KR101356973B1 - Optical biosensor and method for manufacturing this - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 바이오센서와 이를 제조하는 방법으로서, 표면 플라즈몬 공명 바이오센서에 있어서, 프리즘의 하면에 형성된 금속 박막층과 상기 금속 박막층의 하면에 형성되어 분자 인식 물질이 고정화된 유전체층을 포함하되, 상기 금속 박막층은 상기 유전체층과 접하는 표면에 돌출된 복수개의 나노 돌기가 형성되어, 상기 복수개의 나노 돌기에 의해 상기 유전체층에 대한 SPR(Surface Plasmon Resonance) 공명각의 변화량이 조절되는 것을 특징으로 하는 광 바이오센서와 이를 제조하는 방법이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 바이오센서의 금속 박막에 나노 돌기를 형성시켜 바이오센서의 감도를 향상시키는데, 여기서 형성되는 나노 돌기의 높이 및 지름과 형성되는 간격을 조절함으로써 바이오센서의 검출 감도를 조정할 수 있다.The present invention relates to an optical biosensor and a method of manufacturing the same, the surface plasmon resonance biosensor comprising a metal thin film layer formed on the lower surface of the prism and a dielectric layer formed on the lower surface of the metal thin film layer to which a molecular recognition material is immobilized. The thin film layer is formed with a plurality of nano-projections protruding on the surface in contact with the dielectric layer, the optical biosensor, characterized in that the amount of change of the surface plasma resonance resonance (SPR) for the dielectric layer is controlled by the plurality of nano-projections; According to the present invention, the nano-protrusion is formed on the metal thin film of the biosensor to improve the sensitivity of the biosensor. Here, the height and diameter of the nano-protrusion formed and the spacing formed are adjusted by the biosensor. Detection sensitivity can be adjusted.

Description

광 바이오센서 및 이를 제조하는 방법 {OPTICAL BIOSENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THIS} Optical biosensor and method of manufacturing the same {OPTICAL BIOSENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THIS}

본 발명은 광 바이오센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 바이오센서의 유전체층과 접하는 금속 박막층 상의 표면에 돌출된 복수개의 나노 돌기가 형성되어, 상기 복수개의 나노 돌기에 의해 상기 유전체층에 대한 SPR(Surface Plasmon Resonance) 공명각의 변화량이 조절되는 광 바이오센서와 이를 제조하는 방법에 대한 것이다.
The present invention relates to an optical biosensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, a plurality of nano protrusions protruding from a surface of a metal thin film layer in contact with a dielectric layer of the optical biosensor are formed, and the dielectric layers are formed by the plurality of nano protrusions. Optical Plasmon Resonance (SPR) for the optical biosensor that controls the amount of change in the resonance angle and a method of manufacturing the same.

바이오센서(Biosensor)는 생물학적 요소와 분석 대상 물질과의 반응에서 나타나는 전기화학적 변화, 열에너지 변화, 형광 또는 색의 변화 등을 인식 가능한 신호로 변화시켜주는 장치를 통해 효소나 항체 또는 DNA 등의 생체 물질이 가지는 분자 인식 기능을 이용하여 각종 단백질, 화학 물질 또는 병원균 검출 대상 물질을 검출할 수 있는 장치이다. Biosensors are biomaterials such as enzymes, antibodies, and DNA through devices that convert electrochemical changes, thermal energy changes, fluorescence, or color changes into recognizable signals. This branch is a device capable of detecting various proteins, chemicals or pathogens to be detected by using a molecular recognition function.

바이오센서는 생물 공학, 화학 공학, 전자 공학, 생명 공학 및 컴퓨터 공학 등의 여러 분야가 접목되면서 급속도로 연구 및 개발되고 있다. 이와 같은 바이오센서의 종류는 측정 대상 물질, 센서에 고정된 생물학적 요소 또는 신호변화기의 종류에 따라 나눈다. 신호 변환 방법으로는 전기화학(electrochemical), 열(thermal), 광학(optical), 역학적(mechanical) 등의 다양한 물리화학적 방법이 사용되고 있다.Biosensors are rapidly being researched and developed by combining various fields such as biotechnology, chemical engineering, electronic engineering, biotechnology and computer engineering. Such types of biosensors are divided according to the material to be measured, a biological element fixed to the sensor, or a type of signal changer. As a signal conversion method, various physicochemical methods such as electrochemical, thermal, optical, and mechanical are used.

특히 나노 기술의 발전에 따른 바이오센서 개발의 증가로 우수한 검출 성능을 갖는 감지층의 개발과 활용을 위한 연구가 증대되고 있으며, 최근에는 선택적 특이 결합을 이용할 수 있어 고감도 검출이 가능한 광학 검출용 바이오센서를 개발하는 연구가 급속히 증가하고 있다.In particular, due to the increase in the development of biosensors with the development of nanotechnology, researches for the development and utilization of sensing layers having excellent detection performance have been increasing, and in recent years, optical detection biosensors capable of high-sensitivity detection with selective specific binding are available. There is a rapid increase in research to develop.

광학 검출용 바이오센서 중 Proteomics 분야에서 각광 받고 있는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; 이하 'SPR'이라 칭함)법을 이용하여 광 변화를 전기 신호로 변환시켜 반응을 검출하는 광학 바이오센서 분야에 대한 개발이 활발히 진행되고 있는데, 표면 플라즈몬이란 금속 표면과 같은 도체 표면을 따라서 전파되는 자유전자의 양자화된 진동으로서, 이와 같은 표면 플라즈몬은 프리즘과 같은 유전매체를 지나 유전 매체의 임계각 이상의 각도로 금속박막에 입사하는 입사광에 의해 여기되며, 일정한 각도에서 공명을 일으킨다. 이러한 SPR이 일어나는 입사각, 즉 공명각은 금속 박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 민감하다. Development of optical biosensor which detects reaction by converting light change into electric signal by using Surface Plasmon Resonance (SPR) which is spotlighted in proteomics among optical detection biosensors Surface plasmons are quantized vibrations of free electrons that propagate along a conductor surface such as a metal surface, and these surface plasmons pass through a dielectric medium such as a prism and enter the metal thin film at an angle above the critical angle of the dielectric medium. It is excited by incident light and causes resonance at a constant angle. The angle of incidence, ie the resonance angle, at which this SPR occurs is sensitive to the change in refractive index of the material in proximity to the metal thin film.

SPR 센서는 이러한 성질을 이용하여 금속 박막에 근접한 물질, 즉 시료의 굴절률 변화로부터 시료의 정량 분석, 정성 분석 및 박막인 시료의 두께를 측정하는데 이용할 수 있는데, 가령 SPR 센서 기술은 단백질과 같은 생체물질이 센서 표면에 결합될 경우 신호 변화를 일으키는 현상을 이용하여 바이오센서 및 바이오칩 측정방법으로 많이 이용되고 있다.SPR sensors can use this property to measure the thickness of a sample that is close to a metal thin film, ie quantitative analysis, qualitative analysis, and thin film sample from changes in the refractive index of the sample. When combined with the surface of the sensor, the phenomenon causing signal change is widely used as a method for measuring biosensors and biochips.

SPR 센서의 장점은 방사성 물질이나 형광물질을 이용한 별도의 표식 없이 광학적 원리만으로도 분자들 간의 상호작용 계측이 가능하고 실시간으로 결합 친화도를 측정할 수 있으며, 또한 분자 인식 검출에 우수한 감도를 가진다는 것이다.The advantage of the SPR sensor is that it can measure interactions between molecules using optical principles, measure binding affinity in real time, and have excellent sensitivity in detecting molecular recognition without any marker using radioactive materials or fluorescent materials. .

종래에는 이와 같은 SPR 기반의 바이오센서에서 검출 성능을 향상시키기 위하여 전체적인 기구부의 개선에 초점이 맞춰져 있어 개선된 바이오센서를 위해서는 전체적으로 기구를 교체해야하는 번거러움과 이로 인한 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.Conventionally, in order to improve detection performance in such an SPR-based biosensor, the focus is on the improvement of the overall mechanism, and there is a problem in that the cumbersome to replace the instrument as a whole for the improved biosensor and the high cost are caused.

또한 종래의 SPR 기반의 바이오센서를 제조함에 있어서 센서의 감도를 용이하게 조절하는 것이 불가능하여 상황에 따라 다양한 센서 감도를 갖는 바이오센서를 제공하는 것이 어려운 실정이다.
In addition, in manufacturing a conventional SPR-based biosensor, it is difficult to easily adjust the sensitivity of the sensor, it is difficult to provide a biosensor having various sensor sensitivity depending on the situation.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, SPR 기반의 바이오센서 장치에서 입사각의 분해능을 향상시키기 위해 기구부를 향상시키는 경우에 전체적인 센서 장비를 교체해야하는 불편함과 추가적인 비용 발생 문제를 해결하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, in the case of improving the mechanical part to improve the resolution of the angle of incidence in the SPR-based biosensor device, the inconvenience of having to replace the entire sensor equipment and additional cost generation problem To solve.

특히, 기존의 바이오센서 장비에 적용가능하면서 바이오센서의 간단한 구조 변경을 통해 바이오센서의 검출 감도를 향상시킬 수 있는 바이오센서와 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.In particular, it is intended to provide a biosensor that can be applied to existing biosensor equipment and improve the detection sensitivity of the biosensor through a simple structure change of the biosensor and a method of manufacturing the same.

나아가서 SPR 센서의 감도를 조절할 수 있는 바이오센서와 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
Furthermore, the present invention provides a biosensor capable of controlling the sensitivity of the SPR sensor and a method of manufacturing the same.

상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 표면 플라즈몬 공명 바이오센서에 있어서, 프리즘의 하면에 형성된 금속 박막층과 상기 금속 박막층의 하면에 형성되어 분자 인식 물질이 고정화된 유전체층을 포함하되, 상기 금속 박막층은 상기 유전체층과 접하는 표면에 돌출된 복수개의 나노 돌기가 형성되어, 상기 복수개의 나노 돌기에 의해 상기 유전체층에 대한 SPR(Surface Plasmon Resonance) 공명각의 변화량이 조절되는 것을 특징으로 하는 광 바이오센서이다.In accordance with an aspect of the present invention, a surface plasmon resonance biosensor includes a metal thin film layer formed on a bottom surface of a prism and a dielectric layer formed on a bottom surface of the metal thin film layer to which a molecular recognition material is immobilized. A plurality of nano-projections protruding from the surface in contact with the dielectric layer is formed, the optical biosensor characterized in that the amount of change in the surface plasma resonance resonance (SPR) with respect to the dielectric layer is controlled by the plurality of nano-projections.

바람직하게는 상기 나노 돌기는, 반구 형상 또는 다각면체 형상 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있다.Preferably, the nano-projections may be formed in various shapes such as hemispherical shape or polygonal shape.

보다 바람직하게는 상기 나노 돌기는, 일정간격으로 배열된 격자 모양으로 형성될 수 있다.More preferably, the nano-projections may be formed in a lattice shape arranged at regular intervals.

여기서 상기 나노 돌기는 상기 금속 박막층과 동일한 물질로 상기 금속 박막층 자체에서 돌출되어 형성되는 것이 바람직하다.Here, the nano-projections are preferably formed to protrude from the metal thin film layer itself with the same material as the metal thin film layer.

나아가서 상기 금속 박막층은, 은, 금, 은, 구리 또는 알루미늄 중 어느 하나로 형성될 수 있다.Further, the metal thin film layer may be formed of any one of silver, gold, silver, copper, or aluminum.

또한 본 발명은 광 바이오센서를 제조하는 방법에 있어서, 베이스 기판 상부에 마스크 금속층을 증착하는 단계; 상기 마스크 금속층에 복수개의 기공을 형성시켜 다공성 박막으로 형성시키는 단계; 상기 다공성 박막의 상부에 금속 물질을 증착시키는 단계; 상기 다공성 박막을 제거하여 나노 돌기의 패턴을 형성시키는 단계; 및 상기 베이스 기판 상부에 금속 물질을 증착시켜 나노 돌기가 형성된 금속 박막층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오센서 제조 방법을 포함한다.The present invention also provides a method of manufacturing an optical biosensor, comprising: depositing a mask metal layer on a base substrate; Forming a plurality of pores in the mask metal layer to form a porous thin film; Depositing a metal material on top of the porous thin film; Removing the porous thin film to form a pattern of nano protrusions; And depositing a metal material on the base substrate to form a metal thin film layer having nano protrusions formed thereon.

여기서 상기 마스크 금속층은, 알루미늄 박막층으로 형성시킬 수 있다.The mask metal layer may be formed of an aluminum thin film layer.

나아가서 상기 다공성 박막으로 형성시키는 단계는, 아노다이징(anodizing) 공정을 통해 상기 기공의 지름과 간격을 조절할 수 있다.Further, in the forming of the porous thin film, the diameter and spacing of the pores may be adjusted through an anodizing process.

그리고 나노 돌기의 패턴을 형성시키는 단계는, 염기성 용액으로 에칭하여 상기 알루미늄 박막층을 제거할 수 있다.In the forming of the nanoprotrusion pattern, the aluminum thin film layer may be removed by etching with a basic solution.

바람직하게는 상기 나노 돌기가 형성된 금속 박막층을 형성시키는 단계는, 상기 나노 돌기의 패턴을 형성시킨 금속 물질과 동일한 금속 물질로 금속 박막층을 형성시켜 상기 금속 박막층 자체에서 나노 돌기가 돌출되어 형성될 수 있다.
Preferably, the forming of the metal thin film layer on which the nano protrusions are formed may be formed by protruding the nano protrusions from the metal thin film layer itself by forming the metal thin film layer from the same metal material on which the nano protrusion patterns are formed. .

이와 같은 본 발명에 의하면, 바이오센서의 유전체층 두께 변화에 따른 고감도의 바이오센서를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a high-sensitivity biosensor according to the change in the thickness of the dielectric layer of the biosensor.

특히 본 발명에서는 바이오센서의 금속 박막에 나노 돌기를 형성시켜 바이오센서의 감도를 향상시키는데, 여기서 형성되는 나노 돌기의 높이 및 지름과 형성되는 간격을 조절함으로써 바이오센서의 검출 감도를 조정할 수 있다.In particular, the present invention improves the sensitivity of the biosensor by forming nano protrusions on the metal thin film of the biosensor. Here, the detection sensitivity of the biosensor can be adjusted by adjusting the height and diameter of the nano protrusions formed and the spacing formed.

나아가서 본 발명에 의하면 바이오센서의 간단한 구조 변경을 통해 기존의 SPR을 이용하는 광학 장치에도 쉽게 적용이 가능한 장점을 가진다.
Furthermore, according to the present invention has the advantage that can be easily applied to the optical device using the existing SPR through a simple structure change of the biosensor.

도 1은 본 발명이 적용되는 SPR 기반의 바이오센서 장치의 개략적인 구성과 동작도를 도시하며,
도 2는 SPR 기반 바이오센서에서 입사각 변화에 따른 반사도의 변화 양상을 도시하는 그래프이며,
도 3은 종래기술에 따른 바이오센서의 구성을 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 바이오센서에 대한 실시예의 구성을 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 바이오센서의 나노 돌기가 형성된 금속 박막층의 하나의 실시예를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 바이오센서의 나노 돌기가 형성된 금속 박막층의 다른 실시예를 도시하며,
도 7은 본 발명에 따른 바이오센서의 제조 방법의 흐름도이며,
도 8은 본 발명에 따른 바이오센서의 제조 공정의 실시예를 도시하며,
도 9는 종래기술에 따른 바이오센서의 입사각 변화에 따른 반사도의 변화 양상을 도시하는 그래프이며,
도 10은 본 발명에 따른 바이오센서의 입사각 변화에 따른 반사도의 변화 양상을 도시하는 그래프이다.Figure 1 shows a schematic configuration and operation of the SPR-based biosensor device to which the present invention is applied,
FIG. 2 is a graph illustrating a change of reflectivity according to an incident angle change in an SPR-based biosensor.
3 shows a configuration of a biosensor according to the prior art,
4 shows a configuration of an embodiment for a biosensor according to the present invention,
Figure 5 shows one embodiment of a metal thin film layer formed with a nano-projection of the biosensor according to the present invention,
6 shows another embodiment of the metal thin film layer in which the nano-projections of the biosensor according to the present invention are formed,
7 is a flowchart of a method of manufacturing a biosensor according to the present invention;
8 shows an embodiment of a manufacturing process of a biosensor according to the present invention,
9 is a graph showing a change in reflectivity according to the change in the incident angle of the biosensor according to the prior art,
10 is a graph showing a change of reflectivity according to the change of the incident angle of the biosensor according to the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terminology used in the present application is used only to describe a specific embodiment, and is not intended to limit the present invention, and the singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, in this application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify that there are stated features, integers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명은 광 바이오센서와 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 광 바이오센서의 금속 박막층은 유전체층과 접하는 표면에 돌출된 복수개의 나노 돌기가 형성되어, 상기 복수개의 나노 돌기에 의해 상기 유전체층에 대한 SPR(Surface Plasmon Resonance) 공명각의 변화량이 조절되는 광 바이오센서와 이를 제조하는 방법에 대한 것이다.The present invention relates to an optical biosensor and a method of manufacturing the same, wherein the metal thin film layer of the optical biosensor is formed with a plurality of nano-projections protruding on a surface in contact with the dielectric layer, and the SPR for the dielectric layer is formed by the plurality of nano-projections. Surface Plasmon Resonance) The present invention relates to an optical biosensor in which a change in resonance angle is controlled and a method of manufacturing the same.

본 발명의 바이오센서가 적용되는 SPR 기반의 바이오센서 장치는 광원부, 바이오센서부 및 광 검출부로 구성된다. 상기 광원부, 바이오센서부 및 광 검출부를 하나의 바이오센서로 칭할 수도 있겠으나, 본 발명에서는 분자 인식 물질이 고정화된 유전체층과 접하는 금속 박막층에 주된 특징적 구성이 있으므로, 프리즘, 유전체층 및 금속 박막층을 하나의 바이오센서로 구분하여 이하에서 이를 중심으로 본 발명을 살펴보기로 한다.
The SPR-based biosensor device to which the biosensor of the present invention is applied includes a light source unit, a biosensor unit, and a light detector. Although the light source unit, the biosensor unit, and the light detection unit may be referred to as a single biosensor, in the present invention, since the main thin film layer is in contact with the dielectric layer to which the molecular recognition material is immobilized, the prism, the dielectric layer, and the metal thin film layer are The present invention will be described below with the bio sensor as the center.

도 1은 본 발명이 적용되는 바이오센서 장치의 개략적인 구성을 도시한다.1 shows a schematic configuration of a biosensor device to which the present invention is applied.

도 1에 도시된 바이오센서 장치는 광원부(30), 바이오센서(10) 및 광 검출부(50)로 구성되며, 여기서 광원부(30)에서 발생되는 광원은 자외선 파장에서 근적외선 파장 영역을 가지는 텅스텐 램프, 텅스텐 할로겐 램프, 제논 램프, 레이저 등과 같은 다양한 광원이 이용될 수 있으며, 특히 백색광을 사용하는데 이는 백색광이 안정적인 출력을 제공하고 넓은 면적의 빛을 얻을 수 있기 때문이다. The biosensor device shown in FIG. 1 includes a light source unit 30, a biosensor 10, and a light detector 50, wherein the light source generated by the light source unit 30 includes a tungsten lamp having a near infrared wavelength region at an ultraviolet wavelength, Various light sources such as tungsten halogen lamps, xenon lamps, lasers and the like can be used, in particular using white light because white light can provide a stable output and obtain a large area of light.

실질적으로 바이오센서 장치에는 광원부(30)로부터의 방사된 광을 모아 직진시키기 위한 렌즈, 렌즈를 통한 광의 양을 조절하며 평행하게 만들기 위한 조리개, TM(transverse magnetic) 모드의 빛을 만들어 주는 편광기 등의 구성이 필요할 수 있으며 또한 광 검출부(50)도 반사된 광을 검출하여 분석하기 위한 다양한 구성들이 포함될 수 있으나, 이들 구성은 일반적인 SPR 기반의 바이오센서 장치의 구성들로 본 발명의 주된 구성요소가 아니므로 그 설명은 생략하기로 한다.Substantially, the biosensor device includes a lens for collecting and radiating light emitted from the light source unit 30, an aperture for adjusting and parallelizing the amount of light through the lens, and a polarizer for generating light in a transverse magnetic (TM) mode. Although the configuration may be necessary and the light detector 50 may also include various components for detecting and analyzing the reflected light, these components are not the main components of the present invention as the components of the general SPR-based biosensor device. The description thereof will be omitted.

본 발명에서 바이오센서(10)는 프리즘(11), 금속 박막층(13) 및 유전체층(14)을 포함하는데, 유전체층(14)은 분자 인식 물질이 고정되어 상기 분자 인식 물질과 검출 대상 물질의 결합이 발생되는 부분이며, 상기 분자 인식 물질과 검출 대상 물질의 결합에 의해 상기 프리즘(11)을 통과하여 반사되는 광에는 미세한 굴절율 변화가 발생되어 광 검출부(50)가 이러한 미세한 변화를 측정하게 된다.In the present invention, the biosensor 10 includes a prism 11, a metal thin film layer 13, and a dielectric layer 14, wherein the dielectric layer 14 is fixed with a molecular recognition material so that the combination of the molecular recognition material and the detection target material is prevented. In this case, minute refractive index changes are generated in the light reflected through the prism 11 by the combination of the molecular recognition material and the detection target material, and the light detector 50 measures the minute change.

즉, SPR은 금속 박막층(13)과 유전체층(14)의 경계면에서 발생하는 전자의 진동을 의미하며, 상기 분자 인식 물질과 검출 대상 물질의 결합에 따른 유전체층(14)의 굴절율 또는 두께의 변화가 SPR 현상에 영향을 주어 이와 같은 SPR 현상의 변화를 광 검출부(50)가 검출함으로써 분자 인식 물질과 검출 대상 물질의 결합을 검출하게 된다.In other words, SPR refers to the vibration of electrons generated at the interface between the metal thin film layer 13 and the dielectric layer 14, the change in the refractive index or thickness of the dielectric layer 14 due to the combination of the molecular recognition material and the detection target material The optical detection unit 50 detects such a change in the SPR phenomenon by detecting the combination of the molecular recognition material and the detection target material by affecting the phenomenon.

도 2는 SPR 기반 바이오센서에서 입사각 변화에 따른 반사도의 변화 양상을 도시하는 그래프인데, 상기 도 2에서 가장 낮은 반사도를 나타내는 입사각을 SPR 공명각 또는 SPR 각이라 칭하며, SPR 각은 유전체층의 굴절률 또는 두께의 변화에 따라 변하게 된다.
FIG. 2 is a graph illustrating a change in reflectivity according to an incident angle change in an SPR-based biosensor. In FIG. 2, an incident angle showing the lowest reflectance is called an SPR resonance angle or an SPR angle, and the SPR angle is a refractive index or thickness of a dielectric layer. Will change according to the change.

이하에서는 본 발명의 특징적 구성인 바이오센서에 대하여 자세히 살펴보기로 하며, 본 발명의 특징적 구성을 보다 효과적으로 쉽게 설명하기 위해 종래기술에 따른 바이오센서와 대비하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the biosensor, which is a characteristic configuration of the present invention, will be described in detail. In order to more effectively and easily describe the characteristic configuration of the present invention, it will be described in comparison with a biosensor according to the prior art.

도 3은 종래기술에 따른 바이오센서의 구성을 도시하며, 도 4는 본 발명에 따른 바이오센서에 대한 실시예의 구성을 도시한다.3 shows a configuration of a biosensor according to the prior art, and FIG. 4 shows a configuration of an embodiment for a biosensor according to the present invention.

먼저 종래기술에 따른 바이오센서의 구성을 도 3을 참조하여 살펴보면, 프리즘(11)의 일면과 접하여 금속 박막층(13)이 형성되고 금속 박막층(13)과 접하여 유전체층(14)이 형성되는데, 도 3에서 확대부분을 살펴보면, 종래기술에 따른 바이오센서의 경우에는 평평한 금속 박막층(13)의 표면 상에 유전체층(14)이 형성되게 된다.First, the configuration of the biosensor according to the related art will be described with reference to FIG. 3. The metal thin film layer 13 is formed in contact with one surface of the prism 11, and the dielectric layer 14 is formed in contact with the metal thin film layer 13. Looking at the enlarged portion, in the case of the biosensor according to the prior art, the dielectric layer 14 is formed on the surface of the flat metal thin film layer 13.

도 4를 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서를 살펴보면, 본 발명에 따른 바이오센서의 경우에도 프리즘(110)의 일면에 접하여 금속 박막층(130)이 형성되고 금속 박막층(130)과 접하여 유전체층(140)이 형성되는데, 본 발명의 경우에는 도 4의 확대부분에 도시된 바와 같이 유전체층(140)과 접하는 금속 박막층(130)의 표면에 유전체층(140)으로 돌출된 복수개의 나노 돌기(135)가 형성되어 있다.Referring to the biosensor according to the present invention with reference to FIG. 4, even in the biosensor according to the present invention, the metal thin film layer 130 is formed in contact with one surface of the prism 110, and the dielectric layer 140 is in contact with the metal thin film layer 130. In the case of the present invention, as shown in the enlarged portion of FIG. 4, a plurality of nano-projections 135 protruding from the dielectric layer 140 are formed on the surface of the metal thin film layer 130 contacting the dielectric layer 140. have.

여기서 나노 돌기(135)는 반구 형상, 원기둥 형상, 육면체 형상, 다각면체 형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 또한 형성되는 간격이 일정하게 격자 모양으로 배열되어 형성될 수도 있고 상황에 따라서는 그 배열이 불규칙하게 형성될 수도 있다.Herein, the nano protrusions 135 may be formed in various shapes such as hemispherical shape, cylinder shape, hexahedron shape, polygonal shape, and the intervals formed may be formed in a regular lattice shape or the arrangement depending on the situation. This may be formed irregularly.

이와 같은 나노 돌기가 형성된 금속 박막층의 실시예를 살펴보자면, 도 5는 본 발명에 따른 나노 돌기가 형성된 금속 박막층의 하나의 실시예를 도시하는데, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 나노 돌기(135)가 형성된 금속 박막층(130)의 상부를 보면 나노 돌기(135)가 격자 모양으로 일정 간격을 유지하며 배열되고 그 모양은 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 그 단면이 마름모 형상을 가지고 있다.Looking at an embodiment of the metal thin film layer formed with such nano-projections, Figure 5 shows an embodiment of the metal thin film layer formed with nano-projections according to the present invention, as shown in Figure 5 (a) nano projections Looking at the upper portion of the metal thin film layer 130 is formed (135) nano projections 135 are arranged in a lattice shape at regular intervals, the shape thereof is a cross-sectional shape as shown in (b) of FIG. Have.

또한 도 6은 본 발명에 따른 바이오센서의 나노 돌기가 형성된 금속 박막층의 다른 실시예를 도시하는데, 도 6의 실시예에 도시된 나노 돌기(135')는 반구 형상으로 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 금속 박막층(130')의 상부로 돌출되어 격자 모양으로 형성되며, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 그 단면은 반원 모양으로 형성되어 있다.6 illustrates another embodiment of the metal thin film layer in which the nano protrusions of the biosensor according to the present invention are formed, and the nano protrusions 135 ′ shown in the embodiment of FIG. 6 have a hemispherical shape in FIG. As shown in the drawing, the upper portion of the metal thin film layer 130 ′ is protruded to have a lattice shape, and as shown in FIG.

이와 같이 본 발명에서 금속 박막층에 형성되는 나노 돌기는 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 형성되는 높이, 지름 및 서로 간의 간격이 조절되어 형성될 수 있다.As described above, the nano-protrusions formed in the metal thin film layer may be formed in various shapes, and the heights, diameters, and gaps formed therebetween may be adjusted.

특히 본 발명에서는 형성되는 나노 돌기의 높이나 지름 및 서로 간의 간격을 조절함으로써 바이오센서의 감도를 조절할 수 있는데, 이는 형성되는 나노 돌기의 형태나 모양 또는 그 간격에 따라 입사각에 따른 반사각의 변화가 발생되므로 SPR 공명각의 변화량이 조절될 수 있기 때문이다.
In particular, in the present invention, the sensitivity of the biosensor can be controlled by adjusting the height or diameter of the formed nano protrusions and the distance between each other, since the change of the reflection angle according to the incident angle is generated according to the shape or shape of the formed nano protrusions or the interval thereof. This is because the amount of change in the SPR resonance angle can be controlled.

이하에서는 이와 같은 본 발명에 따른 바이오센서의 제조 방법에 대하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, a manufacturing method of the biosensor according to the present invention will be described.

도 7은 본 발명에 따른 바이오센서의 제조 방법에 대한 개략적인 흐름도를 나타내며, 도 8은 본 발명에 따른 바이오센서의 제조 공정에 대한 실시예를 도시한다.7 shows a schematic flowchart of a method of manufacturing a biosensor according to the present invention, and FIG. 8 shows an embodiment of a manufacturing process of a biosensor according to the present invention.

도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서의 제조 방법을 살펴보면, 우선 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 베이스 기판(120)의 상부에 금속 물질로 마스크 금속층(115)을 증착(S110)한다. 여기서 베이스 기판(120)은 유리나 유기 기판 등이 이용될 수 있으며, 마스크 금속층(115)은 알루미늄 박막으로 형성시키는 것이 바람직하다.Referring to FIGS. 7 and 8, a method of manufacturing a biosensor according to the present invention will be described. First, as illustrated in FIG. 8A, the mask metal layer 115 is deposited on the base substrate 120 using a metal material. (S110). The base substrate 120 may be formed of glass, an organic substrate, or the like, and the mask metal layer 115 may be formed of an aluminum thin film.

그리고 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 마스크 금속층(115)에 복수개의 기공(112)을 형성시켜 다공성 박막(113)을 형성(S120)하게 되는데, 마스크 금속층(115)을 알루미늄 박막으로 형성시키는 경우에 아노다이징(anodizing) 공정을 통해 알루미늄 박막을 다공성 박막(113)으로 변형시킬 수 있다.As shown in FIG. 8B, a plurality of pores 112 are formed in the mask metal layer 115 to form the porous thin film 113 (S120). The mask metal layer 115 is formed of an aluminum thin film. In this case, the aluminum thin film may be transformed into the porous thin film 113 through an anodizing process.

여기서 아노다이징 공정은 알루미늄 박막을 산성 용액에 담근 후 직류를 가함으로써 알루미늄 박막 상에 다공성의 기공들이 형성되며, 이때 형성되는 기공의 크기는 형성조건을 조절하여 간단히 제어할 수 있다.In the anodizing process, porous pores are formed on the aluminum thin film by applying a direct current after soaking the aluminum thin film in an acidic solution, and the size of the pores formed at this time can be controlled simply by adjusting the formation conditions.

다공성 박막(113)이 형성되면, 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 다공성 박막(113)의 상부로 금속 물질을 증착(S130)하여 다공성 박막(113)의 기공(112) 상에 금속 물질이 충진되도록 하는데, 이때 일반적인 증착(evaporation) 공정을 통해 다공성 박막(113) 상의 기공(112)에 금속 물질을 증착시킴으로써 유리 기판인 베이스 기판(120)의 표면에만 금속 물질을 증착시킬 수 있다. 나아가서 증착되는 금속 물질은 이후에 형성될 나노 돌기의 일부분이 되므로 실질적으로 나노 돌기를 형성시킨 금속물질과 동일한 물질로 금속 박막층을 형성시키는 것이 바람직하며 상기 실시예에서는 금속 물질로 금을 이용하였다.When the porous thin film 113 is formed, a metal material is deposited on the pores 112 of the porous thin film 113 by depositing a metal material on the porous thin film 113 (S130) as shown in FIG. 8C. In this case, the metal material may be deposited only on the surface of the base substrate 120, which is a glass substrate, by depositing a metal material on the pores 112 on the porous thin film 113 through a general evaporation process. Further, since the deposited metal material becomes part of the nanoprotrusions to be formed later, it is preferable to form the metal thin film layer using the same material as the metal material on which the nanoprotrusions are formed. In the above embodiment, gold was used as the metal material.

이와 같이 형성되는 기공(112)과 기공(112) 상에 충진되는 금속 물질이 결국 형성될 나노 돌기의 크기를 결정하게 되므로 이를 조절함으로써 형성될 나노 돌기의 높이, 지름 및 서로 간의 간격을 조절할 수 있게 된다.The pores 112 formed as described above and the metal material filled on the pores 112 determine the size of the nano-projections that will eventually be formed, thereby controlling the height, diameter and spacing of the nano-projections to be formed by controlling them. do.

그리고 다공성 박막(113)을 제거하면 나노 돌기의 패턴(131)이 형성(S140)되는데, 상기의 실시예에서는 다공성 박막(113)가 자체가 알루미늄 물질로 형성되어 있으므로 염기성 용액을 이용한 에칭 공정을 통해 나노 돌기의 패턴(131)은 유지하면서 알루미늄 박막인 다공성 박막(113)만을 제거할 수 있으며, 도 8의 (d)에 도시된 바와 같은 유리 기판인 베이스 기판(120) 상에 형성된 나노 돌기의 패턴(131)을 얻을 수 있다.When the porous thin film 113 is removed, the pattern 131 of the nano protrusions is formed (S140). In the above embodiment, since the porous thin film 113 is formed of an aluminum material, an etching process using a basic solution is used. While maintaining the pattern 131 of the nano protrusions, only the porous thin film 113 which is an aluminum thin film can be removed, and the pattern of the nano protrusions formed on the base substrate 120 which is the glass substrate as shown in FIG. 131 can be obtained.

나노 돌기의 패턴(131)이 형성되면, 나노 돌기 패턴(131)이 형성된 베이스 기판(120)의 상부에 나노 돌기의 패턴(131)과 동일한 금속 물질을 증착시키는데, 상기의 실시예에서는 나노 돌기의 패턴(131)을 금으로 형성시켰으므로 동일한 금을 증착시키게 된다.When the pattern of the nano protrusions 131 is formed, the same metal material as the pattern of the nano protrusions 131 is deposited on the base substrate 120 on which the nano protrusion patterns 131 are formed. Since the pattern 131 is formed of gold, the same gold is deposited.

그러면 도 8의 (e)에 도시된 바와 같이 나노 돌기의 패턴(131)에 따라 상부로 돌출된 나노 입자(135)들이 형성된 금속 박막층(130)을 형성시킬 수 있게 된다. Then, as shown in FIG. 8E, the metal thin film layer 130 having the nanoparticles 135 protruding upward may be formed according to the pattern 131 of the nanoprotrusion.

이와 같은 본 발명에 따른 바이오센서의 제조 방법에 의하면, 금속 박막층의 표면에 나노 돌기를 형성하는 경우에 금속 박막층과 유전체층이 동시에 증가하는 영역에서의 부피비와 높이를 일정하게 재현시킬 수 있으면서 나노 돌기가 형성된 금속 박막층을 형성시킬 수 있다.
According to the method of manufacturing a biosensor according to the present invention, when the nanoprotrusions are formed on the surface of the metal thin film layer, the nano protuberances can be uniformly reproduced while the volume ratio and height in the region where the metal thin film layer and the dielectric layer are simultaneously increased. The formed metal thin film layer can be formed.

도 9는 종래기술에 따른 바이오센서의 입사각 변화에 따른 반사도의 변화 양상을 도시하는 그래프이며, 도 10은 본 발명에 따른 바이오센서의 입사각 변화에 따른 반사도의 변화 양상을 도시하는 그래프이다.9 is a graph showing a change in reflectivity according to the change in the incident angle of the biosensor according to the prior art, Figure 10 is a graph showing a change in reflectivity according to the change in the incident angle of the biosensor according to the present invention.

도 9의 그래프는 상기 도 3의 종래기술에 따라 금속 박막층을 금으로 형성시키고 상기 금속 박막층의 표면에 항체 등의 생체 물질을 고정시켜 유전체층을 형성시킨 경우로서, 여기서 금으로 형성된 금속 박막층의 유전체층과 접하는 계면은 평평한 형태인 경우를 시뮬레이션한 결과 그래프이고, 도 10은 상기 도 4의 본 발명에 따른 실시예와 같이 금속 박막층을 금으로 형성시키되 상기 금속 박막층의 유전체층과 접하는 표면에 복수개의 나노 돌기가 형성된 경우를 시뮬레이션한 결과 그래프이다.9 illustrates a case where a metal thin film layer is formed of gold and a dielectric layer is formed by fixing a biological material such as an antibody on the surface of the metal thin film layer according to the prior art of FIG. 3, wherein the dielectric layer of the metal thin film layer formed of gold and The contacting interface is a graph showing a result of simulating a flat shape, and FIG. 10 shows a plurality of nanoprotrusions formed on the surface of the metal thin film layer in contact with the dielectric layer of the metal thin film layer as in the embodiment of FIG. 4. It is a graph of the simulation result.

상기 도 9 및 도 10에 도시된 시뮬레이션 결과에 따르면 유전체층의 두께가 각각 1nm, 2nm, 3nm로 증가할 때 각각의 SPR 각이 증가함을 알 수 있는데, 이와 같이 유전체층의 두께 증가를 SPR 공명각의 이동을 통해 확인할 수 있다. According to the simulation results shown in FIGS. 9 and 10, when the thickness of the dielectric layer increases to 1 nm, 2 nm, and 3 nm, respectively, the respective SPR angles are increased. You can check it by moving it.

도 9의 종래기술에 따른 바이오센서의 경우에는 유전체층의 두께 1nm 증가당 0.13도(deg.)의 감도를 가짐을 알 수 있으며, 도 10의 본 발명에 따른 바이오센서의 경우에는 1nm 증가당 1.73도(deg.)의 감도를 가짐을 알 수 있다.It can be seen that the biosensor according to the prior art of FIG. 9 has a sensitivity of 0.13 degrees (deg.) Per 1 nm increase in thickness of the dielectric layer, and 1.73 degrees per 1 nm increase in the biosensor according to the present invention of FIG. 10. It can be seen that the sensitivity of (deg.).

이와 같은 시뮬레이션 결과를 볼 때 종래기술보다 본 발명에 따른 바이오센서의 경우에 그 감도가 훨씬 향상되었음을 알 수 있다.
From the simulation results, it can be seen that the sensitivity of the biosensor according to the present invention is much improved than the prior art.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments of the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

10, 100 : 바이오센서,
11, 110 : 프리즘,
120 : 마스크 금속층,
13, 130, 130' : 금속 박막층,
131 : 나노 돌기의 패턴,
135, 135' : 나노 돌기.10, 100: biosensor,
11, 110: prism,
120: mask metal layer,
13, 130, 130 ': metal thin film layer,
131: pattern of the nano projections,
135, 135 ': nanoprotrusion.

Claims (14)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 표면 플라즈문 공명 바이오센서를 제조하는 방법에 있어서,
베이스 기판 상부에 마스크 금속층을 증착하는 단계;
상기 마스크 금속층에 복수개의 기공을 형성하여 다공성 박막으로 형성하는 단계;
상기 다공성 박막의 상부에 금속 물질을 증착하는 단계;
상기 다공성 박막을 제거하여 나노 돌기의 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 베이스 기판 상부에 금속 물질을 증착하여 복수의 나노 돌기가 형성된 금속 박막층을 형성하는 단계를 포함하는, 광 바이오센서 제조 방법.In the method for producing a surface plasmon resonance biosensor,
Depositing a mask metal layer over the base substrate;
Forming a plurality of pores in the mask metal layer to form a porous thin film;
Depositing a metal material on top of the porous thin film;
Removing the porous thin film to form a pattern of nano protrusions; And
And depositing a metal material on the base substrate to form a metal thin film layer having a plurality of nano-projections formed thereon. 제 6 항에 있어서,
상기 마스크 금속층은, 알루미늄 박막층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광 바이오센서 제조 방법.The method according to claim 6,
The mask metal layer is formed of an aluminum thin film layer, characterized in that the optical biosensor manufacturing method. 제 6 항에 있어서,
상기 다공성 박막으로 형성하는 단계는,
아노다이징(anodizing) 공정을 통해 상기 기공의 지름과 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 광 바이오센서 제조 방법.The method according to claim 6,
Forming the porous thin film,
Optical biosensor manufacturing method characterized in that to adjust the diameter and spacing of the pores through an anodizing process. 제 7 항에 있어서,
상기 다공성 박막을 제거하여 상기 나노 돌기의 패턴을 형성하는 단계는,
염기성 용액으로 에칭하여 상기 알루미늄 박막층을 제거하는 것을 특징으로 하는 광 바이오센서 제조 방법.The method of claim 7, wherein
Removing the porous thin film to form a pattern of the nano protrusions,
And etching the basic solution to remove the aluminum thin film layer. 제 6 항에 있어서,
상기 나노 돌기가 형성된 금속 박막층을 형성하는 단계는,
상기 나노 돌기의 패턴을 형성시킨 금속 물질과 동일한 금속 물질로 금속 박막층을 형성시켜 상기 금속 박막층 자체에서 나노 돌기가 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광 바이오센서 제조 방법.The method according to claim 6,
Forming the metal thin film layer formed with the nano protrusions,
And forming a metal thin film layer with the same metal material on which the pattern of the nano protrusions is formed to protrude nano protrusions from the metal thin film layer itself. 제6항에 있어서,
상기 금속 박막층의 하면에 분자 인식 물질이 고정화된 유전체층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 유전체층과 접하는 표면으로 돌출되는 상기 유전체층의 상기 복수의 나노 돌기에 의해 상기 유전체층에 대한 SPR(Surface Plasmon Resonance) 공명각의 변화량이 조절되는, 광 바이오센서 제조 방법.The method according to claim 6,
Forming a dielectric layer on which a molecular recognition material is immobilized on a lower surface of the metal thin film layer,
The change amount of the surface plasma resonance resonance (SPR) with respect to the dielectric layer is controlled by the plurality of nano-projections of the dielectric layer protruding to the surface in contact with the dielectric layer. 제6항에 있어서,
상기 다공성 박막의 상부에 증착되는 금속 물질과 상기 베이스 기판 상부에 증착되는 금속 물질은 동일한 것을 특징으로 하는 광 바이오센서 제조 방법.The method according to claim 6,
And a metal material deposited on top of the porous thin film and a metal material deposited on top of the base substrate. 제11항에 있어서,
상기 나노 돌기는,
반구 형상 또는 다각면체 형상으로 형성되는, 광 바이오센서 제조 방법.12. The method of claim 11,
The nano protrusions,
Formed in a hemispherical or polygonal shape, optical biosensor manufacturing method. 제12항에 있어서,
상기 나노 돌기는,
격자 모양으로 형성되는, 광 바이오센서 제조 방법.The method of claim 12,
The nano protrusions,
It is formed in a grid shape, optical biosensor manufacturing method.
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