KR101351779B1 - 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서 - Google Patents

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최상혁
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Abstract

본 발명은 뇌의 신경 화학적 변화를 모니터링하기 위한 나노 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 뇌 속에서 일어나는 신경 화학적 변화를 거대 라만 산란의 이론을 기반으로 실시간으로 모니터링하기 위해 광학적으로 구현된 신경센서이다.
본 발명에 의한 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서는, 여기 광원과 연결되어 입사되는 광의 통로가 되는 제 1 광섬유; 제 1 광섬유의 끝단 팁에 형성된 나노 메쉬 구조; 나노 메쉬 구조를 감싸서 제1 광섬유에 고정시키는 다공성 고분자 메트릭스; 상기 나노 메쉬 구조로부터 형성된 라만 산란광을 전달받아 분광기로 전달하는 통로가 되는 제 2 광섬유; 및 상기 제 2 광섬유의 끝단 팁에 구비된 박막 거울;을 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다
본 발명에 의한 나노 신경센서는, 단일 분자 수준의 민감도, 고도의 선택도, 장기간의 신뢰성을 가지며 단순한 제작 공정에 의해 저가로 구현할 수 있어, 의학적 치료에 중대한 진보를 가능하게 할 것이며, 또한 신경 장애 및 질환으로 고통받는 환자들의 삶의 질을 향상시킬 수 있다.

Description

나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서{NANO NEURAL SENSOR HAVING NANOMESH STRUCTURE}
본 발명은 뇌의 신경 화학적 변화를 모니터링하기 위한 나노 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 뇌 속에서 일어나는 신경 화학적 변화를 거대 라만 산란 이론을 기반으로 실시간으로 모니터링하기 위해 광학적으로 구현된 신경센서이다.
전기 생리학적 및 화학적 활동과 뇌 속의 동기화된 신경 세포가 인간의 신경관련 행동을 통제한다. 신경 장애 및 질환은 신경 세포와 신경세포의 기능적인 네트워크 내에서 신경 신호가 부적절하게 생성되고 전달되는 것과 연관이 있다.
신경 장애 및 질환을 치료하기 위해 뇌 속의 신경 화학적 및 전기 생리학적 신호를 실시간으로 모니터링하는 것이 필수적이다. 또한 이러한 모니터링은 예측할 수 없는 신경 장애의 시작에 의해 야기되는 위험한 의학적 상태를 방지하고 이에 대응하는데 많은 도움이 된다.
종래의 기술에 따르면, 실시간으로 신경 세포의 기능저하 및 비정상적인 기능을 모니터링하는 것이 아직까지는 매우 어려운 과제이다. 예를 들자면, EEG, MEG, PET, MRI, 전압 또는 칼슘에 민감한 염료 등과 같이 수많은 신경 센싱 및 모니터링 방식이 존재하지만, 각 방법들은 시간 및 공간적 해상도, 장비 내에서 대상의 물리적 한계 또는 접근되어 질 수 있는 세포 조직의 면적 등과 같은 다양한 문제 및 한계점을 가지고 있다.
비록 전기 화학적 센싱 기술이 뇌 신호를 일부 기록할 수 있는 능력이 있지만, 지속성(longevity), 센싱의 신뢰성 및 환경 잡음에 대한 높은 민감성(susceptibility) 등이 높은 장벽으로 존재하고 있어 실제 뇌에 적용하기는 어려운 상태이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 다수의 나노선을 구비한 나노 메쉬 구조를 갖는 광섬유를 이용하는 광학적 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 외과적으로 뇌에 이식되어져서 신경전달물질 농도의 작은 변화를 모니터링하여 신경 세포 활동을 본질적으로 기록할 수 있는 센서를 구현하여 신경 장애 및 질환으로 고통받는 환자들의 삶의 질을 향상시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 단일 분자 수준의 민감도, 고도의 선택도, 장기간의 신뢰성을 가지며 단순한 제작 공정에 의해 저가로 구현할 수 있는 나노 신경 센서를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서는, 여기 광원과 연결되어 입사되는 광의 통로가 되는 제 1 광섬유; 상기 제 1 광섬유의 끝단 팁에 형성된 나노 메쉬 구조; 나노 메쉬 구조를 감싸서 제1 광섬유에 고정시키는 다공성 고분자 메트릭스; 상기 나노 메쉬 구조로부터 형성된 라만 산란광을 전달받아 분광기로 전달하는 통로가 되는 제 2 광섬유; 및 상기 제 2 광섬유의 끝단 팁에 구비된 박막 거울;을 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제 1 광섬유 및 제 2 광 섬유의 각각 끝단 팁은 일정한 각도로 경사지며, 특히 45도로 경사지게 생성하여, 여기 광원으로부터 분광기까지의 완벽한 광파 전달 회로를 형성하는 점을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노 메쉬 구조는 상하로 길게 다수의 나노선이 형성되어 있으며, 상기 나노선의 일정 부위에 나노 갭이 형성되어 있고, 상기 나노선을 고분자 메트릭스가 감싸서 나노 구조를 유지시키며 나노 간격이 유지되도록 잡아주는 점을 특징으로 하며, 상기 나노선은 여기 광원의 파장에 따라 길이가 조절될 수 있으며, 상기 나노 갭 간격은 2nm 이하로 제어되며, 또한 상기 나노선의 재질은 금, 은, 백금, 구리 및 알루미늄 중에서 선택되어 사용되는 점을 특징으로 한다.
한편, 상기 고분자 메트릭스는 다공성의 고분자 구조를 통해 신경전달물질의 분자가 전파될 수 있는 것으로, 나피온(nafion), 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)), 폴리에틸렌(Poly(ethylene)), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethyleneoxide)) 중에서 선택적으로 사용되는 점을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 여기 광원의 파장은 뇌로부터 발생하는 열잡음을 최소화하기 위하여 가시광선 영역에서 선택된다.
그리고, 상기 나노 신경센서의 센싱 반응시간은 고분자 메트릭스, 나노선 재질 및 구조에 의해 결정되는 점을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 광학적 센싱 장치는 거대 라만 분광기의 센싱 원리를 이용하여 나노 메쉬 구조가 광섬유 위에 구비됨으로, 단일 분자 수준의 민감도, 고도의 선택도(selectivity), 장기간의 신뢰성을 가지며 단순한 제작 공정에 의해 저가로 구현할 수 있는 점이 특징이다..
본 발명에 따른 광학적 센싱 장치는 의학적 치료에 중대한 진보를 가능하게 할 것이며, 또한 신경 장애 및 질환으로 고통받는 환자들의 삶의 질을 향상시킬 수 있을 것이다.
도 1a는 근접한 나노선의 표면 전하 분포를 보이는 도표,
도 1b는 나노선의 갭 크기에 따른 정규화된 근거리 필드의 진폭을 나타내는 도표,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 신경센서의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에서 기대되는 도파민 확산의 반응시간을 보이는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 나노 센서의 센싱을 위한 기본원리는 다음과 같다.
본 발명은 광학적 센서를 구현하려는 것으로, 외과적으로 뇌에 이식되어져서 신경전달물질 농도의 작은 변화를 모니터링하여 신경 세포 활동을 본질적으로 기록할 수 있는 센서이다. 센서의 구동은 거대 라만 분광기(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS)의 센싱 원리에 기반하며, 광섬유 위에 나노 구조가 형성된 형태로 구현된다. 얇은 광섬유는 외과적으로 뇌 속에 이식될 수 있고, 두개골을 통과하여 피부 밑에 위치해 있는 마이크로 분광기(micro-spectrometer)라고 불려지는 광학적 센싱 모듈과 연결될 수 있다.
미크론 단위의 직경을 갖는 광섬유는 소형의 콤팩트성(compactness)과 유연성을 제공하기 때문에, 이식되어 센싱하는 여러 응용분야에 사용 가능하다. 작고 좁은 광섬유 프르브(probe)를 사용하는 디자인은 뇌의 어떠한 영역에도 접근이 가능하도록 한다. 1991년 뮤렌(Mullen) 등에 의해 최초의 단일 섬유 SERS센싱 기술이 소개된 이후에, 다양한 형태의 광섬유 센서들이 개발되었다. 여러 분야에 센서를 응용하기 위해 광섬유 디자인이 수정되고 또한 광섬유의 표면이 기능화되었다. 광섬유 센싱 기술의 장점 때문에, SERS 센싱 원리를 광섬유 센싱에 적용하기 위한 많은 시도들이 있었다. 하지만 박막에 기반한 장치로부터 발생되는 낮은 강도의 SERS 신호와, 광섬유 상의 나노구(nanosphere)에 대한 생체 적합성 문제가 생물의학적 적용에 장애가 되었다. 이러한 문제를 해결하고 기능성을 높이기 위해, 본 발명은 광섬유 끝부분(tip)부분의 작은 공간에 결합 나노선 메쉬 구조(coupled nanowire mesh structure)를 채용했다. 이러한 메쉬 형태의 나노선 구조는 뇌 속에서 SERS 신경전달물질 센싱을 위한 SERS 산란 핵심부(SERS scattering center)로서 사용되어진다.
SERS 센싱 원리는 금, 은, 백금 및 구리와 같은 금속 나노물질과 센싱 분자가 근거리에서 상호작용하는 것에 기반한 것이다. 여기 파장(excitation wavelength) λ0로 나노물질의 표면을 조명하면, 여기 광(excitation light)과 강력하게 결합된 적절한 크기의 나노물질이 재료 근처에 강한 국부필드(local field)를 형성한다. 이러한 필드 강화는 입사파장(incoming wave)과 나노 물체의 플라스몬 공명(plasmonic resonance)으로 설명되어 질 수 있다. 이러한 공명 주파수 밴드가 라만 분산 주파수와 부합되면, 단일 분자를 센싱하는 수준의 확실한 SERS 신호의 증가를 얻을 수 있다. 다수의 선행 연구(J. Aizpurua et al.,"Optical properties of coupled metallic nanorods for field enhanced spectroscopy", "Phys. Rev. B, 71, 235420, 2005년; A. Pucci, "One-Dimensional Nanostructures", "Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, vol-3. Springer New York, 175-215, 2008년)로부터, 교차부분의 라만 분산의 증가를 의미하는 SERS 강도 강화 인수(SERS intensity enhancement factor) G는 다음의 수학식(1)과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012056278544-pat00001
상기 수학식(1)에 있어서, 첫번째 항은 입사되는 파장에 의해 나노구조 근처에서 국부필드가 강화되는 것을 의미한다. 두번째 항은 입자와 라만 분산 파장과의 상호작용 및 입자에 의한 재복사(re-radiation)공정에 의해 형성되는 필드 강화를 의미한다. 이러한 관계식으로부터, 라만 신호 강도는 입사파장과 공명된 나노 구조에 의해 국부 전계의 4승(fourth power)으로 강화된다.
세기 강화가 근거리 국부 강화의 4승에 비례하기 때문에, 일반적으로 단일 나노물체에 의해 생성되는 보통인 10-30 정도를 갖는 필드 강화 인자이더라도, SERS는 확실한 효과를 생성해낼 수가 있다. 두개의 나노선이 근접 배치되어 결합되면, 국부 필드 강화는 좀더 증가한다. 근접하여 놓인 나노 크기 물체의 강력한 결합 때문에, 상반되는 전하가 도 1a에 도시된 바와 같이, 서로 마주보는 두개의 막대의 끝부분에 강하게 집중된다. 두 개의 결합된 나노선이 고려될 때, 표면 전하 분포는 나노선을 따라서 대칭적 또는 반대칭적(anti-symmetric) 모드로 생성될 수 있다. 반대칭적 모드인 경우, 대단히 높은 강도의 표면 전하가 갭(gap)에서 나노선의 표면에 상반된 극성으로 쌓이게 된다. 대칭적 모드인 경우에, 표면 전하의 증가(build-up)는 갭을 가로지르는 전하들간에 서로 밀어내는 상호작용(repulsive interaction)에 의해 억제된다.
나노선을 따라 분포하는 모드 생성은 전자기파 방해(electromagnetic wave retardation) 현상을 포함하는 멕스웰 방정식의 전자기 연산을 통해 경계요소법을 이용하여 연산될 수 있다. 나노 시스템의 내부 및 외부 물질이 균일하다고 가정하면, 공명 파동함수의 고유치(eigenvalue) Λi 는 경계조건을 가지는 다음의 수학식 (2)에 의해 구해질 수 있다.
Figure 112012056278544-pat00002
여기서 σ i (s) 는 표면전하 밀도를 의미하며, ns 는 점s에서 표면에 수직인 노말벡터(normal vector)를 의미하며, 또한 s 및 s'는 나노선의 표면 S 상의 점들에 대한 공간벡터이고, 적분기호는 표면 S상의 다수의 점 s'에 대한 표면 적분을 의미한다. 기대한 바와 같이, 고유치의 시리즈는 결합된 나노구조의 기하학적 구조와 연관되어 구해진다. 각 모드의 공명파장은 수학식(3)과 같이 고유치와 유전체(dielectric) 함수 관계에 의해 구할 수 있다.
Figure 112012056278544-pat00003
유전체 함수 ε1 및 ε2 는 나노구조의 내부 및 외부 주파수에 의존적이다. 선택된 모드를 생성할 수 있도록, 상기 수식으로부터, 결합된 나노 구조의 크기 및 물질이 결정될 수 있다.
갭에서의 근거리 필드 응답은 두개의 나노선이 나노미터 크기의 거리로 비대칭적으로 결합되어 질 때, 나노선의 축을 따라 급격하게 증가한다는 점이SERE 강화에 대한 종래의 연구(A. Pucci, "One-Dimensional Nanostructures," Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, vol-3. Springer New York, 175-215, 2008) 로부터 알려져 있다. 예를 들면, 2nm 간격으로 설치된 200nm 나노선의 국부 필드 강화는 650nm의 여기파장(excitation wavelength)에서 인수가 약 300정도에 도달한다. 국부 필드 강화의 4승에 비례하는 라만 산란의 증가를 고려하면, SERS 강화 인수는 8.1x109에 도달할 수 있다.
상술한 기본 원리에 근거하여, 광섬유 SERS 신경 센서 장치는 도 2와 같이 설계된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서는, 여기 광원과 연결되어 입사되는 광의 통로가 되는 제 1 광섬유(10), 제 1 광섬유의 끝단 팁(tip)에 형성된 나노 메쉬 구조(50), 나노 메쉬 구조(50)를 감싸서 제1 광섬유에 고정시키는 다공성 고분자 메트릭스(80), 상기 나노 메쉬 구조로부터 형성된 라만 산란광을 전달받아 분광기로 전달하는 통로가 되는 제 2 광섬유(30) 및 상기 제 2 광섬유의 끝단 팁에 구비된 박막 거울(90)로 구성된다.
즉, 본 발명의 신경 센서는 두 개의 광섬유(10, 30)로 구성되며, 각 광섬유는 광섬유 코아(20-1)와 광섬유 클래딩(20-2)으로 이루어져 있다. 나노 메쉬 구조(50)가 구비되는 제 1 광섬유(10)는 SERS 나노 메쉬를 사용하여 신경전달물질을 센싱하고, 제 2 광섬유(30)는 라만 산란파를 박막 거울(90)을 이용하여 반사시켜 분광기로 안내하고 전달하는 역할을 한다. 광섬유의 양쪽 끝단을 45도 각도로 경사지게 생성하여, 광원으로부터 분광기까지의 완벽한 광파 전달 회로를 형성한다.
본 발명에 있어, 주요 기능 중에 하나는 끝단이 경사진 광섬유 상에 수직으로 배열된 나노 메쉬 구조(50)이다. 생 유독성(bio-toxicity) 때문에, 작은 사이즈의 나노 입자는 본 발명의 디자인에 포함되지 않는다. 본 발명에서 나노 구조의 선택은 중간 규모(mesoscale)까지의 나노 구조와 고분자 메트릭스(80)에서 이들간의 혼합에까지만 한정되어 있다.
나노 메쉬 구조(50)는 상하로 길게 형성된 다수의 나노선(60)으로 이루어져 있으며, 나노선(60)은 중간에 나노 갭(nano gap)(70)이 형성되어 있는데, 나노선을 감싸고 있는 고분자 메트릭스(80)가 나노 구조를 유지시키고, 나노 간격이 유지되도록 잡아주는 등의 역할을 수행한다. 여기서 나노 갭(70)은 도 1a에서 상반되는 전하가 집중되는 두 나노선 간의 간격이며, 도 1b에서는 S로 표시된 나노 크기의 갭을 나타내고 있다. 상세한 디자인 파라메터는 다음과 같다.
1) 나노 메쉬 구조 및 나노선의 크기
나노선을 따라서 강화된 국부필드가 플라스몬 전하 진동에 의해 형성된다. 종래기술에 따르면, 쌍극 진동(dipolar oscillation)의 반파장 길이 Γ1 는 진공으로 입사되는 빛의 반파장 길이 L과 비교하여 약간 더 긴 나노선이 필요하다. 즉, L≒Γ1/3 의 관계식이 성립한다. 나노선의 길이를 쉽게 제어할 수 있는 강점이 있기에, 더 고차의 쌍극 진동도 본 발명에서 실시 가능하다. 보다 더 고차모드의 생성으로부터 얻어지는 필드강화가 일차 모드로부터 얻어지는 필드강화보다는 덜 강력하지만, 필드강화 인자가 일차 쌍극 공명의 절반에 근접한다.
따라서 나노선 디자인은 반대칭 쌍극 전하 진동(antisymmetric dipolar charge oscillation)을 유도하기 위해 반파장에 대해 기수(odd number)를 갖는 차원(dimension)을 포함한다. 본 발명은 메쉬형태의 나노 구조 형태를 이용하여 생체 적합성 및 기계적 안정성을 가지는 어느 정도 긴 나노선을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 3차 플라스몬 공명은 L≒Γ3(1+1/3)의 관계를 대체로 만족한다. 632nm의 여기 광원이 SERS센싱을 위해 선택되었다면, 커플링된 광섬유 한쪽의 나노선 길이는 약 500nm근처가 되어야만 한다. 나노선의 다른 쪽은 비대칭 결합 커플링(asymmetric paired coupling) 모드를 얻을 수 있도록 선택될 수 있다. 주요 필드 강화 효과는 더 작은 크기의 나노선으로 부터 도출된다. 여기 광원의 파장에 따라 나노선의 길이가 조절될 수 있다.
2)나노 메쉬 구조의 갭 간격
본 발명에 있어, 나노 메쉬의 갭 간격은 고SERS 강도 강화를 구현하기 위한 중요한 요소이며, 나노미터 크기로 유지되어야 하며, 바람직하게는 2nm보다 작은 크기가 요구된다. 강화 인자는 간격간 거리 d가 d - 12 의 관계를 따르는 차원을 넘어서면 급격하게 감소한다. 예를 들면, 만일 두 나노선이 2nm의 간격으로 놓여있고 서로 강하게 결합되어 있으면, 간격의 중앙에 있는 분자로부터의 라만 신호는 자유공간에 있는 분자에 비해 상대적으로 1010배에 도달할 수 있고, 고립된 나노선으로부터의 측정치에 비해 상대적으로 105배로 강화될 수 있다. 본 발명에서는 광섬유 상의 메쉬 나노 구조의 나노 갭 간격은 2nm 이하로 제어된다.
3) 메쉬 나노선의 재질
금, 은, 백금, 구리 및 알루미늄과 같은 다양한 금속이 결합된 나노선의 근거리 필드 강화를 위해 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 생체 적합성을 갖는 금 및 백금을 주요 재질로 사용한다.
4) 분극화
광섬유 상의 메쉬 나노선 구조는 45도 기울여져서 배치된다. 이 각도는 나노선을 따라 선형적으로 분극화된 입사 파장과 공명이 잘되도록 한다. 평행 분극화가 나란히 배치된 나노선에 길이방향의 진동을 공급할 수 있다. 만일 나노 구조가 광섬유의 평평한 끝단에 수직으로 가공되어져 있다면, 나노 갭 간격은 나노선 자체에 의해 가려지게 된다. 비록 횡방향 진동 모드가 나노선의 직경 방향을 따라 생성될 수 있더라도, 나노 구조와 입사파의 상호작용 및 공명은 무시할 수 있다. 대체로 미크론 이하의 크기를 갖는 나노선 들간의 큰 거리로 인하여 횡방향 진동으로부터 생성되는 국부 필드 강화 인자는 큰 영향력이 없다. 따라서 인입하는 파동에 대하여 45도 각도로 기울어진 설계는 본 발명의 중요 특징이다.
5) 고분자 메트릭스
본 발명에 따른 다공성의 구조를 갖는 고분자 메트릭스는 네 가지의 서로 다른 기능을 위해 사용된다. 첫번째는 뇌 세포 외 공간으로 메쉬 나노선이 들어가는 것을 방지하는 나노 메쉬 구조를 잡아주는 주로 기계적인 기능이다. 두번째는 SERS센싱을 위해 나노 갭 간격을 기계적으로 유지시켜주는 기능이다. 나노선을 감싸고 있는 고분자 메트릭스는 나노 구조를 유지시키고, 간격이 유지되도록 잡아주고, 그리고 나노미터의 크기 내에서 거리를 유지시키는 역할을 한다. 세번째 기능은 세포의 생존 능력에 부정적인 영향을 야기시킬 수 있는 뇌 속의 세포 및 조직에 직접적인 접촉을 막을 수 있도록, 생체 적합성의 고분자 내에 나노 구조를 격리시키는 역할을 한다. 네번째는 다공성의 고분자 구조를 통해 신경전달물질의 분자가 전파될 수 있도록 하는 것이다. 적절한 고분자는 8.5 Å 크기의 도파민과 같은 신경전달물질의 이동이 가능한 것들 중에서 선택할 수 있다. 비분해성 및 생체 적합성의 고분자로서 나피온(nafion), 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)), 폴리에틸렌(Poly(ethylene)), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethyleneoxide))가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서의 센싱 효과는 다음과 같이 기대할 수 있다.
1) 민감도
직경 50nm이며, 각각 500nm 및1000nm의 길이를 갖는 두 개의 금 나노선이 2nm의 나노 갭 간격으로 결합되어 있다고 가정하면, 약 632nm 파장의 고주파 밴드 근처에서 플라스몬 공명에 맞추어짐에 따라, 갭 내에서의 국부필드 강화는 100에 근접할 수 있다. SERS 세기는 국부 필드 강화의 4승으로 강화되므로, 라만 강도 강화 인자는 108 레벨에 접근할 수 있다. 만일 적외선에 근접한 약 2,400nm의 파장을 가지는 여기(excitation) 광원이 동일 구조에 사용된다면, 국부 필드 강화는 약 700까지 도달할 수 있고, SERS 강화 인자는 2.4x1011까지 증가할 수 있다. 하지만 SERS 강화 인자의 엄청난 증가가 적외선 광원에 가까운 광원에 의해 기대되더라도, 뇌로부터 발생하는 열잡음을 최소화하기 위하여 신경 센싱에서의 파장 선택은 가시 광선 영역에서 주로 선택된다.
2) 반응 시간
신경전달물질 농도의 변동에 대한 센서 반응시간은 고분자 내 신경전달물질의 확산 거동에 의해 주로 결정된다. 나피온 고분자 내의 도파민 확산, 즉 도파민의 정규화된 신경전달물질 궤적은 아래의 수학식 (4)로 결정될 수 있다.
Figure 112012056278544-pat00004
여기서 C(t)는 나노 갭 센싱 부위에서의 도파민 농도이고, C0는 나피온 박막 외부의 벌크 용액의 농도이고, D 는 나피온 필름 내부 도파민의 확산 계수이며, l p 는 나피온 필름의 두께를 의미하며, t 는 초기 노출에서부터 덩어리로 집중되는데 까지 소요되는 시간을 의미한다. 상기 수식 및 도파민 확산 계수를 이용하여, 주어진 두께 값으로부터 반응시간을 계산할 수 있다. 나피온 박막을 사용하는 종래의 연구결과에 의하면, 반응시간은 도 3에 도시된 바와 같이 초(second) 단위 내에서 제어될 수 있다. 센싱 반응은 수학식 (4)에 의해 연산될 수 있다. 적절한 고분자의 선택 및/또는 재료의 조합, 그리고 재료 구조의 조작 등을 통해서, 반응시간은 좀더 빨라질 수 있다.
이상에서, 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것일 뿐 한정의 의미로 이해되어서는 안될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 특허청구범위 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.
10; 제 1 광섬유 20-1; 광섬유 코아
20-2; 광섬유 클래딩 30; 제 2 광섬유
50; 나노 메쉬 구조 60; 나노선
70; 나노 갭 80; 고분자 메트릭스
90; 박막 거울

Claims (11)

  1. 뇌 속에서 일어나는 신경 화학적 변화를 거대 라만 산란의 이론을 기반으로 실시간으로 모니터링하기 위한 광학적 나노 센서에 있어서,
    여기 광원과 연결되어 입사되는 광의 통로가 되는 제 1 광섬유(10);
    상기 제 1 광섬유의 끝단 팁에 형성된 나노 메쉬 구조(50);
    나노 메쉬 구조(50)를 감싸서 제1 광섬유에 고정시키는 다공성 고분자 메트릭스(80);
    상기 나노 메쉬 구조로부터 형성된 라만 산란광을 전달받아 분광기로 전달하는 통로가 되는 제 2 광섬유(30); 및
    상기 제 2 광섬유의 끝단 팁에 구비된 박막 거울(90);
    을 포함하여 구성되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 광섬유 및 제 2 광 섬유의 각각 끝단 팁은 일정한 각도로 경사지게 구성되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 일정한 각도는 45도로 경사지게 생성하여, 여기 광원으로부터 분광기까지의 광파 전달 회로를 형성하는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 메쉬 구조(50)는 상하로 길게 다수의 나노선(60)가 형성되어 있으며, 상기 나노선(60)의 일정 부위에 나노 갭(70)이 형성되어 있고, 상기 나노선(60)을 고분자 메트릭스(80)가 감싸서 나노 구조를 유지시키며 나노 간격이 유지되도록 잡아주는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 나노선(60)은 여기 광원의 파장에 따라 길이가 조절될 수 있는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 나노 갭(70) 간격은 2nm 이하로 제어되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 나노선의 재질은 금, 은, 백금, 구리 및 알루미늄 중에서 선택되어 사용되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  8. 제 1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 고분자 메트릭스(80)는 다공성의 고분자 구조를 통해 신경전달물질의 분자가 전파될 수 있도록 하는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  9. 제 1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 고분자 메트릭스(80)는 나피온(nafion), 폴리비닐알코올(Poly(vinyl alcohol)), 폴리에틸렌(Poly(ethylene)), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethyleneoxide)) 중에서 선택적으로 사용되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  10. 제 1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 여기 광원의 파장은 뇌로부터 발생하는 열잡음을 최소화하기 위하여 가시광선 영역에서 선택되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 신경센서는 센싱 반응시간이 고분자 메트릭스, 나노선 재질 및 구조에 의해 결정되는 점을 특징으로 하는 나노 메쉬 구조를 갖는 나노 신경센서.
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