KR20170116867A - 표적 물질 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

표적 물질 검출 장치는 그 내부에 유체가 유동하고, 서로 마주하는 제1 내면 및 제2 내면을 포함하는 채널 구조체, 상기 채널 구조체의 제1 내면 상의 금속 박막, 및 채널 구조체의 외면 상에 제공되는 프리즘을 포함하되, 채널 구조체의 제2 내면은 요철 구조를 가지고, 프리즘은 채널 구조체를 사이에 두고 금속 박막의 반대편에 배치된다.

Description

표적 물질 검출 장치{DEVICE FOR DETECTING TARGET SUBSTANCE}
본 발명은 표적 물질 검출 장치에 관한 것으로, 상세하게는 검출 효율이 향상된 표적 물질 검출 장치에 관한 것이다.
선택적 특이 결합을 이용할 수 있어 고감도 검출이 가능한 광학 검출용 바이오센서를 개발하는 연구가 급속히 증가하고 있다. 광학 검출용 바이오센서 중 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR)을 이용한 센서 개발이 활발히 진행되고 있다. 표면 플라즈몬은 얇은 금속 표면을 따라서 전파되는 자유전자의 양자화된 진동이다. 표면 플라즈몬은 프리즘과 같은 유전매체를 지나, 유전매체의 임계각 이상의 각도로 금속박막에 입사하는 입사광에 의해 여기된다. SPR이 일어나는 입사각은 금속 박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 민감하게 반응하여 변화된다. SPR 센서는 이러한 성질을 이용하여 2차항체를 이용한 표지 없이 바이오 물질을 검출할 수 있는 장점을 가진다. 또한 실시간으로 결합 친화도를 측정할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 표적 물질과 리셉터가 효율적으로 결합하는 표적 물질 검출 장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 표적 물질 검출 장치는 그 내부에 유체가 유동하고, 서로 마주하는 제1 내면 및 제2 내면을 포함하는 채널 구조체; 상기 채널 구조체의 상기 제1 내면 상의 금속 박막; 및 상기 채널 구조체의 외면 상에 제공되는 프리즘을 포함하되, 상기 채널 구조체의 상기 제2 내면은 요철 구조를 가지고, 상기 프리즘은 상기 채널 구조체를 사이에 두고 상기 금속 박막의 반대편에 배치될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 표적 물질을 포함하는 유체는 탁류(turbulant flow) 형태로 채널 내부를 흐를 수 있다. 이에 따라, 표적 물질을 효과적으로 리셉터에 결합할 수 있다. 표적 물질 검출 장치는 표적 물질과 리셉터의 결합을 이용하여 표적 물질을 검출할 수 있다. 결과적으로, 표적 물질이 효과적으로 리셉터에 결합하여, 표적 물질 검출 효율이 높아질 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 채널 구조체의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 -Ⅰ' 선 및 -Ⅱ' 선에 따른 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 물질 검출 장치의 작동을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 따른 도 1의 -Ⅱ' 선에 대응하는 채널 구조체의 평면도들이다.
본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도인 사시도 및 단면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 채널 구조체의 사시도이다. 도 2 및 도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선 및 Ⅱ-Ⅱ' 선에 따른 단면도들이다. 도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 물질 검출 장치의 작동을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 채널 구조체(10)가 제공될 수 있다. 채널 구조체(10)는 그 내부에 유체(미도시)가 유동하는 채널(CH)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 채널 구조체(10)는 속이 빈 관(tube) 형태를 가질 수 있고, 채널(CH)은 상기 관 내부의 공간일 수 있다. 채널 구조체(10)는 기판(100) 및 기판(100) 상에 제공되는 몸체(200)를 포함할 수 있다.
기판(100)은 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 제1 방향(D1)으로 연장되는 평판 구조(PLATE SHAPE)를 가질 수 있다. 기판(100)은 평평한 상부면(12)을 가질 수 있다. 예를 들어, 평면적 관점에서, 기판(100)의 상부면(12)은 제1 방향(D1)으로 연장되고, 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)을 따르는 폭을 가지는 직사각 형태를 가질 수 있다. 기판(100)의 상부면(12)은 채널 구조체(10)의 내면의 일부를 정의할 수 있다. 기판(100)의 상부면(12)은 채널(CH)에 의해 노출될 수 있다. 기판(100)은 투명한 유전체 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 유리 또는 광학 폴리머를 포함할 수 있다. 기판(100)이 광 폴리머를 포함하는 경우, 기판(100)은 폴리스틸렌(Polystylene, PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 및 COC 폴리머(Cyclic olefin copolymer, COC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기판(100)은 본 발명의 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 사출 성형 방법으로 형성될 수 있다.
몸체(200)는 기판(100) 상에 제공되어, 기판(100)과 함께 채널 구조체(10)를 형성할 수 있다. 몸체(200)는 서로 대향하는 양 측벽들(230) 및 상기 양 측벽들(230)을 연결하는 상부(240)를 포함할 수 있다. 상기 몸체의 양 측벽들(230) 및 상부(240)는 각각 채널 구조체(10)의 측벽들 및 상부일 수 있다. 몸체(200)의 측벽들(230)은 기판(100)의 상면(12)에 수직한 제3 방향(D3)을 따라 높이를 가질 수 있다. 몸체(200)의 측벽들(230)은 제1 방향(D1)을 따라 연장될 수 있다. 몸체(200)의 측벽들(230)의 각각의 하단은 기판(100)의 상면(12)에 접할 수 있다. 예를 들어, 몸체(200)의 측벽들(230)의 하단들은 각각 기판(100)의 상면(12)의 제2 방향(D2)을 따르는 양 단부들에 접할 수 있다. 몸체(200)의 상부(240)는 측벽들(230)의 상단들을 서로 연결할 수 있다. 이때, 측벽들(230)의 상단들은 제3 방향(D3)을 따라서 기판(100)의 상면(12)으로부터 가장 먼 단부들일 수 있다. 예를 들어, 몸체(200)의 상부(240)의 제2 방향(D2)을 따르는 단부들은 각각 상기 측벽들(230)의 상단들과 접할 수 있다. 몸체(200)의 상부(240)는 제1 방향(D1)을 따라서 연장될 수 있다. 몸체(200)는 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몸체(200)는 아크릴계 고분자(예를 들어, 폴리디메틸실록새인 (poly(dimethylsiloxane), PDMS)과 같은 실리콘, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)), 불소를 포함하는 고분자(폴리테트라풀루오로 에틸렌 (poly(tetrafluoro ethylene)), 퍼풀루오로알콕시알캔 (perfluoroalkoxyalkane)), 폴리카보네이트 (polycarbonat e), 폴리에스터 (polyester), 폴리우레탄 (polyurethane, PU), 폴리아미드 (polyamide), 폴리이미드 (polyimide), 에폭시(epoxy) 수지, 또는 상기 고분자들의 공중합체 (copolymer)를 포함할 수 있다.
채널 구조체(10)는 서로 마주하는 제1 내면(12) 및 제2 내면(14)을 포함할 수 있다. 제1 내면(12)은 기판(100)의 상면(12)일 수 있고, 제2 내면(14)은 몸체(200)의 상부(240)의 하부면(14)일 수 있다. 제1 내면(12), 제2 내면(14) 및 상기 측벽들(230)의 서로 마주하는 면들에 의해 채널이 정의될 수 있다.
몸체(200)의 상부(240)는 채널(CH) 내부를 향해 돌출되는 돌출부(242)와 돌출부들(242) 사이의 오목부(244)를 가지는 요철 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 내면(14)은 요철 구조를 가질 수 있다. 돌출부(242)는 오목부(244) 보다 제3 방향(D3)을 따라 제1 내면(12)에 더 가까울 수 있다. 예를 들어, 제1 내면(12)으로부터 오목부(244)까지 제3 방향(D3)을 따르는 이격 거리 중 가장 큰 제1 이격 거리(H1)는 제1 내면(12)으로부터 돌출부(220)까지 제3 방향(D3)을 따르는 이격 거리 중 가장 작은 제2 이격 거리(H2) 보다 약 20 퍼센트(%) 내지 약 25 퍼센트(%) 더 클 수 있다. 즉, 제1 이격 거리(H1)는 제2 이격 거리(H2)의 약 120 % 내지 약 125 %일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 이격 거리(H1)는 약 120 마이크로미터(μm) 내지 약 125 마이크로미터(μm)이고, 제2 이격 거리(H2)는 약 100 마이크로미터(μm)일 수 있다.
평면적 관점에서, 오목부(244)는 제1 방향(D1)에 교차하는 직선 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 오목부(244)는 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 교차하는 제4 방향(D4)을 따라 연장될 수 있다. 오목부(244)는 제4 방향(D4)에 직교하는 제5 방향(D5)을 따라 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 오목부(244)의 제5 방향(D5)을 따르는 폭(W1)은 제2 내면(14)의 제2 방향(D2)을 따르는 폭(W2)의 약 20 퍼센트(%) 내지 약 25 퍼센트(%)일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 내면(14)의 제2 방향(D2)을 따르는 폭(W2)은 약 100 마이크로미터(μm)이고, 오목부(244)의 제5 방향(D5)을 따르는 폭(W1)은 약 20 마이크로미터(μm) 내지 약 25 마이크로미터(μm)일 수 있다. 오목부(233)는 복수로 제공될 수 있다. 복수의 오목부들(244)은 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다. 서로 바로 인접한 오목부들(244) 사이의 이격 거리는 필요에 따라 조절될 수 있다.
제1 내면(12) 상에 금속 박막(300)이 제공될 수 있다. 금속 박막(300)은 제1 내면(12)의 일부를 덮을 수 있다. 금속 박막(300)은 유전 함수(dielectric function)의 실수부가 음(negative)의 값을 갖는 금속일 수 있다. 예를 들어, 금속 박막(300)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 및 알루미늄(Al) 중 하나일 수 있다. 금속 박막(300)은 제3 방향(D3)을 따라서 얇은 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 금속 박막(300)의 두께는 수십 나노미터(nm)일 수 있다.
금속막(300) 상에 리셉터(receptor) 막(400)이 제공될 수 있다. 리셉터 막(400)은 금속막(300)의 상면을 덮을 수 있다. 리셉터(receptor) 막(400) 내에 포함된 리셉터들(미도시)은 채널(CH) 내부를 흐르는 표적 물질들(미도시)과 결합할 수 있다. 예를 들어, 리셉터 막(400)은 항체(Antibody) 및 압타머(Aptamer) 중 하나를 포함할 수 있다.
표적 물질(미도시)을 포함하는 유체(FL)가 채널(CH) 내부를 유동할 수 있다. 일반적으로, 유체(FL)가 평평한 상부를 가진 채널(CH) 내부를 유동하는 경우, 층류(Laminar flow) 형태로 흐를 수 있다. 본 발명에 따르면, 제2 내면(14)이 돌출부(242) 및 오목부(244)를 가짐에 따라, 유체(FL)는 탁류 형태로 흐를 수 있다. 유체(FL)가 층류 형태가 아닌 탁류 형태로 흐를 때, 유체(FL) 내부의 표적 물질은 리셉터 막(400)과 더 많이 접촉할 수 있다. 이에 따라, 표적 물질과 리셉터는 더 효과적으로 결합할 수 있다.
프리즘(510)이 채널 구조체(10)의 기판(100)을 사이에 두고 금속막(300)의 반대편에 제공될 수 있다. 프리즘(510)은 빛(540)을 굴절시켜, 금속막(300)에 전반사시킬 수 있다. 이에 따라, 금속막(300)의 표면에서 표면 플라즈몬 공명 현상이 효과적으로 발생할 수 있다. 프리즘(510)은 고굴절률(high refractive index)을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프리즘(510)은 고굴절률 유리(예를 들어, BK7, SF11, 및 LaSFN9 중 하나)를 포함할 수 있다.
광원(520)은 프리즘(510)을 향해 빛(540)을 조사할 수 있다. 빛(540)은 금속막(300)에 반사되어 디텍터(530)에 의해 검출될 수 있다. 빛(540)은 특정 입사 각도에서 금속막(300)의 표면에 표면 플라즈몬 효과(SPR)를 발생시킬 수 있다. 금속막(300) 상의 리셉터에 표적 물질이 결합하면 표면 플라즈몬 효과를 발생시키는 빛(540)의 입사 각도가 변할 수 있다. 상기 효과를 이용하여, 표적 물질을 검출하는 장치를 제조할 수 있다.
도 4를 참조하면, 리셉터와 표적 물질의 시간-결합농도 그래프가 제공될 수 있다. 점선은 채널(CH)의 상부가 평평한 경우의 그래프이고, 실선은 채널(CH)의 상부가 요철 구조인 경우의 그래프이다. 표적 물질의 농도는 5 μM이고, 리셉터의 표면 농도는 2 μmol/m2이고, 리셉터의 결합력은 10-12 M이고, 유체(FL)의 선 속도는 0.0005 m/s이다. 채널(CH)의 상부가 요철 구조인 경우, 약 50 초에서 모든 리셉터가 표적 물질과 결합했다. 채널(CH)의 상부가 평평한 구조인 경우, 약 80 초에서 절반의 리셉터가 표적 물질과 결합했다. 즉, 채널(CH)의 상부가 요철 구조인 경우, 채널(CH)의 상부가 평평한 구조인 때보다 약 3 배 빠르게 리셉터와 표적 물질이 결합할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 리셉터와 표적 물질이 효과적으로 결합하는 채널 구조체가 제공될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 따른 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선에 대응하는 채널 구조체의 평면도들이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 생략될 수 있다. 도 5 내지 도 7의 채널 구조체들은 채널 구조체의 제2 내면을 제외하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 채널 구조체와 실질적으로 동일하므로, 이하, 제2 내면이 설명된다.
도 2 및 도 5을 참조하면, 평면적 관점에서, 오목부(244)는 해링본(herringbone) 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 오목부(244)의 일부는 제4 방향(D4)으로 연장될 수 있고, 다른 일부는 제1 방향(D1), 제2 방향(D2), 및 제4 방향(D4)에 교차하는 제6 방향(D6)으로 연장될 수 있다. 제6 방향(D6)은 기판(100)의 상부면(14)에 평행할 수 있다. 오목부(244)는 복수로 제공될 수 있다. 오목부들(244)은 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다. 제2 내면(14)에서 오목부들(244)을 제외한 부분은 볼록부(242)일 수 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 평면적 관점에서, 오목부(244)는 하프 도넛(half donut) 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 오목부(244)는 제1 방향(D1)을 따라 볼록한 모양을 가지는 하프 도넛 형태를 가질 수 있다. 오목부(244)는 복수로 제공될 수 있다. 오목부들(244)은 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다. 제2 내면(14)에서 오목부들(244)을 제외한 부분은 볼록부(242)일 수 있다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 평면적 관점에서, 오목부(244)는 십자 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 오목부(244)는 제1 방향(D1)을 따라 연장되는 일부 및 제3 방향(D3)을 따라 연장되는 다른 일부를 가질 수 있다. 상기 일부와 상기 다른 일부는 서로 교차할 수 있다. 오목부(244)는 복수로 제공될 수 있다. 오목부들(244)은 제1 방향(D1) 및 제3 방향(D3)을 따라 배열될 수 있다. 제2 내면(14)에서 오목부들(244)을 제외한 부분은 볼록부(242)일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (1)

  1. 그 내부에 유체가 유동하고, 서로 마주하는 제1 내면 및 제2 내면을 포함하는 채널 구조체;
    상기 채널 구조체의 상기 제1 내면 상의 금속 박막; 및
    상기 채널 구조체의 외면 상에 제공되는 프리즘을 포함하되,
    상기 채널 구조체의 상기 제2 내면은 요철 구조를 가지고,
    상기 프리즘은 상기 채널 구조체를 사이에 두고 상기 금속 박막의 반대편에 배치되는 표적 물질 검출 장치.
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KR1020160045078A KR20170116867A (ko) 2016-04-12 2016-04-12 표적 물질 검출 장치

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