KR101211092B1

KR101211092B1 - 바이오 채널 시스템

Info

Publication number: KR101211092B1
Application number: KR1020100137237A
Authority: KR
Inventors: 박승한; 이상엽
Original assignee: 한국과학기술연구원; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-12-12
Also published as: KR20120075189A

Abstract

바이오 채널 시스템이 개시된다.
개시된 바이오 채널 시스템은, 금속으로 된 베이스; 상기 베이스에 복수 개의 어퍼쳐가 복수 어퍼쳐 열로 배열된 어퍼쳐 어레이; 상기 어퍼쳐 어레이를 덮도록 상기 베이스 상에 구비된 슬라이드; 상기 슬라이드상에 구비되고, 시료를 수용하기 위해 상기 복수 어퍼쳐 열에 대응되도록 격벽에 의해 구분된 트렌치를 가진 채널;을 포함한다.

Description

바이오 채널 시스템{Bio channel system}

본 발명은 금속 어퍼쳐 어레이를 구비한 바이오 채널 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 어퍼쳐 어레이를 통해 시료의 특성을 관측할 수 있도록 된 바이오 채널 시스템에 관한 것이다.

광학 현미경은 유체 내에 존재하는 생체 시료나 분자 또는 나노 구조의 광 특성을 관측하는 데에 유용한 장치이지만 회절한계 현상으로 인해 분해능에 한계가 있다. 회절한계 현상 때문에 크기가 빛의 파장의 1/2 이하인 물체는 광학적으로 관측할 수 없게 된다. 이러한 회절한계를 극복하고 빛의 파장보다 매우 작은 사이즈를 갖는 물질의 광학적 특성을 측정할 수 있는 근접장 광학 현미경이 등장하게 되었다. 근접장 광학 현미경에서는 빛의 파장보다 작은 개구를 통과한 빛이 이 개구의 크기와 같거나 작은 거리에 있는 시료에 조사되도록 되어 있다. 이는 시료 표면에서부터 빛의 파장보다 작은 거리 내에 있는 근접장은 회절을 일으키지 않는 현상을 이용하여 회절한계 현상을 극복하기 위한 것이다.

따라서, 근접장 광학 현미경에 사용되는 탐침은 관측하고자 하는 시료의 표면에 개구가 매우 가깝게 위치해야 한다. 이러한 근접장 광학 현미경에 사용되는 근접장 광학 탐침으로 가장 널리 알려진 것은 도 1에 도시된 바와 같은 광섬유 근접장 광학 탐침(100)이다. 광섬유 근접장 광학 탐침(100)은 광섬유(102)에 열을 가하여 가늘게 늘리거나 화학 약품으로 식각하여 한쪽 단부를 수십 내지 수백 나노미터의 크기를 갖도록 만든다. 그리고, 상기 광섬유(102)의 외부면으로 빛이 새어나가는 것을 방지하기 위해 광섬유 표면에 금속막(104)을 증착하고 끝부분에 수십 내지 수백 나노미터의 직경을 갖는 개구(105)를 형성한다.

이러한 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 나노구조의 시료(106)의 광학적 특성을 측정하기 위하여 탐침(100)과는 독립적으로 준비된 슬라이드(108)에 시료(106)를 올려놓는다. 그런 다음, 상기 광섬유 근접장 광학 탐침(100)을 상기 시료(106)로부터 수 내지 수십 나노미터 범위까지 근접시킨 뒤 시료(106) 표면에 대해 광을 주사하면서 각 주사 포인트에서의 광신호를 측정하고 이들 광신호를 종합하여 시료에 대한 전체 영상을 얻는다.

그런데, 상기와 같은 광섬유 근접장 광학 탐침은 매우 뾰족한 형태의 광섬유를 형성하여 제작되므로 광학 탐침(100)을 생체와 같이 부드러운 시료에 근접시켜 광신호를 측정할 때 시료를 상하게 하기 쉽다. 또한, 부드러운 시료를 상하지 않도록 하기 위해 광학 탐침(100)을 잡고 시료(106)에 나노미터 거리까지 근접시키기 위한 부대장치 또는 시료로부터의 거리를 일정하게 유지하도록 하기 위한 거리 유지 장치가 매우 정밀해야 하며, 이들 장치들로 인해 근접장 현미경의 부피가 커질 뿐 아니라, 제조 비용이 증가되는 문제점이 있다.

도 2는 마이크로 채널(120)에 담긴 유체(122) 내의 시료(125)를 광학 탐침(100)으로 관찰하는 예를 보인 것이다. 상기 광학 탐침(100)을 이용하여 마이크로 채널(120) 내의 시료(125)를 관찰하기 위해서 광학 탐침(100)을 시료에 가깝게 접근시켜야 하는데 앞서 설명한 바와 같이 광착 탐침을 근접장 내로 접근시키는 것이 어렵다. 또한, 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용한 광학 현미경에서는 시료가 일정 위치에 고정되어 있어야 하기 때문에, 광섬유 근접장 광학 탐침은 마이크로 채널 내의 유동적인 시료를 관측하는데는 부적합할 수 있다.

또한, 근접장 광학 현미경이 주목받는 이유 가운데 하나는 광소자로의 응용가능성인데, 이를 위해서는 도 3에 도시된 바와 같이 복수개의 근접장 광학 탐침(100a)(100b)(100c)을 2차원적으로 배열시키는 기술이 필요하다. 그러나, 광섬유로 제작된 근접장 광학 탐침은 보통 수십 내지 수백 마이크로 미터에 달하는 광섬유 자체의 직경 때문에 광학 탐침 사이의 어레이 간격(g)을 줄이는데 일정한 한계가 있다. 또한, 모든 탐침을 각각 시료(106)와 근접거리로 유지하게 하기 위해서 각 탐침마다 부대 장비가 별도로 구비되어야 하므로 장비가 커지고 매우 복잡하게 된다.

본 발명은 시료의 광학적 특성을 용이하고, 정밀하게 관찰할 수 있는 바이오 채널 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 바이오 채널 시스템은, 금속으로 된 베이스; 상기 베이스에 복수 개의 어퍼쳐가 복수 어퍼쳐 열로 배열된 어퍼쳐 어레이; 상기 어퍼쳐 어레이를 덮도록 상기 베이스 상에 구비된 슬라이드; 상기 슬라이드상에 구비되고, 시료를 수용하기 위해 상기 복수 어퍼쳐 열에 대응되도록 격벽에 의해 구분된 트렌치를 가진 채널;을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어퍼쳐는 나노 미터 단위의 폭을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 슬라이드는 나노 미터 단위의 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 슬라이드는 SiO₂ 또는 Si₃N₄로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 슬라이드는 광학적으로 투명한 재질로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어퍼쳐는 다각형, 원형, 또는 타원형 중 어느 하나의 단면 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어퍼쳐는 베이스의 두께 방향을 따라 일정한 폭을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 금속은 Au, Ag, Pt, Cu, Al, Ti, Ni로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어퍼쳐에 베이스쪽에서 빛이 입사될 때 표면 플라즈몬 폴라리톤이 발생될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 채널의 상부를 덮을 수 있는 슬립 커버가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어퍼쳐 어레이가 채널의 트렌치와 마주 보도록 배열될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어퍼쳐 어레이가 제1 어퍼쳐가 배열된 제1 어퍼쳐열과, 제2 어퍼쳐가 배열된 제2 어퍼쳐열과와, 제3 어퍼쳐가 배열된 제3 어퍼쳐열을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제2 어퍼쳐의 단면 사이즈가 제1 및 제3 어퍼쳐의 단면 사이즈와 다를 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제2 어퍼쳐열을 중심으로 제1 어퍼쳐열과 제3 어퍼쳐열이 대칭적으로 배열될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 채널에 전기 영동 장치가 결합될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어퍼쳐 어레이의 아래쪽에서 광을 조사하는 광원과, 상기 어퍼쳐를 통과해 시료와 작용한 광을 검출하는 것으로 상기 트렌치의 위쪽에 배치된 검출기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 트렌치의 위쪽에서 광을 조사하는 광원과, 상기 트렌치를 통과해 시료와 작용한 광을 검출하는 것으로 상기 어퍼쳐 어레이의 아래쪽에 배치된 검출기를 더 포함할 수 있다.

도 1은 종래의 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 시료의 광학적 특성을 관찰하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 마이크로 채널에 포함된 시료의 광학적 특성을 관찰하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용한 2차원 어레이 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 채널 시스템의 일부 사시도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 채널 시스템의 A-A선 단면도를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 채널 시스템에 구비되는 어퍼쳐의 다양한 예를 도시한 것이다.
도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 채널 시스템에 구비되는 어퍼쳐 어레이의 다양한 예를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 채널 시스템을 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 도 8에 도시된 바이오 채널 시스템에 광원이 더 구비된 예를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오 채널 시스템을 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b는 도 5에 도시된 바이오 채널 시스템에 지지대를 더 구비한 예를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 바이오 채널 시스템에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 채널 시스템은, 도 4를 참조하면 베이스(200)와, 상기 베이스(200) 위의 슬라이드(210)와, 상기 슬라이드(210) 위의 채널(220)을 포함한다. 상기 베이스(200)는 금속으로 형성될 수 있으며, 복수의 어퍼쳐열을 포함하는 어퍼쳐 어레이(209)를 포함할 수 있다. 상기 어퍼쳐열은 복수 개의 어퍼쳐(205)가 일렬로 배열되어 구성될 수 있다. 도 4에서는 상기 어퍼쳐 어레이(209)가 제1 및 제2 어퍼쳐열(206)(207)을 포함하는 예를 도시한 것이다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상의 어퍼쳐열을 다양한 방식으로 배열하는 것도 가능하다.

상기 어퍼쳐(205)는 상기 베이스(200)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 슬라이드(210)는 최소한 어퍼쳐 어레이(209)를 덮도록 배치될 수 있다. 상기 채널(220)은 시료를 수용할 수 있는 적어도 하나의 트렌치를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 트렌치는 상기 어퍼쳐 어레이(209)와 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 적어도 하나의 트렌치는 복수의 어퍼쳐열에 대응되게 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 어퍼쳐열(206)에 대응되는 제1트렌치(215a), 제2어퍼쳐열(207)에 대응되는 제2트렌치(215b)가 구비될 수 있다. 상기 제1트렌치(215a)와 제2트렌치(215b)는 상기 제1 어퍼쳐열(206)과 제2 어퍼쳐열(207) 사이의 상부에 형성된 격벽(217)에 의해 형성될 수 있다. 상기 격벽(217)은 트렌치를 어퍼쳐열을 기준으로 공간 분리하는 역할을 할 수 있다.

도 5는 도 4의 A-A선 단면도를 도시한 것이다. 도 4에서는 유체(211)가 없는 상태를, 도 5에서는 유체(211)가 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)에 수용된 상태를 도시한 것이다. 상기 어퍼쳐(205)는 두께방향(t)을 따라 일정한 폭(w)을 가질 수 있다. 또한, 상기 어퍼쳐(205)는 나노미터 단위의 폭(w)을 가질 수 있다. 어퍼쳐(205)의 폭(w)은 어퍼쳐의 어느 방향으로의 폭이라도 무방하며, 상기 어퍼쳐(205)의 폭(w) 중 적어도 하나가 나노미터 사이즈를 가질 수 있다. 나노미터 단위는 0보다 크고 1㎛보다 작은 범위를 포함할 수 있다.

상기 어퍼쳐(205)는 예를 들어, 다각형, 원 또는 타원형의 단면 형상을 포함할 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니며 다양한 형상으로 변경 가능하다. 도 6a는 어퍼쳐(205a)가 사각형의 단면 형상을 가지는 예를 도시한 것이다. 도 6b는 어퍼쳐(205b)가 삼각형의 단면 형상을 가지는 예를 도시한 것이다. 도 6c는 어퍼쳐(205c)가 원형의 단면 형상을 가지는 예를 도시한 것이다. 상기 어퍼쳐(205a)(205b)(205c)는 소정 간격을 두고 일렬로 배열될 수 있다. 어퍼쳐간 간격은 일정하거나 서로 다르게 배열될 수 있다. 또한, 어퍼쳐열들 사이의 간격도 일정하거나 서로 다르게 배열될 수 있다.

상기 어퍼쳐(205)(205a)(205b)(205c)는 반도체 공정으로 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속으로 된 베이스(200)를 식각하여 어퍼쳐를 형성할 수 있다. 상기 베이스(200)는 예를 들어, Au, Ag, Pt, Cu, Al, Ti, Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 베이스(200)는 Au, Ag, Pt, Cu, Al, Ti, Ni 중 적어도 두 개를 포함하는 합금으로 형성될 수 있음은 물론이다.

상기 슬라이드(210)는 적어도 상기 어퍼쳐(205)(205a)(205b)(205c)를 덮도록 상기 베이스(200) 위에 구비되며, 광학적으로 투명한 재질로 형성된다. 또한, 상기 베이스(200)는 비교적 경도가 높은 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 슬라이드(210)는 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 재질로 형성될 수 있다. 상기 슬라이드(210)는 나노미터 단위의 두께(a)를 가질 수 있다.

상기 채널(220)은 반도체 제조 공정에 의해 용이하게 제작될 수 있으며, 상기 슬라이드(210) 위에 일반적인 반도체 제조 공정에 의해 일괄적으로 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)를 형성할 수 있다. 상기 채널(220)은 유전체, 반도체, 자성체, 또는 금속으로 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b) 내부에 시료(T)를 포함한 유체(211)를 수용하고, 상기 유체(211)를 흐르도록 하면서 상기 적어도 하나의 어퍼쳐(205)를 통해 빛(L)을 조사한다. 상기 빛(L)은 시료(T)와 상호작용한 후 검출기(미도시)에 수광됨으로써 시료의 특성을 알아낼 수 있다. 상기 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)는 마이크로 단위의 폭(n)을 가질 수 있다. 마이크로 단위는 0보다 크고 1mm보다 작은 수치를 나타낼 수 있다. 상기 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)는 유체(211)가 흐르는 통로로 사용된다. 상기 제1 트렌치(215a)는 제1 어퍼쳐열(206)과 마주보도록 배치되며, 상기 제2 트렌치(215b)는 제2 어퍼쳐열(207)을 지나가도록 형성되며, 상부가 개방되게 형성될 수 있다. 상기 유체(211) 내에 존재하는 시료가 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)를 통해 지나갈 때 상기 어퍼쳐(205)를 통해 유체(211)와 함께 이동하는 시료(T)를 관찰할 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 상기 유체(211)를 통해 시료(T)가 유동되도록 함으로써 생체 시료의 광학적 특성을 관찰하는데 유리하게 이용될 수 있다. 도4에서는 상기 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)가 측방향으로 개방되어 있지만, 유체를 수용할 수 있도록 측면이 다양한 형태로 폐쇄될 수 있다. 또는, 유체를 주입할 수 있는 관이 결합되는 것도 가능하다.

한편, 본 발명에서는 어퍼쳐 어레이의 어퍼쳐열의 배열 패턴과 각 어퍼쳐열을 구성하는 어퍼쳐의 사이즈를 다양하게 변형하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 7a를 참조하면, 어퍼쳐 어레이(238)가 제1 어퍼쳐열(235), 제2어퍼쳐열(236), 및 제3어퍼쳐열(237)을 포함할 수 있다. 상기 제1 어퍼쳐열(235)은 제1어퍼쳐(231a)가 일렬로 배열되어 구성되고, 제2 어퍼쳐열(236)은 제2어퍼쳐(231b)가 일렬로 배열되어 구성되고, 제3 어퍼쳐열(237)은 제3어퍼쳐(231c)가 일렬로 배열되어 구성될 수있다. 상기 제1 내지 제3 어퍼쳐(231a)(231b)(23ac)는 서로 동일한 형상과 사이즈를 가질 수 있다. 또는, 상기 제1 내지 제3 어퍼쳐(231a)(231b)(23ac)는 서로 다른 사이즈를 가질 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이 제2 어퍼쳐열(236)을 중심으로 제1 어퍼쳐열(235)과 제3 어퍼쳐열(237)이 대칭적으로 배열되는 것도 가능하다. 또는, 상기 제2어퍼쳐(231b)가 제1 및 제3 어퍼쳐(231a)(231c)보다 큰 사이즈를 가지고, 상기 제1어퍼쳐와 제3어퍼쳐는 같은 사이즈를 가질 수 있다. 또는, 제1 내지 제3 어퍼쳐(231a)(231b)(231c)가 순차적으로 커지는 사이즈를 가지는 것도 가능하다.

또한, 상기 제1 내지 제3 어퍼쳐열(235)(236)(237)에 대응되는 제1 내지 제3 트렌치(215a)(215b)(215c)가 구비될 수 있다. 각 트렌치를 구분하기 위해 트렌치 사이에 제1 및 제2 격벽(217a)(217b)이 형성될 수 있다.

도 7b을 참조하면, 어퍼쳐 어레이(238)가 제1 어퍼쳐열(235), 제2어퍼쳐열(236), 및 제3어퍼쳐열(237)을 포함하고, 제1 어퍼쳐열(235)을 구성하는 제1어퍼쳐(232a), 제2 어펴쳐열(236)을 구성하는 제2 어퍼쳐(232b), 제3 어퍼쳐열(237)을 구성하는 제3 어퍼쳐(232c)가 원형 단면을 가질 수 있다. 제2 어퍼쳐열(236) 양측에 제1 어퍼쳐열(235)과 제2 어퍼쳐열(237)이 대칭적으로 배열될 수 있다. 그리고, 상기 제1 어퍼쳐(232a), 제2 어퍼쳐(232b), 제3 어퍼쳐(232c)가 지그재그로 배열될 수 있다. 또한, 상기 제1 내지 제3 어퍼쳐열(235)(236)(237)에 대응되는 제1 내지 제3 트렌치(215a)(215b)(215c)가 구비될 수 있다. 각 트렌치를 구분하기 위해 트렌치 사이에 제1 및 제2 격벽(217a)(217b)이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 채널 시스템은 일반적인 반도체 공정을 통해 쉽게 제작될 수 있다. 본 발명에 따른 바이오 채널 시스템은 예를 들어 금속 베이스에 e빔에 의해 어퍼쳐(205)을 형성할 수 있다. 이와 같이 하여 나노미터 단위의 폭을 갖는 어퍼쳐를 용이하게 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 바이오 채널 시스템이 광학 현미경에 사용될 때, 상기 어펴쳐의 폭에 의해 분해능이 결정될 수 있다. 어퍼쳐의 폭을 극히 작게 제작하는 것이 반도체 제조 공정에 의해 용이하게 실현될 수 있으므로 분해능을 높일 수 있다. 또한, 어퍼쳐를 두께 방향으로 일정한 폭을 가지도록 형성할 수 있다. 어퍼쳐가 일정한 폭을 가질 때, 이웃하는 어퍼쳐와의 사이의 간격을 작게 할 수 있다. 어퍼쳐 사이의 간격을 작게 함으로써 트렌치(215) 내의 시료를 더욱 정밀하게 관찰할 수 있다.

상기 베이스(200)는 예를 들어 빛이 어퍼쳐(205)를 통해 통과될 때 빛이 베이스(200)를 통해 통과되지 않는 두께(t)를 가질 수 있다. 즉, 상기 베이스(200)는 상기 베이스(200)를 통해 빛이 투과되어 빛이 누출되는 것을 방지할 수 있도록 하는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 두께(t)는 표면 깊이(skin depth) 이상 1㎛ 이하의 범위를 가질 수 있다.

한편, 상기 채널(220)에서는 유전체층을 패터닝할 때 그 패턴을 길다란 도랑 형태로 형성한 다음, 식각함으로써 트렌치를 용이하게 구성할 수 있으며, 상부가 개방된 형태를 가질 수 있다. 하지만, 도 8에서와 같이 유체(211)의 흐름 및 보존을 위해서 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)를 형성한 후 그 윗면에 커버 슬립(cover slip)(225)을 더 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 채널 시스템은 다양한 분야에 응용될 수 있지만, 예를 들어, 광학 현미경에 유리하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 근접장 광학 현미경은 빛의 파장보다 작은 어퍼쳐를 통과한 빛이 이 어펴쳐의 크기와 비슷한 거리에 있는 시료에 조사되도록 하는데, 시료 표면에서부터 빛의 파장보다 작은 거리 내에 국재하는 근접장은 회절한계를 나타내지 않기 때문에 시료에 대한 광학적 특성의 측정이 가능하다. 따라서, 근접장 광학 현미경에 사용되는 탐침은 관측하고자 하는 시료의 표면에서부터 어퍼쳐가 극히 가깝게 위치하여야 한다. 이런 점에서 본 발명에 따른 바이오 채널 시스템은 근접장 광학 현미경에 유립한 구조를 가지고 있다. 본 발명에서는 어퍼쳐(205)와 채널(220)의 트렌치가 슬라이드(210)를 통해 결합되어 있다. 더욱이, 어퍼쳐(205)와 채널(220)이 슬라이드(210)에 고정적으로 결합되어 있다. 따라서, 상기 채널(220)의 트렌치(215a)(215b)에 시료(T)가 포함된 유체(211)를 넣기만 하면 어퍼쳐(205)를 시료에 가깝게 이동시킬 필요도 없이, 자동적으로 상기 어퍼쳐(205)가 근접장 내에 위치하게 되므로 본 발명의 바이오 채널 시스템이 근접장 광학 현미경에 매우 유리하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 채널 시스템은 채널(220)의 트렌치(215)을 통해 유동적인 시료에 대한 광학적 특성을 검사하는데 유용하게 이용될 수 있다.

상기 채널(220)의 제1 및 제2 트렌치(215) 내에서 시료의 운동은 유체역학을 통해 기술할 수 있다. 유체역학에서의 기본적인 운동방정식인 Navier-Stokes 방정식은 다음과 같다.

여기서, P는 유체에 작용하는 압력을, u는 유속을, η는 점성률을,

는 단위 체적당 질량을 나타낸다. 상기 수학식 1은 기본적으로 유체에 적용되는 뉴튼(Newton)의 방정식

라고 볼 수 있다. 여기서, 유체에 작용하는 압력에 대한 그레디언트

와 점성력

에 의해 단위 체적당 유체에 작용하는 힘은, 단위 체적당 질량

에 유체의 가속도를 곱한 양과 같다는 것을 의미한다. 여기서, 정상상태의 유체를 고려하면 시간에 따른 속도 변화량

은 없으므로

이라고 할 수 있다. 한편, 일명 관성력으로 불리는

은

의 단위를 가지고, 점성력은

의 단위를 가진다. 따라서, 관성력에 대한 점성력의 비 Re는

이고, 이를 Reynolds number라고 부른다. 여기서, 표준 경계조건으로서 물체 표면에서는 유체의 흐름이 없다고 가정할 수 있는데, Reynolds number가 매우 작을 때, 즉 관성력이 점성력에 비해 매우 적어서 무시할 수 있을 때 물체 표면에서 미끄러지듯 흐르는 유체운동은 없으므로 이와 같은 경계조건의 가정이 가능하다. 이 경우 유체의 흐름은 압력 분포와 벽면에서의 속도가 0이라는 경계조건에 의해 결정된다. 이러한 유체 흐름을 스톡스 플로우(Stokes flow)라고 하며, 이를 기술하는 방정식은 수학식 1에서 다음과 같은 방정식으로 정리될 수 있다.

이상에 설명한 유체 역학에서의 운동 방정식을 상기 채널(220)의 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b) 내에서의 유체 운동에 적용할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)의 단면의 폭을 n, 높이를 h라 하고, 길이가 무한히 긴 채널을 가정하고, 압력 그레디언트 ▽P는 상수 -G라고 가정한다. 이러한 가정을 이용하여 상기 수학식 2를 변수 분리하면 다음과 같다.

여기서, 경계조건은 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)의 벽면에서의 속도가 0이라는 조건이다. 이를 적용하여 수학식 3을 풀면 다음과 같은 결과를 얻는다.

여기서, 관심있는 속도는 y축에 대해 평균화된 속도이므로 수학식 4에서 y에 대해 평균을 내면 다음과 같다.

상기 결과에서 알 수 있는 바는 상기 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)의 높이(h)가 폭(n)에 비해 작아질수록 속도 gradient가 줄어들어서, 채널의 벽면의 경계부근에 가까운 부분까지도 일정한 속도로 유체가 흐른다는 점이다. 이와 같은 유체 흐름을 플러그 트랜스포트(plug transport)라고 한다.

상기 수학식 5를 이용하면 채널의 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)의 높이(h)가 폭(n)의 십분의 일 정도일 때, 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b) 단면의 양쪽 경계의 10% 정도만을 제외하고 나머지 영역에서는 같은 속도로 유체가 흐름을 알 수 있다. 한편, 제1 및 제2 트렌치(215a)(215b)의 중앙부에서 속도가 최대인데, 이 최대 속도를 u _max 라 하고 체적 유량비를 Q 라고 하면, 이때 필요한 압력 그레디언트(gradient) G를 구할 수 있다.

상기 수학식 6에 의하면, 유체(211)의 속도를 제어하기 위해 필요한 압력은 채널 트렌치(215a)(215b)의 높이(h)와 폭(n)과 점성률, 체적 유량비 등에 의해 결정될 수 있다. 또한, 유체(211)의 속도는 트렌치(215a)(215b)의 높이(h)와 폭(n) 및 체적 유량비(Q)에 의해 조절될 수 있다. 이와 같이 하여 유체(211)의 속도를 일정하게 조절하고, 이 유체(211) 내에 포함된 시료에 대한 광학적 특성을 상기 어퍼쳐(205)를 통해 관찰할 수 있다.

상기 수학식 6은 상기 채널의 트렌치(215)의 단면이 사각형일 때 적용될 수 있다. 하지만, 상기 채널의 트렌치(215a)(215b)의 단면 형상은 여러 가지 형태가 가능하며, 예를 들어 원형이거나 사다리꼴 형태를 가질 수 있다.

도 9를 참조하면, 상기 어퍼쳐(205)의 아래쪽에서 광(L)을 조사하는 광원(240)이 더 구비될 수 있다. 상기 광원(240)에서 조사된 광(L)은 어퍼쳐(205)를 통해 시료(T)를 조명한다. 트렌치(215)의 위쪽에는 검출기(245)가 더 구비될 수 있다. 상기 트렌치(215)와 검출기(245) 사이에는 광을 포커싱하기 위한 렌즈(243)가 더 구비될 수 있다. 상기 시료(T)와 작용한 광은 렌즈(243)를 통해 상기 검출기(245)에 수광된다. 상기 검출기(245)는 예를 들어 CCD(Charged Coupled Device) 또는 ICCD(Intensified Charged Coupled Device)를 포함할 수 있다. 상기 광원(240)이 어퍼쳐(205)를 통해 입사될 때, 금속으로 된 베이스(200)의 표면에 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)이 발생되어 광이 증폭될 수 있다. 또한, 나노 미터 두께의 슬라이드(210)를 사이에 두고 광이 시료(T)에 조사되기 때문에 근접장 효과가 발생될 수 있다. 그럼으로써, 상기 시료(T)의 광학적 특성을 정밀하게 관측할 수 있다. 도 9에서는 커버 슬립(225)이 구비된 예를 도시하였으나, 커버 슬립(225) 없이 광원(240)과 검출기(245)를 설치하는 것도 가능하다.

도 10은 어퍼쳐(205)의 위쪽에 광원(250)이 구비된 예를 도시한 것이다. 광원(250)이 채널(220)의 트렌치(215)의 위쪽에 구비되고, 상기 광원(250)에서 조사된 광이 트렌치(215)에 수용된 시료(T)를 거쳐 어퍼쳐(205)를 통과한다. 상기 어퍼쳐(205)의 아래쪽에 상기 어퍼쳐(205)를 통과한 광을 검출하는 검출기(255)가 구비될 수 있다. 상기 어퍼쳐(205)와 검출기(255) 사이에 광을 집속하기 위한 렌즈(253)가 배치될 수 있다. 상기 검출기(255)는 예를 들어 CCD(Charged Coupled Device) 또는 ICCD(Intensified Charged Coupled Device)를 포함할 수 있다.

한편, 관찰하고자 하는 시료가 전하를 띤 물질일 경우에는 전기영동(electrophoresis)에 의한 운반이 가능하다. 전기영동이란 유체의 양쪽 끝에 전기장을 가함으로써 전하를 띠고 있는 시료를 이동시키는 방법이다. 전기영동 방법은 시료마다 전하 및 크기의 차이로 인해서 이동도(mobility)가 달라 다른 속도로 움직이는 현상을 이용하여 이온, 단백질 및 유전자 분리 등에 많이 사용된다. 도 11에 도시된 바이오 채널 시스템은 어퍼여 어레이 중 하나의 어퍼쳐열의 종단면도를 도시한 것이다. 도 11에 도시된 바이오 채널 시스템은 베이스(300)와, 베이스(300) 위의 슬라이드(305)와, 슬라이드(305) 위의 채널(310)을 포함한다. 상기 베이스(300)에 복수의 어퍼쳐열(304)을 포함하는 어퍼여 어레이(302)가 구비되고, 상기 어퍼쳐열(304)은 복수 개의 어퍼쳐(303)를 포함한다. 상기 채널(310)에는 트렌치(313)가 구비된다. 상기 트렌치(313)에 시료(T)가 포함된 유체(312)가 수용될 수 있다. 상기 채널(310) 위에는 슬립 커버(320)가 더 구비될 수 있다. 그리고, 상기 채널(310)에 전기영동장치(330)가 결합될 수 있다.

전기영동장치(330)에 의해 상기 채널(310)의 트렌치(313) 내의 유체(312)에 포함된 시료(T)의 속도를 조절할 수 있다. 상기 전기영동장치(300)에 의한 유체(312)의 이동 속도와 유체 내에 포함된 시료(T)의 이동 속도는 다음과 같다.

여기에서

는 전하의 이동속도이며,

는 전기영동 이동도,

는 가해진 전기장의 세기이다.

는 주어진 조건과 전하에 대해 일정한 값이며 다음과 같이 표현된다.

여기서,

는 전하량,

는 유체의 점성률,

은 전하의 반경이다.

값은 전하 주변에 있는 반대 전하의 존재 등에 의해 변한다. 상기 수학식 8에서 보는 바와 같이 전기영동 이동도(

)는 전하량이 클수록, 전하의 반경이 작을수록 높다. 상기 전기영동장치(330)에 의해 가해지는 전기장(E), 전하량, 전하의 반경에 의해 시료의 이동 속도를 조절할 수 있다. 하지만, 시료의 이동 속도를 조절하는 방법은 여기에 한정되지 않는다.

상기 채널(225)(310)에 있는 유체(211)(312)의 속도를 상기 수학식 6을 이용하여 압력에 의해 조절하거나 전기영동장치(330)를 이용하여 조절함으로써 시료를 이동시키고, 이동되는 시료를 어퍼쳐 어레이(238)(304)를 통해 관찰한다. 상기 유체(211)(312)가 이동됨에 따라 상기 어퍼쳐 어레이를 통해 시료의 광특성이 관측되는데, 유체(211)(312)가 한 어퍼쳐에서 이웃하는 어퍼쳐까지 이동되면, 유체가 전체적으로 이동되는 효과를 낸다. 따라서, 상기 어퍼쳐 어레이를 통해 관측된 것을 종합하면 유체 내에 흐르고 있는 시료의 전체적인 특성이나 형상을 알아낼 수 있다.

또한, 상기 유체가 흐르는 동안 이웃하는 어퍼쳐를 통해 시료의 동일한 지점에 대한 광특성이 반복되어 관측될 수 있다. 이와 같이 상기 어퍼쳐들을 통해 시료에 대한 광특성이 반복적으로 관측됨으로써 시료의 광특성을 정밀하고, 정확하게 알아낼 수 있다. 본 발명에 따른 바이오 채널 시스템은 생체 시료의 광 특성을 관측할 때 유용하게 적용할 수 있다. 이는 살아 있는(in vivo) 상태의 생체 시료로부터 근접장 광 특성의 측정이 가능하며, 이를 이용한 바이오 광소자로의 응용이 가능하다는 것을 의미한다. 바이오 광소자는 바이오 광센서, 바이오 광메모리, 바이오 광칩 등을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 채널 시스템은 DNA 맵핑(mapping)과 DNA 시퀀싱(sequencing)에 이용될 수 있다.

한편, 도 12a는 도 5에 도시된 바이오 채널 시스템에 지지대(250)를 더 구비한 예를 도시한 것이다. 상기 지지대(250)는 베이스(200)가 외부 환경에 노출되어 손상되는 것을 방지하기 위해 구비될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 채널 시스템이 다른 장치에 결합될 때 결합을 용이하게 할 수 있도록 하기 위해 구비될 수 있다. 상기 지지대(250)는 상기 어퍼쳐(205)들이 개방될 수 있도록 개방부(252)를 포함할 수 있다. 상기 개방부(252)는 하부가 상부보다 넓은 테이퍼 형상을 가질 수 있다.

도 12b는 도 5에 도시된 바이오 채널 시스템에 또 다른 지지대(260)를 구비한 예를 도시한 것이다. 상기 지지대(260)는 어퍼쳐(205)를 개방할 수 있도록 개방부(262)를 가질 수 있다. 상기 개방부(262)는 일정한 폭을 가지는 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 어퍼쳐(205)와 같은 폭을 가질 수 있다.

상기 지지대(250)(260)는 예를 들어 실리콘으로 형성될 수 있으며, 실리콘을 식각하여 개방부(252)(262)를 용이하게 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 바이오 채널 시스템은 금속으로 된 베이스에 어퍼쳐를 구비하하고 있고, 상기 어퍼쳐 주변에 표면 플라즈몬 폴라리톤이 발생된다. 그러므로, 증폭된 광을 시료에 조명할 수 있다. 또한, 어퍼쳐가 채널에 결합되어 있어 근접장 내에 시료를 위치시키는 것이 용이하며, 시료가 고정되지 않고 유동적이어도 검출이 가능하다. 어퍼쳐를 나노 사이즈로 용이하게 형성할 수 있으며, 나노 어퍼쳐를 시료에 근접시킬 필요 없이 그 자체로 시료에 근접된 구조를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 바이오 채널 시스템은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

200,300...베이스,
205,231a,231b,231c,232a,232b,232c,303...어퍼쳐
206,207,235,236,237,304...어퍼쳐열
209,238,302...어퍼쳐 어레이
210,305...슬라이드, 220,310...채널
215,313...트렌치, 225,320...슬립 커버
211,312...유체, 217,217a,217b...격벽
250,260...지지대, T...시료

Claims

금속으로 된 베이스;
상기 베이스에 복수 개의 어퍼쳐가 복수 어퍼쳐 열로 배열된 어퍼쳐 어레이;
상기 어퍼쳐 어레이를 덮도록 상기 베이스 상에 구비된 슬라이드;
상기 슬라이드상에 구비되고, 시료를 수용하기 위해 상기 복수 어퍼쳐 열에 대응되도록 격벽에 의해 구분된 트렌치를 가진 채널;을 포함하고,
상기 어퍼쳐 어레이가 채널의 트렌치와 마주 보도록 배열되는 바이오 채널 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 어퍼쳐는 나노 미터 단위의 폭을 가지는 바이오 채널 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 슬라이드는 나노 미터 단위의 두께를 가지는 바이오 채널 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 슬라이드는 SiO₂ 또는 Si₃N₄로 형성된 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬라이드는 광학적으로 투명한 재질로 형성된 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어퍼쳐는 다각형, 원형, 또는 타원형 중 어느 하나의 단면 형상을 가지는 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어퍼쳐는 베이스의 두께 방향을 따라 일정한 폭을 가지는 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속은 Au, Ag, Pt, Cu, Al, Ti, Ni로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어진 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어퍼쳐에 베이스쪽에서 빛이 입사될 때 표면 플라즈몬 폴라리톤이 발생되는 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널의 상부를 덮을 수 있는 슬립 커버가 더 구비되는 바이오 채널 시스템.
삭제
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어퍼쳐 어레이가 제1 어퍼쳐가 배열된 제1 어퍼쳐열과, 제2 어퍼쳐가 배열된 제2 어퍼쳐열과와, 제3 어퍼쳐가 배열된 제3 어퍼쳐열을 포함하는 바이오 채널 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 제2 어퍼쳐의 단면 사이즈가 제1 및 제3 어퍼쳐의 단면 사이즈와 다른 바이오 채널 시스템
제 12항에 있어서,
상기 제2 어퍼쳐열을 중심으로 제1 어퍼쳐열과 제3 어퍼쳐열이 대칭적으로 배열된 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널에 전기 영동 장치가 결합되는 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어퍼쳐 어레이의 아래쪽에서 광을 조사하는 광원과,
상기 어퍼쳐를 통과해 시료와 작용한 광을 검출하는 것으로 상기 트렌치의 위쪽에 배치된 검출기를 더 포함하는 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트렌치의 위쪽에서 광을 조사하는 광원과,
상기 트렌치를 통과해 시료와 작용한 광을 검출하는 것으로 상기 어퍼쳐 어레이의 아래쪽에 배치된 검출기를 더 포함하는 바이오 채널 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 하부에 지지대가 더 구비되는 바이오 채널 시스템.