KR102418637B1 - 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치 및 측정방법 - Google Patents
다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치 및 측정방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시 예는 다중반사를 통하여 시료검출 층에서 반사되는 제1반사광과, 프리즘-완충용액 경계면에서 반사되는 제2반사광이 완전히 분리되도록 하고 다중반사를 통해 여러 번 입사시킴으로써 측정감도를 증폭시키기 위한 다중반사 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치는, 지지대와 지지대 상에 형성되고 시료를 검출하기 위한 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나 이상의 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체; 시료를 포함하는 완충용액을 미세유로에 주입하는 시료주입부; 프리즘 및, 프리즘의 밑면에 거울 반사 코팅되어 형성되는 반사체를 구비하는 프리즘유닛; 편광(polairzed light)을 발생시키는 편광발생부; 및 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부;를 포함한다.
Description
본 발명은 다중반사 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다중반사를 통하여 시료검출 층에서 반사되는 제1반사광과, 프리즘-완충용액 경계면에서 반사되는 제2반사광이 완전히 분리되도록 하고 다중반사를 통해 여러 번 입사시킴으로써 측정감도를 증폭시키기 위한 다중반사 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
반사율 측정법(Reflectometry)과 타원계측법(Ellipsometry)은 시료의 표면에서 반사한 반사광의 반사율 변화 또는 편광상태를 측정하고, 그 측정값을 분석함으로써 시료의 두께나 광학적 물성을 찾아내는 광분석기술이다.
이를 이용한 계측장비로서 반사율 측정기(Reflectometer)와 타원계측기(Ellipsometer)가 있다. 이들은 반도체 산업의 나노 박막 제조공정에서 다양한 나노수준의 박막 두께와 물성을 평가하는데 활용되고 있다. 또한, 바이오산업으로 그 활용범위를 넓혀 단백질, DNA, 바이러스, 신약물질 등과 같은 바이오물질의 계면 분석에 응용하고자 하는 노력이 계속되고 있다.
종래의 반사율 측정기는 수 나노미터(nm) 이상의 크기를 갖는 나노 박막의 두께와 물성을 평가하기에는 충분하지만, 대략 1 ~ 0.001 나노미터 범위의 감도가 필요한 저분자 바이오물질을 분석하는 데 있어 측정감도가 낮아 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 반사율 측정기에 비해 타원계측기의 경우 0.01 nm 이하의 측정감도를 가지며 특히 고굴절률의 반도체 기판 위의 반도체에 비해 상대적으로 굴절률이 작은 산화막의 두께 측정과 같이 굴절률 대비가 큰 조건에서 측정감도가 높다.
그러나, 타원계측기의 경우 저분자 바이오물질까지 분석하기 위해서는 감도가 향상된 측정방법이 요구된다.
바이오물질의 분석시 측정감도를 개선하기 위한 종래의 기술로서, 반사율 측정법과 표면 플라즈몬 공명(SPR;Surface Plasmon Resonance)기술이 혼합된 형태의 표면 플라즈몬 공명 센서(이하, 'SPR 센서'라고 함)가 있다.
표면 플라즈몬 공명(SPR) 현상은 광파(light waves)에 의해 금속표면에 존재하는 전자들이 여기되어 표면의 종방향(normal)으로 집단적인 요동(collective vibration)을 하게 되고, 이때 빛에너지가 흡수되는 현상을 말한다. SPR 센서는 빛의 편광특성에 민감한 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 금속표면에 접하는 나노 박막의 두께 및 굴절률 변화를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 바이오물질의 흡착농도 변화를 형광물질을 사용하지 않는 비표지방식으로(non-labeling) 실시간으로 측정할 수 있는 것으로 알려져 있다.
SPR 센서는 그 구조가 유리 등의 재질에 수십 나노미터의 금속박막을 입히고 그 위에 생체물질이 접합할 수 있는 센서를 만들고 완충용액에 녹아 있는 시료가 센서에 접합하게 되면 공명각이 변하는 원리를 이용한 것으로 공명각은 반사율 측정을 통해 이루어진다. SPR 센서에 빛이 입사하면 유리재질이 입사 매질이 되고 생체물질이 접합하는 박막층을 통과하여 최종적으로 완충용액이 기판에 해당한다.
이러한 구조에서는 측정하고자 하는 시료의 접합에 의한 생체 박막층의 변화와 마찬가지로 기판물질에 해당하는 완층용액의 굴절률이 공명각의 이동에 직접적으로 영향을 준다. 따라서 순수한 접합동특성만 측정하기 위해서는 완충용액의 굴절률을 독립적으로 측정하여 보정해 주어야 한다.
완충용액의 굴절률 변화를 보정하고 시료와 완충용액 사이의 확산으로 인한 오차를 방지하기 위해 정교한 밸브장치와 공기 주입장치, 2개 이상의 채널을 사용하여 1개를 기준채널로 이용하고 보정하는 방법 등이 사용되고 있다. 그러나 완충용액의 굴절률 변화에 의한 SPR 각도 변화와 순수한 흡착, 해리특성에 의한 SPR 각도변화를 구분하기 어렵고 항상 측정오차요인으로 작용할 수 있다. 결국, 종래의 SPR 센서는 위와 같은 측정방법의 한계로 인해 저분자와 같이 분자량이 작은 물질의 흡착, 해리특성 측정시 근본적인 어려움이 있다.
또한, 종래의 SPR 센서는 표면 플라즈몬 공명을 위해 금(Au), 은(Ag)과 같은 귀금속의 금속박막이 사용되어 센서의 제작비가 많이 소요된다. 그리고, 금속박막은 제작공정에 따라 표면조도가 고르지 못하여 굴절률의 편차가 심하고, 불안정한 광특성으로 인해 바이오물질의 정량적인 측정이 어렵고 기준 채널과 상대적인 비교시 서로 다른 위치의 다른 감도특성에 의한 오차를 포함하는 문제점이 있다.
SPR 센서의 단점을 개선하기 위하여 실리콘 등의 기판물질 위에 생체물질 접합센서 층을 만들고 액침미세유로 환경하에서 완충용액을 통과하여 기판물질에서 반사된 광의 진폭과 위상을 p-편광파 무반사 조건에서 타원계측 방법으로 측정하면 측정된 진폭이 완충용액의 굴절률 변화에 민감하지 않고 생체물질의 접합동특성에 민감한 신호를 얻을 수 있다. 액침미세유로 환경하에서 기판물질에 흡착하는 생체물질의 접합특성을 측정할 경우 SPR 측정과는 반대로 완충용액은 입사매질이 되고 생체물질 흡착층을 통과한 빛이 기판물질에서 반사하게 된다.
이러한 측정 조건에서는 측정된 진폭을 나타내는 타원계측각 Ψ가 완충용액인 입사매질의 굴절률 변화에는 민감하지 않고 생체박막과 기판물질의 변화에만 민감한 변화를 보이게 된다. 실리콘과 같은 굴절률이 안정된 기판인 경우, 측정된 타원계측각 Ψ는 생체박막의 변화에만 민감한 신호를 얻을 수 있다. 도 1과 같은 프리즘 입사구조를 사용할 경우, 위상을 나타내는 타원계측각 △는 완충용액의 굴절률에만 민감한 신호를 나타내어 생체박막의 두께와 완충용액의 굴절률을 동시에 측정할 수 있다. 그러나 프리즘과 같은 평면 입사구조와 평행한 기판을 사용할 경우 프리즘과 완충용액의 경계면에서 반사하는 빛을 제거하고 기판에서 반사하는 빛만 사용해야 한다. 시료의 사용량을 최소화하기 위해서는 프리즘 표면과 기판물질과의 간격을 줄여야 하는데 이 경우 반사하는 두 빛이 아주 가까운 거리에 위치하여 분리가 어렵고 측정오차로 작용한다. 따라서 프리즘과 같은 평면 입사형 구조에서 프리즘과 완충용액의 경계면에서 반사되는 빛과 센서를 포함한 기판물질에서 반사하는 빛을 구분하기 위한 새로운 구조의 측정방법이 요구된다.
도 1은 선행특허에 따른 생체 물질 접합 특성 측정센서를 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 센서는 대략 프리즘(100), 미세유로 구조체(200) 편광발생부(300) 및 편광검출부(400)로 구성된다. 이때, 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 센서의 미세유로 구조체(200)는 기판(510) 혹은 유전체 박막(520) 위에 흡착층(530)을 올려, 액침 미세유로(210) 환경을 형성한다. 이때, 바이오물질의 시료(1)가 용해된 완충용액(50)을 미세유로(210)에 주입하게 되면, 흡착층(530)의 표면에 형성된 리간드(ligand, 2) 물질에 바이오물질이 흡착에 하여 소정두께의 흡착층을 형성하게 된다.
그리고, 편광발생부(300)으로부터 발생된 편광된 입사광은 프리즘의 입사면(110)을 거쳐 완충용액(50)과 기판(510)의 경계면에 p-편광파 무반사 조건을 일으키는 각도로 입사된다. 이때, 기판(510)에서 반사된 반사광은 시료(1)의 흡착층 및 완충용액의 굴절률에 관한 광학데이터를 포함하고 있다. 즉, 시료(1)가 리간드(2)에 흡착, 해리되는 과정에서 흡착농도, 흡착층의 두께 또는 굴절률, 완충용액의 굴절률과 같은 분자 흡착 및 해리 동특성(binding and dissociation kinetics)이 변화하게 되고, 이에 따라 측정된 타원계측 각들이 달라지게 된다. 그리고, 광학데이터를 포함한 반사광은 편광검출부(400)에서 검출된다. 이때, 편광검출부(400)는 반사광의 편광 성분에 따른 변화, 즉 타원계측각도들을 측정함으로써 시료(1)의 분자 흡착 및 해리 동특성, 완충용액의 굴절률을 파악할 수 있다.
도 2에는 시료(1)가 금속박막(30)에 흡착되는 과정을 나타내는 흡착곡선과, 해리되는 과정을 나타내는 해리곡선이 도시되어 있다. 흡착률 상수(association rate constant, ka)가 클수록 바이오물질의 빠른 흡수를 의미하고, 해리율 상수(dissociation rate constant, kd)가 작을수록 느리게 해리됨을 의미한다.
즉, 흡착률 상수와 해리율 상수를 측정함으로써 평형상태의 해리상수(KD = kd/ka)를 구할 수 있다. 예를 들면, 발암 억제제로 사용될 수 있는 저분자 신약후보물질이 발암 유발인자를 포함하는 단백질에 흡착 혹은 탈착하는 특성을 측정하여 신약으로 사용될 수 있는지 여부를 판단할 수 있는 것이다.
이하, 도 3과 도 4를 참고하여 선행특성에 따른 바이오물질 분석용 센서의 특징 및 한계를 설명한다. 도 3과 같은 프리즘 입사구조를 사용하여 빛을 입사시킬 경우 대략 θ2=72.14° 정도의 경사각으로 경계면에 입사하게 되며 완충용액의 굴절률 변화(0.0002)에 의해 프리즘에서 완충용액으로 입사할 때 약 -0.026°정도 각도변화가 나타나게 된다. p-편광파 무반사 조건은 θ2=72.14° 근처인데 완충용액 굴절률 변화에 의한 현재의 각도는 0.026°작은 72.114°로 바뀌므로 도 4에 도시된 바와 같이, Ψ, △의 그래프가 나타나고 굴절률 변화에 따라 p-편광파 무반사 각도는 거의 바뀌지 않기 때문에 0.026°작은 각도인 72.114°에서 Ψ, △의 값을 측정하게 된다.
도 4에서 완충용액(50)의 굴절률이 서로 다른 경우의 실선 그래프는 완충용액(50)의 굴절률이 1.3330이고, 점선(dashdot line) 그래프는 완충용액(50)의 굴절률 1.3332에 해당한다. 프리즘 구조를 사용할 경우 완충용액의 굴절률 변화에 의해 도 4에서처럼 Ψ값의 변화는 거의 변화를 보이지 않게 되고 반면에 △는 큰 변화를 보여준다. 즉, 위상차에 관한 타원계측상수 △는 완충용액의 굴절률 변화에만 민감한 변화를 보이고 접합특성에는 거의 영향을 받지 않기 때문에 완충용액의 굴절률 변화만을 고감도로 측정할 수 있게 된다. 타원계측상수 △의 변화는 박막물질의 두께가 아주 작아질수록 아주 큰 변화를 나타내며 굴절률 변화를 측정하여 물질의 물성이나 접합특성의 변화를 분석하는 응용연구에 활용될 경우 기존 SPR 측정방법에 비해 초고감도 굴절률 측정이 가능한 측정방법이다.
연속적으로 공급되는 완충용액과 시료에 사용된 용매 등으로 굴절률이 달라진 완충용액이 미세유로를 통해 센서에 공급될 때 순수한 접합동특성과 완충용액의 굴절률 변화를 동시에 측정할 수 있다.
그러나 도 3에서 프리즘의 밑면과 기판물질과의 간격이 작을 경우 프리즘과 완충용액 경계면에서 반사된 빛과 기판물질에서 반사된 빛이 분리되기 어렵다. p-편광파 무반사 조건에서 측정하기 때문에 기판물질에서 반사된 빛의 세기가 프리즘과 완충용액 경계면에서 반사된 빛보다 상대적으로 약해서 측정오차가 발생하는 문제점이 발생할 수 있다. 그리고 초고감도가 요구되며 공기중에서 매질에 포함된 물질의 극저농도 측정시 측정감도 향상을 위한 문제점이 추가로 발생할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 다중반사를 통하여 시료검출 층에서 반사되는 제1반사광과, 프리즘-완충용액 경계면에서 반사되는 제2반사광을 완전히 분리함으로써, 고감도 측정이 가능한 다중반사 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 다중반사를 통하여 시료에 빛을 여러 번 입사시킴으로써 측정감도를 증폭시키기 위한 다중반사 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 특히 시료소모를 최소화하기 위하여, 유로의 높이를 최소한으로 낮추고, 다채널의 미세유로를 구비함으로써, 시료의 농도를 변화시켜 주입하거나 자기 조립 단층막의 흡착정도를 달리하는 등 다양한 형태의 실험조건을 제공할 수 있는 다중반사 실리콘 기반 액침 미세유로 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 액침 미세유로 환경하에서 비표지방식으로 생체결합 물질의 고감도 측정이 가능하여 바이오, 의료, 식품, 환경 등 다양한 산업에 널리 활용될 수 있는 다중반사 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 지지대와 상기 지지대 상에 형성되고 시료를 검출하기 위한 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나 이상의 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체; 상기 시료를 포함하는 완충용액을 상기 미세유로에 주입하는 시료주입부; 프리즘 및, 상기 프리즘의 밑면에 거울 반사 코팅되어 형성되는 반사체를 구비하는 프리즘유닛; 편광(polairzed light)을 발생시키는 편광발생부; 및 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부;를 포함하고, 상기 편광은 상기 프리즘을 투과하여 상기 프리즘과 상기 완충용액이 접하는 프리즘-완충용액 경계면에 입사되는 입사광을 형성하고, 상기 입사광의 일부가 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 반사 후 상기 프리즘을 투과하여 제1반사광이 형성되며, 상기 입사광의 또 다른 일부가 상기 프리즘-완충용액 경계면을 투과한 후 상기 시료검출층과 상기 반사체에 의해 복수 회 반사 및 입사를 반복하는 다중반사 수행 후 상기 프리즘을 투과하여 제2반사광이 형성되고, 상기 제1반사광과 상기 제2반사광이 상기 다중반사에 의해 공간적으로 완전히 분리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 입사광의 또 다른 일부는 상기 완충용액을 투과하여 p-편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 상기 시료검출층에 입사되는 투과광을 형성하고, 상기 투과광은 상기 시료검출층에서 반사되어 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 상기 반사체에 의해 거울 반사됨으로써 복수 회 반사 및 입사를 반복하는 다중반사 수행 후 상기 프리즘을 투과하여 제2반사광을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 시료검출층은 기판, 상기 기판의 상부에 형성된 유전체 박막, 및 상기 유전체 박막의 상부에 형성된 흡착층을 포함하고, 상기 흡착층에는 상기 시료를 검출하기 위한 상기 생체 결합물질이 고정화될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 다중반사를 통하여 상기 시료에서 빛이 복수 회 반사하여 상기 p-편광파 무반사 반사율이 낮아지는 경우, 상기 유전체 박막의 두께를 증가시켜 상기 투과광의 신호 강도 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 다중반사를 통하여 상기 시료에서 빛이 복수 회 반사하여 상기 p-편광파 무반사 반사율이 낮아지는 경우, s-편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 상기 시료검출층에 입사되는 상기 투과광을 형성하여, 상기 투과광의 신호 강도 저하가 방지될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 유전체 또는 반도체 중 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 편광검출부는, 상기 제2반사광의 편광변화에 기초하여 상기 흡착층에 흡착된 상기 시료의 두께 또는 농도를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 편광발생부는, 상기 프리즘을 통해 입사하는 상기 입사광의 광량을 조절하고, 상기 프리즘-완충용액 경계면상에 형성되는 상기 입사광의 빔 스폿(beam spot)의 형태를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 시료주입부는, 공기나 기체에 포함된 바이오마커를 측정하기 위하여, 상기 완충용액 대신에 기체를 상기 미세유로에 주입할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 기체가 상기 미세유로에 주입되는 경우, 상기 편광이 상기 프리즘을 투과하여, 상기 프리즘과 상기 기체가 접하는 프리즘-기체 경계면에 입사되는 입사광이 형성되고, 상기 입사광의 일부가 상기 프리즘-기체 경계면에서 반사 후 상기 프리즘을 투과하여 상기 제1반사광이 형성될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 시료주입부가 상기 시료를 검출하기 위한 상기 생체 결합물질이 고정화된 상기 시료검출층이 형성된 적어도 하나의 미세유로를 포함하는 상기 미세유로 구조체에 완충용액을 주입하는 제1단계; 상기 완충용액에 포함된 상기 시료가 상기 시료검출층의 항체에 흡착하는 제2단계; 상기 편광발생부가 편광을 발생시키는 제3단계; 상기 편광이 상기 프리즘을 투과하여 상기 프리즘과 상기 완충용액이 접하는 상기 프리즘-완충용액 경계면에 입사되는 입사광을 형성하는 제4단계; 상기 입사광의 일부는 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 반사되어 상기 프리즘을 투과하는 상기 제1반사광을 형성하고, 상기 입사광의 또 다른 일부는 상기 완충용액을 투과하여 편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 상기 시료검출층에 입사되는 투과광을 형성하는 제5단계; 상기 투과광은 상기 시료검출층에서 반사되어 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 상기 반사체에 의해 거울 반사됨으로써 복수 회 반사 및 입사를 반복하는 다중반사 수행 후 상기 프리즘을 투과하여 제2반사광을 형성하는 제6단계; 상기 편광검출부가 상기 제2반사광의 편광 변화를 검출하는 제7단계; 및 상기 제2반사광의 편광변화에 기초하여 상기 시료검출층에 흡착된 시료의 농도를 검출하는 제8단계;를 포함하고, 상기 프리즘유닛의 외부로 방출된 상기 제1반사광과 상기 제2반사광이 상기 다중반사에 의해 공간적으로 완전히 분리된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 기존 측정방법에서는 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛이 기판물질에서 반사한 빛보다 에너지가 크고 분리하기가 어려워서 측정오차를 일으킬 수 있는 반면에, 다중반사 구조를 적용하여 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛과 기판물질에서 반사한 빛을 완전히 분리하고 다중반사에 의한 신호증폭 효과를 얻을 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 효과는, 시료소모를 최소화하기 위하여, 유로의 높이를 최소한으로 낮추고, 다채널의 미세유로를 구비함으로써, 시료의 농도를 변화시켜 주입하거나 자기 조립 단층막의 흡착정도를 달리하는 등 다양한 형태의 실험조건을 제공할 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 액침 미세유로 환경하에서 비표지방식으로 생체결합 물질의 고감도 측정이 가능하여 바이오, 의료, 식품, 환경 등 다양한 산업에 널리 활용될 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 측정센서를 나타내는 단면도이다.
도 2는 시료가 금속박막에 흡착, 해리되는 과정에서의 흡착농도변화를 나타내는 모식도이다.
도 3은 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정센서의 모식도이다.
도 4는 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 측정센서를 이용한 생체물질 흡착과 완충용액의 굴절률 변화에 의한 타원계측상수 Ψ, △를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사체가 제거된 미세유로 측정장치에 대한 개략도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사체가 형성된 미세유로 측정장치에 대한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유로 측정장치의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유로 측정장치의 분해사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프리즘유닛 및 제1구조체에 대한 투시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2구조체에 의한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 p-편광파에 의한 투과광의 반사횟수에 따른 제2반사광의 진폭 변화에 대한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 s-편광파에 의한 투과광의 반사횟수에 따른 제2반사광의 진폭 변화에 대한 그래프이다.
도 2는 시료가 금속박막에 흡착, 해리되는 과정에서의 흡착농도변화를 나타내는 모식도이다.
도 3은 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정센서의 모식도이다.
도 4는 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 측정센서를 이용한 생체물질 흡착과 완충용액의 굴절률 변화에 의한 타원계측상수 Ψ, △를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사체가 제거된 미세유로 측정장치에 대한 개략도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사체가 형성된 미세유로 측정장치에 대한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유로 측정장치의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유로 측정장치의 분해사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프리즘유닛 및 제1구조체에 대한 투시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2구조체에 의한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 p-편광파에 의한 투과광의 반사횟수에 따른 제2반사광의 진폭 변화에 대한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 s-편광파에 의한 투과광의 반사횟수에 따른 제2반사광의 진폭 변화에 대한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1실시 예의 구성
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사체(120)가 제거된 미세유로 측정장치에 대한 개략도이고, 도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사체(120)가 형성된 미세유로 측정장치에 대한 개략도이다. 여기서, 도 5는 투과광(20)이 반사체(120)에 반사되지 않는 사항에 대한 도면이고, 도 6은 투과광(20)이 반사체(120)에 1회 반사된 사항에 대한 도면이며, 도 7은 투과광(20)이 반사체(120)에 2회 반사된 사항에 대한 도면이다. 도 6과 도 7에서는 편광발생부(300) 및 편광검출부(400)가 생략되어 있으나, 도 6과 도 7에서도 도 5와 같이 편광발생부(300) 및 편광검출부(400)가 설치됨은 당연하다.
또한, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유로 측정장치의 사시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세유로 측정장치의 분해사시도이다. 그리고, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프리즘유닛(100) 및 제1구조체(200a)에 대한 투시도이며, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2구조체(200b)에 의한 단면도이다.
도 5 내지 도 11에서 보는 바와 같이, 본 발명의 미세유로(210) 측정 장치는, 지지대(220)와 지지대(220) 상에 형성되고 시료(1)를 검출하기 위한 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층(500)이 형성된 적어도 하나 이상의 미세유로(210)를 포함하는 미세유로 구조체(200); 시료(1)를 포함하는 완충용액(50)을 미세유로(210)에 주입하는 시료(1)주입부; 프리즘(110) 및, 프리즘(110)의 밑면에 거울 반사 코팅되어 형성되는 반사체(120)를 구비하는 프리즘유닛(100); 편광(polairzed light)을 발생시키는 편광발생부(300); 및 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부(400);를 포함한다.
여기서, 편광은 프리즘(110)을 투과하여 프리즘(110)과 완충용액(50)이 접하는 프리즘-완충용액 경계면(111)에 입사되는 입사광(10)을 형성하고, 입사광(10)의 일부는 프리즘-완충용액 경계면(111)에서 반사되어 프리즘(110)을 투과하는 제1반사광(30)을 형성하며, 입사광(10)의 또 다른 일부는 완충용액(50)을 투과하여 편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 시료검출층(500)에 입사되는 투과광(20)을 형성하고, 투과광(20)은 시료검출층(500)에서 반사되어 프리즘-완충용액 경계면(111)에서 반사체(120)에 의해 거울 반사됨으로써 복수 회 반사 및 입사를 반복하는 다중반사 수행 후 프리즘(110)을 투과하여 제2반사광(40)을 형성할 수 있다.
그리고, 프리즘유닛(100)의 외부로 방출된 제1반사광(30)과 제2반사광(40)이 다중반사에 의해 공간적으로 완전히 분리될 수 있다. 이와 같은 작동에 대한 사항은 하기에 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예는 타원계측법을 이용하여 저분자를 비롯한 생체결합 물질의 흡착 및 해리 동특성을 측정하기 위한 것으로서, 생체결합 물질의 시료(미도시됨)가 포함된 완충용액(buffer, 50)가 미세유로 구조체(200)에 주입되는 구조를 갖는다. 이때, 미세유로 구조체(200)는 미세유로(210)가 다채널로 구성될 수 있다.
프리즘(110)은 광학적 유리가 주로 사용될 수 있으며, 일례로 BK7 또는 SF10일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 프리즘(110)은 복수 개의 단위 개체인 프리즘의 조립으로 형성될 수도 있다.
반사체(120)는 프리즘(110)의 밑면에 거울 코팅된 코팅층으로 형성될 수 있으며, 반사체(120)를 향하는 투과광(20)을 반사시킬 수 있다. 그리고, 투과광의 반사횟수에 따라 반사체(120)의 길이를 상이하게 형성할 수 있다.
반사체(120)의 길이(투과광(20)의 진행 방향에 대한 길이)가 증가하여 투과광의 반사횟수가 증가하는 경우에는 제1반사광(30)과 제2반사광(40)의 간격이 증가하여 제1반사광(30)과 제2반사광(40)의 공간 분리 성능이 향상되어 제2반사광(40)의 측정이 더 용이하게 수행될 수 있다. 다만, 투과광(20)의 반사횟수가 증가하는 경우 시료(1)에 빛이 복수 회 반사되면서 반사율이 낮아질 수 있으므로, 투과광(20)의 반사율 변화를 반영하여 반사체(120)의 길이를 설정할 수 있다.
상기와 같이, 다중반사를 통하여 시료(1)에서 빛이 복수 회 반사하여 p-편광파 무반사 반사율이 낮아지는 경우, 유전체 박막(520)의 두께를 증가시켜 투과광(20)의 신호 강도 저하를 방지할 수 있다. 유전체 박막(520)의 두께를 증가시키는 경우 박막의 두께가 수 nm에서 수백 nm로 두꺼워 질수록 반사율이 급격히 증가해서 투과광(20)이 복수 회 반사되더라도 투과광(20)의 신호 강도 저하를 방지할 수 있다.
그리고, 다중반사를 통하여 시료(1)에서 빛이 복수 회 반사하여 p-편광파 무반사 반사율이 낮아지는 경우, s-편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 시료검출층(500)에 입사되는 투과광(20)을 형성하여, 투과광(20)의 신호 강도 저하가 방지될 수 있다. s-편광파 무반사 조건에서는 p-편광파 무반사 조건과 반대로 신호가 아주커서 다중반사를 통하여 시료(1)에서 빛이 복수 회 반사하여도 큰 신호를 검출할 수 있다.
미세유로 구조체(200)는, 프리즘유닛(100)의 하부에 배치되고, 시료검출층(500)이 형성된 적어도 하나 이상의 미세유로(210)를 포함한다. 시료검출층(500)에는 시료를 검출하기 위한 생체 결합물질이 고정화될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에서, 미세유로 구조체(200)는 시료(1)를 포함한 완충용액(50)이 유입 또는 배출되는 통로인 미세유로(210)를 복수개 포함할 수 있다. 이때, 미세유로(210)의 폭은 수mm 근방이나 1mm 이하의 마이크로 스케일을 갖을 수 있다. 또한, 복수의 미세유로(210) 각각은 유입로(210a), 미세유로 채널(210c) 및 배출로(210b)를 포함할 수 있다. 즉, 미세유로(210)는 유입로(210a), 미세유로 채널(210c) 및 배출로(210b)가 연결되어 형성될 수 있다.
한편, 시료주입부(600)는 시료(1)를 포함하는 완충용액(50)을 미세유로(210)에 주입 또는 배출할 수 있다.
편광발생부(300)는, 프리즘(110)을 통해 입사하는 입사광(10)의 광량을 조절하고, 프리즘-완충용액 경계면상에 형성되는 입사광(10)의 빔 스폿(beam spot)의 형태를 제어할 수 있다.
구체적으로, 편광발생부(300)는 편광(polarized light)를 발생시키며, 광원(light source, 310) 및 편광자(polarizer, 320)를 구비할 수 있다. 또한, 시준렌즈(330), 집속렌즈(340) 또는 제1보상기(compensator)(350)가 구비될 수 있다.
편광자(320)와 제1 보상기(350)는 회전가능하도록 구성되거나 혹은 다른 편광 변조수단이 더 구비될 수 있다. 입사광(10)은 p-편광파와 s-편광파의 편광 성분을 모두 포함할 수 있다. 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 높이기 위해 편광자(320)를 p-편광파에 가까운 각도로 정렬할 수 있으며, 바람직하게는 후술하는 편광검출부(400)에 수광되는 제2반사광(40)에 포함되는 p-편광파와 s-편광파의 비율이 유사하도록 할 수 있다. 이에 따라, 프리즘-완충용액 경계면(111)상에 형성되는 입사광(10)의 빔 스폿(beam spot)의 형태를 제어할 수 있다.
본 발명에 실시 예에 있어서, 입사광(10)은 p-편광파 무반사 조건에 만족되는 입사각(θ1)으로 시료검출층(500)에 조사될 수 있다. 타원계측 방정식에서 복소반사계수비(ρ)는 s-편광파의 반사계수비(Rs)에 대한 p-편광파의 반사계수비(Rp)의 비, 즉 ρ= Rp/Rs 로 나타낼 수 있는데, p-편광파 무반사 조건은 p-편광파의 반사계수비(Rp)가 0에 가까운 값을 갖는 조건을 말할 수 있다. p-편광파 무반사 조건은 종래의 SPR 센서의 표면 플라즈몬 공명조건과 유사한 것으로, 본 발명의 측정감도가 최대가 되는 조건일 수 있다.
광원(310)은, 적외선, 가시광선 또는 자외선 파장대의 단색광 또는 백색광을 방출하는 각종 램프, 발광 다이오드(LED), 고체-, 액체-, 가스- 레이저, 및 레이저 다이오드를 포함하는 반도체 레이저 다이오드(LD) 등이 사용될 수 있다. 또한, 광원(310)은 광학계의 구조에 따라 파장을 가변시킬 수 있는 구조를 구비할 수 있다. 한편, 상술된 p-편광파 무반사 조건의 근방에서는 반사광의 광학 신호의 크기가 상대적으로 작을 수 있으며, 이 경우 간섭성(coherence)을 갖는 레이저를 사용하여 높은 광량으로 빛을 조사함으로써 신호대 잡음비를 높여서 고감도의 측정을 가능하게 할 수 있다.
시준렌즈(330)는 광원(310)으로부터 빛을 수광하여 편광자(320)에 평행광을 제공할 수 있다. 그리고, 집속렌즈(340)는 편광자(320)를 통과한 평행광을 수렴하여 입사광(10)의 광량을 증가시킬 수 있다. 또한, 제1 보상기(350)는 입사광(10)의 편광 성분을 위상지연시키는 역할을 할 수 있다.
편광검출부(400)는, 반사광의 편광변화에 기초하여 흡착층(530)에 흡착된 시료(1)의 두께 또는 농도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 편광검출부(400)는 제2반사광(40)을 수광하여 그 편광변화를 검출할 수 있다. 흡착층(530)에서 반사된 제2반사광(40)이 수광되어, 그 편광상태의 변화가 검출될 수 있다. 편광검출부(400)는 검광자(analyzer)(410), 광검출기(detector, 420) 및 연산처리기(430)를 포함할 수 있다. 그 밖에 제2 보상기(440)와 분광기(450)가 구비될 수 있다.
검광자(410)는 편광자(320)에 대응되는 것으로 편광판을 구비하여 제2반사광(40)을 다시 편광시킴으로써 반사광의 편광 정도나 편광면의 방향을 제어할 수 있다. 검광자(410)는 광학계의 구조에 따라 회전가능하도록 구성되거나 혹은 편광 성분의 위상변화, 소거와 같은 기능을 수행할 수 있는 편광 변조수단이 더 구비될 수 있다.
광검출기(420)는 편광된 제2반사광(40)을 검출하여 광학데이터를 얻고, 이를 전기적인 신호로 바꾸는 역할을 할 수 있다. 이때, 광학데이터는 제2반사광(40)에 있어서 편광상태의 변화에 관한 정보를 포함할 수 있다. 광검출기(420)는 CCD형 고체촬상소자, 광전증배관(PMT) 또는 실리콘 포토다이오드가 사용될 수 있다.
연산처리기(430)는 전기적인 신호를 광검출기(420)로부터 수득하여 측정값을 도출할 수 있다. 연산처리기(430)에는 반사율 측정법 및 타원계측법을 이용한 소정의 해석 프로그램이 내장되어 있어 전기적인 신호로 변환된 광학데이터를 연산처리기(430)가 추출, 해석함으로써 시료의 흡착농도, 흡착층(160)의 두께, 흡착상수, 해리상수, 굴절률 등과 같은 측정값을 도출하게 된다. 이때, 연산처리기(430)는 측정감도의 향상을 위해 타원계측법의 위상차에 관한 타원계측상수 Ψ, 
를 구하여 측정값을 도출하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 내장된 해석 프로그램에 의해, 본 발명의 미세유로 측정장치에서는, p-파 혹은 s-파 무반사 조건에서 타원계측 뿐만 아니라 반사율 측정을 이용하여 상기와 같은 측정을 수행할 수 있다.
제2 보상기(440)는 반사광의 편광 성분을 위상지연시켜 조절하는 역할을 한다. 제2 보상기(440)는 회전가능하도록 구성되거나 혹은 다른 편광 변조수단이 더 구비될 수 있다.
분광기(450)는 광원(310)이 백색광인 경우 사용될 수 있다. 이는 반사광을 분광시키고, 좁은 영역의 파장을 갖는 반사광을 분리시켜 광검출기(420)로 보내기 위함일 수 있다. 이때, 광검출기(420)는 CCD형 고체 촬상소자와 같은 2차원 이미지센서로 반사광의 분포에 관한 광학데이터를 얻을 수 있다.
이하, 미세유로 구조체(200)를 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 8과 도 9에서 보는 바와 같이, 본 발명의 미세유로 구조체(200)는, 제 1 구조체(200a) 및 제 2 구조체(200b)를 구비할 수 있다.
이때, 제 1 구조체(200a)는 프리즘유닛(100)의 하부에 형성될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시 예에서, 프리즘유닛(100) 및 제 1 구조체(200a)는 일체형으로 제작될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 제 1 구조체(200a) 및 제 2 구조체(200b)는 서로 분리될 수 있으며, 제 2 구조체(200b)는 미세유로 채널층(200c)을 포함할 수 있다.
한편, 제 1 구조체(200)는 유리 또는 투명한 합성수지재와 같은 투과성 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 합성수지재의 예로는 PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 아크릴 수지가 사용될 수 있다. 그리고, 규소인산폴리머(PDMS, polydimethylsiloxane)와 같은 실리콘계 재료도 사용될 수 있다.
구체적으로, 제 1 구조체(200a)는 제 1 구조체(200a)의 일측면에 형성된 복수의 유입로(210a) 및 제 1 구조체의 타측면에 형성된 복수의 배출로(210b)를 포함할 수 있다. 또한, 유입로(210a)는 제 1 구조체(200a)의 일측면에 형성된 제 1 유입구(212)에서 제 1 구조체(200a)의 하부에 형성된 제 2 유입구(214)로 연결되며, 배출로(210b)는 제 1 구조체(200a)의 하부에 형성된 제 1 배출구(216)으로부터, 제 1 구조체(200a)의 타측면에 형성된 제 2 배출구(218)과 연결될 수 있다.
한편, 복수의 유입로(210a) 및 배출로(210b) 각각은, 제 2 구조체(200b)에 형성된 미세유로 채널층(200c)의 복수의 미세유로 채널(210c)과 연결되도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 제 2 유입구(214)는 미세유로 채널(210c)의 일측과 맞닿도록 형성됨으로써, 제 1 유입로(210a)와 미세유로 채널(210c)을 연결할 수 있다.
또한, 제 1 배출구(216)은 미세유로 채널(210c)의 타측과 맞닿도록 형성됨으로써, 배출로(210b)와 미세유로 채널(210c)은 연결될 수 있다.
즉, 유입로(210a), 미세유로 채널(210c) 및 배출로(210b)는 서로 연결되도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 유입로(210a)를 통해 주입된 시료가 포함된 완충용액(50)은 미세유로 채널(210c)을 지나 배출로(210b)로 배출될 수 있다.
다시 말해, 제 2 구조체(200b)는 미세유로 채널층(200c)을 포함하며, 미세유로 채널층(200c)은 복수의 미세유로 채널(210c)을 포함할 수 있다. 한편, 미세유로 채널층(210c)은 PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 아크릴수지로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제 2 구조체(200b)는 복수의 미세유로 채널(210c)에 의하여 형성된 홈의 밑면에, 시료 검출층(500)을 포함할 수 있다. 시료검출층(500)은 기판(510), 기판(510)의 상부에 형성된 유전체 박막(520), 및 유전체 박막(520)의 상부에 형성된 흡착층(530)을 포함하고, 흡착층(530)에는 시료(1)를 검출하기 위한 생체 결합물질이 고정화될 수 있다.
기판(510)은 실리콘, 유전체 또는 반도체 중 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 기판(510)을 실리콘으로 형성하는 경우, 실리콘은 저렴한 비용으로 일정하고 안정된 물성을 제공하는 장점이 있다. 그리고, 기판(510)으로 반도체 또는 유전체를 이용하는 경우, 반도체 또는 유전체는, 바이오 물질과 굴절률 차이가 커서 p-파 혹은 s-파 무반사 조건에서 측정 감도가 실리콘에 비해 상대적으로 증가할 수 있다. 또한, 기판(510)은 655 nm에서 약 3.8391 + ｉ0.018186의 복소굴절률을 갖을 수 있다.
기판(510)의 상부에 형성되는 유전체 박막(520)은 투명한 반도체 산화막 및 유리막 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 유전체 박막(520)은 두께가 0초과 ~ 10 mm일 수 있다.
한편, 가장 쉽게 구할 수 있는 유전체박막(520)의 예로 실리콘을 자연산화시켜 수 나노미터 두께로 성장시킨 실리콘 산화막(SiO2)이 있다. 실리콘 산화막의 굴절률은 655nm에서 약 1.456로서 실리콘으로 이루어진 기판(510)과의 굴절률 차이가 커서 본 발명의 측정감도를 높이는데 일조하게 된다.
또한, 유전체 박막(520)은 광학유리로 이루어진 유리막이 사용될 수 있다. 실리콘이나 실리콘 산화막 또는 유리막으로 이루어진 유전체 박막(520)은 금 또는 은과 같은 금속박막에 비해 굴절률이 일정하게 제조될 수 있어 안정적인 광특성을 제공할 수 있고, 제작비용을 낮출 수 있는 장점이 존재한다.
본 발명의 일실시 예에 따른 흡착층(530)은 자기조립박막 및 바이오박막 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. 또한, 흡착층(530)에는 특정 시료를 검출 가능한 생체 결합물질이 고정화된 것 일 수 있다. 이때, 흡착층(530)은 저분자 생체결합 물질의 시료(1)가 흡착 및 해리되고, 투과광(20)을 반사시키는 역할을 할 수 있다.
다시 말해, 유입로(210a)를 통해 유입된, 완충용액 속에 포함된 시료는 흡착층(530)에 흡착되거나 및 흡착층(530)으로부터 해리될 수 있다.
시료주입부(600)은 미세유로(210)에 시료가 포함된 완충용액 또는 완충용액을 주입 또는 배출할 수 있는데, 완충용액이 이용되는 외에, 기체 중에 포함된 바이오마커의 측정을 위하여 미세유로(210)의 매질로 기체가 이용될 수 있다. 여기서, 기체로 공기가 이용될 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 공기 외에 다른 기체가 이용될 수도 있다. 이때, 시료주입부(600)로부터 미세유로(210)로 바이오마커가 포함된 공기가 주입될 수 있다.
기체가 미세유로(210)에 주입되는 경우, 편광이 프리즘(110)을 투과하여, 프리즘(110)과 기체가 접하는 프리즘-기체 경계면에 입사되는 입사광(10)이 형성되고, 입사광(10)의 일부가 프리즘-기체 경계면에서 반사 후 프리즘(110)을 투과하여 제1반사광(30)이 형성될 수 있다. 이와 같은 경우에도, p-파 혹은 s-파 무반사 조건에서 고감도 신호를 얻을 수 있다.
제 1 실시 예의 동작
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 7에서 보는 바와 같이, 프리즘(110)은 단일 프리즘 구조를 사용할 수 있다. 입사광(10)은 프리즘(110)을 투과하여 프리즘-완충용액 경계면(111)에 입사될 수 있다. 프리즘-완충용액 경계면(111)에서 입사광(10)은 제1반사광(30)과 투과광(20)으로 분리될 수 있다. 투과광(20)은 시료검출층(500)에서 반사되어 프리즘-완충용액 경계면(111)에 위치한 반사체(120)로 입사될 수 있다. 그리고, 반사체(120)로 입사된 투과광(20)은 반사체(120)에 의해 반사되어 다시 시료검출층(500)으로 입사 후 반사될 수 있다. 그리고, 이와 같은 복수 회 반사 및 입사에 의한 다중반사가 수행된 후 반사체(120)가 형성되지 않은 프리즘-완충용액 경계면(111) 및 프리즘(110)을 투과광(20)이 투과하여 제2반사광(40)이 형성될 수 있다. 여기서, 다중반사의 반사횟수가 증가할수록 제1반사광(30)과 제2반사광(40)은 공간적으로 분리되는 간격(각각의 광 경로 사이의 이격 거리)이 증가할 수 있다.
전술한 바와 같이, 편광검출부(400)는 제2반사광(40)을 수광하여 그 편광 상태를 분석함으로써 시료(1)의 두께나 광학적 특성과 연관된 물성정보를 추출할 수 있다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 반사체(120)를 사용하지 않는 경우, 제1반사광(30)과 제2반사광(40) 각각의 광 경로 간 간격이 작아 제1반사광(30)과 제2반사광(40)을 분리하기 용이하지 않아 각각의 반사광이 모두 편광검출부(400)로 입사될 수도 있다.
즉, 종래 기술의 경우, 프리즘(110)과 매질의 경계면에서 반사된 빛과 굴절되어 흡착층(530)으로 입사되는 빛을 분리하기가 어려웠으며, 이에 따라, 프리즘(110)과 매질의 경계면에서 반사된 빛은 굴절되어 흡착층(530)으로 입사되는 빛과 함께 편광검출부(400)에 의하여 검출되는 문제점이 발생하였다. 따라서, 상대적으로 에너지가 큰 프리즘(110)과 매질의 경계면에서 반사된 빛에 의하여 측정오차를 일으키며, 측정 감도가 저하되는 문제점이 발생하였다.
또한, 제2반사광(40)만 편광검출부(400)에 수광하기 위해서는 편광검출부(400) 전방에 별도의 광학계를 배치하건, 입사광(10)의 빔 스폿(beam spot) 크기를 최소화해야 하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점의 해결을 위해, 도 6과 도 7에서 보는 바와 같이, 프리즘(110)의 밑면에 반사체(120)를 형성함으로써, 투과광(20)의 다중반사를 유도하고, 이에 따라, 제1반사광(30)과 제2반사광(40) 각각의 광 경로 간 간격이 현저히 증가함으로써, 제1반사광(30)과 제2반사광(40)이 공간적으로 분리되어 편광검출부(400)에 제2반사광(40)이 수광될 수 있는 것이다. 이에 따라, 측정오차를 방지하여 본 발명의 미세유로 측정장치의 측정 감도를 향상시킬 수 있다.
즉, 프리즘유닛(100)으로부터 특정 거리만큼 이격되어 편광검출부(400)를 위치시키면, 제2반사광(40)과 제1반사광(30)의 이격거리가 길어진다. 따라서 편광검출부(400)로 집속되는 제1반사광(30)의 광량을 최소화할 수 있다. 또한, 편광검출부(400)의 광축을 제2반사광(40)의 광 경로에 정렬하면, 불필요하게 편광검출부(400)에 집속된 소량의 제1반사광(30)의 영향을 최소화할 수 있다. 즉, 편광검출부(400) 내부에서 진행하는 동안에 제1반사광(30)의 전파손실(propagation loss)은 제2반사광(40)의 전파손실보다 크다. 따라서, 편광검출부(400)에 도달하는 제1반사광(30)의 광량은 제2반사광(40)의 광량과 비교해, 상대적으로 극소량으로 제한될 수 있다.
결론적으로 본 발명의 미세유로 측정장치는, 시료(1)의 특성 정보를 포함하고 있는 제2반사광(40)과 제1반사광(30)과의 분리를 용이하게 함으로써, 측정오차는 물론이고, 시료(1)의 고감도 분석을 용이하게 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 p-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수에 따른 제2반사광(40)의 진폭 변화에 대한 그래프이고, 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 s-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수에 따른 제2반사광(40)의 진폭 변화에 대한 그래프이다. 여기서, 도 12와 도 13에서 각각의 그래프는 타원계측상수 Ψ 그래프이다.
여기서, 도 12의 (a)는 도 5에서 보는 바와 같이 반사체(120)에 대한 p-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 0인 경우에 대한 그래프이고, 도 12의 (b)는 도 6에서 보는 바와 같이 반사체(120)에 대한 p-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 1인 경우에 대한 그래프이며, 도 12의 (c)는 도 7에서 보는 바와 같이 p-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 2인 경우에 대한 그래프이다.
그리고, 도 13의 (a)는 도 5에서 보는 바와 같이 반사체(120)에 대한 s-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 0인 경우에 대한 그래프이고, 도 12의 (b)는 도 6에서 보는 바와 같이 반사체(120)에 대한 s-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 1인 경우에 대한 그래프이며, 도 12의 (c)는 도 7에서 보는 바와 같이 s-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 2인 경우에 대한 그래프이다.
도 12의 (a) 내지 (c) 및 도 13의 (a) 내지 (c) 각각의 그래프에서 지시하는 그래프는 굵은 선(적색)으로 표시된 그래프이다.
도 12의 (a) 내지 (c)에서 보는 바와 같이, 반사체(120)에 대한 p-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 증가할수록 제2반사광(40)의 진폭이 증가함을 확인할 수 있다(진폭이 1nm에서 3nm로 증가). 그리고, 도 13의 (a) 내지 (c)에서 보는 바와 같이, 반사체(120)에 대한 s-편광파에 의한 투과광(20)의 반사횟수가 증가할수록 제2반사광(40)의 진폭이 증가함을 확인할 수 있다(진폭이 1nm에서 3nm로 증가).
상기와 같이, 반사체(120)에 투과광(20)의 반사횟수가 증가함에 따라 제2반사광(40)의 진폭이 증가하여 증폭되는 효과를 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 미세유로 측정장치를 이용한 미세유로 측정방법에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 시료주입부(600)가 시료(1)를 검출하기 위한 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층(500)이 형성된 적어도 하나의 미세유로(210)를 포함하는 미세유로 구조체(200)에 완충용액(50)을 주입할 수 있다. 또한, 각 미세유로(210)마다 시간차를 두어 완충용액(50)을 주입할 수 있다. 또한, 일부 미세유로(210)에만 완충용액(50)을 주입하고, 나머지 미세유로(210)는 사용하지 않을 수 있다.
다음으로, 제2단계에서, 완충용액(50)에 포함된 시료(1)가 시료검출층(500)의 항체에 흡착할 수 있다. 이와 달리, 시료가 도 11의 단일 미세유로 채널 (210c)에 형성된 복수의 서로 다른 자기 조립 단층막 또는 동일한 자기 조립 단층막 위에 복수의 흡착층에 흡착함으로써 서로 다른 접합특성을 갖는 흡착층을 형성할 수도 있다. 그리고, 제3단계에서, 편광발생부(300)가 편광을 발생시킬 수 있다.
그 다음, 제4단계에서, 편광이 프리즘(110)을 투과하여 프리즘(110)과 완충용액(50)이 접하는 프리즘-완충용액 경계면(111)에 입사되는 입사광(10)을 형성할 수 있다. 그리고, 제5단계에서, 입사광(10)의 일부는 프리즘-완충용액 경계면(111)에서 반사되어 프리즘(110)을 투과하는 반사광을 형성하고, 입사광(10)의 또 다른 일부는 완충용액(50)을 투과하여 편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 시료검출층(500)에 입사되는 투과광(20)을 형성할 수 있다.
그 후, 제6단계에서, 투과광(20)은 시료검출층(500)에서 반사되어 프리즘-완충용액 경계면(111)에서 반사체(120)에 의해 거울 반사됨으로써 복수 회 반사 및 입사를 반복하는 다중반사 수행 후 프리즘(110)을 투과하여 제2반사광(40)을 형성할 수 있다. 여기서, 제5단계와 제6단계의 수행에 의하여 프리즘유닛(100)의 외부로 방출된 제1반사광(30)과 제2반사광(40)이 다중반사에 의해 공간적으로 완전히 분리될 수 있다.
다음으로, 제7단계에서, 편광검출부(400)가 제2반사광(40)의 편광 변화를 검출할 수 있다. 그리고, 제8단계에서, 제2반사광(40)의 편광변화에 기초하여 시료검출층(500)에 흡착된 시료(1)의 농도를 검출할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 먼저 검광자(410)가 흡착층(530)에서 타원 편광된 제2반사광(40)을 수광하여 편광특성에 따른 광만 통과시키게 될 수 있다. 다음으로, 광검출기(420)가 제2반사광(40)의 편광 성분의 변화를 검출함으로써 소정의 광학데이터를 얻게 되고, 이를 전기적인 신호로 변환하여 연산처리기(430)로 전송할 수 있다.
다음으로, 반사율 측정법 또는 타원계측법을 이용한 프로그램이 내장된 연산처리기(430)가 전기신호로 변환된 광학데이터를 추출 및 해석하고, 시료의 흡착농도, 흡착 및 해리상수, 굴절률, 완충용액의 굴절률과 같은 측정값을 도출하게 된다.
이때, 본 발명은 연산처리기(430)가 타원계측법의 위상차에 관한 타원계측상수 △를 구하여 완충용액(50)의 굴절률 측정값을 측정하고 진폭비에 관한 타원계측상수 Ψ를 측정하여 접합동특성을 구할 수 있다. 그 이유는 p-편광파 무반사 조건에서 위상차에 관한 타원계측상수 △는 완충용액의 굴절률 변화에만 민감한 변화를 보이고 접합특성에는 거의 영향을 받지 않기 때문에 완충용액(50)의 굴절률 변화만을 측정할 수 있는 장점이 있고, 진폭비에 관한 타원계측상수 Ψ는 주로 물질의 접합특성에 고감도로 변하기 때문이다.
따라서, 완충용액에 포함되어 유입되는 시료의 접합특성은 Ψ로 측정하고 완충용액에 용해될 때 변하는 굴절률이나 시료를 용해하기 위해 사용한 DMSO 등의 용매를 포함한 완충용액의 굴절률 변화는 △로 동시에 측정하여 순수한 접합특성만을 구하게 될 수 있다.
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 실시 예들은 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.
본 발명의 범위는 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.
1 : 시료 2 : 리간드
10 : 입사광 20 : 투과광
30 : 제1반사광 40 : 제2반사광
50 : 완충용액 100: 프리즘유닛
110 : 프리즘 111 : 프리즘-완충용액 경계면
120 : 반사체 200: 미세유로 구조체
200a : 제1구조체 200b : 제2구조체
200c : 미세유로 채널층 210 : 미세유로
210a : 유입로 210b : 배출로
210c : 미세유로 채널 212 : 제1유입구
214 : 제2유입구 216 : 제1배출구
218 : 제2배출구 220 : 지지대
300: 편광발생부 310 : 광원
320 : 편광자 330 : 시준렌즈
340 : 집속렌즈 350 : 제1보상기
400: 편광검출부 410 : 검광자
420 : 광검출기 430 : 연산처리기
440 : 제2보상기 450 : 분광기
500 : 시료검출층 510 : 기판
520 : 유전체 박막 530 : 흡착층
600 : 시료주입부
10 : 입사광 20 : 투과광
30 : 제1반사광 40 : 제2반사광
50 : 완충용액 100: 프리즘유닛
110 : 프리즘 111 : 프리즘-완충용액 경계면
120 : 반사체 200: 미세유로 구조체
200a : 제1구조체 200b : 제2구조체
200c : 미세유로 채널층 210 : 미세유로
210a : 유입로 210b : 배출로
210c : 미세유로 채널 212 : 제1유입구
214 : 제2유입구 216 : 제1배출구
218 : 제2배출구 220 : 지지대
300: 편광발생부 310 : 광원
320 : 편광자 330 : 시준렌즈
340 : 집속렌즈 350 : 제1보상기
400: 편광검출부 410 : 검광자
420 : 광검출기 430 : 연산처리기
440 : 제2보상기 450 : 분광기
500 : 시료검출층 510 : 기판
520 : 유전체 박막 530 : 흡착층
600 : 시료주입부
Claims (11)
- 지지대와 상기 지지대 상에 형성되고 시료를 검출하기 위한 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나 이상의 미세유로를 포함하는 미세유로구조체;
상기 시료를 포함하는 완충용액을 상기 미세유로에 주입하는 시료주입부;
단일 프리즘 구조를 구비하는 프리즘 및, 상기 프리즘의 밑면에 거울 반사 코팅되어 반사면이 상기 시료를 향해 형성되는 반사체를 구비하는 프리즘유닛;
편광(polarized light)을 발생시키는 편광발생부; 및
반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부;를 포함하고,
상기 편광은 상기 프리즘을 투과하여 상기 프리즘과 상기 완충용액이 접하는 프리즘-완충용액 경계면에 입사되는 입사광을 형성하고,
상기 입사광의 일부가 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 반사 후 상기 프리즘을 투과하여 제1반사광이 형성되며, 상기 입사광의 또 다른 일부가 상기 프리즘-완충용액 경계면을 투과한 후 투과광을 형성하고, 상기 투과광이 상기 시료검출층과 상기 반사체에 의해 복수 회 반사 및 입사를 반복하는 다중반사 수행 후 상기 프리즘을 투과하여 제2반사광이 형성되고,
상기 반사체의 길이는 상기 투과광의 반사횟수에 따라 가변되며,
상기 제1반사광과 상기 제2반사광이 상기 다중반사에 의해 공간적으로 완전히 분리되어 상기 제2반사광만 상기 편광발생부로 입사됨으로써, 상기 편광검출부로 집속되는 상기 제1반사광의 영향을 방지하여, 상기 시료에 대한 고감도 분석이 용이한 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 입사광의 또 다른 일부는 상기 완충용액을 투과하여 p-편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 상기 시료검출층에 입사되는 투과광을 형성하고, 상기 투과광은 상기 시료검출층에서 반사되어 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 상기 반사체에 의해 거울 반사됨으로써 상기 다중반사 수행 후 상기 프리즘을 투과하여 제2반사광을 형성하는 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 시료검출층은
기판,
상기 기판의 상부에 형성된 유전체 박막, 및
상기 유전체 박막의 상부에 형성된 흡착층을 포함하고,
상기 흡착층에는 상기 시료를 검출하기 위한 상기 생체 결합물질이 고정화된 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 다중반사를 통하여 상기 시료에서 빛이 복수 회 반사하여 상기 p-편광파 무반사 반사율이 낮아지는 경우, 상기 유전체 박막의 두께를 증가시켜 상기 투과광의 신호 강도 저하를 방지하는 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 다중반사를 통하여 상기 시료에서 빛이 복수 회 반사하여 상기 p-편광파 무반사 반사율이 낮아지는 경우, s-편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 상기 시료검출층에 입사되는 상기 투과광을 형성하여, 상기 투과광의 신호 강도 저하가 방지되는 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 기판은 실리콘, 유전체 또는 반도체 중 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 편광검출부는, 상기 제2반사광의 편광변화에 기초하여 상기 흡착층에 흡착된 상기 시료의 두께 또는 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 편광발생부는, 상기 프리즘을 통해 입사하는 상기 입사광의 광량을 조절하고, 상기 프리즘-완충용액 경계면상에 형성되는 상기 입사광의 빔 스폿(beam spot)의 형태를 제어하는 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 시료주입부는, 공기나 기체에 포함된 바이오마커를 측정하기 위하여, 상기 완충용액 대신에 기체를 상기 미세유로에 주입하는 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 9에 있어서,
상기 기체가 상기 미세유로에 주입되는 경우, 상기 편광이 상기 프리즘을 투과하여, 상기 프리즘과 상기 기체가 접하는 프리즘-기체 경계면에 입사되는 입사광이 형성되고,
상기 입사광의 일부가 상기 프리즘-기체 경계면에서 반사 후 상기 프리즘을 투과하여 상기 제1반사광이 형성되는 것은 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치.
- 청구항 1의 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치를 이용한 측정방법에 있어서,
시료주입부가 상기 시료를 검출하기 위한 상기 생체 결합물질이 고정화된 상기 시료검출층이 형성된 적어도 하나의 미세유로를 포함하는 상기 미세유로 구조체에 완충용액을 주입하는 제1단계;
상기 완충용액에 포함된 상기 시료가 상기 시료검출층의 항체에 흡착하는 제2단계;
상기 편광발생부가 편광을 발생시키는 제3단계;
상기 편광이 상기 프리즘을 투과하여 상기 프리즘과 상기 완충용액이 접하는 상기 프리즘-완충용액 경계면에 입사되는 입사광을 형성하는 제4단계;
상기 입사광의 일부는 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 반사되어 상기 프리즘을 투과하는 상기 제1반사광을 형성하고, 상기 입사광의 또 다른 일부는 상기 완충용액을 투과하여 편광파 무반사 조건을 만족하는 입사각으로 상기 시료검출층에 입사되는 투과광을 형성하는 제5단계;
상기 투과광은 상기 시료검출층에서 반사되어 상기 프리즘-완충용액 경계면에서 상기 반사체에 의해 거울 반사됨으로써 복수 회 반사 및 입사를 반복하는 다중반사 수행 후 상기 프리즘을 투과하여 제2반사광을 형성하는 제6단계;
상기 편광검출부가 상기 제2반사광의 편광 변화를 검출하는 제7단계; 및
상기 제2반사광의 편광변화에 기초하여 상기 시료검출층에 흡착된 시료의 농도를 검출하는 제8단계;를 포함하고,
상기 프리즘유닛의 외부로 방출된 상기 제1반사광과 상기 제2반사광이 상기 다중반사에 의해 공간적으로 완전히 분리된 것을 특징으로 하는 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정방법.
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| JP2022565873A JP7403003B2 (ja) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | 多重反射液浸シリコン基盤の微細流路測定装置及び測定方法 |
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| US17/921,706 US20230168185A1 (en) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | Device and method for multi-reflection solution immersed silicon-based microchannel measurement |
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| KR1020200121427A KR102418637B1 (ko) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | 다중반사 액침 실리콘 기반 미세유로 측정장치 및 측정방법 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR101236429B1 (ko) * | 2004-09-27 | 2013-02-22 | 퀄컴 엠이엠에스 테크놀로지스, 인크. | 광 미소 기전 시스템 및 구조 |
| KR101684138B1 (ko) | 2015-06-30 | 2016-12-21 | 한국표준과학연구원 | 경사 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법 |
| KR101884091B1 (ko) | 2016-11-30 | 2018-08-02 | 한국표준과학연구원 | 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법 |
| KR102056971B1 (ko) * | 2017-12-28 | 2019-12-19 | 한국표준과학연구원 | 이중 프리즘 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법 |
Family Cites Families (7)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101236429B1 (ko) * | 2004-09-27 | 2013-02-22 | 퀄컴 엠이엠에스 테크놀로지스, 인크. | 광 미소 기전 시스템 및 구조 |
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| KR101884091B1 (ko) | 2016-11-30 | 2018-08-02 | 한국표준과학연구원 | 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법 |
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