KR20160070627A - 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법 및 그를 위한 스캐닝 프로브 현미경 - Google Patents

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Abstract

세포가 부착된 프로브를 포함한 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법 및 그를 위한 다른 양상은 스캐닝 프로브 현미경을 제공한다.

Description

스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법 및 그를 위한 스캐닝 프로브 현미경{Method of analyzing a sample surface using a scanning probe microscopy and scanning probe microscopy therefor}
스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법 및 그를 위한 다른 양상은 스캐닝 프로브 현미경에 관한 것이다.
원자간력 현미경(atomic force microscopy: AFM) 방법은 아주 날카로운 측정 팁의 도움으로 표면을 스캔하는 산업 및 연구에서 널이 이용되는 방법이다. 상기 측정 팁은 마이크로기계적 캔틸레버의 지지되지 않은 말단에 위치하고 짧은-영역에 미치는 힘(예, 반데르 발스 힘)에 작용한다. AFM 방법은 종종 분자생물학, 약리학, 재료 과학, 및 나노기술 분야에서 자주 사용된다. 더욱이, AFM은 프로세스 제어를 위하여 산업에 사용되는 한편, 소형화 및 고도로 집적된 회로의 사용의 관점에서, 점점 중요한 역할을 하는 새로운 현상(novel phenomena)을 연구하는데 사용되고 있다. 작동 원리로 인하여, 알려진 AFM 방법은 표면에 화학적 또는 전자적 정보를 제공하지 않는다.
따라서, 종래 기술에 의하더라도 여전히 새로운 AFM 방법이 요구되고 있다.
일 양상은 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법을 제공한다.
다른 양상은 스캐닝 프로브 현미경을 제공한다.
일 양상은 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법으로서, 상기 스캐닝 프로브 현미경은 시료의 표면에 대한 정보를 감지하기 위한 프로브, 상기 프로브에 대하여 시료를 이동시켜 상기 프로브가 상기 시료의 표면을 스캔하도록 하는 스캐너, 및 상기 프로브의 편향(deflection)을 검출하기 위한 편향 센서(deflection sensor)를 포함하고, 상기 프로브는 한쪽 말단은 상기 스캐너에 연결되어 있고 다른 쪽 말단은 상기 스캐너로부터 연장하는 세포가 부착되어 있는 캔틸레버인 것이고, 상기 편향 센서(deflection sensor)는 상기 프로브에 광을 조사하도록 배치된 광원과 상기 프로브로부터 반사되는 광을 검출하도록 배치된 위치 민감성 광검출기(position-sensitive photodetector)를 포함하는 것이고, 상기 방법은, 표면을 갖는 시료를 제공하는 단계; 상기 스캐너에 의하여 상기 시료의 표면에 대하여 프로브를 이동시켜 상기 시료의 표면과 상기 프로브를 상호작용시키는 단계; 상기 편향 센서(deflection sensor)로부터 상기 프로브의 편향 거리를 측정하는 단계; 상기 편향 거리로부터 상기 프로브와 상기 표면의 상호작용력을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값과 비교하는 단계;를 포함하는 것인 방법을 제공한다.
상기 방법에 있어서, 상기 스캐닝 프로브 현미경은 시료의 표면에 대한 정보를 감지하기 위한 프로브, 상기 프로브에 대하여 시료를 이동시켜 상기 프로브가 상기 시료의 표면을 스캔하도록 하는 스캐너, 및 상기 프로브의 편향(deflection)을 검출하기 위한 편향 센서(deflection sensor)를 포함하고, 상기 프로브는 한쪽 말단은 상기 스캐너에 연결되어 있고 다른 쪽 말단은 상기 스캐너로부터 연장하는 세포가 부착되어 있는 캔틸레버인 것이고, 상기 편향 센서(deflection sensor)는 상기 프로브에 광을 조사하도록 배치된 광원과 상기 프로브로부터 반사되는 광을 검출하도록 배치된 위치 민감성 광검출기(position-sensitive photodetector)를 포함하는 것이다. 상기 스캐닝 프로브 현미경은 원자간력 현미경(atomic force microscopy: AFM)인 것일 수 있다.
상기 캔틸레버는 탄성을 가진 물질일 수 있다. 상기 캔틸레버는 0.001N/m 내지 1N/m의 스프링 상수(spring constant)를 갖는 것일 수 있다. 상기 캔틸레버는 실리콘, 또는 실리콘 니트리드(Si3N4)로 된 것일 수 있다. 상기 캔틸레버는 두께 1nm 내지 100nm일 수 있다. 상기 캔틸레버는 길이가 125um일 수 있다. 상기 캔틸레버는 통상의 AFM의 프로브의 말단에 부착된 팁(tip)이 없는 것 즉, tipless tip을 갖는 것일 수 있다. 상기 캔틸레버는 상기 광원에 의하여 생산된 광빔에 정렬되어 있는 것일 수 있다.
상기 프로브 편향 센서는 캔틸레버 편향 센서일 수 있다. 상기 캔틸레버 편향 센서에 있어서, 상기 광원은 레이저일 수 있다. 상기 위치 민감성 광검출기는 스플릿 포토다이오드(split photodiode)일 수 있다. 상기 캔틸레버의 백(back)으로부터 반사된 레이저빔은 상기 캔틸레버의 반사의 작은 변화를 검출하는 스플릿 포토다이오드에 닿을 수 있다.
상기 스캐너는 상기 프로브 또는 시료의 표면을 서로에 대하여 이동시킬 수 있는 수단을 포함하는 것일 수 있다. 상기 스캐너는 압전 소자(piezoelectric element)를 포함하는 것일 수 있다. 상기 압전 소자는 확장 요소(expansion element)일 수 있다.
도 1은 상기 스캐닝 프로브 현미경의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 스캐닝 프로브 현미경(10)은 AFM에 해당하는 일련의 성분 세트를 포함할 수 있다. 표면을 갖는 시료(42)는 기판(40)에 놓여지고 지지된다. 상기 기판(40)은 유리 또는 플라스틱과 같은 광학적으로 투명하거나(transparent) 또는 반투명(translucent)한 물질일 수 있다. 상기 스캐닝 프로브 현미경(10)은 캔틸레버 지지체(24)에 연결된 캔틸레버 바디(22)에 연결된 일 말단(16)을 갖는 캔틸레버(12)를 포함한다. 상기 캔틸레버 지지체(24)는 차례로, 압전 요소(piezo-electric element)와 같은, 확장 요소(expansion element)에 연결된다. 상기 확장 요소는 구동되어 확장(expand) 또는 수축(contract)하여 z-축을 따라 수직으로(Z 방향) 상기 캔틸레버 지지체(28) 또는 다른 연결된 성분을 움직이게 한다. 상기 캔틸레버(12)의 다른 말단(14)은 세포가 부착되어 있어서 프로브 역할을 한다. 상기 스캐닝 프로브 현미경에 있어서, 스캐너는 캔틸레버 바디(22), 캔틸레버 지지체(24) 및 확장 요소(26)를 포함하는 것일 수 있다. 상기 프로브는 캔틸레버(12), 및 그 양말단(14,16)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 스캐닝 프로브 현미경의 작동 중, 상기 캔틸레버 지지체(24)는 상기 확장 요소(26)를 구동시키는 결과로서, 아래로 움직인다. 결국, 상기 캔틸레버의 말단(14)은 시료에 접근하면서 시료의 표면과 상호작용하게 되며, 반발력 또는 흡착력이 작용하는 경우 말단(14)이 수평선에 대하여 각도 α만큼 이동하게 된다. 상기 캔틸레버의 편향의 정도는 광원(32) 및 광검출기(36)에 의하여 검출된다. 상기 광원(32)은 상기 캔틸레버(12)의 상단면에 집중하는 광빔(34)을 발하는 레이저일 수 있다. 광빔(34)은 광검출기(36)를 향하여 반사시키고 레이저 스팟으로서 그를 때린다(strike). 상기 캔틸레버(12)의 편향은 상기 광검출기(36)에 대하여 레이저 스팟의 위치를 움직이게 한다. 상기 광검출기(36)는 데이터 프로세서(54), 메모리(52) 및 디스플레이 장치(60)에 연결될 수 있다. 상기 캔틸레버(12)의 편향을 검출하기 위한 다른 기작을 수행하는 요소가 고려될 수 있다. 예를 들면, 캔틸레버(12)의 굽힘(bending)은 반사광빔과 원래 광빔 사이의 간섭의 정도를 검출하는 간섭-검출기(interference-detector element)에 의하여 검출될 수 있다. 다른 예로서, 압저항 요소(piezo-resistive element) 또는 압전 요소(piezo-electric element)는 상기 캔틸레버(12)의 굽힘의 정도를 검출하기 위하여 상기 캔틸레버(12) 내에 포함되거나 거기에 연결될 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 스캐닝 프로브 현미경(10)은 상기 스캐닝 프로브 현미경(10)의 다양한 성분에 연결되고 이들 성분의 조작을 지시하는, 콘트롤러 및 데이터 프로세서(54)를 포함할 수 있다. 콘트롤러 및 데이터 프로세서(54)는 상기 스캐닝 프로브 현미경(10)의 유저에게 시각적 표시(visual indication)을 생산하는 디스플레이(50)에 연결된다. 콘트롤러 및 데이터 프로세서(54)는 또한 다양한 데이터 회수 및 조작 작동(manipulation operation)을 수행하기 위한 컴퓨터 코드 또는 실행가능한 지시(executable instruction)를 저장하는 메모리(44)에 연결될 수 있다. 상기 메모리(44)는 상기 시료의 불량과 합격의 기준에 관련된 데이터를 저장할 수 있다.
도 2는 캔틸레버 편향 센서의 확대도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 캔틸레버 편향 센서는 광원(32) 및 광검출기(36)를 포함한다. 광원(32)으로부터 나온 광빔은 캔틸레버의 말단 (14)에 집중하고 캔틸레버 말단(14)과 시료 표면의 상호작용에 의하여 편향되고 그 편향은 광검출기에서 레이저 스팟(A, 또는 B)에 의하여 검출된다. 상기 레이저 스팟 사이의 차이 또는 합계는 캔틸레버의 편향의 정도를 나타낸다.
상기 방법에 있어서, 상기 세포는 양이온성 폴리전해질(cationic polyelectrolyte), 예를 들면, 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) (폴리DADMAC)로 코팅된 프로브 표면에 정전기적 결합에 의하여 고정된 것일 수 있다. 상기 세포는 박테리아, 또는 포유동물 세포일 수 있다. 상기 박테리아는 그람 양성 또는 그람 음성일 수 있다. 상기 박테리아는 예를 들면, 대장균, 살모넬라 또는 슈도모나스일 수 있다. 상기 세포는 생존성이 있는 세포(viable cell) 또는 생리학적으로 활성(physiologically active)인 상태로 상기 프로브에 고정된 것일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 스캐닝 프로브 현미경은 서로 상이한 시료의 표면들에 대한 정보를 감지하는 복수 개의 프로브, 및 상기 복수 개의 프로브들의 편향(deflection)을 검출하는 편향 센서 세트를 포함하고 있는 것이고, 시료의 표면의 복수 개의 위치에 대하여 상기 단계들이 동시에 수행되는 것일 수 있다. 상기 복수 개의 프로브는 스캐너의 동일한 기판의 표면에 고정되어 있어, 동시에 함께 시료의 표면에 대하여 다른 위치에서 이동되도록 된 것일 수 있다. 이 경우, 시료의 표면을 분석하는데 시간적으로 효율적일 수 있다. 상기 편향 센서는 시료의 표면에 대하여 광을 조사하도록 배치되거나 배치되도록 조절될 수 있는 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 상기 광원은 복수 개, 예를 들면, 2 이상, 3 이상, 또는 4 이상일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 스캐닝 프로브 현미경에 있어서 상기 복수 개의 프로브는 기판상에 일정한 간격으로 배열되어 있는 것일 수 있다. 일정한 간격으로 각 프로브를 배열함으로써 시료의 표면을 균질적으로 분석할 수 있다.
상기 방법은, 표면을 갖는 시료를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 시료는 표면을 갖는 물질이면 어느 것이나 포함된다. 상기 시료는 고상 물질로서 편평한 표면을 갖는 것일 수 있다. 상기 시료는 플라스틱 디스플레이 표면을 갖는 휴대폰, 생활용품, 또는 차량일 수 있다. 상기 시료는 그의 표면이 내생물부착성 물질(anti-biofouling material)이 부착된 것 또는 그렇지 않은 것일 수 있다. 본 명세서에 있어서 "내생물부착성 물질"은 상기 프로브에 부착된 세포와의 흡착력이 설정된 값보다 작은 것이나, 상기 프로브에 부착된 세포와의 반발력이 설정된 값보다 큰 것일 수 있다. 상기 "설정된 값"은 알려진 내생물부착성 물질과 상기 프로브에 부착된 세포 사이의 흡착력 또는 반발력일 수 있다. 상기 세포는 박테리아, 효모, 따개비(barnacle), 이끼벌레류(bryozoans), 말러스크(mollusks), 갯지렁이류 (polychaete), 얼룩무늬 마합류(zebra mussels). 해초류(seaweed), 히드로충(hydroids), 조류(algae), 또는 그 조합일 수 있다. 상기 세포는 그람 음성 박테리아일 수 있다. 상기 내생물부착성 물질 예를 들면, 항생제 또는 항생제가 첨가된 물(예, 항생제가 첨가된 플라스틱 물질), 살생물제 (biocide) 또는 살생물제가 첨가된 물질(예, 살생물제가 첨가된 구리 아크릴레이트 자가-폴리싱 공중합체 (biocide incorporated copper acrylate self-polishing copolymer), 은 나노 물질 또는 은 나노 물질이 코팅된 물질, 자가-조립된 블록 공중합체 물질(self-assembled block copolymer), 또는 불화된 블록 공중합체 (fluorinated block copolymer)일 수 있다. 또한, 상기 내생물부착성 물질은 낮은 마찰력 (low friction) 및 낮은 표면 에너지(surface energy)를 갖는 것일 수 있다. 이 물질은 소수성 표면 (hydrophobic surface)을 갖게 하는 것일 수 있다. 상기 소수성 표면은 미생물의 부착을 방지할 수 있는 매끄러운 표면을 생성할 수 있다. 상기 내생물부착성 물질은 플루오로폴리머 및 실리콘(silicone)일 수 있다. 상기 실리콘은 폴리디메틸실록산 (PDMS)일 수 있다. 상기 플루오로폴리머는 폴리테트라플루오로에티렌 (PTFE), 폴리비닐플루리드(polyvinylfluoride), 폴리비닐리덴플루리드, 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 등을 포함할 수 있다. 상기 PFPE는 예를 들면, DuPont에 의하여 제조되는 유활제인 KRYTOX 패밀리 (예, Dupont™ Krytox® 100 또는 Dupont™ Krytox® 103), 또는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 실란일 수 있다. 상기 PFPE는 물접촉각 약 115°, 마찰계수 약 0.1 내지 약 0.15인 것일 수 있다. "퍼플루오로화 (perfluorinated)"는 모든 C-H 결합이 C-F 결합으로 치환된 기 또는 화합물을 나타낸다. "에테르 (ether)"는 두 개 탄소 원자 사이에 옥시 기를 갖는 기 또는 화합물을 나타낸다. 에테르 기는 종종 -CH2-O-CH2- 또는 -CF2-O-CF2-와 같은 2가 기 (divalent group)이다. 용어 "폴리에테르 (polyether)"는 복수 개의 에테르 기를 갖는 기 또는 화합물을 나타낸다. 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 실란은 실리콘성 기판 (siliceous substrate)의 표면과 반응하여 -Si-O-Si- 결합을 형성할 수 있는 실릴 기를 갖는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)를 나타낸다. 상기 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 실란은 예를 들면, 다음 화학식 I 및 II를 갖는 것일 수 있다.
CF3O(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2-CH2O-(CH2)p-Si(R1)3-x(R2)x (식 I)
F(CF(CF3)CF2O)mCF(CF3)-CH2O-(CH2)p-Si(R1)3-x(R2)x (식 II)
식I 및 식 II에서, R1는 히드록시 또는 가수분해가능한 기 (hydrolyzable group)이고, R2는 비-가수분해가능한 기 (non-hydrolyzable group)이고, 변수 x는 0, 1, 또는 2이다. 변수 n 또는 m은 4 내지 100, 5 내지 100, 10 내지 100, 10 내지 80, 10 내지 60, 10 내지 50, 10 내지 40, 20 내지 100, 40 내지 100, 50 내지 100, 또는 60 내지 100의 정수이다. 변수 p는 1 내지 6, 1 내지 4, 또는 1 내지 3의 정수이다. 상기 "가수분해가능한 기 (hydrolyzable group)"는 대기압 하에서 pH 1 내지 10의 물과 반응할 수 있는 기를 나타낸다. 상기 가수분해가능한 기는 반응하는 경우 보통 히드록기로 전환된다. 상기 히드록기는 실리콘성 기판 (siliceous substrate)과의 반응과 같은 추가의 반응을 격는다. 전형적 가수분해가능한 기는 알콕시, 아릴옥시, 아랄킬옥시, 아실옥시, 및 할로 기를 포함한다.
알콕시 R1은 Ra가 1 내지 10개 탄소원자, 1 내지 6개 탄소원자, 1 내지 4개 탄소원자, 1 내지 3개 탄소원자, 또는 1 내지 2개 탄소원자를 갖는 알킬기인 식 -ORa의 것일 수 있다. 알콕시 기의 알킬 부분은 선형, 분지된, 사이클릭, 또는 그 조합일 수 있다.
아릴옥시 R1은 Ar이 아릴기인 식 -OAr의 것일 수 있다. 상기 아릴기는 하나이상의 카르보사이클릭 방향성 고리를 가진 1가 기 (monovalent group)이다. 추가의 카르보사이클릭 고리가 상기 방향성 고리에 융합될 수 있다. 임의의 추가 고리는 불포화, 부분적 포화, 또는 포화된 것일 수 있다. 상기 아릴옥시 기의 아릴 부분은 6 내지 12개 탄소원자, 또는 6 내지 10개 탄소원자를 갖는 것일 수 있다. 많은 구체예에서, 상기 아릴옥시 기는 페녹시일 수 있다.
아랄킬옥시 R1은 식 -ORb-Ar의 것일 수 있다. Rb는 1 내지 10개 탄소원자, 1 내지 6개 탄소원자, 또는 1 내지 4개 탄소원자를 갖는 2가 알킬렌기 (즉, 알칼의 2가 라디칼)일 수 있다. Ar 기는 하나이상의 카르보사이클릭 방향성 고리를 가진 아릴기이다. 추가의 카르보사이클릭 고리가 상기 방향성 고리에 융합될 수 있다. 임의의 추가 고리는 불포화, 부분적 포화, 또는 포화된 것일 수 있다. 상기 아릴옥시 기의 아릴 부분은 6 내지 12개 탄소원자, 또는 6 내지 10개 탄소원자를 갖는 것일 수 있다. 많은 구체예에서, 상기 아릴기는 페닐일 수 있다.
아실옥시 R1은 Rc가 알킬, 아릴, 또는 아랄킬인 식 -O(CO)Rc의 것이다. 기 (CO)는 카르보닐 기를 나타낸다. 알킬 Rc는 1 내지 10개 탄소원자,또는 1 내지 6개 탄소원자를 갖는 것일 수 있다. 아릴 Rc는 카르보사이클릭이고 하나이상의 방향성 고리를 갖는다. 추가 카르보사이클릭 고리가 상기 방향성 고리에 융합될 수 있다. 임의의 추가 고리는 불포화, 부분적 포화, 또는 포화된 것일 수 있다. 상기 아릴 기는 6 내지 12개 탄소원자, 또는 6 내지 10개 탄소원자를 갖는 것일 수 있다. 많은 구체예에서, 상기 아릴기는 페닐일 수 있다. 아랄킬 Rc는 1 내지 10개 탄소원자, 1 내지 6개 탄소원자, 또는 1 내지 4개 탄소원자를 갖는 알킬렌기 (즉, 알칼의 2가 라디칼) 및 6 내지 12개 탄소원자, 또는 6 내지 10개 탄소원자를 갖는 아릴기를 가질 것일 수 있다. 상기 아랄킬 기의 알킬렌 부분은 선형, 분지, 사이클릭, 또는 그 조합일 수 있다. 상기 아랄킬 기의 아릴 부분은 하나이상의 카르보사이클릭 방향성 고리를 가진다. 추가의 카르보사이클릭 고리가 상기 방향성 고리에 융합될 수 있다. 임의의 추가 고리는 불포화, 부분적 포화, 또는 포화된 것일 수 있다. 상기 아실옥시 기의 상기 아릴기는 페닐일 수 있다.
할로 기 R1은 브로모, 요오도, 또는 클로로 기일 수 있다.
식 I 및 II 중 각 R2 기는 비-가수분해가능한 기 (non-hydrolyzable group)이다. 용어 "비-가수분해가능한 기"는 대기압하에서 pH 1 내지 10의 물과 반응하지 않는 기를 나타낸다. 일 구체예에서, 상기 비-가수분해가능한 기는 알킬기, 아릴기, 또는 아랄킬 기이다. 알킬 R2는 1 내지 10개 탄소원자, 1 내지 6개 탄소원자, 또는 1 내지 4개 탄소원자를 갖는 것일 수 있다. 상기 알킬은 선형, 분지형, 사이클릭형, 또는 그 조합일 수 있다. 아릴 R2는 카르보사이클릭이고 하나이상의 방향성 고리를 갖는다. 추가 카르보사이클릭 고리가 상기 방향성 고리에 융합될 수 있다. 임의의 추가 고리는 불포화, 부분적 포화, 또는 포화된 것일 수 있다. 상기 아릴 기는 6 내지 12개 탄소원자, 또는 6 내지 10개 탄소원자를 갖는 것일 수 있다. 많은 구체예에서, 상기 아릴기는 페닐일 수 있다. 아랄킬 R2는 1 내지 10개 탄소원자, 1 내지 6개 탄소원자, 또는 1 내지 4개 탄소원자를 갖는 알킬렌기 (즉, 알칼의 2가 라디칼) 및 6 내지 12개 탄소원자, 또는 6 내지 10개 탄소원자를 갖는 아릴기를 가질 것일 수 있다. 상기 아랄킬 기의 알킬렌 부분은 선형, 분지, 사이클릭, 또는 그 조합일 수 있다. 상기 아랄킬 기의 아릴 부분은 하나이상의 카르보사이클릭 방향성 고리를 가진다. 추가의 카르보사이클릭 고리가 상기 방향성 고리에 융합될 수 있다. 임의의 추가 고리는 불포화, 부분적 포화, 또는 포화된 것일 수 있다. 상기 아실옥시 기의 상기 아릴기는 페닐일 수 있다.
상기 내생물부착성 물질의 예는, 하기 식 III의 물질일 수 있다.
Figure pat00001
(식 III)
상기 내생물부착성 물질은 물접촉각 100 내지 150°, 100 내지 140°, 100 내지 130°, 110 내지 150°, 또는 120 내지 150°을 갖는 것일 수 있다.
상기 방법은, 선택적으로 상기 표면을 갖는 시료를 제공하는 단계 전에, 상기 시료의 표면에 내생물부착성 물질을 코팅하는 단계를 포함한다. 상기 단계는 시료의 표면에 내생물부착성 물질을 반응시켜 내생물부착성을 갖는 시료의 표면을 제조하는 것일 수 있다. 상기 반응은 상기 표면을 상기 내생물부착성 물질과 접촉될 수 있는 조건에 인큐베이션하는 것을 포함한다. 상기 반응은 상기 시료의 표면을 상기 내생물부착성 물질이 포함된 용기에 담근 후 인큐베이션하는 것을 포함한다.
상기 방법은 상기 스캐너에 의하여 상기 시료의 표면에 대하여 프로브를 이동시켜 상기 시료의 표면과 상기 프로브를 상호작용시키는 단계를 포함한다. 상기 스캐너에 의하여 상기 시료의 표면에 대하여 프로브를 이동시키는 것은 표면에 대하여 수직 방향으로 접근시키거나(approach) 물러나게(retract) 하는 것일 수 있다. 또한, 표면에 대하여 평면적으로 즉, x 및 y 방향으로 이동시키는 것일 수 있다. 상기 상호작용은 인력에 의하여 끌러가거나 결합하는 것 또는 척력에 의하여 밀러나는 것을 포함한다.
상기 스캐너에 의하여 상기 시료의 표면에 대하여 프로브를 이동시키는 것은 액체 매질 중이 아니라 공기 또는 주위 분위기 중에서 이루어지는 것일 수 있다. 상기 이동은 0 내지 500nm의 거리 범위에서 상기 프로브와 시료의 표면을 이동시키는 것일 수 있다.
상기 방법은 또한 상기 편향 센서(deflection sensor)로부터 상기 프로브의 편향 거리를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 캔틸레버의 백(back)으로부터 반사된 레이저빔은 상기 캔틸레버의 반사의 작은 변화를 검출하는 스플릿 포토다이오드에 닿을 수 있고, 그에 따라 편향 거리를 측정할 수 있다.
상기 방법은 상기 편향 거리로부터 상기 프로브와 상기 표면의 상호작용력을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 상호작용력은 상기 프로브에 부착된 세포와 상기 표면 사이의 상호작용력일 수 있다. 편향 거리를 힘으로 전환하기 위하여는 상기 캔틸레버의 스프링 상수와 힘의 영점(zero of force)을 정의할 필요가 있다. 힘의 영점은 세포가 부착된 프로브와 표면이 아주 멀어서 편향이 위치, 예 압전 위치(piezo position)와 무관하게 되는 곳일 수 있다. 힘은 다음 식에 의하여 계산될 수 있다.
측정되는 변수는 전압이고, 이 전압을 팁 (tip)이 갖는 고유상수 값과 그 팁에 반응하는 압전소자의 검출 상수 (detection constant) 값으로 보정하여 힘 (force)를 구할 수 있다. 즉, 광검출기 (photodetector)는 신호로서 V 값을 측정하고, 이 V는 캔틸레버 평향 거리 (nm)로 전환되고 이 거리는 힘 (nN)으로 전환된다.
F=kx =Vx 편향 민감도 x k (식 1)
식 1에서, F는 힘(force)이고, k는 스프링 상수 (spring constant)이고, x는 측정값으로서 팁이 편향(deflection)된 거리이고, V는 전압이고, 편향 민감도(deflection sensitivity)는 각각의 팁에 대한 SPM 스캐너의 압전소자의 전압(voltage)당 편향 거리 (nm)를 나타낸다.
상기 방법은 또한 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값과 비교하는 단계를 포함한다. 상기 "설정된 값"은 알려진 내생물부착성 물질과 상기 프로브에 부착된 세포 사이의 흡착력 또는 반발력일 수 있다. 상기 흡착력 또는 반발력은 상기 방법에 의하여 측정된 것일 수 있다. 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값과 비교하는 단계에 있어서, 상기 설정된 상호작용력 값은 상기 코팅 단계 전의 상기 시료의 표면에 대한 상호작용력 값인 것일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 상호작용력은 흡착력이고 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값보다 작은 경우, 상기 시료의 표면은 내생물부착성(anti-biofouling)을 갖는 것으로 결정하는 단계; 또는 상기 상호작용력은 반발력이고 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값보다 큰 경우, 상기 시료의 표면은 내생물부착성을 갖는 것으로 결정하는 단계:를 더 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 상호작용력은 흡착력이고 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값보다 큰 경우, 상기 시료의 표면은 비-내생물부착성(anti-biofouling)을 갖는 것으로 결정하는 단계; 또는 상기 상호작용력은 반발력이고 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값보다 작은 경우, 상기 시료의 표면은 비-내생물부착성을 갖는 것으로 결정하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 시료의 표면은 불량인 것으로 결정하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 분석은 제품의 표면 처리의 불량 여부를 결정하는 것일 수 있다.
다른 양상은 시료의 표면에 대한 정보를 감지하기 위한 프로브, 상기 프로브에 대하여 시료를 이동시켜 상기 프로브가 상기 시료의 표면을 스캔하도록 하는 스캐너, 및 상기 프로브의 편향(deflection)을 검출하기 위한 편향 센서(deflection sensor)를 포함하고, 상기 프로브는 한쪽 말단은 상기 스캐너에 연결되어 있고 다른 쪽 말단은 상기 스캐너로부터 연장하는 세포가 부착되어 있는 캔틸레버인 것이고, 상기 편향 센서(deflection sensor)는 상기 프로브에 광을 조사하도록 배치된 광원과 상기 프로브로부터 반사되는 광을 검출하도록 배치된 위치 민감성 광검출기(position-sensitive photodetector)를 포함하는 것이고, 상기 스캐너는 상기 프로브에 연결된 확장하는 압전 요소(piezoelectric element)를 포함하는 것인 스캐닝 프로브 현미경을 제공한다.
상기 스캐닝 프로브 현미경은 원자간력 현미경(atomic force microscopy: AFM)일 수 있다. 상기 세포는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드)로 코팅된 프로브에 정전기적 결합에 의하여 고정된 것일 수 있다.
상기 스캐닝 프로브 현미경은 서로 상이한 시료의 표면들에 대한 정보를 감지하는 복수 개의 프로브, 및 상기 복수 개의 프로브들의 편향을 각각 검출하는 편향 센서 세트를 포함하고 있는 것일 수 있다. 상기 복수 개의 프로브는 기판상에 일정한 간격으로 배열되어 있는 것일 수 있다.
상기 스캐닝 프로브 현미경에 있어서, 달리 언급되지 않으면, 상기 방법에서 인용된 상기 스캐닝 프로브 현미경에서 동일한 요소는 동일한 의미를 갖는다.
일 양상에 따른 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법에 의하면, 시료의 표면을 효율적으로 분석할 수 있다.
다른 양상에 따른 스캐닝 프로브 현미경에 의하면, 시료의 표면을 분석하는 방법에 효율적으로 사용될 수 있다.
도 1은 상기 스캐닝 프로브 현미경의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 캔틸레버 편향 센서의 확대도이다.
도 3은 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버에 부착된 대장균을 광학 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다.
도 4는 캔틸레버에 부착된 대장균을 광학 현미경으로 관찰한 후, 각각의 배율로 고해상도 및 미생물의 크기를 측정하고자, 전자현미경 (SEM)을 이용하여 대장균의 크기를 확인한 결과이다.
도 5는 항균물질인 은나노 입자로 코팅된 플라스틱 표면에 대하여 XPS를 사용하여 측정한 결과이다.
도 6은 실시예에서 수행된 실험 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 여러 표면에 대하여 여러 프로브를 사용한 AFM에 의하여 측정된 흡착력을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 대응되는 거리-힘 곡선을 나타낸다.
도 9는 일 구체예에 따른 표면에 대하여 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버에 부착된 대장균을 포함하는 프로브를 사용하여 측정된 거리-힘 곡선으로 프로브 상의 대장균과 표면과의 상호작용력이 큰 경우를 나타낸다.
도 10은 일 구체예에 따른 표면에 대하여 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버에 부착된 대장균을 포함하는 프로브를 사용하여 측정된 거리-힘 곡선으로 프로브 상의 대장균과 표면과의 상호작용력이 약한 경우를 나타낸다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 :
(1) 대장균의 배양
본 실시예에 사용된 그람 음성균인 대장균은 DH5α™ competent cells ((유)라이프 테크놀로지스 코리아사 제품)이다. 기존에 만들어 두었던 DH5α™ competent cells 중 하나를 녹여 플레이트 상에 도말(plating)하고, 콜로니 몇 개를 찍어 3ml, Luria Bertani(LB) 배지에 풀어서 12~16시간 배양하였으며, 이 경우 세포는 ml당 1x109cells (OD>1.8)이었다. 이 배양액을 200ml Luria Bertani fresh 배지에 넣어 계대 배양하여, OD600 1.6~1.8가 될 때까지 배양하였다. 항상 2-3회 정도 계대 배양 후 OD600 0.6-1 정도 될 때의 대장균을 사용하였다. 37℃에서 호기 배양하였다. 대장균은 대수기 중간 시기의 세포를 사용하였다.
(2) AFM 의 캔틸레버의 말단에 대장균의 코팅
본 실시예에 사용된 AFM은 Dimension Icon (Bruker사)이며, Peak Force Tapping 방식으로 프로브를 수직이동시켜 시료에 압력을 가하고 분리하는 일련의 동작을 반복하면서 프로브를 2차원 주사하여 표면 형태를 관찰하는 방법이다. 1 cycle 마다 힘 곡선(force curve)을 취득하고 있기 때문에, 그 해석에 의해 표면형태 이외에 탄성율이나 흡착력과 역학 물성의 맵핑(mapping)을 얻을 수 있다.
상기 AFM의 캔틸레버는 Si3N4로 되어 있으며, 스프링 상수는 0.05N/m이다. 이 스프링 상수를 힘을 계산하는데 사용하였다. 상기 캔틸레버는 본래의 다른 쪽 말단에 부착된 tip이 제거된 tipless 캔틸레버이다. 상기 캔틸레버는 두께는 4um이고 길이는 125um이다.
먼저, 식 2을 갖는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드)(diallyldimethylammonium chloride)(Sigma Aldrich, cat. no.26062-79-3)를 캔틸레버의 말단에 코팅하였다.
Figure pat00002
(식 2)
구체적으로, 물 중 35 wt.% 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 용액 (평균 Mw <100,000)을 2,000 배 물로 희석하고, 희석액 10ul를 캔틸레버에 적재한다(loading). 이를, 30 분 내지 1 시간 동안 실온에서 인큐베이션하여 팁 말단에 희석액이 미생물과 SPM 팁 간의 접착제 역할을 할 수 있도록 충분한 시간을 주었다.
다음으로, 상기 캔틸레버를 증류수 10ml로 3회 세척하고 건조시켰다. 얻어진 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버를 LB 배지에서 배양한 대장균 DH5α™ competent cells를 원심분리기를 이용해서 세포를 침전시킨 후 상층액은 버리고 세포만 모아서 증류수로 두세 번 세척한 후, 106 cell/ml, 및 105 cell/ml로 농도를 만들고 여기서 세포 10ul를 취하여 캔틸레버 끝단에 적재(loading)하였다. 세포가 접착제인 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드)에 결합될 수 있도록 30 분 내지 1 시간 동안 실온에서 인큐베이션하였다. 상기 캔틸레버를 증류수 10ml로 3회 세척하였다. 그 결과, 대장균 코팅된 캔틸레버를 얻었다.
도 3은 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버에 부착된 대장균을 광학 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다. 염색 없이 광학 현미경으로 관찰할 수 있었다.
도 3은 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버에 대장균이 농도별로 잘 부착되는지, 미생물을 두 수준으로 적정 (titration)하여 염색 과정 없이 광학 현미경으로 일차적으로 관찰한 결과를 보여주고 있다.
도 4는 캔틸레버에 부착된 대장균을 광학 현미경으로 관찰한 후, 각각의 배율로 고해상도 및 미생물의 크기를 측정하고자, 전자현미경 (SEM)을 이용하여 대장균의 크기를 확인한 결과이다. 도 4에서, A,B,C,D는 각각 배율 1,500배 (A,B, 및 C),및 30,000배율 (D)로 측정한 것이다. 가로 2.5um, 세로 1.04um의 넓이에 대하여 측정한 결과이다.
도 5는 항균물질인 은나노 입자로 코팅된 플라스틱 표면에 대하여 XPS를 사용하여 측정한 결과이다. XPS 분석 장비는 Quantum 2000 (ULVAC-PHI Inc.)(beam source: Alkα(hν= 1486.6 eV) 및 Beam size: 100um)를 사용하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이, F 성분과 Ag 성분이 존재하는 것으로 보아, 상기 표면은 내생물부착성을 갖는 것으로 여겨진다. XPS 장비는 10 nm 이하의 표면의 화학 성분을 분석할 수 있다. 원소별로 해당하는 결합 에너지 (binding energy)가 정해져 있기 때문에, Peak의 결합 에너지 및 강도 (intensity) 분석을 통해 성분 및 화학 조성에 대한 정보를 분석할 수 있다.
도 5에서, y 축은 강도(electron counts)를 나타내고 임의의 단위 (arbitrary units)이고, x 축은 binding energy(eV)를 나타낸다. 또한, black border: Ag층만 있는 표면으로 glass 위 은 나노층 모바일 윈도우 커버이고, white border: AF층만 있는 표면으로 glass 위에 direct로 AF물질 (Fluoro-alkyl chain)을 코팅한 표면 모바일 윈도우 커버를 색깔별로 측정하였다.
도 6은 실시예에서 수행된 실험 과정을 나타낸 도면이다. 도 6에서, 기판(60)의 표면은 은 나노 물질(62) 또는 항균물질(anti-fouling material)(62)이 코팅되어 있거나, 또는 은 나노 물질(62)이 코팅된 후 그 위에 항균물질(anti-fouling material)(66)이 코팅되어 있거나, 전혀 코팅되어 있지 않다.
도 6에서, A는 은나노 입자가 함침되어 있는 실리카층을 10nm 두께로 유리 기판 (60)의 표면상에 증착에 의하여 코팅하여 얻어진 은 나노 물질(62)이 코팅된 기판에 대하여 폴리DADMAC(18)로 코팅된 프로브 (또는 캔틸레버 (12)) 말단에 부착된 대장균(64) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다. B는 유리(60) 표면상에 실란기가 도입된 내지문 유기물(anti-fingerprint organic compound)인 식 III의 퍼플루오로폴리에테르 실란(perfluoropolyether silane: PFPE) (OPTOOLTM-UD502, Daikin 사)(물접촉각 115°, 마찰계수 0.1 내지 0.15)을 수 nm 두께로 증착에 의하여 코팅한 표면(66)에 대하여, 폴리DADMAC(18)로 코팅된 프로브(12) 말단에 부착된 대장균(64) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다. C는 A의 유리기판(60) 표면상의 은 나노 물질층(62)상에 실란기가 도입된 내지문 유기물(anti-fingerprint organic compound)인 실란 (OPTOOLTM-UD502, Daikin 사)(물접촉각 115°, 마찰계수 0.1 내지 0.15)(66)을 수 nm 두께로 증착에 의하여 코팅한 표면에 대하여, 폴리DADMAC(18)로 코팅된 프로브(12) 말단에 부착된 대장균(64) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다. 이 경우, 은나노 물질층(62)과 내지문 유기물층(66)의 두께는 두층을 합하여 20nm 미만이다. D는 은나노 물질층(62)과 내지문 유기물층(66)이 없는, 민 유리 표면(60)에 대하여 폴리DADMAC(18)로 코팅된 프로브(12) 말단에 부착된 대장균(64) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다. E는 은나노 물질층(62)과 내지문 유기물층(66)이 없는, 민 유리(60) 표면에 대하여, 대장균이 부착되지 않은 폴리DADMAC(18)로 코팅된 프로브(12) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다. F는 C의 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)에 대하여, 대장균이 부착되지 않은 폴리DADMAC(18)로 코팅된 프로브(12) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다. G는 C의 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)에 대하여, 폴리DADMAC(18)로 코팅되지 않은 프로브(12)의 말단 표면에 부착된 대장균(64) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다. H는 C의 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)에 대하여, 폴리DADMAC(18)로 코팅되지도 않고 대장균(64)도 부착되지 않은 프로브(12) 사이의 흡착력 또는 반발력을 측정한 것이다.
도 7은 여러 표면에 대하여 여러 프로브를 사용한 AFM에 의하여 측정된 흡착력을 나타낸 도면이다. 도 7에서, A, B, C, D, E, F, G 및 H는 도 6의 A, B, C, D, E, F, G 및 H의 과정에 따라 측정한 흡착력을 나타낸 것이다. 각각 프로브 말단에 부착된 미생물의 효과 (microbe effect)를 확인하는 것, 미생물과 프로브 사이를 연결하는 링커의 효과(linker effect)를 확인하는 것, 및 링커와 미생물 효과를 확인하는 것을 목적으로 대조군 실험을 진행하였다.
A, B, 및 C는 흡착력이 낮게 측정되어 (예, B 및 C의 경우, 흡착력이 거의 0 nN), A, B, 및 C의 기판은 내생물부착성(anti-biofouling)을 갖는 것으로 여겨진다. 즉, 미생물 프로브를 표면에 접근(approach)시키려고 할 때, 아예 표면에서 반발력(repelling force)이 작용하여 표면에 미생물이 거의 달라붙을 수 없는 것으로 판단되어 진다. D 내지 G는 흡착력이 52.2 nN 이상으로 검출 한계를 초과(out of detection)하였고, H는 흡착력이 30 nM 이상이었다. 구체적으로, D의 경우, 내생물부착성 물질로 코팅되지 않은 유리 표면은 대장균과 강한 흡착력을 보이고, 내생물부착성 특성이 없는 것으로 여겨진다. E 및 F에 의하면, 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) (폴리DADMAC)층은 내생물부착성 물질로 코팅되지 않은 유리 표면 또는 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)에 대하여 모두 강한 흡착력을 보이고 있어서, 표면의 내생물부착성 특성을 판별하는데 적합하지 않았다. 또한, H에 의하면, 실리콘니트리드 재질의 캔틸레버(12)는 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)에 대하여 강한 흡착력을 보이고 있어서, 표면의 내생물부착성 특성을 판별하는데 적합하지 않았다. 마지막으로, G는 프로브의 말단에 양이온성 폴리전해질(cationic polyelectrolyte)인 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) (폴리DADMAC)를 코팅하지 않고 대장균(64)을 부착시킨 경우, 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)에 대하여 강한 흡착력을 보이고 있었다. 이는 C에서 양이온성 폴리전해질(cationic polyelectrolyte)인 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) (폴리DADMAC)를 코팅된 프로브에 대장균을 부착시킨 경우 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)에 대하여 흡착력이 약 0 nM인 것을 고려하면, G에서 대장균은 프로브(12)의 표면에 거의 부착되지 않은 것으로 여겨진다. 그에 따라 프로브의 재질인 실리콘 니트리드가 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)과 상호작용하여 강한 흡착력을 보이는 것으로 여겨진다. C에 의하면, 대장균이 부착되지 않은 프로브(12)는 은나노 물질층(62) 상에 코팅된 내지문 유기물층(66)의 내생물부착성을 판별하는데 적합하지 않았다.
도 7에 기재된 흡착력은 각 기판에 대하여 20개 지점의 표면에 대하여 프로브를 접근시켰다 떼었다를 반복하고, 이때 가장 큰 값만을 얻고 이들을 평균하여 얻어진 평균값이다.
도 8은 도 7에 대응되는 거리-힘 곡선을 나타낸다. 도 8에서, 가로축은 거리(um)를 나타내고, 세로축은 흡착력(adhesion force)(V)을 나타낸다. 도 8에서, A,B,C,D,E,F,G, 및 H는 도 6의 A,B,C,D,E,F,G, 및 H에 각각 대응되는 실험에 대한 결과 값이다.
도 8에서, 흡착력 변수 전압은 아래 식 1에 의하여 nM 단위로 전환될 수 있다.
F=kx =Vx 편향 민감도 x k (식 1)
식 1에서, F는 힘(force)(nN)이고, k는 스프링 상수 (spring constant)(0.05nm/nm)이고, x는 측정값으로서 팁이 편향(deflection)된 거리 (nm)이고, V는 전압이고, 편향 민감도(deflection sensitivity) (87nm/V)는 각각의 팁에 대한 SPM 스캐너의 압전소자의 전압(voltage)당 편향 거리 (nm)를 나타낸다.
도 8에서, 가로 축은 높이 즉, 프로브가 표면에 접촉한 후 자유 공간 (free space)로 되돌아 오기 위하여 움직힌 거리 (um)이다. 왼쪽 시작점인 -7um으로부터 표면에 접촉한 지점인 0um까지 프로브가 움직인 후 다시 돌아올 때의 표면과의 흡착력을 평가하기 위한 프로브의 이동거리를 나타낸다. 세로 축은 전압, 즉, 프로브가 표면에 접촉한 후 떼어질 때의 프로브의 편향된 것을 나타내는 것으로서, 프로브의 미세 움직임을 광검출기로 검출하였을 때의 전압을 나타낸다. 도 8은 각 테스트에 대하여, 20개 지점 이상의 표면에 대하여 표면 흡착력을 평가한 값으로서 이들 값을 한번에 보여주기 위하여 겹쳐지도록 작성한 그래프이다. 그래프 형상만으로 흡착력이 강한지 약한지를 평가할 수 있다.
도 9는 일 구체예에 따른 표면에 대하여 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버에 부착된 대장균을 포함하는 프로브를 사용하여 측정된 거리-힘 곡선으로 프로브 상의 대장균과 표면과의 상호작용력이 큰 경우를 나타낸다. 도 9는 도 8의 D 내지 H의 경우와 유사하다.
10은 일 구체예에 따른 표면에 대하여 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) 코팅된 캔틸레버에 부착된 대장균을 포함하는 프로브를 사용하여 측정된 거리-힘 곡선으로 프로브 상의 대장균과 표면과의 상호작용력이 약한 경우를 나타낸다. 도 10의 결과는 도 8의 A 내지 C의 경우와 유사하다.
도 9에서 가로축 height sensor(um)은 스캐닝 프로브 현미경의 프로브가 기판 표면을 향하여 수직으로 접근한 거리 또는 그 반대의 거리를 나타내며, 맨 먼거리이 -7um이고 가장 가까운 거리는 0um, 즉 프로브와 기판 표면이 접촉한 것이다. 세로축 deflection error (V)는 스캐닝 프로브 현미경의 프로브가 수직 이동할 때 측정된 편향의 크기를 나타낸다.
도 9 및 10을 예를 들어 거리-힘의 관계를 설명하면, 다음과 같다. 도 9에서, 파란색 선은 프로브 팁을 -7um으로부터 0um까지 (즉, 가로축의 왼쪽으로부터 오른쪽으로 이동) 접근시킴에 따른 전압 (또는 힘)의 변화를 나타낸다. 갈색선은 프로브 팁을 기판 표면과 접촉한 상태(거리 0um)로부터 -7um까지 (즉, 가로축의 오른쪽으로부터 왼쪽으로 이동) 떼어냄에 따른 전압 (또는 힘)의 변화를 나타낸다. 도 9에서, 프로브 팁을 기판 표면과 접촉한 상태로부터 떼어냄에 따라 전압은 접근시킬 때의 전압에 비하여 더 큰 전압이 측정되고 있다. 도 9에서 떼어낼 때의 전압은 약 -11V 내지 -2V이었다. 따라서, 도 9의 경우, 프로브와 기판 표면 사이에는 강한 흡착력이 작용하고 있다는 것을 나타낸다. 이 경우, 프로브를 기판으로 접근시킬 때와 기판으로부터 떼어낼 때의 전압의 차이의 값 즉, 프로브를 기판으로 접근시킬 때의 전압 곡선과 기판으로부터 떼어낼 때의 전압 곡선 사이의 면적 값의 크기는 프로브와 기판 사이의 흡착력의 크기의 정도를 나타낸다. 도 10의 경우, 프로브를 기판으로 접근시킬 때의 전압 곡선과 기판으로부터 떼어낼 때의 전압 곡선 사이는 거의 차이가 없다. 따라서, 도 10의 경우, 프로브와 기판 표면 사이에는 약한 흡착력이 작용하고 있다는 것을 나타낸다.
도 9 및 10을 참조하여, 도 8의 결과를 분석하여 보면, A 내지 C의 경우는 프로브를 기판으로 접근시킬 때의 전압 곡선과 기판으로부터 떼어낼 때의 전압 곡선 사이의 면적은 크지 않아, 프로브와 기판 사이의 흡착력은 크지 않은 것으로 여겨진다. 반면, F 및 H의 경우는 프로브를 기판으로 접근시킬 때의 전압 곡선과 기판으로부터 떼어낼 때의 전압 곡선 사이의 면적은 크며, 프로브와 기판 사이의 흡착력은 큰 않은 것으로 여겨진다. 또한, D, E 및 G의 경우는, 프로브와 기판 사이의 흡착력이 너무 강하여, 프로브를 기판으로 접근시켜서 기판과 접촉시킨 후 프로브를 기판으로부터 떼어낼 수 없었고, 이는 프로브와 기판 사이에 아주 강한 흡착력이 있다는 것을 나타낸다.

Claims (20)

  1. 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 시료의 표면을 분석하는 방법으로서,
    상기 스캐닝 프로브 현미경은 시료의 표면에 대한 정보를 감지하기 위한 프로브, 상기 프로브에 대하여 시료를 이동시켜 상기 프로브가 상기 시료의 표면을 스캔하도록 하는 스캐너, 및 상기 프로브의 편향(deflection)을 검출하기 위한 편향 센서(deflection sensor)를 포함하고, 상기 프로브는 한쪽 말단은 상기 스캐너에 연결되어 있고 다른 쪽 말단은 상기 스캐너로부터 연장하는 세포가 부착되어 있는 캔틸레버인 것이고, 상기 편향 센서(deflection sensor)는 상기 프로브에 광을 조사하도록 배치된 광원과 상기 프로브로부터 반사되는 광을 검출하도록 배치된 위치 민감성 광검출기(position-sensitive photodetector)를 포함하는 것이고,
    상기 방법은, 표면을 갖는 시료를 제공하는 단계;
    상기 스캐너에 의하여 상기 시료의 표면에 대하여 프로브를 이동시켜 상기 시료의 표면과 상기 프로브를 상호작용시키는 단계;
    상기 편향 센서(deflection sensor)로부터 상기 프로브의 편향 거리를 측정하는 단계;
    상기 편향 거리로부터 상기 프로브와 상기 표면의 상호작용력을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값과 비교하는 단계;를 포함하는 것인 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 상호작용력은 흡착력이고 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값보다 작은 경우, 상기 시료의 표면은 내생물부착성(anti-biofouling)을 갖는 것으로 결정하는 단계; 또는 상기 상호작용력은 반발력이고 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값보다 큰 경우, 상기 시료의 표면은 내생물부착성을 갖는 것으로 결정하는 단계:를 더 포함하는 것인 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 표면을 갖는 시료를 제공하는 단계 전에, 상기 시료의 표면에 내생물부착성 물질을 코팅하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 내생물부착성 물질은 상기 시료의 표면에 비하여 세포에 대한 흡착력이 더 작거나, 반발력이 더 큰 것인 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 시료는 내생물부착성 물질이 표면에 부착된 것인 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 스캐너에 의하여 상기 시료의 표면에 대하여 프로브를 이동시키는 것은 표면에 대하여 수직 방향으로 접근시키거나(approach) 물러나게(retract) 하는 것인 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 스캐너는 상기 프로브에 연결된 확장하는 압전 요소(piezoelectric element)를 포함하는 것인 방법.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 결정된 상호작용력을 설정된 상호작용력 값과 비교하는 단계에 있어서, 상기 설정된 상호작용력 값은 상기 코팅 단계 전의 상기 시료의 표면에 대한 상호작용력 값인 것인 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 스캐너에 의하여 상기 시료의 표면에 대하여 프로브를 이동시키는 것은 액체 매질 중이 아니라 공기 중에서 이루어지는 것인 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 세포는 양이온성 폴리전해질(cationic polyelectrolyte)로 코팅된 프로브에 정전기적 결합에 의하여 고정된 것인 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 양이온성 폴리전해질은 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로리드) (폴리DADMAC)인 것인 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 세포는 생존성이 있는 세포(viable cell)인 것인 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 스캐닝 프로브 현미경은 원자간력 현미경(atomic force microscopy: AFM)인 것인 방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 스캐닝 프로브 현미경은 서로 상이한 시료의 표면들에 대한 정보를 감지하는 복수 개의 프로브, 및 상기 복수 개의 프로브들의 편향(deflection)을 각각 검출하는 편향 센서 세트를 포함하고 있는 것이고, 시료의 표면의 복수 개의 위치에 대하여 상기 단계들이 수행되는 것인 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 스캐닝 프로브 현미경에 있어서 복수 개의 시료의 표면에 대한 정보를 감지하기 위한 프로브는 기판상에 일정한 간격으로 배열되어 있는 것인 방법.
  16. 시료의 표면에 대한 정보를 감지하기 위한 프로브,
    상기 프로브에 대하여 시료를 이동시켜 상기 프로브가 상기 시료의 표면을 스캔하도록 하는 스캐너, 및
    상기 프로브의 편향(deflection)을 검출하기 위한 편향 센서(deflection sensor)를 포함하고,
    상기 프로브는 한쪽 말단은 상기 스캐너에 연결되어 있고 다른 쪽 말단은 상기 스캐너로부터 연장하는 세포가 부착되어 있는 캔틸레버인 것이고,
    상기 편향 센서(deflection sensor)는 상기 프로브에 광을 조사하도록 배치된 광원과 상기 프로브로부터 반사되는 광을 검출하도록 배치된 위치 민감성 광검출기(position-sensitive photodetector)를 포함하는 것이고,
    상기 스캐너는 상기 프로브에 연결된 확장하는 압전 요소(piezoelectric element)를 포함하는 것인 스캐닝 프로브 현미경.
  17. 청구항 16에 있어서, 원자간력 현미경(atomic force microscopy: AFM)인 스캐닝 프로브 현미경.
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 세포는 양이온성 폴리전해질(cationic polyelectrolyte)로 코팅된 프로브에 정전기적 결합에 의하여 고정된 것인 스캐닝 프로브 현미경.
  19. 청구항 16에 있어서, 상기 스캐닝 프로브 현미경은 서로 상이한 시료의 표면들에 대한 정보를 감지하는 복수 개의 프로브, 및 상기 복수 개의 프로브들의 편향(deflection)을 각각 검출하는 편향 센서 세트를 포함하고 있는 것인 스캐닝 프로브 현미경.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 복수 개의 프로브는 기판상에 일정한 간격으로 배열되어 있는 것인 스캐닝 프로브 현미경.
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