KR101083605B1 - 표면 플라즈몬 공명 센서 - Google Patents
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Abstract
표면 플라즈몬 공명 센서에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는, 베이스 기판과; 베이스 기판 상에 형성된 금속 박막층과; 금속 박막 상에 형성된 결함을 갖는 광결정층이 구비되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 입사된 검사광에 의해서 형성된 표면 플라즈몬 파는 결함이 있는 광결정에서 소산파가 커지게 되고, 커진 소산파에 의해서 측정 대상물질의 아주 작은 양의 변화를 검출할 수 있게 됨으로써 광을 기반으로 하는 일반적인 센서에 비해 감도를 향상시킬 수 있다.
표면 플라즈몬 공명 센서, 광결정, 결함, 프리즘
Description
본 발명은 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이를 이용한 특성 측정방법에 관한 것으로, 특히 결함을 갖는 광결정 구조를 이용한 플라즈몬 공명 센서 및 이를 이용한 특성 측정방법에 관한 것이다.
현재 바이오 칩 연구는 DNA 칩 중심에서 단백질 칩, 탄수화물 칩 등으로 다변화되고 있는 추세이다. 종래 바이오 칩 연구는 엘립소메트리(ellipsometry) 측정법, 형광 분석법 등이 이용되어 왔다. 그러나 엘립소메트리 측정법은 편광의 변화를 이용하는 방법으로서 장치가 크고 측정에 오랜 시간이 요구되는 문제점이 있고, 형광 분석법은 형광물질과 결합시켜야 하는 불편함으로 인한 시간과 경비를 요구하는 문제점이 있다. 따라서, 현재 굴절률의 변화를 측정하여 생체 물질의 상호작용을 인지할 수 있는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 센서에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
표면 플라즈몬 공명 센서는 빛이 금속 박막의 표면에 흡수되었을 때 일어나는 표면 플라즈마 파(Surface Plasma Wave, SPW)의 공명 현상을 이용하는 센서이 다. 그리고 금속 박막에 생물학적 요소가 도입되어 생물변환기(biotransducer)를 구성하게 되면 SPR 바이오 센서가 된다. 표면 플라즈몬 공명은 빛이 금속 표면과의 상호작용에 의해 발생하는 양자역학적 광전 현상(Quantum optical-electrical phenomenon)을 말한다. 광자(photon)에 의해 수송되는 에너지는 특정 조건하에서 금속 표면상의 전자 즉, 플라즈몬으로 전달되는데, 에너지의 전달은 빛의 특정한 공명 파장(resonance wavelength)에서만 이루어진다. 이때의 공명 파장은 광자가 가진 양자 에너지와 플라즈몬의 양자 에너지 준위가 일치하게 되는 파장이다. 금속 박막에서 자유전자가 특정한 속성을 가진 입사광에 의해 표면 플라즈마 파를 형성하며, 이때 입사되는 전자파는 경계면에서 최대이며 점점 소멸되고, 반사광은 플라즈마 파 공명조건하에서 급격히 감소한다. 이 경우 자유공간에서의 파동수와 표면 플라즈몬의 파동수는 일치한다.
도 1은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 종래의 센서 구조를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서는 유전체 매질의 경계면에 금속 박막(20)을 적층한 크레취만(Kretschmann) 구조를 갖는다. 광원(30)으로부터 방출된 레이저와 같은 단색광을 프리즘(10)과 같이 굴절률이 높은 매질 쪽으로 입사시키면, 프리즘(10)으로 입사된 광은 프리즘(10)의 바닥면에 위치하는 금속 박막(20)에서 반사되어 광원(30)의 반대편에 위치한 광검출기(40)에 도달한다. 그러나 프리즘(10)의 바닥면의 법선을 기준으로 하는 입사광의 입사각이 특정한 각이 되면, 광이 임계각 이상임에도 불구하고 반사되어 나오는 광이 급격히 줄어들게 된 다. 이러한 현상은 광학적 조건이 TM 모드 광파(Transverse Magnetic light wave)의 모멘트가 금속 박막(20)과 유전체 표면사이에서 전파되는 표면 플라즈몬 파의 모멘트와 같을 때 일어난다. 이와 같이 금속 박막(20)에 표면 플라즈몬 파가 여기되는 현상을 표면 플라즈몬 공명이라 하고, 공명의 결과로 반사된 후의 광에너지는 특정한 각도에서 급격히 감소한다.
SPR 센서의 기본적인 측정값은 센서의 응답신호 능력 즉, 빛의 세기, 각 응답신호 및 파장 응답신호이다. 각 응답신호가 SPR 센서의 측정값으로 사용될 때, 생체 분자들의 상호작용에 따른 성질은 반사된 빛의 세기가 최소가 되는 각(즉, SPR 각)의 이동량을 통하여 결정된다. 이때 SPR 센서의 출력은 매질이 금속 박막(20)과 접촉할 때 일어나는 매질의 유전상수변화에 매우 민감하다. 즉, 방해매질(Analyte)이 SPR 센서의 플로우 셀(Flow cell)을 통해 흘러감으로서 금속 박막(20)에 고정되어 있는 리셉터(Receptor)와의 상호작용에 의해 SPR 각이 이동한다. 그리고 SPR 센서는 측정 신호(즉, SPR 각의 이동량)을 굴절률(index of refractive)로 환산하여 방해매질인 생체 분자의 특성을 측정한다.
이와 같이, SPR 센서는 금속 박막의 표면에 리간드(ligand)를 고정시키고, 생체 분자의 결합작용을 실시간으로 모니터링하여 생체 분자의 특성을 검출하는 소자이다. 서로 결합되는 생체 분자들의 예로는 항체-항원, 호르몬-수용체, 단백질-단백질, DNA-DNA, DNA-단백질 등을 들 수 있다. 리간드의 고정화 방법의 일예로서 리간드에 티올기를 공유결합에 의해 붙여서 티올화된 리간드를 금속 표면에 화학적으로 흡착시키는 방법을 들 수 있다. 또한 카르복실 메틸레이티드 덱스트 란(carboxyl-methylated dextran) 사슬로 구성된 히드로겔 매트릭스(hydrogel matrix)를 이용하여 리간드를 SPR 센서의 금속 박막 표면에 고정화하는 방법도 존재한다. 이러한 SPR 센서의 가장 큰 장점은 방사성 물질이나 형광 물질과 같은 지표 물질을 사용하지 않고 직접 분자를 측정할 수 있는 점이다. 나아가 SPR 센서를 이용하면 실시간으로 생체 분자의 결합과정을 모니터링할 수 있다.
상술한 바와 같은 종래의 프리즘에 금속 박막을 증착하여 제조한 SPR 센서는 측정 매질의 교환이 용이하고 측정 변수가 다양하다는 장점을 갖는다.
그러나 현재 요구되는 바이오/환경 센서 시스템에서는 초고감도 수준의 정밀한 측정이 필요하다. 즉, 아주 작은 양의 땀이나, 호흡만을 가지고 다양한 생체 정보를 정확히 검출해내기 위해서는 종래의 SPR 센서는 측정에 한계가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초고감도 수준의 정밀한 측정을 할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이를 이용한 특성 측정방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서는: 베이스 기판과; 상기 베이스 기판 상에 형성된 금속 박막층과; 상기 금속 박막 상에 형성된 결함을 갖는 광결정층이 구비되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 광결정층은 금속 광결정층인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 광결정층은 유전체 광결정층인 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 금속 광결정층 상에 형성된 결함이 있는 유전체 광결정층이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상술한 각각의 예에 있어서 상기 베이스 기판과 상기 금속 박막층 사이에 Cr층이 개재되는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 각각의 예에 있어서 표면 플라즈몬 공명센서는 고굴절률을 갖는 매질 상에 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 고굴절률을 갖는 매질은 프리즘인 것을 특징으로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 이용한 특성 측정방법은: 검사광이 상기 결함 부분에서 측정하고자 하는 피검체와의 반응으로 발생하는 공명각의 변화로 상기 피검체의 특성을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 결함을 갖는 광결정 구조를 이용한 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이를 이용한 특성 측정방법에 의하면, 입사된 검사광에 의해서 형성된 표면 플라즈몬 파는 결함이 있는 광결정에서 소산파가 커지게 되고, 커진 소산파에 의해서 측정 대상물질의 아주 작은 양의 변화를 검출할 수 있게 됨으로써 광을 기반으로 하는 일반적인 센서에 비해 감도를 향상시킬 수 있다.
따라서 광결정의 결함 부분에서 반응성을 고감도로 향상시켜 아주 작은 양의 땀이나, 호흡만을 가지고 다양한 생체 정보를 정확히 검출해낼 수 있는 이점이 있다. 즉, 금속 박막에 형성된 광결정 구조의 높은 반응성으로 인해서 바이오뿐만 아 니라 환경 등 다양한 센서로 응용이 가능하다.
첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A' 선에 따른 단면도이며, 도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도이고, 도 3b는 도 3a의 B-B' 선에 따른 단면도이며, 도 4a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도이고, 도 4b는 도 2a의 C-C' 선에 따른 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서는 유전체 기판(110) 상에 Cr층(120), 금속 박막층(130) 및 일정한 간격으로 결함(141)을 갖는 금속 광결정층(140)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 이 때, 금속 박막(130) 및 상기 금속 광결정(140)은 Au, Al, Ag 또는 Cu 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지며, 광결정은 나노 홀 또는 나노 기둥을 포함하는 것을 특징으로 한다. Cr층(120)은 유전체 기판(110)과 금속 박막(130) 사이의 결합을 강하게 해준다.
본 실시예에 따른 센서에 입사된 검사광은 광경로를 따라서 결함(141)이 있는 금속 광결정(140)에서 반사되어 출사된다. 입사된 검사광에 의해서 형성된 표면 플라즈몬 파는 결함이 있는 광결정에서 소산파가 커지게 되고, 커진 소산파에 의해서 측정 대상물질의 아주 작은 양의 변화를 검출할 수 있게 된다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서는 유전체 기판(110) 상에 Cr층(120), 금속 박막층(130) 및 일정한 간격으로 결함(211)을 갖는 유전체 광결정층(210)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 이 때, 유전체 광결정층(210)은 ZnO, TiO2, SiO2 또는 SiNx 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진다. 검출 방식은 상술한 제1 실시예에 따른 검출 방식과 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서는 유전체 기판(110) 상에 Cr층(120), 금속 박막층(130), 일정한 간격으로 결함(141)을 갖는 금속 광결정층(140) 및 일정한 간격으로 결함(211)을 갖는 유전체 광결정층(210)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 이 때, 금속 광결정의 결함(141)과 유전체 광결정의 결함(211)이 동일 위치에 위치되도록 형성된다. 검출 방식은 상술한 제1 실시예에 따른 검출 방식과 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서는 프리즘(300) 상에 상술한 제1, 제2 또는 제3 실시예에 표면 플라즈몬 공명 센서가 형성된 것이다. 즉, 프리즘(300) 상에 유전체 기판(110), Cr층(120), 금속 박막층(130), 일정한 간격으로 결함(141 또는 211)을 갖는 금속 광결정(140) 또는 유전체 광결정층(210)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 프리즘(300)과 같이 굴절률이 높은 매질 쪽으로 검사광이 입사되면, 검사광은 프리즘(300)의 바닥면에 위치하는 금속 박막층(130)에서 반사되어 일정한 각을 가지고 출사된다. 광결정(140 또는 210) 구조가 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서는 특정 파장의 빛이 특정한 입사각으로 금속 박막층(130)에 도달할 때 표면 플라즈몬 공명 현상을 보이는데, 이때 생성된 플라즈몬 파가 광결정 구조의 결함(141 또는 211) 부분에서 소산파의 증폭이 발생하게 된다. 표면 플라즈몬 공명 현상은 소산파가 도달하는 금속 박막층(130) 외부의 유효굴절률에 따라 공명각이 매우 민감하게 바뀌는데, 소산파가 증폭되면 센서의 감도 역시 증가하게 된다. 광결정(140 또는 210)의 결함(141 또는 211) 부분에서 측정하고자 하는 물질과 반응하게 되면, 표면의 유효굴절률이 변하게 되어 공명각이 변하게 된다. 결함(141 또는 211)이 있는 광결정(140 또는 210)에서 측정대상물질이 반응하여 발생하는 표면 플라즈몬 공명에 의한 공진조건의 변화를 기초로, 결함(141 또는 211) 부분에서 반응하는 측정대상물질의 농도를 포함하는 특성을 검출할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 자명하다.
도 1은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 종래의 센서 구조를 나타낸 개략도;
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도;
도 2b는 도 2a의 A-A' 선에 따른 단면도;
도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도;
도 3b는 도 3a의 B-B' 선에 따른 단면도;
도 4a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도;
도 4b는 도 2a의 C-C' 선에 따른 단면도; 및
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도이다.
* 도면 중의 주요부분에 대한 참조번호의 설명 *
10: 프리즘 20: 금속 박막
30: 광원 40: 광검출기
110: 유전체 기판 120: Cr층
130: 금속 박막층 140: 금속 광결정층
141: (금속 광결정의) 결함 210: 유전체 광결정층
211: (유전체 광결정의) 결함
Claims (13)
- 베이스 기판과;상기 베이스 기판 상에 형성된 금속 박막층과;상기 금속 박막 상에 형성된 결함을 갖는 광결정층이 구비되고;상기 광결정층은 금속 광결정층이며;상기 금속 광결정층 상에 형성된 결함이 있는 유전체 광결정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 베이스 기판과 상기 금속 박막층 사이에 Cr층이 개재되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 박막층은 Au, Al, Ag 또는 Cu 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 광결정층은 Au, Al, Ag 또는 Cu 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 유전체 광결정층은 ZnO, TiO2, SiO2 또는 SiNx 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 광결정층은 나노 홀 또는 나노 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명 센서는 고굴절률을 갖는 매질 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 제 10항에 있어서, 상기 고굴절률을 갖는 매질은 프리즘인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서.
- 삭제
- 삭제
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