WO2018190577A1 - Microdisk, microdisk laser and sensor using same - Google Patents

Microdisk, microdisk laser and sensor using same Download PDF

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WO2018190577A1
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disc
wavelength
disk
laser
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김칠민
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재단법인대구경북과학기술원
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • HELECTRICITY
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures

Definitions

  • the present invention relates to a micro disk, a micro disk laser, and a sensor using the same. More particularly, the present invention relates to a chemical sensor capable of accurately detecting chemical substances using a micro disk laser having a high quality value and oscillating in a single direction. . In addition, the present invention relates to a biosensor using an ultra-high-quality micro-resonator laser oscillating in a single direction as an example of a micro disk, a micro disk laser, and a sensor using the same.
  • the present invention relates to a biosensor that is easy to bond, and does not cause deterioration of quality value when optically coupled to an optical waveguide, and has a high quality value, so that even when a single biomolecule is attached, a wavelength change occurs to measure an extremely small amount of biomaterial.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-0640071 proposes a micro disk laser having a unidirectional oscillation characteristic.
  • Patent document 1 discloses that light formed in whispering gallery mode can be oscillated in a single direction.
  • a chemical substance to be detected must be adsorbed onto the surface of the micro disk.
  • chemical substances cannot be selectively adsorbed on the surface of a generally manufactured micro disk, and thus it is not easy to manufacture a chemical sensor using the micro disk.
  • the problem of such a circular resonator is to couple an optical waveguide, such as an optical fiber, close to the resonator in order to inject light into the resonator, thereby creating a resonance mode called a whispering gallery bound to the edge of the resonator.
  • Toroidal resonators can also be used to make lasers. These circular resonator lasers emit light uniformly in all directions and combine a waveguide, such as an optical fiber, with the laser.
  • the problem with this circular resonator is that the light cannot go out in one direction, so the waveguide must be combined with the laser, which causes the quality value to fall.
  • fine distance adjustment is required to combine the laser or resonator with the optical fiber. This fine distance adjustment is not easy, and when the optical fiber is used, it is difficult to use as a biosensor because the coupling is broken even in the external weak vibration.
  • a biosensor using a chaotic resonator has been reported.
  • the trajectory of the mode inside the resonator of the laser is not bound to the edge of the resonator but is bound to an unstable periodic track or a stable periodic track.
  • the oscillation resonance mode of the laser must be bound to the edge of the laser.
  • a resonator with this characteristic should be a resonator capable of creating a whispering gallery mode, which is a confined mode along the edge of the resonator.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and in the manufacture of a chemical sensor using a micro-disc laser which has a high quality value and oscillates a laser beam of whispering gallery mode in a single direction,
  • the present invention aims to provide a chemical sensor capable of precisely detecting a specific substance by using the characteristic of selective binding of a specific substance according to the treated compound on the surface of the micro disk.
  • an object of the present invention relates to a precision biosensor fabricated using a high quality micro disk laser oscillating in a single direction, and because of the high quality value, the line width of the laser is narrow, so even at low concentrations, a small wavelength variation or an antigen-antibody reaction occurs.
  • This is to make it possible to easily measure small wavelength variations caused by reactions between nucleic acids and use them in diagnosing diseases.
  • the surface of the laser (ex. Side) is chemically treated with an antibody, or a nucleic acid is added to change the wavelength through the antigen-antibody reaction or the wavelength generated by the reaction between nucleic acids.
  • the micro disk has a high quality whispering gallery mode, whispering gallery mode is a directional oscillation, the first coating layer formed by coating a dielectric on the side of the micro disk; And a second coating layer formed on the first coating layer, the second coating layer including one or more monomolecular or polymer films, wherein the dielectric is an oxide or nitride.
  • the micro disc may be formed of a semiconductor, a solid medium or a polymer to which a pigment is added.
  • Oxides include TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN and SiN.
  • the monomolecular film and the polymer film may be attached onto the first coating layer.
  • the monomolecular film and the polymer film may be selectively combined with a specific material.
  • the micro disc selectively binds to a monomolecular film or a polymer film
  • the micro disc can detect the specific material by measuring a change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disc.
  • the micro disc laser including the micro disc includes an excitation portion capable of exciting the edge of the micro disc, and can oscillate in one direction a high-quality whispering gallery mode bound to the interface edge of the micro disc.
  • the excitation portion may excite the edge of the micro disk, ie, the region in which the whispering gallery mode is bound, by light or current.
  • the whispering gallery mode may include a whispering gallery mode that is bound along the edge of the boundary of the micro disc or a whispering gallery mode that is bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disc.
  • the resonant mode in the form of whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disk may include a resonant mode in the form of a whispering gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more.
  • the chemical sensor includes a measuring unit for measuring the oscillation wavelength value of the micro-disc laser and the laser beam oscillated from the micro-disc laser, and detects a specific substance using a change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit. can do.
  • the change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit is generated as the specific material is bonded to the second coating layer of the micro disc.
  • the measuring unit may include a spectrometer.
  • the change in wavelength value oscillating through the micro disk can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disk or the wavelength oscillating in another high quality laser.
  • a biosensor using a high quality micro disk may be provided.
  • the micro disk has a single direction in which the whispering gallery mode has a stronger intensity of oscillation in one direction than an oscillation intensity in the other direction.
  • the micro disc may be coated with a dielectric material on its side to enable chemical bonding with a virus, a bacterial antibody or a nucleic acid.
  • the dielectric material is an oxide or nitride (eg, GaN, SiN or SiO 2, etc.), and the antibody or nucleic acid can be attached to the micro disc through a chemical reaction on the side coated with the dielectric material.
  • oxide or nitride eg, GaN, SiN or SiO 2, etc.
  • a predetermined antigen can be bound to the antibody through the antigen-antibody reaction in the micro disk, and whether or not the predetermined antigen is bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody can be detected. Can be.
  • Predetermined nucleic acids can be bound through a reaction between nucleic acids in the micro disk, and whether or not the predetermined nucleic acids are bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acids.
  • the micro-disc of the biosensor according to an embodiment of the present invention has an excitation device to oscillate a whispering gallery-type mode having a directivity, and the biosensor may include a micro-disc laser using the micro-disc.
  • the micro disk laser may be a dye laser in which a dye is added to a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
  • the micro-disc laser can be excited with light or current in an area where the incident angle of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the propagation of light inside the resonator is confused.
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, and a plurality of micro disks are attached to different antibodies, and a predetermined antibody is based on the degree of variation in wavelength during antigen-antibody reaction in each micro disk. Biomaterial can be detected.
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, each of which has a different nucleic acid attached thereto, and a predetermined nucleic acid to be detected based on the degree of variation in wavelength during the reaction between nucleic acids in each micro disk. Biomaterials can be detected.
  • Predetermined biomaterials may be detected using a lookup table that represents the degree of variation in wavelength according to the reaction between different antibodies and the given biomaterial.
  • a lookup table showing a degree of variation in wavelength depending on the degree of attachment of a predetermined biomaterial, which is a detection target nucleic acid, to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined biomaterial.
  • a predetermined biomaterial which is a detection target nucleic acid
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, some of the micro disks have an antibody attached thereto, others have a nucleic acid attached thereto, and antigens to the antibody according to the change of wavelength in the micro disk by the antigen-antibody reaction. Is detected, whether or not the detection target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the micro disk by the reaction between nucleic acids, whether the antigen binding and the binding of the nucleic acid can be detected at the same time. .
  • biomaterial to be detected based on predetermined data on the degree of variation in wavelength due to antigen-antibody reaction with the antibody attached to the micro disk or the degree of variation in wavelength due to internucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the micro disk. This can be detected and the data can be in the form of a function or graph.
  • the micro-disc according to an embodiment of the present invention has a high-quality whispering gallery mode, the whispering gallery mode can be oscillated in a single direction, the dielectric is coated on the side of the micro-disc to form a first coating layer, By forming a second coating layer including a monomolecular film or a polymer film on the first coating layer, a specific material may be selectively bonded to the monomolecular film or the polymer film.
  • High-quality whispering gallery mode can be used to fabricate a chemical sensor using a micro-disc laser that includes a micro-disc that emits light in a single direction, enabling the precise detection of certain substances even in low gas environments.
  • the chemical sensor of an embodiment of the present invention by measuring a small change in the wavelength generated as the specific material is selectively bonded to the monomolecular film or polymer film included in the second coating layer of the micro disk, the type and The concentration can be measured precisely.
  • the biosensor using a high-definition microdisk not only can accurately diagnose diseases using antigen-antibody reactions, but also can detect diseases and the like by using nucleic acids. It can also be diagnosed.
  • the nucleic acid and the antibody can be attached to the micro-disc resonator laser inside the same microfluidic, the antigen-antibody reaction and the reaction between the nucleic acids can be simultaneously measured, so that diseases can be diagnosed faster and more accurately than before. Therefore, the efficiency of disease diagnosis can be improved.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically illustrating a micro disk according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating that a monomolecular film is formed on a first coating layer.
  • FIG 3 is a view schematically showing that a polymer film is formed on a first coating layer.
  • FIG. 4 is a view schematically showing that a specific material is selectively bonded on the polymer film.
  • FIG. 5 is a view schematically showing that a specific material is combined with a polymer.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which a micro disk side is coated with SiO 2 , GaN, or the like according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a state in which the antibody is attached to the side after chemically treating the micro-disk side.
  • FIG. 8 is a view showing a state in which an artificial nucleic acid is attached to the side after chemically treating the micro disk side.
  • FIG. 9 is a diagram showing an antigen-antibody reaction in which antigen binds to an antibody attached to the side of a micro disk.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a reaction in which a nucleic acid of a virus or a bacterium binds to an artificial nucleic acid attached to a side of a micro disk.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of passing a biomaterial through a microfluidic to a biosensor comprising a resonator laser composed of microdisks.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a method for diagnosing a disease or the like by simultaneously measuring an antigen-antibody reaction and a reaction between nucleic acids.
  • the micro disk has a high quality whispering gallery mode, whispering gallery mode is a directional oscillation, the first coating layer formed by coating a dielectric on the side of the micro disk; And a second coating layer formed on the first coating layer, the second coating layer including one or more monomolecular or polymer films, wherein the dielectric is an oxide or nitride.
  • the micro disc may be formed of a semiconductor, a solid medium or a polymer to which a pigment is added.
  • Oxides include TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN and SiN.
  • the monomolecular film and the polymer film may be attached onto the first coating layer.
  • the monomolecular film and the polymer film may be selectively combined with a specific material.
  • the micro disc selectively binds to a monomolecular film or a polymer film
  • the micro disc can detect the specific material by measuring a change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disc.
  • the micro disc laser including the micro disc includes an excitation portion capable of exciting the edge of the micro disc, and can oscillate in one direction a high-quality whispering gallery mode bound to the interface edge of the micro disc.
  • the excitation portion may excite the edge of the micro disk, ie, the region in which the whispering gallery mode is bound, by light or current.
  • the whispering gallery mode may include a whispering gallery mode that is bound along the edge of the boundary of the micro disc or a whispering gallery mode that is bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disc.
  • the resonant mode in the form of whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disk may include a resonant mode in the form of a whispering gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more.
  • the chemical sensor includes a measuring unit for measuring the oscillation wavelength value of the micro-disc laser and the laser beam oscillated from the micro-disc laser, and detects a specific substance using a change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit. can do.
  • the change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit is generated as the specific material is bonded to the second coating layer of the micro disc.
  • the measuring unit may include a spectrometer.
  • the change in wavelength value oscillating through the micro disk can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disk or the wavelength oscillating in another high quality laser.
  • the microdisc in a biosensor using a microdisc in which the whispering gallery mode has a high quality value, the microdisc has a single whispering gallery mode in which the intensity of oscillation in one direction is stronger than that of the oscillation in the other direction.
  • the micro disc may be coated with a dielectric material on its side to enable chemical bonding with a virus, bacterial antibody or nucleic acid.
  • the dielectric material is an oxide or nitride (eg, GaN, SiN or SiO 2, etc.), and the antibody or nucleic acid can be attached to the micro disc through a chemical reaction on the side coated with the dielectric material.
  • oxide or nitride eg, GaN, SiN or SiO 2, etc.
  • a predetermined antigen can be bound to the antibody through the antigen-antibody reaction in the micro disk, and whether or not the predetermined antigen is bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody can be detected. Can be.
  • Predetermined nucleic acids can be bound through a reaction between nucleic acids in the micro disk, and whether or not the predetermined nucleic acids are bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acids.
  • the micro-disc of the biosensor according to an embodiment of the present invention has an excitation device to oscillate a whispering gallery-type mode having a directivity, and the biosensor may include a micro-disc laser using the micro-disc.
  • the micro disk laser may be a dye laser in which a dye is added to a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
  • the micro-disc laser can be excited with light or current in an area where the incident angle of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the propagation of light inside the resonator is confused.
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, and a plurality of micro disks are attached to different antibodies, and a predetermined antibody is based on the degree of variation in wavelength during antigen-antibody reaction in each micro disk. Biomaterial can be detected.
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, each of which has a different nucleic acid attached thereto, and a predetermined nucleic acid to be detected based on the degree of variation in wavelength during the reaction between nucleic acids in each micro disk. Biomaterials can be detected.
  • Predetermined biomaterials may be detected using a lookup table that represents the degree of variation in wavelength according to the reaction between different antibodies and the given biomaterial.
  • a lookup table showing a degree of variation in wavelength depending on the degree of attachment of a predetermined biomaterial, which is a detection target nucleic acid, to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined biomaterial.
  • a predetermined biomaterial which is a detection target nucleic acid
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, some of the micro disks have an antibody attached thereto, others have a nucleic acid attached thereto, and antigens to the antibody according to the change of wavelength in the micro disk by the antigen-antibody reaction. Is detected, whether or not the detection target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the micro disk by the reaction between nucleic acids, whether the antigen binding and the binding of the nucleic acid can be detected at the same time. .
  • biomaterial to be detected based on predetermined data on the degree of variation in wavelength due to antigen-antibody reaction with the antibody attached to the micro disk or the degree of variation in wavelength due to internucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the micro disk. This can be detected and the data can be in the form of a function or graph.
  • any part of the specification is to “include” any component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.
  • a part of the specification is said to be “connected” or “coupled” to another part, it is not only “directly connected (or coupled)", but also “with another element in the middle”. This includes the case where it is connected (or coupled).
  • the micro disk 100 has a high quality whispering gallery mode, the whispering gallery mode is oscillated with a direction, the side of the micro disk 100 is formed by coating a dielectric First coating layer 210; And a second coating layer 220 formed on the first coating layer 210 and including at least one monolayer 221 or a polymer layer 222, wherein the dielectric may be an oxide or a nitride.
  • the micro-disc 100 has a whispering gallery mode oscillating in a single direction, and a dielectric coating is coated on the side of the micro-disc 100 to form a first coating layer 210, and the monomolecular layer 221 or the polymer layer 222 may be formed.
  • a specific material may be selectively bonded to a monomolecular film or a polymer film.
  • the whispering gallery mode bound to the edge of the micro disc 100 may have a high quality value. As light or current is supplied to one surface of the micro disc 100 to excite the micro disc 100, a whispering gallery mode that is bound to the edge of the micro disc 100 may be formed along the edge of the micro disc 100. Can be.
  • the Q value which is the quality value of the whispering gallery mode bound to the edge of the micro disc 100, is 10 4 or more, and may have a high quality value.
  • the micro disk 100 may be, for example, a deformed circle, a shape consisting of four arcs, a shape consisting of three circles and one straight line, an ellipse shape such as an egg shape, a shape in which a heart shape and an arc are combined, and the like. It may have a shape that cannot be integrated.
  • the non-integral shape means a shape in which the Helmholtz equation is separated in two dimensions so that an internal wave function cannot be obtained analytically.
  • the micro-disc laser using the micro-disc 100 having the above-described shape may oscillate the laser beam in the whispering gallery mode bound to the edge of the micro-disc 100 in a single direction.
  • the micro-disc 100 can oscillate a laser beam having a high quality value in a single direction, so that the light coupling with the optical waveguide is easy and the damage of the quality value can be suppressed in the process of combining with the optical waveguide.
  • the detection precision of the chemical sensor can be improved.
  • the micro disc 100 may be formed of a polymer to which a semiconductor, a solid medium, or a pigment is added.
  • a III-V semiconductor material may be used as the semiconductor, and a GaAs series, InGaAsP, GaN series, or the like may be used as the III-V semiconductor material.
  • various solid laser media such as Nd: YAG, Nd: Glass, NdYVO 4 , Sapphire doped with impurities, and ruby may be used.
  • the polymer to which the dye is added for example, a polymer to which a dye produced by adding a number of pigments such as Rhodamine 6G and Rhodamine B to a number of polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA) can be used.
  • a polymer to which a dye produced by adding a number of pigments such as Rhodamine 6G and Rhodamine B to a number of polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA) can be used.
  • the kind of the polymer to which the above-described semiconductor, solid medium or pigment is added is merely an example for description, and is not intended to limit the kind of the polymer to which the semiconductor, solid medium or dye is added.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically illustrating a micro disk according to an embodiment of the present invention.
  • a first coating layer 210 may be formed on a side of the micro disc 100, and a second coating layer 220 may be formed on the first coating layer 210.
  • the first coating layer 210 may be formed by coating a dielectric of an oxide or nitride on the surface of the micro disc 100. After etching the micro disc 100, an oxide or nitride may be coated on the surface of the micro disc 100 through passivation.
  • a first coating layer 210 by coating a dielectric on the side of the micro disk 100, it is possible to suppress the occurrence of leakage current when the current is supplied to the micro disk 100, and the second coating layer 220 may be micro It can be easily introduced into the disk 100.
  • oxides are TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN and SiN, and
  • the oxide or nitride used to form the first coating layer 210 on the surface of the micro disc 100 may be selected according to the types of the monomolecular film 221 and the polymer film 222 included in the second coating layer 220.
  • the monolayer 221 is formed of a compound having a molecular structure of (R′O) 3 —Si—R, SiO 2 may be used as an oxide used in the first coating layer 210.
  • the second coating layer 220 is formed on the first coating layer 210 and may include one or more monolayers 221 or a polymer layer 222.
  • the second coating layer 220 may be formed of a single monolayer 221 or a polymer layer 222, and may be formed of a plurality of monolayer 221 or a plurality of polymer layers 222.
  • the first monomolecular film may be formed on the first coating layer 210 using a single molecule, and new monomolecules different from the single molecule constituting the first monomolecular film may be formed by using a functional group present in the first monomolecular film. May be combined with the first monolayer to form a second monolayer.
  • the first polymer film and the second polymer film may be sequentially coated on the first coating layer 210.
  • the polymer layer 222 is formed on the monolayer 221, and the second coating layer 220 including the monolayer 221 and the polymer layer 222. ) May be formed on the first coating layer 210.
  • the second coating layer 220 including at least one monolayer 221 or the polymer layer 222 on the first coating layer 210 it is possible to control the thickness of the coating layer coated on the surface of the micro disc 100, A monomolecular film 221 or a polymer film 222 that can selectively bind to a material may be introduced to the surface of the micro disc 100.
  • the monolayer 221 and the polymer layer 222 may be attached on the first coating layer 210.
  • the monolayer 221 or the polymer layer 222 may be physically adsorbed or chemically bonded on the first coating layer 210 formed of an oxide or nitride to form the second coating layer 220.
  • the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210.
  • the second coating layer 220 is formed on the first coating layer 210 by using a compound having a molecular structure of (R′O) 3 -Si-R, the hydroxyl group present in the first coating layer 210 is formed.
  • R may be polyamiline, polythiophene, polypyrrole, polyphenenylene, or the like.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating that a monomolecular film is formed on a first coating layer.
  • the monolayer 221 or the polymer layer 222 may be formed on the first coating layer 210.
  • all of the monomolecular films 221 or the polymer film 222 that can be bonded to Si are R, and according to the monomolecule of the R or the functional group of the polymer, Selective adsorption occurs where certain chemicals are more readily adsorbed.
  • a new monomolecular film may be formed on the existing monomolecular film by using a functional group present in the monomolecular film.
  • FIG 3 is a view schematically showing that a polymer film is formed on a first coating layer.
  • the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210.
  • a polymer solution in which the polymer is dissolved in a solvent is spin coated and dips on the surface of the first coating layer 210 of the micro disc 100.
  • the coating or coating may be performed by spray coating to form the polymer film 222.
  • the polymer for example, a styrene polymer, an acrylic polymer, a methacryl polymer, a vinyl polymer, a urethane polymer, or the like may be used, and the second coating layer 220 may be formed by selecting a polymer that can be combined with a specific material. have.
  • the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210 through chemical bonding.
  • the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210 by using a functional group present in the first coating layer 210.
  • SiO 2 may be coated on the surface of the micro disc 100 to form the first coating layer 210, and the monomolecular layer 221 may be formed using the —OH group present in the first coating layer.
  • the polymer film 222 may be formed using a functional group.
  • the monomolecular film 221 or the polymer film 222 included in the second coating layer 220 may be stably adsorbed or combined with the first coating layer 210, the monomolecular film 221 or the polymer film selectively bondable with a specific material.
  • the 222 can be easily introduced into the micro disc 100.
  • FIG. 4 is a view schematically showing that a specific material is selectively bonded on the polymer film.
  • the monolayer 221 and the polymer layer 222 may be selectively combined with a specific material.
  • the specific material may be detected by measuring a change in the wavelength generated in the resonance mode of the micro disc 100.
  • the monomolecular film 221 and the polymer film 222 included in the second coating layer 220 may be selectively chemically bonded or chemically adsorbed with a specific material.
  • a gas containing a specific material is supplied to the micro disc 100 coated with the first coating layer 210 and the second coating layer 220, the monomolecular film included in the second coating layer 220 ( Depending on the type of the 221 or the polymer film 222, the type of a specific material that may be chemically bonded or chemically adsorbed to the second coating layer 220 may be different.
  • FIG. 5 is a view schematically showing that a specific material is combined with a polymer.
  • a linear hydrogen-bond acidic linear functionalized polymer may be selectively combined with DMMP gas, Sarin gas and 2-CEES gas.
  • a specific material eg, DMMP gas, etc.
  • DMMP gas may be selectively bonded to the second coating layer by a functional group present in the monolayer 221 or the polymer layer 222 included in the second coating layer 220.
  • the monomolecular film or the polymer film included in the second coating layer 220 of the micro disk 100 may be formed as a compound selected from a compound capable of chemically bonding or chemically adsorbing a specific material.
  • the micro disk 100 coated with the first coating layer 210 and the second coating layer 220 on the surface may oscillate a laser beam having a constant wavelength value in the resonance mode.
  • the micro disk 100 may have a wavelength value at which the wavelength value of the oscillation laser beam is changed. .
  • the micro-disc 100 is a wavelength of the changed wavelength in the resonance mode as a specific material is selectively bonded to the mono-molecular layer 221 or the polymer layer 222 included in the second coating layer 220 formed on the side of the micro-disc 100. It can be manufactured as a chemical sensor that can detect a specific material.
  • the micro disk laser may include a micro disk 100 and an excitation portion capable of exciting the edge of the micro disk 100, and is bound to the edge of the interface of the micro disk 100
  • the high quality whispering gallery mode can be oscillated in a single direction.
  • the micro disc laser can oscillate the whispering gallery mode having a high quality value in a single direction, so that light coupling is easy and light can be incident into the optical waveguide without any damage to the quality value. Therefore, when a chemical sensor is fabricated using a micro disk laser including the micro disk 100 having a high quality whispering gallery mode, it is possible to accurately detect a specific substance even in a low concentration gas environment.
  • the micro disk laser may include a plurality of micro disks 100.
  • each of the plurality of micro disks 100 may have a first coating layer 210 and a second coating layer 220 on the side of the micro disk 100 under the same conditions. It is preferable that the first coating layer 210 and the second coating layer 220 formed on each of the plurality of micro disks 100 have the same thickness.
  • the excitation portion may excite the edge of the micro disk 100 by light or current.
  • the edge portion of the micro disk 100 may be excited, and the edge portion is inside the side of the micro disk, and the edge portion is the whispering. Not only the gallery mode but also the whispering gallery mode polygonal resonance mode can be formed.
  • the whispering gallery mode having a high quality value may be oscillated at the edge of the micro disc 100 as an excitation portion.
  • the whispering gallery mode may include a whispering gallery mode bound along an edge or boundary of the micro disc 100 or a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disc 100. Can be.
  • the resonance mode bound along the periodic trajectory adjacent to the side of the micro-disc 100 may include a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more.
  • the whispering gallery mode phenomenon disappears, and the whispering gallery mode bound along the periodic track adjacent to the side of the micro-disc 100 is stable in period 4 or more. It may include a resonance mode in the form of a whispering gallery mode that is bound along an orbit or an unstable orbit of period 4 or more.
  • the chemical sensor according to an embodiment of the present invention includes a measuring unit for measuring the oscillation wavelength value of the micro disk laser and the laser beam oscillated from the micro disk laser, the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit
  • the specific substance can be detected using the change of.
  • the chemical sensor measures a slight change in the wavelength generated as the specific material is selectively bonded to the monolayer 221 or the polymer film 222 included in the second coating layer 220 of the micro disc 100, thereby determining the specific material.
  • the type and concentration can be measured precisely.
  • the first coating layer 210 and the second coating layer 220 are formed on the side of the micro disk 100 included in the chemical sensor, and the micro disk 100 may oscillate a laser beam having a constant wavelength value in a resonance mode. have.
  • the specific material present in the gas may be separated from the monomolecular film 221 or the polymer film 222 included in the second coating layer 220 of the micro disk 100 of the chemical sensor. It may be chemically adsorbed or bound. Accordingly, the existing wavelength value of the laser beam of the micro disc 100 may have a changed value.
  • the change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit of the chemical sensor is a change generated when a specific material is bonded to the second coating layer 220 of the micro disc 100. That is, the measurement unit may measure the changed oscillation wavelength value of the laser beam oscillated from the micro disc 100 by a specific material bonded to the second coating layer 220 of the micro disc 100.
  • the measurement unit included in the chemical sensor may measure the wavelength value of the laser beam oscillated on the micro disk 100 before the specific material is combined with the wavelength value of the laser beam oscillated on the micro disk 100 after the specific material is combined. Can be.
  • the chemical sensor may include an operation unit driven in conjunction with the measurement unit, and the operation unit may calculate and provide a type of a specific substance and a concentration of the specific substance to the user by using the data value measured by the measurement unit.
  • the chemical sensor may measure and calculate the degree of variation of the wavelength value of the micro disk due to the binding of a specific material to detect a specific material based on the calculated value.
  • the degree of variation of the wavelength value can be processed in the form of a lookup table to measure the concentration of a specific substance, and the degree of variation of the wavelength value can be processed in a mathematical function or graph form to measure the concentration of the specific substance.
  • the degree of variation of the wavelength value according to the measurement time may be processed in a mathematical function or graph form to more accurately measure the concentration of a specific substance.
  • the chemical sensor may process the measured value in various forms and provide it to the user based on the variation degree of the wavelength value of the micro disk laser changed by the specific material.
  • the measuring unit may include a spectrometer. That is, the wavelength value of the micro disk laser changed by the specific material can be measured by using a spectrometer.
  • the change in wavelength value oscillating through the micro disc can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disc or the wavelength generated by another high quality laser.
  • micro resonator laser having a high quality value and oscillating in one direction.
  • microresonator lasers oscillating in one direction include a resonator laser consisting of four circles, a resonator laser consisting of three circles and a straight line, and an egg resonator laser.
  • These resonators are extremely high in product quality, so the laser is fabricated and chemically treated to use the surface as a biosensor, and then used as a biosensor, which is an extremely high quality value, so that accurate measurement is possible and light comes out in one direction. Light can be incident on an optical waveguide without losing value. Creating biosensors in this way results in ultra-precision biosensors.
  • One method for making a micro resonator laser is made of group III-V materials or semiconductors, or pigmented in various other polymer polymers, or using a general solid medium.
  • a III-V semiconductor material may be used as the semiconductor, and a GaAs series, InGaAsP, GaN series, or the like may be used as the III-V semiconductor material.
  • various solid laser media such as Nd: YAG, Nd: Glass, NdYVO 4 , Sapphire doped with impurities, and ruby may be used.
  • the polymer to which the dye is added for example, a polymer to which a dye produced by adding a number of pigments such as Rhodamine 6G and Rhodamine B to a number of polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA) can be used.
  • a polymer to which a dye produced by adding a number of pigments such as Rhodamine 6G and Rhodamine B to a number of polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA) can be used.
  • the kind of the polymer to which the above-described semiconductor, solid medium or pigment is added is merely an example for description, and does not limit the kind of the polymer to which the semiconductor, solid medium or dye is added.
  • biomolecule Since the biomolecule cannot attach to the surface of such a laser medium, it must be chemically treated to have selectivity. Such chemical treatment methods have been developed in existing ring resonators. That is, SiO 2 is coated on the side of the laser to attach the OH group, and then chemically surface-treated to attach the nucleic acid (DNA) or the antibody to the laser using a chemical reaction.
  • DNA nucleic acid
  • Bacterial antigens bind to antibodies and, in the case of nucleic acids, to viral or bacterial nucleic acids.
  • the wavelength variation can be measured when the antigen binds to the antibody.
  • the variation in the wavelength may be measured when the nucleic acids are combined.
  • a predetermined substance can be detected (or sensed) by measuring the change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disk constituting the biosensor. Since antigens and antibodies are selective, measuring the variation in wavelength when binding various antibodies after attaching various types of antibodies can confirm whether the antigens are bound, and thus can accurately diagnose diseases and the like.
  • a laser oscillation wavelength is measured after attaching a nucleic acid of a specific bacterium or a virus-specific sequence artificially synthesized, and thereafter, a wavelength variation of a specific nucleic acid from a plurality of artificially synthesized nucleic acids by the virus or bacterial nucleic acid is measured.
  • the nucleic acid at this time is a virus or bacteria present, such a wavelength variation can be used to diagnose the disease.
  • an antigen or nucleic acid biomolecule is applied by chemical treatment to the surface of the microdisk resonator so that the biomolecule can adhere to the side of the unidirectional oscillation high quality microdisk laser, and the unknown biomolecule to be detected is the antigen or The presence of unknown biomolecules can be detected by measuring variations in wavelengths that occur upon binding to nucleic acid biomolecules.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which a micro disk side is coated with SiO 2 , GaN, or the like according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a state in which an antibody is attached to the side after chemically treating the side of the micro disc.
  • 8 is a view showing a state in which an artificial nucleic acid is attached to the side after chemically treating the micro disk side.
  • 9 is a diagram showing an antigen-antibody reaction in which antigen binds to an antibody attached to the side of a micro disk
  • FIG. 10 shows a reaction in which a nucleic acid of a virus or a bacterium binds to an artificial nucleic acid attached to the side of a micro disk.
  • FIG. 10 shows a reaction in which a nucleic acid of a virus or a bacterium binds to an artificial nucleic acid attached to the side of a micro disk.
  • 61 is a schematic diagram of passing a biomaterial through a microfluidic to a biosensor comprising a resonator laser composed of microdisks.
  • 12 is a schematic diagram showing a method for diagnosing a disease or the like by simultaneously measuring an antigen-antibody reaction and a reaction between nucleic acids.
  • a biosensor using a high quality micro disk may be provided.
  • the micro disk has a single direction in which the whispering gallery mode has a stronger intensity of oscillation in one direction than an oscillation intensity in the other direction.
  • the micro disc Oscillated with a semiconductor, manufactured using a semiconductor, a solid medium or a polymer, the micro disc may be coated with a dielectric material on its side to enable chemical bonding with a virus, a bacterial antibody or a nucleic acid.
  • micro discs can be fabricated using semiconductors, solid media or polymers.
  • the Whispering Gallery mode which is bound to the interface edge of the micro disc, may have a high quality value of 10 4 or more.
  • the microdisc has a high quality factor in the whispering gallery mode bound to the edge, and can oscillate the whispering gallery mode in one direction, and the dielectric material (ex. Oxide or nitride) on the side of the microdisc. Etc.)
  • the coating layer By allowing the coating layer to be formed, the antibody or the prepared nucleic acid can be attached to the micro disk.
  • a specific substance eg, a virus, a bacterial antigen or a nucleic acid, etc.
  • the high-quality whispering gallery mode on the micro-disc can accurately detect specific substances even in low concentration samples.
  • the biosensor accurately measures the type and concentration of a specific material by measuring a small change in the wavelength generated when the predetermined material is bound to an antibody or nucleic acid chemically bound to the coating surface of the micro disk. It can be measured.
  • the whispering gallery mode bound along the periodic trajectory adjacent to the side of the micro disk may include a resonance mode in the form of a whistle gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more.
  • a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along four or more unstable trajectories may be desirable to include.
  • the dielectric material may be an oxide (eg SiO 2) Etc.) or nitride (eg, GaN, SiN, etc.), and the antibody or nucleic acid can be attached to the micro disc via a chemical reaction on the side coated with the dielectric material.
  • oxide eg SiO 2 Etc.
  • nitride eg, GaN, SiN, etc.
  • the oxides are TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4, GaN and SiN.
  • a predetermined antigen can be bound to the antibody through the antigen-antibody reaction in the micro disk, and whether or not the predetermined antigen is bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody can be detected. Can be.
  • Predetermined nucleic acids can be bound through a reaction between nucleic acids in the micro disk, and whether or not the predetermined nucleic acids are bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acids.
  • the change in the wavelength value oscillating through this micro disk can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disk or the wavelength oscillating in another high quality laser.
  • the micro-disc of the biosensor has an excitation device to oscillate a whispering gallery-shaped mode with a direction, and the biosensor may include a micro-disc laser using such a micro-disc.
  • the micro disk laser can use the dye laser which added the pigment
  • the micro-disc laser can be excited with light or current in an area where the incident angle of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the propagation of light inside the resonator is confused.
  • the biosensor may include a plurality of micro discs, each of which has a different antibody attached thereto, and a predetermined bio-antigen based on the degree of variation in wavelength during antigen-antibody reaction in each micro disc. Substances can be detected.
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, and each of the plurality of micro disks has a different nucleic acid attached thereto. Certain biomaterials can be detected.
  • Predetermined biomaterials may be detected using a lookup table that represents the degree of variation in wavelength according to the reaction between different antibodies and the given biomaterial.
  • a lookup table showing a degree of variation in wavelength depending on the degree of attachment of a predetermined biomaterial, which is a detection target nucleic acid, to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined biomaterial.
  • a predetermined biomaterial which is a detection target nucleic acid
  • the biosensor may include a plurality of micro disks, some of the micro disks have an antibody attached thereto, others have a nucleic acid attached thereto, and antigens to the antibody according to the change of wavelength in the micro disk by the antigen-antibody reaction. Is detected, whether or not the detection target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the micro disk by the reaction between nucleic acids, whether the antigen binding and the binding of the nucleic acid can be detected at the same time. .
  • biomaterial to be detected based on predetermined data on the degree of variation in wavelength due to antigen-antibody reaction with the antibody attached to the micro disk or the degree of variation in wavelength due to internucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the micro disk. This can be detected and this data can be in the form of a function or graph.
  • the micro disk may be a micro disk having a high quality value in the mode of whispering gallery in the chaotic resonator.
  • Such a micro disk may be a micro disk in which a whispering gallery type mode oscillates with a stronger unidirectionality than oscillation intensity in one direction is stronger than oscillation in the other direction.
  • the whispering gallery type mode may be a mode in which the sine function of the angle of incidence of light in the Birkhoff coordinate system where the light propagates inside the micro disc resonator is confused.
  • the whispering gallery mode is constrained to a mariginally unstable periodic orbit where the angle of incidence of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the light propagates in the micro disc resonator. It may be a mode.
  • the whispering gallery mode is a mode in which the incidence angle of the boundary surface of the resonator is in a region larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the light propagates in the micro disc resonator, or the light inside the resonator. In the Birkhoff coordinate system where the progression of chaos is confused, it may be a mode confined to an unstable orbit where the incidence angle of the boundary surface of the resonator exists in a region larger than the critical angle.
  • a biosensor using a micro disk laser having a high quality whispering gallery type mode oscillating strongly in one direction may be provided.
  • a micro-disc laser may have an unintegratable shape such as a deformed circle, a shape consisting of four arcs, a shape consisting of three circles and one straight line, an ellipse shape such as an egg shape, and a shape in which a heart shape and an arc are combined.
  • the non-integral shape means a shape in which the internal wave function cannot be obtained analytically by separating the Helmholtz equation in two dimensions.
  • GaN, SiN, or SiO 2 may be coated on the side of the micro-disc first, and then the antibody or nucleic acid may be attached to the surface of the micro-disc through chemical treatment. At this time, a method known to attach the antibody or nucleic acid can be used. Whenever this adhesion occurs, there is a slight change in the refractive index of the microdisk, resulting in a variation in wavelength. Measuring the variation in these wavelengths estimates how many antibodies or nucleic acids are bound to the virus or bacterial antigen or viral or bacterial nucleic acid. You can do this and estimate the amount of virus or bacteria in the space.
  • a virus or bacterial antigen or nucleic acid When a virus or bacterial antigen or nucleic acid is sent to a micro disc resonator laser, the antigen reacts with the antibody and the nucleic acid reacts with the nucleic acid, causing a different wavelength variation. Therefore, after attaching an antibody or artificial nucleic acid to a micro disk and measuring the wavelength of each resonator laser, a wavelength variation occurs when a virus or bacterial antigen or nucleic acid binds to an antibody or a nucleic acid, respectively. By measuring the variation of these wavelengths, a particular (eg, detection target) virus or bacterium can be identified.
  • the antigen-antibody reaction occurs selectively, and in the reaction between nucleic acids, the binding occurs when the same nucleic acid, and thus, the specific disease can be diagnosed by identifying which laser has caused the wavelength variation.
  • the surface of the SiO 2 , GaN or SiN is coated by passivation after etching the micro disc. These coatings not only prevent leakage currents when injecting current into the laser, but also require various dielectric coatings for attachment of antibodies or artificial nucleic acids after chemical treatment.
  • attachment of the antibody or nucleic acid to the micro disc resonator may be easily attached to the antibody or artificial nucleic acid if a person of ordinary chemical knowledge.
  • the whispering galleries can be coated with a dielectric on the side of a high quality micro disk resonator laser that oscillates in a single direction, followed by chemical reaction to attach an antibody or nucleic acid.
  • a disease is to be diagnosed through an antigen-antibody reaction
  • antibodies corresponding to the diseases are attached to the side of each microdisk laser to a plurality of microdisk lasers, and then the microdisk lasers are microfluidic channel.
  • the wavelength when the microfluidic is absent is measured, and then the variation of the wavelength generated when the antigen-antibody reaction occurs.
  • micro disk lasers without antigen-antibody reactions do not produce wavelength variations
  • micro disk lasers with antigen-antibody reactions may produce wavelength variations.
  • a plurality of micro disk lasers are attached to the side of each micro disk laser by attaching nucleic acids artificially made of nucleic acids according to the unique nucleic acid sequence of each virus or bacterium.
  • the microfluidic channel can be placed in a microfluidic channel, and a virus or bacteria can be treated to send a solvent from which nucleic acids are extracted to the microfluidic compound, and to generate a nucleic acid reaction. Since nucleic acids bind to each other by reacting between complementary nucleic acids, a variation in wavelength may occur only in those nucleic acids.
  • the above description of the apparatus eg, biosensor
  • the description of the same contents as those of the above-described apparatus is omitted.
  • Computer-readable media includes both nonvolatile media, removable and non-removable media that can be accessed by a computer.
  • Computer readable media may include all computer storage media.
  • Computer storage media includes both non-volatile, 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.

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Abstract

A microdisk is provided as an embodiment of the present invention. The microdisk has a whispering gallery mode which has a high-quality factor and has directionality to oscillate, the microdisk comprising: a first coating layer formed by coating a side surface of the microdisk with a dielectric material; and a second coating layer which is formed on the first coating layer and includes at least one monomolecular film or one polymer film, wherein the dielectric material may be an oxide or a nitride. Also, as one embodiment of the present invention, a biosensor using a microdisk with a high-quality factor may be provided.

Description

마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저 및 이를 이용한 센서Micro Disc, Micro Disc Laser and Sensor Using the Same
본 발명은 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저 및 이를 이용한 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고품위값을 가지며 단일방향으로 발진하는 마이크로 디스크 레이저를 이용하여 화학물질을 정밀하게 검출할 수 있는 화학 센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저 및 이를 이용한 센서의 예로써 단일 방향으로 발진하는 극고품위값 마이크로 공진기 레이저를 이용한 바이오 센서에 관한 것으로, 이러한 레이저는 발진 방향이 단일방향이므로 광도파로와 광 결합이 쉽고, 광도파로와 광결합할 때 품위값 손상이 일어나지 않으며, 고품위값이어서 단일 바이오 분자의 부착 시에서도 파장 변화가 일어나 극미량 바이오 물질을 측정할 수 있는 바이오 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a micro disk, a micro disk laser, and a sensor using the same. More particularly, the present invention relates to a chemical sensor capable of accurately detecting chemical substances using a micro disk laser having a high quality value and oscillating in a single direction. . In addition, the present invention relates to a biosensor using an ultra-high-quality micro-resonator laser oscillating in a single direction as an example of a micro disk, a micro disk laser, and a sensor using the same. The present invention relates to a biosensor that is easy to bond, and does not cause deterioration of quality value when optically coupled to an optical waveguide, and has a high quality value, so that even when a single biomolecule is attached, a wavelength change occurs to measure an extremely small amount of biomaterial.
최근 광기술에서는 극미량의 화학 물질도 감지할 수 있는 화학 센서를 개발하기 위하여, 고리 공진기를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 다만, 고리 공진기는 품위값이 높지 못하여, 고리 공진기를 이용한 화학 센서는 화학 물질을 정밀하게 감지할 수 없는 한계점이 있다.In recent years, researches using ring resonators have been actively conducted to develop chemical sensors capable of detecting even trace amounts of chemicals. However, since the ring resonator does not have a high quality value, the chemical sensor using the ring resonator has a limitation in that it cannot accurately detect chemicals.
보다 감도가 우수한 화학 센서를 개발하기 위하여, 고리 공진기보다 높은 품위값을 보유하는 트로이드형 공진기 또는 구형 공진기를 화학 센서에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 트로이드형 공진기 또는 구형 공진기는 빛이 한 방향으로 나가지 못하기 때문에 광도파로를 공진기와 결합시켜야 하나, 이러한 결합은 품위값을 감소시키는 문제가 있다. 또한, 레이저 또는 공진기를 광섬유와 결합시키기 위해서는 미세한 거리 조절이 요구되나 이를 조절하는 것이 용이하지 않으며, 광섬유를 사용하는 경우에는 외부의 약한 진동에도 광결합이 불안정해 화학 센서로 적용하기 어려운 점이 있다.In order to develop a more sensitive chemical sensor, research is being conducted to apply a troid type resonator or a spherical resonator having a higher quality than a ring resonator to a chemical sensor. However, the toroidal resonator or the spherical resonator has to combine the optical waveguide with the resonator because the light does not go out in one direction, but such coupling has a problem of reducing the quality value. In addition, in order to couple the laser or the resonator with the optical fiber is required to fine control the distance is not easy to control, when using the optical fiber is unstable optical coupling in the weak vibrations of the external it is difficult to apply as a chemical sensor.
트로이드형 공진기 또는 구형 공진기를 이용한 화학센서의 개발과는 별개로 혼돈 공진기를 이용한 화학센서도 보고된 바가 있다. 그러나, 혼돈 공진기는 레이저 공진기 내부 모드의 궤적이 공진기의 가장자리에 속박되지 않고 불안정 주기궤도 혹은 안정 주기궤도에 속박된다. 이러한 경우, 화학 센서가 화학 물질을 감지하지 못하는 문제가 발생될 수 있다. 상기 문제를 해결하기 위해서는 레이저의 발진 공명모드가 레이저의 가장자리에 속박되어야 한다. 이런 특성을 가진 공진기는 휘스퍼링 갤러리 모드를 형성할 수 있어야 되며, 휘스퍼링 갤러리 모드는 단일 방향으로 발진하여야 한다. Apart from the development of chemical sensors using troid type resonators or spherical resonators, chemical sensors using chaotic resonators have also been reported. However, in the chaotic resonator, the trajectory of the laser resonator internal mode is not bound to the edge of the resonator but is bound to an unstable periodic track or a stable periodic track. In this case, a problem may occur that the chemical sensor does not detect the chemical. In order to solve the above problem, the oscillation resonance mode of the laser must be bound to the edge of the laser. A resonator with this characteristic must be able to form a whispering gallery mode, and the whispering gallery mode should oscillate in a single direction.
대한민국 등록 특허 제10-0640071(이하, 특허문헌 1)는 한 방향 발진 특성을 가지는 마이크로 디스크 레이저를 제안하고 있다. 특허문헌 1은 휘스퍼링 갤러리 모드로 형성된 빛을 단일방향으로 발진시킬 수 있다고 개시하고 있다. 다만, 특허문헌 1에 개시된 마이크로 디스크 레이저를 이용하여 화학 센서를 만들기 위해서는 마이크로 디스크 표면에 검출하고자 하는 화학 물질이 흡착되어야 한다. 다만, 일반적으로 제작되는 마이크로 디스크 표면에는 화학 물질이 선택적으로 흡착될 수 없는 문제가 있어, 마이크로 디스크를 이용한 화학 센서를 제작하기가 용이하지 않다.Korean Patent Registration No. 10-0640071 (hereinafter referred to as Patent Document 1) proposes a micro disk laser having a unidirectional oscillation characteristic. Patent document 1 discloses that light formed in whispering gallery mode can be oscillated in a single direction. However, in order to make a chemical sensor using the micro disk laser disclosed in Patent Document 1, a chemical substance to be detected must be adsorbed onto the surface of the micro disk. However, there is a problem that chemical substances cannot be selectively adsorbed on the surface of a generally manufactured micro disk, and thus it is not easy to manufacture a chemical sensor using the micro disk.
따라서, 검출하고자 하는 화학 물질이 선택적으로 흡착될 수 있도록 하는 마이크로 디스크를 이용함으로써, 화학 물질을 정밀하게 감지할 수 있는 화학 센서가 요구되고 있다.Therefore, there is a need for a chemical sensor capable of precisely detecting a chemical by using a micro disk to selectively adsorb the chemical to be detected.
또한, 최근 광기술에서 고리(ring) 공진기를 이용한 바이오 센서를 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 고리 공진기의 품위값이 높아 이를 이용하면 바이오 물질의 부착에 따른 파장 변이를 측정할 수 있어 바이오 물질을 감지할 수 있기 때문이다. 그러나, 고리 공진기의 문제점은 품위값이 높지 못해 정밀 바이오 센서로서 한계점을 가지고 있다. 고리형 공진기 보다 높은 품위값을 가지면 감도가 더 뛰어난 바이오 센서를 개발할 수 있는데 토로이드(toroid)형 혹은 구형의 공진기가 품위값이 극히 높아 바이오 센서로 각광받고 있다. 그러나 이러한 원형공진기의 문제점은 빛을 공진기 내부에 입사시키기 위해 광섬유 같은 광도파로를 공진기 근처에 가까이 결합시켜 공진기의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리(whispering gallery)라는 공명 모드를 만들어야 한다. Toroid형 공진기로 레이저를 만들 수도 있는데, 이런 원형의 공진기 레이저는 빛이 모든 방향으로 균일하게 방출되어 광섬유 같은 도파로를 레이저와 결합하여야 한다. 이런 원형의 공진기의 문제점은 빛이 한 방향으로 나가지 못하기 때문에 도파로를 레이저와 결합시켜야 하는데 이러한 결합 때문에 품위값이 떨어지게 된다. 또한, 레이저 혹은 공진기와 광섬유를 결합시키기 위해서는 미세한 거리 조절이 필요한데, 이러한 미세한 거리 조정도 쉽지 않을뿐더러 광섬유를 사용하게 되면 외부의 약한 진동에도 결합이 깨어져 바이오 센서로 사용이 곤란하다.In addition, in recent years, research to develop a biosensor using a ring resonator has been actively conducted. This is because the high quality of the ring resonator enables the measurement of the wavelength variation due to the attachment of the biomaterial, thereby detecting the biomaterial. However, the problem of the ring resonator is that it has a limitation as a precision biosensor due to its high quality. Higher sensitivity than the cyclic resonator allows the development of biosensors with higher sensitivity. Toroidal or spherical resonators are extremely high in quality and are gaining attention as biosensors. However, the problem of such a circular resonator is to couple an optical waveguide, such as an optical fiber, close to the resonator in order to inject light into the resonator, thereby creating a resonance mode called a whispering gallery bound to the edge of the resonator. Toroidal resonators can also be used to make lasers. These circular resonator lasers emit light uniformly in all directions and combine a waveguide, such as an optical fiber, with the laser. The problem with this circular resonator is that the light cannot go out in one direction, so the waveguide must be combined with the laser, which causes the quality value to fall. In addition, fine distance adjustment is required to combine the laser or resonator with the optical fiber. This fine distance adjustment is not easy, and when the optical fiber is used, it is difficult to use as a biosensor because the coupling is broken even in the external weak vibration.
이러한 원형 공진기를 이용한 바이오 센서의 개발과는 별개로 혼돈 공진기를 이용한 바이오 센서도 보고된 바가 있다. 그러나, 혼돈 공진기는 레이저의 공진기 내부의 모드의 궤적이 공진기의 가장자리에 속박되지 않고 불안정 주기궤도 혹은 안정 주기궤도에 속박된다. 이 경우 표면 등에 바이오 물질이 있어도 레이저가 바이오 물질을 감지하지 못하는 문제점이 있다. 상기 문제를 해결하기 위해서는 레이저의 발진 공명모드가 레이저의 가장자리에 속박되어야 한다. 이런 특성을 가진 공진기는 공진기의 가장자리를 따라 속박된 모드인 휘스퍼링 갤러리 모드를 만들 수 있는 공진기이어야 하는데 현재까지 알려진 것은 원형의 공진기일뿐이다. 최근 휘스퍼링 갤러리 모드가 단일 방향으로 발진하는 혼돈 공진기들이 개발되었다. 그러나 아직 상기와 같이 휘스퍼링 갤러리 모드가 공진기 가장 자리에 속박되어 품위값이 아주 크면서 단일 방향으로 발진하는 공진기를 이용한 바이오 센서는 없다. 현재까지 품위값이 가장 높은 혼돈 공진기는 수동적 품위값이 20만이 되지 못하므로 측정에 한계가 있다. 아직까지 단일 방향으로 발진하면서 품위값이 높은 휘스퍼링 갤러리 형태의 공명 모드를 가지는 혼돈 공진기를 이용한 바이오 센서가 개발된 적이 없다.Apart from the development of such a biosensor using a circular resonator, a biosensor using a chaotic resonator has been reported. However, in the chaotic resonator, the trajectory of the mode inside the resonator of the laser is not bound to the edge of the resonator but is bound to an unstable periodic track or a stable periodic track. In this case, even if there is a biomaterial on the surface, there is a problem that the laser does not detect the biomaterial. In order to solve the above problem, the oscillation resonance mode of the laser must be bound to the edge of the laser. A resonator with this characteristic should be a resonator capable of creating a whispering gallery mode, which is a confined mode along the edge of the resonator. It is only a circular resonator known to date. Recently, chaotic resonators have been developed in which whispering gallery mode oscillates in a single direction. However, there is no biosensor using the resonator which oscillates in a single direction while the whispering gallery mode is bound to the edge of the resonator as described above. To date, the chaotic resonator with the highest grade value has a passive measurement value of less than 200,000, which limits the measurement. So far, no biosensor has been developed that uses a chaotic resonator with a whispering gallery-type resonance mode that oscillates in a single direction.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고품위값을 가지며 휘스퍼링 갤러리 모드의 레이저 빔을 단일방향으로 발진시키는 마이크로 디스크 레이저를 이용한 화학 센서를 제작함에 있어, 마이크로 디스크의 표면을 화합물로 처리하여 마이크로 디스크 표면에 처리된 화합물에 따른 특정물질의 선택적 결합의 특성을 이용하여, 특정물질을 정밀하게 감지할 수 있는 화학 센서를 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and in the manufacture of a chemical sensor using a micro-disc laser which has a high quality value and oscillates a laser beam of whispering gallery mode in a single direction, The present invention aims to provide a chemical sensor capable of precisely detecting a specific substance by using the characteristic of selective binding of a specific substance according to the treated compound on the surface of the micro disk.
또한, 본 발명의 목적은 단일 방향으로 발진하는 고품위값 마이크로 디스크 레이저를 이용하여 제작된 정밀 바이오 센서에 관한 것으로, 고품위 값이기 때문에 레이저의 선폭이 좁아 저농도에서도 항원-항체 반응을 통한 작은 파장 변이 혹은 핵산끼리의 반응을 통하여 발생한 작은 파장의 변이를 쉽게 측정하여 질병의 진단에 사용할 수 있도록 하기 위함이다. 극고품위값 레이저를 이용하는 바이오 센서를 만들기 위하여 레이저 표면(ex. 측면)에 화학 처리 후 항체를 붙이거나, 혹은 핵산을 붙여서 항원-항체 반응을 통한 파장의 변이 혹은 핵산끼리의 반응을 통하여 발생하는 파장의 미소 변이를 측정하여 특정 바이오 물질을 선택적으로 측정하여 질병을 진단하고자 한다. In addition, an object of the present invention relates to a precision biosensor fabricated using a high quality micro disk laser oscillating in a single direction, and because of the high quality value, the line width of the laser is narrow, so even at low concentrations, a small wavelength variation or an antigen-antibody reaction occurs. This is to make it possible to easily measure small wavelength variations caused by reactions between nucleic acids and use them in diagnosing diseases. In order to make a biosensor using extremely high-quality lasers, the surface of the laser (ex. Side) is chemically treated with an antibody, or a nucleic acid is added to change the wavelength through the antigen-antibody reaction or the wavelength generated by the reaction between nucleic acids. By measuring the microvariation of the specific bio-materials by selectively measuring to diagnose the disease.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진 가능하고, 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층; 및 제1 코팅층 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층;을 포함하고, 유전체는 산화물 또는 질화물인 마이크로 디스크가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the micro disk has a high quality whispering gallery mode, whispering gallery mode is a directional oscillation, the first coating layer formed by coating a dielectric on the side of the micro disk; And a second coating layer formed on the first coating layer, the second coating layer including one or more monomolecular or polymer films, wherein the dielectric is an oxide or nitride.
마이크로 디스크는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자로 형성될 수 있다.The micro disc may be formed of a semiconductor, a solid medium or a polymer to which a pigment is added.
산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물일 수 있다.Oxides include TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN and SiN.
단분자막 및 고분자막은 상기 제1 코팅층 상에 부착될 수 있다.The monomolecular film and the polymer film may be attached onto the first coating layer.
단분자막 및 고분자막은 특정물질과 선택적으로 결합 가능할 수 있다.The monomolecular film and the polymer film may be selectively combined with a specific material.
마이크로 디스크는, 특정물질이 단분자막 또는 고분자막과 선택적으로 결합됨에 따라, 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 이러한 특정물질을 감지해낼 수 있다.As the micro disc selectively binds to a monomolecular film or a polymer film, the micro disc can detect the specific material by measuring a change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disc.
마이크로 디스크를 포함하는 마이크로 디스크 레이저는, 상기 마이크로 디스크의 가장자리를 여기시킬 수 있는 여기부를 포함하고, 마이크로 디스크의 경계면 가장자리에 속박된 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있다. The micro disc laser including the micro disc includes an excitation portion capable of exciting the edge of the micro disc, and can oscillate in one direction a high-quality whispering gallery mode bound to the interface edge of the micro disc.
여기부는 광 또는 전류에 의해 상기 마이크로 디스크의 가장자리, 즉 휘스퍼링 갤러리 모드가 속박되어 있는 영역을 여기시킬 수 있다. 휘스퍼링 갤러리 모드는 마이크로 디스크의 경계면의 가장자리를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 또는 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.The excitation portion may excite the edge of the micro disk, ie, the region in which the whispering gallery mode is bound, by light or current. The whispering gallery mode may include a whispering gallery mode that is bound along the edge of the boundary of the micro disc or a whispering gallery mode that is bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disc.
마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.The resonant mode in the form of whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disk may include a resonant mode in the form of a whispering gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more. .
화학센서는 마이크로 디스크 레이저 및 이러한 마이크로 디스크 레이저로부터 발진되는 레이저 빔의 발진 파장 값을 측정하는 측정부;를 포함하며, 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화를 이용하여 특정물질을 검출할 수 있다. The chemical sensor includes a measuring unit for measuring the oscillation wavelength value of the micro-disc laser and the laser beam oscillated from the micro-disc laser, and detects a specific substance using a change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit. can do.
측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화는, 마이크로 디스크의 제2 코팅층에 특정물질이 결합됨에 따라 발생된다. 또한, 측정부에는 분광기가 포함될 수 있다.The change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit is generated as the specific material is bonded to the second coating layer of the micro disc. In addition, the measuring unit may include a spectrometer.
마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다. The change in wavelength value oscillating through the micro disk can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disk or the wavelength oscillating in another high quality laser.
또한, 본 발명의 일 실시예로써, 고품위값 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서가 제공될 수 있다. In addition, as an embodiment of the present invention, a biosensor using a high quality micro disk may be provided.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서에서, 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고, 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 측면에 유전 물질이 코팅되어 있을 수 있다. In a biosensor using a micro disk in which the whispering gallery mode has a high quality value, the micro disk has a single direction in which the whispering gallery mode has a stronger intensity of oscillation in one direction than an oscillation intensity in the other direction. Oscillated with a semiconductor, manufactured using a semiconductor, a solid medium or a polymer, the micro disc may be coated with a dielectric material on its side to enable chemical bonding with a virus, a bacterial antibody or a nucleic acid.
유전 물질은 산화물 또는 질화물(예컨대, GaN, SiN 또는 SiO2 등)이고, 유전 물질이 코팅된 측면에서의 화학 반응을 통하여 마이크로 디스크에 항체 또는 핵산이 부착될 수 있다. The dielectric material is an oxide or nitride (eg, GaN, SiN or SiO 2, etc.), and the antibody or nucleic acid can be attached to the micro disc through a chemical reaction on the side coated with the dielectric material.
또한, 마이크로 디스크에서 항원-항체 반응을 통하여 항체에 대한 소정의 항원이 결합 가능하고, 항체에 결합된 항원에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 항원의 결합 여부가 감지될 수 있다. In addition, a predetermined antigen can be bound to the antibody through the antigen-antibody reaction in the micro disk, and whether or not the predetermined antigen is bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody can be detected. Can be.
마이크로 디스크에서 핵산 간 반응을 통하여 소정의 핵산이 결합 가능하고, 결합된 핵산에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 핵산의 결합 여부가 감지될 수 있다. Predetermined nucleic acids can be bound through a reaction between nucleic acids in the micro disk, and whether or not the predetermined nucleic acids are bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acids.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키고, 바이오 센서에는 이러한 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저가 포함될 수 있다. The micro-disc of the biosensor according to an embodiment of the present invention has an excitation device to oscillate a whispering gallery-type mode having a directivity, and the biosensor may include a micro-disc laser using the micro-disc.
또한, 마이크로 디스크 레이저는 반도체, 고체 매질, 또는 폴리머에 색소를 첨가한 색소 레이저일 수 있다. In addition, the micro disk laser may be a dye laser in which a dye is added to a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 여기될 수 있다. The micro-disc laser can be excited with light or current in an area where the incident angle of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the propagation of light inside the resonator is confused.
또한, 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항체인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다.In addition, the biosensor may include a plurality of micro disks, and a plurality of micro disks are attached to different antibodies, and a predetermined antibody is based on the degree of variation in wavelength during antigen-antibody reaction in each micro disk. Biomaterial can be detected.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. The biosensor may include a plurality of micro disks, each of which has a different nucleic acid attached thereto, and a predetermined nucleic acid to be detected based on the degree of variation in wavelength during the reaction between nucleic acids in each micro disk. Biomaterials can be detected.
소정의 바이오 물질은 각각 상이한 항체와 소정의 바이오 물질 간의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출될 수 있다. Predetermined biomaterials may be detected using a lookup table that represents the degree of variation in wavelength according to the reaction between different antibodies and the given biomaterial.
또한, 각각의 마이크로 디스크에 부착된 각각의 상이한 핵산에 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 부착되는 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. In addition, a lookup table showing a degree of variation in wavelength depending on the degree of attachment of a predetermined biomaterial, which is a detection target nucleic acid, to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined biomaterial. Can be.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착되어 있으며 항원-항체 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지되며, 항원의 결합 여부 및 핵산의 결합 여부가 동시에 감지될 수 있다. The biosensor may include a plurality of micro disks, some of the micro disks have an antibody attached thereto, others have a nucleic acid attached thereto, and antigens to the antibody according to the change of wavelength in the micro disk by the antigen-antibody reaction. Is detected, whether or not the detection target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the micro disk by the reaction between nucleic acids, whether the antigen binding and the binding of the nucleic acid can be detected at the same time. .
또한, 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고, 데이터는 함수 또는 그래프 형태일 수 있다. Further, the biomaterial to be detected based on predetermined data on the degree of variation in wavelength due to antigen-antibody reaction with the antibody attached to the micro disk or the degree of variation in wavelength due to internucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the micro disk. This can be detected and the data can be in the form of a function or graph.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있고, 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 제1 코팅층이 형성되고, 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층이 제1 코팅층 상에 형성됨으로써, 특정물질이 단분자막 또는 고분자막에 선택적으로 결합될 수 있다. 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드가 단일 방향으로 빛을 방출하는 마이크로 디스크를 포함하는 마이크로 디스크 레이저를 사용하여 화학 센서를 제작하면, 저농도의 가스 환경 하에서도 특정물질을 정밀하게 검출할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예인 화학 센서를 이용하면 특정물질이 마이크로 디스크의 제2 코팅층에 포함되는 단분자막 또는 고분자막에 선택적으로 결합됨에 따라 발생되는 파장의 미소한 변화를 측정하여, 특정물질의 종류 및 농도를 정밀하게 측정할 수 있다.The micro-disc according to an embodiment of the present invention has a high-quality whispering gallery mode, the whispering gallery mode can be oscillated in a single direction, the dielectric is coated on the side of the micro-disc to form a first coating layer, By forming a second coating layer including a monomolecular film or a polymer film on the first coating layer, a specific material may be selectively bonded to the monomolecular film or the polymer film. High-quality whispering gallery mode can be used to fabricate a chemical sensor using a micro-disc laser that includes a micro-disc that emits light in a single direction, enabling the precise detection of certain substances even in low gas environments. In addition, by using the chemical sensor of an embodiment of the present invention by measuring a small change in the wavelength generated as the specific material is selectively bonded to the monomolecular film or polymer film included in the second coating layer of the micro disk, the type and The concentration can be measured precisely.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서를 이용하면, 항원-항체 반응을 이용해서 질병 등을 정확하게 진단할 수 있을 뿐만 아니라 핵산 등을 이용해서도 질병 등을 진단할 수도 있다. 다시 말해서, 동일한 마이크로 플루이딕 내부에 있는 마이크로 디스크 공진기 레이저에 핵산과 항체를 각각 부착시킬 수 있으므로 항원-항체 반응과 핵산 간 반응을 동시에 측정할 수 있으므로 종래 대비 빠르고 정확하게 질병 등을 진단할 수 있고 이에 따라 질병 진단의 효율을 제고할 수 있다. In addition, using the biosensor using a high-definition microdisk according to an embodiment of the present invention, not only can accurately diagnose diseases using antigen-antibody reactions, but also can detect diseases and the like by using nucleic acids. It can also be diagnosed. In other words, since the nucleic acid and the antibody can be attached to the micro-disc resonator laser inside the same microfluidic, the antigen-antibody reaction and the reaction between the nucleic acids can be simultaneously measured, so that diseases can be diagnosed faster and more accurately than before. Therefore, the efficiency of disease diagnosis can be improved.
도 1a, 도 1b 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크를 개략적으로 나타낸 도면이다.1A and 1B are diagrams schematically illustrating a micro disk according to an embodiment of the present invention.
도 2는 제1 코팅층 상에 단분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically illustrating that a monomolecular film is formed on a first coating layer.
도 3은 제1 코팅층 상에 고분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.3 is a view schematically showing that a polymer film is formed on a first coating layer.
도 4는 고분자막 상에 특정물질이 선택적으로 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a view schematically showing that a specific material is selectively bonded on the polymer film.
도 5는 특정물질이 고분자와 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.5 is a view schematically showing that a specific material is combined with a polymer.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크 측면을 산화물인 SiO2, GaN 등으로 코팅 처리한 상태를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a view showing a state in which a micro disk side is coated with SiO 2 , GaN, or the like according to an embodiment of the present invention.
도 7는 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 항체를 부착시킨 상태를 나타내는 도면이다.7 is a view showing a state in which the antibody is attached to the side after chemically treating the micro-disk side.
도 8은 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 인공적 핵산을 부착시킨 상태를 나타낸 도면이다. 8 is a view showing a state in which an artificial nucleic acid is attached to the side after chemically treating the micro disk side.
도 9는 마이크로 디스크 측면에 부착된 항체에 항원이 결합하는 항원-항체 반응을 나타낸 도면이다. 9 is a diagram showing an antigen-antibody reaction in which antigen binds to an antibody attached to the side of a micro disk.
도 10는 마이크로 디스크 측면에 부착된 인공적 핵산에 바이러스 혹은 세균의 핵산 등이 결합하는 반응을 나타낸 도면이다. 10 is a diagram illustrating a reaction in which a nucleic acid of a virus or a bacterium binds to an artificial nucleic acid attached to a side of a micro disk.
도 11은 마이크로 디스크로 구성된 공진기 레이저를 포함하는 바이오 센서에 마이크로 플루이딕을 통해 바이오 물질을 통과시키는 도식도이다.11 is a schematic diagram of passing a biomaterial through a microfluidic to a biosensor comprising a resonator laser composed of microdisks.
도 12은 항원-항체 반응과 핵산 간 반응을 동시에 측정하여 질병 등을 진단하기 위한 방법을 나타내는 모식도이다.12 is a schematic diagram showing a method for diagnosing a disease or the like by simultaneously measuring an antigen-antibody reaction and a reaction between nucleic acids.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진 가능하고, 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층; 및 제1 코팅층 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층;을 포함하고, 유전체는 산화물 또는 질화물인 마이크로 디스크가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the micro disk has a high quality whispering gallery mode, whispering gallery mode is a directional oscillation, the first coating layer formed by coating a dielectric on the side of the micro disk; And a second coating layer formed on the first coating layer, the second coating layer including one or more monomolecular or polymer films, wherein the dielectric is an oxide or nitride.
마이크로 디스크는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자로 형성될 수 있다.The micro disc may be formed of a semiconductor, a solid medium or a polymer to which a pigment is added.
산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물일 수 있다.Oxides include TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN and SiN.
단분자막 및 고분자막은 상기 제1 코팅층 상에 부착될 수 있다.The monomolecular film and the polymer film may be attached onto the first coating layer.
단분자막 및 고분자막은 특정물질과 선택적으로 결합 가능할 수 있다.The monomolecular film and the polymer film may be selectively combined with a specific material.
마이크로 디스크는, 특정물질이 단분자막 또는 고분자막과 선택적으로 결합됨에 따라, 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 이러한 특정물질을 감지해낼 수 있다.As the micro disc selectively binds to a monomolecular film or a polymer film, the micro disc can detect the specific material by measuring a change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disc.
마이크로 디스크를 포함하는 마이크로 디스크 레이저는, 상기 마이크로 디스크의 가장자리를 여기시킬 수 있는 여기부를 포함하고, 마이크로 디스크의 경계면 가장자리에 속박된 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있다. The micro disc laser including the micro disc includes an excitation portion capable of exciting the edge of the micro disc, and can oscillate in one direction a high-quality whispering gallery mode bound to the interface edge of the micro disc.
여기부는 광 또는 전류에 의해 상기 마이크로 디스크의 가장자리, 즉 휘스퍼링 갤러리 모드가 속박되어 있는 영역을 여기시킬 수 있다. 휘스퍼링 갤러리 모드는 마이크로 디스크의 경계면의 가장자리를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 또는 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.The excitation portion may excite the edge of the micro disk, ie, the region in which the whispering gallery mode is bound, by light or current. The whispering gallery mode may include a whispering gallery mode that is bound along the edge of the boundary of the micro disc or a whispering gallery mode that is bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disc.
마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.The resonant mode in the form of whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disk may include a resonant mode in the form of a whispering gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more. .
화학센서는 마이크로 디스크 레이저 및 이러한 마이크로 디스크 레이저로부터 발진되는 레이저 빔의 발진 파장 값을 측정하는 측정부;를 포함하며, 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화를 이용하여 특정물질을 검출할 수 있다. The chemical sensor includes a measuring unit for measuring the oscillation wavelength value of the micro-disc laser and the laser beam oscillated from the micro-disc laser, and detects a specific substance using a change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit. can do.
측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화는, 마이크로 디스크의 제2 코팅층에 특정물질이 결합됨에 따라 발생된다. 또한, 측정부에는 분광기가 포함될 수 있다.The change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit is generated as the specific material is bonded to the second coating layer of the micro disc. In addition, the measuring unit may include a spectrometer.
마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다. The change in wavelength value oscillating through the micro disk can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disk or the wavelength oscillating in another high quality laser.
또한, 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서에서, 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고, 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 측면에 유전 물질이 코팅되어 있을 수 있다. In addition, in a biosensor using a microdisc in which the whispering gallery mode has a high quality value, the microdisc has a single whispering gallery mode in which the intensity of oscillation in one direction is stronger than that of the oscillation in the other direction. Oscillated with aroma, and made using a semiconductor, a solid medium or a polymer, the micro disc may be coated with a dielectric material on its side to enable chemical bonding with a virus, bacterial antibody or nucleic acid.
유전 물질은 산화물 또는 질화물(예컨대, GaN, SiN 또는 SiO2 등)이고, 유전 물질이 코팅된 측면에서의 화학 반응을 통하여 마이크로 디스크에 항체 또는 핵산이 부착될 수 있다. The dielectric material is an oxide or nitride (eg, GaN, SiN or SiO 2, etc.), and the antibody or nucleic acid can be attached to the micro disc through a chemical reaction on the side coated with the dielectric material.
또한, 마이크로 디스크에서 항원-항체 반응을 통하여 항체에 대한 소정의 항원이 결합 가능하고, 항체에 결합된 항원에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 항원의 결합 여부가 감지될 수 있다. In addition, a predetermined antigen can be bound to the antibody through the antigen-antibody reaction in the micro disk, and whether or not the predetermined antigen is bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody can be detected. Can be.
마이크로 디스크에서 핵산 간 반응을 통하여 소정의 핵산이 결합 가능하고, 결합된 핵산에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 핵산의 결합 여부가 감지될 수 있다. Predetermined nucleic acids can be bound through a reaction between nucleic acids in the micro disk, and whether or not the predetermined nucleic acids are bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acids.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키고, 바이오 센서에는 이러한 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저가 포함될 수 있다. The micro-disc of the biosensor according to an embodiment of the present invention has an excitation device to oscillate a whispering gallery-type mode having a directivity, and the biosensor may include a micro-disc laser using the micro-disc.
또한, 마이크로 디스크 레이저는 반도체, 고체 매질, 또는 폴리머에 색소를 첨가한 색소 레이저일 수 있다. In addition, the micro disk laser may be a dye laser in which a dye is added to a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 여기될 수 있다. The micro-disc laser can be excited with light or current in an area where the incident angle of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the propagation of light inside the resonator is confused.
또한, 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항체인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다.In addition, the biosensor may include a plurality of micro disks, and a plurality of micro disks are attached to different antibodies, and a predetermined antibody is based on the degree of variation in wavelength during antigen-antibody reaction in each micro disk. Biomaterial can be detected.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. The biosensor may include a plurality of micro disks, each of which has a different nucleic acid attached thereto, and a predetermined nucleic acid to be detected based on the degree of variation in wavelength during the reaction between nucleic acids in each micro disk. Biomaterials can be detected.
소정의 바이오 물질은 각각 상이한 항체와 소정의 바이오 물질 간의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출될 수 있다. Predetermined biomaterials may be detected using a lookup table that represents the degree of variation in wavelength according to the reaction between different antibodies and the given biomaterial.
또한, 각각의 마이크로 디스크에 부착된 각각의 상이한 핵산에 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 부착되는 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. In addition, a lookup table showing a degree of variation in wavelength depending on the degree of attachment of a predetermined biomaterial, which is a detection target nucleic acid, to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined biomaterial. Can be.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착되어 있으며 항원-항체 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지되며, 항원의 결합 여부 및 핵산의 결합 여부가 동시에 감지될 수 있다. The biosensor may include a plurality of micro disks, some of the micro disks have an antibody attached thereto, others have a nucleic acid attached thereto, and antigens to the antibody according to the change of wavelength in the micro disk by the antigen-antibody reaction. Is detected, whether or not the detection target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the micro disk by the reaction between nucleic acids, whether the antigen binding and the binding of the nucleic acid can be detected at the same time. .
또한, 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고, 데이터는 함수 또는 그래프 형태일 수 있다. Further, the biomaterial to be detected based on predetermined data on the degree of variation in wavelength due to antigen-antibody reaction with the antibody attached to the micro disk or the degree of variation in wavelength due to internucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the micro disk. This can be detected and the data can be in the form of a function or graph.
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.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Terms used herein will be briefly described and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention have been selected as widely used general terms as possible in consideration of the functions in the present invention, but this may vary according to the intention or precedent of the person skilled in the art, the emergence of new technologies and the like. In addition, in certain cases, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, in which case the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the contents throughout the present invention, rather than the names of the simple terms.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 또는 "결합"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 결합)"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결(또는 결합)되어 있는 경우도 포함한다. When any part of the specification is to "include" any component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. In addition, when a part of the specification is said to be "connected" or "coupled" to another part, it is not only "directly connected (or coupled)", but also "with another element in the middle". This includes the case where it is connected (or coupled).
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크(100)는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 상기 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진하며, 마이크로 디스크(100)의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층(210); 및 제1 코팅층(210) 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220);을 포함하고, 유전체는 산화물 또는 질화물일 수 있다. The micro disk 100 according to an embodiment of the present invention has a high quality whispering gallery mode, the whispering gallery mode is oscillated with a direction, the side of the micro disk 100 is formed by coating a dielectric First coating layer 210; And a second coating layer 220 formed on the first coating layer 210 and including at least one monolayer 221 or a polymer layer 222, wherein the dielectric may be an oxide or a nitride.
또한, 마이크로 디스크(100)는 휘스퍼링 갤러리 모드가 단일방향으로 발진하고 마이크로 디스크(100)의 측면에는 유전체가 코팅되어 제1 코팅층(210)이 형성되고, 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220)이 제1 코팅층(210) 상에 형성됨으로써, 특정물질이 단분자막 또는 고분자막에 선택적으로 결합될 수 있다.In addition, the micro-disc 100 has a whispering gallery mode oscillating in a single direction, and a dielectric coating is coated on the side of the micro-disc 100 to form a first coating layer 210, and the monomolecular layer 221 or the polymer layer 222 may be formed. By including the second coating layer 220 is formed on the first coating layer 210, a specific material may be selectively bonded to a monomolecular film or a polymer film.
마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드는 고 품위값을 가질 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 일면에 광 또는 전류가 공급되어 마이크로 디스크(100)가 여기됨에 따라, 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드가 마이크로 디스크(100)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드의 품위값인 Q 값은 104 이상으로, 높은 품위값을 가질 수 있다.The whispering gallery mode bound to the edge of the micro disc 100 may have a high quality value. As light or current is supplied to one surface of the micro disc 100 to excite the micro disc 100, a whispering gallery mode that is bound to the edge of the micro disc 100 may be formed along the edge of the micro disc 100. Can be. The Q value, which is the quality value of the whispering gallery mode bound to the edge of the micro disc 100, is 10 4 or more, and may have a high quality value.
또한, 마이크로 디스크(100)는, 예를 들면, 변형된 원형, 4개의 원호로 이루어진 형상, 3개의 원과 하나의 직선으로 이루어진 형상, 달걀형 등의 타원 형상, 심장형과 원호가 결합된 형상 등 적분 불가능한 형상을 가질 수 있다. 상기 적분 불가능한 형상은 2차원에서 헬름홀츠(Helmholtz) 식을 변수 분리하여, 해석적으로 내부의 파동 함수를 구할 수 없는 형상을 의미한다. 상기 전술한 형상을 가지는 마이크로 디스크(100)를 이용한 마이크로 디스크 레이저는, 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드의 레이저 빔을 단일 방향으로 발진시킬 수 있다.In addition, the micro disk 100 may be, for example, a deformed circle, a shape consisting of four arcs, a shape consisting of three circles and one straight line, an ellipse shape such as an egg shape, a shape in which a heart shape and an arc are combined, and the like. It may have a shape that cannot be integrated. The non-integral shape means a shape in which the Helmholtz equation is separated in two dimensions so that an internal wave function cannot be obtained analytically. The micro-disc laser using the micro-disc 100 having the above-described shape may oscillate the laser beam in the whispering gallery mode bound to the edge of the micro-disc 100 in a single direction.
마이크로 디스크(100)는 고품위값을 가지는 레이저 빔을 단일방향으로 발진시킬 수 있는 바, 광도파로와의 광 결합이 용이하며 광도파로와 결합하는 과정에서 품위값의 손상을 억제할 수 있어, 이러한 마이크로 디스크(100)가 화학 센서에 적용되는 경우에는 화학 센서의 검출 정밀성을 향상시킬 수 있다.The micro-disc 100 can oscillate a laser beam having a high quality value in a single direction, so that the light coupling with the optical waveguide is easy and the damage of the quality value can be suppressed in the process of combining with the optical waveguide. When the disk 100 is applied to a chemical sensor, the detection precision of the chemical sensor can be improved.
마이크로 디스크(100)는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자로 형성될 수 있다. 예를 들면, 반도체로 III-V족의 반도체 물질을 사용할 수 있으며, III-V족의 반도체 물질로는 GaAs계열, InGaAsP, GaN계열 등을 사용할 수 있다. 또한, 고체 매질로는 Nd:YAG, Nd:Glass, NdYVO4, Sapphire에 불순물이 도핑된 매질, 루비 등 다양한 고체 레이저 매질 등을 사용할 수 있다.The micro disc 100 may be formed of a polymer to which a semiconductor, a solid medium, or a pigment is added. For example, a III-V semiconductor material may be used as the semiconductor, and a GaAs series, InGaAsP, GaN series, or the like may be used as the III-V semiconductor material. In addition, as a solid medium, various solid laser media such as Nd: YAG, Nd: Glass, NdYVO 4 , Sapphire doped with impurities, and ruby may be used.
또한, 색소가 첨가된 고분자로는, 예를 들면, Rhodamine 6G, Rhodamine B 등 수많은 색소를 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 등 수많은 고분자에 첨가하여 만들어진 색소가 첨가된 고분자를 사용할 수 있다.As the polymer to which the dye is added, for example, a polymer to which a dye produced by adding a number of pigments such as Rhodamine 6G and Rhodamine B to a number of polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA) can be used.
다만, 전술한 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류는 설명을 위한 예시일 뿐, 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류를 한정하기 위한 것은 아니다.However, the kind of the polymer to which the above-described semiconductor, solid medium or pigment is added is merely an example for description, and is not intended to limit the kind of the polymer to which the semiconductor, solid medium or dye is added.
도 1a, 도 1b 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크를 개략적으로 나타낸 도면이다.1A and 1B are diagrams schematically illustrating a micro disk according to an embodiment of the present invention.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참고하면, 마이크로 디스크(100)의 측면에는 제1 코팅층(210)이 형성되고, 제2 코팅층(220)은 제1 코팅층(210) 상에 형성될 수 있다.1A, 1B, and 1C, a first coating layer 210 may be formed on a side of the micro disc 100, and a second coating layer 220 may be formed on the first coating layer 210.
제1 코팅층(210)은 산화물 또는 질화물의 유전체가 마이크로 디스크(100)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 마이크로 디스크(100)를 식각한 후 패시베이션을 통하여 산화물 또는 질화물을 마이크로 디스크(100) 표면에 코팅할 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 측면에 유전체가 코팅되어 제1 코팅층(210)을 형성함으로써, 마이크로 디스크(100)에 전류 공급 시 누설 전류가 발생되는 것을 억제할 수 있으며, 제2 코팅층(220)을 마이크로 디스크(100)에 용이하게 도입할 수 있다.The first coating layer 210 may be formed by coating a dielectric of an oxide or nitride on the surface of the micro disc 100. After etching the micro disc 100, an oxide or nitride may be coated on the surface of the micro disc 100 through passivation. By forming a first coating layer 210 by coating a dielectric on the side of the micro disk 100, it is possible to suppress the occurrence of leakage current when the current is supplied to the micro disk 100, and the second coating layer 220 may be micro It can be easily introduced into the disk 100.
이러한 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물일 수 있고, 마이크로 디스크(100)의 표면에 제1 코팅층으로서 형성될 수 있다.These oxides are TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN and SiN, and may be formed as a first coating layer on the surface of the micro disc 100.
마이크로 디스크(100) 표면에 제1 코팅층(210)을 형성하기 위하여 사용되는 산화물 또는 질화물은 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221), 고분자막(222)의 종류에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, (R'O)3-Si-R의 분자구조를 가지는 화합물로 단분자막(221)을 형성하는 경우, 제1 코팅층(210)에 사용되는 산화물로 SiO2가 이용될 수 있다.The oxide or nitride used to form the first coating layer 210 on the surface of the micro disc 100 may be selected according to the types of the monomolecular film 221 and the polymer film 222 included in the second coating layer 220. For example, when the monolayer 221 is formed of a compound having a molecular structure of (R′O) 3 —Si—R, SiO 2 may be used as an oxide used in the first coating layer 210.
제2 코팅층(220)은 제1 코팅층(210) 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 코팅층(220)은 단일의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)으로 이루어질 수 있고, 복수의 단분자막(221) 또는 복수의 고분자막(222)으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 단분자를 이용하여 제1 코팅층(210) 상에 제1 단분자막을 형성할 수 있고, 제1 단분자막에 존재하는 관능기를 이용하여, 제1 단분자막을 구성하는 단분자와 다른 새로운 단분자를 제1 단분자막과 결합시켜 제2 단분자막을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 제1 코팅층(210) 상에 제1 고분자막과 제2 고분자막을 순차적으로 코팅할 수 있다.The second coating layer 220 is formed on the first coating layer 210 and may include one or more monolayers 221 or a polymer layer 222. In detail, the second coating layer 220 may be formed of a single monolayer 221 or a polymer layer 222, and may be formed of a plurality of monolayer 221 or a plurality of polymer layers 222. For example, the first monomolecular film may be formed on the first coating layer 210 using a single molecule, and new monomolecules different from the single molecule constituting the first monomolecular film may be formed by using a functional group present in the first monomolecular film. May be combined with the first monolayer to form a second monolayer. Similarly, the first polymer film and the second polymer film may be sequentially coated on the first coating layer 210.
나아가, 제1 코팅층(210) 상에 단분자막(221)을 형성한 후, 단분자막(221) 상에 고분자막(222)을 형성하여, 단분자막(221)과 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220)을 제1 코팅층(210) 상에 형성할 수 있다.Furthermore, after the monolayer 221 is formed on the first coating layer 210, the polymer layer 222 is formed on the monolayer 221, and the second coating layer 220 including the monolayer 221 and the polymer layer 222. ) May be formed on the first coating layer 210.
제1 코팅층(210) 상에 하나 이상의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220)을 형성함으로써, 마이크로 디스크(100) 표면에 코팅되는 코팅층의 두께를 조절할 수 있으며, 특정물질과 선택적으로 결합할 수 있는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 마이크로 디스크(100) 표면에 도입할 수 있다.By forming the second coating layer 220 including at least one monolayer 221 or the polymer layer 222 on the first coating layer 210, it is possible to control the thickness of the coating layer coated on the surface of the micro disc 100, A monomolecular film 221 or a polymer film 222 that can selectively bind to a material may be introduced to the surface of the micro disc 100.
이러한 단분자막(221) 및 고분자막(222)은 제1 코팅층(210) 상에 부착될 수 있다. 구체적으로, 산화물 또는 질화물로 형성된 제1 코팅층(210) 상에 단분자막(221) 또는 고분자막(222)이 물리적으로 흡착되거나 화학적으로 결합되어, 제2 코팅층(220)이 형성될 수 있다. The monolayer 221 and the polymer layer 222 may be attached on the first coating layer 210. In detail, the monolayer 221 or the polymer layer 222 may be physically adsorbed or chemically bonded on the first coating layer 210 formed of an oxide or nitride to form the second coating layer 220.
예를 들면, SiO2를 마이크로 디스크(100)의 표면에 코팅하여 제1 코팅층(210)을 형성하는 경우, 제1 코팅층(210)에 존재하는 하이드록시기(-OH)를 이용하여 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 제1 코팅층(210) 상에 형성할 수 있다. (R'O)3-Si-R 의 분자구조를 가지는 화합물을 이용하여 제1 코팅층(210) 상에 제2 코팅층(220)을 형성하는 경우, 제1 코팅층(210)에 존재하는 하이드록시기와 (R'O)3-Si-R 화합물 간에 축합반응이 진행되어 HOR'이 떨어져 나오면서 -O-Si-R 결합이 새롭게 제1 코팅층(210) 상에 형성됨에 따라, 단분자막(221)이 제1 코팅층(210) 상에 형성될 수 있다. 이때 상기 R은 polyamiline, polythiophene, polypyrrole, polyphenenylene 등일 수 있다.For example, when SiO 2 is coated on the surface of the micro disc 100 to form the first coating layer 210, the monomolecular film 221 using a hydroxyl group (-OH) present in the first coating layer 210. ) Or the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210. When the second coating layer 220 is formed on the first coating layer 210 by using a compound having a molecular structure of (R′O) 3 -Si-R, the hydroxyl group present in the first coating layer 210 is formed. As the condensation reaction proceeds between the (R′O) 3 —Si—R compounds and HOR ′ is released, a —O—Si—R bond is newly formed on the first coating layer 210, the monolayer 221 is formed on the first coating layer 210. It may be formed on the coating layer 210. In this case, R may be polyamiline, polythiophene, polypyrrole, polyphenenylene, or the like.
도 2는 제1 코팅층 상에 단분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically illustrating that a monomolecular film is formed on a first coating layer.
제1 코팅층(210) 상에 단분자막(221) 혹은 고분자막(222)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 코팅층(210) 상에 형성된 -O-Si-R 결합에서 Si와 결합이 가능한 모든 단분자막(221) 혹은 고분자막(222)이 R이며 이러한 R의 단분자 혹은 고분자의 관능기에 따라 특정 화학 물질이 더 흡착이 잘되는 선택적 흡착이 일어나게 된다. 또한, 단분자막을 형성한 후, 단분자막에 존재하는 관능기를 이용하여 새로운 단분자막을 기존의 단분자막 상에 형성할 수도 있다.The monolayer 221 or the polymer layer 222 may be formed on the first coating layer 210. For example, in the -O-Si-R bond formed on the first coating layer 210, all of the monomolecular films 221 or the polymer film 222 that can be bonded to Si are R, and according to the monomolecule of the R or the functional group of the polymer, Selective adsorption occurs where certain chemicals are more readily adsorbed. In addition, after the monomolecular film is formed, a new monomolecular film may be formed on the existing monomolecular film by using a functional group present in the monomolecular film.
도 3은 제1 코팅층 상에 고분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.3 is a view schematically showing that a polymer film is formed on a first coating layer.
물리적 흡착 또는 화학적 결합을 통하여, 제1 코팅층(210) 상에 고분자막(222)을 형성할 수 있다. 제1 코팅층(210) 상에 고분자막(222)을 물리적 흡착시키는 경우에는, 예를 들면, 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액을 마이크로 디스크(100)의 제1 코팅층(210) 표면에 스핀 코팅, 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅 방식으로 코팅하여 고분자막(222)을 형성할 수 있다. 고분자로, 예를 들면, 스티렌계 고분자, 아크릴계 고분자, 메타크릴계 고분자, 비닐계 고분자, 우레탄계 고분자 등을 사용할 수 있으며, 특정물질과 결합가능한 고분자를 선택하여 제2 코팅층(220)을 형성할 수 있다.Through physical adsorption or chemical bonding, the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210. When the polymer film 222 is physically adsorbed onto the first coating layer 210, for example, a polymer solution in which the polymer is dissolved in a solvent is spin coated and dips on the surface of the first coating layer 210 of the micro disc 100. The coating or coating may be performed by spray coating to form the polymer film 222. As the polymer, for example, a styrene polymer, an acrylic polymer, a methacryl polymer, a vinyl polymer, a urethane polymer, or the like may be used, and the second coating layer 220 may be formed by selecting a polymer that can be combined with a specific material. have.
또한, 화학적 결합을 통해 제1 코팅층(210) 상에 고분자막(222)을 형성할 수 있다. 도 3을 참고하면, 제1 코팅층(210)에 존재하는 관능기를 이용하여 고분자막(222)을 제1 코팅층(210) 상에 형성할 수 있다. 예를 들면, SiO2를 마이크로 디스크(100)의 표면에 코팅하여 제1 코팅층(210)을 형성하고, 제1 코팅층에 존재하는 -OH기를 이용하여 단분자막(221)을 형성할 수 있으며, 그 다음 관능기를 이용하여 고분자막(222)을 형성할 수 있다.In addition, the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210 through chemical bonding. Referring to FIG. 3, the polymer film 222 may be formed on the first coating layer 210 by using a functional group present in the first coating layer 210. For example, SiO 2 may be coated on the surface of the micro disc 100 to form the first coating layer 210, and the monomolecular layer 221 may be formed using the —OH group present in the first coating layer. The polymer film 222 may be formed using a functional group.
따라서, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)은 제1 코팅층(210)과 안정적으로 흡착되거나 결합될 수 있으므로, 특정물질과 선택적으로 결합 가능한 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 마이크로 디스크(100)에 용이하게 도입할 수 있다.Therefore, since the monomolecular film 221 or the polymer film 222 included in the second coating layer 220 may be stably adsorbed or combined with the first coating layer 210, the monomolecular film 221 or the polymer film selectively bondable with a specific material. The 222 can be easily introduced into the micro disc 100.
도 4는 고분자막 상에 특정물질이 선택적으로 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a view schematically showing that a specific material is selectively bonded on the polymer film.
단분자막(221) 및 고분자막(222)은 특정물질과 선택적으로 결합될 수 있다. 또한, 특정물질이 단분자막(221) 또는 고분자막(222)과 선택적으로 결합됨에 따라, 마이크로 디스크(100)의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 특정물질을 감지해낼 수 있다.The monolayer 221 and the polymer layer 222 may be selectively combined with a specific material. In addition, as the specific material is selectively coupled to the monomolecular film 221 or the polymer film 222, the specific material may be detected by measuring a change in the wavelength generated in the resonance mode of the micro disc 100.
제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221)과 고분자막(222)은 특정물질과 선택적으로 화학적 결합 또는 화학적 흡착이 가능할 수 있다. 도 4를 참고하면, 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 코팅된 마이크로 디스크(100)에 특정물질이 포함된 가스가 공급되는 경우, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)의 종류에 따라, 제2 코팅층(220)에 화학적으로 결합되거나 화학적으로 흡착될 수 있는 특정물질의 종류는 상이할 수 있다. The monomolecular film 221 and the polymer film 222 included in the second coating layer 220 may be selectively chemically bonded or chemically adsorbed with a specific material. Referring to FIG. 4, when a gas containing a specific material is supplied to the micro disc 100 coated with the first coating layer 210 and the second coating layer 220, the monomolecular film included in the second coating layer 220 ( Depending on the type of the 221 or the polymer film 222, the type of a specific material that may be chemically bonded or chemically adsorbed to the second coating layer 220 may be different.
도 5는 특정물질이 고분자와 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.5 is a view schematically showing that a specific material is combined with a polymer.
예를 들면, 도 5에서와 같이, A linear hydrogen-bond acidic linear functionalized polymer는 DMMP 가스, Sarin 가스 및 2-CEES 가스와 선택적으로 결합될 수 있다. 다시 말해서, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 존재하는 관능기에 의해, 특정물질(예컨대, DMMP 가스 등)이 제2 코팅층에 선택적으로 결합될 수 있다.For example, as shown in FIG. 5, A linear hydrogen-bond acidic linear functionalized polymer may be selectively combined with DMMP gas, Sarin gas and 2-CEES gas. In other words, a specific material (eg, DMMP gas, etc.) may be selectively bonded to the second coating layer by a functional group present in the monolayer 221 or the polymer layer 222 included in the second coating layer 220.
마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막 또는 고분자막은 특정물질과 화학적 결합 또는 화학적 흡착 가능한 화합물 중에서 선택되는 화합물로써 형성될 수 있다. 표면에 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 코팅된 마이크로 디스크(100)는 공명모드에서 일정한 파장 값을 가지는 레이저 빔을 발진시킬 수 있다. 다만, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 특정물질이 결합 또는 흡착되는 경우, 마이크로 디스크(100)는 발진 레이저 빔의 파장 값이 변화된 파장 값을 가질 수 있다. The monomolecular film or the polymer film included in the second coating layer 220 of the micro disk 100 may be formed as a compound selected from a compound capable of chemically bonding or chemically adsorbing a specific material. The micro disk 100 coated with the first coating layer 210 and the second coating layer 220 on the surface may oscillate a laser beam having a constant wavelength value in the resonance mode. However, when a specific material is bonded or adsorbed to the monomolecular film 221 or the polymer film 222 included in the second coating layer 220, the micro disk 100 may have a wavelength value at which the wavelength value of the oscillation laser beam is changed. .
마이크로 디스크(100)는 특정물질이 마이크로 디스크(100)의 측면에 형성된 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 선택적으로 결합됨에 따라, 공명모드에서의 변화된 파장 값을 보여주므로, 특정물질을 감지할 수 있는 화학 센서로서 제작될 수 있다.The micro-disc 100 is a wavelength of the changed wavelength in the resonance mode as a specific material is selectively bonded to the mono-molecular layer 221 or the polymer layer 222 included in the second coating layer 220 formed on the side of the micro-disc 100. It can be manufactured as a chemical sensor that can detect a specific material.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크 레이저는 마이크로 디스크(100) 및 이러한 마이크로 디스크(100)의 가장자리를 여기시킬 수 있는 여기부를 포함할 수 있고, 마이크로 디스크(100)의 경계면 가장자리에 속박된 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있다.In addition, the micro disk laser according to an embodiment of the present invention may include a micro disk 100 and an excitation portion capable of exciting the edge of the micro disk 100, and is bound to the edge of the interface of the micro disk 100 The high quality whispering gallery mode can be oscillated in a single direction.
마이크로 디스크 레이저는 고품위값을 가지는 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있어, 광 결합이 용이하며 품위값의 손상 없이 빛을 광도파로로 입사시킬 수 있다. 따라서, 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 갖는 마이크로 디스크(100)를 포함하는 마이크로 디스크 레이저를 사용하여 화학 센서를 제작하면, 저농도의 가스 환경 하에서도 특정물질을 정밀하게 검출할 수 있다.The micro disc laser can oscillate the whispering gallery mode having a high quality value in a single direction, so that light coupling is easy and light can be incident into the optical waveguide without any damage to the quality value. Therefore, when a chemical sensor is fabricated using a micro disk laser including the micro disk 100 having a high quality whispering gallery mode, it is possible to accurately detect a specific substance even in a low concentration gas environment.
마이크로 디스크 레이저에는 복수개의 마이크로 디스크(100)들이 포함될 수 있다. 마이크로 디스크 레이저가 복수개의 마이크로 디스크(100)들을 포함하는 경우, 복수개의 마이크로 디스크(100)들 각각은 동일한 조건으로 마이크로 디스크(100)의 측면에 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 형성되는 것이 바람직하며, 복수개의 마이크로 디스크(100)들 각각에 형성되는 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)은 서로 동일한 두께를 가지는 것이 바람직할 수 있다.The micro disk laser may include a plurality of micro disks 100. When the micro disk laser includes a plurality of micro disks 100, each of the plurality of micro disks 100 may have a first coating layer 210 and a second coating layer 220 on the side of the micro disk 100 under the same conditions. It is preferable that the first coating layer 210 and the second coating layer 220 formed on each of the plurality of micro disks 100 have the same thickness.
여기부는 광 또는 전류로 마이크로 디스크(100)의 가장자리를 여기시킬 수 있다. 예를 들면, 마이크로 디스크(100)의 상면 또는 하면을 통해 광 또는 전류가 공급됨에 따라, 마이크로 디스크(100)의 가장자리부가 여기될 수 있고, 가장자리부는 마이크로 디스크 측면의 내부로서 상기 가장자리부는 상기 휘스퍼링 갤러리 모드뿐만 아니라 휘스퍼링 갤러리모드 형태의 다각형 형태의 공명모드가 형성될 수 있는 부분이다.The excitation portion may excite the edge of the micro disk 100 by light or current. For example, as light or current is supplied through the upper or lower surface of the micro disk 100, the edge portion of the micro disk 100 may be excited, and the edge portion is inside the side of the micro disk, and the edge portion is the whispering. Not only the gallery mode but also the whispering gallery mode polygonal resonance mode can be formed.
마이크로 디스크(100)에 광 또는 전류가 공급되면, 여기부인 마이크로 디스크(100)의 가장자리에서 고품위값을 가지는 휘스퍼링 갤러리 모드가 발진할 수 있다. 휘스퍼링 갤러리 모드는 마이크로 디스크(100)의 가장자리 혹은 경계면을 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 또는 마이크로 디스크(100)의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.When light or current is supplied to the micro disc 100, the whispering gallery mode having a high quality value may be oscillated at the edge of the micro disc 100 as an excitation portion. The whispering gallery mode may include a whispering gallery mode bound along an edge or boundary of the micro disc 100 or a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disc 100. Can be.
또한, 마이크로 디스크(100)의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 공명모드는, 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다. 주기 4 미만의 안정 궤도 및 주기 4 미만의 불안정 궤도의 경우, 휘스퍼링 갤러리 모드 현상이 없어지므로, 마이크로 디스크(100)의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.In addition, the resonance mode bound along the periodic trajectory adjacent to the side of the micro-disc 100 may include a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more. . In the case of the stable track less than period 4 and the unstable track less than period 4, the whispering gallery mode phenomenon disappears, and the whispering gallery mode bound along the periodic track adjacent to the side of the micro-disc 100 is stable in period 4 or more. It may include a resonance mode in the form of a whispering gallery mode that is bound along an orbit or an unstable orbit of period 4 or more.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학센서에는, 마이크로 디스크 레이저 및 이러한 마이크로 디스크 레이저로부터 발진되는 레이저 빔의 발진 파장 값을 측정하는 측정부;가 포함되고, 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화를 이용하여 특정물질이 검출될 수 있다.The chemical sensor according to an embodiment of the present invention includes a measuring unit for measuring the oscillation wavelength value of the micro disk laser and the laser beam oscillated from the micro disk laser, the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit The specific substance can be detected using the change of.
화학 센서는 특정물질이 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 선택적으로 결합됨에 따라 발생되는 파장의 미소한 변화를 측정하여, 특정물질의 종류 및 농도를 정밀하게 측정할 수 있다.The chemical sensor measures a slight change in the wavelength generated as the specific material is selectively bonded to the monolayer 221 or the polymer film 222 included in the second coating layer 220 of the micro disc 100, thereby determining the specific material. The type and concentration can be measured precisely.
화학 센서에 포함되는 마이크로 디스크(100) 측면에는 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 형성되어 있으며, 마이크로 디스크(100)는 공명모드에서 일정한 파장 값을 가지는 레이저 빔을 발진시킬 수 있다. 화학 센서가 특정물질이 포함된 가스 환경 하에 놓여지는 경우, 가스에 존재하는 특정물질이 화학 센서의 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 포함된 단분자막(221) 또는 고분자막(222)과 화학적으로 흡착되거나 결합될 수 있다. 이에 따라, 마이크로 디스크(100)의 레이저 빔의 기존의 파장 값은 변화된 값을 가질 수 있다. The first coating layer 210 and the second coating layer 220 are formed on the side of the micro disk 100 included in the chemical sensor, and the micro disk 100 may oscillate a laser beam having a constant wavelength value in a resonance mode. have. When the chemical sensor is placed under a gas environment containing a specific material, the specific material present in the gas may be separated from the monomolecular film 221 or the polymer film 222 included in the second coating layer 220 of the micro disk 100 of the chemical sensor. It may be chemically adsorbed or bound. Accordingly, the existing wavelength value of the laser beam of the micro disc 100 may have a changed value.
화학 센서의 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화는, 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 특정물질이 결합됨에 따라 발생되는 변화이다. 즉, 측정부는 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 결합되는 특정물질에 의하여 마이크로 디스크(100)에서 발진되는 레이저 빔의 변화된 발진 파장 값을 측정할 수 있다. 화학 센서에 포함되는 측정부는, 특정물질이 결합되기 전의 마이크로 디스크(100)에서 발진되는 레이저 빔의 파장 값과 특정물질이 결합된 후의 마이크로 디스크(100)에서 발진되는 레이저 빔의 파장 값을 측정할 수 있다.The change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit of the chemical sensor is a change generated when a specific material is bonded to the second coating layer 220 of the micro disc 100. That is, the measurement unit may measure the changed oscillation wavelength value of the laser beam oscillated from the micro disc 100 by a specific material bonded to the second coating layer 220 of the micro disc 100. The measurement unit included in the chemical sensor may measure the wavelength value of the laser beam oscillated on the micro disk 100 before the specific material is combined with the wavelength value of the laser beam oscillated on the micro disk 100 after the specific material is combined. Can be.
화학 센서는 측정부와 연동되어 구동되는 연산부를 포함할 수 있으며, 연산부는 측정부에서 측정된 데이터 값을 이용하여, 특정물질의 종류 및 특정물질의 농도를 연산하여 사용자에게 제공할 수 있다.The chemical sensor may include an operation unit driven in conjunction with the measurement unit, and the operation unit may calculate and provide a type of a specific substance and a concentration of the specific substance to the user by using the data value measured by the measurement unit.
예를 들면, 화학 센서는 특정물질의 결합에 의한 마이크로 디스크의 파장 값의 변이 정도를 측정, 연산하여 이를 토대로 특정물질을 검출할 수 있다. 또한, 파장 값의 변이 정도를 룩업 테이블(lookup table) 형태로 가공하여 특정물질의 농도를 측정할 수 있고, 파장 값의 변이 정도를 수학적 함수 또는 그래프 형태로 가공하여 특정물질의 농도를 측정할 수 있으며, 나아가, 측정 시간에 따른 파장 값의 변이 정도를 수학적 함수 또는 그래프 형태로 가공하여 보다 정밀하게 특정물질의 농도를 측정할 수 있다.For example, the chemical sensor may measure and calculate the degree of variation of the wavelength value of the micro disk due to the binding of a specific material to detect a specific material based on the calculated value. In addition, the degree of variation of the wavelength value can be processed in the form of a lookup table to measure the concentration of a specific substance, and the degree of variation of the wavelength value can be processed in a mathematical function or graph form to measure the concentration of the specific substance. In addition, the degree of variation of the wavelength value according to the measurement time may be processed in a mathematical function or graph form to more accurately measure the concentration of a specific substance.
따라서, 이러한 화학 센서는 특정물질에 의해 변화된 마이크로 디스크 레이저의 파장 값의 변이 정도를 토대로, 측정값을 다양한 형태로 가공하여 사용자에게 제공할 수 있다.Therefore, the chemical sensor may process the measured value in various forms and provide it to the user based on the variation degree of the wavelength value of the micro disk laser changed by the specific material.
또한, 측정부에는 분광기가 포함될 수 있다. 즉, 특정물질에 의해 변화된 마이크로 디스크 레이저의 파장 값을 분광기를 이용하여 측정할 수 있다.In addition, the measuring unit may include a spectrometer. That is, the wavelength value of the micro disk laser changed by the specific material can be measured by using a spectrometer.
마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발생하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다.The change in wavelength value oscillating through the micro disc can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disc or the wavelength generated by another high quality laser.
또한, 전술한 종래의 문제점들을 개선하기 위해서는 고품위값을 가지며 한 방향으로 발진하는 마이크로 공진기 레이저를 이용하면 쉬워진다. 최근 한 방향으로 발진하는 극고품위값 마이크로공진기 레이저들이 개발되었다. 이러한 공진기들은 4개의 원으로 이루어진 공진기 레이저, 3개의 원과 직선으로 이루어진 공진기 레이저, 달걀형 공진기 레이저등이 있다. 이런 공진기들은 품위값이 극히 높아 레이저를 제작하여 표면을 바이오 센서로 사용하기 위하여 화학 처리한 후 바이오 센서로 사용하면 극고품위값이므로 정밀한 측정이 가능하고 빛이 한방향으로 나오기 때문에 광결합이 쉽고, 품위값 손상 없이 빛을 광도파로로 입사시킬 수 있다. 이러한 방법으로 바이오 센서를 만들면 초정밀 바이오 센서가 된다.In addition, in order to improve the above-mentioned conventional problems, it is easy to use a micro resonator laser having a high quality value and oscillating in one direction. Recently, extremely high quality microresonator lasers oscillating in one direction have been developed. These resonators include a resonator laser consisting of four circles, a resonator laser consisting of three circles and a straight line, and an egg resonator laser. These resonators are extremely high in product quality, so the laser is fabricated and chemically treated to use the surface as a biosensor, and then used as a biosensor, which is an extremely high quality value, so that accurate measurement is possible and light comes out in one direction. Light can be incident on an optical waveguide without losing value. Creating biosensors in this way results in ultra-precision biosensors.
초정밀 바이오 센서를 만들기 위해서는 바이오 물질이 마이크로 디스크 레이저의 측면에 선택적으로 흡착되어야 한다. 마이크로 공진기 레이저를 만들기 위한 일 방법으로서는 III-V족 물질 또는 반도체로 만들거나 그 외의 다양한 폴리머 고분자에 색소를 넣어 만들기도 하며 일반 고체 매질을 이용하여 만들기도 한다. 예를 들면, 반도체로 III-V족의 반도체 물질을 사용할 수 있으며, III-V족의 반도체 물질로는 GaAs계열, InGaAsP, GaN계열 등을 사용할 수 있다. 또한, 고체 매질로는 Nd:YAG, Nd:Glass, NdYVO4, Sapphire에 불순물이 도핑된 매질, 루비 등 다양한 고체 레이저 매질 등을 사용할 수 있다.To make an ultra-precise biosensor, biomaterials must be selectively adsorbed to the side of the microdisc laser. One method for making a micro resonator laser is made of group III-V materials or semiconductors, or pigmented in various other polymer polymers, or using a general solid medium. For example, a III-V semiconductor material may be used as the semiconductor, and a GaAs series, InGaAsP, GaN series, or the like may be used as the III-V semiconductor material. In addition, as a solid medium, various solid laser media such as Nd: YAG, Nd: Glass, NdYVO 4 , Sapphire doped with impurities, and ruby may be used.
또한, 색소가 첨가된 고분자로는, 예를 들면, Rhodamine 6G, Rhodamine B 등 수많은 색소를 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 등 수많은 고분자에 첨가하여 만들어진 색소가 첨가된 고분자를 사용할 수 있다.As the polymer to which the dye is added, for example, a polymer to which a dye produced by adding a number of pigments such as Rhodamine 6G and Rhodamine B to a number of polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA) can be used.
다만, 전술한 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류는 설명을 위한 예시일 뿐, 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류를 한정하는 것은 아니다.However, the kind of the polymer to which the above-described semiconductor, solid medium or pigment is added is merely an example for description, and does not limit the kind of the polymer to which the semiconductor, solid medium or dye is added.
이런 레이저 매질의 표면에는 바이오 분자가 선택성을 가지고 붙을 수 없으므로 선택성을 가질 수 있도록, 측면을 화학 처리 해야한다. 이러한 화학 처리 방법은 기존의 고리형 공진기 등에서 많이 개발되어 있다. 즉, 레이저 측면에 OH기가 붙을 수 있도록 SiO2를 코팅하고, 여기에 화학 반응을 이용하여 핵산(DNA) 혹은 항체가 붙을 수 있도록 화학적으로 표면 처리한 후, 항체 혹은 핵산을 붙이면 항체의 경우 바이러스 혹은 세균의 항원이 항체와 결합하게 되고 핵산의 경우 바이러스 혹은 세균의 핵산과 결합하게 된다. Since the biomolecule cannot attach to the surface of such a laser medium, it must be chemically treated to have selectivity. Such chemical treatment methods have been developed in existing ring resonators. That is, SiO 2 is coated on the side of the laser to attach the OH group, and then chemically surface-treated to attach the nucleic acid (DNA) or the antibody to the laser using a chemical reaction. Bacterial antigens bind to antibodies and, in the case of nucleic acids, to viral or bacterial nucleic acids.
바이오 센서를 이용한 파장 변이 등의 측정은 항체를 붙인 후의 파장의 값을 알고 있으면 항원이 항체와 결합할 때 파장의 변이를 측정하면 된다. 또한 핵산을 붙인 후의 파장의 값을 알고 있으면 핵산 끼리 결합할 때 파장의 변이를 측정하면 된다. 다시 말해서, 바이오 센서를 구성하는 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 소정의 물질을 검출(또는 감지)할 수 있다. 항원과 항체는 선택성이 있으므로 다양한 종류이 항체를 붙인 후 각각의 항체와 결합할 때의 파장의 변이를 측정하면 항원이 결합했는지 여부를 확인할 수 있으므로 질병 등을 정확하게 진단할 수 있다. 핵산의 경우는 인공적으로 합성한 특정 세균 혹은 바이러스의 고유 서열의 핵산을 붙인 후 레이저 발진 파장을 측정하고 이 후 바이러스 혹은 세균의 핵산이 상기 인공적으로 합성한 복수개의 핵산에서 어느 특정한 핵산에 대하여 파장 변이가 생기면 이 때의 핵산이 바이러스 혹은 세균이 존재하는 것이므로 이러한 파장 변이 등을 이용하여 질병을 진단할 수 있다.In the measurement of wavelength variation using a biosensor, if the wavelength value after attaching the antibody is known, the wavelength variation can be measured when the antigen binds to the antibody. In addition, if the value of the wavelength after attaching the nucleic acid is known, the variation in the wavelength may be measured when the nucleic acids are combined. In other words, a predetermined substance can be detected (or sensed) by measuring the change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disk constituting the biosensor. Since antigens and antibodies are selective, measuring the variation in wavelength when binding various antibodies after attaching various types of antibodies can confirm whether the antigens are bound, and thus can accurately diagnose diseases and the like. In the case of a nucleic acid, a laser oscillation wavelength is measured after attaching a nucleic acid of a specific bacterium or a virus-specific sequence artificially synthesized, and thereafter, a wavelength variation of a specific nucleic acid from a plurality of artificially synthesized nucleic acids by the virus or bacterial nucleic acid is measured. When the nucleic acid at this time is a virus or bacteria present, such a wavelength variation can be used to diagnose the disease.
다시 말해서, 단일 방향 발진 고품위값 마이크로 디스크 레이저의 측면에 바이오 분자가 부착할 수 있도록 마이크로 디스크 공진기의 표면을 화학 처리를 통하여 항원 혹은 핵산 바이오 분자를 도포하고, 검출 대상인 미지의 바이오 분자가 상기 항원 혹은 핵산 바이오 분자와 결합 시 일어나는 파장의 변이를 측정하여 미지의 바이오 분자의 존재를 검출할 수 있다. In other words, an antigen or nucleic acid biomolecule is applied by chemical treatment to the surface of the microdisk resonator so that the biomolecule can adhere to the side of the unidirectional oscillation high quality microdisk laser, and the unknown biomolecule to be detected is the antigen or The presence of unknown biomolecules can be detected by measuring variations in wavelengths that occur upon binding to nucleic acid biomolecules.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크 측면을 산화물인 SiO2, GaN 등으로 코팅 처리한 상태를 나타낸 도면이고, 도 7는 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 항체를 부착시킨 상태를 나타내는 도면이며, 도 8은 마이크로 디스크 측면을 화학 처리한 후 측면에 인공적 핵산을 부착시킨 상태를 나타낸 도면이다. 또한, 도 9는 마이크로 디스크 측면에 부착된 항체에 항원이 결합하는 항원-항체 반응을 나타낸 도면이고, 도 10는 마이크로 디스크 측면에 부착된 인공적 핵산에 바이러스 혹은 세균의 핵산 등이 결합하는 반응을 나타낸 도면이며, 도 도 61은 마이크로 디스크로 구성된 공진기 레이저를 포함하는 바이오 센서에 마이크로 플루이딕을 통해 바이오 물질을 통과시키는 도식도이다. 도 12은 항원-항체 반응과 핵산 간 반응을 동시에 측정하여 질병 등을 진단하기 위한 방법을 나타내는 모식도이다.FIG. 6 is a view showing a state in which a micro disk side is coated with SiO 2 , GaN, or the like according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a state in which an antibody is attached to the side after chemically treating the side of the micro disc. 8 is a view showing a state in which an artificial nucleic acid is attached to the side after chemically treating the micro disk side. 9 is a diagram showing an antigen-antibody reaction in which antigen binds to an antibody attached to the side of a micro disk, and FIG. 10 shows a reaction in which a nucleic acid of a virus or a bacterium binds to an artificial nucleic acid attached to the side of a micro disk. FIG. 61 is a schematic diagram of passing a biomaterial through a microfluidic to a biosensor comprising a resonator laser composed of microdisks. 12 is a schematic diagram showing a method for diagnosing a disease or the like by simultaneously measuring an antigen-antibody reaction and a reaction between nucleic acids.
본 발명의 일 실시예로써, 고품위값 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서가 제공될 수 있다. 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서에서, 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고, 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 측면에 유전 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 다시 말해서, 마이크로 디스크는 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작될 수 있다. 마이크로 디스크의 경계면 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 104 이상의 높은 품위값을 가질 수 있다.As an embodiment of the present invention, a biosensor using a high quality micro disk may be provided. In a biosensor using a micro disk in which the whispering gallery mode has a high quality value, the micro disk has a single direction in which the whispering gallery mode has a stronger intensity of oscillation in one direction than an oscillation intensity in the other direction. Oscillated with a semiconductor, manufactured using a semiconductor, a solid medium or a polymer, the micro disc may be coated with a dielectric material on its side to enable chemical bonding with a virus, a bacterial antibody or a nucleic acid. In other words, micro discs can be fabricated using semiconductors, solid media or polymers. The Whispering Gallery mode, which is bound to the interface edge of the micro disc, may have a high quality value of 10 4 or more.
또한, 마이크로 디스크는 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드에서 고 품위값(Quality factor)을 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있고, 마이크로 디스크의 측면에 유전물질(ex. 산화물 또는 질화물 등) 코팅층이 형성될 수 있도록 함으로써, 마이크로 디스크에 항체 또는 제조된 핵산을 부착할 수 있다. 또한 마이크로디스크 레이저의 코팅층에 부착된 항체 혹은 제조된 핵산에 의해 특정물질(ex. 바이러스, 세균의 항원 또는 핵산 등)이 선택적으로 결합하게 할 수 있다. 마이크로 디스크에서의 고품위값 휘스퍼링 갤러리 모드에 의해 저농도의 시료에서도 특정물질을 정밀하게 검출할 수 있다. 또한, 바이오 센서는 특정물질이 마이크로 디스크의 코팅면에 화학적으로 결합된 항체 혹은 핵산과 소정의 바이오 물질이 결합함에 따라 발생되는 파장의 미소한 변화를 측정하여, 특정물질의 종류 및 농도를 정밀하게 측정할 수 있다.In addition, the microdisc has a high quality factor in the whispering gallery mode bound to the edge, and can oscillate the whispering gallery mode in one direction, and the dielectric material (ex. Oxide or nitride) on the side of the microdisc. Etc.) By allowing the coating layer to be formed, the antibody or the prepared nucleic acid can be attached to the micro disk. In addition, a specific substance (eg, a virus, a bacterial antigen or a nucleic acid, etc.) may be selectively bound by an antibody or a prepared nucleic acid attached to a coating layer of a microdisk laser. The high-quality whispering gallery mode on the micro-disc can accurately detect specific substances even in low concentration samples. In addition, the biosensor accurately measures the type and concentration of a specific material by measuring a small change in the wavelength generated when the predetermined material is bound to an antibody or nucleic acid chemically bound to the coating surface of the micro disk. It can be measured.
마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다. 주기 4 미만의 안정 궤도 및 주기 4 미만의 불안정 궤도의 경우, 휘스퍼링 갤러리 모드 현상이 없어지므로, 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.The whispering gallery mode bound along the periodic trajectory adjacent to the side of the micro disk may include a resonance mode in the form of a whistle gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more. In the case of stable tracks less than period 4 and unstable tracks less than period 4, the whispering gallery mode phenomenon is eliminated, so the whispering gallery mode, which is bound along the periodic track adjacent to the side of the microdisc, is stable or It may be desirable to include a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along four or more unstable trajectories.
유전 물질은 산화물(예컨대, SiO2 등) 또는 질화물(예컨대, GaN, SiN 등) 일 수 있고, 유전 물질이 코팅된 측면에서의 화학 반응을 통하여 마이크로 디스크에 항체 또는 핵산이 부착될 수 있다. 예를 들어, 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4, GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물일 수 있다.The dielectric material may be an oxide (eg SiO 2) Etc.) or nitride (eg, GaN, SiN, etc.), and the antibody or nucleic acid can be attached to the micro disc via a chemical reaction on the side coated with the dielectric material. For example, the oxides are TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . It may be a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4, GaN and SiN.
또한, 마이크로 디스크에서 항원-항체 반응을 통하여 항체에 대한 소정의 항원이 결합 가능하고, 항체에 결합된 항원에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 항원의 결합 여부가 감지될 수 있다. In addition, a predetermined antigen can be bound to the antibody through the antigen-antibody reaction in the micro disk, and whether or not the predetermined antigen is bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody can be detected. Can be.
마이크로 디스크에서 핵산 간 반응을 통하여 소정의 핵산이 결합 가능하고, 결합된 핵산에 의한 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 소정의 핵산의 결합 여부가 감지될 수 있다. Predetermined nucleic acids can be bound through a reaction between nucleic acids in the micro disk, and whether or not the predetermined nucleic acids are bound by the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acids.
이러한 마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다. The change in the wavelength value oscillating through this micro disk can be measured by optical beating with the wavelength oscillating in another micro disk or the wavelength oscillating in another high quality laser.
바이오 센서의 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키고, 바이오 센서에는 이러한 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저가 포함될 수 있다. The micro-disc of the biosensor has an excitation device to oscillate a whispering gallery-shaped mode with a direction, and the biosensor may include a micro-disc laser using such a micro-disc.
또한, 마이크로 디스크 레이저는 반도체, 고체 매질, 또는 폴리머에 색소를 첨가한 색소 레이저를 이용할 수 있다. In addition, the micro disk laser can use the dye laser which added the pigment | dye to a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 여기될 수 있다. The micro-disc laser can be excited with light or current in an area where the incident angle of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the propagation of light inside the resonator is confused.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항원인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다.The biosensor may include a plurality of micro discs, each of which has a different antibody attached thereto, and a predetermined bio-antigen based on the degree of variation in wavelength during antigen-antibody reaction in each micro disc. Substances can be detected.
또한, 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다. In addition, the biosensor may include a plurality of micro disks, and each of the plurality of micro disks has a different nucleic acid attached thereto. Certain biomaterials can be detected.
소정의 바이오 물질은 각각 상이한 항체와 소정의 바이오 물질 간의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출될 수 있다. Predetermined biomaterials may be detected using a lookup table that represents the degree of variation in wavelength according to the reaction between different antibodies and the given biomaterial.
또한, 각각의 마이크로 디스크에 부착된 각각의 상이한 핵산에 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 부착되는 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 소정의 바이오 물질이 검출될 수 있다.In addition, a lookup table showing a degree of variation in wavelength depending on the degree of attachment of a predetermined biomaterial, which is a detection target nucleic acid, to each different nucleic acid attached to each micro disk is used to detect a predetermined biomaterial. Can be.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착되어 있으며 항원-항체 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지되며, 항원의 결합 여부 및 핵산의 결합 여부가 동시에 감지될 수 있다. The biosensor may include a plurality of micro disks, some of the micro disks have an antibody attached thereto, others have a nucleic acid attached thereto, and antigens to the antibody according to the change of wavelength in the micro disk by the antigen-antibody reaction. Is detected, whether or not the detection target nucleic acid is bound to the nucleic acid according to the change of the wavelength in the micro disk by the reaction between nucleic acids, whether the antigen binding and the binding of the nucleic acid can be detected at the same time. .
또한, 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고, 이러한 데이터는 함수 또는 그래프 형태일 수 있다.Further, the biomaterial to be detected based on predetermined data on the degree of variation in wavelength due to antigen-antibody reaction with the antibody attached to the micro disk or the degree of variation in wavelength due to internucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the micro disk. This can be detected and this data can be in the form of a function or graph.
마이크로 디스크는 혼돈 공진기에서 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 높은 품위값을 가지는 마이크로 디스크일 수 있다. 이러한 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하는 마이크로 디스크일 수 있다. The micro disk may be a micro disk having a high quality value in the mode of whispering gallery in the chaotic resonator. Such a micro disk may be a micro disk in which a whispering gallery type mode oscillates with a stronger unidirectionality than oscillation intensity in one direction is stronger than oscillation in the other direction.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 빛의 입사각에 sine 함수를 취한 값이 0.6 보다 큰 경계면에 속박된 형태의 모드일 수 있다. The whispering gallery type mode may be a mode in which the sine function of the angle of incidence of light in the Birkhoff coordinate system where the light propagates inside the micro disc resonator is confused.
또한, 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 임계 불안정 궤도(mariginally unstable periodic orbit)에 속박된 모드일 수 있다. In addition, the whispering gallery mode is constrained to a mariginally unstable periodic orbit where the angle of incidence of the boundary surface of the resonator is larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the light propagates in the micro disc resonator. It may be a mode.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 안정 궤도에 속박된 모드이거나, 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 불안정 궤도에 속박된 모드일 수 있다.The whispering gallery mode is a mode in which the incidence angle of the boundary surface of the resonator is in a region larger than the critical angle in the Birkhoff coordinate system where the light propagates in the micro disc resonator, or the light inside the resonator. In the Birkhoff coordinate system where the progression of chaos is confused, it may be a mode confined to an unstable orbit where the incidence angle of the boundary surface of the resonator exists in a region larger than the critical angle.
본 발명의 일 실시예로써, 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한쪽 방향으로 강하게 발진하는 마이크로 디스크 레이저를 이용한 바이오 센서가 제공될 수 있다. 이러한 마이크로 디스크 레이저는 변형된 원형, 4개의 원호로 이루어진 형상, 3개의 원과 하나의 직선으로 이루어진 형상, 달걀형 등의 타원 형상, 심장형과 원호가 결합된 형상 등 적분 불가능한 형상을 가질 수 있다. 상기 적분 불가능한 형상은 2차원에서 헬름홀츠(Helmholtz) 식을 변수 분리하여 해석적으로 내부의 파동 함수를 구할 수 없는 형상을 의미한다. 마이크로 디스크 레이저들을 바이오 센서로 사용하기 위하여 마이크로 디스크의 측면에 GaN, 혹은 SiN, 혹은 SiO2 등으로 먼저 코팅을 하고 코팅 면에 화학적 처리를 통하여 항체 혹은 핵산을 부착시킬 수 있다. 이 때 항체 혹은 핵산을 부착시키는 방법은 이미 잘 알려진 방법이 이용될 수 있다. 이러한 부착이 일어날 때 마다 마이크로 디스크의 굴절율에 조그만 변화가 생겨 파장의 변이가 생기는데, 이러한 파장의 변이를 측정하면 얼마나 많은 항체 혹은 핵산에 바이러스 혹은 세균의 항원 혹은 바이러스 혹은 세균의 핵산이 결합되었는지를 추정할 수 있고, 공간 상에서의 바이러스 혹은 세균의 양을 추정할 수 있다. 바이러스 혹은 세균의 항원이나 혹은 핵산을 마이크로 디스크 공진기 레이저에 흘려 보내주면 항원은 항체와 반응하고 핵산은 핵산과 반응하여 결합될 때 마다 또 다른 파장의 변이가 생긴다. 그러므로, 항체 혹은 인공적 핵산을 마이크로 디스크에 부착한 다음 각각의 공진기 레이저의 파장을 측정한 후, 바이러스 혹은 세균의 항원이나 혹은 핵산이 각각 항체와 결합하거나 혹은 핵산과 결합할 때 파장의 변이가 발생하는데 이러한 파장의 변이를 측정하면 특정(예컨대, 검출 대상) 바이러스 혹은 세균을 감별할 수 있다. 이 때 항원-항체 반응은 선택적으로 일어나며, 핵산 간 반응에서는 동일 핵산일 때 결합 등이 일어나므로 어느 레이저에서 파장의 변이가 생겼는지를 파악함으로서 특정 질병을 진단할 수 있다. 이를 위하여 극고품위값 마이크로 디스크 레이저의 제작 시, 마이크로 디스크를 식각한 후 페시베이션을 통하여 SiO2, GaN 또는 SiN 등을 표면에 코팅 처리한다. 이러한 코팅은 레이저에 전류 주입 시, 누설 전류도 막을 뿐만 아니라 화학 처리 후 항체 혹은 인공적 핵산의 부착을 위하여 다양한 유전체 코팅이 필요하다.As an embodiment of the present invention, a biosensor using a micro disk laser having a high quality whispering gallery type mode oscillating strongly in one direction may be provided. Such a micro-disc laser may have an unintegratable shape such as a deformed circle, a shape consisting of four arcs, a shape consisting of three circles and one straight line, an ellipse shape such as an egg shape, and a shape in which a heart shape and an arc are combined. The non-integral shape means a shape in which the internal wave function cannot be obtained analytically by separating the Helmholtz equation in two dimensions. In order to use the micro-disc lasers as biosensors, GaN, SiN, or SiO 2 may be coated on the side of the micro-disc first, and then the antibody or nucleic acid may be attached to the surface of the micro-disc through chemical treatment. At this time, a method known to attach the antibody or nucleic acid can be used. Whenever this adhesion occurs, there is a slight change in the refractive index of the microdisk, resulting in a variation in wavelength. Measuring the variation in these wavelengths estimates how many antibodies or nucleic acids are bound to the virus or bacterial antigen or viral or bacterial nucleic acid. You can do this and estimate the amount of virus or bacteria in the space. When a virus or bacterial antigen or nucleic acid is sent to a micro disc resonator laser, the antigen reacts with the antibody and the nucleic acid reacts with the nucleic acid, causing a different wavelength variation. Therefore, after attaching an antibody or artificial nucleic acid to a micro disk and measuring the wavelength of each resonator laser, a wavelength variation occurs when a virus or bacterial antigen or nucleic acid binds to an antibody or a nucleic acid, respectively. By measuring the variation of these wavelengths, a particular (eg, detection target) virus or bacterium can be identified. At this time, the antigen-antibody reaction occurs selectively, and in the reaction between nucleic acids, the binding occurs when the same nucleic acid, and thus, the specific disease can be diagnosed by identifying which laser has caused the wavelength variation. To this end, during the fabrication of ultra-high quality micro-disc laser, the surface of the SiO 2 , GaN or SiN is coated by passivation after etching the micro disc. These coatings not only prevent leakage currents when injecting current into the laser, but also require various dielectric coatings for attachment of antibodies or artificial nucleic acids after chemical treatment.
또한, 항체 혹은 핵산의 마이크로 디스크 공진기로의 부착은 통상의 화학적 지식을 가진 사람이라면 쉽사리 항체 혹은 인공적 핵산의 부착이 가능할 것이다.In addition, attachment of the antibody or nucleic acid to the micro disc resonator may be easily attached to the antibody or artificial nucleic acid if a person of ordinary chemical knowledge.
휘스퍼링 갤러리 모드가 단일방향으로 발진하는 극고품위값 마이크로 디스크 공진기 레이저의 측면을 유전체로 코팅한 다음, 화학 반응을 통하여 항체 혹은 핵산을 부착시킬 수 있다. 이 후 항원-항체 반응을 통하여 질병을 진단하고자 할 때 복수개의 마이크로 디스크 레이저들에 각각의 질병들에 해당하는 항체들을 각각의 마이크로디스크 레이저의 측면에 부착시킨 다음 상기 마이크로 디스크 레이저들을 마이크로 플루이딕 채널에 넣고, 바이러스 혹은 세균을 처리한 후 마이크로 플루이딕을 통하여 흘려 보내주면서 항원-항체 반응을 일으킨다. 이 때 마이크로 플루이딕에 항원이 없을 때의 파장을 측정한 후 항원-항체 반응이 일어날 때 발생하는 파장의 변이를 측정한다. 이러한 측정은 모든 마이크로 디스크 레이저에서 측정하며, 항원-항체 반응이 없는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생하지 않지만, 항원-항체 반응이 일어나는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생될 수 있다. 다시 말해서, 항원-항체 반응이 일어나서 발생하는 파장의 변이를 측정함으로써 특정의 예컨대, 검출 대상 질병을 진단(감지)할 수 있다.The whispering galleries can be coated with a dielectric on the side of a high quality micro disk resonator laser that oscillates in a single direction, followed by chemical reaction to attach an antibody or nucleic acid. Subsequently, when a disease is to be diagnosed through an antigen-antibody reaction, antibodies corresponding to the diseases are attached to the side of each microdisk laser to a plurality of microdisk lasers, and then the microdisk lasers are microfluidic channel. In a virus or bacteria, and then flow through the microfluidic to produce an antigen-antibody reaction. At this time, the wavelength when the microfluidic is absent is measured, and then the variation of the wavelength generated when the antigen-antibody reaction occurs. These measurements are performed on all micro disk lasers, and micro disk lasers without antigen-antibody reactions do not produce wavelength variations, while micro disk lasers with antigen-antibody reactions may produce wavelength variations. In other words, it is possible to diagnose (detect) certain diseases, for example, to be detected, by measuring the variation in wavelengths resulting from the antigen-antibody reaction.
핵산 반응을 통하여 질병을 진단하고자 할 때는 복수개의 마이크로 디스크 레이저들에 각각의 바이러스 혹은 세균의 고유 핵산 염기서열에 따라 핵산들을 인공적으로 만든 핵산들을 각각의 마이크로 디스크 레이저 측면에 부착시킨 다음 상기 마이크로 디스크 레이저들을 마이크로 플루이딕 채널에 넣고, 바이러스 혹은 세균을 처리하여 핵산들이 추출된 용매를 마이크로 플루이딕에 흘려 보내주며 핵산 반응을 일으킬 수 있다. 핵산은 고유의 염기서열이 상보적인 핵산들 간 반응하여 서로 결합하기 때문에 해당 핵산들에서만 파장의 변이가 발생될 수 있다. 다시 말해서, 핵산의 염기는 서로 상응하는 염기(예컨대, A는 T, G는 C)와 수소 결합을 형성하기 때문에 상보적인 핵산 서열만 반응하여 결합하게 되고, 이에 따라 결합된 핵산들에서만 파장의 변이가 발생한다. 이 때 마이크로 플루이딕에 핵산이 추출되지 않은 용매를 흘려주며 파장을 측정한 후 핵산 반응이 일어날 때 발생하는 파장의 변이를 측정한다. 이러한 측정은 모든 마이크로 디스크 레이저에서 측정하며, 핵산 반응이 없는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생하지 않지만 핵산 반응이 일어나는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생할 수 있다. 다시 말해서, 핵산 반응이 일어나서 발생하는 파장의 변이를 측정함으로써 특정의 예컨대, 검출 대상 질병을 진단(감지)할 수 있다. When a disease is to be diagnosed through a nucleic acid reaction, a plurality of micro disk lasers are attached to the side of each micro disk laser by attaching nucleic acids artificially made of nucleic acids according to the unique nucleic acid sequence of each virus or bacterium. The microfluidic channel can be placed in a microfluidic channel, and a virus or bacteria can be treated to send a solvent from which nucleic acids are extracted to the microfluidic compound, and to generate a nucleic acid reaction. Since nucleic acids bind to each other by reacting between complementary nucleic acids, a variation in wavelength may occur only in those nucleic acids. In other words, since the bases of nucleic acids form hydrogen bonds with corresponding bases (e.g., A is T, G is C), only the complementary nucleic acid sequences react and bind, thus changing the wavelength of only the bound nucleic acids. Occurs. At this time, a solvent in which the nucleic acid is not extracted is flowed into the microfluidic, and the wavelength is measured, and then the variation of the wavelength generated when the nucleic acid reaction occurs. These measurements are performed on all micro disk lasers. Micro disc lasers without nucleic acid reactions do not produce wavelength variations, while micro disk lasers with nucleic acid reactions may cause wavelength variations. In other words, it is possible to diagnose (detect) certain diseases, for example, to be detected, by measuring the variation in wavelength caused by the nucleic acid reaction.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법과 관련하여서는 전술한 장치(예컨대, 바이오 센서)에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 바이오 센서를 이용한 바이오 물질의 검출 방법과 관련하여, 전술한 장치에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.With regard to the method according to an embodiment of the present invention, the above description of the apparatus (eg, biosensor) may be applied. Therefore, with regard to the detection method of the biomaterial using the biosensor, the description of the same contents as those of the above-described apparatus is omitted.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 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 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. One embodiment of the present invention can also be implemented in the form of a recording medium containing instructions executable by a computer, such as a program module executed by the computer. Computer-readable media includes both nonvolatile media, removable and non-removable media that can be accessed by a computer. In addition, computer readable media may include all computer storage media. Computer storage media includes both non-volatile, 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.
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.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
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.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (27)

  1. 마이크로 디스크로서,As a micro disc,
    상기 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 상기 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진하고,The micro-disc has a high-quality whispering gallery mode, the whispering gallery mode oscillates with a direction,
    상기 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층; 및A first coating layer formed on a side of the micro disk by coating a dielectric; And
    상기 제1 코팅층 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층;을 포함하고, And a second coating layer formed on the first coating layer and including one or more monomolecular films or polymer films.
    상기 유전체는 산화물 또는 질화물인 마이크로 디스크.Wherein said dielectric is an oxide or nitride.
  2. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 마이크로 디스크는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자로 형성되는 마이크로 디스크.The micro disk is formed of a semiconductor, a solid medium or a polymer added with a pigment.
  3. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물인 마이크로 디스크.The oxide is TiO 2 , MgO, K 2 O, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, BeO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Ti 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 , P 4 O 10 , As 2 O 5 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 5 , SeO 3 , TeO 3 , PoO 3 , I 2 O 7 and At 2 O 7 is an oxide selected from, the nitride is Li 3 N, Na 3 N, K 3 N, Mg 3 N 2 , Be 3 N 2 , Ca 3 N 2 , Sr 3 N 2 , ScN, Fe 2 N, Cu 3 N, Zn 3 N 2 , (CN) 2 . A micro disk which is a nitride selected from S 4 N 4 , Se 4 N 4 , GaN and SiN.
  4. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 단분자막 및 상기 고분자막은 상기 제1 코팅층 상에 부착되는 마이크로 디스크.The monomolecular film and the polymer film are attached to the first coating layer on the micro disk.
  5. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 단분자막 및 상기 고분자막은 특정물질과 선택적으로 결합 가능한 마이크로 디스크.The monomolecular film and the polymer film may be selectively coupled to a specific material.
  6. 제5 항에 있어서, The method of claim 5,
    상기 특정물질이 상기 단분자막 또는 상기 고분자막과 선택적으로 결합됨에 따라, 상기 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 상기 특정물질을 감지해낼 수 있는 마이크로 디스크. As the specific material is selectively combined with the monomolecular film or the polymer film, the micro disk can detect the specific material by measuring a change in wavelength generated in the resonance mode of the micro disk.
  7. 제1 항에 따른 마이크로 디스크를 포함하는 마이크로 디스크 레이저로서,A micro disc laser comprising the micro disc of claim 1,
    상기 마이크로 디스크의 가장자리부를 여기시킬 수 있는 여기부를 포함하며,An excitation portion capable of exciting an edge portion of the micro disc,
    상기 마이크로 디스크의 가장자리부에 속박된 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시키는 마이크로 디스크 레이저.A micro-disc laser that oscillates in one direction a high-quality whispering gallery mode bound to an edge of the micro-disc.
  8. 제7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein
    상기 여기부는 광 또는 전류에 의해 상기 마이크로 디스크의 경계면 가장자리를 여기시키는 마이크로 디스크 레이저.And the excitation portion excites the interface edge of the micro disk by light or current.
  9. 제7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein
    상기 휘스퍼링 갤러리 모드는 상기 마이크로 디스크의 경계면을 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 또는 상기 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함하는 마이크로 디스크 레이저.The whispering gallery mode includes a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along a boundary of the micro disk or a whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to a side of the micro disk.
  10. 제9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함하는 마이크로 디스크 레이저.The whispering gallery mode bound along a periodic trajectory adjacent to the side of the micro disk includes a resonance mode in the form of a whispering gallery mode bound along a stable trajectory of period 4 or more or an unstable trajectory of period 4 or more.
  11. 제7 항에 따른 마이크로 디스크 레이저; 및A micro disk laser according to claim 7; And
    상기 마이크로 디스크 레이저로부터 발진되는 레이저 빔의 발진 파장 값을 측정하는 측정부;를 포함하며,And a measuring unit measuring an oscillation wavelength value of the laser beam oscillated from the micro disk laser.
    상기 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화를 이용하여 특정물질을 검출하는 화학 센서.Chemical sensor for detecting a specific material by using the change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit.
  12. 제11 항에 있어서,The method of claim 11, wherein
    상기 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화는, 상기 마이크로 디스크의 제2 코팅층에 상기 특정물질이 결합됨에 따라 발생되는 것인 화학 센서.The change in the oscillation wavelength value of the laser beam measured by the measuring unit is generated as the specific material is bonded to the second coating layer of the micro disk.
  13. 제11 항에 있어서,The method of claim 11, wherein
    상기 측정부는 분광기를 포함하는 것인 화학 센서.The measuring unit comprises a spectrometer.
  14. 제11 항에 있어서,The method of claim 11, wherein
    상기 마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정하는 것인 화학 센서.Wherein the change in wavelength value oscillating through the micro disk is measured by optical beating with a wavelength oscillating in another micro disk or a wavelength oscillating in another high quality laser.
  15. 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 고품위값을 가지는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서로서, A biosensor using a microdisc having a high quality value in a whispering gallery type mode,
    상기 마이크로 디스크는 상기 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한 쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진의 세기보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하고, 반도체, 고체 매질 또는 폴리머를 이용하여 제작되고,The micro-disc is oscillated with a unidirectionality in which the whispering gallery mode has a stronger intensity of oscillation in one direction than the intensity of oscillation in the other direction, and is manufactured using a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
    상기 마이크로 디스크는 바이러스, 세균의 항체 또는 핵산과 화학적 결합이 가능하도록 측면에 유전 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The micro-disc is a biosensor, characterized in that the genetic material is coated on the side to enable chemical bonding with the virus, bacterial antibodies or nucleic acids.
  16. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 유전 물질은 산화물 혹은 질화물이고, The dielectric material is an oxide or nitride,
    상기 유전 물질이 코팅된 측면에서의 화학 반응을 통하여 상기 마이크로 디스크에 상기 항체 또는 핵산이 부착되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The biosensor, characterized in that the antibody or nucleic acid is attached to the micro disk through a chemical reaction on the side coated with the genetic material.
  17. 제 16 항에 있어서, The method of claim 16,
    상기 마이크로 디스크에서 항원-항체 반응을 통하여 상기 항체에 대한 소정의 항원이 결합 가능하고, The antigen-antibody reaction in the micro disk can bind a predetermined antigen to the antibody,
    상기 항체에 결합된 항원에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 상기 소정의 항원의 결합 여부가 감지되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서. And detecting the binding of the predetermined antigen according to the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the antigen bound to the antibody.
  18. 제 16 항에 있어서, The method of claim 16,
    상기 마이크로 디스크에서 핵산 간 반응을 통하여 소정의 핵산이 결합 가능하고, Precise nucleic acids can be bound through a reaction between nucleic acids in the micro disk,
    상기 결합된 핵산에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 공명 모드의 파장의 변화에 따라 상기 소정의 핵산의 결합 여부가 감지되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.Biosensor characterized in that the binding of the predetermined nucleic acid is detected according to the change of the wavelength of the resonance mode in the micro disk by the bound nucleic acid.
  19. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키는 상기 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저를 포함하는 바이오 센서.The micro-disc includes a micro-disc laser using the micro-disc having an excitation device and oscillating a whispering gallery-shaped mode having a directivity.
  20. 제 19 항에 있어서, The method of claim 19,
    상기 마이크로 디스크 레이저는 반도체, 고체 매질, 또는 폴리머에 색소를 첨가한 색소 레이저로서 형성되는 바이오 센서.The micro-disc laser is formed as a dye laser in which a dye is added to a semiconductor, a solid medium, or a polymer.
  21. 제 19 항에 있어서, The method of claim 19,
    상기 마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 상기 마이크로 디스크 레이저를 여기시키는 것인 바이오 센서.The micro-disc laser excites the micro-disc laser with light or current in a region where the angle of incidence of the boundary surface of the resonator is larger than a critical angle in a Birkhoff coordinate system where light propagates in the resonator.
  22. 제 17 항에 있어서, The method of claim 17,
    상기 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, The biosensor may include a plurality of micro disks,
    상기 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항원인 소정의 바이오 물질이 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.Each of the plurality of micro disks has a different antibody attached to the biosensor, characterized in that the predetermined bio-material of the antigen is detected based on the degree of variation in the wavelength of the antigen-antibody reaction in each micro disk.
  23. 제 18 항에 있어서, The method of claim 18,
    상기 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, The biosensor may include a plurality of micro disks,
    상기 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 바이오 물질이 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.Each of the plurality of micro disks has a different nucleic acid attached to each other, and the biosensor which detects a predetermined biomaterial, which is a nucleic acid to be detected, is detected based on the degree of variation in wavelength during the reaction between nucleic acids in each micro disk. .
  24. 제 22 항에 있어서, The method of claim 22,
    상기 소정의 바이오 물질은 상기 각각 상이한 항체와 상기 소정의 바이오 물질 간의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서. The predetermined biomaterial is detected by using a lookup table indicating a degree of variation in wavelength according to the reaction between the respective different antibodies and the predetermined biomaterial.
  25. 제 23 항에 있어서, The method of claim 23, wherein
    상기 소정의 바이오 물질은 상기 각각 상이한 핵산에 상기 검출 대상 핵산이 부착된 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서. The predetermined biomaterial is detected by using a lookup table showing a degree of variation in wavelength according to the degree of attachment of the detection target nucleic acid to the respective different nucleic acids.
  26. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, The biosensor may include a plurality of micro disks,
    상기 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착되어 있으며 항원-항체 반응에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 상기 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 상기 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 상기 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지되며, Some of the plurality of micro disks have an antibody attached thereto, and others have a nucleic acid attached thereto, and whether or not the antigen is bound to the antibody according to the change of wavelength in the micro disk by the antigen-antibody reaction is detected. According to the change of the wavelength in the micro disk by the acid reaction, it is detected whether the nucleic acid to be detected is bound to the nucleic acid,
    상기 항원의 결합 여부 및 상기 핵산의 결합 여부가 동시에 감지되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.Bio-sensor, characterized in that whether the binding of the antigen and the binding of the nucleic acid is detected at the same time.
  27. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 상기 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고, The biomaterial to be detected based on predetermined data on the degree of variation of the wavelength due to the antigen-antibody reaction with the antibody attached to the micro disk or the degree of the variation of the wavelength due to the nucleic acid reaction with the nucleic acid attached to the micro disk. Can be detected,
    상기 데이터는 함수 또는 그래프 형태인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The data is a biosensor, characterized in that the function or graph form.
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