KR101685076B1 - 광전도성 바이오센서 - Google Patents

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KR101685076B1
KR101685076B1 KR1020150078649A KR20150078649A KR101685076B1 KR 101685076 B1 KR101685076 B1 KR 101685076B1 KR 1020150078649 A KR1020150078649 A KR 1020150078649A KR 20150078649 A KR20150078649 A KR 20150078649A KR 101685076 B1 KR101685076 B1 KR 101685076B1
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여종석
이지혜
김정현
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 광전도성 바이오센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서는 기판; 기판상의 제1 공진체; 및 제1 공진체의 표면에 기능화된 제1 기능기를 포함하며, 제1 기능기는타겟 물질과 결합 가능한 물질을 포함하고, 제1 공진체는 소정의 광에 의해 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 전도성 구조체를 포함한다.

Description

광전도성 바이오센서{PHOTOCONDUCTANT BIOSENSOR}
본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공진체들 간의 조립에 의한 근접장 증강 효과를 이용하여 타겟 물질을 검출하는 광전도성 바이오센서에 관한 것이다.
바이오센서(bio sensor)는 항원, 효소나 단백질, 미생물, 동식물세포, DNA/RNA 등의 타겟 물질을 검출하기 위한 센서로, 주로 광학 염료(optical dye)를 이용한 광학적인 측정방법이 사용되어 왔다. 광학적 측정방법을 이용한 바이오센서는 감도가 좋고 감지 선택성이 우수하다는 장점이 있으나, 측정장비가 고가이며 광학 염료(optical dye) 등의 물질이 시간이 오래됨에 따라 염료의 탈색 및 표백으로 인한 광학적 특성의 안정도 문제 및 이를 시료에 붙여야 하는 전처리 과정이 요구되므로 측정을 위한 준비 과정이 비교적 길다는 단점이 있다.
본 발명은 타겟 물질을 높은 민감도로 검출할 수 있는 광전도성 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 광학적 방식뿐 아니라 전기적 측정에 의하여 타겟 물질을 검출할 수 있는 광전도성 바이오센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 광전도성 바이오센서는 기판; 상기 기판상의 제1 공진체; 및 상기 제1 공진체의 표면에 기능화된 제1 기능기를 포함하며, 상기 제1 기능기는타겟 물질과 결합 가능한 물질을 포함하고, 상기 제1 공진체는 소정의 광에 의하여 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 전도성 구조체를 포함한다.
상기 전도성 구조체는 나노와이어를 포함할 수 있다.
상기 제1 기능기는 핵산 프로브, 항체 및 효소 중에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 광전도성 바이오센서는, 상기 타겟 물질과 결합되고, 상기 제1 기능기를 매개로 상기 제1 공진체에 결합되는 제2 공진체를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 공진체는나노 또는 마이크로 금속 입자를 포함할 수 있다.
상기 제2 공진체는 금, 은, 구리, 알루미늄 및 백금 중에서 선택된 적어도 1종의 금속 입자를 포함할 수 있다.
상기 광전도성 바이오센서는 상기 제2 공진체에 결합된 제2 기능기를 더 포함하고, 상기 제2 기능기는 상기 타겟 물질에 결합될 수 있다.
상기 제2 기능기는 핵산 프로브, 항체 및 효소 중에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 제2 공진체는 상기 제1 공진체와 결합하여 근접장 증강 효과를 일으킬 수 있다.
상기 광전도성 바이오센서는, 상기 제1 공진체에 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류 값의 변화에 따라 상기 타겟 물질을 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 광전도성 바이오센서는, 상기 제1 공진체와 상기 제2 공진체의 결합에 따른 산란 파장의 변화로부터 상기 타겟 물질을 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기능기는 상기 제1 공진체의 표면에 부분적으로 기능화될 수 있다.
상기 제1 기능기는 상기 제1 공진체의 측면, 모서리 또는 꼭지점에 기능화될 수 있다.
상기 광전도성 바이오센서는 상기 제1 공진체의 표면에 자가조립된 결합기를 더 포함하고, 상기 제1 기능기는 상기 결합기를 매개로 상기 제1 공진체의 표면에 결합될 수 있다.
상기 광전도성 바이오센서는 상기 기판상의 제1 전극; 및 상기 기판상의 제2 전극을 더 포함하고, 상기 제1 공진체는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 연결되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 소정의 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 제1 기판상에 제1 공진체를 형성하는 단계; 타겟 물질과 결합 가능한 제1 기능기를 상기 제1 공진체의 표면에 기능화하는 단계; 및 상기 제1 기능기로 기능화된 제1 공진체를 제2 기판으로 전사하는 단계를 포함하는 광전도성 바이오센서 제조 방법이 제공된다.
상기 광전도성 바이오센서 제조 방법은 상기 타겟 물질과 결합 가능한 제2 기능기를 제2 공진체에 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 광전도성 바이오센서 제조 방법은 상기 제1 공진체와 상기 제2 공진체 간의 거리가 조절되도록, 상기 제1 기능기 및 상기 제2 기능기 중의 적어도 하나의 길이 또는 상기 타겟 물질과의 결합 길이를 변화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 광전도성 바이오센서를 이용하여 타겟 물질을 감지하는 방법으로서, 제1 기능기로 표면이 기능화된 제1 공진체와, 제2 기능기와 결합된 제2 공진체를 준비하는 단계; 상기 제2 기능기가 결합된 상기 제2 공진체와, 타겟 물질이 감지될 샘플의 혼합액을 상기 제1 기능기로 기능화된 상기 제1 공진체에 제공하는 단계; 및 상기 제1 공진체의 전기적 특성 및 광학적 특성 중 적어도 하나에 따라 상기 타겟 물질을 감지하는 단계를 포함하는 광전도성 바이오센서를 이용한 타겟 물질 감지 방법이 제공된다.
상기 타겟 물질을 감지하는 단계는 상기 제1 공진체와 상기 제2 공진체의 결합에 따른 근접장 증강 효과를 감지하여 상기 타겟 물질을 감지할 수 있다.
상기 타겟 물질을 감지하는 단계는, 상기 제1 공진체에 흐르는 전류 값 및 상기 광전도성 바이오센서의 산란 파장 중의 적어도 하나를 측정하는 단계; 및 상기 전류 값 및 상기 산란 파장 중의 적어도 하나에 기초하여 상기 타겟 물질을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 타겟 물질을 높은 민감도로 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 광학적 방식뿐 아니라 전기적 측정에 의하여 타겟 물질을 검출할 수 있는 광전도성 바이오센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서에 타겟 물질이 결합된 것을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서를 구성하는 제2 공진체와 제2 기능기를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 타겟 물질을 매개로 광전도성 바이오센서에 제2 공진체가 결합된 것을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 'B'부를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서의 제작 순서 및 작용에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 455nm 광을 이용한 나노와이어의 근접장 시뮬레이션 결과이다.
도 10b는 455nm 광을 이용한 나노와이어 및 나노입자의 근접장 시뮬레이션 결과이다.
도 11a는 607nm 광을 이용한 나노와이어의 근접장 시뮬레이션 결과이다.
도 11b는 607nm 광을 이용한 나노와이어 및 나노입자의 근접장 시뮬레이션 결과이다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서의 다양한 응용예를 보여주는 도면이다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
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", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서는 바이오 물질을 매개로 결합된 이형의 제1 공진체(나노와이어 구조)와, 제2 공진체(나노/마이크로 입자 구조) 간의 조립 구조에 기인하여 근접장 증강 효과가 발생하는 현상을 이용하여 바이오 물질을 민감하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서에 의하면, 바이오 물질에 대한 전처리 및 추가적인 라벨링 작업을 필요로 하지 않고도 바이오 물질을 검출할 수 있으며, 광학적 방식뿐 아니라 전기적 측정에 의하여 바이오 물질을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서(100)를 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서(100)에 타겟 물질(TM)이 결합된 것을 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서(100)를 구성하는 제2 공진체(140)와 제2 기능기(150)를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서(100)는 기판(110), 제1 전극(112), 제2 전극(114), 제1 공진체(120), 제1 기능기(130), 제2 공진체(140), 제2 기능기(150) 및 검출부(160)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 기판(110)은 유리, 실리콘, 폴리머 등의 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판(110)은 상층부에 SiO2 등의 절연층이 구비된 기판으로 제공될 수 있다.
제1 전극(112), 제2 전극(114) 및 제1 공진체(120)는 기판(110) 상에 형성된다. 제1 전극(112)과 제2 전극(114)은 기판(110) 상에 이격되어 금속 패드 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극(112)과 제2 전극(114)은 예를 들어, 금속 등의 도전성 물질을 증착하는 것에 의해 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
제1 공진체(120)는 기판(110) 상에 제1 전극(112)과 제2 전극(114) 사이를 연결하도록 형성된다. 제1 공진체(120)는 바이오 검출에 활용되는 광에 의해 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 일으키는 전도성 구조체를 포함할 수 있다.
제1 공진체(120)는 특정 파장의 빛(예를 들어, 가시광)에 노출될 때, 표면 플라즈몬 현상을 일으킬 수 있다. 이때, 바이어스 전압이 인가된 제1 공진체(120)에 흐르던 전자의 흐름은 플라즈몬 공명 현상에 의해 방해를 받게 된다. 즉, 빛이 없을 때에 비해 빛이 있을 때 제1 공진체(120)에 흐르는 전류가 줄어들게 된다.
제1 공진체(120)는 금속 등의 도전성 물질을 증착하여 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 제1 공진체(120)는 금속, 준금속, 전도성 고분자 또는 그래핀과 같은 전도성 소재로 형성될 수 있다.
실시 예에서, 제1 전극(112), 제2 전극(114) 및 제1 공진체(120)는 일체로 형성될 수 있다. 제1 전극(112), 제2 전극(114)은 예를 들어, 기판(110)상에 금속 레이어를증착 형성한 후, 포토리소그래피(photolithography) 및 리프트오프(lift-off) 공정을 통해 패터닝하여 형성될 수 있다.
제1 공진체(120)는 예를 들어, 이온집속빔을 이용한 밀링(milling)이나 전자빔리소그래피(electron beam lithography) 등에 의하여, 탑다운(top-down) 방식으로 전극(112,114)과 일체형으로 제작될 수 있다.
도시된 예에서, 제1 공진체(120)는 제1 전극(112)과 제2 전극(114) 사이를 연결하는 다수의 나노와이어(nano-wire)로 이루어져 있으나, 나노와이어의 개수나 배열 구조는 도시된 바에 의해 제한되지 않는다.
나노와이어는 수 내지 수백 nm(예를 들어, 10 nm 이상, 1 ㎛ 미만)의 폭을 가질 수 있다. 가시광 영역에서 반응하는 나노와이어 구조를 이용하면, 추가적인 광학 장비 없이 주변 광원만으로도 타겟 물질의 검출이 가능하다.
제1 공진체(120)는 검출하고자 하는 바이오 물질의 종류, 바이오 검출에 사용되는 광의 종류 등에 따라 나노와이어 뿐만 아니라, 나노파티클(nano-particle), 나노리본(nano-ribbon) 등의 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 기능기(130)는 제1 공진체(120)의 표면에 기능화(functionalization)된다. 제1 기능기(130)는 타겟 물질(TM)과 결합 가능한 물질을 포함한다. 제1 기능기(130)는 타겟 물질(TM)에 따라 핵산 프로브(probe), 항체 또는 효소 등으로 제공될 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다.
일 예로, 타겟 물질(TM)이 마이크로알엔에이(miRNA)인 경우, 제1 기능기(130)는 타겟 물질(TM)과 상보적인 염기 서열을 갖는 프로브로 제공될 수 있다. 다른 예로, 타겟 물질(TM)이 항원 또는 단백질인 경우, 제1 기능기(130)는 타겟 물질(TM)에 특이적으로 반응하는 항체 또는 효소로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 제1 기능기(130)는 제1 공진체(120)의 표면에 자가조립(self-assembly)된 결합기(132)를 매개로 제1 공진체(120)의 표면에 결합될 수 있다. 결합기(132)는 제1 공진체(120)와 친화도가 높아 자연적으로 제1 공진체(120)에 결합될 수 있다. 제1 기능기(130)는 결합기(132)의 말단부에 원래 구비되어 있거나, 결합기(132)의 일부와 치환되어 제1 공진체(120)에 결합될 수 있다.
타겟 물질(TM)은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 기능기(130)를 매개로 제1 공진체(120)에 결합된다.
도 4를 참조하면, 제2 기능기(150)는 제2 공진체(140)에 결합된다. 제2 공진체(140)는 제1 공진체(120)와 이종 구조를 갖는다. 제2 공진체(140)는 나노 또는 마이크로 금속 입자로 제공될 수 있다. 제2 공진체(140)는 예를 들어, 수십 ㎚ ~ 수백㎛ 크기로 제공될 수 있다. 제2 공진체(140)는 금, 은, 구리, 알루미늄 또는 백금과 같은 금속 입자로 제공될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 기능기(150)는 핵산 프로브, 항체 또는 효소와 같은 물질로 제공될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 타겟 물질(TM)이 마이크로알엔에이(miRNA)인 경우, 제2 기능기(150)는 타겟 물질(TM)과 상보적인 염기 서열을 갖는 프로브로 제공될 수 있고, 타겟 물질(TM)이 항원 또는 단백질인 경우, 제2 기능기(150)는 타겟 물질(TM)에 특이적으로 반응하는 항체 또는 효소로 제공될 수 있다.
제2 공진체(140) 및 제2 기능기(150)는 타겟 물질(TM)을 매개로 제1 공진체(120)에 결합될 수 있다. 따라서, 제2 공진체(140) 및 제2 기능기(150)는 테스트되는 샘플 내에 검출하고자 하는 타겟 물질(TM)이 존재하지 않는 경우에는 제1 공진체(120)에 결합되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 타겟 물질(TM)을 매개로 광전도성 바이오센서(100)에 제2 공진체(140)가 결합된 것을 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 'B'부를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 테스트되는 샘플 내에 타겟 물질(TM)이 존재하는 경우, 제2 기능기(150)는 타겟 물질(TM)에 결합된다. 이에 따라, 제2 공진체(140)는 제2 기능기(150), 타겟 물질(TM) 및 제1 기능기(130)를 매개로 제1 공진체(120)에 결합된다.
본 발명의 실시 예에서, 제2 공진체(140)는 제1 공진체(120)와 이종 구조로 조립되어 근접장 증강 효과를 일으킨다. 근접장 증강 효과에 따라 광전도성 바이오센서(100)의 전기적 및 광학적 특성이 변화한다. 따라서, 근접장 증강 효과의 발생 여부 및 그 정도로부터 샘플 내에 타겟 물질(TM)이 존재하는지 여부 및 타겟 물질(TM)의 함량을 검출할 수 있다.
전압원(미도시)에 의해 제1 전극(112)과 제2 전극(114) 사이에 전압이 인가되면, 제1 공진체(120)에 전류가 흐르게 된다. 이때, 제1 공진체(120)에 흐르는 전류 값은 주변광에 따라, 그리고 타겟 물질(TM)의 존재 여부에 따라 변화한다.
특정 파장의 광(예를 들어, 가시광)에 의해 제1 공진체(120)에서 표면 플라즈몬 공명이 발생되면, 제1 공진체(120)에 흐르는 전류 값이 감소한다. 동시에, 테스트되는 샘플 내에 타겟 물질(TM)이 존재하는 경우, 제1 공진체(120)는 주변광에 따른 표면 플라즈몬 공명(surface plasmonic resonance) 현상 및 제2 공진체(140)와의 근접장 증강 효과에 의하여 전도성이 크게 변화된다.
즉, 샘플 내에 타겟 물질(TM)이 있는 경우 제2 공진체(140)는 타겟 물질을 매개로 제1 공진체(120)에 결합되고, 이에 따라 근접장 증강 효과가 발생하게 된다. 이와 달리, 샘플 내에 타겟 물질(TM)이 없는 경우 제2 공진체(140)는 제1 공진체(120)에 결합되지 않으며, 근접장 증강 효과는 발생하지 않는다.
따라서, 타겟 물질(TM)의 존재 여부에 따라 근접장 증강 효과의 발생이 좌우되고, 그에 따라 제1 공진체(120)의 전도성이 변화하므로, 제1 공진체(120)에 흐르는 전류 값이 변화하게 된다. 이에 따라, 일 실시 예로서, 검출부(160)는 제1 공진체(120)에 흐르는 전류를 측정하고, 전류 값의 변화에 기초하여 타겟 물질(TM)을 검출할 수 있다.
다른 실시 예로, 검출부(160)는 제1 공진체(120)와 제2 공진체(140)의 결합에 따른 산란 파장의 변화로부터 타겟 물질(TM)을 검출할 수도 있다. 나노입자와 결합되지 않은 단일 나노와이어 구조체에서 나타나는 특정한 산란 파장은 나노입자와 조립 시 장파장으로 이동하게 된다. 이와 같이, 변화하는 산란 파장을 검출하여 타겟 물질(TM)의 유무 및 함량을 검출할 수 있다.
제1 기능기(130)는 제1 공진체(120)의 표면에 부분적으로 기능화될 수 있다. 플라즈몬 공명에 따라, 제1 공진체(120)의 표면에서의 전자기장의 세기가 증폭하게 되는데, 이때 증가한 전기장이 국부적으로 모인 부분에만 선택적으로 제1 기능기(130)를 부착시킬 수 있다.
실시 예에서, 제1 기능기(130)는 제1 공진체(120)의 측면, 모서리 또는 꼭지점에 기능화될 수 있다. 제1 공진체(120)의 전체 표면 중, 특정 파장영역에서 전자기장의 세기가 증폭되는 핫스팟(hotspot) 영역(예를 들어, 측면, 모서리, 꼭지점)에만 국부적으로 밀도 있게 배열된 제1 기능기(130)를 부착시키면, 타겟 물질(TM)과 제2 공진체(140)는 제1 공진체(120)의 표면 중에서 전기장의 세기가 증폭된 핫스팟 영역에만 결합된다. 때문에, 바이오 물질의 검출 신호를 증강(enhancement)시킬 수 있으며, 바이오 검출의 민감성이 증대될 수 있다.
제1 기능기(130)는 트랜스퍼프린팅 방법을 통해 제1 공진체(120)의 특정 영역에 부분적으로 형성될 수 있으며, 이에 대하여는 이후 도 13a 내지 도 13f를 참조하여 후술한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서(100)에 대해 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 7 및 도 8을 참조하여, 제1 공진체(120)의 표면에 제1 기능기(130)를 부착하는 과정에 대해 설명한다.
제1 공진체(120)를 바이오센서로서 활용하기 위해서는 타겟 물질(TM)을 인식할 수 있는 제1 기능기(130)를 제1 공진체(120)의 표면에 부착시키는 과정이 우선적으로 필요하다.
제1 공진체(120)를 이루는 금속 나노구조체의 표면은 티올(thiol) 분자단(결합기)과의 친화도가 굉장히 높다. 따라서, 추가적인 에너지나 촉매 없이도 자연적으로 티올 분자단을 제1 공진체(120)에 붙일 수 있다. 티올 분자는 자가조립(self-assembly monolayer, SAM)에 의하여 제1 공진체(120)의 표면에 대해 대략 30°의 각도를 갖도록 정렬하게 된다.
제1 공진체(120)의 표면에 붙은 티올 분자단의말단기(tail group, terminal group)는 여러 가지 종류가 사용될 수 있으며, 예를 들어, COOH, NH2, CH3 등이 사용될 수 있다.
도 7의 예에서, 티올 분자단의말단기는 'COOH' 이다. 예를 들어, 머캅토알킬산(mercaptoalkylacid)은 초기 그룹이 'SH-', 마지막 그룹이 'COOH'로 이루어진 알킬 체인(alkyl chain) 중 하나이다. 'COOH'가 활성화(activation)되도록 하기 위해서는 'COOH'의 'H'를 해리시켜, 'COO-' 분자단이 용액 상에 노출되게 만드는 과정이 필요하다. 그 과정은 pH 조절을 통해서 이뤄질 수 있다.
타켓 물질(TM)이 마이크로알엔에이(miRNA)인 경우를 예로 들면, miRNA를 인식할 수 있는 제1 프로브(제1 기능기)(130)의 분자단에 'SH'가 포함된 경우, 제1 공진체(120)에 붙은 결합기(132)의 'COOH'와 반응하여 티오에스테르(thioester)의 강한 결합을 만들게 되고, 이를 통해 도 8과 같이, miRNA를 인식할 수 있는 염기 서열을 갖는 제1 프로브(제1 기능기)(130)가 제1 공진체(120)에 붙게 된다.
제1 공진체(120)와의 플라즈몬커플링(plasmon coupling)을 이용하여 바이오 물질을 검출하기 위해, 나노파티클 형태의 제2 공진체(140)를 준비한다. 제2 공진체(140)에 대해서도 제1 공진체(120)와 마찬가지의 방법을 통해 파티클 표면 위에 제2 기능기(150)로서의 프로브 물질을 고정(immobilization)시킬 수 있다.
제1 기능기(130)와 제2 기능기(150)는 타겟 물질(TM)인 miRNA와 상보적인 염기 서열(complementary sequences)을 통해 타겟 물질(TM)과 접합(conjugation)될 수 있다. 타겟 물질(TM)(miRNA), 제1 기능기(Probe 1)(130) 및 제2 기능기(Probe 2)(150)의 염기 서열의 예는 아래의 표 1과 같다.
서열 길이(length) 기호(symbol) 서열(sequences)
22-mer Target miR-21 : 타겟 물질 5'- UAGCUUAUCAGACUGAUGUUGA -3'
12-mer Probe 1 : 제1 기능기 5'- Thiol - UUUUCAACAUCA -3'
12-mer Probe 2 :제2 기능기 5'- GAUAAGCUAUUU - Thiol -3'
타겟 물질(TM)은 5' 서열에서 3' 서열까지 RNA의 AUCG의 배열로 되어 있다. 제1 기능기(130) 및 제2 기능기(150)는 타겟 물질(TM)인 마이크로알엔에이 서열에 상보적인 결합에 의하여 타겟 물질에 혼성 결합(hybridization)되고, 이 결합을 통해 도 9의 도시와 같이, 두 개의 공진체(120, 140) 간에 조립 구조가 형성되어 플라즈몬커플링 현상을 나타내게 된다. 이에 따라, 단일의 나노공진체에 비해 스펙트럼의 변화 정도를 크게 조정할 수 있어 바이오센서의 민감도를 높일 수 있다.
단일의 금속 나노와이어만 존재하게 되면, 나노와이어가 가지는 단일 플라즈몬 공명의 효과만을 이용하여 타겟 물질을 검출할 수 있다. 이때 나노와이어에서 발생되는 산란파장의 위치, 진폭(amplitude), 너비(width) 변화는 오직 와이어의 재료적, 물리적 구조(크기, 모양), 그리고 주변 매체(surrounding medium)에 의존하며, 타겟 물질에 의존하지는 않는다.
하지만 본 발명의 실시 예와 같이 나노와이어와 나노파티클 간의 결합 구조를 이용하게 되면, 매우 강하고 국부적으로 분포하는 핫스팟(Hot spot)이 이종 공진체들 간의 결합 부위에 발생하게 된다. 이 영향으로 인해 산란파장이 장파장으로 이동하게 되고, 이러한 특성을 이용하면 바이오센서의 센싱 감도를 크게 높일 수 있는 것이다.
이렇게 이형 공진체 결합 구조의 바이오센서에서 공명파장의 변화가 단일 공진체에 비해 크게 일어나는 이유는 이형 공진체의 주변에서 근접장 결합(near field coupling) 현상이 발생하기 때문이다. 제1 공진체(120) 주변에 제2 공진체(140)가 위치하게 되면, 두 공진체(120,140) 간에 커플링(coupling)이 일어나게 된다.
이 커플링의 강도는 두 공진체의 간격(spacing) 조절에 의해서 변화될 수 있다. 따라서, 두 공진체의 간격을 조절하면, 바이오센서의 민감도를 조절할 수 있다. 두 공진체의 간격은 여러 가지 방법으로 조절될 수 있다.
예를 들어, 나노와이어-나노입자공진체의 결합 구조의 경우, 단일 나노와이어에 비해, 측정가능한 피크(peak) 파장의 범위를 나노입자에 의해 손쉽게 조절할 수 있다.
나노입자의 크기 조절에 의해 산란 파장이 크게 근적외선 영역으로 넘어가 버리면 전기적 측정에서 음의 광전도성(negative photocunductance)의 변화가 보이지 않게 된다. 이렇게 근적외선 영역으로 넘어간 플라즈몬커플링 효과는 가시광빛을 사용한 전기적 측정에 큰 영향을 끼치기 때문에, 센싱의 온/오프(on/off) 정도를 크게 변화시킬 수 있다.
공진체들의 결합 구조에서 일어나는 신호의 증폭을 위하여, 나노구조체를어레이(array)로 형성하게 하면, 광신호 및 전기적인 신호의 결과값의 세기가 증대되기 때문에 유의미한 수준으로 측정이 가능하다. 두 공진체가 결합된 어셈블리의 한 단면은 수백 나노미터 사이즈에 불과하며, 어레이로 형성된 나노구조체라고 하더라도 소자의 크기가 mm 수준을 넘지 않기 때문에 휴대용 장치에 쉽게 집적할 수 있다. 또한, 주로 메탈소재로 구성되기 때문에, 소자의 부착 용이성 또한 확보된다.
도 10a는 455nm 광을 이용한 나노와이어의 근접장 시뮬레이션 결과이고, 도 10b는 455nm 광을 이용한 나노와이어 및 나노입자의 근접장 시뮬레이션 결과이고, 도 11a는 607nm 광을 이용한 나노와이어의 근접장 시뮬레이션 결과이고, 도 11b는 607nm 광을 이용한 나노와이어 및 나노입자의 근접장 시뮬레이션 결과이다.
도 10a 내지 도 11b를 참조하면, 나노와이어가 다른 나노파티클과 결합하지 않았을 때 나노와이어 주변의 |E| 수치는 약 2X105이고, 나노와이어가 다른 나노파티클과 결합했을때, |E| 수치는 약 9X105 를 나타낸다. 즉 |E2|의 증가범위는 약 20.25배 정도로, 나노와이어와 나노입자의 결합에 의하여 근접장이 크게 증가함을 확인할 수 있다.
특정한 폭을 갖는 나노공진체에서는, 특정 광의 파장에 의해 크게 반응하게 된다. 이 현상은 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 나노 구조체의 표면 주변에 전자기장이 크게 증폭하는 결과를 나타낸다. 시뮬레이션과 같이, 나노와이어와 나노파티클간의 결합에서 생기는 플라즈몬 결합 현상(plasmon coupling effect)에 의해 근접장이 증강되는 효과를 확인할 수 있다.
한편, 근접장의 기본 레퍼런스값은 나노와이어의 물질 종류에 따라 설정될 수 있고, 나노파티클의 개수에 따라서도 나노와이어의 주변에 형성되는 근접장의 분포를 조절할 수 있다. 이형 조립 나노구조체(제1 공진체와 제2 공진체)의 광학적, 전기적 특성은 공진체들의 간격 조절을 통해서 쉽게 변화시킬 수 있다. 이 간격은 수옹스트롱 단위에서도 조절이 가능하다.
이형 조립체 사이의 간격 조절 방법 중 하나는 나노공진체를 연결할 수 있는 탄소의 개수를 조절하여 간격을 변화시키는 것이다. 예를 들어, 공진체가 금속인 경우, 디티올(dithiol)을 이루는 탄소의 개수 또는 탄소의 결합 길이를 조절할 수 있다. 공진체 간격의 변화는 C-C의 결합 길이(bond length)에 의해 결정되며, (154 pm) 이 영역은 양자 구간(quantum regime)에 해당한다.
다른 방법으로는 원자의 크기 및 화학 구조의 이성질체의 공간 배열에 따라 공진체의 간격을 조절할 수 있다. 화학 구조의 배향에 따라 차지하는 공간 사이의 비율이 달라지게 되는데, 이를 통해 이형 조립체의 간격을 조절할 수 있다.
유전자 서열, 즉 올리고뉴클레오타이드의 프로빙 서열 합성시, 프로브의 RNA, DNA의 염기 서열 개수 조정에 의해서도 이형 조립체의 간격이 조절될 수 있다. 이 염기서열 1쌍당 3.4 옹스트롱 크기를 지니며, 이 서열의 배열 및 배향에 의하여 이형 조립(hetero subassemblies) 구조의 간격을 조절할 수 있다.
또한 나노공진체들 간에 항원-항체반응을 통해 단백질을 바이오 센싱하기 위해, 나노와이어에 제1항체를 고정하고, 나노입자에 제2항체를 고정한 경우에 있어, 항체 단백질의 C단말의 아미노산 서열을 조정하여 이형 조립 간격을 조절함으로써, 플라즈몬커플링 효과를 증대시키고, 바이오 센싱 효과를 크게 증가시킬 수 있다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서의 다양한 응용예를 보여주는 도면이다. 도 12a 내지 도 12d를 참조하여, 바이오물질의 적용 범위에 대해 설명한다.
먼저, 도 12a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서는 마이크로알엔에이를 검출할 수 있다. 마이크로알엔에이를 검출하기 위해서는 검출하려는 알엔에이에 상보적으로 결합가능한 프로빙 서열을 따로 합성하여 나노공진체(제1 공진체)에 부착하는 과정이 필요하다. 마이크로알엔에이 이외의 검출을 위해서는, 검출하려고 하는 타겟 물질을 인식 가능하도록 프로빙 물질을 합성하여 기능기를 부착할 수 있다.
이때, 나노와이어 및 나노 입자에 고정할 수 있는 두 가지 프로브를 이용해 마이크로알엔에이를 검출할 수 있다. 이는 프로브를 한 개만 쓰게 될 경우 염기 서열에 의한 선택성 및 민감성이 감소할 수 있지만, 두 가지 프로브를 사용함으로써 나노와이어와 나노입자의 플라즈몬커플링 영향을 확인할 수 있기 때문이다.
두 번째 예로, 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서는 도 12b에 도시된 바와 같이, 항체를 이용한 단백질 인식에 활용될 수 있다. 나노와이어 및 나노입자에 고정할 수 있는 두 가지 항체를 각 구조에 고정하여, 항원-항체 반응에 의해 플라즈몬커플링 영향을 확인할 수 있고, 이로부터 타겟 물질인 항원을 인식할 수 있다.
예를 들어, 두 가지의 에피톱(epitope)을 인식함으로써 민감성이 높은 항원 검출이 가능하다. 항원 단백질에는 펩티드 서열에 따른 수많은 에피톱(epitope)이 있다. 하지만 이 에피톱은 항원 특이적인 것으로 이에 맞는 항체를 금속 나노공진체에 부착할 경우, 타겟으로 하는 단백질만 선택적으로 검출할 수 있는 능력을 가지게 된다. 이때 항원을 변경할 때 c말단기를 티올(thiol)로 하게 되면, 금속 나노공진체와 쉽게 붙을 수 있는 특징을 지닌다. 이런 방식으로 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서는 단백질을 검출하는데에도 쓰일 수 있다.
세 번째 예로, 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서는 도 12c에 도시된 바와 같이, 효소와 결합하여 생성물을 내는 단백질 및 물질을 검출하는데 활용될 수 있다. 나노공진체에 효소를 결합시키고, 효소의 기능기를 금속과 결합할 수 있는 구조로 변경시킨다.
효소와 반응할 수 있는 단백질 및 물질이 결합하면, 효소-물질반응에서 나오는 생성물의 유무 및 양으로부터 단백질의 여부 및 단백질-효소의 결합 여부에 대해서 측정할 수 있다. 생성물이 나노와이어와 나노입자의 간격을 점점 줄어들게 하거나 늘어나게 함으로써 파장 영역이 점점 장파장 영역으로 가는 변화량을 조정할 수 있게 된다. 이때, 나노와이어와 나노입자의 간격을 점점 더 줄어들게 하면 더 장파장으로 이동하게 되고, 나노와이어와 나노입자의 간격이 멀어질수록 장파장의 이동 범위가 줄어들게 된다.
여기서 단백질 결합에 따른 환경 매체(environment media)의 변화를 더 크게 증폭시키기 위해서, 나노파티클공진체에 붙은 항체에 알칼리 포스파타아제(alkaline phosphatase)를 붙이게 되면, 이 포스파타아제와 반응하는 물질을 넣었을 때 주변이 침전(precipitate)되는 변화로 인해, 나노공진체에 큰 변화를 주게 된다. 이는 더 큰 파장 및 플라즈몬 공명의 변화로 광전도성(photoconductance)에 영향을 끼치게 되어, 전기적 측정에도 큰 변화를 줄 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서는 도 12d에 도시된 바와 같이, 나노와이어 및 나노입자(염기ATCG 종류에 따른 입자크기 변화 및 입자물질 변화)에 티올(thiol) 베이스의 짧은 염기서열을 검출하고자 하는 서열 순서로 코팅하여, 염기서열의 결합에 따른 서열 분석 및 염기결합 세기의 확인이 가능하다.
한편, 바이오 물질의 고정을 높이기 위해서는 공진체의 결합을 유지시켜 줄 수 있는 온도, 습도 및 pH 변화를 최소화시켜 주는 것이 필요하다. 효소나 항체의 경우, 바이오칩제작시 물질의 안정도를 위해 패킹 작업을 하는 것이 바람직하다. 또한 화학식 구조의 말단에 친수성기가 있는 물질은 공기와 쉽게 반응할 수 있기 때문에, 그 기능성을 가진 물질이 외부와 접촉하는 것을 차단할 수 있도록, 마찬가지 방법으로 패킹이 필요하다.
이러한 패킹은 나노와이어공진체, 기능기 부착시약, 프로빙물질, 타겟바이오 물질, 나노파티클을 따로 시약통에 보관하여 바이오 측정에 사용될 수 있게 하는 것이 바람직하다. 나노공진체-기능기부착-프로빙물질을 한꺼번에 붙인 후에 패킹을 하게 되면, 프로빙 물질의 말단에는 공기와 접촉해도 안정한 기능기를 가지게 되고, 마찬가지로 온도 및 습도에 의해 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
마이크로알엔에이 진단시에는 프로빙 말단이 염기 서열로 되어 있고, 단백질을 검출할 시에도 프로빙 물질의 말단에는 에피톱을 인식할 수 있는 안정적인 펩타이드 서열로 존재하기 때문에 측정 선택성에 있어 안정적이라고 말할 수 있다. 이는 화학반응을 통해 나노구조체와기능기, 프로빙 물질을 붙이기 때문에 깁스 프리 에너지(Gibbs free energy)가 작아지는 방향으로 반응이 흘러가 그 결합의 정도가 굉장히 안정하기 때문이다. 따라서 패킹비용을 합리적으로 줄일 수 있고, 바이오물질의 고정을 일정 유통시한 동안 안정화시킬 수 있어 경제적인 면에서도 크게 효용적인 가치를 갖는다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 격자 구조(20)의 실리콘 패턴을 갖는 제1 기판(10) 상에 금속을 증착하여 제1 공진체(120)를 형성한다. 이어서, 도 13c에 도시된 바와 같이, 제1 기판(10) 상에 타겟 물질과 결합 가능한 제1 기능기(130)를 솔루션 상태로 노출시켜 제1 공진체(120)의 표면에 기능화한다.
이어서, 도 13d에 도시된 바와 같이, 유연성 기판(110)을 실리콘 패턴 상의 제1 공진체(120) 위에 두고, 열원과 압력원을 이용해 패턴을 전사하면, 도 13e에 도시된 바와 같이, 제1 기능기(130)가 측면 부분에만 붙어 있는 제1 공진체(120)가 제2 기판에 해당하는 유연성 기판(110) 위로 전사된다. 이와 같은 방식으로, 제1 기능기(130)는 제1 공진체(120)의 표면에 부분적으로 기능화될 수 있다.
유연 기판에 나노와이어 및 나노입자프린팅에 의해 바이오센서 제조시, 타겟 물질의 센싱에 필요한 기능기가 비선택적으로 폴리머 기판 위에 부착될 수 있으며, 이 때문에, 측정 신호의 민감도가 떨어지게 되고, 불필요한 측정 잡음이 생기며, 목표 물질 부착의 선택성이 저하되는 문제점이 제기될 수 있다.
그러나, 도 13a 내지 도 13f에 도시된 방법에 의하면, 제1 공진체의플라즈몬 공명에 의해 전자장의 세기가 국부적으로 크게 증폭되는 특정 부분(도시된 예에서는 측면 부분)에만 선택적으로 기능기를 부착시킬 수 있어, 바이오 물질의 검출 신호를 증강시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서의 민감도를 향상시키고, 불필요한 측정 잡음을 줄이고, 목표 물질 부착의 선택성을 높일 수 있다.
이어서, 타겟 물질과 결합 가능한 제2 기능기(150)를 제2 공진체(140)에 결합시킨 후, 샘플과 제2 기능기(150)가 고정된 제2 공진체(140)를 제2 기판(110) 위에 제공한다. 샘플에 타겟 물질이 존재하지 않는 경우, 제1 공진체(120)와 제2 공진체(140)는 결합되지 않는다.
샘플에 타겟 물질이 존재하는 경우, 도 13f와 같이, 타겟 물질을 매개로 제1 기능기(130)가 붙은 제1 공진체(120)에 제2 공진체(나노입자)가 부착된다. 따라서, 제1 공진체(120)와 제2 공진체(140) 간의 근접장 증강 효과로부터 샘플에 타겟 물질이 존재하는지를 검출할 수 있다. 한편, 제1 공진체(120)와 제2 공진체(140) 간의 거리는 앞서 설명한 바와 같이, 제1 기능기(120) 및/또는 제2 기능기(140)의 길이 또는 타겟 물질과의 결합 길이를 변화시킴으로써 조절 가능하다.
유연 기판에 나노와이어공진체를 대량 프린팅하는 방법으로는 트랜스퍼프린팅(transfer printing), 스탠실(stencil) 프린팅 방법이 적용될 수 있다. 일 실시 예로, PDMS 등의 물질로 전극 패턴 부분을 밀봉(encapsulation)하고, 마이크로플루이딕스(microfluidics)를 이용하여, 나노와이어 부분에만 솔루션이 지나갈 수 있도록 플루이딕스 채널을 형성함으로써, 바이오칩을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 타겟 물질 감지 방법은 타겟 물질과 결합할 수 있는 제1 기능기로 표면이 기능화된 제1 공진체(나노와이어)와, 타겟 물질과 결합할 수 있는 제2 기능기와 결합된 제2 공진체(나노/마이크로 입자)를 준비하는 단계; 제2 기능기가 결합된 제2 공진체와, 타겟 물질이 감지될 샘플의 혼합액을 제1 기능기로 기능화된 제1 공진체에 제공하는 단계; 및 제1 공진체의 전기적 특성 및 광학적 특성 중 적어도 하나에 따라 타겟 물질을 감지하는 단계를 포함한다.
나노와이어공진체에서는 이의 기하구조(geometry)에 해당하는 특정 파장의 빛이 산란되어 나오게 되는데, 표면 플라즈몬을 일으키는 전체 나노공진체 간의 결합에 의해 산란 파장은 장파장으로 이동한다. 따라서, 샘플과 반응한 바이오센서에서 발생하는 산란 파장의 변화로부터 타겟 물질을 검출할 수도 있다.
다른 예로, 샘플과 반응한 바이오센서의 나노와이어공진체에 흐르는 전류 값의 변화로부터 타겟 물질을 검출하는 것도 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광전도성 바이오센서는 광학적 방식뿐 아니라 전기적 측정에 의하여 타겟 물질을 검출할 수 있다.
타겟 물질을 검출하는 방식은 여러 가지가 있을 수 있다. 타겟 물질을 검출하려는 샘플을 제1 기능기가 결합된 나노와이어공진체에 제공한 후, 제2 기능기가 결합된 나노입자를 나노와이어공진체에 제공하거나, 제2 기능기가 결합된 나노입자를 제1 기능기가 결합된 나노와이어공진체에 제공한 후, 타겟 물질을 검출하려는 샘플을 나노와이어공진체에 제공할 수 있다.
혹은, 타겟 물질을 검출하려는 샘플 용액과, 제2 기능기가 결합된 나노입자의 용액을 동시에 제1 기능기가 결합된 나노와이어공진체에 제공하거나, 타겟 물질을 검출하려는 샘플 용액과 제2 기능기가 결합된 나노입자가 혼합된 용액을 나노와이어공진체에 제공하여 타겟 물질을 검출하는 것도 가능하다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 광전도성 바이오센서
110: 기판
120: 제1 공진체
130: 제1 기능기
140: 제2 공진체
150: 제2 기능기
160: 검출부

Claims (21)

  1. 기판;
    상기 기판상의 제1 공진체; 및
    상기 제1 공진체의 표면에 기능화된 제1 기능기를 포함하며,
    상기 제1 기능기는 타겟 물질과 결합 가능한 물질을 포함하고,
    상기 제1 공진체는 소정의 광에 의해 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 전도성 구조체를 포함하고,
    상기 타겟 물질과 결합되고, 상기 제1 기능기를 매개로 상기 제1 공진체에 결합되는 제2 공진체를 더 포함하며,
    상기 제2 공진체는 상기 제1 공진체와 결합하여 근접장 증강 효과를 일으키고,
    상기 제1 공진체에 흐르는 전류를 측정하고 측정된 전류 값의 변화량이 따라 상기 타겟 물질을 검출하거나, 또는 상기 제1 공진체와 상기 제2 공진체의 결합에 따른 산란 파장의 변화로부터 상기 타겟 물질을 검출하는 검출부를 더 포함하는 광전도성 바이오센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 구조체는 나노와이어를 포함하는 광전도성 바이오센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기능기는 핵산 프로브, 항체 및 효소 중에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 광전도성 바이오센서.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 공진체는 나노 또는 마이크로 금속 입자를 포함하는 광전도성 바이오센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 공진체는 금, 은, 구리, 알루미늄 및 백금 중에서 선택된 적어도 1종의 금속 입자를 포함하는 광전도성 바이오센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 공진체에 결합된 제2 기능기를 더 포함하고,
    상기 제2 기능기는 상기 타겟 물질에 결합되는 광전도성 바이오센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 기능기는 핵산 프로브, 항체 및 효소 중에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 광전도성 바이오센서.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기능기는 상기 제1 공진체의 표면에 부분적으로 기능화된 광전도성 바이오센서.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 기능기는 상기 제1 공진체의 측면, 모서리 또는 꼭지점에 기능화된 광전도성 바이오센서.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 공진체의 표면에 자가조립된 결합기를 더 포함하고,
    상기 제1 기능기는 상기 결합기를 매개로 상기 제1 공진체의 표면에 결합되는 광전도성 바이오센서.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 기판상의 제1 전극; 및
    상기 기판상의 제2 전극을 더 포함하고,
    상기 제1 공진체는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 연결되며,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 소정의 전압이 인가되어 전기적인 변화를 측정할 수 있는 광전도성 바이오센서.
  16. 제1 기판상에 제1 공진체를 형성하는 단계;
    타겟 물질과 결합 가능한 제1 기능기를 상기 제1 공진체의 표면에 기능화하는 단계;
    상기 제1 기능기로 기능화된 제1 공진체를 제2 기판으로 전사하는 단계;
    상기 타겟 물질과 결합 가능한 제2 기능기를 제2 공진체에 결합시키는 단계; 및
    상기 제1 공진체와 상기 제2 공진체 간의 거리가 조절되도록, 상기 제1 기능기 및 상기 제2 기능기 중의 적어도 하나의 길이 또는 상기 타겟 물질과의 결합 길이를 변화시키는 단계를 포함하는 광전도성 바이오센서 제조 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1 항 내지 제3 항, 제5 항 내지 제8 항, 및 제12 항 내지 제15 항 중의 어느 한 항에 기재된 광전도성 바이오센서를 이용하여 타겟 물질을 감지하는 방법으로서,
    제1 기능기로 표면이 기능화된 제1 공진체와, 제2 기능기와 결합된 제2 공진체를 준비하는 단계;
    상기 제2 기능기가 결합된 상기 제2 공진체와, 타겟 물질이 감지될 샘플의 혼합액을 상기 제1 기능기로 기능화된 상기 제1 공진체에 제공하는 단계; 및
    상기 제1 공진체의 전기적 특성 및 광학적 특성 중 적어도 하나에 따라 상기 타겟 물질을 감지하는 단계를 포함하며,
    상기 타겟 물질을 감지하는 단계는:
    상기 제1 공진체와 상기 제2 공진체의 결합에 따른 근접장 증강 효과를 감지하여 상기 타겟 물질을 감지하며,
    상기 제1 공진체에 흐르는 전류 값 및 상기 광전도성 바이오센서의 산란 파장 중의 적어도 하나를 측정하는 단계; 및
    상기 전류 값 및 상기 산란 파장 중의 적어도 하나에 기초하여 상기 타겟 물질을 검출하는 단계를 포함하는 광전도성 바이오센서를 이용한 타겟 물질 감지 방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102428467B1 (ko) * 2021-05-26 2022-08-03 경북대학교 산학협력단 플라즈몬 현상을 이용한 진단 방법, 진단 키트 및 진단 키트의 제조 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110124932A (ko) * 2010-05-12 2011-11-18 광운대학교 산학협력단 실리콘 나노와이어 바이오센서
WO2014016465A1 (es) * 2012-07-26 2014-01-30 Universidad De Zaragoza Biosensor con nanoparticulas metálicas
KR101396823B1 (ko) * 2012-12-10 2014-05-20 재단법인대구경북과학기술원 국소 표면 플라즈몬 공명 센서
KR20140127463A (ko) * 2013-04-24 2014-11-04 경희대학교 산학협력단 파장-의존성 플라즈몬 공명산란을 이용한 나노바이오칩 키트 및 이를 이용한 생체분자의 검출방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110124932A (ko) * 2010-05-12 2011-11-18 광운대학교 산학협력단 실리콘 나노와이어 바이오센서
WO2014016465A1 (es) * 2012-07-26 2014-01-30 Universidad De Zaragoza Biosensor con nanoparticulas metálicas
KR101396823B1 (ko) * 2012-12-10 2014-05-20 재단법인대구경북과학기술원 국소 표면 플라즈몬 공명 센서
KR20140127463A (ko) * 2013-04-24 2014-11-04 경희대학교 산학협력단 파장-의존성 플라즈몬 공명산란을 이용한 나노바이오칩 키트 및 이를 이용한 생체분자의 검출방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102428467B1 (ko) * 2021-05-26 2022-08-03 경북대학교 산학협력단 플라즈몬 현상을 이용한 진단 방법, 진단 키트 및 진단 키트의 제조 방법

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