KR20140077745A - A biosensor including metal structure - Google Patents

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Abstract

A biosensor according to one embodiment of the present invention comprises a microfluidic channel having one side on which a detection unit for detecting a biomaterial is arranged and the other side on which a metal structure for increasing the temperature of fluid is arranged, wherein the fluid is provided to the microfluidic channel and the biomaterial included in the fluid with an increased temperature moves to the detection unit.

Description

금속 구조체를 포함하는 바이오 센서{A biosensor including metal structure}[0001] The present invention relates to a biosensor including a metal structure,

본 발명은 금속 구조체를 포함하는 바이오 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈몬 공명현상이 발생되는 금속 구조체를 포함하는 바이오 센서를 제공하는데 있다.The present invention relates to a biosensor including a metal structure, and more particularly, to a biosensor including a metal structure in which a plasmon resonance phenomenon occurs.

바이오 물질 검출 장치(즉, 바이오 센서)란, 특정한 바이오 물질에 대한 인식기능을 갖는 생물학적 수용체와 분석하고자 하는 분석체와의 선택적 반응 및 결합에 따라 변화되는 광학적 또는 전기적 신호를 감지할 수 있는 소자이다. 즉, 바이오 센서는 바이오 물질들의 존재를 확인하거나, 정성적 또는 정량적으로 분석할 수 있다. 여기서, 생물학적 수용체(즉, 감지 물질)로는 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 효소, 항체 및 DNA등이 사용된다. 그리고, 신호 감지 방법으로는 분석체의 유무에 따라 전기적 신화 변화, 수용체와 분석체의 화학적 반응에 의한 광학적 신화 변화 등 다양한 물리화학적 방법을 사용하여 바이오 물질을 검출 및 분석한다.A biomolecule detection device (i.e., a biosensor) is an element capable of sensing an optical or electrical signal that changes depending on selective reaction and binding between a biological receptor having a recognition function for a specific biomolecule and an analyte to be analyzed . That is, the biosensor can confirm the presence of biomaterials, or analyze qualitatively or quantitatively. Here, as the biological receptor (i.e., sensing substance), an enzyme, an antibody, and DNA capable of selectively reacting with and binding to a specific substance are used. As a signal detection method, biomaterials are detected and analyzed by using various physicochemical methods such as electrical myth change depending on presence or absence of analyte and optical myth change due to chemical reaction of receptor and analyte.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유체 내에 포함되어 있는 바이오 물질의 운동을 제어하여 감지 효율이 향상된 금속 구조체를 포함하는 바이오 센서를 제공하는데 있다.The present invention provides a biosensor including a metal structure having improved sensing efficiency by controlling movement of a biomaterial contained in a fluid.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 바이오 물질을 검출하는 감지부가 배치된 일면, 및 유체의 온도를 상승시키는 금속 구조체가 배치된 타면을 갖는 미세 유체 채널을 포함하고, 상기 유체는 상기 미세 유체 채널에 제공되고, 온도가 상승된 상기 유체에 포함된 바이오 물질이 상기 감지부로 이동한다.The biosensor according to an embodiment of the present invention includes a microfluidic channel having one surface on which a sensing unit for sensing a bio material is disposed and another surface on which a metal structure for increasing temperature of the fluid is disposed, The biomaterial contained in the fluid supplied to the channel and having the temperature raised moves to the sensing section.

상기 상부기판은 투명한 기판으로 이루어질 수 있다.The upper substrate may be a transparent substrate.

상기 상부기판은 유리기판, 실리콘 기판, 금속 산화물 기판 또는 고분자 기판을 포함할 수 있다.The upper substrate may include a glass substrate, a silicon substrate, a metal oxide substrate, or a polymer substrate.

상기 감지부 표면에 고정되어 있는 포집 분자들을 더 포함할 수 있다.And may further include trapping molecules fixed on the surface of the sensing unit.

상기 포집 분자들은 핵산, 세포, 바이러스, 단백질, 유기분자 또는 무기분자일 수 있다.The capture molecules may be nucleic acids, cells, viruses, proteins, organic molecules or inorganic molecules.

상기 감지부는 표면 플라즈몬 공명 또는 표면 강화 라만 산란을 일으키는 물질을 포함할 수 있다.The sensing unit may comprise a material that causes surface plasmon resonance or surface enhanced Raman scattering.

상기 감지부는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 형광체(fluorophore), 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다.The sensing unit may include Au, Ag, Cu, Al, a fluorophore, or a quantum dot.

상기 금속 구조체는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.The metal structure may be formed of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or aluminum (Al).

상기 금속 구조체는 나노 금속 입자들을 포함할 수 있다.The metal structure may comprise nano-metal particles.

상기 나노 금속 입자들은 1nm 내지 1000nm의 입경을 가질 수 있다.The nano-metal particles may have a particle diameter of 1 nm to 1000 nm.

상기 나노 금속 입자들은 구형, 오각형, 초생달형, 별형, 막대형, 코어-쉘 구조, 두 개의 막대형(dipole slab), 나비 넥타이형(bowtie), 다이머형(dimer) 또는 트라이머형(trimer)을 가질 수 있다.The nano-metal particles can be in the form of spheres, pentagons, crescents, stars, bars, core-shell structures, dipole slabs, bowtie, dimers or trimers. Lt; / RTI >

상기 금속 구조체와 상기 감지부는 마주보도록 배치될 수 있다.The metal structure and the sensing unit may be disposed to face each other.

상기 금속 구조체와 상기 감지부는 서로 어긋나게 대향되도록 배치될 수 있다.The metal structure and the sensing unit may be arranged to be opposite to each other.

상기 광원부는 제논 램프(Xenon lamp), 할로겐 램프(halogen lamp), 백색 LED 또는 레이저를 포함하는 다색광 또는 단색광으로 구현될 수 있다.The light source may be a multi-color light or a monochromatic light including a Xenon lamp, a halogen lamp, a white LED or a laser.

상기 광원부에서 발광하는 상기 광은 근적외선 이상의 장파장을 포함할 수 있다.The light emitted from the light source portion may include a long wavelength longer than near infrared rays.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 하부기판, 상기 하부기판과 이격되어 배치된 상부기판, 상기 상부기판 상에 광을 제공하는 광원부, 상기 하부기판 상면에 배치된 감지부, 및 상기 상부기판 하면에 배치되고 상기 광에 의하여 플라즈몬 공명을 유도하여 열을 발생하는 금속 구조체를 포함하되, 상기 금속 구조체에서 발생된 상기 열은 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 제공된 유체의 온도를 상승시키고, 상기 유체에 포함된 바이오 물질들이 상기 감지부로 이동한다.A biosensor according to an embodiment of the present invention includes a lower substrate, an upper substrate spaced apart from the lower substrate, a light source unit for providing light on the upper substrate, a sensing unit disposed on the upper surface of the lower substrate, Wherein the heat generated in the metal structure raises the temperature of the fluid provided between the lower substrate and the upper substrate, and the heat generated in the metal structure increases the temperature of the fluid provided between the lower substrate and the upper substrate, The biomaterials contained in the fluid move to the sensing unit.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 금속 구조체의 발열 효과를 이용하여 유체에 포함되어 있는 바이오 물질들의 운동을 제어하여 감지부 표면으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 극미량의 검출물질을 정확하기 검출할 수 있는 고감도의 바이오 센서를 구현할 수 있다.The biosensor according to an embodiment of the present invention can move the biomaterial contained in the fluid to the surface of the sensing unit by using the heating effect of the metal structure. Therefore, a biosensor with high sensitivity capable of accurately detecting a trace amount of detection substance can be realized.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체의 금속 입자들의 모양을 나타낸 평면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 측정 방법을 나타낸 단면도이다.1 is a plan view showing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a biosensor according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3D are plan views illustrating metal particles of a metal structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a method of measuring a biosensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or plan views, which are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective description of the technical content. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are generated according to the manufacturing process. For example, the etched area shown at right angles may be rounded or may have a shape with a certain curvature. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific types of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 나타낸 평면도이다.1 is a plan view showing a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 바이오 센서는 미세 유체 채널을 포함한다. 상기 미세 유체 채널은 하부기판(11), 상기 하부기판(11)과 일정 간격 이격되어 마주보는 상부기판(13), 상기 하부기판(11)과 상기 상부기판(13)을 결합하는 측벽부들(15a, 15b)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the biosensor includes a microfluidic channel. The microfluidic channel includes a lower substrate 11, an upper substrate 13 spaced apart from the lower substrate 11 by a predetermined distance, sidewalls 15a connecting the lower substrate 11 and the upper substrate 13 , 15b.

상기 하부기판(11)의 일부분 상에 감지부(21)를 형성할 수 있다. 상세하게, 상기 감지부(21)는 표면 플라즈몬 공명 또는 표면 강화 라만 산란을 일으키는 물질을 포함할 수 있다. 상기 감지부(21)의 표면은 포집 분자들이 고정화될 수 있다.The sensing unit 21 may be formed on a part of the lower substrate 11. In detail, the sensing unit 21 may include a material that causes surface plasmon resonance or surface enhanced Raman scattering. The surface of the sensing unit 21 may be immobilized with trapping molecules.

상기 상부기판(13)의 일부분 상에 금속 구조체(23)를 형성할 수 있다. 상세하게, 상기 금속 구조체(23)는 상기 미세 유체 채널 내에 배치될 수 있다. 상기 감지부(21)와 상기 금속 구조체(23)는 서로 어긋나게 대향될 수 있고, 서로 마주보게 배치될 수 있다. 상기 감지부(21)와 상기 금속 구조체(23)의 배치는 상기 미세 유체 채널 내에 제공되는 유체의 유동 여부에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 감지부(21)와 상기 금속 구조체(23)는 서로 어긋나게 대향되어 있다. 상기 금속 구조체(23)는 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 물질일 수 있다. 상기 금속 구조체(23)는 나노크기의 금속 입자들로 이루어질 수 있다. 상기 상부기판(13) 상에 광원(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 광원에서 발생된 광은 상기 금속 구조체(23)로 조사되어야 한다. 이에 따라, 상기 상부기판(13)은 투명한 기판일 수 있다.A metal structure 23 may be formed on a part of the upper substrate 13. In detail, the metal structure 23 may be disposed in the microfluidic channel. The sensing unit 21 and the metal structure 23 may be opposed to each other and may be disposed to face each other. The arrangement of the sensing unit 21 and the metal structure 23 may vary depending on whether the fluid provided in the microfluidic channel is flowing. According to an embodiment of the present invention, the sensing unit 21 and the metal structure 23 are offset from each other. The metal structure 23 may be a material that causes plasmon resonance. The metal structure 23 may be made of nano-sized metal particles. A light source (not shown) may be disposed on the upper substrate 13. The light generated from the light source should be irradiated to the metal structure 23. Accordingly, the upper substrate 13 may be a transparent substrate.

상기 미세 유체 채널 내에는 유체로 채워질 수 있다. 상기 유체는 다양한 바이오 물질들이 포함될 수 있다. The microfluidic channel may be filled with a fluid. The fluid may include various bio materials.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 나타낸 단면도이다. 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체의 금속 입자들의 모양을 나타낸 평면도들이다.2 is a cross-sectional view illustrating a biosensor according to an embodiment of the present invention. FIGS. 3A to 3D are plan views illustrating metal particles of a metal structure according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 상기 바이오 센서(100)는 하부기판(11), 상부기판(13), 감지부(21), 금속 구조체(23), 및 광원부(30)를 포함할 수 있다. 상기 하부기판(11)과 상기 상부기판(13)은 일정 간격 이격되면서 결합될 수 있다. 상기 감지부(21)는 상기 하부기판(11)의 일부 상면에 배치되고, 상기 금속 구조체(23)는 상기 상부기판(13)의 일부 하면에 배치될 수 있다. 상기 감지부(21)와 상기 금속 구조체(23)는 서로 어긋나게 대향될 수 있고, 서로 마주보게 배치될 수 있다. 상기 상부기판(13) 상에 광원부(30)가 배치될 수 있다. 상기 광원부(30)는 상기 금속 구조체(23)에 광을 제공할 수 있다. 상기 하부기판(11)과 상기 상부기판(13) 사이에 유체(40)가 제공될 수 있다.Referring to FIG. 2, the biosensor 100 may include a lower substrate 11, an upper substrate 13, a sensing unit 21, a metal structure 23, and a light source 30. The lower substrate 11 and the upper substrate 13 may be separated from each other by a predetermined distance. The sensing unit 21 may be disposed on a part of the upper surface of the lower substrate 11 and the metal structure 23 may be disposed on a lower surface of the upper substrate 13. The sensing unit 21 and the metal structure 23 may be opposed to each other and may be disposed to face each other. The light source unit 30 may be disposed on the upper substrate 13. The light source unit 30 may provide light to the metal structure 23. A fluid 40 may be provided between the lower substrate 11 and the upper substrate 13.

상기 하부기판(11)은 투명 또는 불투명한 기판일 수 있다. 상기 하부기판(11)은 예를 들어, 유리기판, 실리콘 기판, 금속 산화물 기판, 고분자 기판, 또는 금속기판일 수 있다. The lower substrate 11 may be a transparent or opaque substrate. The lower substrate 11 may be, for example, a glass substrate, a silicon substrate, a metal oxide substrate, a polymer substrate, or a metal substrate.

상기 상부기판(13)은 투명한 기판일 수 있다. 상기 상부기판(13)은 유리기판, 실리콘 기판 또는 투명 산화물 기판일 수 있다. 상기 투명 산화물 기판은 예를 들어, 티타늄 산화물 기판(TiO2), 탄탈륨 산화물 기판(Ta2O5), 또는 알루미늄 산화물 기판(Al2O3)일 수 있다. 또한, 상기 상부기판(13)은 투명한 고분자 물질을 포함한 기판일 수 있다. 상기 고분자 물질은 예를 들어, PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cyclic olefin copolymer), PA(polyamide), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), 또는 PFA(perfluoralkoxyalkane)일 수 있다.The upper substrate 13 may be a transparent substrate. The upper substrate 13 may be a glass substrate, a silicon substrate, or a transparent oxide substrate. The transparent oxide substrate may be, for example, a titanium oxide substrate (TiO 2 ), a tantalum oxide substrate (Ta 2 O 5 ), or an aluminum oxide substrate (Al 2 O 3 ). The upper substrate 13 may be a substrate including a transparent polymer material. The polymeric material may be, for example, polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate, cyclic olefin copolymer (COC), polyamide (PA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyphenylene ether , Polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluride (PVDF), polybutyleneterephthalate (PBT), fluorinated ethylenepropylene (FEP), or perfluoralkoxyalkane have.

상기 감지부(21)는 표면 플라즈몬 공명 또는 표면 강화 라만 산란을 일으키는 물질을 포함할 수 있다. 상기 감지부(21)는 금속박막, 유기 형광체(fluorophore), 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다. 상기 금속박막은 금(Au) 박막, 은(Ag) 박막, 구리(Cu) 박막, 또는 알루미늄(Al) 박막일 수 있다. 상기 감지부(21) 표면에 포집 분자들(25)이 고정화될 수 있다. 상기 포집 분자들(25)은 분석하고자 하는 바이오 물질과 특이 결합하여 상기 바이오 물질을 포집할 수 있다. 상기 포지 분자들(25)과 상기 바이오 물질의 반응은 핵산 혼성화, 항원-항체 반응 또는 효과결합 반응일 수 있다. 따라서, 상기 바이오 물질은 상기 감지부(21) 표면에 고정될 수 있다. 상기 포집 분자들(25)은 예를 들어, 단백질, 세포, 바이러스, 핵산 유기 분자 또는 무기 분자일 수 있다. 상기 포집 분자들(25)이 단백질인 경우, 상기 단백질은 예를 들어, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소 또는 조효소일 수 있다. 상기 포집 분자들(25)이 핵산인 경우, 상기 핵산은 예를 들어, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 이들의 혼성체일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서 상기 포집 분자들(25)은 항원과 특이 결합할 수 있는 포집 항체일 수 있다.The sensing unit 21 may include a material that causes surface plasmon resonance or surface enhanced Raman scattering. The sensing unit 21 may include a metal thin film, an organic fluorescent material, or a quantum dot. The metal thin film may be a gold (Au) thin film, a silver (Ag) thin film, a copper (Cu) thin film, or an aluminum (Al) thin film. The trapping molecules 25 may be immobilized on the surface of the sensing unit 21. The trapping molecules 25 can specifically bind to the bio-material to be analyzed and capture the bio-material. The reaction of the forge molecules 25 with the biomaterial may be nucleic acid hybridization, an antigen-antibody reaction or an effect binding reaction. Accordingly, the bio material may be fixed on the surface of the sensing unit 21. [ The trapping molecules 25 may be, for example, proteins, cells, viruses, nucleic acid organic molecules or inorganic molecules. When the capture molecules 25 are proteins, the protein may be, for example, an antigen, an antibody, a substrate protein, an enzyme or a coenzyme. When the capture molecules 25 are nucleic acids, the nucleic acid may be, for example, DNA, RNA, PNA, LNA, or a mixture thereof. Specifically, in one embodiment of the present invention, the trapping molecules 25 may be a trapping antibody capable of specifically binding to an antigen.

상기 감지부(21) 표면에 상기 포집 분자들(25)을 고정화시키는 방법으로는 화학적인 흡착(chemical adsorption), 공유결합(covalent-binding), 전기적인 결합(electrostatic attraction), 공중합체(co-polymerization), 또는 아비딘-바이오틴 결합 시스템(avidin-biotin affinity system) 등이 이용될 수 있다. 더욱 상세하게, 상기 감지부(21) 표면에 상기 포집 분자들(25)을 고정화시키기 위하여 관능기(functional group)가 제공될 수 있다. 상기 관능기는 예를 들어, 카르복실기(-COOH), 티올기(-SH), 수산기(-OH), 실란기(Si-H), 아민기(-NH), 또는 에폭시기일 수 있다. Methods for immobilizing the trapping molecules 25 on the surface of the sensing unit 21 include chemical adsorption, covalent-binding, electrostatic attraction, co- polymerization, or an avidin-biotin affinity system may be used. In more detail, a functional group may be provided to immobilize the trapping molecules 25 on the surface of the sensing unit 21. The functional group may be, for example, a carboxyl group (-COOH), a thiol group (-SH), a hydroxyl group (-OH), a silane group (Si-H), an amine group (-NH), or an epoxy group.

상기 금속 구조체(23)는 나노 금속 입자들(23a)로 이루어질 수 있다. 상기 나노 금속 입자들(23a)은 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 물질을 포함할 수 있다. 상기 나노 금속 입자들(23a)은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 상기 나노 금속 입자들(23a)은 약 1nm 내지 약 1000nm의 크기를 가질 수 있다. 상기 나노 금속 입자들(23a)은 다양한 모양을 가질 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 나노 금속 입자들(23a)은 예를 들어, 구형(spherical), 또는 오각형(pentagon)일 수 있다. 이와 달리, 도 3c 및 도 3d를 참조하면, 상기 나노 금속 입자들(23a)은 한 쌍으로 이루어진 막대형(dipole slab), 나비 넥타이형(bowtie)일 수 있다. 도 3c 및 도 3d와 같이 상기 나노 금속 입자들(23a)이 하나의 쌍으로 형성될 경우, 상기 나노 금속 입자들(23a) 사이의 간극 주변에 국소적으로 높은 플라즈몬 공명흡수를 기대할 수 있다. 도면에서는 도시되지 않았지만, 상기 나노 금속 입자들(23a)은 초생달형(croissant-shaped), 별형(star-shaped), 막대형(rod-shaped), 코어-쉘(core-shell)구조, 다이머(dimer)형, 또는 트라이머(trimer)형일 수 있다. 상기 나노 금속 입자들(23a)이 코어-쉘 구조일 경우, 상기 코어는 금속 물질을 포함하고, 상기 쉘은 유전체 물질(예를 들어, 유리, 고분자(polystyrene, polycarbonate, PMMA, COC))을 포함할 수 있다. The metal structure 23 may include nano-metal particles 23a. The nanometer-sized metal particles 23a may include a substance that causes plasmon resonance. The nano metal particles 23a may include, for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or aluminum (Al). The nanometer-sized metal particles 23a may have a size of about 1 nm to about 1000 nm. The nano metal particles 23a may have various shapes. Referring to FIGS. 3A and 3B, the nano metal particles 23a may be spherical, or pentagon, for example. Alternatively, referring to FIGS. 3c and 3d, the nanometer-sized metal particles 23a may be a pair of a dipole slab or a bowtie. As shown in FIGS. 3c and 3d, if the nanometer-sized metal particles 23a are formed as a pair, a high plasmon resonance absorption can be expected locally around the gap between the nanometer-sized metal particles 23a. Although not shown in the drawing, the nanometer-sized metal particles 23a may be croissant-shaped, star-shaped, rod-shaped, core-shell structure, dimer type, or a trimer type. When the nano metal particles 23a are in a core-shell structure, the core comprises a metallic material and the shell comprises a dielectric material (e.g., polystyrene, polycarbonate, PMMA, COC) can do.

상기 금속 구조체(23)는 플라즈몬 공명흡수 현상이 일어나며, 상기 금속 구조체(23)의 플라즈몬 공명흡수에 의하여 광열효과(photo-thermal effect)가 유도될 수 있다. 상기 나노 금속 입자들(23a)의 모양 및 물질은 상기 유체(40) 내에서 상기 금속 구조체(23)의 플라즈몬 공명 흡수 효율이 최대가 되는 조건에 따라 달라질 수 있다.The metal structure 23 undergoes a plasmon resonance absorption phenomenon, and a photo-thermal effect can be induced by plasmon resonance absorption of the metal structure 23. The shape and material of the nano metal particles 23a may vary depending on the conditions under which the plasmon resonance absorption efficiency of the metal structure 23 in the fluid 40 is maximized.

상기 광원부(30)는 다색광(polychromatic light)을 발광하는 제논 램프(Xenon lamp), 백색 LED 또는 할로겐 램프(halogen lamp)을 사용할 수 있고 단색광(monochromatic light)을 발광하는 레이저 다이오드 또는 기체 레이저를 사용할 수 있다. 상기 광원부(30)는 상기 나노 구조체(23)의 플라즈몬 공명흡수 파장과 일치하는 근적외선(<750nm) 파장을 갖는 단색광을 입사광으로 제공되어야 한다. 이에 따라, 입사광이 상기 다색광일 경우, 상기 광원부(30)와 상기 상부기판(13) 사이에 광필터(미도시)가 제공되어야 한다.The light source unit 30 may be a Xenon lamp, a white LED, or a halogen lamp that emits a polychromatic light or may use a laser diode or a gas laser that emits monochromatic light. . The light source unit 30 should provide monochromatic light having a near infrared (< 750 nm) wavelength coinciding with the plasmon resonance absorption wavelength of the nanostructure 23 as incident light. Accordingly, when the incident light is the multi-color light, an optical filter (not shown) must be provided between the light source unit 30 and the upper substrate 13.

상기 유체(40)는 생체로부터 얻어진 체액일 수 있다. 상기 유체(40)는 다양한 물질들이 포함된 예를 들어, 들어, 혈액, 혈장, 혈청, 소변 또는 타액일 수 있다. 상기 바이오 물질들은 형광체에 의해 표지될 수 있다. The fluid 40 may be a body fluid obtained from a living body. The fluid 40 may be, for example, blood, plasma, serum, urine, or saliva containing various materials. The biomaterials may be labeled with a phosphor.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 측정 방법을 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a method of measuring a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 바이오 물질들(43)이 포함된 유체(40)는 상기 하부기판(11)과 상부기판(13) 사이에 제공될 수 있다. 상기 유체(40)는 유동적이거나 유동적이지 않을 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 유체(40)는 A 방향에서 B방향으로 흐를 수 있다. Referring to FIG. 4, a fluid 40 containing biomaterials 43 may be provided between the lower substrate 11 and the upper substrate 13. The fluid 40 may not be fluid or fluid, and in one embodiment of the present invention, the fluid 40 may flow in the A direction to the B direction.

광원부(30)에서 발광하는 광은 나노 금속 입자들(23a)로 이루어진 금속 구조체(23)로 입사되어 상기 나노 금속 입자들(23a)의 플라즈몬 공명 현상을 발생시킬 수 있다. 상기 플라즈몬 공명 현상은 금속 내의 자유 전자와의 상호 작용에 의하여 금속 표면에 빛이 갇히는 경우를 말한다. 상기 플라즈몬 공명 현상에 의하여 상기 나노 금속 입자들(23a) 표면에 강한 전자기장 및 광열 효과가 형성될 수 있다. The light emitted from the light source unit 30 is incident on the metal structure 23 composed of the nano metal particles 23a to cause the plasmon resonance of the nano metal particles 23a. The plasmon resonance phenomenon refers to a case where light is trapped on a metal surface due to interaction with free electrons in the metal. A strong electromagnetic field and a light heat effect can be formed on the surface of the nano metal particles 23a by the plasmon resonance phenomenon.

상기 광열 효과는 표면 플라즈몬 공명 여기(resonant excitation)에 의해 야기되는 전자-광자 결합(electron-phonon coupling) 및 열 분산(heat dissipation)에 의해 온도 구배가 형성되는 것을 말한다. 상기 온도 구배는 유체적 흐름(fluidic motion) 및 열확산(thermal diffusion)을 유도할 수 있다. The photothermal effect refers to the formation of a temperature gradient by electron-phonon coupling and heat dissipation caused by surface plasmon resonant excitation. The temperature gradient may induce fluidic motion and thermal diffusion.

상기 광열 효과가 일어난 상기 나노 금속 입자들(23a)은 상기 유체(40)의 온도를 상승시켜 상기 유체(40)에 상기 유체적 흐름 및 열확산을 유도시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 유체(40)에 포함된 상기 바이오 물질들(43)은 움직일 수 있다.The nano metal particles 23a with the photothermal effect may raise the temperature of the fluid 40 to induce the fluid flow and the thermal diffusion to the fluid 40. Accordingly, the bio-materials 43 contained in the fluid 40 can move.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 물질들(43)이 고르게 분포되어 있는 상기 유체(40)가 A방향에서 B방향으로 흐를 경우, 상기 바이오 물질들(43)은 상기 광열 효과가 일어난 상기 나노 금속 입자들(23a)에 의하여 상기 하부기판(11)으로 이동될 수 있다. 즉, 상기 바이오 물질들(43)은 상기 하부기판(11)에 배치된 감지부(21)에 집중적으로 분포되도록 이동될 수 있다. 그 결과, 상기 바이오 물질들(43) 중 검출하고자 하는 검출물질이 상기 감지부(21) 표면에 고정된 포집 분자(25)와 결합하여 상기 바이오 물질의 농도 및 존재여부를 확인할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the fluid 40 in which the biomaterials 43 are uniformly distributed flows in the direction B from the direction A, And can be moved to the lower substrate 11 by the nano metal particles 23a. That is, the bio-materials 43 may be moved to be concentrated on the sensing unit 21 disposed on the lower substrate 11. As a result, the detection substance to be detected in the bio-materials 43 is combined with the trapping molecules 25 fixed on the surface of the detection unit 21 to confirm the concentration and existence of the bio-substance.

상기 감지부(21)는 상기 광원부(30)에서 발광된 상기 광에 의한 플라즈몬 공명 또는 독립적인 전기적 신호 또는 광학적 신호에 의하여 구동될 수 있다. 상기 감지부(21)는 상기 감지부(21)의 두께, 굴절률, 형광체 변화와 같은 물리적인 변화를 측정하여 상기 바이오 물질을 검출할 수 있다.The sensing unit 21 may be driven by plasmon resonance by the light emitted from the light source unit 30 or by an independent electrical signal or optical signal. The sensing unit 21 may detect the bio-material by measuring a physical change such as a thickness, a refractive index, and a phosphor change of the sensing unit 21.

상기 유체(40)에 포함되어 있는 상기 바이오 물질들(43)의 개수는 마이크로 미터 당 약 수백만개 내지 약 수천억개이기 때문에 바이오 물질은 매우 낮은 분자 잔존률(molecular abundance)을 갖고 있다. 극미량의 검출물질을 정확하기 검출하기 위하여 상기 금속 구조체(23)의 광열 효과를 이용하여 상기 바이오 물질들(43)의 운동방향을 상기 감지부(21) 방향으로 제어할 수 있다. 따라서, 고감도의 바이오 센서를 구현할 수 있다.Since the number of the bio-materials 43 included in the fluid 40 is about several millions to several hundreds of millions per micrometer, the bio-material has a very low molecular abundance. The movement direction of the biomaterials 43 can be controlled in the direction of the sensing unit 21 by using the photothermal effect of the metal structure 23 in order to accurately detect a very small amount of the sensing material. Therefore, a biosensor with high sensitivity can be realized.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.

11: 하부기판
13: 상부기판
15a, 15b: 측벽부들
23: 금속 구조체
23a: 나노 금속 입자들
25: 포집 분자들
30: 광원부
40: 유체11: Lower substrate
13: upper substrate
15a, 15b:
23: metal structure
23a: nano metal particles
25: collection molecules
30: Light source
40: Fluid

Claims (17)

바이오 물질을 검출하는 감지부가 배치된 일면; 및
유체의 온도를 상승시키는 금속 구조체가 배치된 타면을 갖는 미세 유체 채널을 포함하고,
상기 유체는 상기 미세 유체 채널에 제공되고, 온도가 상승된 상기 유체에 포함된 바이오 물질이 상기 감지부로 이동하는 바이오 센서.A surface on which a sensing section for detecting a bio material is disposed; And
And a microfluidic channel having a second surface on which a metal structure for raising the temperature of the fluid is disposed,
Wherein the fluid is provided to the microfluidic channel, and the biomaterial contained in the fluid whose temperature is raised moves to the sensing unit. 제 1 항에 있어서,
상기 미세 유체 채널의 상기 타면은 투명한 기판을 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the other surface of the microfluidic channel includes a transparent substrate. 제 1 항에 있어서,
상기 미세 유체 채널의 상기 타면은 유리기판, 실리콘 기판, 금속 산화물 기판 또는 고분자 기판을 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the other surface of the microfluidic channel includes a glass substrate, a silicon substrate, a metal oxide substrate, or a polymer substrate. 제 1 항에 있어서,
상기 감지부 표면에 고정되어 있는 포집 분자들을 더 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
Further comprising trapping molecules fixed on a surface of the sensing unit. 제 1 항에 있어서,
상기 포집 분자들은 핵산, 세포, 바이러스, 단백질, 유기분자 또는 무기분자인 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the trapping molecules are nucleic acids, cells, viruses, proteins, organic molecules or inorganic molecules. 제 1 항에 있어서,
상기 감지부는 표면 플라즈몬 공명 또는 표면 강화 라만 산란을 일으키는 물질을 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the sensing unit comprises a material that causes surface plasmon resonance or surface enhanced Raman scattering. 제 6 항에 있어서,
상기 감지부는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 형광체(fluorophore), 또는 양자점(quantum dot)을 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 6,
Wherein the sensing unit includes Au, Ag, Cu, Al, a fluorophore, or a quantum dot. 제 1 항에 있어서,
상기 금속 구조체는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al)으로 형성된 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the metal structure is formed of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or aluminum (Al). 제 1 항에 있어서,
상기 금속 구조체는 나노 금속 입자들을 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the metal structure comprises nano-metal particles. 제 9 항에 있어서,
상기 나노 금속 입자들은 1nm 내지 1000nm의 입경을 갖는 바이오 센서.10. The method of claim 9,
Wherein the nano metal particles have a particle diameter of 1 nm to 1000 nm. 제 9 항에 있어서,
상기 나노 금속 입자들은 구형, 오각형, 초생달형, 별형, 막대형, 코어-쉘 구조, 두 개의 막대형(dipole slab), 나비 넥타이형(bowtie), 다이머형(dimer) 또는 트라이머형(trimer)을 갖는 바이오 센서.10. The method of claim 9,
The nano-metal particles can be in the form of spheres, pentagons, crescents, stars, bars, core-shell structures, dipole slabs, bowtie, dimers or trimers. . 제 1 항에 있어서,
상기 금속 구조체와 상기 감지부는 마주보도록 배치되는 것을 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the metal structure and the sensing unit are disposed to face each other. 제 1 항에 있어서,
상기 금속 구조체와 상기 감지부는 서로 어긋나게 대향되도록 배치되는 것을 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
Wherein the metal structure and the sensing unit are disposed so as to be opposite to each other. 제 1 항에 있어서,
상기 미세 유체 채널의 상기 타면 상에 상기 금속 구조체에 광을 제공하는 광원부를 더 포함하는 바이오 센서.The method according to claim 1,
And a light source unit for providing light to the metal structure on the other surface of the microfluidic channel. 제 14 항에 있어서,
상기 광원부는 제논 램프(Xenon lamp), 할로겐 램프(halogen lamp), 백색 LED 또는 레이저를 포함하는 다색광 또는 단색광으로 구현되는 바이오 센서.15. The method of claim 14,
Wherein the light source unit is implemented as a multi-color light or a monochromatic light including a Xenon lamp, a halogen lamp, a white LED or a laser. 제 14 항에 있어서,
상기 광원부에서 발광하는 상기 광은 근적외선 이상의 장파장을 포함하는 바이오 센서.15. The method of claim 14,
Wherein the light emitted from the light source portion includes a long wavelength longer than near infrared rays. 하부기판;
상기 하부기판과 이격되어 배치된 상부기판;
상기 상부기판 상에 광을 제공하는 광원부;
상기 하부기판 상면에 배치된 감지부; 및
상기 상부기판 하면에 배치되고 상기 광에 의하여 플라즈몬 공명을 유도하여 열을 발생하는 금속 구조체를 포함하되,
상기 금속 구조체에서 발생된 상기 열은 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 제공된 유체의 온도를 상승시키고, 상기 유체에 포함된 바이오 물질들이 상기 감지부로 이동하는 바이오 센서.A lower substrate;
An upper substrate spaced apart from the lower substrate;
A light source unit for providing light on the upper substrate;
A sensing unit disposed on an upper surface of the lower substrate; And
And a metal structure disposed on a lower surface of the upper substrate and generating heat by inducing plasmon resonance by the light,
Wherein the heat generated in the metal structure raises the temperature of the fluid provided between the lower substrate and the upper substrate and moves the biomaterials contained in the fluid to the sensing unit.
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