KR101847745B1 - 미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법 - Google Patents

미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101847745B1
KR101847745B1 KR1020160168980A KR20160168980A KR101847745B1 KR 101847745 B1 KR101847745 B1 KR 101847745B1 KR 1020160168980 A KR1020160168980 A KR 1020160168980A KR 20160168980 A KR20160168980 A KR 20160168980A KR 101847745 B1 KR101847745 B1 KR 101847745B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasmon resonance
surface plasmon
optical fiber
sensor
solution
Prior art date
Application number
KR1020160168980A
Other languages
English (en)
Inventor
이승기
박재형
정대홍
이호영
김형민
Original Assignee
단국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 단국대학교 산학협력단 filed Critical 단국대학교 산학협력단
Priority to KR1020160168980A priority Critical patent/KR101847745B1/ko
Priority to IE20170055A priority patent/IE87076B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101847745B1 publication Critical patent/KR101847745B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

다중 측정이 가능한 광섬유 센서 기반 표면플라즈몬공명 센서 장치가 개시된다. 이는 몸체 내부에 형성되고 복수개의 용액 주입구와 하나 이상의 용액 배출구를 가지는 하나 이상의 미세유체 채널과 외부로부터 하나 이상의 미세유체 채널과 연결된 하나 이상이 센서 삽입홀을 포함하는 채널 유닛과, 하나 이상의 센서 삽입홀에 각각 삽입되는 하나 이상의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서를 포함한다. 센서 각각은 서로 다른 공명파장을 가지는 금속 나노입자가 결합될 수 있고, 또한 서로 다른 항체가 금속 나노입자에 결합될 수 있다.

Description

미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법{SURFACE PLASMON RESONANCE SENSOR DEVICE WITH MICRO FLUIDIC CHANNEL AND MANUFACTURING METHOD OF SENSOR UNIT}
본 발명은 표면플라즈마공명 센서 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세유체 채널을 포함하여 다중 신호의 측정이 가능한 광섬유 기반 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 그에 포함되는 센서 유닛의 제조방법에 관한 것이다.
국소화 표면플라즈몬공명은 금속 나노입자 또는 구조가 빛과 상호작용하여 나타나는 현상으로써 금속 나노입자의 재질, 크기, 또는 형태에 따라서 국소화 표면플라즈몬공명이 일어나는 파장이 달라지기 때문에 이를 이용해 가시광대나 근적외선 영역에서 원하는 파장의 국소화 표면플라즈몬공명이 일어나도록 조절할 수 있다. 국소화 표면플라즈몬공명의 중요한 특징 중의 하나는 주변 매질의 굴절률 변화에 민감하게 반응한다는 것이다. 주변 매질의 변화에 따라 흡수와 산란이 일어나는 파장 또는 세기가 변하게 되고 이러한 특성을 센서로써 사용하게 된다.
이러한 국소화 표면플라즈몬공명을 이용한 종래의 다중신호 측정 장치는 기판을 이용한 것으로 엄밀히 말해 멀티플렉싱(Multiplexing)이 아닌 멀티-스폿팅(Multi-spotting)의 개념을 가지고 있다. 칩 구조에 다채널을 형성한 구조로써 측정 시 여러 곳을 옮겨가며 측정해야 하므로 다중신호 측정의 장점인 진단시간 단축의 효과를 볼 수 없다. 기판 구조 특성 상 광학계가 복잡하며 복잡한 광학계를 구성하기 위해 많은 비용이 소모된다. 또한 칩 위에 미세유체 채널을 형성하는 경우 채널을 관통하여 관측하기 때문에 많은 잡음이 수반되며 기계적인 제약(현미경의 관측 길이 등)이 따른다. 나아가, 미세유체 채널을 형성하지 않는 경우 시료의 오염이나 증발 등 외부 환경요인에 인해 측정 대상이 영향 받을 수 있는 문제점이 있다.
이외에 복수개의 광파이버와 연결된 다중채널 분광기가 있으나 이는 검출부에서 신호를 검출하는 방법에 국한 되어있다.
한국특허출원 10-2007-0028287
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로서, 미세유체 채널을 가지는 채널 유닛을 포함하는 표면플라즈몬공명 센서 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 상술한 센서 표면플라즈몬공명 센서 장치에 포함되는 센서 유닛의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 표면플라즈몬공명 센서 장치를 제공하며, 이는: 몸체 내부에 형성되고 복수개의 용액 주입구와 하나 이상의 용액 배출구를 가지는 하나 이상의 미세유체 채널과, 외부로부터 상기 하나 이상의 미세유체 채널과 연결된 복수개의 센서 삽입홀을 포함하는 채널 유닛; 및 상기 복수개의 센서 삽입홀에 각각 삽입되는 하나 이상의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서;를 포함한다.
상기 하나 이상의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 각각은 상기 하나 이상의 센서 삽입홀에 삽입되는 선단부의 코어의 표면에 금속 나노입자를 가진다.
상기 채널 유닛은, 상기 몸체 내부에 각각 용액 주입구와 용액 배출구를 가지는 서로 분리된 복수개의 미세유체 채널을 구비하는 것일 수 있다.
상기 하나 이상의 센서 삽입홀은 종방향 또는 횡방향으로 형성된 것일 수 있다.
상기 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 각각은 각기 다른 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자가 구비된 것일 수 있다.
상기 하나 이상의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 각각은 상기 금속 나노 입자에 각기 다른 항체가 결합된 것일 수 있다.
본 발명은 또한 표면플라즈몬공명 센서 시스템을 제공하며, 이는: 몸체 내부에 형성되고 x개(x≥2)의 용액 주입구와 y개(y≥1)의 용액 배출구를 가지는 하나 이상의 미세유체 채널과, 외부로부터 상기 하나 이상의 미세유체 채널과 연결된 복수개의 센서 삽입홀을 포함하는 채널 유닛; 상기 복수개의 센서 삽입홀에 각각 삽입되고 선단부에 금속 나노입자를 구비하는 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서; 상기 용액 주입구 각각에 용액 주입이 가능하게 연결된 용액 주입 장치부; 및 삽입된 상기 복수개의 광섬유 센서에 연결되는 광학 측정부;를 포함한다.
상기 광학 측정부는 다중모드 광섬유 커플러를 통해 해당 광섬유 센서에 연결되는 광원과 검출기를 포함할 수 있다.
상기 용액 주입장치부는, 상기 용액 주입구 각각에 일단이 연결되고 타단에 검사 용액을 공급하는 펌프장치가 연결 가능한 관부를 포함하고, 상기 관 각각에는 관을 개폐 가능한 셧오프밸브가 구비될 수 있다.
상기 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 각각은 각기 다른 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자가 구비된 것일 수 있다.
상기 하나 이상의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 각각은 상기 금속 나노 입자에 각기 다른 항체가 결합된 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 다중 측정이 가능한 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 그 시스템이 제공된다. 다양한 미세유체 채널을 가지는 채널 유닛을 포함함으로써 여러 방식의 다중 측정이 가능하여 신속하고 정확한 측정이 가능하다. 이러한 채널 유닛의 미세유체 채널은 안정적인 측정 환경을 제공하며, 기존 기판 구조에 비해 가격 효율성, 적은 광손실, 높은 민감도, 및 간단한 광학계 구성을 가지며, 비표지 면역 측정에 바람직하게 이용될 수 있다. 또한, 광원으로부터의 광이 광섬유를 거치게 되어 생체 분자에 입힐 수 있는 손상을 최소화할 수 있다. 나아가, 미세유체 채널을 가지는 채널 유닛에 바이오 친화적인 PDMS 재질을 이용하기 때문에, 기존의 미세유체 소자 및 micro TAS(Total Analysis System) 소자 등에 광범위하게 적용될 수 있다. 채널 유닛은 또한 실리콘 기반 물질로 이루어진 몰드를 이용하여 제작되므로 제조 과정이 용이하고 반복적인 생산이 가능하다. 이러한 본 발명의 장치 및 시스템은 다중 신호 측정의 장점을 살려 후보 물질 탐색에 많은 시간이 걸리는 신약 스크리닝 분야에 응용 할 수 있고, 전염병 치료에 최대 걸림돌인 조기 진단 분야에도 적용 할 수 있다. 위 구조 집적을 통해 특정 질병을 그 자리에서 측정 할 수 있는 POC 바이오센서 시장에 응용 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 시스템을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 대한 실시예 1을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 대한 실시예 1를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치의 실시예 2을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에서 센서의 삽입방향에 따른 예를 보여주는 도면이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 채널 유닛의 제조 과정의 일예를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 제조 과정과 그 사진이다.
도 11은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 예들을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 채널 유닛을 이용한 센서 제조의 활용예를 보여주는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
하나의 질병에는 다수의 생체 표지자가 존재하며, 하나의 생체 표지만으로는 정확한 질병 진단이 불가능하다. 또한 생체 표지자와 반응하는 최적의 후보물질 발굴을 위해서는 다수의 후보물질을 대상으로 한 검사가 필요하다. 결과적으로 신약 스크리닝 및 진단 분야에서 다중신호 측정 기술이 요구되고 있다고 할 수 있다. 이 분야에 사용되는 센서로서 갖춰야하는 특징은 여러 생체 표지자를 동시에 분석할 수 있어야 하는 다중성, 타겟에 대한 높은 선택성을 요하는 특이도, 미량의 생체 표지자 분석을 위한 높은 민감도, 여러 종류의 생체 표지자에 대해 정량이 가능해야 함으로 정략 분석이 있다. 본 발명은 각종 생·화학물질을 비표지, 실시간 및 다중 측정하도록 되어있는 미세유체 채널을 이용한 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 분야에 관한 것이다.
본 발명은 미세채널 유닛을 포함하는 표면플라즈몬공명 센서 장치, 채널 유닛 제조방법, 및 표면플라즈몬공명 센서 시스템을 제공한다.
[표면플라즈몬공명 센서 장치]
본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치(1)는 채널 유닛(11)과 채널 유닛(11)의 센서 삽입홀(15)에 삽입된 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)를 포함한다.
채널 유닛(11)은 몸체 내부에 형성되고 x개(x≥2)의 용액 주입구(113)와 y개(y≥1)의 용액 배출구(115)를 가지는 하나 이상의 미세유체 채널(117)과, 외부로부터 상기 하나 이상의 미세유체 채널(117)과 연결된 z개(z≥2)의 센서 삽입홀(119)을 포함한다.
센서 삽입홀(119)에 각각 삽입 장착되는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)는 삽입된 선단부의 코어에 예를 들어 금, 은과 같은 금속 나노 입자를 구비하고, 이들 표면플라즈몬공명 센서(17) 각각의 코어에는 공명 파장이 서로 다른 금속 나노입자가 구비될 수 있다. 즉, 다중신호 측정에 필요한 각기 다른 공명 파장을 가지는 나노입자에 서로 다른 항체가 도입되어 있는 n개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서이거나, (N-(2-Hydroxyethyl)piperazine-N′-(2-ethanesulfonic acid))(HEPES)의 비율 또는 패터닝 공정에 따라 각기 다른 크기와 모양을 가지는 금 나노입자가 도입된 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬 공명 센서일 수 있다.
이하, 동일하거나 유사한 요소에 대하여는 동일한 도면부호를 부여한다.
실시예 1
도 2a 내지 2d는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 대한 실시예 1을 도시한 도면이다. 도 2a는 사시도이고, 도 2b는 평면도이고, 도 2c는 분해도이며, 도 2d는 A-A'선에 따른 단면도이다.
표면플라즈몬공명 센서 장치의 실시예 1은 복수개의 용액 주입구(113), 하나의 용액 배출구(115), 및 복수개의 센서 삽입홀(119)을 가지는 채널 유닛(11)을 포함한다. 복수개의 용액 주입구(113)와 하나의 용액 배출구(115)를 연결하는 미세 채널(117)은, 도 2a 내지 2d에 도시한 바와 같이, 하나의 반응 챔버(118)를 구비할 수 있다. 이러한 반응 챔버(118)에는 센서 삽입홀(119)들이 연결되어 삽입된 센서의 선단부가 노출되어 반응 챔버(118) 내의 용액과 접촉한다.
각각의 센서 삽입홀(119)에는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)가 삽입 장착되어 미세유체 채널(117), 즉 반응 챔버(118)로 노출된다.
복수개의 용액 주입구(113)들은 이러한 반응 챔버(118)로부터 또는 반응 챔버(118)에서 연장된 채널 부위로부터 분기되는 형태를 가질 수 있다.
아래에서 보다 상세하게 설명되고 또한 도 2b에서 잘 보이는 바와 같이, 채널 유닛(11)은 몰딩으로 형성되는 상부층(U)과 글라스의 하부층(B)를 결합한 형태로 제조할 수 있고, 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)를 센서 삽입홀(119)이 되는 상부층(U)의 홈에 삽입한 후 상부층(U)과 하부층(B)을 부착 결합할 수 있다.
실시예 1의 구성은 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 각각 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)에는 서로 다른 금속 나노 입자가 도입되어 있어서 동시에 여러 신호를 측정을 할 수 있다.
실시예 2
도 4는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치의 실시예 2을 도시한 도면이다.
실시예 2의 채널 유닛(11)은 서로 분리된 복수개의 미세유체 채널(117)을 포함한다. 서로 분리된 미세유체 채널(117)들은 분리된 용액 주입구(113)와 용액 배출구(115)를 각각 가진다. 또한 분리된 미세유체 채널(117)들 각각에는 각각의 센서 삽입홀(119)이 연결된다. 센서 삽입홀(119) 각각에는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)가 삽입 장착된다.
실시예 2의 구성은 각 채널들이 서로 분리되어 있어서, 각기 다른 주입구에 서로 다른 용액에 의한 채널의 오염을 최소화할 수 있다. 즉, 서로 다른 국소화 표면플라즈몬공명 파장을 가지는 나노입자에 각기 다른 항체가 도입되는 구성이다. 이는 다수의 측정 대상을 목적으로 하는 경우에 적합하며, 후술하는 바와 같이 몰드를 제작하여 반복적으로 채널 유닛을 제조하여 다 인원의 질병 원인을 파악하는 데 바람직하게 이용될 수 있다.
이상의 실시예 1 및 2의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 채널 유닛(11)은 도 5에 도시한 바와 같이 위에서 설명한 바와 같은 수평형(도 5의 (a))으로 제조될 수 있으나, 또한 도 5의 (b)와 같이 수직형으로 제조될 수 있다. 여기서의 수평형 또는 수직형의 구분은 센서(17)의 삽입 방향이 종인지 횡인지 여부에 따른 것이다.
도 5의 (b)와 수직 결합 구조에서 유체는 센서 표면이 아닌 광섬유의 옆면을 따라 흐르는 움직임을 보인다. 반응실의 지름은 채널의 높이와 25배 차이가 나므로 좁은 영역으로 유동이 지나가기 위해서는 더 높은 압력이 필요하기 때문에 상대적으로 낮은 압력으로도 흐를 수 있는 옆면을 통하여 유동이 형성됨을 알 수 있다. 이는 채널 내부에 센서가 위치하였을 때, 유체 유동에 의해 센서 표면에서 직접적인 반응이 일어나는 것이 아니라 농도차이에 의한 느린 확산에 의해 반응이 존함을 알 수 있다. 또한 센서 주위에 기포나 비특이 결합이 발생할 경우 표면으로의 유동이 거의 없기 때문에 기포의 제거나 비특이 결합의 세척 또한 적다는 것을 알 수 있다.
도 5의 (a)의 수평 결합 구조에서 일정한 속도로 공급되는 유체에 의해 센서 표면으로 일정한 유동이 존재한다면 유동에 의한 생체 분자 물질 이동이 방향성을 가지게 되어 센서 표면에서 반복적으로 같은 농도의 생체 분자 물질이 반응 가능하게 된다. 이는 같은 표면적을 가진 센서에 더 많은 결합 기회를 제공할 것으로 기대된다. 또한 표면에 발생하는 유동으로 결합력이 약한 비특이적 결합의 경우 완충 용액을 통한 세척 과정으로 신호의 재현성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
[센서 장치의 제조]
도 6 내지 8은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 채널 유닛의 제조 과정의 일예를 보여주는 도면이다.
본 발명에 채용되는 채널 유닛(11)의 제조방법은 도 6의 (a) 내지 (c)와 같이 양각 구조를 가지는 몰드(M)를 형성하는 과정을 포함한다.
먼저, 도 6의 (a)와 같이 실리콘 기판(70) 상에 포토 리소그래피 공정을 이용하여 양각 구조 양각 구조 마스크(71)를 형성한다. 양각 구조 마스크(71)는 도 6의 (a)에 도시한 예에서와 같이 포토레지스트일 수도 있고, 다른 요소일 수도 있다. 이어, 실리콘 기판(70)을 에칭(도 6의 (b))한 후 양각 구조 양각 구조 마스크(71)를 제거하여 도 6의 (c)에 나타낸 바와 같이 양각 구조(72)를 가지는 몰드(M)를 얻는다. 양각 구조(72)는 용액 주입구(113), 용액 배출구(115), 및 반응 챔버(118)를 위한 홈을 생성하기 위한 미세유체 채널의 양각 구조와 센서 삽입홀(119)을 위한 홈을 형성하기 위한 센서 삽입홀 양각 구조를 포함할 수 있다.
양각 구조 마스크에 대한 다른 요소는 실리콘 산화막일 수 있다. 이를 위해서는 실리콘 기판(70) 상에 실리콘 산화막을 형성한 후 포토레지스트 마스크를 실리콘 산화막 위에 형성한 후 실리콘 산화막을 이방성 식각한 후 포토레지스트 마스크를 제거하여 양각 구조 마스크를 형성한다. 이후, 마찬가지로 DRIE와 같은 이방성 식각을 통해 250㎛ 정도 실리콘 기판을 제거한 후, 불산(hydrofluoric acid)을 이용한 습식 식각으로 실리콘 산화막 마스크를 제거한다. 마지막으로 49wt% 수산화칼륨(potassium hydroxide) 수용액에 10초간 담가 DRIE 공정에서 생성된 실리콘 웨이퍼 표면의 마이크로 그래스를 제거하면 몰드(M)가 완성된다.
이어, 도 7의 (a) 내지 (c)와 같이 채널 유닛(11)의 상부층(U)를 형성한다.
이를 테면, 몰드(M)의 양각 구조(72)의 면에 대한 소수성 처리를 수행할 수 있다. 소수성 처리는 도 7의 (a)와 같이 표면에 FC 코팅을 수행하거나, 별도의 소수성 코팅 없이 표면을 소수성으로 개질하기 위해 실란(silane) 처리를 진행할 수도 있다. 이를 위해서는 실리콘 몰드(M)를 패트리디쉬에 캡톤테이프를 이용하여 고정한다. 진공챔버에 실리콘 몰드(M)와 작은 패트리디쉬에 98% 에톡시트리메틸실란(ethoxytrimethylsilane)을 떨어뜨리고 진공상태를 유지한다.
이어, 도 7의 (b)와 같이, 몰드(M)에 예를 들어 PDMS와 같은 고분자를 붓고 경화시킨 후 몰드(M)로부터 양각 구조가 음각 구조로 전사된 구조체를 얻는다. 이러한 구조체는 미세유체 채널(117)의 완전한 형상이 가지거나 그렇지 않을 수가 있다.
음각 구조가 미세유체 채널(117)의 완전한 형상이 아닐 경우에, 도 7의 (c)와 같이, 음각 구조가 형성된 면의 반대면에 대한 펀칭 공정을 수행하여 용액 주입구(113), 용액 배출구(115) 또는 센서 삽입홀(119)을 형성한다. 여기서 수직형일 경우에는 센서 삽입홀(119)을 형성하게 되고, 반대로 수평형일 경우에는 용액 배출구(115)를 형성하게 된다.
다음에, 도 8의 (a) 내지 (d)와 같이, 위에서 형성된 상부층(U), 하부층(B), 및 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)를 조립하는 단계를 수행한다.
도 8의 (a)와 같이, 상부층(U)의 음각 구조면을 산소 플라즈마 처리한다. 이어, 도 8의 (b)와 같이, 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)를 센서 삽입홀(119)을 위한 홈(또는 센서 홀더)에 삽입한다. 이때, 센서(17)의 선단부가 미세유체 채널(117), 특히 반응 챔버(118)로 노출되도록 정위치시킨다.
도 8의 (c) 및 (d)와 같이, 산소 플라즈마 처리된 슬라이드 글라스(하부층(B))를 상부층(U)의 음각 구조면에 부착한다. 이후, 약간 경화된 PDMS를 본드로 이용하여 광섬유 홀더 부분을 막아 유체의 흐름이 생기지 않도록 방지할 수 있다.
[광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서]
도 9는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서를 도시한 도면이다. 도 10의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 제조 과정과 그 사진이다. 도 11의 (a)와 (b)는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 예들을 보여주는 도면이다.
도면에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 센서는 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)이다. 이는 코어(171)에 예를 들어 금, 은과 같은 금속 나노 입자(172)가 흡착되어 있는 구조를 가진다. 금속 나노 입자(172)는 도 11에서 보여지는 바와 같이 여기광이 인가되었을 때 공명을 일으켜서 광을 반사하며 이를 검출기(52)에서 수용하여 측정을 행하게 된다. 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에는 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)가 채용될 수 있고, 각 센서의 코어(171)에는 서로 다른 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자(172)가 구비될 수 있다(도 11의 (a)). 또한 각 센서(17)들은 금속 나노 입자에 각기 다른 항체가 도입되어 고정될 수 있다(도 11의 (b).
이러한 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)의 제조를 위해, 측정 시 반사되어 돌아오는 빛의 수용성을 높이기 위해 센서 표면적이 넓고 여러 경로의 빛을 수용할 수 있도록 코어(core) 직경이 105㎛, 클래딩(cladding) 직경이 125㎛인 다중모드 광섬유를 사용했다. 먼저 광섬유 자켓을 광섬유 스트리퍼를 이용하여 약 3cm 정도 제거하고, 평평한 센서 표면을 제작하기 위해 광섬유 절단기를 이용하였고 빛의 이동경로에 대해 수직한 방향으로 제작하였다.
도 10에 도시한 바와 같이, 평평하게 제작된 광섬유 표면 위에 금속 나노 입자 형성을 위한 3 단계 과정을 진행하여 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서로 제작했다.
도 10의 (a)와 같이, 첫 번째 단계에서 유기물 제거와 수산화기(hydroxy group)의 활성화를 위해 황산(sulfuric acid)과 과수(hydrogen peroxide)를 4:1(v/v)로 혼합한 용액에 20분 담가 둔다. 도 10의 (b)와 같이, 두 번째 단계에서 금 나노입자를 광섬유 표면에 고정하기 위한 자기조립단분자층을 형성하기 위해 한쪽 끝이 에톡시 그룹(ethoxy group)으로 구성되어 있어 광섬유 표면과 O-Si-O 결합을 하고 반대쪽은 양전하를 띠는 아미노 그룹(amino group)이 있는 5% 3-(ethoxydimethlysilyl)-propylamine(APMES) 용액에 90분 담가 둔다. 도 10의 (c)와 같이, 마지막 단계에서 센서를 금 콜로이드 용액에 담가 두면 자기조립단분자층 말단의 아미노 그룹에 의한 양전하와 금 나노입자를 둘러싸고 있는 시트레이트(citrate)의 음전하가 정전기적 인력에 의해 결합하여 광섬유 국소화 표면플라즈몬공명 센서가 완성된다. 도 10의 (d)에서는 금 나노 입자(172)가 코어(171)에 도입된 것을 보여준다.
도 12는 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 장치에 채용되는 채널 유닛을 이용한 센서 제조의 활용예를 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 채널 유닛은 미세유체소자 및 기존 micro-TAS 소자내의 입자, 세포, 박테리아 분리 및 농축 소자 등 생체 분자의 전처리가 가능한 소자와 집적 가능하다. 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 또한 미세유체 채널 내에서 구현 가능하여 사용자에게 소자를 제공하면 사용자가 정해진 실험 절차를 이용해서 광섬유 표면 처리 및 시료 전처리, 측정 등을 모두 할 수 있는 센서 플랫폼으로의 활용될 수 있다.
[표면플라즈몬공명 센서 시스템]
도 1은 본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 시스템의 일예를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 표면플라즈몬공명 센서 시스템은 상술한 표면플라즈몬공명 센서 장치(1), 용액 공급 장치(3), 및 광학 측정부(5)를 포함한다.
위에서 설명한 바와 같이 표면플라즈몬공명 센서 장치(1)는 채널 유닛(11)과 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)를 포함한다.
용액 공급 장치(3)는 채널 유닛(11)의 용액 주입구(113) 각각에 일단이 연결되는 관부(31)와 각 관부(31)의 타단에 연결 가능한 펌프부(32)를 포함한다. 펌프부(32)는 예를 들어 실린지(syringe) 펌프일 수 있고, 도시한 예에서와 같이 각각의 관부(31)에 연결 가능하여 각각의 용액 주입구(113)로 용액을 주입할 수 있게 된다. 관부(31) 각각에는 관의 개폐가 가능하게 설치되는 셧오프밸브(33)가 배치되어 현재 주입 중인 관 이외의 다른 관으로 용액이 역류하는 것을 방지할 수 있다.
광학 측정부(5)는 광원(51)과 검출기(52)를 포함하며, 광원(51)과 검출기(52)는 광섬유 커플러(53)를 통해 2:1 다중모드로 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서(17)의 후단에 연결된다. 도시한 예에서는 이해의 편의를 위해 하나의 광학 측정부(5)만을 도시하였지만, 복수개의 표면플라즈몬공명 센서(17)마다 광학 측정부(5)가 연결될 수 있다.
이상과 같은 표면플라즈몬공명 센서 시스템은 다중 측정이 가능한 구성이다.
광원(51)은 여기광을 인가하며 여러개의 광원에 여러 개의 광섬유 커플러(53)를 연결하거나 하나의 다분기 광섬유를 연결하는 구조가 채용될 수 있다.
검출기(52)는 광섬유 센서(17)로부터 발생한 신호를 검출하는 것으로서, 광섬유 커플러(53)의 개수만큼 구비되거나 하나가 구비될 수 있다. 광섬유 커플러(53)는 광섬유 센서(17), 광원(51), 및 검출기(52)를 광섬유 융착기 등을 이용하여 연결한다.
광원(51)에서 나온 빛이 광섬유 커플러(53)를 따라 광섬유 센서(17) 끝단까지 빛이 입사되어 표면의 금 나노 입자의 국소화 표면플라즈마공명을 발생시킨 뒤 반사되어 돌아오며, 이를 검출기(52)에서 수광하여 측정한다.
본 발명의 장치 및 시스템은 미세유체 채널 내에 각기 다른 파장에서 국소화 표면플라즈몬공명 현상이 일어나는 나노 입자에 서로 다른 항체가 도입되어 있을 때 미지의 질병(항원)과의 특이적 결합으로 해당하는 파장의 세기 또는 위치 변화의 검출이 가능하여 한 번의 측정만으로 병의 원인을 특정 할 수 있는 장점이 있다. 질병 초기 단계에서는 분석물질의 양이 매우 적고 병을 특정하기 위해 여러 테스트가 진행 되어야 함으로 높은 민감도와 처리량이 요구되는, 진단을 목적으로 하는 바이오센서로 바람직하게 적용될 수 있다. 또한 서로 다른 파장에서 국소화 표면플라즈몬공명 현상이 일어나는 나노 입자에 각기 다른 항체를 도입한 구조를 집적하여 한 번에 여러 환자의 질병을 빠르게 탐색함으로써 Point of care(POC) 및 조기 진단 분야에 바람직하게 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
1: 표면플라즈몬공명 센서 장치 3: 용액 공급 장치
5: 광학 측정부 11: 채널 유닛
17: 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서
31: 관부 32: 펌프부
33: 셧오프밸브 51: 광원
53: 검출기 70: 실리콘 기판
71: 양각 구조 마스크 72: 양각 구조
113: 용액 주입구 115: 용액 배출구
117: 미세유체 채널 118: 반응 챔버
119: 센서 삽입홀 171: 코어
172: 금속 나노 입자 U: 상부층
B: 하부층

Claims (13)

  1. 표면플라즈몬공명 센서 장치로서:
    몸체 내부에 형성되고 복수개의 용액 주입구와 하나 이상의 용액 배출구를 가지는 하나 이상의 미세유체 채널과, 외부로부터 상기 하나 이상의 미세유체 채널과 연결된 복수개의 센서 삽입홀을 포함하는 채널 유닛으로서, 상기 몸체는 고분자를 몰딩함으로써 상기 하나 이상의 미세유체 채널과 상기 복수개의 센서 삽입홀이 음각 형성된 상부층과 상기 상부층의 음각이 형성된 면에 결합되는 하부층을 포함하는 것인, 채널 유닛;
    상기 복수개의 센서 삽입홀에 각각 삽입되고, 선단부의 코어의 표면에 금속 나노입자를 가지는 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서; 및
    상기 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 각각의 후단부에 연결가능하도록 구비되는 광학 측정기를 포함하고,
    상기 광학 측정기는 다중모드 광섬유 커플러, 광원, 및 검출기를 포함하고, 상기 다중모드 광섬유 커플러는 상기 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서의 각각의 후단부, 상기 광원, 상기 검출기를 연결하는 2:1 모드 커플러인, 표면플라즈몬공명 센서 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 채널 유닛은,
    상기 몸체 내부에 각각 용액 주입구와 용액 배출구를 가지는 서로 분리된 복수개의 미세유체 채널을 구비하는 것인, 표면플라즈몬공명 센서 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서 삽입홀은 종방향 또는 횡방향으로 형성된 것인, 표면플라즈몬공명 센서 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 각각은 각기 다른 공명 파장을 가지는 금속 나노 입자가 구비된 것인, 표면플라즈몬공명 센서 장치.
  6. 청구항 1 또는 5에 있어서,
    상기 하나 이상의 광섬유 기반 국소화 표면플라즈몬공명 센서 각각은 상기 금속 나노 입자에 각기 다른 항체가 결합된 것인, 표면플라즈몬공명 센서 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 용액 주입구에 용액을 공급하도록 배치되는 하나 이상의 용액 주입 장치를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 용액 주입 장치는, 상기 용액 주입구 각각에 일단이 연결되고 타단에 검사 용액을 공급하는 펌프장치가 연결 가능한 관부를 포함하고, 상기 관 각각에는 관을 개폐 가능한 셧오프밸브가 구비하는 것인, 표면플라즈몬공명 센서 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 표면플라즈몬 공명 센서 장치의 센서 유닛의 제조방법으로서:
    기판 상에 포토리소그래를 이용하여 양각 형상을 형성하는 과정을 통해 몰드를 제조하는 단계;
    상기 몰드를 이용하여 상기 양각 형상이 음각 형상으로 전사된 고분자의 상부층을 형성하는 단계; 및
    준비된 글라스 하부층을 상기 상부층의 상기 음각 형상이 전사된 면에 결합하는 단계;를 포함하고,
    상기 음각 형상은 복수개의 용액 주입구와 하나 이상의 용액 배출구를 가지는 하나 이상의 미세유체 채널과, 외부로부터 상기 하나 이상의 미세유체 채널과 연결된 복수개의 센서 삽입홀을 위한 형상을 포함하는 것인, 표면플라즈몬 공명 센서 장치의 센서 유닛 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 상부층을 형성하는 단계는 상기 상부층에 형성된 상기 복수개의 용액 주입구와 상기 하나 이상의 용액 배출구를 완성하기 위한 펀칭 단계를 더 포함하는 것인, 표면플라즈몬 공명 센서 장치의 센서 유닛 제조방법.
KR1020160168980A 2016-12-12 2016-12-12 미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법 KR101847745B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160168980A KR101847745B1 (ko) 2016-12-12 2016-12-12 미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법
IE20170055A IE87076B1 (en) 2016-12-12 2017-03-07 Surface plasmon resonance sensor device using microfluidic channel and system comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160168980A KR101847745B1 (ko) 2016-12-12 2016-12-12 미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101847745B1 true KR101847745B1 (ko) 2018-04-12

Family

ID=61969322

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160168980A KR101847745B1 (ko) 2016-12-12 2016-12-12 미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101847745B1 (ko)
IE (1) IE87076B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210017067A (ko) * 2019-08-06 2021-02-17 단국대학교 산학협력단 나노 구조물이 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서의 테스트 방법, 그리고 표면 플라즈몬 공명 센서의 출력 신호 보정 방법.
KR20210017071A (ko) * 2019-08-06 2021-02-17 단국대학교 산학협력단 표면 플라즈몬 공명 센서를 이용한 연속 측정 장치
KR20210017060A (ko) * 2019-08-06 2021-02-17 단국대학교 산학협력단 나노 구조물과 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서
US20220026367A1 (en) * 2020-07-21 2022-01-27 Jyotirmoy Mazumder Pathogen screening using optical emission spectroscopy (oes)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100574781B1 (ko) * 2004-12-23 2006-04-28 전자부품연구원 용액 성분 분석을 위한 소자
WO2006057358A1 (ja) * 2004-11-25 2006-06-01 The Furukawa Electric Co., Ltd. ファイバセンサ、ファイバセンサ装置
US20090244542A1 (en) 2004-12-10 2009-10-01 University Of Central Florida Research Foundation Inc. Micro integrated planar optical waveguide type spr sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006057358A1 (ja) * 2004-11-25 2006-06-01 The Furukawa Electric Co., Ltd. ファイバセンサ、ファイバセンサ装置
US20090244542A1 (en) 2004-12-10 2009-10-01 University Of Central Florida Research Foundation Inc. Micro integrated planar optical waveguide type spr sensor
KR100574781B1 (ko) * 2004-12-23 2006-04-28 전자부품연구원 용액 성분 분석을 위한 소자

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210017067A (ko) * 2019-08-06 2021-02-17 단국대학교 산학협력단 나노 구조물이 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서의 테스트 방법, 그리고 표면 플라즈몬 공명 센서의 출력 신호 보정 방법.
KR20210017071A (ko) * 2019-08-06 2021-02-17 단국대학교 산학협력단 표면 플라즈몬 공명 센서를 이용한 연속 측정 장치
KR20210017060A (ko) * 2019-08-06 2021-02-17 단국대학교 산학협력단 나노 구조물과 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서
KR102233031B1 (ko) 2019-08-06 2021-03-29 단국대학교 산학협력단 나노 구조물이 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서의 테스트 방법, 그리고 표면 플라즈몬 공명 센서의 출력 신호 보정 방법.
KR102233028B1 (ko) * 2019-08-06 2021-03-29 단국대학교 산학협력단 나노 구조물과 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서
KR102233036B1 (ko) * 2019-08-06 2021-03-29 단국대학교 산학협력단 표면 플라즈몬 공명 센서를 이용한 연속 측정 장치
US10976251B2 (en) 2019-08-06 2021-04-13 Industry-Academic Cooperation Foundation, Dankook University Surface plasmon resonance sensor combined with nanostructure
US20220026367A1 (en) * 2020-07-21 2022-01-27 Jyotirmoy Mazumder Pathogen screening using optical emission spectroscopy (oes)

Also Published As

Publication number Publication date
IE87076B1 (en) 2019-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vaiano et al. Lab on fiber technology for biological sensing applications
Yang et al. Micro-optics for microfluidic analytical applications
KR101847745B1 (ko) 미세유체 채널을 이용한 표면플라즈몬공명 센서 장치 및 센서 유닛 제조방법
CN106233124B (zh) 化验单元、读取器单元和诊断装置
WO2010009543A1 (en) A microfluidic device and method for fabricating the microfluidic device
CN103920545B (zh) 基于pdms芯片的微流体可调谐光学滤波器及其制作方法
IE20170055A1 (en) Surface plasmon resonance sensor device using microfluidic channel and system comprising the same
CN101571536A (zh) 单个纳米颗粒及其阵列基生物分子检测器的制备工艺
ES2334318B2 (es) Sistema de deteccion optica para bio-ensayos de alta sensibilidad sinmarcado.
JP2007501403A (ja) 白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ
Huang et al. Development of a monolithic total internal reflection-based biochip utilizing a microprism array for fluorescence sensing
CN108872110B (zh) 一种高折射率灵敏度光纤微流传感器及其制备方法
WO2012099848A1 (en) Fabry-perot based optofluidic sensor
Wei et al. All-fiber biological detection microfluidic chip based on space division and wavelength division multiplexing technologies
KR100930859B1 (ko) 동시 다중면역 반응 측정을 위한 마이크로 바이오칩과 이의제조방법 및 이를 이용한 면역반응 여부를 검출하는 방법
JP2016161546A (ja) マイクロ流路チップ
KR20080007733A (ko) 면역반응용 마이크로 바이오칩과 이의 제조방법 및 이를이용한 면역반응 여부를 검출하는 방법
KR101192420B1 (ko) 집적형 비표지식 바이오나노 광도파로 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법
CN106841121A (zh) 一种基于脊形光波导的spr生化传感器
CN110018136B (zh) 一种基于光流控的生物分子检测芯片及检测系统
KR101178203B1 (ko) 생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치
KR102233028B1 (ko) 나노 구조물과 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서
Lechuga et al. Biosensing microsystem platforms based on the integration of Si Mach-Zehnder interferometer, microfluidics and grating couplers
RU2768228C1 (ru) Мультифотонное сенсорное устройство
KR102233031B1 (ko) 나노 구조물이 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서의 테스트 방법, 그리고 표면 플라즈몬 공명 센서의 출력 신호 보정 방법.

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant