KR20120050144A - Highly sensitive cantilever sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 민감도를 개선시킨 고감도 캔틸레버 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a high sensitivity cantilever sensor with improved sensitivity.
캔틸레버 센서의 민감도를 개선시키기 위한 방법으로는 감지 해상도를 증진시키는 방법과 공진 주파수를 증가시키는 방법이 있다. Methods for improving the sensitivity of the cantilever sensor include a method of increasing the detection resolution and increasing the resonance frequency.
공진 주파수는 아래 수학식 1에 의해 정의된다. The resonance frequency is defined by Equation 1 below.
m은 캔틸레버 장치의 질량이고, ρ는 밀도이며, k는 스프링 상수로 하기 수학식 2에 의해 정의된다.m is the mass of the cantilever device, p is the density, and k is the spring constant, which is defined by Equation 2 below.
E는 캔틸레버의 영(Young) 계수이고, w는 캔틸레버의 폭이고, d는 센서의 두께이며, L은 센서의 길이이다.E is the Young's modulus of the cantilever, w is the width of the cantilever, d is the thickness of the sensor, and L is the length of the sensor.
캔틸레버의 공진주파수를 증가시키기 위해 d를 증가시키면 센서의 민감도가 저하될 우려가 있고, L을 작게 하면 제작시 오차의 위험이 있어서, 문제점이 있었다. 그래서, 캔틸레버 센서의 길이와 두께를 변화시키지 않고 센서의 민감도를 개선시킬 필요가 있었다.If d is increased to increase the resonant frequency of the cantilever, the sensitivity of the sensor may be lowered. If L is smaller, there is a risk of error in manufacturing, there is a problem. Thus, there is a need to improve the sensitivity of the sensor without changing the length and thickness of the cantilever sensor.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해, 캔틸레버 센서의 민감도를 향상시키는 형상으로 이루어지는 캔틸레버 센서를 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a cantilever sensor having a shape for improving the sensitivity of the cantilever sensor in order to solve the above problems.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하부에서 상부로 갈수록 폭이 감소하는 형상으로 이루어지는 고감도 캔틸레버 센서 및 캔틸레버 기반 미세물질 검출 장치를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a high-sensitivity cantilever sensor and cantilever-based fine material detection device made of a shape that decreases in width from the bottom to the top.
본 발명에 의한 형상으로 이루어지는 캔틸레버 센서는 타겟 물질과의 반응면적과 타겟 물질의 질량 변화량은 변화시키지 않고, 공진주파수 변화량(dfr)/공진주파수(fr) 값을 증가시켜서 센서의 민감도를 향상시키는 효과가 있다. The cantilever sensor having the shape according to the present invention has the effect of improving the sensitivity of the sensor by increasing the resonance frequency change amount (dfr) / resonant frequency (fr) value without changing the reaction area with the target material and the mass change amount of the target material. There is.
도 1은 직사각형, 사다리꼴 및 삼각형의 3가지 형상에 따른 캔틸레버 센서를 나타낸 것이다.
도 2는 제작한 캔틸레버 센서의 공진 주파수(fr)를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 센서 표면에 리셉터인 캘릭스[4]아렌(Calix[4]arene)을 처리한 것을 나타낸 것이다.
도 4는 3가지 형상의 캔틸레버 센서의 아세톤-리셉터 반응에 의한 공진 주파수 변화(df)를 나타낸 것이다.
도 5는 3가지 형상의 캔틸레버 센서의 공진주파수 변화량(df)/공진주파수(fr) 값을 나타낸 것이다. 1 illustrates a cantilever sensor according to three shapes of a rectangle, a trapezoid and a triangle.
Figure 2 shows the result of measuring the resonance frequency (fr) of the manufactured cantilever sensor.
3 shows that the sensor surface is treated with Calix [4] arene, a receptor.
Figure 4 shows the resonant frequency change (df) due to the acetone-receptor reaction of the three types of cantilever sensor.
FIG. 5 illustrates the resonance frequency change amount df / resonance frequency fr of three shape cantilever sensors.
이하, 본 발명은 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 하부에서 상부로 갈수록 폭이 감소하는 형상으로 이루어지는 고감도 캔틸레버 센서를 제공한다. 상기 형상은 바람직하게는 사다리꼴일 수 있다. The present invention provides a high-sensitivity cantilever sensor having a shape that decreases in width from bottom to top. The shape may preferably be trapezoidal.
상기 하부는 캔틸레서 센서가 캔틸레버 장치에 고정되어 있는 앵커(anchor) 부분이고, 상부는 그 반대편 부분이다.The lower part is an anchor part in which the cantilever sensor is fixed to the cantilever device, and the upper part is an opposite part thereof.
본 발명은 공진주파수 변화량(df)/공진주파수(fr) 값을 증가시켜서 켄틸레버 센서의 질량 민감도(Sm)를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고감도 캔틸레버 센서를 제공한다. 질량민감도는 하기 수학식 3으로 정의된다. The present invention provides a high-sensitivity cantilever sensor characterized by increasing the mass sensitivity (Sm) of the cantilever sensor by increasing the resonance frequency change amount (df) / resonance frequency (fr). Mass sensitivity is defined by the following equation.
[수학식 3]&Quot; (3) "
(상기 식에서 A는 반응면적을 나타내고, dm은 질량 변화량을 나타낸다)Where A represents the reaction area and dm represents the mass change amount.
또한, 본 발명은 상기 캔틸레버 센서를 포함하는 캔틸레버 기반 미세물질 검출 장치를 제공한다. 본 발명의 캔틸레버 기반 미세물질 검출 장치가 검출할 수 있는 미세물질은 비제한적인 예로 단백질, DNA, 세포 또는 특정 가스 등을 들 수 있다. 센서의 공진주파수 변화를 이용하여 특정 물질을 검출하는 것은 공진센서라고 칭하는데, 공진 센서에는 대표적으로 캔틸레버 센서, 수정미세저울 (quartz crystal microbalance), 탄성 표면파 발진 (surface acoustic wave) 센서 등이 있다. 이러한 공진 센서는 표면에 인식층을 형성하여 특정 물질이 인식층에 결합하였을 때, 센서의 공진주파수 변화를 측정하여 질병관련 단백질, 특정 염기 서열을 가지고 있는 DNA, 세포 및 특정 가스 등을 감지하는 목적으로 이용되고 있다. In addition, the present invention provides a cantilever-based micromaterial detection apparatus including the cantilever sensor. Micromaterials that can be detected by the cantilever-based micromaterial detection apparatus of the present invention include, but are not limited to, proteins, DNA, cells or specific gases. Detecting a specific material by using a change in the resonant frequency of the sensor is called a resonant sensor. Resonant sensors include cantilever sensors, quartz crystal microbalance, and surface acoustic wave sensors. The resonant sensor forms a recognition layer on the surface, and when a specific material is bound to the recognition layer, the purpose of detecting a disease-related protein, DNA having a specific base sequence, a cell and a specific gas by measuring a change in the resonance frequency of the sensor It is used.
본 발명에서는 캔틸레버 센서의 형상에 따른 민감도를 밝혀내기 위해 센서의 길이와 두께는 동일하게 유지하고 앵커(anchor)의 폭을 조절하여 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 형상의 캔틸레버를 제작하였다. 이때, 캔틸레버의 리셉터가 형성되는 부분의 면적은 항상 일정하게 함으로, 위 식에서 A와 dm이 동일하도록 하였다. 이로써 질량 민감도는 센서의 응답 특성 중 df/fr을 계산하여 가장 우수한 감지 성능을 갖는 모양을 알 수 있도록 하였다.In the present invention, in order to find out the sensitivity according to the shape of the cantilever sensor, the length and thickness of the sensor were kept the same and the width of the anchor was adjusted to produce rectangular, trapezoidal, and triangular cantilevers. At this time, the area of the part where the receptor of the cantilever is formed is always constant, so that A and dm are equal in the above equation. In this way, the mass sensitivity was calculated by calculating df / fr among the response characteristics of the sensor to determine the shape having the best detection performance.
상기 리셉터는 비제한적인 예로 자기조립단분자층(self assembled monolayer: SAM), 폴리머, 항체(antibody), 펩타이드(peptide) 또는 압타머(aptamer) 등을 사용할 수 있고, 자기조립단분자층으로는 비제한적인 예로 캘릭스[4]아렌(Calix[4]arene), 캘릭스크라운(calixcrown), 11-머캡토언데카노산(11-mercaptoundecanoic acid), 티옥트산(thioctic acid) 또는 4-머캡토벤조산(4-mercaptobenzoic acid) 등을 사용할 수 있다.The receptor may include, but is not limited to, a self assembled monolayer (SAM), a polymer, an antibody, a peptide, an aptamer, and the like, and a non-limiting example of a self-assembled monolayer. Calix [4] arene, Calixcrown, 11-mercaptoundecanoic acid, thioctic acid or 4-mercaptobenzoic acid (4- mercaptobenzoic acid) and the like.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples of the present invention. These examples are only presented by way of example only to more specifically describe the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples. .
<실시예 1> 캔틸레버 센서의 제작Example 1 Fabrication of Cantilever Sensor
캔틸레버의 리셉터가 형성되는 부분의 면적은 항상 일정하게 하여 반응면적(A)과 질량 변화량(dm)을 변화시키지 않고, 센서의 길이와 두께를 동일하게 유지하여 도 1의 마이크로 캔틸레버 센서를 제작하였다. 직사각형 (Rectangular) 형상은 50 x 150 및 30 x 90 ㎛2 이고, 사다리꼴(Trapezoidal) 형상은 (70+30) x 150 및 (42+18) x 90 ㎛2이며, 삼각형(Triangular) 형상은 0.5 x 100 x 150 및 0.5x 60 x90 ㎛2 이었다.
The microcantilever sensor of FIG. 1 was manufactured by keeping the length and thickness of the sensor the same, without changing the reaction area A and the mass change amount dm so that the area of the portion where the receptor of the cantilever is formed is always constant. The rectangular shape is 50 x 150 and 30 x 90 μm 2 , the trapezoidal shape is (70 + 30) x 150 and (42 + 18) x 90 μm 2 , and the triangular shape is 0.5 x 100 × 150 and 0.5 × 60 × 90 μm 2 .
<실시예 2> 공진 주파수의 측정Example 2 Measurement of Resonance Frequency
제작한 마이크로캔틸레버의 공진 주파수를 측정하여 아래 표 1과 도 2에 나타내었다. The resonance frequency of the manufactured microcantilever was measured and shown in Table 1 and FIG. 2 below.
상기 표 1을 보면 공진 주파수는 삼각형 형상의 캔틸레버 센서가 제일 큼을 알 수 있었다.
Referring to Table 1, the resonant frequency was found to be the largest triangular cantilever sensor.
<실시예 3> 민감도 측정Example 3 Sensitivity Measurement
캔틸레버 센서의 하측면에 금박을 입히고, 그 금박면에 리셉터로서 캘릭스[4]아렌(Calix[4]arene) 자기조립단분자층(self assembled monolayer: SAM)을 처리한 후(도 3), 500ppm 농도의 아세톤 가스에 노출되었을 때 공진주파수 변화량을 측정하였다. A gold foil was coated on the lower surface of the cantilever sensor, and then treated with Calix [4] arene self-assembled monolayer (SAM) as a receptor on the gold foil surface (FIG. 3). The change in resonant frequency when exposed to acetone gas was measured.
3 종류의 서로 다른 형상을 가진 캔틸레버가 아세톤 가스에 노출 되었을 때, 리셉터인 캘릭스[4]아렌과 아세톤 증기 간의 반응으로 인한 명확한 주파수 변화가 관측되었다. 주파수 변화가 평형 상태에 이루어졌을 때, 공진 주파수 변화량은 직사각형, 사다리꼴, 삼각형의 캔틸레버가 각각 약 130, 210, 290 Hz였다(도 4). When three differently shaped cantilevers were exposed to acetone gas, a clear frequency change was observed due to the reaction between the receptor Calix [4] arene and acetone vapor. When the frequency change was in equilibrium, the resonant frequency change amount was about 130, 210, and 290 Hz for rectangular, trapezoidal, and triangular cantilevers, respectively (FIG. 4).
공진 주파수가 가장 큰 삼각형의 캔틸레버가 가장 큰 공진 주파수 변화량을 보였으며, 사다리꼴, 직사각형의 캔틸레버 순으로 변화량을 보였다. 형상에 따른 공진주파수에 대한 공진주파수 변화량을 일반화(df/fr)한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5를 보면 공진 주파수 변화량에 비례하지 않는 것을 알 수 있다. 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 캔틸레버 일 때 각각 1.54, 1.82, 1.48의 수치를 갖는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 각 형상을 갖는 캔틸레버의 질량 민감도를 절대 비교한 것으로 사다리꼴이 질량민감도가 가장 우수한 것을 알 수 있다. 이는 같은 양의 분자들이 캔틸레버 표면에 결합하였을 경우 공진주파수 변화량은 공진주파수와 비례 하지만 질량 민감도는 반드시 우수하다라고 할 수 없음을 보여주었다. 또한, 형상에 따른 공진주파수의 연속 측정에서 관찰했던 것과 같이 삼각형 모양의 캔틸레버는 다른 형상의 캔틸레버와 비교했을 때보다 훨씬 큰 주파수 편차가 관측되었다. 이는 삼각형의 캔틸레버가 상대적으로 공진 시 뒤틀림 현상에 더욱 더 민감하게 작용하는 것이 원인인 것으로 분석된다. 이러한 삼각형 형상의 캔틸레버의 큰 주파수 편차는 결과적으로 데이터 해상도를 떨어지게 하기 때문에, 비록 상대적으로 큰 주파수 변화량을 가졌지만 데이터 낮은 해상도 때문에 센서의 민감도 향상에는 도움을 주지 못한다. 반면 사다리꼴 형상의 캔틸레버는 직사각형 형상의 캔틸레버와 비슷한 주파수 편차를 가지면서도 큰 공진 더 큰 주파수 영역에서 공진이 일어나기 때문에 더 좋은 민감도를 갖는다고도 할 수 있다. 결론적으로 질량 민감도와 주파수 편차의 측면에서 사다리꼴의 캔틸레버가 직사각형과 삼각형 형상의 캔틸레버보다 우수함을 알 수 있었다. 또한, 삼각형 캔틸레버는 제작상의 어려움 때문에 오차가 발생할 위험이 더욱 컸다. The triangular cantilever with the largest resonant frequency showed the largest resonant frequency change, followed by the trapezoidal and rectangular cantilever. The result of generalizing (df / fr) the change of the resonance frequency with respect to the resonance frequency according to the shape is shown in FIG. 5. 5, it can be seen that it is not proportional to the resonance frequency change amount. The rectangular, trapezoidal, and triangular cantilevers have the values of 1.54, 1.82, and 1.48, respectively. This is an absolute comparison of the mass sensitivity of the cantilevers having the respective shapes, which shows that the trapezoid has the best mass sensitivity. This shows that when the same amount of molecules are bound to the surface of the cantilever, the change in resonant frequency is proportional to the resonant frequency but the mass sensitivity is not necessarily excellent. In addition, as observed in the continuous measurement of the resonant frequency according to the shape, the triangular cantilever has a much larger frequency deviation than that of the other cantilever. This can be attributed to the fact that the triangular cantilever is relatively more sensitive to distortion during resonance. Since the large frequency deviation of the triangular cantilever results in a lower data resolution, although the relatively large frequency variation, the low resolution of the data does not help improve the sensitivity of the sensor. On the other hand, the trapezoidal cantilever has a similar frequency deviation to that of the rectangular cantilever and has a higher sensitivity because the resonance occurs in a larger frequency region. In conclusion, the trapezoidal cantilever is superior to the rectangular and triangular cantilever in terms of mass sensitivity and frequency deviation. In addition, the triangle cantilever had a greater risk of error due to manufacturing difficulties.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.
Claims (7)
상기 형상은 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 고감도 캔틸레버 센서.The method of claim 1,
The shape is a high sensitivity cantilever sensor, characterized in that the trapezoid.
상기 센서에서 리셉터 형성 부분의 면적이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 고감도 캔틸레버 센서.The method of claim 1,
The high sensitivity cantilever sensor, characterized in that the area of the receptor forming portion in the sensor is kept constant.
상기 리셉터는 자기조립단분자층(self assembled monolayer: SAM), 폴리머, 항체(antibody), 펩타이드(peptide) 또는 압타머(aptamer)인 것을 특징으로 하는 고감도 캔틸레버 센서.The method of claim 3,
The receptor is a high sensitivity cantilever sensor, characterized in that the self assembled monolayer (SAM), polymer, antibody (peptide) or aptamer (aptamer).
상기 자기조립단분자층은 캘릭스[4]아렌(Calix[4]arene), 캘릭스크라운(calixcrown), 11-머캡토언데카노산(11-mercaptoundecanoic acid), 티옥트산(thioctic acid) 또는 4-머캡토벤조산(4-mercaptobenzoic acid)인 것을 특징으로 하는 고감도 캔틸레버 센서. The method of claim 4, wherein
The self-assembled monolayer is composed of Calix [4] arene, Calixcrown, 11-mercaptoundecanoic acid, thioctic acid or 4-mer. High sensitivity cantilever sensor, characterized in that the captobenzoic acid (4-mercaptobenzoic acid).
상기 캔틸레버 센서는 공진주파수 변화량(df)/공진주파수(fr) 값을 증가시켜서 캔틸레버 센서의 질량 민감도(Sm)를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고감도 캔틸레버 센서.The method of claim 1,
The cantilever sensor is a high sensitivity cantilever sensor, characterized in that to increase the mass sensitivity (Sm) of the cantilever sensor by increasing the resonance frequency change amount (df) / resonant frequency (fr) value.
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|---|---|---|---|
| KR1020100111508A KR20120050144A (en) | 2010-11-10 | 2010-11-10 | Highly sensitive cantilever sensor |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9840482B2 (en) | 2014-04-19 | 2017-12-12 | Sunshine Lake Pharma Co., Ltd. | Sulfonamide derivatives and pharmaceutical applications thereof |
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2010
- 2010-11-10 KR KR1020100111508A patent/KR20120050144A/en not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US9840482B2 (en) | 2014-04-19 | 2017-12-12 | Sunshine Lake Pharma Co., Ltd. | Sulfonamide derivatives and pharmaceutical applications thereof |
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