[논문]국소 생체 반응의 측정을 통한 고감도 SPR 바이오센서 구현

국소 생체 반응의 측정을 통한 고감도 SPR 바이오센서 구현
Highly Sensitive SPR Detection by Target Localization 원문보기

마경재 (연세대학교 전기전자공학부) , 김동준 (연세대학교 전기전자공학부) , 김규정 (연세대학교 나노메디컬협동과정) , 문세영 (연세대학교 나노메디컬협동과정) , 김동현 (연세대학교 전기전자공학부)

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본 논문에서는 이러한 이론적인 근거를 토대로 DNA 중합 반응을 실험적 측정을 통해 관찰하여 측정할 수 있는 DNA의 양을 정량적으로 추산해 보았으며 이를 통하여 SPR 측정감도의 향상 및 분자반응의 측정 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 먼저 Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA)를 이용하여 센서 구조 내에 입사된 빔에 의해 생기는 국소표면플라즈몬 공명을 확인하고, 그로 인한 생체물질 변화 감지를 분석 및 실험을 통하여 증명하고자 한다. 생체물질 변화감지를 알아보기 위한 실험으로서는 24개의 베이스 시퀀스를 가지는 DNA 중합 반응이 이용되었다.

금은 보통 SPR 센서의 금속 박막을 형성시킬 때 이용되며 다른 재료에 비해 DNA 칩 제조에 용이한 특성을 가지므로 널리 이용된다. 또한 강한 필드가 걸리는 위치에 선택적 반응을 일으키기 위해 일정한 각도로 기판을 기울여 증착을 함으로써 SiO₂층을 형성하였다.
결과적으로 기울임 증착을 통해 금 나노선 부근 일정 부의 틈만을 허용하여, 이 부분에만 선택적으로 DNA의 중합 반응이 일어나도록 하였다. 또한 금속 나노선 제작을 위한 다양한 구조적 파라미터를 고려하였다. 고려된 파라미터로는 하단부 금박막의 두께(d_f) 4 0 - 5 0 nm , 상 층 부 나 노 선 의 높 이(d_g) 10-20nm, 주기(Λ) 300-500nm 그리고 주기 내 나노선의 점유율(f) 50-70% 등이 있다.
본 연구에서는 먼저 Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA)를 이용하여 센서 구조 내에 입사된 빔에 의해 생기는 국소표면플라즈몬 공명을 확인하고, 그로 인한 생체물질 변화 감지를 분석 및 실험을 통하여 증명하고자 한다. 생체물질 변화감지를 알아보기 위한 실험으로서는 24개의 베이스 시퀀스를 가지는 DNA 중합 반응이 이용되었다. 센서의 구조는 먼저 SF10의 유전체 기판을 기반으로 주기적인 금속 나노선이 배열된 금속 박막의 형태로서, 여러 금속 중에서도 금 (Au) 을 재료로 하였다.

생체물질 변화감지를 알아보기 위한 실험으로서는 24개의 베이스 시퀀스를 가지는 DNA 중합 반응이 이용되었다. 센서의 구조는 먼저 SF10의 유전체 기판을 기반으로 주기적인 금속 나노선이 배열된 금속 박막의 형태로서, 여러 금속 중에서도 금 (Au) 을 재료로 하였다. 금은 보통 SPR 센서의 금속 박막을 형성시킬 때 이용되며 다른 재료에 비해 DNA 칩 제조에 용이한 특성을 가지므로 널리 이용된다.

층은 금 박막의 센서표면에 probe DNA 층을 형성 시킬 때 금과 DNA의 흡착을 막아주는 기능을 한다. 결과적으로 기울임 증착을 통해 금 나노선 부근 일정 부의 틈만을 허용하여, 이 부분에만 선택적으로 DNA의 중합 반응이 일어나도록 하였다. 또한 금속 나노선 제작을 위한 다양한 구조적 파라미터를 고려하였다.
계산결과를 검토해 볼 때 결론적으로 SEF_UTV의 값이 가장 커지는 구조적 파라미터는 박막두께 값에 관계없이 동일하게 나타나며 최대 12, 즉 12배 이상 감도가 개선되는 결과를 얻었다. 이때의 파라미터는 각각 d_f = 40m, d_g = 20nm, Λ = 400nm, f = 50% 그리고 𝜃_eva = 30° 이다.

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