KR101351779B1 - Nano neural sensor having nanomesh structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 뇌의 신경 화학적 변화를 모니터링하기 위한 나노 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 뇌 속에서 일어나는 신경 화학적 변화를 거대 라만 산란 이론을 기반으로 실시간으로 모니터링하기 위해 광학적으로 구현된 신경센서이다.The present invention relates to a nano-sensor for monitoring neurochemical changes in the brain, and more particularly, a neurosensor optically implemented to monitor in real time the neurochemical changes occurring in the brain based on the giant Raman scattering theory.
전기 생리학적 및 화학적 활동과 뇌 속의 동기화된 신경 세포가 인간의 신경관련 행동을 통제한다. 신경 장애 및 질환은 신경 세포와 신경세포의 기능적인 네트워크 내에서 신경 신호가 부적절하게 생성되고 전달되는 것과 연관이 있다. Electrophysiological and chemical activity and synchronized neurons in the brain control human neuronal behavior. Neurological disorders and diseases are associated with the improper generation and transmission of nerve signals in nerve cells and functional networks of nerve cells.
신경 장애 및 질환을 치료하기 위해 뇌 속의 신경 화학적 및 전기 생리학적 신호를 실시간으로 모니터링하는 것이 필수적이다. 또한 이러한 모니터링은 예측할 수 없는 신경 장애의 시작에 의해 야기되는 위험한 의학적 상태를 방지하고 이에 대응하는데 많은 도움이 된다.It is essential to monitor neurochemical and electrophysiological signals in the brain in real time to treat neurological disorders and diseases. Such monitoring also helps to prevent and respond to dangerous medical conditions caused by the onset of unpredictable neurological disorders.
종래의 기술에 따르면, 실시간으로 신경 세포의 기능저하 및 비정상적인 기능을 모니터링하는 것이 아직까지는 매우 어려운 과제이다. 예를 들자면, EEG, MEG, PET, MRI, 전압 또는 칼슘에 민감한 염료 등과 같이 수많은 신경 센싱 및 모니터링 방식이 존재하지만, 각 방법들은 시간 및 공간적 해상도, 장비 내에서 대상의 물리적 한계 또는 접근되어 질 수 있는 세포 조직의 면적 등과 같은 다양한 문제 및 한계점을 가지고 있다.According to the prior art, monitoring the deterioration and abnormal function of neurons in real time is still a very difficult task. For example, there are a number of neural sensing and monitoring methods such as EEG, MEG, PET, MRI, voltage or calcium-sensitive dyes, but each method can be time and spatial resolution, the physical limits of the object within the device, or can be accessed. There are various problems and limitations, such as the area of tissue in which cells are located.
비록 전기 화학적 센싱 기술이 뇌 신호를 일부 기록할 수 있는 능력이 있지만, 지속성(longevity), 센싱의 신뢰성 및 환경 잡음에 대한 높은 민감성(susceptibility) 등이 높은 장벽으로 존재하고 있어 실제 뇌에 적용하기는 어려운 상태이다.Although electrochemical sensing technology has the ability to record some brain signals, longevity, reliability of sensing, and high susceptibility to environmental noise are present as high barriers, making them difficult to apply to actual brains. It is a difficult state.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 다수의 나노선을 구비한 나노 메쉬 구조를 갖는 광섬유를 이용하는 광학적 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an optical sensor using an optical fiber having a nanomesh structure having a plurality of nanowires.
본 발명의 다른 목적은, 외과적으로 뇌에 이식되어져서 신경전달물질 농도의 작은 변화를 모니터링하여 신경 세포 활동을 본질적으로 기록할 수 있는 센서를 구현하여 신경 장애 및 질환으로 고통받는 환자들의 삶의 질을 향상시키는 것이다.Another object of the present invention is to implement a sensor that is surgically implanted in the brain and monitors small changes in neurotransmitter concentrations to essentially record neuronal activity, thereby improving the life of patients suffering from neurological disorders and diseases. It is to improve quality.
본 발명의 또 다른 목적은, 단일 분자 수준의 민감도, 고도의 선택도, 장기간의 신뢰성을 가지며 단순한 제작 공정에 의해 저가로 구현할 수 있는 나노 신경 센서를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a nano-neural sensor having a single molecule level of sensitivity, high selectivity, long-term reliability, and which can be implemented at low cost by a simple manufacturing process.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서는, 여기 광원과 연결되어 입사되는 광의 통로가 되는 제 1 광섬유; 상기 제 1 광섬유의 끝단 팁에 형성된 나노 메쉬 구조; 나노 메쉬 구조를 감싸서 제1 광섬유에 고정시키는 다공성 고분자 메트릭스; 상기 나노 메쉬 구조로부터 형성된 라만 산란광을 전달받아 분광기로 전달하는 통로가 되는 제 2 광섬유; 및 상기 제 2 광섬유의 끝단 팁에 구비된 박막 거울;을 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다. Nano-neural sensor having a nano-mesh structure according to the present invention for achieving the above object, the first optical fiber which is connected to the excitation light source and is a path of the incident light; A nanomesh structure formed at an end tip of the first optical fiber; A porous polymer matrix surrounding the nanomesh structure and fixed to the first optical fiber; A second optical fiber serving as a passage for receiving the Raman scattered light formed from the nanomesh structure and transmitting it to the spectroscope; And a thin film mirror provided at an end tip of the second optical fiber.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제 1 광섬유 및 제 2 광 섬유의 각각 끝단 팁은 일정한 각도로 경사지며, 특히 45도로 경사지게 생성하여, 여기 광원으로부터 분광기까지의 완벽한 광파 전달 회로를 형성하는 점을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, each end tip of the first optical fiber and the second optical fiber is inclined at a constant angle, and in particular is produced at an inclination of 45 degrees, so as to form a complete light wave transmission circuit from the excitation light source to the spectroscope. It is characterized by.
또한, 상기 나노 메쉬 구조는 상하로 길게 다수의 나노선이 형성되어 있으며, 상기 나노선의 일정 부위에 나노 갭이 형성되어 있고, 상기 나노선을 고분자 메트릭스가 감싸서 나노 구조를 유지시키며 나노 간격이 유지되도록 잡아주는 점을 특징으로 하며, 상기 나노선은 여기 광원의 파장에 따라 길이가 조절될 수 있으며, 상기 나노 갭 간격은 2nm 이하로 제어되며, 또한 상기 나노선의 재질은 금, 은, 백금, 구리 및 알루미늄 중에서 선택되어 사용되는 점을 특징으로 한다. In addition, the nano-mesh structure has a plurality of nanowires formed up and down long, a nano-gap is formed in a predetermined portion of the nano-wire, the polymer matrix is wrapped around the nano-wire to maintain the nano-structure and maintain the nano-gap Characterized in that the point, the length of the nanowires can be adjusted according to the wavelength of the excitation light source, the nanogap gap is controlled to 2nm or less, and the material of the nanowires are gold, silver, platinum, copper and It is characterized in that it is used selected from aluminum.
한편, 상기 고분자 메트릭스는 다공성의 고분자 구조를 통해 신경전달물질의 분자가 전파될 수 있는 것으로, 나피온(nafion), 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)), 폴리에틸렌(Poly(ethylene)), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethyleneoxide)) 중에서 선택적으로 사용되는 점을 특징으로 한다.On the other hand, the polymer matrix is that the molecules of the neurotransmitter can be propagated through the porous polymer structure, nafion (poly), poly (vinyl alcohol), polyethylene (Poly (ethylene)), polyethylene It is characterized in that it is selectively used among oxides (Poly (ethyleneoxide)).
또한, 본 발명의 여기 광원의 파장은 뇌로부터 발생하는 열잡음을 최소화하기 위하여 가시광선 영역에서 선택된다.In addition, the wavelength of the excitation light source of the present invention is selected in the visible region in order to minimize thermal noise generated from the brain.
그리고, 상기 나노 신경센서의 센싱 반응시간은 고분자 메트릭스, 나노선 재질 및 구조에 의해 결정되는 점을 특징으로 한다.In addition, the sensing response time of the nano-neural sensor is characterized in that it is determined by the polymer matrix, nanowire material and structure.
본 발명에 의하면, 광학적 센싱 장치는 거대 라만 분광기의 센싱 원리를 이용하여 나노 메쉬 구조가 광섬유 위에 구비됨으로, 단일 분자 수준의 민감도, 고도의 선택도(selectivity), 장기간의 신뢰성을 가지며 단순한 제작 공정에 의해 저가로 구현할 수 있는 점이 특징이다..According to the present invention, the optical sensing device has a nanomesh structure on the optical fiber by using the sensing principle of the giant Raman spectrometer, so that it has a single molecule level of sensitivity, a high selectivity, a long-term reliability, and a simple manufacturing process. It can be implemented at low cost.
본 발명에 따른 광학적 센싱 장치는 의학적 치료에 중대한 진보를 가능하게 할 것이며, 또한 신경 장애 및 질환으로 고통받는 환자들의 삶의 질을 향상시킬 수 있을 것이다. The optical sensing device according to the present invention will enable significant advances in medical treatment and also improve the quality of life of patients suffering from neurological disorders and diseases.
도 1a는 근접한 나노선의 표면 전하 분포를 보이는 도표,
도 1b는 나노선의 갭 크기에 따른 정규화된 근거리 필드의 진폭을 나타내는 도표,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 신경센서의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에서 기대되는 도파민 확산의 반응시간을 보이는 도면이다.1A is a diagram showing the surface charge distribution of adjacent nanowires,
Figure 1b is a plot showing the amplitude of the normalized near field according to the gap size of the nanowire,
2 is a block diagram of a nano-neuron sensor according to an embodiment of the present invention,
3 is a view showing the reaction time of the dopamine diffusion expected in the embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Also, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.
본 발명에 따른 나노 센서의 센싱을 위한 기본원리는 다음과 같다.Basic principles for sensing the nano-sensor according to the present invention are as follows.
본 발명은 광학적 센서를 구현하려는 것으로, 외과적으로 뇌에 이식되어져서 신경전달물질 농도의 작은 변화를 모니터링하여 신경 세포 활동을 본질적으로 기록할 수 있는 센서이다. 센서의 구동은 거대 라만 분광기(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS)의 센싱 원리에 기반하며, 광섬유 위에 나노 구조가 형성된 형태로 구현된다. 얇은 광섬유는 외과적으로 뇌 속에 이식될 수 있고, 두개골을 통과하여 피부 밑에 위치해 있는 마이크로 분광기(micro-spectrometer)라고 불려지는 광학적 센싱 모듈과 연결될 수 있다.The present invention seeks to implement an optical sensor, which is surgically implanted in the brain and capable of essentially recording neuronal activity by monitoring small changes in neurotransmitter concentration. The driving of the sensor is based on the sensing principle of the Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), and the nanostructure is formed on the optical fiber. Thin optical fibers can be surgically implanted into the brain and connected to an optical sensing module called a micro-spectrometer that sits under the skin through the skull.
미크론 단위의 직경을 갖는 광섬유는 소형의 콤팩트성(compactness)과 유연성을 제공하기 때문에, 이식되어 센싱하는 여러 응용분야에 사용 가능하다. 작고 좁은 광섬유 프르브(probe)를 사용하는 디자인은 뇌의 어떠한 영역에도 접근이 가능하도록 한다. 1991년 뮤렌(Mullen) 등에 의해 최초의 단일 섬유 SERS센싱 기술이 소개된 이후에, 다양한 형태의 광섬유 센서들이 개발되었다. 여러 분야에 센서를 응용하기 위해 광섬유 디자인이 수정되고 또한 광섬유의 표면이 기능화되었다. 광섬유 센싱 기술의 장점 때문에, SERS 센싱 원리를 광섬유 센싱에 적용하기 위한 많은 시도들이 있었다. 하지만 박막에 기반한 장치로부터 발생되는 낮은 강도의 SERS 신호와, 광섬유 상의 나노구(nanosphere)에 대한 생체 적합성 문제가 생물의학적 적용에 장애가 되었다. 이러한 문제를 해결하고 기능성을 높이기 위해, 본 발명은 광섬유 끝부분(tip)부분의 작은 공간에 결합 나노선 메쉬 구조(coupled nanowire mesh structure)를 채용했다. 이러한 메쉬 형태의 나노선 구조는 뇌 속에서 SERS 신경전달물질 센싱을 위한 SERS 산란 핵심부(SERS scattering center)로서 사용되어진다.Fibers with a diameter of microns provide small compactness and flexibility, making them suitable for use in a variety of implanted and sensing applications. Designs using small narrow fiber optic probes provide access to any area of the brain. Since the introduction of the first single fiber SERS sensing technology in 1991 by Muren et al., Various types of fiber optic sensors have been developed. The fiber optic design was modified and the surface of the fiber was functionalized for the application of sensors in many fields. Because of the advantages of fiber optic sensing technology, many attempts have been made to apply the SERS sensing principle to fiber optic sensing. However, low-intensity SERS signals from thin film-based devices and biocompatibility issues for nanospheres on optical fibers have hampered biomedical applications. In order to solve this problem and increase the functionality, the present invention employs a coupled nanowire mesh structure in a small space at the tip of the optical fiber. This mesh-type nanowire structure is used as a SERS scattering center for sensing SERS neurotransmitters in the brain.
SERS 센싱 원리는 금, 은, 백금 및 구리와 같은 금속 나노물질과 센싱 분자가 근거리에서 상호작용하는 것에 기반한 것이다. 여기 파장(excitation wavelength) λ0로 나노물질의 표면을 조명하면, 여기 광(excitation light)과 강력하게 결합된 적절한 크기의 나노물질이 재료 근처에 강한 국부필드(local field)를 형성한다. 이러한 필드 강화는 입사파장(incoming wave)과 나노 물체의 플라스몬 공명(plasmonic resonance)으로 설명되어 질 수 있다. 이러한 공명 주파수 밴드가 라만 분산 주파수와 부합되면, 단일 분자를 센싱하는 수준의 확실한 SERS 신호의 증가를 얻을 수 있다. 다수의 선행 연구(J. Aizpurua et al.,"Optical properties of coupled metallic nanorods for field enhanced spectroscopy", "Phys. Rev. B, 71, 235420, 2005년; A. Pucci, "One-Dimensional Nanostructures", "Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, vol-3. Springer New York, 175-215, 2008년)로부터, 교차부분의 라만 분산의 증가를 의미하는 SERS 강도 강화 인수(SERS intensity enhancement factor) G는 다음의 수학식(1)과 같이 표현될 수 있다.The SERS sensing principle is based on the close-range interaction of sensing molecules with metal nanomaterials such as gold, silver, platinum and copper. Illuminating the surface of the nanomaterial with an excitation wavelength λ 0 , the nanomaterial of the appropriate size, strongly coupled with the excitation light, forms a strong local field near the material. This field enhancement can be explained by the incoming wave and the plasmonic resonance of the nano-objects. If this resonant frequency band matches the Raman dispersion frequency, then a clear increase in the SERS signal at the level of sensing a single molecule can be obtained. A number of previous studies (J. Aizpurua et al., "Optical properties of coupled metallic nanorods for field enhanced spectroscopy", "Phys. Rev. B, 71, 235420, 2005; A. Pucci," One-Dimensional Nanostructures ", From Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, vol-3. Springer New York, 175-215, 2008, the SERS intensity enhancement factor G, which means an increase in the Raman variance of the intersection, It can be expressed as Equation (1).
상기 수학식(1)에 있어서, 첫번째 항은 입사되는 파장에 의해 나노구조 근처에서 국부필드가 강화되는 것을 의미한다. 두번째 항은 입자와 라만 분산 파장과의 상호작용 및 입자에 의한 재복사(re-radiation)공정에 의해 형성되는 필드 강화를 의미한다. 이러한 관계식으로부터, 라만 신호 강도는 입사파장과 공명된 나노 구조에 의해 국부 전계의 4승(fourth power)으로 강화된다.In Equation (1), the first term means that the local field is strengthened near the nanostructure by the incident wavelength. The second term refers to the field enhancement formed by the interaction of the particles with the Raman dispersion wavelength and the re-radiation process by the particles. From this relationship, Raman signal strength is enhanced by the fourth power of the local field by the incident wavelength and the resonant nanostructure.
세기 강화가 근거리 국부 강화의 4승에 비례하기 때문에, 일반적으로 단일 나노물체에 의해 생성되는 보통인 10-30 정도를 갖는 필드 강화 인자이더라도, SERS는 확실한 효과를 생성해낼 수가 있다. 두개의 나노선이 근접 배치되어 결합되면, 국부 필드 강화는 좀더 증가한다. 근접하여 놓인 나노 크기 물체의 강력한 결합 때문에, 상반되는 전하가 도 1a에 도시된 바와 같이, 서로 마주보는 두개의 막대의 끝부분에 강하게 집중된다. 두 개의 결합된 나노선이 고려될 때, 표면 전하 분포는 나노선을 따라서 대칭적 또는 반대칭적(anti-symmetric) 모드로 생성될 수 있다. 반대칭적 모드인 경우, 대단히 높은 강도의 표면 전하가 갭(gap)에서 나노선의 표면에 상반된 극성으로 쌓이게 된다. 대칭적 모드인 경우에, 표면 전하의 증가(build-up)는 갭을 가로지르는 전하들간에 서로 밀어내는 상호작용(repulsive interaction)에 의해 억제된다.Since intensity enhancement is proportional to the quadratic of near local enhancement, SERS can produce a definite effect, even with field enhancement factors typically around 10-30 produced by a single nanoobject. If two nanowires are placed in close proximity and combined, local field enhancement is further increased. Because of the strong coupling of nanoscale objects placed in close proximity, the opposite charges are strongly concentrated at the ends of the two bars facing each other, as shown in FIG. When two bonded nanowires are considered, the surface charge distribution can be generated in symmetrical or anti-symmetric mode along the nanowires. In antisymmetric mode, very high intensity surface charges accumulate at opposite gaps on the surface of the nanowires in the gap. In the symmetric mode, build-up of surface charges is suppressed by repulsive interactions between charges across the gap.
나노선을 따라 분포하는 모드 생성은 전자기파 방해(electromagnetic wave retardation) 현상을 포함하는 멕스웰 방정식의 전자기 연산을 통해 경계요소법을 이용하여 연산될 수 있다. 나노 시스템의 내부 및 외부 물질이 균일하다고 가정하면, 공명 파동함수의 고유치(eigenvalue) Λi 는 경계조건을 가지는 다음의 수학식 (2)에 의해 구해질 수 있다.Mode generation along the nanowire can be computed using the boundary element method through electromagnetic calculation of the Maxwell's equation, including the phenomenon of electromagnetic wave retardation. Assuming that the internal and external materials of the nanosystem are uniform, the eigenvalue Λ i of the resonance wave function can be obtained by the following equation (2) having a boundary condition.
여기서 σ i (s) 는 표면전하 밀도를 의미하며, ns 는 점s에서 표면에 수직인 노말벡터(normal vector)를 의미하며, 또한 s 및 s'는 나노선의 표면 S 상의 점들에 대한 공간벡터이고, 적분기호는 표면 S상의 다수의 점 s'에 대한 표면 적분을 의미한다. 기대한 바와 같이, 고유치의 시리즈는 결합된 나노구조의 기하학적 구조와 연관되어 구해진다. 각 모드의 공명파장은 수학식(3)과 같이 고유치와 유전체(dielectric) 함수 관계에 의해 구할 수 있다.Where σ i (s) is the surface charge density, n s Is a normal vector perpendicular to the surface at point s, and s and s 'are space vectors for the points on surface S of the nanowire, and the integrator is the surface for multiple points s' on surface S. Means integral. As expected, a series of eigenvalues is obtained in relation to the geometry of the bonded nanostructures. The resonance wavelength of each mode can be obtained by the relationship between the eigenvalues and the dielectric function as in Equation (3).
유전체 함수 ε1 및 ε2 는 나노구조의 내부 및 외부 주파수에 의존적이다. 선택된 모드를 생성할 수 있도록, 상기 수식으로부터, 결합된 나노 구조의 크기 및 물질이 결정될 수 있다.Dielectric functions ε 1 and ε 2 depend on the internal and external frequencies of the nanostructures. From the above equations, the size and material of the bonded nanostructures can be determined to produce the selected mode.
갭에서의 근거리 필드 응답은 두개의 나노선이 나노미터 크기의 거리로 비대칭적으로 결합되어 질 때, 나노선의 축을 따라 급격하게 증가한다는 점이SERE 강화에 대한 종래의 연구(A. Pucci, "One-Dimensional Nanostructures," Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, vol-3. Springer New York, 175-215, 2008) 로부터 알려져 있다. 예를 들면, 2nm 간격으로 설치된 200nm 나노선의 국부 필드 강화는 650nm의 여기파장(excitation wavelength)에서 인수가 약 300정도에 도달한다. 국부 필드 강화의 4승에 비례하는 라만 산란의 증가를 고려하면, SERS 강화 인수는 8.1x109에 도달할 수 있다.
The near field response in the gap increases rapidly along the axis of the nanowires when two nanowires are asymmetrically coupled at nanometer-sized distances (A. Pucci, "One- Dimensional Nanostructures, "Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, vol-3. Springer New York, 175-215, 2008). For example, local field enhancement of 200nm nanowires spaced at 2nm intervals results in a factor of about 300 at an excitation wavelength of 650nm. Considering the increase in Raman scattering, which is proportional to the fourth power of the local field enhancement, the SERS enhancement factor can reach 8.1x10 9 .
상술한 기본 원리에 근거하여, 광섬유 SERS 신경 센서 장치는 도 2와 같이 설계된다. Based on the basic principle described above, the optical fiber SERS neural sensor device is designed as shown in FIG.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서는, 여기 광원과 연결되어 입사되는 광의 통로가 되는 제 1 광섬유(10), 제 1 광섬유의 끝단 팁(tip)에 형성된 나노 메쉬 구조(50), 나노 메쉬 구조(50)를 감싸서 제1 광섬유에 고정시키는 다공성 고분자 메트릭스(80), 상기 나노 메쉬 구조로부터 형성된 라만 산란광을 전달받아 분광기로 전달하는 통로가 되는 제 2 광섬유(30) 및 상기 제 2 광섬유의 끝단 팁에 구비된 박막 거울(90)로 구성된다.As shown in Figure 2, the nano-neuron sensor having a nano-mesh structure according to an embodiment of the present invention, the first
즉, 본 발명의 신경 센서는 두 개의 광섬유(10, 30)로 구성되며, 각 광섬유는 광섬유 코아(20-1)와 광섬유 클래딩(20-2)으로 이루어져 있다. 나노 메쉬 구조(50)가 구비되는 제 1 광섬유(10)는 SERS 나노 메쉬를 사용하여 신경전달물질을 센싱하고, 제 2 광섬유(30)는 라만 산란파를 박막 거울(90)을 이용하여 반사시켜 분광기로 안내하고 전달하는 역할을 한다. 광섬유의 양쪽 끝단을 45도 각도로 경사지게 생성하여, 광원으로부터 분광기까지의 완벽한 광파 전달 회로를 형성한다. That is, the neural sensor of the present invention is composed of two
본 발명에 있어, 주요 기능 중에 하나는 끝단이 경사진 광섬유 상에 수직으로 배열된 나노 메쉬 구조(50)이다. 생 유독성(bio-toxicity) 때문에, 작은 사이즈의 나노 입자는 본 발명의 디자인에 포함되지 않는다. 본 발명에서 나노 구조의 선택은 중간 규모(mesoscale)까지의 나노 구조와 고분자 메트릭스(80)에서 이들간의 혼합에까지만 한정되어 있다. In the present invention, one of the main functions is the
나노 메쉬 구조(50)는 상하로 길게 형성된 다수의 나노선(60)으로 이루어져 있으며, 나노선(60)은 중간에 나노 갭(nano gap)(70)이 형성되어 있는데, 나노선을 감싸고 있는 고분자 메트릭스(80)가 나노 구조를 유지시키고, 나노 간격이 유지되도록 잡아주는 등의 역할을 수행한다. 여기서 나노 갭(70)은 도 1a에서 상반되는 전하가 집중되는 두 나노선 간의 간격이며, 도 1b에서는 S로 표시된 나노 크기의 갭을 나타내고 있다. 상세한 디자인 파라메터는 다음과 같다.The
1) 나노 메쉬 구조 및 나노선의 크기1) Nano mesh structure and nanowire size
나노선을 따라서 강화된 국부필드가 플라스몬 전하 진동에 의해 형성된다. 종래기술에 따르면, 쌍극 진동(dipolar oscillation)의 반파장 길이 Γ1 는 진공으로 입사되는 빛의 반파장 길이 L과 비교하여 약간 더 긴 나노선이 필요하다. 즉, L≒Γ1/3 의 관계식이 성립한다. 나노선의 길이를 쉽게 제어할 수 있는 강점이 있기에, 더 고차의 쌍극 진동도 본 발명에서 실시 가능하다. 보다 더 고차모드의 생성으로부터 얻어지는 필드강화가 일차 모드로부터 얻어지는 필드강화보다는 덜 강력하지만, 필드강화 인자가 일차 쌍극 공명의 절반에 근접한다. A localized field along the nanowire is formed by plasmon charge oscillation. According to the prior art, the half-wave length Γ 1 of dipolar oscillation requires a slightly longer nanowire compared to the half-wave length L of the light incident into the vacuum. That is, in the L ≒ Γ 1/3 relation is established. Since there is an advantage that the length of the nanowires can be easily controlled, higher order dipole vibrations can be implemented in the present invention. Although field enhancement resulting from the generation of higher order modes is less powerful than field enhancement obtained from primary modes, the field enhancement factor is close to half of the primary dipole resonance.
따라서 나노선 디자인은 반대칭 쌍극 전하 진동(antisymmetric dipolar charge oscillation)을 유도하기 위해 반파장에 대해 기수(odd number)를 갖는 차원(dimension)을 포함한다. 본 발명은 메쉬형태의 나노 구조 형태를 이용하여 생체 적합성 및 기계적 안정성을 가지는 어느 정도 긴 나노선을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 3차 플라스몬 공명은 L≒Γ3(1+1/3)의 관계를 대체로 만족한다. 632nm의 여기 광원이 SERS센싱을 위해 선택되었다면, 커플링된 광섬유 한쪽의 나노선 길이는 약 500nm근처가 되어야만 한다. 나노선의 다른 쪽은 비대칭 결합 커플링(asymmetric paired coupling) 모드를 얻을 수 있도록 선택될 수 있다. 주요 필드 강화 효과는 더 작은 크기의 나노선으로 부터 도출된다. 여기 광원의 파장에 따라 나노선의 길이가 조절될 수 있다.The nanowire design thus includes a dimension with an odd number for half-wavelength to induce antisymmetric dipolar charge oscillation. In the present invention, it is preferable to use nanowires having a certain length of nanowires having biocompatibility and mechanical stability. For example, tertiary plasmon resonance generally satisfies the relationship of L ≒ Γ 3 (1 + 1/3). If a 632 nm excitation light source was chosen for SERS sensing, the nanowire length on one side of the coupled optical fiber should be around 500 nm. The other side of the nanowire can be chosen to obtain an asymmetric paired coupling mode. The main field enhancement effect is derived from smaller size nanowires. The length of the nanowires may be adjusted according to the wavelength of the excitation light source.
2)나노 메쉬 구조의 갭 간격2) gap spacing of nano mesh structure
본 발명에 있어, 나노 메쉬의 갭 간격은 고SERS 강도 강화를 구현하기 위한 중요한 요소이며, 나노미터 크기로 유지되어야 하며, 바람직하게는 2nm보다 작은 크기가 요구된다. 강화 인자는 간격간 거리 d가 d - 12 의 관계를 따르는 차원을 넘어서면 급격하게 감소한다. 예를 들면, 만일 두 나노선이 2nm의 간격으로 놓여있고 서로 강하게 결합되어 있으면, 간격의 중앙에 있는 분자로부터의 라만 신호는 자유공간에 있는 분자에 비해 상대적으로 1010배에 도달할 수 있고, 고립된 나노선으로부터의 측정치에 비해 상대적으로 105배로 강화될 수 있다. 본 발명에서는 광섬유 상의 메쉬 나노 구조의 나노 갭 간격은 2nm 이하로 제어된다.In the present invention, the gap spacing of the nanomesh is an important factor for implementing high SERS strength enhancement, and should be kept in nanometer size, and preferably smaller than 2 nm is required. The reinforcement factor decreases drastically as the distance d goes beyond the dimension following the relationship of d - 12 . For example, if two nanowires are placed at 2 nm intervals and tightly bound to each other, the Raman signal from the molecule in the center of the gap can reach 10 10 times relative to the molecule in free space, It can be enhanced by 10 5 times relative to measurements from isolated nanowires. In the present invention, the nanogap spacing of the mesh nanostructure on the optical fiber is controlled to 2 nm or less.
3) 메쉬 나노선의 재질 3) Material of mesh nanowire
금, 은, 백금, 구리 및 알루미늄과 같은 다양한 금속이 결합된 나노선의 근거리 필드 강화를 위해 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 생체 적합성을 갖는 금 및 백금을 주요 재질로 사용한다.Although various metals such as gold, silver, platinum, copper, and aluminum may be used for strengthening the near field of nanowires combined, the present invention uses biocompatible gold and platinum as main materials.
4) 분극화4) Polarization
광섬유 상의 메쉬 나노선 구조는 45도 기울여져서 배치된다. 이 각도는 나노선을 따라 선형적으로 분극화된 입사 파장과 공명이 잘되도록 한다. 평행 분극화가 나란히 배치된 나노선에 길이방향의 진동을 공급할 수 있다. 만일 나노 구조가 광섬유의 평평한 끝단에 수직으로 가공되어져 있다면, 나노 갭 간격은 나노선 자체에 의해 가려지게 된다. 비록 횡방향 진동 모드가 나노선의 직경 방향을 따라 생성될 수 있더라도, 나노 구조와 입사파의 상호작용 및 공명은 무시할 수 있다. 대체로 미크론 이하의 크기를 갖는 나노선 들간의 큰 거리로 인하여 횡방향 진동으로부터 생성되는 국부 필드 강화 인자는 큰 영향력이 없다. 따라서 인입하는 파동에 대하여 45도 각도로 기울어진 설계는 본 발명의 중요 특징이다.The mesh nanowire structure on the optical fiber is placed at an angle of 45 degrees. This angle allows for good resonance and linearly polarized incident wavelengths along the nanowire. Parallel polarization can supply longitudinal vibrations to the nanowires arranged side by side. If the nanostructure is processed perpendicular to the flat end of the fiber, the nanogap spacing is covered by the nanowire itself. Although the lateral oscillation mode can be generated along the radial direction of the nanowire, the interaction and resonance of the nanostructure and the incident wave can be ignored. Local field reinforcement factors resulting from lateral oscillations are largely insignificant due to the large distances between the nanowires, which generally have sub-micron size. Therefore, the design inclined at an angle of 45 degrees with respect to the incoming wave is an important feature of the present invention.
5) 고분자 메트릭스5) Polymer Matrix
본 발명에 따른 다공성의 구조를 갖는 고분자 메트릭스는 네 가지의 서로 다른 기능을 위해 사용된다. 첫번째는 뇌 세포 외 공간으로 메쉬 나노선이 들어가는 것을 방지하는 나노 메쉬 구조를 잡아주는 주로 기계적인 기능이다. 두번째는 SERS센싱을 위해 나노 갭 간격을 기계적으로 유지시켜주는 기능이다. 나노선을 감싸고 있는 고분자 메트릭스는 나노 구조를 유지시키고, 간격이 유지되도록 잡아주고, 그리고 나노미터의 크기 내에서 거리를 유지시키는 역할을 한다. 세번째 기능은 세포의 생존 능력에 부정적인 영향을 야기시킬 수 있는 뇌 속의 세포 및 조직에 직접적인 접촉을 막을 수 있도록, 생체 적합성의 고분자 내에 나노 구조를 격리시키는 역할을 한다. 네번째는 다공성의 고분자 구조를 통해 신경전달물질의 분자가 전파될 수 있도록 하는 것이다. 적절한 고분자는 8.5 Å 크기의 도파민과 같은 신경전달물질의 이동이 가능한 것들 중에서 선택할 수 있다. 비분해성 및 생체 적합성의 고분자로서 나피온(nafion), 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)), 폴리에틸렌(Poly(ethylene)), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethyleneoxide))가 사용될 수 있다.The polymeric matrix with the porous structure according to the invention is used for four different functions. The first is primarily a mechanical function that holds the nanomesh structure to prevent mesh nanowires from entering the brain extracellular space. The second is to mechanically maintain the nanogap spacing for SERS sensing. The polymer matrix surrounding the nanowires is responsible for maintaining the nanostructures, keeping them spaced, and maintaining distances within the size of the nanometers. The third function is to isolate nanostructures in biocompatible polymers to prevent direct contact with cells and tissues in the brain that can cause negative effects on cell viability. Fourth, the molecules of neurotransmitter can be propagated through the porous polymer structure. Suitable polymers can be selected from those capable of transporting neurotransmitters such as 8.5 Å in size dopamine. Nafion, poly (vinyl alcohol), polyethylene (Poly (ethylene)), polyethylene oxide (Poly (ethyleneoxide)) may be used as non-degradable and biocompatible polymers.
본 발명의 일 실시예에 의한 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서의 센싱 효과는 다음과 같이 기대할 수 있다.Sensing effect of the nano-neuron sensor having a nano-mesh structure according to an embodiment of the present invention can be expected as follows.
1) 민감도1) Sensitivity
직경 50nm이며, 각각 500nm 및1000nm의 길이를 갖는 두 개의 금 나노선이 2nm의 나노 갭 간격으로 결합되어 있다고 가정하면, 약 632nm 파장의 고주파 밴드 근처에서 플라스몬 공명에 맞추어짐에 따라, 갭 내에서의 국부필드 강화는 100에 근접할 수 있다. SERS 세기는 국부 필드 강화의 4승으로 강화되므로, 라만 강도 강화 인자는 108 레벨에 접근할 수 있다. 만일 적외선에 근접한 약 2,400nm의 파장을 가지는 여기(excitation) 광원이 동일 구조에 사용된다면, 국부 필드 강화는 약 700까지 도달할 수 있고, SERS 강화 인자는 2.4x1011까지 증가할 수 있다. 하지만 SERS 강화 인자의 엄청난 증가가 적외선 광원에 가까운 광원에 의해 기대되더라도, 뇌로부터 발생하는 열잡음을 최소화하기 위하여 신경 센싱에서의 파장 선택은 가시 광선 영역에서 주로 선택된다.Assuming that two
2) 반응 시간2) reaction time
신경전달물질 농도의 변동에 대한 센서 반응시간은 고분자 내 신경전달물질의 확산 거동에 의해 주로 결정된다. 나피온 고분자 내의 도파민 확산, 즉 도파민의 정규화된 신경전달물질 궤적은 아래의 수학식 (4)로 결정될 수 있다. The sensor response time for the variation of neurotransmitter concentration is mainly determined by the diffusion behavior of neurotransmitter in the polymer. Dopamine diffusion in the Nafion polymer, ie, the normalized neurotransmitter trajectory of dopamine, can be determined by Equation (4) below.
여기서 C(t)는 나노 갭 센싱 부위에서의 도파민 농도이고, C0는 나피온 박막 외부의 벌크 용액의 농도이고, D 는 나피온 필름 내부 도파민의 확산 계수이며, l p 는 나피온 필름의 두께를 의미하며, t 는 초기 노출에서부터 덩어리로 집중되는데 까지 소요되는 시간을 의미한다. 상기 수식 및 도파민 확산 계수를 이용하여, 주어진 두께 값으로부터 반응시간을 계산할 수 있다. 나피온 박막을 사용하는 종래의 연구결과에 의하면, 반응시간은 도 3에 도시된 바와 같이 초(second) 단위 내에서 제어될 수 있다. 센싱 반응은 수학식 (4)에 의해 연산될 수 있다. 적절한 고분자의 선택 및/또는 재료의 조합, 그리고 재료 구조의 조작 등을 통해서, 반응시간은 좀더 빨라질 수 있다.
Where C (t) is the dopamine concentration at the nanogap sensing site, C 0 is the concentration of the bulk solution outside the Nafion thin film, D is the diffusion coefficient of dopamine inside the Nafion film, and l p is the thickness of the Nafion film T means the time from initial exposure to concentration in the mass. Using the above equations and dopamine diffusion coefficients, the reaction time can be calculated from a given thickness value. According to a conventional study using a Nafion thin film, the reaction time can be controlled within seconds as shown in FIG. The sensing response can be calculated by equation (4). Through the selection of the appropriate polymer and / or the combination of materials, and the manipulation of the material structure, the reaction time can be made faster.
이상에서, 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것일 뿐 한정의 의미로 이해되어서는 안될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 특허청구범위 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.In the foregoing, the invention has been described in an illustrative manner. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of description and should not be regarded as limiting. Various modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings. Therefore, unless otherwise indicated, the present invention may be practiced freely within the scope of the claims.
10; 제 1 광섬유 20-1; 광섬유 코아
20-2; 광섬유 클래딩 30; 제 2 광섬유
50; 나노 메쉬 구조 60; 나노선
70; 나노 갭 80; 고분자 메트릭스
90; 박막 거울10; First optical fiber 20-1; Fiber optic core
20-2;
50;
70;
90; Thin film mirror
Claims (11)
여기 광원과 연결되어 입사되는 광의 통로가 되는 제 1 광섬유(10);
상기 제 1 광섬유의 끝단 팁에 형성된 나노 메쉬 구조(50);
나노 메쉬 구조(50)를 감싸서 제1 광섬유에 고정시키는 다공성 고분자 메트릭스(80);
상기 나노 메쉬 구조로부터 형성된 라만 산란광을 전달받아 분광기로 전달하는 통로가 되는 제 2 광섬유(30); 및
상기 제 2 광섬유의 끝단 팁에 구비된 박막 거울(90);
을 포함하여 구성되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.Optical nanosensor for real-time monitoring of neurochemical changes in the brain based on the theory of giant Raman scattering,
A first optical fiber 10 connected to the excitation light source and serving as a passage for the incident light;
A nanomesh structure 50 formed at an end tip of the first optical fiber;
A porous polymer matrix 80 surrounding the nanomesh structure 50 and fixed to the first optical fiber;
A second optical fiber 30 serving as a passage for receiving the Raman scattered light formed from the nano mesh structure and transmitting the scattered light to the spectroscope; And
A thin film mirror 90 provided at an end tip of the second optical fiber;
Nano-neural sensor having a nano-mesh structure, characterized in that configured to include a point.
상기 제 1 광섬유 및 제 2 광 섬유의 각각 끝단 팁은 일정한 각도로 경사지게 구성되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.The method of claim 1,
Each end tip of the first optical fiber and the second optical fiber is nano-neuron sensor having a nano-mesh structure, characterized in that configured to be inclined at a predetermined angle.
상기 일정한 각도는 45도로 경사지게 생성하여, 여기 광원으로부터 분광기까지의 광파 전달 회로를 형성하는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.3. The method of claim 2,
The constant angle is inclined at 45 degrees, the nano-neuron sensor having a nano-mesh structure, characterized in that to form an optical wave transmission circuit from the excitation light source to the spectrometer.
상기 나노 메쉬 구조(50)는 상하로 길게 다수의 나노선(60)가 형성되어 있으며, 상기 나노선(60)의 일정 부위에 나노 갭(70)이 형성되어 있고, 상기 나노선(60)을 고분자 메트릭스(80)가 감싸서 나노 구조를 유지시키며 나노 간격이 유지되도록 잡아주는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. The method of claim 1,
The nano-mesh structure 50 has a plurality of nanowires 60 are formed vertically long, the nano-gap 70 is formed in a predetermined portion of the nanowires 60, the nanowires 60 A nano-neuron sensor having a nanomesh structure characterized in that the polymer matrix 80 is wrapped to maintain the nanostructure and hold the nanogap.
상기 나노선(60)은 여기 광원의 파장에 따라 길이가 조절될 수 있는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. 5. The method of claim 4,
The nanowire 60 has a nano-mesh structure, characterized in that the length can be adjusted according to the wavelength of the excitation light source.
상기 나노 갭(70) 간격은 2nm 이하로 제어되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. 5. The method of claim 4,
The nano gap 70 is a nano-neuron sensor having a nano-mesh structure, characterized in that the control point of less than 2nm.
상기 나노선의 재질은 금, 은, 백금, 구리 및 알루미늄 중에서 선택되어 사용되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. 5. The method of claim 4,
The nanowires may be made of gold, silver, platinum, copper, and aluminum.
상기 고분자 메트릭스(80)는 다공성의 고분자 구조를 통해 신경전달물질의 분자가 전파될 수 있도록 하는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. The method according to claim 1 or 4,
The polymer matrix (80) is a nano-neural sensor having a nano-mesh structure, characterized in that the molecules of the neurotransmitter can be propagated through a porous polymer structure.
상기 고분자 메트릭스(80)는 나피온(nafion), 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)), 폴리에틸렌(Poly(ethylene)), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethyleneoxide)) 중에서 선택적으로 사용되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. The method according to claim 1 or 4,
The polymer matrix 80 is selectively used among nafion, polyvinyl alcohol, poly (ethylene), and polyethylene oxide. Nano nerve sensor with nano mesh structure.
상기 여기 광원의 파장은 뇌로부터 발생하는 열잡음을 최소화하기 위하여 가시광선 영역에서 선택되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. The method according to claim 1 or 5,
The wavelength of the excitation light source is a nano-neuron sensor having a nano-mesh structure, characterized in that selected in the visible light region in order to minimize the thermal noise generated from the brain.
상기 나노 신경센서는 센싱 반응시간이 고분자 메트릭스, 나노선 재질 및 구조에 의해 결정되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서. The method of claim 1,
The nano-neural sensor is a nano-neuron sensor having a nano-mesh structure, characterized in that the sensing response time is determined by the polymer matrix, nanowire material and structure.
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