KR20060089103A - Biochip flatform using a spherical cavity resonator and biochemical sensor having the same - Google Patents

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KR20060089103A
KR20060089103A KR1020050010185A KR20050010185A KR20060089103A KR 20060089103 A KR20060089103 A KR 20060089103A KR 1020050010185 A KR1020050010185 A KR 1020050010185A KR 20050010185 A KR20050010185 A KR 20050010185A KR 20060089103 A KR20060089103 A KR 20060089103A
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전헌수
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왕푸
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Abstract

본 발명은 구형 공진기를 이용하여 DNA 또는 단백질과 같은 생체시료를 분석하기 위한 바이오칩 플랫폼(biochip flatform) 및 이를 구비한 생체시료 검출 소자를 개시한다. 본 발명의 한 유형에 따른 바이오칩 플랫폼은, 기판; 상기 기판 위에 형성되며, 광을 전달하기 위한 광도파로; 및 상기 광도파로의 상면에 부착된 것으로, 상기 광도파로로부터 광을 전달받아 공진을 일으키는 적어도 하나의 마이크로 구(micro sphere);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a biochip flatform for analyzing a biological sample such as DNA or protein using a spherical resonator, and a biological sample detection device having the same. Biochip platform according to one type of the invention, the substrate; An optical waveguide formed on the substrate and configured to transmit light; And at least one micro sphere attached to an upper surface of the optical waveguide and receiving light from the optical waveguide to cause resonance.

Description

구형 공진기를 이용한 바이오칩 플랫폼 및 이를 구비하는 생체시료 검출 소자{Biochip flatform using a spherical cavity resonator and biochemical sensor having the same}Biochip platform using spherical resonator and biosample detection device having same {Biochip flatform using a spherical cavity resonator and biochemical sensor having the same}

도 1은 회절 격자 및 소산파(evanescent field)를 이용한 종래의 생체시료 검출 소자를 도시한다.1 shows a conventional biological sample detection device using a diffraction grating and an evanescent field.

도 2는 또 다른 종래의 생체시료 검출 소자를 도시한다.2 illustrates another conventional biological sample detection element.

도 3은 마이크로 구를 이용한 종래의 생체시료 검출 소자를 도시한다.3 shows a conventional biological sample detection device using microspheres.

도 4는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.4 is a schematic cross-sectional view for explaining the principle of the present invention.

도 5a 및 도 5b는 각각 마이크로 구 내에서 공진이 발생한 경우와 공진이 발생하지 않은 경우를 도시한다.5A and 5B show a case where resonance occurs and a case where resonance does not occur in the microsphere, respectively.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩 플랫폼 및 생체시료 검출 소자를 도시하는 단면도이다.6A is a cross-sectional view illustrating a biochip platform and a biological sample detection device according to an embodiment of the present invention.

도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오칩 플랫폼 및 생체시료 검출 소자를 도시하는 단면도이다.6B is a cross-sectional view illustrating a biochip platform and a biological sample detection device according to another embodiment of the present invention.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※

40.....기판 41.....광 도파로40 ..... Substrate 41 ..... Optical Waveguide

42.....회절 격자 43.....마이크로 구42 ..... Diffraction Grid 43 ..... Microsphere

44.....접착부 45.....광빔44 ..... Adhesive 45 ..... Light Beam

본 발명은 생체시료를 분석하기 위한 바이오칩 플랫폼 및 이를 구비하는 생체시료 검출 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구형 공진기를 이용하여 DNA 또는 단백질과 같은 생체시료를 분석하기 위한 바이오칩 플랫폼(biochip flatform) 및 이를 구비한 생체시료 검출 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a biochip platform for analyzing a biological sample and a biosample detection device having the same, and more particularly, to a biochip platform for analyzing a biological sample such as DNA or protein using a spherical resonator. And it relates to a biological sample detection device having the same.

생체시료를 분석하는 방법으로 여러 가지 분석법이 알려져 있으며, 그 중에서 특히 형광측정 방법이 널리 이용되고 있다. 형광측정 방법은 생체시료에 형광체로 표지된 마커를 미리 첨가한 후, 상기 시료에 광을 조사하여 시료 내의 형광체로부터 방출되는 형광의 스펙트럼을 검출함으로써 시료의 성분이나 절대량 등을 분석하는 방법이다. 그런데, 종래의 형광측정 기술에 있어서는, 시료로부터 방출되는 형광의 일부분만이 광검출기에 도달하기 때문에 형광의 손실이 많았다. 이러한 형광의 손실은, 최소 검출가능 한계가 불가피하게 증가되는 결과를 가져왔으며, 고감도의 실험이 요구되는 경우 감도가 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 원하는 시료만을 선택적으로 여기시키지 못하여 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 충분히 높지 않았다. 더욱이, 형광측정 방법은 일반적으로 시료를 형광체로 염색하는 과정이 복잡하고 형광 염료의 가격이 매우 비싸다는 문제가 있었다.Various assays are known as methods for analyzing biological samples, and among them, fluorescence measurement methods are widely used. The fluorescence measurement method is a method of analyzing the components, absolute amount, etc. of a sample by adding a marker labeled with a phosphor to a biological sample in advance, and then irradiating the sample with light to detect a spectrum of fluorescence emitted from the phosphor in the sample. By the way, in the conventional fluorescence measurement technique, since only a part of the fluorescence emitted from the sample reaches the photodetector, the loss of fluorescence was large. This loss of fluorescence inevitably increased the minimum detectable limit, and there was a problem that the sensitivity was lowered when a high sensitivity experiment was required. In addition, the signal-to-noise ratio was not high enough to selectively excite only the desired sample. Moreover, the fluorescence measurement method has a problem in that the process of dyeing a sample with a phosphor is generally complicated and the price of a fluorescent dye is very expensive.

따라서, 상기와 같은 종래의 형광측정 기술의 문제점을 개선하여, 신호대 잡 음비를 높이고, 제작 공정 및 측정 방법이 단순한 새로운 생체시료 분석 방법을 개발하기 위하여 많은 노력이 있어 왔다.Therefore, a lot of efforts have been made to improve the problems of the conventional fluorescence measurement technique, to increase the signal-to-noise ratio, and to develop a new biological sample analysis method with a simple manufacturing process and measurement method.

도 1은, Zeptosens에 의한 미국 특허 제6,437,345호에 개시된, 회절 격자 및 소산파(evanescent field)를 이용한 생체시료 검출 소자를 도시한다. 도 1을 참조하면, 제 1 회절격자(11)를 통해 광 도파로(10)에 입사한 광은 전반사를 통해 광 도파로(10) 내부를 진행하다가 제 2 회절격자(11')를 통해 외부로 출사된다. 일반적으로, 굴절률이 서로 다른 두 매질의 계면에서 전반사가 일어나는 경우, 굴절률이 낮은 쪽으로 매우 짧은 유효거리를 갖는 소산파(消散波, evanescent wave)가 발생한다는 것이 알려져 있다. 도 1에 도시된 생체시료 검출 소자의 경우, 전반사가 일어나는 광 도파로(10)의 표면(12)에는 형광체가 첨가된 생체시료(13)가 배치되어 있다. 따라서, 상기 생체시료(13)에 내의 형광체가 소산파에 의해 여기되면서 형광(14)이 방출되며, 이를 검출하여 생체시료를 분석할 수 있다.1 shows a biological sample detection device using a diffraction grating and an evanescent field, disclosed in US Pat. No. 6,437,345 to Zeptosens. Referring to FIG. 1, light incident on the optical waveguide 10 through the first diffraction grating 11 travels inside the optical waveguide 10 through total reflection and exits to the outside through the second diffraction grating 11 ′. do. In general, it is known that when total reflection occurs at an interface between two media having different refractive indices, evanescent waves having a very short effective distance toward the lower refractive index occur. In the biological sample detection element shown in FIG. 1, a biological sample 13 to which phosphor is added is disposed on the surface 12 of the optical waveguide 10 in which total reflection occurs. Therefore, the fluorescent material 14 is emitted while the phosphor in the biological sample 13 is excited by the dissipation wave, and the biological sample can be analyzed by detecting the fluorescent material 14.

상기 생체시료 검출 소자 경우, 매우 짧은 유효거리를 갖는 소산파에 의해 광 도파로(10)의 표면에 있는 시료만을 선택적으로 여기시킬 수 있어 신호대잡음비가 높으며, 광도파로(10)를 2차원적으로 형성할 경우 한 번에 많은 양의 시료 분석이 가능하다. 그러나, 광도파로(10)에 입사한 광 에너지의 대부분은 소산파를 발생시키는데 기여하지 못하고 광도파로(10)를 빠져 나오기 때문에, 에너지의 손실이 크다. 또한, 소산파와 표면 물질(13)과의 결합 효율이 작고, 시료를 미리 형광체로 염색해야 한다는 문제가 존재한다.In the biological sample detection device, only the sample on the surface of the optical waveguide 10 can be selectively excited by the dissipation wave having a very short effective distance, so that the signal-to-noise ratio is high, and the optical waveguide 10 is formed two-dimensionally. In this case, a large amount of sample can be analyzed at a time. However, since most of the optical energy incident on the optical waveguide 10 does not contribute to the generation of dissipated waves and exits the optical waveguide 10, the energy loss is large. In addition, there is a problem that the coupling efficiency between the dissipation wave and the surface material 13 is small and the sample must be dyed with a phosphor in advance.

도 2는 미국 특허 제6,483,096호에 개시된 생체시료 검출 소자로서, 기판 (21)에 소정의 각도로 입사한 광이, 회절격자(25)를 통해 광도파로(22)로 진행하고, 전반사에 의한 소산파가 커버(23) 내의 시료(26)를 여기시켜 발생한 광도 역시 광도파로(22)를 통해 진행하도록 하고 있다. 이때, 기판(21)을 통해 입사한 광과 시료(26)에서 여기된 광이 회절격자(25)를 통해 출사하는 각도가 다르므로, 각각의 검출기(24a,24b)를 통해 검출되는 광의 비교를 통해 시료를 분석할 수 있다. 그러나, 이 경우에도, 광도파로(22)에 입사한 광 에너지의 대부분은 소산파를 발생시키는데 기여하지 못하고 광도파로(22)를 빠져 나오기 때문에, 에너지의 손실이 크다. 또한, 소산파와 시료(26)와의 결합 효율이 작고, 커버(23) 내의 시료(26)의 굴절률 변화에 대한 감도가 낮다는 문제가 있다.FIG. 2 is a biological sample detection device disclosed in US Pat. No. 6,483,096, in which light incident on the substrate 21 at a predetermined angle proceeds to the optical waveguide 22 through the diffraction grating 25 and is dissipated by total reflection. The light generated by the excitation of the sample 26 in the cover 23 is also allowed to travel through the optical waveguide 22. At this time, since the angle of the light incident through the substrate 21 and the light excited from the sample 26 exits through the diffraction grating 25 is different, a comparison between the light detected through the respective detectors 24a and 24b is performed. The sample can then be analyzed. However, even in this case, since most of the light energy incident on the optical waveguide 22 does not contribute to the generation of dissipated waves and exits the optical waveguide 22, the energy loss is large. In addition, there is a problem that the coupling efficiency between the dissipated wave and the sample 26 is small and the sensitivity to the change in refractive index of the sample 26 in the cover 23 is low.

도 3은 마이크로 구를 이용한 종래의 생체시료 검출 소자를 도시하는 것으로, 광도파로(30)를 통해 진행하는 광이 광도파로(30)의 말단에서 부근에 있는 마이크로 구(31)로 전달되도록 구성되어 있다. 이때, 광은 마이크로 구(31)의 내면을 따라 연속적으로 전반사된다. 따라서, 전반사에 의해 마이크로 구(31)의 외면으로 소산파가 방출되며, 상기 소산파는 마이크로 구(31)의 외면에 있는 시료(32)를 여기시킨다. 이 방법의 경우, 소산파와 시료(32)와의 결합 효율이 크지만, 여전히 광 에너지의 대부분이 광도파로(30)를 통해 방출되며, 시료(32)의 굴절률 변화에 대한 감도가 낮고, 한꺼번에 많은 양의 시료를 측정하는 것이 어렵다.3 illustrates a conventional biological sample detection device using a microsphere, and configured to transmit light traveling through the optical waveguide 30 to a microsphere 31 near the end of the optical waveguide 30. have. At this time, the light is continuously totally reflected along the inner surface of the microsphere 31. Therefore, the total wave reflects the dissipated wave to the outer surface of the microsphere 31, which excites the sample 32 on the outer surface of the microsphere 31. In this method, the coupling efficiency between the dissipation wave and the sample 32 is large, but most of the light energy is still emitted through the optical waveguide 30, and the sensitivity to the change of the refractive index of the sample 32 is low, and a large amount at one time. It is difficult to measure the sample.

본 발명은 상술한 종래의 문제점들을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 소산파와 시료와의 결합 효율이 높으며, 광 에너지의 손실이 적고, 신호대잡음 비가 높으며, 많은 양의 시료를 검출하기 위한 간단한 형태의 바이오칩 플랫폼 및 이를 구비하는 생체시료 검출 소자를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to improve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a high efficiency of coupling a dissipation wave with a sample, low loss of optical energy, a high signal to noise ratio, and a large amount of sample. It is to provide a simple biochip platform and a biological sample detection device having the same.

본 발명의 한 유형에 따른 바이오칩 플랫폼은, 기판; 상기 기판 위에 형성되며, 광을 전달하기 위한 광도파로; 및 상기 광도파로의 상면에 부착된 것으로, 상기 광도파로로부터 광을 전달받아 공진을 일으키는 적어도 하나의 마이크로 구(micro sphere);를 포함하는 것을 특징으로 한다.Biochip platform according to one type of the invention, the substrate; An optical waveguide formed on the substrate and configured to transmit light; And at least one micro sphere attached to an upper surface of the optical waveguide and receiving light from the optical waveguide to cause resonance.

이때, 상기 광도파로 상면의 양측에는 광도파로 내부로 광을 입사시키기 위한 제 1 회절 격자 및 광도파로 내부를 진행하는 광을 외부로 출력하기 위한 제 2 회절 격자가 각각 형성되어 있다.In this case, first diffraction gratings for injecting light into the optical waveguide and second diffraction gratings for outputting light traveling in the optical waveguide to the outside are formed at both sides of the upper surface of the optical waveguide.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 광도파로는 평판의 형태이며, 상기 평판 형태의 광도파로 상면에 다수의 마이크로 구가 서로 접하도록 2차원 또는 3차원적으로 배열될 수 있다. 여기서, 상기 광도파로의 굴절률과 상기 마이크로 구의 굴절률은 실질적으로 동일하거나 유사한 것이 바람직하다.According to a preferred embodiment of the present invention, the optical waveguide is in the form of a flat plate, and may be arranged two-dimensionally or three-dimensionally so that a plurality of microspheres are in contact with each other on an upper surface of the optical waveguide in the flat plate shape. Here, the refractive index of the optical waveguide and the refractive index of the microspheres are preferably substantially the same or similar.

상기 광도파로를 구성하는 재료로는, 예컨대, TiO2, Ta2O5, HfO2 , ZrO2, ZnO, Al2O3 및 Nb2O5 로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유전체 재료가 적당하다.At least one dielectric material selected from the group consisting of TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , ZnO, Al 2 O 3, and Nb 2 O 5 is suitable as a material constituting the optical waveguide. Do.

상기 마이크로 구는 형광성 물질로 구성되거나, 마이크로 구의 표면이 형광성 물질로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 마이크로 구의 표면에 바이오 물질이 부 착되는 것도 가능하다. 이러한 마이크로 구의 직경은 1㎛ 내지 1000㎛ 의 범위 내에 있는 것이 적당하다.The microspheres may be composed of a fluorescent material, or the surface of the microspheres may be coated with a fluorescent material. In addition, the biomaterial may be attached to the surface of the microspheres. The diameter of such microspheres is suitably in the range of 1 µm to 1000 µm.

또한, 상기 마이크로 구와 접하지 않는 광도파로의 상면 부분이 상기 광도파로 보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 코팅될 수도 있다.In addition, the upper portion of the optical waveguide not in contact with the microsphere may be coated with a material having a lower refractive index than the optical waveguide.

한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 생체시료 검출소자는, 상술한 구조의 바이오칩 플랫폼; 상기 광도파로로 입사되는 광을 발생시키는 광원; 및 출력광을 검출하는 광검출기;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 광검출기는 상기 광도파로로부터 출사되는 광을 검출하거나, 마이크로 구의 표면에 부착된 시료로부터 방출되는 여기광 또는 형광을 검출할 수 있다.On the other hand, the biological sample detection device according to another type of the present invention, the biochip platform of the above-described structure; A light source generating light incident on the optical waveguide; And a photo detector for detecting output light. In this case, the photodetector may detect light emitted from the optical waveguide or detect excitation light or fluorescence emitted from a sample attached to the surface of the microsphere.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩 플랫폼 및 생체시료 검출소자의 구조와 동작에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the structure and operation of the biochip platform and the biological sample detection device according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 도 4는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오칩 플랫폼(biochip flatform)은 광을 전달하는 광도파로(waveguide)(41) 위에 작은 크기의 마이크로 구(micro sphere)(43)가 부착된 것을 기본적인 구성으로 한다. 예컨대, 상기 마이크로 구(43)의 직경은 약 1㎛ 내지 1000㎛ 범위 내에 있을 수 있다. 상기와 같은 구조에서, 광도파로(41) 내부를 진행하는 광의 일부는, 광도파로(41)와 마이크로 구(43) 사이의 접합 부분에서 마이크로 구(43)로 입사하게 된다. 이때, 광손실을 최소화 하기 위해서는, 광도파로(41)와 마이크로 구(43)는 굴절률이 유사하여야 하며, 바람직하게는, 동일하여야 한다. 또한, 상기 광도파로(41)와 마이크로 구(43)를 접합하기 위한 접착 재 료(44) 역시 이들과 같은 굴절률을 갖는 것이 좋다. 일반적으로 광도파로(41)는 예컨대, TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2, ZnO, Al 2O3 및 Nb2O5 등과 같은 유전체 재료로 구성될 수 있으며, 따라서, 마이크로 구(43)도 역시 이들과 같은 재료로 구성될 수 있다.First, Figure 4 is a schematic cross-sectional view for explaining the principle of the present invention. As shown in FIG. 4, the biochip flatform according to the present invention has a basic configuration in which a small size micro sphere 43 is attached to an optical waveguide 41 for transmitting light. It is done. For example, the diameter of the microspheres 43 may be in the range of about 1 μm to 1000 μm. In the structure as described above, part of the light traveling inside the optical waveguide 41 is incident on the microsphere 43 at the junction between the optical waveguide 41 and the microsphere 43. At this time, in order to minimize the optical loss, the optical waveguide 41 and the microspheres 43 should be similar in refractive index, preferably, the same. In addition, the adhesive material 44 for bonding the optical waveguide 41 and the microspheres 43 may also have the same refractive index. In general, the optical waveguide 41 may be formed of dielectric materials such as, for example, TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , ZnO, Al 2 O 3, and Nb 2 O 5, and the like. 43 may also be composed of such materials.

공기(air) 보다 높은 굴절률을 갖는 마이크로 구(43)의 내부로 입사한 광은 상기 마이크로 구(43)의 내면의 한 점에서 전반사 된다. 이렇게 전반사 된 광은 마이크로 구(43) 내부를 진행하면서 상기 마이크로 구(43)의 내면의 다른 점들에서 반복적으로 전반사 되고, 결국 거의 손실 없이 마이크로 구(43)의 내면을 일주하게 된다. 이때, 광이 마이크로 구(43)의 내면에서 적절한 각도로 전반사 될 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 광 경로는 상기 마이크로 구(43)에 내접하는 정다각형(45)의 형태가 될 것이다. 이 경우, 상기 마이크로 구(43)의 내부에서 광이 진행한 거리가 광 파장의 정수배가 된다면, 광이 상기 정다각형(45) 형태의 광경로를 반복적으로 진행할 때 보강 간섭과 함께 공진이 발생한다. 따라서, 상기 마이크로 구(43)는 구형 공진기로서 역할을 하게 된다.Light incident on the inside of the microsphere 43 having a higher refractive index than air is totally reflected at one point of the inner surface of the microsphere 43. The totally reflected light is totally reflected at different points of the inner surface of the micro sphere 43 while traveling inside the micro sphere 43, and eventually travels around the inner surface of the micro sphere 43 with almost no loss. At this time, when the light is totally reflected at an appropriate angle on the inner surface of the micro sphere 43, as shown in Figure 4, the optical path will be in the form of a regular polygon 45 inscribed in the micro sphere 43. In this case, if the distance traveled by the light inside the microsphere 43 becomes an integer multiple of the light wavelength, resonance occurs with constructive interference when the light repeatedly travels through the optical path in the form of the regular polygon 45. Thus, the micro sphere 43 serves as a spherical resonator.

예컨대, 상기 마이크로 구(43)가 약 4.3㎛ 의 반경을 가지며 1.46의 굴절률을 갖는 산화실리콘(SiO2)으로 구성되고, 광도파로(41)가 약 1.65의 굴절률을 갖는 Al2O3 으로 제조된 경우, 약 532nm 의 파장에서 공진이 일어난다. 도 5a는 상기 마이크로 구(43)의 내부에서 공진이 발생한 경우를 도시하고, 도 5b는 마이크로 구(43)의 내부에서 공진이 발생하지 않은 경우를 도시한다.For example, the microsphere 43 is composed of silicon oxide (SiO 2 ) having a radius of about 4.3 μm and a refractive index of 1.46, and the optical waveguide 41 is made of Al 2 O 3 having a refractive index of about 1.65. In this case, resonance occurs at a wavelength of about 532 nm. 5A illustrates a case where resonance occurs in the microsphere 43, and FIG. 5B illustrates a case where resonance does not occur inside the microsphere 43.

상기와 같은 현상을 이용하면, 다양한 방법으로 생체시료를 분석하는 것이 가능하다. 예컨대, 도 1에 도시된 종래의 방법에서와 같이, 형광체가 첨가된 생체시료를 마이크로 구(43)의 표면에 부착하고, 마이크로 구(43) 내면의 전반사 지점에서 마이크로 구(43)의 외부로 방출되는 소산파(evanescent wave)에 의해 상기 형광체를 여기시킬 수 있다. 다른 방법으로, 마이크로 구(43)의 표면에 특정 생체분자에만 결합하는 바이오 물질(도시되지 않음)을 부착할 수도 있다. 상기 바이오 물질에 특정 생체분자가 결합되는 경우, 마이크로 구(43)의 계면에서 굴절률의 변화가 있기 때문에 공진 조건도 변하게 되므로, 이를 통해 생체시료 내에 특정 생체분자의 존재 여부 등을 검출할 수 있다. 이를 위해, 가시광 또는 적외선 광에 의해 여기되어 형광을 발생시키는 형광 물질을 이용하여 마이크로 구(43)를 형성하거나, 상기 마이크로 구(43)에 그러한 형광 물질을 코팅함으로써, 마이크로 구(43) 내에서 공진이 발생하는지 여부를 쉽게 확인할 수 있도록 구성할 수도 있다.Using the above phenomenon, it is possible to analyze the biological sample in various ways. For example, as in the conventional method shown in FIG. 1, a biological sample to which phosphor is added is attached to the surface of the microspheres 43, and from the total reflection point of the inner surface of the microspheres 43 to the outside of the microspheres 43. The phosphor can be excited by the emitted evanescent wave. Alternatively, biomaterials (not shown) may be attached to the surface of the microspheres 43 that bind only to specific biomolecules. When a specific biomolecule is bound to the biomaterial, the resonance condition is also changed due to the change of the refractive index at the interface of the microspheres 43, thereby detecting the presence or absence of the specific biomolecule in the biological sample. To this end, the microspheres 43 are formed by using a fluorescent material that is excited by visible or infrared light to generate fluorescence, or by coating such fluorescent material on the microspheres 43, It can also be configured to easily check whether resonance occurs.

이러한 본 발명의 구조에 따르면, 광을 거의 손실 없이 증폭하여 재사용할 수 있기 때문에, 에너지 효율이 매우 우수하다. 또한, 동일한 광이 마이크로 구(43)의 내부를 반복적으로 일주하면서 동일한 지점에서 전반사되기 때문에, 전반사에 의한 소산파와 마이크로 구(43)의 표면에 있는 물질과의 결합 효율이 매우 크게 된다. 그리고, 굴절률의 변화에 예민하게 반응하기 때문에 높은 감도를 얻을 수 있다. 더욱이, 종래의 기술과 마찬가지로, 표면에 있는 시료에만 선택적으로 광 결합하기 때문에 높은 신호대잡음비(SNR)를 얻을 수 있는 등, 종래의 장점도 그대로 유지한다.According to the structure of the present invention, since light can be amplified and reused with almost no loss, energy efficiency is very excellent. In addition, since the same light is totally reflected at the same point while repeatedly circulating the inside of the microsphere 43, the coupling efficiency of the dissipation wave due to total reflection and the material on the surface of the microsphere 43 becomes very large. And since it responds sensitively to the change of refractive index, high sensitivity can be obtained. Moreover, similarly to the conventional technique, the conventional advantages are maintained, such as high optical signal-to-noise ratio (SNR), since the selective optical coupling only to the sample on the surface.

도 6a는 본 발명의 보다 구체적인 실시예에 따른 바이오칩 플랫폼 및 생체시 료 검출 소자를 도시하는 단면도이다.6A is a cross-sectional view illustrating a biochip platform and a biological sample detection device according to a more specific embodiment of the present invention.

도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오칩 플랫폼을 보면, 광을 전달하기 위한 광도파로(41)가 기판(40) 위에 설치되어 있으며, 상기 광도파로(41)의 상면에는 구형 공진기의 역할을 하는 다수의 마이크로 구(43)가 서로 접하도록 배열되어 있다. 여기서, 기판(40)은 예컨대 산화실리콘(SiO2)으로 구성될 수 있으며, 광도파로(41)를 통해 광이 전달될 수 있도록 기판(40)의 굴절률(n2)은 광도파로(41)의 굴절률(n1) 보다 작아야 한다. 비록 도 6a에 도시되어 있지는 않지만, 상기 마이크로 구(43)와 접하지 않는 광도파로(41)의 상면 부분은 상기 광도파로(41) 보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 코팅될 수도 있다. 그러나, 코팅층 없이 공기(air)에 노출되는 것도 가능하다. 또한, 상기 광도파로(41) 상면의 양쪽 단부 근처에는 상기 광도파로(41)의 내부로 광을 입사시키기 위한 제 1 회절 격자(diffraction grating)(42) 및 상기 광도파로(41)의 내부를 진행하는 광을 외부로 출력하기 위한 제 2 회절 격자(46)가 각각 형성되어 있다. 이러한 회절 격자의 구조는 이미 공지된 것이므로 상세한 설명을 생략한다.As shown in FIG. 6A, in the biochip platform according to the present invention, an optical waveguide 41 for transmitting light is installed on a substrate 40, and a role of a spherical resonator is formed on the upper surface of the optical waveguide 41. A plurality of micro spheres 43 are arranged to be in contact with each other. Here, the substrate 40 may be formed of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), and the refractive index n 2 of the substrate 40 may be configured to allow light to be transmitted through the optical waveguide 41. It should be smaller than the refractive index n 1 . Although not shown in FIG. 6A, an upper surface portion of the optical waveguide 41 not in contact with the microsphere 43 may be coated with a material having a lower refractive index than the optical waveguide 41. However, it is also possible to be exposed to air without a coating layer. Further, near both ends of the upper surface of the optical waveguide 41, a first diffraction grating 42 and an inside of the optical waveguide 41 for injecting light into the optical waveguide 41 are advanced. Second diffraction gratings 46 are respectively formed for outputting light to the outside. Since the structure of such a diffraction grating is already known, its detailed description is omitted.

또한, 본 발명에 따른 생체시료 검출 소자는 상술한 구조의 바이오칩 플랫폼 이외에 상기 광도파로(41)로 입사되는 광을 발생시키는 광원(47)과 광을 검출하기 위한 광검출기(48)를 더 포함한다.In addition, the biological sample detection device according to the present invention further includes a light source 47 for generating light incident to the optical waveguide 41 and a photodetector 48 for detecting light, in addition to the biochip platform having the above-described structure. .

상술한 구조의 바이오칩 플랫폼과 생체시료 검출 소자의 동작을 살펴보면, 먼저 광원(47)에서 소정의 파장을 갖는 광을 소정의 입사각도(Ψ)로 상기 제 1 회 절 격자(42)에 입사시킨다. 제 1 회절 격자(42)는 입사된 광을 광도파로(41)의 내부로 전달한다. 광도파로(41)에 입사된 광은 θ의 각도로 전반사되면서 광도파로(41) 내부를 진행한다. 이때, 상기 광의 일부는 상기 광도파로(41)의 상면에 접합된 마이크로 구(43)로 전달되며, 상기 마이크로 구(43)의 내면을 따라 전반사되면서 공진을 일으킨다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 다수의 마이크로 구(43)는 광도파로(41)와 접하고 있을 뿐만 아니라, 인접하는 마이크로 구(43)와도 접하고 있다. 그 결과, 광 에너지는 마이크로 구(43)와 광도파로(41) 사이 뿐만 아니라, 인접하는 마이크로 구(41) 사이에서도 전달된다. 따라서, 광 에너지를 매우 효율적으로 사용할 수 있다.Referring to the operation of the biochip platform having the above-described structure and the biological sample detection device, first, light having a predetermined wavelength is incident on the first diffraction grating 42 at a predetermined incident angle Ψ by the light source 47. The first diffraction grating 42 transmits the incident light into the optical waveguide 41. The light incident on the optical waveguide 41 propagates inside the optical waveguide 41 while totally reflecting at an angle of θ. At this time, a part of the light is transmitted to the micro sphere 43 bonded to the upper surface of the optical waveguide 41, the total reflection along the inner surface of the micro sphere 43 causes resonance. As shown in FIG. 6A, the plurality of microspheres 43 are not only in contact with the optical waveguide 41 but also in contact with the adjacent microspheres 43. As a result, the light energy is transmitted not only between the microspheres 43 and the optical waveguide 41 but also between adjacent microspheres 41. Therefore, light energy can be used very efficiently.

비록 도 6a에 도시되어 있지는 않지만, 상기 마이크로 구(43)의 표면에는 분석 대상이 되는 시료가 부착될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 시료에 형광체가 미리 첨가되어 있는 경우, 마이크로 구(43) 내면의 전반사 지점에서 마이크로 구(43)의 외부로 방출되는 소산파에 의해 상기 형광체를 여기시킬 수 있다. 이렇게 형광체에서 여기되는 광을 광검출기(48)로 검출하여 시료를 분석할 수 있다. 다른 방법으로, 마이크로 구(43)의 표면에 여러 가지 종류의 바이오 물질을 부착하고, 상기 마이크로 구(43)에 시료를 제공할 경우, 굴절률 변화를 관찰하여 시료의 성분을 분석할 수 있다. 이러한 굴절률의 변화는 제 2 회절 격자(46)를 통해 광도파로(41)로부터 나오는 출력광을 광검출기(48)로 검출하여 감지하는 것이 가능하다.Although not shown in FIG. 6A, a sample to be analyzed may be attached to the surface of the microsphere 43. As described above, when the phosphor is added to the sample in advance, the phosphor may be excited by the dissipation wave emitted to the outside of the microsphere 43 at the total reflection point of the inner surface of the microsphere 43. In this way, the light excited by the phosphor can be detected by the photodetector 48 to analyze the sample. Alternatively, when various kinds of biomaterials are attached to the surface of the microspheres 43 and the sample is provided to the microspheres 43, the components of the sample may be analyzed by observing a change in refractive index. Such a change in refractive index can be detected by detecting the light output from the optical waveguide 41 through the second diffraction grating 46 with the photodetector 48.

한편, 도 6a의 단면도에서는 상기 마이크로 구(43)가 1차원적으로 배열된 것으로 도시되어 있지만, 상기 광도파로(41)가 넓은 평판의 형태일 경우, 상기 마이 크로 구(43)는 넓은 평판 형태의 광도파로(41) 위에 2차원적으로 배열되는 것이 가능하다.In the cross-sectional view of FIG. 6A, the microspheres 43 are one-dimensionally arranged. However, when the optical waveguide 41 is in the form of a wide plate, the microspheres 43 are in the form of a wide plate. It is possible to be arranged two-dimensionally on the optical waveguide 41 of the.

도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오칩 플랫폼 및 생체시료 검출 소자를 도시하는 단면도이다. 도 6a의 경우, 광도파로(41) 위에 마이크로 구(43)가 단층으로 배열되어 있지만, 도 6b의 실시예에서와 같이, 마이크로 구(43)를 2층 이상의 복층으로 배열하는 것이 가능하다. 즉, 광도파로(41) 위에 마이크로 구(43)를 3차원적으로 배열할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 광 에너지는 마이크로 구(43)와 광도파로(41) 사이 뿐만 아니라, 인접하는 마이크로 구(41) 사이에서도 전달되기 때문에, 광도파로(41)와 직접 접하지 않는 마이크로 구(41)에도 광 에너지가 충분히 전달될 수 있다. 따라서, 좁은 면적 내에 더 많은 수의 마이크로 구(41)를 배치하는 것이 가능하다. 그 결과, 광 에너지의 이용 효율을 보다 더 높일 수 있다. 또한, 더 많은 수의 마이크로 구(41)를 사용할수록, 표면적이 증가하므로 한 번에 측정할 수 있는 시료의 양이 증가하며, 굴절률의 작은 변화도 쉽게 감지하여 고감도의 생체시료 검출 소자를 제공하는 것이 가능하다.6B is a cross-sectional view illustrating a biochip platform and a biological sample detection device according to another embodiment of the present invention. In the case of FIG. 6A, the microspheres 43 are arranged in a single layer on the optical waveguide 41, but as in the embodiment of FIG. 6B, the microspheres 43 can be arranged in two or more layers. That is, the microspheres 43 can be three-dimensionally arranged on the optical waveguide 41. As described above, since the light energy is transmitted not only between the microspheres 43 and the optical waveguide 41, but also between adjacent microspheres 41, the microspheres 41 not directly in contact with the optical waveguide 41. ) Can also provide sufficient light energy. Thus, it is possible to place a larger number of micro spheres 41 in a narrow area. As a result, the utilization efficiency of optical energy can be raised further. In addition, as the number of microspheres 41 is used, the surface area increases, thereby increasing the amount of sample that can be measured at one time, and easily detecting small changes in refractive index, thereby providing a highly sensitive biological sample detection device. It is possible.

지금까지 본 발명에 따른 바이오칩 플랫폼 및 이를 이용한 생체시료 검출 소자의 구성 및 동작에 대해 설명하였다. 상술한 설명과 같이, 본 발명에 따른 바이오칩 플랫폼은 에너지 효율이 매우 높으며, 마이크로 구를 제한 없이 연결할 수 있기 때문에, 마이크로 구의 수에 따라 마이크로 구의 표면에 있는 시료의 굴절률 변화에 대한 감도를 높일 수 있다. So far, the configuration and operation of the biochip platform and the biological sample detection device using the same have been described. As described above, the biochip platform according to the present invention has a very high energy efficiency and can connect the microspheres without limitation, thereby increasing the sensitivity to the change in refractive index of the sample on the surface of the microspheres according to the number of microspheres. .                     

또한, 본 발명에 따르면, 소산파를 통해 표면에 있는 시료와 선택적으로 광결합하므로, 신호대잡음비(SNR)가 높고, 최종 세척 과정을 줄일 수 있는 등 종래의 장점도 그대로 유지할 수 있다.In addition, according to the present invention, by selectively optically coupled to the sample on the surface through the dissipation wave, the conventional advantages, such as high signal-to-noise ratio (SNR), can reduce the final cleaning process can be maintained.

Claims (13)

기판;Board; 상기 기판 위에 형성되며, 광을 전달하기 위한 광도파로; 및An optical waveguide formed on the substrate and configured to transmit light; And 상기 광도파로의 상면에 부착된 것으로, 상기 광도파로로부터 광을 전달받아 공진을 일으키는 적어도 하나의 마이크로 구(micro sphere);를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.And at least one micro sphere attached to an upper surface of the optical waveguide and receiving light from the optical waveguide to cause resonance. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광도파로 상면의 양측에는 광도파로 내부로 광을 입사시키기 위한 제 1 회절 격자 및 광도파로 내부를 진행하는 광을 외부로 출력하기 위한 제 2 회절 격자가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.And a first diffraction grating for injecting light into the optical waveguide and a second diffraction grating for outputting light traveling in the optical waveguide to the outside, respectively, on both sides of the upper surface of the optical waveguide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광도파로는 평판의 형태이며, 상기 평판 형태의 광도파로 상면에 다수의 마이크로 구가 서로 접하도록 2차원 또는 3차원적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.The optical waveguide is in the form of a flat plate, the biochip platform, characterized in that arranged in two or three-dimensional so that a plurality of micro spheres in contact with each other on the upper surface of the flat waveguide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광도파로의 굴절률과 상기 마이크로 구의 굴절률은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.And a refractive index of the microspheres is substantially equal to that of the optical waveguide. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 광도파로는 TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2, ZnO, Al2O3 및 Nb2O5 로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유전체 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.And wherein the optical waveguide comprises at least one dielectric material selected from the group consisting of TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , ZnO, Al 2 O 3, and Nb 2 O 5 . 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 마이크로 구는 형광성 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.The microspheres are biochip platform, characterized in that consisting of a fluorescent material. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 마이크로 구의 표면이 형광성 물질로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.Biochip platform, characterized in that the surface of the microsphere is coated with a fluorescent material. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 마이크로 구의 표면에 바이오 물질이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.Biochip platform, characterized in that the biomaterial is attached to the surface of the microsphere. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 마이크로 구의 직경은 1㎛ 내지 1000㎛ 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.The diameter of the microspheres biochip platform, characterized in that in the range of 1㎛ to 1000㎛. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 마이크로 구와 접하지 않는 광도파로의 상면 부분이 상기 광도파로 보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 플랫폼.And a top portion of the optical waveguide not in contact with the microspheres is coated with a material having a lower refractive index than the optical waveguide. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 바이오칩 플랫폼;A biochip platform according to any one of claims 1 to 8; 상기 광도파로로 입사되는 광을 발생시키는 광원; 및A light source generating light incident on the optical waveguide; And 출력광을 검출하는 광검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체시료 검출 소자.And a photo detector for detecting output light. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 광검출기는 상기 광도파로로부터 출사되는 광을 검출하는 것을 특징으로 하는 생체시료 검출소자.And the photodetector detects light emitted from the optical waveguide. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 광검출기는 마이크로 구의 표면에 부착된 시료로부터 방출되는 여기광 또는 형광을 검출하는 것을 특징으로 하는 생체시료 검출소자.And the photodetector detects the excitation light or the fluorescence emitted from the sample attached to the surface of the microsphere.
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