WO2018101528A1 - 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for measuring a trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microchannel.
  • Reflectometry and ellipsometry are optical analysis techniques that determine the thickness or optical properties of a sample by measuring the change in reflectance or polarization state of the reflected light reflected from the surface of the sample and analyzing the measured values.
  • the ellipsometer has a measurement sensitivity of less than 0.01 nm compared to the reflectance measuring instrument.
  • the measurement sensitivity is high under conditions where the refractive index is large, such as the thickness of an oxide film having a smaller refractive index than that of a semiconductor on a high refractive index semiconductor substrate.
  • a surface plasmon resonance sensor (hereinafter referred to as an 'SPR sensor') in which a reflectance measuring method and a surface plasmon resonance (SPR) technology is mixed have.
  • SPR Surface plasmon resonance
  • SPR sensor uses the principle that the structure of the glass is coated with a metal thin film of tens of nanometers on the material such as glass and the biomaterial can be bonded on it, and the resonance angle changes when the sample dissolved in the buffer solution is bonded to the sensor.
  • the resonance angle is achieved by measuring the reflectance.
  • the glass material becomes the incident medium and passes through the thin film layer to which the biomaterial is bonded.
  • the buffer solution corresponds to the substrate.
  • the refractive index of the complete solution corresponding to the substrate material directly affects the movement of the resonance angle, similar to the change of the biological thin film layer due to the bonding of the sample to be measured. Therefore, in order to measure only pure bonding dynamics, the refractive index of the buffer solution should be measured and corrected independently.
  • the conventional SPR sensor has a fundamental difficulty in measuring the adsorption and dissociation characteristics of a material having a low molecular weight, such as a low molecule, due to the limitation of the above measurement method.
  • the conventional SPR sensor uses a metal thin film of a noble metal such as gold (Au), silver (Ag) for the surface plasmon resonance is expensive manufacturing of the sensor.
  • the metal thin film has an uneven surface roughness depending on the manufacturing process, and the variation in refractive index is severe, and because of unstable optical properties, it is difficult to quantitatively measure biomaterials and to detect errors due to different sensitivity characteristics at different positions when compared with reference channels. There is a problem to include.
  • a biomaterial junction sensor layer is formed on a substrate material such as silicon, and the ellipsometric method measures the amplitude and phase of the light reflected from the substrate material through a buffer solution under an immersion microenvironment under p-wave antireflection conditions.
  • the buffer solution becomes the incident medium and the light passing through the biomaterial adsorption layer is reflected from the substrate material as opposed to the SPR measurement.
  • the measured elliptic measurement angle is not sensitive to the change in the refractive index of the incident medium, which is a buffer solution, but only a change in the biofilm and the substrate material.
  • the measured elliptic measurement angle ⁇ is sensitive only to changes in the biofilm, and the elliptic measurement angle ⁇ represents a signal sensitive only to the refractive index of the buffer solution.
  • the substrate parallel to a planar incidence structure such as a prism
  • the light reflected from the interface between the prism and the buffer solution should be removed and only the light reflected from the substrate should be used.
  • the distance between the surface of the prism and the substrate material should be reduced.
  • the two reflecting lights are located at a very close distance, which makes it difficult to separate and cause a measurement error. Therefore, in a planar incident structure such as a prism, a new structure measuring method is required to distinguish the light reflected from the interface between the prism and the buffer solution and the light reflected from the substrate material including the sensor.
  • the biomaterial bonding characteristic sensor according to the prior patent includes a prism 100, a micro flow path structure 200, a polarization generator 300, and a polarization detector 400.
  • the microfluidic structure 200 of the biomaterial bonding characteristic sensor according to the prior patent puts the adsorption layer 530 on the substrate 510 or the dielectric thin film 520, thereby forming an immersion microfluidic 210 environment.
  • the buffer 50 in which the sample 1 of the biomaterial is dissolved is injected into the micro channel 210, the biomaterial is adsorbed onto the ligand 2 formed on the surface of the adsorption layer 530.
  • an adsorption layer having a predetermined thickness is formed.
  • the polarized incident light generated from the polarization generator 300 is incident on the interface between the buffer solution 50 and the substrate 510 at an angle causing the p-wave antireflection condition to pass through the incident surface 110 of the prism.
  • the reflected light reflected from the substrate 510 includes optical data regarding the refractive index of the adsorption layer and the buffer solution of the sample 1. That is, in the process of adsorbing and dissociating the sample 1 to the ligand 2, the molecular adsorption and dissociation kinetics such as the adsorption concentration, the thickness or refractive index of the adsorption layer, and the refractive index of the buffer solution are changed, As a result, the measured elliptic measurement angles are changed.
  • the reflected light including the optical data is detected by the polarization detector 400.
  • the polarization detector 400 may determine the molecular adsorption and dissociation dynamics of the sample 1 and the refractive index of the buffer solution by measuring the change according to the polarization component of the reflected light, that is, the ellipsometric angles.
  • the features and limitations of the biomaterial analysis sensor according to the preceding characteristics will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • An angle change of about degrees will appear.
  • the solid line graph has a refractive index of 1.3330 and the dotted line graph corresponds to the refractive index of 1.3332 of the buffer solution 50.
  • the measurement result due to the change of the incident angle shows that the change of ⁇ value acts in a direction that cancels the small change in the vertical incidence structure and hardly shows a change, whereas ⁇ shows a large change. That is, since the elliptic measurement constant ⁇ of the phase difference shows a sensitive change only in the refractive index change of the buffer solution and is hardly affected by the bonding property, only the change in the refractive index of the buffer solution can be measured with high sensitivity.
  • the change in elliptic measurement constant ⁇ shows a very large change as the thickness of the thin film material becomes very small, and when used in an applied study for analyzing the change in material properties or bonding properties by measuring the change in refractive index, It is a measuring method that can measure high sensitivity refractive index.
  • a buffer solution having a different refractive index such as a buffer solution continuously supplied and a solvent used in a sample
  • pure bonding dynamics and a change in the refractive index of the buffer solution can be simultaneously measured.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, to provide a trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion micro-flow measuring apparatus and a measuring method capable of high sensitivity.
  • a trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microchannel measuring device capable of measuring high sensitivity by completely separating the light reflected from the interface between the prism and the measuring medium and the light reflected from the substrate material using a trapezoidal incident structure prism.
  • the light reflected from the interface between the prism and the measuring medium has a larger energy than the light reflected from the substrate material and is difficult to separate, which may cause a measurement error.
  • the measurement range that can be measured for different angles is limited.
  • the channel height is reduced to the minimum, and the microchannel of the multi channel is provided, thereby providing various types of experimental conditions such as changing the concentration of the sample and varying the degree of adsorption of the self-assembled monolayer film.
  • the microchannel of the multi channel is provided, thereby providing various types of experimental conditions such as changing the concentration of the sample and varying the degree of adsorption of the self-assembled monolayer film.
  • the present invention is capable of high sensitivity measurement of biocombinable materials in a non-labeled manner under an immersion microfluidic environment, and thus can be widely used in various industries such as bio, medical, food, and environment.
  • the trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microfluidic measuring device is formed on the support and the support for detecting the first sample
  • a microchannel structure including at least one microchannel on which a sample detection layer is immobilized with a first biologic binding material;
  • a prism of a square pyramid shape formed on an upper portion of the micro channel structure;
  • a sample injection unit injecting a buffer solution containing a first sample into the microchannel;
  • a polarization generator for irradiating incident light polarized through the prism to the microchannel at an incident angle satisfying a p-wave antireflection condition;
  • the polarization detection unit for detecting a polarization change of the first reflected light reflected from the sample detection layer.
  • the prism is characterized in that the total reflection of the second reflected light reflected from the boundary surface of the lower boundary of the prism and the buffer solution injected into the microchannel among the polarized incident light incident on the prism.
  • the trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microfluidic measuring device is formed on a support and the support, the first biological binding material for detecting the first sample is immobilized
  • a microchannel structure including a first microchannel on which a sample detection layer is formed and a second microchannel on which a second sample detection layer is immobilized with a second biological binding material for detecting a second sample;
  • a sample injector for injecting a buffer solution containing a first sample or a second sample into the first microchannel and the second microchannel;
  • a polarization generator for irradiating incident light polarized through the prism to the first microchannel and the second microchannel at an incident angle satisfying a p-wave antireflection condition;
  • a polarization detector configured to detect a polarization change of the first reflected light reflected from the first sample detection layer or the second sample detection layer among the polarized incident light.
  • the polarization generator includes a beam splitter for splitting the incident light into a first incident light incident to the first sample detecting layer and a second incident light incident to the second sample detecting layer.
  • the first incident light and the second incident light is refracted by the first microchannel and the second microchannel at the lower boundary of the prism and then reflected by the first sample detection layer or the second sample detection layer. And reflected light, and second reflected light reflected by the lower boundary surface of the prism and the buffer solution injected into the microchannel.
  • the prism is characterized in that the total reflection of the second reflected light at the upper boundary surface of the prism.
  • the trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microchannel measuring method is at least one sample injection layer formed with a first biological binding material is fixed to the sample injection unit for detecting the first sample
  • a first step of injecting a buffer solution into the microchannel structure including the microchannel of the microchannel A second step of adsorbing the first sample contained in the buffer solution to the first antibody of the sample detection layer;
  • the prism is characterized in that the total reflection of the second reflected light reflected from the boundary surface of the lower boundary of the prism and the buffer solution injected into the micro-flow of the incident light incident on the prism at the upper boundary of the prism.
  • the trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microchannel measuring apparatus and measuring method is a trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microchannel measuring apparatus and a measuring method sensor Can provide.
  • the trapezoidal incident structure prism using the trapezoidal incident structure prism, the light reflected from the interface between the prism and the measurement medium and the light reflected from the substrate material are completely separated, thereby enabling high sensitivity measurement.
  • the light reflected from the interface between the prism and the measuring medium has a larger energy than the light reflected from the substrate material and is difficult to separate, which may cause a measurement error. It can solve the problem of the existing measurement method that is limited in the measurement range that can be measured for.
  • microchannel of a multi-channel it is possible to provide various types of experimental conditions, such as varying the concentration of the sample injected or varying the degree of adsorption of the self-assembled monolayer film.
  • the present invention can be used in a variety of industries, such as bio, medical, food, environment, and the like can be measured in a high sensitivity to the bio-binding material in a non-labeled manner under the immersion micro-channel environment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a sensor for measuring bonding properties of biomaterials according to the prior patent.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the adsorption concentration change in the process of the sample is adsorbed, dissociated to the metal thin film.
  • Figure 3 is a schematic diagram of a prism incident silicon-based immersion micro-flow measurement sensor for explaining the problems of the prior art.
  • Figure 4 is a graph measuring the elliptic measurement constants ⁇ , ⁇ by the change in the refractive index of the biomaterial adsorption and buffer solution using the biomaterial bonding characteristics measuring sensor of the prior patent.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the configuration of a trapezoidal incident structure prism incident type silicon silicon-based immersion microchannel measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating a prism and a micro flow channel structure having a sadi-ordic incidence structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view for explaining in more detail the prism and the first structure of the trapezoidal incident structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for describing in detail a second structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of simultaneously measuring molecular bonding characteristics and a refractive index of a buffer solution according to the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a path of polarized incident light in a trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microchannel measuring apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the term 'unit' includes a unit realized by hardware, a unit realized by software, and a unit realized by both.
  • one unit may be realized using two or more pieces of hardware, and two or more units may be realized by one piece of hardware.
  • Some of the operations or functions described as being performed by a terminal or a device in the present specification may instead be performed in a server connected to the terminal or device. Similarly, some of the operations or functions described as being performed by the server may be performed by a terminal or a device connected to the server.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the configuration of a trapezoidal incident structure prism incident type silicon silicon-based immersion microchannel measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based immersion microchannel measuring apparatus includes a prism 100, a microchannel structure 200, and a polarization generator 300 having a trapezoidal incident structure. And a polarization detector 400.
  • An embodiment of the present invention is to measure the adsorption and dissociation dynamics of biomolecules, including small molecules, using an ellipsometric method, a buffer (50) containing a sample (not shown) of the biomolecules Has a structure that is injected into the micro-channel structure 200.
  • the microchannel structure 200 may include a microchannel 210 having multiple channels.
  • the prism 100 having a trapezoidal incidence structure refracts light incident on the prism 100.
  • the prism 100 having a trapezoidal incident structure may have two or more optical planes having a trapezoidal side surface.
  • the prism 100 may be in the shape of a square pyramid.
  • the trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microfluidic measuring device as shown in FIG. 5, the light 14 and the substrate reflected at the interface between the prism 100 and the measurement medium are shown. Highly sensitive measurement is possible by completely separating the light 12 reflected from the material.
  • the polarized incident light 10 incident from the polarization generator 300 passes through the boundary surface 110 of the prism 100 having a trapezoidal incidence structure, and then, at the boundary surface of the lower end of the prism 100, the microchannel ( The light is refracted at a predetermined angle by the refractive index of the buffer solution 50 flowing through 210 and is divided into light 12 that is incident on the adsorption layer 530 and light 14 that is reflected by the boundary surface of the lower end of the prism 100.
  • the prism 100 has a square pyramid shape. Accordingly, among the polarized incident light 10 incident by the polarization generator 300, the light 14 reflected at the interface between the prism 100 and the medium has an upper boundary surface 110 of the prism 100 having a trapezoidal incident structure. ) Is totally reflected, and is not detected by the polarization detector 400. That is, the polarization detector 400 is refracted by the adsorption layer 530 and is incident, and only the reflected light 12 is detected. Accordingly, the concentration of the sample adsorbed or dissociated in the adsorption tank 530 can be measured with high sensitivity. Do.
  • the prism may be mainly used optical glass, for example, may be BK7 or SF10, but is not limited thereto.
  • the microchannel structure 200 is formed under the prism 100 of the trapezoidal incident structure.
  • the microchannel structure 200 includes a plurality of microchannels 210 which are passages through which the buffer solution including the sample is introduced or discharged.
  • the width of the micro channel 210 has a micro scale of about several mm or less than 1 mm.
  • each of the plurality of microchannels 210 includes an inflow channel 210a, a microchannel channel 210c, and an outlet channel 210b. That is, the first microchannel 210 is formed by connecting the first inflow channel 210a, the first microchannel channel 210c, and the first discharge channel 210b.
  • micro channel structure 200 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 6 to 8.
  • FIG. 6A is a view illustrating a prism and a microchannel structure of a quadrilateral incident structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is an exploded perspective view of the prism and the microchannel structure of a trapezoidal incident structure according to an embodiment of the present invention. .
  • Figure 7 is a perspective view for explaining in detail the prism and the first structure of the trapezoidal incident structure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 8 is a detailed view for explaining the second structure according to an embodiment of the present invention It is a cross section.
  • the microchannel structure according to the exemplary embodiment of the present invention includes a first structure 200a and a second structure 200b.
  • the first structure 200a is formed under the prism 100 having a trapezoidal incident structure.
  • the prism 100a and the first structure 200a of the trapezoidal incident structure described above may be manufactured integrally, but are not limited thereto.
  • the first structure 200a and the second structure 200b may be separated from each other, and the second structure 200b includes the microchannel channel layer 200c.
  • the first structure 200 may be made of a transparent material such as glass or transparent synthetic resin material.
  • a transparent material such as glass or transparent synthetic resin material.
  • an acrylic resin such as polymethyl methacrylate (PMMA) may be used.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • silicon-based materials such as silicon phosphate polymer (PDMS, polydimethylsiloxane) may also be used.
  • the first structure 200a includes a plurality of inflow paths 210a formed on one side of the first structure 200a and a plurality of discharge paths formed on the other side of the first structure. 210b.
  • the inflow passage 210a is connected from the first inlet 212 formed at one side of the first structure to the second inlet 214 formed at the lower portion of the first structure, and the discharge passage 210b is formed of the first structure. From the first outlet 216 formed in the lower portion, it is connected to the second outlet 218 formed on the other side of the first structure.
  • each of the plurality of inflow passages 210a and the discharge passage 210b is formed to be connected to the plurality of microchannel channels 210c of the microchannel channel layer 200c formed in the second structure 200b.
  • the second inlet 214 is formed to be in contact with one side of the microchannel channel 210c, thereby connecting the first channel 210a and the microchannel channel 210c.
  • the first outlet 216 is formed to contact the other side of the micro-channel 210c, the discharge passage 210b and the micro-channel 210c may be connected.
  • the first inflow path 210a, the first microchannel channel 210c, and the first discharge path 210b are formed to be connected to each other. Accordingly, the buffer solution 50 including the sample injected through the first inflow path 210a may be discharged to the first discharge path 200b after passing through the first microchannel channel 210c.
  • the second structure 200b includes a microchannel channel layer 200c, and the microchannel channel layer 200c includes a plurality of microchannel channels 210c.
  • the microchannel channel layer 210c may be formed of an acrylic resin such as polymethyl methacrylate (PMMA), but is not limited thereto.
  • the second structure 200b includes a sample detection layer 500 on the bottom of the groove formed by the plurality of microchannel channels 210c.
  • the sample detection layer 500 specifically includes a substrate 510, a dielectric thin film 520 and an adsorption layer 530 formed on the substrate.
  • the substrate 510 has a complex refractive index of about 3.8391 + i0.018186 at 655 nm, and silicon (Si) that provides constant and stable physical properties at low cost may be used.
  • silicon Si
  • the present invention is not limited thereto, and a semiconductor or dielectric material other than silicon may be used as the material of the substrate 510.
  • a layer of dielectric thin film 520 is formed on top of the substrate.
  • a thin film material of a transparent material including a semiconductor oxide film or a glass film may be used.
  • the thickness of the dielectric thin film is preferably 0 ⁇ 1000nm.
  • the most easily obtained dielectric thin film 520 is a silicon oxide film (SiO 2) grown to several nanometers by naturally oxidizing silicon. Since the refractive index of the silicon oxide film is about 1.456 at 655 nm, the difference in refractive index between the silicon oxide film and the substrate 510 made of silicon is large, which helps to increase the measurement sensitivity of the present invention.
  • a glass film made of optical glass may be used for the dielectric thin film 520.
  • the dielectric thin film 520 formed of silicon, silicon oxide, or glass film can provide a stable optical characteristic and can provide stable optical characteristics and lower manufacturing cost compared to a metal thin film such as gold or silver. .
  • Adsorption layer 530 may be composed of at least one of a self-assembled thin film and a bio thin film.
  • the adsorption layer 530 may be immobilized bio-binding material capable of detecting a specific sample.
  • the adsorption layer 530 serves to absorb and dissociate a sample (not shown) of the low molecular weight biocombination material and reflect incident light.
  • the sample contained in the buffer solution introduced through the first inflow passage 210a may be adsorbed to the adsorption layer 530 and dissociated from the adsorption layer 530.
  • the polarization generator 300 transmits the polarized incident light 10 through the prism 100 having a trapezoidal incidence structure as shown in FIG. 5. And irradiates the adsorption layer 530 in the ().
  • the polarization generator 300 may include a light source 310, a polarizer 320, and other collimating lenses 330, a focusing lens 340, or a first compensator 350 as essential components. have.
  • the polarizer 320 and the first compensator 350 may be configured to be rotatable or may further include other polarization modulating means.
  • the polarized incident light has a polarization component of p-wave and s-wave, and in order to increase the signal-to-noise ratio, light of nearly p-wave can be incident.
  • the incident light should be irradiated at an incident angle ⁇ that satisfies the p-wave antireflection condition.
  • the p-wave antireflection condition is similar to the surface plasmon resonance condition of the conventional SPR sensor, and is a condition in which the measurement sensitivity of the present invention is maximized.
  • the light source 310 irradiates monochromatic light in the infrared, visible or ultraviolet wavelength range, or irradiates white light.
  • various lamps, light emitting diodes (LEDs), lasers, laser diodes (LDs), and the like may be used.
  • the light source 310 may have a structure capable of varying the wavelength according to the structure of the optical system.
  • the magnitude of the optical signal of the reflected light may be relatively small.
  • a high sensitivity is generated by irradiating light with a high amount of light using a laser or a laser diode (LD) to increase the signal to noise ratio. Measurements can be made possible.
  • the polarizer 320 is provided with a polarizing plate to polarize the light emitted from the light source 310.
  • the polarization component has an s wave in a direction perpendicular to a p wave in a direction parallel to the incident surface.
  • the collimating lens 330 receives light from the light source 310 to provide parallel light to the polarizer 320.
  • the focusing lens 340 may converge parallel light passing through the polarizer 320 to increase the amount of incident light.
  • the first compensator 350 serves to retard the polarization component of the incident light.
  • the polarization detector 400 detects a change in the polarization state of the reflected light 12 reflected from the absorption layer 530.
  • the polarization detector 400 includes an analyzer 410, a detector 420, and an operation processor 430 as essential components, and a second compensator 440 and a spectrometer 450. It may be provided.
  • the analyzer 410 corresponds to the polarizer 320 and may include a polarizing plate to polarize the reflected light again to control the degree of polarization of the reflected light or the direction of the polarization plane.
  • the analyzer 410 may be configured to be rotatable according to the structure of the optical system, or may further include polarization modulating means capable of performing a function such as phase change and cancellation of the polarization component.
  • the photodetector 420 detects polarized reflected light to obtain optical data, and converts it into an electrical signal. At this time, the optical data includes information on the change of the polarization state in the reflected light.
  • the photodetector 420 may be a CCD solid-state image pickup device, a photomultiplier tube (PMT), or a silicon photodiode.
  • the operation processor 430 serves to derive a measurement value by obtaining an electrical signal from the photodetector 420.
  • the arithmetic processor 430 includes a predetermined analysis program using a reflectance measuring method and an elliptic measurement method.
  • the arithmetic processor 430 extracts and analyzes optical data converted into an electrical signal, so that the adsorption concentration and the adsorption layer 160 of the sample are absorbed.
  • the measured values such as the thickness, the adsorption constant, the dissociation constant, and the refractive index are derived.
  • the operation processor 430 derives a measurement value by obtaining elliptic measurement constants ⁇ and ⁇ related to the phase difference of the elliptic measurement method in order to improve measurement sensitivity.
  • the second compensator 440 plays a role of retarding and adjusting the polarization component of the reflected light.
  • the second compensator 440 may be configured to be rotatable or may further include other polarization modulating means.
  • the spectrometer 450 is used when the light source 310 is white light. This is for spectroscopy of the reflected light and for separating the reflected light having a narrow wavelength range and sending the reflected light to the photodetector 420.
  • the photodetector 420 may obtain optical data regarding the distribution of reflected light with a two-dimensional image sensor such as a CCD solid-state image sensor.
  • one embodiment of the present invention may further include a sample injection unit.
  • the sample injection unit (not shown) injects or discharges the buffer solution or the buffer solution containing the sample in the micro-channel 210.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of simultaneously measuring molecular bonding characteristics and a refractive index of a buffer solution according to the present invention. As shown in Figure 9, the measuring method of the present invention is subjected to the first step (S100) to the fifth step (S500).
  • the sample injection unit dissolves a sample (not shown) of a biobinding material including a low molecule in the buffer solution 50 and injects it into the microchannel 210 of the microchannel structure 100. Done.
  • the sample injecting unit may inject a buffer solution 50 containing samples of different concentrations in each of the microchannels 210 of the multichannel.
  • the buffer solution 50 may be injected with a time difference for each microchannel 210.
  • the buffer solution 50 may be injected only to some microchannels 210, and the other microchannels 210 may not be used.
  • a sample (not shown) of a biocombination material is adsorbed onto the substrate 510 or the dielectric thin film 520 to form the adsorption layer 530.
  • a sample may be adsorbed onto a plurality of different self-assembled monolayer films or the same self-assembled monolayer film formed in the single microfluidic channel 210c of FIG. 8 to form adsorption layers having different bonding characteristics. It may be.
  • the polarizer 320 polarizes a predetermined light emitted from the light source 310 and enters the adsorption layer 530 through the prism 100 having a trapezoidal incidence structure.
  • the polarized incident light (! 0) passes through the prism 100 having a trapezoidal incident structure and is refracted at a predetermined angle by the refractive index of the buffer solution 50 in the micropaid channel 210c existing at the lower end of the prism 100.
  • the polarized incident light has a polarization component of p-wave and s-wave.
  • the incident light should have an incident angle ⁇ that satisfies the p-wave antireflection condition.
  • the reflected light reflected by the adsorption layer 530 is incident on the polarization detector 400 through the prism 100.
  • the reflected light is an elliptically polarized state.
  • the light 14 reflected at the boundary surface of the lower end of the prism is totally reflected at the boundary surface of the upper surface of the prism 100 having a trapezoidal incident structure, whereby the path of the light 14 is polarized light detector 400. Do not face).
  • the polarization detector 400 detects the polarization state of the reflected light. Specifically, the analyzer 410 first receives the elliptically polarized reflected light from the adsorption layer 530 to pass only the light according to the polarization characteristics.
  • the photodetector 420 obtains predetermined optical data by detecting a change in the polarization component of the reflected light, converts it into an electrical signal, and transmits the converted optical signal to the operation processor 430.
  • an arithmetic processor 430 with a program using a reflectance measuring method or an ellipsometric method extracts and analyzes optical data converted into an electrical signal, and the adsorption concentration of the sample, the adsorption and dissociation constant, the refractive index, the refractive index of the buffer solution, The same measurement is derived.
  • the operation processor 430 obtains the elliptic measurement constant ⁇ of the phase difference of the elliptic measurement method, measures the refractive index measurement value of the buffer solution, and measures the elliptic measurement constant?
  • the elliptic measurement constant ⁇ of the phase difference under the p-wave antireflection condition is sensitive to the change in the refractive index of the buffer solution and is hardly affected by the bonding characteristics. Therefore, only the change in the refractive index of the buffer solution can be measured. This is because the elliptic measurement constant ⁇ regarding the amplitude ratio changes mainly with high sensitivity to the bonding properties of the material.
  • the bonding characteristics of the sample introduced into the buffer solution are measured as ⁇ and the refractive index change of the buffer solution including the refractive index that changes when dissolved in the buffer solution or the solvent such as DMSO used to dissolve the sample is measured at the same time as ⁇ Only the bonding characteristics are obtained.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a path of polarized incident light 10 in a trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based liquid immersion microchannel measuring apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A illustrates an example of a silicon-based liquid immersion microfluidic measuring device including a prism of a trapezoidal incident structure formed of BK7
  • FIG. 10B illustrates a silicon-based liquid immersion microstructure including a prism of a trapezoidal incident structure formed of SF10.
  • An example of a flow path measuring device is shown.
  • the first incident light 10 and the second incident light 10 having different incidence angles are provided. All of the incident light 20 can be detected by the polarization detector 400. That is, a wider range of incidence angles is allowed than in the prior art, and the measurement range that can be measured with respect to other angles varying with refractive index changes is also widened.
  • the traveling direction of the light reflected from the interface between the prism and the medium using the trapezoidal incident structure is total reflection at the top of the trapezoidal prism. Therefore, there is an advantage that high sensitivity can be measured by separating and detecting only the light reflected from the substrate material.
  • the light reflected from the interface between the prism and the measuring medium has a larger energy than the light reflected from the substrate material and is difficult to separate, which may cause a measurement error.
  • the light reflected from the interface between the prism and the measurement medium and the light reflected from the substrate material can be completely separated.
  • the height of the flow path should be reduced to a minimum.
  • the inclined incidence structure the inclination of the structure using the inclination of the prism and microfluidic interface and silicon surface
  • the height of the flow path can be lowered more than the minimum height required for the structure).
  • the microfluidic structure of the present invention has a microchannel combined with a trapezoidal prism structure optimized for analysis of a biobinding material, and is composed of a single channel having a multichannel or a plurality of self-assembled monolayer films. Therefore, it is possible to provide various types of experimental conditions, such as varying the concentration of the sample into the microchannel of the multi-channel flow channel or varying the degree of adsorption of the self-assembled monolayer membrane, thereby increasing the efficiency in the analysis experiment of the bio-binding material. There is this.
  • the present invention can be used in a variety of industries, such as bio, medical, food, environment can be measured in a high sensitivity to the bio-binding material in a non-labeled manner in the immersion micro-channel environment.
  • the trapezoidal incident structure prism incident type silicon-based immersion microfluidic measuring method according to an embodiment of the present invention is also in the form of a recording medium containing instructions executable by a computer, such as a program module executed by a computer. It can be implemented and automated.
  • Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Computer-readable media can also include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • magnetic tape magnetic tape
  • magnetic disk magnetic disk
  • flash memory an optical data storage device
  • optical data storage device an optical data storage device
  • Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transmission mechanism, and includes any information delivery media.

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Abstract

본 발명은 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치는 지지대와 상기 지지대 상에 형성되고 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나의 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체; 상기 미세유로 구조체의 상부에 형성된 사각뿔대 형상의 프리즘; 상기 미세유로에 제 1 시료가 포함된 완충용액을 주입하는 시료 주입부; 상기 프리즘을 통해 편광된 입사광을 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각으로 상기 미세유로에 조사하는 편광발생부; 상기 편광된 입사광 중, 상기 시료검출층으로부터 반사되는 제 1 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부를 포함하되, 상기 프리즘은 상기 프리즘으로 입사된 편광된 입사광 중, 상기 프리즘의 하부 경계면 및 상기 미세유로에 주입된 완충용액의 경계면에서 반사된 제 2 반사광을 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 시키는 것을 특징으로 한다.

Description

사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법
본 발명은 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
반사율 측정법(Reflectometry)과 타원계측법(Ellipsometry)은 시료의 표면에서 반사한 반사광의 반사율 변화 또는 편광상태를 측정하고, 그 측정값을 분석함으로써 시료의 두께나 광학적 물성을 찾아내는 광분석기술이다.
이를 이용한 계측장비로서 반사율 측정기(Reflectometer)와 타원계측기(Ellipsometer)가 있다. 이들은 반도체 산업의 나노 박막 제조공정에서 다양한 나노수준의 박막 두께와 물성을 평가하는데 활용되고 있다. 또한, 바이오산업으로 그 활용범위를 넓혀 단백질, DNA, 바이러스, 신약물질 등과 같은 바이오물질의 계면 분석에 응용하고자 하는 노력이 계속되고 있다.
종래의 반사율 측정기는 수 나노미터(nm) 이상의 크기를 갖는 나노 박막의 두께와 물성을 평가하기에는 충분하지만, 대략 1 ~ 0.001 나노미터 범위의 감도가 필요한 저분자 바이오물질을 분석하는 데 있어 측정감도가 낮아 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 반사율 측정기에 비해 타원계측기의 경우 0.01 nm 이하의 측정감도를 가지며 특히 고굴절률의 반도체 기판 위의 반도체에 비해 상대적으로 굴절률이 작은 산화막의 두께 측정과 같이 굴절률 대비가 큰 조건에서 측정감도가 높다.
그러나, 타원계측기의 경우 저분자 바이오물질까지 분석하기 위해서는 감도가 향상된 측정방법이 요구된다.
바이오물질의 분석시 측정감도를 개선하기 위한 종래의 기술로서, 반사율 측정법과 표면 플라즈몬 공명(SPR;Surface Plasmon Resonance)기술이 혼합된 형태의 표면 플라즈몬 공명 센서(이하, 'SPR 센서'라고 함)가 있다.
표면 플라즈몬 공명(SPR) 현상은 광파(light waves)에 의해 금속표면에 존재하는 전자들이 여기되어 표면의 종방향(normal)으로 집단적인 요동(collective vibration)을 하게 되고, 이때 빛에너지가 흡수되는 현상을 말한다. SPR 센서는 빛의 편광특성에 민감한 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 금속표면에 접하는 나노 박막의 두께 및 굴절률 변화를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 바이오물질의 흡착농도 변화를 형광물질을 사용하지 않는 비표지방식으로(non-labeling) 실시간으로 측정할 수 있는 것으로 알려져 있다.
SPR 센서는 그 구조가 유리 등의 재질에 수십 나노미터의 금속박막을 입히고 그 위에 생체물질이 접합할 수 있는 센서를 만들고 완충용액에 녹아 있는 시료가 센서에 접합하게 되면 공명각이 변하는 원리를 이용한 것으로 공명각은 반사율 측정을 통해 이루어진다. SPR 센서에 빛이 입사하면 유리재질이 입사 매질이 되고 생체물질이 접합하는 박막층을 통과하여 최종적으로 완충용액이 기판에 해당한다.
이러한 구조에서는 측정하고자 하는 시료의 접합에 의한 생체 박막층의 변화와 마찬가지로 기판물질에 해당하는 완층용액의 굴절률이 공명각의 이동에 직접적으로 영향을 준다. 따라서 순순한 접합동특성만 측정하기 위해서는 완충용액의 굴절률을 독립적으로 측정하여 보정해 주어야 한다.
완충용액의 굴절률 변화를 보정하고 시료와 완충용액 사이의 확산으로 인한 오차를 방지하기 위해 정교한 밸브장치와 공기 주입장치, 2개 이상의 채널을 사용하여 1개를 기준채널로 이용하고 보정하는 방법 등이 사용되고 있다. 그러나 완충용액의 굴절률 변화에 의한 SPR 각도 변화와 순수한 흡착, 해리특성에 의한 SPR 각도변화를 구분하기 어렵고 항상 측정오차요인으로 작용할 수 있다. 결국, 종래의 SPR 센서는 위와 같은 측정방법의 한계로 인해 저분자와 같이 분자량이 작은 물질의 흡착, 해리특성 측정시 근본적인 어려움이 있다.
또한, 종래의 SPR 센서는 표면 플라즈몬 공명을 위해 금(Au), 은(Ag)과 같은 귀금속의 금속박막이 사용되어 센서의 제작비가 많이 소요된다. 그리고, 금속박막은 제작공정에 따라 표면조도가 고르지 못하여 굴절률의 편차가 심하고, 불안정한 광특성으로 인해 바이오물질의 정량적인 측정이 어렵고 기준 채널과 상대적인 비교시 서로 다른 위치의 다른 감도특성에 의한 오차를 포함하는 문제점이 있다.
SPR 센서의 단점을 개선하기 위하여 실리콘 등의 기판물질 위에 생체물질 접합센서 층을 만들고 액침미세유로 환경하에서 완충용액을 통과하여 기판물질에서 반사된 광의 진폭과 위상을 p-파 무반사 조건에서 타원계측 방법으로 측정하면 측정된 진폭이 완충용액의 굴절률 변화에 민감하지 않고 생체물질의 접합동특성에 민감한 신호를 얻을 수 있다. 액침미세유로 환경하에서 기판물질에 흡착하는 생체물질의 접합특성을 측정할 경우 SPR 측정과는 반대로 완충용액은 입사매질이 되고 생체물질 흡착층을 통과한 빛이 기판물질에서 반사하게 된다.
이러한 측정 조건에서는 측정된 타원계측각이 완충용액인 입사매질의 굴절률 변화에는 민감하지 않고 생체박막과 기판물질의 변화에만 민감한 변화를 보이게 된다. 실리콘과 같은 굴절률이 안정된 기판인 경우 측정된 타원계측각 Ψ는 생체박막의 변화에만 민감한 신호를 얻을 수 있고 타원계측각 Δ는 완충용액의 굴절률에만 민감한 신호를 나타내어 생체박막의 두께와 완충용액의 굴절률을 동시에 측정할 수 있다. 그러나 프리즘과 같은 평면 입사구조와 평행한 기판을 사용할 경우 프리즘과 완충용액의 경계면에서 반사하는 빛을 제거하고 기판에서 반사하는 빛만 사용해야 한다. 시료의 사용량을 최소화하기 위해서는 프리즘 표면과 기판물질과의 간격을 줄여야 하는데 이 경우 반사하는 두 빛이 아주 가까운 거리에 위치하여 분리가 어렵고 측정오차로 작용한다. 따라서 프리즘과 같은 평면 입사형 구조에서 프리즘과 완충용액의 경계면에서 반사되는 빛과 센서를 포함한 기판물질에서 반사하는 빛을 구분하기 위한 새로운 구조의 측정방법이 요구된다.
도 1은 SPR 센서의 단점을 개선하기 위하여 실리콘 등의 기판물질 위에 센서 층을 만들고 액침미세유로 환경하에서 타원계측 방법으로 측정하는 선행특허의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 센서는 대략 프리즘(100), 미세유로 구조체(200) 편광발생부(300) 및 편광검출부(400)로 구성된다. 이때, 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 센서의 미세유로 구조체(200)는 기판(510) 혹은 유전체 박막(520) 위에 흡착층(530)을 올려, 액침 미세유로(210) 환경을 형성한다. 이때, 바이오물질의 시료(1)가 용해된 완충용액(50)을 미세유로(210)에 주입하게 되면, 흡착층(530)의 표면에 형성된 리간드(ligand, 2) 물질에 바이오물질이 흡착에 하여 소정두께의 흡착층을 형성하게 된다.
그리고, 편광발생부(300)으로부터 발생된 편광된 입사광은 프리즘의 입사면(110)을 거쳐 완충용액(50)과 기판(510)의 경계면에 p-파 무반사 조건을 일으키는 각도로 입사된다. 이때, 기판(510)에서 반사된 반사광은 시료(1)의 흡착층 및 완충용액의 굴절률에 관한 광학데이터를 포함하고 있다. 즉, 시료(1)가 리간드(2)에 흡착, 해리되는 과정에서 흡착농도, 흡착층의 두께 또는 굴절률, 완충용액의 굴절률과 같은 분자 흡착 및 해리 동특성(binding and dissociation kinetics)이 변화하게 되고, 이에 따라 측정된 타원계측 각들이 달라지게 된다. 그리고, 광학데이터를 포함한 반사광은 편광검출부(400)에서 검출된다. 이때, 편광검출부(400)는 반사광의 편광 성분에 따른 변화, 즉 타원계측각도들을 측정함으로써 시료(1)의 분자 흡착 및 해리 동특성, 완충용액의 굴절률을 파악할 수 있다.
도 2에는 시료(1)가 금속박막(30)에 흡착되는 과정을 나타내는 흡착곡선과, 해리되는 과정을 나타내는 해리곡선이 도시되어 있다. 흡착률 상수(association rate constant, ka)가 클수록 바이오물질의 빠른 흡수를 의미하고, 해리율 상수(dissociation rate constant, kd)가 작을수록 느리게 해리됨을 의미한다.
즉, 흡착률 상수와 해리율 상수를 측정함으로써 평형상태의 해리상수(KD = kd / ka)를 구할 수 있다. 예를 들면, 발암 억제제로 사용될 수 있는 저분자 신약후보물질이 발암 유발인자를 포함하는 단백질에 흡착 혹은 탈착하는 특성을 측정하여 신약으로 사용될 수 있는지 여부를 판단할 수 있는 것이다.
이하, 도 3과 도 4를 참고하여 선행특성에 따른 바이오물질 분석용 센서의 특징 및 한계를 설명한다. 도 3과 같은 프리즘 입사구조를 사용하여 빛을 입사시킬 경우 대략 θ2=70.85°정도의 경사각으로 경계면에 입사하게 되며 완충용액의 굴절률 변화(0.0002)에 의해 프리즘에서 완충용액으로 입사할 때 약 -0.024°정도 각도변화가 나타나게 된다. p-파 무반사 조건은 θ2=70.85° 근처인데 완충용액 굴절률 변화에 의한 현재의 각도는 0.024°작은 70.826°로 바뀌므로 도 4에 도시된 바와 같이, Ψ, △의 그래프가 나타나고 굴절률 변화에 따라 p-파 무반사 각도는 거의 바뀌지 않기 때문에 0.24°작은 각도인 70.826°에서 Ψ, △의 값을 측정하게 된다.
도 4에서 완충용액(50)의 굴절률이 서로 다른 경우의 실선 그래프는 완충용액(50)의 굴절률이 1.3330이고, 점선(dashdot line) 그래프는 완충용액(50)의 굴절률 1.3332에 해당한다. 프리즘 구조를 사용할 경우 입사각의 변화에 의한 측정결과는 도 4에서처럼 Ψ값의 변화는 수직입사구조에서 작은 변화를 더욱 상쇄하는 방향으로 작용하여 거의 변화를 보이지 않게 되고 반면에 △는 큰 변화를 보여준다. 즉, 위상차에 관한 타원계측상수 △는 완충용액의 굴절률 변화에만 민감한 변화를 보이고 접합특성에는 거의 영향을 받지 않기 때문에 완충용액의 굴절률 변화만을 고감도로 측정할 수 있게 된다. 타원계측상수 △의 변화는 박막물질의 두께가 아주 작아질수록 아주 큰 변화를 나타내며 굴절률 변화를 측정하여 물질의 물성이나 접합특성의 변화를 분석하는 응용연구에 활용될 경우 기존 SPR 측정방법에 비해 초고감도 굴절률 측정이 가능한 측정방법이다.
연속적으로 공급되는 완충용액과 시료에 사용된 용매 등으로 굴절률이 달라진 완충용액이 미세유로를 통해 센서에 공급될 때 순수한 접합동특성과 완충용액의 굴절률 변화를 동시에 측정할 수 있다.
그러나 도 3에서 프리즘의 밑면과 기판물질과의 간격이 작을 경우 프리즘과 완충용액 경계면에서 반사된 빛과 기판물질에서 반사된 빛이 분리되기 어렵다. p-파 무반사 조건에서 측정하기 때문에 기판물질에서 반사된 빛의 세기가 프리즘과 완충용액 경계면에서 반사된 빛보다 상대적으로 약해서 측정오차가 발생하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고감도 측정이 가능한 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 한다.
구체적으로, 사다리꼴 입사구조 프리즘을 사용하여 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛과 기판물질에서 반사한 빛을 완전히 분리하여, 고감도 측정이 가능한 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치를 제공하고자 한다.
또한, 기존 측정방법에서는 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛이 기판물질에서 반사한 빛보다 에너지가 크고 분리하기가 어려워서 측정오차를 일으킬 수 있고, 분리하기 위한 조리개를 사용할 경우 굴절률 변화에 따라 변화하는 다른 각도에 대해 측정할 수 있는 측정범위가 제한되는 문제점을 해결하고자 한다.
특히 시료소모를 최소화하기 위하여, 유로의 높이를 최소한으로 낮추고, 다채널의 미세유로를 구비함으로써, 시료의 농도를 변화시켜 주입하거나 자기 조립 단층막의 흡착정도를 달리하는 등 다양한 형태의 실험조건을 제공할 수 있는 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명은 액침 미세유로 환경하에서 비표지방식으로 생체결합 물질을 고감도 측정이 가능하여 바이오, 의료, 식품, 환경 등 다양한 산업에 널리 활용될 수 있는 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치는 지지대와 상기 지지대 상에 형성되고 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나의 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체; 상기 미세유로 구조체의 상부에 형성된 사각뿔대 형상의 프리즘; 상기 미세유로에 제 1 시료가 포함된 완충용액을 주입하는 시료 주입부; 상기 프리즘을 통해 편광된 입사광을 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각으로 상기 미세유로에 조사하는 편광발생부; 상기 편광된 입사광 중, 상기 시료검출층으로부터 반사되는 제 1 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부를 포함한다.
이때, 프리즘은 상기 프리즘으로 입사된 편광된 입사광 중, 상기 프리즘의 하부 경계면 및 상기 미세유로에 주입된 완충용액의 경계면에서 반사된 제 2 반사광을 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치는 지지대와 상기 지지대 상에 형성되고 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 제 1 시료검출층이 형성된 제 1 미세유로 및 제 2 시료를 검출하기 위한 제 2 생체 결합물질이 고정화된 제 2 시료검출층이 형성된 제 2 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체; 상기 미세유로 구조체의 상부에 형성된 사각뿔대 형상의 프리즘; 상기 제 1 미세유로 및 상기 제 2 미세유로에 제 1 시료 또는 제 2 시료가 포함된 완충용액을 각각 주입하는 시료 주입부; 상기 프리즘을 통해 편광된 입사광을 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각으로 상기 제 1 미세유로 및 제 2 미세유로에 조사하는 편광발생부; 상기 편광된 입사광 중, 상기 제 1 시료검출층 또는 상기 제 2 시료 검출층으로부터 반사되는 제 1 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부를 포함한다.
이때, 상기 편광발생부는 상기 입사광을 상기 제 1 시료검출층으로 입사되는 제 1 입사광 및 상기 제 2 시료검출층으로 입사되는 제 2 입사광으로 분할시키는 빔스플리터를 포함한다.
또한, 상기 제 1 입사광 및 제 2 입사광은 상기 프리즘의 하부 경계면에서 상기 제 1 미세유로 및 상기 제 2 미세유로로 굴절된 후 상기 제 1 시료검출층 또는 상기 제 2 시료검출층으로부터 반사된 제 1 반사광, 및 상기 프리즘의 하부 경계면 및 상기 미세유로에 주입된 완충용액에 의해 반사된 제 2 반사광으로 각각 분할된다. 이때, 상기 프리즘은 상기 제 2 반사광을 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정방법은 시료주입부가 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나의 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체에 완충용액을 주입하는 제 1 단계; 상기 완충용액에 포함된 제 1 시료가 상기 시료검출층의 제 1 항체에 흡착하는 제 2 단계; 편광발생부가 광을 편광시켜 상기 미세유로 구조체의 상부에 형성된 사각뿔대 형상의 프리즘의 입사면을 통해 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각으로 상기 미세유로에 입사시키는 제 3 단계; 상기 편광 검출부가 상기 편광된 입사광 중, 상기 시료검출층으로부터 반사되는 제 1 반사광의 편광 변화를 검출하는 제 4 단계; 및 상기 제 1 반사광의 편광변화에 기초하여 상기 시료검출층에 흡착된 제 1 시료의 농도를 검출하는 제 5 단계;를 포함한다.
이때, 상기 프리즘은 상기 프리즘으로 입사된 입사광 중, 상기 프리즘의 하부 경계면 및 상기 미세유로에 주입된 완충용액의 경계면에서 반사된 제 2 반사광을 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법은 고감도 측정이 가능한 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치 및 측정방법센서를을 제공할 수 있다.
구체적으로, 사다리꼴 입사구조 프리즘을 사용하여 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛과 기판물질에서 반사한 빛을 완전히 분리하여, 고감도 측정이 가능하다.
또한, 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛이 기판물질에서 반사한 빛보다 에너지가 크고 분리하기가 어려워서 측정오차를 일으킬 수 있고, 분리하기 위한 조리개를 사용할 경우 굴절률 변화에 따라 변화하는 다른 각도에 대해 측정할 수 있는 측정범위가 제한되는 기존 측정방법의 문제점을 해결할 수 있다.
특히 유로의 높이를 최소한으로 낮추어 시료소모를 최소화 할 수 있다.
아울러, 다채널의 미세유로를 구비함으로써, 시료의 농도를 변화시켜 주입하거나 자기 조립 단층막의 흡착정도를 달리하는 등 다양한 형태의 실험조건을 제공할 수 있는 효과가 발휘 된다.
나아가, 본 발명은 액침 미세유로 환경하에서 비표지방식으로 생체결합 물질을 고감도 측정이 가능하여 바이오, 의료, 식품, 환경 등 다양한 산업에 널리 활용가능하다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 선행특허에 따른 생체물질 접합특성 측정센서를 나타내는 단면도이다.
도 2는 시료가 금속박막에 흡착, 해리되는 과정에서의 흡착농도변화를 나타내는 모식도이다.
도 3은 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정센서의 모식도이다.
도 4는 선행특허의 생체물질 접합특성 측정센서를 이용한 생체물질 흡착과 완충용액의 굴절률 변화에 의한 타원계측상수 Ψ, △를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 시예에 따른 사디리꼴 입사구조의 프리즘 및 미세유로 구조체를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조의 프리즘 및 제 1 구조체를 더욱 상세히 설명하기 위한 투시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 구조체를 상세히 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 분자접합특성 및 완충용액 굴절률 동시 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치에서, 편광된 입사광의 경로를 나타낸 그림이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.
[사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 구성]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 구성을 상세히 살펴보도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치는 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100), 미세유로 구조체(200), 편광발생부(300), 및 편광검출부(400)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 타원계측법을 이용하여 저분자를 비롯한 생체결합 물질의 흡착 및 해리 동특성을 측정하기 위한 것으로서, 생체결합 물질의 시료(미도시됨)가 포함된 완충용액(buffer)(50)가 미세유로 구조체(200)에 주입되는 구조를 갖는다. 이때, 미세유로 구조체(200)는 미세유로(210)가 다채널로 구성될 수 있다.
먼저, 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)은 프리즘(100)으로 입사된 광을 굴절시킨다. 이때, 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)은 측면이 사다리꼴 형상으로 광학적 평면을 2개 이상 이루고 있는 것일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서, 프리즘(100)은 사각뿔대 형상일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 프리즘(100)과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛(14)과 기판물질에서 반사한 빛(12)을 완전히 분리하여, 고감도 측정이 가능하다.
더욱 상세하게, 편광발생부(300)로부터 입사된 편광된 입사광(10)은 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)의 경계면(110)을 통과한후, 프리즘(100) 하단의 경계면에서, 미세유로(210)에 흐르는 완충용액(50)의 굴절률에 의해 소정각도로 굴절되어 흡착층(530)으로 입사되는 빛(12)과 프리즘(100) 하단의 경계면에 의해 반사되는 빛(14)으로 나뉘게 된다.
종래 기술의 경우, 프리즘(100)과 매질의 경계면에서 반사된 빛(14)과 굴절되어 흡착층(530)으로 입사되는 빛(12)을 분리하기가 어려웠으며, 이에 따라, 프리즘(100)과 매질의 경계면에서 반사된 빛(14)은 굴절되어 흡착층(530)으로 입사되는 빛(12)과 함께 편광검출부(400)에 의하여 검출되는 문제점이 발생하였다. 따라서, 상대적으로 에너지가 큰 프리즘(100)과 매질의 경계면에서 반사된 빛(14)에 의하여 측정오차를 일으키며, 측정 감도가 저하되는 문제점이 발생하였다.
반면, 본 발명의 일 실시예의 경우, 프리즘(100)이 사각뿔대 형상을 가진다. 이에 따라, 편광 발생부(300)에 의하여 입사된 편광된 입사광(10) 중, 프리즘(100)과 매질의 경계면에서 반사된 빛(14)은 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)의 윗면 경계면(110)에서 전반사하게되며, 편광검출부(400)에 의하여 검출되지 않는다. 즉, 편광검출부(400)는 흡착층(530)으로 굴절되어 입사되고, 반사된 빛(12)만을 검출하게 되며 이에 따라 흡착증(530)에 흡착 또는 해리되는 시료의 농도를 고감도 측정하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 프리즘은 광학적 유리가 주로 사용될 수 있으며, 일례로 BK7 또는 SF10일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
미세유로 구조체(200)는 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)의 하부에 형성된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서, 미세유로 구조체(200)는 시료를 포함한 완충용액이 유입 또는 배출되는 통로인 미세유로(210)를 복수개 포함한다. 이때, 미세유로(210)의 폭은 수mm 근방이나 1mm 이하의 마이크로 스케일을 갖는다. 또한, 복수의 미세유로(210) 각각은 유입로(210a), 미세유로 채널(210c) 및 배출로(210b)를 포함한다. 즉, 제 1 미세유로(210)는 제 1 유입로(210a), 제 1 미세유로 채널(210c) 및 제 1 배출로(210b)가 연결되어 형성된다.
이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유로 구조체(200)를 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 6a은 본 발명의 일 시예에 따른 사디리꼴 입사구조의 프리즘 및 미세유로 구조체를 도시한 도면이고, 도 6b은 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조의 프리즘 및 미세유로 구조체의 분해사시도이다.
또한, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조의 프리즘 및 제 1 구조체를 더욱 상세히 설명하기 위한 투시도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 구조체를 상세히 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유로 구조체는 제 1 구조체(200a) 및 제 2 구조체(200b)로 구성된다.
이때, 제 1 구조체(200a)는 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)의 하부에 형성된다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서, 상술한 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100a) 및 제 1 구조체(200a)는 일체형으로 제작될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 제 1 구조체(200a) 및 제 2 구조체(200b)는 서로 분리될 수 있으며, 제 2 구조체(200b)는 미세유로 채널층(200c)을 포함한다.
한편, 제 1 구조체(200)는 유리 또는 투명한 합성수지재와 같은 투과성 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 합성수지재의 예로는 PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 아크릴 수지가 사용될 수 있다. 그리고, 규소인산폴리머(PDMS, polydimethylsiloxane)와 같은 실리콘계 재료도 사용될 수 있다.
더욱 상세하게, 제 1 구조체(200a)는 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 구조체(200a)의 일측면에 형성된 복수의 유입로(210a) 및 제 1 구조체의 타측면에 형성된 복수의 배출로(210b)를 포함한다. 또한, 유입로(210a)는 제 1 구조체의 일측면에 형성된 제 1 유입구(212)에서 제 1 구조체의 하부에 형성된 제 2 유입구(214)로 연결되며, 배출로(210b)는 제 1 구조체의 하부에 형성된 제 1 배출구(216)으로부터, 제 1 구조체의 타측면에 형성된 제 2 배출구(218)과 연결된다.
한편, 복수의 유입로(210a) 및 배출로(210b)각각은, 제 2 구조체(200b)에 형성된 미세유로 채널층(200c)의 복수의 미세유로 채널(210c)과 연결되도록 형성된다. 구체적으로, 제 2 유입구(214)는 미세유로 채널(210c)의 일측과 맞닿도록 형성됨으로써, 제 1 유입로(210a)와 미세유로 채널(210c)을 연결한다.
또한, 제 1 배출구(216)은 미세유로 채널(210c)의 타측과 맞닿도록 형성됨으로써, 배출로(210b)와 미세유로 채널(210c)는 연결될 수 있다.
즉, 제 1 유입로(210a), 제 1 미세유로 채널(210c) 및 제 1 배출로(210b)는 서로 연결되도록 형성된다. 이에 따라, 제 1 유입로(210a)를 통해 주입된 시료가 포함된 완충용액(50)은 제 1 미세유로 채널(210c)을 지나 제 1 배출로(200b)로 배출될 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 구조체(200b)는 미세유로 채널층(200c)을 포함하며, 미세유로 채널층(200c)은 복수의 미세유로 채널(210c)을 포함한다. 한편, 미세유로 채널층(210c)은 PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 아크릴수지로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 구조체(200b)는 복수의 미세유로 채널(210c)에 의하여 형성된 홈의 밑면에, 시료 검출층(500)을 포함한다. 이때, 시료 검출층(500)은 구체적으로, 기판(510), 기판 상에 형성된 유전체 박막(520) 및 흡착층(530)을 포함한다.
기판(510)은 655 nm에서 약 3.8391 + ｉ0.018186의 복소굴절률을 갖고, 저렴한 비용으로 일정하고 안정된 물성을 제공하는 실리콘(Si)이 사용될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 기판(510)의 재료는 실리콘 이외에 반도체 또는 유전체 물질이 이용될 수 있다.
기판의 상부에는 유전체 박막(520) 층이 형성된다. 유전체 박막(520)은 반도체 산화막 또는 유리막을 포함하는 투명한 재질의 박막물질이 사용될 수 있다. 이때, 유전체 박막의 두께는 0 ~ 1000nm인 것이 바람직하다.
한편, 가장 쉽게 구할 수 있는 유전체박막(520)의 예로 실리콘을 자연산화시켜 수 나노미터 두께로 성장시킨 실리콘 산화막(SiO2)이 있다. 실리콘 산화막의 굴절률은 655nm에서 약 1.456로서 실리콘으로 이루어진 기판(510)과의 굴절률 차이가 커서 본 발명의 측정감도를 높이는데 일조하게 된다.
또한, 유전체 박막(520)은 광학유리로 이루어진 유리막이 사용될 수 있다. 실리콘이나 실리콘 산화막 또는 유리막으로 이루어진 유전체 박막(520)은 금 또는 은과 같은 금속박막에 비해 굴절률이 일정하게 제조될 수 있어 안정적인 광특성을 제공할 수 있고, 제작비용을 낮출 수 있는 장점이 존재한다.
본 발명의 일실시예에 따른 흡착층(530)은 자기조립박막 및 바이오박막 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. 또한, 흡착층(530)에는 특정 시료를 검출 가능한 생체 결합물질이 고정화된 것 일 수 있다.
이때, 흡착층(530)은 저분자 생체결합 물질의 시료(미도시)가 흡착 및 해리되고, 입사광을 반사시키는 역할을 한다.
다시말해, 제 1 유입로(210a)를 통해 유입된, 완충용액 속에 포함된 시료는 흡착층(530)에 흡착되거나 및 흡착층(530)으로부터 해리될 수 있다.
다시 도 5 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광발생부(300)는 도 5에 도시된 바와 같이 편광된 입사광(10)을 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)을 통해 미세유로 채널(210c) 내의 흡착층(530)에 조사하는 역할을 한다.
편광발생부(300)는 필수 구성요소로 광원(310), 편광자(320)가 구비되고, 그밖에 시준렌즈(330), 집속렌즈(340) 또는 제1 보상기(compensator)(350)가 구비될 수 있다.
이때, 편광자(320)와 제1 보상기(350)는 회전가능하도록 구성되거나 혹은 다른 편광 변조수단이 더 구비될 수 있다. 한편, 편광된 입사광은 p파와 s파의 편광 성분을 갖고 있으며, 신호대 잡음비를 높이기 위해 거의 p파에 가까운 광을 입사시킬 수 있다. 이때, 본 발명에 있어서 입사광은 p파 무반사조건에 만족되는 입사각(θ)로 조사되어야 한다. 타원계측 방정식에서 복소반사계수비(ρ)는 s파의 반사계수비(Rs)에 대한 p파의 반사계수비(Rp)의 비, 즉 ρ= Rp/Rs 로 나타낼 수 있는데, p파 무반사 조건은 p파의 반사계수비(Rp)가 0에 가까운 값을 갖는 조건을 말한다. p파 무반사 조건은 종래의 SPR 센서의 표면 플라즈몬 공명조건과 유사한 것으로, 본 발명의 측정감도가 최대가 되는 조건이다.
광원(310)은 적외선, 가시광선 또는 자외선 파장대의 단색광을 조사하거나, 백색광을 조사하게 된다. 광원(310)으로는 각종 램프, 발광 다이오드(LED), 레이저, 레이저 다이오드(LD) 등이 사용될 수 있다. 이때, 광원(310)은 광학계의 구조에 따라 파장을 가변시킬 수 있는 구조를 구비할 수 있다. 한편, 상술된 p파 무반사 조건의 근방에서는 반사광의 광학 신호의 크기가 상대적으로 작을 수 있으며, 이 경우 레이저 또는 레이저 다이오드(LD)를 사용하여 높은 광량으로 빛을 조사하여 신호대 잡음비를 높임으로써 고감도의 측정을 가능하게 할 수 있다.
편광자(320)는 편광판이 구비되어 광원(310)에서 조사된 광을 편광시키게 된다. 이때, 편광 성분에는 입사면에 평행한 방향의 p파와 수직한 방향의 s파가 있다.
시준렌즈(330)는 광원(310)으로부터 빛을 수광하여 편광자(320)에 평행광을 제공한다. 그리고, 집속렌즈(340)는 편광자(320)를 통과한 평행광을 수렴하여 입사광의 광량을 증가시킬 수 있다. 또한, 제1 보상기(350)는 입사광의 편광 성분을 위상지연시키는 역할을 한다.
편광검출부(400)는 도 5에 도시된 바와 같이 흡착층(530)에서 반사된 반사광(12)이 입사되고, 그 편광상태의 변화를 검출하는 역할을 한다. 편광검출부(400)는 필수 구성요소로 검광자(analyzer)(410), 광검출기(detector)(420) 및 연산처리기(430)가 구비되고, 그 밖에 제2 보상기(440)와 분광기(450)가 구비될 수 있다. 이때, 검광자(410)는 편광자(320)에 대응되는 것으로 편광판을 구비하여 반사광을 다시 편광시킴으로써 반사광의 편광 정도나 편광면의 방향을 제어할 수 있다. 또한, 검광자(410)는 광학계의 구조에 따라 회전가능하도록 구성되거나 혹은 편광 성분의 위상변화, 소거와 같은 기능을 수행할 수 있는 편광 변조수단이 더 구비될 수 있다.
광검출기(420)는 편광된 반사광을 검출하여 광학데이터를 얻고, 이를 전기적인 신호로 바꾸는 역할을 한다. 이때, 광학데이터는 반사광에 있어서 편광상태의 변화에 관한 정보를 포함하고 있게 된다. 광검출기(420)는 CCD형 고체촬상소자, 광전증배관(PMT) 또는 실리콘 포토다이오드가 사용될 수 있다.
연산처리기(430)는 전기적인 신호를 광검출기(420)로부터 수득하여 측정값을 도출하는 역할을 한다. 연산처리기(430)에는 반사율 측정법 및 타원계측법을 이용한 소정의 해석 프로그램이 내장되어 있어 전기적인 신호로 변환된 광학데이터를 연산처리기(430)가 추출, 해석함으로써 시료의 흡착농도, 흡착층(160)의 두께, 흡착상수, 해리상수, 굴절률 등과 같은 측정값을 도출하게 된다. 이때, 연산처리기(430)는 측정감도의 향상을 위해 타원계측법의 위상차에 관한 타원계측상수 Ψ, Δ를 구하여 측정값을 도출하는 것이 바람직하다.
제2 보상기(440)는 반사광의 편광 성분을 위상지연시켜 조절하는 역할을 한다. 제2 보상기(440)는 회전가능하도록 구성되거나 혹은 다른 편광 변조수단이 더 구비될 수 있다.
분광기(450)는 광원(310)이 백색광인 경우 사용된다. 이는 반사광을 분광시키고, 좁은 영역의 파장을 갖는 반사광을 분리시켜 광검출기(420)로 보내기 위함이다. 이때, 광검출기(420)는 CCD형 고체 촬상소자와 같은 2차원 이미지센서로 반사광의 분포에 관한 광학데이터를 얻을 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예는 시료주입부를 더 포함할 수 있다. 이때, 시료주입부(미도시됨)은 미세유로(210)에 시료가 포함된 완충용액 또는 완충용액을 주입 또는 배출한다.
[사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 측정방법]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 분자접합특성 및 완충용액 굴절률 동시 측정방법 및 원리에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 분자접합특성 및 완충용액 굴절률 동시 측정방법을 나타내는 흐름도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 측정방법은 제1 단계(S100) 내지 제5 단계(S500)를 거치게 된다.
제1 단계(S100)는 도 5에서와 같이 시료주입부가 저분자를 비롯한 생체결합 물질의 시료(미도시)를 완충용액(50)에 용해하여 미세유로 구조체(100)의 미세유로(210)에 주입하게 된다. 이때, 시료 주입부는 다채널의 각 미세유로(210)마다 서로 다른 농도의 시료가 포함된 완충용액(50)을 주입할 수 있다.
또한, 각 미세유로(210)마다 시간차를 두어 완충용액(50)을 주입할 수 있다. 또한, 일부 미세유로(210)에만 완충용액(50)을 주입하고, 나머지 미세유로(210)는 사용하지 않을 수 있다.
제2 단계(S200)는 생체결합 물질의 시료(미도시)가 기판(510) 또는 유전체 박막(520)에 흡착하여 흡착층(530)을 형성하게 된다.
이와 달리, 시료가 도 8의 단일 미세유로 채널 (210c)에 형성된 복수의 서로 다른 자기 조립 단층막 또는 동일한 자기 조립 단층막 위에 복수의 흡착층에 흡착함으로써 서로 다른 접합특성을 갖는 흡착층을 형성할 수도 있다.
제3 단계(S300)는 광원(310)으로부터 조사된 소정의 광을 편광자(320)가 편광시키고, 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)을 통해 흡착층(530)에 입사시키게 된다. 이때, 편광된 입사광(!0)은 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)을 통과하고, 프리즘(100) 하단에 존재하는 미세유료 채널(210c) 내의 완충용액(50)의 굴절률에 의해 소정각도로 굴절된 후 흡착층(530)으로 입사되게 된다. 이때, 편광된 입사광은 p파와 s파의 편광 성분을 갖고 있다. 한편, 입사광은 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각(θ)을 가져야 한다.
제4 단계(S400)는 흡착층(530)에서 반사된 반사광은 프리즘(100)을 통해 편광검출부(400)에 입사된다. 이때, 반사광은 타원 편광된 상태이다. 한편, 편광된 입사광(10) 중, 프리즘 하단의 경계면에서 반사된 빛(14)는 사다리꼴 입사구조의 프리즘(100)의 윗면의 경계면에서 전반사되게 함으로써, 빛(14)의 경로가 편광검출부(400)를 향하지 않도록 한다.
제5 단계(S500)는 편광검출부(400)가 반사광의 편광상태를 검출하게 된다. 구체적으로 설명하면, 먼저 검광자(410)가 흡착층(530)에서 타원 편광된 반사광을 수광하여 편광특성에 따른 광만 통과시키게 된다.
다음으로, 광검출기(420)가 반사광의 편광 성분의 변화를 검출함으로써 소정의 광학데이터를 얻게 되고, 이를 전기적인 신호로 변환하여 연산처리기(430)로 전송한다.
다음으로, 반사율 측정법 또는 타원계측법을 이용한 프로그램이 내장된 연산처리기(430)가 전기신호로 변환된 광학데이터를 추출 및 해석하고, 시료의 흡착농도, 흡착 및 해리상수, 굴절률, 완충용액의 굴절률과 같은 측정값을 도출하게 된다.
이때, 본 발명은 연산처리기(430)가 타원계측법의 위상차에 관한 타원계측상수 Δ를 구하여 완충용액의 굴절률 측정값을 측정하고 진폭비에 관한 타원계측상수 Ψ를 측정하여 접합동특성을 구한다. 그 이유는 p-파 무반사 조건에서 위상차에 관한 타원계측상수 Δ는 완충용액의 굴절률 변화에만 민감한 변화를 보이고 접합특성에는 거의 영향을 받지 않기 때문에 완충용액의 굴절률 변화만을 측정할 수 있는 장점이 있고, 진폭비에 관한 타원계측상수 Ψ는 주로 물질의 접합특성에 고감도로 변하기 때문이다.
따라서 완충용액에 포함되어 유입되는 시료의 접합특성은 Ψ로 측정하고 완충용액에 용해될 때 변하는 굴절률이나 시료를 용해하기 위해 사용한 DMSO 등의 용매를 포함한 완충용액의 굴절률 변화는 Δ로 동시에 측정하여 순수한 접합특성만을 구하게 된다.
[실험예]
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치에서, 편광된 입사광(10)의 경로를 나타낸 그림이다.
구체적으로 도 10a은 BK7으로 형성한 사다리꼴 입사구조의 프리즘을 포함하는 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 일례를 도시하고 있고, 도 10b는 SF10으로 형성한 사다리꼴 입사구조의 프리즘을 포함하는 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 일례를 도시하고 있다.
종래의 경우, 굴절률 변화에 따라 변화하는 다른 각도에 대해 측정할 수 있는 측정범위가 제한되는 문제점이 있었다.
그러나, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조의 프리즘을 포함하는 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치의 경우, 서로 다른 입사각을 가지는 제 1입사광(10) 및 제 2 입사광(20) 모두 편광검출부(400)에 의해 검출 가능하다. 즉, 종래에 비하여 넓은 범위의 입사각이 허용되며, 굴절률 변화에 따라 변화하는 다른 각도에 대해 측정 가능한 측정 범위 또한 넓어지는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치는 사다리꼴 입사구조를 이용하여 프리즘과 매질의 경계면에서 반사된 광의 진행 방향이 사다리꼴 프리즘 윗면에서 전반사하여 기판물질에서 반사된 빛만 분리해서 검출함으로써 고감도 측정을 할 수 있는 장점이 있다.
기존 측정방법에서는 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛이 기판물질에서 반사한 빛보다 에너지가 크고 분리하기가 어려워서 측정오차를 일으킬 수 있고 분리하기 위한 조리개를 사용할 경우 이 있었으나 사다리꼴 입사구조 프리즘을 사용하여 프리즘과 측정매질의 경계면에서 반사한 빛과 기판물질에서 반사한 빛을 완전히 분리할 수 있는 장점이 있다.
특히 시료소모를 최소화해야 하는 신약후보물질 검색 등의 실험에서는 유로의 높이를 최소한으로 낮추어 제작해야 하며 사다리꼴 입사구조의 경우에는 경사 입사구조(프리즘과 미세유로 경계면과 실리콘 표면의 경사를 이용한 구조에서는 경사구조에 필요한 최소한의 높이가 필요) 보다 유로의 높이를 더욱 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 미세유로 구조체는 생체결합 물질의 분석에 최적화된 사다리꼴 프리즘 구조와 결합된 미세유로를 구비하고, 다채널 혹은 다수의 자기 조립 단층막이 형성된 단일채널로 구성된다. 따라서, 다채널의 미세유로에 시료의 농도를 변화시켜 주입하거나 자기 조립 단층막의 흡착정도를 달리하는 등 다양한 형태의 실험조건을 제공할 수 있어 생체결합 물질의 분석 실험에 있어서 효율성을 높일 수 있는 이점이 있다.
나아가, 본 발명은 액침 미세유로 환경하에서 비표지방식으로 생체결합 물질을 고감도 측정이 가능하여 바이오, 의료, 식품, 환경 등 다양한 산업에 널리 활용될 수 있을 것이다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정방법은 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현되어 자동화될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 지지대와 상기 지지대 상에 형성되고 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나의 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체;
    상기 미세유로 구조체의 상부에 형성된 사각뿔대 형상의 프리즘;
    상기 미세유로에 제 1 시료가 포함된 완충용액을 주입하는 시료 주입부;
    상기 프리즘을 통해 편광된 입사광을 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각으로 상기 미세유로에 조사하는 편광발생부;
    상기 편광된 입사광 중, 상기 시료검출층으로부터 반사되는 제 1 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부를 포함하되,
    상기 프리즘은
    상기 프리즘으로 입사된 편광된 입사광 중, 상기 프리즘의 하부 경계면 및 상기 미세유로에 주입된 완충용액의 경계면에서 반사된 제 2 반사광을 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 시키는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반사광은 상기 프리즘의 경사면을 통과하여 상기 프리즘 밑면에서 반사되는 제 2 반사광과 상기 프리즘 윗면 모서리를 기준으로 서로 다른 방향으로 진행되는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 편광검출부는
    상기 제 1 반사광과 상기 제 2 반사광을 분리하여 검출하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리즘의 상부면은
    상기 제2 반사광이 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 되도록 평면 연마된 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리즘을 통해 입사하는 상기 입사광의 크기를 조절하기 위한 광학장치를 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광학장치는
    상기 입사광의 초점이 상기 프리즘 상부면에 형성되도록 하기 위한 결상장치 를 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 결상장치는
    렌즈, 렌즈시스템, 및 반사경 중 어느 하나인 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료 검출층은
    기판,
    상기 기판의 상부에 형성된 유전체 박막, 및
    상기 유전체 박막의 상부에 형성된 흡착층을 포함하고,
    상기 흡착층에는 상기 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 반사광은 상기 유전체 박막에서 반사되는 광을 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 유전체 박막은 투명한 반도체 산화막 및 유리막 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 유전체 박막의 두께는 0 내지 1000nm인 것인,
    된 것인, 사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 반사광의 편광변화에 기초하여 상기 흡착층에 흡착된 상기 제 1 시료의 두께 또는 농도를 산출하는 농도산출부를 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세유로 구조체는
    제 2 시료를 검출하기 위한 제 2 생체 결합물질이 고정화된 제 2 시료검출층이 형성된 제 2 미세유로를 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  13. 지지대와 상기 지지대 상에 형성되고 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 제 1 시료검출층이 형성된 제 1 미세유로 및 제 2 시료를 검출하기 위한 제 2 생체 결합물질이 고정화된 제 2 시료검출층이 형성된 제 2 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체;
    상기 미세유로 구조체의 상부에 형성된 사각뿔대 형상의 프리즘;
    상기 제 1 미세유로 및 상기 제 2 미세유로에 제 1 시료 또는 제 2 시료가 포함된 완충용액을 각각 주입하는 시료 주입부;
    상기 프리즘을 통해 편광된 입사광을 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각으로 상기 제 1 미세유로 및 제 2 미세유로에 조사하는 편광발생부;
    상기 편광된 입사광 중, 상기 제 1 시료검출층 또는 상기 제 2 시료 검출층으로부터 반사되는 제 1 반사광의 편광변화를 검출하는 편광검출부를 포함하되,
    상기 편광발생부는
    상기 입사광을 상기 제 1 시료검출층으로 입사되는 제 1 입사광 및 상기 제 2 시료검출층으로 입사되는 제 2 입사광으로 분할시키는 빔스플리터를 포함하고,
    상기 제 1 입사광 및 제 2 입사광은
    상기 프리즘의 하부 경계면에서 상기 제 1 미세유로 및 상기 제 2 미세유로로 굴절된 후 상기 제 1 시료검출층 또는 상기 제 2 시료검출층으로부터 반사된 제 1 반사광, 및 상기 프리즘의 하부 경계면 및 상기 미세유로에 주입된 완충용액에 의해 반사된 제 2 반사광으로 각각 분할되며,
    상기 프리즘은
    상기 제 2 반사광을 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 시키는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 시료검출층 및 제 2 시료검출층은
    기판,
    상기 기판의 상부에 형성된 유전체 박막, 및
    상기 유전체 박막의 상부에 형성된 흡착층을 포함하고,
    상기 흡착층에는 상기 제 1 시료 또는 제 2 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 또는 제 2 생체 결합물질이 고정화된 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 반사광의 편광변화에 기초하여 상기 흡착층에 흡착된 상기 제 1 시료 또는 상기 제 2 시료의 두께 또는 농도를 산출하는 농도산출부를 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정장치.
  16. 시료주입부가 제 1 시료를 검출하기 위한 제 1 생체 결합물질이 고정화된 시료검출층이 형성된 적어도 하나의 미세유로를 포함하는 미세유로 구조체에 완충용액을 주입하는 제 1 단계;
    상기 완충용액에 포함된 제 1 시료가 상기 시료검출층의 제 1 항체에 흡착하는 제 2 단계;
    편광발생부가 광을 편광시켜 상기 미세유로 구조체의 상부에 형성된 사각뿔대 형상의 프리즘의 입사면을 통해 p파 무반사 조건에 만족되는 입사각으로 상기 미세유로에 입사시키는 제 3 단계;
    상기 편광 검출부가 상기 편광된 입사광 중, 상기 시료검출층으로부터 반사되는 제 1 반사광의 편광 변화를 검출하는 제 4 단계; 및
    상기 제 1 반사광의 편광변화에 기초하여 상기 시료검출층에 흡착된 제 1 시료의 농도를 검출하는 제 5 단계;를 포함하되,
    상기 프리즘은
    상기 프리즘으로 입사된 입사광 중, 상기 프리즘의 하부 경계면 및 상기 미세유로에 주입된 완충용액의 경계면에서 반사된 제 2 반사광을 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 시키는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는
    상기 편광검출부가 상기 제 1 반사광과 상기 제 2 반사광을 분리하여 검출하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 프리즘의 상부면은
    상기 제2 반사광이 상기 프리즘의 상부 경계면에서 전반사 되도록 평면 연마된 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는
    광학 장치를 통해 상기 프리즘을 통해 입사하는 상기 입사광의 크기를 조절하는 단계를 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광학장치는
    렌즈, 렌즈시스템, 및 반사경 중 어느 하나를 포함하는 반사장치를 더 포함하고,
    상기 제 3 단계는
    상기 입사광의 초점이 상기 프리즘 상부면에 형성되도록 하는 단계를 더 포함하는 것인,
    사다리꼴 입사구조 프리즘 입사형 실리콘 기반 액침 미세유로 측정방법.
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