KR101334439B1 - 그라핀층을 갖는 표면 플라즈몬 공명 센서칩 및 이를 갖는 바이오센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 은 기판 위에 산화를 방지하기 위한 그라핀층이 형성된 표면 플라즈몬 공명 센서칩 및 이를 갖는 바이오센서에 관한 것이다. 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서는, 프리즘, 프리즘으로 빛을 조사하기 위한 광원, 분석 대상 시료를 고정하고 프리즘을 통해 조사되는 빛을 입사 받을 수 있도록 프리즘 상면에 배치되는 센서칩, 센서칩으로부터 반사되어 프리즘을 통과한 빛을 수광하는 광검출기를 포함한다. 센서칩은 프리즘을 통해 조사된 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생할 수 있도록 프리즘의 상면에 배치되는 은 박막 및 은 박막이 공기 중의 산소분자와 접촉하는 것을 막기 위해 은 박막의 상면에 코팅된 그라핀층을 포함한다. 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서는 화학적으로 안정하며 장시간 사용하더라도 감도가 떨어지지 않는다.

Description

그라핀층을 갖는 표면 플라즈몬 공명 센서칩 및 이를 갖는 바이오센서{Surface plasmon resonance sensor chip having graphene layer and biosensor having the same}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명 바이오센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 은 기판의 산화를 방지하기 위해 은 기판 위에 그라핀층이 형성된 표면 플라즈몬 공명 센서칩 및 이를 갖는 바이오센서에 관한 것이다.
바이오센서는 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때, 생물학적 요소를 이용하거나 생물학적 체계를 모방하여 색, 형광, 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 신호로 변환시켜주는 시스템이다. 바이오센서는 응용분야가 다양한 미래형 융합기술(fusion technology)로서 그 경제적 가치가 크기 때문에, 최근 이에 대한 관심이 높아지고 있다.
바이오센서는 기본적으로 생물학적 요소, 물리적 요소, 인터페이스 등으로 구성된다. 바이오센서에는 일반적으로 압전기반 바이오센서, 광 바이오센서, 전기화학 바이오센서, 서미스터기반 바이오센서 등이 있다.
압전기반의 바이오센서는 진동 수정결정체의 공명주파수를 변경함으로써 물질 내부의 미세한 변화도 탐지할 수 있다. 광 바이오센서는 생물학적 요소가 탐지대상 물질과 상호 작용해 빛을 감쇠, 흡수 또는 방출하는 원리를 이용하는 것으로, 순간파 탐지기와 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance; SPR) 바이오센서가 있다. 전기화학 바이오센서는 바이오센서와 애널라이트(analyte) 사이에서 일어나는 반응에 의해 신호를 전기적 신호로 직접 변환해 주는 것이고, 서미스터기반 바이오센서는 생체인식 화합물을 온도감지 요소에 고정시키고 미세한 온도의 변화를 탐지하는 것이다.
바이오센서의 응용분야는 진료, 중환자 직접 감시, 약품 투여시스템, 발효 감시 및 제어, 식품 및 약품 가공, 약품작용 및 오용 탐지, 환경오염 감시, 어류 양식, 가축진료 등으로 매우 광범위하며, 그 중에서도 바이오센서의 수요가 가장 높은 곳은 의료부문이다. 이들 모든 응용 부문에서 공통적으로 필요한 것은 빠르게 진전되는 사항에 대한 현장에서의 실시간 화학적 정보이다.
이러한 점에서 표면 플라즈몬 공명 바이오센서는 바이오센서로서의 여러 가지 유리한 점을 가지고 있다. 즉, 표면 플라즈몬 공명 바이오센서는 형광물질과 같은 별도의 표지물질이 필요없이 광학적 원리를 이용하여 분자들 간의 상호작용을 계측할 수 있고, 반응의 진행상황을 실시간으로 측정할 수 있는 장점이 있다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동현상(collective charge density oscillation)을 말하며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬파(surface plasmon wave)는 금속 박막과 이에 인접한 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다. 외부에서 금속 박막과 유전체의 경계면에 전기장(또는 빛)을 인가하면 두 매질의 경계면에서 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 표면전하가 유도되고, 이 표면전하의 진동이 표면 플라즈몬파로 나타난다. 표면 플라즈몬파는 자유공간에서의 전자기파와 달리 입사면에 평행하게 진동하는 파로서 p-편광(p-polarization)된 편광성분을 갖는다. 따라서, 광학적인 방법으로 표면 플라즈몬을 여기시키려면 수직(TM) 편광된 전자기파에 의해서만 가능하다.
표면 플라즈몬 공명 바이오센서는 소산장(evanescent field)을 이용하여 시료를 검사한다. 소산장은 매질의 경계면에서 전반사가 일어날 때 입사광의 파장 정도의 크기를 갖는 거리만큼 전기장의 세기가 지수적으로 감소하는 것을 말한다. 보통은 경계면을 가로질러 에너지의 이동이 없기 때문에 반사 후의 반사도는 100%를 유지한다. 그러나 특수한 조건에서 소산장과 경계면 근처의 물질과 상호작용을 하면 에너지의 이동이 생기고, 그 결과 반사도가 감소하게 되는데 이를 감쇠전반사(attenuated total reflection)라고 한다.
감쇠전반사가 일어나기 위해서는 입사광과 상호작용할 수 있는 물질을 프리즘 일면에 증착시켜야 한다. 그런데 일반적인 전반사일 때의 반사도와 달리 프리즘 일면에 금속 박막이 놓여있을 때의 반사도는 특정 입사각에서 급격하게 감소한다. 이는 앞에서 말한 표면 플라즈몬으로 알려진 금속 박막과 유전체의 경계면에 존재하는 표면전자 전하밀도의 진동을 입사광이 여기시키면서 에너지의 전달이 일어났기 때문이다. 이를 표면 플라즈몬 공명이라 하고, 이때의 입사각을 공명각(surface plasmon resonance angle)이라 한다.
표면 플라즈몬 공명 바이오센서는 크게 광학부, 측정 시료의 고정부, 신호처리부로 나눌 수 있다. 광학부는 표면 플라즈몬 공명 여기 광원, 표면 플라즈몬 공명 변환부, 광검지부로 나뉘며, 측정 시료의 고정부는 금속 박막, 시료 고정부 등으로 구성되고, 신호처리부는 측정된 반사도에 대한 전기적 신호를 실시간으로 변환하는 회로 및 구동 소프트웨어를 말한다.
표면 플라즈몬 공명 바이오센서의 금속 박막 소재로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미륨(Al) 등이 있고, 이 중에서 금(Au)과 은(Ag)이 주로 이용된다. 은 박막을 갖는 센서칩은 금 박막을 갖는 센서칩에 비해 예리한 SPR 곡선(SPR curve)을 가지므로 신호 특성이 우수하고, 이로 인해 SPR 이미징 구조에서 우수한 민감도(sensitivity)를 갖는다.
그러나 은 박막은 공기 중에서도 쉽게 산화되어 바이오센서의 표면에 산화은층을 형성하고, 이 산화은층은 SPR 곡선을 넓게 만들어 검출 민감도를 떨어트린다. 은 박막이 뛰어난 신호 특성과 감도 특성을 나타냄에도 불구하고 공기 중에서도 쉽게 산화되는 단점 때문에, 현재 화학적 안정성이 높은 금(Au)이 박막 소재로 주로 쓰이고 있다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 은(Ag)을 금속 박막으로 이용하되 은 박막 위에 그라핀층을 형성하여 은 박막의 산화를 방지함으로써 우수한 감도와 화학적 안정성을 동시에 갖춘 표면 플라즈몬 공명 센서칩 및 이를 갖는 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서칩은, 분석 대상 시료를 고정하기 위해 프리즘 상면에 배치되는 것으로, 상기 프리즘을 통해 조사된 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생할 수 있도록 상기 프리즘의 상면에 배치되는 은 박막, 상기 은 박막이 공기 중의 산소분자와 접촉하는 것을 막기 위해 상기 은 박막의 상면에 형성된 그라핀층을 포함한다.
본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서칩은 상기 그라핀층 위에 상기 분석 대상 시료와 접촉하도록 배치되는 결합층을 더 포함할 수 있다.
상기 결합층은 안티바디(antibody), 리간드(ligand), 캡쳐 프로브(capture prpbe) 중에서 선택된 형태로 마련될 수 있다.
상기 그라핀층은 단층 또는 2층의 그라핀으로 이루어질 수 있다.
상기 은 박막의 두께는 60nm인 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서는, 프리즘, 상기 프리즘으로 빛을 조사하기 위한 광원, 분석 대상 시료를 고정하고 상기 프리즘을 통해 조사되는 빛을 입사 받을 수 있도록 상기 프리즘 상면에 배치되는 센서칩, 상기 센서칩으로부터 반사되어 상기 프리즘을 통과한 빛을 수광하는 광검출기를 포함하고, 상기 센서칩은 상기 프리즘을 통해 조사된 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생할 수 있도록 상기 프리즘의 상면에 배치되는 은 박막 및 상기 은 박막이 공기 중의 산소분자와 접촉하는 것을 막기 위해 상기 은 박막의 상면에 코팅된 그라핀층을 포함한다.
본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서칩은 예리한 SPR 공명 피크를 나타낼 수 있는 은(Ag)을 금속 박막으로 이용함으로써 우수한 감도를 갖는다. 또한 은 박막 위에 산소분자의 침투를 막을 수 있는 그라핀층을 코팅하여 은 박막의 산화를 방지함으로써, 화학적으로 안정하며 장시간 사용하더라도 감도가 떨어지지 않는다.
또한 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서칩은 탐침 측정법을 이용할 경우 그라핀층이 코팅된 은 박막에서 외가닥 DNA 각각의 핵염기를 구분할 수 있을 정도의 충분한 전기적 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 민감도 높은 검출뿐만 아니라 DNA의 배열순서를 정확하게 밝혀낼 수 있는 다기능 바이오-플랫폼의 역할을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 633nm 파장의 수직 편광된 빛을 프리즘을 통과해 입사시킬 때, 은 박막을 이용한 센서칩의 반사율(실선)과 민감도(점선)에 대한 그래프(a) 및 금 박막을 이용한 센서칩의 반사율(실선)과 민감도(점선)에 대한 나타낸 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 3은 은 박막의 두께에 따른 민감도 변화 그래프(a) 및 최대 민감도를 나타내는 60nm 두께의 은 박막에서의 입사각 변환에 따른 반사도 및 민감도 변화 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 4는 그라핀의 층수에 따른 반사도 변화 그래프(a) 및 그라핀의 층수에 따른 민감도 변화 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 5는 박막의 두께와 그라핀층의 수에 따른 민감도의 세기를 계산하여 나타낸 것이다.
도 6은 그라핀층-은 박막이 적용된 센서칩과 금 박막이 적용된 센서칩에서 반사율과 결합층의 굴절률 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 의한 그라핀층을 갖는 표면 플라즈몬 공명 센서칩 및 이를 갖는 바이오센서에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)는 프리즘(110), 분석 대상 시료를 고정하기 위해 프리즘(110) 위에 배치되는 센서칩(120), 프리즘(110)을 통해 센서칩(120)의 하면에 빛을 조사하기 위한 광원(130), 센서칩(120)에서 반사된 빛을 수광하기 위한 광검출기(140)를 포함한다. 센서칩(120)은 분석 대상 시료를 고정하기 위한 것으로서, 은 박막(121), 은 박막(121) 상면에 코팅된 그라핀층(122), 그라핀층(122) 위에 형성된 결합층(123)을 포함한다.
프리즘(110)과 센서칩(120)의 사이에는 이들을 서로 접착시키기 위한 접착층(150)이 개재된다. 접착층(150)으로 크롬(Cr)이나 티타늄(Ti)이 이용될 수 있다.접착층(150)은 생략될 수도 있으며, 이 경우 프리즘(110)과 센서칩(120)은 광학적 방법 또는 증착에 의한 방법 등 다양한 방법으로 직접 접착될 수 있다.
프리즘(110)은 표면 플라즈몬의 여기를 위하여 입사광의 파수벡터(wave vector)를 증가시키는 역할을 하는 것으로, 광원(130)으로부터 제공되는 빛을 은 박막(121)으로 입사시켜 은 박막(121)의 표면 플라즈몬을 여기시키고, 은 박막(121)으로부터 반사되는 빛을 방출시킨다. 프리즘(110)은 SF10 등 다양한 광학유리나 광학플라스틱으로 이루어질 수 있다. 또한 프리즘(110)의 단면 형상은 도시된 삼각형 이외에 반구형, 평행사변형, 역사다리꼴형, 반 원통형 등으로 변경될 수 있다.
상술한 것과 같이, 센서칩(120)은 은 박막(121), 그라핀층(122) 및 결합층(123)으로 구성된다. 결합층(123)은 분석 대상 시료가 고정되는 부분이다. 결합층(123)은 타켓물질이 센서 표면에 흡착되도록 유도하는 리셉터로서 안티바디(antibody), 리간드(ligand), 캡쳐 프로브(capture prpbe) 등의 형태가 가능하다. 또한 타켓 애널라이트는 리셉터와 분자결합을 통해 결합층(123)의 굴절률을 증가시키고, 이러한 결합층(123)의 굴절률 증가는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서의 광학신호 변화로 나타나게 된다.
은 박막(121)은 광원(130)으로부터 입사되는 입사광을 반사시키거나, 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으키기 위한 것이다. 은 박막(121)의 두께에 따라 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화될 수 있다. 본 발명에 있어서, 은 박막(121)의 두께는 60nm가 바람직하다. 수치모델을 이용한 분석 결과 은 박막(121)이 60nm일 때 매우 우수한 민감도를 나타내는 것으로 확인되었다. 이에 대한 분석 결과는 후술하기로 한다.
통상적으로, 센서칩(120)을 구성하는 금속 박막은 은(Ag) 이외에 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금 등을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 형성할 수 있다. 이들 금속은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 공통점이 있다. 이 중에서 은(Ag)은 가장 예리한 SPR 공명 피크를 나타낼 수 있어 SPR 이미징 센서로 응용될 경우 우수한 감도의 바이오센서를 구현하는데 유리하지만, 산소분자와 반응하여 산화되기 쉬운 단점이 있다. 본 발명은 은 박막(121)의 상면에 그라핀층(122)을 코팅함으로써 이러한 문제점을 극복할 수 있다.
잘 알려진 것과 같이, 그라핀(graphene)은 탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 갖는 전도성 물질이다. 그라핀은 3차원으로 쌓이면 흑연, 1차원적으로 말리면 탄소나노튜브, 공 모양이 되면 0차원 구조인 풀러린(fullerene)을 이룬다. 그라핀은 구조적·화학적으로도 매우 안정적일 뿐 아니라, 뛰어난 전도체로서 실리콘보다 100배 빠르게 전자를 이동시키고, 구리보다도 100배가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 장점 이외에, 그라핀의 육각형 고리 구조는 전자밀도가 충분히 높기 때문에 원자나 분자들이 고리구조를 통과하는 것을 막을 수 있어서 헬륨처럼 작은 분자의 기체도 차단할 수 있다. 따라서, 은 박막(121) 위에 그라핀층(122)을 코팅하면 산소분자가 은 박막(121)에 접촉하는 것을 막아 산화를 방지할 수 있다. 또한 그라핀층(122)은 그라핀의 육각형 고리 구조의 특성으로 인해 표면에서 바이오 분자들의 흡착이 더 많이 일어나도록 하여 센서칩(120)의 민감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 그라핀층(122)은 단층 또는 2층의 그라핀으로 이루어진다. 그라핀층(122)은 공지된 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 그라핀을 얻는 방법으로는 흑연 결정으로부터의 박리(exfoliation)를 이용한 방법과 고온에서 탄소가스를 증착시키는 방법이 알려져 있다. 박리법은 기계적 박리법과 용액 상에서 계면활성제 등을 이용해 분산시키는 화학적 박리법이 있으며, 산화과정을 거쳐 수용액 상에서 산화 그라핀 상태로 분산시킨 후에 다시 그라핀으로 환원시키는 방법이 있다. 최근에는 단위체의 중합 과정을 통해 유기화학적인 접근으로 그라핀을 합성하는 방법이 시도되고 있으며, 이 이외에도 다양한 방법이 연구되고 있다.
또한 금속 표면 위에 그라핀층을 형성하는 방법으로는, 용해된 탄소를 표면에 분리시키는 방법과 탄소를 가진 분자의 표면을 분해하는 방법이 알려져 있다. 이 방법들을 기반으로 코발트, 니켈, 이리듐, 팔라듐과 같은 다양한 재질의 금속 표면에 그라핀을 흡착시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)는 전사인쇄 기술(transfer-printing)과 기계적 분리공정(mechanical exfoliation process)으로 그라핀층(122)이 코팅된 은 박막(121)을 만들 수 있다. 그 구체적인 방법은 다음과 같다. 먼저, 사진식각공정(photolithography)과 산소플라즈마식각공정(O2 plasma etching)을 통해 고배향성 열분해 흑연(HOPG) 표면에 그라핀을 패터닝 한 후, 은 박막을 증착하고 열이 전해지면 접착력이 떨어지는 열 박리성 테잎(thermal releasing tape)을 사용하여 증착된 은 박막을 그라핀 패턴과 함께 떼어낸다. 그 후에 전사인쇄 기술을 사용하여 그라핀 패턴이 형성된 은 박막을 다른 기판에 단단히 고정한다.
이 밖에 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)에 있어서, 그라핀층(122)은 상술한 것과 같은 다양한 방법과 이들의 응용을 통해 은 박막(121) 위에 코팅될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)를 이용하여 분석 대상 시료를 분석하는 방법은 다음과 같다.
센서칩(120) 상에 분석 대상 시료가 위치되면 광원(130)으로부터 빛이 조사되어 프리즘(110)을 통과한 빛이 센서칩(120)에 대해 일정한 각도(θ)로 입사된다. 은 박막(121)에 평행한 파수벡터(wave vector) 성분이 은 박막(121)의 표면과 그 위에 위치하는 분석 대상 시료의 경계면을 따라 요동하는 전자밀도, 즉, 표면 플라즈몬의 파수벡터와 일치할 때 입사광의 에너지는 표면 플라즈몬에 대부분 흡수된다.
이때, 플라즈몬 장(plasmon field)의 분포는 은 박막(121)의 계면과 분석 대상 시료 사이의 양쪽 방향으로 지수 함수적으로 감소된다. 표면 플라즈몬의 공명 흡수 조건은 은 박막(121)의 표면 위에 위치하는 분석 대상 시료의 두께, 굴절률 혹은 액체 시료인 경우 그 농도 변화에 따라 예민하게 변화되고, 이 변화는 빛의 반사율을 변화시킨다.
따라서, 은 박막(121)으로부터 반사되는 빛을 광검출기(140)로 수광하여 그 반사율을 측정함으로써 분석 대상 시료의 굴절률, 두께 혹은 농도 변화를 정량적으로 검출할 수 있다. 즉, 광검출기(140)는 표면 플라즈몬의 공명 흡수로 인한 파장의 변화, 예를 들어, 색 변화 또는 세기 변화를 정량적으로 측정하고, 검출된 빛의 반사도 딥 곡선의 변화로부터 분석 대상 시료의 유무 및/또는 특성을 검출할 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)는 예리한 SPR 공명 피크를 나타낼 수 있는 은(Ag)을 금속 박막으로 이용함으로써 우수한 감도를 갖는다. 또한 은 박막(121) 위에 산소의 침투를 막을 수 있는 그라핀층(122)을 코팅하여 은 박막(121)의 산화를 방지함으로써, 화학적으로 안정하며 장시간 사용하더라도 감도가 떨어지지 않는다.
또한 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)는 그라핀의 전기전도 특성을 이용함으로써 바이오분자의 종류를 식별할 수 있다. 원자 간에 작용하는 힘을 이용한 원자현미경(AFM)이나 양자 역학적 터널링 효과를 이용한 주사터너링현미경(STM)은 모두 전도성 금속으로 된 탐침(tip)을 이용하여 측정을 하는 것이다. 이러한 탐침을 이용한 측정을 할 경우 그라핀이 코팅된 금속 박막에서는 외가닥 DNA 각각의 핵염기를 구분할 수 있을 정도의 충분한 전기적 신호를 얻을 수 있다. 그러므로 그라핀층(122)이 은 박막(121) 위에 코팅된 본 발명에 의한 센서칩(120)은 민감도 높은 검출뿐만 아니라 DNA의 배열순서를 정확하게 밝혀낼 수 있는 다기능 바이오-플랫폼의 역할을 할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)의 최적화된 구조와 그라핀층(122) 적용에 따른 성능 향상을 수치모델 분석을 통해 설명한다.
1. 수치모델
본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)의 민감도와 바이오분자 검출 성능 분석에 이용된 수치모델은, 은 박막(121)이 2nm 두께의 크롬 접착층(150)에 의해 SF10 소재의 프리즘(110) 위에 증착되고, 그라핀층(122) 상면에 결합된 결합층(123)이 3nm 두께의 DNA 결합층으로 모델링된 것이다. 초기단계에서 고정화된 외가닥 DNA의 굴절률을 1.462로 정하고, 이 값을 두 가닥 DNA 형태의 굴절률로 점차적으로 증가시켰다. 27개의 염기를 가진 두 가닥 DNA와 그와 결합하는 표적 DNA를 타원계측법을 사용하여 굴절률을 측정하고 그 결과를 DNA 결합층의 굴절률로 사용하였다.
633nm의 파장을 가진 수직 편광된 빛을 센서칩(120)에 입사시키면 정해진 입사각에서 빛의 세기가 가장 크게 변화하게 된다. 633nm 파장에서 SF10 소재의 프리즘(110), 접착층(150), 은 박막(121)의 광학상수ε(굴절률, 흡수율)는 각각 (1.723, 0), (3.48, 4.36), (0.059, 4.243)이다. 그라핀층(122)의 굴절률은 3.0, 흡수율은 C1λ/3(C1=5.446μm-1, λ=0.633)이다. 시뮬레이션을 위한 계산에서 그라핀층(122)은 균일하며, N이 그라핀의 층수일 때 두께는 d3=N×0.34nm라고 가정하였다.
그라핀층(122)을 사용한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)의 광학적 특성을 수치적으로 나타내기 위해 전달행렬법(transfer-matrix method; TMM)을 사용하였다. 바이오분자 반응이 DNA 결합층(123)의 굴절률(n4)을 변화시키고 두께는 변화시키지 않는다고 가정할 때, 굴절률(n4)이 증가함에 따라 반사율(reflectance, R)이 변하므로, 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)의 민감도(sensitivity, S)는 다음의 수학식1로 정의될 수 있다.
Figure 112011052599770-pat00001
도 1에서 보는 것과 같이, 수직 편광된 빛이 일정한 각도(θ)로 센서칩(120)으로 입사되면, 반사율(R)은 2×2 행렬 M에 의해 나타낼 수 있다. 행렬 M은 표면 플라즈몬 공명 바이오센서(100)의 각 층을 행렬로 나타낸 Lj와 층 사이의 경계면을 행렬로 나타낸 Ijk의 순차곱으로 다음의 수학식2로 계산할 수 있다.
Figure 112011052599770-pat00002
Figure 112011052599770-pat00003
위의 수학식2에서 rjk는 프레넬 굴절계수, kzj는 z방향의 파수벡터, 그리고 dj는 j번째 층의 두께를 나타낸다. 이들은 아래 수학식3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112011052599770-pat00004
Figure 112011052599770-pat00005
일때,
Figure 112011052599770-pat00006

위의 식에서 ω는 각 주파수, c는 공기 중에서 빛의 속도, εj는 j번째 층의 광학상수이다.
2. 은 박막을 이용한 센서칩과 금 박막을 이용한 센서칩의 민감도 비교
은 박막을 이용한 센서칩과 금 박막을 이용한 센서칩 각각의 특성을 비교하기 위해 각각 40nm 두께의 은 박막과 금 박막을 갖는 기판 위에 물을 떨어뜨리고 단색광을 입사시켰을 경우를 전달행렬법을 이용하여 모델링 한 뒤 반사율과 민감도 곡선을 시뮬레이션하였다.
도 2는 633nm 파장의 수직 편광된 빛을 프리즘을 통과해 입사시킬 때, 은 박막을 이용한 센서칩의 SPR 반사율(실선)과 민감도(점선)에 대한 그래프(a) 및 금 박막을 이용한 센서칩의 SPR 반사율(실선)과 민감도(점선)에 대한 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 2의 그래프를 살펴보면, 민감도가 최대 또는 최소일 때 반사율의 변화가 가장 크다는 것을 알 수 있다. 그리고 또 다른 중요한 점은 은 박막 적용 센서칩의 검출 민감도가 금 박막 적용 센서칩에 비해 확연히 우수하다는 것이다. 예컨대, 입사각이 54.5도 일 때, 금 박막 적용 센서칩의 최대 민감도가 0.483인데 반해, 은 박막 적용 센서칩의 최대 민감도는 1.653으로 은 박막 적용 센서칩이 3.4배 정도 더 민감도가 우수함을 알 수 있다. 은 박막 적용 센서칩에서는 입사각의 작은 변화에도 빛의 입자들이 자극이 되어 플라즈몬 공명을 일으키므로, SPR 곡선이 좁은 형태로 나타나고 이는 은 박막 적용 센서칩이 높은 민감도를 나타내는 부분적인 이유가 된다.
도 3은 은 박막의 두께에 따른 민감도 변화 그래프(a) 및 최대 민감도를 나타내는 60nm 두께의 은 박막에서의 입사각 변환에 따른 반사도 및 민감도 변화 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 3을 살펴보면, 은 박막의 두께가 60nm일 때 최대 민감도인 3.82를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 참고로, 금 박막의 경우 56nm의 두께에서 0.68의 최대 민감도를 얻을 수 있으며, 이는 은 박막이 금 박막에 비해 약 5.6배 더 높은 민감도를 가질 수 있음을 나타낸다. 그러나 앞서 설명한 것과 같이, 은 박막에서는 산화의 결과로 만들어진 산화은이 은 박막 표면에 형성되고, 산화은의 두께가 증가할수록 박막의 민감도는 떨어지게 된다.
3. SPR 민감도에 대한 그라핀층의 효과
본 출원인은 은 박막의 산화를 방지하기 위해 산소가 투과하지 못하는 것으로 알려진 그라핀 소재의 보호층을 60nm 두께의 은 박막과 함께 SPR 센서칩에 적용하였다.
도 4는 그라핀의 층수에 따른 반사도 변화 그래프(a) 및 그라핀의 층수에 따른 민감도 변화 그래프(b)를 나타낸 것이다. 도 4의 (b)에서 점선은 일반적으로 쓰이는 금 박막을 이용한 센서칩의 최대 민감도 0.68을 나타낸 것이다.
도 4를 살펴보면, 그라핀의 층수가 많아지고 그라핀층의 두께가 증가함에 따라 공명각이 증가하고. 그라핀층의 두께가 증가할수록 반사도 곡선은 넓고 얇은 형태가 됨을 알 수 있다. 이러한 공명각, 반사도 곡선의 폭, 반사도 크기의 변화는 은 박막 위에 탄소막이 증착되었을 때 생기는 SPR 신호의 변화와 비슷한 양상을 보인다. 그라핀층의 유전율의 허수부가 0이 아니므로 그라핀층에 의해 플라즈몬의 감쇠가 일어나고 이는 SPR 신호 변화의 원인이 된다. 이러한 효과는 도 4에서 지수적으로 감소하는 민감도에 대한 그래프를 통해 확인할 수 있다. 높은 공명각, 넓고 얇은 SPR 곡선으로 인한 민감도의 감소는 있지만, 그라핀이 단층 또는 2층 일 때에는 일반적으로 쓰이는 금 박막에 비해 2.1 ~ 3.5배 더 높은 민감도를 나타낸다.
4. 그라핀 기반의 SPR 기판 구조의 최적화
그라핀층이 코팅된 은 박막 적용 센서칩의 구조를 최적화하기 위해 은 박막의 두께와 그라핀의 층수에 따른 민감도의 세기를 계산하여 도 5와 같이 나타내었다. 도 5에서 흰색 점선은 금 박막을 이용한 센서칩의 최대 민감도 0.68을 나타내는 것이다.
도 5를 보면, 그라핀의 층수가 증가할수록 민감도가 감소함을 알 수 있고, 이는 도 4에 나타낸 결과와 일치하는 것이다. 즉, 그라핀층으로 인한 은 박막의 민감도 감쇠가 크게 일어나지 않게 하기 위해서는 그라핀층을 상당히 얇게 만들어야 한다는 것이다. 이로써 60nm 두께의 은 박막 위에 단층 또는 2층의 그라핀으로 된 그라핀층을 코팅할 경우 이상적인 구조가 될 수 있음을 알 수 있다.
5. DNA 결합에 따른 SPR 검출에서의 수치분석
그라핀층이 적용된 은 박막과 일반 금 박막에서 흡착되는 분석물들의 농도에 의해 결합층의 굴절률이 증가할 때, 반사도의 변화를 계산하여 두 가지 경우에 대한 민감도를 비교하였다. 미리 얻어진 두 가지 경우의 매개변수들을 이용하여 60nm 두께의 은 박막 위에 그라핀 단층으로 이루어진 그라핀층이 코팅된 구조와 56nm 두께의 금 박막 구조에 대해 각각 모델링하였다. 위의 수치모델에서 언급한 것과 같이 DNA 결합이 일어나는 곳을 3nm 두께의 유전체층으로 정의하고, 결합반응이 일어날 때 굴절률이 1.462에서 1.480으로 변화하는 것으로 가정하였다.
도 6은 그라핀층-은 박막이 적용된 센서칩과 금 박막이 적용된 센서칩에서 반사율과 결합층의 굴절률 사이의 관계를 나타낸 것이다. 도 6에서 결합된 DNA분자의 굴절률과 그에 상응하는 농도를 그 아래에 표시하였다.
도 6을 보면, 결합층의 굴절률이 0.003의 간격으로 1.462에서 1.480까지 증가함에 따라 반사율도 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 초기값 1.462는 0.028g/㎤의 밀도를 갖는 외가닥 DNA층의 굴절률을 타원계측법으로 측정한 것이다. 결합반응 이후에 0.061g/㎤의 밀도를 갖는 두 가닥 DNA층의 굴절률은 1.530이다. 굴절률의 변화는 결합하는 DNA분자의 농도가 증가함에 따라 선형적으로 증가한다고 가정할 때, 도 6의 그래프에서 x축에서 보여지는 것처럼 굴절률에 따른 각 DNA층의 농도를 예측할 수 있다.
도 6의 그래프에서 일반 금 박막 구조에서 결합층의 굴절률 변화에 따라 반사율이 최대 0.012로 변화할 때, 그라핀층-은 박막 구조에서는 0.043까지 변화함을 알 수 있다. 선형회귀분석을 이용할 때 두 구조 모두에서 상관계수 R은 0.9999로 반사율의 변화가 DNA 결합반응에 따라 완전하게 선형적으로 나타난다. 도 6의 그래프에서 더 중요한 것은 그라핀층-은 박막 구조가 일반 금 박막 구조에 비해 민감도가 3배 정도 더 높다는 것이다.
6. 결론
앞서 설명한 분석 결과를 보면, 60nm 두께의 은 박막 구조의 경우 3.82의 민감도를 갖는데, 이는 금 박막 구조의 민감도보다 5.6배 더 높은 것이다. 그라핀층을 은 박막 위에 코팅하는 경우, 그라핀층에서 생기는 플라즈몬 감쇠로 인해 은 박막 구조의 민감도는 떨어진다. 그럼에도, 그라핀층은 산소분자를 차단하여 은 박막의 산화를 막는 보호층으로 작용한다. 중요한 점은 그라핀층이 아주 얇게 코팅된 그라핀층-은 박막 구조는 높은 민감도를 나타낸다는 것이다. DNA 흡착반응을 검출할 때, 그라핀층-은 박막 구조는 일반적인 금 박막 구조와 비교하여 SPR 민감도가 3배 이상 높다. 결론적으로, 그라핀층-은 박막 구조의 센서칩은 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 금 박막 구조의 센서칩에 비해 SPR 민감도가 우수하다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100 : 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 110 : 프리즘
120 : 센서칩 121 : 은 박막
122 : 그라핀층 123 : 결합층
130 : 광원 140 : 광검출기
150 : 접착층

Claims (10)

  1. 분석 대상 시료를 고정하기 위해 프리즘 상면에 배치되는 표면 플라즈몬 공명 센서칩에 있어서,
    상기 프리즘을 통해 조사된 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생할 수 있도록 상기 프리즘의 상면에 배치되는 은 박막;
    상기 은 박막이 공기 중의 산소분자와 접촉하는 것을 막기 위해 상기 은 박막의 상면에 코팅 형성된 그라핀층; 및
    상기 그라핀층 위에 상기 분석 대상 시료와 접촉하도록 배치되는 결합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서칩.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합층은 안티바디(antibody), 리간드(ligand), 캡쳐 프로브(capture prpbe) 중에서 선택된 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서칩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라핀층은 단층 또는 2층의 그라핀으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서칩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 은 박막의 두께가 60nm인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서칩.
  6. 프리즘;
    상기 프리즘으로 빛을 조사하기 위한 광원;
    분석 대상 시료를 고정하고, 상기 프리즘을 통해 조사되는 빛을 입사 받을 수 있도록 상기 프리즘 상면에 배치되는 센서칩; 및
    상기 센서칩으로부터 반사되어 상기 프리즘을 통과한 빛을 수광하는 광검출기;를 포함하고,
    상기 센서칩은 상기 프리즘을 통해 조사된 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생할 수 있도록 상기 프리즘의 상면에 배치되는 은 박막과, 상기 은 박막이 공기 중의 산소분자와 접촉하는 것을 막기 위해 상기 은 박막의 상면에 코팅된 그라핀층과, 상기 그라핀층 위에 상기 분석 대상 시료와 접촉하도록 배치되는 결합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 결합층은 안티바디(antibody), 리간드(ligand), 캡쳐 프로브(capture prpbe) 중에서 선택된 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 그라핀층은 단층 또는 2층의 그라핀으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 은 박막의 두께가 60nm인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
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