖도록 형성한다.
이어, 상기 코어층(24)의 표면에 포토레지스트를 스핀 코팅하고 격자 패터닝 공정을 진행하여 브래그 격자층(25)을 형성한다.
본 발명의 실시예에서는 브래그 격자층(25)의 깊이를 200nm로 한다.
이와 같은 평면채널광도파로 위에 브래그 격자의 임프린팅은 레이저 홀로그래피 방법에 의하여 포토레지스트위에 만든 간섭무늬를 만들어 현상(develop)하여 격자 패턴을 식각한 후 O2 플라스마 에칭에 의하여 바이오폴리머 코어층(24)을 식각하여 브래그 격자를 제작한다.
이때 격자주기는 간섭을 일으키는 두빔의 입사각에 의하여 조절된다.
그리고 이와 같은 공정으로 제조된 평면광도파로 브래그 격자상에 나노돌기를 제조한다.
나노돌기는 레이저 조사(ablation)법을 이용하는데, 이와 같은 레이저 조사법은 상온,상압에서 공정이 이루어지는 장점이 있고, 원하는 영역만을 선택적으로 개질할 수 있기 때문에 본 발명의 실시예에서는 나노돌기의 제조에 레이저 조사법을 이용한다.
그리고 이와 같은 평면광도파로 브래그 격자상상 생체 질병 표지자의 항체를 고정하는 방법은 다음과 같다.
도 3에서와 같이 SAM(Self Assembled Monolayer) 방법으로 평면광도파로 브래그격자 상에 생체 질병 표지자의 항체를 고정한다.
이와 같은 공정으로 제조된 본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서를 이용한 검출 방법의 일예를 설명하면 다음과 같다.
미오글로빈(Myoglobin) 검출(4ng/ml 농도측정)은 다음과 같다.
모노클로널 항체(monoclonal mouse anti-myoglobin) 그리고 goat anti-mouse IgG conjugated to alkaine phosphatase(AP)를 센서 표면에 고정화하고 혈액속의 미오글로빈(myoglobin)과의 결합할 때 일어나는 광도파로의 유효굴절율의 변화를 읽어 미오글로빈(myoglobin)의 농도를 측정한다.
이때 다른 심근경색 단백질 H-FABP와 TnI 등과의 상호반응성은 일어나지 않는다.
그리고 PSA(Prostate Specific antigen)검출(1ng/ml 농도측정)은 다음과 같다.
Mouse anti-PSA biotin conjugated monoclonal antiboby를 센서표면에 고정하고 혈액속의 PSA와의 결합할 때 일어나는 광도파로의 유효굴절율의 변화를 읽어 PSA의 유무와 농도를 측정한다.
표 1은 검출할 단백질에 따른 항체들을 나타낸 것이다.
Figure 112010079908097-pat00005
도 3은 나노구조가 새겨진 브래그격자 광도파로상의 항체고정화 과정을 나타낸 것이다.
즉, 광도파로 칩 속으로 입사된 광원에 의하여 브래그 격자 센서 표면위에 고정화된 항체가 항원과 결합하여 유도된 광도파로의 유효굴절율의 변화에 의하여 브래그 격자에서 반사되는 반사광의 브래그 격자 파장의 변화를 나타내고 있다.
여기서, 반사광의 브래그 파장은 항원과 결합하기 전보다 약간 변화하므로 이 브래그 파장의 변화량을 검출하여 생체물질들의 반응을 감지한다.
도 4는 본 발명에 따른 평면광도파로 브래그 격자 캐비티 면역 센서의 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 생체 물질 반응신호의 PWGI와 PWGR에 의한 동시 검출 과정을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에 의해 제작된 것으로, 기판(40),매입 산화막(Oxide buried)(41),실리콘층(42)상에 형성된 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서를 나타낸 것이다.
즉, 평면광도파로 브래그격자 캐비티 센서기반 면역센서 원리에 의하여 헥산/단백질 마커를 PWGI(Planar Waveguide Grating Imaging)와 PWGR(Planar Waveguide Grating Resonance)의 방법으로 검출하기 위한 센서의 구조를 나타낸 것이다.
그리고 도 5는 생체 물질 반응신호의 PWGI와 PWGR에 의한 동시 검출 과정을 나타낸 것으로, 핵산 마커 검출은 다음과 같이 이루어진다.
(a) 침에서 mRNA 분리,
(b) cDNA preparation for the array,
(c) RT-PCR,
(d)마이크로어레이 mRNA는 광센서 어레이에서 프로브에 의하여 검출 과정을 갖는다.
그리고 단백질 마커 검출은 PSA, CEA, myoglobin, glucose 등을 면역센서 기반 단백질 어레이를 통하여 검출한다.
그리고 미세유로 칩은 핵산 검출 어레이부와 단백질 마커 검출 어레이 부로 나누어서 제조되고, 능동형 마이크로 펌프 및 마이크로밸브와 PCR를 위한 제어부로 구성된다.
그리고 본 발명에 따른 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서를 집적화하여 바이오검출 신호의 이미징(PWGI)과 스펙트럼 분석(PWGR)을 위한 시스템을 구축하는 것이 가능한데, 도 5에서와 같이 CCD(Charge Coupled Device)를 통하여 브래그 격자로부터 회절된 신호를 통하여 이미징하며, 동시에 공진파장을 파장분석기로 검출한다.
이와 같은 본 발명에 따른 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서는 브래그 격자 상에 나노구조를 제작하여 초소수성을 유도하여 센서의 민감도를 더욱 향상 시킬 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
20. 실리콘 기판 21. 클래딩층
22. 포토레지스트 23. 평면채널광도파로 형성 영역
24. 코어층 25. 격자층

Claims (12)

  1. 기판상에 평면채널 광도파로를 갖고 형성되는 클래딩층;
    상기 평면채널 광도파로상에 서로 다른 생체 물질들을 동시에 검출하기 위하여 서로 다른 주기를 갖고 형성되는 브래그 격자층들을 갖는 코어층;
    상기 코어층의 브래그 격자상에 형성되는 나노 돌기 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 브래그 격자의 파장은,
    Figure 112012048713505-pat00006
    이고,
    여기서,
    Figure 112012048713505-pat00007
    는 평면채널 광도파로의 유효굴절율이며, Λ는 브래그 격자의 주기인 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 클래딩층은 젤라틴, 코어층은 키토산을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 클래딩층과 코어층의 블랜딩 비율에 따라 평면채널 광도파로의 유효굴절율이 결정되는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 돌기 구조체는,
    생체 물질들과의 센싱시에 초소수성을 유도하고, 생체 물질속에 있는 타켓 물질에 접촉되는 표면적을 높이고, 광학적인 반사율을 조절하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 생체 물질들의 센싱시에 상기 나노 돌기 구조체를 갖는 브래그 격자상에 생체 질병 표지자의 항체가 SAM(Self Assembled Monolayer) 방법으로 고정되는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 생체 물질의 반응 신호를 이미징(Planar waveguide grating imaging;PWGI)과 스펙트럼 분석(Planar waveguide grating resonance;PWGR)의 비형광표지식 방법으로 동시에 검출하는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서.
  8. 바이오나노 광도파로를 갖는 바이오 센서의 제조를 위하여,
    기판상에 클래딩층을 형성하고 상기 클래딩층을 선택적으로 식각하여 평면채널 광도파로를 형성하는 단계;
    상기 평면채널 광도파로를 갖는 클래딩층상에 코어층을 형성하는 단계;
    상기 평면채널 광도파로상의 코어층을 선택적으로 식각하여 서로 다른 생체 물질들을 동시에 검출하기 위하여 서로 다른 주기를 갖는 브래그 격자층들을 형성하는 단계;
    상기 브래그 격자상에 나노 돌기 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 평면채널 광도파로를 형성하는 단계는,
    기판의 표면상에 스핀 코팅 공정으로 젤라틴으로 이루어진 클래딩층을 형성하는 공정과,
    상기 클래딩층 표면에 포토레지스트를 도포하고 리소그래피 공정으로 패터닝하여 평면채널광도파로 형성 영역을 정의하는 공정과,
    상기 패터닝된 포토레지스트 패턴을 이용하여 O2플라즈마 식각 공정을 진행하여 노출된 클래딩층을 일정 깊이 식각하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 코어층의 형성 두께는,
    상기 클래딩층과 코어층의 블랜딩 비율에 따라 달라지는 평면채널 광도파로의 유효굴절율을 기준으로 형성 두께가 결정되는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 브래그 격자층들을 형성하는 단계는,
    레이저 홀로그래피 방법에 의하여 포토레지스트위에 만든 간섭무늬를 만들어 현상(develop)하여 격자 패턴을 식각한 후 O2 플라스마 에칭에 의하여 코어층을 식각하는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 나노 돌기 구조체를 형성하는 단계는,
    상온,상압에서 레이저 조사(ablation)법을 이용하여 원하는 영역만을 선택적으로 개질하여 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서의 제조 방법.



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