KR20080086091A - 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서에 관한 것이다.
본 발명의 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서는, 상면이 요철면으로 형성된 금속 박막과, 그 하면에 유전체층이 결합된 센서칩; 상기 금속 박막의 요철면 상면 일부분에 고정된 감지막; 상기 금속 박막의 상부에 항원 또는 항체의 특성을 갖는 반응체를 가지는 시료가 상기 감지막과 접촉 가능하도록 이송되는 플로우 채널; 상기 시료를 관통하여 상기 센서칩의 상면을 향해 소정의 각도로 광이 조사되는 광원; 및 상기 금속 박막 상면의 요철면과, 상기 금속 박막과 유전체층의 접합 경계면에서 반사된 반사광이 입사되는 수광부;를 포함하며, 바이오 반응에 의한 공명각의 변화 여부 및 시료의 굴절률 변화 여부 판단에 의한 시료 자체의 상태 변화를 정확하게 알 수 있는 장점이 있다.
센서칩, 금속 박막, 유전체층, 감지막, 시료, 반응체, 광원, 수광부, 플로우 채널

Description

표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서{Biosensor using surface plasmon}
도 1은 종래의 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서의 구성도.
도 2는 종래 바이오 센서를 통해 측정된 반사율 변화를 전산모사한 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 바이오 센서의 일부 단면이 확대 도시된 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 바이오 센서를 통해 측정된 공명각 변화가 모사된 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110. 센서칩 111. 금속 박막
112. 유전체층 113. 감지막
120. 시료 121. 반응체
130. 광원 140. 수광부
C. 플로우 채널
본 발명은 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 요철면이 형성된 금속박막의 상면과 금속박막과 유전체층의 사이 경계면에서 측정된 두 개의 공명각을 이용하여 바이오 반응에 의한 공명각 변화와 외부 환경에 의한 공명각 변화를 구별 가능하도록 한 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서 시스템은 금속 박막의 표면에 존재하는 표면 플라즈몬(금속 박막과 유전체 사이의 경계면에서 발생되는 전하 밀도 진동)의 입사광에 대한 공명을 흡수하여 매질의 굴절률, 두께 또는 농도 변화를 측정하는 데 사용된다.
이때, 상기 표면 플라즈몬의 진동을 발생시키기 위해서는 상기 금속 박막과 유전체 사이의 경계면에 수직하는 성분인 TM 편광된 파가 입사되어야 한다.
표면 플라즈몬 공명(SPR : Surface Plasmon Resonance)법은 바이오 센서에 적용될 수 있는 광학적 센싱 방법으로 금속 박막의 표면에서 발생되는 표면 플라즈몬(surface plasmon) 현상을 이용한다. 즉, 소정 두께의 금속 박막에 빛을 입사시키면 특정 입사각에서는 경계면과 평행 방향의 입사파와, 금속 박막과 공기의 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 파의 위상이 일치하게 되어 상기 입사파의 에너 지가 모두 금속 박막에 흡수되면서 반사파가 없어지는 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생된다.
상기와 같이 금속 박막에 흡수되는 광의 반사도가 급격하게 감소하는 각도를 표면 플라즈몬 공명각(θSP, SPR angle)이라 하며, 상기 표면 플라즈몬 공명각에 의해서 금속 박막 표면에 접촉되는 생체 물질의 변화가 굴절률 변화에 의해 감지될 수 있다.
그러나, 상기 금속 박막 상에서 반사되는 반사광에 의해 측정되는 표면 플라즈몬 공명각은 시료인 생체 물질의 자체적인 상태 변화 뿐만 아니라 상기 시료가 포함된 버퍼(buffer) 용액의 변화된 굴절률에 의해서도 가변될 수 있는 바, 측정된 공명각만으로는 시료 자체의 변화인지 그 외부 환경에 의한, 즉 외부의 온도 변화 또는 버퍼 용액의 농도 변화에 따른 굴절률 변화에 의한 것인지를 판단하기가 어려운 문제점이 지적되고 있다.
종래의 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서에 대하여 아래 도시된 도면을 통해 좀 더 자세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래의 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서의 구성도이고, 도 2는 종래 바이오 센서를 통해 측정된 반사율 변화를 전산모사한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 종래의 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서(10)는 상부에 요철(11a)이 형성된 금속 박막(11)과, 상기 금속 박막(11)의 요철(11a) 상면에 고정된 감지막(12)과, 상기 요철(11a)의 상부에 반응체(13a)를 포함하는 시료(13) 가 이송되는 플로우 채널(C)이 구비된다.
상기 금속 박막(11)은 외부 환경에 대하여 변성이 적은 금(Au)으로 구성되고, 상면 요철(11a)의 일부분에 시료(13) 내에 포함된 반응체(13a)와 결합하는 감지막(12)이 고정되며, 상기 감지막(12)은 항원 또는 항체의 특성을 갖는다.
상기와 같은 구조를 가지는 바이오 센서에 광원을 통해 특정한 각도로 TM 편광된 광이 입사되고, 입사된 광은 시료(13)를 통과하여 금속 박막(11)의 요철(11a) 표면에 반사되어 그 반사광이 수광부에 감지된다.
이때, 상기 금속 박막(11)과 시료(13)의 경계면 상에서 표면 플라즈몬 공명이 발생되며 공명에 의해 흡수된 광을 제외한 광은 수광부를 향해 특정한 각도를 가지고 반사된다.
한편, 상기 금속 박막(11) 상의 플로우 채널(C)을 통해 시료(13)가 이송될 때, 시료(13) 내의 반응체(13a)가 항원 또는 항체의 결합 반응에 의하여 감지막(12)에 선택적으로 결합되면 상기 금속 박막(11)과 시료(13) 사이의 경계면에서 발생되는 표면 플라즈몬 공명 조건의 변화를 가져오게 된다.
즉, 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화되면 상기 금속 박막(11)과 시료(13)의 경계면에서 발생되는 플라즈몬 공명에 의한 반사광의 소멸 조건이 변할 수밖에 없으며, 이를 연속적으로 측정하게 되면 도 2와 같은 그래프의 반사율의 변화에 따른 공명각의 변화를 알 수 있다.
그러나, 종래의 바이오 센서의 구조에서는 표면 플라즈몬 공명의 조건이 금속 박막(11)의 요철(11a) 표면에 고정된 감지막(12)과 그 상부에서 이송되는 시 료(13)에 포함된 반응체(13a)의 결합, 즉 바이오 반응에 의해서만 변화될 뿐만 아니라 시료(13)의 외적인 환경인 주위의 온도 변화와 시료(13)에 포함된 반응체(13a) 수에 의한 농도 변화에 따른 시료(13)의 굴절률 변화시에도 영향을 받게된다.
따라서, 도 2와 같은 그래프의 반사율 변화에 의해 측정된 공명각은 감지막(12)과 반응체(13a)의 결합과 해리 반응에 따른 변화 외에도 외부 환경에 의한 시료(13)의 굴절률 변화에 따른 반사율 변화 정도가 포함되어 있기 때문에 시료(13)에 대하여 정확한 공명각 변화량(Δθ)에 기인하는 정보를 확인하기가 어려운 문제점이 있다.
또한, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 센싱 대상의 시료(13)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 내부 온도가 균일하게 유지되는 함체형의 노 본체(도면 미도시) 내에서 반사율의 변화를 측정해야 하는 번거로움이 있다.
그리고, 외부의 환경 요인에 의해 변화되는 시료(13)의 굴절률 변화 정도를 알기 위해서는 감지막(12)이 있는 상태에서의 반사율 측정에 따른 공명각 변화와 감지막(12)이 없는 상태에서의 반사율 측정에 따른 공명각 변화를 동시에 수행해야 한다.
즉, 종래의 바이오 센서는 온도를 균일하게 유지하기 위한 온도 제어 장치를 별도로 부착하거나 동일한 조건을 가지면서 감지막이 없는 상태의 더미(dummy)용 샘플을 소비해야 하기 때문에 측정 비용이 증가되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 광원을 통해 조사된 광이 비교적 얇은 금속 박막 상의 요철면과 상기 금속 박막과 그 하부의 유전체층 사이의 경계면에서 커플링됨에 따라 두 개의 공명각과 공명각 변화량이 측정되고, 측정된 공명각의 변화 요인이 바이오 반응에 의한 것인지 외부의 환경 영향에 관한 것인지를 구별할 수 있도록 한 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서가 제공됨에 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 상면에 요철면이 형성된 금속 박막과 유전체층이 결합된 센서칩과, 상기 금속 박막의 요철면에 고정된 감지막과, 상기 센서칩의 상부에 시료가 이송되는 플로우 채널과, 상기 센서칩의 상면을 향해 광이 조사되는 광원과, 상기 센서칩 상에서 반사된 반사광이 입사되는 수광부를 포함하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서가 제공됨에 의해서 달성된다.
상기 센서칩은 비교적 얇은 금속층으로 형성되며, 상면에 일정한 간격으로 다수의 요철(凹凸)이 형성되어 그 하면이 접합 계면을 이루어 투명 재질의 매질로 구성되는 유전체층이 결합된다.
이때, 상기 유전체층은 MgF2, SiO2, TiO2로 구성됨이 바람직하다.
또한, 상기 금속 박막의 요철면 상에는 항원 또는 항체의 특성을 갖는 반응 체를 포함하는 측정 대상의 시료가 플로우 채널을 통해 이송되며, 상기 금속 박막의 상면 일부분에 고정된 감지막에 상기 반응체가 결합된다.
상기 감지막에 반응체가 결합됨에 의해서 조사광에 대한 반응체의 굴절률이 변화되어 상기 금속 박막의 상면에서 발생되는 플라즈몬 공명 조건이 변화되며, 변화된 공명 조건에 의한 공명각 변화로 시료의 바이오 반응 여부를 알 수 있다.
여기서, 상기 금속 박상 상에서의 표면 플라즈몬 공명은 상기 시료를 통과하여 광원을 통해 광이 조사되고, 조사된 광이 금속 박막의 요철면 상에서 반사되는 비율에 의해서 측정되며, 그 반사율이 급격히 감소되는 지점(최저점)을 공명각이라 한다.
이때, 상기 광원은 TM 또는 P-편광된 단색 광원, 레이져 및 발광 다이오드(LED) 등으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 광원에서 조사된 광이 센서칩에 반사되어 입사되는 수광부는 그 수광면에 포토다이오드, 광 증폭기, 감광용지 및 CCD나 CMOS와 같은 이미지센서 등의 수광소자가 부착될 수 있다.
한편, 상기 센서칩은 20 내지 30㎚의 비교적 얇은 두께로 구성된 금속 박막과. 그 하면에 두께의 가변이 가능한 상태로 투명의 유전체층이 결합된다.
또한, 상기 금속 박막의 얇은 두께에 기인하여 상기 금속 박막 상에서 회절되는 광원의 조사광이 상기 금속 박막 하부의 유전체층으로 커플링되며, 상기 금속 박막의 상면 외에 상기 금속 박막과 유전체층의 접합 경계면을 통해서도 표면 플라 즈몬 공명이 발생된다.
따라서, 상기 센서칩을 향해 조사되는 광에 대하여 상기 금속 박막의 요철면과 금속 박막과 유전체층 사이의 접합 계면 상에서 각기 다른 공명각을 가지는 표면 플라즈몬 공명이 발생되며, 순차적으로 측정되면서 변화되는 공명각을 이용하여 그 공명각의 변화량으로 외부 환경 영향에 의한 시료의 상태 변화가 동반되었는지를 판단하게 된다.
즉, 상기 센서칩을 통해 측정되는 두 개의 공명각 변화량을 이용하여 공명각 변화에 영향을 미칠 수 있는 감지막의 두께 가변량(X)과 외부 환경에 의해 변화 가능한 시료의 굴절률(Y)을 각각 X,Y절편으로 하는 일차함수의 조합에 의해서 감지막의 두께 변화량과 시료의 굴절률 변화량이 개별적으로 감지됨으로써, 외부 환경에 대한 시료 자체의 굴절률 변화 여부를 알 수 있어 바이오 반응 외의 요인에 의해 공명각 변화가 발생되었는지를 판단할 수 있도록 한 데에 기술적 특징이 있다.
이때, 상기 두 지점에서 발생된 표면 플라즈몬 공명은 대칭 모드와 비대칭 모드로 구별되며, 상기 표면 플라즈몬의 대칭 모드와 비대칭 모드는 유전체층의 굴절률과 시료의 굴절률이 같거나 유사한 경우에 도출될 수 있다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용 효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서의 개략도 이고, 도 4는 본 발명에 따른 바이오 센서의 일부 단면이 확대 도시된 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 바이오 센서를 통해 측정된 공명각 변화가 모사된 그래프이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서(100)는 금속 박막(111)과 유전체층(112)이 결합되어 상기 금속 박막의 상면에 감지막(113)이 고정된 센서칩(110)과, 상기 센서칩(110)의 상부로 감지막(113)에 결합되는 반응체(121)가 포함된 시료(120)가 이송되는 플로우 채널(C)로 구성된다.
또한, 상기 바이오 센서(100)는 상기 센서칩(C)을 향해 광을 조사하는 광원(130)과, 상기 광원(130)에서 조사된 광이 센서칩(110) 상면에 반사되어 그 반사광이 수광되는 수광부(140)를 더 포함한다.
상기 센서칩(110)은 상면에 요부(凹部,114a)와 철부(凸部,114b)가 연속적으로 형성된 요철면(114)으로 형성된 금속 박막(111)이 상부에 배치되고, 그 하부에 투명 매질의 유전체층(112)이 결합된다.
이때, 상기 금속 박막(111)은 20 내지 30㎚의 비교적 얇은 금속층으로 구성되며, 금(Au) 또는 은(Ag) 등의 금속 재질로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 산화(Oxidation)를 포함한 변성이 문제될 수 있는 은(Ag)보다 생체 친화적이고 변성이 적은 금(Au)으로 주로 구성된다.
또한, 상기 유전체층(112)은 상기 금속 박막(111)의 상부에서 이송되는 시료와 동일하거나 유사한 굴절률을 갖는 투명 재질로 이루어지는 바, 주로 SiO2, TiO2로 구성된다.
한편, 상기 센서칩(110)의 일측에서 광원(130)을 통해 광이 조사되는 바, 상기 광원(130)은 주로 TM 편광된 단색 광원이 주로 사용되며, 이 외에 레이져 및 발광 다이오드(LED) 등이 사용 가능하다.
상기 광원(130)에서 조사된 TM 편광은 센서칩(110) 상에서 반사되어 상기 센서칩(110)을 향해 입사되는 각도와 동일한 각도로 그 수광면이 포토다이오드, 광 증폭기, 감광용지 및 CCD나 CMOS와 같은 이미지센서 등의 수광소자가 부착된 수광부(140)에 입사된다.
이때, 상기 입사광의 반사는 요철면(114)으로 형성된 금속 박막(111)의 표면(P)과 상기 금속 박막(111)과 유전체층(112)의 접합 경계면(B)에서 표면 플라즈몬 공명이 발생과 동시에 이루어지며, 상기 두 지점에서 형성된 반사광은 상기 금속 박막(111) 상부의 플로우 채널(C)을 통해 이송되는 시료(120)의 반응체(121)가 항원 또는 항체로 결합되는 감지막(113)의 표면 농도에 대한 정보, 즉 반사 강도를 가지고 수광부(140)에 입사된다.
따라서, 상기 수광부(140)에 입사되는 반사광의 강도는 연속 구간을 가지는 시간의 함수인 센서그램(sensor gramme)으로 표시되며, 항원, 항체간의 결합 및 해리 반응에 대한 기록으로 실시간 제공된다.
여기서, 상기에서 언급한 바대로 상기 유전체층(112)의 굴절률이 금속 박막(111)의 상부에서 이송되는 시료(120)의 굴절률과 유사하거나 동일하도록 하는 이유는, 상기 금속 박막(111)의 상면과 금속 박막(111)과 유전체층(112) 사이에서의 표면 플라즈몬 커플링 발생시 그 전기장의 형태가 대칭 모드(symmetric mode)와 비대칭 모드(anti-symmetric mode)로 형성되도록 함으로써, 각기 다른 지점을 통해서 표면 플라즈몬 공명이 발생됨에 따라 두 개의 공명각이 측정될 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 상기 금속 박막(111)의 요철면(114) 상의 일부분에는 금속 박막(111) 상부에서 이송되는 시료(120) 중에 포함된 반응체(121)와 결합되는 감지막(113)이 고정되는 바, 상기 감지막(113)은 반응체(121)가 결합되면서 그 두께(dbio)가 변화되고, 두께 변화에 의해 고유의 굴절률이 가변된다.
즉, 상기 금속 박막(111)의 표면인 요철면(114) 상에서 표면 플라즈몬 공명에 의해 발생된 공명각은 감지막(113)과 그 상부에서 유동되는 시료(120) 중에 포함된 반응체(121)와의 결합에 의해서 변동되는 감지막(113)의 두께 변화로 인하여 소정의 변화량(Δθ1)(Δθ2)을 가진다.
또한, 상기 반사광의 강도 변화에 의한 공명각의 변화량 측정에 있어서, 상기 금속 박막(111)과 유전체층(112)의 접합 경계에서 전반사된 광에 의해서 측정된다. 또한, 상기 반사광은 금속 박막(111)과 유전체층(112) 사이에서 발생된 표면 플라즈몬의 파수벡터와 일치할 때 입사광의 에너지가 표면 플라즈몬에 대부분 흡수됨에 따라 상기 금속 박막(111)과 접촉하고 있는 시료(120)의 굴절률 변화에 의해서 표면 플라즈몬의 공명 흡수 조건이 예민하게 변화된다.
이러한 표면 플라즈몬 공명 흡수 조건의 변화에 의한 공명각의 변동은 수광 부(140)를 통한 반사율의 변화를 측정함에 의해서 알 수 있으며, 시료(120)의 굴절률 변화에 기인하는 공명각의 변화량(Δθ1)(Δθ2)을 이용하여 시료(120)의 온도 및 농도 변화를 정량적으로 알아낼 수 있는 것이다.
여기서, 본 발명에 따른 바이오 센서(100)를 통해 금속 박막(111)의 표면과 금속 박막(111)과 유전체층(112) 사이에서 측정된 공명각의 실시간 변화량은 도 5와 같이 측정되며, 이는 금속 박막(111)의 요철면(114)에 고정된 감지막(113)의 시료(120)에 대한 바이오 반응과 상기 금속 박막(111) 상부에서 이송되는 시료 자체의 외부 요인에 의한 상태 변화, 즉 온도나 농도 등의 변화에 의해서 발생되는 굴절률의 변동으로 인한 공명각의 변화량(Δθ1)(Δθ2)이 측정될 수 있다.
그러나, 도 5에 표시된 공명각의 변화만으로는 감지막(113)과 반응체(121)에 의한 굴절률 변화에 따른 공명각의 변화인지, 외부적 환경 요인에 의한 온도 및 농도 변화에 따라 굴절률이 가변되어 공명각의 변화량이 측정되는 것인지를 알기가 어렵다.
따라서, 본 발명은 바이오 센서(100)를 이용하여 측정된 도 5의 그래프를 통해 알 수 있는 공명각의 변화량(Δθ1)(Δθ2)을 아래의 수학식 1에 대입하여 감지막(113)의 두께 변화량(dbio)과 시료(120) 자체의 굴절률 변화량(Δna)을 각각 절편으로 하는 일차함수의 조합식을 만들 수 있으며, 조합된 일차함수에 의해서 감지막(113)의 두께 변화량(dbio)과 시료(120)의 굴절률 변화량(Δna)을 알 수 있다.
여기서, 상기 일차함수의 조합에 의해서 각 절편값인 감지막(113)의 두께 변 화량(dbio) 값이 구해지면 시료(120)의 반응체(121)와 감지막(113) 반응에 의한 바이오 반응이 발생된 것이고, 시료(120)의 굴절률 변화량(Δna) 값이 구해지면 시료(120) 자체가 외부적 요인에 의해 온도나 농도 등이 변화된 상태임을 알 수 있다.
Figure 112007022506220-PAT00001
이를 좀 더 자세하게 살펴보면, 상면이 요철면(114)으로 형성된 금속 박막(111)과 그 하부의 유전체층(112)이 결합된 센서칩(110)에 광원(130)을 통해 TM 편광된 광이 조사되면, 상기 금속 박막(111)의 요철 표면 및 상기 금속 박막(111)과 유전체층(112)의 접합 경계면에서 표면 플라즈몬 공명이 발생된다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이 얇은 금속 박막(111)의 두께에 기인하여 상기 금속 박막(111)의 요철을 통해 회절되는 광이 그 하부의 유전체층(112)으로 커플링되며, 대칭 모드 또는 비대칭 모드의 전기장 분포를 가지는 표면 플라즈몬이 상호 커플링되어 금속 박막(111)의 표면과 금속 박막(111)과 유전체층(112) 사이에서 각각 발생됨에 따라 두 개의 공명각이 측정된다.
이때, 상기 금속 박막(111)의 표면 일부분에는 감지막(113)이 고정되어 그 상부를 유동하는 시료(120) 내에 포함된 반응체(121)와 결합됨에 의해서 바이오 반응이 이루어진다.
여기서, 상기 각기 다른 전기장 분포 모드를 가지는 표면 플라즈몬에 의해 측정된 광의 반사율 변화는 도 5에 표시된 바와 같으며, 상기의 두 지점에서 발생된 표면 플라즈몬은 금속 박막(111)의 요철면(114)에 고정된 감지막(113)에서의 작용과 시료(120)와의 상호 작용 반응이 다르기 때문에 서로 다른 두 개의 반사량 변화가 표시된다.
그리고, 상기 금속 박막(111)의 감지막(113)을 통해 시료(120)의 반응체(121)에 대한 항원 또는 항체로의 결합과 해리가 반복되면서 실시간으로 반사광에 대한 변화량이 체크되며, 이때 공명각의 변화 발생시 앞서 설명된 바이오 반응에 의한 공명각 변화 외에도 시료 자체의 온도나 농도 등의 상태 변화에 따른 굴절률이 가변됨에 의해서도 공명각이 변화된다.
예를 들어 본 발명에 따른 바이오 센서에 의해 측정되는 공명각의 변화량(Δθ1)(Δθ2)이 0.0121°외 -0.0178°으로 측정된다고 가정하면, 앞서 설명된 수학식 1에 공명각의 변화량을 대입하고 도 4에 표시된 바이오 센서의 조건(즉, 입사광의 파장 : 0.633㎛, 감지막의 두께 : dbio, 감지막의 굴절률 : nbio, 시료의 굴절률 : na)을 적용된 수식은 다음과 같다.
Figure 112007022506220-PAT00002
이를 이용하여 감지막()의 두께 변화량(dbio)과 시료(120)의 굴절률 변화량(Δna)을 구하여 보면, dbio = 0 이고, Δna = 0.00067로 계산되어 시료의 굴절률(na)만이 변화된 것임을 알 수 있으며, 이 결과를 통해 공명각의 변화가 감지막(113)과 반응체(112)의 결합에 의한 바이오 반응에 의한 것이 아니라 시료의 외부 환경 요인에 의해 온도 또는 농도 변화에 따른 상태 변화가 이루어졌음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서는 얇은 금속 박막 상의 요철면과 상기 금속 박막과 그 하부의 유전체층 사이의 경 계면에서 발생된 표면 플라즈몬에 의해 두 개의 공명각 변화량이 측정 가능함으로써, 바이오 반응에 의한 공명각의 변화 여부 및 시료의 굴절률 변화 여부 판단에 의한 시료 자체의 상태 변화를 정확하게 알 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 종래의 바이오 센서에서와 같이 바이오 반응의 정확한 센싱을 위한 별도의 더미(dummy) 샘플이나 시료의 온도 조건을 균일하게 유지시키기 위한 온도 제어 장치가 구비되지 않아도 됨에 따라 센서 구성의 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

Claims (13)

  1. 상면이 요철면으로 형성된 금속 박막과, 그 하면에 유전체층이 결합된 센서칩;
    상기 금속 박막의 요철면 상면 일부분에 고정된 감지막;
    상기 금속 박막의 상부에 항원 또는 항체의 특성을 갖는 반응체를 가지는 시료가 상기 감지막과 접촉 가능하도록 이송되는 플로우 채널;
    상기 시료를 관통하여 상기 센서칩의 상면을 향해 소정의 각도로 광이 조사되는 광원; 및
    상기 금속 박막 상면의 요철면과, 상기 금속 박막과 유전체층의 접합 경계면에서 반사된 반사광이 입사되는 수광부;
    를 포함하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막은, 20 내지 30㎚의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은, 금(Au) 또는 은(Ag)의 금속 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은, 두께의 가변이 가능한 투명의 매질로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유전체층은, MgF2, SiO2 또는 TiO2로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유전체층은, 상기 금속 박막의 상부에서 이송되는 시료와 동일하거나 유사한 굴절률을 갖는 투명 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 단파장 또는 다중파장을 갖는 광이 조사되는 TM 또는 P-편광된 단색 광원, 백색 광원, 레이져 및 발광 다이오드(LED) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수광부는 그 수광면에 포토다이오드, 광 증폭기, 감광용지 및 CCD나 CMOS와 같은 이미지센서를 포함하는 수광소자 중 어느 하나가 장착된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서칩은, 상기 금속 박막의 상에서 회절되는 광원의 조사광이 상기 금속 박막 하부의 유전체층으로 커플링되어 상기 금속 박막의 상면과 상기 금속 박막과 유전체층의 접합 경계면에서 각기 다른 공명각을 가지는 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 공명은, 대칭 모드(symmetric mode)와 비대칭 모드(anti-symmetric mode)로 구별되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 공명의 모드 구별 조건은, 상기 유전체층의 굴절률과 상기 시료의 굴절률이 같거나 유사한 경우인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 수광부에 입사되는 반사광의 강도인 반사율은 연속 구간을 가지는 시간의 함수인 센서그램(sensor gramme)으로 표시되며, 항원, 항체간의 결합 및 해리 반응에 대한 기록으로 실시간 제공되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반사율 변화 정보의 실시간 제공에 의해 측정되는 공명각의 변화량을 이용하여 공명각의 변화 요인이 아래의 수학식에 의해서 구별 가능한 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서.
    수학식
    Figure 112007022506220-PAT00003
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