KR20170119448A - 감염성 미생물을 검지하는 광학 바이오센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 감염성 미생물을 검지하는 광학 바이오센서에 있어서, 광원; 광원에서 방출된 광이 투과되고 미세 홈이 장주기로 배열되며 대기 중의 바이러스가 상기 미세 홈의 내측으로 포집되는 센서칩; 및 센서칩을 투과한 광이 조영되어 미세 홈의 내측에 상기 바이러스가 포집된 상태를 가시적으로 나타내는 디스플레이 기판을 포함하고, 미세 홈은 0.5um 이상의 간격을 갖는 장주기로 배열되어, 디스플레이 기판에 미세 홈의 간격 간 광의 분해능이 확보될 수 있다.
본 발명에 따르면, 미세 홈이 광학적 회절한계를 벗어나는 장주기로 배열되어 미세 홈 간격 간 광의 분해능이 확보된다. 따라서, 감염성 미생물이 미세 홈에 포획되면 이를 가시적으로 즉시 확인이 가능한 이점이 있다. 결국 본 발명은 감염성 바이러스로 인한 감염 공간의 격리와 피해자의 확산 방지가 신속히 요구되는 상황에서 특히 적합하다.

Description

감염성 미생물을 검지하는 광학 바이오센서{AN OPTICAL BIOSENSOR FOR DETECTING INFECTIOUS MICROORGANISMS}

본 발명은 광학 바이오센서에 관한 것으로서, 특히 감염성 미생물이나 유기물질의 존재 여부를 가시적으로 확인할 수 있는 광학 바이오센서에 관한 것이다.

미생물이란 단일 세포 동물로부터 진화해 온 생물군으로서, 일반적으로 박테리아, 바이러스, 아메바와 같은 단세포 동물들을 포함하는 용어이다. 통상적으로, 미생물을 검출하기 위한 방법으로는 포집배양 방법이 대표적이었다. 상기의 방법은 여과 장치 등을 이용하여 미생물 등을 포집하고, 이들을 배양접시에 키운 다음, PCR 법과 같은 염기 서열법을 이용하여 미생물의 종류와 양을 검출한다. 이러한 방법은 숙련된 기술을 가진 인력과 고가의 장치가 요구되며, 긴 시간의 공정을 필요로 하는 문제점이 있다. 또한, 미생물의 연구적인 분석이 아닌 사용자가 생활하는 공간 내의 오염도 등을 파악할 수 있는 보급형 미생물의 검지 장치로 개발 및 이용되기엔 적합하지 않은 한계가 있었다.

근래에 이슈화된 신종 플루나, 메르스와 같은 호흡기 관련 감염성 바이러스는 전파력이 뛰어나 다수의 피해자를 발생시키는 질환으로 알려져 있다. 이와 같은 감염성 바이러스의 미생물은 연구실 환경에서 검지되어야 할 것이 아니라, 감염원으로 파악된 지역에서 즉시 측정이 가능해야 한다. 초동 대처가 중요한 감염성 바이러스의 경우 배양 및 측정에 걸리는 시간이 길어질수록 피해자가 걷잡을 수 없이 증가할 수 있기 때문이다. 나아가, 일반인 개개인은 스스로 감염성 바이러스의 존재 여부를 확인하여 미처 격리되지 못한 공간에서의 감염을 스스로 대처할 수 있어야 한다. 전술한 상황에서, 기존의 미생물 검지 장치, 바이오 센서, 고가의 분자 진단 장비는 현장에서 신속하게 사용하기에 적합하지 못하였다.

한편, 신종 플루, 메르스와 같은 감염성 바이러스로 감염 공간의 격리와 피해자의 확산 방지를 위한 정부 지침이 이루어졌을 때, 타겟인 바이러스는 어떠한 특정 종류로 명확히 설정되었을 것이다. 따라서, 상기의 예시적인 상황에서는 학문적 연구 목적이 아니기 때문에 바이러스의 종류, 크기, 메커니즘 등의 상세 진단 및 검지가 요구되지 않을 것이다. 결국, 이 경우에는 타겟인 바이러스가 결정되었을 때 해당 바이러스가 감염이 우려되는 농도로 검지되는지 여부의 신속한 판단이 가능한 보급형 검지 센서가 요구될 것이다.

이와 관련, 신속한 감염성 미생물의 검지를 위해서 광학계가 이용될 수 있다. 이하, 종래기술로서 광학계를 이용한 감염성 미생물의 검지 기술을 설명한다. 도 1은 'Biosensors and Bioelectronics. 2015'(선행기술 1)에 개재된 암시야의 분광 이미징을 이용한 분자 검진 기술을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 선행기술 1은 다크 필드(암시야)에서 표면에 요철 구조가 형성된 기판에 흡착된 분자 물질에 광을 조사한다. 이 경우, 검지된 특정 물질에 의해서 산란된 빛을 수득한 후, 스펙트럼의 변화를 분석함으로써 감염성 미생물을 영상으로 재구성하게 된다.

헤아려보면, 선행기술 1은 암시야의 조건과, 산란된 빛을 분석하는 과정이 요구되어 고가의 분광 이미징 장비가 필요하다. 따라서, 전술한 현상성 요구에 부합되지 않는 문제점이 있다.

도 2는 분자 수준의 물질에 대한 영상 정보를 생성하는 광학 센서 및 이의 영상 생성 방법(한국공개특허 제10-2014-0094672호, 선행기술 2)에 관한 것이다. 도 2를 참조하면, 선행기술 2는 광원부(110)와, 복수의 관통된 나노홀(121)을 구비하는 나노홀 어레이(120)와, SPAD 픽셀(131)이 형성된 SPAD 어레이 센서(130)를 포함하여 오염 물질(140, 150)을 검지한다. 선행기술 2를 살펴보면, 나노홀(121)은 1nm 이상 100nm 이하의 주기를 갖고 규칙적으로 배열된다. 광원부(110)가 나노홀 어레이(120)를 관통하도록 광을 조사하면, SPAD 어레이 센서(130)가 이를 수득한다. SPAD 어레이 센서(130)는 서로 다른 나노홀(121)을 통과하여 입사되는 광의 시간 정보에 기초하여 어레이에 배치된 물질에 대한 영상 정보를 생성함으로써 오염 물질(140, 150)을 검지하게 된다.

헤아려보면, 선행기술 2는 광원(110)을 펄스 형태로 모듈레이션 하여 투과된 광의 시간정보를 획득해야 한다. 또한, 이를 픽셀 단위의 수광부(130)에서 수득하여 시간정보를 바탕으로 광 경로 차에 의한 위상차를 검출한 후 수학적 변환으로 재구성 하는 과정이 수반된다. 결국, 선행기술 2에서는 높은 해상도의 영상 구성을 위해서 나노홀(121)의 주기를 최대한 작게 형성해야 할 것이다. 또한, 선행기술 2는 광의 시간 정보를 이용하여 영상을 변환해야 하므로 광 검출에 이용되는 SPAD 센서의 성능이 뛰어나야 하며, 이를 분석하기 위한 프로세서 및 디스플레이를 구비해야 한다. 이는 제조 단가를 증가시키고, 소형화를 제약하게 되는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2014-0094672호

본 발명은 감염성 바이러스로 인한 감염 공간의 격리와 피해자의 확산 방지가 신속히 요구되는 상황에서 특히 적합한 광학 바이오센서를 제공하고자 한다. 보다 상세하게, 본 발명은 감염성 바이러스가 특정되었을 때, 해당 바이러스가 감염이 우려되는 농도로 존재하는지 여부를 빠르게 검지할 수 있는 광학 바이오센서를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 보급형 퍼스널 기기에 적합하도록 감염성 바이러스의 존재 여부를 저가 및 소형화의 장비로 검지할 수 있는 광학 바이오센서를 제공하고자 한다. 보다 상세하게, 본 발명은 고가 또는 대형의 스펙트럼 분광 장비나 이미징 장비를 배제하여 현장성에 부합한 광학 바이오센서를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 감염성 바이러스의 존재 여부를 가시적으로 확인할 수 있는 광학 바이오센서를 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 감염성 미생물을 검지하는 광학 바이오센서에 있어서, 광원; 광원에서 방출된 광이 투과되고 미세 홈이 장주기로 배열되며 감염성 바이러스가 상기 미세 홈의 내측으로 포집되는 센서칩; 및 센서칩을 투과한 광이 조영되어 미세 홈의 내측에 상기 바이러스가 포집된 상태를 가시적으로 나타내는 디스플레이 기판을 포함하고, 미세 홈은 0.5um 이상의 간격을 갖는 장주기로 배열되어, 디스플레이 기판에 미세 홈의 간격 간 광의 분해능이 확보된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 미세 홈은 0.5um 내지 100um의 간격으로 배열될 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 미세 홈은 50nm 내지 400nm의 내경을 갖는다.

바람직하게, 본 발명에 따른 미세 홈은 세균 포집을 위해서 0.5um 내지 70um의 내경으로 형성될 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 센서칩은 미세 홈을 형성하는 측벽의 상부에 생체물질이 비특이적으로 결합되는 것을 방지하기 위한 코팅막이 형성될 수 있다.

바람직하게, 미세 홈을 형성하는 측벽은 10nm 내지 10um의 두께를 갖는 금속 소재로 제공될 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 코팅막은 소혈청알부민(BSA: Bovin Serum Albumin), 폴리에틸렌글리콜(PEG: Poly Ethylene glycole), skim milk, 카제인, 하이드로젤 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 센서칩은 타겟이 되는 바이러스와 결합되는 리셉터(예: 항체)가 미세 홈의 기저면에 부착될 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 광학 바이오센서는 디스플레이 기판의 광량을 검출하여 포집된 바이러스를 디지털 신호로 수치화하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 신호 처리부는 미세 홈의 배열과 대응되도록 구획되어 디스플레이 기판에 조영된 광량을 각 구획별로 획득하는 입력 모듈; 및 입력 모듈이 획득한 각 구획의 광량을 이미지로 변환하고, 도트 수를 카운팅하여 각 구획별 바이너리 코드를 부여하는 프로세서를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 미세 홈이 광학적 회절한계를 벗어나는 장주기로 배열되어 미세 홈 간격 간 광의 분해능이 확보된다. 따라서, 감염성 미생물이 미세 홈에 포획되면 이를 육안으로 즉시 확인이 가능한 이점이 있다. 결국 본 발명은 감염성 바이러스로 인한 감염 공간의 격리와 피해자의 확산 방지가 신속히 요구되는 상황에서 특히 적합하다.

또한 본 발명은, 광의 가시적인 모습에서 바이러스의 존재 여부가 도출될 수 있다. 결국, 광량 이미지의 도트 분석을 수행할 수 있어 포집된 바이러스의 수를 손쉽게 산출할 수 있다. 즉, 저가의 신호처리 및 간단한 코딩으로 바이러스의 수를 디지털 신호로 변환할 수 있으며, 임계치를 설정함에 따라 바이러스가 감염이 우려되는 농도로 존재하는지 여부를 빠르게 판단할 수 있다.

또한 본 발명은, 별도의 신호 분석을 요구하지 않고도 광 신호가 디스플레이 기판에 가시적으로 뿌려진다. 따라서, 별도의 영상 변환을 위한 스펙트럼 분광 장비나 이미징 장비 등 고가의 장비가 요구되지 않아 보급형 퍼스널 기기로 적합한 이점이 있다.

또한 본 발명은, 감염성 미생물을 미세 홈의 내측 기저부에 타겟 바이러스에 특이적인 리셉터(예: 항체)가 도입되어 있어 타겟 바이러스만을 선택적으로 인식 및 포집할 수 있다. 또한, 미세 홈 측벽의 상부에는 소혈청알부민과 같은 블로킹용 친수성 분자들이 코팅되어 그 어떠한 분자 물질이 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 이물질 등에 의한 측정 기기의 오작동을 최소화할 수 있고 원하는 바이러스만 특이적으로 포집하여 신속하고 정확한 검지가 가능한 이점이 있다.

도 1은 종래기술로서, 암시야의 분광 이미징을 이용한 분자 검진 기술을 나타낸다.
도 2는 종래기술로서, 나노 홀을 투과한 광의 시간 정보를 이용하여 분자 수준의 물질의 영상 정보를 생성하는 광학 센서를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학 바이오센서의 구성도를 나타낸다. 도 3a는 일 실시예에 따른 광학 바이오 센서의 구성도를 나타내고, 도 3b는 다른 실시예로서, 소형 커플링 광학계가 구비된 광학 바이오 센서의 구성도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서칩을 나타낸다. 도 4a는 센서칩의 측면 단면도이고, 도 4b는 센서칩의 정면도를 나타낸다. 도 4c는 센서칩을 투과한 광을 CMOS 이미지 센서로 측정한 실제 이미지를 나타낸다.
도 5는 역임프린팅 방식으로 제조된 센서칩을 확대하여 촬영한 모습이다.
도 6은 광학 바이오센서가 스마트폰에 연동된 실시예를 도시한 모습이다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이러스를 검지하는 광학 바이오센서의 구성도를 나타낸다. 도 3a는 일 실시예에 따른 광학 바이오 센서의 구성도를 나타내고, 도 3b는 다른 실시예로서, 소형 커플링 광학계가 구비된 광학 바이오 센서의 구성도를 나타낸다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 광학 바이오센서는 광원(30), 센서칩(33), 디스플레이 기판(35), 소형의 커플링 광학계(34) 및 신호 처리부(37)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광학 바이오센서는 바이러스의 종류가 특정된 상황 하에서, 해당 바이러스가 감염의 위험이 있는 농도로 존재하는지 신속하게 검지하기에 적합하다.

광원(30)은 센서칩(33) 방향으로 광을 출사한다. 본 실시예에 따른 광학 바이오센서는 검지 결과를 육안으로 직접 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 광원(30)에서 출사되는 광은 가시광선의 파장을 포함하는 것이 바람직하다.

본 실시예로, 광원(30)은 광학 바이오센서의 내부에 구비될 수 있으나 이를 필수적으로 요하는 것은 아니다. 광원(30)은 센서칩(33)을 투과하여 육안으로 확인할 수 있는 일정량 이상의 광량만 출사하면 충분하다. 따라서, 광원(30)으로는 필요에 따라 외부의 백색광, 스마트폰의 플래시, 조도가 높은 실내 환경에서 방출되는 광을 이용할 수도 있다.

센서칩(33)은 광원(30)에서 방출된 광(3)이 투과되고 미세 홈(331)이 장주기로 배열된다. 센서칩(33)에는 대기 중의 바이러스(5)가 미세 홈(331)의 내측으로 포집된다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서칩(33)을 나타낸다. 도 4a는 센서칩(33)의 측면 단면도이고, 도 4b는 센서칩(33)의 정면도를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 미세 홈(331)은 검출하고자 하는 바이러스가 포집되는 포집부로 이해될 수 있다. 배경기술에서 전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 광학 바이오센서는 특정된 감염성 바이러스(5)를 타겟하여 검출하기 위해 설계된다. 따라서, 미세 홈(331)은 타겟된 바이러스(5)가 포집되기에 적합한 내경(A)으로 설계됨이 바람직하다.

본 실시예로, 미세 홈(331)은 감염성 바이러스(5)의 종류로 대상을 설정한 경우 50nm 내지 400nm의 내경(A)을 갖도록 형성될 수 있다. 다른 실시예로, 미세 홈(331)은 세균 또는 감염성 박테리아를 대상으로 설정한 경우 0.5um 내지 70um의 내경(A)을 갖도록 형성될 수 있다. 미세 홈(331)의 내경(A)은 단 한 개의 바이러스(5)를 포집하기 위한 것임에 주목한다.

전술한 바에 의하면, 미세 홈(331)은 단일 바이러스 입자(5)를 포집하기 위해 나노미터 단위의 내경(A)을 갖도록 형성되어야 함을 이해할 수 있다. 이 경우, 주목할 점으로 나노미터 단위의 내경(A)을 갖는 미세 홈이 배열되는 간격(B)은 그 정도에 따라 다양한 광학적 특성을 야기한다. 예시로서, 나노미터 단위의 내경을 갖는 홈이 나노미터 단위의 간격으로 배열된 경우, 광을 전반사 시키거나 전부 투과시킬 수 있다. 이러한 광학적 특성은 디스플레이 패널에 그림자가 생기지 않도록 하기 위한 패널의 구조로 이용될 수 있다. 이를 모스아이(moth-eye) 구조라 한다.

다른 예시로서, 나노미터 단위의 패턴을 투과한 광은 패턴의 형상을 가시적으로 확인할 수 없는 한계가 생긴다. 이는 아베의 회절 한계(Abbe diffraction limit)로 알려져 있다. Abbe diffraction limit에 의하면, 나노 홀 두 개가 250nm 이하의 가까운 거리로 배열될 경우, 어떠한 광학 현미경으로도 이 두 지점을 따로 구분할 수 없다. 즉, 나노 패턴의 간격은 가시적으로 관찰이 가능한 분해능에 영향을 미치는 것으로 이해할 수 있다. 보다 상세하게, 미세 홈(331)이 250nm 이하의 간격으로 배열된다면 미세 홈(331) 두 개가 한 개인 것처럼 나타나며, 이는 현미경의 배율을 아무리 확대해도 미세 홈(331)의 어레이 형태를 확인할 수 없는 한계를 야기시킨다. 즉, 100X100 배열로 총 만 개의 미세 홈(331)을 나노미터 단위로 배열한다면, 미세 홈(331)을 투과된 광은 서로 한데 뭉쳐져서 하나의 광 영역만 확인할 수 있을 뿐이다. 따라서, 미세 홈(331)을 선행기술 2와 같이 1nm 이상 100nm 이하의 주기로 배열한다면, Abbe diffraction limit에 의해서 미세 홈(331) 간 분해능이 확보되지 않아 본 발명이 의도하는 육안 확인은 불가할 것이다.

이러한 한계는 단순히 육안의 확인이 불가능할 뿐만이 아니라, 감도를 향상시키는 기술적 개량이 이루어진다 하여도 광량만으로 바이러스의 포집 여부를 검지하기 어려운 한계를 야기시킨다. 예시로서 설명하면, 만 개의 미세 홈(331) 중 단 하나의 미세 홈(331)에만 바이러스(5)가 포집되었다고 가정한다. 전술한 상황에서, 포집된 상태의 미세 홈(331)을 투과한 광은 광량이 50% 내외로 감소할 것이다. 만약, 투과광이 100% 감소하는 극한의 상황이라 가정하여도, 전체 어레이의 투과광의 합은 만 개 중 단 한 개의 광량만 감쇠되므로 총 0.01% 밖에 변화되지 않는다. 상기의 변화 정도는 현재의 전자기기에서 노이즈로 밖에 인식되지 못한다. 따라서, 종래의 특허나 논문들의 기술로도 상기 미량의 광량 차이에 대한 감도 향상은 기대하기 어렵고, 광량의 데이터를 이용하여 바이러스(5)의 포집 여부를 빠르게 파악할 수 없는 것이다.

그러므로, 본 실시예에 따른 광학 바이오센서에서 나노미터 단위의 내경(A)을 갖는 미세 홈(33)이 배열되는 간격(B)의 설정은 특히 중요하다. 상기의 Abbe diffraction limit를 고려하여, 본 실시예로 미세 홈(331)은 0.5um 이상의 간격(B)을 갖는 장주기로 배열된다. 보다 바람직하게, 미세 홈(331)은 1um 내지 100um의 간격(B)을 갖도록 배열될 수 있다. 미세 홈(331)은 광학적 회절한계를 고려하여 장주기로 배열됨에 따라, 미세 홈(331)과 미세 홈 사이를 분별할 수 있는 광의 분해능이 확보될 수 있다.

도 4c는 10x10의 알루미늄 미세 홈(331) 어레이를 실험적으로 제작하여 이를 3백만 pixel CMOS 이미지 센서로 측정한 모습을 나타낸다. 본 실험례에서 미세 홈(331)의 두께는 150nm, 내경(A)은 150nm, 주기(B)는 5um로 형성하였다. 도 4c를 참조하면, 확대된 이미지에서 미세 홈(331)의 어레이 중 바이러스(5)가 포집된 개수와 위치를 육안으로 확인할 수 있다.

미세 홈(331)의 분해능을 확보하여 본 실시예에 따른 광학 바이오센서가 갖는 특징은 다음과 같다. 첫째로, 도 4c에서와 같이 일반 현미경 또는 일반 확대용 광학계를 사용하여 배열된 다수개의 미세 홈(331)을 각각 구분해서 판독할 수 있게 된다. 즉, 육안으로도 각 미세 홈(331)의 도트에 해당하는 투과광을 인식할 수 있을 뿐만 아니라 이미지 판독 또한 가능하게 된다. 다시 말해서, 단 한 개의 미세 홈(331)에 바이러스(5)가 포집되더라도 이를 확인할 수 있다. 또한, 포집된 상태의 미세 홈(331)을 손쉽게 카운팅 할 수 있기 때문에 시료에 바이러스(5)가 몇 마리 존재하는지 정확히 파악할 수 있다.

둘째로, 바이러스(5)의 포집 상태는 미세 홈(331)을 투과한 광량의 데이터로 검출이 가능하다. 광량은 이미지의 도트 분석만으로도 그 정도를 수치화할 수 있어 디지털화가 매우 용이하다. 따라서, 감염의 위험이 존재하는 바이러스의 농도를 임계치로 설정하면, 해당 임계치를 넘는 개수의 바이러스(5)가 존재하는지 신속하게 확인할 수 있을 것이다.

센서칩(33)은 미세 홈(331)을 형성하는 측벽(333)의 상부에 바이러스(5) 외의 단백질이 비특이적으로 결합되는 것을 방지하기 위한 코팅막(3331)이 형성될 수 있다.

본 실시예에 따른 광학 바이오 센서는 미세 홈(331)으로만 빛이 투과됨이 바람직하다. 따라서, 미세 홈(331)을 형성하는 측벽(333)은 흡수계수가 큰 금속 소재로 제공될 수 있다. 예시로서, 측벽(333)은 알루미늄, 구리, 은, 금, 백금, 니켈, 티타늄, 크롬 중 어느 하나이거나, 어느 하나를 포함하는 합금 소재로 제공될 수 있다. 또한, 측벽(333)의 두께는 10nm 내지 10um의 범위로 형성됨이 바람직하다.

본 실시예로, 코팅막(3331)은 소혈청알부민(BSA: Bovin serum Albumin), 폴리에틸렌글리콜(PEG: Poly ethylene glycole), skim milk, 카제인, 하이드로젤과 같은 친수성 분자를 포함할 수 있다.

코팅막(3331)은 대상 바이러스 또는 세균이 포집되어야 할 미세 홈(331)이 아닌 다른 부분에 부착되어 측정할 수 없게 되는 상황을 방지하기 위한 것이다.

또한, 코팅막(3331)은 검지 대상이 바이러스(5)인 경우, 미세 홈(331)의 내경보다 큰 박테리아나 세균이 측벽(333)에 결합되는 것을 방지한다. 만약, 다른 실시예로서 미세 홈(331)의 내경이 감염성 박테리아의 크기인 0.5um 내지 70um로 형성된다면, 코팅막(3331)은 감염성 박테리아보다 큰 크기의 세균이 측벽(333)에 부착되는 것을 방지할 것이다. 결국, 본 실시예에 따른 센서칩(33)은 복수개의 미세 홈(331)을 가리는 큰 분자 물질이 측벽(333)에서 블락(block)된다. 또는, 미세 홈(331)을 가리는 큰 분자 물질은 측벽(333)과 접촉력이 극히 미약하기 때문에, 물과 같은 액상을 가볍게 흘려주는 것만으로도 상기 분자 물질이 손쉽게 제거될 수 있다. 따라서, 이는 타겟으로 설정된 바이러스(5)의 개수만 명확히 파악할 수 있도록 한다.

나아가, 센서칩(33)은 타겟이 되는 바이러스(5)와 특이적으로 결합되는 리셉터(3311)가 미세 홈(331)의 기저면에 부착될 수 있다. 리셉터(3311)는 타겟으로 설정된 바이러스를 선택적으로 인식하여 바인딩하는 항체가 될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 미세 홈(331)에 타겟 바이러스 외의 물질이 포획되더라도 워싱(washing)을 통해서 포획된 이물질을 손쉽게 배출시킬 수 있다.

광학 바이오 센서는 센서칩(33)과 디스플레이 기판(35) 사이에 소형의 커플링 광학계(34)를 추가적으로 구비할 수 있다. 커플링 광학계(34)는 하나 이상의 렌즈를 포함하여 디스플레이 기판(35) 상에 센서칩(33)을 투과한 광을 확대하거나 상이 정확히 맺히도록 할 수 있다.

상기와 같은 구조의 센서칩(33)은 제조 또한 용이한 이점을 갖는다. 도 5는 역임프린팅 방식으로 제조된 센서칩(33)을 확대하여 촬영한 모습이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세 홈(331)이 형성된 센서칩(33)은 임프린트 몰드에 저점도 수지를 도포한 후 이를 기판에 접촉/가압을 하고 자외선 또는 열을 가하여 경화된 수지 패턴을 기판에 전이시킨다. 이 경우, 전사된 패턴에 잔류층이 남지 않아 후속 공정의 필요 없고, 식각 공정을 요하지 않으므로 간편한 패터닝이 가능할 수 있다. 상기의 제조 공정은 본 출원인이 2013년 3월 7일자로 출원하여 등록된 한국등록특허 제10-1575879호(역 임프린트 방식을 이용한 패터닝 방법)에 상세히 기재되있는바, 그 자세한 원용은 생략한다. 정리하면, 센서칩(33)의 미세 홈(331)은 몰드의 간격(B)을 조정하여 상기의 방법으로 용이하게 제조가 가능하다. 따라서, 제조 단가상 높은 비중을 차지하는 센서칩(33)이 저렴하게 제공될 수 있을 것이다.

디스플레이 기판(35)은 센서칩(33)을 투과한 광(3)이 조영된다. 이에 따라, 디스플레이 기판(35)은 미세 홈(331)의 내측에 바이러스(5)가 포집된 상태를 가시적으로 나타낼 수 있다.

디스플레이 기판(35)에 입사되는 가시광(3)은 분해능이 확보된 점을 헤아려보면, 디스플레이 기판(35)은 센서칩(33)을 투과한 광을 육안으로 확인하기 위한 면판의 구성으로 족하다. 따라서, 투과광(3) 분석을 위해 추가적인 이미지 센서나 광 파장을 분석하기 위한 스펙트로 미터 등이 필요치 않은 점에 주목한다. 본 실시예로, 디스플레이 기판(35)은 조영된 광의 육안 확인이 용이하도록 흑색의 면판으로 제공될 수 있다.

도 4a를 다시 참조하면, 디스플레이 기판(35)에는 미세 홈(331) 각각을 투과한 광(3)이 조영된다. 미세 홈(331)의 내측에 바이러스(5)가 포집되지 않은 경우, 디스플레이 기판(35)에는 미세 홈(331) 형상의 빛(351)이 도시된다. 반면, 미세 홈(331)의 내측에 바이러스(5)가 포집된 경우, 해당 미세 홈(331)을 투과한 광(3)은 광량이 50% 내외로 감소되어 흐릿한 빛(353)이 도시될 것이다. 사용자는 디스플레이 기판(35) 상에 조영된 미세 홈(331)의 어레이를 관찰하면, 포집된 바이러스(5)의 비율을 직관적으로 인식할 수 있을 것이다.

다른 실시예로, 디스플레이 기판(35)은 이미지 센서로 제공될 수 있다. 이미지 센서로는 CMOS 센서(CIS)가 이용될 수 있다. 이미지 센서는 조영된 미세 홈(331) 모양의 빛을 이미지 영역으로 인식할 수 있다. 본 실시예는, 후술하게 될 신호 처리부(37)와 함께 검지된 바이러스(5)의 개수 또는 농도를 디지털화하기 위한 것이다.

신호 처리부(37)는 입력 모듈(371)과 프로세서(373)를 포함할 수 있다. 신호 처리부(37)는 디스플레이 기판(35)의 광량을 검출하여 포집된 바이러스를 디지털 신호로 수치화할 수 있다.

입력 모듈(371)은 미세 홈(331)의 배열과 대응되도록 구획되어 디스플레이 기판에 조영된 광(3)의 광량을 각 구획별로 획득할 수 있다. 만약, 디스플레이 기판(35)이 전술한 실시예와 같이 이미지 센서로 제공된다면, 입력 모듈(371)은 디스플레이 기판(35)이 될 수 있다. 입력 모듈(371)은 미세 홈(331)을 투과한 광의 광량을 검출하기 위한 구성으로, 상기 실시예에서 광량은 이미지(351, 353)의 도트수로부터 도출될 수 있을 것이다.

또는, 입력 모듈(371)은 광량을 직접적으로 획득하는 광량 센서일 수 있다. 이 경우, 입력 모듈(371)은 디스플레이 기판(35)의 상부에 적층되어 투과광(3)을 직접적으로 조사받을 수 있다.

입력 모듈(371)은 미세 홈(331)의 배열과 상응하도록 각 구획별로 단일 미세 홈(331)의 광량을 입력받는다. 입력 모듈(371)이 미세 홈(331) 어레이의 전체 광량의 변화량을 획득한다면, 전술한 예시에서와 같이 0.01%의 광량 감도를 분별할 수 있어야 한다. 반면, 본 실시예에서 입력 모듈(371)은 개별 미세 홈(331)의 광량을 획득한다. 이로써, 신호처리부(37)는 바이러스(5)의 포집 여부에 따라 단일 미세 홈(331)에서 광량이 50%내외로 변화되므로, 별도의 신호처리 없이 포집 여부를 분별할 수 있는 충분한 감도 조건이 형성된다.

프로세서(373)는 입력 모듈(371)이 획득한 각 구획의 광량을 이미지로 변환하고, 도트 수를 카운팅하여 각 구획별 바이너리 코드를 부여할 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 본 실시예로 프로세서(373)는 카운팅 모듈과 분석 모듈을 포함할 수 있다.

카운팅 모듈은 미세 홈(331) 내측에 포집된 바이러스(5)의 개수를 파악할 수 있다. 카운팅 모듈은 각 구획별로 광(3)이 형성하는 이미지 영역의 도트 수를 카운팅한다. 이 경우, 도트 수가 제1 임계치 이상일 때 미세 홈(331) 내측에 바이러스(5)가 존재하지 않는 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 제1 임계치란 미세 홈(331)에 바이러스(5)가 포집되지 않았을 때 이를 투과한 광량과, 미세 홈(331)에 바이러스(5)가 포집되었을 때 감쇠된 광량을 구분하기 위한 도트의 수치를 의미한다. 일 예시로서, 제1 임계치은 도트수가 800으로 설정될 수 있다. 이 경우, 어느 일 미세 홈(331)을 투과한 광이 형성한 이미지의 도트수가 1000이면 바이너리 코드 '0'을 부여할 수 있다. 반면, 어느 일 미세 홈(331)을 투과한 광이 형성한 이미지의 도트수가 제1 임계치 이하인 600이면 바이너리 코드 '1'을 부여할 수 있으며, 이는 바이러스(5)가 포집되어 광량이 대략 50% 감쇠된 것을 의미한다. 이와 같은 원리로 카운팅 모듈은 각 구획에 대하여 '0' 또는 '1'의 바이너리 코드를 부여할 수 있다.

분석 모듈은 카운팅 모듈이 설정한 바이너리 코드를 이용하여 포집된 바이러스(5)의 개수가 감염의 위험이 존재하는 농도인지 판단할 수 있다. 분석 모듈에는 판단의 기준이 되는 제2 임계치가 입력될 수 있다. 여기서, 제2 임계치란 단위 면적 당 존재하는 바이러스(5)의 개수가 될 수 있다. 제2 임계치는 감염 질환을 야기하는 바이러스의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.

분석 모듈은 카운팅 모듈이 부여한 바이너리 코드 중, 포집된 바이러스(5)를 나타내는 바이너리 코드(전술한 예시에서는 '1') 개수를 제2 임계치와 비교한다. 비교 결과, 포집된 바이러스(5)의 개수가 제2 임계치 이상인 경우 해당 지역은 감염 위험도가 높은 지역으로서 격리되어야 할 구역으로 판단될 수 있을 것이다.

이상에서와 같이 상세히 설명한 광학 바이오센서의 각 구성은 저렴한 제조 단가 및 소형의 구조로 구현이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 한편, 스마트폰은 현재 대다수에게 보급된 이동형 단말기기로서, 플래시 기능을 갖는 광원과 카메라 센서를 기본적으로 내장하고 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서의 각 구성은 상기 스파트폰과 연동되기에 특히 적합하다.

도 6은 광학 바이오센서가 스마트폰(7)에 연동된 실시예를 도시한 모습이다.

스마트폰(7)에는 광원(30)과 카메라 센서(35)가 구비된다. 광원(30)과 카메라 센서(35)는 스마트폰(7) 기종 또는 종류에 따라 배치가 변경될 수 있다. 광원(30)과 카메라 센서(35)의 배치가 달라질 경우, 센서칩(33)과 반사판(36)의 배치관계가 이에 상응하여 변경될 수 있다.

도 6을 참조하면, 스마트폰(7)과 결합되는 광학 바이오센서는 전술한 구성 외에 광학계를 추가적으로 포함할 수 있다. 광학계는 반사판(36)과 집광렌즈(361)를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광학 바이오센서가 스마트폰(7)에 결합시 센서칩(33)은 광원(30)과 대향되는 위치로 배치된다. 반사판(36)은 센서칩(33)을 투과한 광이 카메라 센서(35)로 입사될 수 있도록 광 경로를 변경하며 필요에 따라 복수개로 제공될 수 있다. 집광렌즈(361)는 카메라 센서(35)로 입사되는 광을 집광한다. 신호처리부(37)는 스마트폰(7) 상에 어플리케이션 형태로 구비될 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학 바이오센서에 의하면, 미세 홈이 광학적 회절한계를 벗어나는 장주기로 배열되어 미세 홈(331) 간격 간 광의 분해능이 확보된다. 따라서, 감염성 미생물이 미세 홈(331)에 포획되면 이를 가시적으로 즉시 확인이 가능한 이점이 있다. 결국 본 발명은 감염성 바이러스로 인한 감염 공간의 격리와 피해자의 확산 방지가 신속히 요구되는 상황에서 특히 적합하다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

3: 광 5: 감염성 바이러스
7: 스마트폰 30: 광원
33: 센서칩 331: 미세 홈
333: 측벽 3331: 코팅막
3311: 리셉터 34: 커플링 광학계
35: 디스플레이 기판
36: 반사판 361: 집광 렌즈
37: 신호 처리부 371: 입력 모듈
373: 프로세서

Claims (10)

1. 광원에서 방출된 광을 이용하여 감염성 미생물을 검지하는 광학 바이오센서에 있어서,
   상기 광원에서 방출된 광이 투과되고 미세 홈이 장주기로 배열되며 바이러스가 상기 미세 홈의 내측으로 포집되는 센서칩; 및
   상기 센서칩을 투과한 광이 조영되어 상기 미세 홈의 내측에 상기 바이러스가 포집된 상태를 가시적으로 나타내는 디스플레이 기판을 포함하고,
   상기 미세 홈은 0.5um 이상의 간격을 갖는 장주기로 배열되어, 상기 디스플레이 기판에 상기 미세 홈의 간격 간 광의 분해능이 확보된 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세 홈은,
   0.5um 내지 100um의 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세 홈은,
   50nm 내지 400nm의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세 홈은,
   0.5um 내지 70um의 내경을 갖고 세균을 포집하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서칩은,
   상기 미세 홈을 형성하는 측벽의 상부에 생체물질이 비특이적으로 결합되는 것을 방지하기 위한 코팅막이 형성된 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 미세 홈을 형성하는 측벽은,
   10nm 내지 10um의 두께를 갖는 금속 소재인 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 코팅막은,
   소혈청알부민(BSA: Bovin Serum Albumin), 폴리에틸렌글리콜(PEG: Poly Ethylene glycole), skim milk, 카제인, 하이드로젤 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서칩은,
   타겟이 되는 바이러스와 결합되는 리셉터가 상기 미세 홈의 기저면에 부착된 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 디스플레이 기판의 광량을 검출하여 포집된 바이러스를 디지털 신호로 수치화하는 신호 처리부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 미세 홈의 배열과 대응되도록 구획되어 상기 디스플레이 기판에 조영된 광의 광량을 각 구획별로 획득하는 입력 모듈; 및
    상기 입력 모듈이 획득한 각 구획의 광량을 이미지로 변환하고, 도트 수를 카운팅하여 각 구획별 바이너리 코드를 부여하는 프로세서를 포함한 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
    

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