KR100922578B1 - 일회용 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 및 이를 이용한표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템 - Google Patents

일회용 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 및 이를 이용한표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서는, 프리즘과 평판형 투명 유전체 기판이 동일한 재질에 의해 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판과, 상기 센서 기판의 상기 프리즘이 형성된 면과 반대면의 상기 프리즘과 대향하는 위치에 형성되어 상기 프리즘을 통해 입사된 광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 금속 박막을 포함하고, 더하여, 상기 금속 박막 상부에, 상기 금속 박막의 표면 플라즈몬 공명에 의해 반사광이 최소가 되는 흡수 밴드와 직교하도록 형성되며, 전부 또는 일부가 서로 다른 유전 물질로 이루어진 하나 이상의 채널을 더 구비하여 구현된다.
표면 플라즈몬 공명(SPR), 바이오센서, 생체 물질, 채널

Description

일회용 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 및 이를 이용한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템{Disposable surface plasmon resonance biosensor and system using the same}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 이용하여 생체 분자 간의 상호 작용을 실시간, 정량적으로 측정하기 위한 바이오센서 및 이를 이용한 센서 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-02, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
TM(Transverse Magnetic) 모드로 편광된 빛이 금(Au), 은(Ag)과 같이 유전함수(dielectric function)의 실수 부(real part)가 음(-)의 값을 갖는 금속 박막에 입사하게 되면, 금속 표면에 존재하는 전자들의 집합적인 요동인 표면 플라즈몬과 결합(coupling)하게 되고, 공명 조건을 만족하는 특정 입사각에서는 공명 현상이 일어나게 되는데 이것을 표면 플라즈몬 공명(SPR:Surface Plasmon Resonance)이라고 한다. 특히, 금속 박막에 입사하는 광원의 파수벡터 (wavevector)와 표면 플라즈몬의 파수벡터(wavevector)가 서로 일치하게 되는 공명 조건에서는 입사되는 빛의 에너지가 거의 모두 표면 플라즈몬 모드로 흡수되기 때문에, 결과적으로 금속 표면에서 전반사되는 빛의 세기는 최소가 된다.
여기서, 상기 금속 표면 위에 존재하는 유전 물질의 미세한 굴절률의 변화가 공명 조건을 변화시키게 되는데, 이러한 변화를 측정함으로써 생화학적 상호 작용들을 실시간으로 정량 분석할 수 있다.
이러한 SPR 현상을 바이오 혹은 화학 센서로 응용하려는 노력은 지속적으로 이루어져 왔으며, 그 결과 SPR 바이오센서는 생체 분자의 상호 작용을 형광물질과 같은 표지자 없이 측정할 수 있는 대표적인 비표지 방식 바이오센서 시스템의 하나로 자리 잡게 되었다.
현재까지 연구된 SPR 바이오센서의 기술을 살펴보면, 입사되는 빛의 각도를 고정하고, 광 파이버 코어를 깎아 만든 면에 얇은 귀금속 박막을 형성하여 광 파이버 내의 전반사와 유전체-금속의 계면에서 변화하는 광학적 두께 혹은 굴절률의 변화를 SPR 파장의 변화로써 측정하는 다색 광원과 분광기를 이용하는 SPR 센서 시스템, 혹은 광원과 수광 부를 플라스틱 광 도파로 집적하여 소형화된 SPR 센서 등이 개발되었다.
도 1a 내지 도 1c는 기존의 SPR 바이오센서의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도로서, 도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 기존의 SPR 바이오센서는, 광의 파수 벡 터(wave vector) 혹은 운동량을 증가시켜 표면 플라즈몬을 여기시키기 위하여, 입사 광을 고 굴절률을 갖는 투명 유전체인 프리즘(10)를 지나 금속 박막(20)에서 반사시키는 이른바 Kretschmann-Raether 구성을 따르고 있다.
이때, 도 1a에 보인 SPR 바이오센서는, 광원(30)으로부터 발생된 단파장의 입사광을 편광기(31)를 통해 편광시켜 프리즘(10)으로 입사시키는데 있어서, 구동부(미 도시)를 통해 상기 광원(30)을 움직여 입사 각도를 변화시킴으로써, 금속 박막(20) 위에 존재하는 유전물질(40)에 따른 유효 굴절률 혹은 유효 두께의 변화를 SPR 각도의 변화로 측정한다.
그리고, 도 1b에 보인 SPR 바이오센서는, 광원(30)으로부터 발생된 단파장의 입사광과 고정된 입사 각도를 유지시키되, 상기 입사광을 이차원 평면 형태로 확장하여 제공함으로써, 금속 박막(20) 위의 각 점마다 나타나는 유전물질(40)로 인한 서로 다른 유효 굴절률 또는 유효 두께 변화를 상대적인 명암 차이로 표현하기 한 것으로서, 일반적으로 다채널 센서 시스템의 한 형태로 응용된다.
그리고 도 1c에 보인 SPR 바이오센서는, 상기 광원(30)으로부터 발생된 단파장의 입사광이 프리즘(10)의 모든 표면에 대해 수직으로 입사할 수 있도록 렌즈(33)를 이용하여 입사광을 초점 조절한 것으로서, 도 1a에서와 같이, 금속 박막(20) 위에 존재하는 유전물질(40)로 인한 유효 굴절률 혹은 유효 두께의 변화를 SPR 각도 변화로 측정한다.
그런데 기존의 SPR 바이오센서는, 센서 표면에 단분자 막 (self-assembled monolayer, SAM)을 형성하거나 여타 생화학적인 처리를 쉽게 하기 위하여, 또한, 고굴절(high refractive index)의 유리(예: BK7, SF11, LaSFN9 등) 재질로 이루어진 프리즘(10)의 반복적인 사용을 위해서, 상기 금속 박막(20)을 프리즘(10)의 반사면에 직접 형성하지 않고, 프리즘(10)과 동일한 굴절률을 갖는 슬라이드 글래스(slide glass) 혹은 마이크로스코프 커버 슬립(microscope cover slip) 등의 평판 형 투명 유전체 기판(11)에 증착한다.
이에 기존의 SPR 바이오센서는, 프리즘(10)과 평판 형 투명 유전체 기판(11)을 광학적으로 커플링하는 매개물을 도입해야 하며, 현재 인덱스 매칭 오일과 같은 유체, 혹은 고형의 탄성이 있는 투명 매체(elastomer)를 주로 사용한다.
상술한 바와 같이, 기존의 SPR 바이오센서는 고 굴절 유리 재질의 평판형 투명 유전체 기판(11)과, 프리즘(10)을 분리하여 구현하였기 때문에, 기판(11)과 프리즘(10) 사이에 이들과 굴절률이 같은 인덱스 매칭 오일과 같은 유체를 도입해야 하는 번거로움 및 사용상의 어려움이 있었다.
구체적으로, 상기 인덱스 매칭 오일의 도입은, 사용자의 수조작으로 이루어지기 때문에, 사용자의 숙련도에 따라서 SPR 센서 자체의 오염을 피하기 어렵다. 또한, 고굴절의 인덱스 매칭 오일은 독성 및 휘발성이 큰 경우가 많아서, 시간이 지남에 따라서 유체인 인덱스 매칭 오일에 기포가 생성되거나, 인덱스 매칭 오일이 기화되는 경우가 발생한다. 특히 도 1b와 같은 구조의 SPR 바이오센서의 경우, 인덱스 매칭 오일의 기포 발생은, 이미지의 질적 저하로 나타난다.
본 발명은 이러한 기존의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 특히, 금속 박막이 형성된 센서 칩과 상기 금속 박막의 표면 플라즈몬을 여기시키기 위한 프리즘 사이에 인덱스 매칭 오일(혹은 그와 동일한 기능을 하는 투명 고형체)를 필요로 하지 않으면서, 다양한 형태의 SPR 센서 시스템로 응용할 수 있는 일회용 SPR 바이오센서를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 SPR 바이오센서는, 프리즘과 평판형 투명 유전체 기판이 동일한 재질에 의해 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판; 및 상기 센서 기판의 상기 프리즘이 형성된 면과 반대면의 상기 프리즘과 대향하는 위치에 형성되어 상기 프리즘을 통해 조사된 광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 금속 박막으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 프리즘과 평판형 투명 유전체 기판이 동일한 재질에 의해 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판과, 상기 센서 기판의 상기 프리즘이 형성된 면과 반대면의 상기 프리즘과 대향하는 위치에 형성된 표면 플라즈몬을 지지하는 금속 박막으로 이루어져, 상기 프리즘으로 입사된 광을 상기 금속 박막의 표면에 조사하고, 금속 박막에서 반사되는 반사광을 프리즘을 통해 전반사(total reflection) 시키는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서; 상기 프리즘으로 입사되는 입사광을 제공하는 광원; 상기 프리즘을 통해 방출되는 상기 금속 박막에서의 반사광을 수광하여 전기신호로 변환하는 수광부; 상기 프리즘으로 입사되는 입사광 또는 프리즘으로부터 방출되는 반사광을 TM 모드로 평관시키는 편광기; 상기 수광부로부터 출력된 전기 신호를 분석하여, 상기 금속 박막 표면의 유효 두께 또는 유효 굴절율 변화를 상기 표면 플라즈몬 공명 각도 변화로 검출하는 신호 처리부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템을 제공한다.
상기 SPR 바이오센서는, 상기 금속 박막 상부에, 상기 금속 박막의 표면 플라즈몬 공명에 의해 반사광이 최소가 되는 흡수 밴드와 직교하도록 형성되며, 전부 또는 일부가 서로 다른 유전 물질로 이루어진 하나 이상의 채널을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 프리즘과 평판형 투명 유전체 기판이 동일한 재질에 의해 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판과, 상기 센서 기판의 상기 프리즘이 형성된 면과 반대면의 상기 프리즘과 대향하는 위치에 형성된 표면 플라즈몬을 지지하는 금속 박막과, 상기 금속 박막의 표면 플라즈몬 공명에 의해 반사광이 최소가 되는 흡수 밴드와 직교하도록 상기 금속 박막 상부에 형성되며, 전부 또는 일부가 서로 다른 유전 물질로 이루어진 하나 이상의 채널로 이루어져, 상기 프리즘으로 입사된 광을 상기 금속 박막의 표면에 조사하고, 금속 박막에서 반사되는 반사광을 프리즘을 통해 전반사(total reflection) 시키는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서; 상기 프리즘으로 입사되는 입사광을 제공하는 광원; 상기 프리즘으로 입사되는 입사광 또는 프리즘으로부터 방출되는 반사광을 TM 모드로 평관시키는 편광기; 상기 프리즘을 통해 방출되는 상기 반사광을 이차원 평면 이미지로 나타내는 2차원 이미징 수단을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 SPR 바이오센서는, 고 굴절률을 가진 광학 폴리머를 사출성형(injection molding)함에 의해 프리즘과 금속 박막이 형성되는 평판형 투명 기판을 일체화된 형태로 구현함으로써, 센서 칩과 프리즘 사이에 굴절률을 매치시키기 위해 인덱스 매칭 오일을 도입할 필요가 없을 뿐 아니라, 비교적 쉽게 제조 가능하고 기존의 고굴절 유리 기판을 사용한 SPR 바이오센서에 비해 제조 비용이 크게 절 감되어, 단순화, 소형화, 경량화가 가능하고, 일회용으로 사용가능한 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 SPR 바이오센서는, 센서 칩과 프리즘만을 일체로 구혐함으로써, 필요시 광원, 수광부, 렌즈, 이미징 수단을 포함하거나, 구조를 달리 구성한 다양한 형태의 SPR 센서 시스템으로 응용 가능하다는 잇점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 SPR 바이오센서를 나타낸 것으로서, (a)는 상기 제1 실시 예에 따른 SPR 바이오센서의 사시도이고, (b)는 그의 A-A' 수직 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 SPR 바이오센서(100)는, 프리즘(111)와 평판형 투명 유전체 기판(112)이 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판(110)과, 상기 센서 기판(110)의 프리즘(111)에서 수직 방향 상부 표면에 형성되어 표면 플라즈몬을 지지하는 금속 박막(120)으로 이루어진다.
상기 센서 기판(110)은 Polystylene(PS), Polymethyl methacrylate(PMMA), Polycarbonate(PC), Cyclic olefin copolymer(COC)를 포함하는 고 굴절률을 갖는 투명한 광학 폴리머로 구현되며, 사출 성형(injection molding) 등과 같은 방법을 통하여 제조 가능하다.
상기 금속 박막(120)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등과 같이 유전함수의 실수 부(real part)가 음(-)의 값을 갖는 금속을 수십 나노미터(nm)의 두께로 형성한 것으로서, 상기 금속 중에서, 가장 예리한 SPR 공명 피크를 보이는 은(Ag)과, 우수한 표면 안정성을 나타내는 금(Au)이 보편적으로 이용된다.
그리고 상기 프리즘(111)은 임의의 광원(미도시)으로부터 제공된 광을 상기 금속 박막(120)으로 입사하여 상기 금속 박막(120)의 표면 플라즈몬을 여기시키고, 상기 금속 박막(120)에서 반사된 광을 방출한다. 상기 프리즘(111)은 그 단면 형상이 반구형 또는 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어진다.
더 구체적으로, 상기 센서 기판(110)은 사용상의 편의를 위하여 보편적으로 이용되는 검출용 스틱과 동일한 형상 및 크기로 형성할 수 있다. 예를 들면, 직사각형 형상으로 구현한다. 즉, 소정 두께의 직사각형 형상의 센서 기판(110)의 일측 하부 면에 프리즘(111)이 일체로 형성되어 있고, 상기 프리즘(111)의 수직 방향 상부에 위치한 센서기판(110) 상부 면에 금속 박막(120)이 형성된다.
상기 제1 실시 예에 의한 SPR 바이오센서(100)는, 상기 금속 박막(120) 표면의 적절한 화학적 처리를 통해 다양한 생체 물질들 사이의 선택적 결합이나 분리와 같은 생화학적 반응을 공명 각도의 변화로 감지할 수 있는 것으로서, 상기 프리즘(111)을 통해 단일 파장의 광을 금속 박막(120)에 입사한 후, 상기 금속 박막(120)에서 반사되어 프리즘(111)을 통해 방출된 반사광을 분석함으로써, 상기 바이오 물질의 선택적 결합이나 분리, 농도를 측정할 수 있는 것이다.
즉, 상기 제1 실시 예에 의한 SPR 바이오센서(100)에, 단일 파장 혹은 다색 파장의 특징을 갖는 입사광을 상기 프리즘(111)으로 제공하는 광원과, 상기 프리즘(111)에서 방출되는 반사광을 수신하는 수광부와, 상기 광원의 후단 또는 상기 수광 수단의 전단에서 상기 입사광 또는 반사광을 TM 모드로 투과하는 편광기와, 상기 광원으로부터 프리즘(111)으로 입사되는 입사광의 입사 각도를 조절하는 입사각 조절기와, 상기 수광부의 출력 신호를 분석하여, 상기 금속 박막(120) 표면의 유효 두께 또는 유효 굴절율 변화를 표면 플라즈몬 공명 각도 변화로 검출하는 신호 처리부를 연결함으로써, 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템을 구현할 수 있다.
이때, 상기 입사각 조절기는, 센서 시스템의 구조 및 원리에 따라서 선택적 으로 추가될 수 있으며, 예를 들면 기계적인 방법으로 상기 광원을 움직여 입사 각도를 조절하는 구동기 또는 상기 입사광의 촛점을 조절하는 렌즈로 구현될 수 있다.
다음으로, 도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서를 나타낸 것으로서, (a)는 상기 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서의 사시도이고, (b)는 그의 B-B' 수직 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 SPR 바이오센서(200)는, 프리즘(111)와 평판형 투명 유전체 기판(112)이 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판(110)과, 상기 센서 기판(110)의 프리즘(111)에서 수직 방향 상부 표면에 형성되어 표면 플라즈몬을 지지하는 금속 박막(120)과, 상기 금속 박막(120)의 상부에 상기 금속 박막(120)의 표면 플라즈몬 공명에 의해 반사광이 최소가 되는 흡수 밴드에 직교하도록 형성되며 생체 물질과의 결합에 의해 상기 금속 박막(120)의 유효 굴절률 또는 유효 두께를 변화시키는 하나 이상의 채널(130)을 포함한다.
즉, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 SPR 바이오센서(200)는, 상기 제1 실시 예에 의한 SPR 바이오센서(100)에, 하나 이상의 채널(130)을 더 형성하여 이루어진 것으로서, 상기 채널(130)을 제외한 나머지 구성 요소는 제1 실시 예에서와 동일하게 구현된다.
상기 하나 이상의 채널(130)은, 각 채널의 일부 혹은 전부가 서로 다른 굴절률을 갖는 유전물질로 이루어지는 것으로서, 상기 하나 이상의 채널(130)에서의 유 전 물질에 의한 굴절률 변화에 의하여, 상기 금속 박막(120)의 표면 플라즈몬 공명에 의한 흡수 밴드의 이동이 나타나게 되며, 이를 이용하여 상기 금속 박막(120) 상부의 유효 두께 변화 및 유효 굴절율 변화를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서를 이용한 센싱 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4를 참조하면, 임의 광원의 광을 확장하여 평행한 이차원의 광원 형태를 만들고, 상기 평행한 이차원의 광원을, 본 발명에 따른 SPR 바이오센서의 프리즘(111)으로 입사시켜, 상기 프리즘(111)의 중심선이 초점 선(focal line)이 되도록 한다. 즉 상기 입사 광이 프리즘의 모든 표면에 대해 수직으로 입사되도록 한다.
그리고, 상기 입사광의 초점 선을 포함하는 프리즘(111) 면의 반대에 위치한 센서 기판(120)의 상부 면에, 관찰하고자 하는 파장 범위에서의 유전함수 (dielectric function) ε이 음(-)의 값을 갖는 금속(예를 들어, 금, 은, 구리, 알루미늄 등)으로 이루어진 금속 박막(120)을 수 십 나노미터(통상 40~50 nm) 정도의 두께로 형성하여, 상기 금속의 표면 플라즈몬 모드가 상기 입사 광에 의하여 여기 되도록 한다. 이때 상기 유전 함수 ε는 굴절률(refractive index) n과 소광 계수(extinction ratio) k에 의해 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure 112007090568852-pat00001
상기에서, ε'는 유전 함수의 실수부로서,
Figure 112007090568852-pat00002
이고, ε''는 유전 함수의 허수부로서 2nk이다.
한편, 모든 입사광이 모이는 초점 선에서 전반사된 반사광은 입사 광과 같은 모양으로 각도 범위
Figure 112007090568852-pat00003
을 갖고 퍼져나가게 되며, 원통형 렌즈 (cylindrical lens) 및 거울 (mirror)을 사용하여 상기 반사광을 이차원 평면 형태로 집적할 수 있다. 또한, 상기 이차원 평면 형태로 집적된 반사광을 이차원 수광부(예를 들어, 촬상소자(CCD(charge-coupled device) 혹은 CMOS imaging sensor) 및 영사막, 혹은 기타 이차원 평면 각 점의 밝기를 읽을 수 있는 소자 및 기구를 이용하여 2차원 이미지로 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 SPR 바이오센서(100)로부터 출력된 반사광으로부터 측정된 각도별 반사율을 그래프 및 상기 반사광의 2차원 평면 이미지를 나타낸 사진을 보인 것이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에서와 같이 상기 금속 박막(120) 위에 채널(130)이 형성되지 않은 경우에는, 금속 박막(120)의 표면 플라즈몬 공명에 의한 공명 흡수 각도
Figure 112007090568852-pat00004
에서 나타나는 반사광의 최소값은, 상기 도 5a에 삽입된 사진에 나타난 이차원 이미지상에서 하나의 공명 흡수 밴드(resonance absorption band)의 형상을 띄게 된다. 여기서, 만약 각 점의 명암을 절대적으로 구별할 수 있다면 상기 공명 흡수 밴드는 궁극적으로는 흡수 선(absorption line)으로 표현될 수 있다. 따라서, 상기 흡수 선 상의 각 점이 SPR 흡수로 인한 반사율 의 최소 점(resonance dip)이며, 원리적으로는 이 흡수 밴드, 혹은 흡수 선의 종단면의 모양이 도 5a의 그래프에 나타난 단일 채널에 있어서의 SPR 흡수곡선(51)과 같아야 한다.
그러나, 상기 제2 실시 예에서와 같이, 금속 박막(120) 위에 상기 금속박막(120)의 흡수 밴드와 직교 방향으로 하나 이상의 채널(130)이 형성되어 있고, 상기 채널(130)을 따라 얇은 두께의 유전체가 존재하는 경우, 상기 금속 박막(120) 위의 유전체의 두께에 따라 각 채널별로 SPR 공명 각도의 변화가 일어난다. 상기 채널별 SPR 공명 각도의 변화는 상기 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서(200)로부터 검출한 이차원 반사광의 평면 이미지에 있어서, 상기 흡수 선의 위치 변화로 나타난다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서의 입사광 대비 반사율을 나타낸 그래프 및 상기 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서로부터 얻어진 이차원 반사광의 평면 이미지에 대한 사진을 나타낸 것으로서, 이를 참조하면, 각 채널(130) 영역에서 표면 플라즈몬 공명 각도가
Figure 112007090568852-pat00005
와 같이 변화하면서, 반사율이 최소점인 흡수 선이 부분적으로 이동한 것을 알 수 있다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 SPR 바이오센서(200)에 있어서, 다수의 채널(131~13n)이 금속 박막(120) 위에 형성되어 있고, 각각의 채널(131~133)에 서로 다른 종류의 생체 분자(311,321,331)가 고정화되어 있으며, 상기 생체분자(311,321,331)들은 측정하고자 하는 전혈(whole blood), 혈장(plasma), 혈청(serum), 소변(urine), 타액(saliva), 및 기타 생체 시료 안에 존재하는 각각의 목적 분자(312,322,332)와 특이적으로 결합한다고 하면, 각 채널(131~133) 마다 생체분자의 결합에 따른 표면 농도의 변화가 일어나며, 상기 각 채널(131~133)에서의 표면 농도 변화는 상기 금속 박막(120) 표면의 유효 두께 변화 혹은 유효 굴절률 변화로부터 유추할 수 있으며, 알려진 매질의 굴절률을 이용하는 경우, 적절한 보정을 통하여 정량화도 가능해진다. 또한, 상기 SPR 바이오센서(200)의 프리즘(111)으로부터 방출되는 반사광의 2차원 평면 이미지화를 통하여, 표현할 수도 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서를 이용하여 반사광의 2차원 평면 이미지화는, 단색 광 및 삼각 프리즘(triangular prism)을 이용하고 입사 광의 각도를 고정시켜, 금속 표면 위에 부가적으로 더해지며, 공간적으로 달리 분포하는 유전체의 유효 두께 혹은 유효 굴절률의 변화를 각 점(image pixel)의 반사광의 세기의 차이 (difference image)로 읽어내는 표면 플라즈몬 공명 이미징 (surface plasmon resonance imaging, SPRI) 방법과는 차이가 있다.
상기 SPRI의 경우는, 고정된 파장과 입사각의 상태에서 얻어지는 상대적인 이미지로부터 굴절률의 변화를 측정하기 때문에, 다른 광학적인 변수, 예를 들면 파장이나 각도에 따라 명암도 변화에 차이가 나게 된다.
그러나, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서를 이용한 반사광의 이차원 이미징 방법은, 본질적으로 단일 채널에서 입사광의 파장을 고정하고, 입사각을 변화시키면서 그 반사도의 최소값, 즉 SPR 공명 각도의 변화를 측정하는 방법 (SPR angle interrogation)와 기본 원리가 동일하며, 또한 금속 박막(130) 위에서 변화하는 유전체의 굴절률을 알면, 프레넬 방정식(Fresnel equation)을 이용하여 상기 유전체의 절대적인 두께 변화도 계산할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SPR 바이오센서(200)와, 상기 프리즘(111)으로 입사되는 입사광을 제공하는 광원, 상기 프리즘(111)으로 입사되는 입사광 또는 프리즘으로부터 방출되는 반사광을 TM 모드로 평관시키는 편광기, 상기 프리즘(111)을 통해 방출되는 상기 반사광을 이차원 평면 이미지로 나타내는 2차원 이미징 수단을 포함한 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템을 구성하고, 상기 센서 시스템으로부터 금속 박막(120) 표면의 유효 두께 및 유효 굴절율 변화를 상기 2차원 평면 이미지에 나타나는 흡수 밴드의 변화로 나타낼 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 기존의 SPR 바이오센서의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 SPR 바이오센서의 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 SPR 바이오센서의 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 SPR 바이오센서를 이용한 센싱 원리를 설명하는 모식도,
도 5a는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 SPR 바이오센서에서의 입사광 대비 반사율 그래프 및 상기 SPR 바이오센서의 반사광에 의한 2차원 평명 이미지를 타낸 도면, 그리고
도 5b는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 SPR 바이오센서에서의 입사광 대비 반사율 그래프 및 상기 SPR 바이오센서의 반사광에 의한 2차원 평명 이미지를 나타낸 도면이다.

Claims (25)

  1. 프리즘과 평판형 투명 유전체 기판이 동일한 재질에 의해 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판; 및
    상기 센서 기판의 상기 프리즘이 형성된 면과 반대면의 상기 프리즘과 대향하는 위치에 형성되어 상기 프리즘을 통해 조사된 광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 금속 박막으로 이루어지는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서 기판은
    Polystylene(PS), Polymethyl methacrylate(PMMA), Polycarbonate(PC), Cyclic olefin copolymer(COC)를 포함하는 고 굴절률을 갖는 투명한 광학 폴리머 그룹 중에서 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 센서 기판은
    사출 성형(injection molding) 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 박막은
    금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘은 그 단면 형상이 반구형 또는 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 프라즈몬 공명 바이오센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막 상부에, 상기 금속 박막의 표면 플라즈몬 공명에 의해 반사광이 최소가 되는 흡수 밴드와 직교하도록 형성되며, 전부 또는 일부가 서로 다른 유전 물질로 이루어진 하나 이상의 채널을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널은
    그 전부 또는 일부가 생체 시료 안에 존재하는 서로 다른 목적 분자와 특이 적으로 결합하는 서로 다른 종류의 생체 분자가 고정화되어 있어, 상기 목적 분자와 생체 분자와의 결합에 따라서 표면 농도가 변화되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서.
  8. 프리즘과 평판형 투명 유전체 기판이 동일한 재질에 의해 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판과, 상기 센서 기판의 상기 프리즘이 형성된 면과 반대면의 상기 프리즘과 대향하는 위치에 형성된 표면 플라즈몬을 지지하는 금속 박막으로 이루어져, 상기 프리즘으로 입사된 광을 상기 금속 박막의 표면에 조사하고, 금속 박막에서 반사되는 반사광을 프리즘을 통해 전반사(total reflection) 시키는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서;
    상기 프리즘으로 입사되는 입사광을 제공하는 광원;
    상기 프리즘을 통해 방출되는 상기 금속 박막에서의 반사광을 수광하여 전기신호로 변환하는 수광소자;
    상기 프리즘으로 입사되는 입사광 또는 프리즘으로부터 방출되는 반사광을 TM 모드로 평관시키는 편광기;
    상기 수광부로부터 출력된 전기 신호를 분석하여, 상기 금속 박막 표면의 유효 두께 또는 유효 굴절율 변화를 상기 표면 플라즈몬 공명 각도 변화로 검출하는 신호 처리부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 입사광의 입사 각도를 조절하는 입사각 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 입사각 조절기는, 기계적인 방법에 의해 상기 광원을 움직여 입사 각도를 조절하는 구동기인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 입사각 조절기는, 상기 입사광의 촛점을 조절하는 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 센서 기판은
    Polystylene(PS), Polymethyl methacrylate(PMMA), Polycarbonate(PC), Cyclic olefin copolymer(COC)를 포함하는 고 굴절률을 갖는 투명한 광학 폴리머 그룹 중에서 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오 센서 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 센서 기판은
    사출 성형 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  14. 제8항에 있어서, 상기 금속 박막은
    금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 프리즘은 그 단면 형상이 반구형 또는 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어져, 입사된 광을 상기 금속 박막으로 조사하고, 상기 금속 박막에서 반사된 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 표면 프라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 금속 박막 상부에, 상기 금속 박막의 표면 플라즈몬 공명에 의해 반사광이 최소가 되는 흡수 밴드와 직교하도록 형성되며, 전부 또는 일부가 서로 다른 유전 물질로 이루어진 하나 이상의 채널을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널은
    그 전부 또는 일부가 생체 시료 안에 존재하는 서로 다른 목적 분자와 특이적으로 결합하는 서로 다른 종류의 생체 분자가 고정화되어 있어, 상기 목적 분자와 생체 분자와의 결합에 따라서 표면 농도가 변화되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  18. 프리즘과 평판형 투명 유전체 기판이 동일한 재질에 의해 일체로 형성되어 이루어진 센서 기판과, 상기 센서 기판의 상기 프리즘이 형성된 면과 반대면의 상기 프리즘과 대향하는 위치에 형성된 표면 플라즈몬을 지지하는 금속 박막과, 상기 금속 박막의 표면 플라즈몬 공명에 의해 반사광이 최소가 되는 흡수 밴드와 직교하도록 상기 금속 박막 상부에 형성되며, 전부 또는 일부가 서로 다른 유전 물질로 이루어진 하나 이상의 채널로 이루어져, 상기 프리즘으로 입사된 광을 상기 금속 박막의 표면에 조사하고, 금속 박막에서 반사되는 반사광을 프리즘을 통해 전반 사(total reflection) 시키는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서;
    상기 프리즘으로 입사되는 입사광을 제공하는 광원;
    상기 프리즘으로 입사되는 입사광 또는 프리즘으로부터 방출되는 반사광을 TM 모드로 평관시키는 편광기;
    상기 프리즘을 통해 방출되는 상기 반사광을 이차원 평면 이미지로 나타내는 2차원 이미징 수단을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 입사광은 평행한 이차원 광원 형태인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 이차원 평면 이미지 신호를 입력받아, 흡수 선의 변화로부터 상기 금속 박막 표면의 유효 두께 및 유효 굴절율을 검출하는 신호 처리부를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  21. 제18항에 있어서, 상기 센서 기판은
    Polystylene(PS), Polymethyl methacrylate(PMMA), Polycarbonate(PC), Cyclic olefin copolymer(COC)를 포함하는 고 굴절률을 갖는 투명한 광학 폴리머 그룹 중에서 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  22. 제18항에 있어서, 상기 센서 기판은
    사출 성형 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  23. 제18항에 있어서, 상기 금속 박막은
    금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 프리즘은 그 단면 형상이 반구형 또는 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어져, 입사된 광을 상기 금속 박막으로 조사하고, 상기 금속 박막에서 반사된 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 표면 프라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
  25. 제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널은
    그 전부 또는 일부가 생체 시료 안에 존재하는 서로 다른 목적 분자와 특이적으로 결합하는 서로 다른 종류의 생체 분자가 고정화되어 있어, 상기 목적 분자와 생체 분자와의 결합에 따라서 표면 농도가 변화되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 바이오센서 시스템.
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