KR20200023229A

KR20200023229A - 분자센서

Info

Publication number: KR20200023229A
Application number: KR1020190103415A
Authority: KR
Inventors: 야스히코 카사마; 권민상; 권위상; 명관 이; 인기욱; 박남현; 강우신
Original assignee: 권민상; 권위상
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2020-03-04
Also published as: KR102231421B1

Abstract

본 발명은 검출대상물질을 분자 단위로 검출할 수 있는 새로운 개념의 분자센서에 관한 것으로, 특히, 검출대상물질이 갖는 산화환원전위의 에너지준위를 고려하여 음극, 양극, 양극측이동유도물질 및 음극측이동유도물질의 에너지준위를 설계하고, 여기 에너지를 공급한 후, 상기 검출대상물질이 공여하는 전자를 매개로 하여 음극에서 양극으로 전자가 이동하도록 한 것으로, 상기 전자의 이동을 검출함으로써 검출대상물질의 존재 여부 및, 분자 단위의 정밀한 검측을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이온내포풀러렌, 풀러렌염, 풀러렌. 색소 등을 사용하여 에너지준위를 설계함으로써 검출 대상 범위를 넓히고 측정 감도를 향상시키는 효과가 있다.
이러한 본 발명은 ppt 레벨의 정밀한 검측 기술을 제공하여 초정밀 진단의학분야, 초정밀 센싱분야, 초정밀 제어분야 및 바이오, 우주과학분야에서 기존의 기술로는 해결할 수 없었던 검측 문제를 해결한 것으로, 초정밀도를 갖는 암 진단 센서, 결핵 진단 센서, 구취 진단 센서, 스트레스 센서, 독가스 검출 센서, 농약 검출센서, 폭발물 검출 센서 등을 구성할 수 있는 효과 등이 있다.

Description

분자센서{molecule sensor}

본 발명은 검출하고자 하는 물질의 존재 유무, 종류 및 양을 분자 단위로 검출하는 분자센서에 관한 것으로, 특히, 검출하고자 하는 물질(이하, "검출대상물질"이라 한다.)의 분자 수에 비례하는 수의 전자가 음극에서 양극으로 이동할 수 있도록 검출대상물질의 산화환원전위의 에너지준위를 고려하여 음극과 양극의 에너지준위를 설계함으로써 검출대상물질을 분자단위로 정밀하게 검출할 수 있도록 한 것이다.

또한, 검출하고자 하는 검출대상물질의 종류에 따라 음극에서 양극으로의 전자 이동을 중계하는 물질(이하, 음극에서 양극으로의 전자 이동을 중계하는 물질을 "이동유도물질"이라 한다.)을 더 포함하고, 가전자대에 있는 전자를 전도대로 여기(勵起)시키는 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부를 더 포함하여 구성함으로써 더욱 정밀한 검측이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

또한, 이동유도물질로 색소(色素, Dye), 풀러렌(Fullerene), 풀러렌염, 또는 이온이 내포된 풀러렌(이하 "이온내포풀러렌"이라 한다.) 등을 이용하여 산화환원전위를 낮추고 양자수율(量子數率)을 높임으로써, 검출할 수 있는 물질의 범위를 넓히고 측정 감도를 향상시킨 것이다.

어떤 특정한 물질이 존재하는지의 여부를 검출하고자 하는 노력은 산업기술의 발전과 더불어 더욱 가속화 되어 다양한 산업군에서 다양한 원리를 이용하는 많은 종류의 센서가 개발되었다. 이러한 각종 센서는 전기, 전자, 기계, 화학, 물리, 바이오, 의학 등 산업계 전 분야에 걸쳐 인간의 오감을 빠르게 대체하였으며, 정보통신기술과 사물인터넷 기술이 융합되면서 사용 범위가 더욱 넓어지고 더욱 정밀해지고 있다.

기술이 더욱 발전함에 따라 물질의 극미량을 검출할 수 있는 초정밀 센서의 개발이 지속적으로 이루어져 초정밀 진단의학분야, 초정밀 센싱분야, 초정밀 제어분야 및, 바이오, 우주과학분야 등에 사용되고 있다.

1) 검출하고자 하는 물질의 흡착에 따른 역학적 왜곡을 검출하여 검출하고자 하는 물질을 검출하는 캔틸레버(Cantilever) 방식의 정밀 센서,

2) 검출하고자 하는 물질의 흡착에 따른 저항 변화를 검출하여 검출하고자 하는 물질을 검출하는 반도체 센서 방식의 정밀 센서,

3) 변동하는 전기장 내부에 검출하고자 하는 물질을 통과시켜 특정한 질량단면적 비를 갖는 분자만 검지기에 도달하도록 함으로써 검출하고자 하는 물질을 검출하는 비대칭장 이온 이동 분석 방식을 이용한 정밀 센서,

4) 유전자 조작한 마우스의 수용체를 이용하여 검출하고자 하는 물질을 검출하는 유전자 센싱 방식을 이용한 정밀 센서,

5) 항원 항체 반응을 이용한 센서 등은 이러한 초정밀 센서의 일례이다.

그러나 상기와 같은 종래의 기술들은 그 검출 정확도가 ppm(parts per million, 1/10^-6) ~ ppb(parts per billion. 1/10^-9) 레벨로, ppt(parts per trillion, 1/10^-12) 레벨에 이르는 정밀한 계측 및, 분자 단위의 초정밀 계측이 어렵다는 문제점 등이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히, 산화환원전위의 에너지준위를 이용하여 검출대상물질을 분자단위로 검출함으로써 ppt 레벨 이상의 정밀한 검측을 할 수 있는 새로운 개념의 "분자센서"를 제공하기 위한 것이다.

또한, 검출대상물질에서 공여하는 전자를 매개로 한 전류를 검측함으로써 실시간 검측이 가능한 "분자센서"를 제공하기 위한 것이다.

또한, 다양한 산화환원전위의 에너지준위를 갖는 이동유도물질(양극측이동유도물질, 음극측이동유도물질)을 이용하여 검출대상물질을 검측하도록 함으로써, 검측 대상을 넓히고, 더욱 정밀한 검측이 이루어지도록 한 것이다.

본 발명은 산화환원전위의 에너지준위를 이용하여 분자단위로 검출대상물질을 정밀하게 검출할 수 있는 분자센서로, 특히, 검출하고자 하는 물질이 갖는 산화환원전위의 에너지준위를 분석하여, 검출대상물질이 유입되었을 경우에 이 검출대상물질에서 공여하는 전자를 매개로 하여 음극에서 양극으로 전자 이동이 이루어지도록, 상기 음극 물질과 양극 물질의 에너지준위를 설계하여 구성함을 특징으로 한다.

또한, 음극에서 양극으로의 전자 이동을 중계하는 하나 이상의 이동유도물질을 이용하여 에너지준위를 설계하고, 가전자대(Valence Band)의 호모(HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital)에서 전도대(Conduction Band)의 루모(LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital)로 전자가 여기할 수 있도록 여기 에너지(광에너지, 열에너지 등)를 공급하여 전자의 이동을 제어함으로써, 더욱 정확한 검측이 이루어지도록 구성함을 특징으로 한다.

또한, 풀러렌, 풀러렌염, 이온내포풀러렌, 색소, 또는 이온내포풀러렌과 색소의 복합체 중 어느 하나 이상으로 이동유도물질을 구성함으로써 검출 범위를 넓히고 측정 감도를 향상시킴을 특징으로 한다.

상기 풀러렌은, C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, C96 중 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 이온내포풀러렌에 내포되는 이온은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 마그네슘, 칼슘, 또는 스트론튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 색소는, 폴리-3-헥실 티 오펜(P3HT) 등의 폴리 티 오펜, 폴리p-페닐 렌, 폴리p-페닐 렌 비닐 렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, PEDOT, P3OT, POPT, MDMO-PPV, MEH-PPV 등의 고분자 중합체 또는 그 유도체 중 하나 이상임을 특징으로 한다.

본 발명 "분자센서"는, 특히, 산화환원전위의 에너지준위를 이용하여 검출대상물질을 검출함으로써, ppt 레벨 이상의 정밀도로 분자 단위의 정밀한 검측을 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 이동유도물질을 이용하여 에너지준위를 설계함으로써 검출범위를 넓히고 선택성을 높임은 물론, 정확성을 높이는 효과가 있다.

또한, 산화환원전위의 에너지준위가 매우 낮고 양자수율이 높은 이온내포풀러렌과 색소 등을 이용하여 에너지준위를 설계함으로써 검측 범위 및 정확성을 더욱 확장시키는 효과가 있다.

이러한 본 발명은 ppt 레벨 이상의 정밀한 검측 기술을 제공하여 초정밀 진단의학분야, 초정밀 센싱분야, 초정밀 제어분야 및 바이오, 우주과학분야에서 기존의 기술로는 해결할 수 없었던 검측 문제를 해결하여 당해 분야의 비약적 발전을 견인하는 효과가 있다.

예를 들어, 호흡, 소변, 혈액 및 타액에 극미량으로 존재하는 암기인물질(암을 원인으로 하여 발생하는 물질)을 검출하여 조기 암 진단을 하도록 구성할 수 있고, 결핵기인물질(결핵을 원인으로 하여 발생하는 물질)을 검출하여 결핵을 조기 진단할 수 있도록 구성할 수 있고, 구취기인물질(구취를 원인으로 하여 발생하는 물질)을 검출하여 구취 원인을 알 수 있도록 구성할 수 있고, 스트레스기인물질(스트레스를 원인으로 하여 발생하는 물질)을 검출하여 스트레스 정도를 검출할 수 있는 효과가 있다. 또한 사린가스, 다이옥신 등과 같은 극미량의 치명적인 독가스를 검출하여 사전경보를 할 수 있도록 구성할 수 있고, 농약 성분을 검출하여 극미량의 농약을 검출할 수 있도록 구성할 수 있고, 폭탄 성분을 검출하여 폭발물을 검출할 수 있도록 구성함은 물론, 다양한 분야에서 다양한 정밀 센서를 구성할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명 "분자센서"의 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 2 는 본 발명 "분자센서"의 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 3 은 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 4 는 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 5 는 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 6 은 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 7 은 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 8 은 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 9 는 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 10 은 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 11 은 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 12 는 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 13 은 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 14 는 본 발명 "분자센서"의 또 다른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 15 는 본 발명의 시스템 구성을 나타낸 블록도,
도 16 은 본 발명 센서전극부의 구성을 나타낸 도면,
도 17 은 본 발명의 실시예에 따른 에너지준위 설계를 나타낸 도면,
도 18 은 본 발명의 실시예에 따른 센서전극부의 구성을 나타낸 도면,
도 19 는 본 발명의 실시예에 따른 센서전극부의 다른 구성을 나타낸 도면,
도 20a 는 이온내포풀러렌을 나타낸 개념도,
도 20b 는 이온내포풀러렌과 색소가 결합한 중합체의 구성을 나타낸 개념도,
도 20c 는 광에너지에 의한 전자의 여기 상태를 나타낸 개념도,
도 21 은 양극에 풀러렌-색소 중합체를 전기영동 시킨 것을 나타낸 개념도,
도 22 는 전자의 에너지준위 나타낸 도면,
도 23 은 포텐시오스타트의 회로구성을 개념적으로 나타낸 도면,
도 24 는 측정 전극 구성의 일례를 나타낸 도면,
도 25 는 CV 그래프의 구간 확대를 나타낸 그래프,
도 26 은 파장에 따른 양자수율의 일례를 나타낸 그래프.

본 발명의 기술성 사상을 그 기술적 사상에 따른 구체적인 구성과 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 실시 예를 들어 설명함에 있어서, 동일, 또는 유사한 구성 및 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 명칭 및 부호를 사용하며, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 생략될 수 있다.

구체적인 설명에 앞서, 본 명세서상에 비록 단수적 표현으로 기재되어 있을지라도 국어 사용에 있어서 단수/복수를 명확하게 구분 짓지 않고 사용되는 환경과 당해 분야에서의 통상적인 용어 사용 환경에 비추어, 발명의 개념에 반하지 않고 해석상 모순되거나 명백하게 다르게 뜻하지 않는 이상 복수의 표현을 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 본 명세서에 기재되었거나 기재될 수 있는 '포함한다', '갖는다', '구비한다', '포함하여 이루어진다' 등은 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 구성요소 또는 그들 조합의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

<구성 1>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성1은, 도1에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 및, 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;을 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 이 검출대상물질을 매개로 하여 음극에서 양극으로 전자 이동이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 구성1은, 음극의 에너지준위는 검출대상물질보다 높게 설계하고, 양극의 에너지준위는 검출대상물질보다 낮게 설계하여, 상기 검출대상물질에서 공여되는 전자를 매개로 하여 음극에서 양극으로 전자의 이동이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

양극의 가전자대의 에너지 준위 c와, 검출대상물질의 가전자대의 에너지 준위 e 및, 음극의 가전자대의 에너지준위 a의 관계는 다음과 같다.

구성1의 에너지 준위: c<e, e<a

이러한 본 발명의 구성1은, 상기 음극의 에너지준위 값과 양극의 에너지준위 값 사이의 에너지준위를 갖는 검출대상물질이 유입되면, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있던 전자가 자신보다 낮은 에너지준위를 갖는 양극으로 이동하고, 양극으로 이동한 전자로 인하여 생긴 검출대상물질의 가전자대의 양공으로 음극에서 전자가 이동하게 되는 것으로, 검출대상물질이 존재하는 한 검출대상물질에 비례하는 수의 전자가 지속적으로 이동하게 된다.

이때, 전자의 이동 여부(전류의 흐름 여부)를 검출하여 검출대상물질이 존재하는 지의 여부를 판단하고, 전자의 이동 정도(전류량)를 검출하여 유입된 검출대상물질의 양을 정밀하게 판단할 수 있다.

전자의 이동은 유입되는 검출대상물질의 분자 수에 비례하므로, 이동하는 전자의 이동(전류량)을 검출함으로써 분자 단위의 아주 정밀한 검측을 할 수 있다.

검출대상물질에 대한 선택성은 음극과 양극의 에너지준위 차를 미세하게 할수록 높아진다.

이러한 본 발명의 구성1에 따른 기술은 질소산화물(NOx)이나, 과산화수소와 같이 자연 상태에서 라디칼을 가지고 있는 물질을 검출하고자 할 때 사용됨이 바람직하다.

<구성 2>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성2는, 도2에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 및, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하며, 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

구성2의 에너지 준위: c>e, e<a

이와 같이 구성된 본 발명의 구성2는, 검출대상물질의 가전자대와 전도대의 밴드갭(Band Gap) 에너지 보다 큰 여기 에너지(예: 광)를 검출대상물질에 공급하여 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하도록 하고, 이 전도대에 여기된 전자는 전도대의 에너지준위보다 낮은 에너지준위를 갖는 양극으로 이동되도록 한 것이다. 또한, 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동되어 전류가 흐르도록 한 것으로, 여기 에너지가 공급되는 한 상기와 같은 과정을 반복 수행하여 검출대상물질의 분자 수에 비례하는 전류가 흐르도록 한 것이다.

이러한 본 발명의 구성2는 양극의 에너지준위가 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높아 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 양극으로 이동할 수 없는 경우, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자를 전도대로 여기시켜 여기된 전자가 갖는 에너지준위를 이용하여 여기된 전자가 양극으로 이동할 수 있도록 한 것이다.

이를 다시 설명하면 다음과 같다.

주지하다시피, 도22에서 도시되는 바와 같이, 전자로 가득 차있는 밴드(Band)를 가전자대(Valence band)라 하고, 그 최고점유궤도를 호모(HOMO)라 한다. 또한, 전자가 비어있는 밴드를 전도대(Conduction band)라 하고, 그 최저궤도를 루모(LUMO)라 하고, 호모와 루모 사이의 에너지를 밴드갭 에너지(Eg)라 하며, 이 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 공급하면 가전자대에 있는 전자를 전도대로 여기시킬 수 있다.

본 발명의 구성2는, 도2에서 도시되는 바와 같이, 여기에너지공급부를 통해 상기 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 공급하여 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자를 전도대로 여기시켜 에너지준위를 높임으로써 양극으로의 전자 이동이 이루어지도록 한 것이다.

상기 여기에너지공급부는, 가전자대와 전도대 사이의 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 공급하는 광에너지공급부, 또는 전자파에너지공급부, 또는 열에너지공급부 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 한다.

이러한 여기에너지공급부는 광에너지나, 전자파에너지, 또는 열에너지를 이용하여 여기 에너지를 구성한 것으로, 경우에 따라서는 두 개 이상의 에너지원을 함께 사용하여 여기 에너지를 구성할 수 있다. 예를 들어, 광에너지로 일정 크기의 여기 에너지를 공급하고, 열에너지로 일정 크기의 여기 에너지를 공급할 수 있도록 구성 할 수 있다. 이러한 구성은 하나의 에너지원으로 원하는 크기의 여기 에너지를 공급할 수 없을 경우 사용하기 위한 것이다.

설명에 있어서 상기 "전자파"란 개념에는 열과 광이 모두 포함되나 설명의 편의상 구별하여 사용한다.

상기 광에너지공급부에서 조사하는 광은 각기 다른 파장과 밝기를 가지는 하나 이상의 광으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 광에너지공급부에서 조사하는 광원은, 각기 다른 파장을 가지는 LED 광원, 또는 각기 다른 파장을 가지는 레이저 광원, 또는 할로겐 램프, 또는 수은 램프, 또는 크세논 램프 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같은 광에너지공급부는, 파장이나 밝기로 여기 에너지 양을 설계하여 각기 다른 밴드갭 에너지를 공급하기 위한 것이다.

예를 들어, 양극측이동유도물질, 또는 음극측이동유도물질이 다수 개 사용되고, 그 사용된 이동유도물질의 밴드갭 에너지가 다르고, 또한, 각각의 밴드갭 에너지를 구별하여 공급할 필요가 있을 경우, 공급하는 광의 파장이나 밝기를 조절하여 이를 달성할 수 있다.

이때, 상기와는 별도로 하나의 광을 이용하여 모든 이동유도물질에 밴드갭 에너지를 공급할 수 있음은 물론이다. 즉, 가장 큰 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 공급하는 하나의 광원을 사용하여 다수 개 이동유도물질에 여기 에너지를 공급하도록 구성할 수 있다.

상기 각기 다른 광원을 구동시키는 구동장치의 구성 및 동작은 주지하는 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 전자파에너지공급부에서 공급하는 전자파는 각기 다른 파장과 세기를 가지는 하나 이상의 전자파로 구성됨을 특징으로 한다.

이러한 전자파에너지공급부는, 파장이나 세기로 여기 에너지 양을 설계하여 각기 다른 밴드갭 에너지를 공급하기 위한 것이다. 예를 들어, 1.0GHz, 1.2GHz, 2GHz 등의 전자파를 사용할 수 있다.

상기 각기 다른 전자파를 공급하는 전자파발생장치의 구성 및 동작은 주지하는 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 열에너지공급부에서 조사하는 열은 각기 다른 온도와 세기를 가지는 하나 이상의 열로 구성됨을 특징으로 한다.

이러한 열에너지공급부는, 온도와 세기로 여기 에너지 양을 설계하여 각기 다른 밴드갭 에너지를 공급하기 위한 것이다. 예를 들어, 1,000℃ 열, 1,500℃ 열 등의 열을 공급하도록 구성할 수 있다.

상기 열을 발생하는 발열장치의 구성과 동작은 주지하는 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

본 구성2에 있어서 상기 양극 또는 음극은 투명전극으로 이루어짐이 바람직하다. 이러한 투명전극은 여기에너지공급부에서 조사되는 광이 검출대상물질에 투과되어 조사되도록 하기 위한 것으로, TCO(Transparent conducting oxide: 투명 전도성 산화물), FTO(F-doped [SnO₂]: 불소 도핑 산화주석), ITO(Indium tin oxide: 인듐 주석산화물), AZO(Al-doped ZnO: 알류미늄 도핑 산화아연), GZO(Ga-doped ZnO: 갈류 도핑 산화아연) 등의 투명전극이 사용될 수 있다.

<구성 3>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성3은, 도3에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질; 및, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 검출대상물질의 전자가 이동하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

구성3의 에너지 준위: c>e>g, e<a

이와 같이 구성된 본 발명의 구성3은, 검출대상물질과 양극 사이에 양극측이동유도물질을 더 구성하여 전자 이동 경로를 설계함을 특징으로 한다.

즉, 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 더 낮은 에너지준위를 갖는 양극측이동유도물질을 양극측에 더 구성하여 검출대상물질에서 공여된 전자를 매개로하는 전자 이동 경로를 설계한 것이다.

상기 양극측이동유도물질 또는 음극측이동유도물질은, 풀러렌, 풀러렌염, 이온내포풀러렌, 색소, 또는 이온내포풀러렌과 색소의 중합체 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 풀러렌은, C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, C96 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 풀러렌에 내포되는 이온은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 마그네슘, 칼슘, 또는 스트론튬 중 어느 하나인 것을 특징한다.

상기 색소는 폴리-3-헥실 티 오펜(P3HT) 등의 폴리 티 오펜, 폴리p-페닐 렌, 폴리p-페닐 렌 비닐 렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, PEDOT, P3OT, POPT, MDMO-PPV, MEH-PPV 등의 고분자 중합체 또는 그 유도체 중 하나 이상임을 특징으로 한다.

도20a는 C60 풀러렌에 이온이 내포된 것을 나타낸 것이고, 도20b는 이온내포풀러렌과 색소의 결합을 나타낸 것이고, 20c는 광에너지에 의한 전자의 여기를 나타낸 개념도이다.

리튬내포풀러렌은 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 매우 낮아 검출하고자 하는 검출대상물질의 범위를 넓힐 수 있는 장점이 있다.

또한, 리튬내포풀러렌은 양자수율(IPCE: Incident Photon to Current Efficiency)이 높아 측정 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 양자수율이란, 광화학 반응에서 실제로 화학 변화를 일으킨 분자수와 흡수된 광양자 수의 비를 나타낸 것이다.

상기 양극측이동유도물질, 또는 음극측이동유도물질은 전기영동(電氣泳動, electrophoresis)을 이용하여 양극, 또는 음극에 포함시킴을 특징으로 한다.

도21은 양극(121a)에 풀러렌-색소 중합체(122a)를 전기영동 시킨 것을 나타낸 구성도이다.

상기 양극측이동유도물질 또는 음극측이동유도물질은 [TiO₂], [SnO₂]을 비롯한 다양한 산화환원전위의 에너지준위를 갖는 물질이 사용될 수 있으며, 이러한 이동유도물질을 이용하여 더욱 정밀하고 정확한 에너지준위를 설계할 수 있다.

<구성 4>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성4는, 도4에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질; 및, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 검출대상물질의 전도대로 여기된 전자가 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

구성4의 에너지 준위: c>g>e, e<a

이와 같이 구성된 본 발명의 구성4는, 검출대상물질의 유입에 따른 전자 이동 경로를 설계함에 있어서, 검출대상물질과 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자를 전도대로 여기시켜 분자센서를 구성함에 특징이 있다.

<구성 5>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성5는, 도5에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 검출대상물질에 있는 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

구성5의 에너지 준위: c<e, e>a>i

이와 같이 구성된 본 발명의 구성5는, 검출대상물질의 에너지준위가 음극보다 높은 경우 음극측이동유도물질에 의해 원활한 전자 이동이 이루어질 수 있도록 함에 특징이 있다.

<구성 6>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성6은, 도6에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 검출대상물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

구성6의 에너지 준위: c>e, e>a>i

이와 같이 구성된 본 발명의 구성6은, 검출대상물질의 유입에 따른 전자 이동 경로를 설계함에 있어서, 검출대상물질과 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자를 전도대로 여기시켜 분자센서를 구성함에 특징이 있다.

<구성 7>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성7은, 도7에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 검출대상물질의 전자가 이동하고, 셋째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 넷째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

구성7의 에너지 준위: c>e>g, e>a>i

이와 같이 구성된 본 발명의 구성7은, 양극측이동유도물질과 음극측이동유도물질을 이용하여 검출대상물질 유입에 따른 전자 이동 경로를 설계하여 분자센서를 구성함에 특징이 있다.

<구성 8>

본 발명 "분자센서"의 기술적 사상에 따른 구성8은, 도8에서 도시되는 바와 같이, 검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질; 가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져, 상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 검출대상물질의 전도대로 여기된 전자가 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 넷째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

구성8의 에너지 준위: c>g>e, e>a>i

이와 같이 구성된 본 발명의 구성8은, 양극측이동유도물질과 음극측이동유도물질을 이용하여 검출대상물질 유입에 따른 전자 이동 경로를 설계함에 있어서, 양극측이동유도물질과, 음극측이동유도물질 및 검출대상물질을 여기시켜 분자센서를 구성함에 특징이 있다.

<기타 구성 요소>

상기의 구성들에 있어서, 검출대상물질에서 공여되는 전자의 양극으로의 이동을 유도하는 양극측이동유도물질은, 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 구성들에 있어서 양극측이동유도물질을 다수 개로 구성할 경우에는, 도9 내지 도10, 도13 내지 도14에서 도시되는 바와 같이, 상기 검출대상물질에서 전자를 공여받는 최초의 양극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는, 그 다음번째 양극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고, 양극으로 전자를 공여하는 마지막의 양극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는 양극의 에너지준위보다 높게 설정하며, 그 중간단계에 있는 양극측이동유도물질들의 에너지준위는, 전도대의 에너지준위를 그 다음단계에 있는 양극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고, 가전자대의 에너지준위를 그 전단계에 있는 양극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위보다 낮게 설정함을 특징으로 한다.

이러한 구성은 양극측이동유도물질을 다수 개 사용하여 검출대상물질을 검출할 수 있도록 한 것으로, 검출대상물질에 대한 더욱 정확한 에너지 준위 설계를 할 수 있도록 한 것이다.

상기의 구성들에 있어서, 음극에서 공여되는 전자의 검출대상물질로의 이동을 유도하는 음극측이동유도물질은 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 구성에 있어서 음극측이동유도물질을 다수 개로 구성할 경우에는, 도11 내지 도14에서 도시되는 바와 같이, 상기 음극에서 전자를 공여받는 최초의 음극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는, 그 다음번째 음극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고, 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 전자를 공여하는 마지막의 음극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하며, 그 중간단계에 있는 음극측이동유도물질들의 에너지준위는, 전도대의 에너지준위를 그 다음단계에 있는 음극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고, 가전자대의 에너지준위를 그 전단계에 있는 음극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위보다 낮게 설정함을 특징으로 한다.

이러한 구성은 음극측이동유도물질을 다수 개 사용하여 검출대상물질을 검출할 수 있도록 한 것으로, 검출대상물질에 대한 더욱 정확한 에너지 준위 설계를 할 수 있도록 한 것이다.

상기 구성에 있어서, 도15에서 도시되는 바와 같이, 상기 검출대상물질에 따른 전자의 흐름을 검출하는 검출부(110):를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이러한 검출부(110)는 음극에서 양극으로 이동하는 전자의 흐름을 검출하여 검출대상물질이 존재하는 지의 여부는 물론, 그 양을 산출한다. 즉, 양극과 음극 사이의 전류 및 전압을 검출하여 검출대상물질의 유입 여부 및 그 유입량을 검출한다.

상기 검출부는 검출대상물질의 CV(Cyclic Voltammetry) 또는, CA(Chrono Amperometry), 또는 CP(Chorono Potentiommetry), 또는 SV(Stripping Voltammetry), 또는 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 중 어느 하나 이상을 검출하여 검출대상물질의 존재 여부 및 양을 검출함을 특징으로 한다.

즉, 포텐시오스타트(Potentiostat)를 이용하여 검출대상물질의 CV나, 또는 CA나, 또는 CP나, 또는 SV나, 또는 LSV 등을 측정하여 검출대상물질의 존재 여부 및 양을 검출함을 특징으로 한다.

도23은 포텐시오스타트의 구성을 간략화하여 나타낸 회로도로, 워킹전극(Working electrode: W)과, 레퍼런스전극(Reference electrode: RE) 및, 카운터전극(Counter electrode: CE)를 통해 검출대상물질을 검출할 수 있다. 즉, 이동유도물질(양극측이동유도물질, 음극측이동유도물질)을 이용하여 워킹전극(W)을 구성한 후 3전극법이나 2전극법을 통해 CV, CA, CP, SV, LSV 등을 구한 후, 이를 분석하여 검출대상물질의 존재 여부 및 양을 정밀하게 측정할 수 있다.

전기화학분야에서 사용하는 포텐시오스타트의 구성이나 작동 원리 및 3전극법, 2전극법, CV, CA, CP, SV, LSV 등에 대한 것은 주지하는 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 검출부는 여기 에너지로 공급되는 광원의 파장에 따른 양자수율(IPCE: Incident Photon to Current Efficiency)을 검출하여 검출대상물질의 존재 여부 및 양을 검출함을 특징으로 한다.

도26은 광원의 파장에 따른 양자수율(IPCE)을 나타낸 것으로, 도면에서 도시되는 바와 같이, 물질에 따라 파장에 따른 양자수율이 다름을 나타낸다. 따라서, 양자수율 곡성의 특성을 이용하여 검출대상물질의 존재 여부를 알 수 있다. 예를 들어, 도26의 (가)의 양자수율 그래프는 약 440nm에서 최대이고, 560nm에서 2차 피크값, 620nm에서 3차 피크값을 가지는데 이 특성(피크값, 파장, 기울기, 피크 간격 등)을 분석하여 검출대상물질의 존재 여부를 알 수 있다.

양자수율 측정에 대한 것은 주지하는 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 구성에 있어서, 상기 검출대상물질에 대한 정보를 나타내는 표시부(160);를 더 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 표시부(160)는 검출대상물질 검출에 따른 전자의 흐름에 대한 정보를 시각적으로 나타내는 시각표시부(161)와, 청각적으로 나타내는 청각표시부(162)를 포함하여 구성됨이 바람직하다.

상기 구성에 있어서, 검출대상물질 검출에 대한 정보를 외부로 전송하는 통신부(170);를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 통신부(170)는, 검출대상물질 검출에 대한 정보를 유선(전용선, 전용망, 인터넷 등)으로 전송하는 유선통신부(171)와, 검출대상물질 검출에 대한 정보를 무선(무선통신, 이동통신, 근거리 무선통신, 와이파이, 블루투스 등)으로 전송하는 무선통신부(172)로 구성됨이 바람직하다.

상기 구성에 있어서, 검출대상물질 검출에 대한 정보를 저장하는 데이터저장부(140);를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

도면 중 미설명 부호 (150)은 제어부, (180)은 각 구성요소에 동작전원을 공급하는 전원공급부를 각각 나타낸 것이다.

이하, 본 발명 "분자센서"의 기술적 사상을 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

설명을 함에 있어서 동일, 또는 유사한 구성 및 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 명칭 및 부호를 사용한다.

<실시예>

본 실시예에서는 양극으로 FTO(F-doped [SnO₂]) 투명전극을 사용하고, 음극으로 백금(Pt)을 사용하고, 양극측이동유도물질로 이산화 타이타늄(Titanium dioxide, [TiO₂])과, 리튬내포풀러렌 헥사 플루오르 포스페이트 염([Li⁺@C60][PF6^-])을 사용하여 센서전극부를 구성하고, 이 센서전극부를 통해 암기인물질(암을 원인으로 하여 발생하는 물질)의 하나인 톨루엔(Toluene)을 검출하는 것을 예로 하여 설명한다.

따라서 본 실시예에서는 상기 양극측이동유도물질에 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부를 더 포함하여 구성한 것을 예로 하여 설명한다. 본실시예에서 상기 여기에너지공급부는 광에너지를 공급하는 것을 예로 하여 설명한다.

또한 본 실시예에 있어서는 상기 센서전극부에 검출대상물질(톨루엔)이 유입되었을 경우 음극에서 양극으로 이동하는 전자의 흐름을 검출하는 검출부와, 검측 정보(검측과정, 검측조건, 검측결과 등)를 표시하는 표시부와, 이를 저장하는 데이터저장부 및, 상기 검측에 대한에 대한 정보를 외부 기기와 교환하는 통신부를 구비하여 구성한 것을 예로 하여 설명한다.

또한, 본 실시예에 있어서는 공기(날숨) 중에 포함된 톨루엔을 검출하는 것을 예로 하여 설명한다. 따라서 상기 센서전극부는 음극과 양극 사이에 공기가 유통될 수 있는 구조로 구성된 것을 예로 하여 설명한다. 검출대상물질이 포함된 공기(날숨)는 펌핑장치를 이용하여 상기 센서전극부에 공급한다.

이와 같이 본 실시예를 구성한 이유는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다른 구성 및 실시예들은 본 실시예로부터 용이하게 알 수 있기 때문이다.

이하, 상기와 같이 본 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

1) 에너지준위 설계

톨루엔을 검출하기 위한 본 실시예의 에너지준위 설계 과정을 도17을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

검출대상물질인 톨루엔의 가전자대의 진공을 기준으로 한 에너지준위는 -6.55eV이고, 전도대의 에너지준위는 -0.18eV이다. 따라서 음극의 에너지준위는 상기 검출대상물질인 톨루엔의 가전자대의 에너지준위인 -6.55eV보다 높은 에너지준위를 갖는 전극이 필요하다. 본 실시예에서는 가전자대의 에너지준위는 -5.93eV이고, 전도대의 에너지준위는 -5.12eV인 백금(Pt)을 음극으로 사용한다. 따라서 백금(Pt)으로 이루어진 음극에 검출대상물질인 톨루엔이 접촉하면 에너지준위 차에 의하여 검출대상물질인 톨루엔의 가전자대에 생기는 양공으로 음극에서 전자가 이동할 수 있는 에너지준위 구조를 갖게 된다.

본 실시예에서 검측하는 검출대상물질인 톨루엔은 가전자대의 에너지준위가 매우 낮은 -6.55eV이므로 이보다 더 낮은 에너지준위를 갖는 양극측이동유도물질이 필요하다. 본 실시예에서는 가전자대의 에너지준위가 -7.70eV인 [Li⁺@C60][PF6^-]를 양극측제1이동유도물질로 사용한다. 양극측제1이동유도물질로 사용하는 [Li⁺@C60][PF6^-]의 가전자대의 에너지준위는, 상기 검출대상물질인 톨루엔의 가전자대의 에너지준위 -6.55eV 보다 낮아, 상기 톨루엔의 가전자대에 있는 전자가 [Li⁺@C60][PF6^-]의 가전자대에 생기는 양공으로 이동할 수 있는 에너지준위 구조를 갖게 된다.

상기 양극측제1이동유도물질인 [Li⁺@C60][PF6^-]의 전도대의 에너지준위가 -4.90eV이고, 양극으로 사용하는 FTO의 가전자대의 에너지준위가 -4.85eV이므로, 상기 [Li⁺@C60][PF6^-]의 전도대에 있는 전자가 직접 양극으로 이동할 수 없다. 따라서 이를 매개할 양극측제2이동유도물질이 필요하다.

양극측제1이동유도물질인 [Li⁺@C60][PF6^-]의 전도대의 에너지준위가 -4.90eV이고, 양극 FTO의 가전자대의 에너지준위가 -4.85eV이므로, 양극측제2이동유도물질은 -4.90eV 보다 낮은 에너지준위를 갖는 가전자대와, -4.85eV 보다 높은 에너지준위를 갖는 전도대로 이루어진 물질이 필요하다.

이산화 타이타늄(Titanium dioxide, [TiO₂])은 가전자대의 에너지준위가 -6.21eV이고, 전도대의 에너지준위가 -3.21eV로 위의 조건을 충족하므로 이 [TiO₂]를 양극측제2이동유도물질로 사용한다. 그러면 상기 [TiO₂]의 전도대에 여기된 전자가 양극으로 이동할 수 있는 에너지준위 구조를 갖게 된다.

즉, 조건이 충족되었을 시, 상기 양극측제2이동유도물질인 [TiO₂]의 전자대에 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 상기 [TiO₂]의 가전자대에 생기는 양공으로 양극측제1유도물질인 [Li⁺@C60][PF6^-]의 전도대에 여기된 전자가 이동하고, 상기 [Li⁺@C60][PF6^-]의 가전자대에 생기는 양공으로 검출대상물질인 톨루엔의 전자가 이동하고, 상기 톨루엔의 가전자대에 생기는 양공으로 음극인 백금(Pt)에서 전자가 이동하는 에너지준위를 갖게 된다.

상기 양극측제1이동유도물질인 [Li⁺@C60][PF6^-]의 여기에는 457nm의 파장을 갖는 광원 2.8eV 이상의 파워가 필요하고, 양극측제2이동유도물질인 [TiO₂]의 여기에는 413nm의 파장을 갖는 광원 3.0eV 이상의 파워가 필요하다. 따라서 상기 여기에너지공급부에서 공급하는 광에너지는 상기 조건을 충족하는 광원을 사용한다. 예를 들어 상기 조건을 충족하는 할로겐 램프가 사용될 수 있다.

도17은 상기와 같은 과정을 거쳐 설계된 에너지준위 및 해당 물질을 나타낸 것으로, 도면에서 도시되는 바와 같이, 검출대상물질인 톨루엔이 유입되었을 경우 에너지준위에 따라 2번의 여기 과정을 거쳐 음극에서 양극으로 전자가 이동할 수 있도록 설계되었다.

2) 센서전극부 구성

도18에서 도시되는 바와 같이, 케이스(125) 내부에 양극(121)과 음극(124)을 장착하고, 상기 양극(121)과 음극(124)에 전원공급부(180)를 통해 동작전원을 공급하고, 상기 양극(121)과 음극(124) 사이에 흐르는 전류를 검출할 수 있도록 검출부(110)를 연결하여 본 실시예에 의한 센서전극부(120)를 구성한다.

상기 케이스(125)는 투명전극인 양극(121)이 장착되는 면, 또는 케이스 전체를 투명재질(예: 유리, 석영 등)로 구성하여 여기에너지공급부(130)인 광원(131)에서 공급하는 광이 투명전극인 양극(121)에 조사될 수 있도록 구성한다.

상기 케이스(125)는, 도19에서 도시되는 바와 같이, 양극이 장착되는 부위를 절개하여 광원(131)에서 조사되는 광원이 직접 투명전극은 양극(121)에 조사되도록 구성할 수 있다.

도면 중 미설명 부호 (122a)는 양극측제1이동유도물질, (122b)는 양극측제2이동유도물질을 각각 나타내며, 미설명 부호 (1)은 검출대상물질인 톨루엔이 포함된 공기(날숨)를 나타낸다.

상기 공기(날숨)(1)은 센서전극부(120) 후면에 위치한 펌프(미도시)에 의해 센서전극부(120) 내부를 통과하는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다.

3) 검출 시스템 구성

도15에서 도시되는 바와 같이, 센서전극부(120)에 여기에너지공급부(130)의 광원(131)이 조사될 수 있도록 하고, 상기 센서전극부(120)에 검출부(110)를 연결한다. 이후, 상기 검출부(110)와, 여기에너지공급부(130)와, 데이터저장부(140)와, 표시부(160)와, 통신부(170)를 제어부(150)에 접속하여 본 실시예에 의한 검출 시스템을 구성한다. 상기 전원공급부(180)는 각 구성요소에 동작전원을 공급한다.

상기 제어부(150)는 마이크로프로세서, 또는 컴퓨터 시스템으로 구성됨이 바람직하며, 상기 데이터저장부(140)는 상기 제어부(150)의 내부메모리, 또는 상기 제어부(150)의 제어를 받는 외부메모리로 구성됨이 바람직하다.

상기 데이터저장부(140)에는 검출대상물질의 검측 결과 및, 검측대상물질의 양과 전류량의 상관관계를 나타낸 데이터테이블 등이 저장된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 여기에너지공급부(130)의 광원(131)이 온(ON)되면, 상기 광원(131)에서 조사되는 광에너지가 상기 양극측제1이동유도물질(122a)인 [Li⁺@C60][PF6^-]과 양극측제2이동유도물질(122b)인 [TiO₂]에 여기 에너지를 공급하게 된다.

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그러면 상기 양극측제2이동유도물질인 [TiO₂]의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하게 되며, 상기 [TiO₂]의 가전자대에는 양공이 생성되게 된다. [TiO₂]의 전도대로 여기된 전자의 에너지준위는 -3.21eV로 양극인 FTO의 가전자대의 에너지준위인 -4.85eV 보다 높아져, 상기 전도대로 여기된 전자가 양극인 FTO로 이동하게 된다.

상기 광원(131)에서 조사되는 광에너지에 의해 양극측제1이동유도물질인 [Li+@C60][PF6-]의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기되고, 상기 [Li+@C60][PF6-]의 가전자대에는 양공이 생성된다. 상기 [Li+@C60][PF6-]의 전도대로 여기된 전자의 에너지준위는 -4.90eV로 양극측제2이동유도물질인 [TiO₂]의 가전자대의 에너지준위인 -6.21eV 보다 높아져, 상기 전도대로 여기된 전자가 [TiO₂]의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하게 된다.

이러한 상태에서, 검출대상물질인 톨루엔이 양극인 FTO와 음극인 백금{Pt) 사이에 유입되면, 상기 톨루엔의 가전자대에 있는 전자(에너지준위: -6.55eV)가 상기 양극측제1이동유도물질인 [Li+@C60][PF6-]의 가전자대에 생긴 양공(에너지준위: -7.70eV)으로 이동하고, 상기 톨루엔의 가전자대에는 양공이 생성되게 된다.

그러면 상기 검출대상물질인 톨루엔의 가전자대에 생긴 양공(에너지준위: -6.55eV)으로 음극인 백금(Pt)의 가전자대에 있는 전자(에너지준위: -5.93eV)가 이동하게 된다.

이후, 상기 여기에너지공급부(130)에서 여기 에너지가 공급되는 한 상기와 같은 과정을 반복 수행하여 음극에서 양극으로 상기 검출대상물질인 톨루엔에 비례하는 수의 전자가 지속적으로 이동하게 된다.

상기 검출부(110)는 상기 음극과 양극 사이에 흐르는 전류(전자의 이동)를 검출한다.

상기 제어부(150)는 상기 검출부(110)를 통해 전류가 흐르는 지의 여부를 검출하여 검출대상물질인 톨루엔이 존재하는지의 여부를 판단하고, 전류의 양으로부터 검출대상물질인 톨루엔의 양을 판단하게 된다. 즉, 검출된 전류량을 상기 데이터저장부(140)에 저장된 검출대상물질의 양과 전류량과의 관계를 나타내는 데이터테이블과 비교하여 얼마만큼의 톨루엔이 유입되었는지를 산출하게 된다.

이후, 상기 제어부(150)는 상기 검측에 대한 정보(검측과정, 검측조건, 검측결과 등)를 데이터저장부(140)에 저장하고, 표시부(160)를 통해 나타내며, 상기 통신부(170)를 통해 외부기기와 교환하게 되는 것으로, 이와 같은 과정을 반복 수행하여 검출대상물질을 지속적으로 검측하게 된다.

이때, 상기 검출대상물질에서 공여하는 전자를 매개로 하여 흐르는 전류를 검출함으로써 검출대상물질의 분자 수에 비례하는 정확하고 정밀한 검측을 할 수 있게 된다.

참고로, 검출된 톨루엔의 양을 나타내는 데이터는, 톨루엔의 양과 암의 진행정도를 나타내는 데이터테이블을 참조하여 암의 진행 정도를 진단하도록 구성될 수 있다.

폐암센서의 정밀도에 대해 설명하면 다음과 같다.

약 500cc의 호기에 포함된 분자수는 약 1.19×10²²개 이다.

이 500cc의 호기 1ppt에 포함된 분자수는,

1.19×10²²×10^-12 = 1.19×10¹⁰ 개 이다.

이를 전하량으로 나타내면,

(1.19×10¹⁰)×(1.62×10^)-19C) = 약 1.19×10^-9C = 1.9nA 이다.

즉, 500cc의 호기 속에 암기인물질이 1ppt 만큼 포함되었다 하더라도 이를 검출할 수 있다.

만약, 500cc의 호기 중 1ppt 만큼의 공기 속에 1% 만큼의 암기인물질이 포함되어 있다고 하면 약 19pA의 전하량을 나타낸다.

상기 나노 암페아(nA)나, 피코 암페아(pA) 단위의 전하량을 검출하는 검출부(110)의 구성은 주지하는 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명 중 이동유도물질(양극측이동유도물질, 음극측이동유도물질)을 구성하는 [C60] 풀러렌 및 리튬이온내포풀러렌은 전자운을 포함한 크기가 약 1nm이고, 상기 리튬이온내포풀러렌과 색소로 이루어진 초분자의 크기는 약 2nm이다.

따라서 상기 500cc 호기에 1ppt의 암기인물질이 있다고 하고, 그 이동유도물질을 리튬이온내포풀러렌과 색소로 이루어진 초분자(약 2nm)로 구성하였다고 할 경우, 상기 암기인물질이 동시에 반응하기 극판의 크기는 약 (0.22mm ㅧ 0.22mm)의 크기면 충분하다. 상기 500cc 중 1ppt 만큼의 호기 내에 1%의 암기인물질이 있다고 할 경우에는 더욱 작은 크기의 극판으로 양극(또는 음극)을 만들 수 있다.

즉, 암기인물질의 분자수에 비례하는 수의 전자가 이동하도록 하고, 그 이동된 전자의 수를 직접 검출함으로써 ppt 레벨의 정밀도, 또는 그 이상의 더욱 정밀도를 갖는 폐암 센서를 구성할 수 있다.

그러나 상기의 실시예에 있어서는, 양극측이동유도물질 2개를 사용하여 검출대상물질을 검출하는 것을 예로 하여 설명하였으나, 본 발명이 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, 도1 내지 도14에서 도시되는 바와 같이, 이동유도물질 없이 본 발명의 분자센서를 구성하거나, 또는 1개의 양극측이동유도물질이나 1개의 음극측이동유도물질을 이용하여 본 발명이 분자센서를 구성하거나, 또는 다수개의 양극측이동유도물질이나 다수개의 음극측이동유도물질을 이용하여 본 발명의 분자센서를 구성하거나, 또는 필요한 수 만큼의 양극측이동유도물질 및 필요한 수 만큼의 음극측이동유도물질을 모두 사용하여 본 발명에 의한 분자센서를 구성할 수 있음을 밝혀둔다. 도16은 양극측이동유도물질(122)과 음극측이동유도물질(123)을 모두 사용하는 센서전극부의 구성예를 나타낸 도면이다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는, 여기에너지공급부에서 광에너지를 공급하도록 하고, 그 광원을 1개로 한정한 것을 예로 하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, 다른 광원 여러개를 사용하여 여기에너지공급부를 구성할 수 있음은 물론, 각기 다른 에너지원을 사용하여 여기 에너지를 공급하도록 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는, 공기 중에 포함된 검출대상물질을 검출하는 것을 예로 하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, 액체 중에 포함된 검출대상물질을 검출하도록 구성할 수 있음을 밝혀둔다. 예를 들어, 센서전극부를 구성함에 있어서 공기가 지나가도록 구성하는 것이 아니라 액체(혈액, 소변, 타액, 기타 액체 등)가 담겨지도록 구성하거나 또는 일시적으로 머물도록 구성하여 본 발명을 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는, 검출대상물질 1개만을 검출하는 것을 예로하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, 다수개의 검출대상물질을 검출하도록 구성할 수 있음을 밝혀둔다. 예를 들어, 다수의 양극측이동유도물질이나 다수의 음극측이동유도물질 및 다수의 여기에너지공급부를 이용하여 동시에 2개 이상의 검출대상물질을 검출하도록 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 본 실시예에 있어서는 암기인물질인 톨루엔을 검출하는 것을 예로하여 본 발명의 기술적 사상을 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, 결핵기인물질을 검출하여 결핵을 조기 진단할 수 있도록 구성할 수 있고, 구취기인물질질)을 검출하여 구취 원인을 알 수 있도록 구성할 수 있고, 스트레스기인물질을 검출하여 스트레스 정도를 검출할 수 있고, 사린가스, 다이옥신 등과 같은 독가스를 검출하도록 구성할 수 있음은 물론, 본 발명의 기술적 사상이 포함하는 범위 내에서 검출대상물질에 제한 없이 본 발명에 의한 분자센서를 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는 검출대상물질에 의해 이동하는 전자의 양을 검출하는 것을 예로 하여 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 즉, 포텐시오스타트를 사용하여 CV를 측정하거나, 또는 CA를 측정하거나, 또는 CP를 측정하거나, 또는 SV를 측정하거나, 또는 LSV 등을 측정하여 검출대상물질을 검출함은 물론 그 양을 측정할 수 있다. 예를 들어, 도24에서 도시되는 바와 같이, FTO 투명전극에 [TiO₂]와, [Li+@C60][PF6-]를 영동시켜 워킹전극(W)을 구성하고, 백금전극(Pt)으로 카운터전극(CE)을 구성하고, 염화은전극(AgCl)으로 레퍼런스전극(RE)을 구성하여 석영유리 시험관에 장착한 후, 검출하고자 하는 대상을 전해액(예: 아세토니트릴)에 넣어 CV 측정을 함으로써 검출대상물질의 존재 여부 및 그 양을 측정할 수 있다. 도25는 CV 곡선의 일부분을 확대하여 나타낸 그래프로, 검출하고자 하는 물질((가)곡선)과 그렇지 않은 물질((나)곡선)의 에너지준위 설계에 따른 반응을 나타내고 있다. (가)곡선에서 "a"는 광(여기에너지)의 조사와 차단을 주기적으로 스위칭하였을 경우 광의 여기에너지에 의해 양극측이동유도물질에 여기가 일어나 전류가 많아졌다(광 조사) 적어졌다(광 차단)하는 것을 나타낸 것이고, "b"는 광을 조사하지 않았을 때를 나타낸 것이다("b"구간은 설명의 편의를 위해 광원을 OFF 시킨 상태를 삽입하여 나타낸 것임). 이때 발생한 전류 값의 차나, 그래프 특성을 분석하여 검출대상물질의 유무 및 양을 알 수 있다. (나)곡선은 검출하고자하는 물질이 아니어서 여기에너지(광 조사)에 따른 변화가 없음을 나타낸다.

또한, 도26에서 도시되는 바와 같이, 여기 에너지로 공급되는 광원의 파장에 따른 양자수율(IPCE)을 특징 요소로 하여 검출대상물질을 특정할 수 있음을 밝혀둔다.

1: 검출대상물질
110: 검출부 120: 센서전극부
121: 양극 122: 양극측이동유도물질
122a: 양극측제1이동유도물질 122b: 양극측제2이동유도물질
123: 음극측이동유도물질 124: 음극측이동유도물질
125: 케이스 125a: 개구부
130: 여기에너지공급부 131: 광원
140: 데이터저장부 150: 제어부
160: 표시부 161: 시각표시부
162: 청각표시부 170: 통신부
171: 유선통신부 172: 무선통신부
180: 전원공급부
W: 워킹전극 RE: 레퍼런스전극
CE: 카운터전극

Claims

검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극; 및,
검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;을 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 이 검출대상물질을 매개로 하여 음극에서 양극으로 전자 이동이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극;
검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극; 및,
상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하며, 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극;
검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질; 및,
상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 검출대상물질의 전자가 이동하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극;
검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질; 및,
상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 검출대상물질의 전도대로 여기된 전자가 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극;
검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및,
상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 검출대상물질에 있는 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극;
검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및,
상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 검출대상물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극;
검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및,
상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 검출대상물질의 전자가 이동하고, 셋째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 넷째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
검출하고자하는 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 낮은 산화환원전위를 갖도록 구성된 음극;
검출대상물질의 가전자대의 에너지준위 보다 높은 산화환원전위를 갖도록 구성된 양극;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 전도대의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 양극의 산화환원준위의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 양극측이동유도물질;
가전자대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 음극의 산화환원전위의 에너지준위보다 낮고, 전도대의 산화환원전위의 에너지준위가 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높은 에너지준위를 갖도록 구성된 음극측이동유도물질; 및,
상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하고, 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기할 수 있도록 여기 에너지를 공급하는 여기에너지공급부;를 포함하여 이루어져,
상기 음극과 양극 사이에 검출대상물질이 유입되었을 경우, 첫째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 양극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 양극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 양극으로 이동하고, 둘째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 검출대상물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 검출대상물질의 전도대로 여기된 전자가 양극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 셋째, 상기 여기에너지공급부에서 공급되는 여기 에너지에 의해 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기하고, 상기 음극측이동유도물질의 전도대로 여기된 전자가 상기 검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 이동하고, 넷째, 상기 음극측이동유도물질의 가전자대에 생긴 양공으로 음극에서 전자가 이동하는 과정이 이루어지도록 에너지준위가 설정됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 1 항에 있어서, 상기 검출대상물질은, 질소산화물(NOx), 또는 자연상태에서 라디칼을 가지고 있는 물질임을 특징으로 하는 분자센서.
제 3 항 내지 제 4 항, 또는 제 7항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출대상물질에서 공여되는 전자의 양극으로의 이동을 유도하는 양극측이동유도물질은 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 11 항에 있어서, 상기 양극측이동유도물질을 다수 개로 구성할 경우에는,
상기 검출대상물질에서 전자를 공여받는 최초의 양극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는, 그 다음번째 양극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고,
양극으로 전자를 공여하는 마지막의 양극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는 양극의 에너지준위보다 높게 설정하며,
그 중간단계에 있는 양극측이동유도물질들의 에너지준위는, 전도대의 에너지준위를 그 다음단계에 있는 양극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고, 가전자대의 에너지준위를 그 전단계에 있는 양극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위보다 낮게 설정함을 특징으로 하는 분자센서.
제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극에서 공여되는 전자의 검출대상물질로의 이동을 유도하는 음극측이동유도물질은 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 12 항에 있어서, 상기 음극측이동유도물질을 다수 개로 구성할 경우에는,
상기 음극에서 전자를 공여받는 최초의 음극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는, 그 다음번째 음극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고,
검출대상물질의 가전자대에 생긴 양공으로 전자를 공여하는 마지막의 음극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위는 상기 검출대상물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하며,
그 중간단계에 있는 음극측이동유도물질들의 에너지준위는, 전도대의 에너지준위를 그 다음단계에 있는 음극측이동유도물질의 가전자대의 에너지준위보다 높게 설정하고, 가전자대의 에너지준위를 그 전단계에 있는 음극측이동유도물질의 전도대의 에너지준위보다 낮게 설정함을 특징으로 하는 분자센서.
제 2 항 내지 제 8 항에 있어서, 상기 여기에너지공급부는, 가전자대와 전도대 사이의 밴드갭 에너지 이상의 광 에너지를 공급하는 광에너지공급부, 또는 전자파 에너지를 공급하는 전자파에너지공급부, 또는 열 에너지를 공급하는 열에너지공급부 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 14 항에 있어서, 상기 광에너지공급부는, 각기 다른 파장과 밝기를 가지는 하나 이상의 광 에너지를 공급함을 특징으로 하는 분자센서.
제 14 항에 있어서, 상기 광에너지공급부의 광원은, 각기 다른 파장을 가지는 LED 광원, 또는 각기 다른 파장을 가지는 레이저 광원, 또는 할로겐 램프, 또는 수은 램프, 또는 크세논 램프 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 14 항에 있어서, 상기 전자파에너지공급부는, 각기 다른 파장과 세기를 가지는 하나 이상의 전자파 에너지를 공급함을 특징으로 하는 분자센서.
제 14 항에 있어서, 상기 열에너지공급부는, 각기 다른 온도를 가지는 하나 이상의 열 에너지를 공급함을 특징으로 하는 분자센서.
제 3 항 내지 제 4 항, 또는 제 7 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극측이동유도물질은, 풀러렌, 풀러렌염, 이온내포풀러렌, 색소, 또는 이온내포풀러렌과 색소의 복합체 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 19 항에 있어서, 상기 풀러렌은, C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, C96 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분자센서.
제 19 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 내포되는 이온은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 마그네슘, 칼슘, 또는 스트론튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분자센서.
제 19 항에 있어서, 상기 색소는, 폴리-3-헥실 티 오펜(P3HT) 등의 폴리 티 오펜, 폴리p-페닐 렌, 폴리p-페닐 렌 비닐 렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, PEDOT, P3OT, POPT, MDMO-PPV, MEH-PPV 등의 고분자 중합체 또는 그 유도체 중 하나 이상임을 특징으로 하는 분자센서.
제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극측이동유도물질은, 풀러렌, 풀러렌염, 이온내포풀러렌, 색소, 또는 이온내포풀러렌과 색소의 복합체 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 23 항에 있어서, 상기 풀러렌은, C60, C70, C72, C78, C82, C90, C94, C96 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분자센서.
제 23 항에 있어서, 상기 이온내포풀러렌에 내포되는 이온은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 마그네슘, 칼슘, 또는 스트론튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분자센서.
제 23 항에 있어서, 상기 색소는, 폴리-3-헥실 티 오펜(P3HT) 등의 폴리 티 오펜, 폴리p-페닐 렌, 폴리p-페닐 렌 비닐 렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, PEDOT, P3OT, POPT, MDMO-PPV, MEH-PPV 등의 고분자 중합체 또는 그 유도체 중 하나 이상임을 특징으로 하는 분자센서.
제 3 항 내지 제 4 항, 또는 제 7 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극측이동유도물질은 전기영동을 이용하여 양극에 포함시킴을 특징으로 하는 분자센서.
제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극측이동유도물질은 전기영동을 이용하여 음극에 포함시킴을 특징으로 하는 분자센서.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출대상물질에 따른 전자의 흐름을 검출하는 검출부:를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 29 항에 있어서, 상기 검출부는 검출대상물질의 CV(Cyclic Voltammetry) 또는, CA(Chrono Amperometry), 또는 CP(Chorono Potentiommetry), 또는 SV(Stripping Voltammetry), 또는 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 중 어느 하나 이상을 검출하여 검출대상물질의 존재 여부 및 양을 검출함을 특징으로 하는 분자센서.
제 29 항에 있어서, 상기 검출부는 여기 에너지로 공급되는 광원의 파장에 따른 양자수율을 검출하여 검출대상물질의 존재 여부 및 양을 검출함을 특징으로 하는 분자센서.
제 29 항에 있어서, 상기 검출대상물질 검출에 대한 정보를 나타내는 표시부;를 더 포함하여 구성함을 특징으로 하는 분자센서.
제 29 항에 있어서, 상기 검출대상물질 검출에 대한 정보를 외부로 전송하는 통신부;를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 29 항에 있어서, 상기 검출대상물질 검출에 대한 정보를 저장하는 데이터저장부;를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극 또는 양극은 투명전극으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 33 항에 있어서, 상기 투명전극은, FTO, ITO, AZO, GZO, TCO 중 어느 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 분자센서.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출대상물질은, 암으로 인해 발생하는 암기인물질, 또는 결핵으로 인해 발생하는 결핵기인물질, 또는 구취를 원인으로 하여 발생하는 구취기인물질, 또는 스트레스를 원인으로 하여 발생하는 스트레스기인물질, 또는 농약 성분, 또는 폭발물 성분 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 분자센서.