KR102245891B1 - 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102245891B1
KR102245891B1 KR1020190100863A KR20190100863A KR102245891B1 KR 102245891 B1 KR102245891 B1 KR 102245891B1 KR 1020190100863 A KR1020190100863 A KR 1020190100863A KR 20190100863 A KR20190100863 A KR 20190100863A KR 102245891 B1 KR102245891 B1 KR 102245891B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optically active
silicon nitride
silicon
resonator
active resonator
Prior art date
Application number
KR1020190100863A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210021679A (ko
Inventor
이한석
김예슬
Original Assignee
한국과학기술원
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 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190100863A priority Critical patent/KR102245891B1/ko
Publication of KR20210021679A publication Critical patent/KR20210021679A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102245891B1 publication Critical patent/KR102245891B1/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
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/7746—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the waveguide coupled to a cavity resonator
    • 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
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium

Abstract

광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기는, 적어도 하나 이상의 실리콘 질화물(silicon nitride) 디스크 플레이트; 및 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트의 내부에 형성되는 실리콘 나노클러스터(silicon nanocluster)를 포함하고, 상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(Photoluminescence, PL)을 방출할 수 있다.

Description

광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법{APPARATUS FOR ON-CHIP LABEL-FREE SENSORS BASED ON THE OPTICALLY ACTIVE RESONATORS INTEGRATED WITH MICROFLUIDIC CHANNELS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
아래의 실시예들은 광 공진기 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
WGM(Whispering Gallery Mode) 공진기에 기초한 센서는 지난 10년 동안 생물/화학 분자의 라벨이 없는 검출에 대해 널리 연구되어 왔다. 여기서, WGM(Whispering Gallery Mode)은 구 혹은 디스크와 같이 매끄러운 모서리를 가진 공진기 내부에 연속적인 내부 전반사로 인해 가두어진 특정 공진모드를 말한다. 이 센서에서 검출 이벤트는 특정 분자가 표면에 결합될 때 공진기에서 순환하는 광자의 광 경로의 길이가 증가하며 발생하는 WGM 공진 주파수 변동에 의해 관찰된다. 이 기술은 고품질 인자와 공진기의 스몰 모드 볼륨으로 정밀하게 해결할 수 있는 특정한 생체분자 상호작용의 실시간 측정에 기초한 분자 역학 분석의 큰 잠재력을 입증하였다. 더구나 검출의 핵심 부분인 공진기가 마이크로 사이즈이기 때문에 칩의 소형화된 감지 디바이스에서 구현될 가능성이 있다. 이러한 WGM 기반 센서의 장점에도 불구하고, WGM 기반 센서 실험의 대부분은 학문적 연구에 한정되어 있으며, 실험실 외부의 실재적 영향은 현재까지 미미하다.
실용적 WGM 센서 디바이스의 개발을 방해하는 근본적인 제한은 주로 도파관이 위상 일치 조건을 만족시키기 위해 적절한 물리적 치수를 가져야 하는 이버네센트(evanescent) 커플링에 기반한 라이트(light) 커플링 방식에서 비롯된다. 적절한 연결 효율을 위해 도파관과 나노스케일 공진기의 간격을 조절할 수 있는 정밀한 방법이 필요하다. 또한 커플링에 가장 일반적으로 사용되는 도파관인 테이퍼(tapered) 광섬유는 기계적으로 불안정하며 미세유체 채널과 결합하기 어렵다. 반면에, 공진기 칩에 획일적으로 구현된 버스 도파관은 상당히 견고하지만, 간극을 제어하기 위해 상당한 미세제조 정밀도와 end-fire 커플링과 같이 도파관 끝단에 적절한 광 결합을 구현하기 위한 추가 노력이 필요하다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 광학적으로 능동적인 공진기에 기초한 WGM 센서의 개념이 유망한 대안으로 부상했다. 이 접근방식에서 광학 활성 공진기 상단에서 노출된 펌프 조명은 공진 모드와 함께 방출 스펙트럼 피크를 유도하고 이는 자유 공간 광학계를 통해 분광계에 의해 감지된다. 광 디바이스를 작동시키기 위한 직접적인 물리적 접촉이 필요 없기 때문에, 센서 시스템은 실용적인 형태로 상당히 단순화될 수 있다. 특정 분자의 검출은 이 접근법에 근거하여 퓨전 채널과 통합된 칩에서 최근에 입증되었는데, 활성 공진기에 레이저 염료를 도핑한 폴리머 마이크로캐비티(microcavitiy)가 사용되었다. 그러나 공진기는 고출력 펄스 레이저(86nJ/펄스)로 펌핑이 필요하며, 그 민감도는 WGM 공진기 센서에 일반적으로 예상되는 일반적인 민감도보다 낮게 유지된다. 광학적으로 활성 WGM 기반 공진기에 대한 또 다른 접근방식으로 실리콘 나노클러스터가 활성 화합물 역할을 하는 SRSN (Silicon-Rich Silicon Nitride) 마이크로캐비티가 제안되었다. 공기 중에서의 분자의 검출은 이 마이크로캐비티를 바탕으로 증명되었지만, 미세유체 채널과 통합된 실제 센서 플랫폼과 이를 기반으로 한 실시간 특정 분자 검출은 아직 입증되지 않았다.
Eugene Kim, Martin D Baaske, and Frank Vollmer. Towards next-generation label-free biosensors: recent advances in whispering gallery mode sensors. Lab on a Chip, 17(7):1190-1205, 2017
실시예들은 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 나노 슬롯 구조를 가진 광학적으로 활성 SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 공진기를 기반으로 미세유체 채널과 통합된 라벨이 없는 WGM(Whispering Gallery Mode) 센서를 제공하는 기술을 제공한다.
광학활성 공진기는 빛을 내부로 주입하거나 빼내기 위한 광학 부품의 물리적인 접촉 없이 원거리 조작이 가능하여 실제 응용을 위해 필수적인 추가 소자들과의 단일 칩 결합이 가능하다. 뿐만 아니라 공진기 상부에 LED 빛의 조사 만으로 여기 가능하기 때문에, 가격 면에서의 이점뿐 만 아니라 구동 시스템이 매우 간단하게 구현될 수 있으며 숙련된 기술자가 아니어도 누구나 손쉽게 사용 가능하다.
일 실시예에 따른 광학 활성 공진기는, 적어도 하나 이상의 실리콘 질화물(silicon nitride) 디스크 플레이트; 및 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트의 내부에 형성되는 실리콘 나노클러스터(silicon nanocluster)를 포함하고, 상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(Photoluminescence, PL)을 방출할 수 있다.
상기 실리콘 나노클러스터는, SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 물질을 반도체 공정을 통해 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트에 증착한 뒤, 가열하여 형성될 수 있다.
복수개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 서로 소정간격 이격되게 배치되어 형성되는 나노 슬롯을 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트는, 두 개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 나노스케일 거리에 평행하게 배치되어 상기 나노 슬롯을 형성할 수 있다.
상기 나노 슬롯은, 광학 활성 공진기 내부의 공진모드를 집속시킬 수 있다.
상기 나노 슬롯은, 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트보다 굴절률이 낮은 감지하고자 하는 물질을 포함한 매체로 채워져 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 레이저 광원의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출할 수 있다.
상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 단일 LED의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출할 수 있다.
상기 광학 활성 공진기는, 미세유체 채널(microfluidic channel)과 결합하여 라벨이 없는 온-칩 센서를 제공할 수 있다.
다른 실시예에 따른 광학 활성 공진기 제조 방법은, 복수개의 실리콘 질화물(silicon nitride) 디스크 플레이트의 내부에 실리콘 나노클러스터(silicon nanocluster)를 형성하는 단계; 및 복수개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 서로 소정간격 이격되게 배치되어 나노 슬롯을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(Photoluminescence, PL)을 방출할 수 있다.
상기 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트의 내부에 실리콘 나노클러스터를 형성하는 단계는, SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 물질을 반도체 공정을 통해 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트에 증착한 뒤, 가열하여 형성할 수 있다.
상기 나노 슬롯은, 광학 활성 공진기 내부의 공진모드를 집속시킬 수 있다.
상기 나노 슬롯은, 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트보다 굴절률이 낮은 감지하고자 하는 물질을 포함한 매체로 채워져 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 단일 LED의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출할 수 있다.
상기 광학 활성 공진기가 미세유체 채널(microfluidic channel)과 결합하여 라벨이 없는 온-칩 센서를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면 나노 슬롯 구조를 가진 광학적으로 활성 SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 공진기를 기반으로 미세유체 채널과 통합된 라벨이 없는 WGM(Whispering Gallery Mode) 센서를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 실리콘 나노 구조에서 발생하는 상당히 효율적인 광 배출을 통해 테이퍼 섬유의 물리적으로 직접적인 접촉이 요구되지 않는 원격으로 펌핑되고 판독되는 측정 체계로 단순화할 수 있다.
실시예들에 따르면 펌프 소스로 LED를 이용하여 WGM를 감지하는 것을 제공함으로써, 셋업의 복잡성과 비용을 현저하게 감소시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법의 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 레이저 펌프 기반 광학 활성 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 LED 펌프 기반 광학 활성 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 분광기를 이용하여 측정된 SRSN WGM 공진기의 TM 모드를 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 일 실시예에 따른 감지하고자 하는 물질이 측정된 공진 파장의 실시간 피크 이동을 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 LED가 있는 상단 펌프 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 LED가 있는 상단 펌프를 이용한 SRSN 공진기의 PL 스펙트럼 및 SRSN 공진기의 공진 주파수를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
광 공진기 기반의 센서는 단순한 구조에 공진기 내에 빛을 오랜 시간 동안 가둬둘 수 있어서, 품질계수(Quality factor)가 높고, 높은 민감도(sensitivity)를 가진다. 결과적으로 센서 성능의 정량적 지표인 검출한계(Limit of Detection)가 낮다는 장점을 가진다. 광 공진기 센서는 빛과 피검출체의 상호작용을 통한 메커니즘으로 검출이 이루어지기 때문에 물리적 혹은 화학적 왜곡을 유발할 수 있는 라벨링(labelling) 없이 검출이 가능하다. 또한, 광 공진기 센서는 물질의 존재여부와 농도 변화를 실시간(real-time)으로 관찰 가능하며 측정 신호가 전자 신호로 변환이 가능하다.
이러한 장점들로 지난 십 년 이상 광 공진기 센서에 관한 연구가 지속되고 있으나, 실험실이라는 제한된 환경 속에서 고가의 레이저 등 복잡한 실험 셋업을 바탕으로 하는 아이디어 검증 수준의 연구에 머물고 있는 것이 현실이며, 임상적 활용 및 상용화와는 여전히 큰 거리를 두고 있다.
한편, 기존 연구의 한계는 앞서 언급한 바와 같이 광 공진기 센서에 대한 활발한 연구로 단일 단백질의 존재여부를 측정할 만큼 고성능의 광소자가 개발되고 기술이 축적되어 왔으나, 기술의 복잡성이 높아 실제 임상적 환경에 사용되기에는 부적합한 기술로 여겨지고 있다. 그 주요 원인으로는 광 공진기의 이버네센트 필드 커플링 시스템(Evanescent field coupling system)을 들 수 있다. 이버네센트 필드 커플링 시스템은 값 비싸고 부피가 큰 파장가변 레이저가 필요하고, 이 레이저의 빛을 공진기 내부로 광 결합하기 위한 광 도파로가 필요하다.
나노 광섬유가 이러한 응용에 가장 흔히 사용되고 있는 광 도파로인데, 이는 piezo stage와 같은 고가의 장비를 바탕으로 수십 나노미터의 위치 조절에 의해서만 광 결합을 이룰 수 있다. 뿐만 아니라, 나노 광섬유 기반 광 결합 시스템은 구조상 미세유체 채널과의 기계적 결합이 어려워 온-칩 장치(디바이스) 구현을 불가능 하게 하는 주된 요인이기도 하다. 이러한 기술은 제한된 실험실 환경에서 숙련된 연구자에 의해서만 구현될 수 있는 복합 기술이며, 때문에 임상적 활용 및 상용화가 불가능하다.
아래의 실시예들은 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 나노 슬롯 구조를 가진 광학적으로 활성 SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 공진기를 기반으로 미세유체 채널과 통합된 라벨이 없는 WGM(Whispering Gallery Mode) 센서를 제공할 수 있다. 실리콘 나노 구조에서 발생하는 상당히 효율적인 광 배출을 통해 테이퍼 섬유와 같이 직접 물리적 접점의 연결기에서 방출되어 원격으로 펌핑되고 판독되는 측정 체계를 단순화할 수 있다. 개발된 센서의 적절한 작동은 이전에 보고된 값에 상당하는 3 x 10-4M-1s-1의 연결율과 380nM의 분리 상수를 보여주는 스트렙타아비딘-비오틴(streptavidin-biotin) 복합체의 분자 결합 역학에 대한 실시간 측정에 의해 제한되었다. 나노-슬롯 구조에서 광과 물질간의 상호작용이 개선됨에 따라 원격 판독이 가능한 WGM 센서로 스트렙타아비딘-비오틴(streptavidin-biotin) 복합체의 실시간 측정으로 민감도가 20배 이상 향상된 0.012nm/nM를 입증할 수 있다. 또한 balanced 검출과 유사한 새로운 검출 방법을 제안하여 단일 측정으로 알려진 농도 기준과 비교함으로써 실질적으로 필요한 정확도로 분석물질 농도를 결정할 수 있다. 게다가, 여기에서는 처음으로 펌프 소스로 발광 다이오드를 이용하여 WGM를 감지하는 것을 제공함으로써, 셋업의 복잡성과 비용을 현저하게 감소시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치의 예를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 1(a)는 12
Figure 112019084487353-pat00001
디스크 공진기의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)의 이미지를 나타내고, 도 1(b)는 도 1(a)의 부분 확대도를 나타내며, 2 개의 개별 디스크와 25nm 슬롯을 나타내고, 도 1(c)는 온칩 센서를 나타내는 도면이다. 이때 제작된 제작된 디스크 공진기는 마이크로 유체 채널과 통합되어 있다.
도 1(a)를 참조하면, 직경이 12
Figure 112019084487353-pat00002
이고 두께가 120nm인 SRSN 디스크 쌍으로 구성된 공진기의 SEM 이미지를 나타낸다. 이러한 디스크는 확대된 SEM 이미지 도 1(b)와 같이 25nm 슬롯에서 병렬로 분리될 수 있다. COMSOL 다중물리학을 이용한 수치분석(numerical analysis)에 의해, 기본모드 총 에너지의 8.6%가 도 1(b)의 물 속 환경 (n=1.33)에서 이 슬롯에 한정되어 있는 것이 확인되어, 슬롯에서 발생한 사건에 대해 선택적으로 민감도를 5배 향상시킨다. 가공된 공진기는 도 1(c)와 같이 높이 270
Figure 112019084487353-pat00003
, 폭 3mm, 길이 8mm의 PDMS(Polydimetylsiloxane) 미세유체 채널에 위치하며, 기존의 소프트 리소그래피 기법으로 준비할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기(200)는 실리콘 질화물(silicon nitride) 디스크 플레이트(210) 및 실리콘 나노클러스터(silicon nanocluster, 220)를 포함하여 이루어질 수 있고, 나노 슬롯(230)을 더 포함할 수 있다.
실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)는 적어도 하나 이상 구성될 수 있으며, 특히 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)가 소정간격 이격된 형태로 배치될 수 있다.
실리콘 나노클러스터(220)는 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)의 내부에 형성될 수 있다. 이러한 실리콘 나노클러스터(220)는 SRSN 물질을 반도체 공정을 통해 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)에 증착한 뒤, 가열하여 형성될 수 있다. 이 때, 실리콘 나노클러스터(220)의 흡수 단면을 통해 상부의 펌프 빔 조사만으로 효율적인 광발광(Photoluminescence, PL)을 방출할 수 있다.
다시 말하면, 광학 활성 공진기(200) 내부에 효율적 능동매질인 실리콘 나노클러스터(220)를 도입할 수 있다. SRSN 물질을 반도체 공정을 통해 증착한 뒤, 고온(ex. 1200℃)에서 가열하면 실리콘 나노클러스터(220)를 형성할 수 있다.
나노 슬롯(230)은 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)가 서로 소정간격 이격되게 겹치도록 배치됨으로써 형성될 수 있다. 예컨대, 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)는 두 개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)가 나노스케일 거리에 평행하게 배치되어 나노 슬롯(230)을 형성할 수 있다. 나노 슬롯(230)은 광학 활성 공진기(200) 내부의 공진모드를 집속시킬 수 있으며, 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210)보다 굴절률이 낮은 감지하고자 하는 물질을 포함한 매체로 채워져 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같이 실리콘 질화물 디스크 플레이트(210) 2개를 겹치고 갭을 두어 갭 안에서 빛과 측정하고자 하는 물질이 상호작용할 수 있으며, 이 때 물리적 접촉 없이 빛을 흡수하고 방출할 수 있다. 물속에서 동작하기 위해 사이즈를 컨트롤하여 동작할 수 있도록 할 수 있으며, 이를 위해 사이즈를 최적화하여 발광하는 공진기의 발광 효율을 더 높일 수 있다.
다시 말하면, 나노미터 스케일의 나노갭(nano-gap)을 광소자 내부에 도입하여 공진기의 공진모드를 나노갭에 집속시킬 수 있다. 공진기 내에 수십미터 나노갭을 형성하여 공진기 내부의 공진모드가 나노갭 내에 집속되도록 제작할 수 있다. 제작된 구조를 기반으로 수치계산(numerical calculation)을 진행한 결과, 강한 빛이 나노갭에 집속되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라 실리콘 나노클러스터(220)의 흡수 단면을 통해 레이저 광원의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출할 수 있다. 더욱이, 레이저 광원뿐만 아니라, 실리콘 나노클러스터(220)의 흡수 단면을 통해 단일 LED의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출할 수 있다.
상술한 바와 같이 제작된 광학 활성 공진기(200)는 미세유체 채널(microfluidic channel)과 쉽게 결합하여 라벨이 없는 온-칩 센서를 제공할 수 있다. 즉, 미세유체 채널과 결합된 온-칩 고감도 광학 활성 공진기(200)를 제공할 수 있다.
제작된 광학 활성 공진기(200)는 미세유체 채널과 쉽게 결합 가능하여, 온-칩 플랫폼으로 개발될 수 있다. 이러한 온-칩 플랫폼은 레이저 광원뿐만 아니라 단일 LED와 같은 저렴한 광원 기반 센서 플랫폼으로도 개발 가능하다.
일반적으로 LED의 강도는 수용성 환경(물속)에서 공진기의 WGM을 여기시키기에 충분하며 PL 방출 스펙트럼의 공진 피크가 발생한다. LED의 발광 영역이 공진기보다 훨씬 크기 때문에 미세유체 칩 상단에 LED 모듈을 배치하기만 하면 정렬에 충분하다. 따라서 펌프 레이저와 레이저 빔의 집중적이고 정밀한 정렬에 필요한 빔 스플리터, 대물 렌즈, CCD와 같은 추가 구성요소가 필요하지 않기 때문에 측정 셋업을 단순화할 수 있다.
이와 같이 광학 활성 공진기 내부에 효율적 능동매질인 실리콘 나노클러스터를 도입함으로써, 디바이스와 광학 부품의 물리적인 접촉이 필요 없으며, 원거리 조작이 가능하다. 이에 따라 원거리 조작이 가능함으로써 미세유체 채널 등 실제 응용을 위해서는 필수적인 추가적인 소자들과의 단일 칩 결합이 가능하다. 그리고 일반적인 레이저는 물론 저렴한 단일 LED를 광원으로 활용하여도 공진기의 여기 및 광발광(Photoluminescence, PL) 측정 가능하다. 여기서, LED 기반 플랫폼은 가격 면에서의 이점뿐만 아니라, 레이저 빛을 마이크로 미터 크기의 칩 상의 소자에 집속하고 얼라인먼트(alignment)하기 위한 렌즈, 광분배기, 현미경 등이 모두 필요 없어진다는 것을 의미한다. 결국, 검출을 위한 구동 시스템이 매우 저가로 간단하게 구현될 수 있다. 따라서 실험실 환경이 아닌 실제 임상실험을 위해서 사용이 가능하며, 숙련된 기술자가 아니어도 누구나 손쉽게 사용이 가능하다.
또한, 나노미터 스케일의 나노갭을 광소자 내부에 도입함으로써 빛을 갭에 집중시킬 수 있다. 피검출체와 강하게 집속된 나노갭 내의 공진모드 기존의 소자에 비해 월등히 높은 검출 감도를 확보할 수 있다. 예컨대, 스트렙타비딘 검출시 0.012nm/nM 의 민감도를 보인다. 이는 이전 광학 활성 공진기 기반 센서에 비해 20배 이상 높은 수준이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기 제조 방법은, 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트의 내부에 실리콘 나노클러스터를 형성하는 단계(310), 및 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 서로 소정간격 이격되게 배치되어 나노 슬롯을 형성하는 단계(320)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 광학 활성 공진기가 미세유체 채널과 결합하여 라벨이 없는 온-칩 센서를 제공하는 단계(330)를 더 포함할 수 있다.
단계(310)에서, 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트의 내부에 실리콘 나노클러스터를 형성할 수 있다. 이 때, SRSN 물질을 반도체 공정을 통해 실리콘 질화물 디스크 플레이트에 증착한 뒤, 가열하여 형성할 수 있다.
단계(320)에서, 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 서로 소정간격 이격되게 배치되어 나노 슬롯을 형성할 수 있다. 나노 슬롯은 광 공진기 내부의 공진모드를 집속시킬 수 있으며, 실리콘 질화물 디스크 플레이트보다 굴절률이 감지하고자 하는 물질을 포함한 매체 로 채워져 있을 수 있다. 이에 따라 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 레이저 광원은 물론이고, 단일 LED의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출할 수 있다.
단계(330)에서, 광학 활성 공진기가 미세유체 채널과 결합하여 라벨이 없는 온-칩 센서를 제공할 수 있다.
한편, 테이퍼 섬유는 위상 일치 이버네센트(evanescent) 커플링에 기반한 WGM 공진기 센서의 신호 판독에 널리 사용되는 구성요소이다. 이들이 유도하는 근본적인 제약을 극복하기 위해 물에 의한 흡수가 낮게 유지되는 700 nm 파장 범위에서 강한 광채광을 발산하는 실리콘 나노클러스터가 삽입된 실리콘 질화물 공진기에 추가하여 활성 WGM 공진기를 제공할 수 있다. 이는 실리콘 나노클러스터의 매우 큰 흡수 단면을 통해 캐비티 모드를 통해서가 아니라, 심지어 직접 상단 조명 방식을 통해서도 펌프 조명의 효율적인 흡수를 가능하게 한다.
이것은 테이퍼 섬유 대신 단순한 자유 공간 광학 디바이스에 의해 퓨전 채널의 투명한 벽을 통해 공진기 상단에 빛을 방출할 수 있다. 또한, 공진기 기하학에는 실리콘 질화물 디스크 플레이트 두 조각을 나노 스케일 거리에 평행하게 배치하여 나노 슬롯 구조가 도입될 수 있다. 이 실험에서 이 슬롯은 실리콘 질화물(n = 2) 디스크 플레이트보다 굴절률(n = 1:33)이 낮은 감지하고자 하는 물질을 포함한 매체로 채워져 있다. 인터페이스에서 전기 변위 필드의 연속성 요건으로 인해, 나노미터 크기 차원에서 이 큰 굴절 지수 대비는 그 안에서 필드 강도의 강한 구속을 초래하며, 이는 앞에서 설명한 것처럼 광물질 상호작용과 그에 따른 민감도를 향상시킬 수 있다.
실제 디바이스의 제조 공정은 실리콘 기판에 실리콘 농도가 질소 가스에 의해 제어되는 이온 빔 스퍼터링에 의한 실리콘 기질에 SRSN 필름이 증착되는 것으로 시작할 수 있다. 과잉 실리콘은 아르곤 환경에서 수행되는 후처리 과정(post-annealing process)에 의해 실리콘 나노클러스터로 바뀔 수 있다. 이 필름 준비 조건은 457.9nm 파장에서 20 W/cm2의 Ar 펌프 레이저로 최대 PL 강도를 달성하도록 최적화되었다. 슬롯 구조를 형성하기 위해, 이산화규소 필름은 SRSN 필름 증착 사이에 있는 이온 빔에 의해 증착되었다. 접촉 얼라이너(aligner)와 함께 기존의 포토리소그래피(photolithography)에 의해 정의되는 포토레지스트(photoresist)의 디스크 패턴은 첫 번째 RIE(Reactive Ion Etching)에 의해 비정형 실리콘의 하드 마스크 층으로 전달되고, 두 번째 RIE에 의해 축적된 다층 필름으로 전달될 수 있다. 비결정 실리콘 하드 마스크는 공진기 구조의 하단 실리콘을 언더컷을 하기 위해 수행되는 KOH 용액에 있는 습한 식각(etch)에 의해 제거될 수 있다. 마지막으로 이산화규소 필름은 완충된 산화 에천트(etchant)에 의해 식각되어 SRSN 디스크 사이에 나노 슬롯을 형성할 수 있다. 디바이스 설계 및 제작 조건은 상단 펌핑을 사용하는 미세유체 채널에서 측정에 필수적인 수용 환경 하에 공진기의 고품질 계수를 얻도록 세심하게 최적화될 수 있다.
일 실시예에 따르면 광발광(Photoluminescence, PL) 방출과 수용 환경의 품질 계수를 높여 미세유체 채널과 통합된 단순하고 실용적인 형태로 고감도 SRSN 마이크로캐비티 센서를 제공할 수 있다. SRSN 마이크로캐비티에서 WGM의 여기(excitation)는 직접적인 물리적 접촉을 위한 광학 구성품 없이 자유 공간 광학을 통해 분광계에 의해 측정될 수 있다. 모드 필드가 집속되어 있고 생체분자 검출이 이루어지는 나노슬롯 구조를 마이크로캐비티에 내장하여 광물질 상호작용을 강화하여 감도를 높일 수 있다. 분자감지 작용은 스트렙타아비딘-비오틴(streptavidin-biotin) 복합체로 입증되었는데, 이는 디바이스 감도가 0.012nm/nM이고 실시간 결합에 기초한 연관율은 Langmuir 모델을 이용하여 3 x 10-4M-1s-1으로 분석되었음을 보여준다. 분자역학 정량화에 사용되는 분수의 방정식을 분석함으로써 단일 측정으로 분석물질의 미지의 농도를 결정하는 실질적인 방법을 제안하고 실험적으로 입증하였다. 또한, 처음으로 고가의 레이저 펌프 소스와 광학 구성품에서 측정 셋업을 해제하여 레이저 빔을 공진기에 집중하고 정렬(align)하는 LED 펌프 소스로 공진기에 WGM을 구성하였다. 이 간단한 LED 기반의 감지 플랫폼은 물에 희석된 글리세롤에 대한 굴절감지에 적용되어 226.67 nm/굴절률 단위(RIU)의 감도를 유발할 수 있다.
아래에서는 스트렙타비딘(streptavidin)과 비오틴(biotin)의 상호작용을 측정할 수 있다. 비공유 결합이 현저하게 강한 스트렙타아비딘-비오틴(streptavidin-biotin) 복합체에 기초한 생체-분자 상호작용의 실시간 측정에 의해 개발된 미세유체 WGM 공진기 센서의 성능을 검증하였다. 실험 전에 SRSN 공진기는 비오틴으로 사전 처리될 수 있다. DPBS의 스트렙타비딘이 유체 채널을 통해 흐르면, 스트렙타비딘은 공진기 표면의 비오틴에 부착되기 시작한다. 공진기 표면에 비오틴을 밀착시킨 스트렙타비딘은 공진모드의 광 경로 길이를 증가시켜 공진기의 공진상태를 변화시킴으로써 공진 이동을 야기할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 레이저 펌프 기반 광학 활성 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 2에서 설명한 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기(410)를 이용하여 실시간 공진 주파수 이동을 측정하기 위한 실험을 셋업한 것으로, 광원으로 레이저 광원(430)을 사용할 수 있다.
457.9nm 파장 아르곤 레이저(Argon laser, 430)의 빔은 마이크로 미세유체 채널(420)의 PDMS 벽을 통해 SRSN 공진기(410) 상단에 집중될 수 있다. 초점면의 레이저 강도는 20W/cm2로 실리콘 나노클러스터를 자극하고 특성 캐비티 모드 프로파일을 포함하는 강력한 PL 배출물을 얻을 수 있다. PL 배출물은 대물렌즈(450)(개구수: 0.15)에 의해 미세유체 채널(420)의 측면 벽을 통해 수집되며, 여기에서 TM(Tranverse Magnetic) 양극화 성분이 극성기에 의해 선택적으로 포착될 수 있다. 분광기(480)에서 도달한 실시간 주파수 스펙트럼은 도 6(a)와 (b)에서 각각 측정된 SRSN WGM 공진기의 TM 모드를 나타낼 수 있다. TM 모드는 TE 모드보다 슬롯 구조로 더 단단히 고정될 수 있으므로, 캐비티 TM 모드로 선택적으로 측정할 수 있다. 여기서, 아르곤 레이저(430)와 대물렌즈(450) 사이 및 대물렌즈(450)와 CCD 카메라(460) 사이에는 빔 스플리트(Beam splitter, 440)가 구성될 수 있으며, 측정을 위해 별도의 대물렌즈, 편광 필터(Polarizer, 470) 및 스펙트로미터(Spectrometer, 480)가 구성될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 LED 펌프 기반 광학 활성 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 2에서 설명한 일 실시예에 따른 광학 활성 공진기(510)를 이용하여 실시간 공진 주파수 이동을 측정하기 위한 실험을 셋업한 것으로, 광원으로 LED 광원(530)을 사용할 수 있다.
도 4에서 설명한 바와 같이, LED 광원(530)의 빔은 마이크로 미세유체 채널(520)의 PDMS 벽을 통해 SRSN 공진기(510) 상단에 집중될 수 있고, 측정을 위해 별도의 대물렌즈, 편광 필터(540) 및 스펙트로미터(550)가 구성될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 분광기를 이용하여 측정된 SRSN WGM 공진기의 TM 모드를 나타내는 도면이다.
도 6(a)에 표시된 많은 공진 모드 중에서 점으로 표시된 기본 모드 패밀리는 각 모드 패밀리의 측정된 FSR(Free Spectral Range, 자유 스펙트럼 범위)을 수치 분석에 의해 추정된 값과 비교하여 고차 모드와 구별될 수 있다. TM 기본 모드의 FSR은 7.9nm이며, 측정된 PL 피크의 FWHM(Full Width Half Maximum, 전체 폭 절반 최대)에서 계산한 15,000보다 크며, 이는 분광계의 분해능 한계에 해당한다. 고차 모드는 도 6(b)에 표시된 수용성 환경에서 측정된 PL 스펙트럼에서 사라진다. 공진기 구조와 환경 사이의 굴절률 대비가 감소하면 보다 높은 고차 모드와 (기본 모드가 아닌) 선택적으로 심각한 추가 방출 손실을 야기할 수 있도록 공진기 직경을 주의 깊게 선택하기 때문이다. 이 명확한 스펙트럼은 다른 모드들 간의 중복을 방지함으로써 분석을 용이하게 한다. 도 6(b) 모드의 FSR은 7.2nm로, 숫자 분석에 의해 추정된 수용 환경의 기본 모드 FSR과 잘 일치한다. 수용 조건에서의 모드 Q 계수는 PL 피크의 FWHM(Full Width Half Maximum)에서 계산한 약 8,500이며, 0.08nm이다.
도 6(b)에서, 표면 처리된 비오틴에 대한 스트렙타비딘의 결합 이벤트로 인한 공진 주파수 이동은 144 nM 농도의 스트렙타비딘을 적용하기 전과 후에 PL 스펙트럼이 표시된다. PL 스펙트럼은 주파수 이동이 포화상태인 후에 측정되며, 도면에서 1.72nm의 피크 이동은 0.012nm/nM의 민감도를 제공할 수 있다. 공진모드의 FWHM이 정의한 분해능 한계는 약 0.08nm이며, 디바이스의 검출 한계는 스트렙타비딘의 경우 6.7nM으로 입증된다. 실시예들에 따른 디바이스의 민감도는 이전에 보고된 직접적인 물리적 커플링이 없는 활성 WGM 센서의 감도보다 22배 더 높다.
아래에서는 스트렙타비딘과 비오틴 복합체의 Kinetics(운동학)에 대해 설명한다. 도 7a 내지 도 7d는 일 실시예에 따른 측정된 공진 파장의 실시간 피크 이동을 나타내는 도면이다.
개발된 감지 디바이스의 추가 조사 및 나노 슬롯 구조가 분자 역학에 미치는 영향을 분석하기 위해, 상호작용에 의해 유발되는 주파수 이동의 시간 과도적 동작을 측정했다. 도 7a는 DPBS 매체에서 희석된 스트렙타비딘의 4가지 농도(9, 36, 54, 90nM)를 미세유체 채널에 주입한 후 몇 분 간격으로 연속적으로 측정한 공진 파장의 실시간 피크 이동을 보여준다. 주파수 이동의 이 시간 전환은 Langmuir 모델에 의해 이해될 수 있으며, 이는 리간드가 단단한 표면에 고정되어 있는 시스템에 대하여 표면 결합 반응의 kinetics를 분석하는 데 일반적으로 사용되었다. Langmuir 모델에 기초해, 바이오센서 신호에 비례하는 분수를 리간드 및 분석 복합체의 수로 정의하고, 연결 단계의 아래 방정식에 표현된 총 리간드 수로 나눌 수 있다.
Figure 112019084487353-pat00004
[수학식 1]에서, k
Figure 112019084487353-pat00005
은 c뿐만 아니라 내연관계율 kon과 해리율 koff에 따라 관측 가능한 비율 상수다. [수학식 2]에서 fbeq(c)는 평형분수, c는 분석 물질 농도, Kd는 분화 상수로 포화 상태에서
Figure 112019084487353-pat00006
으로 정의된다. 도 7a의 실선은 측정된 데이터 포인트에 대한 [수학식 1]의 적합 곡선이다. 이 곡선에서 k
Figure 112019084487353-pat00007
과 fbeq(c)의 값을 얻을 수 있다. 이 두 값을 [수학식 2]와 [수학식 3]으로 대체하고 동시에 방정식을 모두 해결함으로써 Kd, kon 및 koff를 도출할 수 있다. 적합 곡선으로부터 얻어진 연관율은 9, 36, 54, 90nM의 스트렙타비딘 농도에 대해 각각 6.2 Х 104, 2.5 Х 104, 2.1 Х 104, 3.7 Х 104M-1s-1이며, 이는 이전에 보고된 연관율과 상당히 일치한다. 9nM 스트렙타비딘의 약간 더 큰 연관율은 0.05nm(도 7a 분광계의 검출 한계 때문에 발생하는데, 이는 이 저농도의 kinetics에 의한 주파수 이동의 정확한 측정에 충분하지 않다. 제어 실험으로서, BSA(Bovine Serum Albumin)도 비오틴을 가공한 WGM 공진기를 가지고 미세유체 채널로 35분간 흐른다. BSA는 바이오틴에 특별히 결합되어 있지 않기 때문에, BSA는 실험에 사용된 스트렙타비딘보다 수백 배 높은 농도인 1 mg/mL에서 0.25 nm의 훨씬 낮은 주파수 이동을 유도한다.
분자 kinetics 분석에서 공통적으로 발생하는 mass-transport(대량 수송) 제한 조건 하에서, 연관 단계의 초기 기울기는 Fick의 첫 번째 법칙에 의해 분석 물질의 농도에 선형적으로 비례한다. 이 추세는 도 7a의 안쪽에서 뚜렷이 나타나는데, 여기서 점은 각 농도에서의 연관 단계의 초기 기울기이고, 선은 기울기가 연관률 kon에 해당하는 데이터 포인트의 선형 적합치인 것이다.
도 7a의 최종 시점에서는 스트렙타비딘과 비오틴 반응이 포화 상태로 들어가고, 이 상태의 주파수 이동은 도 7b에 자세히 분석된다. 도 7b의 사각 지점은 스트렙타비딘 농도에 따른 포화 상태의 주파수 이동을 나타내며, 선으로 표시된 Hill 모델 함수라고 하는 [수학식 2]에 의해 결합된다. 도 7b의 x축은 선형 척도, 도 7b의 내부는 동일한 데이터의 로그 척도다. fbeq(c)의 함수를 맞추어, 스트렙타아비딘-비오틴(streptavidin-biotin) 복합체의 Kd와 koff가 각각 3.8 x 10-7M(도 7b의 점선), 1.4 x 10-2s-1이고 이전 보고서에 잘 부합한다는 것을 실험적으로 증명한다.
일반적으로 분자 역학 분석의 경우 도 7a와 같이 반응 시작점에서 수천 초 동안 직렬 신호 측정이 필요하다. 단, 분자역학을 충분히 분석하기보다는 시료 내 표적분석 물질의 농도를 신속하게 측정할 필요가 있다. 따라서 분석물질의 상대적 농도를 측정시점에 관계없이 한 번에 하나의 측정으로 계산하는 효율적인 방법을 시연한다. [수학식 1]의 연관 단계를 활용하여 두 개의 다른 표본의 피크 변동에 대한 비율인 고유 피크 이동 비율 R(t)를 정의할 수 있다. 여기서, 하나는 분석대상이고 다른 하나는 분석물질 농도가 이미 알려진 기준이다. 즉, R(t)는
Figure 112019084487353-pat00008
로 정의된다. 초기 조건에서 R(t)는
Figure 112019084487353-pat00009
에 해당하며, 이는 오리지널 농도의 비율인
Figure 112019084487353-pat00010
로 감소할 수 있다. 완전 포화상태에서는 R(t)을
Figure 112019084487353-pat00011
로 줄일 수 있다. 과도기에서는 R(t)가 단조함수이기 때문에 R(t) 값은 초기값과 포화값 사이에 있다. 즉, |R(t)-
Figure 112019084487353-pat00012
|Х
Figure 112019084487353-pat00013
Х100으로 정의되는 원래 농도의 비율에 따른 R(t)의 오차율은 초기 상태에서 0이며 완전 포화 상태에서 발생하는 최대값인
Figure 112019084487353-pat00014
까지 단조적으로 증가한다. 이 계산에 의해 기준과 비교한 상대적인 피크 이동을 측정하여 분석물질의 농도가 일정한 오차율 이하로 결정된다는 것을 입증한다. 이 방법에 의한 최대 오차율은 분석물질 농도의 함수이므로,
Figure 112019084487353-pat00015
와
Figure 112019084487353-pat00016
로 정의되는 표본과 기준의 정규화된 농도에 대한 최대 오차율은 도 7c에 표시한다. 도 7c에서는 정규화된 농도에 따라 최대 오차율이 증가함에 따라 특정 오차율보다 더 높은 정확도로 미지의 농도를 측정할 수 있는 값 이하의 최대 농도에 대한 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, 표준화된 기준 농도를 Kd의 10%에 고정하는 경우, 어느 시점에서든 한 번의 측정으로 10% 미만 오차율로 Kd의 22% 미만의 미지의 분석물질 농도를 측정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제안된 방법을 실험 결과에 적용하였고 도 7d의 정확성을 증명했다. 90nM 농도의 시료를 기준으로 하고, 36nM과 54nM을 분석물질로 한다. 스트렙타비딘 농도의 비율은 36nM의 경우 0.4, 54nM의 경우 0.6에 해당하며 각각 90nM 농도 기준이다. 각 표본에 대한 고유 피크 이동 비율을 표시하는데, 이는 초기값이 원래 농도의 비율과 완벽하게 일치하고 오류율이 위에서 계산한 포화 상태의 최대값까지 단조롭게 증가함을 보여준다. 도 7d의 원과 정사각형은 도 7a의 실시간 측정 데이터를 바탕으로 한 피크 이동비로, 실선 추이와 일치한다. 농도비율이 0.4와 0.6인 측정 데이터의 평균 오차율은 각각 4.2%, 10.9%이다. 이러한 실험 값은 도 7c에 점으로 표시된 정규화된 농도의 최대 오차율에 상당히 가깝다. 초기 측정 기간에는 주로 분광계의 분해능 한계에 의한 정량화된 오차에 의한 피크 시프트 측정의 부정확성 때문에 측정과 고유 피크 이동 비율 사이에 상대적으로 큰 편차가 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 LED가 있는 상단 펌프 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 실리콘 나노클러스터의 고흡수 단면으로 인해, SRSN 공진기의 펌프 공급원인 아르곤 레이저는 실리콘 나노클러스터의 흡수 파장에 빛을 내는 상용화된 고강도의 LED로 대체될 수 있다. 실리콘 나노클러스터는 UV를 가시광선보다 더 효율적으로 흡수하므로, 톱 펌프 소스에 중심파장 365 nm(LUMINUS SST10-UV)의 18 LED를 사용할 수 있다. 유체 채널 PDMS 벽에 의한 흡수를 무시할 경우 LED와 4mm 떨어져 있는 공진기 칩 표면의 LED 조립 부품의 유효 강도는 약 5.6 W/cm2이다. LED의 강도는 아르곤 레이저(20 W/cm2)보다 작지만 수용성 환경에서 공진기의 WGM을 여기시키기에 충분하며 PL 방출 스펙트럼의 공진 피크가 발생한다. LED의 발광 영역이 공진기보다 훨씬 크기 때문에 미세유체 칩 상단에 LED 모듈을 배치하기만 하면 정렬에 충분하다. 따라서 펌프 레이저와 레이저 빔의 집중적이고 정밀한 정렬에 필요한 빔 스플리터, 대물 렌즈, CCD와 같은 추가 구성요소가 필요하지 않기 때문에 도 8의 점선 바깥에 표시된 것처럼 측정 셋업을 단순화할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 LED가 있는 상단 펌프를 이용한 SRSN 공진기의 PL 스펙트럼 및 SRSN 공진기의 공진 주파수를 나타내는 도면이다.
도 9a는 공기 환경에서 단일 LED로 펌핑된 SRSN 공진기의 PL 스펙트럼을 보여준다. TM 기본 모드의 FSR과 품질 계수는 아르곤 레이저 펌프의 값(각각 9.1nm 및 15,000)과 정확히 동일하다. 감지 용도에 적합한 LED 펌핑 구성의 적정한 작동을 확인하기 위해, 배지에 균질하게 분산된 대상 화학물질의 농도를 굴절률의 변화를 검출하여 측정할 수 있는 대량 감지 실험을 실시했다. 글리세롤은 DI(이온화)수에서 5 10, 20%의 세 가지 농도로 희석되어 혼합배지의 굴절률은 DI수 1.331에서 각각 1.338, 1.345, 1.359이 된다.
도 9b의 내부는 세 가지 다른 농도의 희석된 글리세롤이 직렬로 미세유체 채널에 주입될 때 SRSN 공진기의 공진 주파수를 보여준다. 공진의 측정된 파장은 도 9b에 표시된 TM 기본 모드에 대해 COMSOL 다중 물리학에서 수치적으로 추정하는 226.67 nm/RIU의 선형 주파수 이동과 밀접하게 일치한다. 공진 모드의 FWHM이 정의한 분해능 한계치 0.08nm를 감안하면 글리세롤 농도 변화에 대한 검출한계는 0.25% 정도이다.
여기에서는 테이퍼 섬유에 의존하는 엄격한 연결 방식으로부터 자유로운 실용적인 형태로 미세유체 채널과 통합된 광학적 활성 SRSN 공진기 센서를 개발하였다. 스트렙타아비딘-비오틴(streptavidin-biotin) 복합체에 대한 실시간 측정으로 확인한 이 디바이스의 민감도는 0.012nm/nM으로, 물리적 직접 결합이 없는 이전 보고된 활성 WGM 센서보다 20배 이상 크다. kon, koff, Kd와 같은 특성 매개변수가 앞서 보고된 값과 일치한다는 것이 확인되기 때문에 민감도를 높이기 위해 도입된 25nm 슬롯의 나노-슬롯 구조가 분자 역학관계를 크게 변화시키지 않는다는 결론이 나온다.
게다가 실리콘 나노클러스터의 큰 흡수 단면을 활용함으로써 LED 펌프의 직접 조명에 기초한 WGM 감지가 처음으로 입증된다. 이 굴절계 감지의 성공적인 입증은 365 nm LED 펌프에 의존하기 때문에, 이 자외선에서 변형된 생체 분자는 현재의 LED 기반 측정 플랫폼과 호환되지 않는다. 따라서 상대적으로 강도가 낮지만 생체분자를 변형시키지 않는 가시적(visible) LED 소스로 펌프하기에 적합한 SRSN 공진기 효율을 개선하기 위한 추가 연구가 필요하다.
또한 기준표본에 대한 상대적 피크 이동을 바탕으로 한 번에 단일 측정으로 분석물질의 농도를 계산할 수 있는 빠르고 효율적인 방법을 제안한다. 이 방법을 LED 기반 플랫폼과 결합함으로써 도 8과 같이 단일 측정 셋업에서 시료 및 기준 표본에 대한 피크 이동의 동시 측정이 가능하다. 이는 온도 변화 및 표면 전처리 조건과 같이 공진기에 균일하게 영향을 미치는 외부 요인에 의해 유도되는 공진 주파수의 변동은 균형 감지의 노이즈 상쇄 작동에 따라 자동으로 상쇄될 수 있음을 의미한다. 여기에서는 이 접근방식이 사용 편의성을 위해 단일 측정 셋업으로 작동할 수 있는 실용적인 응용을 위하여 비용 효율적인 온칩(라벨이 없는) 센서를 구현할 수 있는 길을 열어 줄 것으로 기대한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 광학 활성 공진기에 있어서,
    적어도 하나 이상의 실리콘 질화물(silicon nitride) 디스크 플레이트;
    상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트의 내부에 형성되는 실리콘 나노클러스터(silicon nanocluster); 및
    복수개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 서로 소정간격 이격되게 배치되어 형성되는 나노 슬롯
    을 포함하고,
    상기 실리콘 나노클러스터는,
    SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 물질을 반도체 공정을 통해 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트에 증착한 뒤, 가열하여 형성되며, 상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(Photoluminescence, PL)을 방출하고,
    상기 광학 활성 공진기는 미세유체 채널(microfluidic channel)과 결합하여 라벨이 없는 온-칩 센서를 제공하고, 복수개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트 사이의 상기 나노 슬롯에 의해 갭 안에서 빛과 측정하고자 하는 물질이 상호작용하며, 물리적 접촉 없이 빛을 흡수하고 방출함에 따라 수중에서도 동작 가능한 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트는,
    두 개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 나노스케일 거리에 평행하게 배치되어 상기 나노 슬롯을 형성하는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노 슬롯은,
    광학 활성 공진기 내부의 공진모드를 집속시키는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 슬롯은,
    상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트보다 굴절률이 낮은 감지하고자 하는 물질을 포함한 매체로 채워져 있는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 레이저 광원의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출하는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 단일 LED의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출하는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기.
  9. 삭제
  10. 광학 활성 공진기의 제조 방법에 있어서,
    복수개의 실리콘 질화물(silicon nitride) 디스크 플레이트의 내부에 실리콘 나노클러스터(silicon nanocluster)를 형성하는 단계;
    복수개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트가 서로 소정간격 이격되게 배치되어 나노 슬롯을 형성하는 단계; 및
    상기 광학 활성 공진기가 미세유체 채널(microfluidic channel)과 결합하여 라벨이 없는 온-칩 센서를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수개의 실리콘 질화물 디스크 플레이트의 내부에 실리콘 나노클러스터를 형성하는 단계는,
    SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 물질을 반도체 공정을 통해 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트에 증착한 뒤, 가열하여 형성하며,
    상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(Photoluminescence, PL)을 방출하고, 복수개의 상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트 사이의 상기 나노 슬롯에 의해 갭 안에서 빛과 측정하고자 하는 물질이 상호작용하며, 물리적 접촉 없이 빛을 흡수하고 방출함에 따라 수중에서도 동작 가능한 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 나노 슬롯은,
    광학 활성 공진기 내부의 공진모드를 집속시키는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 나노 슬롯은,
    상기 실리콘 질화물 디스크 플레이트보다 굴절률이 낮은 감지하고자 하는 물질을 포함한 매체로 채워져 있는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 나노클러스터의 흡수 단면을 통해 단일 LED의 상부의 펌프 빔 조사만으로 광발광(PL)을 방출하는 것
    을 특징으로 하는, 광학 활성 공진기 제조 방법.
  15. 삭제
KR1020190100863A 2019-08-19 2019-08-19 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법 KR102245891B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190100863A KR102245891B1 (ko) 2019-08-19 2019-08-19 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190100863A KR102245891B1 (ko) 2019-08-19 2019-08-19 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210021679A KR20210021679A (ko) 2021-03-02
KR102245891B1 true KR102245891B1 (ko) 2021-04-29

Family

ID=75169610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190100863A KR102245891B1 (ko) 2019-08-19 2019-08-19 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102245891B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11650370B1 (en) * 2021-10-21 2023-05-16 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Method of evanescently coupling whispering gallery mode optical resonators using liquids

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101575203B1 (ko) * 2014-11-19 2015-12-09 한국과학기술원 금속 나노 슬롯 및 이의 제조 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101486422B1 (ko) * 2008-05-16 2015-01-27 삼성전자주식회사 광증폭매체, 광증폭매체의 제조방법 및 광증폭매체를 포함하는 광학소자
KR20160087223A (ko) * 2015-01-13 2016-07-21 삼성전자주식회사 유체 시료 분석을 위한 분광 칩 및 그 제조 방법
KR20170058823A (ko) * 2015-11-19 2017-05-29 한국전자통신연구원 나노 플라즈모닉 바이오 센서

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101575203B1 (ko) * 2014-11-19 2015-12-09 한국과학기술원 금속 나노 슬롯 및 이의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210021679A (ko) 2021-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240053268A1 (en) Fluorescence-detected assays on microfluidic chips
US8268637B2 (en) Label-free biosensors based upon distributed feedback laser
US6961490B2 (en) Waveguide plate and process for its production and microtitre plate
US8537353B2 (en) Sensor chip for biological and chemical sensing
US8314935B2 (en) Target substance-detecting apparatus and target substance-detecting method
Fard et al. Label-free silicon photonic biosensors for use in clinical diagnostics
US20090218496A1 (en) Sensing apparatus and a method of detecting substances
Wondimu et al. Integration of digital microfluidics with whispering-gallery mode sensors for label-free detection of biomolecules
KR20090064917A (ko) 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광현미경
JP5241274B2 (ja) 被検出物質の検出方法
CN115516292A (zh) 包括集成光纤感测的数字微流体（dmf）系统、dmf盒和方法
JP2003185569A (ja) 表面プラズモン共鳴を利用した試料の分析装置及び表面プラズモン共鳴分析用センサチップ
KR102245891B1 (ko) 광학 활성 공진기와 미세유체 채널이 결합된 온-칩 센서 장치 및 그 제조 방법
WO2012051451A2 (en) Highly efficient plasmonic devices, molecule detection systems, and methods of making the same
Pokhriyal et al. Coupled external cavity photonic crystal enhanced fluorescence
US7009706B2 (en) Measuring chip
KR102245892B1 (ko) 프렉션 바운드 측정에 기반한 피검출체의 농도 확인 방법
JP2003177097A (ja) 光学分析用チップ
Gandolfi On-chip photonic label-free biosensors
JPWO2019221040A1 (ja) 検体検出チップ及びこれを用いた検体検出装置
Pokhriyal Evanescent field enhanced fluorescence on a photonic crystal surface
US20240085408A1 (en) Apparatuses, systems, and methods for sample testing
Laible et al. 3.1 Localized surface plasmon resonance shift sensing
White et al. Demonstration of a liquid core optical ring resonator sensor coupled with an ARROW waveguide array
WO2022061220A1 (en) Background insensitive reflectometric optical methods and systems using the same

Legal Events

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