KR20240018474A - 힘 감지용 나노센서, 및 관련 방법 - Google Patents

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KR20240018474A
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운장 박
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 콜로라도, 어 바디 코퍼레이트
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Abstract

힘을 검출하기 위한 나노센서가 금속 층, 가요성-재료 층, 및 광발광 재료를 포함한다. 가요성-재료 층은 금속 층의 상단 표면 상에 피착된다. 광발광 재료는 가요성-재료 층에 부착되거나, 적어도 부분적으로 그 내부에 내재되고, 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때 제1 광발광을 방출하도록 구성된다. 제1 광발광은 여기 파장과 상이한 제1 파장을 갖는다. 제1 광발광의 제1 세기는 광발광 재료와 금속 층 사이의 거리에 따라 변화되고, 이러한 거리는 가요성-재료 층에 작용하는 힘에 응답하여 변화된다.

Description

힘 감지용 나노센서, 및 관련 방법
관련 출원
본원은 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2021년 5월 7일자로 출원된 미국 가특허출원 제63/185,477호에 대한 우선권을 주장한다.
연방정부 지원 연구 또는 개발과 관련한 진술
이 발명은 미국 국립과학재단에서 수여하는 보조금 번호 CBET-2029559와 미국 국립보건원에서 수여하는 보조금 번호 1-R21-GM140347에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.
많은 생물학적 화상화 분야에서 최소 침습적 생체 내 힘 감지 및 생물학적 조직 내 힘 분포의 감지가 매우 바람직하다. 물리적 힘은 유기체의 크기 및 형상을 결정하는 데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라, 줄기 세포 분화, 전사 프로그램의 개시, 형태 형성(morphogenesis), 세포 이동, 악성 종양, 및 상처 치유와 같은 매우 다양한 생물학적 프로세스에서도 중요한 역할을 한다. 조직 이식, 보철, 및 최소 침습 수술과 같은 적용예에서도 내부 응력의 정확한 현장 모니터링이 중요하다.
본 실시형태는, 금속과 발광 재료 사이에서 가요성 재료의 층을 포함하는 플라즈몬 나노구조를 이용하는 힘 나노센서를 포함한다. 금속 층은 발광 층에 의해서 방출되는 발광의 하나의 컬러를 선택적으로 증강시킨다. 외부 힘이 나노센서에 인가될 때, 가요성 재료가 압축 또는 연신되어, 금속과 발광 층 사이의 거리가 변화되고 결과적으로 발광 세기가 변화된다. 나노센서는 또한, 금속 층이 다른 파장의 발광에 최소로 영향을 미치도록 설계된다. 따라서, 2개의 발광 컬러의 세기 비율은 금속과 발광 층 사이의 거리를 정확하게 결정할 수 있게 한다. 금속 층에 의한 발광 증강 및 소광(quenching)이 모두 극단적으로 짧은-범위의 상호 작용이기 때문에, 발광 신호는 1 nm 정로도 짧은 변위에도 감응적이다(sensitive). 센서에서 사용되는 가요성 재료의 탄성을 알고 있는 상태에서, 측정된 변위는 국소적인 힘으로 용이하게 변환된다.
제1 양태에서, 힘을 검출하기 위한 나노센서는 금속 층, 가요성-재료 층, 및 광발광 재료(photoluminescent material)를 포함한다. 가요성-재료 층은 금속 층의 상단 표면 상에 피착된다(deposited). 광발광 재료는 가요성-재료 층에 부착되거나, 적어도 부분적으로 그 내부에 내재되고, 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때 제1 광발광을 방출하도록 구성된다. 제1 광발광은 여기 파장과 상이한 제1 파장을 갖는다. 제1 광발광의 제1 세기는 광발광 재료와 금속 층 사이의 거리에 따라 변화되고, 이러한 거리는 가요성-재료 층에 작용하는 힘에 응답하여 변화된다.
제2 양태에서, 힘-감지 방법은 광발광 재료를 광학적으로 여기시키는 단계, 광발광 재료에 의해서 방출되는 제1 광발광의 제1 세기를 측정하는 단계, 및 광발광 재료에 가해진 힘을 결정하는 단계를 포함한다. 광발광 재료는 여기 파장의 여기 광으로 광학적으로 여기될 수 있다. 광발광 재료는, 금속 층의 상단 표면 상에 피착되는 가요성-재료 층에 부착될 수 있거나 적어도 부분적으로 그 내부에 내재될 수 있다. 제1 광발광의 제1 세기를 측정하는 것은 여기 파장과 상이한 제1 파장에서 광발광 재료에 의해서 방출되는 제1 광발광의 제1 세기를 측정하는 것을 포함한다. 힘을 결정하는 것은, 제1 세기 및 가요성 재료의 탄성도를 기초로, 가요성 재료에 인가된 힘을 결정하는 것을 포함한다.
제3 양태에서, 힘-감지 방법은 광발광 재료를 광학적으로 여기시키는 단계, 광발광 재료에 의해서 방출되는 제1 및 제2 광발광의 세기들을 측정하는 단계, 및 광발광 재료에 가해진 힘을 결정하는 단계를 포함한다. 광발광 재료는 여기 파장의 여기 광으로 광학적으로 여기될 수 있다. 광발광 재료는, 금속 층의 상단 표면 상에 피착되는 가요성-재료 층에 부착될 수 있거나 적어도 부분적으로 그 내부에 내재될 수 있다. 제1 광발광의 세기는 광발광 층과 금속 층 사이의 거리에 대해서 감응적이다. 제1 광발광의 세기에 비해서, 제2 광발광의 세기는 광발광 층과 금속 층 사이의 거리에 대해서 덜 의존적이거나 독립적이다. 힘을 결정하는 것은, 제1 및 제2 광발광들의 세기 비율 및 가요성 재료의 탄성도를 기초로, 가요성 재료에 인가된 힘을 결정하는 것을 포함한다.
제4 양태에서, 나노센서를 제조하는 방법은 금속 층을 규소 기재 상에 피착시키는 단계, 가요성-재료 층을 금속 층의 상단 표면 상에 피착시키는 단계, 및 광발광 재료를 가요성-재료 층 상에 피착시키는 단계를 포함한다.
도 1은 실시형태에서, 힘을 광학적으로 검출하기 위해서 사용되는 나노센서의 사시도이다.
도 2는 실시형태에서, 몇 개의 도 1의 나노센서를 포함하는 나노센서 어레이의 사시도이다.
도 3a 내지 도 4c는 실시형태에서, 나노센서를 제조하는 프로세스에서 형성된 중간 조립체를 도시한다.
도 5는 실시형태에서, 나노센서를 제조하기 위한 다른 프로세스를 도시한다.
도 6은 실시형태에서, 금속-절연체-금속 구조를 갖는 나노센서를 제조하기 위한 제조 프로세스를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 실시형태에서, 금 나노디스크 및 Yb-Er 상향-변환 나노입자(up-conversion nanoparticle)를 갖는 시뮬레이트된 나노센서의 결과를 도시한다.
도 8a, 도 8b, 및 도 9는 샘플 나노센서의 측정 결과를 보여 주는 도표이다.
도 10a 및 도 10b는 폐암 세포 내에서 금 나노로드(gold nanorod)를 갖는 상향-변환 나노입자를 포함하는 나노클러스터의 화상이다.
분명한 필요성에도 불구하고, 생물학적 조직 내에서 힘을 감지하기 위한 현재 이용 가능한 기술은 일반적으로 적절하지 못하다. 예를 들어, 트랙션 현미경(traction microscopy)은 분자-레벨의 힘에 관한 정보를 탐지하지 못하고 상당한 오류를 가지기 쉽다. 스트레인 게이지(strain gauge) 및 다른 전기 프로브는 매우 침습적이다. 캔틸레버 및 마이크로-공진기는 기본적으로 생체 내 힘의 감지와 양립될 수 없다. 분자 프로브를 이용한 형광 감지는 세포-이하의 레벨에서 높은 감응도로 힘을 감지할 수 있게 한다. 그러나, 형광-세기-기반의 감지 체계는 정확한 교정을 필요로 하고, 이는 일반적으로 어렵고 복잡한 절차 및 장비를 필요로 한다.
상향-변환 및 하향-변환 광발광 모두는 광전 변환(photovoltaics) 및 생물학적 화상화를 포함하는 다양한 적용예에서 상당히 주목 받고 있다. 발광 광자 에너지가 일반적으로 여기 광자 에너지보다 낮고 그에 따라 에너지 하향-변환 프로세스를 나타내는 광발광이 화상화에서 널리 사용된다. 유기 염료 및 퀀텀 닷과 같은 매우 다양한 발광 프로브가 이용될 수 있다. 란타나이드 이온으로 활성화된 상향-변환 나노입자(UCNP)는, 그 우수한 광안정성, 좁은 방출 대역, 낮은 세포 독성으로 인해서, 생물의학 적용예에서 많은 주목을 받고 있다. 또한, 근적외선(NIR) 여기의 이용은 자외선(UV) 및 가시광선에 비해서 많은 장점을 갖는다. 통상적인 형광 화상화에서 사용되는 UV 및 가시광선은 종종 주변 조직으로부터의 배경 형광을 여기시킨다. 대조적으로, NIR 광은 배경 형광을 여기시키지 않고, 높은 조직 투명도로 인해서 최소 손상으로 조직 내로 깊이 침투한다.
표면 플라즈몬 공명을 지원하는 금속 나노구조물은 금속 표면 부근에서 강력하게 증강된 국소적인 전기장을 나타낸다. 큰 국소적 전기장은 증강된 광-물질 상호 작용으로 이어지고, 결과적으로 더 강력한 광 산란, 흡수, 및 방출을 초래한다. 특히, 광발광의 플라즈몬 증강은 화상화 및 감지의 적용예에서 큰 관심을 갖는다. 퍼셀 효과(Purcell effect)로 종종 지칭되는 광발광의 플라즈몬 증강은 플라즈몬 공진으로 인한 증가된 광자 상태 밀도로부터 발생된다. 실제 증강 인자는 퍼셀 효과와 금속에 의한 불가피한 소광의 조합에 의해서 결정된다. 어떠한 경우에도, 광발광이 선형 프로세스이기 때문에, 플라즈몬-증강된 광발광 세기는 국소적인 세기 증강 인자에 선형적으로 비례하고, 국소적인 세기 증강 인자는 나노구조물 기하형태 및 사용되는 재료의 상세 내용에 의해서 결정된다. 대조적으로, 상향-변환은 비선형 프로세스이고, 그에 따라 플라즈몬 증강 또한 비선형적이다. 일반적으로, n-광자 상향-변환 프로세스의 발광 세기는 여기 광 세기의 n번째 제곱으로 스케일링된다(scale). 따라서, 플라즈몬 증강 인자는 또한 국소적인 세기 증강 인자의 n번째 제곱으로 스케일링되고, 잠재적으로 큰 증강을 가능하게 한다.
증강된 발광 세기가 일반적으로 감지 능력을 향상시키지만, 세기-기반의 감지는 정량적 감지에서 기본적인 문제에 직면한다. 감지 체적 내의 (형광 염료 또는 나노입자 이든 간에) 발광 프로브의 총 수를 제어 또는 측정하는 것이 어렵다. 그에 따라, 형광 감지는 샘플들 사이의 정성적 변화만을 제공할 수 있다. 더욱 문제가 되는 것으로서, 발광 프로브는 환경과의 상호 작용으로 인해서 그 퀀텀 효율이 변경될 수 있다. 예를 들어, 강력하게 흡수하는 재료 부근에 배치된 프로브는 상당한 발광 소광을 나타낼 수 있다. 절대적인 측정을 위해서, 엄격한 교정 프로세스가 필요하고, 이는 종종 실행하기가 어렵다.
비율 측정 감지(ratiometric sensing)는 이러한 어려움을 극복하는 단순하면서도 강력한 기술이다. 비율 측정 감지에서, 2개 이상의 방출 파장을 갖는 발광 프로브가 이용된다. 다수의 방출 라인들 사이에서, 하나는 분석물의 존재에 의해서 영향을 받는 반면, 다른 분석물은 변화 없이 유지된다. 분석물에 의해서 영향을 받지 않는 발광 세기는, 분석물-감응성 발광 세기의 교정에 이용되는 기준으로서의 역할을 한다. 유리하게, 세기 비율은 감지 체적 내의 프로브 분자 또는 나노입자의 수에 따라 달라지지 않는다. 퀀텀 효율에 영향을 미칠 수 있는 환경과의 상호 작용의 존재에도, 상호 작용이 약한 파장 의존성을 가지고 그에 따라 2개의 세기에 동일한 방식으로 영향을 미치기만 한다면, 이러한 비율은 보존된다.
UCNP를 포함하는 란타나이드-도핑된 발광 재료는 비율 측정 감지를 위한 우수한 프로브인데, 이는 이들이 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 NIR 영역에서 다수의 좁은-라인의 광발광 피크를 나타내기 때문이다. 비율 측정 감지의 이점을 잘-확립된 상향-변환의 플라즈몬 증강의 장점에 부가하는 것은 강력한 감지 플랫폼으로 이어질 수 있을 것이다. 특히, 하나의 광발광 컬러의 매우 선택적인 증강은 더 큰 감응도 및 더 넓은 동적 범위를 제공할 것이다.
도 1은 힘(114)을 광학적으로 검출하기 위해서 사용되는 나노센서(100)의 사시도이다. 나노센서(100)는 z 방향(오른쪽 좌표계(120) 참조)으로 두께(112)를 가지는 금속 층(106)을 포함한다. 금속 층(106)에 인접하여, z 방향으로 두께 거리(110)를 가지는 가요성-재료 층(104)이 위치된다. 나노센서(100)는 또한 가요성-재료 층(104)에 부착되거나 적어도 부분적으로 그 내부에 내재되는 광발광 재료를 포함한다. 도 1의 예에서, 광발광 재료는 복수의 UCNP(102)이다. 그러나, 광발광 재료는 대안적으로 매트릭스 내에 내재된 형광단(fluorophore), 반도체 나노결정의 슬라브, 또는 광발광을 생성하는 다른 유형의 재료일 수 있다. 광발광 재료는 또한, 범위로부터 벗어나지 않고도, 하향-변환, 또는 상향-변환 및 하향-변환의 조합을 구현할 수 있다. 금속 층(106) 및 가요성-재료 층(104)은 도 1에서 x-y 평면 내에서 직경(116)을 가지는 디스크-형상으로 도시되어 있다. 그러나, 금속 층(106) 및 가요성-재료 층(104)은 다른 형상, 예를 들어 규칙적 다각형, 불규칙적 다각형, 난형, 등을 가질 수 있다.
UCNP(102)가 근적외선(NIR) 레이저 광(118)에 의해서 여기될 때, UCNP는 레이저 광(118)의 여기 파장보다 더 짧은 파장의 다중-대역 광을 방출한다. 이러한 현상은, 레이저 광(118)의 2개 이상의 광자가 UCNP(102)에 의해서 흡수되어 개별적인 흡수된 광자보다 높은 에너지의 하나의 광자의 방출을 초래하는, 광자 상향-변환 프로세스에 기인한다. 상향-변환은, UCNP(102)의 화학적 조성에 따라, 다수의 방출 파장에서 발생될 수 있다. 일부 실시형태에서, UCNP(102)는 NaYF4:Yb3+, Er3+ (Yb-Er)로 구성된다. 범위로부터 벗어나지 않고도, 다른 유형의 재료 및 상이한 조성 레벨이 UCNP(102)를 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, NaYF4:Yb3+, Tm3+ (Yb-Tm) 또는 다른 희토류 금속-계 복합 재료가 사용될 수 있다. 실시형태에서, 레이저 광(118)에 의해서 여기될 때, 적색 광발광(122) 및 녹색 광발광(124)이 방출되도록, UCNP들(102)이 합성된다. 그러나, 범위로부터 벗어나지 않고도, 방출된 광발광 파장은 적색 및 녹색이 아닐 수 있거나, UCNP(102)는 2개 초과의 파장을 방출할 수 있다.
금속 층(106)은 UCNP(102)에 근접하여, 가요성-재료 층(104)에 의해서 설정된 거리(110)에 배치된다. 금속 층(106)은 적색 광발광(122)을 증강시키는(즉, 세기를 증가시키는) 한편, 녹색 광발광(124)은 변화 없이 유지되게 하거나 약간 소광되게 한다. 광발광 증강은, 금속 층(106) 내의 전자 진동이 특정 파장의 입사 광에 의해서 여기되어 금속 층(106)의 상단 표면에서의 국소적인 전기장의 증가로 이어질 때 발생되는 표면 플라즈몬 공진을 기초로 한다. 결과적인 발광의 증강은 퍼셀 효과로 공지되어 있다. 퍼셀 인자는 이러한 플라즈몬 공진으로 인한 발광 증강의 측정 값으로서 이용된다. 이러한 더 큰 국소적 전기장은 광-물질 상호 작용을 증강시켜, 광 방출 증가를 초래한다. 금속 층(106)의 재료 및 기하형태(즉, 형상 및 치수)는 플라즈몬 공진에 의해서 적색 광발광(122) 만이 증강되게 할 수 있다. 적색 광발광(122)의 퍼셀 인자, 그리고 그에 따라 세기는 거리(110)에 따라 달라지는 반면, 녹색 광발광(124)의 세기는 약간 소광된다. 거리(110)가 감소될 때, 적색 광발광(122)의 세기는 증가되는 반면, 녹색 광발광(124)의 세기는 변화 없이 유지되거나 약간 감소된다. 다른 한편으로, 거리(110)가 증가될 때, 적색 광발광(122)의 세기는 감소되는 반면, 녹색 광발광(124)의 세기는 변화 없이 유지되거나 약간 증가된다. 일부 실시형태에서, 거리(110)가 ~40 nm일 때, 플라즈몬 공진에 의해서 적색 광발광(122)의 세기는 약 1.5 배만큼 증가된다. 거리(110) 감소에 따라, 적색 광발광(122)의 세기는 점진적으로 증가된다. 나노센서(100)에서, 거리(110)가 10 nm까지 감소될 때, 적색 광발광 세기 증강 인자는 ~4에 도달한다. 범위로부터 벗어나지 않고도, 적색 이외의 다른 파장도 증강될 수 있고, 세기 증강 인자는 도 1의 실시형태의 증강 인자와 상이할 수 있다.
주어진 값의 거리(110)에서, 적색 광발광(122)의 세기 대 녹색 광발광(124)의 세기의 비율은 일정하고 나노센서(100)에서 사용된 UCNP(102)의 수, 레이저 광(118)의 세기, 및 나노센서(100)의 형상과 독립적이다. 이러한 적색-대-녹색(R/G) 세기 비율은 그에 따라 거리(110)에 따라서만 달라진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 힘(114)이 가요성-재료 층(104)의 상단 표면에 수직으로 인가될 때, 가요성-재료 층(104)은 힘(114)의 방향으로 그리고 가요성-재료 층(104)의 탄성도에 의해서 인가된 힘(114)에 비례하는 거리만큼 압축된다. 층(104)의 가요성 재료의 탄성도(예를 들어, 영률, 벌크 계수(bulk modulus) 등)는 이미 알려져 있거나 예를 들어 나노인덴테이션(nanoindentation)에 의해서 직접 측정될 수 있다. 가요성 재료의 알려진 또는 측정된 탄성도 계수로, 거리(110)의 값이 힘(114)의 크기에 직접적으로 맵핑될 수 있다.
금속 층(106) 내의 큰-전도도의 금속은, 녹색 광발광(124)의 세기에 영향을 미치지 않고, 적색 광발광(122)의 세기를 거리(110)에 따라 선택적으로 증강시킨다. 따라서, 거리(110)는 R/G 세기 비율의 특정 값에 상응한다. 가요성-재료 층(104)의 탄성도 계수가 거리(110)를 힘(114)에 대해서 맵핑함에 따라, R/G 세기 비율은 그에 따라 힘(114)에 따라 달라진다.
플라즈몬 공진 파장 및 퍼셀 인자 모두는 금속 층(106)의 재료 유형 및 기하형태에 따라 달라진다. 예를 들어, 직경(116)이 230 nm이고, 두께(112)가 15 nm이고, 거리(110)가 10 nm일 때, 플라즈몬 공진 파장은 654 nm이고 퍼셀 인자는 ~4이다. 동일한 10 nm의 거리(110)에서, 직경(116)이 190 nm로 변화되고, 두께(112)가 30 nm일 때, 플라즈몬 공진 파장은 적색 및 녹색 방출 대역 모두로부터 멀리 810 nm로 이동하고, 결과적인 퍼셀 인자는 700 nm 미만의 파장에서 거의 일정해 진다. 따라서, 실용적인 목적으로, 후자의 나노구조는 거리(110) 변화에 따른 R/G 세기 비율의 변화를 제공하지 않는다.
나노센서(100)를 위해서 사용되는 광발광 재료는 대안적으로 또는 부가적으로 하향-변환을 구현할 수 있다. 예를 들어, 광발광 재료는 레이저 광(118)을 하향-변환시켜 1,000 nm 내지 1,700 nm의 창(window) 내의 적외선 광발광을 방출할 수 있다. 이러한 적외선 창은 센티미터-이하의 조직 침투를 이용한 생체 내 생물학적 화상화에서 특히 매력적이다. Er3+-계의 나노입자는, 예를 들어, 1,500 nm 내지 1,700 nm의 하향-변환된 광발광을 방출할 수 있다. 이러한 파장 범위 내의 화상화는 광 산란 및 자가-형광 배경 모두를 감소시키고, 그에 따라 근적외선 및 가시광선 내의 상향-변환된 광발광보다 유리할 수 있다. 또한, 일부 유형의 광 검출기는, 가시광선 파장에 비해서, 적외선 파장에서 더 큰 퀀텀 효율을 갖는다. 하향-변환에서, 레이저 광(118)의 파장은 광발광 재료에 의해서 방출된 하나 이상의 파장보다 짧다(즉, 에너지가 더 크다). 플라즈몬 공진은 이러한 하향-변환된 방출 파장 중 하나를 증강시키도록 전환될 수 있다. 상향-변환의 경우에서와 같이, 증강된 파장에서의 광발광 세기 대 다른 파장에서의 광발광 세기의 비율을 이용하여 힘(114)을 결정할 수 있다.
플라즈몬-증강된 파장의 세기의 비율은, 대안적으로 또는 부가적으로, 입사 레이저 광(118)의 세기에 대해서 정규화될 수 있다. 레이저 광(118)의 세기는, 예를 들어, 나노센서(100) 이외의 프로브, 예를 들어 역 가스 크로마토그래피 프로브 에 의해서 또는 적외선 형광 염료에 의해서 직접 측정될 수 있다.
가요성-재료 층(104)을 위해서 사용될 수 있는 재료의 예는, 비제한적으로, 폴리이소프렌, 폴리부타디언스, 폴리클로로프렌, 폴리디메틸 실록산, 폴리아크릴레이트 엘라스토머, 및 폴리에틸렌을 포함한다. 광발광 재료는 호스트(host) 및 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트의 예는, 비제한적으로, Y2O3, Al2O3, YOCl, BaCl2, BaY2F4, AlF3, ZrF3, YF3, NaYF4, 및 NaGdF4를 포함한다. 도펀트의 예는, 비제한적으로, Yb, Er, Eu, Tb, Ce, Pr, Nd, Gd, Sm, Dy, Ho, 및 Tm을 포함한다.
도 2는 몇 개의 도 1의 나노센서(100)를 포함하는 나노센서 어레이(200)의 사시도이다. 도 2가 단지 4개의 나노센서(100)를 도시하지만, 범위로부터 벗어나지 않고도, 나노센서 어레이(200)는 다른 수의 나노센서(100)를 가질 수 있다. 나노센서 어레이(200)의 치수 및 그 기하형태는 다수의 동일한 센서(100)를 제조하는 프로세스에서 최종 스테이지를 나타낸다. 어레이(200)는 기재(202) 위에 피착된 또는 그 위에서 성장된 층(204)을 포함한다. 예를 들어, 기재(202)는 규소 웨이퍼 일 수 있고, 층(204)은 규소 웨이퍼 상에서 열적으로 성장된 실리카의 6-㎛ 두께 층일 수 있다. 레이저 간섭 리소그래피(LIL)가 나노센서 제조 중에 수행될 수 있다. 힘 측정 적용예에 따라, 몇 개의 옵션이 고려될 것이다. 이동 가능성을 요구하거나 작은 크기를 선호하는 일부 힘 측정 적용예에서, 개별적인 센서(100)가 층(204)으로부터 분리될 수 있고 힘 감지를 위한 희망 위치로 개별적으로 전달될 수 있다. 피부 조직 또는 더 큰 기관의 표면 상에 작용하는 힘과 같은, 더 큰 면적에 걸친 힘 분포의 측정에서, 나노센서 어레이(200) 형태의 균일하게 분포된 센서들이 해결책을 제공한다.
도 3a 내지 도 4c는 도 2의 나노센서 어레이(200)와 같은 플라즈몬 나노구조물을 제조하는 프로세스에서 형성된 중간 조립체(301, 303, 305, 307, 309, 및 311)를 도시한다. 도 3a는 중간 조립체(301)의 사시도이다. 중간 조립체(301)는 기재(360) 위에 피착된 또는 성장된 층(362)을 포함한다. 기재(360)는 규소 웨이퍼일 수 있고, 층(362)은 실리카 층일 수 있다. 예에서, 층(362)은 규소 웨이퍼 기재(360) 상에 6 마이크로미터의 두께까지 열적으로 성장된다. 이어서, 포토레지스트 층(364)이 층(362) 위에 스핀-코팅된다. 예를 들어 LIL을 이용하여, 홀(372)의 어레이가 이어서 형성될 수 있다. 예에서, 홀(372)의 어레이는 600 nm의 주기를 갖는다.
도 3b의 중간 조립체(303)는 금속 층(366)을 부가하는 것에 의해서 중간 조립체(301) 상에 형성된다. 금속 층(366)은 열적 증발을 이용하여 피착된 15 nm의 금 층일 수 있다. 금속 층(366)은 또한 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄, 또는 이들의 조합 중 하나일 수 있고, 범위로부터 벗어나지 않고도 다른 두께를 가질 수 있다. 도 3c의 중간 조립체(305)는 가요성-재료 층(368)을 부가하는 것에 의해서 중간 조립체(303) 상에 형성된다. 가요성-재료 층(368)은 가시광선 범위에서 투명한 이격부 층이다. 예를 들어, 가요성-재료 층(368)은, 비제한적으로, 폴리이소프렌, 폴리부타디언스, 폴리클로로프렌, 폴리디메틸 실록산, 폴리아크릴레이트 엘라스토머 및 폴리에틸렌과 같은 가요성 중합체 층일 수 있으며, 스핀-코팅에 의해서 금속 층(366) 상에 피착될 수 있다.
도 4a의 중간 조립체(307)는 광발광 재료(402)를 부가하는 것에 의해서 중간 조립체(305) 상에 형성된다. 광발광 재료(402)는 복수의 UCNP(예를 들어, 도 1의 UCNP(102))일 수 있고, 열적 분해 방법을 이용하여 합성될 수 있다. Yb-Er UCNP을 합성하는 예에서, 화합물 YCl3, GdCl3, YbCl3, 및 ErCl3가 각각 43.0, 26.4, 20.1, 및 2.2 밀리그램의 질량으로 3 mL의 올레산 및 7 mL의 1-옥타데센으로 이루어진 용액 내에서 혼합된다. Gd 이온이 나노입자 직경을 제어하기 위해서 사용되는 한편, 계면활성제의 상대적인 양이 나노입자 종횡비에 영향을 미친다. 혼합물을 10분 동안 160℃까지 가열하고, 이어서 상온으로 냉각하여 균질한 용액을 형성한다. 균질 용액을, 40.0 mg의 NaOH 및 59.3 mg의 NH4F를 20 mL의 메탄올에서 용해시키는 것에 의해서 준비된, 메탄올 용액과 혼합한다. 이어서, 혼합물을 퍼지 전에 25분 동안 아르곤 유동 하에서 100℃까지 가열하고, 그 후에 혼합물을 반응 용기 내에서 밀봉하여 1시간 동안 300℃까지 가열한다. 결과적인 혼합물을 상온까지 서서히 냉각하고 200 표준 도수 에탄올(proof ethanol)을 이용하여 세척한다. 이어서, 7000 rpm에서 10분 동안 세척 혼합물을 원심 분리하고 오븐에서 건조한 후에, 나노입자를 수집한다. 이러한 단계는 희망하는 나노입자가 얻어질 때까지 반복될 수 있고, 이어서 나노입자는 톨루엔 내에서 분산된다. 실시형태에서, UCNP 농도를 250 μg/mL으로 조정하여 나노층을 획득한다. 범위로부터 벗어나지 않고도, 열적 분해 방법의 다른 조성 레벨 또는 변경을 이용하여 UCNP를 합성할 수 있다. 다른 유형의 광발광 재료가 또한 UCNP를 위해서 사용될 수 있다. 이러한 예에서, UCNP 용액을 봉입 셀 내에서 건조하는 것에 의해서, UCNP가 중간 조립체(305) 상에 피착된다.
도 4b의 중간 조립체(309)는 층(469)을 부가하는 것에 의해서 중간 조립체(307) 상에 형성된다. 층(469)을 이용하여 중간 조립체(307) 내에 고정된 UCNP를 유지한다. 예를 들어, 층(469)은 중간 조립체(307) 상의 광발광 재료(402)를 덮는 10 nm 두께의 인듐 주석 산화물(ITO) 상부 층으로 이루어진 스퍼터링된 층일 수 있다. 포토레지스트 층(364)의 제거에 의해서, 도 4c의 중간 조립체(311)는 플라즈몬 나노구조물을 중간 조립체(309)로부터 격리시킨다. 예를 들어, 포토레지스트 층(364)은 초음파 처리와 함께 중간 조립체(309)를 아세톤 내에 담그는 것에 의해서 제거될 수 있다. 나머지 중간 조립체(311)는 층(362)의 상단부에서 나노센서(400)의 어레이를 포함한다. 나노센서(400)의 어레이는 나노센서 어레이(200)의 예이다. 폴리비닐 알코올(PVA)과 같은 수용성 중합체를 나노센서 어레이 위에 도포하여 각각의 나노센서를 층(362)으로부터 탈착시킬 수 있다. 각각의 나노센서는 도 1의 나노센서(100)의 예이다. 그 후에, 수용성 중합체를 물 내에서 용해시켜 나노센서(400)를 물 내에서 분산시킴으로써, 생물학적 실험과 같은 희망하는 적용예에 적합하게 만든다.
제조 프로세스의 변경을 도입하여 여기 파장에서의 흡수를 향상시킬 수 있고, 이는 상향-변환 발광의 증강을 초래할 수 있다. 제조 프로세스의 예시적인 변경이 도 5에 도시되어 있고, 이는, 도 3a 내지 도 4c에 대해서 전술한 방법에 대해서 대안적인 나노센서를 제조하기 위한 프로세스(500)를 도시한다. 프로세스(500)는 금속 층(566) 및 가요성-재료 층(568)을 규소 기재(560) 상에 피착시키는 것을 포함한다. 금속 층(566) 및 가요성-재료 층(568)은 금속 층(366) 및 가요성-재료 층(368)의 각각의 예이다. 금속 층(566)은 금 층일 수 있다. 가요성-재료 층(568)은 폴리디메틸실록산(PDMS)의 층일 수 있다. LIL은 나노 홀(572)의 어레이를 생성하기 위해서 포토레지스트 층(564)을 스핀-코팅한 후에 수행되고, 이러한 나노 홀은 이어서 UCNP(502)로 충진된다. 이어서, 마스크 층(576)이 에칭 마스크 층으로서 피착된다. 마스크 층(576)은 금 층일 수 있다. 반응성-이온 에칭이, 나노홀(572) 내의 구조물을 그대로 두고, 가요성-재료 층(568)을 제거한다. 이어서, 마스크 층(576)의 습식 에칭을 수행하여 에칭 마스크를 제거하고 중간 조립체(511)를 남긴다. 중간 조립체(511)는 도 2의 중간 조립체(311) 및 나노센서 어레이(200)의 예이다. 중간 조립체(511)는 규소 기재(560) 상에서 나노센서(590)를 포함한다. 나노센서(590)는 수용성 중합체를 이용하여 규소 기재(560)로부터 탈착될 수 있고 사용을 위해서 물 내에서 분산될 수 있다.
또한, 나노센서의 일부일 수 있는 나노구조물은, 금속-절연체-금속(MIM) 구조물과 같은 다른 구조물을 가질 수 있다. 도 6은 MIM 구조물을 갖는 나노구조물(690)을 제조하기 위한 제조 프로세스(600)를 도시한다. 제조 프로세스(600)는 포토레지스트 층(667)을 규소 기재(660) 상에 피착시키는 것을 포함한다. 포토레지스트 층(667) 및 규소 기재(660)는 각각 포토레지스트 층(564) 및 규소 기재(560)의 예이다. 중간 조립체(603)에서, 나노홀(672)의 어레이가 LIL을 이용하여 생성된다. 중간 조립체(603)에서, 제1 금속 층(665), UCNP 단일 층(668), 및 제2 금속 층(676)이 순차적으로 피착된다. 금 층일 수 있는 금속 층(665 및 676)은 금속 층(366)의 예이다. 금속 층(665 및 676)은 열적 증발 방법에 의해서 피착될 수 있다. UCNP 단일 층(668)은 열적 분해 방법에 의해서 합성될 수 있다. 나노구조물(690)이 도 1의 나노센서(100)와 같은 나노센서가 되기 위해서, 가요성-재료 층(568)과 같은 가요성-재료 층이 UCNP 단일 층(668)과 금속 층(665 및 676) 중 하나 또는 둘 모두의 사이에 피착될 수 있다. 그 후의 포토레지스트 층(667)의 제거는 중간 조립체(611)를 초래한다. 중간 조립체(311) 및 나노센서 어레이(200)의 예인 중간 조립체(611)는 규소 기재(660) 상의 나노구조물(690)의 어레이를 포함한다. MIM 구조물을 가지는 나노구조물(690)은 PVA(678)와 같은 수용성 중합체를 이용하여 규소 기재(660)로부터 탈착될 수 있고 물에서 분산될 수 있다.
전술한 방법을 이용하여 제조된 나노센서는 매우 균일한 나노구조물이고, 이는, 녹색 광발광을 변화 없이 유지하거나 약간 소광되게 하면서 적색 광발광을 증강시키는 것(즉, 세기를 증가시키는 것)에 의해서 더 감소되는, 불균일한 확장이 최소화된 일정한, 협대역 공진을 생성한다. 대조적으로, 나노센서의 제조 프로세스 중에 도입되는 임의의 불균일성이 녹색 광발광의 증강을 또한 초래할 수 있고, 그에 의해서 불균질한 확장을 증가시킬 수 있고 센서 성능을 저하시킬 수 있다.
나노구조물의 성능 개선은 나노센서의 각각의 구성요소를 위해서 사용되는 재료를 주의 깊게 선택하는 것에 의해서 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 추가적인 증강은 도 1의 금속 층(106)과 같은 금속 층을 위한 재료로서 은을 선택하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 은이 금보다 작은 흡수 손실을 가질 것으로 예상됨에 따라, 은 나노디스크는 더 큰 국소적 필드 증강을 초래할 수 있고, 그에 의해서 적색-대-녹색 비율을 증가시킨다. 그러나, 은은 산화에 의해서 저하되기 쉬울 수 있고, 이는 나노구조물을 불활성 코팅으로 캡슐화하는 것에 의해서 해결될 수 있다.
또한, 금속 층을 피착시키는 프로세스에서, 무기질 기재 상에 금을 직접 피착시키는 것은, 금의 양호하지 못한 습윤으로 인해서, 섬-유사 성장(island-like growth)을 초래할 수 있고 상당한 조도를 가지는 매우 과립형인 필름으로 이어질 수 있다. 티타늄 또는 크롬과 같은 적합한 접착 층의 부가는 피착 품질을 개선할 수 있다. 그러나, 접착 층은 부가적인 광학적 손실을 도입할 수 있고 광학적 특성을 상당히 저하시킬 수 있다. 이러한 예에서, 게르마늄, 구리, 및 유기실란 중 하나로 이루어진 층이, 광학적 특성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서, 매우 매끄러운 금 또는 은 필름을 생성하는데 도움을 줄 수 있다.
다른 예에서, UCNP의 조성은 Yb-Er 대신 NaYF4:Yb3+, Tm3+ (Yb-Tm)일 수 있다. Yb-Er UCNP가 주로 2개의 컬러: 녹색 및 적색을 방출하는 반면, Yb-Tm UCNP는 다수의 발광 라인: 각각 파장이 350, 370, 650, 및 800 nm인 자외선(UV), 청색, 적색, 및 근적외선(NIR)을 방출한다. 다수의 방출 라인의 존재는, 발광의 선택적인 증강 및 소광을 기초로, 힘 센서를 설계할 때 더 큰 자유도를 제공할 수 있다. 예를 들어, 800 nm의 NIR 방출은 플라즈몬 증강을 위해서 사용될 수 있는 한편, 적색 방출 및 NIR 방출의 세기 비율은 신호로서 사용된다. 유리하게, NIR 영역 내에서, 금 및 은 나노디스크 모두는 가시광선 범위에서보다 적은 손실을 초래하고 더 큰 증강을 제공하며, 그에 의해서 센서 성능을 개선한다. 또한, 800 nm 및 650 nm 방출 모두는 생물학적 조직을 통한 보다 양호한 투과를 나타내고, 더 짧은 파장보다 산란 손실이 더 적다. 결과적으로, 이러한 장점은, Yb-Er UCNP를 기초로 하는 센서보다, 잠재적으로 더 큰 감응도, 더 큰 신호-대-노이즈 비율, 및 더 깊은 조직 침투를 갖는 보다 양호한 힘 센서로 이어질 수 있다. 그러나, Yb-Tm UCNP는, Yb-Er UCNP와 비교할 때, 더 작은 상향-변환을 가지는데, 이는 부분적으로 Yb-Tm UCNP 내의 상향-변환이 Yb-Er UCNP에서의 2-광자 상향-변환과 대조적으로 3-광자 프로세스이기 때문이다.
추가적인 개선이 또한 가요성-재료 층(368)과 같은 가요성-재료 층에서 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 탄성 계수가 작은 재료가 가요성-재료 층을 위해서 이용될 수 있다. 가요성 중합체들 중에서, PDMS는 작은 탄성 계수를 가지고 생체 적합하다. 탄성 계수는 또한, 조성 및 경화 온도와 같은 제조 조건을 조정하는 것에 의해서 설계될 수 있다.
또한, 가요성-재료 층 및 금속 층의 기하형태적 치수는 나노센서의 성능에 있어서 중요하다. 예를 들어, 도 7a 및 도 7b는 금 나노디스크 및 Yb-Er UCNP을 갖는 시뮬레이트된 나노센서의 결과를 보여 준다. 시뮬레이트된 나노센서는 나노센서(100)의 예이다. 시뮬레이트된 금 나노디스크는 두께가 15 nm였고, 100 nm의 직경을 가졌다. 표면 플라즈몬 공진으로부터의 국소적인 필드 증강은 적색 발광 파장(즉 ~650 nm)에서 이루어 졌다. 적색 방출의 결과적인 증강을 도 7a의 세기 도표(700)에 도시하였다. 세기 도표(700)는 금 나노디스크로부터 UCNP까지의 나노미터 단위의 거리에 따른 방출 세기를 보여 준다. 세기 도표(700)는 적색 방출 트레이스(712), 녹색 방출 트레이스(714), 및 기준 트레이스(716)를 포함한다. 기준 트레이스(716)는, 금 나노디스크로부터의 거리가 무한 거리일 때의 계산된 세기를 보여 준다. 세기 도표(700)는 적색 방출 트레이스(712)의 큰 증강을 보여 주는 한편, 녹색 방출 트레이스(714)에 대해서는 거의 없는 증강 또는 약간의 소광을 보여 준다.
도 7b는 금 나노디스크로부터 UCNP까지의 거리(나노미터)에 따른 적색-대-녹색 광발광 방출의 세기 비율 도표(701)이다. 세기 비율 도표(701)는 R/G 비율 트레이스(722) 및 기준 트레이스(726)를 포함한다. R/G 비율 트레이스(722)는 도 7a의 적색 방출 트레이스(712) 대 녹색 방출 트레이스(714)의 비율이다. 시뮬레이트된 나노센서의 설계에서, 금 표면으로부터의 거리가 50 nm로부터 5 nm로 감소될 때, R/G 비율은 7배 초과만큼 증가된다. 비율 인자는, 금 표면으로부터 무한대로 먼 거리에 대해서 계산된 R/G 비율인 기준 트레이스(726)에 대한 비교이다. 계산에서, 세 개의 독립적인 편광을 가는 쌍극자에 대한 증강 및 소광 인자는 18-nm UCNP가 차지하는 체적에 걸쳐 분포되었다. 따라서, 이러한 시뮬레이션의 결과는 현실적인 사례를 나타낸다.
도 7c는 금 나노디스크로부터의 다양한 거리에 대한 시뮬레이트된 광발광 세기 스펙트럼 도표(702)를 도시한다. 세기 스펙트럼 도표(702)는 각각 트레이스(732, 734, 736, 738, 및 740)로서 5 nm, 15 nm, 25 nm, 35 nm, 및 45 nm의 거리에 대한 트레이스를 포함한다. 세기 스펙트럼 도표(702)는 또한, 무한 거리에서의 거리에 대해서 계산된 기준 트레이스(742)를 포함한다. 세기 스펙트럼 도표(702)는, 적색 및 녹색 발광의 차등적인 증강이 금속 표면으로부터의 거리에 대해서 매우 감응적이고, 이러한 것이 R/G 세기 비율의 상당한 변화로 이어진다는 것을 보여 준다. 이러한 강력한 거리 의존성은 힘 감지 나노센서의 기초가 된다. 따라서, 나노센서의 감응도는 가요성-재료 층의 두께에 따라 달라진다.
제조된 나노센서의 특성화를 수행하여 나노센서를 평가 및 보정할 수 있다. 가요성-재료 층(예를 들어, 도 1의 가요성-재료 층(104))의 탄성 계수 및 나노센서의 광발광을 포함하는 측정이 나노센서의 보정에서 이용될 수 있다. 가요성-재료 층의 탄성 계수는 나노인덴터(nanoindenter)를 이용하여 특성화될 수 있다. 일반적으로, 가요성-재료 층의 탄성 계수는, 비제한적으로, 재료 선택, 층 두께(예를 들어, 도 1의 두께 거리(110)), 및 제조 방법(예를 들어, 경화 조건 및 용매의 선택)에 따라 달라진다. 따라서, 나노인덴터를 이용한 탄성 계수의 직접적인 측정은 탄성 계수에 대한 우려를 제거하고, 힘의 정확한 결정을 가능하게 한다.
나노센서를 물 내에 분산시키기 전에, 광발광 측정을 나노센서 어레이(예를 들어, 도 2의 나노센서 어레이(200))에서 수행할 수 있다. 이러한 측정은, 힘 정보를 추출하기 위해서 사용될 수 있는 힘-발광 관계를 제공한다. 광발광 측정은 (i) 알고 있는 힘을 나노센서에 인가하기 위한 고도로 제어된 방법, 및 (ii) 스트레인된 나노센서를 인가된 힘과 관련시키는 계산 모델을 필요로 한다. 요건 (i)을 위해서, 광학 현미경을 이용하여 나노센서 어레이를 모니터링하면서, 매우 정확한 병진운동 스테이지를 이용하여 나노센서 어레이를 압축한다. 일반적으로 이용 가능한 동력형 병진운동 스테이지의 대부분은 100 nm의 최소 병진운동 해상도를 가지고, 생체 내 상황을 모방하는데 필요한 작은 변형(1 nm 까지)을 생성할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 부가적인 하중 베어링 층이 나노센서 어레이에 부가될 수 있다. 예를 들어, 하중-베어링 가요성-재료 층이 인가된 스트레인을 분산시킬 수 있도록 그리고 센서 층 내에서 1 nm 정도로 작은 변형으로 이어질 수 있도록, 하중-베어링 가요성-재료 층의 더 두꺼운 층, 예를 들어 PDMS 층이 나노센서 어레이의 상단부에 피착될 수 있다. 또한, 강성 유리 슬라이드를 하중-베어링 가요성-재료 층과 센서 어레이 사이에 부가하여 임의의 복잡하고 균일하지 않은 변형을 방지할 수 있다.
실험적 시연
제시된 센서 개념의 실험적 검증을 위해서, 샘플 나노센서를 SiO2 기재 상에 제조하였다. 이러한 실험적 검증에서, 발광 세기 비율과 가요성-재료 층의 두께 사이의 관계를 검증하기 위해서, 가요성-재료 층 대신 ITO의 비-가요성 층을 사용하였다. 결과적인 비-가요성 구조물 및 손실 부분을 갖는 불완전한 나노센서를 검증 프로세스를 위한 "샘플 나노센서"로 지칭하지만, 이는 기능적 센서는 아니다. 샘플 나노센서를 도 4c의 중간 조립체(311)를 제조하기 위한 전술한 방법에 따라 제조하였고, 도 2의 나노센서 어레이(200)의 예이다. 몇 개의 구조물을 이하의 구성으로 제조하였다: (i) SiO2 기재 상의 UCNP 층, (ii) 가요성-재료 층 또는 ITO 층이 없는 금 나노디스크 상의 UCNP 층, (iii) 금 나노디스크가 없는 20-nm 두께의 ITO 층 상의 UCNP 층, (iv) UCNP 층, 10-nm 두께의 ITO 층, 및 금 나노디스크, 그리고 (v) UCNP 층, 20-nm 두께의 ITO 층, 및 금 나노디스크. 실험 설정은 공초점 레이저 주사 현미경, 분광기, 레이저, 광검출기를 포함하였다. 분광기와 커플링된 공초점 레이저 주사 현미경을 이용하여, 광발광(PL) 분광법을 수행하였다. 샘플 나노센서를 300 mW 전력의 980 nm 파장의 레이저로 여기시켰다. UCNP로부터의 방출을 규소 CCD 검출기로 수집하였다.
도 8a, 도 8b, 및 도 9는 샘플 나노센서의 측정 결과를 각각 보여 주는 도표(800, 802, 및 900)이다. 측정된 PL 결과를 녹색(즉, 556.4 nm)에 대해서 정규화하여, 도표(800 및 802) 내의 R/G 비율의 변화를 강조하였다. 도표(800)는 방출 파장에 따른 PL 세기를 보여 주고, 트레이스(810 및 812)를 포함한다. 트레이스(810 및 812)는 각각 샘플 나노센서 구성((i) 및 (ii))에 대한 측정된 PL 세기 트레이스이다. 금 나노디스크가 없는 구성((i))에 대한 트레이스(810)는 적색 방출 범위에서 4.4의 R/G 비율을 나타낸다. 대조적으로, 금 나노디스크를 포함하나 ITO 층이 없는 구성((ii))에 대한 트레이스(812)는 적색 방출 범위에서 6.6의 R/G 비율을 나타낸다. 따라서, 도표(800)는 금 나노디스크를 갖는 것에 의한 적색 PL 방출의 플라즈몬 증강을 확인한다. 1.5의 R/G 비율에 대한 측정된 증강 인자는 시뮬레이션과 잘 일치된다.
도표(802)는 방출 파장에 따른 PL 세기를 보여 주고, 트레이스(820, 822, 및 824)를 포함한다. 트레이스(820, 822, 및 824)는 각각 샘플 나노센서 구성((iii), (iv), 및 (v))에 대한 측정된 PL 세기 트레이스이다. 금 나노디스크가 없는 20-nm 두께의 ITO 층에서의 구성(iii)에 대한 트레이스(820)는 도표(800)에 도시된 SiO2 기재에서의 UCNP보다 작은 R/G 비율을 나타내는데, 이는 스퍼터링된 ITO 층이 녹색에서보다 적색 파장에서 더 강력한 흡수를 가지기 때문이다. 그러나, 654 nm에서 플라즈몬 공진을 갖는 금 나노디스크가 모두 부가된 각각의 구성((iv) 및 (v))에 대한 트레이스(822 및 824)는 적색 광발광 세기의 상당한 증가를 보여 준다. 20-nm 두께의 ITO 층의 트레이스(824)는 10-nm 두께의 ITO 층의 트레이스(822)에서 나타난 것 보다 작은 R/G 비율을 나타내는데, 이는 20-nm 두께의 ITO 층의 플라즈몬 공진이 더 약하고 방출 파장으로부터 더 멀리 적색-이동되어 654 nm에서 더 작은 PL 증강을 초래하기 때문이다. 더 두꺼운 두께로 인한 적색에서의 더 큰 ITO 흡수로부터의 작은 기여는 또한 더 작은 R/G 비율에 기여할 수 있다.
도 9에서, 도표(900)는, ITO 층 두께에 따라, 시뮬레이트된 퍼셀 인자로부터 계산된 R/G 비율과 측정된 R/G 비율을 비교한다. 0 nm, 10 nm, 및 20 nm의 두께에서, 샘플 나노센서 구성((i), (iv), 및 (v))을 각각 이용하였다. 시뮬레이트된 R/G 비율(914)는 시뮬레이트된 퍼셀 인자를 기준 샘플의 측정된 PL 세기에 곱하는 것에 의해서 계산되었고, 여기에서 기준 샘플은 구성((i))를 갖는 샘플 나노센서 였다. 측정된 비율(912)은 샘플 구성((iv) 및 (v))에 대한 R/G 비율을 나타낸다. 도표(900)는 실험 결과와 시뮬레이션으로부터 예상 값 사이의 우수한 일치를 보여 준다.
동물 적용예에서 나노센서를 사용할 때, 호스트 피부의 광학적 투과를 고려할 필요가 있을 수 있다. 광학적 투과는 분광법에 의해서 직접적으로 측정될 수 있다. 대안적으로, 광학적 투과는 또한 피하 주입된 자유 UCNP(예를 들어, 금 나노디스크가 없는 나노센서)로부터 발광 신호를 측정하는 것에 의해서 측정될 수 있다. 이어서, 측정된 피부 투과를 이용하여 나노센서로부터 획득된 신호를 보정할 수 있다.
또한, UCNP는 살아 있는 세포에서 발견되는 단백질과 생체-접합될(bio-conjugated) 수 있다. 예로서, 도 10a 및 도 10b는 폐암 세포 내에서 금 나노로드(AuNR)를 갖는 UCNP를 포함하는 나노클러스터(1020)의 화상이다. 도 10a에서, 화상(1000)은 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영되었고 나노클러스터(1020)를 보여 준다. 삽입 화상(1001)은 투과 전자 현미경(TEM)으로 촬영되었고 나노클러스터(1020)를 상세히 보여 준다. UCNP는 항-상피세포 성장 인자 수용체(EGFR) 항체와 접합되어 EGFR 발현 세포의 특이적 표적화를 시연하였다. 기능화된 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG) 링커를 사용하여 나노클러스터를 위한 합성 프로세스를 개발하였다. 선택적 결합 및 세포 표적화는 EGFR-양성(A549) 및 EGFR-음성(H520) 폐암 세포의 혼합물을 사용하여 수행되었다. 표준 형광 현미경으로 EGFR-양성 세포와 EGFR-음성 세포를 구별하기 위해서, EGFR-음성 세포는 NucLight Red 렌티바이러스를 형질 전환하여 현상(develop)하였고, UCNP-AuNR 나노클러스터는 항-EGFR 항체 외에 면역글로불린 G(IgG)에 대한 DyLight 표지 2차 항체와 추가로 접합시켰다. 이는, EGFR-양성 세포 및 음성 세포를 각각 그 녹색과 적색 형광으로 쉽게 구분할 수 있게 한다.
도 10b의 화상(1002)은 A549 및 H520 세포의 무작위적 혼합물의 명시야 화상을 보여 준다. 588 nm 여기 하에서, H520(EGFR-음성) 세포의 핵은 적색으로 형광화되며, 이는 화상(1004)에서 광 클러스터(1024)로 표시되어 있다. 대조적으로, 493-nm 여기 광 하에서, EGFR-양성 A549 세포는 녹색 발광을 나타내며, 이는 화상(1006)에서 광 클러스터(1026)으로 표시되어 있다. 화상(1008)은 화상(1004 및 1006)의 중첩이고, 이는, 각각의 클러스터(1024 및 1026)로서 표시된, 적색 형광과 녹색 형광 사이에서 중첩이 없다는 것을 나타낸다. 이러한 예는, 항-EGFR 접합 UCNP-AuNR 나노클러스터가 EGFR-양성 세포에만 결합하고 EGFR-음성 세포에는 결합하지 않았다는 것을 보여주며, EGFR-양성 세포가 EGFR-음성 세포와 함께 산란된 생체 내 상황을 나타낸다. 결과적으로, 전술한 생체-접합 프로세스가 잘-알려진 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필) 카르보디이미드 염산염(EDAC) 반응이므로, 유사한 프로세스를 통해서 대부분의 단백질과 나노센서의 생체-접합을 할 수 있다. 이어서, 나노센서를 적절한 항체와 결합시키는 것에 의해서 특정 세포 유형을 표적화할 수 있으며, 이는 표적 세포 상의 국소적인 힘만 측정할 수 있게 한다.
특징들의 조합
범위로부터 벗어나지 않고도, 전술한 특징뿐만 아니라 이하에서 청구되는 특징을 다양한 방식으로 조합할 수 있다. 이하에 나열된 예는 일부 가능한, 비제한적인 구성을 예시한다.
(A1) 힘을 검출하기 위한 나노센서가 금속 층, 가요성-재료 층, 및 광발광 재료를 포함한다. 가요성-재료 층은 금속 층의 상단 표면 상에 피착된다. 광발광 재료는 가요성-재료 층에 부착되거나, 적어도 부분적으로 그 내부에 내재되고, 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때 제1 광발광을 방출하도록 구성된다. 제1 광발광은 여기 파장과 상이한 제1 파장을 갖는다. 제1 광발광의 제1 세기는 광발광 재료와 금속 층 사이의 거리에 따라 변화되고, 이러한 거리는 가요성-재료 층에 작용하는 힘에 응답하여 변화된다.
(A2) (A1)로 표시된 나노센서에서, 광발광 재료는, 제1 파장이 여기 파장보다 커지게 하는 하향-변환을 구현하도록 구성된다.
(A3) (A1) 및 (A2)로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 광발광 재료는, 제1 파장이 여기 파장보다 작아지게 하는 상향-변환을 구현하도록 구성된다.
(A4) (A1) 내지 (A3)으로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 여기 파장은 근적외선이다.
(A5) (A1) 내지 (A4)로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 광발광 재료는, 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때, 여기 파장 및 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 광발광을 더 방출하고; 제2 광발광의 제1 세기 및 제2 세기의 비율은 광발광 재료와 금속 층 사이의 거리에 따라 변화된다.
(A6) (A5)로 표시된 나노센서에서, 제1 파장은 적색이고 제2 파장은 녹색이다.
(A7) (A1) 내지 (A6)으로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 힘은 힘 벡터의 성분이고, 힘은 상단 표면에 대한 법선으로 배향된다.
(A8) (A1) 내지 (A7)로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 금속 층은 고-전도도 금속을 포함하고, 그에 따라 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때 플라즈몬 공진이 상단 표면에서 생성된다.
(A9) (A1) 내지 (A8)로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 금속 층은 금, 은, 구리, 백금, 및 알루미늄 중 하나 이상을 포함한다.
(A10) (A1) 내지 (A9)의 나노센서 중 어느 하나에서, 금속 층은 디스크로서 성형된다.
(A11) (A1) 내지 (A10)으로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 디스크는 불활성 코팅으로 캡슐화된다.
(A12) (A1) 내지 (A11)로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 광발광 재료는 복수의 상향-변환 나노입자를 포함한다.
(A13) (A1) 내지 (A12)로 표시된 나노센서 중 어느 하나에서, 가요성-재료 층은 중합체를 포함한다.
(B1) 힘-감지 방법이 광발광 재료를 광학적으로 여기시키는 단계, 방출되는 제1 광발광의 제1 세기를 측정하는 단계, 및 가해진 힘을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 광학적으로 여기시키는 단계는 광발광 재료를 여기 파장의 여기 광으로 여기시키는 것을 포함한다. 광발광 재료는, 금속 층의 상단 표면 상에 피착되는 가요성-재료 층에 부착되거나 적어도 부분적으로 그 내부에 내재된다. 상기 측정하는 단계는 광발광 재료에 의해서 방출되는 제1 광발광의 제1 세기를 측정하는 것을 포함하고, 제1 광발광은 여기 파장과 상이한 제1 파장을 갖는다. 상기 결정하는 단계는, 제1 세기 및 가요성 재료의 탄성도를 기초로, 가요성 재료에 인가된 힘을 결정하는 것을 포함한다.
(B2) (B1)로 표시된 방법에서, 방법은 여기 광의 여기 세기를 측정하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 세기 및 여기 세기의 비율을 계산하는 단계를 더 포함한다. 상기 결정하는 단계는 비율을 기초로 한다.
(B3) (B1) 및 (B2)로 표시된 방법에서, 방법은 여기 광을 하향-변환하는 것에 의해서 제1 광발광을 생성하는 단계를 더 포함한다.
(B4) (B1) 및 (B2)로 표시된 방법에서, 방법은 여기 광을 상향-변환하는 것에 의해서 제1 광발광을 생성하는 단계를 더 포함한다.
(B5) (B1) 내지 (B4)로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 방법은 제1 파장과 상이한 제2 파장으로 광발광 재료에 의해서 방출되는 제2 광발광의 제2 세기를 측정하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 세기 및 제2 세기의 비율을 계산하는 단계를 더 포함한다. 상기 결정하는 단계는 비율을 기초로 한다.
(B6) (B5)로 표시된 방법에서, 방법은 여기 광을 상향-변환하는 것에 의해서 제1 광발광 및 제2 광발광을 생성하는 단계를 더 포함한다.
(B7) (B5)로 표시된 방법에서, 방법은 여기 광을 하향-변환하는 것에 의해서 제1 광발광 및 제2 광발광을 생성하는 단계를 더 포함한다.
(B8) (B1) 내지 (B7)로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 여기 파장은 근적외선이다.
(B9) (B1) 및 (B8)로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 방법은 가요성-재료 층에 힘을 인가하는 단계를 더 포함한다.
(C1) 나노센서를 제조하는 방법이 금속 층을 규소 기재 상에 피착시키는 단계, 가요성-재료 층을 금속 층의 상단 표면 상에 피착시키는 단계, 및 광발광 재료를 가요성-재료 층 상에 피착시키는 단계를 포함한다.
(C2) (C1)로 표시된 방법에서, 방법은: (i) 금속 층의 금속을 선택하는 단계, (ii) 금속 층의 기하형태적 치수를 선택하는 단계로서, 기하형태적 치수는 두께 치수 및 표면 치수를 포함하는, 단계, (iii) 가요성-재료 층의 기하형태적 치수를 선택하는 단계, (iv) 광발광 재료를 위한 재료를 선택하는 단계, 및 (v) 광발광 재료의 기하형태적 치수를 선택하는 단계 중 하나 이상을 더 포함한다. 플라즈몬 주 공진 파장은 광발광 재료로부터 방출되는 제1 광발광의 제1 파장과 동일하다. 광발광 재료로부터 방출되는 제2 광발광의 제2 파장은 플라즈몬 공진 동작 스펙트럼의 외부에 위치된다.
(C3) (C1) 및 (C2)로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 상기 금속 층을 피착시키는 단계는 금, 은, 구리, 백금, 및 알루미늄 중 하나 이상으로 제조된 층을 피착시키는 것을 포함한다.
(C4) (C1) 내지 (C3)으로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 방법은 금속 층과 가요성-재료 층 사이에 접착제 층을 피착시키는 단계를 더 포함한다.
(C5) (C4)로 표시된 방법에서, 상기 접착제 층을 피착시키는 단계는 게르마늄, 구리, 티타늄, 크롬, 및 유기실란 중 적어도 하나로 제조된 접착제 층을 피착시키는 것을 포함한다.
(C6) (C1) 내지 (C5)로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 상기 금속 층을 피착시키는 단계는 디스크로서 성형된 금속 층을 피착시키는 것을 포함한다.
(C7) (C1) 내지 (C6)으로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 상기 광발광 재료를 피착시키는 단계는 복수의 상향-변환 나노입자를 가지는 재료를 피착시키는 것을 포함한다.
(C8) (C1) 내지 (C7)로 표시된 방법 중 어느 하나에서, 상기 가요성-재료 층을 피착시키는 단계는 중합체를 피착시키는 것을 포함한다.
본 실시형태의 범위로부터 벗어나지 않고도, 전술한 방법 및 시스템을 변경할 수 있다. 그에 따라, 전술한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 것이 예시적인 것으로 그리고 비제한적인 것으로 해석되어야 한다는 것에 주목하여야 한다. 본원에서, 그리고 달리 표시되지 않는 한, "실시형태에서"라는 문구는 "특정 실시형태에서"라는 문구와 동일하고, 모든 실시형태를 지칭하는 것은 아니다. 이하의 청구범위는 본원에서 설명된 모든 전반적인 그리고 특정된 특징뿐만 아니라, 언어의 문제로서 포함된다고 말할 수 있는, 본 방법 및 시스템의 범위에 관한 모든 진술을 포함하도록 의도된 것이다.

Claims (30)

  1. 힘을 검출하기 위한 나노센서이며:
    금속 층;
    상기 금속 층의 상단 표면 상에 피착된 가요성-재료 층; 및
    상기 가요성-재료 층에 부착되거나 적어도 부분적으로 그 내부에 내재되고, 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때 제1 광발광을 방출하도록 구성되는 광발광 재료로서, 상기 제1 광발광은 상기 여기 파장과 상이한 제1 파장을 가지는, 광발광 재료를 포함하고;
    상기 제1 광발광의 제1 세기는 상기 광발광 재료와 상기 금속 층 사이의 거리에 따라 변화되고, 상기 거리는 상기 가요성-재료 층에 작용하는 힘에 응답하여 변화되는, 나노센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광발광 재료는, 상기 제1 파장이 상기 여기 파장보다 커지게 하는 하향-변환을 구현하도록 구성되는, 나노센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광발광 재료는, 상기 제1 파장이 상기 여기 파장보다 작아지게 하는 상향-변환을 구현하도록 구성되는, 나노센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 여기 파장이 근적외선인, 나노센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광발광 재료는, 상기 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때, 상기 여기 파장 및 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 광발광을 더 방출하고; 그리고
    상기 제2 광발광의 제1 세기 및 제2 세기의 비율은 상기 광발광 재료와 상기 금속 층 사이의 거리에 따라 변화되는, 나노센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 파장은 적색이고 제2 파장은 녹색인, 나노센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 힘은 힘 벡터의 성분이고, 상기 힘은 상기 상단 표면에 대한 법선으로 배향되는, 나노센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 층은 고-전도도 금속을 포함하고, 그에 따라 상기 여기 파장에서 광학적으로 여기될 때 플라즈몬 공진이 상기 상단 표면에서 생성되는, 나노센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 층은 금, 은, 구리, 백금, 및 알루미늄 중 하나 이상을 포함하는, 나노센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 층은 디스크로서 성형되는, 나노센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속 층은 불활성 코팅으로 캡슐화되는, 나노센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광발광 재료는 복수의 상향-변환 나노입자를 포함하는, 나노센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가요성-재료 층은 중합체를 포함하는, 나노센서.
  14. 힘-감지 방법이며:
    금속 층의 상단 표면 상에 피착되는 가요성-재료 층에 부착되거나 적어도 부분적으로 그 내부에 내재되는 광발광 재료를 여기 파장의 여기 광으로 광학적으로 여기시키는 단계;
    상기 여기 파장과 상이한 제1 파장으로 상기 광발광 재료에 의해서 방출되는 제1 광발광의 제1 세기를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 세기 및 상기 가요성 재료의 탄성도를 기초로, 상기 가요성 재료에 인가된 힘을 결정하는 단계를 포함하는, 힘-감지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 여기 광의 여기 세기를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 세기 및 상기 여기 세기의 비율을 계산하는 단계를 더 포함하고;
    상기 결정하는 단계는 상기 비율을 기초로 하는, 힘-감지 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 여기 광을 하향-변환하는 것에 의해서 상기 제1 광발광을 생성하는 단계를 더 포함하는, 힘-감지 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 여기 광을 상향-변환하는 것에 의해서 상기 제1 광발광을 생성하는 단계를 더 포함하는, 힘-감지 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 파장과 상이한 제2 파장으로 상기 광발광 재료에 의해서 방출되는 제2 광발광의 제2 세기를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 세기 및 상기 제2 세기의 비율을 계산하는 단계를 더 포함하고;
    상기 결정하는 단계는 상기 비율을 기초로 하는, 힘-감지 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 여기 광을 상향-변환하는 것에 의해서 상기 제1 광발광 및 제2 광발광을 생성하는 단계를 더 포함하는, 힘-감지 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 여기 광을 하향-변환하는 것에 의해서 상기 제1 광발광 및 제2 광발광을 생성하는 단계를 더 포함하는, 힘-감지 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 여기 파장이 근적외선인, 힘-감지 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 가요성-재료 층에 힘을 인가하는 단계를 더 포함하는, 힘-감지 방법.
  23. 나노센서를 제조하는 방법이며:
    금속 층을 규소 기재 상에 피착시키는 단계;
    가요성-재료 층을 상기 금속 층의 상단 표면 상에 피착시키는 단계; 및
    광발광 재료를 상기 가요성-재료 층 상에 피착시키는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    (i) 플라즈몬 주 공진 파장이 상기 광발광 재료로부터 방출되는 제1 광발광의 제1 파장과 동일하도록, 그리고 (ii) 상기 광발광 재료로부터 방출되는 제2 광발광의 제2 파장이 플라즈몬 공진 동작 스펙트럼의 외부에 위치되도록,
    금속 층의 금속을 선택하는 단계;
    상기 금속 층의 기하형태적 치수를 선택하는 단계로서, 상기 기하형태적 치수는 두께 치수 및 표면 치수를 포함하는, 단계;
    상기 가요성-재료 층의 기하형태적 치수를 선택하는 단계;
    상기 광발광 재료를 위한 재료를 선택하는 단계; 및
    상기 광발광 재료의 기하형태적 치수를 선택하는 단계 중 하나 이상을 더 포함하는, 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 금속 층을 피착시키는 단계는 금, 은, 구리, 백금, 및 알루미늄 중 하나 이상으로 제조된 층을 피착시키는 것을 포함하는, 방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 금속 층과 상기 가요성-재료 층 사이에 접착제 층을 피착시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 접착제 층을 피착시키는 단계는 게르마늄, 구리, 티타늄, 크롬, 및 유기실란 중 적어도 하나로 제조된 접착제 층을 피착시키는 것을 포함하는, 방법.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 금속 층을 피착시키는 단계는 디스크로서 성형된 금속 층을 피착시키는 것을 포함하는, 방법.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 광발광 재료를 피착시키는 단계는 복수의 상향-변환 나노입자를 가지는 재료를 피착시키는 것을 포함하는, 방법.
  30. 제23항에 있어서,
    상기 가요성-재료 층을 피착시키는 단계는 중합체를 피착시키는 것을 포함하는, 방법.
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