KR20060134187A - 나노갭 열 물질 포착, 검출, 동정 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

검출될 물질이 액체에 함유된 분자일지라도, 높은 민감도로 물질을 포착, 검출 및 동정할 수 있는 나노갭 열 방법 및 디바이스가 제공된다. 이러한 디바이스는, 각각 프로브 (5) 를 갖는 캔틸레버 (4) 를 포함하는 캔틸레버 열 (3), 및 그 캔틸레버 열 하부에 배치되고 각각의 캔틸레버 (4) 의 그 프로브 (5) 에 대응하도록 배열된 수식면 (2) 을 갖는 기판 (1) 을 포함한다. 나노미터-사이즈 갭은, 그 수식면 (2) 상에 세팅된 (set) 하나 이상의 미지의 물질 (6) 을 포착, 검출 및 동정하기 위해 그 기판의 수식면 (2) 과 그 캔틸레버 (4) 의 프로브 (5) 의 선단 사이에서 정의된다.

나노갭 열, 캔틸레버, 생체기능성 물질

Description

나노갭 열 물질 포착, 검출, 동정 방법 및 디바이스{NANOGAP SERIES SUBSTANCE CAPTURING, DETECTING, AND IDENTIFYING METHOD AND DEVICE}

본 발명은 물질을 포착, 검출 및 동정 (同定) 하는 나노갭 열 (列) 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

캔틸레버 (cantilever) 열을 사용하는 다음의 2개의 방법이 물질을 검출하기 위해 공지되어 왔다. 그 방법들은 다음과 같이 수행된다.

(1) 샘플 물질과 반응하거나 샘플 물질을 흡착하는 물질은, 샘플 물질의 도입 이후 캔틸레버의 편향을 광학적으로 또는 전기적으로 검출하기 위해 도포된다 (하기의 비-특허 문헌 1 참조).

(2) 캔틸레버의 진동 이후, 물질의 포착으로 인한 캔틸레버의 질량 변화 또는 캔틸레버의 댐핑 (damping) 변화는, 진동 주파수에서의 변화 또는 진동 진폭에서의 변화로서 검출된다 (하기의 비-특허 문헌 2 참조).

캔틸레버의 사용없이, 다음과 같은 단분자 계측 방법이 존재한다.

(3) 분자는, 전기적 계측을 수행하기 위해 수 나노미터의 간격을 갖는 평판 기판상에 배열된 2개의 전극 사이에서 포착된다.

본 발명자 등은 다음의 나노미터 기계 진동자 및 그 진동자를 사용한 계측 장치를 제안해 왔다.

(4) 포스 (force) 및 질량에서의 나노미터 변화를 검출할 수 있는 고 안정도, 고 민감도, 및 비약적인 검출 레졸루션 (resolution) 을 갖는 나노미터 기계 진동자 및 그 진동자를 사용한 계측 장치가 개시된다 (하기의 특허 문헌 1 참조).

(5) 캔틸레버의 사용에 의해 물리적 특성 분포를 매핑하는 방법 및 장치가 개시된다 (하기의 특허 문헌 2 참조).

(6) 주사형 프로브 현미경, 호모다인 레이저 간섭계, 및 샘플의 여진 기능을 갖는 레이저 도플러 간섭계와 같은 캔틸레버를 사용하여 샘플 표면 및 다양한 것들을 검출하는 캔틸레버가 개시된다 (하기의 특허 문헌 3을 참조).

(7) 광학 핀셋의 예가 하기의 비-특허 문헌 3 내지 5에 개시된다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 공보 제 2001-0091441

특허 문헌 2: 일본 특허 공개 공보 제 2001-0289768

특허 문헌 3: 일본 특허 공개 공보 제 2003-0114182

비-특허 문헌 1: M. K. Baller, H. P. Lang, J. Fritz, Ch. Gerber, J. K. Gimzewski, U. Drechsler, H. Rothuizen, M. Despont, P. Vettiger, F. M. Battiston, J. P. Ramseyer, P. Fornaro, E. Meyer, 및 H. -J. Guentherodt " 캔틸레버 열-기반 인공적 탐지 (A Cantilever Array-based Artificial Nose)", 울트라마이크로스코피 (2000) 1

비-특허 문헌 2: B. Ilic, D. Czaplewski, M. Zalalutdinov, H. G. Craighead, P. Neuzil, C. Campagnolo, 및 C. Batt "마이크로 기계적 진동자를 갖 는 단일 셀 검출 (Single Cell Detection with Micromechanical Oscillators)", J. Vac. Sci. Technol. B19, (2001) 2825

비-특허 문헌 3: R. Gussgard 및 T. Lindmo, 미국의 저널 광학 협회, Vol. 9, No. 10

비-특허 문헌 4: Tachibana 및 Ukita, "상방 및 하방 입사 광으로 미세 입자의 취급법 (Manipulation of Microparticles with Upward and Downward Incident Light)", Kogaku, Vol. 27, No 9, pp. 524 내지 529, 1998

비-특허 문헌 5: H. Ukita 및 T. Saitoh, "축 및 수평 방향에서 상방 및 하방-안내 레이저 빔으로 비드 (bead) 의 광학적 마이크로-취급법 (Optical Micro-Manipulation of Beads in Axial and Lateral Directions with Upward and Downward-Directed Laser Beams)", LEOS'99 (IEEE 레이저 및 전기 광학 협회 1999 연례 미팅), pp. 169 내지 170, 8 내지 11, 1999년 11월 미국 샌프란시스코

(발명의 개시)

그러나, 상기 3개의 방법은 후술될 다음의 문제를 갖는다.

방법 (1) 에 관해서, 검출될 샘플 물질이, 예를 들어, 단분자인 경우, 그 샘플 물질은 전체의 캔틸레버를 편향시킬 정도의 효과를 생성하지 못한다. 그 캔틸레버가 상당한 양의 분자들을 흡수하지 않으면, 편향 변화는 검출될 수 없다. 또한, 이러한 방법이 준-정적 편향을 검출하기 위해 의도되지 않으므로, 예를 들어, 온도 변화의 드리프트와 구별되기가 어렵다.

방법 (2) 에 관해서, 민감한 검출은, 액체가 캔틸레버의 진동을 감쇠시키기때문에, 계측이 바이오-관련 물질의 계측과 같이 액체에서 수행되어야 하는 환경에서는 거의 달성되지 않는다.

방법 (3) 에 관해서, 다수의 갭들이 정확하게 정의되지 않는다. 특히, 갭들의 양단을 수식 (modify) 하는 극히 제한적인 옵션이 존재하므로, 기계적, 전기적, 및 광학적 계측이 거의 달성되지 않는다.

상술된 환경의 관점에서, 본 발명의 목적은, 검출될 물질이 액체에 함유된 분자일지라도, 고 민감도로 물질을 포착, 검출 및 동정할 수 있는 나노갭 열 방법 및 디바이스를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음의 사항에 의해 특징된다.

[1] 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법은, 각각 프로브를 갖는 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 열을 제공하고; 그 캔틸레버 열 하부에 각각의 캔틸레버의 프로브에 대응하도록 배열된, 수식면 (modified surface) 을 갖는 기판을 제공하며; 그 기판의 수식면과 그 캔틸레버의 프로브의 선단 (tip) 사이에 정의된 나노미터-사이즈 갭에서 적어도 하나의 미지의 물질을 포착, 검출 및 동정하는 단계를 포함한다.

[2] [1] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 기판의 수식면과 그 캔틸레버의 프로브의 선단 사이의 그 갭의 길이가 공지된다.

[3] [2] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 갭의 길이는 균일하게 정의된다.

[4] [2] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 갭은 길이에서 구배를 갖는다.

[5] 상기 [1] 또는 [2] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 물질은 액체에 함유된다.

[6] [1], [2] 또는 [5] 중 어느 하나에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 물질은 적어도 하나의 분자이다.

[7] [6] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 분자는 단분자이다.

[8] [1], [2] 또는 [5] 중 어느 하나에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 물질은 단백질이다.

[9] [1], [2] 또는 [5] 중 어느 하나에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 물질은 생체 물질이다.

[10] [1] 내지 [9] 중 어느 하나에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 그 방법은, 특정 물질을 포착하기 위해 사전에 캔틸레버의 프로브의 선단을 수식하는 단계를 더 포함한다.

[11] [1] 내지 [10] 중 어느 하나에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법에 의하면, 광 투과 프로브는, 근방의 타켓 물질이 광의 그 구배를 통해 그 갭에서 포착되기 위해, 그 나노갭에서 그 광의 필드를 집중시키도록 그 캔틸레버로부터 그 프로브의 선단까지 그 광을 도입하기 위해 사용된다.

[12] 물질을 포착, 검출 및 동정하는 또 다른 나노갭 열 방법은, 레이저 광이, 에버네센트 (evanescent) 필드 여기를 생성하기 위해 임계각보다 낮은 각으로 갭 근방의 타겟 물질 상에 입사하도록 프라이머리 (primary) 입사 레이저 광으로 기판의 후면을 조사하고; 에버네센트 필드에 위치된 프로브의 선단으로부터 발생된 전파 광의 필드의 구배를 통해 갭에서 근방의 타켓 물질을 포착하는 단계를 포함한다.

[13] 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스는, 각각 프로브를 갖는 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 열; 및 각각의 캔틸레버의 프로브에 대응하도록 배열된 수식면을 갖고 그 캔틸레버 열 하부에 배치된 기판을 포함한다. 나노미터-사이즈 갭은, 갭들 사이에서 적어도 하나의 미지의 물질을 포착, 검출 및 동정하기 위해 기판의 수식면과 캔틸레버의 프로브의 선단 사이에서 정의된다.

[14] [13] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 캔틸레버의 그 프로브가 수식된다.

[15] [13] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 그 포착된 물질은, 진동 주파수에서의 변화 또는 진동 진폭에서의 변화로서 그 물질의 포착으로 인한 그 캔틸레버의 질량 변화 또는 댐핑 변화를 검출하기 위해 그 캔틸레버를 진동시키므로써 동정된다.

[16] [13] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 그 디바이스는, 포착된 물질의 특성을 검출 및 동정하도록 광학적 여진 기능을 갖는 레이저 도플러 간섭계를 더 포함한다.

[17] [13] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 그 캔틸레버 열 및 그 캔틸레버 열을 지지하는 지지 부재는 투명 기판으로 형성되고, 그 포착된 물질의 그 특성은 그 캔틸레버 및 그 부재에 의해 정의된 간격을 사용하는 광학적 간섭 방법에 의해 그 캔틸레버의 변위 또는 진폭 또는 주파수를 계측함으로써 검출 및 동정된다.

[18] 물질을 포착, 검출 및 동정하는 또 다른 나노갭 열 디바이스는, 각각 프로브를 갖는 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 열; 및 그 캔틸레버 하부에 배치되고 수식면상에 제공되는 적어도 하나의 미지의 물질을 공급받는 환상의 (annular) 홈을 갖는 원형 기판을 포함한다. 나노미터-사이즈 갭은, 그 미지의 물질을 포착, 검출 및 동정하기 위해 기판의 그 수식면과 캔틸레버의 프로브의 선단 사이에서 정의된다.

[19] [18] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 상이한 물질들은 상이한 환상 홈에서 제공되고, 동시에 포착, 검출 및 동정된다.

[20] 물질을 포착, 검출 및 동정하는 또 다른 나노갭 열 디바이스는, 샘플이 제공되는 투명 기판; 그 투명 기판상의 그 샘플에 대응하는 나노갭의 열을 정의하고 프로브를 갖는 캔틸레버; 및 그 캔틸레버의 그 프로브와 그 투명 기판 사이에서 포착될 적어도 하나의 물질을 포함한다. 그 물질은 광학적 계측을 수행하기 위해 프라이머리 입사 레이저 광으로 그 투명 기판의 후면을 조사함으로써 그 나노갭에서 포착된다.

[21] [20] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 그 프라이머리 입사 레이저 광은, 그 물질이 에버네센트 필드 여기를 생성하기 위해 임계각보다 낮은 각으로 배치되는 위치에서 입사한다.

[22] [20] 또는 [21] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 그 샘플들은 그 프라이머리 입사 레이저 광으로 순차적으로 조사 및 스캐닝된다.

[23] [20] 내지 [22] 중 어느 하나에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 그 투명 기판은 원형 기판이고, 프로브를 갖는 그 캔틸레버는 그 투명 기판의 반경 방향으로 배열된다.

[24] [20] 내지 [23] 중 어느 하나에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 그 투명 기판은 그 물질을 공급받게 될 환상 홈을 갖는다.

[25] [24] 에서 상술된 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에 의하면, 상이한 물질들은 상이한 환상 홈에서 제공되고, 동시에 포착, 검출 및 동정된다.

도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에 따라 분자들을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스의 개략도이다.

도 2는 도 1의 부분 A의 확대도이다.

도 3은 제 1 실시형태의 변형에 따른 부분 A의 확대도이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 따라 분자들을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스의 평면도이다.

도 5는 라인 (line) B-B를 따른 도 4의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 따라 분자들을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스의 개략도이다.

도 7은 도 6의 부분 C의 확대도이다.

도 8은 본 발명에 따라 광학적으로 여기하는 분자들의 기능을 갖는 레이저 도플러 간섭계를 포함하는 분자 계측 장치의 개략도이다.

도 9는, 본 발명에 따른 나노갭 열에 의한 분자들의 포착 및 광학 계측을 위해 그 나노갭 열에 포커싱되는 광학 시스템을 나타낸 개략도이다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

본 발명에 따른 분자들을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스는, 각각 프로브를 갖는 라인에 배열된 캔틸레버를 갖는 캔틸레버 열; 그 캔틸레버 열 하부에 배치되고 각각의 캔틸레버의 프로브의 위치에 대응하도록 배열된 수식면을 갖는 기판; 및 적어도 하나의 미지의 물질을 포착, 검출 및 동정하기 위해 그 기판의 그 수식면과 그 캔틸레버의 프로브의 상단 사이에서 정의된 나노미터-사이즈 갭을 포함한다. 이러한 디바이스는, 공지된 캔틸레버 물질 센서에 의해서는 거의 달성되지 않는 단분자의 검출을 허용한다.

또한, 많은 상이한 물질들은 일 내지 수 백만개의 공지된 길이의 갭에 의해 검출된다. 일반적으로 수행하기 어려운 평면에서의 나노갭의 제어는 캔틸레버 열 및 기판을 사용하여 용이하게 달성될 수 있다. 또한, 갭들의 양단을 수식하는 광범위하게 다양한 옵션들이, 많은 상이한 물질들을 정확하게 검출하고 동정하기 위해 제공된다.

(실시형태)

다음으로, 본 발명의 실시형태들이 상세하게 설명된다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 분자들을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스의 간략도이다. 도 2는 도 1의 부분 A의 확대도이다.

도 1 및 도 2는, 평판 기판 (1), 그 기판 (1) 상의 소정의 위치에 배치된 수식면 (2), 그의 선단에서 프로브 (5) 를 갖는 캔틸레버 (4) 를 포함하는 캔틸레버 열 (3), (단백질 또는 생체기능성 물질과 같은) 미지의 물질로서 그 수식면 (2) 상에 제공되는 분자들 (6), 액체 (8), 및 계측 장치 (9) 를 도시한 것이다. 여기서, "미지의 물질" 이라는 용어의 정의는 미지의 농도의 물질을 포함한다.

도 3은 이러한 실시형태의 변형에 따라 분자들을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스의 부분 A의 확대도이다. 이러한 변형에서, 특정 물질을 포착하는 수식물 (7) 는 사전에 각각의 프로브 (5) 상에 제공된다 (예를 들어, 단백질 또는 생체기능성 물질이 도포된다).

이러한 실시형태에서, 개별의 캔틸레버 (4) 의 변위 또는 주파수에서의 변화가 검출되는 동안, 캔틸레버 열 (3) 의 캔틸레버 (4) 는 평판 기판 (1) 에 수직인 방향으로 평판 기판 (1) 에 근접하게 되며, Z-축으로서 정의된다. 프로브 (5) 가 그 평판 기판 (1) 에 접속하는 시간에서 캔틸레버 열 (3) 의 Z-축 좌표는, 원자 현미경 (AFM) 을 사용하여 공지된 상호작용 검출의 방법에 의해 검출된다. 캔틸레버 (4) 의 프로브 (5) 가 그 평판 기판 (1) 에 접속한 이후, 캔틸레버 열 (3) 은 Z-축 방향으로 후퇴된다. 후퇴 이후, 캔틸레버 (4) 의 프로브 (5) 와 평판 기판 (1) 사이의 거리 (갭 길이) 는, Z-축 좌표가 그 캔틸레버 (4) 의 그 프로브 (5) 가 그 평판 기판 (1) 에 접속하는 시간에 계측되기 때문에 공지되어 있다.

이러한 기술은, 프로브 (5) 가 높이에서 동일하지 않거나 캔틸레버가 먼저 검출될지라도 공지된 갭 길이의 갭 열을 정의할 수 있다. 대략 수 십 나노미터의 캔틸리버 (4) 의 편향 또는 프로브 (5) 의 높이에서의 변화가 일반적으로 가능한 에러와 같이 발생할지라도, 길이에서 대략 서브옴스트롱 (subangstrom) 내지 수 나노미터의 갭 열은 갭의 충분한 수를 준비함으로써 달성될 수 있다.

평방 센티미터 당 수 백만개의 갭들을 포함하는 나노갭 열이, 캔틸레버 (4) 가 프로세싱 이후에 약 수십 나노미터의 변화를 갖는다는 기대로 제공될 수 있기 때문에, 이러한 기술은 다양한 갭 길이를 제공할 수 있다. 즉, 갭 길이에서의 변화는 어떤 의미에서는 바람직하다. 제조 이후 갭 길이에서의 변화가 없다면, 구배를 의도적으로 갖는 기판 또는 캔틸레버에 의해 야기된 변화하는 갭 길이를 갖는 갭 열이 준비되어야 한다.

또한, 기판-캔틸레버 거리는 균일하게 정의될 수도 있다.

도 4는, 본 발명의 제 2 실시형태에 따라 분자들을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스의 평면도이다. 도 5는 라인 B-B를 따른 도 4의 단면도이 다.

도 4 및 도 5는 빗살 모양의 돌출부 (12) 가 형성되는 기판 (11), 그 돌출부 (12) 상에 제공되는 수식면 (13), 그의 선단에서 제공되는 프로브 (16) 를 갖는 빗살 모양의 캔틸레버 (15) 를 포함하는 캔틸레버 열 (14), 및 계측 장치 (19) 를 도시한 것이다. 분자 (17) 는 그 수식면 (13) 상에서 제공되고, 분자 (18) 는 그 빗살 모양의 캔틸레버 (15) 의 프로브 (16) 상에서 제공된다.

분자들을 포착, 검출 및 동정하는 이러한 나노갭 열 디바이스는, 갭으로 물질을 포착, 검출 및 동정하기 위해, 대략 나노미터의 공지된 갭 길이의 갭의 열을 정의한다. 그 갭은 그 돌출부 (12) 가 형성되는 기판 (11) 과 캔틸레버 (14) 사이에서 정의된다.

예를 들어, 포착은, 변조된 표면 (13) 상에 제공되는 분자 (17) 와 캔틸레버 (15) 의 프로브 (16) 상에 사전에 제공된 특정 물질을 포착하는 수식물 (18) 사이에서 수행되고, 그 후, 검출 및 동정이 계측 장치 (19) 에 의해 수행된다.

또한, 본 발명에 따라 분자를 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스에서, 캔틸레버 열 및 그의 지지 부재는 투명 부재일 수 있다. 포착된 물질의 특성은 광학적 간섭 방법에 의하여 캔틸레버 및 부재에 의해 정의된 간격을 사용하여 캔틸레버의 변위 또는 진폭 또는 진동의 주파수를 계측함으로써 검출되고 동정될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 따라 분자를 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스의 개략도이다. 도 7은 도 6의 부분 C의 확대도이다.

도 6 및 7은, 평판 원형 기판 (21), 그 원형 기판 (21) 의 중앙부 (22) 주변에 형성되는 환상의 홈 (23), 분자들을 함유하는 액체 (25) 를 공급하는 노즐 (24), 그의 선단에 제공되는 프로브 (28) 를 갖는 캔틸레버 (27) 를 포함하는 캔틸레버 열 (26), 그 프로브 (28) 에 도포되는 분자 (29), 및 계측 장치 (30) 를 도시한 것이다.

예를 들어, 이러한 실시형태를 따른 나노갭 열은, 프로브 (28) 에 도포된 분자 (29) 를 사용하여 액체 (25) 로서 환상의 홈 (23) 에 공급되는 혈액 샘플 (a 내지 e) 에 함유된 분자들을 포착하고, 그 후, 계측 장치 (30) 를 사용하여 그 포착된 분자들을 검출하고 동정한다.

또한, 상술된 바와 같이, 캔틸레버와 기판 사이의 갭의 양단은 특정 물질을 포착하도록 사전에 수식되는 것이 바람직하다. 물질의 포착은 캔틸레버의 진동 주파수 변화, 또는 Z-축 방향에서 캔틸레버 열의 위치 변조로 인한 (일반적으로, 포스 커브로서 지칭되는) 벤딩 히스테리시스 (bending hysteresis) 에서의 변화에 의해 검출될 수 있다. 즉, 계측 장치에 의한 계측은, 캔틸레버의 진동 이후 포착 물질 또는 댐핑 변화로 인한 캔틸레버의 질량 변화를 진동 주파수에서의 변화 또는 진동 진폭에서의 변화로서 검출하기 위해, 캔틸레버를 진동시킴으로써 수행될 수 있다. 특히, 본 발명자에 의해 개발된, 샘플을 광학적으로 여진시키는 기능을 갖는 레이저 도플러 간섭계를 사용한 샘플 계측 장치 (후술함), 또는 헤테로다인 (heterodyne) 레이저 도플러 간섭계를 사용한 스캐닝 포스 현미경, 물질 센서, 또는 질량센서가 사용될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따라 광학적 여진 분자의 기능을 갖는 레이저 도플러 간섭계를 사용한 분자 계측 장치의 개략도이다.

도 8에서, 이러한 실시형태에 따라 샘플 분자의 특성을 계측하는 장치는, 광학적 여기 부분 (40), 신호-프로세싱 부분 (50), 레이저 도플러 간섭계 부분 (60), 원자 현미경 (AFM) 샘플 스테이지 제어 부분 (90), 및 네트워크 애널라이저 (analyzer; 100) 를 포함한다.

광학적 여기 부분 (40) 은, 레이저 다이오드 (LD) 드라이버 (41), 그 LD 드라이버 (41) 에 의해 구동되는 레이저 다이오드 (LD; 42), 및 미러 (mirror; 43) 를 포함한다.

신호-프로세싱 부분 (50) 은, 제 1 스위치 (sw1; 51), 제 2 스위치 (sw2; 52), 디지타이저 (digitizer; 53), 위상 시프터 (shifter; 54), 필터 (55), 및 증폭기 (56) 를 포함한다.

레이저 도플러 간섭계 부분 (60) 은, He-Ne 레이저 (61), 제 1 편광 빔 스플리터 (PBS; 62), 제 2 PBS (63), 멀티플렉서 (64), 렌즈 (65), 편광-유지 섬유 (66), 센서 헤드 (레이저 출력 부분; 67) (2개의 렌즈와 그들 사이에 배치된 λ/4 파장판 (wave plate) 의 조립체), 나노캔틸레버 (68), 프로브 (68A), 미러 (69), 음향-광학 변조기 (AOM; 70), λ/2 파장판 (71), 제 3 PBS (72), 편광기 (73), 포토다이오드 (74), 기저대역 필터 (BPF; 75), 증폭기 (76, 78, 및 83), 디지타이저 (77 및 79), 지연 라인 (80), 이중-밸런스 믹서 (DBM; 81), 및 로우-패스 필터 (LPF; 82) 를 포함한다.

AFM 샘플 스테이지 제어 부분 (90) 은, 로컬 오실레이터 (LO) 에 접속된 DBM (91), 제어기 (92), 샘플 분자 (93), 및 피에조 전기 소자 (94) 를 포함한다.

네트워크 애널라이저 (100) 는 신호 입력단자 (101) 및 평가 출력 단자 (102) 를 포함한다.

이러한 실시형태에서, 예를 들어, 레이저 다이오드 (LD; 61) 로부터 출력된 780nm 파장의 광은 레이저 도플러 간섭계 부분의 He-Ne (헬륨-네온) 레이저 (41) 로부터 방출된 632nm 파장의 계측 광에 중첩되지만, 사용된 그 파장은 상기 예에 제한되지 않는다. 그 중첩된 광은, 레이저 출력 부분 (67) 및 나노캔틸레버 (68) 를 통해 샘플 분자 (93) 상에 조사하기 위해 4㎛ 코어를 포함하는 편광-유지 섬유 (66) 로 도입된다.

이러한 계측 장치가 다음과 같이 사용될 수 있다.

(1) 레이저 도플러 간섭계 부분 (60) 으로부터 출력된 신호는 위상-시프팅되고, 증폭되며, 필요하다면, 필터링되고 디지털화된다. 이들 신호들은, 샘플 분자 (93) 가 그의 고유 진동수에서 자려 (self-excited) 될 수 있도록 레이저 다이오드 (42) 로부터 방출된 780nm 파장의 광을 변조하기 위해 사용된다. 즉, 샘플 분자 (93) 는 필터링 특성을 선택함으로써 특정 진동 모드에서 여진될 수 있다. 이것은 나노미터-사이즈 내지 마이크로미터-사이즈의 샘플 분자의 자려 (self-excitation) 를 허용한다.

스캐닝 프로브 현미경에 대한 포스 검출기로서 서빙 (serve) 하는 나노캔틸레버 (68) 는 광 조사에 의해 자려될 수 있다. 그 후, 자려 주파수에서의 변화 는, 나노캔틸레버 (68) 의 선단에서 제공되는 프로브 (68A) 와 샘플 분자 (93) 사이에서의 상호작용 및 질량 변화를 검출하기 위해 계측될 수 있다.

(2) 네트워크 애널라이저 (100) 로부터 발생된 주파수 스위프 (sweep) 신호는 레이저 다이오드 (42) 로부터 방출된 780nm 파장의 광을 변조하기 위해 사용된다. 레이저 도플러 간섭계 부분 (60) 으로부터 출력된 신호는 네트워크 애널라이저 (100) 의 신호 입력 단자 (101) 에 제공된다. 이것은, 네트워크 애널라이저 (100) 및 광학적 여진 기능을 갖는 레이저 도플러 간섭계 부분 (60) 을 사용하는 샘플 분자 (93) 의 주파수 특성의 계측을 허용한다.

계측 광 및 진동된 (진동) 여기 광은 동일한 광학 시스템에서 중첩될 수도 있거나 상이한 광학 경로를 통해 샘플 분자 (93) 를 조사하도록 허용될 수도 있다.

LD (42) 로부터 방출된 광은, 나노캔틸레버 (68) 의 진동을 여진시키기 위해 레이저 도플러 간섭계 부분 (60) 의 He-Ne 레이저 (61) 로부터 방출된 광학적 계측 프로브 광에 중첩된다. 사용된 그 여진 광은, LD (42) 와 같은 광원으로부터 방출되고, 레이저 도플러 간섭계 부분 (60) 으로부터 출력된 속도 신호를 사용하여 변조되며, 예를 들어, 위상 시프팅, 디지털화, 및 증폭에 의해 프로세싱되는 광이거나, 오실레이터 또는 스위프 주파수에 의해 특정된 주파수에서 변조된 광이다.

상술된 바와 같이, 계측 대상에 특정한 진동이 레이저 도플러 간섭계를 사용한 측정에서 여기될 수 있다. 따라서, 특히, 단분자인 물질이 캔틸레버 열를 사용하여 높은 정확도로 포착, 검출 및 동정될 수 있다.

따라서, 본 발명은, 캔틸레버의 정적인 벤딩 또는 그의 진동에서의 변화에 기초한 공지된 방법에 의해 검출하기가 어려운 액체에서 단분자의 검출을 허용하며, 또한, 단분자의 기계적이고 전기적인 계측을 허용한다. 또한, 특정 물질은, 프로브와 기판 사이에서 정의된 갭의 양단을 수식시키므로써 선택적으로 포착될 수 있다.

본 발명은 평방 센티미터 당 수 많은 프로브를 갖는 캔틸레버 열을 지금까지 실현해 왔다 (상기의 특허 문헌 2 참조). 이러한 캔틸레버 열은 다수의 공지된 갭 길이의 갭을 포함하는 나노갭 열을 실현하기 위해 사용될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 나노갭 열에 의한 분자의 포착 및 광학 계측을 위해 그 나노갭 열에 포커싱된 광학 시스템을 도시한 개략도이다.

도 9는, 투명 기판 (110), 나노갭 열을 정의하는 캔틸레버 (111, 112, 및 113), 각각, 캔틸레버 (111, 112, 및 113) 의 프로브 (114, 115, 및 116), 포착된 분자 (117, 118, 및 119), 나노갭 (121, 122, 및 123), 프라이머리 입사 레이저 광 (130), 포커싱 렌즈 (131), 임계각보다 낮은 각으로 입사하는 레이저 광 (132), 레이저 스폿 (133), 및 에버네센트 필드 여기 (134) 를 도시한다. 프로브 선단은 전파 광을 발생시키기 위해 에버네센트 필드에 배치된다. 그 후, 포착될 근방의 타겟이 전파 광의 필드의 구배를 통해 갭에서 포착될 수 있다.

도 9에서 도시된 바와 같이, 나노갭에 의한 분자의 포착 및 광학 계측 양자가 수행될 수 있다. 이하, 상세한 설명이 제공될 것이다.

나노갭 (121, 122, 및 123) 에 포커싱된 광학 시스템 (또는 나노갭으로부터 전파하는 광을 수신하는 광학 시스템) 의 사용은, 나노갭 (121) 에서 포착된 분자 (117) 및 단백질과 같은 물질의 스펙트럼, 강도, 및 편광을 포함하는 광학 특성의 계측을 허용한다.

여기에서 사용된 광학 시스템은, 예를 들어, 공초점 (confocal) 현미경의 원리에 기초한다. 광학 정보는, 광이 포커싱될 특정 3-차원 영역을 순차적으로 스캐닝 (레이저 스폿 (133) 으로 나노갭 (121, 122, 및 123) 을 스캐닝) 함으로써 각각의 나노갭에 대해 계측될 수 있다. 예를 들어, 특정 형광 물질로 라벨링된 (labeled) 분자는, 나노갭에서 포스 및 전기적 계측에 더하여 광학적 스펙트럼 계측에 대해 포착될 수 있다.

또한, 투명 프로브가, 캔틸레버로부터 그 프로브의 선단까지 광을 도입하고, 포착될 근방의 타겟 물질이 갭에서 광의 구배를 통해 포착될 수 있도록 나노갭에서 광의 필드를 집중시키기 위해 사용될 수도 있다.

도 6 및 7에서 도시된 바와 같은 회전 원형 기판상의 홈에 제공되고 나노갭에 전달되는 타겟 물질 (검출될 물질) 은, 투명 기판을 사용하거나 캔틸리버의 상부로부터 광학적인 계측을 동시에 수행함으로써, 나노갭에서 확실하게 포착하고 계측하기 쉬울 수 있다.

점점 더 일반적으로 되는 표면 플라스몬 (plasmon) 계측과 비교하면, 상술된 방법은, 민감도 및 배경 노이즈에 대한 내성의 관점에서 많은 이점을 갖는다. 이러한 방법에서, 광학적 계측에 대한 위치는, 분자가 3-차원적으로 제한된 스폿, 즉 나노갭에서 포착되기 때문에 사전에 제한될 수 있다. 이러한 방법은 요구되는 샘플의 양을 감소시키고 미량의 샘플로부터 미량의 물질의 검출을 허용할 수 있 다. 예를 들어, 이러한 방법은, 병원에서 혈액 테스트를 위해 요구되는 혈액의 양을 현저하게 감소시킬 것으로 기대된다.

또한, 본 발명에 따라 분자를 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스 및 방법은 단백질 및 생체 물질의 포착을 허용한다. 따라서, 본 발명은 분자 생물학의 분야에서 물질의 포착, 검출 및 동정에 기여한다. 즉, 본 발명에 따른 디바이스 및 방법은 분자 레벨에서 생체 현상을 이해하기 위한 중요한 툴로서 서빙할 수 있다. 예를 들어, 일부 세포막 단백질은 세포의 접착에 관련된다. 에너지 생산자로서 서빙하는 미토콘드리아에서, 많은 양의 에너지 (APT) 가 트리카르복실 (tricarboxylic) 산 (TCA) 사이클에 의해 생산된다. 또한, 본 발명에 따른 디바이스 및 방법은 APT를 포착, 검출 및 동정시에 효과적이다.

따라서, 본 발명은 다음의 이점을 제공한다.

(1) 단분자와 비슷한 검출 레졸루션이 달성될 수 있다.

(2) 서브나노미터-사이즈 내지 나노미터-사이즈 갭의 열이 용이하게 달성될 수 있다.

(3) 프로브와 기판 사이의 갭의 양단을 수식하는 광범위한 옵션이 이용가능하다.

(4) 나노미터-사이즈 물질의 포착 및 그의 특성의 계측이 용이하게 된다. 특히, 캔틸레버 열 및 입사 레이저 광에 의한 많은 상이한 물질의 포착 및 그 입사 레이저 광의 스캐닝에 의한 그의 특성의 계측이 높은 정확도로 용이하게 수행될 수 있다.

본 발명은 상술된 실시형태에 제한되는 것이 아니다; 다양한 변형이 발명의 사상내에서 용인되며 본 발명의 범위로부터 배제되지 않는다.

본 발명에 따라 분자를 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스 및 방법은 단백질 및 생체기능성 물질의 검출 및 신규한 약품의 개발을 위해 사용될 수 있다.

Claims (25)

1. 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 (列) 방법으로서,

   각각 프로브를 갖는 캔틸레버 (cantilever) 를 포함하는 캔틸레버 열을 제공하는 단계;

   상기 캔틸레버 열 하부에, 각각의 캔틸레버의 상기 프로브에 대응하도록 배열된 수식면 (modified surface) 을 갖는 기판을 제공하는 단계; 및

   상기 기판의 상기 수식면과 상기 캔틸레버의 상기 프로브의 선단 (tip) 사이에 정의된 나노미터-사이즈 갭에서 하나 이상의 미지의 물질을 포착, 검출 및 동정하는 단계를 포함하는, 나노갭 열 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 캔틸레버의 상기 프로브의 선단과 상기 기판의 상기 수식면 사이의 상기 갭의 길이가 공지되어 있는, 나노갭 열 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 갭의 상기 길이는 균일하게 정의되는, 나노갭 열 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 갭은 길이에서 구배를 갖는, 나노갭 열 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 물질은 액체에 함유되는, 나노갭 열 방법.
6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 물질은 하나 이상의 분자인, 나노갭 열 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 분자는 단분자인, 나노갭 열 방법.
8. 제 1 항, 제 2 항, 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 물질은 단백질인, 나노갭 열 방법.
9. 제 1 항, 제 2 항, 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 물질은 생체 물질인, 나노갭 열 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    특정 물질을 포착하기 위해 사전에 상기 캔틸레버의 상기 프로브의 선단을 수식하는 단계를 더 포함하는, 나노갭 열 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    광 투과 프로브는, 근방의 타켓 물질이 광의 상기 구배를 통해 상기 갭에서 포착되기 위해, 상기 나노갭에서 상기 광의 필드를 집중시키도록 상기 캔틸레버로부터 상기 프로브의 선단까지 상기 광을 도입하기 위해 사용되는, 나노갭 열 방법.
12. 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 방법으로서,

    레이저 광이, 에버네센트 (evanescent) 필드 여기를 생성하기 위해, 임계각보다 낮은 각으로 갭 근방의 타겟 물질 상에 입사하도록 프라이머리 (primary) 입사 레이저 광으로 기판의 후면을 조사하는 단계; 및

    상기 에버네센트 필드에 위치된 프로브의 선단으로부터 발생된 전파 광의 필드의 구배를 통해 갭에서 상기 근방의 타켓 물질을 포착하는 단계를 포함하는, 나노갭 열 방법.
13. 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스로서,

    (a) 각각 프로브를 갖는 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 열; 및

    (b) 각각의 캔틸레버의 상기 프로브에 대응하도록 배열된 수식면을 갖고 상기 캔틸레버 열 하부에 배치된 기판을 포함하며,

    (c) 나노미터-사이즈 갭이, 상기 갭들 사이에서 하나 이상의 미지의 물질을 포착, 검출 및 동정하기 위해 상기 기판의 상기 수식면과 상기 캔틸레버의 상기 프로브의 선단 사이에서 정의되는, 나노갭 열 디바이스.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 캔틸레버의 상기 프로브가 수식되는, 나노갭 열 디바이스.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 포착된 물질은, 진동 주파수에서의 변화 또는 진동 진폭에서의 변화로서 상기 물질의 포착으로 인한 상기 캔틸레버의 질량 변화 또는 댐핑 (damping) 변화를 검출하기 위해 상기 캔틸레버를 진동시키므로써 동정되는, 나노갭 열 디바이스.
16. 제 13 항에 있어서,

    상기 포착된 물질의 특성을 검출 및 동정하도록 광학적 여진 기능을 갖는 레이저 도플러 간섭계를 더 포함하는, 나노갭 열 디바이스.
17. 제 13 항에 있어서,

    상기 캔틸레버 열 및 상기 캔틸레버 열을 지지하는 지지 부재는 투명 기판을 포함하고,

    상기 포착된 물질의 상기 특성은, 상기 캔틸레버 및 상기 부재에 의해 정의된 간격을 사용하는 광학적 간섭 방법에 의해 상기 캔틸레버의 변위 또는 진폭 또는 주파수를 계측함으로써 검출 및 동정되는, 나노갭 열 디바이스.
18. 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스로서,

    (a) 각각 프로브를 갖는 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 열; 및

    (b) 상기 캔틸레버 하부에 배치되고, 수식면상에 제공되는 하나 이상의 미지의 물질을 공급받는 환상의 (annular) 홈을 갖는 원형 기판을 포함하며,

    (c) 나노미터-사이즈 갭이, 상기 미지의 물질을 포착, 검출 및 동정하기 위해 상기 기판의 상기 수식면과 상기 캔틸레버의 상기 프로브의 선단 사이에서 정의되는, 나노갭 열 디바이스.
19. 제 18 항에 있어서,

    상이한 물질은 상이한 환상 홈에서 제공되고, 동시에 포착, 검출 및 동정되는, 나노갭 열 디바이스.
20. 물질을 포착, 검출 및 동정하는 나노갭 열 디바이스로서,

    (a) 샘플이 제공되는 투명 기판;

    (b) 상기 투명 기판상에, 상기 샘플에 대응하는 나노갭의 열을 정의하고, 프로브를 갖는 캔틸레버; 및

    (c) 상기 캔틸레버의 상기 프로브와 상기 투명 기판 사이에서 포착될 하나 이상의 물질을 포함하며,

    (d) 상기 물질은, 광학적 계측을 수행하기 위해 프라이머리 입사 레이저 광 으로 상기 투명 기판의 후면을 조사함으로써 상기 나노갭에서 포착되는, 나노갭 열 디바이스.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 프라이머리 입사 레이저 광은, 상기 물질이 에버네센트 필드 여기를 생성하기 위해 임계각보다 낮은 각으로 배치되는 위치에서 입사하는, 나노갭 열 디바이스.
22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,

    상기 샘플은 상기 프라이머리 입사 레이저 광으로 순차적으로 조사 및 스캐닝되는, 나노갭 열 디바이스.
23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 투명 기판은 원형 기판이고, 프로브를 갖는 상기 캔틸레버는 상기 투명 기판의 반경 방향으로 배열되는, 나노갭 열 디바이스.
24. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 투명 기판은 상기 물질을 공급받게 될 환상 홈을 갖는, 나노갭 열 디바이스.
25. 제 24 항에 있어서,

    상이한 물질은 상이한 환상 홈에서 제공되고, 동시에 포착, 검출 및 동정되는, 나노갭 열 디바이스.

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