KR20070082949A - 전기역학적 캔틸리버 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기장을 인가할 수 있는, 즉 작용전극으로 사용된 캔틸리버 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캔틸리버에 전기장을 인가하여 용액 내의 이온 또는 전하를 띈 입자를 캔틸리버 금 표면에 흡착 또는 탈착시키고, 이온의 흡착 또는 탈착 시 캔틸리버가 나타내는 캔틸리버의 굴곡 특성을 관측하여 캔틸리버의 금 표면에 고정된 물질 및 흡·탈착되는 이온을 측정하는 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 센서는 캔틸리버에 전기장을 인가할 수 있는 장치가 연결되어 있다.
캔틸리버
Description
도 1 은 본 발명에 따른 캔틸리버 센서의 간략도이며,
도 2 는 본 발명에 따른 캔틸리버 센서에 인가된 전원의 크기와 용액의 농도에 따른 캔티리버 센서의 굴곡 응답 특성을 보여주는 도면이며,
도 3 은 본 발명에 따른 캔틸리버 센서에 스퀘어파를 가했을 때, 캔틸리버의 금 표면이 순수한 금 박막이거나, 1-mercaptoethanol, 1-mercaptopropanol, 1-mercaptohexanol 이 고정된 경우의 응답특성을 보여주는 그래프 및 확대도이다.
본 발명은 전기역학적 캔틸리버 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캔틸리버에 코팅된 박막에 전기장을 가하여 용액 내에 이온 또는 전하를 띈 입자를 캔틸리버에 흡착 또는 탈착시키고, 이온의 흡착 또는 탈착 시 캔틸리버의 굴곡 패턴을 측정하여 캔틸리버의 금 표면에 고정된 물질 및 흡·탈착되는 이온을 분별하는 전기역학적 캔틸리버 센서에 관한 것이다.
바이오 산업과 같은 나노 수준의 산업이 발달함에 따라 신속하면서도 민감한 측정이 가능한 바이오 센서의 개발이 요구되고 있으며, 이에 따라 캔틸리버 특성을 센서에 이용한 다양한 형태의 캔틸리버 센서가 개발되어 왔다. 예를 들어 캔틸리버 변환기는 스케닝 프로브 마이크로스코프용 힘 센서, 가속 센서, 또는 화학적, 생화학적 센서에 응용되어 사용되고 있다. Thundat 등에게 허여된 미국 특허 제 5,719,324 호는 다양한 캔틸리버 센서를 보여주는데, 전형적으로는 캔틸리버 센서의 일측면에 피에조일렉트릭 필름을 사용한 장치이다. 그러나 종래의 캔틸리버를 이용한 센서는 측정에 걸리는 시간이 길고 또 액상 실험에서 전류의 손실로 인해 그 응용분야의 확대에 있어서 문제가 있어왔다.
본 발명의 기본적인 목적은 전기역학적 특성을 캔틸리버에 결합하여 단순하면서 정확한 전기역학적 캔틸리버 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 캔틸리버에 고정된 물질을 구분할 수 있는 전기역학적 캔틸리버 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 캔틸리버의 전기역학적 특성을 이용하여 캔틸리버에 고정되는 물질을 분석할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 전기장을 인가할 수 있는 캔틸리버 및 상기 캔틸리버의 굴곡특성을 관측하는 장치를 포함하는 센서를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 캔틸리버는 전기장을 발생시키기 위해서 적어도 어느 일면에 박막 전극이 설치되며, 상기 전기장은 박막 전극에 전원을 인가하여 발 생된다.
본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 박막 전극이 설치되는 캔틸리버는 일측이 고정된 통상의 캔틸리버를 사용할 수 있다. 발명의 실시에 있어서, 상기 캔틸리버는 단층 또는 복층 형태의 캔틸리버를 사용할 수 있으며, 특별한 제한은 없다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 캔틸리버에 설치되는 전극은 금속전극이며, 금속이 증착, 도금, 또는 코팅 등의 수단에 의해서 박막 형태로 캔틸리버에 설치된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 전극은 금 박막 전극이다. 본 발명에 있어서, 상기 박막은 캔틸리버의 적어도 일면에 설치될 수 있으며, 바람직하게는 캔틸리버의 일면에만 코팅하여 사용하는 것이 좋다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 금 박막의 두께는 코팅된 캔틸리버가 캔틸리버의 특성을 유지할 수 있는 한 얇은 것이 바람직하며, 특별한 제한은 없다.
본 발명에 있어서, 캔틸리버 전극에 인가하는 전기장의 특성, 예를 들어 세기와 방향은 전극에 인가되는 전원에 따라 결정되며, 시간에 따라 변환될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 전극에 걸리는 전원의 변화는 전극에 연결된 전원인가장치에 의해서 제어될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전원 인가 장치는 시간에 따라 일정한 파형을 가지는 전원이 걸리도록 제어할 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 전원인가 장치에 의해서 전극에 (+) 또는 (-) 전원이 인가되면, 전기장이 형성되어 주변에 있는 반대 이온이 끌려와 캔틸리버 금 박막에 흡착되거나 탈착되게 된다. 흡착 또는 탈착되는 이온의 수 또는 종류에 따라서, 캔틸리버는 독특한 굴곡응답패턴을 가지 게 되며, 이러한 굴곡응답패턴의 변화를 관측하여 흡착되는 이온의 종류나 농도 그리고 금 박막에 고정된 물질을 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 캔틸리버 센서는 전극에 인가되는 전원의 파형과 전압을 조절함으로써, 보다 정밀한 감지가 가능할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 전극에 인가되는 전원의 파형은 음에서 양 또는 양에서 음으로의 변환이 불연속적인 파형을 가지는 것이 바람직하며, 발명의 바람직한 일 실시예에서, 상기 파형은 스퀘어파 또는 델타파이다.
본 발명은 상기 캔틸리버의 굴곡특성을 관측할 수 있는 장치를 더 포함하게 된다. 상기 굴곡특성의 관측은 통상의 관측 장치를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 레이져 검출장치를 이용할 수 있다.
본 발명은 일 측면에 있어서,
캔틸리버에 전원을 인가하여 측정 입자를 흡·탈착시키는 단계;
상기 캔틸리버의 응답 특성을 관측하는 단계; 및
상기 관측된 캔틸틸버의 응답특성을 저장된 캔틸리버 응답특성과 비교하는 단계
를 포함하는 캔틸리버를 이용한 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 측정 방법은, 흡·탈착하는 입자의 종류에 따라서 캔틸리버의 응답특성이 변화하는 점을 이용하여 흡·탈착하는 입자의 종류를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 전원은 캔틸리버의 일면에 형성된 전극을 통해서 인 가된다. 발명의 실시에 있어서, 상기 전극은 전극으로 사용할 수 있는 금속을 캔틸리버에 코팅, 증착, 또는 도금하여 제조된다. 발명의 바람직한 일 실시에 있어서, 상기 전극은 캔틸리버의 일면에 설치된 금 박막이다.
본 발명에 따른 측정 방법은 전극에 인가되는 전원의 종류, 세기, 시간에 따른 파형의 변화를 통해서 보다 상세한 분석이 가능하게 한다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 전원은 불연속적으로 변환되는 파형을 가지는 전원이 바람직하다. 보다 바람직하게는 (+), (-)가 불연속적으로 바뀌면서 제공되는 것이 좋으며, 가장 바람직하게는 스퀘어파 또는 델타파이다. 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 스퀘어파 또는 델타파의 크기는 0.8V 이하의 크기를 가진다.
본 발명에 있어서, 상기 전극에 전원이 인가되면 캔틸리버 전극이 띄는 전하와 반대되는 전하를 가지는 이온이 흡착되거나 탈착되게 된다. 상기 전극에 이온이 흡착 또는 탈착되면, 상기 전극이 부착되어 있는 캔틸리버가 굴곡되게 되며, 흡·탈착되는 이온의 종류, 농도 및 캔틸리버 금 표면에 고정된 물질에 따라 굴곡되는 응답특성이 달라지게 된다.
본 발명에 있어서, 측정 입자의 흡·탈착에 따른 캔틸리버의 응답특성은 통상의 캔틸리버 굴곡 검출장치를 통해서 감지되며, 바람직하게는 캔틸리버에 레이져를 조사하여 측정된다.
또한 본 발명은 일 측면에 있어서,
캔틸리버 금속 박막에 유기물질 혹은 바이오물질을 고정시키는 단계;
캔틸리버에 전원을 인가하여 전해질 용액의 이온을 흡·탈착시키는 단계;
상기 캔틸리버의 굴곡 응답특성을 관측하는 단계; 및
상기 관측된 캔틸틸버의 굴곡 응답특성을 저장된 캔틸리버 응답특성과 비교하는 단계를 포함하는 캔틸리버를 이용한 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 측정 방법을 이용할 경우 또한 캔틸리버에 상이한 물질을 코팅한 후에 동일한 입자를 흡·탈착시킬 경우 코팅물질에 따라서 캔틸리버의 응답특성 달라짐에 따라 코팅물질의 종류를 확인할 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 입자의 흡·탈착에 따른 금속박막에 유기 물질 또는 바이오물질이 코팅된 캔틸리버의 응답특성은 통상의 캔틸리버 굴곡 검출장치를 통해서 감지되며, 바람직하게는 캔틸리버에 레이져를 조사하여 측정된다.
본 발명에 있어서, 상기 코팅된 캔틸리버에 이온의 흡·탈착에 따른 굴곡응답특성은 저장되어 있는 고정된 물질의 굴곡 응답특성과 비교하여 캔틸리버 금 박막에 고정된 유기물질을 확인할 수 있게 된다.
본 발명은 일 측면에서 박막 전극이 설치된 센서용 캔틸리버를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 캔틸리버는 일측면에 금과 같은 금속 박막이 코팅되어 있으며, 상기 금속 박막에는 전원 발생 장치가 연결되어 있어서, 시간에 따라 변화되는 전압 파형이 걸릴 수 있게 된다.
본 발명의 실시에 따른 금 박막이 코팅된 캔틸리버는 인가되는 전원의 크기에 따라서 굴곡 정도가 문헌에 언급되어 있듯이 2차로 비례하는 것이 좋으며, 센서용 캔틸리버에 인가되는 전원은 0.8 V 미만의 전압을 인가하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막 전극에는 타겟 분자와 결합할 수 있는 분자층이 더 형성될 수 있다. 발명의 실시에 있어서, 상기 분자층은 항원·항체, 프로브, 효소등을 코팅하여, 흡·탈착되는 이온으로 상기 분자층이 존재하는지를 확인할 수 있다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 하기 실시예를 통해서 상세하게 설명한다. 본 발명이 하기 실시예와 관련하여 상세하게 기재되었다 할지라도, 당업자는 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위해서 기재된 것으로, 본 발명을 제한하기 위한 것으로 기재된 것이 아님을 인지하여야 할 것이다.
[실시예]
도 1 은 본 발명에 따른 캔틸리버 센서의 간략도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 캔틸리버 센서에 가해진 전원의 크기에 따른 캔티리버 센서의 굴곡 응답특성을 보여주는 도면이며, 도 3 은 본 발명에 따른 캔틸리버 센서에 스퀘어파를 가했을 때, 순수한 금 박막, 1-mercaptoethanol, 1-mercaptopropanol, 1-mercaptohexanol 이 고정된 캔틸리버의 응답특성을 보여주는 그래프 및 확대도이다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 캔틸리버(1)의 상면에 전극으로 사용되는 금 박막(2)이 코팅되어 있으며, 상기 금 박막(2)에는 인가되는 전원을 생성하는 전원 발생기(8)가 연결된다. 반대 전극(4)은 캔틸리버(1)가 설치된 용기(3)에 금 박막(2)에 대향하여 이격되어 설치된다. 상기 용기(3)의 외부에는 상기 캔틸리버(1)의 전원 변화에 따른 동작을 관측하기 위한 레이져 조사장치(6)와 이를 분석할 검출기(7)가 설치되어 있다.
상기 용기(3)에 분석할 물질(보이지 않음)이 용해된 용액(5)이 채운 후, 상 기 전원 발생기(8)에서 전원을 발생시키게 되면, 금 박막(2)에 분석할 물질이 금 박막(2)과 상기 반대전극(4) 사이에 형성된 전기장에 의해서 금박막(2)에 흡착하거나 탈착하게 된다. 분석할 물질의 흡·탈착은 캔틸리버(1)의 굴곡 특성이 변화시키게 되면, 레이져 조사장치(6)와 검출기(7)를 통해서 이를 관측한 후, 저장된 정보와 비교하여 분석할 물질에 대한 정보를 얻게 된다.
상기 도1 에 도시된 용기(3)에 1-mercaptoethanol, 1-mercaptopropanol, 1-mercaptohexanol을 각각 켄틸리버 금 박막 부분에 1시간씩 코팅하였다 . 상기 전원 발생기(8)에서 스퀘어 파를 발생시킨 후, 도시된 용기(3)에 0.2 M 농도의 염화나트륨 용액을 담고 각각 코팅된 캔틸리버(1)의 굴곡 응답특성을 관측하였다. 도 3 에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 센서는 스퀘어 파형이 가해져 전원이 변환될 때, 1-mercaptoalcohol 이 코팅되지 않은 경우와 1-mercaptoethanol, 1-mercaptopropanol, 및 1-mercaptohexanol이 코팅된 경우에 대해서 염화나트륨 용액 속에서 캔틸리버(1)가 상이한 굴곡 응답특성을 나타냄을 알 수 있었다.
본 발명에 따른 검출장치의 전압에 대한 캔틸리버의 굴곡 응답특성을 관측하기 위해서, 동일한 용액을 용기에 담고, 전원의 크기를 변화시키면서, 금 박막(2)이 코팅된 캔틸리버(1)의 굴곡특성을 살펴보았다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 센서는 캔틸리버(1)의 굴곡정도가 전압의 크기 따라 문헌에 언급되어 있듯이 2차로 비례하여 커질 뿐 캔틸리버(1)의 응답특성 자체에 대해서는 영향이 없음을 보여준다.
본 발명에 의해서 캔틸리버에서 전기장을 인가하여 용액 내 전하를 띈 입자를 유동시키고, 입자의 유동이 캔틸리버에 미치는 영향을 관측하여 캔틸리버에 고정된 물질을 분석할 수 있는 새로운 개념의 센서가 제공되었다. 또한 본 발명에 의해서 전기장의 세기에 의해서는 굴곡정도가 문헌에 언급되었듯이 2차로 비례하여 변화할 뿐 영향을 받지 않는 캔틸리버 센서가 제공되었다.
본 발명에 따른 캔틸리버 센서는 측정 전 미리 고정할 물질을 캔틸리버 금 박막에 코팅함으로서 실험을 단순화 시키고, 흐르는 유체에서 실험을 할 필요가 없으므로 측정시간을 단축할 수 있으며, 재현성에 뛰어난 효과가 있다. 또한 종래의 캔틸리버에 박막 전극을 추가 설치할 수 있는 간단한 장치로 구성되어 있어, 경제적인 제작이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 캔틸리버 센서는 말단기가 동일하고 분자의 길이만 다른 분자를 구별할 수 있을 정도의 분석능력을 보여준다.
Claims (24)
- 전기장을 인가할 수 있는 캔틸리버 및 상기 캔틸리버의 굴곡특성을 관측하는 장치를 포함하는 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전기장은 캔틸리버에 설치된 박막전극에 전원을 인가하여 발생하는 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 박막전극이 캔틸리버의 적어도 일면에 설치된 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 박막전극의 재료가 금인 센서.
- 제 4 항에 있어서, 상기 박막 전극에 인가되는 전원의 부호가 시간에 따라 변환되는 센서.
- 제 4 항에 있어서, 상기 전원부호가 불연속적으로 변환되는 센서.
- 제 6 항에 있어서, 상기 박막 전극에 인가되는 전원이 스퀘어파 또는 델타파인 센서.
- 제 2 항에 있어서, 상기 캔틸리버의 굴곡특성이 전압의 크기에 2차로 비례하는 센서.
- 상기 어느 한 항에 있어서, 상기 캔틸리버의 굴곡특성을 관측하는 장치는 레이져를 이용한 관측장치인 센서.
- 제 2 항에 있어서, 전원 인가 장치를 더 포함하는 센서.
- 캔틸리버에 전원을 인가하여 측정 입자를 흡·탈착시키는 단계;상기 캔틸리버의 응답 특성을 관측하는 단계; 및상기 관측된 캔틸틸버의 응답특성을 저장된 캔틸리버 응답특성과 비교하는 단계를 포함하는 캔틸리버를 이용한 측정 방법.
- 캔틸리버 금속 박막에 유기물질 및 바이오물질을 고정시키는 단계 ;캔틸리버에 전원을 인가하여 전해질 용액의 이온을 흡·탈착시키는 단계;상기 캔틸리버의 굴곡 응답특성을 관측하는 단계; 및상기 관측된 캔틸틸버의 굴곡 응답특성을 저장된 캔틸리버 응답특성과 비교하는 단계를 포함하는 캔틸리버를 이용한 측정 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 전기장은 캔틸리버에 장착된 박막 전극에 전압을 인가하여 발생시키는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 박막전극이 캔틸리버의 일면에 설치되는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 박막은 금인 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 캔틸리버는 단일 캔틸리버인 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 캔틸리버는 어레이 형태의 멀티 캔틸리버인 방법.
- 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 전극에 인가되는 전원의 극성이 변환되는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 전원의 극성이 불연속적으로 변환되는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 전원의 극성이 스퀘어파 또는 델타파로 변환되는 방법.
- 제 20 항에 있어서, 상기 캔틸리버는 실리콘 캔티리버인 방법.
- 전기장을 인가하여 주변의 이온을 흡·탈착 시킬 수 있는 센서용 캔틸리버.
- 제 22 항에 있어서, 상기 캔틸리버의 적어도 일면에는 금 박막 전극이 설치된 센서용 캔틸리버.
- 제 22 항에 있어서, 상기 캔티리버에는 분석입자와 상호작용하는 분자층이 더 코팅된 캔틸리버.
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101040527B1 (ko) * | 2009-01-30 | 2011-06-16 | 고려대학교 산학협력단 | 액체 상태 측정 센서 및 이를 이용한 액체 상태 감지방법 |
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| JP2001108605A (ja) * | 1999-10-14 | 2001-04-20 | Nikon Corp | 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー及びその製造方法、並びに走査型プローブ顕微鏡及び表面電荷測定顕微鏡 |
| KR100418881B1 (ko) | 2001-05-23 | 2004-02-19 | 엘지전자 주식회사 | Ａｆｍ 용 고감도 압전저항 캔틸레버 |
-
2006
- 2006-02-20 KR KR1020060016041A patent/KR100876139B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101040527B1 (ko) * | 2009-01-30 | 2011-06-16 | 고려대학교 산학협력단 | 액체 상태 측정 센서 및 이를 이용한 액체 상태 감지방법 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100876139B1 (ko) | 2008-12-26 |
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