KR101670914B1 - 질량측정센서를 이용한 질량 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
실시 예는 질량측정센서가 배치된 수조 내에 타켓 물질이 포함된 액체를 채우는 단계; 소정 시간 경과 후 상기 액체를 제거하고 건조하는 단계; 및 상기 액체를 채우는 단계 이전에 측정한 상기 압전층의 전압값과 상기 건조하는 단계 이후에 상기 압전층의 전압값 차를 이용하여 상기 질량측정센서에 부착된 타겟 물질의 질량을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 질량측정센서는, 몸체; 및 상기 몸체에 일단이 고정되어 타겟 물질 흡착시 휨이 발생하는 센서부;를 포함하고, 상기 센서부는, 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되는 압전층; 및 상기 압전층 상에 배치되고 상기 타겟 물질이 부착되는 반응층을 포함하는 질량측정방법을 개시한다.
Description
실시 예는 질량측정센서를 이용한 질량 측정 방법에 관한 것이다.
유기물질의 질량을 측정하는 방법 중 하나로 캔틸레버(Cantilever)를 이용하는 방법이 주로 사용되고 있다. 캔틸레버의 끝단에 유기물질이 부착되면 캔틸레버에 휨이 발생하여 공진 주파수가 변화하게 된다. 이러한 주파수 변화를 이용하여 유기물질의 질량, 또는 농도를 환산할 수 있다.
그러나, 기존의 유기물질의 질량 측정 방법은 공진 주파수를 이용하여 간접적으로 유기물질의 질량을 측정하는 방법이며, 저농도(약 10-7M)의 측정 분해능을 가져 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 과제 중 하나는, 질량측정센서를 이용한 질량 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서는, 몸체; 및 상기 몸체에 일단이 고정되어 타겟 물질 흡착시 휨이 발생하는 센서부;를 포함하고, 상기 센서부는, 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되는 압전층; 및 상기 압전층 상에 배치되고 상기 타겟 물질이 부착되는 반응층을 포함한다.
상기 반응층은 상기 타겟 물질의 작용기와 반응하는 금속을 포함할 수 있다.
상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 시스템은, 일단이 고정되어 타겟 물질 부착시 휨이 발생하는 질량측정센서; 상기 질량측정센서의 휨에 따른 상기 압전층의 전압 변화를 측정하는 측정부; 및 상기 압전층의 전압 변화를 이용하여 상기 질량측정센서에 부착된 타겟 물질의 질량을 산출하는 질량산출부를 포함한다.
상기 질량측정센서 및 타겟 물질이 포함된 액체가 수용되는 수조를 더 포함할 수 있다.
상기 질량측정센서는, 몸체; 및 상기 몸체에 일단이 고정되어 타겟 물질 흡착시 휨이 발생하는 질량측정부;를 포함하고, 상기 질량측정부는 상기 전원공급부와 전기적으로 연결되는 압전층; 및 상기 타겟 물질이 흡착되는 반응층을 포함하고, 상기 반응층은 상기 타겟 물질의 작용기와 반응하는 금속을 포함할 수 있다.
상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 방법은, 질량측정센서가 배치된 수조 내에 타켓 물질이 포함된 액체를 채우는 단계; 소정 시간 경과 후 상기 액체를 제거하고 건조하는 단계; 및 상기 액체를 채우는 단계 이전에 측정한 상기 압전층의 전압값과 상기 건조하는 단계 이후에 상기 압전층의 전압값 차를 이용하여 상기 질량측정센서에 부착된 타겟 물질의 질량을 측정하는 단계를 포함한다.
실시 예에 따르면, 센서에 부착된 타겟 물질의 질량을 정확히 측정할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 시스템의 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 개념도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 일부 확대도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 SEM 사진이고,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 유기 물질의 흡착에 따라 질량측정센서의 휨을 보여주는 개념도이고,
도 7은 유기 물질의 흡착에 따라 압전층의 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 8은 유기 물질 흡착 후 건조한 이후의 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 9는 증류수 건조 후 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 10a와 도 10b는 증류수에 0.1mg/ml의 펩타이드를 분산시킨 경우 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 11은 톡신을 첨가하여 펩타이드의 고리를 떼어낸 후 전압 변화를 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 개념도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 일부 확대도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 SEM 사진이고,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 유기 물질의 흡착에 따라 질량측정센서의 휨을 보여주는 개념도이고,
도 7은 유기 물질의 흡착에 따라 압전층의 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 8은 유기 물질 흡착 후 건조한 이후의 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 9는 증류수 건조 후 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 10a와 도 10b는 증류수에 0.1mg/ml의 펩타이드를 분산시킨 경우 전압 변화를 측정한 그래프이고,
도 11은 톡신을 첨가하여 펩타이드의 고리를 떼어낸 후 전압 변화를 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 일부 확대도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량측정센서의 SEM 사진이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 시스템은, 일단이 고정되어 타겟 물질 부착시 휨이 발생하는 질량측정센서(20), 질량측정센서(20)의 휨에 따른 전압 변화를 측정하는 측정부(30), 및 질량측정센서(20)에 부착된 타겟 물질의 질량을 산출하는 질량산출부(40)를 포함한다.
질량측정센서(20)는 타겟 물질이 혼합된 유체와 접촉하도록 수조(10) 내에 배치될 수 있다. 그러나, 타겟 물질을 질량측정센서(20)에 접촉시키는 방법은 이에 한정하지 않는다. 일 예로, 타겟 물질을 기체에 혼합시켜 질량측정센서(20)에 분사할 수도 있다. 수조를 이용하는 구조는 미지의 유체에 혼합된 특정 유기물질의 질량을 측정하는데 적합할 수 있다.
본 명세서에서 타겟 물질은 특정 금속과 반응할 수 있는 작용기를 포함하는 유기물질일 수 있다. 일 예로 -SH 작용기를 갖는 유기물질일 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
질량측정센서(20)는 유기물질의 부착량에 따라 휨이 발생하는 점에서 캔틸레버(Cantilever)의 구성이 적용될 수도 있으나, 질량을 직접 측정하는 점에서 기존의 간접적인 방법에 의한 캔틸레버의 구조와 상이할 수 있다.
측정부(30)는 질량측정센서(20)의 휨에 따른 전압 변화를 측정할 수 있다. 측정부(30)는 압전층에 전압을 인가하고, 압전층의 휨에 따라 변화된 전압을 읽을 수 있는 다양한 계측 기기가 선택될 수 있다.
질량산출부(40)는 전압 변화를 이용하여 질량측정센서(20)에 부착된 타겟 물질의 질량을 산출할 수 있다. 질량산출부(40)는 하기 관계식 1을 이용하여 타겟 물질의 질량을 산출할 수 있다.
[관계식 1]
여기서, y는 질량측정센서에 부착된 타겟 물질의 질량(ng)이고, A는 센서의 힘 분해능(nN/uV)이고, x는 센서로부터 측정된 평균 전압이다. 센서의 힘 분해능은 1uV 당 4.547±0017(nN)일 수 있다.
그러나, 질량산출부(40)는 다양한 방법에 의해 타겟 물질의 질량을 산출할 수 있다. 일 예로, 질량산출부(40)는 룩-업 테이블을 이용하여 전압변화에 따른 타겟 물질의 질량을 산출할 수도 있다. 도 1에서는 측정부(30)와 질량산출부(40)는 각각 독립한 구성으로 설명되었으나 이는 하나의 제어유닛(예: 컴퓨터)에서 연속적으로 수행될 수도 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 질량측정센서(20)는, 몸체(21), 및 몸체(21)에 일단이 고정되어 타겟 물질 흡착시 휨이 발생하는 센서부(22)를 포함한다.
몸체(21)는 센서부(22)의 일단을 고정하는 역할을 수행하며, 재질에는 특별한 제한이 없다. 몸체(21)는 수조(10)의 내부에 배치된 받침대(50) 상에 배치되어 센서부(22)를 소정 높이에 위치시킬 수 있다. 몸체(21)는 압전층(25)과 전기적으로 연결되는 회로 패턴이 형성될 수 있다.
센서부(22)는 일단이 몸체(21)에 고정되어 휨이 발생할 수 있는 막대 형상일 수 있다. 센서부(22)는 베이스층(23), 베이스층(23) 상에 배치되는 압전층(25), 및 압전층(25) 상에 배치되어 타겟 물질이 부착되는 반응층(28)을 포함한다.
베이스층(23)은 SiO2, Al2O3와 같은 웨이퍼일 수 있다. 즉, 센서부(22)는 웨이퍼 레벨에서 제작된 후 복수 개로 분리된 멤스(MEMS) 구조일 수 있다. 베이스층(23)은 휨이 발생할 수 있는 두께로 제작될 수 있다.
압전층(25)은 다양한 압전재료를 포함할 수 있으며, 제1전극패턴(24)과 제2전극패턴(26) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 제1전극패턴(24)과 제2전극패턴(26)에 전압이 인가되면 전술한 측정부(30)는 휨에 따라 변화하는 전압을 측정할 수 있다. 압전층(25)의 변화에 따라 제1전극패턴(24)과 제2전극패턴(26) 사이의 전위차는 변화할 수 있다.
반응층(28)은 압전층(25)의 상부에 배치되어 외부에 노출된다. 반응층(28)은 타겟 물질의 작용기와 반응하는 금속을 포함할 수 있다. 금속은 금(Au), 은(Ag), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 반응층(28)과 제2금속패턴(26) 사이에는 절연층(27)이 형성되어 외부 전원이 반응층(28)에 인가되는 것을 방지할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a를 참고하면, 수조(10)에 타겟 물질(O)이 혼합된 유체를 채운다. 유체는 증류수일 수 있다. 도 5b를 참고하면 소정 시간 경과 후, 증류수를 수조(10)에서 제거한 후 건조시킬 수 있다. 구체적으로 수조(10) 내의 토출구(12)를 오픈시켜 증류수를 제거하고, 수조(10)의 외벽에 부착된 히터(11)를 가열하여 수조(10)의 내부를 건조시킬 수 있다. 그러나, 증류수를 제거하는 구조 및 건조 수단은 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 6을 참고하면, 유기물질(O)은 반응층과 Au-S 결합을 이루어 질량측정센서(20)의 센서부(22)에 부착되고, 그 무게에 의해 센서부(22)에는 휨이 발생하게 된다. 따라서, 휨에 의한 전압 변화를 측정할 수 있다.
도 7은 유기 물질의 흡착에 따른 전압 변화를 측정한 그래프이고, 도 8은 유기 물질 흡착 후 건조한 이후의 전압 변화를 측정한 그래프이고, 도 9는 증류수 건조 후 전압 변화를 측정한 그래프이다.
50ml의 증류수(DI)를 수조에 채우고, 약 10분 후 하기 구조식 1을 갖는 유기물질 1.128mg을 증류수(DI)에 분산시켰다.
[구조식 1]
도 7을 참고하면, 유기물질을 분산시킨 후 시간이 경과하면서 점차 전압이 상승하는 것을 알 수 있다. 이는 유기물질이 센서에 부착되어 휨이 발생했기 때문으로 판단된다. 약 100분이 경과한 후에는 평균전압이 약 0.0022uV 상승한 것을 알 수 있다.
이후, 도 8과 같이 공기에 의해 증류수를 건조한 후에는 0.025 uV의 전압 변화가 측정되었다.
증류수가 잔존하는 경우 부력, 유속 등의 영향으로 센서의 전압 변화를 정확히 측정하기 어렵다. 따라서, 질량측정센서(20)에 포함된 증류수를 제거하면 더욱 정확한 전압 변화를 측정할 수 있다.
이때, 도 9와 같이 질량측정센서에 증류수만을 부었다가 건조한 경우에는 전압 변화가 없는 것으로 미루어 볼 때, 도 8의 전압 변화는 유기물질이 부착되어 휨이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
도 10a와 도 10b는 증류수에 0.1mg/ml의 펩타이드를 분산시킨 경우 전압 변화를 측정한 그래프이고, 도 11은 0.1mg/ml의 펩타이드의 고리를 떼어낸 후 전압 변화를 측정한 그래프이다.
수조에 50ml의 증류수(DI)를 채우고 약 10분 후 하기 구조식 2를 갖는 0.1mg/ml의 펩타이드를 증류수에 분산시켰다. 하기 구조식 2의 말단에 있는 C(시스테인 아미노산)는 -SH 작용기를 포함한다.
[구조식 2]
도 10a를 참고하면, 시간이 경과함에 따라 전압이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이는 펩타이드가 센서에 부착되어 휨이 발생하였기 때문으로 판단된다. 도 10b와 같이 증류수만 채워진 경우 평균 전압이 -0.27uV이였으나 건조 후의 평균전압은 약 3.43uV로서 평균전압(-0.27uV)과의 전압차는 약 3.7uV임을 알 수 있다.
따라서, 상기 관계식 1에서 센서 분해능이 4.547nN으로 정해진 경우 센서에 부착된 펩타이드의 질량은 약 1.716ng으로 산출할 수 있다. 이때 펩타이드의 분자량(Molecular weight)은 3423.76 g/mol이므로 3 ×1011개의 펩타이드 분자가 부착된 것으로 환산할 수 있다.
도 11을 참고하면, 증류수에 펩타이드를 분산시킨 후 보툴리늄 톡신(Botulinum toxin)을 증류수에 떨어뜨려 센서에 부착된 펩타이드의 양을 측정하였다.
펩타이드만을 분산시킨 경우 평균 전압이 3.43uV인 반면, 보툴리늄 톡신(Botulinum toxin)을 첨가한 경우에는 평균 전압이 0.50uV로 변화하였음을 알 수 있다. 이는 보툴리늄 톡신(Botulinum toxin)에 의해 일부 펩타이드의 고리가 분해되었기 때문으로 판단된다.
즉, 변화된 전압(0.77uV)에 대응하는 펩타이드의 질량은 센서에 부착된 전체 펩타이드 중에서 톡신에 의해 고리가 끊어진 펩타이드를 제외한 나머지 펩타이드 분자의 질량으로 판단할 수 있다.
10: 수조
20: 질량측정센서
22: 센서부
25: 압전층
28: 반응층
30: 측정부
40: 질량산출부
20: 질량측정센서
22: 센서부
25: 압전층
28: 반응층
30: 측정부
40: 질량산출부
Claims (8)
- 질량측정센서가 배치된 수조 내에 타켓 물질이 포함된 액체를 채우는 단계;
소정 시간 경과 후 상기 액체를 제거하고 건조하는 단계; 및
상기 액체를 채우는 단계 이전에 측정한 압전층의 전압값과 상기 건조하는 단계 이후에 압전층의 전압값 차를 이용하여 상기 질량측정센서에 부착된 타겟 물질의 질량을 측정하는 단계를 포함하고,
상기 질량측정센서는,
몸체; 및
상기 몸체에 일단이 고정되어 타겟 물질 흡착시 휨이 발생하는 센서부;를 포함하고,
상기 센서부는,
베이스층;
상기 베이스층 상에 배치되는 압전층; 및
압전층 상에 배치되고 상기 타겟 물질이 부착되는 반응층을 포함하는 질량측정방법.
- 제1항에 있어서,
상기 반응층은 상기 타겟 물질의 작용기와 반응하는 금속을 포함하는 질량측정방법.
- 제2항에 있어서,
상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 질량측정방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150066804A KR101670914B1 (ko) | 2015-05-13 | 2015-05-13 | 질량측정센서를 이용한 질량 측정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101670914B1 true KR101670914B1 (ko) | 2016-11-16 |
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| KR (1) | KR101670914B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008069247A1 (ja) * | 2006-12-05 | 2008-06-12 | National University Corporation Gunma University | 質量測定装置及びカンチレバ |
| KR20110057795A (ko) * | 2009-11-25 | 2011-06-01 | 한국표준과학연구원 | 나노소재용 역학-전기 복합센서 |
-
2015
- 2015-05-13 KR KR1020150066804A patent/KR101670914B1/ko active IP Right Grant
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| KR20110057795A (ko) * | 2009-11-25 | 2011-06-01 | 한국표준과학연구원 | 나노소재용 역학-전기 복합센서 |
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