KR20170104289A - 항원 센서, 그를 포함하는 항원 검출 장치 및 항원 검출 방법 - Google Patents

항원 센서, 그를 포함하는 항원 검출 장치 및 항원 검출 방법 Download PDF

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KR20170104289A
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박정원
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Abstract

본 발명은 항원 센서, 그를 포함하는 항원 검출 장치 및 항원 검출 방법을 개시한다. 그의 장치는, 도파로 및 상기 도파로 상의 나노 입자들을 포함하는 센서와, 상기 도파로의 일측으로 광을 제공하는 광원과, 광원에 대향하는 도파로의 타측에 배치되어 광을 수광하는 수광 부와, 수광 부에서 수광되는 광의 검출 신호를 수신하고, 나노 입자들의 플라즈몬 공명에 따른 도파로의 차이를 파악하여 항원의 감지를 판별하는 제어 부를 포함한다.

Description

항원 센서, 그를 포함하는 항원 검출 장치 및 항원 검출 방법{bio-antigen sensor, bio-antigen detection apparatus including the same, and bio-antigen detection method}
본 발명은 항원 검출 장치 및 항원 검출 방법에 관한 것으로 상세하게는 표면 플라즈몬 공명으로 항원을 검출할 수 있는 항원 센서, 그를 포함하는 항원 검출 장치, 및 항원 검출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 센서는 기체 또는 액체 내의 특정 물질을 감지할 수 있다. 그 중 표면 플라즈몬 공명 센서(Surface plasmon resonance senor; SPR sensor)는 주로 바이오 물질 내의 항원을 감지할 수 있다. 일반적인 표면 플라즈몬 공명 센서는 고 굴절의 프리즘에 전반사 된 광으로 플라즈몬 공명을 유도할 수 있다.
본 발명의 일 과제는 간소한 구조의 항원 센서 및 그를 포함하는 항원 검출 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 대량의 시료 내의 항원을 검출할 수 있는 항원 검출 장치 및 항원 검출 방법을 제공한다.
본 발명은 생체 항원 검출 장치를 개시한다. 그의 장치는, 도파로와 상기 도파로 상에 배치되어, 시료 내의 항원을 흡착하는 나노 입자들을 포함하는 센서; 상기 도파로의 일측으로 광을 제공하는 광원; 상기 광원에 대향하는 상기 도파로의 타측에 배치되어 상기 광을 수광하는 수광 부; 및 상기 수광 부에서 수광되는 상기 광의 검출 신호를 수신하고, 상기 나노 입자들의 플라즈몬 공명에 따른 상기 도파로 내의 상기 광의 투과율의 차이를 파악하여 상기 항원의 감지를 판별하는 제어 부를 포함한다.
본 발명의 일 예에 따른 항원 센서는, 시료 내의 항원을 감지하는 항원 센서에 있어서, 광을 투과시키는 도파로; 및 상기 도파로 상에 배치되어 상기 항원을 흡착하고, 상기 도파로 내에 투과되는 상기 광의 플라즈몬 공명에 따른 상기 도파로 내의 상기 광의 투과율의 차이를 발생시키는 나노 입자들을 포함한다.
본 발명의 일 예에 다른 항원 검출 방법은, 항원 센서 상에 시료를 제공하는 단계; 상기 항원 센서에 광을 제공하는 단계; 상기 항원 센서에 투과된 광을 수광하는 단계; 및 상기 항원 센서의 투과율을 계산하여 상기 시료 내의 항원의 검출을 판별하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 개념에 따른 항원 센서는 도파로와, 상기 도파로 상의 나노 입자들을 포함할 수 있다. 도파로와 나노 입자들은 항원 센서의 구조를 간소화할 수 있다. 도파로는 광섬유를 포함할 수 있다. 도파로 및 나노 입자들은 대량의 시료 내에 제공될 수 있다. 항원 검출 장치는 대량의 시료 내의 항원을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 생체 항원 검출 장치의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 도파로와 나노 입자들을 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 항원 센서의 레퍼런스 투과율과 항원 감지 투과율을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1의 항원 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 1의 항원 센서의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 대량의 시료 내의 도 5의 항원 센서를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 항원 검출 방법을 보여주는 플로우 챠트이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 명세서에서 시료, 항원, 및 생체는 생체 공학 또는 광학 분야에서 주로 사용되는 의미로 이해될 수 있을 것이다. 바람직한 실시 예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 생체 항원 검출 장치(100)의 일 예를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 생체 항원 검출 장치(100)는 항원 센서(10), 광원(20), 편광기(30), 수광 부(40), 및 제어 부(50)를 포함할 수 있다. 항원 센서(10)는 시료(60) 내의 항원(62)을 감지할 수 있다. 광원(20)은 항원 센서(10) 내에 광(22)을 제공할 수 있다. 편광기(30)는 광(22)을 편광 시킬 수 있다. 편광 된 광(22)은 항원 센서(10)를 이루는 광 도파로(12)의 내부를 따라 진행될 수 있다. 수광 부(40)는 광(22)을 수광할 수 있다. 제어 부(50)는 수광 부(40)의 검출 신호를 수신하여 항원 센서(10)의 항원(62)의 감지를 판별할 수 있다.
시료(60)는 항원 센서(10) 상에 제공될 수 있다. 일 예에 따르면, 항원 센서(10)는 도파로(waveguide, 12) 및 나노 입자들(14)를 포함할 수 있다. 도파로(12)는 광(22)을 전송(guide)할 수 있다. 광(22)은 도파로(12) 내에 투과될 수 있다. 나노 입자들(14)은 도파로(12) 상에 배치될 수 있다. 도파로(12)와 나노 입자들(14)은 항원 센서(10)의 구조를 간소화할 수 있다. 예를 들어, 도파로(12)와 나노 입자들(14)의 결합은 종래의 고굴절율의 프리즘의 사용을 제거시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 도파로(12)와 나노 입자들(14)을 보여준다.
도 2를 참조하면, 도파로(12)는 평탄할 수 있다. 예를 들어, 도파로(12)는 슬랩 도파로(slab waveguide)를 포함할 수 있다. 도파로(12)는 실리카 또는 투명한 매질을 포함할 수 있다. 나노 입자들(14)은 도파로(12)의 상에 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 나노 입자들(14)의 각각은 금 나노디스크(nano-disc)를 포함할 수 있다. 나노 입자들(14)은 약 50nm의 직경을 가질 수 있다. 이와 달리, 나노 입자들(14)의 각각은 금 나노스타(nano-star), 금 나노크로아상(nano-croissant), 또는 금 나노프리즘(nano-prism)을 포함할 할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 광원(20)은 도파로(12)의 일측에 배치될 수 있다. 광원(20)은 광(22)을 도파로(12)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 광원(20)은 광(22)을 내부 전반사(total internal reflection) 각도(θ)로 도파로(12)에 입사시킬 수 있다. 광(22)의 내부 전반사 각도는 도파로(12)의 임계 전반사 각도보다 클 수 있다. 광(22)은 도파로(12) 내에서 모두 반사될 수 있다. 일 예에 따르면, 광원(20)은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(20)은 약 530nm 파장의 광(22)을 생성할 수 있다.
편광기(30)는 광원(20)과 도파로(12) 사이에 배치될 수 있다. 일 예에 따르면, 편광기(30)는 광(22)을 선 편광시킬 수 있다. 예를 들어, 편광기(30)는 광(22)을 도파로(12)에 수직하는 방향으로 편광시킬 수 있다. 선 편광된 광(22)은
이와 달리, 편광기(30)는 광(22)을 도파로(12)에 평행한 방향으로 편광시킬 수 있다. 또한, 편광기(30)는 광(22)을 원 또는 타원 편광시킬 수 있다.
시료(60)는 도파로(12) 및 나노 입자들(14) 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 시료(60)는 혈액, 체액, 분비물, 혈장, 또는 호흡 가스를 포함할 수 있다. 시료(60)는 인체 질병의 항원(62)을 포함할 수 있다. 항원(62)은 CK-MB를 포함할 수 있다. 항원(62)은 나노 입자들(14)과 결합할 수 있다. 예를 들어, 나노 입자들(14)은 항원(62)을 포집(capture)할 수 있다. 시료(60)의 굴절률은 도파로(12)의 굴절률보다 작을 수 있다. 광(22)의 투과율은 입사 광원(20)의 파장(에너지), 도파로(12)의 굴절률, 나노 입자들(14)의 흡수율, 및 상기 항원(62)과 나노 입자들(14) 사이의 표면 플라즈몬 공명에 의해 결정될 수 있다. 표면 플라즈몬 공명은 항원 센서(10)의 투과율을 증감시킬 수 있다.
수광 부(40)는 도파로(12)의 타측에 배치될 수 있다. 수광 부(40)는 도파로(12)에 투과된 광(22)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 수광 부(40)는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
제어 부(50)는 광원(20)과 수광 부(40)를 제어할 수 있다. 제어 부(50)는 수광 부(40)의 검출 신호로부터 항원 센서(10)의 투과율을 계산할 수 있다. 항원 센서(10)의 투과율은 항원 센서(10)와 항원(62)의 결합 유무에 따라 달라질 수 있다.
도 3은 도 1의 항원 센서(10)의 레퍼런스 투과율(72)과 항원 감지 투과율(74)을 보여준다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 항원(62)이 항원 센서(10)에 결합되지 않을 때, 제어 부(50)는 레퍼런스 투과율(72)을 획득할 수 있다. 레퍼런스 투과율(72)은 항원 센서(10)의 대기 신호에 대응될 수 있다. 레퍼런스 투과율(72)은 데이터 베이스(미도시)에 저장될 수 있다.
항원(62)이 항원 센서(10)에 결합될 때, 제어 부(50)는 항원 감지 투과율(74)을 획득할 수 있다. 항원 감지 투과율(74)은 항원(62)의 감지 신호에 대응될 수 있다.
제어 부(50)는 레퍼런스 투과율(72)과 항원 감지 투과율(74)을 비교하여 투과율의 차이를 계산할 수 있다. 따라서, 제어 부(50)는 항원 센서(10)의 투과율 차이에 따라 시료(60) 내의 항원(62) 량(quantity)의 증감을 판별할 수 있다.
예를 들어, 광(22)의 파장이 700nm 이하일 때, 레퍼런스 투과율(72)과 항원 감지 투과율(74)은 1보다 작을 수 있다. 광(22)의 파장이 537.5nm 이하일 때, 레퍼런스 투과율(72)은 항원 감지 투과율(74)보다 작을 수 있다. 반대로, 광(22)의 파장이 537.5nm 이상일 때, 레퍼런스 투과율(72)은 항원 감지 투과율(74)보다 클 수 있다. 광(22)의 파장이 530nm 일 때, 레퍼런스 투과율(72)는 0이고, 항원 감지 투과율(74)은 0.1일 수 있다. 시료(60)의 투과율이 0에서 0.1로 바뀌면, 제어 부(50)는 항원 센서(10)에서 항원(62)을 감지한 것으로 판단할 수 있다.
도 4는 도 1의 항원 센서(10a)의 일 예를 보여준다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 항원 센서(10a)의 나노 입자들(14)은 상부 나노 입자들(upper nanoparticle, 14a)과 하부 나노 입자들(lower nanoparticle, 14b)을 포함할 수 있다. 상부 나노 입자들(14a)은 도파로(12)의 상부 면 상에 배치될 수 있다. 하부 나노 입자들(14b)은 도파로(12)의 하부 면 상에 배치될 수 있다. 상부 나노 입자들(14a)과 하부 나노 입자들(14b)은 항원들(62)을 흡착할 수 있다. 도파로(12)는 도 1과 동일하게 구성될 수 있다.
도 5는 도 1의 항원 센서(10b)의 일 예를 보여준다.
도 5를 참조하면, 항원 센서(10b)의 도파로(12a)는 광섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도파로(12a)는 실리카를 포함할 수 있다. 나노 입자들(14)은 도파로(12a)의 외주면 상에 배치될 수 있다.
도 6은 대량의 시료(60a) 내의 도 5의 항원 센서(10b)를 보여준다.
도 6을 참조하면, 항원 센서(10b)는 대량의 시료(60a) 내에 제공될 수 있다. 대량의 시료(60a)는 저장 조(storage bath, 미도시)내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 항원 센서(10b)는 시료(60a) 내에 담지(dip)될 수 있다. 나노 입자들(14)은 시료(60a) 내의 항원(62)을 흡착할 수 있다. 광(22)은 도파로(12)을 따라 진행할 수 있다.
광원(20), 편광기(30), 수광 부(40), 및 제어 부(50)는 도 1과 동일하게 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 항원 검출 장치(100)의 항원 검출 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 항원 검출 방법을 보여준다.
도 7을 참조하면, 항원 검출 방법은 시료(60)를 제공하는 단계(S10), 광(22)을 제공하는 단계(S20), 광(22)을 수광하는 단계(S30), 및 항원(62)의 검출을 판별하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
먼저, 시료(60)는 항원 센서(10) 상에 제공될 수 있다(S10). 이와 달리, 항원 센서(10)는 시료(60) 내에 제공될 수 있다. 일 예에 따르면, 시료(60)를 제공하는 단계(S10)는 항원 센서(10)를 시료(60) 내에 제공하는 단계(S12)와, 항원 센서(10)를 젓는(stir) 단계(S14)를 포함할 수 있다. 시료(60)는 인체 시료 또는 동물 시료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시료(60)는 혈액, 체액, 분비물, 혈장, 또는 호흡 가스를 포함할 수 있다. 시료(60)는 인체 질병의 항원(62)을 포함할 수 있다. 항원(62)은 CK-MB를 포함할 수 있다.
다음, 광원(20)은 항원 센서(10)의 도파로(12) 내에 광(22)을 제공할 수 있다(S20). 편광기(30)는 광(22)을 편광시킬 수 있다. 편광된 광(22)은 내부 전반사를 통해 도파로(12)를 투과할 수 있다.
그 다음, 수광 부(40)는 투과된 광(22)을 수광할 수 있다(S30).
마지막으로, 제어 부(50)는 수광 부(40)의 검출신호로부터 투과된 광(22)의 투과율을 계산할 수 있다. 투과율이 레퍼런스 투과율(72)로 계산될 경우, 제어 부(50)는 시료(60) 내에 항원(62)이 없는 것으로 판별할 수 있다. 반면, 투과율이 항원 감지 투과율(74)로 계산될 경우, 제어 부(50)는 시료(60) 내에 항원(62)이 있는 것으로 판별할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들 및 응용 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 도파로와 상기 도파로 상에 배치되어, 시료 내의 항원을 흡착하는 나노 입자들을 포함하는 센서;
    상기 도파로의 일측으로 광을 제공하는 광원;
    상기 광원에 대향하는 상기 도파로의 타측에 배치되어 상기 광을 수광하는 수광 부; 및
    상기 수광 부에서 수광되는 상기 광의 검출 신호를 수신하고, 상기 나노 입자들의 플라즈몬 공명에 따른 상기 도파로 내의 상기 광의 투과율의 차이를 파악하여 상기 항원의 감지를 판별하는 제어 부를 포함하는 항원 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로는 슬랩 도파로를 포함하는 항원 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노 입자들은 상기 슬랩 도파로의 상부 면과 하부 면 상에 배치되는 항원 검출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로는 광섬유를 포함하는 항원 검출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드를 포함하는 항원 검출 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노 입자들이 상기 항원을 감지할 때, 상기 센서의 상기 투과율은 상기 530nm 파장의 상기 광에 대해 0.1로 증가되는 항원 검출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 입자들의 각각은 금 나노 입자를 포함하는 항원 검출 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금 나노 입자는 50나노미터 직경을 갖는 금 나노디스크를 포함하는 항원 검출 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 금 나노 입자는 금 나노스타 또는 금 나노프리즘을 포함하는 항원 검출 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 도파로 사이에 배치되고, 상기 광을 편광하는 편광기를 더 포함하는 항원 검출 장치.
  11. 시료 내의 항원을 감지하는 항원 센서에 있어서,
    광을 투과시키는 도파로; 및
    상기 도파로 상에 배치되어 상기 항원을 흡착하고, 상기 도파로 내에 투과되는 상기 광의 플라즈몬 공명에 따른 상기 도파로 내의 상기 광의 투과율의 차이를 발생시키는 나노 입자들을 포함하는 항원 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도파로는 슬랩 도파로를 포함하는 항원 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 나노 입자들은 상기 슬랩 도파로의 상부 면과 하부 면 상에 배치되는 항원 센서.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 도파로는 광 섬유를 포함하는 항원 센서.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 나노 입자들은 50나노미터 직경을 갖는 금 나노 디스크를 포함하는 항원 센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 입자들은 금 나노스타 또는 금 나노프리즘을 포함하는 항원 센서.
  17. 항원 센서 상에 시료를 제공하는 단계;
    상기 항원 센서에 광을 제공하는 단계;
    상기 항원 센서에 투과된 광을 수광하는 단계; 및
    상기 항원 센서의 투과율을 계산하여 상기 시료 내의 항원의 검출을 판별하는 단계를 포함하는 항원 검출 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 시료를 제공하는 단계는 상기 시료 내에 상기 항원 센서를 제공하는 단계를 포함하는 항원 검출 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 시료 내의 상기 항원 센서를 뒤흔드는 단계를 더 포함하는 항원 검출 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 항원은 CK-MB를 포함하는 항원 검출 방법.
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