KR20010101642A - 박막 전자발광 장치를 포함하는 광센서 및 어레이 - Google Patents

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KR20010101642A
KR20010101642A KR1020017009250A KR20017009250A KR20010101642A KR 20010101642 A KR20010101642 A KR 20010101642A KR 1020017009250 A KR1020017009250 A KR 1020017009250A KR 20017009250 A KR20017009250 A KR 20017009250A KR 20010101642 A KR20010101642 A KR 20010101642A
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thin film
sensor
electroluminescent device
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optical sensor
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KR1020017009250A
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조나단 더블유. 아일로트
조 첸-에스터-리트
존 에이취. 프리에들
라울 코펠만
바딤 엔. 사바티브
조세프 쉬나
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추후제출
아이오와 스테이트 유니버시티 리서치 파운데이션, 인코퍼레이티드
추후
리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간
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Abstract

본 발명은 화학적, 생물학적, 물리학적 분석을 위한 광센서, 프로브 및 어레이 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 분석물-민감성층을 구동시켜 광응답을 제공하는 박막 전자발광층에 광학적으로 연결된 분석물-민감성층을 포함한다.

Description

박막 전자발광장치를 포함하는 광센서 및 어레이{OPTICAL SENSORS AND ARRAYS CONTAINING THIN FILM ELECTROLUMINESCENT DEVICES}
분석물(analyte)의 검출 및 검량은 의학, 생화학, 분석화학, 주거 안전, 미세전자공학, 환경, 국방, 법률 등 각 분야에 있어서 주요 관심사의 하나이다. 광학적인 센싱 및 프로빙은, 분석물을 소모시키며 긴 응답시간을 가지며 생체내에서의 사용에 많은 제한이 따르며 다양한 오염물질에 의해 오염의 우려가 있는 전자화학 센서의 대체안이다. 분석물을 검출하는 광학적인 방법에 대하여 다양한 연구가 보고되었는데, 그 중 하나는 분석물-침투성 층에서 염료가 고정된다는 것이다. 특히, 이러한 연구는 분석물에 의해 광발광(PL; photoluminescence)이 영향을 받는 센서를 포함한다. 즉, 구체적으로 광발광 밀도, 스펙트럼, 감쇄시간 또는 편광에 영향을 미친다.
상업적으로 이용가능한 광센서는 전형적으로는 광원으로 III 내지 V 족 원소의 단결정 무기 합성물 발광다이오우드(LED)를 사용한다. 그러나, 센서에 빛을 전달하고 판독용 광발광을 집적시킬 광적 구성요소를 설치하여야 하는 필요성이 장치의 복잡성, 크기, 비용을 증가시킨다. 질화갈륨(GaN)을 기초 성분으로 하는 단결정 무기 LED 또한 실리콘 기술과 양립할 수 없으며, 따라서 집적 멀티센서 어레이의 제작을 허용하지 아니한다.
미국특허 제5,517,313호는 발광다이오우드로서 P-N 접합을 사용하는 광센서에 관한 것이다. LED는 분석물이 흡수될 수 있으며 지시약 분자를 포함하고 있는 지시약 층 내에 위치한다. 분석물의 존재는 지시약 분자로부터 방출되는 빛의 양을 변화시킨다. 방출된 빛은 광검출기에 투사된다. 광검출기로부터의 전류량은 분석물을 검출하기 위해 사용되는 투사광에 의존한다. 미국특허 제5,894,351호는 P-N 접합 평면에 수직한 방향으로 정공을 가지는 발광 P-N 접합을 포함하는 광센싱 장치에 관한 것이다. 접합부를 가로질러 전위가 작용함에 따라, 빛은 접합부로부터 정공 속으로 방출된다. 정공은 분석물이 흡수될 수 있는 형광 매트릭스를 포함한다. 정공의 일측 단부의 광검출기는 형광 매트릭스에 의해 방출된 빛에 응답하는 전기 신호를 생성한다. 그러나, P-N 접합 LED는 전형적으로 기존 실리콘 기술과는 호환될 수 없는 물질로부터 만들어지므로, 집적 멀티센서 어레이의 제작이 불가능하다. 또한, P-N 접합 LED는 PL 신호를 수집하기 위해 "역 검출"을 활용할 수 있는 소형의 간단한 센서가 가능하도록 투명하게 제작될 수 없다. 또한, P-N 접합 LED는 온도에 민감한 유기질의 바이오화학 센서 물질들이 집적되기에는 너무나 높은 온도에서 제작된다.
다양한 멀티컬러의 박막 전자형광(EL) 장치가 선행기술로서 알려져 있다. 예를 들어, 유기발광장치(OELD; organic light emitting devices)로는 미국특허 제4,356,429호, 제4,539,507호, 제4720,432호, 제4,769,292호, 제4,885,211호, 제5,703,436호와 유럽특허 제92311760.0호 및 제93107241.7호가 있다. 상기한 박막전자형광장치(TFELD; thin film eletroluminescent devices)로는 미국특허 제5,352,906호, 제5,821,690호, 제5,399,502호, 제5,807,627호가 표시장치로 사용되고 있다고 알려져 있다. 그러나, 현재까지 광센서나 프로브를 구동시키기 위한 TFELD의 사용에 대해서는 어떠한 개시도 되어 있지 않으며, 더욱이 새로운 광센싱과 프로빙 기술 분야에서 TFELD를 사용함으로써 달성되는, 본 발명이 가지는, 놀라운 장점에 대해서는 거의 인지되고 않고 있다.
본 발명은 생물학적, 화학적, 물리학적 분석물(analyte)의 검출 및 검량을 위한 박막 전자발광장치(TFELD; thin film electroluminescent devices)-구동형 광센서, 프로브(probe), 집적형 멀티프로브 및 멀티센서 어레이(array)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 집적 OLED 프로브 또는 센서의 개략도이다.
도 2는 직접 전달 형상을 가지는 본 발명에 따른 광센서를 도시한다.
도 3은 도 2의 센서의 EL 및 PL 광로의 개략도이다.
도 4는 링 또는 편자 형상을 가지며 PL 역검출을 행하는 본 발명의 광센서를 도시한다.
도 5는 도 4의 센서의 EL 및 PL 광경로의 개략도이다.
도 6은 투명 TFELD를 이용한 역검출모드에서의 본 발명의 센서를 도시한다.
도 7은 도 6의 센서의 EL 및 PL 광경로의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 멀티센서 어레이를 도시한다.
도 9는 펄스 바이어스 하에서의 청색 OLED의 전자발광을 도시한다.
도 10은 졸-겔 매트릭스 내에서 고정된 Ru(dpp) 염료의 여기, 흡수 및 PL 스펙트럼을 도시한다. PL은 질소, 공기, 산소라는 세 가지 환경 및 OLED의 EL 이미션 으로 도시된다.
도 11은 직접전달모드에서 수집되고 청색 OLED에 의해 여기된 Ru(dpp) 산소 센서의 PL을 도시한다. OLED는 펄스모드로 작동된다.
도 12는 직접전달모드에서 수집되고 청색 OLED에 의해 여기된 Ru(dpp) 산소센서의 PL 밀도 변화를 산소 농도 변화에 따른 반응으로 도시한다. OLED는 펄스모드로 작동된다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 직접전달모드에서 수집된 시간-분해성 PL 및 EL을 도시한다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 600±15 nm의 대역통과필터를 사용한 직접전달모드에서 수집되는 시간-분해성 및 스펙트럼-분해성 PL 및 EL을 도시한다.
도 15는 600±15 nm의 대역통과필터를 사용한 직접전달모드에서 수집되는 스핀-코팅된 센서의 시간-분해성 및 스펙트럼-분해성 PL 및 EL을 도시한다.
도 16은 550nm의 고역통과필터를 사용한 역검출모드에서 수집된 시간-분해성 및 스펙트럼-분해성 PL 및 EL을 도시한다.
현재 요구되고 있는 것은, 모니터링 및 검량이 가능하며, 사용하기에 편리하고, 양질의 민감도 및 특성을 가지며, 소모가 된다는 관점에서도 그리 비싸지 않으면서 실시간으로 분석물을 분석할 수 있는, 광센서, 프로브, 멀티센서이다.
본 발명은 다양한 범위의 생물학적, 화학적, 물리학적 분석물을 측정하기 위한 광센서, 프로브, 접적된 멀티센서 및 멀티프로브 어레이를 제공한다. 센서, 프로브 및 어레이는 광학적으로 박막 전자발광장치에 연결되어 있는 분석물에 민감한층을 포함한다. TFELD는 유리 또는 기타 적당한 투명 기판의 한 표면 위에 퇴적된다. 기판의 다른 표면은 센서층을 지지하여, 예를 들어 염색 분자를 포함하는 중합 매트릭스와 같은 센서 층이 분석물에 노출될 수 있도록 한다. 따라서, 센서층과 TFELD는 기판의 서로 반대되는 면위에서 상호 접하고 있는 구조를 취한다. TFELD는 TFELD의 발광성 박막층으로부터 전자발광(EL)을 일으키는 전원에 연결된다. 이 EL이 광응답을 제공하는 센서층을 자극한다. 광응답은 분석물의 존재에 따라 다양하게 변화한다. 응답은 광다이오우드 CCD 어레이 또는 기타 적당한 광검출기에 의해 검출되고, 분석물의 성분을 알아내지 위하여 분석된다.
본 발명은 또한 미세전자 구조에서 온-칩(on-chip) 형태로 구비되는 많은 수의 센서 픽셀 및 대응 TFELD(집합적으로는 "센서 유니트"로 불림)를 포함하는 어레이를 제공한다. 실리콘 기술을 통하여 작은 측방향 길이를 가지는 TFELD-구동형 광센서 유니트는 본 발명의 "lab-on-chip" 분야에서도 특별한 이점을 제공한다. 본 발명의 TFELD-구동형 센서 유니트는 투명한 소형 기판 상에 수천개의 장치의 어레이로서 용이하게 제공된다. 기존 기술은 400×400 ㎟ 크기의 기판 위에, 시간당 생산량이 기판 10개 이상인 시스템으로, 센서 유니트를 퇴적시키는 것이 가능하였다. 3족 내지 5족 원소의 화합물인 단결정-구동형 센서와 비교하면 재료의 비용도 저가이고, 퇴적 조건도 까다롭지 않다. 또한, 본 발명의 센서 유니트는 또한 미세표시장치 기술분야에서도 용이하게 집적이 가능하다.
유기 발광장치(OLED)와 같은 TFELD의 사용은, 예를 들어 광학적으로 투명한 TFELD을 채용함으로써 신호를 역검출할 수 있는 센서 구조가 가능하게 한다. "역검출"이란, 광검출기가 TFELD와 동일한 기판면 위에 위치하며; 센서 또는 프로브에 의해 방출되는 분석물에 대한 정보를 전달하는 제 2 광(PL)은 TFELD를 통과한다는 것을 의미한다. 본 발명의 장치는 양호하게는 투명 광원을 통하여 역검출이 가능하도록 제작된다. 이러한 형상과 EL의 센서층과의 직접적인 접합 및 본 발명의 기타의 이점은 제품의 소형화, 제조의 용이화, 저비용화, 미세전자 구조 내에서 온-칩 방식의 박막 센싱 어레이의 제조 및 사용을 보다 용이하게 한다.
본 발명의 특정 실시예는 축소된 고체 상태의 산소 센서에 관한 것이다. 센서층은, 다공성 졸-겔 매트릭스 내에서 불활성이며 광발광(PL) 밀도 및 감쇄시간(수명)이 산소 분자에 의해 낮아지는 예를 들어 tris(4,7-바이패닐-1,10-패난트롤린)Ru(II)-염화물(Ru(dpp))로 이루어지는 박막일 수 있다. Ru(dpp) 센서층은 Ru(dpp)를 위해 펄스 형태 또는 연속된 자극을 제공하는 블루 OLED 또는 기타 TFELD의 역표면 상에 직접 부착될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예는 이온물, 누클레오티드, 항체, 효소, 기타 생물학적 활성부를 탐지하기 위해 센싱 전략부 및 지시약 시스템을 이용하는 광-바이오센서에 관한 것이다. 이러한 측면에서 본 발명은 이하에서 자세히 설명되는 바와 같이, TFELD-구동형 이온 상관(相關) 센서, 효소 센서, 면역 센서, 분자 비콘(beacon)을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예는 예를 들어, 사람이 착용하여 상시적으로 판독할 수 있는 상태가 가능할 정도로 소형이면서 능동적인, 소모성 집적 OLED/프로브 또는 센서 선량계를 제공한다. 실시간 판독이 가능하면 분석을 위해 실험실로 측정장치를 보내야 할 필요가 없어진다. 만일 어떤 사람이 유해한 환경에 노출된다면, 분석 결과의 접수를 기다리는 것보다는 처방 행위가 즉시 취해질 수 있다. 탐지용 화학제는 작업자가 노출될 가능성이 높은 감염균 또는 기타 분석물에 따라 선택될 수 있으며 다양한 유해 물질이 동시에 모니터될 수 있다. 또한, 소모성 집적 프로브 또는 센서가 용이하게 대체된다.
본 명세서에서 "집적"이란 용어는, 본 발명의 양호한 장치가 TFELD 광원 및 센서층이 병치되도록 구성되며, 이 때 각 센서 유니트는 단일한 센서 유니트로 작용하는 둘 또는 그 이상의 박막층(분석물에 민감한 센서층 및 TFELD)으로 구성된다는 것을 의미한다. 별도의 지시 사항이 없다면, 본 명세서의 "센서", "멀티센서", "센싱", "센서 유니트"라는 용어는 "프로브", "멀티프로브", "프로빙", "프로브 유니트"를 포함하며, 그 역 또한 성립한다.
본 발명의 또 다른 특정 실시예로서, 보호 의복의 사용자는 의복의 상태에 대한 실시간 정보를 얻을 수 있다. 보호 의복을 위해 제공되는 안전도는 의복이 완전한 상태를 전제로 한 것이다. 본 발명은 가스 마스크 또는 기타 보호 장치에 장착되어 그 내부의 대기 상태를 측정하기 위한 소형 프로브 또는 센서 장치를 제공한다. 공기의 성분이 변화하여 위험한 상태가 된다면, 장치는 실시간으로 경고를 하여 보정 행위를 취하도록 한다. 본 발명의 잠재적인 사용자로는 소방관, 오염물 처리업 종사자, 의료업 또는 바이오-의료업 종사자, 군인 등을 들 수 있다. 또한, 소모성 센서가, 예를 들어 미세전자 청정실, 조제실 또는 기타 설비의 누설 또는 오염이 의심되는 위치 또는 그 근방에 부착되는 "응급 센서 장비"를 형성하기 위해제공되어, 나트륨, 다양한 염소 또는 불소 기반의 산, 또는 기타 유해 오염물을 탐지하고 위치를 파악하여 제거함으로써, 생산 라인의 중단 및 그에 따른 손실을 방지한다. 또 다른 실시예에 있어서는, 법 집행자는 용의자나 희생자의 인체, 의복, 소유물 중에 총기 화약류, 불법 약품, 폭약물, 알코올 증기가 남아 있는지 여부를 탐지할 수 있도록 하는 저가의 소모성 슬립 센서를 구비할 수 있다. 유사하게, 전투 군인 및 군의병은 화학전 또는 생물학전 약제의 유무, 공기, 에어졸 또는 건물의 오염된 표면, 차량, 탄약, 무기 내부에 방사선 오염 여부, 및 물이나 공급 음식 내에 독이 있는지 여부를 검사할 수 있는 "개인 보호 장비"를 구비할 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타의 장점은 이하 도면과 함께 제공되는 발명의 상세한 설명에 의해 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 광학 프로빙 및 센싱 장치 및 방법은 얇은 층의 프로빙 및 센싱 화학제와 광원(TFELD)를 결합시키는데, 결합 방식은 상호 접촉하여 마주보도록 배치되거나 또는 투명 기판을 사이에 두고 상호 반대면에 위치하도록 배치될 수 있다. 선택적으로, 프로브 또는 센서 층은 TFELD 위에 직접 퇴적될 수 있다. 광원은 양호하게는 기판 또는 적당한 밀폐층에 의해 분석물로부터 밀폐되어 있는데 반해, 프로브 또는 센서는 분석물에 노출되어 있다.
각 프로브 또는 센서 유니트는 선택성 지시약 분자, 화합물, 또는 분석물 또는 샘플 내의 관심 배위자(ligant)와의 반응을 위한 기타 약제를 포함한다. 프로브 또는 센서는 단일 분석물 또는 샘플 내의 배위자의 존재를 검출하고 탐지하기 위한 선택성 지시약제에 의해 발생되는 광반응에 의존한다. 다중 분석물 또는 배위자를 검출하기 위해서, 각기 다른 특성을 지닌 개개의 프로브 또는 센서 유니트가 연속하여 함께 사용된다. 프로브 또는 센서의 특정 광신호의 생성은, 비색계 또는 형광 염료, 선택성 막중합제, 또는 효소나 항체와 같은 생물학적 수용체를 포함하는, 다양한 각각의 지시약제를 사용하여 달성될 수 있다. 각 경우에, 적어도 하나의 프로브 또는 센서 유니트가 각 분석물 또는 관심 배위자의 검출을 위해 제공된다. 일부 센서 유니트는 또한 내적 기준으로 작용하며 분석물 존재시 그 광반응을 변화시키지 않는 지시약제를 사용할 수 있다. 각 센싱 요소는 각 TFELD와 짝지어질 수 있는데, 양호하게는 지시약제 및/또는 센서 층의 흡수 상수는 선택된 TFELD의 방출 최고점에서 상대적으로 높다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 프로브 또는 센서 유니트는 투명 기판(1)을 전형적으로 포함하며, 이 투명 기판(1)은 투명 기판의 상부 표면(3)에 부착되는 프로브층 또는 센서층(2)을 가진다. 기판(1)의 반대면은 TFELD(4)를 지지하는데, TFELD는 발광층(5) 및 아노드(6)와 케소드(7)의 두 전극을 포함한다. 작동 중에, 전선(8)으로부터 음극 바이어스가 케소드(7)로 부가되고, 전선(9)으로부터 양극 바이어스가 아노드(6)로 부가되어, 발광층(5)으로 하여금 예정된 소정의 파장을 가지는 전자발광 광선(94)을 기판(1)을 통하여 센서층(2)으로 조사시키도록 한다. 센서층 또는 프로브층(2)은 전자발광 파장에 대한 광응답을 방출하며, 이러한 응답은 샘플 내의 특정 분석물의 존재, 양, 부재 또는 프로프층 또는 센서층(2)이 노출되는 주변 여건에 의존한다. 분석물은 파장, 밀도, 및/또는 프로브층 또는 센서층(2)의 광반응의 감쇄 수명을 측정함으로써 검출될 수 있다.
각 프로브층 또는 센서층(2)은 예를 들어 중합체 매트릭스, 지지체, 또는 기타 캐리어에 의해 형성되는 박막 및 염료와 같은 지시약제를 포함하며, 전형적으로는 0.01 내지 1,000 미크론 범위의 두께를 가지는 분리된 막의 형태로 나타나는데, 이 중 0.5 내지 15 미크론이 가장 양호하다. 박막은 투명하거나 반투명일 수 있다. 0.01 내지 1,000 미크론의 두께가 가능하므로, 얇은 막일수록 실질적인 광밀도(즉, 흡수성)를 나타내지 아니한다.
박막의 프로빙층 또는 센싱층(2)은 전형적으로는 평평하고 부드러운 규칙적인 기하 형태를 가진다. 그러나, 선택적인 물리학적 형상 또한 가능한데, 모발형, 슬리브형, 우물형, 공동형, 또는 각각의 적용예에 대응하여 특정되는 불규칙한 형태 또는 짜임새를 취할 수 있다. 박막의 유연성 및 장력은 사용되는 중합체 또는 기타 매트릭스 또는 캐리어 물질에 따라 달라진다. 이러한 변수는, 사용자가 예를 들어 잘 알려진 다양한 중합체 성분들 중에서 어떤 특정한 성분을 선택하느냐, 및 횡단-결합 농도, 기능적인 동족 변태(group modification) 및 기타 사항을 선택하느냐에 따라, 제공되며 제어된다.
지지 기판(1)은 또한 다양한 크기, 형상, 외형을 가질 수 있으며, 기하학적으로 규칙적 또는 불규칙적일 수 있으며, 하나 또는 유리, 플라스틱, 또는 복합재료와 같은 각기 다른 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 지지 기판(1)은 빛이 통과할 수 있는 반투명 또는 투명 물질이다. 다른 적용예에서는, 컬러 필터 또는 분광기와 같은 광 활성물질이 기판(1)으로 사용될 수 있다. 센싱 유니트를 고정하고 움직이지 않도록 하기 위해서는 투명 또는 반투명 기판을 사용하는 것뿐만 아니라, 지지 기판으로서 다양한 유연성 있는 플라스틱 판지 또는 광섬유를 사용하는 것이 가능하다. 지지 기판(1)은 각 프로브 또는 센서 층(2) 및 TFELD(4)를 위한 PL 및 EL 방출의 물리적 위치 및/또는 안내자로서 기능한다.
프로브 또는 센서 유니트는 먼저 완전한 박막체(프로브 또는 센서 및/또는 TFELD)로 제조될 수 있는데, 그후 이 박막체는 적합한 접착제, 음향 용접, 또는 기타 부착 수단을 이용하여 지지 기판의 표면에 부착된다. 선택적으로는, 프로브 또는 센서 층 및/또는 TFELD는 개별적으로 주조되거나 또는 본래의 위치가 지지 기판의 표면 바로 위가 되도록 퇴적되거나 형성될 수 있다. 예를 들어, 염료 화합물과 다양한 단체가 혼합물 내에서 결합되고, 그후 센싱 유니트의 박막 프로브 또는 센서 층(2)을 형성하기 위해 외부 표면 바로 위에서 중합된다. 이와 유사하게 TFELD(4)는 미리 제조된 후 부착되는 방식 또는 기판(1) 위에서 층층으로 퇴적되는 방식을 취할 수 있다.
박막 전자발광장치는 전기 에너지를 케소드, 아노드, 발광 활성층을 이용하여 전자기 방사로 전환한다. 전형적으로는, 이들 전자발광장치는 그 두께가 약 1 미크론(μ) 이하이다. 단결정 장치인 P-N 접합 LED와는 달리, TFELD는 저전압 또는 고전압, 단결정, 다결정, 무정형일 수 있으며, 또한 확대 영역 장치로 제공될 수 있으며, 캐리어 주입 또는 용량형 결합에 의해 작동될 수 있다. TFELD는, 전형적으로는 가시광선 영역에서 적외선에 근접한 영역 즉 400 내지 1300 nm의 영역에서 빛을 방사하는, 고체 상태의 무기질 장치일 수 있다. 보통, 고체 상태의 무기질 TFELD는 원소 주기율표에서 IIB족, IIIA족, IVA족, VA족 중에서 선택된 원소를 포함한다. 예를 들어, TFELD는 다결정의 황화아연(ZnS) 또는 셀렌화아연(ZnSe)으로 이루어질 수 있다. TFELD는 또한 유기질 분자를 기초로 구성될 수도 있다. 다양한 π결합 분자 및 중합체를 가지는 고 광발광 양자 수율 때문에, 높은 인가 전기장(주입 EL) 하에서 전하 주입을 통한 빛의 방출이 가능하다. 예를 들어, Alq3, DPVBi, 및 폴리(3-알킬티오펜)(P3PATs), 폴리(p-페닐렌비닐렌)(PPVs), 폴리(p-페닐렌)(PPPs) 및 이들의 사다리형 유도체, 폴리(알킬플루오렌) 및 이들로부터 유도된 중합체 등과 같은 π결합 중합체가 TFELD의 활성 발광층을 구성할 수 있다. 가장 양호하게는, 센서 유니트의 TFELD가 400 nm 또는 이보다 장파장에서 적어도 90%의 전달률을 가진다. 즉, TFELD는 양호하게는 필수적으로 무색이다.
도 1에 도시된 바와 같이, TFELD(4)는 예를 들어 유리나 유연성 플라스틱으로 이루어진 기판(1) 위에서 아노드(6)를 포함한다. 아노드(6)는 전형적으로는, 예를 들어 산화인듐주석, 폴리아닐린, 구리 프탈로시아닌(CuPc)으로된 피복을 포함하며, 그 위에 정공-전달층(10)이 퇴적된다. 특히 양호한 실시예에서는, 정공전달층(10)은 제 1 및 제 2 정공전달층을 포함하여, 제 1 층은 양호하게는 4,4',4"-tris(N-(3-메톡시패닐)-N-패닐-아민-트리패닐아민)("3AS"), MTDATA, 또는 CuPc 로 이루어지고, 제 2 정공전달층은 N,N', 바이패닐-N,N'-bis(3-메틸패닐)-(1,1'-바이패닐)-4,4'-디아민("트리패닐 디아민" ; "TPD")으로 이루어진다. 정공전달층의 어느 하나 또는 양자 모두는 또한 N,N'-바이패닐-N,N'-bis(1-나프틸)-1,1'-바이패닐-4,4'-디아민(알파-NPD)을 포함할 수 있다. 예를 들어 C.W.Tang 등의 "유기 전자발광다이오우드"(응용물리 레터 51호, 913 내지 915면, 1987년), C.W.Tang 등의 "도핑된 유기 박막의 전자발광"(응용물리 저널 65호, 3610 내지 3616면, 1989년), S.E.Shaheen 등의 "LiF/Al 캐소드를 사용하여 개선된 색순도를 가지는 명청색 유기광 방출 다이오우드"(응용물리 저널 84호, 2324면, 1998년), D.F.O'Brien 등의 "전자인광장치 내에서의 개선된 에너지 전달"(응용물리 레터 74호, 442면, 1999년)을 참고할 수 있다. 전자전달층(5)은 정공전달층(10) 위에 퇴적되며, 상기 층(5, 10) 중 하나 또는 양호하게는 둘 모두가 빛을 방출하고 1 미크론 이하의 박막을 포함한다. 전자전달층(5)은 양호하게는 8-tris-(하이드록시 퀴놀린) Al("Alq3")(녹색이미터), 아미노 옥사디아졸플루오렌("AODF")(청색 이미터), 4,4'-bis(2,2'-바이페닐비닐)-1,1'-바이페닐("DPVBi")(청색 이미터), 4,4'-N,N'-디카르바조릴 바이페닐("CBP")(게스트호스트 청색 이미팅층을 위한 호스트), 또는 디스티릴아릴렌("DSA")(청색 내지 적색 이미터)을 포함한다. 예를 들어 C.W.Tang 등의 "유기 전자발광다이오우드"(응용물리 레터 51호, 913 내지 915면, 1987년), C.W.Tang 등의 "도핑된 유기 박막의 전자발광"(응용물리 저널 65호, 3610 내지 3616면, 1989년), S.E.Shaheen 등의 "LiF/Al 캐소드를 사용하여 개선된 색순도를 가지는 명청색 유기광 방출 다이오우드"(응용물리 저널 84호, 2324면, 1998년), D.F.O'Brien 등의 "전자인광장치 내에서의 개선된 에너지 전달"(응용물리 레터 74호, 442면, 1999년)을 참고할 수 있다. 케소드(7)는, 양호하게는 알루미늄, 또는 Mg0.9Ag0.1이 부가되는 플루오르화리튬 또는 플루오르화세슘으로 구성되며, 상기 층(5) 위에 퇴적되며, 전선(8, 9)이 TFELD를 전원에 연결한다. 전원이 인가되면, 아노드(6)에서 생성된 정공이 양 층(5, 10) 사이공간으로 전달되며, 이곳에서 케소드(7)로부터 전달된 전자와 결합되어 가시광성(94)을 생성한다.
본 발명의 프로브 또는 센서 유니트의 TFELD 구조는 다양한 적합한 공정을 사용하여 형성될 수 있다. TFELD의 각 층은 예를 들어, 잉크젯 프린팅, 용약 코팅, 증발을 통해 제조되거나 부착될 수 있다. "증발"이라는 용어는 증기 상태로부터의 모든 형태의 퇴적을 포함하며, 진공상태의 퇴적에 제한되지 않는다. 전형적으로는, 진공 승화 및 스핀 코팅이 상기 장치의 제작에 사용된다.
본 발명에 따른 장치는 다양한 별개의 광 전달 기하학을 사용하여 이루어질 수 있다. 직접 전달 형상이 도 2에 개략적으로 도시된다. 그러나, 예를 들어 TFELD를 링 또는 말편자 형태의 TFELD(도 3) 또는 투명 TFELD(도 4)로 제작하도록 수정되어, 분석물의 검출을 역 검출 모드가 되도록 할 수 있다. 역 검출 형태는 특히 센서 유니트 어레이의 개개의 TFELD가 각 순간 작동되어 특정 센서 유니트로부터의 개개의 신호를 수집할 수 있는 능력을 제공하는 멀티센서 매트릭스용으로 양호하다.
도 2는 본 발명의 직접 전달 형상을 개략적으로 도시하는데, 스펙트럼 응답(11)이 기판(13)을 기준으로 센서층(14)과 동일한 면 위에 위치하는 광검출기(12)에 의한 분석을 위하여 수집된다. 케소드(15)는 전자발광층(16)이, 기판(13)을 가로질러 프로브 또는 센서 층(14)으로 들어가는, 빛(17)을 방출하도록 한다. 프로브 또는 센서 층(14)은 가스 또는 액체와 같은 분석물을 포함하는 매개체(18)에 노출되며, 분석물(19)은 프로브 또는 센서 층(14)과 반응하여 그 광특성이 변화된다. 방출된 빛(17) 및 분석물(19)의 결과로서, 광응답(11)이 광검출기(12)에 의해 검출된다.
직접 전달 방식은 또한 도 3에도 도시된다. 도 3은 기판(20) 및 전극(22)을 가지는 전자발광층(21)을 포함하는 장치를 도시한다. 센서층(23)은 기판(20)의 반대면에 퇴적되어, 전자발광층(21) 및 센서층(23)이 마주보는 형상을 취한다. 센서층(21)은 화살표(24)로 개략적으로 도시된 분석물에 노출되고, 화살표(25)로 도시된 바와 같이 PL을 방출한다. PL(25)은 원하지 않는 빛을 여과하기 위한 필터(26)를 통과한다. 이후 PL(25)은, Si 광다이오우드, 에벌란시 광다이오우드("APD"), 광배율기 튜브("PMT"), CCD-기반 검출기, 전하 주입 장치("CID"), 또는 CMOS 기반 영상기와 같은, 광검출기(27)에 의해 수집되는데, 이는 전기적 판독을 위해 신호를 오실로스코프와 같은 판독 장치(28)로 전달한다. 컴퓨터(29)가 판독 장치(28)로부터 전달된 신호를 분석한다. 장치(28) 및 전극(22)은 전기적으로 펄스 발생기(30)와 연결되어 있다. 펄스 발생기(30)는 전자발광층(21)을 펄스 바이어스로 여기하여 시간-분해되는 분석물 검출, 즉, 펄스 모드에서의 TFELD 작동을 기초로한 형광 수명 검출을 가능하게 한다.
펄스 모드 작동은 밀도에 기반한 측정에 소정 장점을 제공한다. 지시약의 형광 수명은 고유 특성이므로, 고유한 기준점을 제공하여 일부 밀도 기반 측정에 있어 때때로 발생할 수 있는 측정 오류를 방지한다. 위상 조정 기술을 사용하여, 예를 들어, "형광 분광학의 이론"(플레넘 프레스, 베를린, 1983년) 중 제이.알. 라코비츠의 "형광수명측정"과 "형광 분광학의 토픽" 1권(테크닉스, 편집인 제이.알. 라코비츠, 293 내지 355쪽, 플레넘 프레스, 뉴욕, 1991년) 중 제이.알. 라코비츠와 아이. 그리진스키의 "주파수-영역의 형광 분광학" 에 기술된 위상 조정 기술을 사용하면, 지시제는 연속적인 정현파로 조정된 광원으로 여기된다. 염료 또는 기타 지시제의 여기 상태가 일정 수명으로 한정되므로, 이미션은 조정된 여기에 비해 상대적으로 일정 시간동안 지연되며, 결과적으로 위상이 쉬프트된다. 이를 위해서는, 에프.엔.카스텔라노 등의 "수용성 발광 산소 센서"(광화학과 광생물학, 67(2), 179 내지 183쪽, 1998년), 쥐.오키페 등의 "졸-겔 부동 염료의 소멸파 여기를 사용하는LED 기반 위상 형광측정 산소 센서의 개선"(센서와 구동체, 바이오화학 29, 226 내지 230쪽, 1995년), 더블유.수 등의 분석화학 68(2605 내지 2609쪽, 1996년), 이.알.캐러웨이 등의 "발광성 전이금속 복합체 기반의 산소 센서에 관한 광물리학 및 광화학"(분석화학 63, 337 내지 342, 1991년), 지. 첸-에스터리트 등의 "위상 조정 기술을 이용한 산소 및 pH 광센서의 개선"(SPIE 공정 3540, 19 내지 27쪽, 1999년) 등을 참조할 수 있다. 이하에서 설명할 실시예 II의 결과는 시간 분해 즉 수명-기반 모드로 집적 센서 장치가 작동되는 것을 예시한다. 양호하게는, 펄스 TFELD의 감쇄 시간이 적어도 프로브 또는 센서의 가장 짧은 감쇄 시간보다 한 단위(order) 이상 작다.
도 4는 본 발명의 센서에 대한 개략도로서 잠재성 역 검출 형상 중 하나를 도시한다. 보다 특정적으로는, 투명 기판(34)의 한면에 개구부(33)를 포함하고 있는 케소드(32)를 가지는 전자발광층(31)을 도시한다. EL(35)은 층(31)으로부터 도시되지 않은 투명 아노드 및 기판(34)를 통과하여 광발광 프로브 또는 센서 층(37) 내부로 방출된다. 프로브 또는 센서 층(37)은 분석물(39)을 가지는 매개물(38)에 노출되는데, 이는 분석물(39)이 존재하지 않는 경우에 비해 센서층(37)으로부터 다양한 PL(40)을 발생시킨다. PL(40)은 기판(34), 전자발광층(31), 캐소드(32)의 개구부(33)를 통과하여 역방향으로 이동하며, 광검출기(41)에 의해 수집된다.
시간-분해 역 검출을 위한 본 발명에 따른 시스템이 도 5에 도시된다. 도 5는 투명 기판(44)의 한면 위에서 서로 이격되어 있는 전극(43)을 가지는 전자발광층(42)을 도시한다. 전자발광(45)은 펄스 모드로 층(42)으로부터 기판(44)을 통해광발광 센서층(46)으로 방출된다. 센서층(46)은 개략적으로 화살표 48로 표시된 분석물을 가지는 가스 또는 액체(47) 내에 위치하며, 분석물(48)이 존재하지 않는 경우에 비해 센서층(46)으로부터 다양한 광발광 이미션(49)을 생성한다. 광발광 이미션(49)은 거울(50)에 의해 반사되어 기판(44), 전자발광층(42), 전극(43) 사이의 공간을 역순으로 거쳐, 광검출기(51)에 의해 수집된다. 광필터(52)가 기판(44)과 광검출기(51) 사이에 배치되어 광발광 이미션(49)과 상이한 파장의 빛을 여과하여 제거한다. 오실로스코프(53), 컴퓨터(54), 펄스생성기(55)가 전기적으로 연결되어 센서막(46)을 펄스 상태로 전자발광 여기시키고, 시간-분해성 분석물 검출이 가능하도록 한다.
시간-분해 역검출을 위한 또 다른 시스템이 도 6에 도시된다. 도 6에서, 전자발광층(56)은 투명 기판(58)의 한쪽면 상에서 투명 전극(57, 91) 사이에 끼여져 있다. EL(59)이 펄스 모드에서 층(56)으로부터 기판(58)을 통해 광발광 센서층(68)으로 방출된다. 프로브 또는 센서 층(68)은, 화살표(61)로 개략적으로 도시되며 센서층(68)으로부터 분석물(61)이 존재하지 않는 경우보다 다양한 광발광 이미션(62)을 유발하는, 분석물(61)을 가지는 가스 또는 액체(60) 내에 배치된다. PL(62)은 이와는 역순으로 기판(58), 전자발광층(56), 투명 전극(57, 91)을 이동하여, 광검출기(63)에서 수집된다. 광필터(64)가 기판(58)과 광검출기(63) 사이에 배치되어 PL(62)과 상이한 파장의 빛을 여과하여 제거한다. 도 6의 시스템은, 또한 전기적으로 상호 연결되어 센서층(68)을 펄스 상태로 전자발광 여기시키는, 오실로스코프(65), 컴퓨터(66), 펄스 생성기(67)를 포함한다. 본 시스템은 또한 광거울(69)을 포함한다.
도 7은 도 6의 프로브 또는 센서를 개략적으로 도시한다. 이 개략도는 투명 전극(71)을 가지면서 투명 기판(72)의 한쪽 면 상에 위치하는 전자발광층(70)을 도시한다. EL(73)이 층(70)으로부터 방출되어 기판(72)을 통과하고 광발광 센서층(74)으로 들어간다. 센서층(74)은, 분석물이 없는 경우보다 센서층(74)으로부터 다양한 PL(77)을 유발시키는, 분석물(76)을 가지는 가스 또는 액체(75) 내에 배치된다. PL(77)은 기판(72), 전자발광층(70), 투명 전극(71)을 역으로 이동하여 광검출기(78)에 의해 수집된다.
본 발명은 또한 박막 프로브 또는 센싱 유니트의 광 어레이를 제공하는데, 프로브 또는 센서 층의 지시제 및 매트릭스 또는 기타 캐리어 물질이 존재하는 경우 이들과의 혼합은, 특정 응용예 또는 용법을 만족시키지 위해 변경될 수 있으며, 또한 원하는 환경에서 발견될 것으로 예상되는 일군의 또는 특정 분류의 분석물을 탐지하기 위해 선택될 수 있다. 따라서, 물리적 환경 또는 위치, 유해성 또는 독성에 관한 문제점, 치료적인 또는 환경적인 필요 조건에 대해 특이성을 가지거나 이를 지시하는 성질이 있는, 다양한 종래의 조성물 및 화합물이 광센서의 다중 센싱 유니트의 어레이의 반응에 의해 검출될 수 있다. 따라서, 각기 다른 지시제를 포함하는 다양한 각 센서층이, 예를 들어 중합체, 졸-겔 및 실리콘과 같은 적당한 캐리어 또는 매트릭스 내에서 합체될 수 있으며, 다양한 분석물이 하나의 멀티-센서 어레이로 검출될 수 있다. 어레이는 또한, 예를 들어 조정가능한 범위의 TFELD 또는 전체 스펙트럼 범위로 적층된 OLED를 이용하여 다양한 여기 파장을 가지는 다양한광원을 포함할 수 있다. 센서층과 TFELD 사이에서 마주 보는 형태는 EL을 센서막 속으로 강하게 결합시킬 뿐 아니라 인접하는 픽셀 사이의 상호-소통을 줄이거나 방지한다.
도 8은 매우 단순한 형태로 배열된 센서 어레이를 도시한다. 평평한 표면(80)을 가지는, 유연성 또는 강성의 직사각형 지지 기판(79)이 도시된다. 복수의 박막 센싱층(81, 82, 83, 84, 85, 86)이 각기 표면(80) 위에 퇴적된다. 하나 이상의 동일 형태(화학식)의 센싱 유니트가 채용될 수 있으며, 각 형태의 센싱층은 박막으로 다양하게 형성되며, 각기 고유한 캐리어 또는 매트릭스 물질 및 지시 분자의 결합, 화합물, 또는 기타 특정 스펙트럼 성질을 가진 매개물을 지닌다. 각 센싱층에서, 지시제는, 분석물 또는 배위자의 혼합물이 없는 경우에, 적어도 하나의 파장을 가지는 광에너지를 흡수할 수 있으며, 광학적으로 탐지가능하며 인지가능한 스펙트럼 응답을 생성한다. 기판의 반대면(87)에는, TFELD(88, 89, 90)가 있으며, 각 TFELD는 각 센서층과 대응하며, 분석물 존재시 각각의 센서층에 원하는 스펙트럼 응답을 여기시키기 위해 선택된 소정 방출 파장을 가진다.
이러한 센서 어레이는 특히 보다 큰 스캐일의 제조에 적당하여, 종래의 IC 기술을 사용하여 용이하게 제작될 수 있다. 미세제조기술을 사용하여, 센싱층 및 TFELD 장치는 아날로그신호의 조절/제어와 데이터 분석을 위한 회로를 포함하는 마이크로칩상에 직접 집적될 수 있다. 이러한 방법으로, 예를 들어, 잉크젯 기술을 사용하여 하나의 제조 공정으로 수 백만 개의 각기 다른 센서 유니트를 만들 수 있게 된다. 어레이의 센서 유니트 내의 각 조성물 성분의 제어는, 컬러 잉크젯 프린터가 여러 색상을 퇴적하고 혼합하는 방법과 유사한 방법으로 이루어질 수 있다. 복수의 색상 대신, 복수의 각기 다른 지시제 및 캐리어가 사용된다. 각기 구별되는 수 백만 개의 요소로 이루어지는 센서 어레이는, 10 μm의 해상도의 리소그래피 미세가공기술을 채용하여 1 cm ×1 cm 크기의 칩을 필요로 하며, 이 크기는 통상적인 상업적인 공정 및 퇴적 방법의 범위 내이다. 이후 센서는 마이크로프로세서 위에 집적되어 데이터 흐름을 중심 네트워크, 소프트웨어, 하드웨어, 분석부로 효율적으로 전달한다. TFELD-구동형 센서 어레이는 예를 들어 어레이에 적층될 수 있는 하나 또는 그 이상의 박형 배터리를 포함하는 적당한 전원에 의해 구동될 수 있다.
유체 내의 다양하거나 또한 상호 혼합되어 있는 분석물을 검출하기 위한 어레이는, 조성적으로 상이한 센서 유니트를 가지는 어레이의 센서 리드를 광측정 장치와 전기적으로 결합시킴으로써 제조될 수 있다. 이 장치는 어레이의 각 센서 유니트의 스펙트럼 응답, 파장, 밀도, 감쇄시간의 변화를 양호하게는 동시적으로 또한 양호하게는 끝까지 측정한다. 상기 장치는 질적 및 양적 분석을 위한 컴퓨터와 연결되어 있는 신호처리수단을 포함할 수 있다. 전형적으로는 이러한 어레이는 적어도 10 개 이상, 보통 적어도 100 개 이상, 종종 적어도 1000 개 이상의 각기 다른 센서를 포함한다.
센서 측정은 도 8에 개략적으로 도시된 다중센서 어레이 장치를 이용하여, 이하에서 설명되는 다양한 적합한 방법으로 수행될 수 있으며, 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 여기 광은 전달되어 분석물 농도에 따라 개별적으로 형광을 발하는 어레이의 각 센싱층을 밝히게 된다. 이후 상기 형광은 예를 들어 CCD 어레이 또는 카메라에 의해 검출된다. CCD 어레이 또는 카메라는 보통 광민감성 원소를 포함하는데, 이 원소는 전자증폭기와 연결되며, 전자증폭기는 CCD 어레이 또는 카메라의 출력을 디지털화하여 처리하는 그래픽카드를 포함하는 컴퓨터에 차례로 연결된다. CCD 어레이 또는 카메라는, 스펙트럼 분석 및 인접 센서와의 상호 소통을 줄이고 신호 검출을 개선하기 위한 하나 또는 그 이상의 광필터를 또한 포함할 수 있다. 소정 적용예(예를 들어 내부 보호 의복)에서, 검출은 사후에(예를 들어 작업자가 노출되는 유해 화학성분을 총량을 측정하기 위해) 처리되는 컬러사진필름으로 수행될 수 있다.
광센싱 장치 및 도구는 시간에 따른 광밀도 변화 또는 광파장 변화와 같이 변화하는 형광, 즉 소정 파장의 빛 에너지를 지니면서 최초로 조사되어 그후 각 박막 센서층의 지시제에 의해 흡수되는 각 개별 센싱 유니트에 의해 생성되어 방출되는 광반응의 추이를 검출한다. 각 센싱 유니트(목표 배위자 또는 분석물이 존재하거나 존재하지 않는 경우에 있어서)로부터 방출되는 빛 에너지는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있는 다양한 적절한 프레임 획득 기술 및 화상처리기술을 이용하여, CCD 어레이 또는 카메라에 의해 수집된다.
센서층에 사용되는 다양한 지시제가 알려져 있으며 또한 상업적으로 이용가능하다. 본 발명은 특정 용도나 적용을 위해 요구되거나 원하는 모든 다양한 광발광 또는 π-결합 물질을 채용할 수 있다. 이하의 표 1 및 표 2에 각기 목록화되어 있는 형광제 및 착색제는 많은 다양한 염료 물질 중 단지 예시적인 일부일 뿐이다.
형광제 여기 파장(범위 또는 최대값) 형광 방출 범위(최대값)
에오신TRITC-아민퀴닌플루오레세인 W아크리딘 옐로우리사민 로다민B 염화술폰닐에리트로세인루테늄(트리,바이-피리듐)텍사스 레드염화 술폰닐B-피코에리트린니코틴아미드 아데닌디누클레오티드(NADN)플라비 아데닌디누클레오티드(FAD)카르복시세미나프토다플루오르나프토플루오르세인 520-530 nm555 nm33-352 nm488-496 nm464 nm567 nm504 nm460 nm596 nm545-565 nm340 nm450 nm587 nm594 nm 530-580 nm(550 nm)570-610 nm(590 nm)382-450 nm530 nm500 nm580 nm560 nm580 nm615 nm575 nm435 nm530 nm640 nm663 nm
착색제 범위(최대값)
철-살리실산염 복합체인드아민 염료INT 포마존 염료홉킨스-콜 염료퀴놈-이민 염료Fe(SCN)+2맬러카이트 그린4-브로모 A-23187,크레졸 레드바이페닐카르바존디술폰 산크롬 보르도 B칼마자이트닌히드린 염료 530 nm590 nm560 nm500 nm460 nm620 nm340 nm415 nm, 산570 nm,염기575 nm575 nm650 nm650 nm
상기 예와 같이, 루테늄 복합체는 분자상 산소에 의해 PL 밀도 및 수명의 충돌 퀀칭(quenching) 효과를 겪게되는 산소-민감성 형광제 및 염료 군에 속한다. 이러한 복합 형광제는 광안정성으로서, 긴 수명(100 ns 내지 수 마이크로초) 및 높은 양자수량을 갖는 전자 여기 상태를 생성한다. 예를 들어, 트리(4,7-바이페닐-1,10-패난트로린)루테늄(II)염화물("Ru(dpp)")의 PL 수량은 약 30%이며 산소에 의해 쉽게 퀀치된다.
표 3은 대표적인 분석물인 pH, 칼슘, 산소에 반응하는 다양한 형광 염료의 양자수량을 도시한다. 염료 리스트 중에, Ru(dpp)는 산소-선택성 염료 중 가장 높은 양자수량을 가진다. 그러나, 다른 형광 염료도 고루 높은 양자수량을 가진다. 본 발명의 센서는 따라서, 적당한 분석물-민감성 지시제 또는 시스템이 선택된다면, 선택된 분석물을 검출할 수 있다. 특정 분석물을 위한 적당한 지시제 및 시스템의 선택은 본 발명의 기술 분야 및 본 명세서의 개시된 기술의 수준에 의해 용이하게 이루어질 수 있다.
형광 염료 양자수량 분석물
BCPCFBCECF플루오레세인 0.830.840.92 pH
칼슘 그린-1오레곤 그린 BAPTA-1인도-1푸라-2 0.75~0.70.560.49 Ca
Ru(dpp)PtOEPKRu(bpy)3 0.300.120.042 O2
사용하기에 적합한 빛 에너지를 흡수하는 각각의 형성물 또는 조성물은 홀로존재하거나 다른 성분들과 혼합되어 존재하는 목표가 되는 각각의 분석물 또는 배위자와 반응한다. 이후 각 지시제는 빛에너지의 일부를 흡수 또는 반사하거나 또는 선택적으로는 빛에너지를 흡수한 뒤 다른 파장의 빛을 방출함으로써 이러한 반응 접촉의 증거를 보여준다. 이러한 반사 또는 방출된 빛에너지는 센서층으로부터 전달되어 광밀도, 수명, 또는 파장이 검출되고 측정된다.
각 분석물 또는 배위자는 액체 또는 기체 상태의 샘플내에 존재하는 경우 단일한 화합물로 검출 및 파악될 수 있다. 선택적으로는, 하나의 샘플 내의 각기 다른 분석물 또는 배위자의 혼합도 또한 구분되는 성분 또는 화학종의 하나의 혼합물로 파악될 수 있다. 또한, 예전에는 특정되지 않았던 완전히 새로운 화학 조성물 및 형성물의 구성 화합물 또한 본 발명의 센서 유니트를 사용하여 분석물 정보에 대한 검출가능한 특징을 생성하도록 분석될 수 있다.
단일 및 조합의 형태로 본 발명에 의해 검출 및 파악되는, 분석물과 배위자의 범위 및 다양성은, 자연상태에서 휘발성이 강한 액체 또는 기체 형태의 독성 유기 및 무기 화합물; 공기, 물, 토양 중의 환경오염물질; 임의의 소모성, 이산성, 부유성, 기타의 방법으로 유체 매개물 내에서 운반되는 물질을 포함한다. 대표적으로는 예를 들어 산소분자, 칼슘·인과 같은 이온류, 벤젠, 톨루엔, 티오르, 알칸, 알켄, 알킬 및 기타 탄화수소류, 에스테르, 알콜, 아민, 알데히드, 케톤, 카르복실 및 기타 산성물, 항체, 효소, 뉴클레오티드, 단백질 및 바이러스성 물질·박테리아를 포함하는(그러나, 이에 제한되지는 않음) 미생물과 같은 생물학적 활성 물질뿐만 아니라, 압력, pH와 같은 물리적 분석물을 포함한다. 보통, 예를 들어, 염료및/또는 염료 화합물을 둘러싸는 중합 매트릭스와 같은 지시제와, 매개물의 광특성에 영향을 주기 위해, 직간접으로 반응하는 임의의 물리적, 화학적 또는 생물학적 매체는, 본 발명의 장치 및 방법에 의해 검출가능하다.
특별한 상황에 있어서는, 바람직한 선택성, 특성, 가역성을 지닌 지시제의 이용이 불가능할 수 있다. 이러한 경우 광범위한 염료 및/또는 센서층을 아우르는 센싱 도구 및 지시 시스템을 이용하는 것이 보다 효과적이다. 따라서, 상기한 분석물에 민감한 다양한 형광 염료 뿐만 아니라, 다양한 분석물의 탐지가 가능한 예를 들어 이온센서, 효소센서, 면역센서, 분자 비콘을 포함하는 기타의 센싱도구가 이용가능하다. 매트릭스 또는 기타 캐리어 또는 기판의 선택은 고정되는 분자 또는 기타 지시제와 채용되는 센싱 도구에 따라 결정된다. 매트릭스는 예를 들어, 졸-겔 유리, 폴리아크릴아미드, PVC, 데실메타크릴레이트를 포함한다. 중합 매트릭스 기판의 일반적인 두 형태로는, 중합 조성물 내에서 벌크(bulk)로 존재하는 완전히 준비된 중합체 또는 공중합체와, 시약 혼합물과 결합되어 그후 임의의 적당한 기술에 의해 중합체 기판을 생성하도록 본래 자리에서 중합되는 단량체, 공단량체, 횡단 결합제, 기타 물질과 같은 시약 물질을 포함한다. 중합 기판의 두 형태는 센싱층의 지시 화합물용 매트릭스 제조를 위해 사용하는데 적당하다. 효소, 특히, 예를 들어 PVA 및 글루타르알데히드를 포함하는 효소의 고정용으로 사용될 수 있다.
예를 들어 Na+, K+, NO2 -, Cl-등을 탐지하기 위한 이온 상관 센서를 위한 방법은 목적 이온 선택성 이온단(ionophore), 통상 pH 민감성 염료인이온발색단(chromoionophore), 및 호지성(lipophilic) 부가제를 PVC 또는 데실메타크릴레이트와 같은 매트릭스 내에 함께 고정하는 것이다. 목적 분석물의 이온이 존재하는 경우, 이는 이온단과 섞여서 이온발색단과 H+이온이 결합 또는 해리하고 형광에 변화를 가져온다. 호지성 부가제는 센서층의 이온 강도를 유지하기 위해 제공된다. 특정 이온단 및 이온발색단을 선택함으로써, 센서 유니트의 동적 범위가 예를 들어 표 5에 도시된 바와 같은 원하는 농도 범위에 변화될 수 있다. 또한, 이온발색단은, 예를 들어 메로시아닌(Merocyanin) 540, RH 421 및 디-8-ANEPPS와 같은 전위 민감성 염료로 대체될 수 있으며, 목적 이온이 이온단과 혼합하는 경우 매트릭스 내의 전위 변화를 측정한다. 전위변화는 전위 민감성 염료의 형광 변화로 조사된다. 크라우제 등의 분석화학(1999년, 71, 1544 내지 1548쪽)을 참조하기 바란다.
분석물 이온단 이온발색단 부가제 참조
K+ BME-44 ETH 2439 KTFPB 1
NA+ 1,3브릿지 캘릭스[4]크라운 Na 이온단 ETH 5294 KTFPB 2
NO2 시아노아쿠아코비리닉산 헵타키스(2-페닐에틸에스테르) ETH 5350 KTFPB 3
Cl- 인듐(III) 옥타에틸포르피린 클로라이드 ETH 2439 KTFPB 4
1.엠.알.쇼트리드, 에스.케이.더라도, 알.코펠만의 센스.액트.비 38-39(1997년,8-12)
2. 엠.알.쇼트리드, 이.배커, 알, 코펠만의 분석화학 68(1996년, 2556-62)
3. 에스.엘.알.바커, 비.에이.토르스루드, 알.코펠만의 분석화학 70(1998년,100-104)
효소센서에 관하여, 글루코즈, 락테이트와 같은 분석물을 탐지하기 위해 사용되는 산화제 기반의 광바이오센서의 주요 원리는, 분석물에 대해 특정되는 효소가 산소-민감성 형광 염료를 지닌 매트릭스 내에서 공동 고정된다는 것이다. 고정된 효소는 분석물과 반응하고, 산소를 소모한다. 이러한 산소 감소는 산소 민감성 염료에 의해 측정되고 분석물의 농도와 연관된다. 예로서 표 6이 주어져 있다.
분석물 효소 산소염료
글루코즈 글루코즈 산화제 Ru(dpp)
락테이트 락테이트 산화제 Ru(dpp)
항체와 항원 사이의 높은 친화도 때문에 엄격하게 가역적이지는 않은 광 면역센서 또는 면역프로브에 관하여는, 항체는 매트릭스 내에서 또는 지지체 위에서 고정되고 형광 표시가 된 항원은 항체와 결합되도록 구성된다. 항원의 항체와의 결합은 프로브의 형광을 증가시킨다.
본 발명의 장치 및 방법은 또한 DNA염기쌍을 측정하기 위해 사용되는 분자 비콘형 광센서에도 이용가능하다. 작동원리는, 형광단과 퀀처가 DNA 가닥에 부착되어 상호 매우 근접하게 배치되어 형광이 발견되지 않는다. 부가적인 DNA염기쌍이 존재하는 경우, DNA 가닥을 묶어서 형광단 및 퀀처가 분리되도록 한다. 퀀처 분자가 더이상 형광을 소진시킬 정도로 형광단에 근접하여 있지 않게 되고, DNA염기쌍의 결합에 의한 형광이 증가하게 된다. 이러한 종류의 센서 및 지시 시스템을 위해, 형광단 및 퀀처를 포함하는 DNA 가닥이 부가 DNA염기쌍이 분석물로서 작용하는 동안에 센서 기판상에 고정된다.
따라서, 광센싱 방법 및 원리에 있어서의 다양한 변화가 본 명세서에서 개시되는 새로운 TFELD-구동형 센서 및 멀티센서 어레이에 적용가능하다. 이들을 수행하기 위한 각각의 다양한 시스템, 방법, 장치가 본 발명에서 사용을 위해 고안된다.
실시예 I
본 실시예는 소형의 순수-유기질 고체상태 산소-센싱 플랫폼을 제공한다. 센서는, 광발광(PL) 밀도 및 수명이 분자 산소에 의해 감쇄되고 다공성 졸-겔 매트릭스 내에서 고정되는, 트리스(4,7-바이페닐-1,10-페난트롤린)Ru(II)염화물(Ru(dpp))의 박막이다. 이는 청색유기광 방출장치(OLED)인 TFELD의 이면에 직접 적용되어, Ru(dpp)를 펄스 여기시킨다.
OLED의 제조. OLED의 구조는 에프.리, 에이취.탕, 제이.안데르그 및 제이.쉬나의 응용물리 레터 70(1233쪽, 1997년); 에이취.탕, 에프.리, 제이.쉬나의 전게서 71(2560쪽, 1997년)에 개시된다. 정공-주입 아노드는 유리기판상의 ~2000Å 두께이며 투명한 20Ω/sq의 어플라이드 필름 코포레이션의 산화인듐주석(ITO) 막이다. 후방에 50nm 두께의 4,4-바이(2,2'바이페닐비닐)-1,1'바이페닐(DPVBi)의 이미팅층이 뒤따르는 트리페닐 디아민(TPD)의 25nm 두께 정공전달층이 열증발에 의해ITO 상에 퇴적된다. 에스.이.샤힌, 쥐.이.자보르, 엠.엠.모렐, 와이.카와베, 비.키플렌, 엔.페이감-바리안, 엠.에프.나보르, 알.슈라프, 에이.마쉬, 엔.알.암스트롱의 저널 응용물리 84(2324쪽, 1998년)을 참고할 수 있다. 이들 다음으로 ~20Å 두께의 산화알루미늄 버퍼층 및 전자-주입 알루미늄 금속층이 뒤따른다. ITO 정제 및 사전처리와 산화알루미늄층의 준비에 대한 상세한 설명은 상기한 리 등의 문헌 및 탕 등의 문헌에 나와 있다. 알루미늄 전극이 1.5mm직경의 둥근 스팟의 어레이로 준비되었으며; 5×5cm 기판이 약 200개의 OLED를 포함한다.
센서막의 제조. Ru(dpp)는, 그 PL 스펙트럼이 OLED 여기로부터 스펙트럼분해를 허용하는 큰 스트로크 전이(~120nm)을 보여주면서, 그 흡수 스펙트럼이 청색 OLED 전자발광(EL)과 일치한다는 이유로 선택되었다. 졸-겔 유리 매트릭스는, 그 다공성, 화학적 불활성, 가시영역에서의 광학적 투명성 및 안정 상태에서 합성되므로, 산소 민감성 염료의 고정을 위하여 선택되었다. 또한, 졸-겔 공정은 극히 다용도의 기술이므로, 단일암체, 박막 및 광섬유 제조에 이용될 수 있다.
Ru(dpp)는 GFS로부터 구입된다; 모든 시약은 알드리히로부터 구입된다. 고정된 Ru(dpp)를 포함하면서 물 대 실시콘 알콕사이드의 비 r=2 인 졸-겔 센서가 스핀-코팅 처리를 이용하여 준비된다. 실리콘 알콕사이드 선구물, 메틸트리에톡시실란(MTEOS)(0.5ml)이 염산을 사용하여 pH가 1로 조정된 물(0.09ml) 및 실리카 졸을 생성하기 위한 공동용매로 사용되는 에탄올(0.5ml)과 혼합된다. 실리카 졸을 두 시간동안 젓는다; 10mg/ml의 농도에서 Ru(dpp)가 이 기간을 통하여 도중에 첨가된다. 졸은 이후 밤새 70℃의 온도에서 익혀져서, 코팅되기 전에 가수분해 및 응축을증대시킨다. 졸-겔 막이 pH 3.45로 조정되어 있는 3-(트리메톡시실릴)프로필메타크릴레이트 2% 수용액 내에서 미리 실란화된 유리 현미경 커버-슬립 상에 코팅되며, 이후 연속적으로 이온소실된 물 및 에탄올로 수세된다. 깨끗한 유리 커버-슬립이 수제 스핀-코팅기의 샘플 홀더 위에 배치되며, 100 ㎕의 Ru(dpp)의 도핑된 졸-겔 혼합물이 30초동안 1750 rpm으로 회전하는 커버슬립 위에 피펫 인입된다. 결과적으로 광학적으로 투명하고 크랙이 없는 졸-겔 박막이, 70℃에서 패트리 접시에 덮혀서 밤새 건조된다.
특성화. 여기 및 흡수 스펙트럼은 플루오르맥스 플루오르미터 및 UV 1604 쉬마주 스펙트로미터에 의해 측정된다. PL 및 전자발광(EL) 스펙트럼은 올림푸스 전도 현미경, 모노크로메이터(monochromator), 및 하맘츄(Hammamtsu) CCD 카메라 시스템에 의해 측정된다. 산소(>99%) 및 질소(>99%)가 실린더로부터 입수되며, 특정 목적의 투명 유동-셀이 채용된다. 센서 신호는 센서가 현미경 목적물과 마주하는 방식의 직접 전달 모드로 검출된다.
동작. 가장 안정한 EL 출력을 얻기 위해서, OLED가 1 내지 7 ㎲의 펄스폭, 28-31 V의 진폭, 13-120 KHz의 반복주파수를 지니는 펄스 모드로 작동된다. 도 9에 도시된 바와 같이 펄스 바이어스를 가지는 EL 스펙트럼은 DC 스펙트럼과 동일하다. 최대 방출은 475 nm에서 이루어지며 FWHM은 95 nm이다. 어레이의 모든 OLED는 동일한 EL 스펙트럼을 나타낸다.
도 10은 졸-겔 매트릭스 내에서 고정된 Ru(dpp)의 여기, 흡수 및 방출 스펙트럼과 원 OLED의 정상 EL 스펙트럼을 나타낸다. Ru(dpp)막은 박막을 형성하기 위하여 유리 위에서 스핀-코팅된다. PL 스펙트럼은 전도 현미경 시스템 위에서 할로겐 램프로 여기되어 생성된다. 광역 램프 이미션은 450±25 nm 대역 통과 필터에 의해 여과되어 청색 OLED 이미션과 유사하게 된다. 도시된 바와 같이, 루테늄 염료는 400-520 nm 영역에서 여기될 때 강한 스트로크 전이를 나타내며, PL 피크는 ~610 nm 이다. 또한 EL은 Ru(dpp)의 여기 및 흡수 스펙트럼과 상당히 겹친다는 것을 보여주는데 반해, EL과 센서 이미션 사이에는 겹침이 거의 없다. 따라서, 단일 광필터의 도입에 의해, 센서의 PL을 OLED의 EL로부터 분리하는 것이 가능하다.
염료-졸-겔 혼합물은 모세관 피펫에 의해 OLED 유리 기판 상의 다른 면 위에 퇴적된다. 이후 5분간 건조되어, 2-3개의 OLED를 덮는 막을 형성한다. 염료 농도는 5 mg/ml이다. 측정은 전도 올림푸스 현미경 시스템 상에서 이루어진다. 유리기판은 또한 유동 셀의 덮게로 작용하여, PL이 그 투명 유리 바닥을 통하여 수집된다. 공기 중에서 청색 OLED로 여기된 센서의 전형적인 PL 스펙트럼이 도 11에 도시된다. 목적물은 OLED 에지로부터 약 0.5 mm로 촛점이 맞추어졌다. PL 스펙트럼은 120KHz의 주파수, 2㎲의 펄스폭, 28V의 OLED 바이어스에서 완전히 분해된다. 이러한 결과는 동일 어레이의 다른 OLED 상에서도 재생될 수 있다. OLED 이미션을 방지하기 위해 아무런 필터도 사용되지 않았음에서 불구하고, 검출되는 이미션의 범위를 조금 넓히는 것으로 보여지는, EL의 희미한 자취만이 관측가능하다는 점에 유의한다. 이는 EL이 센서층에 거의 완전히 흡수되었다는 것을 의미한다.
PL 밀도 측정 시스템에 연결된 센서/OLED 시스템에 의한 결과가 도 12에 도시된다. 다양한 가스 환경에 노출되는 센서에 의해 유도되는 I에 있어서 상당한 변화가 있음을 보여준다.
이러한 결과는 매우 실용적인 간단한 휴대용 측정장치에 의한 새로운 센싱에 대한 접근의 실현가능성을 보여준다. 또한 이것의 수명-기반 센서(실시예 II)로의 전환은 완전 집적형, 비활성 센싱(분석물을 소모하지 않는), 자가 측정형, 소형, 유동형, 소모가능성 면에서 저가형인 장치를 가능하게 한다.
실시예 II
A. 공기 중 직접 전달 모드에 있어서 시간-분해성 청색 OLED 전자발광 및 센서 광발광:
시간-분해성 PL 및 EL을 검출하기 위한 제 1 실험이 광필터의 사용없이 모세관 센서 퇴적을 이용하여 행하여 졌다. 결과는 도 13에 도시된다. 도면에서 펄스 생성기로부터의 참조 펄스 신호, 센서 퇴적 이전에 입수된 원 OLED로부터의 EL, OLED 및 센서로부터의 전체 신호와, 지수함수적인 감쇄 피트(fit)가 도시된다. 도면에서 수명은 최적 피트로부터 얻어진다. 검출은 공기-공동OLED PMT 및 텍트로닉스 디지탈 오실로스코프로 행해진다. Ru(dpp) 산소 센서 퇴적은 모세관 피펫에 의해 센서 농도 20mg/ml로 행해진다. 사용되는 청색 OLED는 100 개의 OLED 어레이로부터 작은 직경(1.5mm)의 OLED이다.
일련의 사각형 전위 펄스에 의해 여기되면, 이 실험에서 사용된 것과 같은 이중층 유기 OLED는 각 펄스의 전위 소멸과 일치하는 밝은 빛의 섬광을 방출한다. 섬광의 밝기는 OLED 매니폴드(도 14의 경우에는 4중임)의 정상상태 밝기를 초과한다. 빛의 섬광 감쇄는 150ns를 초과하지 않는 특성 시간을 가진다.
원 청색 OLED는 110 ns의 수명을 나타내며, 하나의 지수함수 감쇄의 최적 피트를 나타낸다. OLED 및 센서로부터의 전체 신호는 상당히 긴 수명의 꼬리를 가지면서, 커다란 차이를 보인다. 신호 중의 긴 수명을 가지는 요소는 2.3 ㎲ 인데 이는 전형적인 Ru(dpp)의 감쇄시간이다. 두번 째로 짧은 수명을 가지는 요소는, 광필터가 세팅에 사용되지 않으므로 OLED EL과 연관되며, 최적 피트로부터 얻어지는 두 짧은 수명은 약 100 내지 150 nm와 매칭된다.
B. 시간-분해성·스펙트럼-분해성 EL 및 PL:
도 14의 결과는 600±15 nm( Ru(dpp) 이미션의 중심은 610 nm임, 도 14 참조)의 광역통과필터을 이용하여 OLED 및 센서 이미션의 완전한 스펙트럼 분리를 달성하는 것을 보여준다.
도면에서, 펄스 생성기로부터의 참조 펄스 신호, 센서로부터의 PL 신호, 지수함수 감쇄 피트, 수명(도면에 도시된 것들은 최적 피트로부터 얻어짐)가 도시된다. 긴 수명 요소는 1.9 ㎲의 수명을 나타낸다. 약 100 ㎱의 짧은 수명 요소는, OLED 이미션이 650 nm에 이르는 부분적으로는 센서 이미션과 겹치는(OLED 이미션의 중심은 475 nm, 도 10 참조) 긴 꼬리를 가지므로, 대개 OLED 감쇄와 관련된다. 다른 가능성은 졸-겔 매트릭스 내에 담겨진 Ru(dpp) 염료가 공지이며 문헌에 개시되어 있는 이중 지수함수 감쇄 현상을 가진다는 것이다.
C. 스핀-코팅 센서를 가지는 시간-분해성 ·스펙트럼-분해성 EL 및 PL:
개선된 성능을 얻기 위해서는, Ru(dpp) 산소 센서가 스핀-코팅 공정을 이용하여 생산된다. 센서는 얇은 커버-슬립(염료 농도 20 mg/ml)의 한면 위에 코팅되고 커버-슬립은 OLED 유리기판에 인접 배치된다. 실험의 기타 상세 내역은, 600 nm의 대역 통과필터를 사용한다는 점을 포함하여, 상기된 내용과 같다.
도 15의 결론은, 펄스 생성기로부터의 참조 펄스 신호, 센서로부터의 PL 신호, 지수함수 감쇄 피트, 수명(도면에서는 최적 피트로부터 지시됨)을 포함한다. 긴 수명 요소는 2㎲의 수명을 보인다. 짧은 수명 요소는 약 290ns의 수명을 가진다.
D. 역검출모드에서의 시간·스펙트럼 분해성 청색 OLED 전자발광 및 센서 광발광:
센서는 모세관 기술에 의해 부착된다. 큰 넓이(직경 1cm)의 청색 OLED가 불투명전극의 중심에 작은 정공을 가지면서 링 형상을 형성하도록 사용된다. 검출기 뒤쪽으로 부가 PL을 반사하기 위해 센서 정면에 거울을 도입함으로써, 신호밀도가 증가한다. PL 이미션을 분해하기 위해, 고대역 통과 550 nm 필터가 사용된다.
도 16의 결론은, 펄스 생성기로부터의 참조 펄스 신호, 센서로부터의 PL 신호, 지수함수 감쇄 피트, 수명(도면에서는 최적 피트로부터 지시됨)을 포함한다. 긴 수명 요소는 4.2㎲의 수명을 보인다. 짧은 수명 요소는 약 270ns의 수명을 가진다.
270 nm의 짧은 수명 요소는 다시 센서 이미션과 부분적으로 겹치는 OLED 감쇄 또는 포섭된 Ru(dpp)의 고유의 이중 지수함수 감쇄와 관련된다. 긴 수명 요소는 상기한 기타의 결과와 같이 마이크로초 범위에 있다.
E. 결론:
직접전달모드 또는 역검출모드 모두에 있어서 센서/TFELD 장치의 전체적인 발광에 있어서 Ru(dpp) 이미션의 긴 수명 요소를 고찰해 보았다. EL과 PL 요소의 스펙트럼 분리는 긴 수명 요소(1-2㎲)가 Ru(dpp) 형광과 관련된다는 것을 보여준다. TFELD 감쇄는 나노초 범위(100-300ns)에서 발생한다.
본 명세서에 인용된 모든 특허 및 간행물은 참조로써 본 명세서에 합체된다. 본 발명이 상기에서 설명되고 묘사된 특정 실시예로 제한되지 않는다는 것은 분명하다. 즉, 본 발명은, 본 명세서에서는 개시되지 않으면서도 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는, 분석물의 수, 지시제, 센싱 방법, 전달 형상, 주변 장치, 및 기타 변경, 변화, 대체, 균등 장치에 의해 수정될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 설명에 의해 제한되지 아니하며, 단지 특허청구범위에 의하여서만 제한된다.
본 발명의 구성에 의하면, 모니터링 및 검량이 가능하며, 사용하기에 편리하고, 양질의 민감도 및 특성을 가지며, 소모가 된다는 관점에서도 그리 비싸지 않으면서 실시간으로 분석물을 분석할 수 있는, 광센서, 프로브, 멀티센서를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 다양한 범위의 생물학적, 화학적, 물리학적 분석물을 측정할 수 있는 광센서, 프로브, 접적된 멀티센서 및 멀티프로브 어레이를 제공할 수 있다.

Claims (72)

  1. 샘플 내의 목표 분석물을 검출하기 위한 광센서에 있어서,
    상기 분석물과 광학적으로 반응할 수 있는 지시제를 포함하는 센싱층과;
    소정 파장의 빛을 방출하는, 상기 센싱층과 광학적으로 연결된, 발광층을 포함하는 박막 전자발광 장치;를 포함하고,
    상기 지시제는 상기 소정 파장의 빛에너지를 흡수하고 적어도 하나의 목표 분석물이 존재하는 경우 목표 분석물의 존재를 지시하는 광적으로 검출가능하고 인식가능한 광응답을 생성하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서는 광검출기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광검출기는 광다이오우드, 광배율기 튜브, 전하 주입 장치, 하전 커플 장치(CCD) 어레이, 또는 CMOS 기반 영상기로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서는 상기 박막 전자발광 장치를 펄스 여기시킬 수 있는 펄스 생성기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서는 기판을 추가로 포함하고, 상기 센싱층은 상기 기판의 한면 위에 위치하고, 상기 박막 발광 방치는 상기 기판의 반대면에 위치하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 유기 전자발광 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 실질적으로 투명한 것을 특징으로 하는 광센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 제 1 및 제 2 정공 전달층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광층은 4,4'-bis(2,2'-바이페닐비닐)-1,1'-바이페닐; 8-tris-(하이드록시 퀴놀린); 4,4'-N,N'-디카르바조릴 바이페닐; 디스티릴아릴렌로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 정공전달층 중 적어도 하나는, 4,4',4"-tris(N-(3-메톡시패닐)-N-패닐-아민-트리패닐아민); MTDATA; 구리 프탈로시아닌; N,N',바이패닐-N,N'-bis(3-메틸패닐)-(1,1'-바이패닐)-4,4'-디아민; N,N'-바이패닐-N,N'-bis(1-나프틸)-1,1'-바이패닐-4,4'-디아민으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 지시제는 염료, 중합체, 생물학적 수용기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 지시제는 tris(4,7-바이페닐-1,10-페난트롤린)Ru(dpp)(II)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱층은 졸-겔을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱층은 중합 물질의 매트릭스를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 다결정 황화아연과 다결정 셀렌화아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 1 ㎛ 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광센서.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석물은 산소, 이온, 항체, 항원, 뉴클레오티드, 미생물 수용 단백질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 센서 또는 프로브의 어레이를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  19. 유체 샘플 내의 적어도 하나의 목표 분석물을 검출하기 위한 광센서 어레이에 있어서,
    화학식 및 광특성에 있어서 적어도 일부가 상이하며, 개별 목표 분석물과 광학적으로 상이하게 반응하는 복수의 센싱 유니트를 포함하고,
    상기 각 어레이의 센싱 유니트는, 지시제를 포함하는 센싱층과; 소정 파장의 빛을 방출하는 발광층을 포함하는 박막 전자발광 장치;를 포함하고,
    상기 지시제는 상기 소정 파장의 빛에너지를 흡수하고 적어도 하나의 목표 분석물이 존재하는 경우 목표 분석물의 존재를 지시하는 광적으로 검출가능하고 인식가능한 광응답을 생성하는 것을 특징으로 하는 광센서 어레이.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광센서 어레이는는 상기 어레이의 복수의 센싱 유니트의 광응답을 검출할 수 있는 하전 커플 장치(CCD) 어레이, CMOS 기반 영상기, 전하 주입 장치로 구성되는 군으로부터 선택되는 검출기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서 어레이.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 광센서 어레이는 각기 다른 복수의 파장의 빛을 방출할 수 있는 복수의 박막 전자발광 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서 어레이.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 복수의 박막 전자발광 장치는 적층 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광센서 어레이.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 광센서는 상기 박막 전자발광 장치를 펄스 여기시킬 수 있는 펄스 생성기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 광센서는 기판을 추가로 포함하고, 상기 센싱층은 상기 기판의 한면 위에 위치하고, 상기 박막 발광 방치는 상기 기판의 반대면에 위치하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 유기 전자발광 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 실질적으로 투명한 것을 특징으로 하는 광센서.
  27. 제 19 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 제 1 및 제 2 정공 전달층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  28. 제 19 항에 있어서,
    상기 발광층은 4,4'-bis(2,2'-바이페닐비닐)-1,1'-바이페닐; 8-tris-(하이드록시 퀴놀린); 4,4'-N,N'-디카르바조릴 바이페닐; 디스티릴아릴렌로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 정공전달층 중 적어도 하나는, 4,4',4"-tris(N-(3-메톡시패닐)-N-패닐-아민-트리패닐아민); MTDATA; 구리 프탈로시아닌; N,N',바이패닐-N,N'-bis(3-메틸패닐)-(1,1'-바이패닐)-4,4'-디아민; N,N'-바이패닐-N,N'-bis(1-나프틸)-1,1'-바이패닐-4,4'-디아민으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  30. 제 19 항에 있어서,
    상기 지시제는 염료, 중합체, 생물학적 수용기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  31. 제 19 항에 있어서,
    상기 지시제는 tris(4,7-바이페닐-1,10-페난트롤린)Ru(dpp)(II)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  32. 제 19 항에 있어서,
    상기 센싱층은 졸-겔을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  33. 제 19 항에 있어서,
    상기 센싱층은 중합 물질의 매트릭스를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  34. 제 19 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 다결정 황화아연과 다결정 셀렌화아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  35. 제 19 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 1 ㎛ 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광센서.
  36. 제 19 항에 있어서,
    상기 분석물은 산소, 이온, 항체, 항원, 뉴클레오티드, 미생물 수용 단백질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  37. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 이온 상관 센서이며 상기 지시제는 이온단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 광센서는 전위 민감성 염료 및 이온발색단으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 지시제를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  39. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 효소 센서이며 상기 지시제는 효소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 효소는 산소 민감성 염료와 매트릭스 내에 공동-고정되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  41. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 면역 센서이며 상기 지시제는 항체 또는 항원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  42. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 분자 비콘 센서이며 상기 지시제는 뉴클레오티드 연속체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 광센서는 상기 연속체에 부착되는 형광단과 퀀처를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 분석물은 상기 뉴클레오티드 연속체에 부가적인 제 2 뉴클레오티드 연속체인 것을 특징으로 하는 광센서.
  45. 샘플 내의 하나 또는 그 이상의 목표 분석물의 존재를 검출하기 위한 복수의 광센서를 포함하는 장치로서,
    상기 각 센서는, 아노드, 정공전달층, 전자전달층, 캐소드를 포함하며, 상기 캐소드와 아노드는 상기 정공전달층 또는 상기 전자전달층으로부터 소정 파당의 전자발광의 방출을 구동시킬 수 있으며;
    상기 각 센서는 또한 전자발광하는 정공 또는 전자 전달층에 광학적으로 연결된 센싱층을 포함하며, 상기 센싱층은 상기 소정 파장의 빛을 흡수하여 상기 분석물의 존재 유무에 따른 광응답을 생성하는 지시제를 포함하며;
    상기 각 센서는 또한 상기 센싱층으로부터의 광응답을 검출하는 검출기를 포함하는;
    것을 특징으로 하는 장치.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 복수의 센싱층 중 적어도 하나는 중합체 물질을 추가로 포함하고 상기 지시제는 상기 중합체 물질 내에 흩어져 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  47. 제 45 항에 있어서,
    상기 복수 센서 중 적어도 하나의 상기 지시제는 루테늄 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  48. 제 45 항에 있어서,
    상기 전자발광층은 상기 지시제의 광응답에 대해 실질적으로 투명한 것을 특징으로 하는 장치.
  49. 제 45 항에 있어서,
    상기 전자발광층은, 4,4'-bis(2,2'-바이페닐비닐)-1,1'-바이페닐; 8-tris-(하이드록시 퀴놀린); 4,4'-N,N'-디카르바조릴 바이페닐; 디스티릴아릴렌; 4,4',4"-tris(N-(3-메톡시패닐)-N-패닐-아민-트리패닐아민); MTDATA; 구리 프탈로시아닌; N,N',바이패닐-N,N'-bis(2-메틸패닐)-(1,1'-바이패닐)-4,4'-디아민;N,N'-바이패닐-N,N'-bis(1-나프틸)-1,1'-바이패닐-4,4'-디아민; 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌), 폴리(알킬플루오렌)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  50. 제 45 항에 있어서,
    상기 장치는 펄스 생성기를 추가로 포함하고 상기 광응답은 펄스 여기에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 장치.
  51. 유체 샘플 내의 목표 분석물을 탐지하기 위한 광학적인 방법으로서,
    소정 파장의 빛을 흡수하고 개별 목표 분석물의 존재에 대해 특정한 광응답을 제공하는 센싱층 및, 박막 전자발광 장치를 포함하는 광 센싱 유니트를 제공하고;
    상기 센싱층과 접촉하는 샘플을 도입하고;
    상기 박막 전자발광 장치가 소정 파장의 빛 에너지를 상기 센싱층에 방출하도록 구동시키고;
    상기 센싱층의 상기 광응답을 광학적으로 검출하고;
    샘플 내의 적어도 하나의 목표 분석물의 존재 또는 농도를 탐지하기 위해 상기 응답을 평가하는; 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 검출은 상기 센싱 유니트의 상기 박막 전자발광 장치와 동일면 위에서 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 51 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 상기 특정 광반응에 대해 투명한 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제 51 항에 있어서,
    복수의 각기 다른 분석물을 검출하기 위한 광센싱 유니트 어레이를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제 51 항에 있어서,
    상기 검출은 CCD 어레이, CMOS 기반 영상기, 전하 주입 장치로 구성되는 군으로부터 선택되는 검출기를 사용하여 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제 51 항에 있어서,
    상기 광응답을 전자발광 장치를 통하여 역으로 반사시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제 51 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치를 펄스 여기시킬 수 있는 펄스 생성기를 추가로 포함하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제 51 항에 있어서,
    기판을 추가로 포함하고, 상기 센싱층은 상기 기판의 한면 위에 위치하고, 상기 박막 발광 방치는 상기 기판의 반대면에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제 51 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치가 유기 전자발광 물질을 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제 54 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 실질적으로 투명한 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제 51 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 정공 전달층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제 51 항에 있어서,
    상기 전자발광 장치는 4,4'-bis(2,2'-바이페닐비닐)-1,1'-바이페닐; 8-tris-(하이드록시 퀴놀린); 4,4'-N,N'-디카르바조릴 바이페닐; 디스티릴아릴렌로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제 61 항에 있어서,
    상기 정공전달층은, 4,4',4"-tris(N-(3-메톡시패닐)-N-패닐-아민-트리패닐아민); MTDATA; 구리 프탈로시아닌; N,N',바이패닐-N,N'-bis(3-메틸패닐)-(1,1'-바이패닐)-4,4'-디아민; N,N'-바이패닐-N,N'-bis(1-나프틸)-1,1'-바이패닐-4,4'-디아민으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제 51 항에 있어서,
    상기 지시제는 염료, 중합체, 생물학적 수용기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제 51 항에 있어서,
    상기 센싱층은 tris(4,7-바이페닐-1,10-페난트롤린)Ru(dpp)(II)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제 51 항에 있어서,
    상기 센싱층은 졸-겔을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  67. 제 51 항에 있어서,
    상기 센싱층은 중합 물질의 매트릭스를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  68. 제 51 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 다결정 황화아연과 다결정 셀렌화아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  69. 제 51 항에 있어서,
    상기 박막 전자발광 장치는 1 ㎛ 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  70. 제 51 항에 있어서,
    상기 분석물은 산소, 이온, 항체, 항원, 뉴클레오티드, 미생물 수용 단백질로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  71. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광층은 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌), 폴리(알킬플루오렌)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  72. 제 51 항에 있어서,
    상기 전자발광 장치는 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(p-페닐렌비닐렌), 폴리(p-페닐렌), 폴리(알킬플루오렌)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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