KR101244326B1

KR101244326B1 - Optical biosensor using optical fiber with metallic nanowire, methods for manufacturing the same and method for detecting biological material using the same

Info

Publication number: KR101244326B1
Application number: KR1020120149279A
Authority: KR
Inventors: 김길환; 안진수; 임선도; 이관일; 이상배
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-03-18
Also published as: KR20130014463A

Abstract

광 바이오 센서는, 코어 영역; 상기 코어 영역을 둘러싸는 클래딩 영역; 상기 클래딩 영역에 삽입된 금속 나노선; 및 상기 클래딩 영역에 형성되며 바이오 물질이 주입되도록 구성된 홀을 포함할 수 있다. 상기 광 바이오 센서를 이용하면, 광섬유 내부의 금속 나노선에 의해 광섬유 자체에서 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance; SPR)을 발생시키고, 표면 플라즈몬 공진에 의한 피크 파장의 변화를 이용하여 홀 내에 삽입된 바이오 물질을 검출할 수 있다.The optical biosensor includes a core region; A cladding region surrounding the core region; A metal nanowire inserted into the cladding region; And a hole formed in the cladding region and configured to inject the biomaterial. When the optical biosensor is used, a surface plasmon resonance (SPR) is generated in the optical fiber itself by metal nanowires inside the optical fiber, and bio-inserted in the hole using a change in the peak wavelength due to the surface plasmon resonance. The substance can be detected.

Description

Optical biosensor using optical fiber with metal nanowires, manufacturing method thereof, and biomaterial detection method using the same

실시예들은 금속 나노선이 삽입된 광섬유를 이용한 광 바이오 센서, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 바이오 물질 검출 방법에 관한 것이다. Embodiments relate to an optical biosensor using an optical fiber with a metal nanowire inserted therein, a method for manufacturing the same, and a method for detecting a biomaterial using the same.

바이오 센서는, 특정 물질에 대해서 인식 기능을 가지는 생물학적 수용체가 전기적 또는 광학적 변환기와 결합되어, 생물학적 상호작용 및 인식 반응을 전기적 또는 광학적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 소자를 일컫는다. 바이오 센서에 의해 바이오 물질의 유무 및 농도의 변화 등을 검출할 수 있으므로, 바이오 센서는 의료, 환경, 식품 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 바이오 센서에 의해 감지할 수 있는 물질에는 DNA, 항원, 항체, 혈당 등의 단백질 및 화학 물질 등이 포함된다. A biosensor is a device that can selectively detect a substance to be analyzed by combining a biological receptor having a recognition function with a specific material with an electrical or optical transducer and converting a biological interaction and a recognition response into an electrical or optical signal. It is called. Since the biosensor can detect the presence or absence of a biomaterial and a change in concentration, the biosensor is applied to various fields such as medical care, environment, and food. Substances that can be detected by the biosensors include proteins such as DNA, antigens, antibodies, blood sugar, and chemicals.

최근에는, 단백질에 형광 물질을 결합시킨 후 형광도를 측정하여 바이오 물질을 검출하는 라벨(label) 방식보다, 형광 물질을 사용하지 않고도 간단하고 빠르게 바이오 물질을 검출할 수 있는 라벨-프리(label-free) 방식의 바이오 센서에 대한 연구가 이루어지고 있다. 라벨-프리 방식의 바이오 센서 중에서도 측면 연마된 광섬유(side-polished fiber)에 장주기 격자를 형성한 바이오 센서, 광자결정 광섬유에 장주기 격자를 형성한 바이오 센서 등 광학적으로 바이오 물질을 검출하기 위한 연구가 진행되고 있다. Recently, a label-free method can be used to detect biomaterials simply and quickly without using fluorescent materials, rather than labeling biomaterials by measuring fluorescence after binding fluorescent materials to proteins. Research on free type of biosensor is being conducted. Among the label-free biosensors, research has been conducted to optically detect biomaterials such as biosensors in which long-period gratings are formed on side-polished fibers and biosensors in which long-period gratings are formed on photonic crystal fibers. It is becoming.

그러나, 광자결정 광섬유에 장주기 격자를 형성한 바이오 센서는 광자결정 광섬유의 특성 상 장주기 격자를 자외선(UV) 조사 방법으로 손쉽고 일정하게 제작할 수는 없다. 또한, 클래딩 영역에 위치한 공기 구멍의 크기가 현저하게 작아 민감도가 제약되는 문제점이 있다. 한편, 측면 연마된 광섬유에 장주기 격자를 형성한 바이오 센서는, 코어 부분에 가깝게 광섬유를 측면 연마하여야 하는 어려운 과정을 요하며, 반도체 공정과 유사하고 복잡한 격자 제작 과정으로 인해 시간 및 비용이 많이 들게 된다. 또한, 광섬유의 측면 연마 과정에서 광섬유에 곡률이 존재하기 때문에, 바이오 센서에서 실제로 바이오 물질을 감지할 수 있는 센싱부의 길이는 약 1 cm 정도에 불과하여 민감도가 제약되는 문제점이 있다. However, biosensors having a long period grating formed on a photonic crystal optical fiber cannot easily and consistently manufacture the long period grating by an ultraviolet (UV) irradiation method due to the characteristics of the photonic crystal optical fiber. In addition, there is a problem that the sensitivity of the air holes located in the cladding region is significantly smaller in size. On the other hand, a biosensor having a long period lattice formed on a side polished optical fiber requires a difficult process of side polishing the optical fiber close to the core part, and it is time-consuming and expensive due to a complicated lattice fabrication process similar to the semiconductor process. . In addition, since the curvature is present in the optical fiber during the side polishing process of the optical fiber, the sensing unit that can actually detect the bio-material in the biosensor is only about 1 cm, there is a problem that the sensitivity is limited.

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 나노선이 삽입된 광섬유를 이용하여 광섬유 자체에서 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance)이 발생되므로, 복잡하고 비용이 많이 드는 반도체 공정 또는 격자 제작 과정을 필요로 하지 않는 광 바이오 센서를 제공할 수 있다. 또한, 상기 광 바이오 센서의 제조 방법 및 상기 광 바이오 센서를 이용하여 수행될 수 있는 바이오 물질 검출 방법을 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, since surface plasmon resonance is generated in the optical fiber itself by using the optical fiber in which the metal nanowires are inserted, it does not require a complicated and expensive semiconductor process or a lattice fabrication process. An optical biosensor can be provided. In addition, it is possible to provide a method of manufacturing the optical biosensor and a biomaterial detection method that may be performed using the optical biosensor.

일 실시예에 따른 광 바이오 센서는, 코어 영역; 상기 코어 영역을 둘러싸는 클래딩 영역; 상기 클래딩 영역에 삽입된 금속 나노선; 및 상기 클래딩 영역에 형성되며 바이오 물질이 주입되도록 구성된 홀을 포함할 수 있다.According to an embodiment, an optical biosensor includes: a core region; A cladding region surrounding the core region; A metal nanowire inserted into the cladding region; And a hole formed in the cladding region and configured to inject the biomaterial.

일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법은, 코어 영역 및 상기 코어 영역을 둘러싸는 클래딩 영역을 포함하는 광섬유 모재를 준비하는 단계; 상기 클래딩 영역에 제1 홀 및 제2 홀을 형성하는 단계; 상기 제1 홀 내에 금속을 삽입하는 단계; 및 상기 광섬유 모재 및 상기 금속을 광섬유로 연신하는 단계를 포함할 수 있다.According to one or more exemplary embodiments, a method of manufacturing an optical biosensor includes: preparing an optical fiber base material including a core region and a cladding region surrounding the core region; Forming a first hole and a second hole in the cladding region; Inserting a metal into the first hole; And stretching the optical fiber base material and the metal into an optical fiber.

또 다른 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법은, 제1 막대, 금속이 삽입된 제2 막대 및 복수 개의 유리 막대를 미리 결정된 형상으로 배열하되, 상기 미리 결정된 형상은 홀을 포함하며, 상기 제2 막대는 상기 제1 막대에 인접하여 위치하고, 상기 홀은 상기 제2 막대에 인접하여 위치하도록 배열하는 단계; 상기 제1 막대, 상기 제2 막대 및 상기 복수 개의 유리 막대를 튜브 내에 삽입하는 단계; 및 상기 제1 막대, 상기 제2 막대, 상기 복수 개의 유리 막대 및 상기 튜브를 광섬유로 연신하는 단계를 포함할 수 있다.In another embodiment, a method of manufacturing an optical biosensor includes: arranging a first bar, a second bar into which a metal is inserted, and a plurality of glass bars into a predetermined shape, wherein the predetermined shape includes a hole; Arranging the two bars to be adjacent to the first bar and the holes to be adjacent to the second bar; Inserting the first rod, the second rod and the plurality of glass rods into a tube; And stretching the first rod, the second rod, the plurality of glass rods, and the tube into an optical fiber.

일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 방법은, 코어 영역, 상기 코어 영역을 둘러싸는 클래딩 영역, 상기 클래딩 영역에 삽입된 금속 나노선 및 상기 클래딩 영역에 형성된 홀을 포함하는 광섬유를 제공하는 단계; 상기 홀 내에 바이오 물질을 주입하는 단계; 상기 코어 영역에 광신호를 입사시키는 단계; 입사된 광신호로부터 상기 코어 영역과 상기 금속 나노선의 상호 작용에 의한 표면 플라즈몬 공진을 발생시키는 단계; 및 상기 코어 영역을 통과한 광신호를 측정함으로써 상기 바이오 물질을 검출하는 단계를 포함할 수 있다. According to one or more exemplary embodiments, a method of detecting a biomaterial includes: providing an optical fiber including a core region, a cladding region surrounding the core region, a metal nanowire inserted into the cladding region, and a hole formed in the cladding region; Injecting a biomaterial into the hole; Injecting an optical signal into the core region; Generating a surface plasmon resonance due to the interaction of the core region with the metal nanowire from the incident optical signal; And detecting the biomaterial by measuring an optical signal passing through the core region.

본 발명의 일 측면에 따르면, 광섬유 내부에 금속 나노선을 삽입함으로써 광섬유 자체에서 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance; SPR)을 발생시키고, 광섬유에 형성된 홀 내에 바이오 물질을 삽입하여 검출하는 방식의 광 바이오 센서를 제공할 수 있다. 또한, 이상과 같이 구성된 광 바이오 센서의 제조 방법 및 상기 광 바이오 센서를 이용하여 수행될 수 있는 바이오 물질 검출 방법을 제공할 수 있다. 본 발명의 다양한 측면들은 각종 광섬유 소자 및 센서, 또는 기타 여러 응용 분야에서 활용될 수 있다. According to an aspect of the present invention, by inserting a metal nanowire inside the optical fiber to generate a surface plasmon resonance (SPR) in the optical fiber itself, the optical bio-type of the method of inserting and detecting a bio material in the hole formed in the optical fiber A sensor can be provided. In addition, it is possible to provide a method of manufacturing the optical biosensor configured as described above and a biomaterial detection method that can be performed using the optical biosensor. Various aspects of the present invention may be utilized in a variety of optical fiber devices and sensors, or in many other applications.

도 1은 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 단면도이다.
도 2a 내지 2c는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 광 바이오 센서의 제조 방법에 따라 적층된 광섬유 모재의 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법에서 적층된 유리 막대를 나타내는 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법에서 광섬유 연신 과정을 나타내는 개략도이다.
도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용한 굴절률 측정 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 7a는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용하여 항원을 검출하기 위한 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7b 및 7c는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용하여 항원을 검출한 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 8a는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용하여 DNA를 검출하기 위한 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8b 및 8c는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용하여 DNA를 검출한 결과를 나타내는 그래프들이다. 1 is a cross-sectional view of an optical biosensor according to an embodiment.
2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment.
3A is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment.
3B is a cross-sectional view of the optical fiber base material stacked according to the manufacturing method of the optical biosensor shown in FIG. 3A.
4 is a perspective view illustrating laminated glass bars in a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment.
5 is a schematic diagram illustrating an optical fiber drawing process in a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment.
6A and 6B are graphs illustrating a refractive index measurement result using an optical biosensor according to an embodiment.
7A is a cross-sectional view illustrating a structure for detecting an antigen using an optical biosensor according to an embodiment.
7B and 7C are graphs illustrating a result of detecting an antigen using an optical biosensor according to an embodiment.
8A is a cross-sectional view illustrating a configuration for detecting DNA using an optical biosensor according to an embodiment.
8B and 8C are graphs illustrating a result of DNA detection using an optical biosensor according to an embodiment.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 사시도이다. 1 is a perspective view of an optical biosensor according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 광 바이오 센서는 코어(core) 영역(10) 및 코어 영역(10)을 둘러싸는 클래딩(cladding) 영역(20)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 코어 영역(10)은 게르마늄(Ge)을 포함하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 코어 영역(10)은 코어 영역(10) 및 클래딩 영역(20)을 구성하는 모재인 유리 또는 실리카(silica)에 게르마늄 산화물(GeO₂)이 첨가된 영역일 수 있다. 클래딩 영역(20)은 금속 나노선(21) 및 홀(22)을 포함할 수 있다. 금속 나노선(21) 및 홀(22)은 클래딩 영역(20)을 길이 방향으로 관통하여 위치할 수 있다. Referring to FIG. 1, the optical biosensor may include a core region 10 and a cladding region 20 surrounding the core region 10. In one embodiment, the core region 10 may include germanium (Ge). For example, the core region 10 may be a region in which germanium oxide (GeO ₂ ) is added to glass or silica, which is a base material constituting the core region 10 and the cladding region 20. The cladding region 20 may include metal nanowires 21 and holes 22. The metal nanowires 21 and the holes 22 may be positioned to penetrate the cladding region 20 in the longitudinal direction.

일 실시예에서, 금속 나노선(21)은 금(Au), 은(Ag) 또는 다른 적당한 금속성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 금속 나노선(21)의 단면 직경(d₁)은 약 10 ㎛ 이하일 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 금속 나노선(21)과 코어 영역(10) 사이의 간격은 약 10 ㎛ 이하일 수 있다. 그러나 이는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 금속 나노선(21)의 재질, 형상, 크기 및/또는 배치는 광 바이오 센서의 크기 및 용도 등을 고려하여 당업자에 의해 적절하게 결정될 수 있다. In one embodiment, the metal nanowires 21 may be made of gold (Au), silver (Ag) or other suitable metallic material. In addition, in one embodiment, the cross-sectional diameter (d ₁ ) of the metal nanowire 21 may be about 10 μm or less. Also, in one embodiment, the spacing between the metal nanowires 21 and the core region 10 may be about 10 μm or less. However, this is merely exemplary, and in other embodiments, the material, shape, size, and / or arrangement of the metal nanowires 21 may be appropriately determined by those skilled in the art in consideration of the size and use of the optical biosensor.

홀(22)은 광 바이오 센서를 이용하여 검출하고자 하는 바이오 물질이 삽입되도록 구성된 부분이다. 일 실시예에서, 홀(22)의 단면 직경(d₂)은 수십 ㎛ 이상일 수 있다. 예를 들어, 홀(22)의 단면 직경(d₂)은 약 20 ㎛ 이상일 수도 있다. 또한, 홀(22)은 금속 나노선(21)에 인접하여 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 금속 나노선(21)과 홀(22) 사이의 간격은 약 5 ㎛ 이하일 수도 있다. 그러나 이는 단지 예시적인 것으로서, 홀(22)의 형상, 크기 및/또는 배치는 광 바이오 센서의 크기 및 용도 등을 고려하여 당업자에 의해 적절하게 결정될 수 있다.The hole 22 is a portion configured to insert a biomaterial to be detected using an optical biosensor. In one embodiment, the cross-sectional diameter d ₂ of the hole 22 may be several tens of micrometers or more. For example, the cross-sectional diameter d ₂ of the hole 22 may be about 20 μm or more. In addition, the holes 22 may be located adjacent to the metal nanowires 21. In one embodiment, the spacing between the metal nanowires 21 and the holes 22 may be about 5 μm or less. However, this is merely exemplary, and the shape, size, and / or arrangement of the holes 22 may be appropriately determined by those skilled in the art in consideration of the size and use of the optical biosensor.

이상과 같이 구성된 광 바이오 센서에서는, 코어 영역(10)을 통해 진행하는 빛에 의하여 금속 나노선(21)의 표면에 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance; SPR)을 발생시킬 수 있다. 광신호는 코어 영역(10) 내에서 전반사되며 전파되나, 코어 영역(10)과 금속 나노선(21)이 충분히 인접하여 위치할 경우 특정 파장의 광신호가 금속 나노선(21)에서 표면 플라즈몬 공진을 발생시킬 수 있다. 따라서, 광신호의 출력단에서 코어 영역(10)을 투과한 광신호의 세기를 측정할 경우, 표면 플라즈몬 공진이 발생되는 특정 공진 파장에서 광신호가 반사되지 않아 투과율이 감소하게 되며, 이는 투과 스펙트럼상의 손실로 나타난다.In the optical biosensor configured as described above, surface plasmon resonance (SPR) may be generated on the surface of the metal nanowire 21 by the light traveling through the core region 10. The optical signal is totally reflected and propagated in the core region 10, but when the core region 10 and the metal nanowire 21 are sufficiently adjacent to each other, an optical signal having a specific wavelength causes surface plasmon resonance at the metal nanowire 21. Can be generated. Therefore, when measuring the intensity of the optical signal transmitted through the core region 10 at the output end of the optical signal, the optical signal is not reflected at a specific resonance wavelength at which the surface plasmon resonance occurs, the transmittance is reduced, which is a loss in the transmission spectrum Appears.

한편, 광신호가 금속 나노선(21)에서 표면 플라즈몬 공진을 발생시키는 공진 파장은, 금속 나노선(21)이 삽입된 클래딩 영역(20)의 유효 굴절율에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다. 이때, 금속 나노선(21)은 바이오 물질이 삽입되도록 구성된 홀(22)과 인접하여 위치하며, 홀(22) 내에 특정 바이오 물질(미도시)을 삽입하게 되면, 홀(21) 내부가 비어있거나 소정의 버퍼(buffer) 물질로 채워져 있는 경우와 비교하면 클래딩 영역(20)의 유효 굴절률이 변화하게 된다. 그 결과, 표면 플라즈몬 공진이 발생되는 공진 파장이 해당 바이오 물질로 인해 이동하게 된다. 따라서, 코어 영역(10)을 통과한 광신호의 스펙트럼 중 표면 플라즈몬 공진으로 인해 투과율이 낮게 나타나는 피크 파장의 변화를 측정함으로써 바이오 물질의 유무, 종류 및/또는 양 등을 검출할 수 있다.On the other hand, the resonance wavelength at which the optical signal causes surface plasmon resonance in the metal nanowires 21 is determined based at least in part on the effective refractive index of the cladding region 20 in which the metal nanowires 21 are inserted. In this case, the metal nanowire 21 is located adjacent to the hole 22 configured to insert the biomaterial, and when a specific biomaterial (not shown) is inserted into the hole 22, the inside of the hole 21 is empty or The effective refractive index of the cladding region 20 changes as compared to the case where it is filled with a predetermined buffer material. As a result, the resonance wavelength at which the surface plasmon resonance occurs is shifted due to the biomaterial. Therefore, the presence, type, and / or amount of the biomaterial can be detected by measuring a change in the peak wavelength of which the transmittance is low due to surface plasmon resonance in the spectrum of the optical signal passing through the core region 10.

도 2a 내지 2c는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment.

도 2a를 참조하면, 먼저 코어 영역(10) 및 클래딩 영역(20)을 포함하는 광섬유 모재를 준비할 수 있다. 상기 광섬유 모재는 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber; SMF) 또는 다른 상이한 종류의 광섬유일 수 있다. Referring to FIG. 2A, an optical fiber base material including a core region 10 and a cladding region 20 may be prepared first. The optical fiber base material may be a single mode fiber (SMF) or another different kind of optical fiber.

도 2b를 참조하면, 광섬유 모재의 클래딩 영역(20)에 두 개의 홀(22, 23)을 형성할 수 있다. 하나의 홀(23)은 금속이 삽입될 부분으로서, 상기 홀(23)은 코어 영역(10)에 인접하여 형성될 수 있다. 또한, 다른 홀(22)은 검출 대상 바이오 물질이 삽입될 부분으로서, 상기 홀(22)은 전술한 금속이 삽입될 홀(23)에 인접하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2B, two holes 22 and 23 may be formed in the cladding region 20 of the optical fiber base material. One hole 23 is a portion into which a metal is to be inserted, and the hole 23 may be formed adjacent to the core region 10. In addition, the other hole 22 is a portion into which the biomaterial to be detected is to be inserted, and the hole 22 may be formed adjacent to the hole 23 into which the aforementioned metal is to be inserted.

도 2c를 참조하면, 클래딩 영역(20)에 형성된 홀(23) 내에 금속(21)을 삽입할 수 있다. 삽입되는 금속(21)으로는 금(Au), 은(Ag) 또는 다른 적당한 금속성 물질이 사용될 수 있다. 다음으로, 금속(21)이 삽입된 광섬유 모재를 광섬유로 연신할 수 있다. 예컨대, 광섬유 모재는 소정의 인수 장치(미도시)에 의하여 인수되어 하방으로 이동하면서 일련의 롤러(미도시) 사이를 통과함으로써 가늘게 만들어져 광섬유로 연신될 수 있다. 또한, 광섬유를 연신하는 동안 광섬유 모재를 가열하고 그 내부를 감압함으로써, 최종 광섬유에서 유리 또는 실리카로 이루어지는 부분과 금속(21)사이에 유격이 발생하지 않고 서로 밀착되도록 할 수 있다.Referring to FIG. 2C, the metal 21 may be inserted into the hole 23 formed in the cladding region 20. As the metal 21 to be inserted, gold (Au), silver (Ag) or other suitable metallic material may be used. Next, the optical fiber base material into which the metal 21 is inserted can be stretched into an optical fiber. For example, the optical fiber base material can be made thin by drawing through a series of rollers (not shown) while being taken down by a predetermined take-up device (not shown) and moved downward to be drawn into an optical fiber. In addition, by stretching the optical fiber base material and depressurizing the inside of the optical fiber while stretching, the gap between the glass 21 or the portion made of glass and silica and the metal 21 in the final optical fiber can be brought into close contact with each other without generation.

도 3a는 또 다른 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도이다. 3A is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing an optical biosensor according to still another embodiment.

도 3a를 참조하면, 복수 개의 유리 막대(40)를 미리 결정된 형상으로 배열할 수 있다. 일 실시예에서, 복수 개의 유리 막대(40)는 육각형 형상으로 적층될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 복수 개의 유리 막대(40) 중 하나 또는 그 이상의 유리 막대(40)는 제1 막대(30)로 대체될 수 있다. 예를 들어, 육각형 형상의 중심 부분에 위치한 유리 막대(40)를 제1 막대(30)로 대체할 수 있다. 제1 막대(30)는 추후 광섬유에서 코어 영역에 대응되는 부분으로서, 일 실시예에서 제1 막대(30)는 게르마늄을 포함하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 막대(30)는 유리 또는 실리카에 게르마늄 산화물(GeO₂)이 도핑되어 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3A, the plurality of glass bars 40 may be arranged in a predetermined shape. In one embodiment, the plurality of glass rods 40 may be stacked in a hexagonal shape, but is not limited thereto. Meanwhile, one or more glass rods 40 of the plurality of glass rods 40 may be replaced with the first rod 30. For example, the glass rod 40 located at the center portion of the hexagon shape may be replaced with the first rod 30. The first rod 30 is a portion corresponding to the core region in the optical fiber later, in one embodiment, the first rod 30 may include germanium. For example, the first rod 30 may be formed by doping germanium oxide (GeO ₂ ) to glass or silica.

또한, 복수 개의 유리 막대(40) 중 제1 막대(30)와 인접한 하나 또는 그 이상의 유리 막대(40)는 제2 막대(41)로 대체될 수 있다. 제2 막대(41)에는 금속(410)이 삽입되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제2 막대(41)는 금(Au), 은(Ag) 또는 다른 적당한 금속성 물질이 삽입되어 있는 모세관 튜브(capillary tube)일 수 있다. 제2 막대(41)는 사전에 금속(410)이 삽입되어 제작된 후 제1 막대(30)에 인접하여 배치되거나, 또는 제1 막대(30)에 인접한 하나 또는 그 이상의 유리 막대(40)를 속이 빈 유리 튜브로 교체하여 1차 인장한 후 1차 인장된 광섬유 모재에서 유리 튜브 내에 금속성 물질을 삽입하여 형성될 수도 있다. In addition, one or more glass bars 40 adjacent to the first bar 30 of the plurality of glass bars 40 may be replaced by a second bar 41. The metal 410 may be inserted into the second bar 41. For example, the second rod 41 may be a capillary tube into which gold (Au), silver (Ag) or other suitable metallic material is inserted. The second bar 41 is disposed adjacent to the first bar 30 after the metal 410 has been inserted and manufactured in advance, or the one or more glass bars 40 adjacent to the first bar 30 are formed. It may be formed by inserting a metallic material into the glass tube in the primary tensile optical fiber base material after the primary tension by replacing the hollow glass tube.

한편, 복수 개의 유리 막대(40)는 제2 막대(41)와 인접한 영역에 홀(42)이 형성되도록 배열될 수 있다. 이는 홀(42)에 대응되는 영역에 유리 막대(40)를 배치하지 않거나, 또는 홀(42)에 대응되는 영역의 유리 막대(40)를 하나의 유리 튜브로 대체하는 방법 등에 의하여 수행될 수 있다. Meanwhile, the plurality of glass bars 40 may be arranged such that the hole 42 is formed in an area adjacent to the second bar 41. This may be performed by not disposing the glass rod 40 in the region corresponding to the hole 42 or replacing the glass rod 40 in the region corresponding to the hole 42 with one glass tube. .

이상과 같이 배열된 제1 막대(30), 제2 막대(41) 및 복수 개의 유리 막대(40)는 연신을 위하여 튜브(50) 내에 삽입될 수 있다. 상기 튜브(50)는 유리, 실리카 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수 있다. 제1 막대(30), 제2 막대(41) 및 복수 개의 유리 막대(40)가 삽입된 상태에서 상기 튜브(50)를 가열 및 감압하여 광섬유로 연신할 수 있다. 구체적인 연신 과정에 대해서는 본 발명의 기술분야의 당업자에게 용이하게 이해될 수 있으므로 자세한 설명을 생략한다.The first bar 30, the second bar 41, and the plurality of glass bars 40 arranged as described above may be inserted into the tube 50 for stretching. The tube 50 may be made of glass, silica or other suitable material. In the state where the first bar 30, the second bar 41, and the plurality of glass bars 40 are inserted, the tube 50 may be heated and decompressed to extend the optical fiber. Specific drawing process will be easily understood by those skilled in the art of the present invention, so a detailed description thereof will be omitted.

도 3b는 도 3a를 참조하여 전술한 광 바이오 센서의 제조 방법에 따라 적층된 광섬유 모재의 단면도이다. 도시되는 바와 같이, 복수 개의 유리 막대(40)가 육각형 형상으로 적층되는 한편, 육각형 형상의 중심에는 코어 영역에 대응되는 제1 막대(30)가 배치되며, 제1 막대(30)에 인접하여 금속이 삽입된 제2 막대(41)가 배치될 수 있다. 또한, 제2 막대(41)에 인접하여 홀(42)이 위치할 수 있다.3B is a cross-sectional view of an optical fiber base material laminated according to the method of manufacturing the optical biosensor described above with reference to FIG. 3A. As shown, a plurality of glass bars 40 are stacked in a hexagonal shape, while a first bar 30 corresponding to the core region is disposed at the center of the hexagonal shape, and the metal is adjacent to the first bar 30. This inserted second rod 41 may be arranged. In addition, a hole 42 may be located adjacent to the second bar 41.

도 4는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법에 따라 배열된 복수 개의 유리 막대를 나타내는 사시도이다. 4 is a perspective view illustrating a plurality of glass bars arranged according to a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 미리 결정된 형상으로 적층되어 있는 복수 개의 유리 막대(40) 중 하나 이상의 유리 막대(40')의 중간 부분이 절단되어 절단된 영역에 의해 홀(42)이 형성될 수 있다. 그러나 이는 홀(42) 형성을 위한 다양한 방법 중 하나를 예시적으로 도시하는 것으로서, 유리 막대(40)를 다른 상이한 가공 및/또는 배열 방법에 의하여 처리함으로써 적층된 유리 막대(40) 사이에 홀(42)이 형성될 수도 있다. Referring to FIG. 4, a hole 42 may be formed by a region in which an intermediate portion of one or more glass rods 40 ′ among the plurality of glass rods 40 stacked in a predetermined shape is cut and cut. However, this exemplarily shows one of the various methods for forming the holes 42, and the holes (between the glass rods 40 stacked by the glass rods 40 by processing by different different processing and / or arranging methods). 42 may be formed.

도 5는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법에 따라 광섬유를 연신하는 과정을 나타내는 개략도이다. 5 is a schematic diagram illustrating a process of stretching an optical fiber according to a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 코어 영역에 대응되는 제1 막대(30), 금속(410)이 삽입된 제2 막대(41) 및 복수 개의 유리 막대(40)를 챔버(500) 내에 위치시킬 수 있다. 다음으로, 챔버(500)의 외벽에 인접하여 위치하는 노(furnace)(510)에 의하여 챔버(500)를 가열하는 동시에 펌프(520)를 이용하여 챔버(500) 내를 감압함으로서, 제1 막대(30), 제2 막대(41) 및 복수 개의 유리 막대(40)를 하나의 광섬유로 연신할 수 있다. 그러나, 도 5에 도시된 광섬유 연신 장비의 구성은 단지 예시적인 것으로서, 공지된 또는 향후 개발될 다른 상이한 방식의 연신 장비를 이용하여 실시예들에 따른 광 바이오 센서를 제조할 수도 있다.Referring to FIG. 5, the first bar 30 corresponding to the core region, the second bar 41 into which the metal 410 is inserted, and the plurality of glass bars 40 may be positioned in the chamber 500. Next, the first bar is heated by heating the chamber 500 by a furnace 510 positioned adjacent to the outer wall of the chamber 500, and simultaneously depressurizing the inside of the chamber 500 using the pump 520. 30, the 2nd rod 41, and the some glass rod 40 can be extended | stretched with one optical fiber. However, the configuration of the optical fiber stretching equipment shown in FIG. 5 is merely exemplary, and the optical biosensor according to the embodiments may be manufactured using other different types of stretching equipment known or developed in the future.

도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용하여 굴절율을 측정한 결과를 나타내는 그래프들이다. 6A and 6B are graphs illustrating a result of measuring a refractive index using an optical biosensor according to an embodiment.

도 6a에서 그래프의 x축은 파장을 나타내며, y축은 광 바이오 센서에서 코어 영역의 투과율을 투과광의 세기로 나타낸다. 또한, 4 개의 그래프(601, 602, 603, 604)는 각각 광 바이오 센서의 홀 내에 삽입된 바이오 물질의 굴절율이 약 1.00, 약 1.33, 약 1.37 및 약 1.41인 경우의 투과율을 나타낸다. 각각의 그래프(601, 602, 603, 604)에서 투과율이 주변 파장에 비해 상대적으로 감소하는 피크 파장이 표면 플라즈몬 공진이 발생되는 파장에 해당된다. In FIG. 6A, the x-axis of the graph represents wavelength and the y-axis represents transmittance of the core region in the optical biosensor as intensity of transmitted light. In addition, the four graphs 601, 602, 603, 604 show transmittances when the refractive indices of the biomaterials inserted into the holes of the optical biosensor are about 1.00, about 1.33, about 1.37 and about 1.41, respectively. In each of the graphs 601, 602, 603, 604, the peak wavelength at which the transmittance is reduced relative to the surrounding wavelength corresponds to the wavelength at which the surface plasmon resonance occurs.

도 6b는 도6a에 도시된 결과를 바이오 물질의 굴절율에 따른 표면 플라즈몬 공진 파장으로 정리한 것으로서, 도 6b의 그래프의 x축은 굴절율을 나타내며, y축은 표면 플라즈몬 공진 파장을 나타낸다. 4개의 점(611, 612, 613, 614)은 각각 바이오 물질의 굴절율이 약 1.00, 약 1.33, 약 1.37 및 약 1.41인 경우의 표면 플라즈몬 공진 파장을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 바이오 물질의 굴절율이 증가함에 따라 표면 플라즈몬 공진 파장이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 코어 영역의 투과광에서 피크 파장을 측정함으로써 광 바이오 센서의 홀 내에 삽입된 바이오 물질의 유무, 종류 및/또는 양 등을 검출할 수 있다. FIG. 6B summarizes the results shown in FIG. 6A into surface plasmon resonance wavelengths according to refractive indices of biomaterials. In the graph of FIG. 6B, the x-axis represents a refractive index and the y-axis represents a surface plasmon resonance wavelength. Four points 611, 612, 613, 614 represent the surface plasmon resonance wavelengths when the refractive index of the biomaterial is about 1.00, about 1.33, about 1.37 and about 1.41, respectively. As shown, it can be seen that the surface plasmon resonance wavelength increases as the refractive index of the biomaterial increases. Therefore, by measuring the peak wavelength in the transmitted light of the core region, it is possible to detect the presence, type and / or amount of the biomaterial inserted in the hole of the optical biosensor.

도 7a는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용하여 항원을 검출하기 위한 구성을 나타내는 단면도이다. 7A is a cross-sectional view illustrating a structure for detecting an antigen using an optical biosensor according to an embodiment.

도 7a를 참조하면, 광 바이오 센서의 홀(22) 내에는 검출 대상 바이오 물질과의 결합을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 물질이 적층될 수 있다. 일 실시예에서, 홀(22) 내에는 S-아데노실 메티오닌(S-adenosylmethionine; SAM)(221)이 적층되며, 그 위에 비오틴(biotin)(222)이 적층될 수 있다. 또한, 비오틴(222)위에 스트렙타비딘(streptavidin)(223)이 적층될 수 있다. 또한, 그 위에 검출 대상 바이오 물질과 결합하는 프로브(probe) 물질로서 항-hlgG(anti-human lgG)(224)가 적층될 수 있고, 마지막으로 검출 대상 바이오 물질인 hlgG(225)가 홀(22) 내에 주입될 수 있다. Referring to FIG. 7A, one or more materials may be stacked in the hole 22 of the optical biosensor to facilitate coupling with a biomaterial to be detected. In one embodiment, S-adenosylmethionine (SAM) 221 is stacked in the hole 22, and biotin 222 may be stacked thereon. In addition, streptavidin 223 may be stacked on the biotin 222. In addition, an anti-human lgG (224) may be stacked as a probe material that binds to the biomaterial to be detected, and finally, the hlgG 225 that is the biomaterial to be detected may be a hole 22. In).

도 7b 및 7c는 도 7a에 도시된 광 바이오 센서의 구성을 이용한 검출 결과를 나타내는 그래프들이다. 7B and 7C are graphs showing detection results using the configuration of the optical biosensor shown in FIG. 7A.

도 7a에서 그래프의 x축은 파장을 나타내며, y축은 광 바이오 센서의 코어 영역의 투과율을 나타낸다. 5 개의 그래프(701, 702, 703, 704, 705)는 도 7a를 참조하여 전술한 적층 순서에 따라 광 바이오 센서의 홀 내에 각각 SAM, 비오틴, 스트렙타비딘, 항-hlgG 및 hlgG가 적층된 후의 코어 영역의 투과율을 나타낸다. 각 그래프(701, 702, 703, 704, 705)에서 투과율이 상대적으로 감소하는 피크 파장이 표면 플라즈몬 공진 파장에 해당한다. In FIG. 7A, the x-axis of the graph represents wavelength and the y-axis represents transmittance of the core region of the optical biosensor. Five graphs 701, 702, 703, 704, 705 are shown after lamination of SAM, biotin, streptavidin, anti-hlgG and hlgG in the holes of the optical biosensor, respectively, according to the stacking sequence described above with reference to FIG. 7A. The transmittance of the core region is shown. In each graph 701, 702, 703, 704, 705, the peak wavelength at which the transmittance is relatively reduced corresponds to the surface plasmon resonance wavelength.

도 7c는 도7b에 도시된 결과를 공정 순서에 따른 표면 플라즈몬 공진 파장으로 정리한 것으로서, 도 7c의 그래프의 x축은 공정순서를 나타내며, y축은 표면 플라즈몬 공진 파장을 나타낸다. 5개의 점(711, 712, 713, 714, 715)은 각각 광 바이오 센서의 홀 내에 SAM, 비오틴, 스트렙타비딘, 항-hlgG 및 hlgG 가 삽입된 후의 표면 플라즈몬 공진 파장을 나타낸다. 홀 내에 적층되는 물질들은 각각 고유의 굴절률을 가지고 있으므로, 각 물질이 적층될수록 홀의 유효 굴절률이 변화하며, 그 결과 표면 플라즈몬 공진 파장이 이동하게 된다.FIG. 7C shows results of FIG. 7B in terms of surface plasmon resonance wavelengths according to the process sequence. In the graph of FIG. 7C, the x-axis shows the process sequence and the y-axis shows the surface plasmon resonance wavelength. Five points 711, 712, 713, 714, 715 represent the surface plasmon resonance wavelengths after SAM, biotin, streptavidin, anti-hlgG and hlgG have been inserted into the holes of the optical biosensor, respectively. Since the materials stacked in the holes have inherent refractive indices, the effective refractive indices of the holes change as the materials are stacked, resulting in a shift in the surface plasmon resonance wavelength.

도 8a는 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 이용하여 DNA를 검출하기 위한 구성을 나타내는 단면도이다. 8A is a cross-sectional view illustrating a configuration for detecting DNA using an optical biosensor according to an embodiment.

도 8a를 참조하면, 광 바이오 센서의 홀(22) 내에는 폴리-L-라이신(Poly-L-Lysine; PLL)(226)이 적층될 수 있다. 통상적으로 광섬유를 구성하는 실리카는 음전하를 띄고 있으므로, 검출하고자 하는 바이오 물질 또한 말단이 음전하를 가지고 있을 경우 바이오 물질이 홀(22) 내에 용이하게 주입되지 않을 수 있다. 이 경우, 양 말단에 양전하를 가지고 있는 PLL(226)을 삽입하여 실리카로 구성된 홀(22)의 내부 표면과 바이오 물질 사이의 결합성을 증가시킬 수 있다. 다음으로, 그 위에 검출 대상 DNA와 상보적으로 결합하는 프로브 DNA(227)가 적층될 수 있다. 프로브 DNA(157)가 적층된 후 검출 대상 바이오 물질인 타겟 DNA(228)가 홀(22) 내에 주입될 수 있다. Referring to FIG. 8A, a poly-L-lysine (PLL) 226 may be stacked in the hole 22 of the optical biosensor. Typically, since the silica constituting the optical fiber has a negative charge, the biomaterial to be detected may also not be easily injected into the hole 22 when the terminal has a negative charge. In this case, the PLL 226 having a positive charge at both ends may be inserted to increase the bond between the biomaterial and the inner surface of the hole 22 made of silica. Next, a probe DNA 227 that is complementary to the DNA to be detected may be stacked thereon. After the probe DNA 157 is stacked, the target DNA 228, which is a biomaterial to be detected, may be injected into the hole 22.

도 8b 및 8c는 도 8a에 도시된 광 바이오 센서의 구성을 이용한 검출 결과를 나타내는 그래프들이다. 8B and 8C are graphs showing detection results using the configuration of the optical biosensor shown in FIG. 8A.

도 8a에서 그래프의 x축은 파장을 나타내며, y축은 광 바이오 센서에서 코어 영역의 투과율을 나타낸다. 또한, 도 8a에서 그래프(801)는 광 바이오 센서의 홀 내에 버퍼가 주입된 상태의 코어 영역의 투과율을 나타낸다. 또한, 나머지 3 개의 그래프(802, 803, 804)는 도 8a를 참조하여 전술한 적층 순서에 따라 광 바이오 센서의 홀 내에 각각 PLL, 프로브 DNA 및 타겟 DNA가 삽입된 후의 코어 영역의 투과율을 나타낸다.In FIG. 8A, the x-axis of the graph represents wavelength and the y-axis represents transmittance of the core region in the optical biosensor. In addition, in FIG. 8A, the graph 801 shows the transmittance of the core region in which the buffer is injected into the hole of the optical biosensor. The remaining three graphs 802, 803, and 804 show the transmittances of the core region after the PLL, the probe DNA, and the target DNA are inserted into the holes of the optical biosensor, respectively, according to the stacking procedure described above with reference to FIG. 8A.

도 8c는 도8b에 도시된 결과를 공정순서에 따른 표면 플라즈몬 공진 파장으로 정리한 것으로서, 도 8c의 그래프의 x축은 굴절율을 나타내며, y축은 표면 플라즈몬 공진 파장을 나타낸다. 4개의 점(811, 812, 813, 814)은 각각 광 바이오 센서의 홀 내에 버퍼, PLL, 프로브 DNA 및 타겟 DNA가 삽입된 상태에서의 표면 플라즈몬 공진 파장을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 광 바이오 센서의 홀 내에 물질이 적층됨에 따라 표면 플라즈몬 공진 파장이 변화한다. 따라서, 광 바이오 센서의 코어 영역의 투과광에서 피크 파장을 측정함으로서 홀 내에 주입된 바이오 물질을 검출할 수 있다.FIG. 8C shows the surface plasmon resonance wavelengths of the results shown in FIG. 8B according to the process sequence. In the graph of FIG. 8C, the x axis represents the refractive index and the y axis represents the surface plasmon resonance wavelength. Four dots 811, 812, 813, 814 represent the surface plasmon resonance wavelengths with the buffer, PLL, probe DNA and target DNA inserted in the holes of the optical biosensor, respectively. As shown, the surface plasmon resonance wavelength changes as the material is deposited in the holes of the optical biosensor. Therefore, the biomaterial injected into the hole can be detected by measuring the peak wavelength in the transmitted light of the core region of the optical biosensor.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention described above has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations may be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims

Arrange a first rod, a second rod with a metal inserted therein, and a plurality of glass rods into a predetermined shape, the predetermined shape including a hole, the second bar being located adjacent to the first bar, and the hole Is arranged to be positioned adjacent to the second bar;
Inserting the first rod, the second rod and the plurality of glass rods into a tube; And
And stretching the first rod, the second rod, the plurality of glass rods, and the tube into an optical fiber.

The method of claim 1,
The metal is a method of manufacturing an optical biosensor, characterized in that it comprises gold or silver.

The method of claim 1,
The first rod comprises a germanium manufacturing method of the optical biosensor.