KR20240057322A - 플라즈몬 장치, 광학 진단 시스템 및 단일 분자 검출을 수행하는 방법 - Google Patents

플라즈몬 장치, 광학 진단 시스템 및 단일 분자 검출을 수행하는 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈몬 장치, 광학 진단 시스템 및 단일 분자 검출을 수행하는 방법이 제공된다. 플라즈몬 장치는제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되는 지지층, 상기 지지층 상의 절연층, 및 상기 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티를 포함하는 상기 절연층 상의 플라즈몬층을 포함하고, 상기 캐비티는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지고, 상기 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고, 상기 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키고, 상기 지지층, 상기 절연층 및 상기 플라즈몬층은 내부에 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 상기 캐비티의 선단에 있고, 상기 플라즈몬층 상에 존재하는 용액의 타겟 분자를 통과시킨다.

Description

플라즈몬 장치, 광학 진단 시스템 및 단일 분자 검출을 수행하는 방법{Plasmonic devices, optical diagnostic systems, and methods for performing single-molecule detection}
본 개시는 분자 감지 시스템 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.
최근 감시 및 개인화 된 의학의 필요성은 단일 분자를 감지하기위한 진단 플랫폼의 개발에 대한 동기가 되고 있다. 이러한 진단 시스템은 형광 항체 분석, PCR 분석, 핵산 증폭 검정, 및 DNA 또는 단백질 시퀀싱과 같은 애플리케이션에 사용될 수 있다.
현재 이러한 분자 감지 시스템 중 다수는 분석물의 확산 제한 전달로 인해 판독 시간이 길어질 수 있다. 그 결과 검출 이벤트 사이의 대기 시간이 길어지고 배경 형광이 증가하여 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise ratios, 이하 SNR)가 낮아지고 오류가 증가하며 검출 감도가 낮아진다. 또한, 이러한 시스템은 일반적으로 시퀀싱을 위한 염료, DNA 가닥, 또는 항체와 같은 감지를 위한 광범위한 분자에 효율적인 신호 향상을 제공하는 능력이 부족하다.
따라서, 판독 SNR을 개선하고 더 작은 샘플 크기에 대해 더 빠르고 조기 판독을 가능하게 할 수 있는 장치 아키텍처가 요구된다.
상술한 내용은 본 발명의 배경에 대한 이해를 높이기 위한 것일 뿐, 종래 기술을 형성하지 않는 내용을 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 성능이 향상된 광학 진단 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 성능이 향상된 단일 분자 검출을 수행하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따르면, 제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되는 지지층, 상기 지지층 상의 절연층 및 상기 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티를 포함하는 상기 절연층 상의 플라즈몬층을 포함하는 플라즈몬 장치가 제공된다. 상기 캐비티는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지고, 상기 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고, 상기 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키고, 상기 지지층, 상기 절연층 및 상기 플라즈몬층은 내부에 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 상기 캐비티의 선단에 있고, 상기 플라즈몬층 상에 존재하는 용액의 타겟 분자를 통과시킨다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따르면, 플라즈몬 장치, 광원 및 검출기를 포함하는 광학 진단 시스템이 제공된다. 상기 플라즈몬 장치는, 제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되는 지지층, 상기 지지층 상의 절연층 및 상기 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티를 포함하는 상기 절연층 상의 플라즈몬층을 포함하고, 상기 캐비티는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지고, 상기 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고, 상기 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키고, 상기 지지층, 상기 절연층 및 상기 플라즈몬층은 내부에 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 상기 캐비티의 선단에 존재하고, 상기 플라즈몬층 상에 존재하는 용액의 표적 분자를 통과시키고, 상기 광원은 상기 플라즈몬 장치에 여기 광을 방사하고, 상기 검출기는 상기 플라즈몬 장치로부터의 복귀 신호를 검출한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따르면, 플라즈몬 장치를 제공하고, 상기 플라즈몬 장치를 향해 여기광을 방사하고, 상기 플라즈몬 장치로부터 타겟 분자에 대응하는 복귀 신호를 검출하는 단일 분자 검출을 수행하는 방법이 제공된다. 상기 플라즈몬 장치는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되는 지지층, 상기 지지층 상의 절연층 및 상기 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티를 포함하는 상기 절연층 상의 플라즈몬층을 포함하고, 상기 캐비티는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지고, 상기 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고 상기 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키고, 상기 지지층, 상기 절연층, 및 상기 플라즈몬 층은 내부에 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 상기 캐비티의 선단에 있고, 상기 플라즈몬층 상에 존재하는 용액의 타겟 분자를 통과시킨다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들 및 측면들은 첨부된 도면들을 참조하여 이의 예시적인 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명에 의해 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 광학 진단 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 플라즈몬 장치의 부분 단면도를 도시한다.
도 3a는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 복수의 3D 캐비티(cavities)를 포함하는 플라즈몬 장치의 평면도를 도시한다.
도 3b는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 AA를 따라 취해진 다중 캐비티 플라즈몬 장치의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 지향된 유체 유동을 위해 자기 나노포커싱을 이용하는 플라즈몬 장치의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 지향된 유체 유동을 위해 유전체 나노포커싱을 활용하는 플라즈몬 장치의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 단일 분자 검출을 수행하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위해 첨부된 도면은 본 발명, 그 장점, 및 본 발명의 구현에 의해 달성되는 목적에 대한 충분한 이해를 제공하기 위해 참조된다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해질 수 있도록 제공되며, 당업자에게 본 발명의 개념을 충분히 전달할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 도면들에서, 유사한 도면 부호들은 도면 전체에 걸쳐 유사 특징 및 구성요소들을 참조하기 위해 사용된다.
본 발명의 측면들은 그 단부에 개구부를 갖는 3D-테이퍼 캐비티를 갖는 나노구조를 갖는 플라즈몬 장치를 포함하는 반도체-기반 단일-분자 광학 진단 시스템에 관한 것이며, 이는 유체 제어, 타겟 분자의 농도, 및 다양한 분자 크기에 대한 강력한 광 신호 향상을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 수동 유동, 자기 구배 및 유전 이동 중 하나 이상이 더 빠른 검출을 위해 플라즈몬 장치 상의 분자의 유동을 지시하기 위해 이용된다.
몇몇 실시예에서, 플라즈몬 장치는 단일 분자의 광학 검출을 위한 현장 분자 농도를 갖는 3D-테이퍼 나노포어 센서 아키텍처를 갖는다. 플라즈몬 장치는 나노포어를 통한 수동 유체 유동, 자기 나노포커싱, 또는 유전체 트래핑을 사용하여 감지 핫스팟으로의 직접 샘플 전달을 가능하게 할 수 있다. 플라즈몬 장치는 나노기공 부위에서 직접 광학 향상을 달성하여 항체 및 앱타머 분석, 핵산 증폭 검사(예: 중합효소 연쇄 반응(PCR) 검사, 루프 매개 등온 증폭(LAMP) 검사 등) 및 디옥시리보 핵산(DNA) 및 단백질 시퀀싱을 포함하여(다만, 이에 국한되지 않는) 다양한 진단을 위한 단일 분자의 시각화를 가능하게 한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 진단 시스템은 분자가 광에 의해 여기되어 광 신호를 방출하는 임의의 검출 방법(형광, 라만 분광법)에 유용하다. 진단 시스템은 타겟 분자 자체가 여기될 때 형광을 발할 수 있거나, 타겟 분자가 항체/결합제에 의해 인식되고, 항체/결합제에 의해 인식되어 형광단으로 태그되거나, 타겟이 직접 라만 스펙트럼(반드시 형광일 필요는 없음)과 같은 고유한 분광학적 특징을 갖는 구성에서 작동한다. 플라즈몬 장치는 센서 핫스팟에서 빛(즉, 전자기장)을 집중시키므로 출력 신호를 생성하기 위해 빛에 의존하는 모든 감지 방법이 향상될 수 있다.
도 1은 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 광학 진단 시스템(1)의 개략도를 도시한다. 도 2는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 플라즈몬 장치(100)의 부분 단면도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 광학 진단 시스템(예를 들어, 단일 분자 진단 시스템)(1)은 광원(10), 검출기(20), 제어기(30), 및 플라즈몬 장치(100)를 포함한다.
광원(10)은 제어부(30)로부터의 제어 신호에 기초하여 플라즈몬 장치(100)를 향해 여기광을 방출한다. 플라즈몬 장치(100)는 캐비티(예를 들어, 3D 테이퍼 캐비티)(110)를 이용하여 광을 장치(100)의 웰(150) 내의 작은 핫 스팟(120) 쪽으로 전파하고 가둔다. 웰(150)은 진단 시스템(1)에 의해 검출될 타겟 분자(132), 타겟 분자(132)에 결합하고 광원(10)으로부터의 여기광, 또는 타겟 분자(132)로부터의 직접 분광 신호에 민감한 형광단(예를 들어, 형광 분자)(134)을 포함하는 용액을 수용하도록 구성된다. 형광단(134)은 타겟 분자(132)에 대한 형광 표지로서 효과적으로 작용한다. 광원(10)으로부터의 여기 광에 의해 여기될 때, 형광단(134)은 검출기(20)에 의해 검출되는 복귀 신호(예를 들어, 형광광)를 방출한다. 그 후, 제어기(30)는 검출기(20)로부터의 검출된 신호의 세기에 기초하여 용액 중의 타겟 분자(132)의 존재 및/또는 농도를 결정한다. 제어기(30)는 프로세서(32) 및 프로세서(32)에 로컬한 메모리(34)를 포함할 수 있으며, 메모리(34)는 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 제어기(30)의 처리 동작들을 수행하게 하는 명령어들을 그 위에 저장한다.
본 개시의 몇몇 실시예에서, 복귀된 형광 신호는 형광단(134)에 의해 생성되지만, 본 개시의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 타겟 분자(132) 자체는 여기될 때 형광을 발할 수 있거나, 타겟 분자(132)는 검출기(20)에 의해 검출될 수 있는 라만 스펙트럼(반드시 형광일 필요는 없음)과 같은 고유한 분광학적 시그니처를 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광원(10)은 약 400nm 내지 약 1200nm의 가시광선 또는 근적외선 파장 범위의 광을 방출할 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 타겟 분자(132)는 표적 데옥시리보핵산(DNA) 또는 리보핵산(RNA) 가닥, 단백질, 펩티드, 호르몬(예를 들어, 인슐린), 대사산물(예를 들어, 글루코스) 및 다른 소분자일 수 있다. 형광단(134)은 플루오레세인, 로다민, 시아닌, 보디피-FL, 7-니트로벤즈-2-옥사-1, 3-디아졸-4-일, 나프탈이미드(루시퍼 옐로우), 아크리딘 오렌지, 알렉사 플루오르 염료 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 픽셀 어레이들을 포함할 수 있는 검출기(20)는 단일 타겟 분자들의 검출을 가능하게 하기 위해 높은 검출 감도(예를 들어, 단일-광자 감도)를 제공한다. 예를 들어, 검출기(20)는 가시 파장 광검출기, 분광계, 협대역 또는 광극 반도체에 기초한 냉각된 적외선 광검출기를 포함할 수 있거나, 또는 초전기 및 강유전체 재료, 저항성 또는 용량성 마이크로볼로미터 및/또는 자기 기반 트랜지스터에 기초한 비냉각 광검출기일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 검출기(20)는 복수의 애벌랜치 포토다이오드(APD), 양자 이미지 센서(QIS), 복수의 단일-광자 애벌랜치 다이오드(SPAD), 및/또는 다른 것들을 포함할 수 있다. 검출기(20)의 높은 검출 감도는 진단 시스템(1)이 관련 기술에 비해 검출 임계값을 낮출 수 있게 하여, 검출/분석 시간을 상당히 감소시킨다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일부 실시예들에 따르면, 플라즈몬 장치(100)는 제1 방향(예를 들어, X 방향) 및 제2 방향(예를 들어, Y 방향)을 따라 연장되는 지지층(102), 지지층(102) 상의 절연층(104), 및 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티(예를 들어, 나노캐비티)(110)를 포함하는 절연층(104) 상의 플라즈몬층(106)을 포함한다. 캐비티(110)는 제1 방향(예를 들어, X 방향)을 따라 여기광을 결합시킴으로써 발생된 전자기장을 전파하고, 캐비티(110)의 선단(120)에 전자기장을 집중시키도록 구성되는 3차원(3D) 테이퍼 구조(예를 들어, 3D 선형 테이퍼 구조)를 갖는다. 지지층(102), 절연층(104) 및 플라즈몬층(106)은 내부에 개구부(예를 들어, 관통홀, 나노기공, 또는 나노슬릿)(130)를 포함한다. 개구부(130)는 캐비티의 선단에 있을 수 있고, 플라즈몬 층(106)의 웰(150)에 존재하는 용액의 타겟 분자(132)가 통과하도록 구성된 유체/생리활성 물질 수송 채널로서 작용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 플라즈몬 층(106)은 제1 두께 t1을 갖는 제1 플라즈몬부(106a), 제2 두께 t2를 갖는 제2 플라즈몬부(106b), 및 제1 및 제2 플라즈몬부(106a, 106b) 사이의 테이퍼 플라즈몬부(106t)을 포함하고, 테이퍼 두께(예를 들어, 선형 테이퍼/감소 두께) 및 길이 l1을 갖는다.
캐비티(110)는 제1 폭(w1) 및 제1 두께 t1을 갖는 제1 캐비티부(110a), 제1 방향(예를 들어, X 방향)을 따라 테이퍼진 폭과 제3 방향(예: Z 방향)을 따라 테이퍼진 두께를 갖는 테이퍼 캐비티부(110t) 및 제2 폭(w2) 및 제2 두께 t2를 갖는 제2 캐비티부(110b)를 포함한다. 여기서, 제2폭(w2)은 제1폭(w1)보다 작고, 제2두께(t2)는 제1두께(t1)보다 작다. 테이퍼된 캐비티부(110t)는 제3 방향(즉, Z 방향)을 따라 수직으로 테이퍼되고, 제1 및 제2 방향(즉, X 및 Y 방향)에 의해 정의된 평면에서 횡방향으로 제2 캐비티부(110b)의 나노채널 내로 테이퍼된다.
일부 예에서, 제1 폭은 약 100 nm 내지 약 350 nm(예를 들어, 약 150 nm)일 수 있고, 제2 폭은 약 5 nm 내지 약 25 nm(예를 들어, 약 20 nm)일 수 있고, 제1 두께는 약 50 nm 내지 약 300 nm(예를 들어, 약 150 nm)일 수 있고, 제2 두께는 약 30 nm 내지 약 200 nm(예를 들어, 30 nm), l1 길이는 약 20 nm 내지 약 1000 nm(예를 들어, 약 500 nm)일 수 있다. 테이퍼형 캐비티부(110t)의 측방향 및 수직 테이퍼 각도는 약 10° 내지 약 25°(예를 들어, 약 18.5°)일 수 있다. 그러나, 본 개시의 실시예는 이에 한정되지 않으며, 폭, 두께, 길이 및 테이퍼 각도는 어떠한 적절한 값을 가정할 수 있다.
도파관으로서 작용하는 캐비티(110)는, 예를 들어, 이온 밀링에 의해 제거되어 에칭됨으로써 평면도에서 절연층(104)을 노출시키는 플라즈몬 층(106)의 일부일 수 있다. 캐비티(110)의 측벽을 형성하는 플라즈몬 층(106)은 플라즈몬 특성 및 높은 전기 전도성을 가지며, 이는 여기광이 캐비티의 길이를 따라(예를 들어, 제1 또는 X 방향을 따라) 효율적으로 캡처되고 전파될 수 있게 한다. 캐비티(110) 내의 전자기파와 함께 이동하는 캐비티 벽에서의 간섭성 전자 진동으로부터 발생할 수 있는 플라즈몬 층(106)의 플라즈몬 특성은 특히 플라즈몬 층(106)의 전도성 벽이 절연층(104)과 만나는 캐비티(110)의 가장자리 내의 금속-절연체 계면에서 강한 광-물질 상호작용을 발생시킨다. 또한, 플라즈몬 층(106)의 높은 전기 전도도는 낮은 옴 손실 및 더 큰 전파 길이를 초래하며, 이는 캐비티 도파관을 따라 전자기장의 전파를 향상시킨다. 일부 예들에서, 플라즈몬 층(106)은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 질화갈륨(GaN), 및/또는 이와 유사한 것을 포함한다. 플라즈몬 층(106)에 대한 물질의 선택은 여기 광의 파장과 밀접하게 관련되는데, 이는 각각의 물질이 특정 파장 범위의 광을 효율적으로 결합하고 제한할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 약 750nm의 여기 파장 또는 근적외선(NIR) 파장이 금 또는 질화갈륨으로 제조된 플라즈몬층(106)에 적합할 수 있는 반면, 약 400nm 내지 약 550nm의 파장은 알루미늄 또는 은으로 제조된 플라즈몬층(106)에 더 적합할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 테이퍼 캐비티부(110t)의 3D-테이퍼 구조(및 특히, 테이퍼 각도)는 전자기장의 개선된 (예를 들어, 최적의) 횡방향 제한을 제공하고, 따라서 더 넓은 제1 캐비티부(110a)에 의해 캡처된 광이 제2 캐비티부(110b)의 좁은 나노채널 내로 효율적으로 포커싱될 수 있게 한다. 제2 캐비티부(110b)의 길이는 개구부(130)가 위치하는 선단(120)에서 강한 광 향상(즉, 표면-플라즈몬-폴라리톤(SPP) 모드의 강한 제한)을 보장하도록 설계된다. 따라서, 캐비티(110)는 개구부(130)에서 높고 균일한 전자기장 강도를 갖는 센서 핫스팟을 생성한다. 결과적으로, 타겟 분자가 개구부(130)를 통과할 수 있는 한, 복귀 광 신호(예를 들어, 형광, 진동 스펙트럼, 또는 분광 신호)는 강한 부스트를 경험할 것이고, 이는 광학 판독의 높은 신호 대 잡음비(SNR)로 이어진다.
일부 실시예에서, 플라즈몬, 절연, 및 지지층(106, 104, 및 102)에서 생성되는 개구부(130)는 센서 핫스팟(즉, 120/130)을 통한 용액의 수동 유동을 가능하게 하고, 센서 핫스팟(즉, 120/130)에서 타겟 분자(132)의 농축을 가능하게 한다. 플라즈몬층(106)의 재료(예를 들어, 금)는 소수성이고, 절연층(예를 들어, 실리카) 및 지지층(102)의 재료(예를 들어, 질화규소)는 친수성이기 때문에, 표면 장력 구배가 개구부(130)의 내벽에 생성되고, 이는 액체를 개구부(130) 쪽으로 끌어당겨 개구부(130)를 통과시킨다. 추가적으로, 개구부(130)의 하단부(지지층(102) 근처)에서의 유체의 증발은 개구부(130)의 상부(플라즈몬층(106) 근처)로부터 추가 유체를 끌어당긴다. 그러나, 증발 과정은 전술한 표면 장력 구배 현상보다 느리고 덜 지배적일 수 있다. 타겟 분자(132)를 개구부(130)의 플라즈몬 핫스팟으로 수동적으로 향하게함으로써, 플라즈몬 장치(100)는 서브-마이크로몰 농도에서 용액 중에 확산되는 분자의 신속한 검출을 가능하게 한다.
일부 예들에서, 흡수층(108)은 개구부(130)를 떠나는 유체를 흡수할 수 있는 지지층(102) 아래에 위치될 수 있고, 따라서 더 많은 유체가 유동할 수 있도록 하고 타겟 분자(132)가 개구부(130)에 더 잘 모아질 수 있도록 한다. 흡수층(108)은 흡수성 셀룰로스, 나트륨 폴리아크릴레이트, 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 흡수층을 활용하여 한정되는 것은 아니며, 일부 실시예들에서, 흡수층들 대신에 개구부(130) 아래에 공극이 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 개구부(130)는 타겟 분자보다 약간 더 큰 크기의 관통홀(예를 들어, 나노기공) 또는 나노슬릿일 수 있으며, 이는 개구부(130)의 내벽에서 타겟 분자의 상호작용(예를 들어, 결합)을 개선(예를 들어, 최대화)한다. 이것은, 플라즈몬 핫스팟(즉, 개구부(130))에서 분자로부터의 강화된 광 신호와 함께, 진단 시스템(1)이 높은 SNR로 단일-분자 검출을 수행할 수 있게 한다. 일부 예에서, 개구부(130)는 폭이 약 5nm 내지 약 25nm일 수 있다. 일부 예들에 따르면, 20nm 개구부의 체적 제한은 단일 플라즈몬 장치(100)가 일반적으로 크기가 20nm보다 작은 단일 DNA 가닥, 항체, 단백질 분자 등과 같은 매우 다양한 타겟 분자를 검출할 수 있게 한다. 여기서, 개구부(130)가 타겟 분자의 크기에 비해 너무 넓으면, 전자기장 세기가 개구부의 중심 부근에서 감소하여 약한 불균일한 전계 세기가 발생할 수 있고, 타겟 분자는 개구부 벽과의 상호작용이 적고 개구부를 통해 더 빨리 흐를 수 있으며, 이들 모두는 더 약한 광학 판독(예를 들어, 약한 형광 또는 분광 신호) 및 더 낮은 SNR을 초래할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 지지층(102)은 안정하고, 얇고, 자유롭게 매달려있는(예를 들어, 캔틸레버링) 나노포토닉 구조를 생성하는데 필요한 강성 및 구조적 지지를 제공하여, 플라즈몬 장치가 선단(120)에서 밀링될 때, 생성된 개구부(130)의 양측이 개방되도록 한다. 일부 예에서, 제2 플라즈몬부(106b)는 약 100nm 두께일 수 있고, 절연층(104)은 약 200nm 두께일 수 있으며, 지지층은 약 100nm 내지 약 500nm 두께일 수 있다. 따라서, 개구부는 길이가 마이크론 미만일 수 있다(예를 들어, Z 방향을 따라). 지지층의 강성이 추가되지 않는 경우, 선단(120)에서 플라즈몬 장치를 파단 또는 변형시키지 않고 전통적인 밀링 방법을 사용하여 이러한 종횡비의 개구부/나노기공을 드릴링하는 것이 불가능할 수 있다. 예를 들어, 200nm 두께의 질화규소 멤브레인에 비해 500μm 두께의 실리콘 웨이퍼를 통해 20nm 너비의 구멍을 뚫는 것은 매우 어려울 수 있다.
플라즈몬 장치(100)의 층들은 실리콘 기판(109) 상에 제작될 수 있다. 저렴한 비용으로 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 실리콘 기판의 원자 층 평탄도는 원자 층 평탄도를 나타내는 층을 제조하는 것을 허용한다.
도 1 및 도 2는 플라즈몬 장치(100)가 단일 3D 테이퍼 캐비티를 포함하는 실시예를 예시하나, 본 개시의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
도 3a는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른, 복수의 3D 캐비티를 포함하는 플라즈몬 장치(100-1)의 평면도를 도시한다. 도 3b는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른, AA를 따라 취해진 플라즈몬 장치(100-1)의 단면도를 도시한다.
일부 실시예들에서, 복수의 캐비티들(예를 들어, 110-1 내지 110-4)은 여기 광을 단일 개구부(130) 상에 집중시켜 개구부(130)에서 강도 및 균일성 전자기장을 더욱 증가시킬 수 있다. 이러한 배열은 실시예들이 단일 캐비티(110)를 포함하는 실시예보다 더 높은 SNR을 생성할 수 있다. 도 3a는 개구부(130) 주위에 대칭적으로 배치된 4개의 동심원 캐비티를 도시하나, 본 개시의 실시예는 이에 한정되지 않으며, 플라즈몬 장치(100-1)는 임의의 적절한 수의 캐비티를 포함할 수 있다.
도 1 내지 3b의 실시예들인 플라즈몬 장치(100 및 도 100-1)는 센서 핫스팟에서의 수동 분자 농도를 활용하나 본 개시의 실시예는 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 플라즈몬 장치는 센서 핫스팟에서 타겟 분자를 능동적으로 농축하기 위해 자기 나노포커싱 또는 유전체 트래핑을 이용할 수 있다.
도 4는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른, 지향된 유체 유동을 위해 자기 나노포커싱을 이용하는 플라즈몬 장치(100-2)의 단면도를 도시한다. 플라즈몬 장치(100-2)는 지지층(102-2), 기판(109-2), 및 자기 소스(200) 및 자기 형광단(134-2)의 사용을 제외하고는 플라즈몬 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 간결성을 위해, 이하의 설명은 도 1 내지 3b를 참조하여 전술한 플라즈몬 장치(100)와 플라즈몬 장치(100-2) 사이의 차이에 주로 초점을 맞출 것이다.
일부 실시예들에서, 플라즈몬 장치(100-2)는 플라즈몬 핫스팟(즉, 개구부(130))에서 타겟 분자(132)를 능동적으로 집중시키기 위해 자성 나노포커싱을 이용한다. 이러한 실시예에서, 형광단(134-2)은 자기장 구배의 존재 하에서 민감하고 이동할 수 있는 자기 비드를 포함한다. 자기 형광단(134-2)은 자기 코어를 갖는 플라스틱 또는 실리카 비드를 포함할 수 있으며, 이들은 타겟 분자(132)와 결합할 수 있는 분자 수용체를 그들의 외부 표면에 갖는다.
일부 실시예에 따르면, 플라즈몬 장치(100-2)는 개구부(130)의 위치에서 자기장을 발생시키는 자기 소스(200)를 포함한다. 추가적으로, 지지층(102-2)은 니켈, 코발트 및 철과 같은 하나 이상의 강자성 물질을 포함하며, 이는 개구부(130)에서 자기장을 강화시키는 역할을 한다. 플라즈몬 층(106)의 3D 테이퍼의 가장자리에 있는 개구부(130)에서의 날카로운 공간 구배 때문에, 핫스팟 영역에 균일한 자기장의 인가는 개구부(130)에서 강한 자기장을 생성한다. 강한 자기장은 자기 형광단(134-2) 상에 포착된 타겟 분자(132)를 개구부(130) 쪽으로 빠르게 향하게 하고, 센서 핫스팟에서 분자(132)를 집중시킨다. 결과적으로 진단 시스템은 SNR이 높은 단일 분자의 신속한 온칩 검출을 수행할 수 있다.
여기서, 기판(예를 들어, 실리콘 기판)(109-2)은 지지층(102-2)의 하부를 따라 연장되어 개구부(130)의 하부를 덮을 수 있다.
도 5는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른, 지향된 유체 유동을 위해 유전체 나노포커싱을 이용하는 플라즈몬 장치(100-3)의 단면도를 도시한다. 플라즈몬 장치(100-3)는 전기적으로 절연된 플라즈몬 층의 제1 및 제2 부분(106-3, 106-4), 지지층(102-3) 및 교류(AC) 소스(210)를 제외하고는 플라즈몬 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 간결성을 위해, 이하의 설명은 플라즈몬 장치(100-3)와 도 1 내지 3b를 참조하여 상술한 플라즈몬 장치 사이의 차이점에 주로 초점을 맞출 것이다.
일부 실시예에서, 플라즈몬 장치(100-3)는 타겟 분자(132)를 개구부(130) 쪽으로 수송하기 위해 유전 이동을 이용하여 분자 형광 및 타겟 분자(132)의 검출을 향상시킨다. 이러한 실시예들에서, 플라즈몬층(106)은 2개의 전기적으로 절연된 부분들(106-3 및 106-4)로 분할된다. 교류(AC) 소스(210)는 두 부분(106-3 및 106-4)에 걸쳐 AC 전압을 인가하고, 이는 개구부(130)(예를 들어, 나노갭)를 가로지르는 AC 전기장을 유도하여, 갭(즉, 개구부(130))에서 강한 경사 전기력의 발생을 초래한다. 개구부(130) 근처의 불균일 전기장은 타겟 분자(132)에 힘을 가하여 개구부(130) 쪽으로 향하게 하고 센서 핫스팟에 분자(132)를 집중시킨다. 결과적으로 진단 시스템은 SNR이 높은 단일 분자의 신속한 온칩 검출을 수행할 수 있다.
여기서, 지지층(102-3)은 절연층(104)의 하면을 따라 연장되어 개구부(130)의 바닥을 덮는 기판(예를 들어, 실리콘 기판)(102-3)일 수 있다.
도 6은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 단일 분자 검출을 수행하는 과정(600)을 설명하기 위한 흐름도이다.
일부 실시예들에서, 플라즈몬 장치(100)가 제공되며, 여기에는 제1 방향(예를 들어, X 방향) 및 제2 방향(예를 들어, Y 방향)을 따라 연장되는 지지층(102), 지지층(102) 상의 절연층(104), 및 절연층(104) 상의 플라즈몬층(106)이 포함된다(S602). 플라즈몬층(106)은 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티(110)를 포함하는데, 이는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지며, 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 지지층(102), 절연층(104), 및 플라즈몬층(106)은 함께 캐비티(110)의 선단에 있고 플라즈몬층(106)의 웰(150)에 존재하는 용액의 타겟 분자(132)를 통과하도록 구성되는 내부의 개구부(130)를 포함한다.
일부 실시예에서, 제어부(30)는 제어 신호를 광원(10)으로 전송하여 여기광을 플라즈몬 장치(100) 쪽으로 방사하고(S604), 검출부(20)는 플라즈몬 장치(100)로부터 타겟 분자에 해당하는 복귀 신호를 검출하여 처리를 위해 제어부(30)로 신호를 전송한다(S606).
따라서, 전술한 바와 같이, 본 개시의 실시예들은 센서 핫스팟에서 광학 증강을 제공하고 또한 핫스팟에 타겟 분자를 집중시킬 수 있는 나노플라즈몬 장치를 포함하는 단일-분자 진단 시스템을 제공하여 높은 SNR로 신속한 판독을 초래한다. 플라즈몬 장치는 끝에 개구부가 있는 3D 테이퍼 캐비티를 사용하여 여기광을 효율적으로 결합하고 개구부 부위에 빛을 가둘 수 있다. 플라즈몬 장치는 또한 수동 유체 흐름, 자기 나노 감금 또는 유전체 트래핑을 통해 타겟 분자의 흐름을 개구부로 유도할 수 있다. 이를 통해 광학 진단 시스템은 항체 및 앱타머 분석, NAAT 테스트(PCR 또는 LAMP), DNA 및 단백질 시퀀싱 및/또는 이와 유사한 것을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 진단을 위해 단일 분자를 시각화할 수 있다.
본 개시는 실시예에 따라 상세히 설명되었지만, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 개시의 범위를 실시예의 형태로 제한하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 및 기술의 당업자는 다음의 청구항 및 등가물에 기재된 바와 같이, 조립 및 작동의 설명된 구조 및 방법의 변경 및 변경이 본 발명의 원리 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
비록 용어 "제1", "제2", "제3" 등이 다양한 구성요소들, 구성요소들 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이들 구성요소들, 구성요소들, 및/또는 섹션들은 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다. 이들 용어는 하나의 요소, 구성요소, 또는 섹션을 다른 요소, 구성요소 또는 섹션과 구별하기 위해 사용된다. 따라서, 위에서 논의된 제1 구성요소, 구성요소 또는 섹션은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소, 구성요소 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 도시된 배향에 더하여, 사용 또는 동작 중인 장치의 상이한 배향들을 포괄한다. 장치는 달리 배향될 수 있고(예를 들어, 90도 회전 또는 다른 배향에서), 본 개시에서 사용된 공간적으로 상대적인 디스크립터들은 그에 따라 해석되어야 한다. 또한, 층이 2개의 층들 "사이"에 있는 것으로 언급될 때, 그것은 2개의 층들 사이의 유일한 층일 수 있거나, 또는 하나 이상의 중간 층들이 또한 존재할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a" 및 "an"은 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 본 명세서에서 사용될 때 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징, 숫자, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관된 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시태양을 설명할 때 "할 수 있다"의 사용은 "본 발명의 하나 이상의 실시태양"을 지칭한다. 또한, 용어 "예시적인"은 예시 또는 예시를 지칭하도록 의도된다.
어떤 요소 또는 구성요소가 다른 구성요소 또는 구성요소에 "연결되어" 또는 "결합"되는 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소 또는 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 결합될 수 있거나, 또는 하나 이상의 중간 구성요소 또는 구성요소가 존재할 수 있다. 요소 또는 레이어가 다른 요소 또는 구성 요소에 "직접 연결"되거나 "직접 결합"되는 것으로 언급될 때, 개입 요소 또는 구성 요소가 존재하지 않는다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "실질적으로", "약" 및 유사한 용어는 정도의 용어가 아니라 근사치의 용어로서 사용되며, 당업자에 의해 인식될 수 있는 측정 또는 계산된 값의 내재적 변동을 설명하기 위한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "사용" 및 "사용하는"은 각각 "활용하다" 및 "활용하는"이라는 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
또한, 본원에서 인용된 임의의 수치 범위는 인용된 범위 내에 포함되는 동일한 수치 정밀도의 모든 서브-범위를 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, "1.0 내지 10.0"의 범위는 인용된 최소값 1.0과 인용된 최대값 10.0 사이의 (그리고 포함하는) 모든 서브범위를 포함하도록 의도되며, 즉, 1.0 이상의 최소값 및 10.0 이하의 최대값을 갖는 경우, 예를 들어, 2.4에서 7.6까지. 본 명세서에서 인용된 임의의 최대 수치 제한은 그 안에 포함된 모든 더 낮은 수치적 제한을 포함하는 것으로 의도되고, 본 명세서에서 인용된 임의의 최소 수치적 제한은 그 안에 포함된 모든 더 높은 수치적 제한을 포함하도록 의도된다. 따라서, 출원인은 청구항을 포함하여 본 명세서를 수정하여 본 명세서에 명시적으로 인용된 범위 내에 포함된 임의의 하위 범위를 명시적으로 인용할 권리를 보유한다. 이러한 모든 범위는 이러한 하위 범위를 명시적으로 인용하도록 수정하는 것이 35 U.S.C. § 112, 첫 번째 단락 및 35 U.S.C. § 132(a)의 요구 사항을 준수하도록 이 명세서에 본질적으로 설명되도록 의도되었다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들에 따른 제어기 및/또는 임의의 다른 관련 디바이스들 또는 컴포넌트들은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 집적 회로), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어, 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러의 다양한 구성요소들은 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 별개의 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 컨트롤러의 다양한 구성요소들은 연성 인쇄회로필름, 테이프 캐리어 패키지(TCP), 인쇄회로기판(PCB) 상에 구현되거나, 또는 동일한 기판 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어기의 다양한 컴포넌트들은 하나 이상의 프로세서들 상에서 실행되고, 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스들에서, 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고, 본 명세서에서 설명된 다양한 기능들을 수행하기 위한 다른 시스템 컴포넌트들과 상호작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어는, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령어는 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다. 또한, 당업자는 다양한 컴퓨팅 디바이스의 기능이 단일 컴퓨팅 디바이스로 결합되거나 통합될 수 있거나, 또는 특정 컴퓨팅 디바이스의 기능이 본 발명의 예시적인 실시예의 범위를 벗어나지 않으면서 하나 이상의 다른 컴퓨팅 디바이스에 걸쳐 분산될 수 있음을 인식해야 한다.
본 개시는 실시예에 따라 상세히 설명되었지만, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 개시의 범위를 실시예의 형태로 제한하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 및 기술의 당업자는 다음의 청구항 및 등가물에 기재된 바와 같이, 조립 및 작동의 설명된 구조 및 방법의 변경 및 변경이 본 발명의 원리 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 실시될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되는 지지층;
    상기 지지층 상의 절연층; 및
    상기 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티를 포함하는 상기 절연층 상의 플라즈몬층을 포함하고,
    상기 캐비티는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지고, 상기 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고, 상기 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키고,
    상기 지지층, 상기 절연층 및 상기 플라즈몬층은 내부에 개구부를 포함하고,
    상기 개구부는 상기 캐비티의 선단에 있고, 상기 플라즈몬층 상에 존재하는 용액의 타겟 분자를 통과시키는 플라즈몬 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 평면도에서 상기 절연층을 노출시키는 플라즈몬 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 제1 폭 및 제1 두께를 갖는 제1 캐비티부;
    상기 제1 방향을 따라 테이퍼진 폭을 갖고, 상기 제1 및 제2 방향을 교차하는 제3 방향을 따라 테이퍼진 두께를 갖는 테이퍼 캐비티부; 및
    제2 폭 및 제2 두께를 갖는 제2 캐비티부를 포함하고,
    상기 캐비티의 선단은 상기 제2 캐비티부의 단부에 있는 플라즈몬 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈몬층은 상기 제1 두께를 갖는 제1 플라즈몬부;
    상기 제2 두께를 갖는 제2 플라즈몬부; 및
    상기 제1 및 제2 플라즈몬부 사이에 있고, 테이퍼진 두께를 갖는 테이퍼 플라즈몬부를 포함하는 플라즈몬 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 테이퍼 플라즈몬부는 제3 방향을 따라 테이퍼링되는 플라즈몬 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 폭은 상기 제1 폭보다 작고, 상기 제2 두께는 상기 제1 두께보다 작은 플라즈몬 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈몬층은 소수성 물질을 포함하고, 상기 절연층은 친수성 물질을 포함하고,
    상기 절연층은 상기 플라즈몬층 상에 존재하는 유체를 상기 개구부 내로 끌어당기는 플라즈몬 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈몬층은 금을 포함하고, 상기 절연층은 실리카를 포함하고, 상기 지지층은 실리콘 질화물을 포함하는 플라즈몬 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지지층은 상기 플라즈몬층 및 절연층에 구조적 지지를 제공하여 상기 개구부의 양측이 개방된 자유롭게 매달린 구조(free-hanging structure)를 생성하고,
    상기 플라즈몬 장치는 지지층 아래에 흡수층을 더 포함하고,
    상기 흡수층은 개구부의 바닥을 떠나는 유체를 흡수하는 플라즈몬 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 개구부는 증발 및 표면 장력 구배 중 적어도 하나를 통해 용액의 수동 유동 및 개구부에서 용액의 타겟 분자의 농축을 가능하게 하는 유체 채널인 플라즈몬 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 개구부는 5 nm 내지 25 nm의 폭을 갖는 플라즈몬 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈몬층은 금을 포함하고, 상기 절연층은 실리카를 포함하고, 상기 지지층은 니켈, 철, 및 코발트 중 적어도 하나를 포함하는 강자성체를 포함하는 플라즈몬 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지지층 하부에 기판을 더 포함하고,
    상기 개구부는 평면도에서 상기 기판의 상부 표면을 노출시키는 플라즈몬 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 용액은 자성 나노입자에 결합된 타겟 분자를 포함하고,
    상기 개구부는 상기 개구부에 의해 노출된 지지체의 일부분을 향해 자성 나노입자를 끌어당김으로써 개구부에서 용액의 타겟 분자의 농축을 가능하게 하는 플라즈몬 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈몬층은 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분은,
    제1 두께를 갖는 제1 플라즈몬부;
    제2 두께를 갖는 제2 플라즈몬부; 및
    상기 제1 및 제2 플라즈몬부 사이에 있고, 테이퍼진 두께를 갖는 테이퍼 플라즈몬부를 포함하고,
    상기 제2 부분은 제1 부분으로부터 전기적으로 절연 되어있고,
    상기 개구부는 상기 플라즈몬 층의 제1 부분 및 제2 부분을 물리적으로 분리하는 횡단 갭(transvese gap)이고,
    상기 지지층은 상기 횡단 갭의 바닥을 포함하는 기판인 플라즈몬 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    횡단 갭을 가로지르는 교류(AC) 전기장의 존재 하에서, 용액의 타겟 분자가 유전 이동을 통해 개구부로 향하는 플라즈몬 장치.
  17. 플라즈몬 장치, 광원 및 검출기를 포함하는 광학 진단 시스템으로서,
    상기 플라즈몬 장치는,
    제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되는 지지층;
    상기 지지층 상의 절연층; 및
    상기 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티를 포함하는 상기 절연층 상의 플라즈몬층을 포함하고,
    상기 캐비티는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지고, 상기 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고, 상기 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키고,
    상기 지지층, 상기 절연층 및 상기 플라즈몬층은 내부에 개구부를 포함하고,
    상기 개구부는 상기 캐비티의 선단에 존재하고, 상기 플라즈몬층 상에 존재하는 용액의 타겟 분자를 통과시키고,
    상기 광원은 상기 플라즈몬 장치에 여기 광을 방사하고,
    상기 검출기는 상기 플라즈몬 장치로부터의 복귀 신호를 검출하는 광학 진단 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복귀 신호는 여기 광에 의한 여기화에 반응하여 용액의 타겟 분자에 결합된 형광단에 의해 방출되는 형광 신호 또는 스펙트럼 신호인 광학 진단 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 캐비티는 측면 및 수직으로 테이퍼되고,
    상기 개구부는 증발 및 표면 장력 구배 중 적어도 하나를 통해 용액의 수동 유동 및 개구부에서 용액의 타겟 분자의 농축을 가능하게 하는 유체 채널인 광학 진단 시스템.
  20. 플라즈몬 장치를 제공하고,
    상기 플라즈몬 장치를 향해 여기광을 방사하고,
    상기 플라즈몬 장치로부터 타겟 분자에 대응하는 복귀 신호를 검출하는 것을 포함하되,
    상기 플라즈몬 장치는,
    제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되는 지지층;
    상기 지지층 상의 절연층; 및
    상기 제1 방향을 따라 연장되는 캐비티를 포함하는 상기 절연층 상의 플라즈몬층을 포함하고,
    상기 캐비티는 3차원(3D) 테이퍼 구조를 가지고, 상기 제1 방향을 따라 전자기장을 전파하고 상기 캐비티의 선단에 전자기장을 집중시키고,
    상기 지지층, 상기 절연층, 및 상기 플라즈몬 층은 내부에 개구부를 포함하고,
    상기 개구부는 상기 캐비티의 선단에 있고, 상기 플라즈몬층 상에 존재하는용액의 타겟 분자를 통과시키는 단일 분자 검출을 수행하는 방법.
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US9513226B2 (en) * 2012-08-14 2016-12-06 The Regents Of The University Of California Nanochip based surface plasmon resonance sensing devices and techniques
CN104823049A (zh) * 2012-10-01 2015-08-05 普林斯顿大学理事会 具有增强的光学信号的微流体传感器
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