KR101923308B1 - The bio-sensor using microdisk having high qualtity factor - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예로써, 고품위값 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서가 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서는, 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고, 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 표면(ex. 측면)에 유전 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 상기 유전물질에 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산이 부착되어 있고, 상기 항체가 부착된 마이크로디스크 레이저는 항원-항체 반응에 의해 질병을 진단하고, 상기 핵산이 부착된 마이크로디스크는 핵산 반응에 의해 질병을 진단한다. 또한 항체가 부착된 마이크로 디스크와 핵산이 부착된 마이크로 디스크를 복수로 동시에 사용함으로써 항원-항체 반응과 핵산 반응을 동시에 측정함으로써 질병 진단의 정확성을 높일 수 있다.As one embodiment of the present invention, a biosensor using a high-quality value micro disk can be provided. In a biosensor using a micro disk having a high-quality value in a whispering gallery mode according to an exemplary embodiment of the present invention, the mode of the whispering gallery mode is a mode in which the intensity of oscillation in one direction is different from that in the other direction The microdisk is made of a semiconductor, a solid medium or a polymer, and the microdisk is made of a dielectric substance on the surface (ex. Side) so as to be able to chemically bond with viruses, bacterial antibodies or nucleic acids May be coated. The microdisk laser having the antibody attached thereto diagnoses the disease by an antigen-antibody reaction, and the microdisk having the nucleic acid attached thereto is capable of detecting a disease by the nucleic acid reaction. Diagnose. In addition, by simultaneously using a microdisk with an antibody and a microdisk with a nucleic acid attached thereto, the antigen-antibody reaction and the nucleic acid reaction can be simultaneously measured, thereby improving the accuracy of disease diagnosis.
Description
본 발명은 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 방향으로 발진하는 극고품위값 마이크로 공진기 레이저를 이용한 바이오 센서로, 이러한 레이저는 발진 방향이 단일방향이므로 광도파로와 광 결합이 쉽고, 광도파로와 광결합할 때 품위값 손상이 일어나지 않으며, 고품위값이어서 단일 바이오 분자의 부착 시에서도 파장 변화가 일어나 극미량 바이오 물질을 측정할 수 있는 바이오 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor using a microdisk having a high-quality value, and more particularly, to a biosensor using a very high-quality micro resonator laser oscillating in a single direction. Since the oscillation direction of the laser is unidirectional, The present invention relates to a biosensor capable of measuring a very small amount of biomaterial by easily changing the wavelength of a single biomolecule due to high optical quality,
최근 광기술에서 고리(ring) 공진기를 이용한 바이오 센서를 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 고리 공진기의 품위값이 높아 이를 이용하면 바이오 물질의 부착에 따른 파장 변이를 측정할 수 있어 바이오 물질을 감지할 수 있기 때문이다. 그러나, 고리 공진기의 문제점은 품위값이 높지 못해 정밀 바이오 센서로서 한계점을 가지고 있다. 고리형 공진기 보다 높은 품위값을 가지면 감도가 더 뛰어난 바이오 센서를 개발할 수 있는데 토로이드(toroid)형 혹은 구형의 공진기가 품위값이 극히 높아 바이오 센서로 각광받고 있다. 그러나 이러한 원형공진기의 문제점은 빛을 공진기 내부에 입사시키기 위해 광섬유 같은 광도파로를 공진기 근처에 가까이 결합시켜 공진기의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리(whispering gallery)라는 공명 모드를 만들어야 한다. Toroid형 공진기로 레이저를 만들 수도 있는데, 이런 원형의 공진기 레이저는 빛이 모든 방향으로 균일하게 방출되어 광섬유 같은 도파로를 레이저와 결합하여야 한다. 이런 원형의 공진기의 문제점은 빛이 한 방향으로 나가지 못하기 때문에 도파로를 레이저와 결합시켜야 하는데 이러한 결합 때문에 품위값이 떨어지게 된다. 또한, 레이저 혹은 공진기와 광섬유를 결합시키기 위해서는 미세한 거리 조절이 필요한데, 이러한 미세한 거리 조정도 쉽지 않을뿐더러 광섬유를 사용하게 되면 외부의 약한 진동에도 결합이 깨어져 바이오 센서로 사용이 곤란하다.Recently, researches for developing a biosensor using a ring resonator in optical technology have been actively conducted. This is because the quality of the ring resonator is high, so that it is possible to measure the wavelength variation due to the attachment of the biomaterial, thereby sensing the biomaterial. However, the problem of the ring resonator is that it has a limitation as a precision biosensor because the quality value is not high. A biosensor with higher sensitivity than a ring resonator can be developed, but a toroid or a spherical resonator is very popular as a biosensor because of its extremely high quality. However, the problem of such a circular resonator is to make a resonance mode called a whispering gallery bound to the edge of the resonator by coupling an optical waveguide such as an optical fiber close to the resonator in order to make the light enter the resonator. A toroidal resonator can be used to create a laser, which should emit light uniformly in all directions and combine it with a laser, such as an optical fiber. The problem with such a circular resonator is that the waveguide must be coupled to the laser because the light can not exit in one direction. In addition, it is difficult to adjust a small distance in order to couple a laser or a resonator with an optical fiber, and it is difficult to adjust the distance. Also, when an optical fiber is used, it is difficult to use as a biosensor.
이러한 원형 공진기를 이용한 바이오 센서의 개발과는 별개로 혼돈 공진기를 이용한 바이오 센서도 보고된 바가 있다. 그러나, 혼돈 공진기는 레이저의 공진기 내부의 모드의 궤적이 공진기의 가장자리에 속박되지 않고 불안정 주기궤도 혹은 안정 주기궤도에 속박된다. 이 경우 표면 등에 바이오 물질이 있어도 레이저가 바이오 물질을 감지하지 못하는 문제점이 있다. 상기 문제를 해결하기 위해서는 레이저의 발진 공명모드가 레이저의 가장자리에 속박되어야 한다. 이런 특성을 가진 공진기는 공진기의 가장자리를 따라 속박된 모드인 휘스퍼링 갤러리 모드를 만들 수 있는 공진기이어야 하는데 현재까지 알려진 것은 원형의 공진기일뿐이다. 최근 휘스퍼링 갤러리 모드가 단일 방향으로 발진하는 혼돈 공진기들이 개발되었다. 그러나 아직 상기와 같이 휘스퍼링 갤러리 모드가 공진기 가장 자리에 속박되어 품위값이 아주 크면서 단일 방향으로 발진하는 공진기를 이용한 바이오 센서는 없다. 현재까지 품위값이 가장 높은 혼돈 공진기는 수동적 품위값이 20만이 되지 못하므로 측정에 한계가 있다. 아직까지 단일 방향으로 발진하면서 품위값이 높은 휘스퍼링 갤러리 형태의 공명 모드를 가지는 혼돈 공진기를 이용한 바이오 센서가 개발된 적이 없다.In addition to the development of a biosensor using such a circular resonator, a biosensor using a chaotic resonator has also been reported. However, in the chaotic resonator, the mode trajectory inside the resonator of the laser is not bound to the edge of the resonator but is confined to the unstable periodic orbit period or the stable periodic orbit. In this case, even if there is a biomaterial on the surface, the laser can not detect the biomaterial. In order to solve the above problem, the oscillation resonance mode of the laser should be confined to the edge of the laser. A resonator with this characteristic should be a resonator capable of creating a whispering gallery mode, which is a mode tied along the edge of the resonator. What is known to date is a circular resonator. Recently, chaotic resonators have been developed in which whispering gallery mode oscillates in a single direction. However, as described above, the whispering gallery mode is constrained to the edge of the resonator, so there is no biosensor using a resonator that oscillates in a single direction with a very high quality value. The chaotic resonator, which has the highest quality value, has the limitation of measurement because the passive quality value is not 200,000. A biosensor using a chaos resonator having a resonance mode of a whispering gallery type having a high degree of elegance and oscillating in a single direction has not been developed yet.
본 발명의 목적은 단일 방향으로 발진하는 고품위값 마이크로 디스크 레이저를 이용하여 제작된 정밀 바이오 센서에 관한 것으로, 고품위 값이기 때문에 레이저의 선폭이 좁아 저농도에서도 항원-항체 반응을 통한 작은 파장 변이 혹은 핵산끼리의 반응을 통하여 발생한 작은 파장의 변이를 쉽게 측정하여 질병의 진단에 사용할 수 있도록 하기 위함이다. 극고품위값 레이저를 이용하는 바이오 센서를 만들기 위하여 레이저 표면(ex. 측면)에 화학 처리 후 항체를 붙이거나, 혹은 핵산을 붙여서 항원-항체 반응을 통한 파장의 변이 혹은 핵산끼리의 반응을 통하여 발생하는 파장의 미소 변이를 측정하여 특정 바이오 물질을 선택적으로 측정하여 질병을 진단하고자 한다. An object of the present invention is to provide a precision biosensor fabricated using a high-quality value micro disk laser oscillating in a single direction. Because of its high quality, the line width of the laser is narrow. Thus, even at low concentration, And to make it possible to easily measure the small wavelength variation caused by the reaction of the probe and to use it for the diagnosis of the disease. In order to make a biosensor using a very high-quality laser, it is necessary to attach an antibody after chemically treating the surface of the laser (ex. Side) or attach a nucleic acid to a wavelength, which is generated by a mutation of a wavelength through an antigen- And to diagnose diseases by selectively measuring specific biomaterials.
본 발명의 일 실시예로써, 고품위값 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서가 제공될 수 있다. As one embodiment of the present invention, a biosensor using a high-quality value micro disk can be provided.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서에서, 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고, 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 측면에 유전 물질이 코팅되어 있을 수 있다. In the biosensor using a micro disk in which the mode of the whispering gallery type is high-quality, the mode of the whispering gallery mode of the micro disk is a single direction in which the intensity of the oscillation in one direction is stronger than the oscillation intensity in the other direction The microdisks may be fabricated using semiconductors, solid media, or polymers, and the microdisks may be coated with dielectric materials on the sides to enable chemical bonding with viruses, bacterial antibodies, or nucleic acids.
유전 물질은 산화물 또는 질화물(예컨대, GaN, SiN 또는 SiO2 등)이고, 유전 물질이 코팅된 측면에서의 화학 반응을 통하여 마이크로 디스크에 항체 또는 핵산이 부착될 수 있다. The dielectric material is an oxide or nitride (e.g., GaN, SiN, or SiO 2 ), and the antibody or nucleic acid can be attached to the microdisk through a chemical reaction on the coated side of the dielectric material.
또한, 마이크로 디스크에서 항원-항체 반응을 통하여 항체에 대한 소정의 항원이 결합 가능하고, 항체에 결합된 항원에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 항원의 결합 여부가 감지될 수 있다. In addition, a predetermined antigen can be bound to an antibody through an antigen-antibody reaction in the micro disk, and a binding of a predetermined antigen is detected according to a change in the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody .
마이크로 디스크에서 핵산 간 반응을 통하여 소정의 핵산이 결합 가능하고, 결합된 핵산에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 핵산의 결합 여부가 감지될 수 있다. A predetermined nucleic acid can be bound through a nucleic acid reaction in a micro disk and the binding of a predetermined nucleic acid can be detected according to a change in the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acid.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키고, 바이오 센서에는 이러한 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저가 포함될 수 있다. The microdisk of the biosensor according to an embodiment of the present invention includes an excitation device to oscillate a mode in the form of a whispering gallery having directionality, and a microdisk laser using the microdisks may be included in the biosensor.
또한, 마이크로 디스크 레이저는 반도체, 고체 매질, 또는 폴리머에 색소를 첨가한 색소 레이저일 수 있다. Further, the microdisk laser may be a semiconductor, a solid medium, or a dye laser added with a dye to a polymer.
마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 여기될 수 있다. In a Birkhoff coordinate system in which the propagation of light is confused within the resonator, the micro disk lasers can be excited with light or current in a region where the incident angle of the resonator boundary surface is larger than the critical angle.
또한, 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항체인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다.In addition, a plurality of microdisks may be included in the biosensor, different antibodies may be attached to the plurality of microdisks, and a plurality of microdisks may be immobilized on the microdisks, Of the biomaterial can be detected.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. A plurality of microdisks may be included in the biosensor, different nucleic acids may be attached to the plurality of microdisks, and predetermined nucleic acid may be detected based on the degree of mutation of the wavelengths during the reaction between nucleic acids in the respective microdisks Biomaterials can be detected.
소정의 바이오 물질은 각각 상이한 항체와 소정의 바이오 물질 간의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출될 수 있다. A predetermined biomaterial can be detected by using a lookup table indicating the degree of the variation of the wavelength depending on the reaction between the different antibody and the predetermined biomaterial.
또한, 각각의 마이크로 디스크에 부착된 각각의 상이한 핵산에 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 부착되는 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. In addition, a lookup table showing the degree of variation of the wavelength depending on the degree to which a predetermined bio-material as a detection target nucleic acid is attached to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined bio-material .
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착되어 있으며 항원-항체 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지되며, 항원의 결합 여부 및 핵산의 결합 여부가 동시에 감지될 수 있다. A plurality of microdisks may be included in the biosensor. Antibodies are attached to a part of the plurality of microdisks, and nucleic acids are attached to the remainder. Antigens may be attached to the antibodies according to changes in wavelengths in the microdisks due to antigen- It is detected whether or not the target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the microdisk due to the reaction between the nucleic acid and the binding of the antigen and the binding of the nucleic acid can be simultaneously detected .
또한, 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고, 데이터는 함수 또는 그래프 형태일 수 있다. Based on predetermined data on the degree of mutation of the wavelength due to the antigen-antibody reaction with the antibody attached to the microdisk or the degree of the mutation of the wavelength due to the nucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the microdisks, May be detected, and the data may be in the form of a function or a graph.
본 발명의 일 실시예에 따른 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서를 이용하면, 항원-항체 반응을 이용해서 질병 등을 정확하게 진단할 수 있을 뿐만 아니라 핵산 등을 이용해서도 질병 등을 진단할 수도 있다. Using a biosensor using a micro disk having a high-quality value according to an embodiment of the present invention, it is possible to accurately diagnose a disease or the like using an antigen-antibody reaction, and diagnose a disease or the like using nucleic acids or the like It is possible.
다시 말해서, 동일한 마이크로 플루이딕 내부에 있는 마이크로 디스크 공진기 레이저에 핵산과 항체를 각각 부착시킬 수 있으므로 항원-항체 반응과 핵산 간 반응을 동시에 측정할 수 있으므로 종래 대비 빠르고 정확하게 질병 등을 진단할 수 있고 이에 따라 질병 진단의 효율을 제고할 수 있다. In other words, since the nucleic acid and the antibody can be attached to the micro disk resonator laser in the same microfluidic, the antigen-antibody reaction and the nucleic acid reaction can be simultaneously measured, so that the disease can be diagnosed quickly and accurately, Thereby increasing the efficiency of disease diagnosis.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크 측면을 산화물인 SiO2, GaN 등으로 코팅 처리한 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 항체를 부착시킨 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 인공적 핵산을 부착시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 마이크로 디스크 측면에 부착된 항체에 항원이 결합하는 항원-항체 반응을 나타낸 도면이다.
도 5는 마이크로 디스크 측면에 부착된 인공적 핵산에 바이러스 혹은 세균의 핵산 등이 결합하는 반응을 나타낸 도면이다.
도 6은 마이크로 디스크로 구성된 공진기 레이저를 포함하는 바이오 센서에 마이크로 플루이딕을 통해 바이오 물질을 통과시키는 도식도이다.
도 7은 항원-항체 반응과 핵산 간 반응을 동시에 측정하여 질병 등을 진단하기 위한 방법을 나타내는 모식도이다.
FIG. 1 is a view showing a state where a side surface of a micro disk according to an embodiment of the present invention is coated with oxides such as SiO 2 , GaN and the like.
FIG. 2 is a view showing a state in which a side surface of the microdisks is chemically treated and an antibody is attached to the side surface.
FIG. 3 is a view showing a state where an artificial nucleic acid is attached to a side surface of a microdisk after chemical treatment.
FIG. 4 is a view showing an antigen-antibody reaction in which an antigen binds to an antibody attached to a side surface of a micro disk.
FIG. 5 is a diagram showing the reaction of a virus or a bacterial nucleic acid or the like to an artificial nucleic acid attached to a side surface of a micro disk.
6 is a schematic diagram for passing a biomaterial through a microfluidic device to a biosensor including a resonator laser formed of a micro disk.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a method for diagnosing disease or the like by simultaneously measuring an antigen-antibody reaction and a nucleic acid reaction. FIG.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. The terms used in this specification will be briefly described and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term, not on the name of a simple term, but on the entire contents of the present invention.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 또는 "결합"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 결합)"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결(또는 결합)되어 있는 경우도 포함한다. When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements as well, without departing from the spirit or scope of the present invention. It is also to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "coupled" to another element throughout the specification, it should be understood that the term " It also includes cases where a connection (or combination) is made.
전술한 종래의 문제점들을 개선하기 위해서는 고품위값을 가지며 한 방향으로 발진하는 마이크로 공진기 레이저를 이용하면 쉬워진다. 최근 한 방향으로 발진하는 극고품위값 마이크로공진기 레이저들이 개발되었다. 이러한 공진기들은 4개의 원으로 이루어진 공진기 레이저, 3개의 원과 직선으로 이루어진 공진기 레이저, 달걀형 공진기 레이저등이 있다. 이런 공진기들은 품위값이 극히 높아 레이저를 제작하여 표면을 바이오 센서로 사용하기 위하여 화학 처리한 후 바이오 센서로 사용하면 극고품위값이므로 정밀한 측정이 가능하고 빛이 한방향으로 나오기 때문에 광결합이 쉽고, 품위값 손상 없이 빛을 광도파로로 입사시킬 수 있다. 이러한 방법으로 바이오 센서를 만들면 초정밀 바이오 센서가 된다.In order to solve the above-described conventional problems, it is easy to use a micro resonator laser having a high-quality value and oscillating in one direction. Recently, extremely high quality micro resonator lasers oscillating in one direction have been developed. These resonators include resonator lasers of four circles, resonator lasers of three circles and straight lines, and oval resonator lasers. These resonators are extremely high in quality, so if you use a biosensor after chemically treating the surface to make a laser, you can measure it precisely because it is of a very high quality and the light comes out in one direction. The light can be incident on the optical waveguide without damaging the value. When a biosensor is made in this way, it becomes an ultra-precise biosensor.
초정밀 바이오 센서를 만들기 위해서는 바이오 물질이 마이크로 디스크 레이저의 측면에 선택적으로 흡착되어야 한다. 마이크로 공진기 레이저를 만들기 위한 일 방법으로서는 III-V족 물질 또는 반도체로 만들거나 그 외의 다양한 폴리머 고분자에 색소를 넣어 만들기도 하며 일반 고체 매질을 이용하여 만들기도 한다. 예를 들면, 반도체로 III-V족의 반도체 물질을 사용할 수 있으며, III-V족의 반도체 물질로는 GaAs계열, InGaAsP, GaN계열 등을 사용할 수 있다. 또한, 고체 매질로는 Nd:YAG, Nd:Glass, NdYVO4, Sapphire에 불순물이 도핑된 매질, 루비 등 다양한 고체 레이저 매질 등을 사용할 수 있다.Biomaterials must be selectively adsorbed on the sides of the microdisk lasers in order to make ultra-precise biosensors. As a method for making a micro resonator laser, a III-V material or a semiconductor may be used, or various other polymer polymers may be prepared by adding a dye or a general solid medium. For example, semiconductor materials of Group III-V type can be used as the semiconductor, and GaAs series, InGaAsP, GaN series and the like can be used as the III-V group semiconductor materials. As the solid medium, various solid laser media such as Nd: YAG, Nd: Glass, NdYVO 4 , impurity doped medium in sapphire, and ruby can be used.
또한, 색소가 첨가된 고분자로는, 예를 들면, Rhodamine 6G, Rhodamine B 등 수많은 색소를 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 등 수많은 고분자에 첨가하여 만들어진 색소가 첨가된 고분자를 사용할 수 있다.As the polymer to which the dye is added, for example, a polymer added with a dye made by adding a large number of pigments such as Rhodamine 6G and Rhodamine B to a large number of polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA) can be used.
다만, 전술한 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류는 설명을 위한 예시일 뿐, 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류를 한정하는 것은 아니다.However, the kind of the semiconductor, the solid medium or the polymer to which the dye is added is merely an example for explanation, and the kind of the semiconductor, the solid medium or the polymer to which the dye is added is not limited.
이런 레이저 매질의 표면에는 바이오 분자가 선택성을 가지고 붙을 수 없으므로 선택성을 가질 수 있도록, 측면을 화학 처리 해야한다. 이러한 화학 처리 방법은 기존의 고리형 공진기 등에서 많이 개발되어 있다. 즉, 레이저 측면에 OH기가 붙을 수 있도록 SiO2를 코팅하고, 여기에 화학 반응을 이용하여 핵산(DNA) 혹은 항체가 붙을 수 있도록 화학적으로 표면 처리한 후, 항체 혹은 핵산을 붙이면 항체의 경우 바이러스 혹은 세균의 항원이 항체와 결합하게 되고 핵산의 경우 바이러스 혹은 세균의 핵산과 결합하게 된다. Since the biomolecule can not attach to the surface of such a laser medium, the side surface must be chemically treated so that it can have selectivity. Such a chemical treatment method has been widely developed in conventional ring resonators and the like. In other words, SiO 2 is coated on the side of the laser so that the OH side can be attached to the side of the laser, and then the surface is chemically treated with a chemical reaction to attach the nucleic acid (DNA) or antibody. The antigen of the bacterium binds to the antibody, and in the case of the nucleic acid, it binds with the virus or the nucleic acid of the bacterium.
바이오 센서를 이용한 파장 변이 등의 측정은 항체를 붙인 후의 파장의 값을 알고 있으면 항원이 항체와 결합할 때 파장의 변이를 측정하면 된다. 또한 핵산을 붙인 후의 파장의 값을 알고 있으면 핵산 끼리 결합할 때 파장의 변이를 측정하면 된다. 다시 말해서, 바이오 센서를 구성하는 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 소정의 물질을 검출(또는 감지)할 수 있다. 항원과 항체는 선택성이 있으므로 다양한 종류이 항체를 붙인 후 각각의 항체와 결합할 때의 파장의 변이를 측정하면 항원이 결합했는지 여부를 확인할 수 있으므로 질병 등을 정확하게 진단할 수 있다. 핵산의 경우는 인공적으로 합성한 특정 세균 혹은 바이러스의 고유 서열의 핵산을 붙인 후 레이저 발진 파장을 측정하고 이 후 바이러스 혹은 세균의 핵산이 상기 인공적으로 합성한 복수개의 핵산에서 어느 특정한 핵산에 대하여 파장 변이가 생기면 이 때의 핵산이 바이러스 혹은 세균이 존재하는 것이므로 이러한 파장 변이 등을 이용하여 질병을 진단할 수 있다.If you know the value of the wavelength after attaching the antibody, you can measure the wavelength variation when the antigen binds to the antibody. If the value of the wavelength after attaching the nucleic acid is known, the variation of the wavelength can be measured when the nucleic acids are bound to each other. In other words, a predetermined substance can be detected (or detected) by measuring a change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disk constituting the biosensor. Since the antigen and the antibody are selective, it is possible to accurately diagnose disease or the like by checking whether or not the antigen is bound by measuring the variation of the wavelength when binding to various antibodies after attaching various kinds of antibodies. In the case of a nucleic acid, a nucleic acid having a unique sequence of a specific bacterium or virus that has been artificially synthesized is attached, and the laser oscillation wavelength is measured. Then, the nucleic acid of a virus or a bacterium is subjected to wavelength mutation for a specific nucleic acid in a plurality of artificially synthesized nucleic acids. The nucleic acid at this time is a virus or a bacterium. Therefore, the disease can be diagnosed by using such a wavelength variation.
다시 말해서, 단일 방향 발진 고품위값 마이크로 디스크 레이저의 측면에 바이오 분자가 부착할 수 있도록 마이크로 디스크 공진기의 표면을 화학 처리를 통하여 항원 혹은 핵산 바이오 분자를 도포하고, 검출 대상인 미지의 바이오 분자가 상기 항원 혹은 핵산 바이오 분자와 결합 시 일어나는 파장의 변이를 측정하여 미지의 바이오 분자의 존재를 검출할 수 있다. In other words, the surface of the micro disk resonator is chemically treated with an antigen or a nucleic acid biomolecule so that the biomolecules can adhere to the side surface of the unidirectionally oscillating high-quality value microdisk laser, and the unknown biomolecule, The presence of an unknown biomolecule can be detected by measuring the variation of the wavelength occurring upon binding with the nucleic acid biomolecule.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크 측면을 산화물인 SiO2, GaN 등으로 코팅 처리한 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 항체를 부착시킨 상태를 나타내는 도면이며, 도 3은 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 인공적 핵산을 부착시킨 상태를 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 마이크로 디스크 측면에 부착된 항체에 항원이 결합하는 항원-항체 반응을 나타낸 도면이고, 도 5는 마이크로 디스크 측면에 부착된 인공적 핵산에 바이러스 혹은 세균의 핵산 등이 결합하는 반응을 나타낸 도면이며, 도 6은 마이크로 디스크로 구성된 공진기 레이저를 포함하는 바이오 센서에 마이크로 플루이딕을 통해 바이오 물질을 통과시키는 도식도이다. 도 7은 항원-항체 반응과 핵산 간 반응을 동시에 측정하여 질병 등을 진단하기 위한 방법을 나타내는 모식도이다.FIG. 1 is a view showing a state in which a side surface of a micro disk according to an embodiment of the present invention is coated with oxides such as SiO 2 and GaN. FIG. 2 is a cross- FIG. 3 is a view showing a state in which an artificial nucleic acid is attached to a side surface of a microdisk after chemically treating the side surface of the microdisk. FIG. FIG. 4 is a view showing an antigen-antibody reaction in which an antigen binds to an antibody attached to a side surface of a micro disk, and FIG. 5 is a graph showing the reaction of a virus or a bacterial nucleic acid with an artificial nucleic acid attached to a side surface of the micro disk And FIG. 6 is a schematic diagram for passing a biomaterial through a microfluidic device to a biosensor including a resonator laser formed of a micro disk. FIG. 7 is a schematic diagram showing a method for diagnosing disease or the like by simultaneously measuring an antigen-antibody reaction and a nucleic acid reaction. FIG.
본 발명의 일 실시예로써, 고품위값 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서가 제공될 수 있다. 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서에서, 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고, 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 측면에 유전 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 다시 말해서, 마이크로 디스크는 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작될 수 있다. 마이크로 디스크의 경계면 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 104 이상의 높은 품위값을 가질 수 있다.As one embodiment of the present invention, a biosensor using a high-quality value micro disk can be provided. In the biosensor using a micro disk in which the mode of the whispering gallery type is high-quality, the mode of the whispering gallery mode of the micro disk is a single direction in which the intensity of the oscillation in one direction is stronger than the oscillation intensity in the other direction The microdisks may be fabricated using semiconductors, solid media, or polymers, and the microdisks may be coated with dielectric materials on the sides to enable chemical bonding with viruses, bacterial antibodies, or nucleic acids. In other words, the microdisks can be fabricated using semiconductors, solid media or polymers. The whispering gallery mode, which is bound to the edge of the interface of the microdisk, can have a high quality value of 10 4 or more.
또한, 마이크로 디스크는 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드에서 고 품위값(Quality factor)을 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있고, 마이크로 디스크의 측면에 유전물질(ex. 산화물 또는 질화물 등) 코팅층이 형성될 수 있도록 함으로써, 마이크로 디스크에 항체 또는 제조된 핵산을 부착할 수 있다. 또한 마이크로디스크 레이저의 코팅층에 부착된 항체 혹은 제조된 핵산에 의해 특정물질(ex. 바이러스, 세균의 항원 또는 핵산 등)이 선택적으로 결합하게 할 수 있다. 마이크로 디스크에서의 고품위값 휘스퍼링 갤러리 모드에 의해 저농도의 시료에서도 특정물질을 정밀하게 검출할 수 있다. 또한, 바이오 센서는 특정물질이 마이크로 디스크의 코팅면에 화학적으로 결합된 항체 혹은 핵산과 소정의 바이오 물질이 결합함에 따라 발생되는 파장의 미소한 변화를 측정하여, 특정물질의 종류 및 농도를 정밀하게 측정할 수 있다.In addition, the microdisk has a high quality factor in the whispering gallery mode bound to the edge, can oscillate the whispering gallery mode in a single direction, and has a dielectric material (e.g., oxide or nitride Etc.) coating layer can be formed, it is possible to attach the antibody or the prepared nucleic acid to the microdisks. In addition, an antibody attached to a coating layer of a microdisk laser or a nucleic acid can selectively bind specific substances (eg, viruses, bacterial antigens or nucleic acids). High-quality value whirling in a microdisk The gallery mode allows precise detection of specific substances even in low-concentration samples. In addition, the biosensor measures microscopic changes in the wavelengths generated by binding of an antibody or nucleic acid chemically bound to a coating surface of a microdisk with a predetermined biomaterial, Can be measured.
마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다. 주기 4 미만의 안정 궤도 및 주기 4 미만의 불안정 궤도의 경우, 휘스퍼링 갤러리 모드 현상이 없어지므로, 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.The whispering gallery mode constrained along the periodic trajectory adjacent to the side of the microdisks may include a resonance mode in the form of whispering gallery mode that is constrained along a stable orbit of period 4 or above an unstable orbit of period 4 or more. The whispering gallery mode, which is constrained along the periodic orbit adjacent to the side surface of the microdisks, can be classified into the stable orbit or cycle of period 4 or more, since the whispering gallery mode phenomenon disappears in the case of the stable orbit less than the period 4 and the unstable orbit less than the period 4. [ It may be desirable to include a resonance mode in the form of a whispering gallery mode constrained along an unstable orbit of four or more.
유전 물질은 산화물(예컨대, SiO2 등) 또는 질화물(예컨대, GaN, SiN 등) 일 수 있고, 유전 물질이 코팅된 측면에서의 화학 반응을 통하여 마이크로 디스크에 항체 또는 핵산이 부착될 수 있다. 예를 들어, 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물일 수 있다.Dielectric material may be an oxide (e.g., SiO 2 Etc.) or nitride (e.g., GaN, SiN, etc.), and the antibody or nucleic acid may be attached to the microdisks through a chemical reaction on the coated side of the dielectric material. For example, the oxide may be at least one selected from the group consisting of TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 , and the nitride is an oxide selected from the group consisting of Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN, and SiN.
또한, 마이크로 디스크에서 항원-항체 반응을 통하여 항체에 대한 소정의 항원이 결합 가능하고, 항체에 결합된 항원에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 항원의 결합 여부가 감지될 수 있다. In addition, a predetermined antigen can be bound to an antibody through an antigen-antibody reaction in the micro disk, and a binding of a predetermined antigen is detected according to a change in the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody .
마이크로 디스크에서 핵산 간 반응을 통하여 소정의 핵산이 결합 가능하고, 결합된 핵산에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 핵산의 결합 여부가 감지될 수 있다. A predetermined nucleic acid can be bound through a nucleic acid reaction in a micro disk and the binding of a predetermined nucleic acid can be detected according to a change in the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acid.
이러한 마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다. The change in the wavelength value oscillated through the microdisk can be measured by optical beating with a wavelength oscillating from another microdisk or a laser oscillating from another high-quality laser.
바이오 센서의 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키고, 바이오 센서에는 이러한 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저가 포함될 수 있다. A microdisk of a biosensor has an excitation device to oscillate a mode of a whispering gallery type having directionality, and a biosensor may include a microdisk laser using such a microdisk.
또한, 마이크로 디스크 레이저는 반도체, 고체 매질, 또는 폴리머에 색소를 첨가한 색소 레이저를 이용할 수 있다. The micro disk lasers can use a semiconductor, a solid medium, or a dye laser added with a dye to a polymer.
마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 여기될 수 있다. In a Birkhoff coordinate system in which the propagation of light is confused within the resonator, the micro disk lasers can be excited with light or current in a region where the incident angle of the resonator boundary surface is larger than the critical angle.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항원인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다.A plurality of microdisks may be included in the biosensor, different antibodies may be attached to the plurality of microdisks, and a plurality of microdisks may be provided on the microdisks, Material can be detected.
또한, 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. In addition, a plurality of microdisks may be included in the biosensor, different nucleic acids may be attached to the plurality of microdisks, and based on the degree of mutation of the wavelengths during the nucleic acid reactions in the respective microdisks, A predetermined biomaterial can be detected.
소정의 바이오 물질은 각각 상이한 항체와 소정의 바이오 물질 간의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출될 수 있다. A predetermined biomaterial can be detected by using a lookup table indicating the degree of the variation of the wavelength depending on the reaction between the different antibody and the predetermined biomaterial.
또한, 각각의 마이크로 디스크에 부착된 각각의 상이한 핵산에 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 부착되는 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다.In addition, a lookup table showing the degree of variation of the wavelength depending on the degree to which a predetermined bio-material as a detection target nucleic acid is attached to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined bio-material .
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착되어 있으며 항원-항체 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지되며, 항원의 결합 여부 및 핵산의 결합 여부가 동시에 감지될 수 있다. A plurality of microdisks may be included in the biosensor. Antibodies are attached to a part of the plurality of microdisks, and nucleic acids are attached to the remainder. Antigens may be attached to the antibodies according to changes in wavelengths in the microdisks due to antigen- It is detected whether or not the target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the microdisk due to the reaction between the nucleic acid and the binding of the antigen and the binding of the nucleic acid can be simultaneously detected .
또한, 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고, 이러한 데이터는 함수 또는 그래프 형태일 수 있다.Based on predetermined data on the degree of mutation of the wavelength due to the antigen-antibody reaction with the antibody attached to the microdisk or the degree of the mutation of the wavelength due to the nucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the microdisks, May be detected, and such data may be in the form of a function or graph.
마이크로 디스크는 혼돈 공진기에서 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 높은 품위값을 가지는 마이크로 디스크일 수 있다. 이러한 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하는 마이크로 디스크일 수 있다. The microdisk may be a microdisk having a high quality value in a mode of a whispering gallery type in a chaotic resonator. Such a microdisk may be a microdisk in which the mode of the whispering gallery mode oscillates with a stronger unidirectional intensity than that of the other direction.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 빛의 입사각에 sine 함수를 취한 값이 0.6 보다 큰 경계면에 속박된 형태의 모드일 수 있다. The mode of the whispering gallery mode may be a mode in which the value obtained by taking the sine function of the incidence angle of light in the Birkhoff coordinate system in which the progress of the light is confused in the micro disk resonator is confined to an interface greater than 0.6.
또한, 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 임계 불안정 궤도(mariginally unstable periodic orbit)에 속박된 모드일 수 있다. The mode of the whispering gallery mode is a mode in which the incidence angle of the boundary surface of the resonator in a Birkhoff coordinate system in which light propagation is confused in a micro disk resonator is bound to a mariginally unstable periodic orbit Lt; / RTI > mode.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 안정 궤도에 속박된 모드이거나, 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 불안정 궤도에 속박된 모드일 수 있다.The mode of the whispering gallery mode is a mode bounded to a stable orbit where the incident angle of the boundary surface of the resonator is greater than a critical angle in a Birkhoff coordinate system in which the progress of light propagates in the inside of the micro disk resonator, May be a mode bounded by unstable orbits where the angle of incidence of the resonator in the Birkhoff coordinate system is larger than the critical angle.
본 발명의 일 실시예로써, 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한쪽 방향으로 강하게 발진하는 마이크로 디스크 레이저를 이용한 바이오 센서가 제공될 수 있다. 이러한 마이크로 디스크 레이저는 변형된 원형, 4개의 원호로 이루어진 형상, 3개의 원과 하나의 직선으로 이루어진 형상, 달걀형 등의 타원 형상, 심장형과 원호가 결합된 형상 등 적분 불가능한 형상을 가질 수 있다. 상기 적분 불가능한 형상은 2차원에서 헬름홀츠(Helmholtz) 식을 변수 분리하여 해석적으로 내부의 파동 함수를 구할 수 없는 형상을 의미한다. 마이크로 디스크 레이저들을 바이오 센서로 사용하기 위하여 마이크로 디스크의 측면에 GaN, 혹은 SiN, 혹은 SiO2 등으로 먼저 코팅을 하고 코팅 면에 화학적 처리를 통하여 항체 혹은 핵산을 부착시킬 수 있다. 이 때 항체 혹은 핵산을 부착시키는 방법은 이미 잘 알려진 방법이 이용될 수 있다. 이러한 부착이 일어날 때 마다 마이크로 디스크의 굴절율에 조그만 변화가 생겨 파장의 변이가 생기는데, 이러한 파장의 변이를 측정하면 얼마나 많은 항체 혹은 핵산에 바이러스 혹은 세균의 항원 혹은 바이러스 혹은 세균의 핵산이 결합되었는지를 추정할 수 있고, 공간 상에서의 바이러스 혹은 세균의 양을 추정할 수 있다. 바이러스 혹은 세균의 항원이나 혹은 핵산을 마이크로 디스크 공진기 레이저에 흘려 보내주면 항원은 항체와 반응하고 핵산은 핵산과 반응하여 결합될 때 마다 또 다른 파장의 변이가 생긴다. 그러므로, 항체 혹은 인공적 핵산을 마이크로 디스크에 부착한 다음 각각의 공진기 레이저의 파장을 측정한 후, 바이러스 혹은 세균의 항원이나 혹은 핵산이 각각 항체와 결합하거나 혹은 핵산과 결합할 때 파장의 변이가 발생하는데 이러한 파장의 변이를 측정하면 특정(예컨대, 검출 대상) 바이러스 혹은 세균을 감별할 수 있다. 이 때 항원-항체 반응은 선택적으로 일어나며, 핵산 간 반응에서는 동일 핵산일 때 결합 등이 일어나므로 어느 레이저에서 파장의 변이가 생겼는지를 파악함으로서 특정 질병을 진단할 수 있다. 이를 위하여 극고품위값 마이크로 디스크 레이저의 제작 시, 마이크로 디스크를 식각한 후 페시베이션을 통하여 SiO2, GaN 또는 SiN 등을 표면에 코팅 처리한다. 이러한 코팅은 레이저에 전류 주입 시, 누설 전류도 막을 뿐만 아니라 화학 처리 후 항체 혹은 인공적 핵산의 부착을 위하여 다양한 유전체 코팅이 필요하다.As one embodiment of the present invention, a biosensor using a micro disk laser in which a mode of a whispering gallery type of high quality value oscillates strongly in one direction can be provided. Such a microdisk laser can have an irreversible shape such as a deformed circular shape, a shape composed of four arcs, a shape made up of three circles and one straight line, an elliptical shape such as an egg shape, and a shape in which a heart shape and an arc are combined. The non-integrable shape means a shape in which the inner wave function can not be obtained analytically by separating the Helmholtz equation in two dimensions. In order to use microdisk lasers as biosensors, it is possible to first coat the sides of the microdisks with GaN, SiN, or SiO 2 , and attach the antibody or nucleic acid to the coated surface by chemical treatment. At this time, a well-known method can be used for attaching the antibody or the nucleic acid. Whenever such attachment occurs, a small change in the refractive index of the microdisks results in wavelength variations. By measuring the variation of such wavelengths, it is possible to estimate how many antibodies or nucleic acids are bound to the viral or bacterial antigens or viruses or bacterial nucleic acids And can estimate the amount of virus or bacteria in the space. When an antigen or a nucleic acid of a virus or a bacterium is poured into a microdisk resonator laser, the antigen reacts with the antibody. When the nucleic acid reacts with the nucleic acid, another wavelength variation occurs. Therefore, after attaching an antibody or an artificial nucleic acid to a micro disk, the wavelength of each resonator laser is measured, and a wavelength shift occurs when a virus or a bacterial antigen or a nucleic acid binds to an antibody or binds to a nucleic acid respectively By measuring the variation of such a wavelength, it is possible to discriminate a specific (for example, a detection target) virus or bacteria. In this case, the antigen-antibody reaction occurs selectively, and in the nucleic acid reaction, binding occurs when the nucleic acid is the same nucleic acid, so that it is possible to diagnose a specific disease by identifying the wavelength variation of the laser. Through this, after etching the pole high-quality value of the micro-disk lasers during manufacturing, the micro disk passivation coating in order to process the SiO 2, SiN or the like on the GaN surface. Such coatings require various dielectric coatings to prevent leakage currents when injecting current into the laser, as well as to attach antibodies or artificial nucleic acids after chemical treatment.
또한, 항체 혹은 핵산의 마이크로 디스크 공진기로의 부착은 통상의 화학적 지식을 가진 사람이라면 쉽사리 항체 혹은 인공적 핵산의 부착이 가능할 것이다.In addition, attachment of an antibody or nucleic acid to a micro disk resonator can be easily performed by attaching an antibody or an artificial nucleic acid to a person having ordinary chemical knowledge.
휘스퍼링 갤러리 모드가 단일방향으로 발진하는 극고품위값 마이크로 디스크 공진기 레이저의 측면을 유전체로 코팅한 다음, 화학 반응을 통하여 항체 혹은 핵산을 부착시킬 수 있다. 이 후 항원-항체 반응을 통하여 질병을 진단하고자 할 때 복수개의 마이크로 디스크 레이저들에 각각의 질병들에 해당하는 항체들을 각각의 마이크로디스크 레이저의 측면에 부착시킨 다음 상기 마이크로 디스크 레이저들을 마이크로 플루이딕 채널에 넣고, 바이러스 혹은 세균을 처리한 후 마이크로 플루이딕을 통하여 흘려 보내주면서 항원-항체 반응을 일으킨다. 이 때 마이크로 플루이딕에 항원이 없을 때의 파장을 측정한 후 항원-항체 반응이 일어날 때 발생하는 파장의 변이를 측정한다. 이러한 측정은 모든 마이크로 디스크 레이저에서 측정하며, 항원-항체 반응이 없는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생하지 않지만, 항원-항체 반응이 일어나는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생될 수 있다. 다시 말해서, 항원-항체 반응이 일어나서 발생하는 파장의 변이를 측정함으로써 특정의 예컨대, 검출 대상 질병을 진단(감지)할 수 있다.Ultrathin high-quality microdisk resonator laser with whispering gallery mode oscillating in a single direction The side of the laser can be coated with a dielectric and then attached to the antibody or nucleic acid through a chemical reaction. In order to diagnose the disease through the antigen-antibody reaction, the microdisk lasers are attached to the side of each microdisk laser with antibodies corresponding to each disease, and then the microdisk lasers are immersed in microfluidic channels , And the antigen-antibody reaction is caused while the virus or bacteria are treated and then flowed through the microfluidic. At this time, the wavelength when the antigen is absent in the microfluidic is measured, and then the variation of the wavelength occurring when the antigen-antibody reaction occurs is measured. These measurements are performed on all microdisk lasers. Microdisk lasers without an antigen-antibody reaction do not cause wavelength variation, but microdisk lasers with antigen-antibody reactions can cause wavelength variations. In other words, it is possible to diagnose (detect) a specific disease, for example, a detection target disease by measuring the variation of the wavelength caused by the occurrence of the antigen-antibody reaction.
핵산 반응을 통하여 질병을 진단하고자 할 때는 복수개의 마이크로 디스크 레이저들에 각각의 바이러스 혹은 세균의 고유 핵산 염기서열에 따라 핵산들을 인공적으로 만든 핵산들을 각각의 마이크로 디스크 레이저 측면에 부착시킨 다음 상기 마이크로 디스크 레이저들을 마이크로 플루이딕 채널에 넣고, 바이러스 혹은 세균을 처리하여 핵산들이 추출된 용매를 마이크로 플루이딕에 흘려 보내주며 핵산 반응을 일으킬 수 있다. 핵산은 고유의 염기서열이 상보적인 핵산들 간 반응하여 서로 결합하기 때문에 해당 핵산들에서만 파장의 변이가 발생될 수 있다. 다시 말해서, 핵산의 염기는 서로 상응하는 염기(예컨대, A는 T, G는 C)와 수소 결합을 형성하기 때문에 상보적인 핵산 서열만 반응하여 결합하게 되고, 이에 따라 결합된 핵산들에서만 파장의 변이가 발생한다. 이 때 마이크로 플루이딕에 핵산이 추출되지 않은 용매를 흘려주며 파장을 측정한 후 핵산 반응이 일어날 때 발생하는 파장의 변이를 측정한다. 이러한 측정은 모든 마이크로 디스크 레이저에서 측정하며, 핵산 반응이 없는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생하지 않지만 핵산 반응이 일어나는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생할 수 있다. 다시 말해서, 핵산 반응이 일어나서 발생하는 파장의 변이를 측정함으로써 특정의 예컨대, 검출 대상 질병을 진단(감지)할 수 있다. In order to diagnose a disease through a nucleic acid reaction, nucleic acids, which artificially form nucleic acids according to the respective nucleic acid sequences of viruses or bacteria, are attached to a plurality of microdisk lasers on the sides of respective microdisk lasers, Are put into microfluidic channels, and the viruses or bacteria are treated to flow the extracted nucleic acids into the microfluidic and cause nucleic acid reactions. Nucleic acid reacts with complementary nucleotides and binds to each other, so that wavelength shifts can occur only in the corresponding nucleic acids. In other words, since the base of the nucleic acid forms a hydrogen bond with a corresponding base (for example, A is T and G is C), only the complementary nucleic acid sequence is allowed to react and bind, Lt; / RTI > At this time, a solvent in which nucleic acid is not extracted is flowed into microfluidic, and the wavelength is measured, and the wavelength variation occurring when the nucleic acid reaction occurs is measured. These measurements are performed by all microdisks. Microdisk lasers without nucleic acid reactions do not cause wavelength variation, but microdisk lasers that cause nucleic acid reactions can cause wavelength variations. In other words, it is possible to diagnose (detect) a specific, for example, a detection target disease by measuring the variation of the wavelength caused by the nucleic acid reaction.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법과 관련하여서는 전술한 장치(예컨대, 바이오 센서)에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 바이오 센서를 이용한 바이오 물질의 검출 방법과 관련하여, 전술한 장치에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.With respect to the method according to an embodiment of the present invention, the contents of the above-described apparatus (for example, a biosensor) can be applied. Therefore, the description of the same contents as those of the above-described apparatus is omitted for the method of detecting a biomaterial using the biosensor.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. One embodiment of the present invention may also be embodied in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as program modules, being executed by a computer. Computer readable media includes both non-volatile media, removable and non-removable media, which can be accessed by a computer. In addition, the computer readable medium may include both computer storage media. Computer storage media includes both non-volatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
Claims (13)
상기 마이크로 디스크는 상기 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고,
상기 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 측면에 유전 물질이 코팅되어 있으며,
상기 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 상기 단일 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키는 상기 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저를 포함하고,
상기 마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 상기 마이크로 디스크 레이저를 여기시키는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
A biosensor using a micro disk in which a whispering gallery mode mode has a high quality value,
The mode of the whispering gallery mode oscillates with a single direction whose oscillation intensity in one direction is stronger than oscillation intensity in the other direction and is fabricated using a semiconductor, a solid medium, or a polymer,
The microdisk is coated with a dielectric material on the side thereof so as to be chemically combined with viruses, antibodies or nucleic acids of bacteria,
Wherein the microdisk includes an excitation device and includes a microdisk laser using the microdisks for oscillating a mode in a whispering gallery mode having the unidirectionality,
Wherein the microdisk laser excites the microdisk laser with light or current in a region where the incident angle of the interface of the resonator is greater than a critical angle in a Birkhoff coordinate system in which light propagation is confused within the resonator.
상기 유전 물질은 산화물 혹은 질화물이고,
상기 유전 물질이 코팅된 측면에서의 화학 반응을 통하여 상기 마이크로 디스크에 상기 항체 또는 핵산이 부착되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the dielectric material is an oxide or nitride,
Wherein the antibody or the nucleic acid is attached to the microdisks through a chemical reaction on the side coated with the dielectric material.
상기 마이크로 디스크에서 항원-항체 반응을 통하여 상기 항체에 대한 소정의 항원이 결합 가능하고,
상기 항체에 결합된 항원에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 상기 소정의 항원의 결합 여부가 감지되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
3. The method of claim 2,
Wherein the microdisks are capable of binding a predetermined antigen to the antibody through an antigen-antibody reaction,
Wherein the binding of the predetermined antigen is detected according to a change in the wavelength of the resonance mode in the microdisk by the antigen bound to the antibody.
상기 마이크로 디스크에서 핵산 간 반응을 통하여 소정의 핵산이 결합 가능하고,
상기 결합된 핵산에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 상기 소정의 핵산의 결합 여부가 감지되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
3. The method of claim 2,
A predetermined nucleic acid can be coupled through the nucleic acid reaction in the microdisks,
Wherein the binding of the predetermined nucleic acid is detected according to a change in the wavelength of the resonance mode in the microdisk by the combined nucleic acid.
상기 마이크로 디스크 레이저는 반도체, 고체 매질, 또는 폴리머에 색소를 첨가한 색소 레이저로서 형성되는 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the microdisk laser is formed as a dye laser in which a dye is added to a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
상기 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고,
상기 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항원인 소정의 바이오 물질이 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
The method of claim 3,
The biosensor may include a plurality of microdisks,
Wherein each of the plurality of microdisks is attached with a different antibody and a predetermined biomaterial that is an antigen is detected on the basis of the degree of the wavelength variation at the time of the antigen-antibody reaction in each micro disk.
상기 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고,
상기 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
5. The method of claim 4,
The biosensor may include a plurality of microdisks,
Wherein each of the plurality of microdisks has a different nucleic acid attached thereto and a predetermined biomaterial that is a target nucleic acid is detected on the basis of a degree of a variation in wavelength at the time of a reaction between nucleic acids in each micro disk. .
상기 소정의 바이오 물질은 상기 각각 상이한 항체와 상기 소정의 바이오 물질 간의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
9. The method of claim 8,
Wherein the predetermined biomaterial is detected by using a lookup table showing the degree of the variation of the wavelength depending on the reaction between the different antibody and the predetermined biomaterial.
상기 소정의 바이오 물질은 상기 각각 상이한 핵산에 상기 검출 대상 핵산이 부착된 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
10. The method of claim 9,
Wherein the predetermined biomolecule is detected by using a lookup table showing the degree of the variation of the wavelength depending on the degree to which the nucleic acid to be detected is attached to each of the different nucleic acids.
상기 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고,
상기 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착되어 있으며 항원-항체 반응에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 상기 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 상기 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지되며,
상기 항원의 결합 여부 및 상기 핵산의 결합 여부가 동시에 감지되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
The method according to claim 1,
The biosensor may include a plurality of microdisks,
An antibody is attached to a part of the plurality of microdisks and a nucleic acid is attached to the remainder of the microdisks. Whether or not the antigen binds to the antibody is detected according to a change in wavelength in the microdisk due to an antigen- It is detected whether or not the nucleic acid to be detected is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the micro disk by the reaction between the acid,
Wherein the binding of the antigen and the binding of the nucleic acid are simultaneously detected.
상기 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 상기 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고,
상기 데이터는 함수 또는 그래프 형태인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
The method according to claim 1,
Based on predetermined data on the degree of mutation of the wavelength due to the antigen-antibody reaction with the antibody attached to the microdisks or the degree of the mutation of the wavelength due to the reaction between the nucleic acid with the nucleic acid attached to the microdisks, Can be detected,
Wherein the data is in the form of a function or a graph.
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